CN101355168A - 制造膜电极组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造燃料电池用膜电极组件(90)的方法，在所述膜电极组件(90)中，催化剂层(72)被布置在电解质膜(60)和气体扩散层(82)之间，所述方法包括：制造用于形成所述催化剂层的催化剂粉末(300)；以及通过将所述催化剂粉末不均匀地沉积在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少之一上，形成所述催化剂层。

Description

制造膜电极组件的方法
技术领域
本发明涉及用于制造燃料电池用膜电极组件的方法。
背景技术
燃料电池可以包括膜电极组件(此后称为“MEA”)。MEA包括电解质膜、形成在电解质膜的每一侧上的催化剂层以及形成在催化剂层上的气体扩散层。在催化剂层中，利用经由气体扩散层供应到催化剂层的燃料气体和氧化气体(反应气体)引起电化学反应。因此，日本专利申请公布No.3-167752(JP-A-3-167752)提出了一种MEA制造方法，其中催化剂层被制得不平整，以增大催化剂层接触气体扩散层的面积，从而促进电化学反应。
在日本专利申请公布No.3-167752所描述的MEA制造方法中，压制夹具用于使得催化剂层不平整，所述压制夹具包括具有不平整表面的阴模和与阴模配合的阳模。板状的催化剂层被置于阴模上，阳模被压到催化剂层上，以使得催化剂层不平整。但是，在此制造方法中，当阳模被压到催化剂层上时，很大的力被施加到催化剂层上，因此，催化剂层可能被物理损坏。极大的力被特别地施加到催化剂层的接触阴模的凸起部分的末端的部分。因此，催化剂层的该部分可能被损坏。
发明内容
本发明提供一种制造包括不平整的催化剂层的MEA的方法，其可以降低在制造不平整的催化剂层时损伤催化剂层的可能性。
本发明的一个方面涉及一种制造燃料电池用膜电极组件的方法，在所述膜电极组件中，催化剂层被布置在电解质膜和气体扩散层之间。所述方法包括：制造用于形成所述催化剂层的催化剂粉末；以及通过将所述催化剂粉末不均匀地沉积在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少之一上，形成所述催化剂层。
在该制造膜电极组件的方法中，通过将所述催化剂粉末不均匀地沉积在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少之一上，形成所述催化剂层。因此，可以降低在制造不平整的催化剂层时损伤催化剂层的可能性。
在上述方法中，所述燃料电池可以包括气体供应孔和气体排放孔，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放。所述催化剂层可以被形成为在所述催化剂层的垂直于沉积所述催化剂粉末的沉积方向的平面视图中，所述催化剂层的靠近所述气体排放孔的气体排放侧区域中的单位面积内的凹入部分的比例大于催化剂层的靠近所述气体供应孔的气体供应侧区域中的单位面积内的凹入部分的比例。所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
于是，在催化剂层的凹入部分中，所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量，从而排水性能较高。因此，通过增大靠近气体排放孔的可能发生溢流的区域中的单位面积内的凹入部分的比例，可以提高靠近气体排放孔的区域中的排水性能，并抑制溢流的发生。
在上述方法中，所述催化剂层可以通过如下方式形成：沉积所述催化剂粉末，使得所述催化剂层的凹入部分从对应于气体供应孔的位置连续延伸到对应于气体排放孔的位置，其中，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放。所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
于是，在催化剂层的凹入部分中，所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量，因此气体容易流动。因此，通过形成凹入部分使得凹入部分从对应于气体供应孔的位置连续延伸到对应于气体排放孔的位置，可以将反应气体扩散到整个MEA中。
在上述方法中，可以通过利用供所述催化剂粉末通过的筛子沉积所述催化剂粉末来形成所述催化剂层。所述筛子可以包括供所述催化剂粉末通过的粉末通过区域，所述粉末通过区域包括具有预定透过性的高透过性部分以及低透过性部分，所述低透过性部分的透过性低于所述高透过性部分的所述透过性。通过所述低透过性部分的所述催化剂粉末可以形成所述催化剂层的凹入部分。所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
在上述方法中，所述燃料电池可以包括气体供应孔和气体排放孔，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放。所述催化剂层可以利用掩模形成，所述掩模包括多个供所述催化剂粉末通过的孔隙。所述孔隙可以以使得孔隙率从所述掩模的一端到所述掩模的另一端降低的方式布置。所述掩模的所述一端可以布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少之一的气体供应侧区域的上方。所述气体供应侧区域被靠近所述气体供应孔布置。所述掩模的所述另一端可以布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中的所述至少之一的气体排放侧区域的上方。所述气体排放侧区域被靠近所述气体排放孔布置。通过所述孔隙的所述催化剂粉末可以形成所述催化剂层的凸起部分。每一个所述凸起部分中的所述催化剂的沉积量等于或者大于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
在上述方法中，所述燃料电池可以包括气体供应孔和气体排放孔，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放。所述催化剂层可以被形成为在整个催化剂层中单位面积内的凹入部分的比例是均一的，并且在所述催化剂层的垂直于沉积所述催化剂粉末的沉积方向的平面视图中，在所述催化剂层的靠近所述气体排放孔的气体排放侧区域中彼此相邻的凸起部分之间的距离大于在所述催化剂层的靠近所述气体供应孔的气体供应侧区域中彼此相邻的凸起部分之间的距离。所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量，并且每一个所述凸起部分中的所述催化剂的沉积量等于或者大于所述平均沉积量。
在上述方法中，所述催化剂层可以利用掩模形成，所述掩模包括多个供所述催化剂粉末通过的孔隙。所述孔隙可以以使得孔隙率在整个掩模中是均一的并且彼此相邻的所述孔隙之间的距离从所述掩模的一端到所述掩模的另一端增大的方式布置。所述掩模的所述一端可以布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少之一的气体供应侧区域的上方。所述气体供应侧区域被靠近所述气体供应孔布置。所述掩模的所述另一端可以布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中的所述至少之一的气体排放侧区域的上方。所述气体排放侧区域被靠近所述气体排放孔布置。通过所述孔隙的所述催化剂粉末可以形成所述催化剂层的凸起部分。每一个所述凸起部分中的所述催化剂的沉积量等于或者大于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
于是，通过将催化剂粉末通过筛子来沉积，可以将催化剂粉末不均匀地沉积在电解质膜和气体扩散层中的至少之一上。
附图说明
参考附图，根据以下对示例性实施方式的说明，本发明的上述和其他特征和优点将变得清楚，在附图中，相似标号用于表示相似元件，并且其中：
图1是示出了根据第一实施方式的MEA制造方法的过程的流程图；
图2示意性地示出了图1所示的流程图的步骤S105中的工艺的详细过程；
图3A和图3B示出了步骤S110所使用的筛子和掩模；
图4A示意性地示出了利用图3A所示的筛子S1形成催化剂粉末300的沉积物的方法，并且图4B示意性地示出了利用图3A所示的筛子S1和图3B所示的掩模M1形成催化剂粉末300的沉积物的方法；
图5示出了通过步骤S115中的工艺形成的MEA 90；
图6示出了包括MEA 90的燃料电池的构造；
图7示出了MEA 90沿图6中的线VI-VI所取的横截面；
图8A示意性地示出了根据第二实施方式的掩模M1a，并且图8B示意性地示出了利用掩模M1a形成的MEA 90a；
图9A示意性地示出了根据第三实施方式的掩模M1b，并且图9B示意性地示出了利用掩模M1b形成的MEA 90b；
图10A示意性地示出了根据第四实施方式的掩模M1c，并且图10B示意性地示出了利用掩模M1c形成的MEA 90c；
图11示出了根据第五实施方式的筛子；以及
图12示出了在实施例中制造的燃料电池的I-V特性(“I”表示电流密度，“V”表示电压)以及在对比例中制造的燃料电池的I-V特性。
具体实施方式
下面将描述第一实施方式。图1是示出了根据本发明第一实施方式的MEA制造方法的过程的流程图。在步骤S105中，制造其中担载催化剂的粒子和电解质被混合的复合粉末(催化剂粉末)，作为用于形成催化剂层的粉末。
图2示意性地示出了图1所示的流程图的步骤S105中的工艺的详细过程。在图2中的实例中，用作催化剂担载粒子的担载铂的碳30(铂50wt％)和用作电解质20的NafionTM被添加到混合溶剂中。混合溶剂是水和乙醇的混合溶剂。担载铂的碳30和Nafion在混合溶剂中混合和扩散，从而获得催化剂浆料200。然后，利用喷雾喷雾干燥器410，通过喷雾干燥方法对催化剂浆料200进行喷雾和干燥，来制造催化剂粉末300。更具体地，利用喷雾干燥器410中包括的雾化器414将催化剂浆料200喷雾到腔412中，被喷雾的催化剂浆料200的雾与干燥空气接触，于是催化剂浆料200被瞬间干燥，从而获得催化剂粉末300。这样获得的催化剂粉末300是担载铂的碳30和电解质20的复合粉末。
在(图1的流程图中的)步骤S110中，通过将在步骤S105中制造的催化剂粉末不均匀地沉积在电解质膜上，来形成催化剂层。更具体地，催化剂粉末300(图2所示)由静电过筛通过筛子和掩模落在电解质膜上，从而将催化剂粉末300沉积在电解质膜上。例如，由DuPont制造的NafionTM、由Asahi Kasei Corporation制造的AciplexTM或者由Asahi GlassCo.，Ltd制造的FlemionTM可以用作电解质膜。
图3A示出了在步骤S110中使用的筛子S1。图3A示出了筛子S1的供催化剂粉末300通过的区域(此后，供催化剂粉末通过的区域可以称为“粉末通过区域”)。在筛子S1中，大量的小孔隙(没有示出)被形成在整个粉末通过区域中，其中在整个粉末通过区域中孔隙率是均一的。诸如尼龙的合成织物或者例如通过纺织诸如不锈钢丝的金属丝制造的金属织物可以用作筛子S1的材料。
图3B示出了在步骤S110中使用的掩模M1。图3B示出了掩模M1的粉末通过区域。多个孔隙12以恒定的间隔布置在掩模M1中。孔隙具有相同的尺寸。孔隙率为50％。孔隙12之外的部分是掩蔽部分11。因为在掩蔽部分11中没有形成孔隙，所以催化剂粉末不会通过掩蔽部分11。例如，具有孔隙的合成树脂板构件可以用作掩模M1。
图4A示意性地示出了利用图3A所示的筛子S1形成催化剂粉末300的沉积物的方法。下面将描述将催化剂粉末300沉积在电解质膜60的阴极侧的表面上的情形。在(图1的流程图中的)步骤S110中，首先，由静电过筛使用筛子S1将催化剂粉末300沉积在电解质膜60的表面上。更具体地，高电压被施加到被与电解质膜60分开布置的筛子S1上，以在筛子S1和电解质膜60之间产生静电场，并且催化剂粉末300朝向筛子S1降落。因为静电场被产生，所以催化剂粉末300通过筛子S1降落在充当反电极的电解质膜60的表面上。这样，具有基本均匀厚度的催化剂粉末300的层72a被形成在电解质膜60上。
图4B示意性地示出了利用图3A所示的筛子S1和图3B所示的掩模M1形成催化剂粉末300的沉积物的方法。在图4A所示的层72a被形成在电解质膜60上之后，催化剂粉末300被进一步利用筛子S1(图3A所示)和掩模M1(图3B所示)通过静电过筛局部沉积在层72a上。更具体地，掩模M1(图3B所示)被布置在筛子S1和带有层72a的电解质膜60之间，然后，催化剂粉末300通过静电过筛从筛子S1上方朝向电解质膜60(即，朝向层72a)降落。因此，催化剂粉末300仅仅通过掩模M1的孔隙12降落。结果，催化剂粉末300的层72b被形成在层72a上。在层72b中，在与孔隙12相对应的位置上形成催化剂粉末300的基本锥形的沉积物。因此，由层72a和72b构成的催化剂层(阴极侧催化剂层)72被形成在电解质膜60上。阴极侧催化剂层72具有不均一的厚度。此后，阴极侧催化剂层72中的催化剂粉末300的锥形沉积物被称为催化剂凸起部分71a，催化剂凸起部分71a以外的部分被称为催化剂凹入部分71b。换句话说，催化剂凸起部分71a是其中催化剂粉末300的沉积量等于或大于阴极侧催化剂层72中的催化剂粉末300的平均沉积量的部分。催化剂凹入部分71b是其中催化剂粉末300的沉积量小于阴极侧催化剂层72中的催化剂粉末300的平均沉积量的部分。同样在阳极侧，以与形成阴极侧催化剂层72的方式相同的方式形成催化剂层(阳极侧催化剂层)。上述筛子S1和掩模M1可以被认为是根据本发明的筛子。
在(图1所示的流程图中的)步骤S115中，预先制备的气体扩散层被布置在步骤S110中形成的催化剂层上，并且执行热压。由此，MEA被形成。
图5示出了由步骤S115中的工艺形成的MEA 90。图5仅仅示出了MEA 90的阴极侧。本实施方式中使用的阴极侧气体扩散层82通过将防水糊料涂敷在用作基体材料的碳纸上来形成。防水糊料包含用作防水材料的氟树脂(例如，聚四氟乙烯(PTFE))。阴极侧气体扩散层82包括扩散凸起部分81a和扩散凹入部分81b。就是说，阴极侧气体扩散层82是不平整的层。例如，不平整的阴极侧气体扩散层82按如下形成。防水糊料以使得防水糊料具有预定的均一厚度的方式涂敷在用作基体材料的碳纸上。然后，在充当扩散凹入部分81b的部分被掩模覆盖之后，进一步涂敷防水糊料，然后去除掩模。由此，形成不平整的阴极侧气体扩散层82。
当阴极侧气体扩散层82被置于阴极侧催化剂层72上时，阴极侧气体扩散层82中的扩散凸起部分81a面对阴极侧催化剂层72中的催化剂凹入部分71b。扩散凹入部分81b面对阴极侧催化剂层72中的催化剂凸起部分71a。因此，当阴极侧气体扩散层82被置于阴极侧催化剂层72上方，阴极侧催化剂层72中的阴极凸起部分71a和凹入部分71b分别与阴极侧气体扩散层82中的扩散凹入部分81b和扩散凸起部分81a配合。同样在阳极侧，气体扩散层以与形成阴极侧气体扩散层82的方式相同的方式形成在催化剂层上。
在上述的MEA制造方法中，通过沉积催化剂粉末300形成不平整的催化剂层，使得催化剂层具有不均一的厚度。因此，可以减小在制造不平整的催化剂层时损伤催化剂层的可能性。
图6示出了包括MEA 90的燃料电池的构造。利用由上述方式制造的MEA 90制造包括MEA 90的板50(此后称为“MEA板50”)。燃料电池700通过交替层叠MEA板50和分离器40来形成。分离器40是包括三个金属板的三层分离器。更具体地，分离器40包括阴极侧板41，阳极侧板43，以及布置在阴极侧板41和阳极侧板43之间的中间板42。在板41至43和MEA板50中的每一个中，在相同的位置处形成孔。通过层叠具有孔的MEA板50和具有孔的分离器40，形成氧化气体供应集流管711a和氧化气体排放集流管711b。在阴极侧板41中，邻接阴极侧气体扩散层82的气体供应孔45被形成在较靠近氧化气体供应集流管711a的位置处。类似地，邻接阴极侧气体扩散层82的气体排放孔46被形成在较靠近氧化气体排放集流管711b的位置处。氧化气体供应通道47被形成在中间板42中。氧化气体供应通道47被连接到氧化气体供应集流管711a，并且通向气体供应孔45。在中间板42中，还形成氧化气体排放通道48。氧化气体排放通道48被连接到氧化气体排放集流管711b，并通向气体排放孔46。
用作氧化剂的空气通过氧化气体供应集流管711a供应，并且流入中间板42中的氧化气体供应通道47。然后，空气通过气体供应孔45供应到阴极侧气体扩散层82。供应到阴极侧气体扩散层82的空气在MEA 90中扩散，并用于阴极侧催化剂层72中的电化学反应。没有在电化学反应中使用的空气通过气体排放孔46和氧化气体排放通道48排放到氧化气体排放集流管711b。此时，由电化学反应产生的水与空气一起被排放。
图7是示出了沿图6中的线VI-VI所取的MEA 90的截面的视图。在MEA 90中，在靠近阴极侧气体扩散层82和阴极侧催化剂层72之间的边界的位置处所取的MEA 90的截面中，阴极侧气体扩散层82从对应于气体供应孔45的位置连续延伸到对应于气体排放孔46的位置。因此，在MEA90中，用作氧化气体的空气也扩散到阴极侧气体扩散层82和阴极侧催化剂层72之间的边界附近的区域中。因此，气体被扩散到整个MEA 90中。阳极侧的构造与阴极侧的构造相似。因此，燃料气体被扩散到整个MEA90中。
下面将描述第二实施方式。图8A示出了第二实施方式中的掩模M1a。图8B示意性地示出了利用图8A所示的掩模M1a构造的MEA90a。图8B示出了与图7相似地沿线VI-VI(参考图6)所取的MEA 90a在用于形成燃料电池时的截面。在第一实施方式中，掩模M1的多个孔隙12(图3B所示)以恒定间隔布置。在任意区域平均孔隙率基本相同。但是，在第二实施方式的掩模M1a中，多个孔隙12不以恒定间隔布置。平均孔隙率根据掩模M1a的区域而变化。第二实施方式中的构造的其它部分与第一实施方式的相同。
更具体地，如图8A所示，在区域X1中的每单位面积的孔隙12数量大于区域X2中的，区域X3中的每单位面积的孔隙12数量小于区域X2中的。因此，平均孔隙率在区域X1中较高(例如，70％)，在区域X2中居中(例如，50％)，在区域X3中较低(例如，30％)。当使用具有此构造的掩模M1a时，可以获得与第一实施方式中所获得的相同的有利效果。
当利用采用掩模M1a形成的阴极侧催化剂层72制造MEA 90a(如图8B所示)时，每单位面积的催化剂凸起部分71a的数量根据阴极侧催化剂层72中的区域而变化。更具体地，每单位面积的催化剂凸起部分71a数量在靠近气体供应孔45的区域Y1中较大，在区域Y2中居中，在靠近气体排放孔46的区域Y3中较少。在此情况下，在阴极侧催化剂层72的沿垂直于催化剂粉末的沉积方向的平面视图(即，垂直于X轴的平面)中，每单位面积中的催化剂凹入部分71b的比例在区域Y1中较低，在区域Y2中居中，在区域Y3较高。因此，当阴极侧气体扩散层82被布置在阴极侧催化剂层72上时，阴极侧气体扩散层82的平均厚度在区域Y1中较小，在区域Y2中居中，在区域Y3中较大。阴极侧催化剂层72中由电化学反应产生的水被集中在靠近气体排放孔46的区域Y3中，因此，可能在区域Y3中发生溢流。但是，因为阴极侧气体扩散层82的平均厚度在区域Y3中较大，所以在区域Y3中的排水性能较高，因此抑制了溢流的发生。
下面将描述第三实施方式。图9A示出了第三实施方式中的掩模M1b。图9B示意性地示出了利用图9A所示的掩模M1b构造的MEA90b。图9B示出了与图7相似地沿线VI-VI(参考图6)所取的MEA 90b在用于形成燃料电池时的截面。在第一实施方式中，掩模M1的多个孔隙12(图3B所示)具有相同的尺寸。但是，在第三实施方式的掩模M1b中，孔隙12的尺寸根据掩模M1b中的区域而变化。第三实施方式中的构造的其它部分与第一实施方式的相同。
更具体地，区域X11中的孔隙112a的尺寸较小，区域X12中的孔隙112b的尺寸居中，区域X13中的孔隙112c的尺寸较大。区域X11到X13中的孔隙率相同。在此情况下，孔隙之间的距离在区域X11到X13之间变化。更具体地，孔隙之间的距离在区域X11中较短，在区域X12中居中，在区域X13中较长。当使用具有此构造的掩模M1b时，可以获得与第一实施方式中所获得的相同的有利效果。
当利用采用掩模M1b形成的阴极侧催化剂层72制造MEA 90b(图9B所示)时，催化剂凸起部分71a之间的距离根据阴极侧催化剂层72中的区域而变化。更具体地，催化剂凸起部分71a之间的距离在靠近气体供应孔45的区域Y11中较短，在区域Y12中居中，在区域Y13中较长。在区域Y13中，因为催化剂凸起部分71a之间的距离较长，空气和所产生的水容易在催化剂凸起部分71a之间流动。因此，可以提高靠近气体排放孔46的区域中的排水性能，从而抑制溢流的发生。
下面将描述第四实施方式。图10A示出了第四实施方式中的掩模M1c。图10B示意性地示出了利用图10A所示的掩模M1c构造的MEA90c。图10B示出了与图7相似地沿线VI-VI(参考图6)所取的MEA 90c在用于形成燃料电池时的截面。第四实施方式中的掩模M1c与第一实施方式中的掩模M1a的不同之处在于每个孔隙是矩形的。第四实施方式中的掩模M1c与第一实施方式中的掩模M1a的不同之处还在于，在利用掩模M1c制造的MEA 90c中，气体扩散层在催化剂层和气体扩散层之间的边界附近的位置处所取的截面中不是连续延伸的。第四实施方式中的构造的其它部分与第一实施方式的相同。
更具体地，掩模M1c的孔隙212是矩形的，并以沿Y反向的预定间隔布置。当使用具有此构造的掩模M1c时，可以获得与上述实施方式和实施例中所获得的相同的有利效果。
当利用采用掩模M1c形成的阴极侧催化剂层72制造MEA 90c(图10B所示)时，在阴极侧催化剂层72中，催化剂凸起部分71a和催化剂凹入部分71b沿Y方向交替布置。当孔隙212沿Z方向的长度长于电解质膜60沿Z方向的长度时，催化剂凹入部分71b不从对应于气体供应孔45的位置连续延伸到对应于气体排放孔46的位置，这不像第一实施方式。因此，阴极侧气体扩散层82不从对应于气体供应孔45的位置连续延伸到对应于气体排放孔46的位置。
下面将描述第五实施方式。图11示出了第五实施方式中的筛子。第五实施方式与第一实施方式的不同之处在于，筛子中透过性是不均一的；并且在(图1的流程图所示的)步骤S110中，在不使用掩模M1的情况下沉积催化剂粉末。第五实施方式中的构造的其它部分与第一实施方式的相同。
更具体地，第五实施方式中的筛子S2包括具有较低透过性的低透过性部分15和具有较高透过性的高透过性部分16。高透过性部分16被布置在对应于掩模M1(图3)的孔隙12的位置的位置处。低透过性部分15被布置在对应于掩模M1中的掩蔽部分11的位置的位置处。利用具有这样的构造的筛子S2，在(图1的流程图所示的)步骤S110中，可以在不使用掩模M1的情况下将催化剂粉末沉积在电解质膜60上。就是说，当催化剂粉末300通过筛子S2降落在电解质膜60上时，通过单位面积的低透过性部分15降落的催化剂粉末的量小于通过单位面积的高透过性部分16降落的催化剂粉末的量。因此，可以形成不平整的催化剂层，如图4B所示。筛子S2可以认为是根据本发明的筛子。
下面将描述其中应用本发明的第一实施方式的实施例。根据图1所示的过程制造MEA 90，并且利用MEA 90制造燃料电池700。
在(图1的流程图中的)步骤S105中，担载铂的碳(铂50wt％)和用作电解质的NafionTM被添加到混合容器400(如图2所示)中的水和乙醇的混合溶剂中，通过将担载铂的碳和Nafion添加到混合溶剂中获得的溶液被搅拌，以制造催化剂浆料200。在此工艺中，材料被混合，以制造具有如下组成的催化剂浆料200：担载铂的碳4.0wt％；电解质2.0wt％；水47.0wt％；以及乙醇47.0wt％。然后，根据下面的喷雾条件对催化剂浆料200进行喷雾干燥来制造催化剂粉末300：喷雾压力为0.1MPa(喷雾压力表示当催化剂浆料200被从雾化器414喷雾到腔412中时所使用的压力)；喷雾温度(在空气入口处)为80℃(喷雾温度(在空气入口处)表示当干燥空气被供应到腔412时，用于干燥经喷雾的催化剂浆料200的干燥空气的温度)；干燥空气的流率为0.5m3/min；供应到雾化器414的催化剂浆料200的流率为10ml/min。这样制造的催化剂粉末300的平均粒子直径为约2到3μm。
在(图1的流程图中的)步骤S110中，首先利用筛子S1沉积催化剂粉末300，使得铂含量为0.40mg/cm2。接着，通过使催化剂粉末300降落穿过筛子S1和掩模M1，来沉积催化剂粉末300，使得在催化剂凸起部分71a处的铂含量为0.60mg/cm2。催化剂凸起部分71a的尺寸(即，催化剂凸起部分71a在催化剂凸起部分71a自层72a的高度的一半处的面积)为约1000μm2。催化剂凸起部分71a的厚度(即，催化剂凸起部分71a自电解质膜60的高度)为约15μm。催化剂凹入部分71b的厚度为约10μm。
在(图1的流程图中的)步骤8115中，利用辊压机根据如下的压制条件执行热压以形成MEA 90：温度为130℃；压力为30kgf/cm2；辊的运动速度为10m/min。
图12示出了在本发明实施例中制造的燃料电池700的I-V特性(“I”表示电流密度，“V”表示电压)以及在对比例中制造的燃料电池的I-V特性。在对比例中的燃料电池(没有示出)中，催化剂层的形状和气体扩散层的形状不同于实施例中的燃料电池700的催化剂层的形状和气体扩散层的形状。对比例中的燃料电池的构造的其它部分与实施例中的燃料电池的构造的相同。更具体地，在对比例中的燃料电池中，阳极侧催化剂层和阴极侧催化剂层都具有均一的厚度。因此，阳极侧气体扩散层具有自阳极侧气体扩散层的与阳极侧催化剂层接触的表面到相对的另一表面的均一厚度。阴极侧气体扩散层具有自阴极侧气体扩散层的与阴极侧催化剂层接触的表面到相对的另一表面的均一厚度。对比例中的催化剂层中所包含的催化剂(铂)的重量与实施例中的相同。在实际的燃料电池700中，多个MEA板50和多个分离器40被层叠。但是，在实施例和对比例中的每一个中，利用其中一个MEA板50被布置在两个分离器40之间的燃料电池(单电池)获得I-V特性。
在图12所示的情形中，通过在如下的条件下运行在实施例和对比例中制造的燃料电池获得I-V特性：阳极侧的燃料气体(氢气)的流率为500ncc/min；阴极侧的氧化气体(空气)的流率为1000ncc/min；电池温度为80℃；在阴极侧和阴极侧中的每一侧鼓泡器温度为60℃；并且在阴极侧和阴极侧中的每一侧背压为0.05MPa。如图12所示，在相同的电流密度下，实施例中的燃料电池700的电压值高于对比例中的燃料电池的电压值。此结果表明，实施例中的燃料电池700的发电性能高于对比例中的燃料电池的发电性能。如下原因被认为导致得到该结果。因为形成不平整的催化剂层，所以催化剂层接触气体扩散层的面积增大。并且，除了形成不平整的催化剂层之外，气体扩散层被形成为在催化剂层和气体扩散层之间的边界附近的位置处所取的MEA 90的截面中，从对应于气体供应孔的位置连续延伸到对应于气体排放孔的位置。因此，反应气体扩散到整个MEA 90中。
应该理解，本发明不限于上述的实施例和实施方式，本发明可以在本发明的范围内以各种方式实施。例如，如下所述的修改被包括在本发明的范围中。
下面将描述修改实施例1。在每一个上述实施方式中，阴极侧催化剂层72通过将催化剂粉末300沉积在电解质膜60上来形成。然而，也可以通过将催化剂粉末300沉积在阴极侧气体扩散层82上来形成阴极侧催化剂层72。而且，阴极侧催化剂层72可以通过如下方式形成：将催化剂粉末300沉积在电解质膜60上以及沉积在阴极气体扩散层82上，然后执行热压。阳极侧催化剂层可以以相同的方式形成。就是说，在根据本发明的MEA制造方法中，可以采用如下的工艺：通过将催化剂粉末沉积在电解质膜和气体扩散层中的至少之一上来形成催化剂层。
下面将描述修改实施例2。在每一个上述实施方式中，催化剂粉末300通过静电过筛沉积在电解质膜60上。但是，也可以采用任何其它沉积方法来代替此方法。例如，催化剂粉末300可以利用喷涂方法来沉积，在喷涂方法中，催化剂粉末300通过喷枪喷涂在电解质膜60上。或者，催化剂粉末300可以利用电子照相法沉积在电解质膜60上。在电子照相法中，充电的催化剂粉末300被静电附着到按照预定图案充电的光电导体鼓上，附着在光电导体鼓上的催化剂粉末300被转移到电解质膜60上。换句话说，任伺沉积方法可以用作根据本发明的MEA制造方法的一部分，只要催化剂粉末300能被沉积在电解质膜60上。
虽然参考本发明的示例性实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于这些示例性实施方式或结构。另一方面，本发明意在覆盖各种修改和等同布置。此外，虽然以作为示例的各种组合和构造示出了所公开的发明的各种元件，但是包括更多、更少或仅仅一个元件在内的其它组合和构造也落入所附权利要求的范围中。

Claims (7)

1.一种制造燃料电池用膜电极组件(90)的方法，在所述膜电极组件(90)中，催化剂层(72)被布置在电解质膜(60)和气体扩散层(82)之间，所述方法的特征在于包括：
制造用于形成所述催化剂层的催化剂粉末(300)；并且
通过将所述催化剂粉末不均匀地沉积在所述电解质膜和所述气体扩散层中的至少一者上，来形成所述催化剂层。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述燃料电池包括气体供应孔(45)和气体排放孔(46)，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔(45)经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔(46)排放；
所述催化剂层被形成为在所述催化剂层的垂直于沉积所述催化剂粉末的沉积方向的平面视图中，所述催化剂层的靠近所述气体排放孔的气体排放侧区域中的单位面积内的凹入部分(71b)的比例大于所述催化剂层的靠近所述气体供应孔的气体供应侧区域中的单位面积内的所述凹入部分(71b)的比例；并且
所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中：
所述催化剂层通过如下方式形成：沉积所述催化剂粉末，使得所述催化剂层的凹入部分从对应于气体供应孔的位置连续延伸到对应于气体排放孔的位置，其中，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放；并且
所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中：
通过利用供所述催化剂粉末通过的筛子(S2)沉积所述催化剂粉末来形成所述催化剂层；
所述筛子包括供所述催化剂粉末通过的粉末通过区域，所述粉末通过区域包括具有预定透过性的高透过性部分(16)以及低透过性部分(15)，所述低透过性部分(15)的透过性低于所述高透过性部分的所述透过性；
通过已经通过所述低透过性部分的所述催化剂粉末来形成所述催化剂层的凹入部分；并且
所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中：
所述燃料电池包括气体供应孔(45)和气体排放孔(46)，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔(45)经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔(46)排放；
所述催化剂层利用掩模(M1a)形成，所述掩模(M1a)包括多个供所述催化剂粉末通过的孔隙(12)；
以使得孔隙率从所述掩模的一端到所述掩模的另一端降低的方式来布置所述孔隙；
所述掩模的所述一端布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中至少一者的气体供应侧区域的上方，将靠近所述气体供应孔来布置所述气体供应侧区域；
所述掩模的所述另一端布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中所述至少一者的气体排放侧区域的上方，将靠近所述气体排放孔来布置所述气体排放侧区域；
通过已经通过所述孔隙的所述催化剂粉末来形成所述催化剂层的凸起部分(71a)；并且
每一个所述凸起部分中的所述催化剂粉末的沉积量等于或者大于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
所述燃料电池包括气体供应孔和气体排放孔，供应到所述燃料电池的反应气体通过所述气体供应孔经由所述气体扩散层供应到所述催化剂层，从所述催化剂层排放的所述反应气体经由所述气体扩散层通过所述气体排放孔排放；
所述催化剂层被形成为在所述催化剂层的垂直于沉积所述催化剂粉末的沉积方向的平面视图中，在整个所述催化剂层中单位面积内的凹入部分的比例是均一的，并且在所述催化剂层的靠近所述气体排放孔的气体排放侧区域中彼此相邻的凸起部分之间的距离大于在所述催化剂层的靠近所述气体供应孔的气体供应侧区域中彼此相邻的所述凸起部分之间的距离；并且
所述凹入部分中的所述催化剂粉末的沉积量小于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量，并且每一个所述凸起部分中的所述催化剂粉末的所述沉积量等于或者大于所述平均沉积量。
7.如权利要求6所述的方法，其中：
所述催化剂层利用掩模(M1b)形成，所述掩模(M1b)包括供所述催化剂粉末通过的多个孔隙(112a，112b，112c)；
以使得孔隙率在整个所述掩模中是均一的并且彼此相邻的所述孔隙之间的距离从所述掩模的一端到所述掩模的另一端增大的方式来布置所述孔隙；
所述掩模的所述一端布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中至少一者的气体供应侧区域的上方，将靠近所述气体供应孔来布置所述气体供应侧区域；
所述掩模的所述另一端布置在所述电解质膜和所述气体扩散层中所述至少一者的气体排放侧区域的上方，将靠近所述气体排放孔来布置所述气体排放侧区域；
通过已经通过所述孔隙的所述催化剂粉末来形成所述催化剂层的凸起部分(71a)；并且
每一个所述凸起部分中的所述催化剂粉末的沉积量等于或者大于所述催化剂层中的所述催化剂粉末的平均沉积量。
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