CN101288191A - 使用掩膜制备催化剂涂覆的膜的方法 - Google Patents

使用掩膜制备催化剂涂覆的膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的是一种制备催化剂涂覆的膜的方法，通过该方法制备的催化剂涂覆的膜以及包括通过该方法制备的催化剂涂覆膜的燃料电池。所述方法包括如下步骤：(a)制备一种掩膜，该掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且该掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案；(b)将所述掩膜附着于电解质膜的一面或两面；(c)通过掩膜的图案在电解质膜上涂覆催化剂墨水，以形成催化剂层；以及(d)去除掩蔽膜层和第一粘合剂层。

Description

使用掩膜制备催化剂涂覆的膜的方法
技术领域
本发明涉及一种使用掩膜制备催化剂涂覆的膜的方法和一种包括通过所述方法制备的催化剂涂覆的膜的燃料电池。
背景技术
燃料电池是通过使用氢气或甲醛作为燃料并用氧气或空气作为氧化剂，利用氧化-还原反应中产生的电子产生电的器件。
这种燃料电池具有在聚合物制成的电解质膜的两侧形成阳极和阴极的结构。该结构称为膜电极组件(MEA)。将氢气或甲醇作为燃料提供给阳极并在电极催化剂上反应产生氢离子H+，同时穿过聚合物电解质膜的氢离子H+与阴极的氧耦合从而生成纯水。
对于燃料电池，在聚合物电解质膜上形成阳极和阴极的方法可以分成两类。
第一，可以通过在气体扩散层，即，具有孔隙的碳纸或碳布上涂覆催化剂墨水而在气体扩散层上形成电极。然后，通过加热和挤压电解质膜和涂覆在电极上的气体扩散层制造膜电极组件。以这种方法制造的膜电极组件缺少电解质膜与催化剂层的接触，从而引起界面电阻(interfacial resistance)的增加。
第二，将催化剂墨水涂覆在膜的表面从而在电解质膜上形成电极。与第一种方法相比，在该方法中，电解质膜和催化剂层的离子接触更稳固，从而改善了燃料电池的功率。但是，此方法使制造燃料电池变得困难。为将催化剂墨水涂覆在膜表面已经开发了如喷涂、涂装(painting)、区块涂覆(patch coating)和筛网印刷的多种方法。但是，这些方法使制造燃料电池的速度变慢。在制造燃料电池的过程中，催化剂墨水中的大量溶剂可以引起膜的膨胀，从而改变膜的尺寸。因此，制造理想的电极可能是困难的。
另一方面，为了更方便地处理产品并防止对膜的损伤，可以将一种或多种保护膜层加在催化剂涂覆膜上。由于在催化剂涂覆的膜中其上面未涂覆催化剂而暴露的聚合物电解质膜区域可以吸收大气中的湿气并膨胀，当将使用催化剂涂覆膜的膜电极组件用于电堆(stack)时，则难以组装电堆。因此，在膜的暴露部分涂覆保护膜层以增加由催化剂涂覆的膜制成的膜电极组件的机械稳定性，从而防止对膜的损伤并使电堆组装变得容易。
根据常规技术，需要分开的处理过程来解决上述问题。具体而言，在聚合物电解质膜的两面均形成催化剂层。然后，通过加热和挤压保护膜将保护膜结合到膜的暴露部分，或者通过粘合剂将其与膜粘合。但是，由于常规技术需要例如催化剂涂覆处理和保护膜涂覆处理等的多种处理方法，花费大量时间进行处理成了问题。
发明内容
技术问题
因此，为解决在现有技术中出现的上述问题进行了本发明，本发明的一个目的是提供一种制备催化剂涂覆的膜的方法，其中掩膜附着于电解质膜上，所述掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，并将催化剂涂覆在电解质膜上，从而防止了由于在膜上需要的部分涂覆催化剂引起的电解质膜的膨胀。
本发明的另一个目的是提供一种制备催化剂涂覆的膜的方法，其中通过使用掩膜可以将催化剂涂覆到膜上需要的区域，该掩膜另外包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层，从而防止在涂覆催化剂过程中可能引起的电解质膜的膨胀，并且在其上面没有涂覆催化剂的电解质膜的暴露部分方便地形成保护膜层，而无需涂覆保护膜的单独的处理。
本发明的仍另一目的是提供一种通过所述方法制备的催化剂涂覆的膜，以及包括用该方法制备的催化剂涂覆的膜的燃料电池。
技术方案
为实现本发明的这些目的，根据本发明的一个技术方案，提供了制备催化剂涂覆的膜的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)制备一种掩膜，该掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且该掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案；
(b)将所述掩膜附着于电解质膜的一面或两面；
(c)通过掩膜的图案在电解质膜上涂覆催化剂墨水，以形成催化剂层；以及
(d)去除掩蔽膜层和第一粘合剂层。
在上述方法中，所述掩膜可以另外包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
为实现本发明的这些目的，根据本发明的另一个技术方案，提供了用所述方法制备的催化剂涂覆的膜以及包括用所述方法制备的催化剂涂覆的膜的燃料电池。
为实现本发明的这些目的，根据本发明的又一个技术方案，提供了用于电解质膜的催化剂涂覆的掩膜，所述掩膜包括：掩蔽膜层；和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，其中该掩膜可以附着到电解质膜上，并防止电解质膜膨胀。在该掩膜中，可以包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
为实现本发明的这些目的，根据本发明的又一个技术方案，提供了用于电解质膜的催化剂涂覆的复合结构，该复合结构包括：电解质膜；以及掩膜，所述掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，其中，所述掩膜附着于电解质膜的一面或两面。
在所述集合体中，掩膜可以另外包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
附图说明
当结合附图，通过以下详细描述，本发明前述和其他的目的、特点和优点将变得更加明显，在附图中：
图1为示例根据本发明的一个实施方案制备催化剂涂覆膜的方法的图；
图2为示例根据本发明的另一个实施方案制备催化剂涂覆膜的方法的图，其中，该催化剂涂覆膜包括保护膜层；
图3为显示根据本发明的第一实施方案制备的催化剂涂覆膜的照片；
图4为显示根据本发明的第二实施方案制备的包括保护膜层的催化剂涂覆膜的照片；
图5为示例根据本发明的第三实施方案制造的PEMFC中单元电池(unit cell)的电压随电流密度改变的图；以及
图6为示例根据本发明的第四实施方案制造的PEMFC中单元电池的电压随电流密度改变的图。
具体实施方式
以下，将参考附图详细描述本发明。
通常，当将催化剂墨水直接涂覆在电解质膜上时，由于催化剂墨水中的溶剂电解质膜膨胀，并从而使膜的尺寸改变，导致不规则的催化剂涂层。结果，制造理想的电极是困难的。因此，为防止在将催化剂涂覆在膜上时电解质膜的膨胀，对电解质膜使用单独的支撑物。
但是，在根据本发明制备催化剂涂覆的膜的方法中，由于将包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并选择性地包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层的掩膜附着到电解质膜上，并然后将催化剂涂覆在电解质膜上，因此在不需要用于电解质膜的单独支撑物的情况下可以防止电解质膜的膨胀。具体而言，用于制备本发明的催化剂涂覆膜的掩膜起到了电解质膜支撑物以及单纯掩膜的作用。
因此，本发明的掩膜用于将催化剂涂覆在电解质膜上并且是通过将第一粘合剂层层压在掩蔽膜上形成的，其可以附着于电解质膜上并防止电解质膜膨胀。此外，在本发明的掩膜中可以包括依次层压在第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案。
具体而言，当将催化剂涂覆在电解质膜上时，本发明的掩膜起到了掩膜的作用，从而更好地在预定的区域内进行涂覆。
此外，所述掩膜是通过将第一粘合剂层层压在掩蔽膜层上形成的。此时，第一粘合剂层在掩蔽膜层和电解质膜之间提供合适粘合性。所述掩蔽膜层起到了防止膜扭曲和膨胀并保持膜形状的支撑物的作用。
具体而言，如果掩膜附着于电解质膜的两面，掩膜增加了作为防止电解质膜在涂覆催化剂过程中膨胀的支撑物的支撑力。因此，根据本发明的制备方法，可以防止电解质膜在涂覆催化剂过程中的膨胀，从而使在电解质膜上涂覆催化剂变得容易。因此，可以制造优质的电极。
另一方面，在保护膜和第二粘合剂层被依次层压在第一粘合剂层上的情况下，调整第一粘合剂层的厚度使第一粘合剂层具有小的粘合性。因此，第一粘合剂层起到了保持掩蔽膜层和保护膜层之间合适粘合性的作用。调整第二粘合剂层的厚度使第二粘合剂层具有加强的粘合性，从而在保护膜层和电解质膜之间保持加强的粘合性。因此，掩蔽膜层和保护膜层起到了能够防止膜扭曲和膨胀并保持膜形状的支撑物的作用。
如果将通过依次层压掩蔽膜层、第一粘合剂层、保护膜层和第二粘合剂层形成的掩膜用于本发明的方法，由于第一粘合剂层具有调整过的能够保持低粘合性的厚度，所以在涂覆催化剂后，可以容易地将构成掩膜的第一粘合剂层和掩蔽膜层一起从保护膜层上分离。另一方面，因为调整了第二粘合剂层的厚度从而使第二粘合剂层具有加强的粘合性，所以第二粘合剂层可以使保护膜层附着于电解质膜。因此，在不需要涂覆保护膜的单独操作的条件下，可以容易地将保护膜层涂覆在电解质膜上没有涂覆催化剂的暴露部分。
此外，通过将保护膜层涂覆在电解质膜的暴露部分，可以保护电解质膜不受压力、碰撞并不受热。另外，可以防止电解质膜磨损和完全干燥。而且，可以改善由催化剂涂覆膜制成的膜电极组件的机械稳定性，从而防止损伤膜并方便电堆组装。
图1为示例根据本发明的一个实施方案制备催化剂涂覆膜的方法的图。
如图1中所示，为制备本发明的催化剂涂覆的膜，所述掩膜形成有其中去除了与将用催化剂涂覆的膜部分对应的部分的图案，并且其中将第一粘合剂层20层压在掩蔽膜层10之上。
可以通过在冲模(die)中冲压(punching)掩膜来去除与将用催化剂涂覆的膜的部分对应的部分。
然后，将掩膜附着于电解质膜50的一面或两面，从而使掩膜的第一粘合剂层20位于电解质膜50上。
因此，可以制备用于在电解质膜上涂覆催化剂的复合结构，该复合结构是由掩膜和电解质膜制成，其中所述掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，并且其中所述掩膜附着于电解质膜上，从而使掩膜的第一粘合剂层位于电解质膜的一面或两面。图1显示了通过在将掩膜附着于电解质膜的两面后依次层压掩蔽膜层-第一粘合剂层-电解质膜-第一粘合剂层-掩蔽膜层形成的复合结构。
将催化剂墨水60涂覆在附着于电解质膜一面或两面的掩膜的图案上，以形成催化剂层。图1示例了在电解质膜两面上形成催化剂层的方法。
形成催化剂层后，将已经附着于电解质膜一面或两面的掩蔽膜层10和第一粘合剂层20一起去除，从而制备其中催化剂被涂覆在电解质膜50的一面或两面的膜。
图2是示例根据本发明的另一个实施方案制备催化剂涂覆膜的方法的图，其中所述催化剂涂覆膜包括保护膜层。
如图2中所示，为制备本发明的催化剂涂覆的膜，通过依次层压掩蔽膜层10、第一粘合剂层20、保护膜层30和第二粘合剂层40形成所述掩膜，并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的膜部分对应的部分的图案。
然后，将所述掩膜附着于电解质膜50的一面或两面，从而使掩膜的第二粘合剂层40位于电解质膜50上。
因此，可以制备用于将催化剂涂覆在电解质膜上的复合结构，该复合结构是由掩膜和电解质膜制成，其中掩膜包括掩蔽膜层、层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层、层压在第一粘合剂层上的保护膜层和层压在保护膜层上的第二粘合剂层，并且该掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，并且其中掩膜的第二粘合剂层位于电解质膜的一面或两面。图2显示了制备其中将掩膜附着于电解质膜两面的复合结构的方法。
将催化剂墨水60涂覆在附着于电解质膜一面或两面的掩膜的图案上，以形成催化剂层。图2示例了在电解质膜两面形成催化剂层的方法。
形成催化剂层后，去除已经附着于电解质膜一面或两面的掩蔽膜层10和第一粘合剂层20，从而制备其中形成有保护膜层的催化剂涂覆的膜。如图2中所示，可以制备其中在电解质膜50的两面附着有保护膜层30的催化剂涂覆膜。
根据本发明，可以由至少一种选自由聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚和聚酰亚胺组成的组中的材料制成所述掩蔽膜层。
可以使用厚度为10～150微米的掩蔽膜。优选地，可以使用厚度为40～80微米的掩蔽膜。如果掩蔽膜层的厚度低于10微米，防止电解质膜膨胀的支撑力变小，从而使在电解质膜上涂覆催化剂变得困难。另一方面，掩蔽膜层的厚度增加的越多，支撑力也增加的越多。但是，如果掩蔽膜层的厚度超过150微米，使将掩膜附着于电解质膜变得困难。
此外，根据本发明，所述第一粘合剂层可以由至少一种选自由硅树脂、丙烯酰基树脂(acryl resin)、聚氨酯树脂、环氧树脂和橡胶组成的组中的材料制成。就耐热性和化学稳定性而言，优选第一粘合剂层可以由硅树脂制成。
可以使用厚度为2～50微米的第一粘合剂层。优选地，可以使用厚度为2～20微米的第一粘合剂层。如果第一粘合剂层的厚度小于2微米，在进行涂覆工序后容易去除掩蔽膜层。但是，使电解质膜和掩蔽膜层之间保持粘合性变得困难。因此，缺点在于难以获得干净的端面(end surface)。另一方面，如果第一粘合剂层的厚度超过50微米，粘合性太强，从而在去除第一粘合剂层时，引起电解质膜的损害。
在将保护膜层和第二粘合剂层依次层压在第一粘合剂层上的情况下，可以用与第一粘合剂层相同或不同的材料制成第二粘合剂层。具体而言，可以由至少一种选自由硅树脂、丙烯酰基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂和橡胶组成的组中的材料制成第二粘合剂层。就耐热性和化学稳定性而言，优选由硅树脂制成第二粘合剂层。
此外，在将保护层和第二粘合剂层依次层压在第一粘合剂层上的情况下，可以使用厚度为2～50微米的第一粘合剂层。优选地，可以使用厚度为2～20微米的第一粘合剂层。要求第一粘合剂层具有少量的粘合性，因为在将催化剂涂覆在电解质膜上后应该容易去除掩蔽膜层。如果第一粘合剂层的厚度小于2微米，那么在涂覆催化剂的过程中保持第一粘合剂层和保护膜层之间合适的粘合性变得困难。因此，不能获得干净的保护膜层是个缺点。另一方面，如果第一粘合剂层的厚度超过50微米，粘合性太强。因此出现的问题是涂覆工序后去除第一粘合剂层时可能损害保护膜层。
可以使用厚度为2～50微米的第二粘合剂层。优选可以使用厚度为10～30微米的第二粘合剂层。第二粘合剂层起到了将保护膜附着于电解质膜的作用。如果第二粘合剂层的厚度少于2微米，防止电解质膜膨胀的支撑力变小。另一方面，第二粘合剂层的厚度增加的越多，支撑力增加的越多。如果第二粘合剂层的厚度为大约50微米，可以充分防止电解质膜的膨胀。优选第二粘合剂层的厚度为等于或小于大约50微米。
根据本发明，可以用至少一种选自由聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚和聚酰亚胺组成的组中的材料制成保护膜层。
可以使用厚度为10～150微米的保护膜层。优选地，可以使用厚度为20～50微米的保护膜层。如果保护膜层的厚度小于10微米，该保护膜层太薄。因此，保护膜层可能容易被撕破并且保护膜层的支撑力变小。如果保护膜层的厚度超过150微米，保护膜层可能具有比通过涂覆催化剂形成的催化剂层更厚的厚度，从而引起催化剂层和气体扩散层间的接触变弱。
在本发明中，如果掩蔽膜层的厚度是薄的，防止电解质膜膨胀的支撑力变弱。为弥补这一点，增加第一粘合剂层的厚度超过一特定值。在增加第一粘合剂层厚度的情况下，当在涂覆催化剂后去除掩蔽膜层和第一粘合剂层时，可能损害电解质膜。因此，可以使用总厚度为大约30～200微米，优选80～100微米的掩膜。
就其中将保护膜层和第二粘合剂层依次层压在第一粘合剂层上的掩膜而言，非常少量的第一粘合剂层是必须的。如果第二粘合剂层具有超过特定值的厚度，第二粘合剂层可以使保护膜层较好地附着在电解质膜上。因此，可以根据工作效率和支撑力调整掩蔽膜层和保护膜层的厚度。此外，可以根据通过涂覆催化剂形成的催化剂层的厚度决定掩膜的总厚度。
在本发明中，可以使用聚合物电解质膜作为电解质膜。电解质膜可以是由至少一种选自由全氟磺酸聚合物、基于烃的聚合物、聚酰亚胺、聚偏1，1-二氟乙烯、聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚、聚磷腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、经掺杂的聚苯并咪唑(dopedpolybenzimidazole)、聚醚酮、聚砜和其酸或其碱组成的组中的材料制成。
在本发明中，可以通过直接涂覆催化剂墨水完成催化剂的涂覆。此时，涂覆催化剂墨水的方法不限于特定的方法，但包括喷涂、流延(tape casting)、丝网印刷、刮涂、挤压式涂布(die coating)和旋涂等。
所述催化剂墨水可以由催化剂、聚合物离聚物(polymer ionomer)和溶剂组成。
可用的催化剂材料包括铂黑催化剂、铂-钌黑催化剂(Platinum-Ruthenium Black catalyst)、镀铂碳催化剂、铂-钌/碳催化剂(Platinum-Ruthenium/Carbon catalyst)、铂-钼黑催化剂(Platinum-Molybdenum Black catalyst)、铂-钼/碳催化剂(Platinum-Molybdenum/Carbon catalyst)、铂-铑黑(Platinum-RhodiumBlack)、铂-铑/碳催化剂(Platinum-Rhodium/Carbon catalyst)和基于铂的合金催化剂。
优选地，可以使用铂-钌或铂-钌/碳作为阳极的催化剂，并且可以使用铂或镀铂碳作为阴极的催化剂。
催化剂颗粒可以分散在碳颗粒中，或者包含铂或合金黑(alloyblack)。
聚合物离聚物提供离子通道，从而使通过例如氢气或甲醇的燃料与催化剂反应产生的离子移动到电解质膜，并且例如聚合物离聚物包括Nafion离聚物(Nafion ionomer)和如聚三氟苯乙烯磺酸酯(polytriplefluorostylene sulfonate)的磺化聚合物，但不限于此。
优选地，每100重量份催化剂的聚合物离聚物的比率在5～30重量份的范围内。如果聚合物离聚物少于5重量份，不能在催化剂层正常形成离子转移通路并从而使通过催化剂反应形成的离子不能流畅地移动。另一方面，如果聚合物离聚物超过30重量份，离聚物遮盖了催化剂层并因此使燃料不能容易地与催化剂反应。
可用的溶剂包括水、丁醇、异丙醇、甲醇、乙醇、正丙醇、乙酸正丁酯和乙二醇等。可以使用各种这些物质或者其混合物作为溶剂。优选将相同的溶剂用于阳极和阴极。
优选地，在催化剂墨水中溶剂的比率为大约每100重量份的催化剂100～5000重量份。如果溶剂的量少于100重量份，催化剂墨水的粘度增加得太多。当涂覆催化剂时，催化剂颗粒的分散变差并因此难以形成均匀的催化剂层。另一方面，如果溶剂的量超过5000重量份，催化剂墨水的粘度下降得太多。涂覆的催化剂的厚度太薄并因此要重复涂覆数次。这引起产率下降。
使用高速混合器、机械搅拌器或声波振荡器(sonicator)可以混合催化剂、聚合物离聚物和溶剂等，从而可以制备其中催化剂颗粒被均匀分散的催化剂淤浆。
当形成催化剂层时，可以在20～90℃、优选25～30℃的温度范围内干燥催化剂层。
在本发明中，催化剂层的厚度优选为大约1～60微米。如果催化剂层的厚度小于1微米，不规则地形成催化剂层会引起催化剂不足。因此，耐久性可能降低。如果催化剂层的厚度超过60微米，催化剂层太厚。因此，使得在催化剂层扩散气体变得困难，从而使在催化剂层上的气体反应变慢。
将用本发明的方法制备的催化剂涂覆膜用于形成膜电极组件。具体而言，可以将气体扩散层用于催化剂涂覆的膜。
可以将包括碳纤维、无纺碳纤维(non-woven carbon fibric)、碳布、碳纸等的用于燃料电池的材料用作气体扩散层的材料。但是，材料不限于此。可以处理气体扩散层使其具有疏水性。如果需要，所述材料可以另外包括碳黑微层(carbon black micro layer)和催化剂层。
通过使用例如热压法的本领域公知的常规方法可以在催化剂涂覆的电解质膜上形成气体扩散层。
此外，本发明的燃料电池可以包括根据本发明制备的催化剂涂覆的膜。具体而言，所述燃料电池可以包括使用所述催化剂涂覆膜的膜电极组件。例如，根据本领域公知的常规方法由膜电极组件和双极板(bipolar plates)制成燃料电池。
所述燃料电池可以包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池、直接乙醇燃料电池或直接二甲醚燃料电池。
实施例
以下，将描述本发明的实施例以帮助理解本发明。对以下实施例的描述仅仅为了帮助更容易地理解本发明，而不打算将本发明的范围限于这些实施例。
实施例1：制备催化剂涂覆的膜
由聚对苯二甲酸乙二酯形成厚度为75微米的掩蔽膜层。用硅形成厚度为15微米的第一粘合剂层。将两层互相附着，然后用冲模冲压并去除两层上与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分(大小：25cm2)，从而制备掩膜。
将为全氟磺酸聚合物的可由杜邦购得的Nafion膜(NAFION 112)用作电解质膜。通过将掩膜附着于电解质膜上以使第一粘合剂层位于电解质膜的两面来制备用于电解质膜的催化剂涂覆的复合结构。
为制备催化剂墨水，使用镀铂碳作为阳极和阴极的催化剂。将NAFION溶液、异丙醇和水混合然后搅拌其混合物和催化剂。此时，按1∶0.3∶20的比率混合催化剂、NAFION干重和溶剂。接着，将它们搅拌以便很好地分散。然后，用高速混合器均匀混合其混合物2小时，以制备催化剂墨水。
将催化剂墨水喷涂在与将用喷涂器涂覆催化剂的电解质膜部分对应的掩膜部分上，从而在电解质膜的两面，即阳极和阴极，分别形成0.4mg/cm2的催化剂层。然后，将按1∶1比率混合NAFION和异丙醇制成的溶液涂覆在催化剂层的表面。最后，从电解质膜上去除附着于电解质膜两面的掩蔽膜层和第一粘合剂层，形成了如图3中所示的本发明的催化剂涂覆膜的产品。
如图3中所示，与其中需要长时间将催化剂墨水涂覆在电解质膜上同时用工具固定电解质膜以防止电解质膜膨胀的常规方法不同，在根据本发明的第一个实施例制备的催化剂涂覆的膜中，催化剂墨水被迅速而干净地涂覆在电解质膜上，而掩膜具有限制电解质膜膨胀的强度。
实施例2：制备催化剂涂覆的膜
用聚对苯二甲酸乙二酯形成厚度为50微米的掩蔽膜层。用硅形成厚度为4微米的第一粘合剂层。用聚酰亚胺形成厚度为25微米的保护膜层。用硅形成厚度为10微米的第二粘合剂层。将这四层依次互相附着，然后用冲模冲压并去除四层上与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分(大小：25cm2)。
将为全氟磺酸聚合物的可由杜邦购得的Nafion膜(NAFION 112)用作电解质膜。通过将掩膜附着于电解质膜上以使第二粘合剂层位于电解质膜的两面来制备用于电解质膜的催化剂涂覆的复合结构。
然后，用与第一个实施例中相同的方式进行制备催化剂墨水、涂覆催化剂墨水和去除掩蔽膜层和第一粘合剂层的工序。制备其中将本发明的保护膜层涂覆在没有涂覆催化剂的边缘上的催化剂涂覆膜。
如图4中所示，与其中需要长时间将催化剂墨水涂覆在电解质膜上同时用工具固定电解质膜以防止电解质膜膨胀，并且通过热压将保护膜层涂覆在没有涂覆催化剂的边缘的常规方法不同，在根据本发明的第二个实施例制成的催化剂涂覆的膜中，催化剂墨水被迅速而干净地涂覆在电解质膜上，而掩膜具有限制电解质膜膨胀的强度。此外，没有必要在电解质膜上涂覆单独的保护膜层。因此，可以在电解质膜上容易地进行催化剂涂覆。
实施例3：用催化剂涂覆膜制造膜电极组件和单元电池
将可由SGL公司购得的气体扩散层(经处理具有疏水性的碳纸)用于根据第一个实施例制备的催化剂涂覆膜的两面，然后将催化剂涂覆膜用于聚合物电解质膜燃料电池。为保持膜电极组件周围气体的密封性，将厚度为300□的衬垫用于与聚合物电解质紧密接触，而不接触电极。然后，将具有提供均匀压力并通过其引入氢气的通路的阳极板和具有提供均匀压力并通过其引入空气的阴极板与膜电极组件紧密接触，从而制造单元电池。
实施例4：使用催化剂涂覆膜制造膜电极组件和单元电池
除了使用在第二实施例中制备的催化剂涂覆膜代替在第一实施例中制备的催化剂涂覆膜外，以与第三个实施例相同的方式制造膜电极组件和单元电池。
实施例5：单元电池功率的测量
根据电流密度测量在实施例3和4中制造的单元电池的电压改变。结果分别显示在图5和6中。在70℃的电池温度、2巴的操作压力和氢气/空气影响的条件下进行测量。气体的化学计量系数(stoichiomctriccoefficient)为1.2(阴极)和1.4(阳极)。
如图5中所示，使用根据第一实施例制备的催化剂涂覆膜的燃料电池在0.6V下长时间保持超过0.55W/cm2的功率。如图6中所示，使用根据第二实施例制备的催化剂涂覆膜的燃料电池在0.6V下长时间保持超过0.5W/cm2的功率。
工业实用性
根据本发明，所述掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，所述掩膜附着在电解质膜上，从而防止涂覆催化剂时发生的电解质膜的膨胀。而且，即使不进行复杂的工序也容易在电解质膜的所需区域形成催化剂涂覆膜。此外，可以制得包括所述催化剂涂覆膜的燃料电池。
而且，根据本发明使用其中将保护膜层和第二粘合剂层依次层压在第一粘合剂层上的掩膜，即使不将保护膜层单独涂覆在电解质膜上没有涂覆催化剂的暴露部分，也能方便地制备将保护膜层应用其中的催化剂涂覆膜。此外，可以制得包括所述催化剂涂层膜的燃料电池。
尽管结合被认为是最实用和优选的实施方案描述了本发明，应该理解，本发明并不限于公开的实施方案和附图，但是，相反，其意欲涵盖在所附权利要求的实质和范围内的多种修改和变化。

Claims (20)

1、一种制备催化剂涂覆的膜的方法，该方法包括以下步骤：
(a)制备一种掩膜，该掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且该掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案；
(b)将所述掩膜附着于电解质膜的一面或两面；
(c)通过所述掩膜的图案在电解质膜上涂覆催化剂墨水，以形成催化剂层；以及
(d)去除所述掩蔽膜层和第一粘合剂层。
2、如权利要求1中所述的方法，其中，所述掩膜包括依次层压在所述第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
3、如权利要求1中所述的方法，其中，所述掩蔽膜层由至少一种选自由聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫和聚酰亚胺组成的组中的材料制成。
4、如权利要求1中所述的方法，其中，所述掩蔽膜层的厚度为10～150微米。
5、如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一粘合剂层由至少一种选自由硅树脂、丙烯酰基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂和橡胶组成的组中的材料制成。
6、如权利要求2中所述的方法，其中，所述第一粘合剂层和第二粘合剂层各自由至少一种选自由硅树脂、丙烯酰基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂和橡胶组成的组中的材料制成。
7、如权利要求1中所述的方法，其中，所述第一粘合剂层的厚度为2～50微米。
8、如权利要求2中所述的方法，其中，所述第一粘合剂层和第二粘合剂层各自的厚度为2～50微米。
9、如权利要求2中所述的方法，其中，所述保护膜层由至少一种选自由聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚和聚酰亚胺组成的组中的材料制成。
10、如权利要求2中所述的方法，其中，所述保护膜层的厚度为10～150微米。
11、如权利要求1中所述的方法，其中，所述掩膜的总厚度为30～200微米。
12、如权利要求1中所述的方法，其中，所述电解质膜由至少一种选自由全氟磺酸聚合物、基于烃的聚合物、聚酰亚胺、聚偏1，1-二氟乙烯、聚醚砜、聚苯硫醚、聚苯醚、聚磷腈、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酯、经掺杂的聚苯并咪唑、聚醚酮、聚砜和其酸或其碱组成的组中的材料制成。
13、一种催化剂涂覆的膜，该催化剂涂覆的膜通过如权利要求1～12中任一项所述的方法制成。
14、一种燃料电池，该燃料电池包括通过如权利要求1～12中任一项所述的方法制备的催化剂涂覆的膜。
15、如权利要求14中所述的燃料电池，其中，所述燃料电池包括聚合物电解质膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲酸燃料电池、直接乙醇燃料电池或直接二甲醚燃料电池。
16、一种用于电解质膜的催化剂涂覆的掩膜，该掩膜包括：
掩蔽膜层；和
层压于所述掩蔽膜层上的第一粘合剂层，
其中，所述掩膜可以附着于电解质膜上，并防止电解质膜膨胀。
17、如权利要求16中所述的掩膜，所述掩膜包括依次层压在所述第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
18、如权利要求16中所述的掩膜，所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案。
19、一种用于电解质膜的催化剂涂覆的复合结构，该复合结构包括：
电解质膜；和
掩膜，所述掩膜包括掩蔽膜层和层压在掩蔽膜层上的第一粘合剂层，并且所述掩膜具有其中去除了与将用催化剂涂覆的电解质膜部分对应的部分的图案，
其中，所述掩膜附着于电解质膜的一面或两面。
20、如权利要求19中所述的复合结构，其中，所述掩膜包括依次层压在所述第一粘合剂层上的保护膜层和第二粘合剂层。
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