TWI320979B - Method for manufacturing catalyst-coated membrane using mask - Google Patents

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1320979 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 …本發明係關於—種利用-遮罩以製造-塗佈有觸媒之 薄膜之方法’以及-種包括有利用此方法所製造之 燃料電池。 【先前技術】 燃料電池係為-種利用氫氣或甲醇做為燃料而與 或空氣作為氧化劑，利用氧化還原反應中所產生的電子以 產生電力的裝置。 ‘此一燃料電池的組態係將陽極與陰極形成於一電解質 賴的兩側，而電解質薄膜則係由一聚合物所構成。此種 15 為—薄膜電極組⑽A)。用做為燃料的氣氣或甲 =供應至陽極並在電極觸制仙τ產生氫離子奶，而 二子生接::過聚合物電解質薄膜後、與陰極的氧原子麵 „^=電池而言，將陽極與陰極形成於聚合物電解 貝溥肤之上可以分為兩種方法。 第-種方法中，可以藉由塗佈觸嫖墨水㈣咖 而：：：擴散層（亦即一具有孔隙的碳紙或碳布）之上， 壓氣體擴散層之上。接著，係藉由加熱並按 薄膜電極組。藉由此種方法所形成的薄膜：二a = f - 薄膜與觸媒層之間並無接觸，因此成二組在電解質 口此e w成介面電阻的增加。 20 斤—，觸媒墨水係塗佈於一薄 質薄膜上形成m方法中，電解“二解 間的離子接觸，與第—種方法相較之下觸:層之 良燃料電池的性能。然而，利用 ：-改 經過研發=:Γ灑、塗佈、區塊塗佈、與網印等，均 法使得燃料電池的製㈣㈣然而’这些方 過程中，在觸媒黑^ 卜在燃料電池的製造 而，膜的尺寸。因此，將較難製造理想=脹，進 的保護薄:：:：=佈有觸媒的薄膜上增加-層《上 膜所造成的傷宝Γ便地處理此產品、並避免對於薄 覆.而在塗佈有觸媒之薄膜上、未被觸媒 聚合物電解質薄膜區域，可能會在大氣中吸 組係施力 =堆:::當=塗佈有觸媒之薄膜的薄膜電極 膜的外露部分塗::伴=成疊。因此，係在薄 塗佈有觸媒的薄:加薄膜電極組(* 康省去技術’為了解決上述問題，需要分離的製程。 了，觸媒層係形成於聚合物電解質薄膜的雙表面上。接 :保護層係藉由加熱並加壓而耦合至薄臈的外露區域， 攻*错由黏著劑而貼附至薄膜 $ 專Μ上然而，由於習知製程需要 觸媒塗佈製程與保護薄膜塗佈製程等分離步驟，其 喊即在於，為了完成此薄膜需要進行太多步驟。 丄JZUV/y 丄JZUV/y 15

習知技藝中的問題，且 用以製造塗佈有觸媒之 遮罩薄膜層與一第—霉占 包括有圖案，圖案中對 域係被移除，此遮罩係 媒係塗佈於此電解質薄 上之理想位置時所發生 本發明之另一 媒之薄膜的方法， 之一理想區域上， 附層依序形成於第 電解質薄膜的膨脹 膜之—外露表面（ 塗佈一保護薄膜。 【發明内容】 因此，本發明係用以解決上述 本發明之目的之一係在於提供一種 薄膜的方法，其中一遮罩包括有一 附層層化於此遮罩薄膜層之上，並 應至一電解質薄膜欲塗佈觸媒的區 被貼附至一電解質薄膜，並且一觸 膜上，進而避免將觸媒塗佈於薄膜 電解質薄膜的膨脹。 目的係在於提供一種用以製造塗佈有觸 其中觸媒可利用一遮罩而塗佈於此薄膜 此遮罩另包括一保護薄膜層與—第二黏 黏附層之上，進而避免塗佈觸媒時一 ，並形成一保護薄膜層於一此電解質薄 未塗佈觸媒處）上，而非以一獨立步驟 之明之'目的係在於提供—種由上述方法所製造 所製造之塗佈有觸媒之薄膜。電其包括有由此方法 並係成本發日狀Μ目的，根據本發明之—面向， i驟種用以製造—塗佈有觸媒之薄膜之方法，包括 (a)提供一遮罩其 包括一遮罩薄膜層以及 一層化於此 20 遮罩薄膜層上之— 應至—電解質 一黏附層’且具有多個圖案’其中對 塗佈； ' '、之部分係被移&，此^分係將被以觸媒 (:):著此遮罩至此電解質薄膜之一面或雙面； k佈觸媒墨至此電解質 案，以形成1媒層；以及 穿透遮罩之圖 (d)移除此遮罩薄膜層與此第—黏附層。 10 黏附居贫库2中4遮罩可更包括—保護薄膜層與一第二 曰依序形成於第一黏附層之上。 向，本發明之上述目的，根據本發明之另一面 及—蜗料常利用此方法所製造之塗佈有觸媒之薄膜，以 薄膜「'也其包括有利用此方法所製造之塗佈有觸媒之 15 為：達成本發明之上述目❸，根據本發明之另—面 紐所t'提供彳—遮罩以塗佈觸媒於—電解質薄膜上，此電 解貝薄膜包括：-遮罩薄膜層；以及—第一黏附層層化於 :罩/專膜層之上，其中此遮罩可被貼附至電解質薄膜 上/ f防止電解質薄膜發生膨脹。在此遮罩中，可包括一、 保又薄膜層與一第二黏附層依序層化於第一黏附層之上。 20 為了達成本發明之上述目的，根據本發明之又一面 向，係提供一種用於一電解質薄膜以塗佈觸媒之複合結 構匕括·電解質薄膜；以及一遮罩，其包括一遮罩薄 膜層與第—黏附層，此二層係層化於電解質薄膜之上， 且包括複數個圖案，其中對應至此電解質薄膜欲塗佈觸媒 i 8 處之部分係被移除；其中此遮罩係 '貼附至此電解質薄膜之 一面或雙面。 在此複合結構中，披、1 Φ 6 k , _ 逖罩了更包括一保護薄膜層與一第 二黏附層依序層化於第一黏附層之上。 以下係詳細說明本發明之結構與方法。本發明内容說 明早：目的並非在於定義本發明。本發明係由申請專利範 圍斤疋義舉凡本發明之實施例、特徵、目的及優點等將 可透過下㈣㈣料·岐所_式獲得充分瞭解。 【實施方式】 在此以下，將參照圖式而詳細說明本發明。 ± 般而5，當觸媒墨水係直接塗佈於一電解質薄膜上 蚪’電解質薄膜會在觸媒墨水中因為溶劑而膨脹，因而改 變電解質薄膜的體積，造成觸媒塗佈的不均勾。因此，將 ίΓΓ造—理想的電極。因此，a了避免電解質薄膜因為 主佈觸媒於~膜上時所產生的膨脹，錢用不同 電解質薄膜上。 …、而，在本發明用以製造此塗佈有觸媒之薄膜的方法 ^由於-遮罩（其包括有—遮罩薄膜層與層化於此遮軍 溥膜層之上之一第-黏附層，並選擇性地包括-保護薄膜 層與-第二黏附層依序層化於第一黏附層之上）係貼附至 電解質賴，接著將觸媒塗佈於電解質薄膜上，因此可以 1免電解質薄膜的膨脹而不需要使用__額外的支架於電解 貝溥膜之上。特別地說，用以製造本發明塗佈有觸媒之薄 LDL\jy iy 功能。罩本切做為電解質薄膜的遮罩、並具有遮罩的 上、::由用以將觸媒塗佈於電_膜 可貼附於電解質m層於遮罩薄膜上，遮罩薄膜則 外，在本發明之尾解負廣朕發生膨脹。此 上的伴m 可另包括依序形成於第-黏附層 其中對n第二黏附層。而遮罩同時包括有圖案， ”二a ::貝薄膜上將要塗佈觸媒的位置係被移除。 之碑說’#欲塗佈觸媒於電解質薄膜上時，本發明 域5角了遮罩的角色’以使得觸媒係塗佈於預定的區 膜層ΤΙ而：：的形Ϊ係?由將第一黏附層層化於遮罩薄 :: 此吟，第一黏附層在遮罩薄膜層舆電解 λ薄膜之間提供了摘杏沾私ω 15 J從供了適虽的黏性。遮罩薄膜層扮演了支架的 角色而防止電解質薄膜發生扭曲與膨脹，維持了電 膜的外型。 符 砰細地說，若遮罩係貼附至電解質薄臈的雙面，則遮 罩更增加了支架的支擇力量，而防止電解質薄膜在塗佈觸 媒的過程中發生膨脹。因此，根據本發明之製備方法，則 2〇可能在塗佈觸媒的過程中防止電解㈣膜的㈣，_將 觸媒塗佈於電解質薄膜上。因此，就可以製造優良的電極。 另一方面，在保護薄膜層與第二黏附層依序層化於第 —黏附層之上的例子中，第-㈣層的厚㈣經過調整而 使得第一黏附層的黏性較小。因此，第一黏附層扮演了在 10 遮罩薄膜層與保護薄膜層之間提供適當黏性的角色。第二 黏附層的厚度亦經過調整，使得第二黏附層的黏性相當 大進而在保護薄膜層於電解薄膜之間提供緊密的黏性。 因此’遮罩薄膜層與保護薄膜層係扮演了支架的角色，防 止電解質薄膜的扭曲與變形，進而維持薄膜的外型。 、右此遮罩（由遮罩薄膜層、第一黏附層、保護薄膜層、 ^及第—黏附層依序層化所形成）係用於本發明的方法 中則則形成此遮罩的第一黏附層可以在觸媒塗佈完成之 10 15 後，，輕易地與保護薄膜層分離，因為第一黏附層的厚度係 二過调整而使得其黏性較小H面’第二黏附層可允 許保護薄膜層黏附於電解質薄膜上，因為第二黏附層的厚 度係經過調整而使得其黏性相當大。因此，在不需要額外 製程以塗佈保護薄膜層的情況下，保護薄膜層可以輕易地 破塗佈於電解質薄膜外露的部分，亦即未塗佈有觸媒的部 分。 、此外，藉由將保護薄膜層塗佈於電解質薄膜的外露部 刀可以防止電解質溥膜不受到壓力、衝擊與熱的影響。 1時，也可以避免電解質薄膜發生磨損或完全'乾燥的情 此外也有可此改良由塗佈有觸媒之薄膜所製造之薄 2〇膜電極組的機械穩定性，進而避免薄膜受損並促進堆疊組 合的方便性。 圖1係根據本發明之一實施例而繪示用以製造一塗佈 有觸媒之薄膜之製程。 如圖1所不，為了製造本發明塗佈有觸媒的薄膜，遮罩 1320979 的形成係原本就具有圖案，其中對應至薄膜欲塗佈觸媒的 4刀已被移除，且其中第一黏附層2〇係層化於一遮罩薄膜 層10之上。 ' 、欲移除遮罩中對應至薄膜欲塗佈觸媒的部分，可以將 遮罩在一鋼模中衝壓打孔而達成。 接著，此遮罩係貼附至電解質薄膜50的一面或雙面， 以使遮罩的第-黏附層2〇配置於電解f薄膜5〇之上。 、—因此則可以製造用以將觸媒塗佈於電解質薄膜上的 複口、口構，其係由一遮罩與一電解質薄膜所構成，其中此 二=:括一遮罩薄膜層與一第一黏附層’且在對應至薄 佈觸料部分已先移除，且其中此遮罩係貼附至電 ’專膜而使仵第-黏附層係位於電解質薄膜的一面或雙 面^增示了此複合結構係利用在遮罩貼附 ς 15 20 之雙面之後，依序層化遮罩 解：：： 雈 黏附層、電解質 潯Μ、弟一黏附層、遮罩薄膜層而形成。 :媒：水60係塗佈於遮罩（貼附至電解質薄膜的一面 或雙面）的圖案之上 存彡+自 解㈣…：圖1繪示了用以在電 解貝4膜之雙面形成觸媒層的製程。 a當觸媒層形成之後，遮罩薄膜層1〇與第 别已貼附至電解質薄膜之一面或’ ' ,¾ ® ^ . )係同4被移除，進 此溥胰，其中電解質薄膜5〇的一 有觸媒。 面或雙面係已塗佈 圖2係根據本發明另一實施例而繪示 有觸媒之薄膜之製程，苴中此舍 一塗佈 其中此塗佈有觸媒之薄膜係包括一 12 1320979 保護薄膜層。 /如圖2所示，為了製備本發明塗佈有觸媒的薄膜，此遮 罩係藉由依序層化遮罩薄膜層1〇、第一黏附層2〇、保護薄 =層30、以及第二黏附層4()而形成，且其中對應至電解質 薄膜將塗佈觸媒的部分係已經被移除。 ，接此遮罩係被貼附至電解質薄膜5〇的一面或雙 面使彳于第二黏附層40係位於電解質薄膜5〇之上。 10 15 20 人=此，則可以製造用以塗佈觸媒至電解質薄膜上的複 二二其係由一遮罩與一電解質薄膜所組成，其中此遮 J 層 '層化於此遮罩薄膜層之上的第一黏 一黏附層之上的保護薄膜層、以及層化於 解的第二黏附層’且具有圖案其中對應至電 貝，專膜欲塗佈觸媒之部分已被移除，且其中第二勒附層 係位於電解質薄膜之上。 i工 了此遮罩貼附至電解質薄 膜之雙面以形成複合結構的製程。 觸媒墨水60係塗佈於遮罩（貼 哎雔 早、貼附於電解質薄臈的一面 μ s - . a ^ 圖不了在電解質薄膜的 又面形成觸媒層的製程。 觸媒層形成之後，遮罩薄膜异]〇盘笛 缺目上糾不+ A 联層10與第一黏附層20 (已 絰貼附至電解質薄膜的—面 ° 塗佑古艇版 又面）係破移除’進而製造 塗佈有觸媒且形成有保護薄 J: # p 艾電解溥朕。如圖2所示， ”係衣以塗佈有觸媒的電解質 附至電解質薄膜50的雙面。、、保遵缚膜層3〇係貼 根據本發明，遮罩薄胺 旱潯膜層可以由下列群組之至少一材 13 1320979 料所構成：聚對苯二甲酸乙二賴 (polyethyleneterephthalate) 、 , PEN(polyethylenenaphthalate)、聚酯（p〇iyester)、聚乙埽 (polyethylene)、聚丙烯（p〇lypr〇pylene)、聚碳酸酯 <5 (polycarbonate)、聚醯胺（polyamide)、聚硫化亞苯 (polyphenylenesulfide)、以及聚亞醯胺（p〇丨…爪丨心）。 遮罩薄膜的厚度可介於1〇至15〇微求之間。較佳地，遮 罩薄膜層的厚度係介於40至80微米之間。若遮罩薄膜層的 厚度係小於10微米，則用以防止電解質薄膜膨脹的支撐力 10將顯得不足，因而難以將觸媒塗佈於電解質薄膜上。另— 方面’若遮罩薄膜層的厚度增加，則支撐力亦隨之增加。 然而，若遮罩薄膜層的厚度超過15〇微#，則難以將遮罩貼 附至電解質薄膜上。 黏附層可由選自下列群組之 乐一 此外，根據本發明 15 20 至少一材料所構成：矽樹脂、壓克力樹脂、尿素樹脂 '環 氧核m、以及橡膠。較佳地，第一黏附層可由矽樹脂所構 成，者眼點為碎樹脂的耐熱性與化學穩定性。 第一黏附層的厚度可介於2至5〇微米之間。較佳地，第 -黏附層的厚度係介於2至2()微米之間。若第_黏附層的厂曰 度小於2微米’則在塗佈製程之後將报容易京尤把遮罩^膜: 移除。然而，此情況下將難以維持在電解f薄膜與遮罩: 膜層之間的黏性。因此，此橹拟沾地 · 此h形的缺點在於難以獲得—#

淨的表面。另一方面，當笫一& C 罘黏附層的厗度大於50微米時， 黏性將會太強，因此在移除帛一 # f ^黏附層時會傷害到電解質 14 1320979 薄膜 在依序將保護薄膜層與第二黏附層層化於第—黏附層 之上時，第二黏附層的構成材料可以與第—黏附層相同二 _相異。詳細地說，第二黏附層可由選自下列群組之至少— '5材料所構成：石夕樹脂、壓克力樹脂、尿素樹脂、環氧樹^ 以及橡膠。較佳地，第-黏附層可由㈣脂所構成，著曰、 點為石夕樹脂的对熱性與化學穩定性。 、 此外，在依序將保護薄膜層與第二黏附層層化 之ΐ時’第一黏附層的厚度可介於2至简米之間。 1〇較仏地，弟一黏附層的厚度係介於2至20微米之間。第 附層的黏性必須較小’因為當觸媒塗佈至電解質薄膜上： ;，遮罩薄膜層必須可以輕易地移除。若第一黏二t 度小於2微米’則在塗佈觸媒時，在第-黏附層轉 15 ;之間將難以維持適當的黏性。因此，缺點在於益：得 乾淨的保護薄膜層。另— y …法獲付 性合太大。^ $方面，若厚度大於50微米，則黏 因此’在塗佈製程之後，會發生在移除第斑 附層時傷害保護薄膜層的問題。 在移除弟-黏 二黏的厚度可介於2至5。微米之間。較佳地，第 20 保護薄膜層_至電解：^ 微米，用以防止電解質二：。“二黏附層的厚度小於2 方面，若第二c膨脹的支撐力則會太小。另- 若第二黎附層的厚;^厚度增加，則支推力也會隨著增加。 解質薄膜的勝脹。；微米，則可以有效地防 孕又佳地，卓二黏附層的厚度係等於或小

15 1320979 於50微米。 根據本發明，保護薄膜層可以由下列群組之至少一材 料所構成：聚對苯二甲酸乙二酉旨 (polyethyleneterephthalate) *5 10 15 PEN(P〇lyethylenenaphtha丨ate)、聚酯（p〇lyester)、聚乙烯 (polyethylene)、聚丙稀（p〇lypr〇pylene)、聚碳酸酯 (polycarbonate)、聚酿胺（p〇lyamide)、聚硫化亞苯 (P〇lyphenylenesuifide)、以及聚亞醯胺（p〇lyimide)。 保護薄膜層的厚度可介於1〇至15〇微米之間。較佳地， 保護薄膜層的厚度可介於2〇至5〇微米之間。若保護薄膜層 的厚度小於10微米，則保護薄膜層太薄。因此，保護薄膜 層會很容易彎折，而保護薄膜層的支撐力會變小。若保護 缚膜層的厚度超過15G微米，則保護薄膜層的厚度會超過觸 媒層的厚度（藉由塗佈觸媒而形成），進而使得觸媒層與 氣體擴散層之間的接觸弱化。 在本發明中，若遮罩薄膜層的厚度較薄，則用以防止 電f質薄膜膨服的支撐力會減弱。為了彌補這項缺憾，則 字第黏附層的厚度增加一定值。在增加第一黏附層之厚 度的例子中，當遮罩薄膜層與第一黏附層係在塗佈觸媒之 後移除時，電解質薄膜可处合” m L 仰觸炼之 ' 、了此_文知。因此，可使用厚度介 於30至微米’較佳係為嫩1GG«，的遮罩。 在保護薄膜層與第二黏附層依序層化於第一黏附層之 上的遮罩實例中’僅需要非常少量的第一黏附層。若第二 黏附層的厚度係大於一特定值，則第二黏附層允許保護薄 20 1320979

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膜層良好地貼附至電解質薄膜。因此，遮罩薄膜層與保護 薄膜層的厚度可以考量運作效率與支撐力而做調整。此 外，遮罩的整體厚度可以考量觸媒層（藉由塗佈觸媒而形 成）的厚度而做決定。 在本發明中，可使用一聚合物電解質薄膜做為電解質 薄膜。電解質薄膜可以由下列群組之至少一材料所構成： 聚氣項酸聚合物（perfluorosulfonic acid)、含碳氫之化合 物、聚亞酿胺、聚偏二氟乙稀（polyvinylidenefluoride)、聚 Si| 石風 (polyethersulfone) 、 聚硫 化亞苯 (polyphonylenesulfide)、聚苯&l(polyphonyleneoxide)、聚石粦 氮稀（polyphosphazene)、PEN(polyethylenenaphthalate)、聚 酉旨、經捧雜之聚苯味。坐（polybenzimidazole)、聚醚酮 (polyetherketone)、聚石風（polysulfone)、以及其酸或鹼。 在本發明中，觸媒的塗佈可以藉由直接塗佈觸媒墨水 而達成。此時，塗佈觸媒墨水的方法並不限於一特定方法， 但包括喷霧塗佈、薄片成型、網印、刮刀塗佈、擠壓式塗 佈、以及旋轉塗佈等。 觸媒墨水中可包括觸媒、聚合物離子體、以及一溶劑。 可使用的觸媒材料包括翻黑觸媒（platinum black)、在白 20 在了 黑觸媒（platinum-Ruthenium black)、锻麵碳觸媒 (platinized Carbon)、翻釕/碳觸媒、始鉬黑觸媒 (Platinum-Molybdenum black)、韵#目/碳觸媒、舶姥黑觸媒 (Platinum-Rhodium)、始錄A炭觸媒、以及翻基合金觸媒。 較佳地，可使用鉑-釕或鉑-釕/碳觸媒做為陽極的觸 17 1320979

10 15 媒’並使用鉑或鍍鉑碳做為陰極的觸媒。 觸媒顆粒可以分散於碳顆粒中，或包括鉑或合金黑。 聚合物離子體提供了離子與一通道，使得由燃料（例 如氫氣或甲醇）反應所產生的離子如與觸媒一起移動至電 解質薄膜，離子體可舉例包括但不限於，纟氟磺酸樹脂 (Nafi〇n)離子體以及磺化聚合物，例如 polytriplefluorostylene sulfonate。 較佳地，聚合物離子體與觸媒的比例，係介於約5_3〇 重量份的離子體··刚重量份的觸媒。若聚合物離子體少於

5重量份，則離子轉移通道無法正常地形成於觸媒層中，因 此觸媒反應所形成的離子無法順利地移動。另一方面，若 聚合物離子體超過了 3〇重量份’則離子體會覆蓋觸媒層， 因此燃料無法輕易地與觸媒反應。 可使用的溶劑包括水、丁醇、異丙醇、甲醇、乙醇、 正丙醇、乙酸正丁自旨、以及乙二醇等。這些材料的每—種 或其混合物，可被用作為溶劑。較佳係在陽極與陰極使用 相同的溶劑。 較佳地’在觸媒墨水中’每⑽重量份的觸媒係使用有 約1〇0至5_重量份的溶劑。若溶劑的含量少於贈量 伤’則觸媒墨水的黏度會太大1塗佈觸媒時，觸媒顆粒 的分散效果不佳，因此難以形成—均勻的觸媒層。另一方 面，若觸媒的含量超過5_重量份則觸媒墨水的黏度會下 降太多。所塗佈的觸媒厚度太薄’將會需要進行多次重複 的塗佈，造成產量的降低。 20 丄 /y 丄 /y

10 15 20 以及溶劑等，可以使用一高速 超音波打碎機進行混合，而能 媒顆粒係均勻地分散。 觸媒、聚合物離子體、 混合器、機械攪拌器、或— 製造一觸媒漿狀物，.其中觸 „在觸媒層形成時，觸媒層可以在20至90。。的溫度下乾 無，較佳係為25至30。(：。 在本fx明中’觸媒層的厚度較佳係為〗至6〇微米。若觸 米’則觸媒層的外型不平整，而造成觸 媒的缺乏，進而使得其耐用性降低。若觸媒層的厚度超過 60微米，觸媒層會太後’因此難以將氣體擴散人觸媒層中， 使得在觸媒層上的氣體反應速率降低。 利用本發明之方法所製造之塗佈有觸媒的薄膜，係用 、/成薄膜電極組。詳細地說，―氣體擴散層可以用於此 塗佈有觸媒的薄膜中。 用於燃料電池的材料可以用做為氣體擴散層的材料， 包括碳纖維、+織布碳纖維、碳布、以及碳紙等。然而， 材料並不又限制。氣體擴散層可以經過處理而具有疏水 性。右有需要，此材料可更包括一碳黑微層與一觸媒層。 利用此領域中所熟知的方法，例如熱壓法，氣體擴散 層可以形成於塗佈有觸媒的電解質薄膜上。 此外’本發明的燃料電池可包括塗佈有觸媒的薄膜， ”係使用本發明之方法所製造。詳細地說，此燃料電池可 包括薄膜電極組，其係使用塗佈有觸媒的薄膜。舉例而言， 此燃料電池係使用習知方法，從薄膜電極組以及雙極板所 形成。 19 1320979 此燃料電池可包括一聚合物電解質薄 直接甲醇燃料電池、一直接甲酸燃料電池 料電池、或一直接二甲醚燃料電池。 *5 膜燃料電池、一 、一直接乙醇燃 實施方式 以協助瞭解本發明。各 而非用以限制本發明於 以下將詳述本發明之實施例 實施例係僅用以協助瞭解本發明 該些實施例。

10 實施例1 :製造塗佈有觸媒之薄膜 15 一遮罩薄膜層係由聚對笨二曱酸乙二酯 (P〇lyethyleneterephthaiate)所構成，其厚度為 75微米。—曰 -黏附層由石夕所形成，其厚度為15微米。此二層係彼此黏 著·’且此二層中對應至電解質薄膜將塗佈觸媒的部分（尺 寸.25 cm )係以一鋼模衝孔並移除，以製造—遮罩 20 一㈣⑽薄膜（财‘ 112 ) ’購自枉邦公司’、、，其係為 ?《氟磺酸聚合物’係、用做為—電解質薄膜。用以塗佈觸媒 於電解質㈣上的複合結構，係、藉.由將遮㈣附至電解質 溥膜而製成，使得第一黏附層係位於電解質薄膜的雙面。、 為了製造觸媒墨水，㈣碳觸媒係用做為陽極 的觸媒。.婦1姆液、異丙醇、以及水⑽混合，接著此 混合物以及觸媒係、被授拌。此時，觸媒、ΜΗ 及溶劑係以1:〇·3:2〇的比例混合。接著，其係被授拌以達 成良好的分散。接著’此混合物係使用高速混合器混合2小 20 10

20 時以達成均勻的混合，進而製造觸媒墨水。 至=Γ ^水係利用—喷霧塗佈機而被嘴灑於遮罩上對應 膜欲塗佈觸媒的位置’使得具有G4m細2的觸 :::形成於電解質薄膜的雙面之上，亦即陽極與陰 声(已貼m媒^的上面上。最後’遮罩薄臈層與第-黏附 :心FI至電解質薄膜的雙面）係從電解質薄膜上移除， 生成如圖3所示之本發明塗佈有觸媒的薄膜。 ^習知方法不同的地方在於，習知方法中的觸媒墨水 薄膜上’並以一工具固定—段長時間以避 佈有2的賴；反觀由本發明第一實施例所製造的塗 ㈣《的其中觸媒墨水係快速並乾淨地塗佈 :質薄膜上，同時此遮罩的黏性將限制電解質薄膜的膨 脹’如圖3所示。 實施例2 :製造塗佈有觸媒之薄膜 一遮罩薄膜層係由聚對苯二甲酸乙二酽 (P〇lyethyleneterephthalate)所構成，其厚度為 ％微米。 —黏附層由石夕所形成，其厚度為4微米。—保護薄膜層 聚亞醯胺所形成’其厚度為25微米。一第二黏附層係由矽 所構成’其厚度為1〇微米。此四層係依序彼此黏著，接料 此四層中對應至電解質薄膜將塗佈觸媒的部分（尺寸.者 cm2)係以一鋼模衝孔並移除，以製造一遮罩。 一 Nafion薄膜（Nafion 112),購自杜邦公司，其係為 21 5酸聚合物，在田似_ & _ 於電解質薄膜上的複入薄膜。用以塗佈觸媒 ^ Λ 、的複Q、、·°構，係藉由將遮罩貼附至電解質 厚膜而t成，使付第一黏附層係位於電解質薄膜的雙面。 波豈接：’用以製造觸媒墨水、塗佈觸媒墨水、以及移除 層與第—黏附層的製程，係與第-實施例相同。 ==br有觸媒的薄膜，其中本發明的保護薄膜 曰糸土佈於邊緣上、未塗佈有觸媒的部分。 ㈣法不同的地方在於，f知方法中的觸媒墨水 :了佈於電解質薄膜上並以—工具固定一段長時 電解質薄膜膨脹，同一保难莹 免 ·# ^ h ^ ^ ^ 。又，專膜層係猎由熱壓法而形成於 #觸媒的部分’·反觀由本發明第二實施例所 :的塗佈有觸媒的薄膜，其中觸媒墨水係快速並乾淨地 15 膜上’同時此遮罩的黏性將限制電解質薄 腰的祕，如圖4所示。此外，在本發明中不需要塗佈一分 膜層於電解質薄膜上，，可以輕易 觸媒的塗佈於電解質薄膜上。 f施例3:湘㈣有_之_製造_電餘與單元電 >也 20 -氣體擴散層（-經處理的碳紙而 =上係：用於第一實施例所製造之塗佈有觸媒的 札接著此塗佈有觸媒的薄膜係應用於一聚合 物電解質薄膜㈣電池。為了維持薄膜電極組的氣密^ —厚度為则微米的趁店係與聚合物電解質緊料觸，但不 22 接觸至电極。接者’—用以提供均勻壓力且引入氫氣的陽 極板、以及—用以提供均自壓力且引人空氣的陰極板，係 緊密接觸至此薄膜電極組，以製造一單元電池。 實施例4:利用塗佈有觸媒之薄膜製造薄膜電極也 池 /、 电 薄膜電極組以及單元電池的製造方式係與實施例3相 同，除了本實施例中係使用實施例2所製造之塗佈有觸 薄膜，而非使用實施例1所製造者。 、、 實施例5 :測量單元電池的電容量 貫施例3與4所製造之單元電池的電壓改變，係根據電 流密度而測量◊測量結果係分別如圖5與6所示。測量的條 件丄電池溫度為7〇。〇、操作壓力為2&(bar)'以及氫氣/空 氣氛圍。氣體的化學當量係數係為12 (陰極氣體）以及 (陽極氣體）。 · .如圖5所示，使用實施例丨所製造之塗佈觸媒之薄膜的 燃料T池，其在〇·6伏特時的電容量可長時間維持於〇 Μ 二/cm2以上。如圖6所示，使用實施例2所製造之塗佈觸媒之 ’專膜的燃料電池，其在〇 6伏特時的電容量可長時間 0.5 W/cm2以上。 ； 產業利用性 根據本發明，此遮罩包括了遮罩薄膜層、與層化於遮 罩薄膜層之上的第一黏附層，且在對應至電解質薄膜欲塗 23 佈觸媒的部分具有被移 '于、的圖案，此遮罩係貼附至電解質 你: 、佈觸媒時防止電解質薄膜的膨脹。此外，塗 =?薄膜:輕易的形成於電.解質薄膜的預定區域，且 雜的t &。此外’本發明亦可獲得包括有此塗佈 觸媒之溥膜的燃料電池。 -黏附：r根據本發明使用的遮罩（其中保護薄膜層與第 ==緣序層化於第一黏附層之上），此塗佈有觸媒 ,'广括有保護薄膜層的電解質薄膜，可以輕易地製造獲 ίο ur呆護薄膜層並不需要獨立塗佈於電解質薄膜上未 被觸媒塗佈的外露部分。外 淹m… 亦可製得包括有此 土佈有觸媒之薄膜的燃料電池。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而： 於上述實施例。 15 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明之一實施例而繪示用以製造一 媒之薄膜之製程。 孟佈有觸 20 圖2係根據本發明另一實施例而繪示用以製造一 彼> 士為▲ 、 至师有觸 媒之溥膜之製程，其中此塗佈有觸媒之薄膜係包括— 薄膜層。. * 乂 圖3係顯示根據本發明第一實施例所製造之塗佈 薄膜之照片。 媒之 圖4係顯示根據 本發明第二實施例所製造之塗佈有觸媒之 24 U20979 薄膜之照片，其係包括一保護薄膜層。 造之PEMFC單元 係繪示在依據本發明第三實施二所製 ^池之電位隨著電流密度的改變圖。、 5 圖6係螬示在依據本發明第四實施例所製造之PEMFc單元 電池之電位隨著電流密度的改變圖。

10 【主 10 20 30 50 60 要元件符號說明】 遮罩溥膜層 第一黏附層 保護薄膜層 第—黏附層 電解質薄膜 觸媒墨水 15

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Claims (1)

1320979 第95丨37677號，兕年6月修正頁

薄膜之方法，該方法包 :+V申請專利範圍： 1.一種用以製造塗佈有觸媒之 括步驟： U)提供一包括遮罩薄膜層之遮罩，以及—層化於該遮 5 I薄膜層上之-第一黏附層，且該第一黏附層具有多個圖 案，於該些圖案中對應至部份一電解質薄膜以被塗佈以一 觸媒之部分係被移除； • (b)附著該遮罩至該電解質薄膜之一表面或雙表面； (c)經由該些遮罩圖案塗佈觸媒墨於該電解質薄膜以 10 形成一觸媒層；以及 • (d)移除該遮罩薄膜層與該第一黏附層； 其中該遮罩薄膜層係由至少一選自下列群組之材料所 構成：聚對苯二甲酸乙二酯（pET)、 .- P〇lyethylenenaPhthalate(PEN)、聚 g旨、聚乙烯、聚丙 15烯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚疏化亞笨、以及聚亞醯胺。 φ 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該遮罩包 括一保護薄膜層與一第二黏附層，該二層係接續地層化於 該第一黏附層之上，以及該保護薄膜層係由選自下列群組 之至少一材料所構成：對苯二甲酸乙二酯（PET)、 20 p〇iyethyienenaPhthalate(pEN)、聚酯'聚乙烯、聚丙烯、聚 碳酸酯、聚醯胺、聚硫化亞苯、以及聚亞酿胺。 3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該遮罩薄 膜層之厚度係介於10至150微米之間。 26 1320979 ；15

20 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一黏 附層係由下列群組之至少一材料所構成：矽樹脂、壓克力 樹脂、氨樹脂、環氧樹脂、以及橡膠。 5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中每一該第 一黏附層與該第二黏附層係由下列群組之至少一材料所構 成：矽樹脂、壓克力樹脂、氨樹脂、環氧樹脂、以及橡膠。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一黏 附層之厚度係介於2至50微米之間。 7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中每一該第 一黏附層與該第二黏附層之厚度係介於2至50微米之間。 8. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該保護薄 膜層的厚度係介於10至150微米之間。 9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該遮罩之 總厚度係介於30至200微米之間。 10.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電解質 薄膜係由選自下列群組之至少一材料所構成：聚氟磺酸聚 合物（perfluorosulfonic acid polymer)、含碳氫聚合物、聚亞 酿胺、聚偏二氟乙烯氟碳樹酯（polyvinylidenefluoride)'聚 醚 石風 (polyethersulfone) 、 聚硫 化亞苯 (polyphenylenesulfide)、聚苯醚（polyphenyleneoxide)、聚填 氣稀（polyphosphazene)、polyethylenenaphthalate(PEN)、聚 醋、經摻雜之聚苯°米°坐（polybenzimidazole)、聚謎闕 (polyetherketone)、聚爾^polysulfone)、及其酸與驗。 27 1320979 11.如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之方法， 其中該燃料電池包括一聚合物電解質薄膜燃料電池、一直 接甲烷燃料電池、一直接甲酸燃料電池、一直接乙醇燃料 電池、或一直接二甲醚燃料電池。 。5 12. 一種用於電解質薄膜之觸媒塗佈之遮罩，其包括： 一遮罩薄膜層；以及 一第一黏附層’係層化於該遮罩薄膜層之上； 其中該遮罩可被貼附至該電解質薄膜，並防止該電解 泰質薄膜膨脹，以及 10 該遮罩薄膜層係由至少一選自下列群組之材料所構 成.聚對苯二甲酸乙二酯（PET)、 polyethylenenaphthalate(PEN)、聚酯、聚乙烯、聚丙 烯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚硫化亞苯、以及聚亞醯胺。 13.如申請專利範圍第12項所述之遮罩，該遮罩包括一 15保護薄膜層與一第二黏附層，該二層係接續地層化於該第 一黏附層之上’其中該保護薄膜層係由選自下列群組之至 • 少一材料所構成：對苯二甲酸乙二酯（PET)、 polyethylenenaphthalate(PEN)、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚 碳酸酯、聚醯胺、聚硫化亞苯、以及聚亞醯胺。 20 I4.如申請專利範圍第12項所述之遮罩，該遮罩包括複 數個圖案，於該些圖案中對應至部份一電解質薄膜以被塗 佈以一觸媒之部分係被移除。 15. —種用於電解質薄膜之觸媒塗佈之複合結構其包 括： 28 1320979 一電解質薄膜；以及 -遮罩’其包括一遮罩薄膜層與一第一黏附層，誃_ 層係層化於該電解質薄膜之上，且包括複數個圖案，^ 些圖案中對應至部份一電解質薄膜以被塗佈以一觸媒之 分係被移除； ' ° 及 其中該遮罩係貼附至該電解質薄膜之一面或雙面，以 該遮罩薄膜層係由至少一選自下列群組之材料所構 成：聚對苯二甲酸乙二酯（PET)、 10 Polyethylenenaphthalate(PEN)、聚酯、聚乙烯、聚丙 烯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚硫化亞苯、以及聚亞醯胺。 16.如申請專利範圍第15項所述之複合結構，其中該遮 罩包括一保護薄膜層與一第二黏附層，該二層係接續地層 化於該第一黏附層之上’以及該保護薄膜層係由選自下列 15 群組之至少一材料所構成：對苯二甲酸乙二酯（PET)、 polyethylenenaphthalate(PEN)、聚 S旨、聚乙稀、聚丙稀、聚 碳酸酯、聚醯胺、聚硫化亞苯、以及聚亞醯胺。 29