專利名稱：膜電極接合體以及燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池(燃料電池)。更具體而言，本發(fā)明涉及將單體 蓄電池(七，)平面排列的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是由氫和氧產(chǎn)生電能的裝置，且能夠獲得高發(fā)電效率。作為 燃料電池主要的特征，由于不像目前的發(fā)電方式那樣經(jīng)過熱能或動能的過 程來發(fā)電而是直接發(fā)電，因此可以舉出即使小規(guī)模也能期望獲得高發(fā)電效 率、以及由于氮化合物等的排放少且噪音和振動小因此環(huán)境性良好等特 征。這樣，燃料電池由于能夠有效利用燃料具有的化學(xué)能，并具有良好的
環(huán)境特性，因此作為承擔(dān)21世紀(jì)的能源供給系統(tǒng)而受到期待，從宇宙用 到汽車用、攜帶式設(shè)備用，從大規(guī)模發(fā)電到小規(guī)模發(fā)電，作為能夠在多種 用途使用的將來有美好前景的新型發(fā)電系統(tǒng)受到注目，并朝著實用化且技 術(shù)開發(fā)的正規(guī)化發(fā)展。
尤其固體高分子型燃料電池，與其它種類的燃料電池相比，具有工作 溫度低、功率密度高的特征，特別近年來，被寄期望于用在攜帶式設(shè)備(移 動電話、筆記本型個人計算機、PDA、 MP3播放器、數(shù)碼相機或者電子詞 典(書籍))等的電源中。作為攜帶式設(shè)備用的固體高分子型燃料電池，已知 將多個單體蓄電池平面狀排列的平面排列型的燃料電池(參考專利文獻l)。 作為燃料，除專利文獻l中所述的甲醇外，還對存儲在貯氫合金或者氫氣
瓶中的氫的利用進行了研究。
專利文獻1:日本特開2004-146092號公報
在平面排列型的燃料電池中，催化劑的總面積與功率成比例。另一方 面，電壓取決于串聯(lián)連接的單體蓄電池的數(shù)量。因此，為了實現(xiàn)燃料電池 的小型化且獲得需要的功率以及電壓，需要進一步縮短催化劑層間的間 隔，且盡可能擴大催化劑面積。但是，隨著催化劑層間的間隔變短，出現(xiàn)了催化劑層間短路的問題。
另外，在形成微細(xì)的間隔的催化劑層時，雖然可以采用激光加工，但 存在因激光加工而切斷電解質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈的結(jié)合之類的問題。另 外，若激光加工所產(chǎn)生的熱向電解質(zhì)膜傳導(dǎo)，則會產(chǎn)生電解質(zhì)膜老化之類 的問題。這樣，若產(chǎn)生電解質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)變化和老化，則在使用了氫作為燃 料的情況下，會產(chǎn)生氫泄露從而燃料電池性能老化的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述課題而產(chǎn)生，其目的在于提供一種技術(shù)，該技術(shù)能夠 在平面狀排列單體蓄電池的平面排列型燃料電池中，抑制短路且縮短單體 蓄電池的間隔。另外，本發(fā)明的其他目的在于提供一種技術(shù)，該技術(shù)能夠 在平面狀排列單體蓄電池的平面排列型燃料電池中，抑制電解質(zhì)膜的損壞 且縮短單體蓄電池的間隔。
本發(fā)明的一方式是膜電極接合體。該膜電極接合體的特征在于，具備 電解質(zhì)膜，其含有離子交換劑；設(shè)置于電解質(zhì)膜的一面上的多個第一催化 劑層；與多個第一催化劑層對應(yīng)而設(shè)置于電解質(zhì)膜的另一面上的多個第二 催化劑層；絕緣層，其設(shè)置于相鄰的第一催化劑層之間以及相鄰的第二催 化劑層之間的至少一方的電解質(zhì)膜上。
根據(jù)該方式，由于抑制在相鄰的催化劑層間發(fā)生短路，因此能夠進一 步縮短催化劑層間的距離。即，由于可以縮短平面排列的單體蓄電池間的 距離，因此能夠使平面排列型的膜電極接合體更加緊湊。
在上述方式的膜電極接合體中，在絕緣層設(shè)置于第一催化劑層的一側(cè) 的情況下，絕緣層的單體蓄電池排列方向的端部介于電解質(zhì)膜和第一催化 劑層之間，在絕緣層設(shè)置于第二催化劑層的一側(cè)的情況下，絕緣層的單體 蓄電池排列方向的端部介于電解質(zhì)膜和第二催化劑層之間。此時，在絕緣 層設(shè)置于第一催化劑層的一側(cè)的情況下，位于絕緣層的單體蓄電池排列方 向的端部上的區(qū)域的第一催化劑層，含有與和電解質(zhì)膜相接的區(qū)域的第一 催化劑層相比C-F鍵的數(shù)目少的離子傳導(dǎo)體，在絕緣層設(shè)置于第二催化劑 層的一側(cè)的情況下，位于絕緣層的單體蓄電池排列方向的端部上的區(qū)域的 第二催化劑層，含有與和電解質(zhì)膜相接的區(qū)域的第二催化劑層相比C-F鍵的數(shù)目少的離子傳導(dǎo)體。
另外，在上述方式的膜電極接合體中，絕緣層含有與電解質(zhì)膜中含有 的離子交換劑相比C-F鍵的數(shù)目多的樹脂。
另外，在上述方式的膜電極接合體中，絕緣層與電解質(zhì)膜相比耐熱性 高。另外，絕緣層與電解質(zhì)膜相比導(dǎo)熱性低。另外，絕緣層由與電解質(zhì)膜 相同的材料形成。
另外，催化劑層含有與電解質(zhì)膜中含有的離子交換劑相比C-F鍵的數(shù)
目少的樹脂。另外，催化劑層的加工中使用的激光的絕緣層中的透射系數(shù) 比電解質(zhì)膜中的該激光的透射系數(shù)低。
本發(fā)明的其他方式是燃料電池。該燃料電池的特征在于，具備上述任 意一種膜電極接合體。
另外，將上述各要素適當(dāng)?shù)亟M合而成的結(jié)構(gòu)也都包含在本專利申請要 求權(quán)利保護的發(fā)明范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，在將單體蓄電池平面狀排列的平面排列型的燃料電池 中，能夠縮短單體蓄電池的間隔。


圖1是表示實施方式1的燃料電池的構(gòu)造的分解立體圖。
圖2是沿著圖1的A-A線的燃料電池的剖面圖。 圖3是表示制作實施方式1的膜電極接合體的方法的工序圖。 圖4是表示制作實施方式1的膜電極接合體的方法的工序圖。 圖5是激光照射后的比較例1的膜電極接合體的平面照片。 圖6是激光照射后的實施例2的膜電極接合體的平面照片。 圖7是激光照射后的比較例2的膜電極接合體的剖面照片。 圖8是激光照射后的實施例3的膜電極接合體的剖面照片。 圖9是表示實施方式2的膜電極接合體的構(gòu)造的剖面圖。 圖10是表示制作實施方式2的膜電極接合體的方法的工序圖。 圖11是表示制作實施方式2的膜電極接合體的方法的工序圖。 符號說明10-燃料電池，20-膜電極接合體，22-電解質(zhì)膜，24-陽極催 化劑層，26-陰極催化劑層，40-陽極用殼，60-絕緣層。
具體實施例方式
以下參照

本發(fā)明的實施方式。還有，在所有的圖中，對同樣 的構(gòu)成要素都采用同樣的符號，省略適當(dāng)?shù)恼f明。 (實施方式1)
圖1是表示實施方式1的燃料電池的構(gòu)造的分解立體圖。圖2是沿著 圖1的A-A線的剖面圖。如圖1以及圖2所示，燃料電池IO具備膜電極 接合體(MEA，也稱作催化劑涂敷質(zhì)子交換膜(CCM))20、陽極用殼40以及 陰極用殼42。另外，在膜電極接合體20的周緣部上設(shè)有后述的密封部件 50。
膜電極接合體20具備電解質(zhì)膜22、陽極催化劑層24a-d(以下，有時 將陽極催化劑層24a-d統(tǒng)稱為陽極催化劑層24)以及與陽極催化劑層24a-d 分別對置的陰極催化劑層26a-d (以下，有時將陰極催化劑層26a-d統(tǒng)稱為 陰極催化劑層26)。對陽極催化劑層24a-d供給作為燃料氣體的氫。另一 方面，對陰極催化劑層26a-d供給作為氧化劑的空氣。通過在一對陽極催 化劑層和陰極催化劑層之間夾持電解質(zhì)膜22而構(gòu)成單體蓄電池，各單體 蓄電池通過氫和空氣中的氧的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。
陽極催化劑層24a-d以分離的狀態(tài)形成在電解質(zhì)膜22的一面上。電解 質(zhì)膜22的面積大于陽極催化劑層24a-d的總面積，且電解質(zhì)膜22的陽極 側(cè)的周緣部將陽極催化劑層24a-d包圍。電解質(zhì)膜22包圍陽極催化劑層 24a-d的周緣部分的寬度例如是2mm。
另外，陰極催化劑層26a-d以分離的狀態(tài)形成在電解質(zhì)膜22的另一面 上。電解質(zhì)膜22的面積大于陰極催化劑層26a-d的總面積，且電解質(zhì)膜 22的陰極側(cè)的周緣部將陰極催化劑層26a-d包圍。電解質(zhì)膜22包圍陰極 催化劑層26a-d的周緣部分的寬度例如是2mm。
這樣，在本實施方式的燃料電池中，陰極催化劑層26a-d相對于陽極 催化劑層24a-d分別成對，平面狀地形成多個單體蓄電池。在陽極催化劑 層24a-d上分別設(shè)置集電體30a-d(以下，有時將集電體30a-d統(tǒng)稱為集電 體30)，在陰極催化劑層26a-d上分別設(shè)置集電體34a-d(以下，有時將集電 體34a-d統(tǒng)稱為集電體34)。作為集電體30以及集電體34，例如采用金網(wǎng)或者復(fù)寫紙或者碳布等。相鄰的單體蓄電池彼此通過集電體30、集電體
34以及配線和互連器等連接部件(未圖示)而串聯(lián)連接。
電解質(zhì)膜22優(yōu)選在濕潤狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的離子傳導(dǎo)性，作為使質(zhì) 子在陽極催化劑層24和陰極催化劑層26之間移動的離子交換膜而發(fā)揮功 能。電解質(zhì)膜22由含氟聚合物或非氟聚合物等固體高分子材料形成，例 如能夠使用磺酸型全氟碳聚合物、聚砜樹脂、具有膦酸基或者羧酸基的全 氟碳聚合物等。作為磺酸型全氟碳聚合物的實例可以舉出Nafion(于:7^ 才y)(杜邦公司制注冊商標(biāo))112等。另外，作為非氟聚合物的實例可以 舉出磺化芳香族聚醚醚酮以及磺化聚砜等。
陽極催化劑層24以及陰極催化劑層26具有離子交換樹脂和催化劑粒 子，根據(jù)情況不同具有碳粒子。
陽極催化劑層24以及陰極催化劑層26具有的離子交換樹脂連接催化 劑粒子和電解質(zhì)膜22，具有在兩者間傳遞質(zhì)子的作用。該離子交換樹脂由 與電解質(zhì)膜22相同的高分子材料形成即可。作為催化劑金屬，可以舉出 從Sc、 Y、 Ti、 Zr、 V、 Nb、 Fe、 Co、 Ni、 Ru、 Rh、 Pd、 Pt、 Os、 Ir鑭系 元素或者錒系元素中選出的合金或者單質(zhì)。另外在載持催化劑的情況下， 作為碳粒子也可以使用乙炔黑、科琴黑(^:y于工y:/7:y夕)以及碳納米 管(力一求y于乂千二一7、、)等。
另外，陽極催化劑層24以及陰極催化劑層26具有的離子交換樹脂例 如也可以像碳化氫系離子交換樹脂那樣，C-F鍵的數(shù)目少于包含在電解質(zhì) 膜22中的離子交換劑。
通過陽極用殼40形成燃料貯藏用的燃料貯藏部37。另外，通過在陽 極用殼40上設(shè)置燃料供給口 (未圖示)，能夠從燃料盒等適當(dāng)補充燃料。
另一方面，在陰極用殼42上設(shè)有用于從外部取入空氣的空氣取入口44。
陽極用殼40和陰極用殼42經(jīng)由設(shè)于電解質(zhì)膜22的周緣部的密封部 件50，使用螺栓、螺母等連結(jié)部件(未圖示)進行連結(jié)。由此，在密封部件 50上施加壓力，通過密封部件50能夠提高密封性。
在本實施方式的膜電極接合體20中，在相鄰的陽極催化劑層24之間 的電解質(zhì)膜22上設(shè)有絕緣層60a。另外，在相鄰的陰極催化劑層26之間的電解質(zhì)膜22上設(shè)有絕緣層60b。以下，有時將絕緣層60a、 60b統(tǒng)稱為 絕緣層60。
優(yōu)選絕緣層60的電阻率與電解質(zhì)膜22的電阻率相同，或者高于電解 質(zhì)膜22的電阻率。由此，由于抑制了在相鄰的陽極催化劑層間的短路的 發(fā)生，因此能夠進一步縮短陽極催化劑層間的距離。同樣地，由于抑制了 在相鄰的陰極催化劑層間的短路的發(fā)生，因此能夠進一步縮短陰極催化劑 層間的距離。即，由于可以縮短平面排列的單體蓄電池間的距離，因此能 夠使平面排列型的燃料電池更加緊湊。
在絕緣層60的電阻率和電解質(zhì)膜22的電阻率相同的情況下，絕緣層 60能夠使用與電解質(zhì)膜22相同的離子交換劑。
另外，在本實施方式中的膜電極接合體20中，絕緣層60a的端部介 于電解質(zhì)膜22和陽極催化劑層24之間。換言之，絕緣層60a的寬度長于 相鄰的陽極催化劑層24之間的距離。同樣地，絕緣層60b的端部介于電 解質(zhì)膜22和陰極催化劑層26之間。換言之，絕緣層60b的寬度長于相鄰 的陰極催化劑層26之間的距離。在此，所謂絕緣層60a、絕緣層60b的端 部是指圖1的A-A線的方向(本實施方式中膜電極接合體20的單體蓄電池 排列方向或者長度方向)的端部。
由此，由于陽極催化劑層24的端部和電解質(zhì)膜22間的導(dǎo)電性被絕緣 層60a遮斷，因此能夠進一步提高上述陽極催化劑層間的短路抑制效果。 另外，由于陰極催化劑層26的端部和電解質(zhì)膜22間的導(dǎo)電性被絕緣層60b 遮斷，因此能夠進一步提高上述陰極催化劑層間的短路抑制效果。
(膜電極接合體的制作方法)
關(guān)于實施方式1的膜電極接合體20的制作方法，參照圖3到圖4進 行說明。圖3到圖4是表示實施方式1的膜電極接合體20的制作方法的 工序圖。另外，圖3到圖4中，在左側(cè)(i)表示平面圖，在右側(cè)(ii)表示沿平 面圖的A-A線的剖面圖。
首先，如圖3(A)所示，準(zhǔn)備電解質(zhì)膜22。電解質(zhì)膜22的膜厚是20 150,。作為電解質(zhì)膜22，例如可以采用Nafion膜。
接下來，如圖3(B)所示，在電解質(zhì)膜22的一主表面上設(shè)置掩模(模 具)70a，該掩模70a具有與陽極側(cè)的絕緣層形成區(qū)域?qū)?yīng)的寬度大約500^1m的開口部72a。同樣地，在電解質(zhì)膜22的另一主表面上設(shè)置掩模(模 具)70b，該掩模70b具有與陰極側(cè)的絕緣層形成區(qū)域?qū)?yīng)的寬度大約500p m的開口部72b。
接下來，如圖3(C)所示，在與開口部72a對應(yīng)的電解質(zhì)膜22上形成 絕緣層60a。同樣地，在與開口部72b對應(yīng)的電解質(zhì)膜22上形成絕緣層 60b。具體而言，采用噴霧涂敷法從掩模70a上向電解質(zhì)膜22上涂敷Nafion 溶液等離子交換劑溶液，由此形成絕緣層60a。同樣地，采用噴霧涂敷法 從掩模70b上向電解質(zhì)膜22上涂敷Naflon溶液等離子交換劑溶液，由此 形成絕緣層60b。另外，作為絕緣層60，如上所述，優(yōu)選與電解質(zhì)膜22 相比電阻率高。即，絕緣層60所使用的Nafion與電解質(zhì)膜22所使用的 Nafion相比電阻率高。
接下來，如圖4(A)所示，去除掩模70a以及掩模70b。由此，在電解 質(zhì)膜22的一主表面上以分離的狀態(tài)形成多個絕緣層60a,在電解質(zhì)膜22 的另一主表面上以分離的狀態(tài)形成多個絕緣層60b。
另外，絕緣層60所使用的聚酰亞胺等一部分樹脂在成膜時需要在大 約300 500。C的高溫下熱處理。在這種情況下，若電解質(zhì)膜22的?；瘻囟?在30(TC以下，則可能在形成絕緣層60時熔化或者分解。因此，也可以通 過將預(yù)先成膜的樹脂以長方狀切斷后采用熱壓機進行加壓而形成絕緣層 60。
接下來，如圖4(B)所示，在電解質(zhì)膜22的一主表面?zhèn)?，以跨越多個 絕緣層60a的方式沿電解質(zhì)膜22的長度方向形成催化劑層80a。具體而言， 通過將水10g、 Nafion溶液5g、鉑黑或者載持有鉑的碳5g充分地攪拌而 調(diào)制催化劑漿料，且噴霧涂敷該催化劑漿料，由此形成催化劑層80a。同 樣地，在電解質(zhì)膜22的另一主表面?zhèn)?，以跨越絕緣層60b的方式沿電解 質(zhì)膜22的長度方向形成催化劑層80b。具體而言，通過噴霧涂敷上述催化 劑漿料而形成催化劑層80b。
接下來，如圖4(C)所示，使用準(zhǔn)分子激光器等激光器局部去除在電解 質(zhì)膜22的一主表面?zhèn)仍O(shè)置的催化劑層80a的規(guī)定區(qū)域，g卩，與絕緣層60a 的中央?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的催化劑層80a(去除催化劑層80a的寬度為1 500)am， 優(yōu)選50 200[im)，由此切斷催化劑層80a，使絕緣層60a的中央?yún)^(qū)域露出而形成陽極催化劑層24a-d。
另外，使用準(zhǔn)分子激光器等激光器局部去除在電解質(zhì)膜22的另一主 表面?zhèn)仍O(shè)置的催化劑層80b的規(guī)定區(qū)域，g卩，與絕緣層60b的中央?yún)^(qū)域?qū)?應(yīng)的催化劑層80b (去除催化劑層80b的寬度為1 500nm，優(yōu)選50 200|i m)，由此切斷催化劑層80b，使絕緣層60b的中央?yún)^(qū)域露出而形成陰極催 化劑層26a-d。另外，去除催化劑層所使用的激光器除準(zhǔn)分子激光器外還 可以使用其激發(fā)波長在180nm以上550nm以下的YAG第三高頻激光器或 者YV04第四高頻綠色激光器等。激光器的輸出只要足夠?qū)⒓す庹丈洳糠?的催化劑層完全去除即可，根據(jù)催化劑層的材料和厚度而適當(dāng)調(diào)整即可。
由此，在通過激光加工局部去除催化劑層80a時，由于電解質(zhì)膜22 由絕緣層60a保護，因而抑制電解質(zhì)膜22的結(jié)構(gòu)變化和老化。另外，在 通過激光加工局部去除催化劑層80b時，由于電解質(zhì)膜22由絕緣層60b 保護，因而抑制電解質(zhì)膜22的結(jié)構(gòu)變化和老化。
根據(jù)以上的制造工序制作實施方式1的膜電極接合體20。另外，在上 述制造工序中，雖然在各工序中對陽極以及陰極實施相同的工序后，再轉(zhuǎn) 移到下一工序，但例如也可以對陽極實施一連串的工序后，再對陰極實施 一連串的工序。
在如上所述通過激光加工形成絕緣層60的情況下，列舉對絕緣層60 所期望的特性。
(l)作為絕緣層60使用含氟聚合物，優(yōu)選在絕緣層60中含有的含氟聚 合物的C-F鍵的數(shù)目多于在電解質(zhì)膜22中含有的離子交換劑的C-F鍵的 數(shù)目。在此，C-F鍵的數(shù)目是每單位重量上存在的C-F鍵的數(shù)目，例如能 夠使用XPS(X射線光電子光譜X-ray photoelectron spectroscopy)進行評 價。另外，由于C-F鍵的鍵能高于在激光加工中使用的準(zhǔn)分子激光器(波 長248nm)的能量，因此C-F鍵的數(shù)目越多越難受到由準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生 的結(jié)構(gòu)變化。
具體而言，在絕緣層60使用了Nafion的情況下，作為C-F鍵的數(shù)目 少于絕緣層60的電解質(zhì)膜22，可以舉出由l-丙醇作為溶劑的磺酸化聚(苯 乙烯-無規(guī)-乙烯)5城％溶液、1-丙醇和二氯乙烷作為溶劑的磺酸化聚苯乙烯 -嵌段-聚(苯乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯5wt。/。溶液、1-丙醇作為溶劑的可交聯(lián)的磺酸化聚(苯乙烯-無規(guī)-乙烯)5wt。/。溶液以及1-丙醇和二氯乙烷作
為溶劑的可交聯(lián)的磺酸化聚苯乙烯-嵌段-聚(苯乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌段-聚苯
乙烯5wt。/。溶液的各溶液分別澆注而得到的凝膠化的聚2-丙烯酰胺2-甲基
丙烷磺酸等的電解質(zhì)膜。
由此，在通過激光加工局部去除催化劑層80a時，即使對絕緣層60a 照射激光，構(gòu)成絕緣層60a的分子也難于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化。另外，在通過激 光加工局部去除催化劑層80b時，即使對絕緣層60b照射激光，構(gòu)成絕緣 層60b的分子也難于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化。
另外，優(yōu)選催化劑層80a、催化劑層80b中含有的離子交換劑的C-F 鍵的數(shù)目少于絕緣層60中含有的含氟聚合物的C-F鍵的數(shù)目。由此，催 化劑層80a、催化劑層80b易于激光加工，能夠提高陽極催化劑層24、陰 極催化劑層26的加工精度。
(2) 優(yōu)選絕緣層60與電解質(zhì)膜22相比耐熱性高。作為這樣的絕緣層 60，能舉出酚醛樹脂、聚酰亞胺。
由此，在通過激光加工局部去除催化劑層80a時，即使對絕緣層60a 照射激光，絕緣層60a也難于老化。另外，在通過激光加工局部去除催化 劑層80b時，即使對絕緣層60b照射激光，絕緣層60b也難于老化。
(3) 優(yōu)選絕緣層60與電解質(zhì)膜22相比導(dǎo)熱性低。作為這樣的絕緣層 60，能舉出聚酰亞胺、纖維素。
由此，在通過激光加工局部去除催化劑層80a時，由于難于通過絕緣 層60a向電解質(zhì)膜22傳導(dǎo)熱，因而抑制電解質(zhì)膜22的老化。另外，在通 過激光加工局部去除催化劑層80b時，由于難于通過絕緣層60b向電解質(zhì) 膜22傳導(dǎo)熱，因而抑制電解質(zhì)膜22的老化。
優(yōu)選絕緣層60與電解質(zhì)膜22相比激光的透射率低。在激光的激發(fā)波 長為180nm以上550nm以下的情況下，作為遮斷這樣的激光的絕緣層60， 能舉出聚酰亞胺、磺化聚酰亞胺、聚碳酸酯、異丁烯樹脂等。由此，在通 過激光加工局部去除催化劑層80a時，由于絕緣層60a遮斷激光，因此能 夠防止激光透射電解質(zhì)膜22而去除催化劑層80b。另外，在通過激光加工 局部去除催化劑層80b時，由于絕緣層60b遮斷激光，因此能夠防止激光 透射電解質(zhì)膜22而去除催化劑層80a。(實施例1)
在實施例1中作為電解質(zhì)膜使用了 Nafkm膜。進而在電解質(zhì)膜上形成 Nafion膜作為絕緣層，在其兩個面上涂敷使用了 Nafkm作為離子交換劑的 催化劑漿料，準(zhǔn)備實施例1的膜電極接合體。即，在本實施例的膜電極接 合體中，電解質(zhì)膜以及絕緣層使用相同的材料。接下來使用準(zhǔn)分子激光器 僅對膜電極接合體的一面實施激光加工。
(比較例1)
在比較例1中作為電解質(zhì)膜使用了Nafion膜。在其兩個面上涂敷使用 了 Nafion作為離子交換劑的催化劑漿料，準(zhǔn)備比較例1的膜電極接合體。 與實施例1相同，使用準(zhǔn)分子激光器僅對膜電極接合體的一面實施激光加 工。
(實驗結(jié)果1)
通過在實施例1以及比較例1的膜電極接合體的兩側(cè)裝載GDL，由此 將多個單體蓄電池以并聯(lián)連接的狀態(tài)裝入試驗夾具。接下來在對陽極供給 氫、對陰極供給空氣的狀態(tài)下測定單體蓄電池溫度5(TC的OCV值。測定 結(jié)果如表1所示。
表l
實施例1比較例1參考(普通單體 蓄電池)
ocv值0.973V0.921V0.97 0.98V
所謂普通單體蓄電池是在比較例1中不進行激光加工的單體蓄電池。
由于實施例1得到了與不進行激光加工的普通單體蓄電池同等的
ocv值，因此可知通過絕緣層的設(shè)置可以防止電解質(zhì)膜的交叉泄漏(夕 口7 y—夕)。另一方面，比較例1比實施例1低大約50mV。由此確認(rèn)由 于激光的影響而使電解質(zhì)膜產(chǎn)生交叉泄漏。 (實施例2)
在實施例2中，作為電解質(zhì)膜使用了 Nafion膜。在電解質(zhì)膜上形成 Nafion膜作為絕緣層之后，在其兩個面上涂敷使用了磺酸化聚苯乙烯-嵌
13段-聚(乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯作為離子交換劑的催化劑漿料，準(zhǔn)備 膜電極接合體。使用準(zhǔn)分子激光器僅對膜電極接合體的一面實施激光加 工。
(實驗結(jié)果2)
激光照射后的比較例1的表面觀察結(jié)果如圖5所示。激光照射的部位 產(chǎn)生了氣泡狀物，由此確認(rèn)由于激光的照射對電解質(zhì)膜造成損傷。
接下來，激光照射后的實施例2的表面觀察結(jié)果如圖6所示。在實施 例2的加工后的電解質(zhì)膜的表面上沒有產(chǎn)生氣泡狀物，沒有觀察到由于激 光照射造成的損傷。
在比較例1中，在催化劑層內(nèi)易于去除催化劑的部位和難于去除催化 劑的部位混合在一起?？紤]到由于在難于去除催化劑的部位以去除催化劑 的方式設(shè)定激光強度，因此在易于去除催化劑的部位，對去除催化劑后露 出的電解質(zhì)膜照射激光，從而對電解質(zhì)膜造成損傷。與此相對，在實施例 2中，易于去除催化劑的部位和難于去除催化劑的部位沒有混合在一起， 能夠均勻地去除催化劑層。
由以上可知，磺酸化聚苯乙烯-嵌段-聚(乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌段-聚苯乙 烯比Nafion易于進行準(zhǔn)分子激光器加工。
(實施例3)
在實施例3中使用了 Nafion膜作為電解質(zhì)膜。在電解質(zhì)膜上作為絕緣 層形成聚酰亞胺膜，與比較例1同樣地制作膜電極接合體。接下來使用綠 色激光僅對膜電極接合體的一面實施激光加工。
(比較例2)
在比較例2中使用了 Nafion膜作為電解質(zhì)膜，在其兩個面上涂敷使用 了 Nafion作為離子交換劑的催化劑漿料而形成膜電極接合體。與實施例3 同樣地使用綠色激光僅對膜電極接合體的一面實施激光加工。
(實驗結(jié)果3)
激光照射后的比較例2的膜電極接合體的剖面照片如圖7所示。在比 較例2中，雖然僅對一面進行激光照射，但是激光透射電解質(zhì)膜，連相反 側(cè)的催化劑層也被去除。
接下來，激光照射后的實施例3的膜電極接合體的剖面照片如圖8所示。在實施例3中可知，由于絕緣層使用了聚酰亞胺，因此激光被遮斷， 催化劑層僅被去除照射激光的一側(cè)。
由以上可以確認(rèn)，由于設(shè)置遮斷激光的絕緣層60，因此可以僅對一面 進行激光加工。
(實施方式2)
圖9是表示實施方式2的膜電極接合體的構(gòu)造的剖面圖。除了陽極催 化劑層24、陰極催化劑層26的結(jié)構(gòu)之外，本實施方式的膜電極接合體20 與實施方式1的膜電極接合體相同。
本實施方式的陽極催化劑層24由在與電解質(zhì)膜22相接的區(qū)域Rl和 位于絕緣層60a的端部上的區(qū)域R2上不同的離子交換劑成分構(gòu)成。具體 而言，區(qū)域R2的陽極催化劑層24含有與區(qū)域Rl的陽極催化劑層24相比 C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑。
由此，由于陽極催化劑層24的端部易于激光加工，因此能夠提高陽 極催化劑層24的加工精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)膜電極接合體20的進一步微細(xì)化。
另外，本實施方式的陰極催化劑層26由在與電解質(zhì)膜22相接的區(qū)域 R 1 ，和位于絕緣層60b的端部上的區(qū)域R 2 ，上不同的離子交換劑成分構(gòu) 成。具體而言，區(qū)域R2'的陰極催化劑層26含有與區(qū)域R1'的陰極催化 劑層26相比C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑。
由此，由于陰極催化劑層26的端部易于激光加工，因此能夠提高陰 極催化劑層26的加工精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)膜電極接合體20的進一步微細(xì)化。
(膜電極接合體的制作方法)
關(guān)于實施方式2的膜電極接合體20的制作方法，參照圖10到圖11 進行說明。圖10到圖11是表示實施方式2的膜電極接合體20的制作方 法的工序圖。另外，在圖10到圖11中，在左側(cè)(i)表示平面圖，在右側(cè)(ii) 表示沿平面圖的A-A線的剖面圖。
實施方式2的膜電極接合體20的制作方法從圖3(A)到(C)與實施方式 1的膜電極接合體的制作方法相同。
在如圖3(C)所示的工序后，如圖IO(A)所示，在開口部72a的絕緣層 60a上涂敷催化劑漿料而形成催化劑層8 Q a '，該催化劑層8 0 a '含有與 后述的催化劑層80a相比C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑。同樣地，在開口部72b的絕緣層60b上涂敷催化劑漿料而形成催化劑層8 Q b，，該催化劑 層8 0 b，含有與后述的催化劑層80b相比C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑。 另外，作為催化劑層8 0 a'以及催化劑層8 0 b'使用的離子交換劑，可 以舉出由l-丙醇作為溶劑的磺酸化聚(苯乙烯-無規(guī)-乙烯)5wt。/。溶液、1-丙 醇和二氯乙烷作為溶劑的磺酸化聚苯乙烯-嵌段-聚(苯乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌 段-聚苯乙烯5wt。/。溶液、l-丙醇作為溶劑的可交聯(lián)的磺酸化聚(苯乙烯-無 規(guī)-乙烯)5wt。/。溶液以及1-丙醇和二氯乙烷作為溶劑的可交聯(lián)的磺酸化聚 苯乙烯-嵌段-聚(苯乙烯-無規(guī)-丁烯)-嵌段-聚苯乙烯5wt。/。溶液的各溶液分 別澆注而得到的聚2-丙烯酰胺2-甲基丙烷磺酸。
接下來，如圖IO(B)所示，去除掩模70a以及掩模70b后在催化劑層 80 a ，以及催化劑層8 0 b ，上分別另行設(shè)置掩模75a以及掩模75b。
接下來，如圖10(C)所示，通過在與電解質(zhì)膜22相接的區(qū)域涂敷催化 劑漿料，形成含有與催化劑層8 0 a'相比C-F鍵的數(shù)目多的離子交換劑的 催化劑層80a，之后去除掩模75a。同樣地，通過在與電解質(zhì)膜22相接的 區(qū)域涂敷催化劑漿料，形成含有與催化劑層8 0 b'相比C-F鍵的數(shù)目多 的離子交換劑的催化劑層80b，之后去除掩模75b。另外，作為催化劑層 80a以及催化劑層80b使用的離子交換劑，可以舉出Nafion。
接下來，如圖11所示，使用準(zhǔn)分子激光器等激光器局部去除在電解 質(zhì)膜22的一主表面?zhèn)仍O(shè)置的催化劑層80 a'的規(guī)定區(qū)域，g卩，與絕緣層 60a的中央?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的催化劑層8 0 a'(去除催化劑層8Q a'的寬度為l 500|im，優(yōu)選50 200|im)，由此切斷催化劑層8 0 a ，，使絕緣層60a的 中央?yún)^(qū)域露出而形成陽極催化劑層24a-d。由于催化劑層8 0 a'中含有的 離子交換劑的C-F鍵的數(shù)目相對少，因此能夠高精度地加工催化劑層80 a '，能夠?qū)崿F(xiàn)膜電極接合體20的進一步微細(xì)化。
通過以上工序，陽極催化劑層24由在與電解質(zhì)膜22相接的區(qū)域Rl 和位于絕緣層60a的端部上的區(qū)域R2上不同的離子交換劑成分構(gòu)成，區(qū) 域R2的陽極催化劑層24形成為含有與區(qū)域Rl的陽極催化劑層24相比 C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑的結(jié)構(gòu)。
另外，使用準(zhǔn)分子激光器等激光器局部去除在電解質(zhì)膜22的另一主 表面?zhèn)仍O(shè)置的催化劑層8 0 b，的規(guī)定區(qū)域，g卩，與絕緣層60b的中央?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的催化劑層8 0 b'(去除催化劑層8 0 b'的寬度為1 500pm，優(yōu)選 50 200pm)，由此切斷催化劑層8 0 b'，使絕緣層60b的中央?yún)^(qū)域露出 而形成陰極催化劑層26a-d。由于催化劑層8 0 b'中含有的離子交換劑的 C-F鍵的數(shù)目相對少，因此能夠高精度地加工催化劑層8 0 b'，能夠?qū)崿F(xiàn) 膜電極接合體20的進一步微細(xì)化。
通過以上工序，陰極催化劑層26由在與電解質(zhì)膜22相接的區(qū)域R 1 ' 和位于絕緣層60b的端部上的區(qū)域R 2 '上不同的離子交換劑成分構(gòu)成，區(qū) 域R 2 '的陰極催化劑層26形成為含有與區(qū)域R 1 '的陰極催化劑層26相 比C-F鍵的數(shù)目少的離子交換劑的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明并不局限于上述各實施方式，可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識 施加各種設(shè)計變更等變形，施加了這樣的變形的實施方式也包含在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
例如，在上述各實施方式中，在電解質(zhì)膜的陽極側(cè)以及陰極側(cè)的兩方 的催化劑層間設(shè)有上述絕緣層，但也可以僅在電解質(zhì)膜的陽極側(cè)以及陰極 側(cè)的任意一方的催化劑層間設(shè)置上述絕緣層。
權(quán)利要求
1.一種膜電極接合體，其特征在于，具備電解質(zhì)膜，其含有離子交換劑；設(shè)置于所述電解質(zhì)膜的一面上的多個第一催化劑層；與所述多個第一催化劑層對應(yīng)而設(shè)置于所述電解質(zhì)膜的另一面上的多個第二催化劑層；絕緣層，其設(shè)置于相鄰的第一催化劑層之間以及相鄰的第二催化劑層之間的至少一方的所述電解質(zhì)膜上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜電極接合體，其特征在于， 在所述絕緣層設(shè)置于所述第一催化劑層的一側(cè)的情況下，所述絕緣層的單體蓄電池排列方向的端部介于所述電解質(zhì)膜和所述第一催化劑層之 間，在所述絕緣層設(shè)置于所述第二催化劑層的一側(cè)的情況下，所述絕緣層 的單體蓄電池排列方向的端部介于所述電解質(zhì)膜和所述第二催化劑層之 間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的膜電極接合體，其特征在于， 在所述絕緣層設(shè)置于所述第一催化劑層的一側(cè)的情況下，位于所述絕緣層的單體蓄電池排列方向的端部上的區(qū)域的所述第一催化劑層，含有與 和所述電解質(zhì)膜相接的區(qū)域的所述第一催化劑層相比C-F鍵的數(shù)目少的離子傳導(dǎo)體，在所述絕緣層設(shè)置于所述第二催化劑層的一側(cè)的情況下，位于所述絕 緣層的單體蓄電池排列方向的端部上的區(qū)域的所述第二催化劑層，含有與 和所述電解質(zhì)膜相接的區(qū)域的所述第二催化劑層相比C-F鍵的數(shù)目少的離子傳導(dǎo)體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述絕緣層含有與所述電解質(zhì)膜中含有的離子交換劑相比C-F鍵的數(shù)目多的樹脂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述絕緣層與所述電解質(zhì)膜相比耐熱性高。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述絕緣層與所述電解質(zhì)膜相比導(dǎo)熱性低。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述絕緣層由與所述電解質(zhì)膜相同的材料形成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述催化劑層含有與所述電解質(zhì)膜中含有的離子交換劑相比C-F鍵的數(shù)目少的樹脂。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜電極接合體，其特征在于， 所述催化劑層的加工中使用的激光的所述絕緣層中的透射系數(shù)比所述電解質(zhì)膜中的該激光的透射系數(shù)低。
10. —種燃料電池，其特征在于，具備權(quán)利要求1至9中任意一項所述的膜電極接合體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種膜電極接合體以及燃料電池。在平面狀排列單體蓄電池的平面排列型燃料電池中，縮短單體蓄電池的間隔。膜電極接合體(20)具備電解質(zhì)膜(22)、陽極催化劑層(24a-d)以及與陽極催化劑層(24a-d)分別對置的陰極催化劑層(26a-d)。在相鄰的陽極催化劑層(24)之間的電解質(zhì)膜(22)上設(shè)有絕緣層(60a)。另外，在相鄰的陰極催化劑層(26)之間的電解質(zhì)膜(22)上設(shè)有絕緣層(60b)。優(yōu)選絕緣層(60)的電阻率與電解質(zhì)膜(22)的電阻率相同，或者高于電解質(zhì)膜(22)的電阻率。
文檔編號H01M4/86GK101552338SQ200910129690
公開日2009年10月7日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者碕野隆博, 野渡夕有子 申請人:三洋電機株式會社