专利名称：用于燃料电池的生产方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池的生产方法。更加具体地，本发明涉及用于这样的燃料电池的生产方法，其使得可以生产具有减少的接触电阻的燃料电池。
背景技术：
在各种燃料电池之中，大量注意力已被给予聚合物电解质燃料电池(在下文中被称为“PEFC”)，作为用于电动车的最佳电源。这是因为PEFC能够在相当低的温度下操作，并且展示了50％到60％的高能量转换效率。而且，PEFC的启动时间短，并且PEFC的系统紧凑且重量轻。对于PEFC的电解质，使用阳离子交换树脂膜。阳离子交换树脂膜用作阳离子传导膜。PEFC的阳离子传导膜具有分子中的质子(氢离子(H+))交换组。当增加湿度到饱和时，阳离子传导膜展示了等于或低于20Ωcm的比电阻，并且充当质子传导电解质。电解质膜的饱和湿度含量基于温度可逆地变化。亦即，当PEFC在操作时，使用为了防止水分从电解质膜损失而以水蒸汽的形式向燃料气体和氧化气体供应的增加湿度的水，并且使用在阴极侧发生的由电化学反应所生成的水，使电解质膜保持饱和。
PEFC主要包括电解质膜、燃料电极(在下文中被称为“阳极”)、空气电极(在下文中被称为“阴极”)和隔离物。这样的PEFC通常通过以下方法形成。首先，阴极结合到事先形成为薄膜的电解质膜的两个表面中的一个，并且阳极结合到另一个表面，由此形成膜电极组件(在下文中被称为“MEA”)。然后，扩散层结合到MEA的两个表面中的每一个，由此形成膜电极扩散层组件(在下文中被称为“MEGA”)，然后隔离物在阳极侧和阴极侧中的每一个上配合到MEGA，由此产生作为模块的PEFC。
然而，通过这种方法产生的PEFC具有以下问题。当阴极和阳极结合到薄膜电解质膜的表面时，阴极和阳极的孔隙率趋于降低。而且，PEFC的发电效率由于接触电阻而趋于减少，所述接触电阻在例如如果阳极和阴极没有充分结合到薄膜电解质膜时产生。
因此，已提出了用于减少燃料电池中的接触电阻的技术。例如，日本专利申请公布号JP(A)06-176771披露了以下技术。在这个技术中，使离子交换膜和电极相互结合所需的最少量的离子交换树脂被增加湿度，并且通过在离子交换膜的两个表面或者两个中的一个上形成离子传导薄膜将其结合到电极表面，所述离子传到薄膜的玻璃化转变温度比离子交换膜的低，由此减少接触电阻。
然而，日本专利申请公布号JP(A)06-176771中披露的技术具有以下问题。尽管能够减少接触电阻，但是根据这个技术的用于燃料电池的生产方法变得复杂，因为需要提供多重离子交换膜。
通常通过以下产生PEFC模块将诸如包括催化层的阳极和包括催化层的阴极以及隔离物之类的部件结合/配合到事先已形成为薄膜的电解质膜。然而，通过这种方法产生的PEFC的电解质膜具有以下问题其产量低，并且/或者其耐用性低。通过这种方法产生的PEFC具有另一个问题在燃料电池中产生相对高的接触电阻，因此发电效率趋于降低。
当通过上述传统方法产生PEFC时，阳极的催化层和阴极的催化层结合到薄膜电解质膜。用于使电解质膜和催化层相互结合的典型方法的例子包括这样的方法，其中，催化层被转录到电解质膜(在下文中，这种方法将被称为“转录方法”)；以及这样的方法，其中，在电解质膜上喷射催化层(在下文中，这种方法将被称为“喷涂方法”)。然而，转录方法具有以下问题。当催化层通过转录方法结合到电解质膜时，催化层需要被压到薄膜电解质膜。因此，催化层的孔隙率在按压期间降低。并且，喷涂方法具有以下问题。当催化层通过喷涂方法结合到电解质膜时，尽管不太可能降低催化层的孔隙率，但是电解质可能被破坏，因为在喷涂期间使用了溶剂。
发明内容
考虑到上述境况进行了本发明。本发明的目标是提供用于燃料电池的生产方法，其使得可以生产具有降低的接触电阻的燃料电池，而不增加生产工艺的数目。
根据本发明的方面，提供了用于燃料电池的生产方法，所述燃料电池包括电解质；阳极，其提供在所述电解质的两侧中的一侧；阴极，其提供在所述电解质的另一侧；以及隔离物，其中的一个提供在所述阳极的外侧，并且其中的另一个提供在所述阴极的外侧。所述生产方法包括第一工艺，其中，生产所述阳极和所述阴极，其中的每一个都至少包括催化剂和离子交换树脂；以及第二工艺，其中，在所述阳极和所述阴极之间提供熔化的电解质。
使用上述用于燃料电池的生产方法，由于熔化的电解质在形成为薄膜电解质之前提供在阳极和阴极之间，所以简化了生产工艺。另外，在上述生产方法中，当阳极和阴极结合到电解质时，电解质是熔化的。在电解质接触阳极和阴极之后，电解质变为固态。因此，与传统的燃料电池相比，电解质和电极之间的结合条件改善。结果，可以生产具有降低的在其中发生的接触电阻的燃料电池。
在上述用于燃料电池的生产方法中，阳极和阴极之间的距离可以在第二工艺中通过距离设置装置设置为预定值。所述“距离设置装置”没有特别地限制，只要所述装置能够将阳极和阴极之间的距离设置为预定值。距离设置装置的例子包括用于通过调整压力将距离设置为预定值的装置；以及用于通过使用所谓的定位部件将距离设置为预定值的装置。
使用这种用于燃料电池的生产方法，由于阳极和阴极之间的距离被设置为预定值，所以阳极和阴极之间提供的电解质的厚度能够被设置为预定值。因此可以提供用于生产包括具有预定厚度的电解质的燃料电池的方法。
上述用于燃料电池的生产方法可以包括这样的工艺，其中，在所述第一工艺完成之后，将隔离物中的一个配合到阳极，并且将另一个隔离物配合到阴极。
使用这种用于燃料电池的生产方法，隔离物配合到在第一工艺中生产的阳极和阴极。因此，其中的一个配合到阳极并且其中的另一个配合到阴极的隔离物能够用作定位部件。因此可以容易地将阳极和阴极之间的距离设置为预定值。
上述用于燃料电池的生产方法可以包括这样的工艺，其中，在所述第二工艺完成之后，将隔离物中的一个配合到阳极，并且将另一个隔离物配合到阴极。
使用这种用于燃料电池的生产方法，执行压制工艺(熔化材料压制形成工艺)，直到以电解质夹在其间的方式彼此相对的阳极和阴极之间的距离变为预定值为止。因此可以将阳极和阴极之间的距离设置为预定值。
在上述用于燃料电池的生产方法中，可以通过执行熔化材料压制形成工艺或熔化材料注射模塑工艺在阳极和阴极之间提供熔化的电解质。
使用这种用于燃料电池的生产方法，可以生产具有降低的接触电阻的燃料电池，而不增加生产工艺的数目。
当结合附图考虑时，通过阅读本发明的优选实施例的以下详细描述，将会更好地理解本发明的上述以及其他的特征、优点、技术和工业意义，其中图1是示意性显示根据本发明第一实施例的用于燃料电池的生产方法的视图；图2是示意性显示第一实施例中的熔化材料压制工艺的另一种方法的视图；图3是示意性显示根据本发明第二实施例的用于燃料电池的生产方法的视图；以及图4是示意性显示用于燃料电池的传统生产方法的视图。
具体实施例方式
在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的每个实施例的用于燃料电池的生产方法。
首先，为了与根据本发明的生产方法相比较起见，参考图4来描述用于燃料电池的传统生产方法。在传统方法中，熔化的电解质通过熔化材料注射模塑工艺形成为薄膜电解质(在下文中，在适当的地方被称为“电解质膜”)，并且这个电解质膜通过辊卷起，由此形成电解质的薄膜卷。然后，催化层通过转录方法或喷涂方法结合到电解质膜的两个表面，由此形成MEA。然后，扩散层结合到已被切成预定尺寸的MEA的两个表面，由此形成膜电极扩散层组件(在下文中被称为“MEGA”)。当隔离物配合到MEGA时，形成燃料电池模块。在以下描述中，用于燃料电池的传统生产方法中的从熔化材料注射模塑工艺到扩散层结合工艺的过程将被称为“薄膜热压制工艺”。在图4中，对应于薄膜热压制工艺的工艺用虚线包围。
图1示意性显示了根据本发明的第一实施例的用于燃料电池的生产方法。在通过图1中显示的生产方法生产的燃料电池中，充当电极的阳极和阴极中的每一个都包括催化层和扩散层，并且催化层包括催化剂和离子交换树脂。在第一实施例中，通过包括熔化材料压制形成工艺的用于燃料电池的生产方法生产燃料电池模块。
如图1所示，根据第一实施例的用于燃料电池的生产方法包括第一工艺10和第二工艺20。在第一工艺10中，包括催化层2a和扩散层3a的阳极4通过用催化层2a涂敷扩散层3a形成；并且包括催化层2b和扩散层3b的阴极5通过用催化层2b涂敷扩散层3b形成。在第二工艺20中，在第一工艺10中形成的阳极4和阴极5之间提供熔化的电解质1。在根据第一实施例的第二工艺20中，通过压制直到以电解质1夹在其间的方式将彼此相对的阳极4和阴极5之间的距离变为预定值为止(通过执行熔化材料压制形成工艺)，阳极4和阴极5之间提供的熔化电解质1形成为具有预定厚度的电解质1。亦即，阳极4和阴极5之间的距离通过距离设置装置设置为预定值。在第一实施例中，“距离设置装置”没有特别地限制，只要所述装置能够将阳极4和阴极5之间的距离设置为预定值。距离设置装置的例子包括用于通过调整压力将距离设置为预定值的装置；以及用于通过使用所谓的定位部件将距离设置为预定值的装置。电解质1，其已被形成以便以上述方式具有预定厚度，当其温度下降到等于或低于其熔点时变为薄膜(固态)电解质1。在根据第一实施例的生产方法中，在第二工艺20中形成包括薄膜电解质1的MEGA 6。在隔离物配合工艺30中，在MEGA 6的两侧中的一侧，隔离物7，7中的一个配合到MEGA 6，其在包括熔化材料压制形成工艺的工艺20中形成，并且另一个隔离物7在MEGA 6的另一侧配合到MEGA 6，由此制造出燃料电池模块8。
使用根据图1中显示的第一实施例的生产方法，由于熔化的电解质1在形成为薄膜之前直接形成，所以与传统的生产方法不同，没有提供薄膜热压制工艺。因此，使用根据第一实施例的生产方法，能够简化生产工艺。进一步，在传统的薄膜热压制工艺中，由于电解质膜经历了热应力、机械应力或化学应力，所以电解质膜的寿命趋于缩短。然而，在根据第一实施例的生产方法中，由于没有执行热压制工艺，所以减少了电解质上放置的应力。根据本发明的第一实施例，因此可以提供包括长寿命电解质膜的燃料电池。
在根据第一实施例的生产方法中，熔化的电解质1，其能够在温度等于或高于熔点的条件下存在，对其进行压制而无须执行薄膜热压制工艺。因此，在温度低于熔点的条件下存在的电解质膜和催化层没有相互挤压。通常，具有等于或高于熔点的温度的电解质比具有低于熔点的温度的电解质软，并且熔化的电解质比电解质膜软。因此，在压制期间从熔化电解质1向催化层2a和2b施加的力，小于从电解质膜向催化层施加的力。因此，使用根据第一实施例的生产方法，催化层2a和2b的孔隙率不会轻易降低。在包括经历过薄膜热压制工艺的催化层的MEA中，催化层的孔隙率通过在薄膜热压制工艺期间从电解质膜向催化层施加的力而降低。结果，容易造成水和气体的阻塞，导致溢流，并且MEA的鲁棒性趋于降低。与此形成对照，在根据第一实施例的生产方法所生产的燃料电池8中包括的MEA中，由于在MEA中包括了其孔隙率能够维持在适当水平的催化层2a和2b，所以溢流不容易发生，并且MEA的鲁棒性高。因此，使用根据第一实施例的生产方法，可以生产具有这样的MEA的燃料电池8，在所述MEA中，溢流不容易发生，并且其具有高鲁棒性。如果催化层具有适当的孔隙率，则反应气体能够在催化层中容易地流动，并且催化层中存在的许多催化剂能够有助于反应。因此，包括具有良好孔隙率的催化层的燃料电池的发电效率，高于包括具有降低的孔隙率的催化层的燃料电池的发电效率。因此，通过根据第一实施例的生产方法生产燃料电池使得可以维持催化层2a和2b的良好孔隙率。结果，能够提供具有良好发电效率的燃料电池。
另外，使用根据第一实施例的生产方法，由于熔化的电解质1接触催化层2a和2b，所以沿着催化层2a和2b的表面上的粗糙度形成熔化电解质1的表面。由于具有如此形成的表面的电解质1冷却然后结合到催化层2a和2b，所以电解质1和催化层2a与2b之间的结合条件良好。结果，能够减少电解质1和催化层2a与2b之间造成的接触电阻。因此，使用根据第一实施例的生产方法，可以提供具有降低的接触电阻的燃料电池。在根据本发明的第一实施例的生产方法中，通过调整电解质1的粘度和熔化材料压制工艺期间施加的压力，能够调整电解质1和催化层2a与2b之间的结合条件，并且电解质1的粘度基于电解质1的温度而变化。优选地，在根据第一实施例的生产方法中适当地调整熔化材料压制工艺期间的温度和压力。用这种方式，可以提供具有进一步降低的接触电阻的燃料电池。
另外，在根据第一实施例的生产方法中，熔化的电解质1以及阳极4和阴极5相互挤压，而在喷涂方法中使用的溶剂则在压制期间没有使用。因此，使用根据第一生产方法的生产方法，能够减少给予电解质的破坏，并因此能够改善电解质的耐用性。
在根据第一实施例的生产方法中的熔化材料压制形成工艺中，优选地，事先充分调整接触熔化电解质1的催化层2a和2b的表面粗糙度，以便防止在压制形成工艺期间短路。通过使用其表面粗糙度已被事先调整过的催化层2a和2b执行熔化材料压制形成工艺使得可以生产包括具有良好成品率的电解质1的燃料电池。
根据第一实施例的生产方法中的熔化材料压制形成工艺没有特别地限制，只要MEGA能够通过以下形成将熔化的电解质以及其中的每一个都包括扩散层和催化层的阳极和阴极压制成形。图1中显示了根据第一实施例的生产方法中的熔化材料压制形成工艺的例子。在这个工艺中，阳极4和阴极5以及熔化的电解质1被压制成形。阳极4通过用催化层2a涂敷扩散层3a形成，并且阴极5通过用催化层2b涂敷扩散层3b形成。扩散层3a和3b中的每一个事先已被切成适合于燃料电池模块8的尺寸。
在根据第一实施例的生产方法中的熔化材料压制形成工艺中，可以通过连续地执行熔化材料压制形成工艺形成MEGA。在这个工艺中，熔化的电解质以及其中的每一个都包括扩散层和催化层的阳极和阴极被压制成形。图2示意性显示了连续的熔化材料压制形成工艺，其可以包括在根据第一实施例的生产方法中。在图2显示的连续的熔化材料压制形成工艺21中，从电解质罐53供应的熔化电解质1被放置在从催化层供应辊51b供应的催化层2b的上表面上。然后，从催化层供应辊51a供应的催化层2a和从扩散层供应辊52a供应的扩散层3a被放置在熔化电解质1上。从扩散层供应辊52b供应的扩散层3b被放置在从催化层供应辊51b供应的催化层2b的下表面上，由此熔化电解质1被放置在其中的每一个都包括催化层和扩散层的阳极和阴极之间。阳极和阴极之间放置的熔化电解质1然后从两侧由辊式压制机60a和60b压制，由此形成MEGA 6。当通过熔化材料压制形成工艺21形成MEGA6时，MEGA 6被切成如此的尺寸，以致于MEGA能够提供在燃料电池组件中。然后，隔离物在隔离物配合工艺30中配合到MEGA 6，由此产生燃料电池模块8。注意图2中的箭头显示了MEGA移动的方向。
图3是示意性显示根据本发明的第二实施例的用于燃料电池的生产方法的视图。在图3中显示的生产方法所生产的燃料电池中，充当电极的阳极和阴极中的每一个都包括催化层和扩散层，并且催化层包括催化剂和离子交换树脂。在第二实施例中，通过包括熔化材料注射模塑工艺的用于燃料电池的生产方法生产燃料电池模块。
如图3所示，根据本发明的第二实施例的燃料电池生产方法包括第一工艺10、隔离物配合工艺15和第二工艺25。在根据第二实施例的第一工艺10中，包括催化层2a和扩散层3a的阳极4通过用催化层2a涂敷扩散层3a形成；并且包括催化层2b和扩散层3b的阴极5通过用催化层2b涂敷扩散层3b形成。在隔离物配合工艺15中，隔离物7，7中的一个配合到工艺10中产生的阳极4，并且另一个隔离物7配合到工艺10中产生的阴极5，由此形成具有隔离物的阳极4’和具有隔离物的阴极5’。在根据第二实施例的第二工艺25中，熔化的电解质1放置在具有隔离物的阳极4’和具有隔离物的阴极5’之间，它们的位置被如此设置，以致于其间保留预定距离。然后，电解质1被冷却成薄膜电解质1，由此产生包括MEGA 6的燃料电池模块8。阳极4和阴极5之间的距离通过距离设置装置设置为预定值。如在第一实施例中那样，“距离设置装置”没有特别地限制，只要所述装置能够将阳极4和阴极5之间的距离设置为预定值。距离设置装置的例子包括用于通过调整压力将距离设置为预定值的装置；以及用于通过使用所谓的定位部件将距离设置为预定值的装置。
如在根据本发明的第一实施例的生产方法中那样，在图3中显示的根据本发明的第二实施例的生产方法中，由于熔化的电解质1在形成为薄膜之前直接形成，所以与传统的生产方法不同，没有提供薄膜热压制工艺。因此，使用根据第二实施例的生产方法，可以提供这样的燃料电池，其具有稳定和良好的孔隙率、降低的接触电阻以及改善的耐用性。
另外，在根据第二实施例的生产方法中，在产生具有隔离物的阳极4’和具有隔离物的阴极5’之后，在提供有其间保留的预定距离的阳极4’和阴极5’之间放置熔化的电解质1。因此，使用根据第二实施例的生产方法，除了根据第一实施例的生产方法所获得的效果之外，还能够获得以下效果。能够进一步改善电解质1的尺寸精度，并且能够进一步简化生产工艺。
为了方便起见，在根据本发明的第一和第二实施例中的每一个的用于燃料电池的生产方法中，使用了其中的每一个都包括催化层和扩散层的阳极和阴极。然而，根据本发明的生产方法生产的燃料电池中包括的阳极和阴极不限于第一和第二实施例中使用的阳极和阴极，只要阳极和阴极中的每一个都包括催化剂和离子交换树脂。
权利要求
1.一种用于燃料电池的生产方法，所述燃料电池包括电解质(1)；阳极(4)，其提供在所述电解质(1)的两侧中的一侧；阴极(5)，其提供在所述电解质(1)的另一侧；以及隔离物(7，7)，其中的一个提供在所述阳极(4)的外侧，并且其中的另一个提供在所述阴极(5)的外侧，其特征在于包括第一工艺(10)，其中，生产所述阳极(4)和所述阴极(5)，其中的每一个都至少包括催化剂和离子交换树脂；以及第二工艺(20，25)，其中，在所述阳极(4)和所述阴极(5)之间提供所述熔化的电解质(1)。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的生产方法，其特征在于在所述第二工艺(20，25)中，通过距离设置装置将所述阳极(4)和所述阴极(5)之间的距离设置为预定值。
3.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的生产方法，其特征在于进一步包括隔离物配合工艺(15)，其中，在所述第一工艺(10)完成之后，将所述隔离物(7，7)中的一个配合到所述阳极(4)，并且将另一个隔离物(7)配合到所述阴极(5)。
4.根据权利要求1或2所述的用于燃料电池的生产方法，其特征在于进一步包括隔离物配合工艺(30)，其中，在所述第二工艺(20)完成之后，将所述隔离物(7，7)中的一个配合到所述阳极(4)，并且将另一个隔离物(7)配合到所述阴极(5)。
5.根据权利要求1至中任何一项所述的用于燃料电池的生产方法，其特征在于通过执行熔化材料压制形成工艺或熔化材料注射模塑工艺，在所述阳极(4)和所述阴极(5)之间提供所述熔化的电解质(1)。
全文摘要
一种用于燃料电池(8)的生产方法，所述燃料电池(8)包括电解质(1)；阳极(4)，其提供在所述电解质(1)的两侧中的一侧；阴极(5)，其提供在所述电解质(1)的另一侧；以及隔离物(7，7)，其中的一个提供在所述阳极(4)的外侧，并且其中的另一个提供在所述阴极(5)的外侧。所述生产方法包括第一工艺(10)，其中，生产所述阳极(4)和所述阴极(5)，其中的每一个都至少包括催化剂和离子交换树脂；以及第二工艺(20，25)，其中，在所述阳极(4)和所述阴极(5)之间提供所述电解质(1)。使用这种生产方法，能够降低接触电阻而不增加生产工艺的数目。
文档编号H01M8/10GK1985398SQ200580023925
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月12日 优先权日2004年7月13日
发明者谷口拓未, 小林雅史 申请人:丰田自动车株式会社