专利名称：燃料电池电极，制造燃料电池电极的方法，膜电极组件,制造膜电极组件的方法，和固体聚 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池电极、制造燃料电池电极的方法、质子交换膜、 电极催化剂层和气体扩散层在其中叠置的膜电极组件、制造膜电极组件的 方法、膜电极组件、和包含该膜电极组件的固体聚合物燃料电池。
背景技术：
可以获得高的输出，预期其尺寸减小、重量减轻，并且它们抗振动。因此， 固体聚合物燃料电池适于用作移动物体的电池。
固体电解质是含有聚合物链的聚合物材料，该聚合物链具有电解质基 团，例如磺基。其特征是与特定的离子牢固地结合，并有选择地使阳离子 或阴离子透过。特别地，以全氟磺,为代表的氟化物基团电解质膜具有 非常高的化学稳定性，并因此广泛地用作在极端条件下使用的燃料电池的 离子交换膜。
在固体电解质燃料电池中，在具有质子传导性的离子交换膜的两侧提 供一对电极，向一个电极(燃料电极)供应氢气作为燃料气，向另一个电 极(空气电极)供应氧气或空气作为氧化剂，从而获得电动势。
当这种离子交换膜应用于固体聚合物燃料电池中时，使用膜电极组件，
其具有下述结构在离子交换膜的两侧设置具有燃料氧化能力或氧化剂还 原能力的电极催化剂层，膜电极组件外进一步设置气体扩散层。
具体而言，该结构包括离子交换膜，其由选择性传送氢离子的聚合 物电解质膜构成，并在其各側形成电极催化剂层，电极催化剂层包含负栽
铂族金属催化剂的碳粉末作为主成分。而在电极催化剂层的外表面形成气 体扩散层，其既具有燃料气体渗透性，又具有电子传导性。气体扩散层通 常由碳纸或碳布基材构成，在它上面形成含有氟树脂、硅、碳等粉末的糊 的薄膜。前述电极催化剂层和气体扩散层统称为电极。
为了防止供应的燃料气泄漏和两类燃料气混合，在电极周围设置气体 密封元件或垫圈，从而将离子交换膜夹在中间。预先将气体密封元件、垫
圏、电极和离子交换膜以整合的方式组装，由此制得膜电极组件(MEA)。 在MEA外设置导电且气密的分离器，从而以机械方式固定MEA并 使其与邻近的MEAs串联地电连接。 一部分与MEA接触的分离器由气体 通道形成，以向电M面供应反应气体并将产生的气体或过量的气体运送 出去。尽管气体通道可以单独由分离器提供，但它通常通过在分离器的表 面中提供凹槽而形成。这种结构由借助一对分离器固定的MEA构成，被 用作单电池，是燃料电池的基本单元。
通过将一个以上的所述单电池串联并排列管汇(它是用于供应燃料气 体的管道系统装配架)，构成了燃料电池。
上述气体扩散层通常由基材(例如碳纸或碳布)和氟树脂、硅、碳等 的粉末制成。
日本专利公开(Kokai) 8-236123 A (1996 )公开了 一种燃料电池电极 及其制造方法。该燃料电池具有含催化剂颗粒、聚四氟乙烯基团聚合物和 聚合物电解质的催化剂层。所述催化剂层如下获得向含催化剂颗粒和聚 四氟乙烯基团聚合物M液的液体混合物中添加增稠剂(和非离子表面活 性剂)，进行热处理，并用聚合物电解质涂覆所得物。该发明的目的是显著 提高催化剂层的可成形性而不损害电池性能，将聚合物电解质中的三维反 应点有效活化，并强化催化剂的利用，从而提高电极特性。
如日本专利公开(Kokai) 8-236123 A (1996)所述，如下获得催化剂 层向含催化剂颗粒和聚四氟乙烯基团聚合物(PTFE)分散液的液体混 合物中添加增稠剂(和非离子表面活性剂)，进行热处理，并用聚合物电解 质(Nafion:商品名)涂覆所得物，如果使用具有该催化剂层的燃料电池
电极，在材料传送区(高电流密度区)会发生电压下降，这是有问题的。 上述问题的可能原因如下所述。
聚四氟乙烯(PTFE)的特征在于
(1) 它是典型的非极性聚合物，具有极低的内聚能密度；和
(2) 它具有非常高的结晶度，为95%或更高。
PTFE具有上述特征(1)和(2 )。换言之，PTFE具有非极性C-F键 和非常高的结合能，为114千卡/摩尔，因而是高度结晶的。因此，PTFE 是高度抗尘的，并具有低的临界表面张力(溶剂在聚合物表面上的*指 数)。因此，溶剂不在PTFE (聚合物)表面上M，并在其上保持液滴的 形式。如果是通过专利文献1获得的电极，PTFE上的聚合物电解质(Naflo: 商品名)的高度可湿性〗吏得催化剂层明显分层，并且不与催化剂反应的扩 散气体的量增多。因而被认为在材料传送区(高电流密度区)发生明显的 电压下降。
发明内容
本发明的目的是提供燃料电池电极，其中由碳纸或碳布制成的气体 扩散层与含催化剂粒子和聚合物电解质的电极催化剂层之间的粘附性增 强，并且电极催化剂层中不会出现分层或破裂现象；膜电极组件(MEA)， 包含所述燃料电池电极；和固体聚合物燃料电池，包含所述膜电极组件。
本发明人发现，使用在气体扩散层和电极催化剂层之间提供特定粘合 剂层(緩沖层)的分层结构，实现了上述目的。由此完成了本发明。
具体而言，在第一方面，本发明涉及燃料电池电极，其中在气体扩散 层上提供含有增稠剂的粘合剂层(緩沖层)，并且含有催化剂粒子和聚合物 电解质的电极催化剂层叠置在该粘合剂层(緩冲层)上。
根据本发明，粘合剂优选是纤维素衍生物。纤维素衍生物优选的例子 包括选自由硝化纤维素、三甲基纤维素、烷基纤维素、乙基纤维素、节基 纤维素、羧甲基纤维素(CMC)和甲基纤维素(MC)组成的组中的至少 一种。特别地，在与用于代表性的气体扩散层的碳纸和/或碳布的粘附性方
面，羧甲基纤维素(CMC)是优选的。
优选地，除了粘合剂外，还向粘合剂层(緩沖层)添加增稠剂作为任 选的组分。增稠剂的优选示例包括选自由苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)胶乳、 聚四氟乙烯(PTFE)水分散液、聚烯、聚酰亚胺、PTFE粉末、氟橡胶、 热固性树脂、聚氨酯、聚氧化乙烯(PEO)、聚苯胺(PAN)、聚偏二氟乙 烯(PVdF)、聚六氟丙烯(PHFP)、聚乙烯基醚/曱基丙烯酸甲酯 (PVE/MMA)、干酪素、淀粉、藻酸铵、聚乙烯基醇(PVA)和聚丙烯酸 铵组成的组中的至少一种。
根据本发明，对于气体扩散层，可以广泛使用固体聚合物燃料电池领 域中所用的气体扩散层。其优选例子包括碳纸和碳布。
在第二方面，本发明涉及制造上述燃料电池电极的方法，包括下述步 骤在气体扩散层上施用含有增稠剂的粘合剂层(緩冲层)；和在所述粘合 剂层(緩冲层)上施用含有催化剂粒子和聚合物电解质的电极催化剂层。
根据本发明的制造燃料电池电极的方法，所用粘合剂、增稠剂和气体 扩散层如上所述。
在第三方面，本发明涉及膜电极组件(MEA),质子交换膜、电极催 化剂层和气体扩散层在该膜电极组件中叠置，其中在所述电极催化剂层和 所述气体扩散层之间具有含增稠剂的粘合剂层(緩冲层)。
根据本发明的膜电极组件(MEA)，所用粘合剂、增稠剂和气体扩散 层如上所述。
在第四方面，本发明涉及制造上述膜电极组件(MEA)的方法，质子 交换膜、电极催化剂层和气体扩散层在该膜电极组件中叠置，所述方法包 括下述步骤在气体扩散层上施用含有增稠剂的粘合剂层(緩冲层)；和在 所述粘合剂层(緩冲层)上施用含有催化剂粒子和聚合物电解质的电极催 化剂层。
根据本发明的制造膜电极组件(MEA)的方法，所用粘合剂、增稠剂 和气体扩散层如上所述。
在第五方面，本发明涉及固体聚合物燃料电池，其中使用上述膜电极
組件(MEA)。
根据本发明的燃料电池电极和膜电极组件(MEA )， ( 1):粘合剂层(緩 冲层)提高了与气体扩散层的结合能力，从而减少了分层，和(2):粘合 剂层(緩沖层)提高了与电极催化剂层的结合能力，从而抑制了破裂的产 生。具体而言，用于粘合剂层(緩冲层)的水可溶粘合剂，例如羧曱基纤 维素(CMC)，与用于气体扩散层的碳纸和/碳布之间具有高的粘附性，因 而提高了结合强度。另外，用于粘合剂层(緩冲层)的水可溶粘合剂，例 如羧甲基纤维素(CMC),以及电极催化剂层包含的聚合物电解质，例如 Nafion(商品名)，都是水可溶的，并具有高的粘附性，因此它们在结合的 表面上形成整体，从而相互结合。
此外，根据本发明的燃料电池电极，使用分层结构(电极催化剂层/ 粘合剂层(緩冲层)/气体扩散层)。因此，包含用该燃料电池电极制备的 膜电极组件(MEA)的燃料电池具有高的结合强度，并因此在运行期间在 电极催化剂层中不会出现分层或破裂现象。因此，可以保持燃料电池的性 能。
附图简述
图1示意性地显示了本发明燃料电池电极的分层结构。 图2是一示意图，显示了当在气体扩散层和电极催化剂层之间出现分 层时或当电极催化剂层中出现破裂时的导电性。
图3示意性地显示了与燃料电池中电池电压下降相关的因素。 图4显示了实施例的截面的SEM图。 图5显示了对比例的截面的SEM图。
实施本发明的最佳方式
图1示意性地显示了本发明燃料电池电极的分层结构。图1显示了将 羧甲基纤维素(CMC)等用于粘合剂层(緩冲层)、将碳纸和/或碳布用于 气体扩散层、且电极催化剂层包含例如Nafion (商品名)的聚合物电解质
的情况。
如图l所示，气体扩散层直接与电极催化剂层接触的结合界面的粘附 性较低。而当在气体扩散层与电极催化剂层之间引入含羧曱基纤维素
(CMC)的粘合剂层(緩沖层)时，由于羧曱基纤维素(CMC)与碳纸 和/或碳布之间的粘附性高，因而结合强度提高。另外，羧甲基纤维素
(CMC)和聚合物电解质，例如Nafion (商品名)，都是水可溶的，并具 有高的粘附性，因此它们在结合的表面上形成整体，从而相互结合。
图2是一示意图，显示了当在气体扩散层和电极催化剂层之间出现分 层时或当电极催化剂层中出现破裂时的导电性。如图2所示，如果在碳纸
(或碳布)上形成的催化剂层中出现分层或破裂，就认为在材料转移时出 现扩散极化，且由于燃料通过电解质膜泄漏(这称为跨越)而浪费燃料。 这将导致电压下降，特别是在高电池密度时更是如此。
图3示意性地显示了与燃料电池中电池电压下降相关的因素。如图3 所示，始于电动势的电池电压下降是由于阴极极化A、阳极极化B和欧姆 损耗C (取决于电解质膜)导致的。在大约800 mA/cn^或更高的电流密 度处，引发了取决于气体扩散层或MEA结构的材料转移D。因此，电池 电压急剧下降。
下面详细描述本发明。
作为本发明所用的气体扩散层(电板基材)，使用常用于燃料电池的气 体扩散层，没有特别的限制。例如，使用主要由导电物质构成的多孔导电 片。这种导电物质的例子包括聚丙烯腈的烧结产物、中间相沥青类碳纤维、 二萘嵌苯的烧结产物、沥青的烧结产物、碳材料(例如石墨或膨胀石墨)、 不锈钢、钼和钛。导电物质可以是纤维状或孩t粒状，但不特别限于此。但 是，如果该物质用于电化学装置，例如使用气体作为电极活性材料的燃料 电池，则无机导电纤维物质(无机导电纤维)，特别例如碳纤维，在气体渗 透性方面是优选的。作为含无机导电纤维的多孔导电片，在结构方面可以 使用织物或无纺布。对本发明的多孔导电片没有特别限制。但是在优选实 施方案中，为了提高导电性，可以向多孔导电片中添加炭黑的导电粒子等
以及诸如碳纤维的导电纤维作为辅料.
除了上述气体扩散层之外，气体扩散层的例子还包括通过用聚合物将 随机定向的短碳纤维粘合在基本两维的平面上而获得的碳纸。此外，通过 用聚合物粘合短碳纤维，碳纤维纸变得抗压缩或抗张力，从而提高了强度 和处理性质。因此，可以防止短碳纤维从碳纤维纸上脱落或在碳纤维纸的 厚度上定向。
在固体聚合物燃料电池中，产生了作为电极反应产物的水，或者在阴 极(空气电极或氧电极)中产生了透过电解质的水。另外，在阳极(燃料 电极)中，为了防止质子交换膜的干燥，将燃料湿润，然后供应。因为电 极反应剂被形成的露或因湿润而累积的水打断，或因聚合物由于水的存在 而肺胀被打断，因此，聚合物优选具有低的水吸收率。
气体扩散层中聚合物的量优选为0.1重量％至50重量％ 。为了降低碳 纤维纸的电阻，聚合物的含量优选较低。但是，当小于0.1重量％时，气 体扩散层的强度不足以耐受操作，导致许多短碳纤维脱落。另一方面，当 大于50重量％时，碳纤维纸的电阻增大，这是有问题的。更优选地，该含 量为1重量％至30重量％。
碳纤维的例子包括聚丙烯腈(PAN)类碳纤维、酴类碳纤维、沥青类 碳纤维和人造丝类碳纤维。其中，PAN类碳纤维是优选的。
优选地，用于本发明的气体扩散层包含多孔导电片，其中具有柔性的 导电粒子以片形式排列。由此可以提供成本有效的、具有低电阻的气体扩 散层，其中很少出现组分的脱落，并且在受到机械力时很少破裂。特别地， 使用膨胀石墨粒子作为具有柔性的导电粒子，可以实现上述目标。用于本 文的术语"膨胀石墨粒子"指通过使用硫酸、硝酸等制备石墨粒子的嵌入 化合物、并通过快速加热使该化合物膨胀而获得的石墨粒子。
在优选实施方案中，用于本发明扩散层的多孔导电片除了具有柔性的 导电细粒之外，还包含其它导电粒子或导电纤维。但是，当导电纤维和导 电粒子都是由无机材料制成时，可以获得抗热性、抗氧化性和抗洗脱性优 异的电札基材。
对用于本发明的质子交换膜没有特别限制。具体而言，它包含例如磺 基、羧基和踌酸基团作为质子交换基团。其中，就燃料电池性能的表现而 言，优选使用磺基。
这种可用的质子交换膜的优选示例包括含苯乙烯-二乙烯基苯共聚物 等的烃类质子交换膜和含氟烷基共聚物(具有氟烷基醚侧链和全氟烷基主 链)的全氟代类质子交换膜。这些可根据燃料电池的用途和环境适当地选 择。但就燃料电池寿命而言，全氟代类质子交换膜是优选的。此外，作为 烃质子交换膜，还优选使用经过部分氟原子取代的部分氟化薄膜。全氟代
类质子交换膜的示例包括DuPont生产的Nafion (商品名)、Asahi Kasei Corporation生产的Aciplex(商品名)、Asahi Glass Co., Ltd生产的Flemion (商品名)和日本Gore-Tex Inc.生产的Gore-SELECT (商品名)。部分 氟化薄膜的示例包括通过将磺基引入三氟苯乙烯磺酸聚合物、聚偏二氟乙 烯等而获得的薄膜。
除了含单一种类聚合物的膜之外，可用的质子交换膜的示例还包括含 由两种或多种聚合物构成的共聚物或掺混聚合物的膜、将两种或多种膜结 合而获得的复合膜、用无纺布、多孔薄膜等将质子交换膜增强而获得的膜。
本发明的电极催化剂层包含至少一种催化剂或负载催化剂的介质。例 如，负栽催化剂的碳是优选的。下文将负载催化剂的碳作为示例解释，但 本发明不限于此。例如，本发明的电极催化剂层包含(但不限于)形成为 催化剂层的聚合物，其中实现了负载催化剂的碳与负载催化剂的碳之间、 负载催化剂的碳与电极基材之间、或负载催化剂的碳与质子交换膜之间的 粘合。
对包含在负载催化剂的碳中的催化剂没有特别限制。但可优选使用的 这种催化剂的示例包括贵金属催化剂，例如铂、金、钯、钌和铱，因为它 们在催化反应期间具有低的活化过电压。此外，负栽催化剂的碳可包含例 如这些贵金属催化剂的合金或混合物，该合金或混合物包含两种或多种元 素。
考虑到电子传导性和比表面积的大小，构成负栽催化剂的碳的碳的示
例包括但不特别限于炭黑，例如油炉黑、槽法炭黑、灯黑、热裂法炭黑和
乙炔黑。油炉黑的示例包括CabotCorporation制造的VULCANXC-72、 VULCAN P、 BLACK PEARLS 880、 BLACK PEARLS 1100、 BLACK PEARLS 1300、 BLACK PEARLS 2000和REGAL 400， LION Corporation 制造的ketchen black EC,和Mitsubishi Chemical Corporation制造的 #3150 and #3250。乙炔黑的示例包括Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha制造的DENKABLACK。
对包含在电极催化剂层中的聚合物没有特别限制。但是，在燃料电池 里的氧化-还原气氛中不变质的聚合物是优选的。这种聚合物可以是包含氟 原子的聚合物。可用的这种聚合物的示例包括但不特别限于聚氟乙烯 (PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚六氟丙烯(FEP)、聚四氟乙烯、聚 全氟烷基乙烯基醚(PFA)、它们的共聚物、含任何上述示例的单体单元和 另一单元(如乙烯或苯乙烯单体)的共聚物或掺混聚合物。
作为电极催化剂层中包含的聚合物，就电极催化剂层中质子传导性的 提高而言，具有质子交换基团的聚合物也是优选的。这种聚合物中包含的 质子交换基团的示例包括但不特别限于磺基、氣基和磷酸基团。此外，可 选择具有这种质子交换基团的聚合物，没有特别限制。但优选使用具有氟 烷基醚侧链、包含质子交换基团的氟烷基共聚物。其优选示例包括DiiPont 生产的Nafion (商品名)。还可以使用上述含氟原子且具有质子交换基团 的聚合物、诸如乙烯或苯乙烯聚合物的另一聚合物、以及它们的共聚物或 掺混聚合物。
作为电极催化剂层中包含的聚合物，还优选使用通过使上述含氟原子 的聚合物和具有质子交换基团的聚合物聚合或掺混而获得的聚合物。考虑 到电极性能，特别优选将聚偏二氟乙烯、聚(六氟丙烯-偏二氟乙烯)共聚物 等与诸如Nafion (商品名)的含质子交换基团、具有氟烷基侧链和氟烷基 主链的聚合物掺混。
电极催化剂层的主组分优选为负栽催化剂的碳和聚合物。它们的比率 可根据所需电极特点适当地选择，没有特别限制。但负载催化剂的碳与聚
合物的重量比优选为5 : 95至95 : 5。特别地，当电极催化剂层用于固体 聚合物燃料电池时，负栽催化剂的碳与聚合物的重量比优选为40:60至 85 : 15。
除了上述碳(例如负栽催化剂的碳)之外，为了提高电子传导性，还 优选向电极催化剂层中添加各种导电剂。这种导电剂的示例包括但不特别 限于多种石墨材料和,材料、金属和半导体，以及与上述用于负栽催化 剂的碳的碳类似的炭黑。除了上述炭黑之外，这些碳材料的示例还包括人 造石墨和由诸如天然存在的石墨、沥青、焦炭、聚丙烯腈、酚树脂和呋哧 树脂的有机化合物获得的碳。这些碳材料不仅可以微粒形式使用，还可以 以纤维形式使用。而且还可以使用通过上述碳材料的后处理工艺获得的碳 材料。相对于电极催化剂层，加入的上迷导电剂的含量优选为1重量％至
80重量％,更优选5重量％至50重量％。
根据本发明，对于在气体扩散层上施用粘合剂层和电极催化剂层的方 法没有特别限制。通过大刷涂、小刷涂、棒涂、刮刀涂布、丝网印刷、喷 涂等的方法，可以直接在气体扩散层上添加或形成挤出糊形式的含多种水 可溶粘合剂的粘合剂层。或者，可以临时在另一基底(转移基底)上形成 粘合剂层，然后将其转移到气体扩散层上。这种可用的转移基底的示例包 括聚四氟乙烯(PTFE)片和玻璃板或金属板，它们的表面已用氟或硅类 脱膜剂处理。
同样，通过大刷涂、小刷涂、棒涂、刮刀涂布、丝网印刷、喷涂等的 方法，可以直接在粘合剂层上添加或形成挤出糊形式的、含负载催化剂的 碳以及需要包含在电极催化剂层中的聚合物的电极催化剂层。或者，可以 临时在另一基底(转移基底)上形成电极催化剂层，然后将其转移到粘合 剂层上。这种可用的转移基底的示例包括聚四氟乙烯(PTFE)片和玻璃 板或金属板，它们的表面已用氟或硅类脱膜剂处理。
根据本发明，结合燃料电池电极或膜电极组件时施加的压力优选为1 至10MPa，更优选2至10MPa。当施加的压力为1 MPa或更小时，电极 催化剂层/粘合剂/气体扩散层的结合不能充分进行，导致各界面处的高的
离子阻力或高的电子阻力，这是不优选的。此外，当施加的压力为10MPa 或更高时，电极催化剂层破裂，因而抑制了反应气体在电极催化剂层中的 扩散，这是不优选的。
此外，加热和加压的处理时间可根据温度或压力而有所不同。在多数 情况下，温度和压力越高，处理时间越短。处理时间优选为IO分钟或更长， 更优选30分钟或更长，并更优选60分钟或更长。
本发明的燃料电池电极和膜电极组件可用于多种电化学装置。特别地， 它们可优选用于燃料电池。在燃料电池中，它们可优选用于固体聚合物燃 料电池。有些燃料电池使用氢作为燃料，有些燃料电池使用烃作为燃料， 例如曱醇。但可以使用本发明而没有特别限制。
没有特别限制。但考虑到固体聚合物燃料电池的有效应用，这种燃料电池 优选用作电供应源。
实施例
下文将参考下列实施例更详细地描述本发明，但本发明的技术范围不 限于此。
将0.40克(C: 78重量％ ， N : C (Nafion :碳)0.75 : 1)的催化剂 和电解质(Nafion ) (10重量％ ， 2.34克)加入含水(4.68克)、乙醇(2.34 克)和丙二醇(L56克)的溶剂中，然后粉碎30秒x6次，然后超声^t 30分钟x3次。由此制备墨水。通过橡皮辊将制备的墨水施用到具有含羧 甲基纤维素(CMC)的粘合剂层(緩冲层)的碳纸上10至12次，然后进
行空气干燥。在热压之后，将碳纸在8ox:在氮气氛下干燥，并进一步真空干燥。
然后进行捏合步骤。称取含催化剂/载体的活性材料，并置于双轴罐中。
称取CMC并置于该双轴罐中。用双轴捏合机进行粉末混合。将溶剂放入 罐中(第一次)，然后用双轴捏合机捏合。将溶剂;^罐中(笫二次)，然
后用双轴捏合机捏合。将用作粘合剂辅剂的SBR放入罐中，然后用双轴捏 合机捏合。进4亍变形。然后测量粘度。测量粒子的规格。
图4显示了催化剂层的截面的SEM图。在该实施例中，催化剂层很 少有破裂。因此，认为很少发生催化剂层与碳布之间的分层。
对比例]
如实施例所述进行对比例，不同的是不将羧甲基纤维素(CMC)用于 粘合剂层(緩冲剂)。
图5显示了催化剂层的截面的SEM图。在该对比例中，催化剂层有 破裂。因此，认为发生了催化剂层与碳布之间的分层。
使用在实施例和对比例中获得的燃料电池电极，制备膜电极组件 (MEAs)。在其中使用实施例的膜电极组件(MEA)的燃料电池中，气 体扩散层与电极催化剂层之间的结合强度足够高，因而抑制了运行期间燃 料电池的性能劣化。
工业适用性
根据本发明的燃料电池电极和膜电极组件(MEA)， ( 1):粘合剂层(緩 冲层)提高了与气体扩散层的结合能力，从而减少了分层，和(2):粘合 剂层(緩冲层)提高了与电极催化剂层的结合能力，从而抑制了破裂的产 生。电极催化剂层与气体扩散层之间的结合能力得到提高，并且在电极催 化剂层中没有破裂产生。因此，它可以提高燃料电池的发电性能，特别是 在高电池密度区域的发电性能。因此，本发明有助于燃料电池在实践中的 广泛使用。
权利要求
1. 燃料电池电极，其中在气体扩散层上具有粘合剂层(缓冲层)，该粘合剂层含有选自纤维素衍生物的增稠剂，并且含有催化剂粒子和聚合物电解质的电极催化剂层叠置在该粘合剂层(缓冲层)上。
2. 根据权利要求1的燃料电池电极，其中所述粘合剂是选自由硝化纤 维素、三甲基纤维素、烷基纤维素、乙基纤维素、节基纤维素、羧甲基纤 维素(CMC)和甲基纤维素(MC)组成的组中至少一种的纤维素衍生物。
3. 根据权利要求1或2的燃料电池电极，其中所述气体扩散层由碳纤 维纸和/或碳纤维布制成。
4. 制造燃料电池电极的方法，包括下述步骤 在气体扩散层上施用含有增稠剂的粘合剂层(緩冲层)；和 在所述粘合剂层(緩沖层)上施用含有催化剂粒子和聚合物电解质的电极催化剂层。
5. 根据权利要求4的制造燃料电池电极的方法，其中所述粘合剂是选 自由硝化纤维素、三甲基纤维素、烷基纤维素、乙基纤维素、千基纤维素、羧曱基纤维素(CMC)和甲基纤维素(MC)组成的组中至少一种的纤维 素衍生物。
6. 根据权利要求4或5的制造燃料电池电极的方法，其中所述气体扩 散层由碳纤维纸和/或碳纤维布制成。
7. 膜电极组件，质子交换膜、电极催化剂层和气体扩散层在该膜电极 组件中叠置，其中在所述电极催化剂层和所述气体扩散层之间具有含增稠 剂的粘合剂层(緩冲层)。
8. 根据权利要求7的膜电极組件，其中所述粘合剂是选自由硝化纤维 素、三甲基纤维素、烷基纤维素、乙基纤维素、千基纤维素、羧曱基纤维 素(CMC)和曱基纤维素(MC)组成的组中至少一种的纤维素衍生物。
9. 根据权利要求7或8的膜电极组件，其中所述气体扩散层由碳纤维 纸和/或碳纤维布制成。
10. 制造上迷膜电极组件(MEA)的方法，质子交换膜、电极催化剂 层和气体扩散层在该膜电极组件中叠置，所述方法包括下迷步骤在气体扩散层上施用含有增稠剂的粘合剂层(緩冲层)；和 在所述粘合剂层(緩冲层)上施用含有催化剂粒子和聚合物电解质的 电极催化剂层。
11. 根据权利要求10的制造膜电极组件的方法，其中所述粘合剂是选 自由硝化纤维素、三曱基纤维素、烷基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、 羧甲基纤维素(CMC)和甲基纤维素(MC)组成的组中至少一种的纤维 素衍生物。
12. 根据权利要求10或11的制造膜电极组件的方法，其中所述气体 扩散层由碳纤维纸和/或碳纤维布制成。
13. 固体聚合物燃料电池，其中使用根据权利要求7至9任一项的膜 电极组件。
全文摘要
燃料电池电极，其中在气体扩散层上具有粘合剂层(缓冲层)，并且电极催化剂层叠置在该粘合剂层(缓冲层)上，所述粘合剂层含有选自纤维素衍生物的增稠剂，所述电极催化剂层含有催化剂粒子和聚合物电解质。使用这种燃料电池，可以提供燃料电池电极，其中由碳纸或碳布制成的气体扩散层与含催化剂粒子和聚合物电解质的电极催化剂层之间的粘附性增强，并且电极催化剂层中不会出现分层或破裂现象；膜电极组件(MEA)，包含所述燃料电池电极；固体聚合物燃料电池，包含所述膜电极组件。
文档编号H01M4/86GK101395745SQ200780007199
公开日2009年3月25日 申请日期2007年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者饭坂浩文 申请人:丰田自动车株式会社