CN101183715A - 制造燃料电池用的电极的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制造燃料电池用的电极的方法和设备，其中，微型催化剂粒子通过简单的制造处理均匀地分布。该电极制造方法包括：设置至少一个加热单元，用以加热材料；利用至少一个加热单元蒸发所述材料，用以产生催化剂粒子；以及使催化剂粒子供给并附着到碳载体上。该电极制造设备包括处理室；催化剂粒子发生器，该催化剂粒子发生器安装在处理室中、直接加热材料以产生催化剂粒子；以及传送装置，该传送装置用以传送设置在处理室中的碳载体。

Description

制造燃料电池用的电极的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种制造燃料电池的电极的方法和设备。具体而言，本发明涉及一种制造燃料电池的电极的方法和设备，其中，通过简单的制造处理使微型催化剂粒子均匀分布。

背景技术

燃料电池是一种将通过燃料气体和氧化气体之间的反应而产生的化学反应能量直接转化为电能的电能产生系统。根据使用的电解质的类型，可将燃料电池划分为熔融碳酸盐电极薄膜燃料电池(molten carbonateelectrode membrane fuel cell)，磷酸电极薄膜燃料电池(phosphoric acidelectrode membrane fuel cell)，碱性电极薄膜燃料电池，和聚合物电极薄膜燃料电池。这些燃料电池基本上基于相同的原理进行操作。然而，燃料电池包括不同种类的燃料，操作温度以及催化剂。

在它们中间，由于具有高输出密度和高能量转化率的聚合物电极薄膜燃料电池(PEMFC)可以在室温中被操作并且可被缩小，所以PEMFC被广泛地应用到诸如无污染汽车、家用电力发生系统、移动通讯设备、医疗器械和军用设备等不同领域中。

图1是原理地图解示出了使用氢气作为燃料的氢离子交换薄膜燃料电池的视图，该氢离子交换薄膜燃料电池是一种聚合物电极薄膜燃料电池。如图1所示，燃料电池构成为使氢离子交换薄膜1设置在阳极和阴极(以下称为气体扩散电极)之间的结构。

氢离子交换薄膜1由固体的聚合物电解质制成，并且气体扩散电极包括用以供给反应气体的支持物层2和3，和发生反应气体的氧化-还原反应的催化剂层4和5。催化剂层4和5主要由涂有诸如铂的金属催化剂的碳粉制成。碳粉用于扩大发应气体的反应面积，并且金属催化剂促进反应气体的氧化-还原反应。

制造该催化剂层的方法可划分为沉淀法或胶质法。美国专利文件4,186,110披露了一种使包括碳载体和注入水成氢氯铂酸的酸溶液的水的浆碱化、并添加诸如甲醛的还原剂使铂还原成液态的方法。日本专利申请公开文件2002-42825披露了一种将氢气添加到水成氢氯铂酸和聚丙烯酸的酸溶液中以形成通过碳载体载有胶态铂的胶态铂、并在氮气环境下去除聚丙烯酸酯的方法。

然而，尽管美国专利文件4,186,110中披露的方法具有制造处理相对简单的优点，但是其具有铂分布不均匀和粒子尺寸较大的缺点。日本专利申请公开文件2002-42825中披露的方法具有通过诸如聚丙烯酸的额外的碳酸而获得微型铂粒子的优点。然而，其具有由于去除注射的碳酸的额外步骤而造成制造处理复杂的缺点。

此外，上述传统方法利用含有铂的混合物制造金属催化剂，并因此具有获得纯金属催化剂的局限性。另外，通过该方法不易控制催化剂粒子的尺寸。

发明内容

因此，本发明的一方面是提供一种用于制造燃料电池用的电极的方法和设备，其中，通过简单的制造处理使微型催化剂粒子均匀地分布。

本发明的另一方面提供一种制造具有纯催化剂粒子的燃料电池用的电极的方法和设备。

本发明的又一方面提供一种制造燃料电池用的电极并易于控制催化剂粒子的尺寸的方法和设备。

本发明的其它方面和/或优点将在以下的说明中部分阐述，并且将从所述说明中部分地清楚呈现，或可在对本发明的实践中获悉。

本发明的前述和/或其他方面提供了一种用于制造具有催化剂支持物的燃料电池用的电极的方法，其中金属催化剂通过载体支持，所述方法包括以下步骤：设置至少一个加热单元，用以加热材料；利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料，用以产生催化剂粒子；以及使催化剂粒子供给并附着于碳载体。

根据本发明的一方面，设置至少一个加热单元以加热材料的步骤包括在水平和垂直方向上布置多个加热单元，并且利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料用以产生催化剂粒子的步骤包括直接加热所述材料的表面。

根据本发明的一方面，加热单元包括加热主体和加热元件，所述材料与所述加热主体相接触地位于所述加热主体上，所述加热元件埋在加热主体中以产生热。

根据本发明的一方面，碳载体包括碳布或碳纸，并且所述方法进一步包括步骤：传送所述碳布或碳纸。

根据本发明的一方面，该方法进一步包括步骤：利用流体发生源产生气体的流动，使当利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料以产生催化剂粒子时所产生的催化剂粒子，移动到所述碳载体上。

根据本发明的一方面，使催化剂粒子供给并附着于碳载体的步骤包括冷却所述碳载体。

根据本发明的一方面，所述材料为铂块，并且与所述材料相接触的所述加热主体的温度控制在大约1000℃和1700℃之间。

本发明的另一方面提供一种用于制造具有催化剂支持物的燃料电池用的电极的设备，其中金属催化剂通过载体支持，所述设备包括：处理室，所述处理室具有用以在其中执行处理的空间；催化剂粒子发生器，所述催化剂粒子发生器安装在所述处理室中、直接加热材料以产生催化剂粒子；以及传送装置，所述传送装置用以传送设置在所述处理室中的碳载体。

根据本发明的一方面，所述催化剂粒子发生器包括多个加热单元，所述加热单元中的每一个都包括加热主体和加热元件，所述材料与所述加热主体相接触地位于所述加热主体上，所述加热元件埋在所述加热主体中以产生热。

根据本发明的一方面，该设备进一步包括：流体发生源，所述流体发生源用以使通过催化剂粒子发生器产生的催化剂粒子移动至所述碳载体。

根据本发明的一方面，该设备进一步包括：支撑件，所述支撑件用以支持所述碳载体；以及冷却单元，所述冷却单元用以冷却所述支撑件。

根据本发明的一方面，所述传送装置包括供给滚筒和卷绕滚筒，将要供给至所述处理室的所述碳载体卷绕在所述供给滚筒上，涂有所述催化剂粒子的所述碳载体在所述处理室中卷绕在所述卷绕滚筒上。

附图说明

将从以下的实施例的说明中，参照附图使本发明的典型实施例的这些和/或其它方面和优点变得更显而易见并更易于理解，其中：

图1是原理地图解示出传统氢离子交换薄膜燃料电池的视图；

图2是图解示出根据本发明的一个实施例的制造燃料电池用的电极的方法的视图；

图3是沿A方向观察时的图2的视图；

图4是沿B方向观察时的图2的视图；

图5是图解示出根据本发明的另一实施例的制造燃料电池用的电极的方法的视图；以及

图6是图解示出根据本发明的一个实施例的制造燃料电池用的电极的设备的视图。

具体实施方式

现在将对本发明的典型实施例进行详细地说明，本发明的实例在附图中说明，其中全文相同的参考符号表示相同的元件。以下将通过参照附图描述实施例以说明本发明。

图2是图解示出根据本发明的一个实施例的制造燃料电池用的电极的方法的视图，图3是沿A方向观察时的图2的视图，图4是沿B方向观察时的图2的视图。图3和4忽略了流动产生源。

如图2-4所示，设置了使材料M加热和蒸发的至少一个加热单元10用以产生微型催化剂粒子P，并且产生的催化剂粒子P被供给至碳载体21，从而使催化剂粒子P附着于碳载体21，由此制造燃料电池用的电极。铂块Pt可被用作产生催化剂粒子的材料，并且可将碳布或碳纸用作支持催化剂粒子的碳载体21。以下，将说明用作碳载体的碳纸。

图2-4图解示出了将多个加热单元10布置在水平和垂直方向上的结构。当该加热单元10同时操作以产生催化剂粒子P时，具有较大面积的碳纸21可在短时间内被涂覆。因此，图解的结构适用于大规模生产。然而，还可以根据情况只设置一个加热单元10。

加热单元10与材料M接触直接加热材料M。因此，可以将材料M加热至材料M在短时间内蒸发的温度，由此降低能量消耗。当使用铂作为材料M时，优选将温度控制在加热单元10直接将材料M加热至大约1000℃和1700℃之间。当温度低于1000℃时，催化剂粒子不能良好地产生在铂的块表面处。当温度高于1700℃时，会过度地产生催化剂粒子，并且由于产生的粒子之间的碰撞使催化剂粒子的尺寸增加。

每一个加热单元10都包括：材料M位于其上的板形加热主体11，和埋在加热主体11中的加热元件12，该加热元件12用以在加热元件12通电时产生热。图4图解示出了由钨制成的电加热线用作加热元件的实例。电加热线12在与材料M相邻的位置处被弯成锯齿形。结果，电加热线12集中在与材料M相邻的位置处，由此使材料M在短时间内蒸发。电加热线12的相对端伸出并且连接至外部电源(未显示)，从而使电加热线12通电。

当电加热线12通电，并且因此，从电加热线12产生热时，位于加热主体11的材料M被直接加热并蒸发。通过低温的周围空气使蒸发的材料瞬间冷却，由此产生具有微型尺寸的催化剂粒子P。

由于通过流体发生源30所产生的气体的流动，所以产生的催化剂粒子P缓慢地向碳纸21移动。根据本发明的实施例，包括吹风扇和风扇电机的鼓风机用作流体发生源30。可选地，根据本发明的实施例，气泵或填充有增压气体的气箱也可用作流体发生源30。

如图2和4所示，碳纸21在与由流体发生源30引起的气体的流动方向交叉的方向上以固定的速度移动。因此，可以持续地为碳纸涂上催化剂粒子，而不需要用新碳纸替换已经完成催化剂涂覆处理的碳纸，从而提高了生产力。

当催化剂粒子P到达在一个方向上移动的碳纸21时，催化剂粒子P附着于组成碳纸21的碳粒子21a，从而完成催化剂支持物22，其中催化剂通过碳纸21支持。完成的催化剂支持物22被剪切为适当的尺寸，并在制造燃料电池用的电极时用作燃料电池用的电极的催化剂层。

图5是图解示出根据本发明的另一实施例的制造燃料电池用的电极的方法的视图。以下，将只说明本实施例的特征。

如图5所示，通过与碳纸21的一个表面相接触地支撑碳纸21的支撑件40冷却碳纸21。支撑件40连接至冷却单元50以使支撑件40冷却到低于室温的温度。根据本发明的一个实施例，支撑件40由具有高传导性的金属材料制成。并且，支撑件40包括流动孔41，从流体发生源30产生的气流通过该流动孔41。冷却单元50被构成为不同结构，只要冷却单元50可以在不干扰催化剂粒子P附着于碳纸21的情况下使支撑件40冷却。例如，可使用具有一个吸热侧连接至支撑件的珀耳帖效应(Peltier)元件。

利用冷却单元50使碳纸21维持在低于室温的温度的原因是：这样催化剂粒子P更平稳地移动并通过热迁移效应附着于碳纸21。特别是，当通过加热单元10加热材料M时，周围空气的温度上升到大约几百度。此时，当碳纸21被维持在低于室温的温度时，由于碳纸21和周围空气之间的温差，所以催化剂粒子P移动并且有效地附着于碳纸21。在该情况下，如图2示出的鼓风机可被忽略。

以下，将说明应用上述电极制造方法的用于制造燃料电池用的电极的设备。图6是图解示出根据本发明的一个实施例的制造燃料电池用的电极的设备的视图。

如图6所示，电极制造设备包括具有用于处理的空间的处理室100，直接加热并因此蒸发材料M以产生催化剂粒子P的催化剂粒子发生器110，用以传送在处理中使用的碳载体21的传送装置120，和用以使通过催化剂粒子发生器110产生的催化剂粒子P移动至碳载体21的流体发生源30。催化剂粒子发生器110包括在水平和垂直方向上布置的多个加热单元10。由于前边已对加热单元10进行了说明，并因此，将省略其进一步说明。并且，如前所述，包括吹风扇31的鼓风机30a可被用作流体发生源30。

通过输送管130使鼓风机30a的出口侧与处理室100的一侧相通。在该处理室100的另一侧形成排气口101。

因此，当操作鼓风机30a时，通过输送管130使气流引入到处理室100中，通过处理室100，并然后通过排气口101排出。

多孔板140相邻于输送管130设置在处理室100中，以使引入到处理室100中的空气流均匀地分散。多孔板140包括多个分散孔141，多个分散孔141形成为分散孔141的尺寸从面对输送管130的中心朝向缘部逐渐增加。加热单元10设置在多孔板140的下游侧。作为碳载体的碳纸21在空气流动的方向上与加热单元10隔开预定的距离。

碳纸21通过传送装置120在与空气流动方向交叉的方向上移动。传送装置120包括：供给滚筒121，要被供给至处理室100的碳纸卷绕在其上；卷绕滚筒122，在处理室100中涂有催化剂粒子的碳纸卷绕其上；和使卷绕滚筒122旋转的驱动发动机123。供给滚筒121设置在处理室100的外部一侧100a，和卷绕滚筒122设置在处理室100的外部另一侧100b。卷绕在供给滚筒121上的碳纸通过处理室100的一侧100a供给到处理室100中。涂有催化剂粒子的碳纸通过处理室100的另一侧100b排出处理室100，并且然后被卷绕在卷绕滚筒122上。

当鼓风机30a、加热单元10和传送装置120通电时，通过鼓风机30a产生的气流通过输送管130和多孔板140被供给至处理室100中。微型催化剂粒子通过加热单元10而产生。产生的催化剂粒子沿着气流移动并附着于碳纸21。此时，碳纸21在与空气流动方向交叉的方向上以固定的速度传送，并因此，持续地进行催化剂粒子涂覆处理。

在该实施例中，省略了如图5所示的支撑件和冷却单元。然而，支撑件和冷却单元也可以应用到该实施例，这样可以使催化剂粒子更有效地移动并通过热迁移效应附着于碳纸。

本发明的不同实施例都具有通过简单的处理和设备制造燃料电池用的电极，催化剂粒子均匀地分布在其中的效果。

并且，本发明的实施例具有利用物理方式代替相对难控制的化学方式而产生催化剂粒子的作用，由此易于控制催化剂粒子的尺寸。特别是，只通过控制加热材料时的温度控制催化剂粒子的尺寸。

并且，本发明的实施例具有直接蒸发金属块以形成纯催化剂粒子并从而形成催化剂层的作用，由此改善电极的反应效率。

另外，本发明的实施例具有实现连续处理的作用，因此本发明适用于大规模生产。

尽管已经示出并说了本发明的实施例，然而本领域普通技术人员将认识到的是，在不背离本发明的原理和精神的情况下可以对此实施例进行变更，本发明的范围由权利要求及其等效形式所限定。

Claims (24)

1.一种用于制造具有催化剂支持物的燃料电池用的电极的方法，其中金属催化剂通过载体支持，所述方法包括步骤：

设置至少一个加热单元，用以加热材料；

利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料，用以产生催化剂粒子；以及

使所产生的催化剂粒子供给并附着于碳载体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述设置至少一个加热单元以加热材料的步骤包括在水平和垂直方向上布置多个加热单元。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括步骤：同时操作加热单元以产生催化剂粒子，以由此涂覆所述碳载体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料用以产生催化剂粒子的步骤包括直接加热所述材料的表面。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述加热单元包括加热主体和加热元件，所述材料与所述加热主体相接触地位于所述加热主体上，所述加热元件埋在所述加热主体中以产生热。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳载体包括碳布或碳纸，并且所述方法进一步包括步骤：

传送所述碳布或碳纸。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

利用流体发生源产生气体的流动，使当利用所述至少一个加热单元蒸发所述材料以产生催化剂粒子时所产生的催化剂粒子，移动到所述碳载体上流体发生源。

8.根据权利要求1所述的方法，其中使所产生的催化剂粒子供给并附着于碳载体的步骤包括冷却所述碳载体。

9.根据权利要求5所述的方法，其中所述材料包括铂块。

10.根据权利要求9所述的方法，其中与所述材料相接触的所述加热主体的温度控制在大约1000℃和1700℃之间。

11.一种用于制造具有催化剂支持物的燃料电池用的电极的设备，其中金属催化剂通过载体支持，所述设备包括：

处理室；

安装在所述处理室中的催化剂粒子发生器，所述催化剂粒子发生器直接加热材料以产生催化剂粒子；以及

传送装置，所述传送装置用以传送设置在所述处理室中的碳载体。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述催化剂粒子发生器包括多个加热单元，所述加热单元中的每一个都包括加热主体和加热元件，所述材料与所述加热主体相接触地位于所述加热主体上，所述加热元件埋在所述加热主体中以产生热。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述每一个加热单元中的加热主体为板形，并且所述加热元件是在与所述材料相邻的位置处被弯成锯齿形的加热线。

14.根据权利要求11所述的设备，进一步包括：

流体发生源，所述流体发生源用以使通过催化剂粒子发生器产生的催化剂粒子移动至所述碳载体。

15.根据权利要求11所述的设备，进一步包括：

支撑件，所述支撑件用以支持所述碳载体；以及

冷却单元，所述冷却单元用以冷却所述支撑件。

16.根据权利要求11所述的设备，其中所述传送装置包括供给滚筒和卷绕滚筒，其中将要供给至所述处理室的所述碳载体卷绕在所述供给滚筒上，涂有所述催化剂粒子的所述碳载体在所述处理室中卷绕在所述卷绕滚筒上。

17.根据权利要求14所述的设备，其中所述流体发生源包括鼓风机，所述鼓风机包括吹风扇和风扇电机。

18.根据权利要求14所述的设备，其中所述流体发生源是气泵或填充有增压气体的气箱。

19.根据权利要求17所述的设备，其中所述鼓风机通过输送管与所述处理室的一侧相通，并且在所述处理室的另一侧形成排气口，从而当所速鼓风机操作时，气流通过所述输送管被引入所述处理室中，并通过所述处理室，然后通过所述排气口排出。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述处理室进一步包括设置在其中的多孔板，用以使引入到所述处理室中的气流均匀地分散，其中所述多孔板包括多个分散孔。

21.根据权利要求20所述的设备，其中所述分散孔被形成为所述分散孔的尺寸从面对所述输送管的中心朝向缘部逐渐增加，并且所述加热单元设置在所述多孔板的下游侧。

22.根据权利要求21所述的设备，其中所述碳载体在空气的流动方向上与所述加热单元隔开预定的距离，并且所述碳载体通过所述传送装置沿与所述空气流动方向交叉的方向移动。

23.根据权利要求22所述的设备，其中当所述鼓风机、所述加热单元和所述传送装置通电时，通过所述输送管和所述多孔板使通过所述鼓风机产生的气流供给到所述处理室中，并且通过加热单元产生微型催化剂粒子，所产生的催化剂粒子沿气流移动并附着到所述碳载体上。

24.根据权利要求14所述的设备，其中所述碳载体在与所述流体发生源产生的空气的流动方向交叉的方向上以固定的速度传送，从而连续地执行催化剂层涂覆处理。

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