TW200830611A - Gas diffusion layer, manufacturing apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

200830611 rD3yDui〇7TW 22465twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種燃料電池，且特別是有關於一種 燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置與製造方法。 【先前技術】 隨著工業的進步，傳統能源如煤、石油及天然氣的消 耗量持續升高，由於天然能源的存量有限，因此必須研發 參 新的替代能源以取代傳統能源，而燃料電池便是一種重要 且具實用價值之選擇。 簡單來說’燃料電池基本上可說是一種利用水電解之 逆反應而將化學能轉換成電能的發電裝置。由於燃料電池 的操作溫度低、啟動快、能量密度高、污染低，並且應用 的範圍廣泛，所以非常具商業化的價值，也因此成為世界 各國相繼研發與推廣之技術。目前常見的燃料電池有磷酸 型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel CeU，簡稱 PAFC)、直接 甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell，簡稱 DMFC)、驗 性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，簡稱AFC)、熔融碳酸鹽燃料 電池（Molten Carbonate Fuel Cell，簡稱 MCFC)、固態氧化物 燃料電池（Solid Oxide Fuel CeU，簡稱SOFC )及質子交換 膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel CeU，簡稱 PEMFC) 〇 圖1A所繪示為典型質子交換膜型燃料電池(peMFC) 之内部結構剖面圖。如圖1A所示，以質子交換膜燃料電 ’也來說’其主要是由質子膜交換膜100(pr〇t〇n Exchange 5 200830611 rjjyjuiu7TW 22465twf.doc/n

Membrane，PEM)、觸媒層 l〇2(Catalyst Layer)、氣體擴散 層 104(Gas Diffusion Layer，GDL)及雙極板 106(Bipolar Plate)等。當PEMFC電池運轉操作時，在陽極llO(Anode) 侧是進行氫氣(Kb)的氧化反應，在陰極112(Cathode)側則是 進行氧氣(〇2)的還原反應。此燃料電池的反應原理為：首 先陽極110反應氣體(H2)經觸媒催化分解成氫離子(H+)與 電子(e〇，如方程式(1)，其中電子(e-)自陽極11〇流出至電 池外部電路114，經負載(Load)115作功後流入陰極112， 同時氫離子(H+)也透過質子膜交換膜l〇〇(PEM)由陽極11〇 傳遞至陰極112。此氳離子(H+)及電子(e_)並與陰極112的 氧分子(〇2)結合產生水(HzO)，如方程式(2)。因此，整個燃 料電池的總反應為：氫(H2)與氧(〇2)反應產生水(h2〇)，如 方程式(3)。 陽極(Anode)侧：2H++2e- (1) 陰極(Cathode)側·· l/202+2H++2e--> H20 (2) 總反應· H2+I/2O2 ~^ H2O (3) 當氫離子(H )在陽極110產生時，由於電池内部存在 的電位降，此氫離子會不斷的向陰極112傳導移動。當氣 離子(H+)傳導移動時，它必須要伴隨數個水分子才能進行 傳導(即以水合離子形態H+(H2〇)n移動）。因此電池反應時 水分子會不斷由陽極110向陰極Π2傳送，此時若不能適 時的補充水分，將導致質子交換膜100過度乾燥，而降低 氫離子(H+)的傳導能力，這將使燃料電池的發電性能大幅 6 200830611 ^^ΌΙΌΙΤΨ 22465twf.doc/n 下，。但燃料電池陰極112侧會因進行仏的還原反應產生 大里的水(Η2 Ο)’如*能❹餘的水翻電池，將導致陰極 112側的觸媒層102及氣體擴散層1〇4被水淹沒及覆蓋， 而阻絕反應氣_ •(稱為淹水FlGQding縣），這也將 使燃料電㈣發電性能大幅衰減。所以燃料電池陰極ιΐ2 侧與陽極110 #j對水的需求與水管理條件是有相當大的差 異丨生如何控制及維持燃料電池内部的水平衡狀態，使陰 極112侧與陽極110侧獲得適當的水量，以及保持氣傳送 的通暢’此乃維持質子交換膜型燃料電池良好性能的必要 條件。 氣體擴散層104位於觸媒層1〇2與氣體流道1〇8之 間’它是㈣電池4要的零崎之―，也是決定燃料電池 内部水平衡狀悲非常重要的關鍵元件。因為所需的反應氣 體0¾、〇2)，無論在陽極110或陰極112都需藉由氣體擴 散層104的擴散才能均勻到達觸媒層1〇2進行反應。 圖1B所繪示為氣體擴散層之内部結構示意圖。如圖m 所示，氣體擴散層104的内部是一種雙層結構(加似啊 Structure)，其中一層為大孔洞的氣體擴散基材1〇4&(〇狀 Diffusum Medium ’ GDM)，另一層為微孔層 104b(Micr〇 porous Layer，MPL)。氣體擴散層1〇4的製作方法通常是 先利用超音波震盪H將高導電性的碳粉、分散劑、溶劑及 親/疏水劑等混合及拌攪，而製成液態的微孔層漿料(Ink)， 再利用塗佈技術將微孔層漿料塗佈於氣體擴散基材1〇4a 的表面’之後再經過高溫燒結就可獲得此微孔層1〇4b。 200830611 F5595U107TW 22465twf.doc/n 氣體擴散層104在燃料電池中扮演想當多角色與功 能，例如：（1)提供反應氣體(¾、〇2)通道；⑺提供反應產 物(水、熱)離開觸媒層的通道；（3)提供電化學反應電子的 進出通道；（4)充當觸媒層及質子交換膜體的結構支撐。因 此，氣體擴散層104必須同時具有導電性、導熱性、多孔 性、透氣性及親/疏水性等特性。如前所述，質子交換膜型 燃料電池反應時’陽極110側的氫離子(H+)傳導須伴隨數 Φ 個水分子才能進行，所以在陽極110側適合使用較親水性 的氣體擴散層材料。而在陰極112侧因進行〇2還原反應會 產生大量的水(H2〇)，所以在陰極ϋ 12側適合使用較疏水性 的氣體擴散層材料。如果一方面要考慮反應氣體(Η2、〇2) 的傳送，另一方面也要考慮水(Η2〇)的排除(防止淹水現象 Flooding發生），此時可使用不同親/疏水性組合的氣體擴 散層材料來達成。由此可知氣體擴散層1〇4的親/疏水性結 構，它是影響燃料電池内部水平衡狀態的重要關鍵因素。 習知的氣體擴散層的製作方法，只採用表面的塗佈 • (CoatinS)的方式，在氣體擴散基材表面形成微孔層，無法 在氣體擴散基材(GD M)内部形成不同的親/疏水性之結構 與通道層。而且，微孔層(MPL)與氣體擴散基材之間的附 著力（Adhesion)不佳，因此容易脫落。此外，氣體擴散層 無法同時滿足南透氣性/高親水性與高透氣性/高導電性支 要求。在氣體擴散層(GDL)之垂直面(Throughplane)的導電 度往往不1¾。 【發明内容】 8 200830611 r5595UI07TW 22465twf.doc/n 本發明提供一種燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置 與製造方法，在氣體擴散基材的内部形成與氣體擴散基材 具有不同的親/疏水性的通道層，可同時解決燃料電池陰極 側淹水(Flooding)問題、陽極側缺水問題及氣體傳送問題， 而使燃料電池發電性能及使用壽命提升。 ，本發明提供一種燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置 與製造方法，利用塗佈治具(c〇ating cask)及真空系統，在 • 氣體擴散基材上塗佈微孔層漿料時，可於氣體擴散基材的 内部形成與氣體擴散基材具有不同的親/疏水性通道層，只 要改變塗佈治具的圖案設計，就可快速產生不同親/疏水性 排列組合的氣體擴散層。 ，本發明提供一種燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置 與$造方法，藉由設置加熱裝置，可在塗佈微孔層漿料時， 同時進行加熱燒結的程序。因此，可快速去除漿料中的溶 劑而形成微孔層與通道層。 _ ，本發賴供-種騎電池之氣體擴散層及其製造裝置 與製造方法，氣體擴散層的微孔層，因可 材内部，且具有3-D立體通道的結構，所以可大幅提升微 孔層與氣體擴散基材的附著力(A—)，使微孔層不易 脫落。 制^發明提供一種燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置 /、衣k方去，除了可在氣體擴散基材的表面製成一層或多 層的微孔層外，微孔層亦可滲人氣體擴散基材内部形成垂 9 200830611 r^3i/3uiu7TW 22465twf.doc/n 直方向的導電通道。因此，可藉此大幅提升氣體擴散層表 面(In plane)與垂直面(Through plane)的導電度。 曰 本發明提出一種氣體擴散層，包括具有第一特性的氣 體擴政基材與具有弟^一特性的第一微孔層。具有第二特j生 的第一微孔層設置於氣體擴散基材之表面上，且第一^孔 層具有多個通道層貫穿氣體擴散基材，第一特性與第二特 性之其中之一為親水性’另一為疏水性。 在本發明之一實施例中，上述之第一特性為親水性； 弟二特性為疏水性。 在本叙明之一實施例中，上述之第一特性為疏水性； 第二特性為親水性。 在本發明之一實施例中，上述氣體擴散層更包括具有 第一特性的第二微孔層，設置於氣體擴散基材之表面，且 位於氣體擴散基材與第一微孔層之間。上述之第一特性為 親水性，弟一特性為疏水性。上述第一特性為疏水性；^ 二特性為親水性。 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材之材質 包括多孔性材料。 ' 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材之材質 包括碳紙、碳布、碳纖維材料、發泡金屬或金屬網片。 在本發明之一實施例中，上述之第一微孔層是由微孔 層漿料經除去溶劑後而形成的。上述之微孔層漿料包括高 導電故材料、分散劑、溶劑及親/疏水劑。 200830611 ^^y^0107TW 22465twf.doc/n 在本發明之一實施例中，上述之微孔層漿料更包括一 貴金屬觸媒組成。貴金屬觸媒為選自鉑(pt)、金(Au)、釕 (Ru)、铑(Rh)、鈀(Pd)與鉑-釕(Pt-Ru)所組之族群。 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散層用於磷酸 型燃料電池、直接甲醇型料電池或質子交換膜燃料電池。 本發明之氣體擴散層，由於微孔層具有滲入氣體擴散 基材内部且呈現3-D立體結構的通道層，此通道層可大幅 提升微孔層與氣體擴散基材的附著力，使微孔層不易脫落。 本發明之氣體擴散層，除了具有可在氣體擴散基材的 表面製成一層或多層的微孔層外，亦具有可滲入氣體擴散 基材内部構成垂直方向的導電通道的通道層。因此，藉此 通道層可大幅提升氣體擴散層表面與垂直面的導電度。 一 ^發明之氣體擴散層在氣體擴散基材的内部形成與氣 體擴政基材具有不同的親/疏水性的通道層，可同時解決燃 f私池陰極側淹水問題、陽極侧缺水問題及氣體傳送問 題，而使燃料電池發電性能及使用壽命提升。 丘本發明提出一種氣體擴散層的製造裝置，用於在氣體 =政基材上形成具有多個通道層之微孔層，該裝置包括真 空系統、塗佈治具與加熱裝置。真空系統包括真空腔室^ fti空幫浦。真空腔室本體具有開°。真空幫浦連接真 f腔室本體，使真空腔室本體中產生真空吸力。塗佈治具 、"又置於真空腔室本體的開口上，塗佈治具内含有多數個貫 通孔。加熱裝置設置於塗佈治具中，其中將氣體擴散基材 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 本發明之氣體擴散層的製造裝置，由於具有塗佈治具 與真空系統’因此可容易的製作出於氣體擴散基材(GDM) 的内部具有通道層的氣體擴散層，其中通道層與氣體擴散 基材的親/疏水性不同。而且，只要改變塗佈治具的貫通孔 的圖案設計，就可快速產生具有不同親/疏水性排列也 氣體擴散層。 ' 本發明之氣體擴散層的製造裝置，由於具有加熱裝 • 置，在塗佈微孔層漿料時，可同時進行加熱燒結的程序。 所以漿料中的溶劑可快速除去，並使微孔層結構與通道戶 快速形成。 本發明提出一種氣體擴散層的製造方法，包括下列步 驟。首先，提供塗佈治具(Coating mask)，此塗佈治具内含 ，多數個貫通孔。於塗佈治具上放置氣體擴散基材，並於 ^體擴散基材上形成第-微孔層漿料。進行參人步驟，使 第一微孔層漿料滲入該氣體擴散基材的内部，並貫通氣體 擴散基材，其中第一微孔層聚料貫通氣體擴散基材的部分 與塗，治具的貫通孔相對應。進行第一加熱燒結步驟，以 去除第一微孔層漿料中的溶劑而形成具有多個通道層之 一微孔層。 曰 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材具有親 水性，第一微孔層具有疏水性。 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材具有疏 水性，第一微孔層具有親水性。 13 200830611 ^^OWJTW 22465twf.doc/n 在本發明之-實施例中’上述之於氣體擴散基材上形 成第-微孔層漿料之步驟前，更包括於氣體擴散基材上形 成第二微孔層。上述之氣體擴散基材、第二微孔層具有親 水性，第-微孔層具有疏水性。上述之氣體擴散基材、第 二微孔層具有疏水性，第一微孔層具有親水性。 在本發明之-實施例中’上述之氣體擴散基材上形成 第二微孔層之步驟如下。於氣體擴散基材上形 #層漿料，並進行第二加熱燒結步驟，以去除第二觀層裝 料中的溶劑而形成第二微孔層。 在本發明之一實施例中，上述之第一微孔層漿料與第 二微孔層㈣包括高導電補料、分散劑、溶劑及親/疏水 劑。 在本發明之一實施例中，上述之第一微孔層漿料與第 二微孔層雜更包括—貴金制媒組成。貴金屬觸媒為選 自鉑(Pt)、金(Au)、釕(Ru)、铑(Rh)、鈀^句與鉑釕^丨反 Φ 所組之族群。 、外在本發明之一實施例中，上述之於氣體擴散基材上形 成第二微孔層漿料之步驟與第一加熱燒結步驟是同時進行 的0 在本發明之一實施例中，上述之塗佈治具的貫通孔為 按規則排列或不規則排列。 4在本發明之一實施例中，上述之塗佈治具的貫通孔的 k剖面為圓形、多邊形、橢圓形或不規則形。 200830611 my)_7TW 22465twfd〇c/n 在本發明之一實施例中，上述之塗佈治具的材質包括 金屬、橡膠、塑膠或陶瓷。 、 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材之材質 包括多孔性材料。 、 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材之材質 包括峡紙、碳布、碳纖維材料、發泡金屬或金屬網片。、 在本發明之一實施例中，上述之通道層所構成的圖案 ❿ 是取決於貫通孔所構成的圖案。 在本發明之一實施例中，上述之氣體擴散基材上形成 第一微孔層漿料之步驟、滲入步驟與第一加熱燒結步驟是 同時進行的。 在本發明之一實施例中，上述之滲入步驟包括藉由吸 力來固定氣體擴散基材並使微孔層漿料(Ink)滲入氣體擴 散基材的内部。 ” 在本發明之一實施例中，上述之塗佈治具(c〇ating mask)設置於真空腔室本體的開口上，在滲入步驟中，利用 真空幫浦於真空腔室本體中產生吸力。 本發明的氣體擴散層的製造方法，由於採用了塗佈治 具，因此可很容易於氣體擴散基材(GDM)的内部，形成^ 同的親/疏水性通道層。而且只要改變塗佈治具的圖案設 計，就可快速產生不同親/疏水性排列組合的氣體擴散層。 本發明的氣體擴散層的製造方法，微孔層漿料塗佈步 驟、微孔層漿料滲入步驟以及加熱燒結步驟可以同時進 15 200830611 〇^iau7TW 22465twf.doc/n 行，因此可以使微孔層結構與通道層快速形成。此 法不但簡單，還可以節省製作時間。 、 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂 舉較佳實關，並配合所關式，作詳細說明如下。、 【實施方式】 本發明提供-種燃料電池之氣體擴散層及其製造裝置 與製造方法。首先在氣職散基材(GDM)上㈣—声或多 層的微孔層漿料’並使·層漿婦人氣體擴散基^的内 部。再經乾燥、燒結程序就可完成在氣體擴散基材的内部 形成與乳體擴散基材具有不同的親/疏水性 體擴散層結構。其中「親/疏水性」表示親水性或疏i性 貫先，=明本發明之氣體擴散層。圖2A為綠示本發 明之一較佳實施例的氣體擴散層的剖面圖。 如目2A所示，氣體擴散層200例如是由具有第一特 =的^紐基材202、具有第二特性的微孔層綱所構 成。弟-特性與第二特性之其中之—為親水性，另一為疏 水性。舉例來說，若氣體擴散基材2〇2具有親水則: 孔層綱具有疏水性；錢體擴散基材2的具有性^ 則微孔層204具有親水性。 有^ iU生 材202之材質包括多孔性材料，例如碳 紙^布、石反纖維材料、發泡金屬或金屬網片。此氣體擴 散基材202例如是經過親水處理或疏水理水 性或疏水性。 而/、有親水 16 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 微孔層204設置於氣體擴散基材202之一表面上，且 微孔層204具有多個通道層206貫穿氣體擴散基材202。 亦即通道層206是從微孔層204延伸出來的部份。通道層 206具有與氣體擴散基材202不同的親/疏水性。微孔層 2〇4(包括通道層206)是由微孔層漿料經除去溶劑後而形成 的。微孔層漿料包括高導電碳材料、分散劑、溶劑及親/ 疏水劑。微孔層204的親水性或疏水性可藉由微孔層漿料 ❿ 中親/疏水劑的比例來控制。當然，微孔層漿料中更包括貴 金屬觸媒組成，貴金屬觸媒例如是鉑(pt)、金(Au)、釕(Ru)、 铑(Rh)、鈀(Pd)或鉑-釕(Pt-Ru)等。 圖2B為繪示本發明之另一較佳實施例之氣體擴散層 的剖面圖。在圖2B中，構件與圖2A相同者，給予相同的 標號，並省略其說明。在此只針對不同點作說明。 如圖2B所示，氣體擴散層2〇〇a更包括具有第一特性 的微孔層208。微孔層208設置於氣體擴散基材2〇2之表 面，且位於氣體擴散基材202與微孔層204之間。微孔層 208具有與氣體擴散基材202相同的親/疏水性。舉例來 A，若氣體擴散基材202、微孔層208具有親水性，則微 孔層204具有疏水性；若氣體擴散基材202、微孔層2〇8 具有疏水性，則微孔層204具有親水性。同樣的，微孔層 208也是由微孔層漿料經除去溶劑後而形成的。本發明之 氣體擴散層200及200a可用於填酸型燃料電池、直接甲醇 型料電池或質子交換膜燃料電池。 圖3A至圖3F為分別繪示圖2A或圖2B中由A方向 17 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 觀察時，氣體擴散層的側視圖。如圖3A至圖3f所示 體擴散基材搬内部的通道層寫例如是按規則排列，去 然通道層施也可以是不規則排列。在同_塊氣體擴散^ 材202上之通道層2G6的尺寸及形狀可馳同也可為不 同。通這層206的橫剖面例如是圓形（圖3A、圖3B)或長 方形（圖3C至圖3F)，當然通道層观的橫剖面也可叹 多邊形(三角形、五角形等）、橢圓形或不規則形。

圖4A為繪示本發明之一較佳實施例之氣體擴散層的 剖面圖。圖4B為繪示圖4A中B部分的放大圖。圖4C為 緣示本發明之氣體擴散層的等效電阻之並聯電路圖。 如圖4A及圖4B所示，疏水性氣体擴散基材4〇2上以 雙層塗佈方式製作出疏水性的微孔層408與親水性的微孔 層404。親水性的微孔層4〇4具有貫穿疏水性的微孔層· 與疏水性氣体擴散基材402的親水性通道層。透過疏水性 氣体擴散基材402内的親水性微孔通道層406，可因毛細 現象將附近的水分吸進親水性微孔通道層4〇6而形成液體 ml通管道412 ’並保持附近疏水性氣体擴散基材402暢通 的氣體流通管道410。 一般而言’氣體擴散層的疏水處理會降低擴散層的導 電度。然而本發明所提出的氣體擴散層結構可以提高氣體 擴散層導電度。在疏水性氣体擴散基材内，由碳粉構成的 通道層可以提供電流額外的通道，降低氣體擴散層的電 阻。如圖4C這些額外的碳粉管道相當於在氣體擴散層的 等效電阻並聯電路420中形成低電阻通道420a，進而提升 18 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 氣體擴散層的導電度。或者是由這些低電阻通道*施提供 電流的通路，而將氣體擴散層其他部位增強疏水性，以使 擴散層具有更好的氣體擴散性。 豸之’只要依其各種不_水#理需求與目的，可搭 配不同:親/疏水性的氣體擴散層，藉此可大幅提升燃料電丄 的水管理能力’同時解決燃料電池陰極側淹水(F1〇〇d㈣ 問題、陽極侧缺水問題及氣體傳送問題，而使燃料電池發 φ 電性能及使用壽命提升。 本發明之氣體擴散層，由於微孔層(MpL)具有滲入氣 體擴散基材(GDM)内部且呈現3〜D立體結構的通道層，此 通這層可大幅提升微孔層(MPL)與氣體擴散基材(GDM)的 附著力(Adhesion)，使微孔層(MpL)不易脫落。 本發明之氣體擴散層，除了具有可在氣體擴散基材 (GDM)的表面製成一層或多層的微孔層(mpl)外，亦具有 可參入氣體擴散基材(GDM)内部構成垂直方向的導電通道 Φ 的通道層。因此，藉此通道層可大幅提升氣體擴散層（GDL) 表面pn plane)與垂直面(Through plane)的導電度。 本發明之氣體擴散層在氣體擴散基材的内部形成與氣 體擴散基材具有不同的親/疏水性的通道層，可同時解決燃 料電池陰極側淹水(J?l〇〇(Jing)問題、陽極側缺水問題及氣體 傳送問題，而使燃料電池發電性能及使用壽命提升。 接著，說明本發明之氣體擴散層的製造裝置。圖5A 為繪示本發明之一較佳實施例之氣體擴散層的製造裝置。 19 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 圖5B為繪示本發明之一較佳實施例之設置有氣體擴散基 材及微孔層漿料之氣體擴散層的製造裝置的上視圖。圖6A 至圖6F為分別繪示本發明之較佳實施例之塗佈治具 (Coating mask)之上視圖。 請同時參照圖5A及圖5B，氣體擴散層的製造裝置500 例如由真空系統520、塗佈治具5〇4(c〇ating mask)、加熱 裝置508所構成。其中在塗佈治具504設置了氣體擴散基 φ 材514 ’且在氣體擴散基材514上塗佈了微孔層漿料516。 真空系統520例如是由真空腔室本體502、真空幫浦 506所構成。真空腔室本體5〇2在其一端例如設置有開口 502a 〇 真空幫浦506連接真空腔室本體502，以於真空腔室 本體502的内部502b產生真空吸力，可藉此真空吸力來固 定氣體擴散基材514及使微孔層漿料516迅速滲入氣體擴 散基材的内部。亦即，利用真空吸力，使位於塗佈治具5〇4 ⑩ 的貝通孔504a上方的微孔層漿料516往下方滲入而形成通 道層因此，通道層所構成的圖案是取決於塗佈治具504 的I通孔5〇4a所構成的圖案。真空幫浦5〇6例如是透過真 空管件512而連接至真空腔室本體5〇2。 塗佈治具504例如設置於真空腔室本體5〇2的開口 502a上。塗佈治具5〇4内含有多數個貫通孔5〇知。在塗佈 治具504的四周例如設置有多數個螺絲孔5〇4b，因此$將 塗佈治具5〇4利用多個螺絲训固定在真麵室本體观 20 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 的開口 502a上。而且 圖6A至圖6F所示，塗你、;ajl 504 ”通孔5G4a例如是按規則排列，# = 口: 也可以是不規則排列。在同-塊塗佈治具504上之貫通 504a的尺寸及形狀可為相同也可為不同。 綱的

6A'W θ ^ 田^貝通孔504a的橫剖面也可以是多邊 形(三角形、五角形等)、橢圓形或不規則形。塗佈治且504

的材質例如是金屬、橡膠、塑膠或陶究等。此塗佈治具504 的表面有不社小频的貫通孔顺，除可㈣固定氣體 擴散基材510卜’並可用於在氣體擴散基材5M中形成盘 氣體擴散級具有不同的親/疏水性的通道層。〃 加熱裝置通例如設置於塗佈治具504中，可在塗佈 微孔層漿料516時’同時進行加熱燒結的程序，所以$ 速去除微孔層漿料516中的溶劑而形成微孔層結構與通道 層0 ，著，說明本發明之氣體擴散層的製造裝置的操作。 明繼績筝照圖5Α，將塗佈治具5〇4用螺絲51〇固定於真空 腔室本體502的開口孤上。然後，將氣體擴散基材5 = =置至於塗佈治具504上，同時啟動真空幫浦5⑽與塗佈 治$ 504上的加熱裝置5〇8。此時氣體擴散基材514會因 真空幫浦506所產生的真空吸力而固定於塗佈治具5〇4 亡，並且氣體擴散基材514也會被加熱裝置5〇8加熱。當 氣體擴散基材514到達所需溫度時，可利用塗佈技術(如喷 塗法到刀法、網印法)將微孔層漿料516塗佈於氣體擴散 21 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 基材514上。此微孔層漿料516除可在氣體擴散基材514 的表面上形成一層塗層外，因為有真空吸力的關係，微孔 層漿料516也會依照塗佈治具504的貫通孔5〇4a所構成的 圖案而滲入氣體擴散基材514的内部，並貫通氣體擴散基 材514。因此微孔層漿料516貫通氣體擴散基材514的部 分與塗佈治具504的貫通孔5〇4a相對應。由於塗佈治具 504上設置有加熱裝置508,因此在進行微孔層漿料514 φ 塗佈日守，可同時進行加熱燒結的步驟，以去除微孔層漿料 中的溶劑而使微孔層與通道層快速形成。在此實施例中， 於氣體擴散基材514上形成微孔層漿料516的步驟、使微 孔層漿料516滲入氣體擴散基材514的内部的步驟與加熱 燒結步驟是同時進行的。當然，於氣體擴散基材514上形 成微孔層漿料516之步驟、使微孔層漿料516滲入氣體擴 散基材514内部的步驟與加熱燒結步驟也可以是分開進行 的，例如於氣體擴散基材514上形成微孔層漿料516之後， 指啟真空幫浦506與加熱裝置·，而進行使微孔層漿 攀料516滲入氣體擴散基材別内部时驟與加熱燒結步驟。 本發明之氣體擴散層的製造裝置，由於具有塗佈产呈 與真空系統，因此可容㈣製作出於氣體擴散基材((^m) 的内部具有通道層的氣體擴散層，其中通道層與氣體擴散 基材的親/疏水性不同。而且，只要改變塗佈治具的貫通孔 的圖案設計，就可快速產生具有不同親/疏水性排顺人的 氣體擴散層。 ' ° 22 200830611 P55950107TW 22465tw£doc/n 本發明之氣體擴散層的製造裝置，由於具有加熱裝 置，在塗佈微孔層槳料時，可同時進行加熱燒結的程序。 所以微孔層漿料中的溶劑可快速除去，並使微孔層結構斑 通道層快速形成。 〃 接著說明本發明之燃料電池之氣體擴散層的製造方 法。圖7為緣示本發明之一較佳實施例的氣體擴散層的製 造方法之流程圖。在本實施例中，係以形成圖2B所示氣 籲體擴散層為例作說明。而且在下述說明中，第一特性與第 二^丨生之其中之一為親水性，另一為疏水性。舉例來說， 若第一特性為親水性，則第二特性為疏水性；若第一特性 為疏水性，則第二特性為親水性。 、睛茶照圖7與圖2B，提供塗佈治具(c〇ating麵幻， 此塗佈m具内含有多數個貫通孔(步驟7⑼）。在此步驟7⑻ 中，所使用的塗佈治具例如是前述圖6A至圖6F所示的塗 佈❶具。塗佈治具的材質例如是金屬、橡膠、塑膠或陶瓷 等。 i 然後，於塗佈治具上放置具有第一特性之氣體擴散基 材2〇2(步驟7〇2)。氣體擴散基材2〇2之材質包括多孔性材 料三例如碳紙、碳布、碳纖維材料、發泡金屬或金屬網片。 此氣體擴散基材例如是經過親水處自或疏水處王里，而具有 親水性或疏水性。 於具有第一特性的氣體擴散基材2〇2上形成具有第一 特性的微孔層㈣(步驟7Q4)。於具有第—特性的氣體擴散 基材202上形成具有第一特性的微孔層漿料之方法例如是 23 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 喷塗法、刮刀法、網印法等。具有第一特性的微孔層漿料 包括高導電碳材料、分散劑、溶劑及親/疏水劑。微孔層的 親水性或疏水性可藉由微孔層漿料中親/疏水劑的比例來 控制。當然’微孔層漿料中更包括貴金屬觸媒組成，貴金 屬觸媒例如是鉑(Pt)、金(Au)、釕(Ru)、铑(Rh)、鈀(Pd)或 鉑-釕(Pt-Ru)等。 進行加熱燒結步驟(步驟706)，以去除具有第一特性的 • 微孔層漿料中的溶劑，而形成具有第一特性的微孔層 208。在本實施例中，步驟7〇4與步驟7〇6可以同時進行， 也可以先進行步驟704後再進行步驟706。 於具有第一特性的氣體擴散基材202上形成具有第二 特性的微孔層漿料(步驟708)。於具有第一特性的氣體擴散 基材202上形成具有第二特性的微孔層漿料之方法例如是 喷塗法、刮刀法、網印法等。具有第二特性的微孔層漿料 包括向導電碳材料、分散劑、溶劑及親/疏水劑。微孔層的 _ 親水性或疏水性可藉由微孔層漿料中親/疏水劑的比例來 控制。當然，微孔層漿料中更包括貴金屬觸媒組成，貴金 屬觸媒例如是鉑(Pt)、金(Au)、釕(RU)、铑(Rh)、鈀(Pd)或 鉑-釕(Pt-Ru)等。 進行滲入步驟(步驟710)，使具有第二特性的微孔層漿 料滲入具有第一特性的氣體擴散基材202的内部，並貫通 具有弟一特性的氣體擴散基材202，其中第一微孔層漿料 貫通氣體擴散基材202的部分與塗佈治具的貫通孔相對 應。此滲入步驟包括藉由吸力來固定氣體擴散基材2〇2並 24 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 使具有第二特性的微孔層漿料滲人具有第—特性的氣體擴 散基材的内部。舉例來說，將塗佈治具(c〇ating mask)設置 於真空腔室本體的開口上，然後利用真空幫浦於真空腔室 本體中產生吸力，而使具有第二特性的微孔層漿料滲入具 有第一特性的氣體擴散基材的内部。 進行加熱燒結步驟(步驟712)，以去除具有第二特性的 微孔層漿料中的溶劑，而形成具有多個通道層2〇6之具有 ❿ 第一#性的微孔層204。通道層206所構成的圖案是取決 於貝通孔所構成的圖案。在本實施例中，步驟7〇8、步驟 710與步驟712可以同時進行，也可以先進行步驟7〇8後 再進行步驟710與步驟712。 此外，右要衣作圖2A所不的氣體擴散層，則只需要 省略上述步驟704與步驟706。 在上述本發明的氣體擴散層的製造方法中，由於採用 了塗佈治具，因此可很容易於氣體擴散基材(GDM)的内 φ 部’形成不同的親/疏水性通道層。而且只要改變塗佈治具 的圖案設計，就可快速產生不同親/疏水性排列組合的氣體 擴散層。 在上述本發明的氣體擴散層的製造方法中，微孔層漿 料塗佈步驟、微孔層漿料滲入步驟以及加熱燒結步驟可以 同時進行，因此可以使微孔層結構與通道層快速形成。此 製作方法不但簡單，還可以節省製作時間。 綜上所述，本發明的氣體擴散層，由於微孔層滲入氣 體擴散基材(GDM)内部，形成具有3-D立體結構的通道 25 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 層，所以可大幅提升微孔層與氣體擴散基材的附著力，使 微孔層不易脫落。 本發明的氣體擴散層，由於除了在氣體擴散基材 (GDM)的表面形成一層或多層的微孔層(MpL)外，亦可滲 入氣體擴散基材(GDM)内部而形成垂直方向的導電通道 層。因此，可藉此大幅提升氣體擴散層（GDL)表面(Inplane) 與垂直面(Through plane)的導電度。 φ 本發明的氣體擴散層，由於具有不同的親/疏水性結構 與通道，可同時解決燃料電池陰極侧之淹水(F1〇〇ding)問 題、陽極侧之缺水問題及氣體傳送問題。 本發明的氣體擴散層的製造裝置，由於具有塗佈治具 及真空系統，可很容易於氣體擴散基材(GDM)的内部，形 成不同的親/疏水性通道層。只要改變塗佈治具的圖案設 計，就可快速產生不同親/疏水性排列組合的氣體擴散層 (GDL)。 ’、 本务明的氣體擴散層的製造裝置，由於具有加熱器裝 _ 置，在塗佈微孔層漿料時，可同時進行加熱燒結的程序， 所以漿料中的溶劑可快速除去，並使微孔層結構與通道層 快速形成。 9 在本發明的氣體擴散層的製造方法，由於採用了塗佈 治具，因此可很容易於氣體擴散基材(GDM)的内部，形成 不同的親/疏水性通道層。而且只要改變塗佈治具的圖案設 計，就可快速產生不同親/疏水性排列組合的氣體擴散層。 本發明的氣體擴散層的製造方法，由於微孔層漿料塗 26 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 怖步驟、微孔層漿料參入步驟以及加熱燒社 進行’㈣可贿微孔層結構與通道 ^^可以同時 方法不但料，還可㈣省製作_。成。此製作 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上， 限定本發明’任何所屬技術領域中具有通以 脫離本發明之精私範_，#可作之不 =本發明之保護範圍當視後附之申請專利者 【圖式簡單說明】 圖1Α為緣示典型質子交換膜型燃料電池(PEMFC)之 内部結構剖面圖。 圖1Β為緣示氣體擴散層之内部結構示意圖。 圖2Α為緣示本發明之一較佳實施例的氣體擴散層的 剖面圖。 圖2Β為繪示本發明之另一較佳實施例的氣體擴散層 的剖面圖。 、 ^圖3Α至圖3F為分別繪示圖2Α或圖2Β中由Α方向 觀察日寸，氣H擴散層_視圖。 圖4A為綠示本發明之一較佳實施例之氣體擴散層的 剖面圖。 圖4B為綠示圖4A中B部分的放大圖。 +圖4C為繪示本發明之氣體擴散層的等效電阻之並聯 電路圖。 27 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 圖5A為繪示本發明之一較佳實施例之氣體擴散層的 製造裝置。 圖5B為繪示本發明之一較佳實施例之設置有氣體擴 散基材及微孔層漿料之氣體擴散層的製造裝置的上視圖。 圖6A至圖6F為分別繪示本發明之較佳實施例之塗佈 治具之上視圖。 圖7為繪示本發明之一較佳實施例的氣體擴散層的製 造方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 100 :質子膜交換膜 102 :觸媒層 104、200、200a :氣體擴散層 104a、202、402、514 :氣體擴散基材 104b、204、208、404、408 :微孔層 106 :雙極板 108 :氣體流道 110 :陽極 112 :陰極 114 :電池外部電路 115 :負载 206、406 :通道層 28 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 410 :氣體流通管道 412 :液體流通管道 420 :等效電阻並聯電路 420a :低電阻通道 500 :氣體擴散層的製造裝置 502 :真空腔室本體 502a :開口 502b :内部 504 :塗佈治具 504a :貫通孔 504b :螺絲孔 506 :真空幫浦 508 :加熱裝置 510 :螺絲 512 :真空管件 516 :微孔層漿料 520 :真空系統 700、702、704、706、708、710、712 :步驟 29

Claims (1)

1. 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 十、申請專利範圍： 1. 一種氣體擴散層，包括： 具有一第一特性的一氣體擴散基材；以及 具有-第二特性的-第—微孔層，設置於該 基材之-表社’且該第-微孔層具有多個通道層貫穿 1 氣體擴散基材，該第一特性與該第二特性之其中之一 水性，另一為疏水性。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之氣體擴散層，其中該 第一特性為親水性；該第二特性為疏水性。 3. 如申請專利範圍第丨項所述之氣體擴散層，其中該 第一特性為疏水性；該第二特性為親水性。 4. 如—申請專利範圍第i項所述之氣體擴散層，更包括 具有該第-特性的-第二微孔層’設置於該氣體擴散基材 之該表面，且位於該氣體擴散基材與該第—微孔層之間。 5. 如申請專魏圍第4項所述之氣體擴散層該 第一特性為親水性；該第二特性為疏水性。 μ 其中該 6·如申請專利範圍第4項所述之氣體擴散層 第一特性為疏水性；該第二特性為親水性。 其中該 7·如申請專利範圍第i項所述之氣體擴散層 氣體擴散基材之材質包括多孔性材料。 其中該 8·如申請專利範圍第7項所述之氣體擴散層六γ琢 氣體擴散基材之材質包括碳紙、碳布、碳纖 金屬或金屬網片。 9·如申請專利翻第1項所述之氣體擴散層，其中該 30 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 第一微孔層是由一微孔層漿料經除去溶劑後而形成的。 10·如申請專利範圍第9項所述之氣體擴散層，其中該 微孔層漿料包括高導電碳材料、分散劑、溶劑及親/疏水劑。 11·如申請專利範圍第10項所述之氣體擴散層，其中 該微孔層漿料更包括一貴金屬觸媒組成。 12·如申請專利範圍第11項所述之氣體擴散層，其中 • 該貴金屬觸媒為選自鉑(Pt)、金(Au)、釕(Ru)、铑(Rh)、鈀 • (Pd)與鉑-釕(Pt-Ru)所組之族群。 13·如申請專利範圍第n項所述之氣體擴散層，其中 該氣體擴散層用於填酸型燃料電池、直接曱醇型料電池或 質子交換膜燃料電池。 14·一種氣體擴散層的製造裝置，用於在一氣體擴散基 材上形成具有多個通道層之一微孔層，該裝置包括： 一真空糸統，包括： • 一真空腔室本體，具有一開口； 一真空幫浦，連接該真空腔室本體，使該真空腔 至本體中產生一真空吸力 一塗佈治具(Coating mask)，設置於該真空腔室本體的 該開口上，該塗佈治具内含有多數個貫通孔；以及 一加熱裝置，設置於該塗佈治具中，其中將該氣體擴 散基材放置於該塗佈治具上，並於該氣體擴散基材形成一 微孔層漿料後，藉由該真空吸力來固定該氣體擴散基材並 31 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 使該微孔層漿料滲入該氣體擴散基材的内部，並利用該加 熱裝置去除該微孔層漿料中的溶劑而形成具有該些通道層 之該微孔層。 ^ 一 15·如申請專利範圍第14項所述之氣體擴散層的製造 裝置，其中该塗佈治具的該些貫通孔為按規則排列或不規 則排列。 16·如申請專利範圍第14項所述之氣體擴散層的製造 衣置，其中該塗佈治具的該些貫通孔的橫剖面為圓形、多 邊形、橢圓形或不規則形。 17·如申請專利範圍帛14項所述之氣體擴散層的製造 裝置’其巾缝佈治具的材質包括金屬、橡膠、塑膠或陶 瓷。 18·如申請專利範圍第14項所述之氣體擴散層的製造 裝置’其巾該氣體擴散基材之材質包括多孔性材料。 19·如申睛專利範圍第18項所述之氣體擴散層的製造 裝置，其中該氣體擴散基材之材質包括碳紙、碳布、碳纖 維材料、發泡金屬或金屬網片。 20.如申凊專利範圍第14項所述之氣體擴散層的製造 裝置，其巾雜孔㈣料包括高導電碳材料、分散劑、溶 劑及親/疏水劑。 21·如申睛專利範圍第2〇項所述之氣體擴散層的製造 裝置，其巾賴孔層㈣更包括—貴金媒組成。 22·如申请專利範圍第21項所述之氣體擴散層的製造 32 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 裝置，其中該貴金屬觸媒為選自峨）、金(Au)、釕(Ru)、 铑(Rh)、妃(Pd)與銘★的制所組之族群。 狀署2Hf利範圍第21項所述之氣體擴散層的製造 衣=’ /、中該二通逼層所構成的_是取 所構成的圖案。 一胃、％ 牡署24·=申If夕專利範圍第14項所述之氣體擴散層的製造 ΐ室本ίΐ 絲’用以將該塗佈治具固定於該真空 25· 種氣體擴散層的製造方法，包括： 數個佈治具(CGating mask)，該塗佈治具内含有多 於該塗佈治具上放置―氣體擴散基材·， 於該氣體擴散基材上形成一第一微孔層㈣； 气美參入步驟，使該第一微孔層漿料滲入該氣體擴 内部’並貫通該氣體擴散基材，其中該第-微孔 層^+貝通魏_散基_部分與職絲 通孔相對應；以及 一 =行-第-加減結錢，叫除該第—微孔層聚料 中的洛劑而形成具有多個通道層之_第—微孔層。 26.如情專郷圍第25娜述之驗餘層的製造 Hi中該氣體擴散基材具有親水性，該第―微孔層異 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 27·如申w專利朗第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其巾該氣體擴散基材具有疏水性，該第—微孔層具 有親水性。 、28·如申明專利|&圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法—其中於該氣體擴散基材上形成該第—微孔層裝料之 步驟丽，更包括於該氣體擴散基材上形成—第二微孔層。 項所述之氣體擴散層的製造 該弟一微孔層具有親水性，

   29·如申請專利範圍第28 方法，其中該氣體擴散基材、 該第一微孔層具有疏水性。 ^)·如申明專利範圍第Μ項所述之氣體擴散層的製造 二’其中該氣體擴散基材、該第二微孔層具有疏水性， 該弟一微孔層具有親水性。 3，1·如”專利範㈣28項所述之氣體擴散層的製造 ’其巾職體擴散基材上形成該第二微孔層之步驟包 於該氣體擴散基材上形成一第二微孔層漿料；以及 進行一第二加熱燒結步驟，以去除該第二微孔層漿料 中的溶劑而形成該第二微孔層。 3,2·如申請專利範圍第31項所述之氣體擴散層的製造 嘴+ L其中該第一微孔層漿料與該第二微孔層漿料包括高 導電雙材料、分散劑、溶劑及親/疏水劑。 、33·如申請專利範圍第32項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該第一微孔層漿料與該第二微孔層漿料更包括 34 200830611 F559501U7TW 22465twf.doc/n 一貴金屬觸媒組成。 34.如申請專利範圍第33項所述之氣體擴散層的製造 方法’其中該貴金屬觸媒為選自鉑(pt)、金(Au)、舒(Ru)、 铑(Rh)、鈀(Pd)與鉑-釕(pt_Ru)所組之族群。 35·如申請專利範圍第31項所述之氣體擴散層的製造 方法’其中於該氣體擴散基材上形成該第二微孔層漿料之 步驟與該第一加熱燒結步驟是同時進行的。 Φ 36.如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該塗佈治具的該些貫通孔為按規則排列或不規 則排列。 、37.如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該塗佈治具的該些貫通孔的橫剖面為圓形、多 邊形、橢圓形或不規則形。 38·如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該塗佈治具的材質包括金屬、橡膠、塑膠或陶 ⑩ 瓷。 39.如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該氣體擴散基材之材質包括多孔性材料。 40·如申請專娜圍第39項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該氣體擴散基材之材質包括碳紙、碳布、碳纖 維材料、發泡金屬或金屬網片。 、41·如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該些通道層所構成的圖案是取決於該些貫通孔 200830611 P55950107TW 22465twf.doc/n 所構成的圖案。 42. 如申請專·㈣25項所述之氣體擴散層的製造 方法’其中於該氣體擴散基材上形成該第一微孔層聚料之 步驟、該滲入步驟與該第一加熱燒結步驟是同時進行的。 43. 如申請專利範圍第25項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該滲入步驟包括藉由一吸力來固定該氣體擴散 基材並使該微孔層漿料(Ink)滲入該氣體擴散基材的内部。 • 44·如申請專利範圍第43項所述之氣體擴散層的製造 方法，其中該塗佈治具(Coating mask)設置於一真空腔室本 體的一開口上；以及 在該滲入步驟中，利用一真空幫浦於該真空腔室本體 中產生該吸力。 36