专利名称：具有提高的电导率的五层mea的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有提高电导率的五层MEA的制造方法，该方法 可以减小催化剂层和微孔层(MPL)之间的电接触电阻。
背景技术：
由于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有像高输出强度、高 反应率和简化系统等优势，致力于对使用聚合物电解质膜燃料电池作 为车辆电源或具有200kW或更小功率的固定发电机的研究已经取得长 足进步。
在PEMFC中，膜电极组件(MEA)置于最内部，其阳极和阴极 置于电解质膜的两侧。
也就是说，如图1所示，通过将规定量的催化剂均匀涂布在聚合 物电解质膜(PEM) 4的表面上来形成催化剂层3，即阳极和阴极。气 态扩散层(GDL) 2置于催化剂层3外侧。具有用来提供燃料并排出反 应所产生的废水的流场的每个分离器1置于GDL2的外侧。
通常，PEMFC的单元电池包括一个PEM，两个GDL，和两个分 离器，并且可以通过对单元电池的堆叠而形成具有规定尺寸的栈单元 (stack cell) <=
参考图2，示出了具有上述结构的MEA中反应物转移的示意图， 在燃料电池的阳极发生氢的氧化反应，以产生氢离子和电子。如此产 生的氢离子和电子分别通过聚合物电解质膜和导线被转移到阴极。
同时，在阴极接收氢离子和电子发生氧的还原反应以产生水。此 时，由通过导线的电子的流动和通过聚合物电解质膜的质子的流动产 生电能。
通常地，可以通过催化剂涂布在GDL上(CCG)的方法或者催化 剂涂布在膜上(CCM)的方法来制备上述的MEA。在CCG方法中， 催化剂被涂布在气态扩散层(GDL)上，然后将涂布有催化剂的GDL与聚合物电解质膜相结合产生五层膜电极组件。在CCM方法中，催化 剂被涂布在聚合物电解质膜上从而产生三层MEA。
由于CCG制造方法简单容易，所以被广泛应用在实验室中。然而， 由于CCG方法具有很严重的缺点，即催化剂层只能通过喷涂法将催化 剂层涂布在GDL上，并且喷涂法具有相对较高的催化剂损失，从而降 低了整体制造效率，因此很难应用于工业领域。
另一方面，作为CCM法，贴花法通常适用于工业领域。在贴花法 中，将催化剂浆涂布在贴花纸(粘性处理纸)上，将涂布的催化剂浆 干燥，之后通过热压法将其加工到聚合物电解质膜上(参考图3)。
由于贴花法可以在聚合物电解质膜上直接形成催化剂层，所以其 具有在电解质膜与催化剂层之间几乎没有任何电阻(质子电阻)的优 点。然而其同样存在缺点，即在将气态扩散层(GDL)堆叠到催化剂 层上的过程中不可避免地产生接触电阻。
通常，GDL包括形成在表面上与催化剂层相接触的微孔层(MPL)。 MPL用来流畅地流出由电化学反应所产生的废水，并促进具有几纳米 直径气孔的催化剂层与具有几微米直径气孔的GDL之间进行物理接 触。
MPL包括碳粒子和粘合剂。使用碳粒子来确保电导率。使用粘合 剂将碳粒子粘合(例如，将碳粒子粘合并将碳粒子和GDL粘合起来)， 并提供防水性能。主要使用聚四氟乙烯树脂作为粘合剂，由于其具有 疏水性能，因而可以流畅地排水。
图4中示出常规MEA层结构的一个例子。在CCG法中，如上所 述，催化剂层直接涂布在MPL上并烘干。因而，在催化剂层与MPL 之间不产生分界，不产生电接触电阻。相反地，在CCM法即贴花法中， 由于催化剂层通过简单的连接压力与MPL接触，所以在其分界面上产 生电接触电阻。
为解决接触电阻的问题，已开发出各种类型的MPL并已使其商业 化。然而，因为很难将催化剂层和MPL的结构精确地结合在一起，所 以很难获得最大输出性能。而且，提供最优结合还需要相当多的时间 和资源。此外，在开发出新的催化剂层之后，还必须开发出适于新催 化剂层的新MPL。例如，可以使用热压法去除催化剂层和MPL之间的接触电阻。然 而，用作催化剂层的粘合剂的Nafion，具有大约IO(TC至大约130°C 的玻璃态转化温度(Tg)，大约200°C至大约230°C的熔点(Tm)，用 作MPL的粘合剂的聚四氟乙烯树脂具有大约340。C高温的Tg。因此， 不能只通过简单的热压法将两层连接起来。
此外，由于粘合剂会影响化学稳定性并会产生附加的接触电阻， 所以一般不希望使用粘合剂。
因此需要提供一种能够克服现有技术中的上述问题的新的制造方法。
本发明背景技术部分所公开的信息只是为了加强对本发明技术背 景的理解，而不能将其视为构成本领域技术人员已知的现有技术的知 识或任何形式的暗示。
发明内容
本发明提供一种具有提高的电导率的五层MEA的制造方法，该方 法可以降低催化剂层与微孔层(MPL)之间的电接触电阻。
本发明一方面提供一种具有提高的电导率的五层MEA的制造方 法，该方法包括提供三层MEA，其具有电解质膜和形成在电解质膜 两侧的催化剂层；微孔层形成在气态扩散层的表面上以与催化剂层相 接触；将导电层涂布在微孔层上；使具有涂布有导电层的微孔层的气 态扩散层与三层MEA的每个催化剂层相接触；和热压相接触的各层以 将三层MEA的每个催化剂层与导电层连接。
在优选实施方式中，在通过将作为粘合剂的Nafion溶液和碳粒子 (碳黑)混合在异丙醇(IPA)和蒸馏水(Dl水)中形成的浆液中形式 导电层。使用适当的涂布方法将浆液涂布在微孔层上，然后进行烘干。
优选地，涂布方法是选自喷涂、棒式涂布和狭缝模具式涂布方式 所构成组中的一种方式。
适宜地，催化剂层与导电层都包含作为粘合剂的Nafion。微孔层 包括作为粘合剂的聚四氟乙烯。
同样适宜地，催化剂层、导电层和微孔层中的每一个都包括作为 导电材料的碳。应该理解在此所使用的术语"车辆"或"车辆的"以及其它类似
术语是包含广义的机动车，例如包括运动型多用途汽车(suv)、公共
汽车、卡车和各种商用车在内的客车，包括各种船舶在内的水运工具 和飞机等。
下文中将尽一步讨论本发明的其它方面。
图1示出燃料电池单元电池的一般结构； 图2是示出MEA中反应物转移的示意图； 图3是示出MEA常规制造方法的示意图； 图4是示出常规MEA的结构的示意图5是示出根据本发明的具有提高的电导率的五层膜电极组件的 制造方法的示意图6是示出根据本发明的带有导电层的五层膜电极组件与现有技 术中不带导电层的五层膜电极组件之间电流-电压特性试验结果的曲 线图。
附图中提到的附图标记包括下列后面会继续讨论的部件
1:分离器 2:气态扩散层 3:催化剂层 4:电解质膜
具体实施例方式
现参考附图中所示的实施例详细描述本发明的优选实施方式，其 中相同的附图标记表示相同的部件。下面通过参考附图描述这些实施 方式以说明本发明。
本发明提供一种具有提高的电导率的五层MEA的制造方法，该方 法是通过在三层MEA的催化剂层与形成在气态扩散层(GDL)上的 MPL之间形成新的导电层。
如图5所示，根据本发明的优选实施例，本发明的具有提高的电 导率的五层MEA的制造方法，包括制备三层MEA，其中催化剂层形成在电解质膜的两侧；形成具有微孔层(MPL)的气态扩散层(GDL); 将导电层涂布在GDL的MPL上；使带有涂布有导电层的微孔层的气 态扩散层与三层MEA的两侧相接触；将彼此接触的各层进行热压处理 以使三层MEA的催化剂层与导电层相接触。
也就是使用选自喷涂、棒式涂布和狭缝模具式涂布方式构成的组 中的一种方式，将导电层以浆状涂布在MPL上，然后将涂布的导电层 和具有催化剂层的三层MEA进行热压处理，使导电层形成在催化剂层 与MPL之间。
更具体地，导电层以如下方式形成，即Nafion溶液(作为粘合剂) 与碳粒子(例如碳黑)与适当量的异丙醇(IPA)和去离子水(DI水) 混合以形成浆状，利用如上所述的涂布方法将浆涂布在MPL上，然后 进行烘干。
在此情况下，可以利用已知方法例如CCG法或贴花法形成三层 MEA。
随后，涂布在GDL的MPL上的导电层被布置成与三层MEA相接 触，然后通过规定的压力和温度进行热压处理。与导电层相似，催化 剂层也具有作为粘合剂的Nafion。因此，在热压法中可以实现两层的 连接处理。
也就是说包含作为粘合剂的Nafion的导电层和包含作为粘合剂的 聚四氟乙烯的MPL首先彼此连接，导电层和催化剂层都包含作为粘合 剂的Nafion，在热压处理中彼此可以很容易的连接。
同时，碳用于催化剂层、导电层和MPL作为导电材料。
如上所述，尽管由现有技术方法所制成的五层MEA在催化剂层与 MPL之间的界面上具有电接触电阻，但是由本发明所制成的五层MEA 在催化剂层与MPL之间具有减小的电接触电阻。
接下来将参考下列实施例更加详细地描述本发明，但本发明并不 局限于这些实施例。
实施例
1)为导电层制备浆液
利用超声波将5wtM的Nafion溶液和市售碳黑(Cabot公司的 VulcanXC-72)混合在异丙醇(IPA)和水的溶剂混合物中。Nafion与碳黑以h 1的重量比混合。2) 形成导电层使用喷涂器将由此得到的浆液以0.3mg碳/cn^涂布在市售的气态 扩散层(GDL) (SGL Carbon Group, Sigracet GDL 10BB)的微孔层 (MPL)上。随后，在80°C的加热炉中将由此涂布的导电层烘干30 分钟。3) 制备三层MEA利用超声波将5wt。/。的Nafion溶液和市售铂催化剂(Columbia Chemical Company的55°/。Pt/C)混合在异丙醇(IPA)和水的溶剂混合 物中形成浆液。使用实验室棒状涂布器将由此形成的浆液相对于铂催 化剂以0.4mg Pt/cm"涂布在粘性处理纸上，然后进行烘干。将如此涂布的电极被切成5cm长5cm宽并被布置成与Flemion 膜(30um厚)的两侧相接触，然后利用125 'C下的热压处理5分钟 使其彼此连接。4) 将导电层与三层MEA连接将涂布在GDL的MPL上的导电层堆叠成与三层MEA的阳极和阴 极(即三层MEA的催化剂层)相接触，然后通过125 。C下的热压处 理5分钟使其彼此连接。实验实施例对本发明实施例中制造的五层MEA进行性能试验以检验其电流-电压特性。在下述情况下进行试验，在阳极、电池和阴极处，1.5当量氢和2.0 当量空气，温度为7(TC，大气压(0psig)。作为比较实施例，对不带 有导电层且以与实施例3)相同方式制成的三层MEA也进行了试验。性能试验的结果如图6所示，本发明的五层MEA显示出提高的输 出性能。综上所述，根据具有提高的电导率的五层MEA的制造方法，通过 在三层MEA的催化剂层与MPL之间形成新的导电层，可以降低催化 剂层与微孔层(MPL)之间的电接触电阻。上面己参考优先实施方式详细描述了本发明。然而，本领域普通 技术人员应该清楚在不脱离本发明的原理和精神的范围内还可以进行各种变形，本发明的保护范围由权利要求及其等效物限定,
权利要求
1.一种具有提高的电导率的五层MEA的制造方法，所述方法包括提供三层MEA，其具有电解质膜和形成在所述电解质膜两侧的催化剂层；将微孔层形成在气态扩散层的表面上；将导电层涂布在所述微孔层上；使具有涂布有导电层的微孔层的气态扩散层与所述三层MEA的每个催化剂层相接触；和热压相接触的各层，以将所述三层MEA的每个催化剂层与所述导电层连接。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在通过将作为粘合剂的Nafion 溶液和碳粒子(碳黑)混合在异丙醇(IPA)和蒸馏水(Dl水)中形成 的浆液中，形成导电层。
3. 如权利要求1所述的方法，其中使用选自喷涂、棒式涂布和狭 缝模具式涂布方式所构成的组中的方法，将所述导电层涂布在所述微 孔层上。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂层和所述导电层中 的每一个包括作为粘合剂的Nafion，所述微孔层包括作为粘合剂的聚 四氟乙烯。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂层、所述导电层和 所述微孔层中的每一个包括作为导电材料的碳。
6. 如权利要求2所述的方法，其中所述催化剂层与所述导电层中 的每一个包括作为粘合剂的Nafion，所述微孔层包括作为粘合剂的聚 四氟乙烯。
全文摘要
本发明提供一种具有提高的电导率的五层MEA的制造方法，该方法通过在三层MEA的催化剂层与MPL之间形成新的导电层，降低催化剂层与微孔层之间的电接触电阻。
文档编号H01M8/02GK101315982SQ200710195120
公开日2008年12月3日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年5月30日
发明者李起燮, 金永洙 申请人:现代自动车株式会社