TWI275198B - System and method for forming a membrane electrode assembly for fuel cells - Google Patents

Description

.12.75198 〆 * 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係指一種用於燃料電池之膜電極組(membrane electrode assembly，MEA)的製造系統。 5【先前技術】 - 燃料電池是種利用氧和氫氣在進行氧化一還原反應期 間產生之電子而產生電力的裝置。在一由高聚合質所製成 φ 之電解質膜片的兩侧上塗布一陽極與一陰極，便可形成一 單元(unit cell)的燃料電池，且其通稱為膜電極組。將作為 10燃料的氫氣或甲醇供應給陽極，就起反應而產生氫離子， 同時通過局聚合電解質膜片的氫氣會與陰極中的氧氣起反 應，以致產生純水。該等反應係在膜電極組中發生，而在 一咼聚合膜片的兩侧上塗布陽極催化材料(通常為鉑或翻/ 釕)與陰極催化材料(通常為鉑)層，即可製成這種膜電極組。 15 這種膜電極組已知的一種製造方法就是讓一催化材 料、一質子傳導黏結材料，和水或一醇基溶劑混合而形成 一糊料，並將形成的糊料塗布在一碳布或碳紙上，再麫由 熱熔而把糊料塗布的碳布或碳紙施用到質子傳導電解^膜 - 片上。此方法算是一種間接塗布法，其所存在的問題是，' 2〇當催化材料塗布到多孔碳布或碳紙之上時，因為催化材料 在該碳布或碳紙表面上分布的厚度並不均勻，會渗入兮多 孔碳布或多孔碳紙中，以致在操作膜電極組時Y所用 化劑會減低一定的比例’以致整體性能跟著減損。此外， 因為已形成的電極層係經二次熱熔到質子傳導層上，所乂 ^75198 ,» 製程變得複雜，電解質材料與催化劑層所形成的界面也不 連續。 此外，膜電極組的另一種製造方法，是讓一催化材料、 處子傳導黏結材料，和水或一醇基溶劑混合而形成一電 5極糊料，再經由諸如網版印刷法之類的直接轉印法，將這 、 糊料塗布到該質子傳導電解質膜片表面上。與一般印刷製 程相仿的此專方法’雖然有益於製作圖樣(patterning)和適於 # 里產’但當水或醇基溶劑與高聚合電解質膜片接觸時，高 聚合電解質膜片的體積就會朝各個方向增加，因而可能發 10生膨脹現象，以致難以獲得均勻的塗層、增加催化溶液的 損失，以及難以調整溶液的黏性。 就該膜電極組的其它製造方法而言，還有一種濕式方 法’其中是讓一催化材料，一質子傳導黏結材料，和大量 的水或醇基溶劑混合而形成一漿狀溶液，再使用喷灑裝置 15將這漿狀溶液喷灑到一氣體擴散層或一高聚合電解質膜片 Φ 上而形成一催化劑層。此外，另有一種乾式方法，其中是 在不使用溶劑的情況下讓一催化材料與一質子傳導黏結材 料彼此混合，再利用靜電吸引力射出這催化材料與質子傳 導黏結材料的混合物而形成一催化劑層。就這些方法而 2〇 s ’因為是經由直接塗布法而在氣體擴散層或高聚合電解 質膜片上形成一道細薄的催化劑層，所以具有界面連續和 催化劑的使用比例改善的優點。 然而’在濕式法中，雖因使用大量的溶劑而能讓催化 材料與質子傳導材料均勻混合，但在直接塗布到膜片上時 I275l98 口為膜片之膨脹，結果存有難以獲得均勻塗層的缺點。另 ^ ’在乾式法中，因為膜片是絕緣體，所以存有難以利用 ^電吸引力進行塗布的問題，而且也難以讓催化劑粒子與 貝子傳導黏結材料均勻混合。 因此，需要一種新的膜電極組製造系統，其中可將催 化心液均勻噴灑到高聚合層上而形成一均勻催化劑層，據 以増進燃料電池的性能和讓膜片能大量生產。 【發明内容】 本發明旨在解決前述各問題。本發明的目的之一是提 供一種用於燃料電池之膜電極組的製造系統與方法，其係 採用可對載送軋體與催化溶液加以預熱的裝置，因而能增 加催化劑層的均勻性和將高聚合電解質膜片的膨脹現象減 至最低。 15 依本發明一實施例構成的一種用於燃料電池之膜電極 • 組的製造系統，包括一催化溶液預熱裝置，一載送氣體預 熱器，一陰極催化溶液噴嘴，以及一陽極催化溶液噴嘴。 该催化溶液預熱裝置係用以預熱一陰極催化溶液與一陽極 催化溶液。該載送氣體預熱器係用以預熱一載送氣體。該 2〇陰極催化溶液噴嘴被供給該催化溶液預熱裝置所預熱的陰 極催化溶液和該載送氣體預熱器所預熱的載送氣體，且其 在結構上係被設計成可噴灑所供應的該陰極催化溶液。該 陽極催化溶液喷嘴則被供以該催化溶液預熱裝置所預熱的 陽極催化溶液和該載送氣體預熱器所預熱的載送氣體，且 1275198 ί · 其在結構上储設計射賴所供應_ 該催化溶液預熱裝置可在溫度為G.6BP _ 95β；^ 圍内對該陰極催化溶液與陽極催化溶液加敎，並 = 催化溶液之溶劑的沸點。 a 該催化溶液預熱裝置可包括一用以預熱―陰姆 液的陰極伽:鎌職器，和— 的陽極催化溶液預熱器。 &履 該陰極催化溶液預熱器可在溫度為Q _到q 95b 範圍内對該陰極催化溶液加熱，其中βρ是催 的沸點。 蜊 該陽極催化溶液預熱器可在溫度為〇卿到〇 95b 範圍内對該陽極催化溶液加熱，其中Bp是摧化溶液之 的沸點。 、…該陰極與陽極催化溶液喷嘴可_作而輪流喷灌催化 is洛液，在陰極與陽極催化溶液噴嘴其中之一催化 • 時，該載送氣體可被供應給另一喷嘴。 、 / 該載送氣體預熱器可在-溫度高於該陰極催化溶液盘 該陽極催化溶液之沸闕情況下對該载送氣體加熱。 該載送氣體可以是氬氣，氦氣，氮氣，和空氣其中一 20 種。 依本發明一實施例構成的一種用於燃料電池之膜電極 組的製造方法，包括對陰極催化溶液加以預熱，對陽極催 液加以預熱，對載送氣體加以預熱，使用該預熱的載 达氣體經由一陰極催化溶液喷嘴來喷灑該預熱過的陰極催 12,75198 化溶液，以及使用該預熱的載送氣體經由一陽極催化溶液 噴嘴來喷灑該預熱過的陽極催化溶液等步驟。 該預熱的陰極催化溶液和該陽極催化溶液的喷灑步驟 可輪流進行’在嘴灑預熱的陰極催化溶液和陽極催化溶液 5其中之一時，可將載送氣體供應給陰極和陽極催化溶液噴 ' 嘴其中未喷灑催化溶液的那一個。 、 在預熱陰極催化洛液時，陰極催化溶液可在一溫度為 馨 0·6βΡ到0·95ΒΡ的範圍内被加熱，其中BP是該催化溶液 之溶劑的沸點。 10 在預熱陽極催化溶液時，陽極催化溶液可在一溫度為 〇·6ΒΡ到〇·95ΒΡ的範圍内被加熱，其中Βρ是該催化溶液 之溶劑的沸點。 在預熱載送軋體時，載送氣體可在一溫度高於陰極催 化溶液與陽極催化溶液之沸點的情況下被加熱。 15 φ 【圖式簡單說明】 第一圖係依本發明一實施例構成的一種用於燃料電池 之膜電極組製造系統的示意圖；以及 第一及二圖所不者依本發明一實施例構成的一種用於 -«斗電池之膜電極組製造系統和一習用系統所製成之膜電 極組的電壓及功率特性。 【實施方式】 兹舉實施顺配合圖式，將本發日轉予說明於後。 1275198 } · > • * 請參閱第一圖，第一圖係依本發明一實施例構成的一 種用於燃料電池之膜電極組的製造系統，其包括一台可將 一陰極催化溶液與一陽極催化溶液加以預熱的催化溶液預 熱裝置10。 -5 該催化溶液預熱裝置10分別從一陰極催化溶液儲槽11 和一陽極催化溶液儲槽15被供以陰極催化溶液和陽極催化 溶液’再將所供應的溶液預熱，然後輸送出預熱過的溶液。 _ 在這實施例中，該催化溶液預熱裝置10包括一用以預 熱陰極催化溶液的陰極催化溶液預熱器13和一用以預熱陽 ίο極催化溶液的陽極催化溶液預熱器17。然而，該催化溶液 預熱裝置10也可採用在結構上設計成一能分別預熱該陰極 催化溶液及該陽極催化溶液的單一型預熱器，以達成同樣 之功能。 該陰極催化溶液預熱器13係被供應來自該陰極催化溶 15液儲槽11的陰極催化溶液，再將所供應的陰極催化溶液預 着 熱。该陰極催化溶液是種將陰極催化材料與一溶劑混合， 或將陰極催化材料分散到一溶劑内而形成的陰極催化材料 溶液，其係用於形成一燃料電池之膜電極組的陰極。舉例 來說，該陰極催化溶液可以是種已知的陰極催化溶液。 ~ 20 該陽極催化溶液預熱器17係被供應來自該陽極催化溶 液儲槽15的陽極催化溶液，再將所供應的陽極催化溶液預 熱。該陽極催化溶液是種將陽極催化材料與一溶劑混合， 或將陽極催化材料分散到一溶劑内而形成的陽極催化材料 洛液，其係用於形成—燃料電池之膜電極組的陽極。舉例 1275198 來說，該陽極催化溶液可以是種已知的陽極催化溶液。 該陰極與陽極催化溶液預熱器13和17可用已知的預 熱器實現。 該陰極與陽極催化溶液預熱器13和17可分別在一溫 5度低於該陰極催化溶液與陽極催化溶液之溶劑沸點的情況 下，對該陰極催化溶液與陽極催化溶液預熱。該催化溶液 所用的溶劑可以是水或醇基溶劑，而該醇基溶劑則可以是 曱醇，乙醇，正丙醇，異丙醇，1-丁醇，2_丁醇，或異丁醇 等等。該陰極與陽極催化溶液預熱器13和17可在一溫度 10為該催化溶液之溶劑的沸點的60%到95%範圍内，亦即BP 若為該催化溶液之溶劑沸點時，可在0.6BP到0.95BP的範 圍内，對該陰極催化溶液與陽極催化溶液預熱。如果催化 溶液的預熱溫度低於0.6BP，就無法獲得充分的預熱效果。 反之’若是催化溶液的預熱溫度超過0.95BP，溶劑便可能 15蒸發，以致催化材料可能堵塞喷嘴的出口通道。 # 由該陰極催化溶液預熱器13予以預熱的陰極催化溶液 會被供應到一陰極催化溶液喷嘴19，而由該陽極催化溶液 預熱為17予以預熱的陽極催化溶液，則會被供應到一陽極 催化溶液嘴嘴21。 20 一載送氣體預熱器％係從一載送氣體儲槽31被供以 一載送氣體，再將所供應的載送氣體加以預熱。該載送氣 體疋種用以操作該陰極和陽極催化溶液喷嘴19與21的氣 體。舉例來說，它可以是氬氣(Ar)，氦氣(He)，氮氣(n2)或 空氣。 12 1275198 1 > 忒載送氣體預熱器33可在一溫度高於該催化溶液之溶 劑彿點的情況下對載送氣體預熱，以便載送氣體可在喷麗 催化溶液的同時讓催化溶液的溶劑蒸發。舉例來說，載送 氣體預熱器33可在-溫度高於或相當於該催化溶液之溶劑 5雜(BP)的11〇〇/0，亦即11Bp的情況下對載送氣體預熱。 - 因為載送氣體是由載送氣體預熱器33在溫度高於催化溶液 之溶劑沸點的情況下預熱，所以在催化溶液的溶劑被載送 Φ 軋體的熱予以蒸發後，就可將催化材料喷灑到一高聚合電 解質膜片1上。 ° 10 由載送氣體預熱器33予以預熱的載送氣體會被供應到 該陰極催化>谷液實嘴19和該陽極催化溶液喷嘴a。 舉例來說，該陰極催化溶液預熱器13，該陽極催化溶 液預熱器17’和該載送氣體預熱器31均可採用已知的預熱 器來實現。 … 15 該陰極催化溶液喷嘴19會被供以該陰極催化溶液預熱 • 器13所預熱的陰極催化溶液和該載送氣體預熱器31所預 熱的載送氣體，同時該喷嘴在構型上係被設計成可噴灑所 供應的陰極催化溶液。 ' 該陽極催化溶液喷嘴21會被供以該陽極催化溶液預熱 20裔17所預熱的陽極催化溶液和載送氣體預熱器31所預熱 的載送氣體，同時该贺鳴在構型上係被設計成可噴丨麗所供 應的陽極催化溶液。 由陰極催化溶液喷嘴19喷灑的陰極催化溶液和由陽極 催化溶液喷嘴21嘴灑的陽極催化溶液會分別被塗布在置於 13 .12,75198

I 型樣架(pattern frame) 3中間之高聚合轉丨的各側 上。是以，跟著形成-種在電解質則各_彡成陰極和陽 極的膜電極組。 依據本發明的-實施例，因為陰極催化溶液、陽極催 5化溶液、和載送氣體係於分別預熱後再供應到喷嘴， 喷灑預熱的溶液，所以能較均勻地形成一催化層，並將 電解質膜片的膨脹現象減至最低。 9 ^ 第二及三圖係以比較方式顯示出依本發明一實施例構 成的燃料電池之薄電極組製造系統與一習用系統所製成之 10膜電極組的電壓(V)與功率(Watt)特性。 在第二及三圖中，連接「#」與「▲」之圖式所示者 係電流密度A/cm2及功率密度watt/cm2之間的關係，而連 接「〇」與「△」之圖式所示者則為電流密度A/cm2及電 池電壓V之間的關係。另在第二圖中，「#」與「〇」係有 15關於依本發明一實施例構成之系統所製造的CCM (i布催 I 化劑之膜片）式膜電極組的資料，而「▲」與「△」則是有 關於依習用系統製造之CCM式膜電極組的資料。此外&在 第二圖中’「參」與「〇」係有關於在依本發明一實施例構 成之系統所製造的、在氣體擴散層(GDL)上塗布催化劑此等 20型式的膜電極組資料，而「▲」與「△」則是有關於在依 習用系統製成之GDL上塗布催化劑之型式的膜電極組資 米斗。 、、、 如同本技藝已知者，因電流密度增加而使電壓及功率 密度減低的數量較小較為有利。參閱第二及三圖，在依本 1275198 « * ΐ::實施例構成之系統所製造的膜電極組中，因電流密 使賴及功率密度減低的數4，小於依習用系統 二=膜電極組，尤其是在較高的電流密度區，電壓及 播杰1^，減低的數1差異較大。所以，依本發明各實施例 方'㈣製造的膜電極組，亦即喷灑預熱之催 1樣成的膜電極組，在與制系統製造的膜電極組 L!m具有良好的電壓及功率密度娜，尤其是在高電 机被又區具有特別良好的電壓及功率密度特性。 15 20 體。之由於催化溶液的溶劑至少有一部份會因預 熱過程的執行而能在喷期間被去除，所以已被乾燥到某 ，程度的催化材料就被塗布到高聚合電解f膜片或氣體擴 政層的表©上。結果，高聚合電解f則或氣體擴散層因 溶劑而收縮的情形即可減低，以致能較均的塗布催化溶 液此外’由於洛劑數量減低，溶劑使催化劑粒子緊密黏 結在-起的現象也跟著大幅減低。再者，如果塗布在高聚 合電解質則或氣體擴散層上的是乾燥的催化劑粒子，那 麼催化劑粒子之間便存有充分的⑽，以致可增進物質傳 遞特性。另外，因為是將乾制催化材料到氣體擴散 層上，所以催化材料連同溶劑滲人氣體擴散層内的情況便 可減至最低’以致增加催化_可職，並能獲得良 電壓及功率特性。 該陰極催化溶液喷嘴19係被安裝到一運送裝置25 處’該運送裝置25至少朝著—個方向運送該陰極催化溶液 喷嘴i9’以便該陰極催化溶时嘴19能將陰極催化溶液平 15 .1275198 高聚合電解上。就運送裝置％的該 、同樣二=:容置， 置四處，該運送裝至噴嘴21也被安裝到-運送裝 5化溶㈣嘴21，以倾陽極H著—财向料該陽極催 溶液平均地喷灑到該高能 Γ的該項作業而言，可將運送二安裝 1〇於制25和29的作業可由—預輸人的程式加以 執行該雖人程式的控制器（财未顯示） 的外^…運达裳置25和29内或可設在運送裝置25和29 15

20 在本發明的一實施例中，該陰極與陽極催化溶液喷嘴 和21係經操作而輪流喷灑催化溶液。同時，在陰極盥陽 極催化溶液噴嘴19和21的其中之—喷灑催化溶液時，、便 將載送氣體供應給另-喷嘴。於是，在陰極與陽極催化溶 液喷嘴19和21的其中之-喷灑催化溶液的同時，預熱的 載送氣體會將另_喷嘴絲。因此，催化溶缝被更有效 地的喷灑，而的催化溶液則可形成一道均句的層面。 陰極與陽極催化溶液喷嘴19和21的該等作業可由一 預輸入的程式加以㈣，-用以儲存及執行該預輸入程式 的控制器則可設於陰極與陽極催化溶液噴嘴19和21内或 可設在陰極與陽極催化溶液喷嘴19和21的外面。 該控制器可包括一微處理器，一記憶體，和嫻熟本技 16 .1275198 * f所瞭解的其它必要的硬體和軟體組件 ，使該控制器可執 仃本文所述的控制功能。 、此外，用以控制運送裝置25和29的控制器，以及用 =拴制陰極與陽極催化溶液喷嘴19和21的控制器可採用 5單一機組予以實現。 — /採用依本發明一實施例構成的燃料電池之膜電極組製 造系統，就可進行依本發明一實施例構成的燃料電池之膜 φ 電極組製造方法。 、 依本發明一實施例構成的燃料電池之膜電極組製造方 10法，包括對一陰極催化溶液加以預熱，對一陽極催化溶液 加以預熱，對一載送氣體加以預熱，使用預熱的載送氣體 經由一陰極催化溶液喷嘴來喷灑陰極催化溶液，和使用預 熱的載送氣體經由一陽極催化溶液喷嘴來喷灑陽極催化溶 液。 15 預熱的陰極催化溶液和陽極催化溶液是輪流喷灑。在 φ 喷灑預熱的陰極催化溶液和陽極催化溶液其中之一時，载 送氣體就被供應給陰極和陽極催化溶液喷嘴其中未喷灑催 化溶液的那一個。 以上所舉實施例僅用以例舉說明本發明而已，並非用 20以限制本發明，舉凡不違本發明精神所從事的種種修改及 同等安排，俱屬本發明申請專利範圍。 / 在本s兒明内谷及後文的申請專利範圍中，除另有明確 相反指示外，所稱「包括」、「包含有」、「具有」或類似用 語，係指包含所述元件，但並未排除其它任何元件。 (S) 17 •12.75198 、、〜依本發明的各實施例，因為陰極催化溶液，陽極催化 夜和载送氣體是在預熱後供應給喷嘴，所以能較均 至曰2催化剎層，並可將高聚合電解質膜片的膨脹現象減 5是=法哈此外，因為預熱的陰極催化溶液和陽極催化溶液 =二机噴灑，且在喷灑預熱的陰極催化溶液和陽極催化溶 、:，載送氣體就可被供應給陰極和陽極催化溶 液喷嘴其中未噴灑催化溶液的那 一個，所以能較均勻的形 成催化劑層。

18 ‘12.75198 【圖式簡單說明】 第一圖係依本發明一實施例構成的一種用於燃料電池 之膜電極組製造系統的示意圖；以及 第二及三圖所示者依本發明一實施例構成的一種用於 燃料電池之膜電極組製造系統和一習用系統所勢之膜電 極組的電壓及功率特性。 、

10 15

【主要元件符號說明】 1高聚合電解質膜片 10催化溶液預熱裝置 13陰極催化溶液預熱器 17陽極催化溶液預熱器 21陽極催化溶液喷嘴 27框架 31載送氣體儲槽 CCM塗布催化劑之膜片 GDL氣體擴散層 MEA膜電極組 3型樣架 11陰極催化溶液儲槽 15陽極催化溶液館槽 19陰極催化溶液嘴嘴 23框架 29運送裝置 33載送氣體預熱器 19

Claims (1)

1. J275198 •十、申請專利範圍： 1· 一種用於燃料電池之膜電極組的製造系統，其包含 有： 一催化溶液預熱裝置，用以預熱一陰極催化溶液與一 陽極催化溶液； • 5 一載送氣體預熱器，用以預熱一載送氣體； 一陰極催化溶液喷嘴，其係被供應以該催化溶液預熱 裝置所預熱的陰極催化溶液和該載送氣體預熱器所預熱的 # 載送氣體’且其結構係可喷灑所供應的該陰極催化溶液； 以及 10 一陽極催化溶液喷嘴，其係被供應以該催化溶液預熱 裝置所預熱的陽極催化溶液和該載送氣體預熱器所預熱的 載送氣體，且其結構係可喷灑所供應的該陽極催化溶液。 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該催化溶 液預熱裝置係在一溫度為0·6Βρ到〇·95Βρ的範圍内對該陰 I5極催化溶液與該陽極催化溶液加熱，而Βρ係為該催化溶液 Φ 之一溶劑的沸點。 3·如申请專利範圍第1項所述之系統，其中該催化溶 液預熱裝置包括： 一陰極催化溶液預熱器，用以預熱該陰極催化溶液； 20 以及 -陽極催化驗預熱H，帛關熱該陽娜化溶液。 、4·如中請專郷圍第3項所述之系統，其巾該陰極催 化/合液預熱為係在一溫度為0·6ΒΡ到0·95ΒΡ的範圍内對該 陰極催化溶液加熱，而ΒΡ是該催化溶液之一溶劑的沸點。 20 .1275198 〜5·如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該陽極催 ^匕溶液預熱器係在一溫度為〇· 6Bp到〇· 95Bp的範圍内對該 陽極催化溶液加熱，而BP是該催化溶液之一溶劑的沸點。 曰6·如申凊專利範圍第1項所述之系統，其中該陰極與 陽極催化溶液噴嘴係經操作而輪流喷灑該催化溶液；其 中，在該陰極與陽極催化溶液喷嘴其中之一喷嘴喷灑催化 /谷液時，該載送氣體係被供應至另一喷嘴。 10 15

   20 7·如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中該載送氣 體預熱裔係在一溫度高於該陰極催化溶液與該陽極催化溶 液之沸點的情況下對載送氣體加熱。 3 8·如申請專利範圍第丨項所述之系統，其中該載送氣 體是氬氣，氦氣，氮氣，和空氣其中一種。 9· 一種用於燃料電池之膜電極組的製造方法，其包含 有下列步驟： 對一陰極催化溶液加以預熱； 對一陽極催化溶液加以預熱； 對一載送氣體加以預熱； 使用该預熱的載送氣體經由一陰極催化溶液喷嘴來喷 麗該預熱的陰極催化溶液；以及 使用該預熱的載送氣體經由一陽極催化溶液喷嘴來喷 灑該預熱的陽極催化溶液。 10·如申請專利範圍帛9項所述之方法，其中該預熱的 陰極催化溶液和該陽姆m是誠倾，且在喷灑該 預熱的陰極催化 >容液和該陽極催化溶液其巾之—時，該載 21 J275198 送氣體被供應給該陰極和陽極催化溶液喷嘴其中未噴灑催 化溶液的那一個。 11·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在預熱該 陰極催化洛液時，該陰極催化溶液係在一溫度為〇·6Βρ到 5 0.95ΒΡ的範圍内被加熱，而bp是該催化溶液之一溶劑的 沸點。 12·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在預熱該 φ 〶極催化〉谷液時，該陽極催化溶液係在一溫度為〇·6ΒΡ到 0.95ΒΡ的範圍内被加熱，而bp是該催化溶液之一溶劑的 10 沸點。 13·如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在預熱該 載送氣體時，該載送氣體係在一溫度高於該陰極催化溶液 與該陽極催化溶液之沸點的情況下被加熱。

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