CN1508896A - 在基片上形成催化敷层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在基片上形成催化敷层的方法。该方法包括制备一种催化液，并且用一种直接书写工具将该催化液分布到一个基片上。在此强调，所提供的摘要遵守需要下述摘要的规则，即，需要使检索者或其他读者能快速地确定公开的技术主题的摘要。其在不会被用于解释或限制权利要求的范围或意义的前提下给出。

Description

在基片上形成催化敷层的方法
本申请是2002年7月24日申请的系列号为10/201,828的美国专利申请的部分延续。
发明领域
一般说本发明涉及燃料电池，尤其涉及在基片上形成催化敷层的方法。
根据本发明，提供了在基片上形成催化敷层的方法。
在一个实施例中，提供了一种在基片上形成催化敷层的方法。根据该方法，准备一种催化液，并且用一种直接书写工具(writing instrurnent)将这种催化液分布到一个基片上，上述书写工具按程序以在上述基片的第一侧面形成一个催化敷层图案的方式将催化液分布到基片上。
在另一个实施例中，提供了一种在基片上形成催化敷层的方法。根据该方法，用一种直接书写工具将一种催化液分布到一个基片上，上述书写工具按程序以在上述基片的第一侧面形成一个第一敷层图案的方式将催化液分布到基片上。一种非催化液也利用上述同样直接书写工具，以在上述基片的第一侧面形成一个第二敷层图案遮盖上述第一敷层的方式，分布到上述基片的第一侧面。
在另一个实施例中，提供了一种制备用于薄膜电极组件的一种电解质膜的方法。根据该方法，利用一种直接书写工具将一种催化液分布到一个中间材料上，上述书写工具按程序以在上述中间材料上形成一个催化敷层图案的方式分布催化液。随后，上述催化敷层从该中间材料转移到一个电解质膜上。
在另一个实施例中，提供了一种制备用于薄膜电极组件的一种电解质膜的方法。根据该方法，利用一种直接书写工具将一种催化液分布到电解质材料上。
在另一个实施例中，提供了一种制备用于燃料电池的一种扩散介质的方法。根据该方法，利用一种直接书写工具将一种催化液分布到一个扩散介质上。
在另一个实施例中，提供了一种制备薄膜电极组件的系统。该系统包括第一和第二敷层工位，第一和第二干燥工位，一个切割工位以及一个传送装置。上述第一敷层工位包括一个第一基片夹持装置，以及至少一个用于将敷料分布到基片的第一侧面上的涂布头。上述第二敷层工位包括一个第二基片夹持装置，以及至少一个用于将敷料分布到基片的第二侧面上的涂布头。布置上述传送装置用于在工位与工位之间运送上述基片。
根据本发明下面结合附图的说明，可以更加完整地理解本发明的这些和其他特征及优点。应当注意，权利要求的范围由其中所述的内容确定，不受本说明书中提出的特别描述的特征和优点的限制。
附图说明
结合下述附图可以更好地理解下面详细的说明，其中相似的结构以同样的附图标记表示，其中：
附图1是一个燃料电池系统的示意图；
附图2是包括一个燃料电池系统的车辆的示意图；
附图3是使用两个燃料电池的燃料电池组的示意图；
附图4是一个薄膜电极组件的部件分解图；
附图5是根据本发明的一个实施例的一种直接书写工具的方框图；
附图6是根据本发明的一个实施例的一种在基片上形成图案的直接书写工具的喷嘴和喷嘴尖的示意图；
附图7是根据本发明的一个实施例的一种图案的示意图；
附图8是根据本发明的一个实施例的一种图案的示意图；
附图9是根据本发明的一个实施例的一种薄膜电极组件的示意图；
附图10是根据本发明的一个实施例的一种带有一个第一敷层和一个第二敷层的薄膜电极组件的一侧的示意图；
附图11是根据本发明的一个实施例的一种薄膜电极组件的示意图；
附图12a是在一个基片上面应用一个超声波探头的示意图；
附图12b是在一个基片下面应用一个超声波探头的示意图。
技术人员可以知道附图中的零件是简洁而清楚地示出，并且没有必要按比例绘出。例如，附图中某些零件的尺寸相对于其它零件有所放大，以助于更好地理解本发明的实施例。
具体实施方式
参见附图1，其中示出了用于汽车的一种燃料电池系统2。但是，应当理解，其他燃料电池系统的应用，例如，住宅系统领域，也可以得益于本发明。如图所示，该燃料电池系统2包括一个主反应器4、一个水-气转换反应器6、优先氧化(PrOx)反应器7、至少一个热交换器8、一个尾气燃烧器9、以及一个燃料电池10。下面是对这些部件和该燃料电池系统2的操作的解释。应当理解虽然描述的是一个特定的燃料电池系统的结构，但是本发明可以应用于其他任何应用催化敷层的燃料电池系统结构。
在上述主反应器4中，一种烃类燃料，例如汽油或甲烷，流与空气和水蒸汽被混合、加热并且供应到一个催化基片。在此，随着上述混合物流经催化剂并且与其反应，混合物被分解成氢气、一氧化碳、以及其他工艺过程的气体，形成一种富氢气流。适合的催化剂材料包括铂族金属和碱金属。该反应发生在温度约700℃到约800℃的范围之间。
上述富氢气流离开上述主反应器4进入上述水-气转换反应器6。从水得到的氧气被用来将一氧化碳转变成二氧化碳，留下更多的氢气并提高系统的效率。转换反应器6的操作温度范围约250℃到约450℃。随后上述富氢气流离开上述转换反应器6进入上述优先氧化反应器7，在此，在富氢气流进入燃料电池组之前，进行一氧化碳最后的清除工作。空气被加入，以提供将大部分剩余的一氧化碳转变成二氧化碳所需的氧气，留下更多的氢气。优先氧化反应器7内的操作温度范围约80℃到约200℃。三个反应器联合从燃料中提取氢气，并且减少或消除有害排出物。
在引入燃料之前，上述三个反应器很快地被加热到其操作温度。因此上述热交换器8用于在整个燃料电池系统2中调节各种温度。尤其是，该热交换器8在水蒸气和空气流进入主反应器4之前将它们预热。来自上述富氢气流的废热排出上述主反应器4。
随后，上述富氢气流被供应到上述燃料电池10，其可以包括一组燃料电池，并且与来自供应源例如空气中的氧气发生反应，产生电流，其可以用于驱动负载11。离开上述燃料电池10的少量未使用的氢气在尾气燃烧器9中消耗掉，上述尾气燃烧器的操作温度范围约300℃到约800℃。应当理解，虽然在此描述了一系列的反应器作为氢气的来源，但是本发明可以应用任何氢气源。
参见附图2，示出了一个带有一个车体90、以及一个燃料电池系统的车辆，上述燃料电池系统具有一个燃料电池处理器4和一个燃料电池组15。此后，参考附图3至9给出了本发明具有一个燃料电池组和一个燃料电池的情况。
附图3描绘了一个燃料电池组15，其具有一对薄膜电极组件(MEAs)20和22，它们由一个导电流体分配板30隔开。板30用作一个双极板，具有多个流体流动通道35、37，用于将燃料和氧化剂气体分配到上述薄膜电极组件20和22。上述“流体流动通道”意指一个路径、区域、范围或在该板上用于运输流体流到、流出、沿着或经过该板至少一部分的任何区域。上述薄膜电极组件20和22，以及板30在夹紧板40、42，和导电流体分配板32、34之间堆叠在一起。板32、34用作端面板，其上只有一侧分别包含通道36、38，用于将燃料和氧化剂气体分配到上述薄膜电极组件20和22，后两者与上述板的两个侧面相对。
不导电的衬垫50、52、54和56在上述燃料电池组的几个组件之间提供密封和电绝缘。气体可渗透的扩散介质材料60、62、64和66挤压在上述薄膜电极组件20和22的电极表面上。板32和34分别挤压在上述扩散介质材料60和66上，同时，板30挤压在在上述薄膜电极组件20的阳极端面上的上述扩散介质材料62上，并且挤压在在上述薄膜电极组件22的阴极端面上的上述扩散介质材料64上。
一种氧化流体，例如氧气，通过适当的供应管路86从贮罐70，供应到上述燃料电池组的阴极侧面。当上述氧化流体被供应到上述阴极侧面时，一种还原流体，例如氢气，通过适当的供应管路88从贮罐72，供应到上述燃料电池组的阳极侧面。根据在催化剂存在下的重整过程，上述还原流体可以从甲烷或汽油、空气和水的混合物得到。还要在上述薄膜电极组件的氢气侧和氧气/空气侧提供排放管路(未示出)。还有附加的管路80、82和84，它们用于向板30、32和34提供液体冷却剂。还提供了从上述板30、32和34排出冷却剂的适当的管路，但是未示出。
参见附图4，其中示出了薄膜电极组件20的部件分解图，该组件包括一个阳极层102、一个阴极层106，和一个隔开上述阳极层102及阴极层106的电解质层104。薄膜电极组件20与薄膜电极组件22相同。为了简洁起见，本发明针对薄膜电极组件20描述，应当理解，本发明可以应用于薄膜电极组件22和一般的薄膜电极组件。
通常，上述阳极层102及阴极层106以这样的方式形成敷层，即，一旦上述燃料电池10(附图1)被组装，它们便与上述电解质材料直接接触。现在将描述在基片上形成催化敷层的方法。该方法的第一步是制备一种催化液。通常，该催化液是含离子交联聚合物、贵金属催化剂、溶剂和水的溶液。典型地，一种离子交联聚合物以及贵金属催化剂的溶液，在一种溶剂和水的混合物中的载体上制备。可以根据所需的催化液的粘度和碳与离子交联聚合物的比例采用不同的量。通常，约30克到约250克的溶剂与约130克到约200克的水和约5克到约30克离子交联聚合物和约5克到约20克的贵金属催化剂相混合形成一种溶液。用于上述离子交联聚合物和贵金属催化剂的溶液的典型载体是具有大表面积的碳。碳的量通常约为5克到约20克。尤其是，上述催化溶液包含重量比约为4％的贵金属，重量比约为4％的含离子交联聚合物，重量比约为4％的碳，重量比约为28％的水和重量比约为60％的溶剂。
上述贵金属催化剂可以从铂、铂合金及其组合中选择。上述溶剂可以从异丙醇、乙醇、丁醇及其组合中选择。上述催化液可以被制备成具有约70厘泊到约2000厘泊的粘度，尤其是，约300厘泊的粘度。上述催化液可以被制备成离子交联聚合物与碳的比约为0.8到约2.0。上述溶液中固体的量约是重量比8％到20％，尤其是重量比约为12％。
一旦上述催化液制备好，便用一种直接书写工具将该催化液分布到一个基片110上。在此“直接书写”意指通过上述工具的移动、上述基片的移动，或者两者的移动，以限定图案的形式将液体直接沉积到基片的一个表面。在直接书写过程中，沉积的液体相对于沉积表面或沉积图案的整个尺寸形成一个相对清晰的沉积线或区域。上述液体源头和上述沉积基片之间的相对运动增加了清晰的沉积线或区域的范围，形成了一个更大范围的沉积图案。
附图5示出了根据本发明的一种直接书写工具的实施例。该直接书写工具150包括一个设计系统152、一个书写系统控制器154和一个书写系统160。上述书写系统160还包括一个液体分配系统168、一个喷嘴166，一个喷嘴尖167和一个基片夹持装置162。上述设计系统152存储绘制在图形显示装置中的图案。上述设计系统152与上述书写系统控制器154以电的方式相连通，这样上述书写系统控制器154得知图案，并且以允许上述书写系统160在上述基片110上绘制存储在上述设计系统152中的图案的方式控制上述书写系统160。
参见附图5和6，上述书写系统控制器154与上述液体分配系统168和基片夹持装置162以电的方式相连通。因此，上述书写系统控制器154允许上述液体分配系统168将催化液输送到上述喷嘴166。催化液经上述喷嘴尖167被分布到上述基片110上。上述催化液可以通过任何合适的装置被运送到上述液体分配系统168。
上述书写系统控制器154允许上述基片夹持装置162移动到各种位置以便于形成存储在上述设计系统中的图案170。通过移动上述基片夹持装置162到各种位置，上述基片110在催化液分布到基片110上时被准确地放置在喷嘴尖167下。以这种方式，上述喷嘴166和喷嘴尖167不动，而是在分配上述催化液的过程中保持固定。而且，喷嘴尖167的压力被控制，这样不会发生与基片110表面的直接接触。在另一个实施例中，上述基片夹持装置162在分配催化液的过程中喷嘴166和喷嘴尖167移动到基片110上时保持固定。
上述设计系统152可以是任何计算机辅助设计(CAD)界面，该界面允许通过一个图形编辑器、数字转换卡设计图案，或者是通过一个普通的摄影测图仪界面的界面。上述喷嘴166可以被加热到允许上述催化液保持在熔化状态，这样可以容易地通过上述喷嘴尖167分配催化液。形成图案170的线条169的宽度和厚度取决于上述喷嘴尖的直径、催化液到上述喷嘴尖的体积流速以及书写的速度。书写的速度可以根据基片110相对于上述喷嘴尖167的移动或者喷嘴尖167相对于基片的移动而改变。这样，上述线条的厚度可以由下式确定：t＝Q/(Vw)，其中，Q＝体积流速，w＝线条宽度，V＝书写速度，t＝线条厚度。催化液的粘度决定上述线条的宽度与上述喷嘴尖的直径的接近程度，即，低粘度的液体容易流动，因此，上述线条的宽度大于喷嘴尖的直径，而高粘度的液体不容易流动，因此，上述线条的宽度大致等于喷嘴尖的直径。
上述喷嘴尖167至少可以产生一条宽度约在0.002英寸到0.25英寸之间的线条。若需要一个以上的线条，在线条之间的间隔可以为最高约0.0005英寸。上述线条的厚度按喷嘴一道计可以达到0.010英寸。上述线条的容许偏差约为+/-0.000025英寸。上述书写工具以每秒钟0.05英寸至每秒钟5.0英寸的速度书写。上述书写工具150可以在最小网格间距为0.0005英寸下操作。
形成在上述基片110上面的图案170可以在矩形螺旋形、直线、线条组或任何合适的几何图样中选择。一种图案170的例子带有附图7中所示的形成矩形螺旋形的线条或线条组169。在相邻线条间的间距可以调节。在邻近的线条之间没有间距的情况下，图案170在整个基片110上形成一个单独的连续敷层。附图8示出了根据本发明的一个实施例，通过一种直接书写工具形成的一个带有线条组169的图案170。
典型地，在基片110上形成图案后，上述基片110通过一个温度约为70℃到100℃的热源干燥。上述图案，一旦干燥后，就在基片110上形成敷层。上述热源可以从红外线加热器、对流烘箱、热喷嘴或者其他任何合适的供热装置中选择，以便从催化液中除去溶剂。上述基片110被加热足够长的时间，基本上使敷层中的全部溶剂蒸发，最好是约2分钟到约10分钟。
制造薄膜电极组件的方法可以根据分布催化液的基片变化。上述基片通常在中间材料、扩散介质材料或者电解质薄膜材料中选择。
如果上述薄膜是一种中间材料，那么上述催化溶液通过一种直接书写工具以设定的图案沉积到该中间材料上。随后，该敷层的基片在约70℃至约100℃的温度下干燥，典型地是在烘箱中进行。在上述基片干燥后，一种第二离子交联聚合物溶液可以被施加到该基片上并干燥。典型地，上述离子交联聚合物溶液的涂布通过喷射进行。随后，形成在上述中间材料上的敷层典型地利用一个热压转移器被传送到一个电解质薄膜材料上。在本发明的一个实施例中，一种不起反应的第二流体可以在催化液沉积之后或者与催化液同时施加到上述中间材料上。随后，形成在上述中间材料上的敷层被传送到一个电解质薄膜材料上。典型地，上述中间材料在聚四氟乙烯、乙烯四氟乙烯或者其变种中选择。下面将详细描述上述非催化液。
可以用于本发明的第二基片是一种扩散介质材料。如果采用上述扩散介质材料，则如上所述制备上述催化液，并且，随后利用一个如上所述的直接书写工具以上述任何图案将其沉积到上述扩散介质材料上。上述敷层的扩散介质材料随后被干燥。上述扩散介质材料可以是用在燃料电池中的任何合适的扩散介质材料。在本发明的一个实施例中，一种非催化流体的第二流体可以在催化液沉积之后或者与催化液同时施加到上述扩散介质材料上。
作为一种选择，上述基片可以是电解质薄膜材料。因此，上述催化液直接沉积到电解质薄膜材料上。随后敷层的电解质薄膜材料被干燥。上述电解质薄膜材料可以是质子导电膜，例如全氟磺酸或其某些变种。
在本发明的一个实施例中，一种非催化的第二流体可以在催化液沉积之后或者与催化液同时施加到上述电解质薄膜材料上，从而在上述电解质薄膜材料的一侧上形成一个催化敷层和一个非催化敷层。参见附图9，其中示出了一个带有催化敷层182和非催化敷层184的薄膜电极组件180。上述非催化液干燥后形成非催化敷层184。上述非催化液以这样一种方式沉积，以致其“遮盖”上述催化液。所谓“遮盖”意指一种液体随着另一种液体的轮廓，这样一种液体不会直接沉积在另一种液体上。上述非催化液在被使用时充满在基片202上催化液线条之间的间隙。
上述非催化液包括一种具有高导电性、高导热性和低孔隙率的材料。该非催化液可以是含碳的材料、碳黑、石墨或其组合。上述含碳的材料还可以包括聚合粘合剂，例如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯及其组合。上述非催化液的粘度可以适当地被调整到容易填充附图9中所示的催化敷层之间的区域。通常，上述非催化液具有约300厘泊到约10000厘泊之间的粘度。上述非催化液可以被这样分配，使其在上述基片上比上述催化液厚。
参见附图10，其中示出了带有一个催化敷层182和一个非催化敷层184的薄膜电极组件180的一个实施方案。上述催化液可以以使催化敷层182的线条与流动区域板上的通道排列成行的图案方式沉积。随后上述非催化液可以以使非催化敷层184的线条与流动区域板上的纹间表面186排列成行的图案方式沉积。这可以在上述基片202的两侧实现，这样，上述形成催化阳极敷层182a的催化液与阳极流动区域板上的通道185排列成行。因此，上述非催化敷层184位于上述催化液或催化阳极敷层182a之间，在阳极流动区域板上的纹间表面186上形成了一个非催化敷层184。在薄膜电极组件180的阴极侧与此相似，形成催化阴极敷层182b的催化液与阴极流动区域板的通道187排列成行。因此，上述非催化液沉积在上述催化液或催化阴极敷层182b的间隔之间，在阴极流动区域板的纹间表面186上形成了一个非催化敷层184。所示的上述催化阳极敷层182a和催化阴极敷层182b分别比通道185、187的开口窄。应当理解，上述催化阳极敷层182a和催化阴极敷层182b可以这样形成，即，上述敷层与通道185、187一样宽，或比它们更宽。这个概念在系列号为10/201.828的申请中更加详细地解释。
为了在基片202上形成一个非催化敷层184，使用非催化液时，并且上述基片是电解质薄膜材料的情况下，上述燃料电池可以不再使用扩散介质材料。这样，得到的燃料电池与附图3中所示的燃料电池10相同，但是，不再有扩散介质60、62、64和66。
参见附图11，其中示出了根据本发明的一个实施例的一种薄膜电极组件的装配系统200。该系统有三个主要部分：一个第一敷层工位、一个第二敷层工位，和一个模切工位。上述基片202被放置在一个输送辊212上，在此该基片202通过辊子216、218、224和226从一个工位被输送到另一个工位。在第一敷层工位，基片202被输送到一个第一基片夹持装置214上。一旦基片到达上述第一基片夹持装置214上，一个喷嘴210a便将催化液直接分配到上述基片202的第一侧面202a上。上述催化液典型地按照一个图案的形式分配，如上所述。随后，上述基片202被输送到第一干燥区215。该第一干燥区215可以是一列热喷嘴、一个红外线加热器、对流烘箱或者其他任何合适的装置，用于除去上述催化液的大部分溶剂。典型地，该第一干燥区215的温度保持在约70℃到约100℃之间。在第一干燥区215，上述催化液被干燥到上述基片202上并且在上述基片202上形成一个催化敷层。上述催化敷层可以是一阳极敷层或一阴极敷层。
接着，上述基片202被输送到一个第二敷层工位。在该第二敷层工位，上述基片202被输送到一个第二基片夹持装置228上。一种催化液被沉积到上述基片202的第二侧202b。上述催化液可以以如上所述在基片202上形成一个图案的方式分配。当上述基片202被输送通过第一干燥区域215时，基片202以允许其第一侧面202a朝向相对侧的方式被翻转，这样喷嘴220a将催化液分配到基片202的第二侧面202b上。在催化液分布到上述基片202的第二侧面202b上之后，基片202被输送到一个第二干燥区域222。该第二干燥区222可以是一列热喷嘴、一个红外线加热器、对流烘箱或者其他任何合适的装置，用于除去上述催化液的大部分溶剂。典型地，该第二干燥区222的温度保持在约70℃到约100℃之间。在第二干燥区222，沉积到基片202的第二侧面202b上的上述催化液在上述基片202上形成一个催化敷层。上述催化敷层可以是一阳极敷层或一阴极敷层。
随后，上述基片202被输送到一个切割工位230，在此上述基片202被切割成单独的片，这样基片202的每一片都有一个阳极敷层和一个阴极敷层。上述基片202还可以以不切断由上述液体在基片202上形成的图案的方式进一步切割。
如图11所示，在每个工位可以使用一个以上的喷嘴210a、210b、220a、220b，一次在基片202上沉积一种以上的液体。虽然在每个工位只示出了两个喷嘴，但是应当理解，可以提供一列喷嘴。在一次沉积一种以上的液体时，一种液体可以遮盖另一种液体。虽然上面将非催化液称为第二种液体，但是应当理解，上述第二种液体可以是任何需要的液体。例如，上述第二种液体可以是一种包含大量贵金属的液体，其沉积在靠近薄膜电极组件入口和出口处。而后，具有少量贵金属的液体可以沉积在薄膜电极组件的中央，从而减少部分耐用性和质量传递损失。
典型地，上述喷嘴210a、210b、220a、220b固定到一个如上所述的直接书写装置。典型地，上述液体以如上所述的一种图案的形式分布到上述基片202上。上述催化液如上所述地制备。上述第一和第二基片夹持装置214和228可以是真空工作台或者任何其他合适的用于将上述基片夹持在其位置上的装置。
参见附图12a和12b，其中示出了将一种以上的液体涂布到上述基片上的一个附加步骤。可以利用超声波能量帮助进行基片202敷层。在上述液体从喷嘴210a和210b中分配到上述基片202上时，可以将一个超声波探头250设置在上述催化液240和非催化液242上方。上述超声波探头250在催化液240和非催化液242的接触线241上方通过空气传送声能251，如图12a所示。特别参见附图12b，上述超声波探头250可以设置在上述基片202下方，在上述催化液240和非催化液242从喷嘴210a和210b分配时，通过基片202传递声能251。上述声能251在上述催化液240和非催化液242的接触线241处传递。
上述声能251被连续地施加到上述接触线241，这样在液体与液体界面处的表面张力在施加点被连续地降低，从而使液体流动得更好，并且在液体240和242之间产生一个平滑的界面。应当理解，附图12a和12b示出了在上述第一敷层工位利用喷嘴210a和210b，应当理解，附图12a和12b也示出了在上述第二敷层工位利用喷嘴220a和220b。也应当理解，上述声能251可以用于任何合适的制造带有两种液体的薄膜电极组件的方法或系统，上述两种液体包括一种催化液和一种非催化液，一种催化液和一种非催化液均被分配到一个基片上。还应当理解，虽然该步骤采用来自一个超声波探头的声能说明，但是可以使用能够减轻液体与液体界面处的表面张力的任何工具或能量。
虽然已经参照某些优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在本发明所述的主旨和范围之内可以进行大量的改变。因此，本发明不限于上述公开的实施例，其容许的全部范围由下述权利要求的表述确定。

Claims (105)

1.一种在基片上形成催化敷层的方法，包括：
制备一种催化液；并且
利用一种直接书写(writing instrument)工具将所述催化液分配到一个基片上，该基片具有一个第一侧面和一个第二侧面，所述书写工具按程序以在所述基片的第一侧面形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分布到所述基片上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括在所述催化液被分配到所述基片的第一侧面后干燥所述催化液的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中，制备一种催化液的步骤包括：
制备约30克到约250克的溶剂和大约130克到约200克的水的混合物；并且
制备一种溶液，在所述溶剂和水的混合物中有大约5克到约30克的离子交联聚合物和约5克到约20克承载在大表面积碳上的铂。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含至少一种离子交联聚合物、至少一种贵金属、碳、一种溶剂和水。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少一种离子交联聚合物包括全氟聚合物。
6.权利要求4所述的方法，其中，所述至少一种贵金属包括铂。
7.权利要求4所述的方法，其中，所述至少一种离子交联聚合物和至少一种贵金属由所述碳承载。
8.权利要求4所述的方法，其中，所述溶剂包括异丙醇。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含大约重量比为4％的铂，大约重量比为4％的离子交联聚合物，大约重量比为4％的碳，大约重量比为28％的水和大约重量比为60％的溶剂。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含全氟聚合物和碳并且全氟聚合物和碳的比例约为0.g到2.0。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液的粘度约为70厘泊到2000厘泊。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液的粘度约为300厘泊。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含约8％到约20％的固体。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含大约12％的固体。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液支持氢氧化。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化液支持氧还原。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述基片从电解质材料、聚四氟乙烯片材和气体扩散介质中选择。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述电解质材料包括一个质子导电膜。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述电解质材料包括全氟磺酸。
20.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化敷层在所述基片的第一侧面以大致相同的厚度分布。
21.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化敷层以增加氢基燃料电离作用的可能性的方式布置。
22.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化敷层以增加氢离子与氧反应的可能性的方式布置。
23.如权利要求1所述的方法，其中，所述直接书写装置这样设置，使其形成所述图案的线条的宽度和厚度由该书写工具的直径和所述催化液的体积流速确定，所述催化液从所述直径处分配。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述线条的厚度由下式确定：
t＝Q/(Vw)，
其中，Q表示所述催化液的体积流速，V表示所述直接书写工具的书写速度，w表示线条宽度。
25.如权利要求1所述的方法，其中，所述图案包括从矩形螺旋形、直线、线条组或者在整个基片上单独连续的敷层中选择的图形。
26.如权利要求1所述的方法，其中，所述图案包括与燃料电池的至少一个流动区域通道排列成行地布置的线条组。
27.如权利要求1所述的方法，其中，所述催化敷层在所述基片的第一侧面形成一个导电层。
28.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括在所述基片上施加超声波能量。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述超声波能量在所述催化液分配在所述基片的第一侧面后施加到所述基片的第一侧面。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述超声波能量在所述催化液分配在所述基片的第一侧面后施加到所述基片的第二侧面。
31.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括，将一种第二液体利用一种直接书写工具分配到所述基片的第一侧面，该书写工具按程序以在所述基片的第一侧面上形成一个第二敷层图案的方式将所述第二液体分配到所述基片。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述第二液体包括一种非催化液。
33.如权利要求31所述的方法，其中，所述第二液体包括一种贵金属。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述贵金属包括铂。
35.如权利要求31所述的方法，其中，所述第二液体沉积在所述基片的第一侧面的周边。
36.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括，利用一种直接书写工具将所述催化液分配到所述基片的第二侧面，该书写工具按程序以在所述基片的第二侧面上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液体分配到所述基片。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述方法还包括，利用一种直接书写工具将所述第二液体分配到所述基片的第二侧面，该书写工具按程序以在所述基片的第二侧面上形成一个第二敷层图案的方式将所述第二液体分配到所述基片。
38.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二液体包括一种非催化液。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述非催化液以在所述基片的第一侧面上形成一个第二敷层图案遮盖所述催化液的方式分配。
40.如权利要求37所述的方法，其中，所述第二液体包括一种贵金属。
41.如权利要求40所述的方法，其中，所述贵金属包括铂。
42.如权利要求40所述的方法，其中，所述第二液体沉积在所述基片的第二侧面的端部。
43.一种在基片上形成催化敷层的方法，包括：
制备一种催化液；
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一个基片上，该基片具有一个第一侧面和一个第二侧面，所述书写工具按程序以在所述基片的第一侧面形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分布到所述基片的第一侧面；以及
利用所述直接书写工具将一种非催化液分配到所述基片的第一侧面上，所述书写工具按程序以在所述基片的第一侧面上形成一个非催化敷层图案遮盖所述第一敷层的方式分布所述非催化液。
44.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化液包括一种含碳的材料。
45.如权利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一种具有高导电性的材料。
46.如权利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一种具有高导热性的材料。
47.如权利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一种具有低孔隙度的材料。
48.如权利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括碳黑、石墨及其组合。
49.如权利要求43所述的方法，其中，所述遮盖图案充满所述第一敷层的图案的任何间隙。
50.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化液与所述催化液同时分配。
51.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化敷层和所述催化敷层同时形成。
52.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化敷层在所述催化敷层形成后形成。
53.如权利要求43所述的方法，其中，所述催化敷层和上述非催化敷层由所述直接书写工具独立分配。
54.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化液比所述催化液具有更高的粘度。
55.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化液的粘度约为300厘泊到10000厘泊。
56.如权利要求43所述的方法，其中，所述非催化液比所述催化液稠。
57.如权利要求43所述的方法，其中，所述催化液的粘度约为70厘泊到2000厘泊。
58.如权利要求43所述的方法，其中，所述催化液的粘度约为300厘泊。
59.如权利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一侧面上的上述催化敷层与燃料电池的流动区域通道排列成行布置。
60.如权利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一侧面上的上述非催化敷层与燃料电池的流动区域纹间表面排列成行布置。
61.如权利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一侧面上的上述催化敷层与燃料电池的流动区域通道排列成行布置，同时所述基片第一侧面上的上述非催化敷层与燃料电池的流动区域通道排列成行布置。
62.如权利要求43所述的方法，其中，所述方法还包括：
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到所述基片的第二侧面上，所述书写工具按程序以在所述基片的第二侧面上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分布到所述基片的第二侧面；以及
利用所述直接书写工具将所述非催化液分配到所述基片的第二侧面上，其中所述书写工具按程序以在所述基片的第二侧面上形成一个非催化敷层图案遮盖所述催化液的方式将所述非催化液分布到所述基片的第二侧面。
63.如权利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二侧面上的上述催化敷层与燃料电池的流动区域通道排列成行布置。
64.如权利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二侧面上的上述非催化敷层与燃料电池的流动区域纹间表面排列成行布置。
65.如权利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二侧面上的上述催化敷层与燃料电池的流动区域通道排列成行布置，同时在所述基片第二侧面上的上述第二敷层与燃料电池的流动区域纹间表面排列成行布置。
66.制备一种用于薄膜电极组件的电解质薄膜的方法，包括：
制备一种催化液；
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一种中间材料上，所述书写工具按程序以在所述中间材料上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述中间材料；以及
将所述催化敷层从所述中间材料转送到一个电解质薄膜。
67.如权利要求66所述的方法，其中，所述方法还包括在将所述催化液分配到所述基片上之后干燥所述催化液。
68.如权利要求66所述的方法，其中，一种第二离子交联聚合物溶液涂布于所述中间材料。
69.如权利要求68所述的方法，其中，所述第二离子交联聚合物溶液通过喷射作用涂布到所述中间材料。
70.如权利要求68所述的方法，其中，所述中间材料在涂布所述第二离子交联聚合物溶液后干燥。
71.如权利要求66所述的方法，其中，所述中间材料从聚四氟乙烯或乙烯四氟乙烯或者其变种中选择。
72.如权利要求66所述的方法，其中，通过热压机实现所述第一敷层从所述中间材料到所述电解质薄膜的转送。
73.如权利要求72所述的方法，其中，所述热压机的温度设定在约140℃到约165℃之间。
74.如权利要求72所述的方法，其中，所述热压机的压力在约1300千帕到约4000千帕之间。
75.如权利要求66所述的方法，其中，所述电解质薄膜包括全氟磺酸或其某些变种。
76.如权利要求66所述的方法，其中，所述方法还包括利用所述直接书写工具将一种非催化液分配到所述中间材料上，所述书写工具按程序以在所述中间材料上形成一个非催化敷层图案遮盖所述第一敷层的方式分配所述非催化液。
77.制备一种用于薄膜电极组件的电解质薄膜的方法，包括：
制备一种催化液；和
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一种电解质材料上，所述书写工具按程序以在所述电解质材料上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述电解质材料。
78.如权利要求77所述的方法，其中，所述方法还包括在将所述催化液分配到所述电解质材料上之后干燥所述电解质材料。
79.制备一种用于燃料电池的扩散介质的方法，包括：
制备一种催化液；和
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一种扩散介质上，所述书写工具按程序以在所述扩散介质上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述扩散介质。
80.如权利要求79所述的方法，其中，所述方法还包括在将所述催化液分配到所述扩散介质上之后干燥所述扩散介质。
81.如权利要求79所述的方法，其中，所述扩散介质包括碳纤维、碳织物及其组合。
82.一种用于制备薄膜电板组件的系统，包括：
一个第一敷层工位，其包括一个第一基片夹持装置和至少一个涂布头，该涂布头用于向基片的第一侧面敷层；
一个第一干燥工位；
一个第二敷层工位，其包括一个第二基片保持装置和至少一个涂布头，该涂布头用于向基片的第二侧面敷层；
一个第二干燥工位；
一个切割工位；以及
一个传送装置，用于每个工位上运送所述基片。
83.如权利要求82所述的系统，其中，所述第一基片保持装置包括一个真空工作台。
84.如权利要求82所述的系统，其中，所述第一敷层工位在所述基片的第一侧面上形成一个导电敷层。
85.如权利要求82所述的系统，其中，所述第二基片夹持装置包括一个真空工作台。
86.如权利要求82所述的系统，其中，所述第二敷层工位在所述基片的第二侧面上形成一个导电敷层。
87.如权利要求82所述的系统，其中，所述第一干燥工位包括一个热源。
88.如权利要求87所述的系统，其中，所述热源可以从红外线加热源、热喷嘴、对流烘箱或者它们的组合中选择。
89.如权利要求82所述的系统，其中，所述第二干燥工位包括一个热源。
90.如权利要求89所述的系统，其中，所述热源可以从红外线加热源、热喷嘴、对流烘箱或者它们的组合中选择。
91.如权利要求82所述的系统，其中，所述切割工位包括一个模切割工位。
92.如权利要求82所述的系统，其中，所述传送装置包括一个输送辊。
93.如权利要求82所述的系统，其中，所述基片从中间材料、电解质材料和扩散介质材料中选择。
94.如权利要求93所述的系统，其中，所述中间材料从聚四氟乙烯或乙烯四氟乙烯中选择。
95.如权利要求93所述的系统，其中，所述电解质薄膜包括全氟磺酸或其变种。
96.如权利要求93所述的系统，其中，所述扩散介质包括碳纤维、碳织物及其组合。
97.一种制造带有一个燃料电池的产品的方法，该方法包括：
提供一个燃料供应歧管；
提供一个氧化剂供应歧管；
通过下述步骤制备一个薄膜电极组件：
制备一种催化液；
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一种中间材料上，所述书写工具按程序以在所述中间材料上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述中间材料；
将所述催化敷层从所述中间材料转送到一个电解质薄膜的一个第一侧面；
利用一冲直接书写工具将所述催化液分配到一种中间材料上，所述书写工具按程序以在所述中间材料上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述中间材料；并且
将所述催化敷层从所述中间材料转送到一个电解质薄膜的一个第二侧面；和
在所述燃料供应歧管和氧化剂供应歧管之间定位所述薄膜电极组件。
98.如权利要求97所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的车辆。
99.如权利要求97所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的电源。
100.一种用于制造带有一个燃料电池的产品的方法，该方法包括：
提供一个燃料供应歧管；
提供一个氧化剂供应歧管；
通过下述步骤制备一个薄膜电极组件，
制备一种催化液；
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一种电解质材料上，该电解质材料带有一个第一侧面和一个第二侧面，所述书写工具按程序以在所述电解质材料第一侧面上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述电解质材料；和
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到所述电解质材料上，所述书写工具按程序以在所述电解质材料的第二侧面上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述电解质材料；并且
在所述燃料供应歧管和氧化剂供应歧管之间定位所述薄膜电极组件。
101.如权利要求100所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的车辆。
102.如权利要求100所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的电源。
103.一种用于制造带有一个燃料电池的产品的方法，该方法包括：
提供一个燃料供应歧管；
提供一个氧化剂供应歧管；
利用一种直接书写工具将一种催化液分配到一种扩散介质上，所述书写工具按程序以在所述第一扩散介质上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述第一扩散介质上；
将所述第一扩散介质设置在靠近所述第一歧管处；
利用一种直接书写工具将所述催化液分配到一个第二扩散介质上，所述书写工具按程序以在所述第二扩散介质上形成一个催化敷层图案的方式将所述催化液分配到所述第二扩散介质上；
将所述第二扩散介质设置在靠近所述第二歧管处；和
在所述第一和第二扩散介质之间设置一种电解质材料。
104.如权利要求103所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的车辆。
105.如权利要求103所述的方法，其中，所述产品包括至少部分由所述燃料电池驱动的电源。
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