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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran und ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit unter Verwenden der hergestellten Elektrolytmembran.
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Stand der Technik
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Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist als ein Typ von Brennstoffzelle bekannt. Da eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle durch geringe Betriebstemperaturen (von ungefähr 80°C bis 100°C), geringe Kosten und ihre kompakte Größe in Vergleich zu verschiedenen Typen von Brennstoffzellen charakterisiert ist, ist es beabsichtigt, dass sie als Fahrzeugstromquelle und dergleichen dient.
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Wie in 4 gezeigt, ist in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 50, die als Hauptbestandteil verwendet wird, von Separatoren 51 umgeben, von denen jeder einen Brenngas-(Wasserstoff-)Gaskanal und einen Luftgaskanal aufweisen, so dass eine einzelne Brennstoffzelle 55, bezeichnet als Einzelzelle, gebildet wird. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 weist eine Struktur auf, in welcher eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 53a auf einer Seite der als Ionenaustauschmembran dienenden Elektrolytmembran 52 laminiert ist und eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 53b auf die andere Seite derselben laminiert ist.
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Eine Persulfonsäurepolymer-Dünnschicht (Nafion-Membran, DuPont, US) umfassend ein Elektrolytharz (Ionenaustauschharz), wird hauptsächlich als eine solche Elektrolytmembran
52 verwendet. Zusätzlich wird, da eine ausreichende Festigkeit unter Verwenden einer aus einem Elektrolytharz bestehenden Dünnschicht nicht erreicht werden kann, ermöglicht, dass eine Elektrolytharzlösung eine poröse Verstärkungsmembran imprägniert (z. B. eine durch Strecken von PTFE, Polyolefinharz, oder dgl. hergestellte Dünnschicht), so dass eine verstärkte Elektrolytmembran erhalten wird (siehe
JP H09-194609 A (1997), etc.).
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Für die Elektrodenkatalysatorschichten
53a und
53b wird hauptsächlich ein einen Elektrodenkatalysator wie Platin-tragenden Kohlenstoff und ein Elektrolytharz umfassendes Elektrodenkatalysatormaterial verwendet. Die Membran-Elektroden-Einheit
50 wird durch Aufbringen eines solchen Elektrodenkatalysatormaterials auf eine Elektrolytmembran
52 durch ein Siebdruckverfahren oder dergleichen, gefolgt von Trockenen erhalten (siehe
JP H09-180728 A (1997), etc.).
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Hinsichtlich einer Verbesserung der Stromerzeugungsleitung ist es für eine Membran-Elektroden-Einheit erwünscht, dass sie einen großen wirksamen Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht aufweist. Um einen solchen Zweck zu erreichen wurde vorgeschlagen, dass eine Membran-Elektroden-Einheit erhalten werden kann, indem Aussparungen und Vorsprünge auf der Seite der Elektrodenkatalysatorschicht in einem einleitenden Schritt unter Verwenden einer Presse oder dergleichen und Pressschweißen der Elektrolytmembran hierauf gebildet werden (siehe
JP 2005-293923 A , etc.).
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Verfahren zum Herstellen einer Elektrolytmembran sind ferner Gegenstand der
US 2003/0170519 A1 sowie der
US 2005/0037916 A1 . Hierbei lehrt die
US 2003/0170519 A1 , dass eine Elektrolytmembran zur Oberflächenvergrößerung durch Pressen mit einer Oberflächenstruktur versehen werden kann. Hierbei wird ein zu formendes Material geschmolzen oder gelöst, um damit das Material einem Formgebungsprozess zu unterwerfen. Die
US 2005/0037916 A1 lehrt, dass die Oberfläche einer Elektrolytmembran mit einem Presswerkzeug bearbeitet werden kann, so dass Aussparungen entstehen. Auf der so strukturierten Oberfläche wird der Katalysator der Elektrode aufgebracht.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösendes Problem
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Jede Elektrolytmembran, die eine herkömmliche Elektrolytharzdünnschicht oder eine verstärkte Elektrolytmembran umfasst, die auf eine Weise hergestellt wurde, wie es in der
JP H09-194609 A beschrieben wird, weist eine flache Oberfläche auf. Wenn eine Membran-Elektroden-Einheit unter Verwenden einer solchen Membran durch ein herkömmliches wie in der
JP H9-180728 A beschriebenes Verfahren erhalten wird, bleibt der wirksame Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht als der Oberflächenbereich einer flachen Oberfläche. Unter Verwenden des in der
JP 2005-293923 A beschriebenen Verfahrens ist es möglich, den wirksamen Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht als Ergebnis der Bildung von Aussparungen und Vorsprüngen auf der Seite der Elektrodenkatalysatorschicht zu erhöhen. Dennoch wird die Elektrolytmembran wahrscheinlich beschädigt, wenn die Elektrodenkatalysatorschicht, auf der Aussparungen und Vorsprünge gebildet wurden, auf eine Elektrolytmembran mit einer flachen Oberfläche pressgeschweißt wird. Zusätzlich macht es die Anwesenheit einer Grenzfläche zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht unmöglich, eine Verringerung in der Stromerzeugungseffizienz der Membran-Elektroden-Einheit, die durch den Widerstand der Grenzfläche hervorgerufen wird, zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der oben genannten Umstände gemacht. Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran bereit zu stellen, mit welcher es möglich ist, den wirksamen Kontaktbereich zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht zu erhöhen und ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit bereit zu stellen, in dem eine solche Elektrolytmembran verwendet wird, wobei der zwischen der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugte Grenzflächenwiderstand so verringert ist, dass die Stromerzeugungsleistung verbessert werden kann.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran, umfassend wenigstens die folgenden Schritte: einen Schritt des Aufbringens, bei dem aus einem Vorläuferpolymer für ein Elektrolytpolymer bestehende Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis auf die Oberfläche einer porösen Verstärkungsmembran aufgebracht werden; einen Imprägnierschritt, bei dem die poröse Verstärkungsmembran, auf die die Elektrolytharzpartikel aufgebracht wurden, unter Verwenden einer erwärmten Platte erwärmt wird, die Elektrolytharzpartikel schmelzen und die geschmolzenen Elektrolytharzpartikel die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren, so dass eine Elektrolytmembran erhalten wird; und einen Schritt des Pressens der Elektrolytmembran mit einer Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist, so dass Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden.
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Als hierin verwendete poröse Verstärkungsmembran kann entsprechend eine Membran verwendet werden, die durch Strecken von PTFE (Polytetrafluorethylen), eines Polyolefinharzes oder dergleichen, welches für eine herkömmliche verstärkte Elektrolytmembran verwendet wurde, in einer einzelnen axialen oder biaxialer Richtung hergestellt wird. Die auf die Oberfläche der porösen Verstärkungsmembran aufzubringenden Elektrolytpartikel auf Fluorbasis werden durch Bilden eines Elektrolyts auf Fluorbasis in Harzpartikeln erhalten, wobei die Partikelgröße derselben bevorzugt 100 μm oder weniger und stärker bevorzugt ungefähr 0,1 μm bis 50 μm beträgt.
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Die poröse Verstärkungsmembran, auf die die Elektrolytpartikel auf Fluorbasis aufgebracht wurden, wird mit einer erwärmten Platte erwärmt, so dass die Elektrolytpartikel schmelzen und die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren. Der geschmolzene Elektrolyt imprägniert die poröse Verstärkungsmembran, ohne die Notwendigkeit aktiv von außen gepresst zu werden. Daher wird keine Beschädigung an der porösen Verstärkungsmembran aufgrund des Pressens hervorgerufen. Als Nächstes wird eine solche mit dem Elektrolytharz imprägnierte verstärkte Elektrolytmembran mit einer Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist, gepresst, so dass Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden.
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Die zum Schmelzen der Elektrolytpartikel verwendete Wärmeplatte kann von der zum Bilden der Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran verwendeten Pressplatte verschieden sein. In einem solchen Fall wird die mit dem Elektrolytharz imprägnierte verstärkte Elektrolytmembran zwischen den beiden Platten überführt. Es ist ebenso möglich, die oben genannten beiden Schritte aufeinanderfolgend unter Verwenden einer Platte durchzuführen, die ein Wärmemittel umfasst und Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist. In einem solchen Fall werden die Elektrolytpartikel geschmolzen und es wird ermöglicht, dass diese die poröse Verstärkungsmembran imprägnieren, während die Platte in einem erwärmten Zustand gehalten wird. Dann wird die Platte nach dem Harzimprägnieren überführt, so dass die verstärkte Elektrolytmembran gepresst wird, gefolgt von Beenden des Erwärmens und Initiierung des Rückkühlens. Entsprechend kann eine verstärkte Elektrolytmembran, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist und die eine poröse Verstärkungsmembran umfasst, erhalten werden.
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Ebenso werden in dem Fall des obigen Herstellungsverfahrens, da die aus einem Vorläuferpolymer für ein Elektrolytpolymer bestehenden Elektrolytpartikel auf Fluorbasis Wärmestabilität aufweisen, diese als Elektrolytharzpartikel für das Ausgangsmaterial verwendet. Wenn nötig, wird ferner ein Schritt durchgeführt, in dem dem Elektrolytpolymer mittels Hydrolyse oder dergleichen Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, der dem Schritt des Bildens der Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der verstärkten Elektrolytmembran folgt.
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Gemäß dem oben genannten Verfahren wird wenigstens der Imprägnierschritt bevorzugt in einer Umgebung mit reduziertem Druck durchgeführt. Daher wird das Entlüften innerhalb der porösen Verstärkungsmembran und das Ersetzen der entlüfteten Räume mit dem geschmolzenen Elektrolyt gefördert. Entsprechend kann die Zeitdauer für die Elektrolytimprägnierung der porösen Verstärkungsmembran verkürzt werden.
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Zusätzlich kann ein ausreichender Zustand der Imprägnierung verwirklicht werden. Der Schritt des Pressens der Elektrolytmembran mit der Platte, die Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche aufweist, so dass Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran gebildet werden, kann in einer Umgebung mit reduziertem Druck durchgeführt werden.
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Zusätzlich offenbart die vorliegende Anmeldung ferner das folgende Verfahren als Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit unter Verwenden einer durch das obige Verfahren hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran: Verfahren zum Herstellen eines Membran-Elektroden-Laminats, umfassend das Aufbringen von Elektrodenkatalysatorpartikeln oder einer Mischung eines Elektrodenkatalysatorpartikeln und Elektrolytpartikeln auf Fluorbasis auf die Oberfläche einer Elektrolytmembran, auf welcher Aussparungen und Vorsprünge vor der Behandlung, bei der dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, gebildet wurden, so dass ein Laminat erhalten wird; Erwärmen des Laminats, so dass sich die Elektrolytmembran derart an eine die Elektrodenkatalysatorpartikel umfassende die Elektrodenkatalysatorschicht bindet, dass sie mit derselben vereinigt wird; und Durchführen einer Behandlung, um einem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften zu verleihen.
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In der obigen Erfindung sind die verwendeten Elektrodenkatalysatorpartikel herkömmlich bekannte Elektrodenkatalysatorpartikel, in denen ein Katalysatorbestandteil wie Platin, von einem leitfähigen Träger wie Kohlenstoff getragen wird. Solche Partikel werden durch Bilden eines Elektrolytharzes auf Fluorbasis in Elektrolytpartikeln auf Fluorbasis erhalten. Die Partikelgröße derselben beträgt bevorzugt 100 μm oder weniger, stärker bevorzugt ungefähr 0,1 μm bis 50 μm und am stärksten bevorzugt 1 μm oder weniger.
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Gemäß dem obigen Verfahren zum Herstellen der Membran-Elektroden-Einheit wird das gebildete Laminat auf eine Temperatur erwärmt, die wenigstens ausreicht, um das Elektrolytharz auf Fluorbasis zu schmelzen. Die Erwärmungstemperatur beträgt ungefähr 200°C bis 270°C. Das Erwärmen kann durch ein beliebiges Verfahren durchgeführt werden. Dennoch ist ein Verfahren bevorzugt, worin das obige Laminat zwischen einem Paar von Wärmeplatten positioniert wird und das Erwärmen mit der von der von den Wärmeplatten erzeugten Wärme durchgeführt wird.
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Wenn ein Elektrolytharz auf Fluorbasis, das eine Elektrolytmembran bildet, und ein Elektrodenkatalysatorharz aufgebracht werden, werden die aufgebrachten Elektrolytpartikel auf Fluorbasis durch Erwärmen geschmolzen. Dann wirkt das geschmolzene Elektrolytharz auf Fluorbasis als Bindemittel und bindet daher an die aufgebrachten Elektrodenkatalysatorpartikel, so dass es mit ihnen vereinigt wird. Daher wird eine Membran-Elektroden-Einheit unter einer Bedingung erhalten, in der eine Elektrolytmembran, die auf ihrer Oberfläche gebildete Aussparungen und Vorsprünge aufweist, an eine Elektrodenkatalysatorpartikel umfassende Elektrodenkatalysatorschicht so gebunden, dass sie mit dieser vereinigt wird, während es keinen Spalt dazwischen gibt, oder es wenige, wenn überhaupt, Spalten dazwischen gibt. Dann wird die erhaltene Membran-Elektroden-Einheit einer Behandlung, wie Hydrolyse, unterzogen, um den Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften zu verleihen. Das resultierende Membran-Elektroden-Laminat weist einen erhöhten wirksamen Kontaktbereich zwischen der Elektrolytschicht und der Elektrodenkatalysatorschicht auf und weist ferner einen signifikant verminderten Grenzflächenwiderstand auf. Daher kann ein Membran-Elektroden-Laminat mit hoher Stromerzeugungswirksamkeit und einer langen Lebensdauer erhalten werden.
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Zusätzlich ist es offenbar möglich, eine Membran-Elektroden-Einheit durch Aufbringen einer herkömmlich bekannten Elektrodenkatalysatortinte auf die durch die vorliegende Erfindung hergestellte Elektrolytmembran, gefolgt von Trockenen, zu erhalten. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, die Elektrolytmembran der Behandlung, bei der dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften verliehen werden, wie Hydrolyse, vor Aufbringen der Elektrodenkatalysatortinte zu unterziehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Elektrolytmembran Aussparungen und Vorsprünge auf ihrer Oberfläche auf, so dass der wirksame Kontaktbereich zwischen der Oberfläche der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht erhöht werden kann. Ferner kann der zwischen der Oberfläche der Elektrolytmembran und der Elektrodenkatalysatorschicht erzeugte Grenzflächenwiderstand in der Membran-Elektroden-Einheit vermindert werden. Daher kann eine Membran-Elektroden-Einheit mit hoher Stromerzeugungsleistung erhalten werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist ein erläuterndes Diagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist.
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2 ist ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit der vorliegenden Erfindung unter Verwenden der hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran.
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4 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle.
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Erklärung der Bezugszeichen:
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- 1: Elektrolytmembran auf Fluorbasis als Ausgangsmaterial; 2a, 2b: auf der Elektrolytmembran gebildete Aussparungen und Vorsprünge; 3: Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung; 3A: verstärkte Elektrolytmembran der vorliegenden Erfindung; 4: poröse Verstärkungsmembran; 5, 8: Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis; 6: Laminat; 7: Elektrodenkatalysatorpartikel; 10a, 10b: Wärmeplatte; 11: Aussparungen und Vorsprünge einer Wärmeplatte; 12: Abschirmungswand; 13: Abschirmungsraum; 15: Vakuumpumpe; 21: Elektrodenkatalysatorschicht; und 20: Membran-Elektroden-Einheit.
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Beste Art zum Ausführen der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung basierend auf deren Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die 1 und 2 zeigen erläuternde Diagramme eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzellen-Elektrolytmembran. 3 ist ein erläuterndes Diagramm einer Ausführungsform der Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der hergestellten Brennstoffzellen-Elektrolytmembran.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform, die nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist, wird eine Elektrolytmembran auf Fluorbasis 1 (Dicke: ungefähr 25 μm bis 70 μm) als Ausgangsmaterial verwendet (1a). Die Elektrolytmembran 1 wird zwischen oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b, die jeweils Aussparungen und Vorsprünge 11 auf deren Oberfläche aufweisen, positioniert (1b). Die Elektrolytmembran 1 wird erwärmt und durch Senken der Wärmeplatte 10a gepresst (1c). Die Temperaturen der Wärmeplatten 10a und 10b betragen bevorzugt ungefähr 170°C bis 300°C.
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Die Tiefe einer auf jeder der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten Aussparung (oder die Höhe eines Vorsprungs) beträgt bevorzugt ungefähr einige Mikrometer bis mehrere zehn Mikrometer. Zusätzlich können Aussparungen und Vorsprünge auf einer kontinuierlich gebogenen Oberfläche gebildet werden oder können mit vielen konkaven Nuten gebildet werden. Wie in 1 gezeigt können viele säulenförmige Anteile gebildet werden. Wenn solche Aussparungen und Vorsprünge auf den Wärmeplatten 10a und 10b gebildet werden, können die Oberflächenbereiche der Platten auf die ungefähr vierfache Größe der Bereiche erhöht werden, als wenn die Platten flache Oberflächen aufweisen.
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Nach Aufrechterhalten der Erwärmungs- und Pressbedingungen für eine gewisse Zeitdauer, wird ein Abkühlen durchgeführt und dann werden die Platten 10a und 10b geöffnet. Entsprechend kann, wie schematisch in 1d gezeigt, die Elektrolytmembran 3 erhalten werden, welche Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf ihrer Oberfläche aufweist, die durch Überführen der auf jeder Oberfläche der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten Aussparungen und Vorsprünge 11, erhalten werden. Wenn Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 3 gebildet werden, kann deren wirksamer Oberflächenbereich erhöht werden, um größer als der der Original-Elektrolytmembran 1 zu sein. Zusätzlich werden auf der Oberfläche derselben gebildete Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b durch Erwärmen und Pressen der Elektrolytmembran auf Fluorbasis 1 gebildet. Daher werden solche Aussparungen und Vorsprünge in einem solchen Zustand fixiert.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform entspricht dem Fall der Herstellung einer verstärkten Elektrolytmembran 3A gemäß er vorliegenden Erfindung. Hierin wird eine herkömmliche bekannte poröse PTFE-Membran als poröse Verstärkungsmembran 4 verwendet. Zunächst werden, wie in 2a gezeigt, Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis 5, von denen jeder eine Partikelgröße von ungefähr 0,1 μm bis 50 μm aufweist, auf die Oberfläche der porösen Verstärkungsmembran 4 aufgebracht, so dass ein Laminat 6 (Dicke: D1) hergestellt wird. Das Laminat 6 wird zwischen oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b positioniert, von denen jede Aussparungen und Vorsprünge 11 auf ihren Oberflächen aufweist (2b).
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In dem obigen Beispiel kann die Position der oberen Wärmeplatte 10a im Mikrometerbereich durch einen einen Verstellmotor aufweisenden Steuermechanismus (nicht gezeigt) gesteuert werden. Zusätzlich wird der Raum zwischen der unteren Wärmeplatte 10b und der oberen Wärmeplatte 10a mit einer Abschirmungswand 12 bedeckt, so dass ein Abschirmraum 13 darin gebildet wird. Ferner wird eine auf dem Anteil der Abschirmwand 12 gebildete Öffnung 14 mit einer Vakuumpumpe 15 verbunden, so dass der Abschirmraum 13 drucklos gemacht werden kann.
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Die oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b werden auf eine Temperatur von ungefähr 170°C bis 300°C erwärmt. Ferner wird die Vakuumpumpe 15 so betrieben, dass der Abschirmraum 13 innerhalb der Abschirmwand 12 in einem drucklosen Zustand gehalten wird. Als Ergebnis der Druckherabsetzung wird die Entlüftung der inneren Poren der porösen Verstärkungsmembran 4 gefördert. Daher schreitet die Imprägnierung der Poren mit dem geschmolzenen Elektrolytharz (unten beschrieben) in einer kürzeren Zeitdauer fort.
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Die obere Wärmeplatte 10a wird durch Betreiben des Steuermechanismus gesenkt, bis der Abstand zwischen den oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b der Dicke des Laminats 6 (D1) entspricht. Als Ergebnis kommen die oberen und unteren Oberflächen des Laminats 6 in Kontakt mit den Oberflächen der Wärmeplatten 10a bzw. 10b. Das Erwärmen wird durchgeführt während ein solcher Zustand des Kontakts aufrechterhalten wird. Nachfolgend wird die Wärmeplatte 10a mehrere Mikrometer gesenkt und in einer solchen Position angehalten (2c). Entsprechend werden die Effekte, die von Unterschieden der Harzoberfläche herrühren, unterdrückt und Wärmeveränderungen innerhalb der Harzoberfläche werden ausgeglichen, so dass die Harzfluidität im Wesentlichen ohne Veränderungen der Dicke des Laminats 6 verbessert werden kann. Daher imprägnieren die geschmolzenen Elektrolytharzpartikel auf Fluorbasis 5 die poröse Verstärkungsmembran 4 einheitlich. Der Abschirmraum 13 innerhalb der Abschirmwand 12 ist in einer Umgebung verminderten Drucks und daher wird die Rate der Imprägnierung mit geschmolzenem Harz beschleunigt. Selbst wenn sich dieser Raum nicht in einer Umgebung mit reduziertem Druck befindet, kann die Vakuumpumpe 15 so lange angehalten werden, wie die Imprägnation mit geschmolzenem Harz gleichmäßig fortschreitet.
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Nach der Harzimprägnierung wird die obere Wärmeplatte 10a gesenkt, bis der obige Abstand D2 entspricht, was der Dicke der Elektrolytmembran 3A (zu erhalten) entspricht (2d). Daher werden Aussparungen und Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran durch Überführen der auf jeder Oberfläche der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten Aussparungen und Vorsprünge 11 gebildet. Nach Verstreichen einer gewissen Zeitdauer wird das Erwärmen der oberen und unteren Wärmeplatten 10a und 10b beendet, gefolgt von Abkühlen. Dann werden die Wärmeplatten 10a und 10b geöffnet. Entsprechend kann, wie schematisch in 2e gezeigt, eine verstärkte Elektrolytmembran erhalten werden, welche Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf ihrer Oberfläche aufweist, welche durch Überführen der auf jeder Oberfläche der Wärmeplatten 10a und 10b gebildeten Aussparungen und Vorsprünge 11 erhalten werden.
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Unter Verwenden der vorher genannten Elektrolytmembran 3 und der verstärkten Elektrolytmembran 3A kann eine Membran-Elektroden-Einheit durch ein herkömmlich bekanntes Verfahren hergestellt werden. In einem solchen Fall wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Elektrolytharz auf Fluorbasis mit einer guten Wärmestabilität als Elektrolytharz verwendet. Daher wird die Elektrolytmembran 3 (3A) einer Behandlung unterzogen, um den Elektrolytpolymer durch ein herkömmlich bekanntes Verfahren Ionenaustauscheigenschaften zu verleihen. Die Ionenaustauscheigenschaften werden durch Hydrolyse oder dergleichen verliehen. Dann wird z. B., wie in 1e als Beispiel gezeigt, eine Elektrodenkatalysatortinte, die einen Elektrodenkatalysator wie Platin tragenden Kohlenstoff umfasst, ein Elektrolytharz und ein Lösungsmittel auf die Elektrolytmembran 3 (3A) durch ein Siebdruckverfahren oder dergleichen aufgebracht, gefolgt von Trocknen. So werden eine anodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 21a und eine kathodenseitige Elektrodenkatalysatorschicht 21b gebildet. Entsprechend kann eine Membran-Elektroden-Einheit 20 erhalten werden. Hinsichtlich einer solchen Membran-Elektroden-Einheit 20 wird der effektive Oberflächenbereich der Elektrolytmembran 3 (3A) erhöht, da Aussparungen und Vorsprünge 2a und 2b auf der Oberfläche gebildet wurden. Daher ist es möglich, die wirksamen Kontaktbereiche zwischen der Elektrolytmembran 3 (3A) und den Elektrodenkatalysatorschichten 21a und 21b zu erhöhen. Somit kann eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer verbesserten Stromerzeugungsleistung erhalten werden.
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Ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Einheit unter Verwenden der obigen Elektrolytmembran 3 und der verstärkten Elektrolytmembran 3A wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Zusätzlich wird die Elektrolytmembran 3 in der unten stehenden Erklärung verwendet. Dasselbe gilt jedoch für die verstärkte Elektrolytmembran 3A. Zunächst werden Elektrodenkatalysatorpartikel 7 (gezeigt in 3a1) oder eine Mischung aus Elektrodenkatalysatorpartikeln 7 und Elektrolytpartikeln auf Fluorbasis 8 (gezeigt in 3a2) auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 3 aufgebracht, so dass ein Laminat 9 oder 9A mit der Dicke D3 erhalten wird.
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Wie in 3b gezeigt, wird das Laminat 9 (9A) zwischen den Wärmeplatten 30a und 30b positioniert, auf 170°C bis 300°C erwärmt und in dem erwärmten Zustand gehalten, vorausgesetzt, dass der Abstand zwischen den Wärmeplatten 30a und 30b als „h” bezeichnet wird (D3 – mehrere Mikrometer). Daher wird ermöglicht, dass das Elektrolytharz auf Fluorbasis im Wesentlichen ohne Veränderungen der Dicke des Laminats geschmolzen wird. Zusätzlich ist in dem Fall des Laminats 9, das zu schmelzende Elektrolytharz auf Fluorbasis in einem Anteil der Oberfläche des Elektrolytharzes auf Fluorbasis enthalten, das die Membran-Elektroden-Einheit 3 bildet. Im Fall des Laminats 9A ist das zu schmelzende Elektrolytharz auf Fluorbasis in sowohl dem Anteil auf der Oberfläche des die Membran-Elektroden-Einheit 3 bildenden Elektrolytharzes auf Fluorbasis, als auch in dem aufgebrachten Elektrolytpartikeln auf Fluorbasis 8 enthalten.
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Das geschmolzene Elektrolytharz auf Fluorbasis wirkt als Bindemittel und bindet daher so an die aufgebrachten Elektrodenkatalysatorpartikel 7, dass es mit ihnen vereinigt wird. Entsprechend bindet die Elektrolytmembran 3 (3A) mit auf ihrer Oberfläche gebildeten Aussparungen und Vorsprüngen so an die Elektrolytkatalysatorpartikel 7 umfassende Elektrolytkatalysatorschicht, dass sie damit im Wesentlichen ohne die Anwesenheit einer dazwischenliegenden Grenzfläche vereinigt wird. Nach Abkühlen werden die Wärmeplatten 30a und 30b geöffnet. Als Ergebnis kann eine Membran-Elektroden-Einheit 20A erhalten werden, welche durch Laminieren einer anodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 21a und einer kathodenseitigen Elektrodenkatalysatorschicht 21b auf beide Seiten der Elektrolytmembran 3 (schematisch in 3 gezeigt) gebildet wird, so dass sie mit ihnen zusammen vereinigt wird. Dann wird die Membran-Elektroden-Einheit einer Behandlung, wie Hydrolyse, unterzogen, um dem Elektrolytpolymer Ionenaustauscheigenschaften zu verleihen.
