CN100456537C - 形成燃料电池膜电极接合体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种制造燃料电池膜电极接合体的系统，该系统包括：催化剂溶液预热装置，携带气体预热器，阴极催化剂溶液喷嘴和阳极催化剂溶液喷嘴。催化剂溶液预热装置预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液。携带气体预热器预热携带气体。阴极催化剂溶液喷嘴被供应的是由催化剂溶液预热装置预热的阴极催化剂溶液和由携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阴极催化剂溶液。阳极催化剂溶液喷嘴被供应的是由催化剂溶液预热装置预热的阳极催化剂溶液和由携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阳极催化剂溶液。

Description

形成燃料电池膜电极接合体的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种制造燃料电池膜电极接合体(MEA)的系统。
背景技术
燃料电池是利用氢和氧的氧化还原反应过程中产生的电子来产生电能的装置。燃料电池的单元电池是通过在高聚合物制成的电解质膜两侧涂上阴极和阳极形成的，且通常被称为膜电极接合体。氢或者甲醇作为燃料提供给阳极，发生反应产生氢离子，且氢通过高聚合电解质膜时和阴极的氧发生反应，从而产生纯水。这些反应发生在膜电极接合体内，膜电极接合体是通过在高聚合膜两侧涂上阳极催化剂材料(典型的，Pt或者Pt/Ru)层和阴极催化剂材料(典型的，Pt)层制成的。
一种已知的制造膜电极接合体的方法为：通过混合催化剂材料，质子传导粘合材料，及水或者醇族溶剂制成糊料，制成的糊料涂在碳布或者碳纸上，且涂有糊料的碳布或者碳纸通过热压制制成质子传导电解质膜。这种方法是一种非直接涂层方法，它有以下问题：由于当催化剂材料涂在多孔的碳布或者碳纸表面时没有散布成均匀的厚度，而是渗透进多孔的碳布和碳纸内，当运转膜电极接合体时催化剂的使用率就降低了，从而整体性能下降。另外，已经形成的电极层是被二次热压制在质子传导层之上，制造过程变得复杂，且电解质材料和催化剂层的分界表面形成得不连续。
此外，另一种制造膜电极接合体的方法为：通过混合催化剂材料，质子传导粘合材料，及水或者醇族溶剂形成电极糊料，且通过直接转移涂层方法，如丝网印刷方法，涂在质子传导电解质膜的表面。尽管该效仿了一般的印刷制造过程的方法有利于形成图案和适于大规模生产，但当水或者醇族溶剂开始接触到高聚合电解质膜时，在高聚合电解质膜的体积向所有方向增大之处可能会有膨胀现象出现，因此，难以获得均匀的涂层，催化剂溶液损失增加，而且难于控制溶液的粘度。
另一种制造膜电极接合体的方法，湿式方法：通过混合催化剂材料，质子传导粘合材料，大量的水或者醇族溶剂制成一种浆状溶液，且使用喷涂设备把该浆状溶液喷涂在气体扩散层或者高聚合电解质膜上形成催化剂层。同样，还有一种干式方法：不使用溶剂，把催化剂材料和质子传导粘合材料混合，利用静电引力注入催化剂材料和质子传导粘合材料的混合物来形成催化剂层。这些方法的优点在于分界面连续，且由于通过直接涂层方法在气体扩散层或者高聚合电解质膜上形成一个薄的催化剂层，所以催化剂的使用率提高了。
然而，在湿式方法中，尽管大量溶剂的使用使催化剂材料和质子传导材料可以均匀地混合，但仍有一个缺点：当直接在膜上进行涂层时，由于膜的膨胀难于获得均匀的涂层。另外，在干式方法中，有一个问题：由于膜是绝缘体，因此利用静电引力难于进行涂层，也难于均匀地混合催化剂粒子和质子传导粘合材料。
因此，需要一种制造膜电极接合体的新系统，其中，通过将催化剂溶液均匀地喷涂到高聚合层上形成均匀的催化剂层以提高燃料电池的性能并且使得膜的大规模生产成为可能。
发明内容
本发明旨在解决前述的问题，本发明的目的在于提供一种制造燃料电池膜电极接合体的系统和方法，通过采用预热携带气体和催化剂溶液的装置，它能增加催化剂层均匀性并将高聚合电解质膜膨胀现象减到最小。
根据本发明的一个实施例，制造燃料电池膜电极接合体的系统包括：催化剂溶液预热装置，携带气体预热器，阴极催化剂溶液喷嘴和阳极催化剂溶液喷嘴。催化剂溶液预热装置预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液。携带气体预热器预热携带气体。阴极催化剂溶液喷嘴被供应的是催化剂溶液预热装置预热的阴极催化剂溶液和携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阴极催化剂溶液。阳极催化剂溶液喷嘴被供应的是催化剂溶液预热装置预热的阳极催化剂溶液和携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阳极催化剂溶液。
催化剂溶液预热装置可以在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下加热阴极催化剂溶液，在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下加热阳极催化剂溶液，其中BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点，BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
催化剂溶液预热装置可以包括预热阴极催化剂溶液的阴极催化剂溶液预热器和预热阳极催化剂溶液的阳极催化剂溶液预热器。
阴极催化剂溶液预热器可以在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下加热阴极催化剂溶液，其中BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点。
阳极催化剂溶液预热器可以在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下加热阳极催化剂溶液，其中BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
阴极和阳极催化剂溶液喷嘴可以交替喷涂催化剂溶液，且当阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中的一个喷涂催化剂溶液时，携带气体可以被提供给另一个喷嘴。
携带气体预热器可以在高于阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液沸点的温度下加热携带气体。
携带气体可以是氩，氦，氮和空气的一种。
根据本发明的一个实施例，制造燃料电池膜电极接合体的方法包括：预热阴极催化剂溶液，预热阳极催化剂溶液，预热携带气体，利用预热的携带气体通过阴极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阴极催化剂溶液，以及利用预热的携带气体通过阳极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阳极催化剂溶液。
喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液可以交替进行，且当喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液其中之一正在进行时，携带气体可以被提供给阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中没有正在喷涂催化剂溶液的一个。
在预热阴极催化剂溶液时，阴极催化剂溶液可以在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下被加热，其中BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点。
在预热阳极催化剂溶液时，阳极催化剂溶液可以在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下被加热，其中BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
在预热携带气体的时，携带气体可以在高于阴极和阳极催化剂溶液沸点的温度下被加热。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的用于制造燃料电池膜电极接合体的系统的示意图；
图2和图3比较地显示了根据本发明一实施例的用于制造燃料电池膜电极接合体的系统与传统系统所制造的膜电极接合体的电压和功率特性。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明的实施例进行描述。
参照图1，根据本发明的实施例的用于制造燃料电池膜电极接合体的系统包括：预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液的催化剂溶液预热装置10。
催化剂溶液预热装置10被供应的是分别来自于阴极催化剂溶液存储容器11和阳极催化剂溶液存储容器15的阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液，预热被供应的溶液并排出预热的溶液。
在本实施例中，催化剂溶液预热装置10包括：预热阴极催化剂溶液的阴极催化剂溶液预热器13和预热阳极催化剂溶液的阳极催化剂溶液预热器17。然而，催化剂溶液预热装置10可以实现成一个被配置为分别预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液的单独的预热器。
阴极催化剂溶液预热器13被供应的是来自于阴极催化剂溶液存储容器11的阴极催化剂溶液并预热被供应的阴极催化剂溶液。阴极催化剂溶液是一种通过混合阴极催化剂材料与溶剂形成或者通过分散阴极催化剂材料到溶剂中形成的阴极催化剂材料的溶液，且用于形成燃料电池膜电极接合体的阴极。例如，阴极催化剂溶液可以是一种已知的阴极催化剂溶液。
阳极催化剂溶液预热器17被供应的是来自于阳极催化剂溶液存储容器15的阳极催化剂溶液并预热被供应的阳极催化剂溶液。阳极催化剂溶液是一种通过混合阳极催化剂材料与溶剂形成或者通过分散阳极催化剂材料到溶剂中形成的阳极催化剂材料的溶液，且用于形成燃料电池膜电极接合体的阳极。例如，阳极催化剂溶液可以是一种已知的阳极催化剂溶液。
阴极和阳极催化剂溶液预热器13和17可以用已知的预热器实现。
阴极和阳极催化剂溶液预热器13和17可以在低于阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液的溶剂沸点的温度下分别预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液。用于催化剂溶液的溶剂可以是水或者醇族溶剂，醇族溶剂可以是甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、2-丁醇、异丁醇等。阴极和阳极催化剂溶液预热器13和17可以范围为在催化剂溶液的溶剂沸点的60％到95％的温度下预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液，即在0.6×BP到0.95×BP的范围内，其中BP是催化剂溶液的溶剂的沸点。如果在低于0.6×BP的温度下预热催化剂溶液，就不能达到充分的预热效果，且如果在高于0.95×BP的温度下预热催化剂溶液，溶剂可能就会蒸发从而催化剂材料可能堵塞喷嘴的出口通道。
被阴极催化剂溶液预热器13预热的阴极催化剂溶液被供应给阴极催化剂溶液喷嘴19，且被阳极催化剂溶液预热器17预热的阳极催化剂溶液被供应给阳极催化剂溶液喷嘴21。
携带气体预热器33被供应的是来自于携带气体存储容器31的携带气体并预热被供应的携带气体。携带气体是操作阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21的气体，例如，它可以是氩(Ar)、氦(He)、氮(N2)或者空气。
携带气体预热器33可以在高于催化剂溶液的溶剂沸点的温度下预热携带气体，以便携带气体可以在喷涂催化剂溶液的同时蒸发催化剂溶液的溶剂。例如，携带气体预热器33可以在高于或者等于相应于催化剂溶液的溶剂的沸点(BP)的110％的温度下预热携带气体，即1.1×BP。由于携带气体是在高于催化剂溶液的溶剂沸点的温度下被携带气体预热器33预热的，因此在催化剂溶液的溶剂被携带气体的热量蒸发之后，催化剂材料可以被喷涂在高聚合电解质膜1上。
被携带气体预热器33预热的携带气体被供应给阴极催化剂溶液喷嘴19和阳极催化剂溶液喷嘴21。
例如，阴极催化剂溶液预热器13、阳极催化剂溶液预热器17和携带气体预热器31可以作为已知的预热器实现。
阴极催化剂溶液喷嘴19被供应的是阴极催化剂溶液预热器13预热的阴极催化剂溶液和携带气体预热器33预热的携带气体，并被配置来喷涂被提供阴极催化剂溶液。
阳极催化剂溶液喷嘴21被供应的是阳极催化剂溶液预热器17预热的阳极催化剂溶液和携带气体预热器33预热的携带气体，并被配置来喷涂被提供的阳极催化剂溶液。
阴极催化剂溶液喷嘴19喷出的阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液喷嘴21喷出的阳极催化剂溶液分别在布置在模框3之间的高聚合电解质膜1的两侧形成涂层。因此，在其内部电解质膜两侧形成了阴极和阳极的膜电极接合体就形成了。
根据本发明的一个实施例，由于阴极催化剂溶液，阳极催化剂溶液和携带气体在被分别预热后供应给喷嘴，接着预热后的溶液被喷出，催化剂层形成得更加均匀且电解质膜的膨胀现象可以减到最少。
图2和图3比较地显示了根据本发明一实施例的用于制造燃料电池膜电极接合体的系统与传统系统所制造的膜电极接合体的电压(V)和功率(Watt)特性。
在图2和图3中，连接“●”和“▲”的曲线表明了电流密度A/cm2和功率密度watt/cm2之间的关系，图连接“○”和“△”的曲线表明了电流密度A/cm2和电池电压V之间的关系。而且，在图2中，“●”和“○”涉及到根据本发明一实施例的系统制造的CCM(涂有催化剂的膜)类型膜电极接合体的数据，“▲”和“△”涉及到传统系统制造的CCM类型膜电极接合体的数据。另外，在图3中，“●”和“○”涉及根据本发明一实施例的系统制造的催化剂被涂在GDL(气体扩散层)上的这种类型的膜电极接合体的数据，“▲”和“△”涉及传统系统制造的催化剂被涂在GDL上的这种类型的膜电极接合体的数据。
如本领域中众所周知的，其优点在于，电压和功率密度随着电流密度的增加而减小的数量是细小的。参见图2和图3，根据本发明实施例的系统制造的膜电极接合体内电压和功率密度随着电流密度增加而减小的数量小于传统系统制造的膜电极接合体的量，特别地，在电流密度相对高的区域，电压和功率密度减小的量的差相对较大。据此，根据本发明实施例的系统和方法制成的膜电极接合体，即通过喷涂预热的催化剂溶液制成的膜电极接合体，具有良好的电压和功率密度特性，尤其是与传统系统制成的膜电极接合体相比，其在高电流密度区域具有特别好的电压和功率密度特性。
更详细地，由于进行了预热过程，在喷涂过程中至少部分催化剂溶液的溶剂可以被去除，已经被干燥到一定程度的催化剂材料涂在高聚合电解质膜或者气体扩散层的表面。据此，起因于溶剂的高聚合电解质膜或者气体扩散层的收缩就会减少，因此催化剂溶液可以涂得更均匀。更进一步，随着溶剂量的减少，催化剂颗粒被溶剂粘在一起的现象相当大地减少了。另外，如果干燥后的催化剂颗粒被涂在高聚合电解质膜或者气体扩散层上，催化剂颗粒之间可以存在充分的空隙从而可以提高材料转换特性。再进一步，由于干燥后的催化剂材料被喷涂在气体扩散层上，可以使随着溶剂渗透进气体扩散层的催化剂材料减到最小，以便催化剂的使用率增大且获得良好的电压和功率特性。
阴极催化剂溶液喷嘴19被安装在输送装置25上，且输送装置25在至少一个方向上输送阴极催化剂溶液喷嘴19，这样阴极催化剂溶液喷嘴19可以将阴极催化剂溶液均匀地喷涂于高聚合电解质膜1上。对于输送装置25的这样一个操作，输送装置25可以安装在框架23上。
相似地，阳极催化剂溶液喷嘴21被安装在输送装置29上，且输送装置29在至少一个方向上输送阳极催化剂溶液喷嘴21，这样阳极催化剂溶液喷嘴21可以将阳极催化剂溶液均匀地喷涂于高聚合电解质膜1上。对于输送装置29的这样一个操作，输送装置29可以安装在框架27上。
输送装置25和29的操作可以由预先输入的程序控制，且存储和执行预先输入的程序的控制单元(未图示)可以在输送装置25和29内部或者在输送装置25和29外部。
在本发明的实施例中，阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21交替地喷涂催化剂溶液。在此时，当阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21其中一个正在喷涂催化剂溶液时，携带气体被供应给另一个喷嘴。据此，当阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21其中一个正在喷涂催化剂溶液时，另一个喷嘴被预热的携带气体干燥。因此，可以更加有效地喷涂催化剂溶液且被喷涂的催化剂溶液可以形成均匀的涂层。
阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21的这些操作可以由预先输入的程序控制，且存储和执行预先输入的程序的控制单元可以在阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21内部或者在阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21外部。
控制单元可以包括微处理器，存储器和其他可以被本领域技术人员理解的必备的硬件和软件成分，以使控制单元能够执行在此描述的控制功能。
另外，用于控制输送装置25和29的控制单元和用于控制阴极和阳极催化剂溶液喷嘴19和21的控制单元可以作为一个单元实现。
同时，根据本发明实施例的制造燃料电池膜电极接合体的方法可以由根据本发明实施例的制造燃料电池膜电极接合体的系统执行。
根据本发明实施例的制造膜电极接合体的方法包括：预热阴极催化剂溶液，预热阳极催化剂溶液，预热携带气体，利用预热的携带气体通过阴极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阴极催化剂溶液，及利用预热的携带气体通过阳极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阳极催化剂溶液。
喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液被交替进行，且当喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液其中之一正在进行时，携带气体被供应给阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中没有正在喷涂催化剂溶液的一个。
虽然本发明结合最有实用性的实施例进行描述，但是可以理解本发明并不限于所公开的实施例，相反地，意指覆盖包括所附权利要求的宗旨和范围内的各种修改和等同部署。
整个说明书和权利要求中，除非明确进行相反描述，否则词语“包括”，或者其变形应理解为意指包括所述的组分但不排除其他组分。
根据本发明的实施例，因为阴极催化剂溶液，阳极催化剂溶液，及携带气体是在预热被供应给喷嘴的，所以催化剂层可以形成得更加均匀且高聚合电解质膜的膨胀现象可以被最少化。此外，因为喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液是交替进行的，且当喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液之一正在进行时，携带气体被供应给阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中没有正在喷涂催化剂溶液的一个，催化剂层可以形成得更加均匀。

Claims (12)

1、一种用于制造燃料电池膜电极接合体的系统，包括：
预热阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液的催化剂溶液预热装置；
预热携带气体的携带气体预热器，其中携带气体是氩，氦，氮或空气；
阴极催化剂溶液喷嘴，其被供应由催化剂溶液预热装置预热的阴极催化剂溶液和由携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阴极催化剂溶液；及
阳极催化剂溶液喷嘴，其被供应由催化剂溶液预热装置预热的阳极催化剂溶液和由携带气体预热器预热的携带气体，并被配置来喷涂被供应的阳极催化剂溶液。
2、如权利要求1所述的系统，其中催化剂溶液预热装置在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下加热阴极催化剂溶液，在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下加热阳极催化剂溶液，这里BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点，而BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
3、如权利要求1所述的系统，其中催化剂溶液预热装置包括：
预热阴极催化剂溶液的阴极催化剂溶液预热器；及
预热阳极催化剂溶液的阳极催化剂溶液预热器。
4、如权利要求3所述的系统，其中阴极催化剂溶液预热器在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下加热阴极催化剂溶液，这里BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点。
5、如权利要求3所述的系统，其中阳极催化剂溶液预热器在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下加热阳极催化剂溶液，这里BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
6、如权利要求1所述的系统，其中阴极和阳极催化剂溶液喷嘴交替地喷涂催化剂溶液，并且其中当阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中的一个喷涂催化剂溶液时，携带气体被供应给另一个喷嘴。
7、如权利要求1所述的系统，其中携带气体预热器在高于阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液沸点的温度下加热携带气体。
8、一种用于制造燃料电池膜电极接合体的方法，包括：
预热阴极催化剂溶液；
预热阳极催化剂溶液；
预热携带气体，其中携带气体是氩，氦，氮或空气；
利用预热的携带气体通过阴极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阴极催化剂溶液；及
利用预热的携带气体通过阳极催化剂溶液喷嘴喷涂预热的阳极催化剂溶液。
9、如权利要求8所述的方法，其中喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液交替进行，并且其中当喷涂预热的阴极催化剂溶液和喷涂预热的阳极催化剂溶液其中之一正在进行时，携带气体被供应给阴极和阳极催化剂溶液喷嘴中没有正在喷涂催化剂溶液的一个。
10、如权利要求8所述的方法，其中在预热阴极催化剂溶液时，阴极催化剂溶液在范围为0.6×BPC到0.95×BPC的温度下被加热，这里BPC是阴极催化剂溶液的溶剂的沸点。
11、如权利要求8所述的方法，其中在预热阳极催化剂溶液时，阳极催化剂溶液在范围为0.6×BPA到0.95×BPA的温度下被加热，这里BPA是阳极催化剂溶液的溶剂的沸点。
12、如权利要求8所述的方法，其中在预热携带气体时，携带气体在高于阴极催化剂溶液和阳极催化剂溶液的沸点的温度下被加热。
CNB2005800072244A 2004-05-13 2005-05-13 形成燃料电池膜电极接合体的系统和方法 Active CN100456537C (zh)

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