JP3825019B2 - Method for forming a catalytic coating on a substrate - Google Patents
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Description
本発明は、概して、燃料電池に係り、より詳しくは、基板上に触媒コーティングを形成するための方法に関する。
本出願は、2002年7月24日に出願された、米国特許シリアル番号10/201,828号の部分継続出願である。
The present invention relates generally to fuel cells, and more particularly to a method for forming a catalytic coating on a substrate.
This application is a continuation-in-part of US Patent Serial No. 10 / 201,828, filed July 24, 2002.
従来技術の文献が以下の通り提供される。
本発明によれば、基板上に触媒コーティングを形成するための方法が提供される。
一実施例では、基板上に触媒コーティングを形成する方法が提供される。本方法によれば、触媒流体が準備され、該触媒流体は、基板の第1の側に触媒コーティングを形成するパターンで、該基板に触媒流体を吐出するようにプログラムされた直接描画機器を使用して基板上に吐出される。
In accordance with the present invention, a method is provided for forming a catalyst coating on a substrate.
In one embodiment, a method for forming a catalyst coating on a substrate is provided. According to the method, a catalyst fluid is prepared, the catalyst fluid being in a pattern that forms a catalyst coating on the first side of the substrate, using a direct drawing device programmed to discharge the catalyst fluid onto the substrate. It is discharged onto the substrate by.
別の実施例では、基板上に触媒コーティングを形成する方法が提供される。本方法によれば、触媒流体は、基板の第1の側に第1のコーティングを形成するパターンで、該基板に触媒流体を吐出するようにプログラムされた直接描画機器を使用して基板上に吐出される。非触媒流体が、基板の第1の側に第2のコーティングを形成するため、第1のコーティングの影のパターンで、同じ直接描画機器を使用して該基板の第1の側に吐出される。 In another embodiment, a method is provided for forming a catalyst coating on a substrate. In accordance with the method, the catalyst fluid is patterned onto the substrate using a direct drawing machine programmed to eject the catalyst fluid onto the substrate in a pattern that forms a first coating on the first side of the substrate. It is the discharge. Noncatalytic fluid, to form a second coating on the first side of the substrate, in a pattern of the shadows of the first coating, is discharged to the first side of the substrate using the same direct writing equipment .
更に別の実施例では、膜電極アッセンブリで使用するための電極膜を準備する方法が提供される。本方法によれば、触媒流体は、中間材料に触媒コーティングを形成するパター
ンで、該触媒流体を吐出するようにプログラムされた直接描画機器を使用して、中間材料上に吐出される。次に、当該触媒コーティングは、中間材料から電極膜に転写される。
In yet another embodiment, a method is provided for preparing an electrode membrane for use in a membrane electrode assembly. According to this method, the catalyst fluid in a pattern to form a catalyst coating on the intermediate material, using a direct drawing apparatus that is programmed to discharge the catalyst fluid is discharged onto the intermediate material. The catalyst coating is then transferred from the intermediate material to the electrode film.
更に別の実施例では、膜電極アッセンブリで使用するための電極膜を準備する方法が提供される。本方法によれば、触媒流体は、直接描画機器を使用して電極材料上に吐出される。 In yet another embodiment, a method is provided for preparing an electrode membrane for use in a membrane electrode assembly. According to this method, the catalyst fluid is discharged onto the electrode material by using a direct-write equipment.
なお更に別の実施例では、燃料電池で使用するための拡散媒体を準備する方法が提供される。本方法によれば、触媒流体は、直接描画機器を使用して拡散媒体に吐出される。 In yet another embodiment, a method for preparing a diffusion medium for use in a fuel cell is provided. According to this method, the catalyst fluid is discharged to the diffusion media using a direct drawing apparatus.
なお別の実施例では、膜電極アッセンブリを準備するためのシステムが提供される。本システムは、第1及び第2のコーティングステーション、第1及び第2の乾燥ステーション、切断ステーション及び搬送装置を備えている。第1のコーティングステーションは、第1の基板保持装置と、基板の第1の側にコーティングを塗布するための少なくとも1つのコーティングヘッドと、を備えている。第2のコーティングステーションは、第2の基板保持装置と、コーティングを基板の第2の側に塗布するための少なくとも1つのコーティングヘッドと、を備えている。搬送装置は、基板をステーション間で搬送するように構成される。 In yet another embodiment, a system for preparing a membrane electrode assembly is provided. The system includes first and second coating stations, first and second drying stations, a cutting station, and a transport device. The first coating station comprises a first substrate holding device and at least one coating head for applying a coating to the first side of the substrate. The second coating station comprises a second substrate holding device and at least one coating head for applying the coating to the second side of the substrate. The transfer device is configured to transfer a substrate between stations.
本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面と一緒に参照される本発明の次の説明からより完全に理解されよう。なお、本発明の請求の範囲は、その記載事項により画定され、本説明に記載された特徴及び利点の特定の議論によっては画定されない。 The above and other features and advantages of the present invention will be more fully understood from the following description of the invention, taken together with the accompanying drawings. It is noted that the scope of the present invention is defined by the description thereof, and not by the specific discussion of features and advantages described in this description.
次の詳細な説明は、添付図面と連係して読まれるとき最も良く理解することができる。ここで、同様の構成要素は、同様の参照番号を用いて指し示される。 The following detailed description is best understood when read in conjunction with the accompanying drawings. Here, similar components are indicated using similar reference numerals.
当業者は、図面中の構成要素は、簡単さ及び明瞭さのため図示されたものであり、必ずしもスケール通りに描かれたものではないことを認めるであろう。例えば、図面中の構成要素の幾つかの寸法は、本発明の実施例の理解を向上させることを援助するため他の構成要素に対して誇張して描かれている。 Those skilled in the art will appreciate that the components in the drawings are illustrated for simplicity and clarity and have not necessarily been drawn to scale. For example, some dimensions of components in the drawings are exaggerated relative to other components to help improve the understanding of embodiments of the invention.
図1を参照すると、自動車用途のための燃料電池システム2が示されている。しかし、他の燃料電池システムの用途、例えば居住システムの領域において、本発明から利益を受けることができることが認められるべきである。図示のように、燃料電池2は、一次反応器4と、水ガスシフト反応器6と、優先酸化(PrOx)反応器7と、少なくとも1つの熱交換器8と、テイルガス燃焼器9と、燃料電池10とを備えている。これらの構成部品及び燃料電池システム2の作用の説明を以下に述べる。一つの特別の燃料電池システム設計が説明されたが、本発明は、触媒コーティングが利用されるところの任意の燃料電池システム設計に適用可能であることが認められるべきである。
Referring to FIG. 1, a fuel cell system 2 for automotive applications is shown. However, it should be appreciated that other fuel cell system applications may benefit from the present invention in the area of residential systems, for example. As shown, the fuel cell 2 comprises a primary reactor 4, a water gas shift reactor 6, a preferential oxidation (PrOx) reactor 7, at least one
一次反応器4では、例えばガソリン又はメタン等の炭化水素燃料と、空気と、蒸気とが混合され、加熱される。加熱された混合物は、触媒形成された基板に供給される。このとき、当該混合物が触媒の上方に亘って流れ、該触媒と反応するとき、該混合物は、水素、一酸化炭素及び他のプロセスガスに分離され、水素の豊富な流れを形成する。この反応は、約700℃乃至約800℃の範囲の温度で生じる。 In the primary reactor 4, a hydrocarbon fuel such as gasoline or methane, air, and steam are mixed and heated. The heated mixture is supplied to the catalyst-formed substrate. At this time , when the mixture flows over the catalyst and reacts with the catalyst , the mixture is separated into hydrogen, carbon monoxide and other process gases to form a hydrogen-rich stream. This reaction occurs at a temperature in the range of about 700 ° C to about 800 ° C.
一次反応器4を出る水素の豊富な流れは、水ガスシフト反応器6に流入する。水からの酸素は、一酸化炭素を二酸化炭素に転換し、追加の水素を残し、システム効率を向上させるために使用される。シフト反応器6の作動温度は、約250℃から約450℃の範囲に及んでいる。シフト反応器6を出た水素の豊富な流れは、優先酸化反応器7に流入する。ここで、一酸化炭素の最終的なクリーンアップが、水素の豊富な流れが燃料電池スタックに入る前に生じる。残りの一酸化炭素のほとんどを二酸化炭素に転換するため必要とされる酸素を供給し、追加の水素を後に残すため空気が追加される。優先酸化反応器7における作動温度は、約80℃から約200℃までの範囲に亘る。3つの反応器が燃料から水素を抽出し、有害な排気ガスを減少したり、或いは、無くしたりする。 The hydrogen rich stream leaving the primary reactor 4 flows into the water gas shift reactor 6. Oxygen from the water is used to convert carbon monoxide to carbon dioxide, leaving additional hydrogen and improving system efficiency. The operating temperature of the shift reactor 6 ranges from about 250 ° C to about 450 ° C. The hydrogen rich stream leaving the shift reactor 6 flows into the preferential oxidation reactor 7. Here, the final clean-up of carbon monoxide occurs before the hydrogen-rich stream enters the fuel cell stack. Air is added to supply the oxygen needed to convert most of the remaining carbon monoxide to carbon dioxide, leaving behind additional hydrogen. The operating temperature in the preferential oxidation reactor 7 ranges from about 80 ° C to about 200 ° C. Three reactors extract hydrogen from the fuel to reduce or eliminate harmful exhaust gases.
3つの反応器は、燃料が導入される前に、それらの作動温度にまで迅速に加熱される。熱交換器8は、このため、燃料電池システム2を通して様々な温度を調整するため使用される。典型的には、熱交換器8は、一次反応器4に入る前に、蒸気及び空気の流れを予備加熱する。水素の豊富な流れからの消費熱は、一次反応器4から出る。
The three reactors are rapidly heated to their operating temperature before the fuel is introduced. The
水素の豊富な流れは、燃料電池のスタックを構成する燃料電池10に供給され、例えば空気等の源からの酸素と反応され、負荷11をパワー供給するため使用することのできる電気を生成する。燃料電池10から出た少量の未使用水素は、約300℃から約800℃の温度で作動する排出ガス燃焼器9内で消費される。一連の反応器が水素源として説明されたが、任意の水素源が本発明に適用可能であることが認められるべきである。
The hydrogen-rich stream is fed to the
図2を参照すると、車両ボディ90と、燃料電池プロセッサ4及び燃料電池スタック15を有する燃料電池システムと、を持つ車両が示されている。燃料電池スタック及び燃料電池で具現化された本発明の説明は、図3乃至図9を参照して後述される。
Referring to FIG. 2, a vehicle having a
図3は、導電流体分配プレート30により互いから分離された一対の膜電極アッセンブリ(MEAs)20及び22を有する燃料電池スタック15を表している。プレート30は
、膜電極アッセンブリ20及び22に燃料及び酸化ガスを分配するための複数の流体流れチャンネルを有する二極式プレートとして機能する。“流体流れチャンネル”は、当該プレートの少なくとも一部分内で、該一部分から、該一部分に沿って、或いは、該一部分を通して、流体を輸送するため使用されるプレートの経路、領域、エリア又は任意の区画を意味する。膜電極アッセンブリ20及び22と、プレート30とは、クランププレート40及び42と、導電流体分配プレート32及び34との間で一緒に積み重ねられている。プレート32及び34は、当該プレートの両側とは対照的に、燃料及び酸化ガスを膜電極アッセンブリ20及び22に夫々分配するため、一つの側のみがチャンネル36及び38を含む端部プレートとして機能する。
FIG. 3 represents a fuel cell stack 15 having a pair of membrane electrode assemblies (MEAs) 20 and 22 separated from each other by a conductive fluid distribution plate 30. Plate 30 functions as a bipolar plate having a plurality of fluid flow channels for distributing fuel and oxidizing gas to
非導電性ガスケット50、52、54及び56は、燃料電池スタックの幾つかの構成部品の間でシール部及び電気的絶縁を提供する。ガス浸透性拡散媒体材料60、62、64及び66は、膜電極アッセンブリ20及び22の電極面に対して加圧する。プレート32及び34は、各々、拡散媒体材料60及び66に対して加圧し、プレート30は、膜電極アッセンブリ20のアノード面で拡散媒体材料62に対して加圧し、膜電極アッセンブリ22のカソード面で拡散媒体材料64に対して加圧する。
例えばO2等の酸化流体は、適切な供給配管86を介して貯蔵タンク70から燃料電池スタックのカソード側に供給される。酸化流体は、カソード側に供給され、例えばH2等の還元流体が、適切な供給配管88を介して貯蔵タンク72から燃料電池のアノード側に供給される。還元流体は、触媒の存在下の改質プロセスに従って、メタン若しくはガソリン、空気及び水の混合物から導出され得る。膜電極アッセンブリのH2及びO2/空気の両方の側のための排気配管(図示せず)も設けられている。追加の配管80、82及び84が、液体冷却剤をプレート30、プレート30及び34に供給するため設けられている。プレート30、32及び34から冷却剤を排出するための適切な配管も設けられるが、図示されていない。
For example, an oxidizing fluid such as O 2 is supplied from the
図4を参照すると、膜電極アッセンブリ20の分解図が、アノード層102と、カソード層106と、アノード層102及びカソード層106を分離する電解質104と、を備えた状態で示されている。膜電極アッセンブリ20及び膜電極アッセンブリ22は同一である。簡単にするため、本発明は、膜電極アッセンブリ20に関連して説明される。本発明を、膜電極アッセンブリ22及び一般の膜電極アッセンブリに適用することができることが認められるべきである。
Referring to FIG. 4, an exploded view of the
一般に、アノード層102及びカソード層106は、一旦、燃料電池10(図1)が組み立てられたならば、それらが電解質材料と緊密に接触した状態となる態様で形成されたコーティングである。基板上に触媒コーティングを形成する方法を以下に説明する。当該方法における第1の工程は、触媒流体を準備することである。一般に、触媒流体は、イオノマー、貴金属触媒、溶媒及び水の溶液である。イオノマー及び貴金属触媒の溶液は、典型的には、溶媒及び水の混合物中の支持体上で準備される。触媒流体の所望の粘性及びイオノマー対カーボンの所望の比率に依存して異なる量を使用することができる。一般に、約30グラム乃至約250グラムの溶媒が、約130グラム乃至約200グラムの水と混合され、約5グラム乃至約30グラムのイオノマー並びに約5グラム乃至約20グラムの貴金属触媒が溶液を形成するため一緒に混合される。イオノマー及び貴金属触媒の溶液のために使用される支持体は、典型的には、高い表面積を有するカーボンである。カーボンの量は、一般に、約5グラム乃至約20グラムである。より詳しくは、触媒溶液は、約4重量%の貴金属、約4重量%のイオノマー、約4重量%のカーボン、約28重量%の水、約60重量%の溶媒から形成される。 In general, anode layer 102 and cathode layer 106 are coatings formed in such a manner that once fuel cell 10 (FIG. 1) is assembled, they are in intimate contact with the electrolyte material. A method for forming a catalyst coating on a substrate is described below. The first step in the method is to provide a catalyst fluid. In general, the catalyst fluid is a solution of ionomer, noble metal catalyst, solvent and water. A solution of ionomer and noble metal catalyst is typically prepared on a support in a mixture of solvent and water. Different amounts can be used depending on the desired viscosity of the catalyst fluid and the desired ratio of ionomer to carbon. Generally, about 30 grams to about 250 grams of solvent is mixed with about 130 grams to about 200 grams of water, and about 5 grams to about 30 grams of ionomer and about 5 grams to about 20 grams of noble metal catalyst form a solution. To be mixed together. The support used for the ionomer and noble metal catalyst solution is typically carbon with a high surface area. The amount of carbon is generally from about 5 grams to about 20 grams. More particularly, the catalyst solution is formed from about 4% by weight noble metal, about 4% by weight ionomer, about 4% by weight carbon, about 28% by weight water, and about 60% by weight solvent.
貴金属触媒は、白金、白金合金及びそれらの組み合わせから選択することができる。溶媒は、イソプロピルアルコール、エタノール、ブタノール、及び、それらの組み合わせから選択することができる。触媒流体は、約70cp乃至約2000cpの粘性を示し、より詳しくは、約300cpの粘性を示すように準備することができる。触媒流体は、約0.8乃至約2.0のイオノマー対カーボン比率を示すように準備することができる。溶液中の固形物量は、約8重量%乃至約20重量%であり、より詳しくは、約12重量%である。 The noble metal catalyst can be selected from platinum, platinum alloys and combinations thereof. The solvent can be selected from isopropyl alcohol, ethanol, butanol, and combinations thereof. The catalyst fluid can be prepared to exhibit a viscosity of about 70 cp to about 2000 cp, and more particularly, a viscosity of about 300 cp. The catalyst fluid can be prepared to exhibit an ionomer to carbon ratio of about 0.8 to about 2.0. The amount of solids in the solution is about 8% to about 20% by weight, and more specifically about 12% by weight.
一旦、触媒流体が準備されたならば、それは直接描画機器を使用して基板110上に吐出される。“直接描画”は、機器の運動、基板の運動又はそれらの両方により画定されたパターンで基板の表面上に直接流体を堆積させることを意味している。直接描画では、堆積された流体は、堆積表面又は堆積されたパターンの全体的な寸法に対して、比較的良好に画定された堆積ライン若しくは堆積領域を形成する。流体源と堆積基板との間の相対運動は、より広範囲に亘る堆積パターンを形成するように良く画定された堆積ライン若しくは堆積領域を延長させるのに役立つ。
Once the catalyst fluid is prepared, it is discharged onto the
図5は、本発明に係る、直接描画機器の一実施例を示している。直接描画機器150は、設計システム152と、ライティングシステムコントローラ154と、ライティングシステム160と、を備えている。ライティングシステム160は、流体分配システム168と、ノズル166と、ノズル先端部167と、基板保持装置162と、を更に備えている。ライティングシステムコントローラ154がパターンを知り、ライティングシステム160が、設計システム152に蓄えられているパターンを基板110上で描画することを可能にする態様でライティングシステム160を制御するように、設計システム152は、ライティングシステムコントローラ154と電子的に連通する。
FIG. 5 shows an embodiment of a direct drawing device according to the present invention. The
図5及び図6を参照すると、ライティングシステムコントローラ154は、流体分配システム168及び基板保持装置162と電子的に連通する。このため、ライティングシステムコントローラ154は、流体分配システム168が、触媒流体をノズル166に配給することを可能にする。触媒流体は、ノズル先端167を通って基板110に吐出される。触媒流体は、任意の適切な手段により流体分配システム168に運搬されてもよい。
Referring to FIGS. 5 and 6, the
ライティングシステムコントローラ154は、設計システム内に蓄えられたパターン170を形成する様々な位置に基板保持装置162を移動することを可能にしている。基板保持装置162を様々な位置に移動させることによって、基板110は、触媒流体が基板110上に吐出されている間にノズル先端167の下に正確に配置される。この態様では、ノズル166及びノズル先端167は、移動せず、触媒流体を吐出する間に静止した状態のままとなっている。また、ノズル先端167の圧力は、基板110との直接表面接触が生じないように制御される。別の実施例では、基板保持装置162は、触媒流体を吐出する間に基板110に亘ってノズル166及びノズル先端167が移動する間に静止した状態のままとなっている。
The
設計システム152は、任意のコンピュータ援用式設計(CAD)インターフェースであってもよい。これは、グラフィックスエディター、デジタル式タブレット、又は、包括的なフォトプロッターインターフェースを通したインターフェースを介してパターンの設計を可能にする。触媒流体が容易にノズル先端167を通って吐出されるように、触媒流体が溶解状態を維持することを可能にするため、ノズル166を加熱することができる。パターン170を形成している1つ又は複数のライン169の幅及び厚さは、ノズル先端径、ノズル先端への流体の体積流量率及び描画速度に依存している。描画速度は、ノズル先端167に対する基板110の運動又は基板に対するノズル先端167の運動に依存して変動し得る。かくして、ラインの厚さは、次式により決定することができる。即ち、t=Q/(Vw)であり、ここで、Q=体積流量率、w=ライン幅、V=描画速度、及び、t=ラインの厚さである。流体の粘性率は、どのくらいのライン幅がノズル先端径にどのくらい近くなるかを決定する。即ち、低い粘性率の流体が流れると、ライン幅がノズル先端径よりも大きくなるが、その上、高い粘性率の流体が流れないと、ライン幅がノズル先端径にほぼ等しくなる。
The
ノズル先端167は、約0.051mm(約0.002インチ)乃至約約6.35mm(約0.25インチ)までの幅を有する少なくとも1つのラインを形成することができる。1より多いラインが望まれている場合には、約0.0127mm(約0.0005インチ)までのスペースを、ラインの間に形成することができる。ライン厚は、ノズルの通過毎に約0.254mm(0.010インチ)まで可能である。当該ラインは、約±0.000635mm(約±0.000025インチ)の許容範囲を持ち得る。機器は、毎秒約1.27mm(約0.05インチ)乃至毎秒約127mm(約5.0インチ)の速度で描画を行う。機器150は、0.0127mm(0.0005インチ)の最小格子ピッチで作動する。
The
基板110上に形成されたパターン170は、矩形螺旋、直線、一連のライン又は任意の適切な幾何学的パターンから選択することができる。矩形螺旋を形成する、ライン又は一連のライン169を有するパターン170の一例が図7に示されている。隣接するラインの間の間隔を調整することができる。隣接するラインの間に間隔が存在しない場合には、パターン170は、基板110全体に亘って、単一の連続的コーティングを形成するであろう。図8は、本発明の一実施例に係る直接描画機器により形成された一連のライン169を有するパターン170を示している。
The
典型的には、パターンが基板110上で形成された後、基板110は、約70℃乃至約100℃の温度を有する熱源により乾燥される。当該パターンは、一旦乾燥された場合、基板110上にコーティングを形成する。熱源は、赤外線ヒーター、対流式オーブン、加熱ジェット、又は、触媒流体から溶媒を除去するための他の任意の適切な加熱装置から選択される。基板110は、コーティング中の溶媒をほとんど全て蒸発させるのに充分な時間、より詳しくは、約2分乃至約10分間に亘って加熱される。
Typically, after the pattern is formed on the
膜電極アッセンブリを作る方法は、触媒流体が吐出される基板に依存して変化し得る。基板は、一般に、中間材料、拡散媒体材料、又は、電解質膜材料から選択される。
基板が中間材料である場合、触媒溶液は、直接描画機器により中間材料上にプログラムされたパターンで堆積される。被覆された基板は、典型的にはオーブンで、約70℃乃至約100℃の温度で乾燥される。基板が乾燥された後、2次イオノマー溶液が、基板に塗布され、乾燥され得る。イオノマー溶液の塗布は、典型的には、噴霧工程により実行される。中間材料上に形成されたコーティングは、典型的には、加熱プレス転写器を使用して電解質膜材料に転写される。本発明の一実施例では、非反応性の第2の流体が、触媒流体の堆積後に、又は、触媒流体と同時に塗布され得る。中間材料上に形成されたコーティングは、電解質膜材料に転写される。中間材料は、典型的に、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンテトラフルオロエチレン、又は、それらの変化形態から選択される。非触媒流体は後述される。
Method of making a membrane electrode assembly may vary depending on the substrate on which the catalyst fluid is discharged. The substrate is generally selected from an intermediate material, a diffusion media material, or an electrolyte membrane material.
If the substrate is an intermediate material, the catalyst solution is deposited in a programmed pattern on the intermediate material by a direct writing machine. The coated substrate is typically dried in an oven at a temperature of about 70 ° C. to about 100 ° C. After the substrate is dried, a secondary ionomer solution can be applied to the substrate and dried. Application of the ionomer solution is typically performed by a spraying process. Coating formed on the intermediate material is typically transferred to the electrolyte membrane material using a heating press transfer device. In one embodiment of the invention, the non-reactive second fluid may be applied after the catalyst fluid is deposited or simultaneously with the catalyst fluid. The coating formed on the intermediate material is transferred to the electrolyte membrane material. The intermediate material is typically selected from polytetrafluoroethylene, ethylenetetrafluoroethylene, or variations thereof. Non-catalytic fluids are described below.
本発明で使用することのできる第2の基板は、拡散媒体材料である。拡散媒体材料が使用された場合、触媒流体は、上述されたように準備され、次に、上述されたパターンのうち任意のもので、上述されたような直接描画機器を使用して拡散媒体材料上に堆積される。被覆された拡散媒体材料は乾燥工程を受ける。拡散媒体材料は、燃料電池で使用される任意の適切な拡散媒体材料とすることができる。本発明の一実施例では、非触媒流体である第2の流体は、触媒流体の堆積後、又は、触媒流体と同時に拡散媒体材料上に塗布されてもよい。 A second substrate that can be used in the present invention is a diffusion media material. If a diffusion media material is used , the catalyst fluid is prepared as described above and then the diffusion media material using any of the patterns described above, using a direct writing instrument as described above. Deposited on top. The coated diffusion media material undergoes a drying process. The diffusion media material can be any suitable diffusion media material used in fuel cells. In one embodiment of the present invention, the second fluid that is a non-catalytic fluid may be applied onto the diffusion media material after deposition of the catalytic fluid or simultaneously with the catalytic fluid.
代替例として、基板は、電解質膜材料とすることができる。このため、触媒流体は、電解質膜材料上に直接堆積される。被覆された電解質膜材料は、乾燥工程を受ける。電解質膜材料は、例えば、過フッ化スルホン酸又はその変化形態等の陽子伝達膜であってもよい。 As an alternative, the substrate can be an electrolyte membrane material. For this reason, the catalyst fluid is deposited directly on the electrolyte membrane material. The coated electrolyte membrane material undergoes a drying process. The electrolyte membrane material may be, for example, a proton transfer membrane such as perfluorinated sulfonic acid or its modified form.
本発明の一実施例では、非触媒である第2の流体は、触媒流体の堆積後又は触媒流体と同時に電解質膜材料上に塗布されてもよく、これにより、電解質膜材料の一方の側に、触媒コーティング及び非触媒コーティングを形成する。図9を参照すると、触媒コーティング182及び非触媒コーティング184の両方を有する膜電極アッセンブリ180が示されている。非触媒流体は、乾燥されたとき非触媒コーティング184を形成する。非触媒流体は、それが触媒流体の影を形成するような態様で堆積される。「影」は、一方の流体が他方の流体の上方に亘って直接には堆積されないように一方の流体が他方の流体の輪郭に従うことを意味している。使用時には、非触媒流体は、基板202上の触媒流体のラインの間のスペースに充填される。
In one embodiment of the present invention, the non-catalytic second fluid may be applied onto the electrolyte membrane material after deposition of the catalyst fluid or simultaneously with the catalyst fluid, so that on one side of the electrolyte membrane material. Forming a catalytic coating and a non-catalytic coating; Referring to FIG. 9, a
非触媒流体は、高い電気伝導率、高い熱伝導率及び低い多孔率を示す材料である。非触媒流体は、炭素質材料、カーボンブラック、グラファイト、又は、それらの組み合わせとすることができる。炭素質材料は、例えば、ポリイミド、テレフタル酸ポリエチレン(polyethylene terephthalate)、及び、それらの組み合わせ等のポリマー結合材料から構成されてもよい。非触媒流体の粘性率は、図9に示された触媒コーティング間の領域を容易に充填するため適切なものに調整することができる。一般には、非触媒流体は、約300cp乃至約10,000cpの粘性率を示す。非触媒流体が触媒流体より基板上でより厚くなるように該非触媒流体を吐出することができる。 Non-catalytic fluids are materials that exhibit high electrical conductivity, high thermal conductivity, and low porosity. The non-catalytic fluid can be a carbonaceous material, carbon black, graphite, or a combination thereof. The carbonaceous material may be composed of a polymer binding material such as polyimide, polyethylene terephthalate, and combinations thereof. The viscosity of the non-catalytic fluid can be adjusted to an appropriate one to easily fill the area between the catalyst coatings shown in FIG. In general, non-catalytic fluids exhibit a viscosity of about 300 cp to about 10,000 cp. The non-catalytic fluid can be discharged such that the non-catalytic fluid is thicker on the substrate than the catalytic fluid.
図10を参照すると、触媒コーティング182及び非触媒コーティング184を有する膜電極アッセンブリ180の一実施例が示されている。触媒コーティング182のラインが流れ場プレート内のチャンネルと整列することを可能にするパターンで、触媒流体を堆積することができる。このことは、触媒アノードコーティング182aを形成する触媒流体が、アノード流れ場プレートのチャンネル185と整列されるように、基板202の両側で達成することができる。このため、非触媒コーティング182aは、触媒流体又は触媒アノードコーティング182aのスペース間にあり、アノード流れ場プレートのランド186上に非触媒コーティング184を形成する。膜電極アッセンブリ180のカソード側に同様に、触媒カソードコーティング182bを形成する触媒流体は、カソード流れ場プレートのチャンネル187と整列される。かくして、非触媒流体は、触媒流体又は触媒カソードコーティング182bのスペース間に堆積され、カソード流れ場プレートのランド186上に非触媒コーティング184を形成する。触媒アノードコーティング182a及び触媒カソードコーティング182bは、チャンネル185、187の開口より夫々狭いように示されている。触媒アノードコーティング182a及び触媒カソードコーティング182bは、コーティングがチャンネル185、187と同じ位の幅かそれとももっと幅広くなるように形成されてもよい。このコンセプトは、米国特許出願シリアル番号10/201,828号でより詳細に説明される。
Referring to FIG. 10, one embodiment of a
基板202上に非触媒コーティング184を形成するため非触媒流体が使用され、基板が電解質膜材料であるとき、燃料電池は、燃料電池中の拡散媒体材料を使用しない。かくして、その結果としての燃料電池は、図3に示された燃料電池10と同一であるが、拡散媒体60、62、64及び66が存在しなくなるであろう。
When a non-catalytic fluid is used to form a
図11を参照すると、本発明の一実施例に係る膜電極アッセンブリ製造システム200が示されている。当該システムは、3つの主要なステーションを有する。即ち、第1のコーティングステーション、第2のコーティングステーション及び切断ステーションである。基板202は送り込みローラー装置212上に配置されている。該ローラー装置では、該基板202がローラー216、218、224及び226によりステーションからステーションへと牽引される。第1のコーティングステーションでは、基板202は、第1の基板保持装置214に亘って引っ張られる。一旦、基板202が第1の基板保持装置214に至ると、ノズル210aが、基板202の第1の側202a上に、直接、触媒流体を吐出する。触媒流体は、上述されたように、典型的には、パターンの形態で吐出される。次に、基板202は、第1の乾燥領域215に引っ張られる。第1の乾燥領域215は、加熱ジェット列、赤外線ヒーター、対流式オーブン、又は、触媒流体から溶媒の大部分を除去するための他の任意の適切な装置であってもよい。第1の乾燥領域215は、典型的には、約70℃乃至約100℃の間の温度を維持している。第1の乾燥領域215において、触媒流体は、基板202において乾燥し、基板202上で触媒コーティングを形成する。触媒コーティングは、アノードコーティング又はカソードコーティングのいずれであってもよい。
Referring to FIG. 11, a membrane electrode
次に、基板202は、第2のコーティングステーションへと牽引される。第2のコーティングステーションでは、基板202は、第2の基板保持装置228の上方に亘って引っ張られる。触媒流体は、基板202の第2の側202b上に堆積される。触媒流体は、上述されたようなパターンを形成する態様で、基板22上に吐出されてもよい。第1の乾燥領域215を通して引っ張られている間、基板202は、ノズル202aが、基板202の第2の側202b上で触媒流体を吐出するように、基板202の第1の側202aが反対側に面することを可能にする態様で回転される。触媒流体が基板202の第2の側202bに配置された後、基板220は、第2の乾燥領域222に引っ張られる。第2の乾燥領域222は、加熱ジェット列、赤外線ヒーター、対流式オーブン、又は、触媒流体から溶媒の大部分を除去するための他の任意の適切な装置であってもよい。第2の乾燥領域222は、典型的には、約70℃乃至約100℃の間の温度を維持している。第2の乾燥領域222にある間、基板202の第2の側202b上に堆積された触媒流体は、基板202に亘って触媒コーティングを形成する。触媒コーティングは、アノードコーティング又はカソードコーティングのいずれかであってもよい。
The
基板202は、基板202の各部品がアノードコーティング及びカソードコーティングの両方を有するように、基板202が別々の部品へと切断されるところの切断ステーション230へと引っ張られる。基板202は、流体により基板202上に形成され得るパターンに介入しない態様で更に切断されてもよい。
The
図11が示しているように、1より多くのノズル210a、210b、220a及び220bを、基板202上に1つより多い流体を一度に堆積させるため各ステーションで使用することができる。各ステーションでは、2つだけのノズルが示されているが、ノズル列を設けることができることが認められるべきである。1より多くの流体が一度に堆積されるとき、一つの流体は他の流体の影になり得る。非触媒流体が第2の流体として上述されているが、第2の流体は、任意の所望の流体とすることができることが認められるべきである。例えば、第2の流体は、膜電極アッセンブリの入口及び出口の近傍に堆積される、かなり多くの量の貴金属を含む流体とすることができる。流体は、より少量の貴金属を有し、膜電極アッセンブリの中央部に堆積されることができ、これにより、耐久性の低下及び質量転移損失の一部分を軽減する。
As FIG. 11 shows, more than one
ノズル210a、210b、220a、及び、220bは、典型的には、上述されたように直接描画機器に取り付けられる。流体は、典型的には、上述されたパターンの一つの形態で、基板202上に吐出される。触媒流体は、上述されたように準備される。第1及び第2の基板保持装置214及び228は、真空テーブル又は基板を適所に保持するための他の任意の装置であってもよい。
The
ここで、図12a及び図12bを参照すると、1より多くの流体を基板に塗布する方法に追加される工程が示されている。超音波エネルギーを、基板202のコーティングに関して援助するため印加することができる。触媒流体240及び非触媒流体242がノズル210a及び210bから基板202へ吐出されるとき、これらの流体に亘って超音波プローブ250を配置することができる。超音波プローブ250は、図12aに示されるように、触媒流体240及び非触媒流体242の接触ライン241の上方の空気を通して、音波エネルギー251を伝達する。特に図12bに参照されるように、触媒流体240及び非触媒流体242がノズル210a及び210bから吐出されたとき、音波エネルギーを基板202を通して伝達させるため超音波プローブ250を基板202の下方に配置することができる。音波エネルギー251は、触媒流体240及び非触媒流体242の接触ライン241のところで伝達される。
Referring now to FIGS. 12a and 12b, there are shown steps that are added to the method of applying more than one fluid to a substrate. Ultrasonic energy can be applied to assist in coating the
音波エネルギー251は、液体−液体間のインターフェースにおける表面張力が、音波エネルギーの印加の位置で連続的に低下するように、接触ライン241に連続的に印加され、これにより、より良好な流体流れを可能にすると共に、流体240及び242の間の滑らかなインターフェースを形成する。図12a及び図12bが、第1のコーティングステーションにおいて作動するノズル240及び242を使用して示されているが、図12a及び図12bは、第2のコーティングステーションで作動するノズル220a及び220bも示していること認められるべきである。触媒流体及び非触媒流体の両方を含む2つの流体を基板上に吐出させる膜電極アッセンブリを作るための任意の適切な方法のシステムで音波エネルギー251を使用することができる。この工程は、超音波プローブからの音波エネルギーを使用して説明されたが、液体−液体間のインターフェースで表面張力を緩和させることができる任意の機器又はエネルギーを使用することができる。
本発明は、幾つかの好ましい実施例を参照して説明されたが、上述した本発明のコンセプトの精神及び範囲内で多数の変更をなすことができることが理解されるべきである。従って、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、請求の範囲の言語により可能となる全範囲を持つことが意図されている。 Although the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, it should be understood that numerous modifications can be made within the spirit and scope of the inventive concept described above. Accordingly, the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but is intended to have the full scope possible with the language of the claims.
Claims (3)
燃料供給マニホルドを用意し、
酸化剤供給マニホルドを用意し、
膜電極アッセンブリを準備する、各工程を含み、
前記膜電極アッセンブリを準備する工程は、
触媒流体を準備する工程と、
前記触媒流体を基板上に吐出するようにプログラムされた直接描画機器を使用して、該基板上に触媒コーティングを形成する所定のパターンで、該基板上に前記触媒流体を吐出する工程であって、前記触媒流体の前記所定のパターンは、前記直接描画機器の移動を通して前記基板に平行な平面に形成される、前記工程と、
前記触媒コーティングを、前記基板から電解質膜の第1の側に転写する工程であって、該触媒コーティングは、前記燃料電池の流れ場チャンネルと整列するように構成される、前記工程と、
前記触媒流体を基板上に吐出するようにプログラムされた直接描画機器を使用して、該基板上に触媒コーティングを形成する所定のパターンで、該基板上に前記触媒流体を吐出する工程であって、前記触媒流体の前記所定のパターンは、前記直接描画機器の移動を通して前記基板に平行な平面に形成される、前記工程と、
前記触媒コーティングを、前記基板から電解質膜の第2の側に転写する工程であって、該触媒コーティングは、前記燃料電池の流れ場チャンネルと整列するように構成される、前記工程と、
前記膜電極アッセンブリを、前記燃料供給マニホルドと、前記酸化剤供給マニホルドとの間に配置する工程と、を含む、方法。 A method of manufacturing an article incorporating a fuel cell, comprising:
Prepare a fuel supply manifold,
Prepare an oxidizer supply manifold,
Preparing each membrane electrode assembly, including each step;
The step of preparing the membrane electrode assembly includes:
Preparing a catalyst fluid; and
Discharging the catalyst fluid onto the substrate in a predetermined pattern using a direct drawing device programmed to discharge the catalyst fluid onto the substrate to form a catalyst coating on the substrate; The predetermined pattern of the catalyst fluid is formed in a plane parallel to the substrate through movement of the direct drawing device; and
Transferring the catalyst coating from the substrate to a first side of an electrolyte membrane , wherein the catalyst coating is configured to align with a flow field channel of the fuel cell ;
Discharging the catalyst fluid onto the substrate in a predetermined pattern using a direct drawing device programmed to discharge the catalyst fluid onto the substrate to form a catalyst coating on the substrate; The predetermined pattern of the catalyst fluid is formed in a plane parallel to the substrate through movement of the direct drawing device; and
Transferring the catalyst coating from the substrate to a second side of an electrolyte membrane, the catalyst coating being configured to align with a flow field channel of the fuel cell ;
The membrane electrode assembly includes the fuel supply manifold, and a step of placing between the oxidant supply manifolds, methods.
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