燃料电池用电极的制备方法

专利名称：燃料电池用电极的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池用电极的制备方法，该燃料电池含有置于正极和负极之间的离子交换膜，并通过使氢与负极上的催化剂接触的同时使氧与正极上的催化剂接触以产生电。
背景技术：
图33和图34显示了现有的燃料电池用电极。在该燃料电池用电极700中，离子交换膜703置于负极层(氢电极)701和正极层(氧电极)702之间，使氢分子(H2)与包含在负极层701中的催化剂接触，氧分子(O2)与包含在正极层702中的催化剂接触，从而使电子e-发生如箭头所示的流动，这样就产生了电流。在电流产生的过程中，由所述氢分子(H2)和所述氧分子(O2)产生了水(H2O)。
如图34所示，燃料电池用电极700具有粘结层706和707，分别处于一对扩散层704和705的内侧。负极层701和正极层702分别处于这些粘结层706和707的内侧。离子交换膜703位于负极层701和正极层702之间。
为制备燃料电池用电极700，首先将制备粘结层706的溶液涂覆于扩散层704上，同时将制备粘结层707的溶液涂覆于扩散层705上，然后，通过烧结所涂覆的粘结层706和707，使粘结层706和707固化。
接着，将制备负极层701的溶液涂覆于已固化的粘结层706上，同时将制备正极层702的溶液涂覆于已固化的粘结层707上，并通过干燥所涂覆的负极层701和正极层702，使负极层701和正极层702固化。
然后，将片状离子交换膜703置于已固化的负极层701之上，将有固化的正极层702的扩散层705置于离子交换膜703之上，这样形成了7层的多层结构，之后，加热该多层结构，并按照箭头所示进行压接，进而形成电极结构。
如上所述，在燃料电池700内将薄片用作离子交换膜703，并在粘结层706、负极层701、正极层702和粘结层707等各个层固化后进行加热、压接，因此，在各层的界面上存在着产生密合性差的部分的风险。
当燃料电池用电极的各层上产生密合性差的部分时，就很难有效产生电流，而且，在生产线中的检验阶段，这些燃料电池用电极就会被当作废品处理，或需对其进行维修处理，因此阻碍了生产率的提高。
而且，因为将薄片用作离子交换膜703，而考虑到离子交换膜703的可操作性(处理性能)时，该离子交换膜703须制得厚一些。因此就很难将电极制薄，这成为燃料电池小型化的阻碍。
因此，就希望能防止在各层的界面上出现密合性差的部分，还能防止离子交换膜的性能退化，并且可以将离子交换膜制作得很薄。
在所述燃料电池的正极/负极中，其中有一些是根据应用而采用了多边形(例如八边形)的正极或负极。
图35A和图35B是表示构成现有燃料电池的多边形离子交换膜的制备方法的图，解释说明了将离子交换膜703涂覆于负极701上的例子。
图35A中，多边形(八边形)负极701由碳纸构成，该负极701被置于工作台715之上。然后，按箭头所示将丝网印刷机716从工作台715的一端715a向另一端715b移动。
该丝网印刷机716两端有支脚部位716a、716a，以及跨越支脚部位716a、716a的出料部位716b，当丝网印刷机716的出料部位716b达到负极701上方的位置时，从出料部位716b吐出用于制备离子交换膜的树脂溶液。
图35B中，当丝网印刷机716在位置E1和位置E2之间移动时，从丝网印刷机716的出料部位716b向负极701涂覆制备离子交换膜的浆料(树脂溶液)。接着，在清除涂覆于该负极外侧的浆料718之后，对负极701表面上的树脂溶液进行干燥，以得到多边形的离子交换膜。
当用丝网印刷机716涂覆浆料718时，如图35A所示使出料部位716b按箭头所示方向移动，同时从出料部位716b吐出浆料718，这样浆料718涂覆的区域719形成如图35B所示的矩形。因此在负极701外侧的多个额外区域719a(即该矩形各角落)也涂覆有浆料718，这些涂覆于额外区域719a的浆料718需要回收。而回收操作需要时间，因此阻碍了生产率的提高。
为确保燃料电池的性能，在离子交换膜703(参见图33)成型时需要使其表面平坦。所以，当用丝网印刷机716来涂覆浆料718时，必须从出料部位716b的整个区域均匀吐出浆料718。
然而，为从一个面积相对较大的部分如出料部位716b，均匀地在整个区域内吐出浆料718，就需要进一步提高丝网印刷机716的出料精度。因此，丝网印刷机716的设备成本会很高，这阻碍了燃料电池成本的降低。所以希望能有一种燃料电池用离子交换膜的成型方法，可防止浆料涂覆于额外区域，并且离子交换膜成型时可以比较简单地使其平坦。
图36A和图36B为构成现有燃料电池的离子交换膜的另一种制备方法的简图。
图36A中，制备在基板713上涂覆有负极701的电极板714，将该电极板714置于工作台715之上。然后，在所涂覆的负极701干燥前，按箭头方向移动丝网印刷机716。出料部位716b处于该丝网印刷机716上部，当丝网印刷机716的出料部位716b到达电极板714(基板713和负极701)的上方时，从出料部位716b吐出用于形成离子交换膜的树脂溶液。
图36B中，当丝网印刷机716在位置P1和位置P2之间移动时，从丝网印刷机716的出料部位716b，向电极板714(基板713和负极701)上涂覆用于形成离子交换膜712的树脂溶液，这样，电极板714就被树脂溶液712所覆盖。随后，将该树脂溶液干燥后得到离子交换膜703。
但是，当从丝网印刷机716一边将树脂溶液712涂覆于电极板714上一边按箭头所示方向从位置P1开始移动时，在负极701表面产生了如箭头a所示方向的剪切力。而且树脂溶液712从丝网印刷机716涂覆于电极板714上时，负极701尚未干燥。
当负极701表面如此产生箭头a所示方向的剪切力时，在该剪切力作用下，负极701的表面层部位701a有可能产生移位。负极701的表面层部位701a发生移位的产品部件只能当废品处理或需对其进行修复，这对提高生产率构成了阻碍。因此，希望在负极等电极上形成离子交换膜时，防止电极表面层部位发生移位。

发明内容
本发明人发现，各层间产生密合性差的部分的原因在于，在先前涂覆的膜固化之后涂覆随后的溶液时，该溶液不能渗入先前涂覆的膜，结果导致密合性较差。
因此，可以知道在先前涂覆的膜未干燥其间覆盖随后的溶液，则该溶液将渗入先前涂覆的膜，明显提高密合性。
同样发现，对于在片状离子交换膜上涂覆溶液的情况，导致密合性差的另一原因是因为溶液不能渗入片状离子交换膜，因而产生密合性差的部分。
因此，本发明提供一种燃料电池用电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤将用于制备燃料电池的正极/负极中的任一电极(以下称为第一电极)的溶液涂覆于薄片上以形成第一电极的电极层(以下称为第一电极层)；在该电极层干燥之前，将用于制备离子交换膜的溶液涂覆于该电极层上，以形成离子交换膜；在该离子交换膜干燥之前，将用于制备正极/负极中另一电极(以下称为第二电极)的溶液涂覆于该离子交换膜上，以形成第二电极的电极层(以下称为第二电极层)；通过干燥所述的第一电极层、第二电极层和离子交换膜进行固化。
即，在本发明中，如果使用溶液制备所述离子交换膜，且在各自未干燥状态下分别涂覆制备电极的溶液和制备离子交换膜的溶液，就会在界面上产生混合。通过此方式，可避免在一对电极和离子交换膜各层界面产生密合性差的部分，所以可以很好地保持离子交换膜上的反应效率。
其中，当使用薄片作为离子交换膜时，该离子交换膜有必要制得厚一些，以保持片状离子交换膜良好的可操作性。因此，很难将电极结构制得很薄，这构成了电极结构的小型化的阻碍。
在本发明中，将离子交换膜制成溶液，可在溶液状态下操作该离子交换膜。通过将离子交换膜制成溶液，在操作时将无需控制该离子交换膜的厚度。因此，该离子交换膜有可能制得很薄，从而整个电极结构可以制作得尽可能地薄。
在本发明中，优选进行上述干燥时不施加负荷。即，在各自未干燥状态下分别涂覆用于制备电极的溶液和制备离子交换膜的溶液，在涂覆完这些溶液后，在不施加负荷的情况下进行干燥。通过这种方式，由于不必对离子交换膜施加负荷，所以该离子交换膜的性能不会因有负荷而下降。
另外在本发明中，优选在所述正/负极的电极层中，将负极层形成于所述离子交换膜的下方，将正极层形成于所述离子交换膜的上方。在未干燥的电极层上涂覆用于制备离子交换膜的溶液时，可能因为重力的影响而使该用于制备离子交换膜的溶液向下流并渗入所述电极层。如果用于制备离子交换膜的溶液渗入电极层，渗入的溶液有可能会减少该电极层中的空隙。因而，在燃料电池用电极结构的制备过程中，如果将正/负电极层中的正极层配置于离子交换膜的下方，所述用于制备离子交换膜的溶液将会减少该正极层中的空隙，所以可能导致发电过程中生成的产物水不能有效地从正极侧扩散层排出燃料电池外。如果产物水不能有效排出，则反应气体氢气和氧气的最优供给将受到阻碍，所以浓度过电压变高，从而难以保持良好的燃料电池发电性能。
这里，“浓度过电压”指当电极上的反应物和反应产物的补给速度和除去速度缓慢从而阻碍了电极的反应时出现的电压降。即，浓度过电压变高意味着该电压降的数值变大。所以，如上所述，本发明中，将正极层配置于离子交换膜的上方。通过将正极层配置于离子交换膜的上方，可防止制备离子交换膜的溶液在重力作用下渗入正极层，从而可防止正极层的空隙因所述制备离子交换膜的溶液的渗入而减少。其结果是，可将发电过程中生成的产物水从正极层导至正极侧扩散层，并使其通过正极侧扩散层中的空隙顺利排出，从而可以抑制燃料电池中产生的浓度过电压的上升而使其处于较低的水平。
用于制备正极的溶液优选在喷雾状态下进行涂覆。当制备正极的溶液的涂覆压力高时，在涂覆该制备正极的溶液的过程中，就会存在用于制备离子交换膜的溶液渗入正极层的危险。当制备离子交换膜的溶液渗入正极层时，存在的问题是，制备离子交换膜的溶液达到正极侧扩散层并减少该正极侧扩散层的空隙。为避免这种情况，通过将制备正极的溶液以喷雾状进行涂覆，可使离子交换膜不承受额外的涂覆压力，即，以最小涂覆压力来涂覆用于制备正极的溶液。这样，在不对离子交换膜施加额外涂覆压力的情况下涂覆用于制备正极的溶液，可避免制备离子交换膜的溶液渗入正极层。因此，可防止正极层的空隙因制备离子交换膜的溶液的渗入而减少，这样可更好地确保正极层空隙。通过这种方式，可将发电过程中生成的产物水从正极层导至正极扩散层，并通过该正极侧扩散层的空隙更好地排出，从而可抑制燃料电池中产生的浓度过电压的上升而使其处于较低的水平。
在本发明中，上述干燥是通过采用远红外线辐射从所述电极的内部加热的方式来进行的，由此防止了制备离子交换膜的溶液向电极内部的过量渗透。这样，用远红外线辐射的方式加热干燥第一电极层、离子交换膜和第二电极层，可使整个离子交换膜从其表面到内部迅速干燥，从而可以抑制制备离子交换膜的溶液向第一或第二电极层内的渗透。通过抑制制备离子交换膜的溶液向电极层内的渗透，可防止该电极层的空隙因该制备离子交换膜的溶液而堵塞。因此，可通过电极层的空隙将发电过程中生成的产物水导至扩散层，并使其通过扩散层的空隙顺利排出。
本发明中，优选在制备正/负电极层的溶液中使用汽化温度比制备离子交换膜的溶液中所用的溶剂的汽化温度高的溶剂。这样，当所用溶剂的汽化温度比制备离子交换膜的溶液中所用的溶剂的汽化温度更高时，该离子交换膜可先于电极层得到稳妥的干燥。因而，可以更有效地防止制备离子交换膜的溶液向电极层内的渗透。
本发明中，优选将上述的第一电极层分为两层第一层在远离离子交换膜的一侧，第二层在接触离子交换膜的一侧，设置第二层的孔隙率低于第一层的孔隙率。这样，通过使第二层具有较低的孔隙率，可遏制制备离子交换膜的溶液向第二层内渗透，从而防止因制备离子交换膜的溶液的渗透而减少该电极层的空隙。
上述第二层的孔隙率优选为70％到75％。当第二层的孔隙率低于70％时，则将有可能因孔隙率太低而导致制备离子交换膜的溶液不能适量地向第二层内渗透。这样的话，就难以保持离子交换膜与第二层间良好的密合性，并存在不能确保反应所需的有效面积的风险。因此，就存在活化过电压增高、不可能有效产生电流的风险。为避免这种情况，将所述第二层的孔隙率设为大于等于70％，以保持离子交换膜与第二层良好的密合性。
这里，“活化过电压”指对电极上的反应所需的活化能进行补充时出现的电压降。即活化过电压变高，则意味着该电压降的数值变大。
另一方面，当第二层的孔隙率高于75％时，其风险是，由于孔隙率太高而使制备离子交换膜的溶液向第二层内的渗透过多。这样的话，正/负电极中的所述第一电极层的孔隙将因制备离子交换膜的溶液的渗透而减少，从而使发电生成的产物水不能通过该电极层的空隙顺利排出。因此，阻碍了反应气体氢气和氧气的最优供给，使浓度过电压变高，因此很难使燃料电池保持良好的发电性能。为避免这种情况，将第二层的孔隙率设为小于等于75％，以保证产物水可顺利排出。
同时，所述第一层的孔隙率优选为76％至85％。当第一层的孔隙率低于76％时，将因孔隙率太低而使产物水很难有效排出。因此，阻碍了反应气体氢气和氧气的最优供给，使浓度过电压变高，从而很难使燃料电池保持良好的发电性能。为避免这种情况，将第一层的孔隙率设为大于等于76％，以保证产物水可顺利排出。
另一方面，当第一层的孔隙率高于85％时，其风险是，由于孔隙率太高而使对于产物水的保水性下降，从而使第一层变干燥，阻碍离子传导。因此，存在阻抗过电压变高、不可能有效产生电流的风险。为避免这种情况，将第一层的孔隙率设为小于等于85％，以抑制阻抗过电压，从而可有效产生电流。
这里，“阻抗过电压”指与电极内电阻成正比的电压降。即阻抗过电压变高，则意味着该电压降的数值变大。
在本发明的方法中，要使第二层的孔隙率低于第一层，优选涂覆用于制备第二层的溶液时的雾化能量高于涂覆用于制备第一层的溶液时的雾化能量。这样的话，第二层的密度将大于第一层的密度，从而使第二层的孔隙率小于第一层的孔隙率。
同时，在本发明中，为使第二层的孔隙率低于第一层的孔隙率，还可以通过使制备第二层的溶液中含有的电极颗粒的粒径小于制备第一层的溶液中含有的电极颗粒的粒径，从而使制备第二层的溶液的密度大于制备第一层的溶液的密度。
在本发明的方法中，优选在制备所述第一电极层的步骤之前包含形成所述第一电极这一方的电极侧扩散层(以下称为第一电极侧扩散层)的步骤，并在所述第一电极侧扩散层尚未干燥时叠加形成所述的第一电极层，并且优选在所述的第二电极层形成之后包含形成所述第二电极这一方的电极侧扩散层(以下称为第二电极侧扩散层)的步骤，并在所述第二电极层尚未干燥时叠加形成所述第二电极侧扩散层。
优选所述第一电极侧扩散层由正极侧碳纸和正极侧粘结层组成，所述第二电极侧扩散层由负极侧碳纸和负极侧粘结层组成。
用于制备该正极侧粘结层的溶液优选包括作为溶剂的水以及具有疏水性且熔点小于等于150℃的低熔点树脂。
通常，要使生成的水有效地排出燃料电池之外，可将包含疏水性树脂(聚四氟乙烯，例如商标名“Teflon”(“特氟隆”)(注册商标))的溶液涂覆于所述正极侧碳纸上，以使该正极侧碳纸具有疏水性。然而，聚四氟乙烯的熔点为350℃，与正极层、负极层和离子交换膜相比，由于聚四氟乙烯的熔点高，因此需要另外单独烧结聚四氟乙烯，而不将其与正极层、负极层和离子交换膜同时烧结，并需要在聚四氟乙烯烧结后将正极层、负极层和离子交换膜干燥。所以，在燃料电池用电极制造过程中，需要两个干燥的步骤烧结聚四氟乙烯的干燥步骤；和干燥正极层、负极层和离子交换膜的干燥步骤，因此这种电极的制备耗时耗力。
为避免这种情况，以便减少上述干燥步骤的次数，在本发明中使用熔点小于等于150℃的低熔点树脂替代上述用作疏水性树脂的聚四氟乙烯。即，当疏水性树脂熔点高于150℃时，可能由于疏水性树脂熔点太高而不能将其与正极层、负极层和离子交换膜一起烧结。因此，该疏水性树脂应由熔点低于150℃的树脂制成，以便在正极层、负极层和离子交换膜干燥的同时烧结该疏水性树脂。
当有可能以此方式在正极层、负极层和离子交换膜干燥的同时烧结该疏水性树脂时，制备正极层的溶液就可以在该疏水性树脂(即，正极侧扩散层)干燥之前涂覆于正极侧扩散层上，从而在该正极侧扩散层与该正极层的界面上就可以获得最佳混合。
这里，由于正极侧碳纸表面是个不平坦的表面，因此很难将制备正极侧粘结层的溶液(特别是疏水性树脂)涂覆于正极侧碳纸的凹陷部位。
鉴于此，本发明中，如上所述，在制备正极侧粘结层的溶液中使用水作为溶剂。由于水具有非常优良的分散能力，使用水作为溶剂就可能使低熔点树脂或碳与溶剂良好地混合。因此，可通过喷雾器或喷墨机等以喷雾状涂覆制备正极侧粘结层的溶液，即使是正极侧碳纸表面的凹陷部位也可很好地涂覆所述的制备正极侧粘结层的溶液。
低熔点树脂的合适的例子是偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。该偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物具有在作为溶剂的水中分散的性能，所以在150℃的干燥温度下能够很好地实施本发明。即，在作为溶剂的水汽化后，分散在水中的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物达到其熔点并熔化，显示出疏水性效果。
本发明中，制备正极侧粘结层的溶液中包含有机溶剂。由于有机溶剂具有优良的溶解能力，该疏水性树脂可在该溶剂中良好地溶解。另外，碳扩散或混合于该溶剂中。这里，由于有机溶剂的干燥温度一般约在70℃到80℃之间，因此在正极层、负极层和离子交换膜的干燥过程中，在将有机溶剂汽化的同时可将疏水性树脂留下，该疏水性树脂可与正极层、负极层和离子交换膜同时被烧结。由于该疏水性树脂可以以此方式在正极层、负极层和离子交换膜干燥的同时被烧结，所以就能将正极层溶液在该疏水性树脂(即正极侧扩散层)干燥之前涂覆于正极侧扩散层，从而在该正极侧扩散层与该正极层的界面上能获得最佳混合。
如上所述，有机溶剂具有非常良好的溶解能力，通过使用有机溶剂可使疏水性树脂在该溶剂中很好地溶解。这样，就能用喷雾器或喷墨机喷雾涂覆所述制备正极侧粘结层的溶液，即使是正极侧碳纸表面的凹陷部位也可以很好地涂覆所述的制备正极侧粘结层的溶液。
而且，本发明中用于制备正极侧粘结层的溶液含有能溶解在有机溶剂中并具有疏水性的树脂。作为能溶解在有机溶剂中的疏水性树脂，适合的例子包括偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯、含氟烯烃/烃类烯烃共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物和含氟环氧化合物。
而且，在本发明中，在正极侧扩散层和负极侧扩散层两方之一的粘结层(以下称为第一粘结层)之上形成所述的第一电极层，然后在所述第一电极层上形成离子交换膜，并在所述离子交换膜上形成所述的第二电极层，接着在所述第二电极层上形成第二电极层这一方的粘结层(以下称为第二粘结层)，然后在所述第二粘结层上配置碳纸(以下称为第二碳纸)，为使所述第二粘结层与所述第二碳纸之间获得良好的密合性，制备所述第二粘结层的溶液中含有粘接性优异的粘接性树脂。作为所述粘接性树脂，优选使用离子交换树脂。
本发明进一步包括以下步骤在所述第一扩散层(电极侧扩散层)形成之后，在其干燥之前通过压制该扩散层的上表面以将该扩散层的上表面压平。以此方式使所述第一扩散层的上表面变平，从而可将负极层平坦地涂覆于该扩散层上，也可将离子交换膜平坦地涂覆于该负极层上。因此，通过平坦地形成离子交换膜，可防止涂覆于该离子交换膜的正极层和负极层之间发生短路。
所述第一扩散层优选通过将粘接剂喷雾涂覆于由碳纸构成的薄片来制备，原因是这样粘接剂可涂覆于该碳纸的凹陷部位。这样，该粘接剂可涂覆于碳纸的整个区域从而获得疏水效果，也可顺利地排出由氢分子和氧分子反应生成的产物水。
本发明还提供了一种离子交换膜的形成方法，即通过在燃料电池正/负极中任一电极(即第一电极)上形成浆料，以此形成用于燃料电池的离子交换膜，所述方法包括如下步骤将所述第一电极置于一底座上，并向所述第一电极施加正电荷；给用于制备离子交换膜的所述浆料施加负电荷，并且在通过浆料喷嘴以喷雾的形式喷出所述浆料的同时，使该浆料喷嘴在所述第一电极的上方移动以使喷雾状的浆料涂覆于所述电极；以及干燥所述已涂覆的浆料。
这样，在本发明中，通过向正或负电极施加正电荷，同时在向制备离子交换膜的浆料施加负电荷的状态下将其从浆料喷嘴以喷雾的形式喷出，可以防止该浆料的涂覆不均匀。通过这种方式可使浆料良好地涂覆于负极，使形成的离子交换膜平坦。
若所述第一电极为多边形，优选所述第一电极的狭窄部位处使该浆料喷嘴靠近所述电极，并且在该电极的宽阔部位处使该浆料喷嘴远离所述电极。通过在该电极的狭窄部位处使浆料喷嘴接近所述电极，可使该喷嘴喷出的浆料宽度变窄，由此该浆料将不会落在该电极的狭窄部位之外。通过在该电极的宽阔部位处使该浆料喷嘴远离所述电极，可加宽该浆料喷嘴喷出的浆料的宽度，由此所述电极的宽阔部位将被该浆料涂覆。由此根据电极宽度来调整浆料喷嘴的高度，可避免例如浆料在电极狭窄部位处伸出电极，也可避免浆料涂覆到额外区域。
本发明还提供了一种离子交换膜的成型方法，即通过在燃料电池的多边形正/负极中任一电极(即第一电极)上形成浆料，以此来形成用于燃料电池的离子交换膜，所述方法包括如下步骤将所述第一电极置于底座上；以锯齿形配置多个浆料喷嘴，所述浆料喷嘴用于以喷雾形式喷出制备所述离子交换膜用的浆料；使所述多个浆料喷嘴在所述第一电极的表面上方水平移动，同时，将所喷出的浆料涂覆于所述第一电极的表面；以及干燥所述已涂覆的浆料。
这种成型方法中，使用了多个浆料喷嘴，在该浆料的涂覆过程中，当其中部分浆料喷嘴处于电极之外的区域时，不让浆料从这些浆料喷嘴中喷出。通过此方法可避免将浆料涂覆到电极之外的区域。
同时，由于离子交换膜是由从多个浆料喷嘴以喷雾的形式喷出用于制备离子交换膜的浆料而形成的，因此可对从这些浆料喷嘴喷出的浆料的喷雾量进行单独调节。通过此方法可相对简单地形成平坦的离子交换膜，而不必无谓地提高一个个浆料喷嘴的喷雾精确性。
同时，为避免在处于喷雾状态的浆料的边缘部位出现紊乱，将这些浆料喷嘴以锯齿形放置，并放置成使从相邻喷嘴喷出的浆料的边缘部位交叠的形式。然而，当多个浆料喷嘴移至所述第一电极的表面上方时，为补充这些边缘部位涂覆的量，将已涂覆的浆料的边缘部位交叠，以使这些边缘部位涂覆的量得到补充。其结果是，使边缘部位和中央部位的涂覆的量达到均一，从而得到平坦的离子交换膜。
本发明中的成型方法优选包括如下步骤在将第一电极置于底座上后，将引导架构件沿第一电极的边缘放置，以便通过该引导架构件限定浆料的涂覆区域。当使用该引导架由此限定浆料的涂覆区域时，该浆料能容易地形成所需的形状，这样可毫不费时费力地顺利形成离子交换膜的边缘部分。
而且，本发明还提供了一种离子交换膜的成型方法，即通过在构成燃料电池的正/负极中任一电极(即第一电极)上形成浆料，以此来形成用于燃料电池的离子交换膜，所述方法包括如下步骤将所述第一电极置于底座上；沿所述第一电极的边缘配置外侧限制壁部件，并用该外侧限制壁部件围起所述第一电极；通过置于所述第一电极上方的喷雾装置喷出含有气体的树脂溶液，同时，使该喷雾装置在所述第一电极的表面上方移动，从而将该树脂溶液涂覆于所述第一电极上。
这样，在该成型方法中，通过将喷雾装置置于电极上方并通过该喷雾装置喷出树脂溶液以使其涂覆于电极上，可避免在电极上产生剪切力。同时，通过喷出含有气体的树脂溶液，可降低喷雾压力。通过该方法，在该树脂溶液涂覆于电极时，可防止电极表面出现移位。
此外，通过以喷雾的形式喷出含有气体的树脂溶液，当向电极边缘喷洒该树脂溶液时，可以抑制该电极边缘产生的雾化压力即剪切力而使其很小。通过此方法，可抑制电极上产生的剪切力而使其很小，从而可避免该电极表层部位的移位。
同时，通过用外侧限制壁部件围起电极，当树脂溶液涂覆于电极表面时，该树脂溶液可沿该外侧限制壁部件成型。其结果是，可顺利地形成离子交换膜的边缘。
本发明还提供了一种燃料电池用电极，所述燃料电池用电极包括燃料电池的正/负极两方中的任一电极层(即第一电极层)，所述第一电极层是通过将用于制备燃料电池的正/负极两方中的任一电极(即第一电极)的溶液涂覆于薄片上而形成的；离子交换膜，该离子交换膜是通过在所述第一电极层干燥之前，将用于制备离子交换膜的溶液涂覆于所述第一电极层上而形成的；燃料电池的正/负极两方中的另一电极层(即第二电极层)，所述第二电极层是通过在所述离子交换膜干燥之前，将用于制备燃料电池的正/负极两方中的另一电极(即第二电极)的溶液涂覆于该离子交换膜上而形成的，其中，所述第一电极层由远离离子交换膜一侧的第一层和接触离子交换膜一侧的第二层构成，而且所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率。
优选所述第二层的孔隙率为70％到75％，所述第一层的孔隙率为76％到85％。
另外，在本发明中，也可以通过将制备第二层的溶液中含有的电极颗粒的粒径制成小于制备第一层的溶液中含有的电极颗粒的粒径，从而使所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率。


图1是表示根据本发明实施例1的燃料电池的分解透视图，。
图2是表示图1所示的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图3A至图3F是表示图1所示实施例1的燃料电池用电极的第一制备方法的步骤的图。
图4A至图4E是表示图1所示实施例1的燃料电池用电极的第二制备方法的步骤的图。
图5是表示在制备实施例1的燃料电池用电极的方法中加热干燥法的例子的图。
图6A和图6B是说明实施例1的燃料电池用电极中空隙容积和浓度过电压关系的图。
图7是表示根据本发明实施例2的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图8A至图8H是表示图7所示实施例2的燃料电池用电极的制备方法的步骤的图。
图9是表示根据本发明实施例3的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图10A至图10I是表示图9所示实施例3的燃料电池用电极的制备方法的步骤的图。
图11是表示根据本发明实施例4的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图12A至图12G是表示图11所示实施例4的燃料电池用电极的制备方法的步骤的图。
图13是表示根据本发明实施例5的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图14A、图14B和图14C图解说明图13所示实施例5的燃料电池用电极的制备方法的一部分步骤。
图15是表示根据本发明实施例6的燃料电池用电极的横截面结构的图。
图16A至图16H是表示图15所示实施例6的燃料电池用电极的第一制备方法的步骤的图。
图17A和图17B是表示图15所示实施例6的燃料电池用电极的第二制备方法的一部分步骤的图。
图18是表示本发明实施例7所述的含有燃料电池用电极的燃料电池的分解透视图。
图19是表示图18所示燃料电池的离子交换膜的截面图。
图20是表示用于实施如图19所示燃料电池离子交换膜的第一形成方法的成型装置的透视图。
图21是表示如图20所示的成型装置的截面图。
图22A至图22J是表示本发明的燃料电池离子交换膜的第一形成方法的步骤的图。
图23是表示用于实施如图19所示燃料电池离子交换膜的第二形成方法的成型装置的截面图。
图24是表示用于实施如图19所示燃料电池离子交换膜的第三形成方法的成型装置的透视图。
图25是表示如图24所示的成型装置的平面图。
图26是表示如图24所示的成型装置的截面图。
图27A至图27J是表示如图19所示燃料电池离子交换膜的第三形成方法的步骤的图。
图28A和图28B是将本发明燃料电池离子交换膜的第三形成方法的特征与比较例比较的图。
图29是表示用于实施燃料电池离子交换膜的第四形成方法的离子交换膜成型装置的截面图。
图30是表示本发明实施例8的含有电极的燃料电池的分解透视图。
图31是表示图30所示的燃料电池离子交换膜的截面图。
图32A至图32G是表示如图31所示燃料电池离子交换膜的形成方法的步骤的图。
图33是现有燃料电池的示意图。
图34是表示图33所示的燃料电池用电极的结构的图。
图35A和图35B是表示如图33所示现有燃料电池用电极的离子交换膜的形成方法的图。
图36A和图36B是表示现有燃料电池用电极的离子交换膜的其他形成方法的图。
具体实施例方式
下面基于附图详细说明若干本发明优选实施例。
如图1所示，燃料电池单元10由多个(图中例子为2个)燃料电池11、11构成。图1所示实施例1涉及的燃料电池11含有负极侧导流槽板31和正极侧导流槽板34，所述负极侧导流槽板31配置在燃料电池用电极(以下简称为电极)12的负极侧扩散层(片)13的外侧；所述正极侧导流槽板34配置在电极12的正极侧扩散层16的外侧。
通过在负极侧扩散层13上层叠负极侧导流槽板31，形成于负极侧导流槽板31上的多个导流槽31a被负极侧扩散层13覆盖，因而形成多个水平的氢气导流通道32。通过在正极侧扩散层16上层叠正极侧导流槽板34，形成于正极侧导流槽板34上的多个导流槽34a被正极侧扩散层16覆盖，因而形成多个垂直的氧气导流通道35。这些多个氢气导流通道32和多个氧气导流通道35相互成直角设置。
电极12具有在粘结层上的作为第一电极层的负极层19和作为第二电极层的正极层20，所述粘结层分别位于负极侧扩散层13内侧和正极侧扩散层16内侧；并且所述负极层19和正极层20之间具有离子交换膜21。
将多个以此方式构造的燃料电池11与置于其间的隔板36一起构造出燃料电池单元10。
根据该燃料电池单元10，通过向氢气导流通道32提供氢气，使氢分子(H2)被吸附于包含在负极层19内的催化剂上，同时通过向氧气导流通道35提供氧气，使氧分子(O2)被吸附于包含在正极层20内的催化剂上。这样，电子(e-)可按箭头所示方向流动，因此产生电流。在电流产生过程中，由氢分子(H2)和氧分子(O2)一起生成产物水(H2O)。
图2表示的是图1所示实施例1涉及的电极12的横截面结构。
实施例1的电极12具有分别位于负极侧扩散层13内侧和正极侧扩散层16内侧的负极层19和正极层20，并且所述负极层19和正极层20之间具有离子交换膜21。
负极侧扩散层13是由负极侧碳纸14和负极侧粘结层15构成的薄片。
正极侧扩散层16是由正极侧碳纸17和正极侧粘结层18构成的薄片。
构成负极侧粘结层15的粘接剂为碳氟树脂，该粘结剂具有优异的亲水性。构成正极侧粘结层18的粘接剂为疏水性优异的碳聚合物。在聚四氟乙烯的骨架上引入磺酸而制得的物质可以与所述碳聚合物相当。
通过将用于制备负极的溶液与催化剂22混合，并在涂覆该溶液后通过干燥使其固化，从而制得负极层19。负极层19的催化剂22是由碳23的表面负载作为催化剂的铂-钌合金24而制得的物质，氢分子(H2)被吸附于铂-钌合金24上。
通过将用于制备正极的溶液与催化剂25混合，并在涂覆该溶液后通过干燥使其固化，从而制得正极层20。正极层20的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于铂27上。
在负极层19和正极层20之间涂覆溶液状态的离子交换膜，然后将其与负极溶液和正极溶液一起进行干燥，并与负极层19和正极层20固化成一体，进而形成离子交换膜21。
下面将基于图3A到图3F说明本发明实施例1涉及的电极12的制备方法。
图3A中，在碳纸14上形成粘结层15，从而制得片状负极侧扩散层13。
图3B中，将用于制备负极的溶液涂覆于粘结层15以形成负极层19。
图3C中，在负极层19干燥之前，将用于制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19上，以形成离子交换膜21。
图3D中，在离子交换膜21干燥之前，将用于制备正极层20的溶液涂覆于离子交换膜21上，以形成正极层20。
图3E中，在正极层20干燥之前，在正极层20上形成由正极侧碳纸17和正极侧粘结层18构成的正极侧扩散层16。
接着，在负极层19、离子交换膜21和正极层20干燥之前，在不对电极层19、20和膜21施加负荷的情况下，将电极层19、20和膜21一起干燥。
图3F中，通过固化负极层19、离子交换膜21和正极层20，可将负极层19、离子交换膜21和正极层20在固化状态下进行层叠。
因此，实施例1涉及的电极12的制备方法中，通过使用溶液制备离子交换膜21；并在未干燥状态下涂覆制备负极层19的溶液、制备离子交换膜21的溶液和制备正极层20的溶液，使处于各自界面的相邻溶液之间得到良好的混合。通过此方式可防止粘结层15和负极层19之间的界面、负极层19和离子交换膜21之间的界面、离子交换膜21和正极层20之间的界面、正极层20和正极侧粘结层18之间的界面上出现密合性差的部分，而且可以使电极12的反应效率保持良好。
另外，涂覆于负极层19、离子交换膜21和正极层20的各溶液处于未干燥状态，并且在涂覆后在不施加负荷的情况下将这些溶液干燥。其结果是，在离子交换膜21的固化过程中，无需对离子交换膜21施加负荷，因此可以防止离子交换膜21的性能受负荷影响而下降。
另外，由于离子交换膜21被制成溶液，所以可以以溶液形式处理离子交换膜21，这样就无需从操作角度出发而限定离子交换膜21的厚度。因此，离子交换膜21可以制得很薄，电极12也可制得很薄。
下面基于图4A至图4E说明实施例1涉及的燃料电池用电极的制备方法的一个变型。与实施例1的电极的部件相同的部件使用同一附图标记，省略与此相关的说明。
图4A中，配置片状负极侧扩散层13。即设置负极侧扩散层13的碳纸14，然后，在该碳纸14上涂覆用于制备粘结层15的溶液。
图4B中，在粘结层15干燥之前，沿粘结层15的上表面如箭头所示移动喷雾器41，同时以喷雾形式从喷嘴42喷出用于制备负极层19的溶液，这样就将用于制备负极层19的溶液涂覆于粘结层15上，从而形成负极层19。
在用于制备负极层19的溶液中，所用溶剂的汽化温度高于制备如图2所示的离子交换膜21的溶液所用的溶剂的汽化温度。
这里作为一个例子，在负极层19上涂覆的制备离子交换膜21的溶液中使用醇类溶剂，在制备负极层19的溶液中使用汽化温度比所述醇类溶剂高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂。下文中将对在负极层19的溶液中使用汽化温度比制备离子交换膜21的溶液所用的溶剂的汽化温度高的溶剂的原因进行讨论。
图4C中，在负极层19干燥之前，使涂布机45按箭头所示方向沿负极层19的上表面移动，同时将用于制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19以形成离子交换膜21。具体地讲，将涂布机45的刮刀45a置于离负极层19上表面的预定间隔并平行于该上表面的位置，当刮刀45a按箭头所示沿负极层19的上表面移动时，刮刀45a使制备离子交换膜21的溶液呈一定厚度的水平状以形成离子交换膜21。
这样，使用溶液制备离子交换膜21，并在负极层19干燥之前将制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19，由此在负极层19与离子交换膜21之间的界面上两者的溶液可得到有效混合。
将制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19上，结果制备离子交换膜21的溶液将由于重力作用按箭头所示向下流动，并渗入负极层19。这样虽然存在负极层19的空隙因此而减少的可能，但即使负极层19的空隙受到某种程度的损失，这对燃料电池的性能也毫无影响。
图4D中，在离子交换膜21干燥之前，按箭头所示将喷雾器43移过离子交换膜21上表面，同时将制备正极层20的溶液以雾化方式从喷嘴44喷出，从而将制备正极层20的溶液涂覆于离子交换膜21上，以形成正极层20。
使用喷雾器43将制备正极层20的溶液涂覆于离子交换膜21的上表面的原因将在后文中说明。
与负极层19的溶液相似，所述正极层20的溶液中使用了汽化温度比用于制备离子交换膜21的溶液中使用的醇类溶剂高的溶剂。作为例子，在正极层20的溶液中使用汽化温度比醇类溶剂高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂。在正极层20的溶液中使用的溶剂的汽化温度高于用于制备离子交换膜21的溶液中的溶剂的汽化温度，其原因将在下文中说明。
图4E中，在正极层20干燥之前，将用于制备构成正极侧扩散层16(参见图2)的粘结层18的溶液涂覆于正极层20上，以形成粘结层18。
接着，与图3E所示的方式相同，通过将正极侧碳纸17置于粘结层18之上，由粘结层18和碳纸17形成片状正极侧扩散层16。然后，在粘结层15、负极层19、离子交换膜21、正极层20和粘结层18干燥之前，在不对所述层15、19、20和18以及膜21施加负荷的情况下，使所述层15、19、20和18以及膜21一起干燥。
最后，与图3F所示的方式相同，通过使粘结层15、负极层19、离子交换膜21、正极层20和粘结层18固化，将粘结层15、负极层19、离子交换膜21、正极层20和粘结层18在固化状态下层叠成一个整体。从而得到燃料电池12。
如上所述，在实施例1及其变型中，正极层20设置于离子交换膜21之上。通过此方式可防止用于制备离子交换膜21的溶液渗入正极层20，进而可防止用于制备离子交换膜21的溶液减少正极层20中的空隙。其结果是，可通过正极层20的空隙将发电过程中生成的产物水导至正极侧扩散层16，并通过正极侧扩散层16顺利排出，因此可抑制燃料电池产生的浓度过电压而使其处于较低水平。
而且，按照该变型的制备方法，形成正极层20时，通过喷雾方式涂覆制备正极层20的溶液，将不会在离子交换膜21或正极层20上施加额外的涂覆压力，即，可在最小涂覆压力下涂覆制备正极层20的溶液。也就是说，通过在无额外涂覆压力施加的情况下向离子交换膜21或正极层20涂覆制备正极层20的溶液，可防止用于制备离子交换膜21的溶液渗入正极层20。因此，可防止制备离子交换膜21的溶液减少正极层20的空隙，能更好地确保正极层20的空隙。通过这种方式，可将发电过程中生成的产物水从正极层20导至正极侧扩散层16，并通过正极侧扩散层16的空隙更好地排出，而且可抑制燃料电池产生的浓度过电压而使其处于较低水平。
虽然该变型中使用喷雾器43将制备正极层20的溶液涂覆于离子交换膜21，但所述制备正极层20的溶液的涂覆并不限于使用喷雾器43，也可使用喷墨法。简而言之，可采取任何以喷雾形式涂覆制备正极层20的溶液的方法。
其中，喷雾器是以喷雾形式涂覆溶液，喷墨机是以吐出形式涂覆溶液。使用喷雾器时可使喷雾范围相对增大以缩短涂覆时间，但需要实施掩模处理以保证某些区域不被涂覆。通常，要回收附着在掩模部分的溶液是非常困难的。
另一方面，使用喷墨机，可准确对准涂覆范围，所以无需遮掩不涂覆区域，这样可以有效地使用溶液。然而，因为其涂覆范围较窄，所以与喷雾器相比，涂覆速度也较慢。
而且，在该变型中虽然只描述了使用喷雾器41将制备负极层19的溶液涂覆于粘结层15的例子，但也可采用其他涂覆方法涂覆制备负极层19的溶液。
而且，尽管在该变型中只描述了使用涂布机45将制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19的例子，但也可采用其他涂覆方法涂覆制备离子交换膜21的溶液。
此外，通过燃料电池用电极12的制备方法，可防止用于制备离子交换膜21的溶液渗入负极层19和正极层20，进而防止其堵塞负极层19和正极层20的空隙。因此，由燃料电池发电而生成的产物水可通过负极层19和正极层20(特别是正极层20)的空隙被导至正极侧扩散层16(碳纸17和粘结层18)，并通过正极侧扩散层16的空隙顺利排到外面，所以可以抑制燃料电池中产生的浓度过电压而使其处于较低水平。
而且，通过在制备负极层19的溶液和制备正极层20的溶液中使用汽化温度比用于制备离子交换膜21的溶液中的溶剂更高的溶剂，可确保离子交换膜21的干燥优先于负极层19或正极层20-的干燥。因而可更加有效地遏制用于制备离子交换膜21的溶液向负极层19和正极层20的渗透，并可防止用于制备离子交换膜21的溶液渗入负极层19或正极层20，进而可防止其堵塞负极层19或正极层20的空隙。
虽然，在实施例1及其变型例中，制备燃料电池用电极12时，负极层19设置在下方，正极层设置在上方，但本发明不限于此，其中也可以选择性地将正极层20设置在下方，将负极层19设置在上方。
下面说明如图5所示的通过人工加热来干燥各层的例子。
即，在负极层19、离子交换膜21和正极层20干燥之前，不向负极层19、离子交换膜21和正极层20施加负荷，而是通过远红外线辐射干燥装置(电磁加热装置)61以从内部加热的方式而将它们一起干燥。远红外线辐射干燥装置61是一种使用远红外线辐射的加热装置，远红外线辐射即红外区域内电磁波中的长波红外线辐射，其波长范围约为50-1000μm。
由于远红外线辐射干燥装置61可有效加热物体的内部，通过用远红外线辐射干燥装置61使负极层19、离子交换膜21、正极层20一起干燥，可从内部到表面使整个离子交换膜21快速干燥。通过此方法可遏制用于制备离子交换膜21的溶液向负极层19和正极层20内的渗透，因此可防止所述用于制备离子交换膜21的溶液堵塞负极层19和正极层20的空隙。
图6A和图6B是表示本发明的燃料电池用电极的空隙容积和浓度过电压之间的关系的坐标图。
在所述附图中，测试例1中，在用于制备离子交换膜21的溶液中使用了醇类溶剂，在用于制备正极层20的溶液中使用了汽化温度比所述醇类溶剂高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂。在测试例1中，用普通热风干燥装置干燥负极层19、离子交换膜21和正极层20。即，测试例1中采用了上述实施方案的一部分(乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))。
测试例2中使用了测试例1中作为溶剂的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，而且使用远红外线辐射干燥装置61干燥负极层19、离子交换膜21和正极层20。
在比较例中，没有使用测试例1和2中作为溶剂的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，也没有使用测试例2中的远红外线辐射干燥装置61，而是使用了普通热风干燥装置。
图6A的坐标图中，比较例的正极层20的空隙容积为最小，测试例1可以确保正极层20的空隙容积大于比较例，测试例2可以确保正极层20的空隙容积大于测试例1。即，测试例2中的正极层20具有最大空隙率。
图6B的坐标图中，由于比较例中正极层20的空隙容积最小，所以其具有最大的燃料电池浓度过电压和最大的燃料电池电压降。
由于测试例1中正极层20的空隙容积较大，所以测试例1中燃料电池的浓度过电压小于比较例，燃料电池的电压降也小于比较例。
由于测试例2中正极层20的空隙容积大于测试例1，所以其燃料电池的浓度过电压小于测试例1，其燃料电池的电压降可保持在最低值。
因此可看出，如测试例1所示，在用于制备离子交换膜21的溶液中使用醇类溶剂；并且在正极层20的溶液中使用汽化温度比醇类溶剂更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，就可以较好地抑制燃料电池的电压降。
而且可看出，通过使用作为测试例1的溶剂的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，并如测试例2所述也用远红外线辐射干燥装置61干燥负极层19、离子交换膜21和正极层20，就可以最有效地抑制燃料电池电压降，使其达到最小值。
尽管在实施例1中所述的例子是将负极层19置于下方，将正极层20置于上方，但如果使负极层19置于上方，使正极层20置于下方也可取得同样效果。
而且，在使用远红外线辐射干燥装置61的实施例中，可使用例如微波干燥装置替代远红外线辐射干燥装置61。微波干燥装置是一种使用波长范围约为1×104～30×104μm的微波的加热装置。
同时，此处并不限于使用远红外线辐射干燥装置61或微波，即便使用波长范围为50～30×104μm的电磁波的加热方式也可取得同样效果。
在只使用远红外线辐射干燥装置61(电磁波干燥装置)对离子交换膜21进行加热和干燥的例子中，也可组合使用远红外线辐射干燥装置61和热风干燥装置。
虽然，在实施例1中所述的例子是，在用于制备离子交换膜21的溶液中使用醇类作为溶剂，在用于制备负极层19和正极层20的溶液中都使用汽化温度比所述醇类溶剂更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，但是不仅限于此，仅在用于制备正极层20的溶液中使用汽化温度比所述醇类溶剂更高的乙二醇或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，也可取得同样效果。其原因是，当用燃料电池产生电流时，由于生成的产物水是通过正极侧扩散层(碳纸)排出燃料电池之外的，所以只要确保正极层20的空隙，所述产物水即可排出燃料电池之外。
下面将基于图7说明实施例2涉及的燃料电池用电极，其中，正极层由两层构成。与实施例1所示部件相同的部件采用同一符号表示。
该实施例中的燃料电池62在负极侧扩散层13和正极侧扩散层16的内侧分别具有负极层19和正极层60，而且在负极层19和正极层60之间具有离子交换膜21。
负极侧扩散层13是由负极侧碳纸14和负极侧粘结层15构成的薄片。正极侧扩散层16是由正极侧碳纸17和正极侧粘结层18构成的薄片。
构成负极侧粘结层15的粘接剂为亲水性很强的碳氟聚合物。构成正极侧粘结层18的粘接剂为疏水性优异的碳聚合物。在聚四氟乙烯的骨架上引入磺酸而制得的物质可以与所述碳聚合物相当。
通过在制备负极的溶液中混合催化剂22，并在将该溶液涂覆后通过干燥使其固化，制成负极层19。负极层19的催化剂22是以碳23的表面负载作为催化剂的铂-钌合金24而制得的物质，氢分子(H2)被吸附于铂-钌合金24上。
正极层60分为远离离子交换膜21一侧(即接触正极侧扩散层16的一侧)的第一层60a；和接触离子交换膜21一侧的第二层60b，当孔隙率由下述方程式(1)定义时，第二层60b的孔隙率低于第一层60a的孔隙率。
孔隙率＝(1-毛比重/真比重)×100 (1)这里，真比重指内部无空隙或孔隙时的材料的比重。毛比重指假设含有空隙或孔隙的材料具有均匀的密度分布时的比重。
通过在制备第一层60a的溶液中混合催化剂25，并在将溶液涂覆后通过干燥使其固化，制成第一层60a。第一层60a的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于所述铂27上。
与第一层60a相似，通过在制备第二层60b的溶液中混合催化剂25，并在将溶液涂覆后通过干燥使其固化，制成第二层60b。第二层60b的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于所述铂27上。
与第一层60a中的催化剂25相比，在第二层60b中的催化剂25设置得更密集，以使第二层60b的孔隙率低于第一层60a。具体地讲，第二层60b的孔隙率为70％-75％，第一层60a的孔隙率为76％-85％。
这里将解释使第二层60b的孔隙率设置为70％-75％的原因。
当第二层60b的孔隙率低于70％时，其风险是，由于孔隙率太低，用于制备离子交换膜21的溶液不能适量渗入第二层60b。这样的话，则很难使离子交换膜21与第二层60b之间保持良好的密合性。要避免这种情况，应将第二层60b的孔隙率设置为至少70％，以使离子交换膜21与第二层60b之间保持良好的密合性。
当第二层60b的孔隙率超过75％时，其风险是，由于孔隙率太高，用于制备离子交换膜21的溶液将过量地渗入第二层60b。这样的话，正极层60的孔隙将因制备离子交换膜21的溶液而减少，发电过程中生成的产物水就不能通过正极层60的空隙很好地排出。为避免这种情况，应将第二层60b的孔隙率设置为不大于75％，以使产物水能很好地排出。
下面将解释使第一层60a的孔隙率设置为76％-85％的原因。
当第一层60a的孔隙率低于76％时，由于孔隙率太低，所以很难有效排出产物水。为避免这种情况，应将第一层60a的孔隙率设置为至少76％，以使产物水很好地排出。
当第一层60a的孔隙率超过85％时，其风险是，由于孔隙率太高而使产物水的保水性降低，从而使第一层60a干燥，进而阻碍了离子的传导。因此，具有因阻抗过电压变高而不可能有效产生电流的风险。要避免这种情况，应将第一层60a的孔隙率设置为不大于85％，以抑制阻抗过电压并可以有效地产生电流。
涂覆溶液状态的离子交换膜，然后使其与负极层19和正极层60一起干燥，并与负极层19和正极层60固化成一体，进而在正极层60(具体为第二层60b)和负极层19之间形成离子交换膜21。
下面基于图8A到图8H说明图7所示实施例2涉及的燃料电池用电极12的制备方法。
图8A中，设置片状正极侧扩散层16。即，配置正极侧扩散层16的碳纸17，然后将用于制备粘结层18的溶液涂覆于该碳纸17上。
图8B中，在粘结层18干燥之前，喷雾器41按箭头①所示在粘结层18的上方移动，并通过喷嘴42将用于形成正极层60第一层60a的溶液涂覆于粘结层18上。以此方法，在粘结层18上形成第一层60a。
这里，以上述方程式(1)定义孔隙率时，应使第一层60a的孔隙率为76％-85％。
在第一层60a干燥之前，喷雾器41继续按箭头①所示在第一层60a上方移动，并通过喷嘴42将制备正极层60的第二层60b的溶液涂覆于第一层60a上。以此方法，在第一层60a上形成第二层60b。
作为第二层60b的溶液，使用与第一层60a相同的溶液，而且，制备第二层60b的溶液的喷雾压力，即雾化压力(雾化能量)，应设为高于制备第一层60a的溶液的喷雾压力，即雾化压力(雾化能量)。具体地讲，当以上述方程式(1)定义孔隙率时，应使第二层60b的孔隙率为70％-75％。通过对制备第二层60b的溶液设置较高的雾化压力，由此也提高了溶液的喷雾速度。
这样，以比制备第一层60a的溶液更高的雾化能量涂覆所述的制备第二层60b的溶液，可使第二层60b的密度高于第一层60a的密度，从而使得第二层60b的孔隙率低于第一层60a的孔隙率。
虽然在实施例2的电极制备方法中所述的例子是，以相同喷雾器41以喷雾形式涂覆所述用于制备第一层60a的溶液和所述用于制备第二层60b的溶液，但并不限于此，此处也可分别使用不同喷雾器涂覆所述用于制备第一层60a的溶液和所述用于制备第二层60b的溶液，并可以改变各自不同的喷雾压力(雾化压力)。
而且，作为使制备第二层60b的溶液的雾化能量高于制备第一层60a的溶液的雾化能量的方式，可以代替上述调节雾化压力的方式的是，可通过使喷雾器41的喷嘴42靠近涂覆表面来提高雾化能量。
图8C中，通过设定制备第二层60b的溶液的雾化压力高于制备第一层60a的溶液的雾化压力，可以使第二层60b的催化剂25配置得比第一层60a的催化剂25更密集。以此方式，以上述方程式(1)定义孔隙率时，第二层60b能形成比第一层60a更低的孔隙率。
图8D中，在正极层60的第二层60b干燥之前，使涂布机45按箭头②所示在第二层60b的上方移动，从而将制备离子交换膜21的溶液涂覆于第二层60b上以形成离子交换膜21。
其中，由于如上所述已设定第二层60b孔隙率低于第一层60a的孔隙率，所以抑制了离子交换膜21的溶液向第二层60b内的渗透。以此方式，可防止制备离子交换膜21的溶液减少正极层60的空隙。
其中，将第二层60b的孔隙率设为大于等于70％，以使离子交换膜21与第二层60b之间保持良好的密合性。将第二层60b的孔隙率设置为不大于75％，可确保能使产物水顺利排出的空隙。
同时，将第一层60a的孔隙率设为至少76％，以确保能使产物水顺利排出的孔隙，将第一层60a的孔隙率设置为不大于85％，以抑制阻抗过电压，并使其有效地产生电流。
图8E中，在离子交换膜21干燥之前，将喷雾器43按箭头③所示在离子交换膜21上方移动，使制备负极层19的溶液通过喷嘴44涂覆于离子交换膜21上。这样可以在离子交换膜21上形成负极层19。
图8F中，在负极层19干燥之前，将负极侧扩散层13(参见图7)的粘结层15的溶液涂覆于负极层19上。
图8G中，将负极侧碳纸14置于粘结层15之上，由此使粘结层15和碳纸14形成片状负极侧扩散层13。
接着，在粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15干燥之前，在不对粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15施加负荷的情况下，将粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15一起干燥。
图8H中，通过使粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15固化，将粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15在固化状态下层叠成一个整体。至此，完成了图7所示燃料电池用电极62的制备过程。
因此，根据实施例2中燃料电池用电极62的制备方法，通过将各溶液涂覆于未干燥状态下的粘结层18、正极层60、离子交换膜21、负极层19和粘结层15的各上表面上，各界面上相邻的溶液之间可得到良好的混合。
通过这种方法可防止在粘结层18和正极层60(第一层60a和第二层60b)之间的界面上出现密合性差的部分。同时，可防止在正极层60和离子交换膜21之间的界面上出现密合性差的部分。而且，可防止在离子交换膜21和负极层19之间的界面上出现密合性差的部分。此外，可防止负极层19和粘结层15之间的界面上出现密合性差的部分。此方法可保持燃料电池用电极62上良好的反应效率。
此外，通过将离子交换膜21制成溶液可以以溶液形式操作离子交换膜21，所以无需从可操作性观点出发限定离子交换膜21的厚度。因此，离子交换膜21可制得很薄，进而燃料电池用电极62也可制得很薄。
下面，基于图9说明实施例3燃料电池用电极。与图7所示实施例2燃料电池用电极的部件相同的部件采用同一符号，此处不再赘述。
实施例3中燃料电池用电极72在正极侧扩散层16和负极侧扩散层13的内侧分别具有正极层70(即第一电极层)和负极层19(即第二电极层)，且在负极层19和正极层70之间具有离子交换膜21。即，实施例3中只有燃料电池用电极72的正极层70与实施例2中的燃料电池用电极62不同，其余构造与实施例2相同。下面将说明正极层70。
正极层70分为远离离子交换膜21一侧(即处于接触正极侧扩散层16一侧)的第一层70a；和接触离子交换膜21一侧的第二层70b，当孔隙率由下述方程式(1)所定义时，第二层70b的孔隙率低于第一层70a。
孔隙率＝(1-毛比重/真比重)×100 (1)与图7所示实施例2中第一层60a相同，在制备第一层70a的溶液中混合催化剂25，并在将溶液涂覆后通过干燥使其固化，制成第一层70a。第一层70a的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于所述铂27之上。该碳26的粒径为D1。
在制备第二层70b的溶液中混合催化剂71，并在将溶液涂覆后通过干燥使其固化，制成第二层70b。第二层70b的催化剂71是以碳73的表面负载作为催化剂的铂74而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于所述铂74之上。该碳(电极)73的粒径为D2。该粒径D2小于第一层70a的碳26的粒径D1。
这样，通过设置第二层70b的碳73的粒径D2小于第一层70a的碳26的粒径D1，与第一层70a的碳26相比，第二层70b的碳73可以采用更密集的形式得到配置。以此方式，可使第二层70b的孔隙率低于第一层70a的孔隙率。具体地讲，第二层70b的孔隙率为70％-75％，第一层70a的孔隙率为76％-85％。
将第二层70b的孔隙率设置为70％-75％和将第一层70a的孔隙率设置为76％-85％的原因，与将参照图7所描述的实施例2中的第二层60b的孔隙率设置为70％-75％和将第一层60a的孔隙率设置为76％-85％的原因相同，这里不再解释。
下面基于图10A到图10I说明图9所示实施例3中燃料电池用电极72的制备方法。
图10A中，设置片状正极侧扩散层16。即，配置正极侧扩散层16的碳纸17，然后将用于制备粘结层18的溶液涂覆于该碳纸17上。
图10B中，在粘结层18干燥之前，使喷雾器75按箭头④所示在粘结层18上方移动，并通过喷嘴75a将制备正极层70的第一层70a的溶液涂覆于粘结层18上。以此方法，在粘结层18上形成第一层70a。
这里，以上述方程式(1)定义孔隙率时，应使第一层70a的孔隙率为76％-85％。
图10C和图10D中，在第一层70a干燥之前，使喷雾器76按箭头⑤所示方向在第一层70a上方移动，并通过喷嘴76a涂覆所述用于制备正极层70的第二层70b的溶液。以此方法，在第一层70a上形成第二层70b。这里，通过设定碳73的粒径D2小于第一层70a的碳26的粒径D1，与第一层70a的溶液的碳26相比，第二层70b的碳73可以采用更密集的形式得到配置。以此方式，可使第二层70b的孔隙率低于第一层70a的孔隙率。即，第二层70b的催化剂71可比第一层70a的催化剂25设置得更密集。具体地讲，当以上述方程式(1)定义孔隙率时，第二层70b的孔隙率为70％-75％。
图10E中，在正极层70的第二层70b干燥之前，使涂布机77按箭头⑥所示在第二层70b的上方移动，使制备离子交换膜21的溶液涂覆于第二层70b以形成离子交换膜21。
在此阶段，正极层70被分为两层第一层70a在远离离子交换膜21的一侧，第二层70b在接触离子交换膜21的一侧，第二层70b的孔隙率被设为70％-75％，第一层70a的孔隙率被设为76％-85％，这样，由此第二层70b的孔隙率将低于第一层70a的孔隙率。如上所述通过使第二层70b的孔隙率处于低值，就可抑制离子交换膜21的溶液向第一层70a内的渗透，也可减少用于制备离子交换膜21的溶液向第二层70b内的渗透。此方式可防止制备离子交换膜21的溶液减少电极层70的孔隙。
当第二层70b的孔隙率至少为70％时，可保持离子交换膜21与第二层70b之间良好的密合性，且当第二层70b的孔隙率不高于75％时，产物水可顺利排出。
将第一层70a的孔隙率设为不低于76％可使其孔隙排水良好，将第一层70a的孔隙率设为不高于85％可抑制阻抗过电压，有效产生电流。
图10F中，在离子交换膜21干燥之前，使喷雾器78按箭头⑦所示在离子交换膜21上方移动，并通过喷嘴78a将制备负极层19的溶液涂覆于离子交换膜21。以此方法，在离子交换膜21上形成负极层19。
图10G中，在负极层19干燥之前，将负极侧扩散层13(参见图9)的粘结层15的溶液涂覆于负极层19上。
图10H中，将负极侧碳纸14置于粘结层15之上，由粘结层15和碳纸14形成负极侧扩散层13。
接下来，在粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19和粘结层15干燥之前，在不对粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19或粘结层15上施加负荷的情况下，使粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19和粘结层15一起干燥。
图10I中，通过将粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19和粘结层15固化，将粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19和粘结层15在固化状态下层叠成一个整体。至此，完成燃料电池用电极72的制备过程。
这样，按照实施例3中燃料电池用电极72的制备方法，通过将各溶液涂覆于未干燥状态下的粘结层18、正极层70、离子交换膜21、负极层19和粘结层15各自的上表面上，各界面上相邻的溶液可得到良好的混合。此方法可防止在粘结层18和正极层70(第一层70a和第二层70b)之间的界面上出现密合性差的部分。同时，可防止在正极层70和离子交换膜21之间的界面上出现密合性差的部分。而且，可防止在离子交换膜21和负极层19之间的界面上出现密合性差的部分。此外，可防止负极层19和粘结层15之间的界面上出现密合性差的部分，并可使燃料电池用电极72保持良好的反应效率。
尽管在实施例2和3所述的例子中正极层60、70置于下方，负极层19置于上方，但如果使正极层60、70置于上方且将负极层19置于下方也可取得同样效果。
在所述的例子中，虽然，在实施例2的电极的制备方法中，使用了喷雾器来涂覆正极层60的第一和第二层60a、60b，在实施例3的电极制备方法中，使用了喷雾器来涂覆正极层70的第一和第二层70a、70b，但这并不意味着必须采用喷雾法来涂覆这些层，而是可选择性地使用喷墨法进行涂覆。简而言之，可采用任何使这些制备各层的溶液作喷雾状涂覆的方法。
图11表示的是本发明实施例4中燃料电池用电极112的横截面结构。与实施例1中燃料电池用电极的部件相同的部件使用同一符号来表示。
实施例4中燃料电池用电极112在负极侧扩散层113和正极侧扩散层116的内侧分别具有负极层19和正极层20，且在负极层19和正极层20之间具有离子交换膜21。
正极侧扩散层116是由第一碳纸即正极侧碳纸117和第一粘结层即正极侧粘结层118构成的薄片。
负极侧扩散层113是由第二碳纸即负极侧碳纸114和第二粘结层即负极侧粘结层115构成的薄片。
负极侧粘结层115的溶液包含，例如碳粒115a和用作粘接性优异的粘接性树脂115b的离子交换树脂。用作粘接性树脂115b的所述离子交换树脂有例如全氟离子交换树脂。该全氟离子交换树脂的例子包括杜邦公司生产的以“Nafion”为商标而出售的产品、旭硝子公司制造的以“Flemion”为商标而出售的产品和旭化成公司制造的以“Aciplex”为商标而出售的产品。
下面解释使负极侧粘结层115中含有粘接性树脂115b的原因。
即，在燃料电池用电极112的制备中，例如，将正极层20、离子交换膜21和负极层19依次层叠于正极侧粘结层118之上，负极侧粘结层115层叠于负极层19之上。因而有必要采用压制步骤以增加负极侧碳纸114和负极侧粘结层115之间的粘接性，而在负极侧粘结层115中含有粘接性树脂115b，可使负极侧碳纸114和负极侧粘结层115之间保持良好的密合性。
下面解释使用离子交换树脂作为粘接性树脂115b的原因。
即，通过使用离子交换树脂作为粘接性树脂115b，可使负极侧粘结层115的溶液与负极层19的溶液采用同种材料。这样，负极侧粘结层115的溶液中含有的离子交换树脂可与负极层19的溶液中含有的离子交换树脂进行良好的混合，则负极侧粘结层115和负极层19之间可保持良好的密合性。
正极侧粘结层118的溶液中包括，例如碳粒118a、作为疏水性优异的树脂118b的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物和作为溶剂的水。
将正极侧粘结层118的疏水性树脂118b的熔点设为小于等于150℃。当疏水性树脂118b的熔点超过150℃时，其风险是，由于温度太高，因而不可能将疏水性树脂118b与正极层20、负极层19和离子交换膜21一起烧结。
相应地，疏水性树脂118b为熔点不高于150℃的树脂时，可在负极侧粘结层115、正极层20、负极层19和离子交换膜21层叠之后，将疏水性树脂118b与负极侧粘接层115、正极和负极层20、19和离子交换膜21一起干燥。
熔点小于等于150℃的疏水性树脂(低熔点树脂)118b的一个例子为上述偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物具有可作为溶剂分散于水中的性能。在作为溶剂的水蒸发后，该偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物达到熔点并熔化，表现出疏水效应。
优选将正极侧粘结层118的疏水性树脂118b的熔点设为大于等于100□。即，由于偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物不能溶解于水，所以以水作溶剂时，为了使水蒸干，同时使偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物熔化，该共聚物的熔点应至少为100℃。
正极侧粘结层118的溶液包含水作为溶剂。由于水具有很强的分散能力，以水作溶剂，可使疏水性树脂(低熔点树脂)118b或碳118a在水中得到良好的混合。
以此方式，用于制备正极侧粘结层118的溶液可通过喷雾器或喷墨机等以喷雾状态涂覆于正极侧碳纸117上。因此，制备正极侧粘接层118的溶液能很好地涂覆于表面不规则的正极侧碳纸117的凹陷处。
因此，用于制备正极侧粘结层118的溶液可很好地涂覆于正极侧碳纸117的整个表面，可使疏水性树脂118b渗透正极侧碳纸117的整个表面，从而增强正极侧碳纸117的疏水性。
同时，通过在制备负极的溶液中混合催化剂22，并在将其涂覆后通过干燥使其固化，从而制成燃料电池用电极112的负极层19。负极层19的催化剂22是以碳23的表面负载作为催化剂的铂-钌合金24而制得的物质，氢分子(H2)被吸附于铂-钌合金24之上。
通过在制备正极的溶液中混合催化剂25，并在将其涂覆后通过干燥使其固化，从而制成正极层20。正极层20的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于铂27之上。
涂覆溶液状态的离子交换膜，然后将其与负极层19和正极层20一起干燥，并与负极层19和正极层20固化成一体，进而在负极层19和正极层20之间形成离子交换膜21。
下面，基于图12A到图12G说明图11所示实施例4中的燃料电池用电极112的制备方法。
图12A中，设置片状正极侧扩散层116。即，配置正极侧扩散层116的碳纸117，然后将喷雾器151按箭头所示方向在正极侧碳纸117上方移动，同时以雾化形式通过喷雾器151的喷嘴151a喷出用于制备正极侧粘结层118的溶液，从而形成正极侧粘结层118。
其中，由于正极侧粘结层118的溶液中含有分散能力很强的水作为溶剂，低熔点树脂118b或碳粒118a可在溶剂中得到良好的混合。这样，可以以雾化状态涂覆所述制备正极侧粘结层118的溶液，并且该制备正极侧粘结层118的溶液可良好地涂覆于正极侧碳纸117表面的凹陷部位。
因此，如图12A所示，制备正极侧粘结层118的溶液可良好涂覆于正极侧碳纸117的整个表面上。这样，疏水性树脂118b可渗入正极侧碳纸117的整个表面，增强了正极侧碳纸117的疏水性。
图12B中，在正极侧粘结层118干燥之前，将制备正极层20的溶液涂覆于正极侧粘结层118上，以形成正极层20。以此方式，正极侧粘结层118与正极层20之间的界面上可实现良好的混合并可以提高该界面的密合性。
图12C中，在正极层20干燥之前，将制备离子交换膜21的溶液涂覆于正极层20上，以形成离子交换膜21。以此方式，正极层20与离子交换膜21之间的界面上可实现良好的混合并可以提高该界面的密合性。
图12D中，在离子交换膜21干燥之前，将制备负极层19的溶液涂覆于离子交换膜21上，以形成负极层19。以此方式，离子交换膜21与负极层19之间的界面上可实现良好的混合并可以提高该界面的密合性。
图12E中，在负极层19干燥之前，将制备负极侧粘结层115的溶液涂覆于负极层19上，以形成负极侧粘结层115。以此方式，负极层19与负极侧粘结层115之间的界面上可实现良好的混合并可以提高该界面的密合性。
其中，制备负极侧粘结层115的溶液中含有作为粘接性优异的粘接性树脂115b的离子交换树脂。该离子交换树脂与负极层19的溶液中所含的离子交换树脂为同一物质，负极侧粘结层115的溶液中含有的离子交换树脂可与负极层19的溶液中所含的离子交换树脂进行良好的混合。以此方式，即使在负极侧粘结层115上无正极层20、离子交换膜21和负极层19的重量的作用，负极侧粘结层115和负极层19之间也可如正极侧粘结层118与正极层20之间一样保持良好的密合性。
图12F中，通过将负极侧碳纸114置于负极侧粘接层115上，由负极侧粘接层115和负极侧碳纸114形成片状负极侧扩散层113。
接着，在不对正极侧粘结层118、正极层20、负极层19、离子交换膜21和负极侧粘结层115上施加负荷(即不按现有技术那样对各层进行加热压缩)的情况下，将正极层20、负极层19和离子交换膜21干燥，在该干燥过程中，将正极侧粘结层118和负极侧粘结层115一起烧结。
通过使用熔点不高于150℃的低熔点树脂作为正极侧粘结层118的疏水性树脂118b，可以在干燥正极层20、负极层19、离子交换膜21的同时对正极侧粘结层118和负极侧粘结层115进行烧结。因此，省去了现有技术中只烧结正极侧粘结层118的干燥步骤，从而减少了干燥步骤，可以更有效率地制备燃料电池用电极。
图12G中，正极侧粘结层118、正极层20、离子交换膜21、负极层19和负极侧粘结层115在固化状态下层叠成一个整体。至此，如图11所示的实施例4中的燃料电池用电极112的制备过程结束。
如上所述，根据实施例4中燃料电池用电极112的制备方法，通过使用制备离子交换膜21的溶液并在正极层20干燥之前将制备离子交换膜21的溶液涂覆于正极层20上，在正极层20和离子交换膜21之间的界面处它们的溶液可得到有效混合。
更进一步，通过在离子交换膜21干燥之前将制备负极层19的溶液涂覆于离子交换膜21上，在离子交换膜21和负极层19之间的界面处它们的溶液可得到有效混合。
通过使正极层20、负极层19和离子交换膜21一口气同时干燥，可在正极层20和负极层19与离子交换膜21之间的界面处有效混合的同时将它们固化。通过此方式，可防止在正极层20和负极层19与离子交换膜21之间的界面上出现密合性差的部分，从而可使离子交换膜21保持良好的反应效率。通过此方式，可使燃料电池用电极112保持良好的反应效率。
此外，由于离子交换膜21被制成溶液，所以可以以溶液形式操作离子交换膜21，这就使得无需从操作角度出发限定离子交换膜21的厚度。因此，离子交换膜21可以制得很薄，燃料电池用电极112可制得很薄。
图13表示的是本发明实施例5中燃料电池用电极212的横截面结构。说明时，与图11所示实施例4中燃料电池用电极的部件相同的部件采用同一符号表示。
实施例5中燃料电池用电极212在负极侧扩散层113和正极侧扩散层216的内侧分别具有负极层19和正极层20，且在负极层19和正极层20之间具有离子交换膜21。
正极侧扩散层216是由第一碳纸即正极侧碳纸217和第一粘结层即正极侧粘结层218构成的薄片。
正极侧粘结层218的溶液含有例如碳粒218a和可溶于有机溶剂且具有疏水性的树脂(以下称作疏水性树脂)218b。
作为疏水性树脂218b可使用选自下列物质的一种或多种树脂偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、含氟烯烃/烃类烯烃共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟环氧化合物。
由于用作疏水性树脂218b的偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯(PVDF)、含氟烯烃/烃类烯烃共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟环氧化合物具有可溶于正极侧粘接层218的溶液中含有的有机溶剂的性能，这一点可使本发明顺利进行。
其中，作为有机溶剂，可以举出醇类溶剂、酮类溶剂和酯类溶剂中的至少一种。
由于制备正极侧粘结层218的溶液中含有的有机溶剂具有很强的溶解能力，通过使用有机溶剂可将疏水性树脂218b很好地溶解于有机溶剂中。碳218a分散或混合于该有机溶剂。
下面，基于图14A、图14B和图14C说明实施例5中燃料电池用电极212的制备方法。
图14A中，设置片状正极侧扩散层216。即，配置正极侧扩散层216的正极侧碳纸217，然后将喷雾器151按箭头所示方向在正极侧碳纸217上方移动，同时以雾化形式通过喷雾器151的喷嘴151a喷出用于制备正极侧粘结层218的溶液，从而形成正极侧粘结层218。
其中，制备正极侧粘结层218的溶液里含有溶解能力很强的有机溶剂，疏水性树脂218b可很好地溶解在有机溶剂中。这样，可以雾化状态涂覆制备正极侧粘结层218的溶液，制备正极侧粘结层218的溶液可良好涂覆于正极侧碳纸217表面的凹陷部位。
因此，可使制备正极侧粘结层218的溶液很好涂覆于正极侧碳纸217的整个表面。以此方式，疏水性树脂218b可渗入正极侧碳纸217的整个表面，从而增强了正极侧碳纸217的疏水性。
图14B中，在正极侧粘结层218干燥之前，将正极层20的溶液涂覆于正极侧粘结层218上，以形成正极层20。以此方式，正极侧粘结层218与正极层20之间的界面上可实现良好的混合并可提高该界面的密合性。
图14C中，与实施例4中燃料电池用电极的制备方法相同，在正极层20干燥之前，将制备离子交换膜21的溶液涂覆于正极层20以形成离子交换膜21。以此方式，正极层20与离子交换膜21之间的界面上可实现良好的混合并可以提高该界面的密合性。
其后，与实施例4燃料电池用电极的制备方法中图12D到12G所示方法相同，在离子交换膜21干燥之前，将制备负极层19的溶液涂覆于离子交换膜21上，以形成负极层19。
然后，在负极层19干燥之前，将制备负极侧粘结层115的溶液涂覆于负极层19上，以形成负极侧粘结层115。接着，在负极侧粘结层115干燥之前，配置负极侧碳纸114。
这样，在正极侧扩散层216、正极层20、负极层19、离子交换膜21和负极侧扩散层113层叠之后，在不对正极侧粘结层218、正极层20、负极层19、离子交换膜21和负极侧粘结层115施加负荷(即不按现有技术对各层进行加热和压缩)的情况下，将正极层20、负极层19和离子交换膜21一起干燥，同时将正极侧粘结层218和负极侧粘结层115一起烧结。
其中，假设有机溶剂的干燥温度约为70-80℃，这样在正极层20、负极层19或离子交换膜21干燥的过程中，所述有机溶剂可被除去而留下疏水性树脂218b，可将疏水性树脂218b与其余部分同时烧结。这样，与实施例4中燃料电池用电极的制备方法相同，由于省去了在现有技术中必要的只烧结正极侧粘结层218的干燥步骤，所以可减少干燥步骤，因而可更有效率地制造燃料电池用电极。
根据上述实施例的制备方法，在制备正极侧粘结层218的溶液中含有溶解能力优异的有机溶剂，这可使疏水性树脂218b在该有机溶剂中良好地溶解。
同时，由于可在正极层20、负极层19和离子交换膜21干燥的同时烧结疏水性树脂218b，因此在疏水性树脂218b(即正极侧扩散层216)干燥之前，将正极层20的溶液涂覆于正极侧扩散层216，从而使正极侧扩散层216和正极层20之间的界面得到良好的混合。
此外，由于使用了溶解能力优良的有机溶剂，因而可使疏水性树脂218b很好地溶解在有机溶剂中。因此，可将用于制备正极侧粘结层218的溶液通过喷雾器或喷墨机等以雾化状态进行涂覆，从而将制备正极侧粘结层218的溶液很好地涂覆于正极侧碳纸217表面的凹陷部位。相应地，由于制备正极侧粘结层218的溶液可很好地涂覆于正极侧碳纸217的整个表面，所以可使疏水性树脂218b渗透正极侧碳纸217的整个表面，从而改善正极侧碳纸217的疏水性。
虽然在实施例4和5的燃料电池用电极的制备方法中描述了将正极侧扩散层116和216置于下方并将负极侧扩散层113置于上方的方式，但也可使负极侧扩散层113置于下方，并使正极侧扩散层116和216置于上方。在这种情况下，负极侧粘结层115中原先含有的粘接性树脂115b可包含在正极侧粘结层118、218中。通过使粘接性树脂115b包含在正极侧粘结层118、218中这一方式，可使正极侧碳纸117、217与正极侧粘结层118、218之间保持良好的密合性。
图15表示的是本发明实施例6中燃料电池用电极的横截面结构。说明时，与图2所示实施例1中燃料电池用电极的部件相同的部件使用同一符号表示。
燃料电池用电极312在负极侧扩散层313和正极侧扩散层316的内侧分别具有负极层19和正极层20，且在负极层19和正极层20之间具有离子交换膜21。
负极侧扩散层313是由负极侧碳纸314和负极侧粘结层315构成的薄片。
正极侧扩散层316是由正极侧碳纸317和正极侧粘结层318构成的薄片。
负极侧粘结层315含有例如碳粒315a和疏水性树脂(如含氟聚合物)315b，负极侧粘结层315中与负极层19相邻的上表面315c是平坦形成的。
正极侧粘结层318含有例如碳粒318a和疏水性树脂(如含氟聚合物)318b。
通过在制备该负极的溶液中混合催化剂22，并在涂覆该溶液后通过干燥将其固化，制成负极层19。负极层19的催化剂22是以碳23的表面负载作为催化剂的铂-钌合金24而制得的物质，氢分子(H2)被吸附于铂-钌合金24上。
通过在制备该正极的溶液中混合催化剂25，并在涂覆该溶液后通过干燥将其固化，制成正极层20。正极层20的催化剂25是以碳26的表面负载作为催化剂的铂27而制得的物质，氧分子(O2)被吸附于铂27上。
涂覆溶液状态的离子交换膜，然后将其与负极层19的溶液和正极层20的溶液一起干燥，并与负极层19和正极层20固化成一体，进而在负极层19和正极层20之间形成离子交换膜21。
下面基于图16A到图16H说明本发明实施例6中燃料电池用电极312的制备方法。
图16A中，设置片状负极侧扩散层313。即，配置负极侧扩散层313的碳纸314，然后将喷雾器351按箭头①所示方向在碳纸314的上方移动，同时从喷雾器351的喷嘴351a喷出粘接剂(即碳315a和含氟聚合物315b)。
其中，碳纸314的上表面为不规则表面，但通过使用喷雾器351可雾化碳315a和含氟聚合物315b，并将它们涂覆于碳纸314的上表面，即使碳纸314的凹陷处也可确保被碳315a和含氟聚合物315b所涂覆。以此方式，可使含氟聚合物315b渗透碳纸314的整个区域，这样在碳纸的整体区域上获得了疏水性效果。
图16B中，在粘结层315干燥之前，将滚筒354按箭头②所示沿粘结层315的上表面315c滚动，同时将滚筒354按箭头③所示移动。这样可使粘结层315的上表面315c变得平坦。
图16C中，在粘结层315干燥之前，将制备负极层19的溶液涂覆于上表面平坦的负极侧粘结层315上，以形成负极层19。因为负极层19是通过将制备负极层19的溶液涂覆于负极侧粘结层315平坦的上表面315c上而制成的，因此负极层19的上表面也是平坦的。
图16D中，在负极层19干燥之前，通过涂覆离子交换膜21的溶液可形成离子交换膜21。因为离子交换膜21是通过将离子交换膜21的溶液涂覆于已平坦的负极层19而制成的，因此离子交换膜21的上表面也是平坦的。
图16E中，在离子交换膜21干燥之前，将制备正极层20的溶液涂覆于上表面平坦的离子交换膜21上，以形成正极层20。因为正极层20是通过将正极层20的溶液涂覆于已平坦的离子交换膜21而制成的，因此正极层20的上表面也是平坦的。
由于可以以此方式形成平坦的离子交换膜21，所以可确保涂覆在离子交换膜21上的正极层20和涂覆在离子交换膜21下的负极层19分离，因而可防止正极层20和负极层19之间发生短路。
图16F中，在正极层20干燥之前，将正极侧粘结层318(即碳318a和含氟聚合物318b)的粘接剂涂覆于正极层20上，以形成正极侧粘结层318。
图16G中，通过将正极侧碳纸317置于正极侧粘结层318之上，由正极侧粘结层318和正极侧碳纸317形成片状正极侧扩散层316。
接着，在负极层19、离子交换膜21和正极层20干燥之前，在不对负极层19、离子交换膜21和正极层20施加负荷的情况下，将负极层19、离子交换膜21和正极层20一起干燥。
图16H中，通过使负极层19、离子交换膜21和正极层20固化，将负极层19、离子交换膜21和正极层20层叠成一个整体。至此，如图15所示实施例6的燃料电池用电极312的制备过程结束。
因此，根据实施例6的燃料电池用电极312的制备方法，通过使用溶液来制备离子交换膜21，并在负极层19干燥之前将制备离子交换膜21的溶液涂覆于负极层19，由此可在负极层19和离子交换膜21之间的界面处使它们的溶液得到有效混合。
而且通过在离子交换膜21干燥之前将制备粘结层18的溶液涂覆于离子交换膜21，可在离子交换膜21和正极层20之间的界面处使它们的溶液得到有效混合。并通过将未干燥的正极层20、负极层19和未干燥的离子交换膜21一口气同时干燥，这样可以在正极层20和负极层19与离子交换膜21之间的界面处使它们的溶液得到有效混合并在此状态下固化。因此，可防止在正极层20和负极层19与离子交换膜21之间的界面处出现密合性差的部分，从而可使离子交换膜21保持优良的反应效率。以此方式，也可使燃料电池用电极312保持优良的反应效率。
下面基于图17A到图17B说明实施例6中燃料电池用电极312的另一种制备方法。
图17A中，采用与图16A所示的实施例相同的方式，配置负极侧扩散层313的碳纸314后，将喷雾器351按箭头①所示方向在碳纸314上方移动，同时从喷雾器351的喷嘴351a喷出粘接剂(即碳315a和含氟聚合物315b)。
以此方式使用喷雾器351时，即使碳纸314的凹陷处也可确保被碳315a和含氟聚合物315b所涂覆。以此方式，可使含氟聚合物315b渗入碳纸314的整个区域，这样可使碳纸的整体区域获得疏水性效果。
图17B中，在负极侧粘结层315干燥之前，压制板356按箭头④所示压制负极侧粘结层315的上表面315c，使负极侧粘结层315的上表面315c变平坦。
使负极侧粘结层315的上表面315c变平坦的方式不限于使用滚筒354(参见图16B)或压制板356，本发明中也可选用其他方式。
虽然在图15所示的实施例6中说明的是将负极层19置于下方并将正极层20置于上方的例子，但如果将负极层19置于上方，并将正极层20置于下方也可取得同样效果。
而且，虽然在上述实施例的方法的例子中当粘接剂(即碳315a和含氟聚合物315b)以喷雾的形式涂覆于碳纸314的上表面时，该粘接剂是以雾化方式通过喷雾器351进行涂覆的，但此处也可应用例如喷墨机或诸如此类的其他喷涂法来替代喷雾器。
喷雾器和喷墨机就以雾化方式涂覆溶液这点而言，二者是相同的，但由于在使用喷雾器的情况下范围相对较宽且可缩短涂覆时间，因此优选选用喷雾器。
图18以分解透视图的形式表示了关于本发明实施例7的具有燃料电池用电极的燃料电池。
燃料电池单元400由多个(如图中例子为2个)燃料电池411、411构成。燃料电池411中，负极(电极)412上设置有燃料电池的离子交换膜(简称离子交换膜)414，在离子交换膜414上叠加正极(电极)416，将负极侧导流槽基板421配置在负极412外侧，将正极侧导流槽基板424配置在正极416外侧。多个(2个)燃料电池411与它们之间的隔板426构成了燃料电池单元400。
通过将负极侧导流槽基板421层叠于负极412之上，负极侧导流槽基板421中的导流槽421a由负极412所覆盖，并形成氢气导流通道422。通过将正极侧导流槽基板424层叠于正极416上，正极侧导流槽板424中的导流槽424a由正极416所覆盖，并形成氧气导流通道425。
向氢气导流通道422供给氢气，氢分子(H2)被吸附于包含在负极412中的催化剂上，同时向氧气导流通道425供给氧气，氧分子(O2)被吸附于包含在正极侧扩散层16中的催化剂上。这样电子(e-)如箭头所示流动从而产生电流。当产生电流时，由氢分子(H2)和氧分子(O2)而得到产物水(H2O)。
图19表示的是图18所示离子交换膜414的横截面结构和由离子交换膜414所覆盖的负极412。
负极412是由碳纸形成的多边形(如八边形)薄片；其内部含有催化剂，并且该催化剂上吸附有氢分子(H2)。其中，碳纸指碳纤维制成的纸。图18所示正极416是由与负极412相同的碳纸构成的薄片；其内部含有催化剂，并且该催化剂上吸附有氧分子(O2)。
离子交换膜414为多边形(如八边形)树脂膜，该多边形树脂膜是通过将树脂溶液(以下称“浆料”)涂覆于负极412的表面412a上，并在涂覆后将其干燥而获得的。作为树脂溶液，例如可以举出HC类聚合物溶液。“浆料”是由树脂与液体混合制成的溶液。
图20表示离子交换膜成型装置430。
离子交换膜成型装置430包括用于放置八边形负极412(参见图18和图19)的底座431、置于底座431上围绕负极412的引导架构件433和置于引导架构件433之上的雾化器440。
底座431具有正电荷输送装置432，用于向负极412输送正电荷。
引导架构件433包括沿负极412的边缘部位412b(参见图19)的八边形内表面434；沿内表面434的回收槽435；以及为连通回收槽435而形成的回收孔436。内表面434被涂层剂(图中未示出)所覆盖。
雾化器440具有浆料喷嘴441。对浆料喷嘴441的支撑使得该喷嘴具有按箭头所示移动的可能。浆料喷嘴441具有负电荷输送装置442。雾化的浆料从该浆料喷嘴441的末端441a喷出。
浆料喷嘴441的末端441a的喷口形状制成可使从该喷口喷出的雾化浆料呈椭圆形的形式。
负电荷输送装置442将负电荷加载到从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料上。
当浆料喷嘴441从位置P1移至位置P4时，在从位置P1至位置P2的第一区域E1(电极的狭窄部位)，雾化器440如箭头所示沿着向上的曲线上升，在从位置P2到位置P3的第二区域E2(电极的宽阔部位)，雾化器440如箭头所示水平移动，在从位置P3到位置P4的第三区域E3(电极的狭窄部位)，雾化器440如箭头所示沿着向下的曲线下降。
但是，浆料喷嘴441的移动方式并不限于此，而是可以按照负极412的形状随意设置。
图21表示本发明涉及的离子交换膜的成型装置。
将雾化浆料451从浆料喷嘴441喷出，在从位置P1至位置P2的第一区域E1，浆料喷嘴441按箭头所示沿向上的曲线上升，在从位置P2到位置P3的第二区域E2，浆料喷嘴441按箭头所示水平移动，在从位置P3到位置P4的第三区域E3时，浆料喷嘴441按箭头所示沿向下的曲线下降。
在从位置P1至位置P2的第一区域E1，负极412宽度如图20所示由最小宽度W1逐渐增至最大宽度W2。因此，当浆料喷嘴441在位置P1至位置P2间的第一区域E1移动时，浆料喷嘴441从高度H1的位置按箭头所示沿向上的曲线上升。以此方式，从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料的宽度可随负极412的宽度而变化，从而可防止浆料从负极412上伸出。
从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451的喷量随浆料喷嘴441的上升而增加。这样，雾化浆料451可均匀涂覆于负极412上。
在从位置P2到位置P3的第二区域E2，如图20所示负极412的宽度恒定为最大宽度W2。因此，当浆料喷嘴441在位置P2到位置P3的第二区域E2的上方移动时，在浆料喷嘴441保持在最大高度H2的同时将浆料喷嘴441水平移动。这样，可随负极412的最大宽度W2而相应地增宽从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料的宽度，以便使负极412的最大宽度W2能被雾化浆料所覆盖。
将第二区域E2中从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451的喷量设为最大值。这样，使该区域的浆料与第一区域E1上的浆料相匹配，因此雾化浆料451可均匀涂覆于负极412。
在从位置P3到位置P4的第三区域E3，如图20所示负极412的宽度从最大宽度W2逐渐减小至最小宽度W1。因此，当浆料喷嘴441在从位置P3到位置P4的第三区域E3上方移动时，将浆料喷嘴441按箭头所示从最大高度位置H2沿着向下的曲线下降至最小高度位置H1。这样，从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料的宽度可对应于负极412的宽度而变化，可防止雾化浆料451从负极412上不必要地伸出。
从浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451的喷量随浆料喷嘴441的下降而减少。这样，使该区域的浆料与第一区域E1和第二区域E2上的浆料相匹配，因此雾化浆料451可均匀涂覆于负极412。
通过对应于负极412的宽度调整浆料喷嘴441的高度这一方式，其结果是例如在负极412的狭窄部位，可防止雾化浆料45 1从负极412上伸出，进而可避免将雾化浆料451涂覆于额外区域。
此外，通过对应于浆料喷嘴441的高度的变化来改变雾化浆料451的喷量，浆料452可以以均匀厚度涂覆于负极412的表面412a上。这样可以将离子交换膜414(参见图19)表面制得平坦，并可使燃料电池品质稳定。
当浆料喷嘴441置于位置P1或位置P4时，雾化浆料451的边缘部位451a伸至引导架构件433的内表面434之外；伸出的雾化浆料边缘部位451a由回收槽435回收。
下面基于图22A到图22J说明燃料电池离子交换膜第一形成方法。
图22A中，多边形负极(电极)412由碳纸制备，负极412置于底座431上。然后，调整正电荷输送装置432以输送正电荷至负极412。
图22B中，配置引导架构件433使之围绕负极412。然后，调整负电荷输送装置442以输送负电荷至由浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451(参见图21)。
图22C中，从待机位置P0按箭头①所示水平移动浆料喷嘴441，并到达第一喷雾位置P1，然后从浆料喷嘴441喷出雾化浆料451。
图22D中，将浆料喷嘴441放低以使其末端441a距离负极412表面412a的高度为H1，雾化浆料451的宽度W3可设置成略大于负极412末端的宽度(最小宽度)W1，如图22C所示。这样，可防止雾化浆料451从负极412上多余的伸出。
伸至引导架构件433内表面434的外侧的雾化浆料451边缘部位由回收槽435回收。
图22E中，当由浆料喷嘴441喷出雾化浆料451时，按箭头②所示将浆料喷嘴441从位置P1移动至位置P2。
图22F中，由于在位置P1至位置P2间的第一区域E1中浆料喷嘴441沿向上的曲线上升，浆料喷嘴441末端441a的高度H3随浆料喷嘴441的移动而逐渐升高。因此，如图22E所示，浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451的宽度W5可对应于负极412倾斜部的宽度W4而逐渐增大。这样可防止雾化浆料45 1从负极412上多余的伸出。
伸至引导架构件433的内表面434的外侧的雾化浆料451边缘部位由回收槽435回收。
此外，如果进行控制，使雾化浆料451的喷量随着浆料喷嘴441的上升而逐渐增加，则如图22F所示，浆料452可以以均匀厚度涂覆于负极412的表面412a上。
图22G中，在由浆料喷嘴441喷出雾化浆料451的状态下，按箭头③所示将浆料喷嘴441从位置P2移动至位置P3。
图22H中，将浆料喷嘴441以最大高度H2在从位置P2到位置P3间的第二区域E2水平移动。因此，如图22G所示，可使由浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451宽度W6略大于负极412的最大宽度W2。这样，负极412的整个最大宽度区域可由雾化浆料451所覆盖。
伸至引导架构件433内表面434的外侧的雾化浆料451边缘部位由回收槽435回收。
此外，以最大高度H2从浆料喷嘴441喷出雾化浆料451时，若进行控制，使雾化浆料451的喷量增至最大值，如图22H所示，浆料452可以以均匀厚度涂覆于负极412的表面412a上。
图22I中，在由浆料喷嘴441喷出雾化浆料451的状态下，按箭头④所示将浆料喷嘴441从位置P3移动至位置P4。
图22J中，浆料喷嘴441按箭头④所示，在从位置P3到位置P4的第三区域E3沿向下的曲线下降。浆料喷嘴441的末端441a随浆料喷嘴441的移动从最大高度H2逐渐下降至最小高度H1。因此，如图22I所示，由浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451的宽度W3可对应于负极412另一端的宽度(最小宽度)W1而逐渐缩小。这样，雾化浆料451不会从负极412上多余地伸出。
伸至引导架构件433的内表面434外侧的雾化浆料451边缘部位由回收槽435回收。
此外，通过进行控制，随着浆料喷嘴441的下降，使雾化浆料451的喷量逐渐减少，浆料452可以以均匀的厚度涂覆于负极412的表面412a上。
这样使浆料喷嘴441到达位置P4，浆料452的涂覆过程结束。涂覆过程完成后，将涂覆于负极412的浆料452干燥，以形成离子交换膜414(参见图19)。
上述的离子交换膜第一形成方法中，通过输送正电荷至负极412和输送负电荷至由浆料喷嘴441喷出的雾化浆料451，可防止浆料452的覆盖不均匀。以此方式，可以形成如图19所示均匀厚度的离子交换膜414。
此外，通过以引导架构件433限定浆料452的涂覆区域，可使浆料452简单地形成所需形状。因此可毫无困难地、很好地形成离子交换膜414的边缘414a。
下面基于图23说明离子交换膜的第二形成方法。
在实施如图23所示第二形成方法的成型装置中，与图21所示实施第一形成方法的成型装置430相同的部件使用同一符号表示。
如图23所示的离子交换膜成型装置460包括用于放置负极412的底座431、置于底座431上围绕负极412的引导架构件463和置于引导架构件463之上的雾化器440。
引导架构件463具有内表面464，其形状与负极412的边缘412b相吻合。沿着内表面464形成回收槽465。配置与回收槽465相连的回收孔466。抽吸装置(图中未示出)经由吸出孔466与回收槽465相连。内表面464由涂层所覆盖。
通过将抽吸装置连通回收槽465，回收槽465内收集的浆料可被吸出，浆料更容易回收。因此，可大大提高燃料电池生产率。
虽然前述第一和第二形成方法中说明的是将浆料452涂覆于负极412的例子，但在将浆料452涂覆于正极416上时，也可获得同样效果。
下面基于图24至图26说明实施离子交换膜的第三形成方法的成型装置。在该第三离子交换膜成型装置的说明中，与图21所示实施第一形成方法的成型装置430相同的部件使用同一符号。
第三离子交换膜成型装置530包括用于放置如图19所示八边形负极412的底座431、置于底座431上围绕负极412的引导架构件433和置于引导架构件433之上的喷雾装置540。
底座431具有正电荷输送装置432，用于向负极412输送正电荷。
引导架构件433包括沿负极412的边缘部位412b(参见图19)形成的八边形内表面434；沿着内表面434形成的回收槽435；和为连通回收槽435而形成的回收孔436。内表面434被涂层(图中未示出)所覆盖。
喷雾装置540具有配置成锯齿形的多个浆料喷嘴541a～541j。对多个浆料喷嘴541a～541j的支撑使得这些喷嘴可按箭头所示方向移动。每个浆料喷嘴541a～541j都从负电荷输送装置442处得到负电荷。即，负电荷输送装置442将负电荷输送给从每个浆料喷嘴541a～541j喷出的浆料。
构造多个浆料喷嘴541a～541j，使其可在喷浆料的状态和不喷浆料的状态之间单独切换。
参照图25，多个浆料喷嘴541a～541j由例如作为第一浆料喷嘴到第十浆料喷嘴541a～541j构成，这些浆料喷嘴541a～541j布置成锯齿形。
通过使第一到第十浆料喷嘴541a～541j中的第三到第八浆料喷嘴541c～541h在距离L1之上进入喷雾状态，可覆盖处于负极412中心的第一区域545。
通过使位于第三浆料喷嘴541c外侧的第二浆料喷嘴541b和位于第八浆料喷嘴541h外侧的第九浆料喷嘴541i在距离L2之上进入喷雾状态，可覆盖第一区域545外侧的第二区域546、546。
而且通过使位于第二浆料喷嘴541b外侧的第一浆料喷嘴541a和位于第九浆料喷嘴541i外侧的第十浆料喷嘴541j在距离L3之上进入喷雾状态，可覆盖第二区域546、546外侧的第三区域547、547。
图26是表示图24至图25所示离子交换膜成型装置的截面图。通过如图25所示放置成锯齿形的第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出第一到第十喷雾状浆料551，在负极412上涂覆浆料552。
其中，从第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料551在各自边缘部位551a的涂覆量很小。鉴于此，为使边缘部位551a的涂覆量与中央部位551b涂覆量相等，有必要补充边缘部位551a的涂覆量。至此，作为补充边缘部位551a涂覆量的方法，考虑使相邻的喷雾状浆料551、551的边缘部位551a、551a之间交叠。
然而，当相邻喷雾状浆料551、551的边缘部位551a、551a互相干扰时，这些互相干扰的边缘部位551a、551a就会出现紊乱，并由此无法良好地涂覆浆料552。为避免这种情况，将第一到第十浆料喷嘴541a～541j放置成锯齿形，以防止相邻喷雾状浆料551、551的边缘部位551a、551a互相干扰。
即，在第一到第十浆料喷嘴541a～541j按箭头所示方向移动之前的初始状态下，如图25所示，将第一到第十浆料喷嘴541a～541j放置成使从第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a不交叠的形式。
然而，当移动第一到第十浆料喷嘴541a～541j时，相邻的喷雾状浆料551、551之一首先涂覆于负极412的表面上，然后使其他喷雾状浆料551的边缘部位551a涂覆于已涂覆浆料552的边缘部位，由此，相邻喷雾状浆料551、551的边缘部位551a、551a可在交叠状态下涂覆，而且相邻喷雾状浆料551、551中不会出现紊乱。
喷雾状浆料551的边缘部位551a在交叠状态下涂覆且在相邻的喷雾状浆料551中没有出现紊乱，这样可使从第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的涂覆量与各个喷雾状浆料551的中央部位551b的涂覆量相等。
即，设置相邻浆料喷嘴541a至541j的间隔S1，使下述涂覆成为可能将从第二、第四、第六、第八和第十浆料喷嘴541b、541d、541f、541h和541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a与从第一、第三、第五、第七和第九浆料喷嘴541a、541c、541e、541g和541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a以S2的交叠量进行交叠。
下面基于图27A至27J说明燃料电池离子交换膜的第三形成方法。
图27A中，多边形负极(电极)412由碳纸构成，将负极412配置于底座431上。然后，调整正电荷输送装置432以输送正电荷至负极412。
图27B中，配置引导架构件433使其围绕负极412。然后，调整负电荷输送装置442以输送正电荷至从第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料551(参见图26)。
图27C中，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j如箭头①所示从待机位置P0水平移动至第一喷雾位置P1时，通过第三至第八浆料喷嘴541c到541h喷出喷雾状浆料551(参见图27D)。
图27D是沿图27C中的D-D线切开的截面图。图27D中，通过将第一到第十浆料喷嘴541a～541j水平移动使其越过负极412上方，将第三、第五和第七浆料喷嘴541c、541e和541g喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a在涂有第四、第六和第八浆料喷嘴541d、541f、541h喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的表面交叠涂覆。以此方式，可使由第三到第八浆料喷嘴541c～541h喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的涂覆量与各喷雾状浆料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，为保持涂覆量相等，使第三到第八浆料喷嘴541c～541h喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a伸至引导架构件433内表面434的外侧。这些伸出的边缘部位551a由回收槽435回收。
图27E中，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j按箭头②所示从第一喷雾位置P1水平移至第二喷雾位置P2时，在第三至第八浆料喷嘴541c～541h仍然持续喷出喷雾状浆料551(参见图27F)的情况下，通过第二和第九浆料喷嘴541b和541i喷出喷雾状浆料551。
图27F是沿图27E中的F-F线切开的截面图。图27F中，通过将第一到第十浆料喷嘴541a～541j继续水平移动使其越过负极412上方，将第三、第五、第七和第九浆料喷嘴541c、541e、541g和541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a与涂有第二、第四、第六和第八浆料喷嘴541b、541d、541f和541h喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的表面交叠涂覆。以此方式，使第二到第八浆料喷嘴541b～541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的涂覆量与喷雾状浆料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，为保持涂覆量相等，使第二到第九浆料喷嘴541b到541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a伸至引导架构件433内表面434的外侧。这些伸出的边缘部位551a由回收槽435回收。
图27G中，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j按箭头③所示从第二喷雾位置P2水平移至第三喷雾位置P3时，在第二至第九浆料喷嘴541b～541i仍然持续喷出喷雾状浆料551(参见图27H)的情况下，通过第一和第十浆料喷嘴541a、541j喷出喷雾状浆料551。
图27H是沿图27G中的H-H线切开的截面图。图27H中，通过将第一到第十浆料喷嘴541a～541j继续水平移动使其越过负极412上方，将第一、第三、第五、第七和第九浆料喷嘴541a、541c、541e、541g、541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a与涂有第二、第四、第六、第八和第十浆料喷嘴541b、541d、541f、541h、541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的表面交叠涂覆。以此方式，使第一到第十浆料喷嘴541a～541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的涂覆量与各喷雾状浆料551的中央部位551b的涂覆量相等。
另一方面，为保持涂覆量相等，使第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a伸至引导架构件433内表面434的外侧。这些伸出的边缘部位551a由回收槽435回收。
图27I中，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j到达第四喷雾位置P4时，停止从第一和第十浆料喷嘴541a、541j喷出喷雾状浆料551。这样，第三区域547、547的涂覆结束。
接着，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j移至第五喷雾位置P5时，停止从第二和第九浆料喷嘴541b、541i喷出喷雾状浆料551。这样，第二区域546、546的涂覆结束。
然后，当第一到第十浆料喷嘴541a～541j移至第六喷雾位置P6时，停止从第三到第八浆料喷嘴541c～541h喷出喷雾状浆料551。这样，第一区域545的涂覆结束。
随着第一区域545涂覆的结束，向负极412涂覆浆料552的工序完成。该涂覆工序完成后，通过将涂覆于负极412的浆料552干燥，形成离子交换膜414(参见图19)。
该第三制备方法中，通过使用多个浆料喷嘴541a～541j，当部分浆料喷嘴落在负极412边缘部位412b之外时，已落在界外的浆料喷嘴不会喷出喷雾状浆料551。以此方式，可防止将浆料552涂覆于负极412的边缘部位412b之外的区域554(即引导架构件433的角落部位)，因此可以缩短涂覆后所需的回收浆料的时间。
由于喷雾状浆料551通过多个浆料喷嘴541a～541j单独喷雾和涂覆于负极412上，所以可单独调节各个浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料的量。这样，无需提高浆料喷嘴541a～541j的喷雾精度，仅通过单独调节各个浆料喷嘴541a～541j喷出的喷雾状浆料的量，即可相对容易地使浆料552表面平坦。
同时，通过输送正电荷至负极层412和输送负电荷至由第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出的浆料，可防止浆料552的涂覆不均匀。以此方式，如图19所示可以以均匀厚度形成离子交换膜414。
而且，根据图27C至27H的说明，在第一到第十浆料喷嘴541a～541j喷出喷雾状浆料551的过程中，将第一、第三、第五、第七和第九浆料喷嘴541a、541c、541e、541g和541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a与涂有第二、第四、第六、第八和第十浆料喷嘴541b、541d、541f、541h和541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a的表面交叠涂覆。以此方式，使第一到第十浆料喷嘴541a到541j喷出的喷雾状浆料551均匀涂覆于负极412上，从而使如图19所示离子交换膜414厚度均匀。
此外，通过引导架构件433限定浆料552的涂覆区域(第一、第二和第三区域)545、546、547，可使浆料552简单地形成所需形状。因此可毫无困难地、很好地形成离子交换膜414的边缘414a。
图28A和图28B是将本发明的燃料电池离子交换膜制备方法的特征与比较例进行比较的图。图28A表示比较例，图28B表示作为实施例的浆料喷嘴541a～541i中的一部分浆料喷嘴541h、541i、541j。
图28A所示的比较例中，浆料喷嘴561a～561c被置于直线563上，当喷雾状浆料562通过浆料喷嘴561a～561c喷出时，相邻的喷雾状浆料562的边缘部位562a间互相干扰，并在喷雾状浆料562的边缘部位562a上产生紊乱。因此，由于即使按箭头所示移动浆料喷嘴561a～561c也不可能使浆料均匀涂覆，所以不可能使离子交换膜厚度均匀。
图28B中，将浆料喷嘴541h、541i和541j布置成锯齿形以使喷雾状浆料551的边缘部位551a不互相干扰。
当浆料喷嘴541h、541i和541j按箭头⑤所示水平移动时，首先负极412表面由通过浆料喷嘴541h、541j喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a覆盖，然后用浆料喷嘴541i喷出的喷雾状浆料551的边缘部位551a进行交叠涂覆。这样，浆料552(参见图27J)可均匀涂覆，可使图19所示离子交换膜414厚度均匀。
图29表示的是实施第四离子交换膜形成方法的成型装置。在该第四形成方法的说明中，与图26所示实施第三形成方法的成型装置相同的部件使用同一符号的表示。
离子交换膜成型装置570包括用于放置负极412的底座431、置于底座431上围绕该负极412的引导架构件573和置于引导架构件573之上的喷雾装置540。
导承框构件573具有内表面574，该内表面574沿着负极412的边缘412b成型。沿着内表面574形成回收槽575。形成抽吸通道576以使其与回收槽575连通。通过图中未示出的抽吸装置，回收槽575内收集的浆料通过抽吸通道576被回收。内表面574上已涂覆有涂层。
通过以此方式将抽吸装置连通回收槽575，由于回收槽575内收集的浆料可被吸出，因而浆料可更容易地得到回收。因此，可以进一步提高燃料电池的生产率。
虽然前述第三和第四离子交换膜形成方法中说明的是将浆料552涂覆于负极412的例子，但本发明不限于此，而是可选择性地将浆料552涂覆于正极416。
图30是表示具有本发明实施例8的燃料电池用电极的燃料电池的分解透视图。
该实施例中燃料电池单元600由多个(在该例子中为2个)燃料电池611、611构成。燃料电池611具有负极板612、离子交换膜615、层叠于离子交换膜615上的正极板616、置于负极板612外侧的负极侧导流槽基板621和置于正极板616外侧的正极侧导流槽基板624。负极板612由负极基板613和负极(电极)614构成。正极板616由正极基板617和正极(电极)618构成。
多个(2个)该燃料电池611与它们之间的隔板626构成了燃料电池单元600。
通过将负极侧导流槽基板621层叠至负极基板613，并使负极基板613覆盖负极侧导流槽基板621的导流槽621a，形成氢气导流通道622。通过将正极侧导流槽基板624层叠至正极基板617，并使正极基板617覆盖正极侧导流槽基板624的导流槽624a，形成氧气导流通道625。
向氢气导流通道622供给氢气，氢分子(H2)被吸附于负极614中含有的催化剂上，同时向氧气导流通道625供给氧气，氧分子(O2)被吸附于正极618中含有的催化剂上。这样，电子(e-)如箭头所示流动从而产生电流。在产生电流的同时，由氢分子(H2)和氧分子(O2)得到产物水(H2O)。
图31表示的是如图30所示的负极板612和离子交换膜615的横截面。负极板612通过在负极基板613上设置负极614而形成。从负极614边缘部位伸出的负极基板613的表面部位613a被离子交换膜615覆盖。
负极基板613是由碳制成的片状碳纸，在其一侧613b上设置有负极614。该负极614含有催化剂，氢分子(H2)被吸附于该催化剂上。
图30所示正极基板617与负极基板613相同，也是由碳制成的片状碳纸，在其一侧上设置有正极618。该正极618含有催化剂，氧分子(O2)被吸附于该催化剂上。
通过将树脂溶液(如HC聚合物溶液)涂覆于负极614和从负极614伸出的负极基板613的表面部位613a，然后干燥该树脂溶液，获得离子交换膜615。
下面基于图32A至图32G说明图31所示离子交换膜的制备方法。
图32A中，准备在负极基板(基板)613上涂覆负极(电极)614而制得的负极板(负极)612，将该负极板612置于底座631上。
图32B中，通过将外侧限制壁部件632沿负极板612边缘放置，使外侧限制壁部件632围绕负极板612。该外侧限制壁部件632由两个互相分开的左右外侧限制壁部件633、634构成。在用这两个外侧限制壁部件633、634围起负极板612之后，将涂层635、635涂覆于外侧限制壁部件633、634的内壁633a、634a。
然后，将喷雾装置638置于负极板612上方(例如，负极基板613一端613c的上方)。之后，调整正电荷输送装置641使其输送正电荷至负极板612，调整负电荷输送装置642使其输送负电荷至喷雾装置638的喷嘴639喷出的树脂溶液。
图32C中，通过喷雾装置638的喷嘴639喷出含气体的树脂溶液。通过负电荷输送装置642向该雾化树脂液体645施加负电荷。通过将喷雾装置638按箭头①所示状态移动使其越过负极板612的表面，将树脂溶液646涂覆于负极基板613的一端613c到负极614的一端614a之间的负极基板613的表面部位613a。
在涂覆树脂溶液646时，通过施加负电荷于雾化树脂液体645，施加正电荷于负极板612，这样可使雾化树脂液体645良好地涂覆于负极基板613的表面部位613a上且不出现不平整。
图32D中，继续按箭头①所示移动喷雾装置638。此时，雾化树脂液体645的喷雾压力作用于负极614一端614a的边缘，但由于雾化树脂液体645中含有气体，所以雾化树脂液体645的喷雾压力可保持在低值。以此方式，当将树脂溶液646涂覆于负极614一端614a的边缘时，可使作用于负极614一端614a的边缘的喷雾压力即剪切力保持在很小的水平。这样就防止了负极614的表面层614b上产生如现有技术中出现的水平移位。
图32E中，继续按箭头①所示移动喷雾装置638。此时，雾化树脂液体645的喷雾压力作用于负极614的表面层614b，但由于喷雾压力垂直作用于负极614的表面层614b，所以防止了负极614的表面层614b产生如现有技术中出现的水平移位。
而且，当喷雾装置638达到负极614的另一端614c时，雾化树脂液体645的喷雾压力作用于负极614的另一端614c的边缘，但由于雾化树脂液体645中含有气体，雾化树脂液体645的喷雾压力可保持在低值。以此方式，在使树脂溶液646涂覆于负极614的另一端614c的边缘的过程中，作用于负极614另一端614c的喷雾压力即剪切力可保持在很小的水平。因此，防止了负极614的表面层614b产生如现有技术中出现的水平移位。
图32F中，通过将喷雾装置638从负极614的一端614c移至负极基板613的一端613d，可将树脂溶液646涂覆于处于负极614的一端614c与负极基板613的一端613d之间的表面部位613a。至此，涂布过程结束。
用外侧限制壁部件632围绕负极板612，这样，当涂覆树脂溶液646时，可使该树脂溶液646沿着外侧限制壁部件632形成。因此可很好地形成树脂溶液646的边缘，也就是图31所示离子交换膜615的边缘615a。
通过向负极板612施加正电荷和向喷雾装置638喷出的雾化树脂液体645施加负电荷，可防止树脂溶液646的涂布不均匀，从而可以以均匀厚度涂覆树脂溶液646。
如果仅按照图32D箭头①所示方向移动喷雾装置638，这就很难以均匀厚度涂覆树脂溶液646，通过向树脂溶液646厚度薄的地方再次用喷雾装置638进行喷雾，可以将树脂溶液646涂覆成均匀厚度。
同时，作为另一种方法，通过调节从喷雾装置638喷出的雾化树脂液体645的传送速度，也可以将树脂溶液646涂覆成均匀厚度。例如，当涂覆所述雾化树脂液体645时，若有些部位树脂溶液646厚度较薄，通过向这些部位传送更多的雾化树脂液体645，可使树脂溶液646以均匀厚度涂覆。
在涂覆步骤结束后，将喷雾装置638从树脂溶液646上方收回。然后，通过冷却外侧限制壁部件632(左右外侧限制壁部件633、634)，使树脂溶液646的边缘部位646a冷却并达到一定程度的凝固。在这种状态下，如图32G所示，将左右外侧限制壁部件633、634按箭头②所示从底座631上取走。
由于涂层635、635已涂覆于左右外侧限制壁部件633、634的内壁633a、634a，所以可使其与树脂溶液646之间保持良好的可分离性。
此外，通过使树脂溶液646的边缘部位646a冷却并稍有凝固，则在取走外侧限制壁部件632(左右外侧限制壁部件633、634)时，可防止树脂溶液646的边缘部位646a变形。
尽管在离子交换膜第五形成方法中描述的是将喷雾装置638从负极板612一端移至另一端的例子，但本发明并不限于此，此处也可通过将喷雾装置638从喷雾装置638中央(即负极614中央)向其各端移动或通过其他移动方法实现涂覆。
尽管在上述制备方法中描述的是将树脂溶液646涂覆于负极板612的例子，但本发明并不限于此，将树脂溶液646涂覆于正极板616也可获得同样效果。
在本发明燃料电池用电极的制备方法中，由于将离子交换膜制成溶液，而且用于制备正极层、离子交换膜和负极层的溶液分别都在未干燥状态下进行涂覆，所以每种溶液都可渗透之前涂覆的膜，而且各层界面上不会出现密合性差的部分。同时，由于使用溶液涂覆离子交换膜，离子交换膜可以制得很薄，电极结构也可制作得尽可能小型化，从而有利于各种产业的燃料电池的制造。
权利要求
1.一种燃料电池用电极的制备方法，所述方法包括如下步骤将用于制备燃料电池正/负极中任一电极即第一电极的溶液涂覆于薄片上以形成第一电极层；在该电极层干燥之前，将用于制备离子交换膜的溶液涂覆于该电极层上，以形成离子交换膜；在该离子交换膜干燥之前，将用于制备另一电极即第二电极的溶液涂覆于该离子交换膜，以形成第二电极层；以及通过干燥所述第一电极层、所述第二电极层和所述离子交换膜进行固化的步骤。
2.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述干燥是在不施加负荷的情况下进行的。
3.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，在所述正/负极的电极层中，将负极层形成于所述离子交换膜的下方，将正极层形成于所述离子交换膜的上方。
4.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，以喷雾状态涂覆用于制备正极的溶液。
5.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述的干燥是通过采用远红外线辐射从所述电极的内部加热的方式来进行的，以便防止所述用于制备离子交换膜的溶液向各电极内的过量渗透。
6.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，在所述用于制备正/负极的溶液中，使用了汽化温度比所述用于制备离子交换膜的溶液中使用的溶剂更高的溶剂。
7.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述第一电极层分为两层，第一层处于远离离子交换膜的一侧，第二层处于接触离子交换膜的一侧，而且，所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率。
8.如权利要求7所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述第二层的孔隙率为70-75％。
9.如权利要求7所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述第一层的孔隙率为76-85％。
10.如利要求7所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，为使所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率，使涂覆用于制备所述第二层的溶液时采用的雾化能量高于涂覆用于制备所述第一层的溶液时的雾化能量。
11.如权利要求7所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，为使所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率，使用于制备所述第二层的溶液中含有的电极颗粒的粒径小于用于制备所述第一层的溶液中含有的电极颗粒的粒径，以便使所述用于制备第二层的溶液的密度大于所述用于制备第一层的溶液的密度。
12.如权利要求1所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，在形成所述第一电极层的步骤之前，该方法还包括形成第一电极侧扩散层的步骤，然后在所述第一电极侧扩散层未干燥的状态下在该扩散层上层叠形成所述第一电极层；而且，在所述第二电极层形成之后，该方法还包括形成第二电极侧扩散层的步骤，并且所述的第二电极侧扩散层是在所述第二电极层未干燥的状态下在该电极层上层叠形成的。
13.如权利要求12所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述第一电极侧扩散层由正极侧碳纸和正极侧粘结层构成，所述第二电极侧扩散层由负极侧碳纸和负极侧粘结层构成。
14.如权利要求13所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，用于制备所述正极侧粘结层的溶液包含溶剂水和熔点不高于150℃的疏水性低熔点树脂。
15.如权利要求14所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述低熔点树脂为偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物。
16.如权利要求14所述的燃料电池用电极的制备方法，其特征在于，在层叠所述正极侧扩散层、正极层、离子交换膜、负极层和负极侧扩散层的过程中，在负极侧扩散层和正极侧扩散层两者之一的碳纸上形成第一粘结层，在所述第一粘结层上形成正/负极层之一作为第一电极层，在所述第一电极层上形成离子交换膜，在所述离子交换膜上形成另一电极层作为第二电极层，在所述第二电极层上形成第二粘结层，在所述第二的粘结层上配置第二碳纸；用于制备所述第二粘结层的溶液含有粘接性优异的粘接性树脂。
17.如权利要求16所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述粘接性树脂为离子交换树脂。
18.如权利要求13所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，用于制备所述正极侧粘结层的溶液含有有机溶剂和可溶于该有机溶剂的疏水性树脂。
19.如权利要求18所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，可溶于该有机溶剂的所述疏水性树脂选自下列树脂偏二氟乙烯/四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、含氟烯烃/烃类烯烃共聚物、含氟丙烯酸酯共聚物或含氟环氧化合物。
20.如权利要求12所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，在形成第一扩散层之后且在该扩散层干燥之前，该方法还包括通过压制该扩散层的上表面来将该扩散层上表面压平的步骤。
21.如权利要求20所述的燃料电池用电极的制备方法，其中，所述第一扩散层是通过使用喷雾器将粘接剂涂覆于薄片上而制成的。
22.一种用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，该方法通过在燃料电池正/负极中的任一电极即第一电极上形成浆料来形成用于燃料电池的离子交换膜，该方法包括如下步骤将所述第一电极置于底座上，并向所述第一电极施加正电荷；向用于制备离子交换膜的所述浆料施加负电荷，通过浆料喷嘴以喷雾的形式喷出所述浆料，并使该浆料喷嘴在所述第一电极的上方移动，从而将喷雾状浆料涂覆于所述电极；和干燥所述已涂覆的浆料。
23.如权利要求22所述的用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，其中，当所述第一电极为多边形时，则在该电极的狭窄部位使所述浆料喷嘴靠近所述电极，并在该电极的宽阔部位将所述浆料喷嘴远离所述电极。
24.一种用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，该方法通过在燃料电池多边形正/负极中的任一电极即第一电极上形成浆料以形成用于燃料电池的离子交换膜，该方法包括如下步骤将所述第一电极置于底座上；将多个浆料喷嘴以锯齿形配置，所述浆料喷嘴用于以喷雾的形式喷出制备所述离子交换膜用的浆料；使所述多个浆料喷嘴在所述第一电极的表面上方水平移动，同时将所喷出的浆料涂覆于所述第一电极的表面；和干燥所述已涂覆浆料。
25.如权利要求24所述的用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，其中，当所述多个浆料喷嘴在所述电极表面的上方移动时，从相邻的浆料喷嘴喷出的浆料的边缘部位是交叠的。
26.如权利要求24所述的用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，其中，在将所述第一电极置于底座上后，该方法还包括沿第一电极的边缘配置引导架构件的步骤，其中所述浆料的涂覆区域由该引导架构件所限定。
27.如权利要求24所述的用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，其中，在以锯齿形配置所述多个浆料喷嘴之后，该方法还包括向所述第一电极施加正电荷的步骤；以及向用于制备离子交换膜的所述浆料施加负电荷的步骤。
28.一种用于燃料电池的离子交换膜的制备方法，该方法通过在燃料电池正/负极中的任一电极即第一电极上形成浆料以形成用于燃料电池的离子交换膜，该方法包括如下步骤将所述第一电极置于底座上；沿所述第一电极的边缘配置外侧限制壁部件，并用该外侧限制壁部件围起所述第一电极；以及通过置于所述第一电极上方的喷雾装置喷出含有气体的树脂溶液，并使该喷雾装置在所述第一电极的表面上移动，从而将所述树脂溶液涂覆在所述第一电极上。
29.一种燃料电池用电极，其包括燃料电池的正/负极两方中的任一电极层即第一电极层，该电极层是通过将用于制备燃料电池正/负极中的任一电极即第一电极的溶液涂覆于一薄片上而形成的；离子交换膜，该离子交换膜是通过在所述第一电极层干燥之前，将用于制备离子交换膜的溶液涂覆于所述第一电极层上而形成的；以及燃料电池的正/负极两方中的另一电极层即第二电极层，该电极层是通过在所述离子交换膜干燥之前，将用于制备另一电极即第二电极的溶液涂覆于所述离子交换膜上而形成的，其中，所述第一电极层由处于远离所述离子交换膜一侧的第一层和处于接触所述离子交换膜一侧的第二层构成，而且所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率。
30.如权利要求29所述的燃料电池用电极，其中，所述第二层的孔隙率为70-75％。
31.如权利要求29所述的燃料电池用电极，其中，所述第一层的孔隙率为76-85％。
32.如权利要求29所述的燃料电池用电极，其中，为使所述第二层的孔隙率低于所述第一层的孔隙率，使用于制备所述第二层的溶液中含有的电极颗粒的粒径小于用于制备所述第一层的溶液中含有的电极颗粒的粒径。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池用电极，该电极包括正极层(20)、负极层(19)和置于其间的离子交换膜(21)。在用于制备正极和负极之一的溶液干燥之前，将用于制备离子交换膜的溶液涂覆于其上，然后，在用于制备离子交换膜的溶液尚未干燥的状态下涂覆用于制备另一电极的溶液。由于各层尚未干燥，因而可增强各层之间的密合性。通过将离子交换膜制成溶液，所涂覆的膜可制得很薄。
文档编号H01M4/92GK1613162SQ02823818
公开日2005年5月4日 申请日期2002年11月26日 优先权日2001年11月30日
发明者角谷修, 冲山玄, 铃木孝, 柴田徹雄, 神山阳一, 渡边秀树, 伊达知子, 平野芳树 申请人:本田技研工业株式会社