專利名稱：在基片上形成催化敷層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般說本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及在基片上形成催化敷層的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了在基片上形成催化敷層的方法。
在一個實施例中，提供了一種在基片上形成催化敷層的方法。根據(jù)該方法，準備一種催化液，并且用一種直接書寫工具(writing instrurnent)將這種催化液分布到一個基片上，上述書寫工具按程序以在上述基片的第一側(cè)面形成一個催化敷層圖案的方式將催化液分布到基片上。
在另一個實施例中，提供了一種在基片上形成催化敷層的方法。根據(jù)該方法，用一種直接書寫工具將一種催化液分布到一個基片上，上述書寫工具按程序以在上述基片的第一側(cè)面形成一個第一敷層圖案的方式將催化液分布到基片上。一種非催化液也利用上述同樣直接書寫工具，以在上述基片的第一側(cè)面形成一個第二敷層圖案遮蓋上述第一敷層的方式，分布到上述基片的第一側(cè)面。
在另一個實施例中，提供了一種制備用于薄膜電極組件的一種電解質(zhì)膜的方法。根據(jù)該方法，利用一種直接書寫工具將一種催化液分布到一個中間材料上，上述書寫工具按程序以在上述中間材料上形成一個催化敷層圖案的方式分布催化液。隨后，上述催化敷層從該中間材料轉(zhuǎn)移到一個電解質(zhì)膜上。
在另一個實施例中，提供了一種制備用于薄膜電極組件的一種電解質(zhì)膜的方法。根據(jù)該方法，利用一種直接書寫工具將一種催化液分布到電解質(zhì)材料上。
在另一個實施例中，提供了一種制備用于燃料電池的一種擴散介質(zhì)的方法。根據(jù)該方法，利用一種直接書寫工具將一種催化液分布到一個擴散介質(zhì)上。
在另一個實施例中，提供了一種制備薄膜電極組件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一和第二敷層工位，第一和第二干燥工位，一個切割工位以及一個傳送裝置。上述第一敷層工位包括一個第一基片夾持裝置，以及至少一個用于將敷料分布到基片的第一側(cè)面上的涂布頭。上述第二敷層工位包括一個第二基片夾持裝置，以及至少一個用于將敷料分布到基片的第二側(cè)面上的涂布頭。布置上述傳送裝置用于在工位與工位之間運送上述基片。
根據(jù)本發(fā)明下面結(jié)合附圖的說明，可以更加完整地理解本發(fā)明的這些和其他特征及優(yōu)點。應當注意，權(quán)利要求的范圍由其中所述的內(nèi)容確定，不受本說明書中提出的特別描述的特征和優(yōu)點的限制。


結(jié)合下述附圖可以更好地理解下面詳細的說明，其中相似的結(jié)構(gòu)以同樣的附圖標記表示，其中附圖1是一個燃料電池系統(tǒng)的示意圖；附圖2是包括一個燃料電池系統(tǒng)的車輛的示意圖；附圖3是使用兩個燃料電池的燃料電池組的示意圖；附圖4是一個薄膜電極組件的部件分解圖；附圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種直接書寫工具的方框圖；附圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種在基片上形成圖案的直接書寫工具的噴嘴和噴嘴尖的示意圖；附圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種圖案的示意圖；附圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種圖案的示意圖；附圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種薄膜電極組件的示意圖；附圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種帶有一個第一敷層和一個第二敷層的薄膜電極組件的一側(cè)的示意圖；附圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種薄膜電極組件的示意圖；附圖12a是在一個基片上面應用一個超聲波探頭的示意圖；附圖12b是在一個基片下面應用一個超聲波探頭的示意圖。
技術(shù)人員可以知道附圖中的零件是簡潔而清楚地示出，并且沒有必要按比例繪出。例如，附圖中某些零件的尺寸相對于其它零件有所放大，以助于更好地理解本發(fā)明的實施例。
具體實施例方式
參見附圖1，其中示出了用于汽車的一種燃料電池系統(tǒng)2。但是，應當理解，其他燃料電池系統(tǒng)的應用，例如，住宅系統(tǒng)領(lǐng)域，也可以得益于本發(fā)明。如圖所示，該燃料電池系統(tǒng)2包括一個主反應器4、一個水-氣轉(zhuǎn)換反應器6、優(yōu)先氧化(PrOx)反應器7、至少一個熱交換器8、一個尾氣燃燒器9、以及一個燃料電池10。下面是對這些部件和該燃料電池系統(tǒng)2的操作的解釋。應當理解雖然描述的是一個特定的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明可以應用于其他任何應用催化敷層的燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在上述主反應器4中，一種烴類燃料，例如汽油或甲烷，流與空氣和水蒸汽被混合、加熱并且供應到一個催化基片。在此，隨著上述混合物流經(jīng)催化劑并且與其反應，混合物被分解成氫氣、一氧化碳、以及其他工藝過程的氣體，形成一種富氫氣流。適合的催化劑材料包括鉑族金屬和堿金屬。該反應發(fā)生在溫度約700℃到約800℃的范圍之間。
上述富氫氣流離開上述主反應器4進入上述水-氣轉(zhuǎn)換反應器6。從水得到的氧氣被用來將一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳，留下更多的氫氣并提高系統(tǒng)的效率。轉(zhuǎn)換反應器6的操作溫度范圍約250℃到約450℃。隨后上述富氫氣流離開上述轉(zhuǎn)換反應器6進入上述優(yōu)先氧化反應器7，在此，在富氫氣流進入燃料電池組之前，進行一氧化碳最后的清除工作?？諝獗患尤?，以提供將大部分剩余的一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳所需的氧氣，留下更多的氫氣。優(yōu)先氧化反應器7內(nèi)的操作溫度范圍約80℃到約200℃。三個反應器聯(lián)合從燃料中提取氫氣，并且減少或消除有害排出物。
在引入燃料之前，上述三個反應器很快地被加熱到其操作溫度。因此上述熱交換器8用于在整個燃料電池系統(tǒng)2中調(diào)節(jié)各種溫度。尤其是，該熱交換器8在水蒸氣和空氣流進入主反應器4之前將它們預熱。來自上述富氫氣流的廢熱排出上述主反應器4。
隨后，上述富氫氣流被供應到上述燃料電池10，其可以包括一組燃料電池，并且與來自供應源例如空氣中的氧氣發(fā)生反應，產(chǎn)生電流，其可以用于驅(qū)動負載11。離開上述燃料電池10的少量未使用的氫氣在尾氣燃燒器9中消耗掉，上述尾氣燃燒器的操作溫度范圍約300℃到約800℃。應當理解，雖然在此描述了一系列的反應器作為氫氣的來源，但是本發(fā)明可以應用任何氫氣源。
參見附圖2，示出了一個帶有一個車體90、以及一個燃料電池系統(tǒng)的車輛，上述燃料電池系統(tǒng)具有一個燃料電池處理器4和一個燃料電池組15。此后，參考附圖3至9給出了本發(fā)明具有一個燃料電池組和一個燃料電池的情況。
附圖3描繪了一個燃料電池組15，其具有一對薄膜電極組件(MEAs)20和22，它們由一個導電流體分配板30隔開。板30用作一個雙極板，具有多個流體流動通道35、37，用于將燃料和氧化劑氣體分配到上述薄膜電極組件20和22。上述“流體流動通道”意指一個路徑、區(qū)域、范圍或在該板上用于運輸流體流到、流出、沿著或經(jīng)過該板至少一部分的任何區(qū)域。上述薄膜電極組件20和22，以及板30在夾緊板40、42，和導電流體分配板32、34之間堆疊在一起。板32、34用作端面板，其上只有一側(cè)分別包含通道36、38，用于將燃料和氧化劑氣體分配到上述薄膜電極組件20和22，后兩者與上述板的兩個側(cè)面相對。
不導電的襯墊50、52、54和56在上述燃料電池組的幾個組件之間提供密封和電絕緣。氣體可滲透的擴散介質(zhì)材料60、62、64和66擠壓在上述薄膜電極組件20和22的電極表面上。板32和34分別擠壓在上述擴散介質(zhì)材料60和66上，同時，板30擠壓在在上述薄膜電極組件20的陽極端面上的上述擴散介質(zhì)材料62上，并且擠壓在在上述薄膜電極組件22的陰極端面上的上述擴散介質(zhì)材料64上。
一種氧化流體，例如氧氣，通過適當?shù)墓苈?6從貯罐70，供應到上述燃料電池組的陰極側(cè)面。當上述氧化流體被供應到上述陰極側(cè)面時，一種還原流體，例如氫氣，通過適當?shù)墓苈?8從貯罐72，供應到上述燃料電池組的陽極側(cè)面。根據(jù)在催化劑存在下的重整過程，上述還原流體可以從甲烷或汽油、空氣和水的混合物得到。還要在上述薄膜電極組件的氫氣側(cè)和氧氣/空氣側(cè)提供排放管路(未示出)。還有附加的管路80、82和84，它們用于向板30、32和34提供液體冷卻劑。還提供了從上述板30、32和34排出冷卻劑的適當?shù)墓苈?，但是未示出?br> 參見附圖4，其中示出了薄膜電極組件20的部件分解圖，該組件包括一個陽極層102、一個陰極層106，和一個隔開上述陽極層102及陰極層106的電解質(zhì)層104。薄膜電極組件20與薄膜電極組件22相同。為了簡潔起見，本發(fā)明針對薄膜電極組件20描述，應當理解，本發(fā)明可以應用于薄膜電極組件22和一般的薄膜電極組件。
通常，上述陽極層102及陰極層106以這樣的方式形成敷層，即，一旦上述燃料電池10(附圖1)被組裝，它們便與上述電解質(zhì)材料直接接觸?，F(xiàn)在將描述在基片上形成催化敷層的方法。該方法的第一步是制備一種催化液。通常，該催化液是含離子交聯(lián)聚合物、貴金屬催化劑、溶劑和水的溶液。典型地，一種離子交聯(lián)聚合物以及貴金屬催化劑的溶液，在一種溶劑和水的混合物中的載體上制備?？梢愿鶕?jù)所需的催化液的粘度和碳與離子交聯(lián)聚合物的比例采用不同的量。通常，約30克到約250克的溶劑與約130克到約200克的水和約5克到約30克離子交聯(lián)聚合物和約5克到約20克的貴金屬催化劑相混合形成一種溶液。用于上述離子交聯(lián)聚合物和貴金屬催化劑的溶液的典型載體是具有大表面積的碳。碳的量通常約為5克到約20克。尤其是，上述催化溶液包含重量比約為4％的貴金屬，重量比約為4％的含離子交聯(lián)聚合物，重量比約為4％的碳，重量比約為28％的水和重量比約為60％的溶劑。
上述貴金屬催化劑可以從鉑、鉑合金及其組合中選擇。上述溶劑可以從異丙醇、乙醇、丁醇及其組合中選擇。上述催化液可以被制備成具有約70厘泊到約2000厘泊的粘度，尤其是，約300厘泊的粘度。上述催化液可以被制備成離子交聯(lián)聚合物與碳的比約為0.8到約2.0。上述溶液中固體的量約是重量比8％到20％，尤其是重量比約為12％。
一旦上述催化液制備好，便用一種直接書寫工具將該催化液分布到一個基片110上。在此“直接書寫”意指通過上述工具的移動、上述基片的移動，或者兩者的移動，以限定圖案的形式將液體直接沉積到基片的一個表面。在直接書寫過程中，沉積的液體相對于沉積表面或沉積圖案的整個尺寸形成一個相對清晰的沉積線或區(qū)域。上述液體源頭和上述沉積基片之間的相對運動增加了清晰的沉積線或區(qū)域的范圍，形成了一個更大范圍的沉積圖案。
附圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種直接書寫工具的實施例。該直接書寫工具150包括一個設(shè)計系統(tǒng)152、一個書寫系統(tǒng)控制器154和一個書寫系統(tǒng)160。上述書寫系統(tǒng)160還包括一個液體分配系統(tǒng)168、一個噴嘴166，一個噴嘴尖167和一個基片夾持裝置162。上述設(shè)計系統(tǒng)152存儲繪制在圖形顯示裝置中的圖案。上述設(shè)計系統(tǒng)152與上述書寫系統(tǒng)控制器154以電的方式相連通，這樣上述書寫系統(tǒng)控制器154得知圖案，并且以允許上述書寫系統(tǒng)160在上述基片110上繪制存儲在上述設(shè)計系統(tǒng)152中的圖案的方式控制上述書寫系統(tǒng)160。
參見附圖5和6，上述書寫系統(tǒng)控制器154與上述液體分配系統(tǒng)168和基片夾持裝置162以電的方式相連通。因此，上述書寫系統(tǒng)控制器154允許上述液體分配系統(tǒng)168將催化液輸送到上述噴嘴166。催化液經(jīng)上述噴嘴尖167被分布到上述基片110上。上述催化液可以通過任何合適的裝置被運送到上述液體分配系統(tǒng)168。
上述書寫系統(tǒng)控制器154允許上述基片夾持裝置162移動到各種位置以便于形成存儲在上述設(shè)計系統(tǒng)中的圖案170。通過移動上述基片夾持裝置162到各種位置，上述基片110在催化液分布到基片110上時被準確地放置在噴嘴尖167下。以這種方式，上述噴嘴166和噴嘴尖167不動，而是在分配上述催化液的過程中保持固定。而且，噴嘴尖167的壓力被控制，這樣不會發(fā)生與基片110表面的直接接觸。在另一個實施例中，上述基片夾持裝置162在分配催化液的過程中噴嘴166和噴嘴尖167移動到基片110上時保持固定。
上述設(shè)計系統(tǒng)152可以是任何計算機輔助設(shè)計(CAD)界面，該界面允許通過一個圖形編輯器、數(shù)字轉(zhuǎn)換卡設(shè)計圖案，或者是通過一個普通的攝影測圖儀界面的界面。上述噴嘴166可以被加熱到允許上述催化液保持在熔化狀態(tài)，這樣可以容易地通過上述噴嘴尖167分配催化液。形成圖案170的線條169的寬度和厚度取決于上述噴嘴尖的直徑、催化液到上述噴嘴尖的體積流速以及書寫的速度。書寫的速度可以根據(jù)基片110相對于上述噴嘴尖167的移動或者噴嘴尖167相對于基片的移動而改變。這樣，上述線條的厚度可以由下式確定t＝Q/(Vw)，其中，Q＝體積流速，w＝線條寬度，V＝書寫速度，t＝線條厚度。催化液的粘度決定上述線條的寬度與上述噴嘴尖的直徑的接近程度，即，低粘度的液體容易流動，因此，上述線條的寬度大于噴嘴尖的直徑，而高粘度的液體不容易流動，因此，上述線條的寬度大致等于噴嘴尖的直徑。
上述噴嘴尖167至少可以產(chǎn)生一條寬度約在0.002英寸到0.25英寸之間的線條。若需要一個以上的線條，在線條之間的間隔可以為最高約0.0005英寸。上述線條的厚度按噴嘴一道計可以達到0.010英寸。上述線條的容許偏差約為+/-0.000025英寸。上述書寫工具以每秒鐘0.05英寸至每秒鐘5.0英寸的速度書寫。上述書寫工具150可以在最小網(wǎng)格間距為0.0005英寸下操作。
形成在上述基片110上面的圖案170可以在矩形螺旋形、直線、線條組或任何合適的幾何圖樣中選擇。一種圖案170的例子帶有附圖7中所示的形成矩形螺旋形的線條或線條組169。在相鄰線條間的間距可以調(diào)節(jié)。在鄰近的線條之間沒有間距的情況下，圖案170在整個基片110上形成一個單獨的連續(xù)敷層。附圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過一種直接書寫工具形成的一個帶有線條組169的圖案170。
典型地，在基片110上形成圖案后，上述基片110通過一個溫度約為70℃到100℃的熱源干燥。上述圖案，一旦干燥后，就在基片110上形成敷層。上述熱源可以從紅外線加熱器、對流烘箱、熱噴嘴或者其他任何合適的供熱裝置中選擇，以便從催化液中除去溶劑。上述基片110被加熱足夠長的時間，基本上使敷層中的全部溶劑蒸發(fā)，最好是約2分鐘到約10分鐘。
制造薄膜電極組件的方法可以根據(jù)分布催化液的基片變化。上述基片通常在中間材料、擴散介質(zhì)材料或者電解質(zhì)薄膜材料中選擇。
如果上述薄膜是一種中間材料，那么上述催化溶液通過一種直接書寫工具以設(shè)定的圖案沉積到該中間材料上。隨后，該敷層的基片在約70℃至約100℃的溫度下干燥，典型地是在烘箱中進行。在上述基片干燥后，一種第二離子交聯(lián)聚合物溶液可以被施加到該基片上并干燥。典型地，上述離子交聯(lián)聚合物溶液的涂布通過噴射進行。隨后，形成在上述中間材料上的敷層典型地利用一個熱壓轉(zhuǎn)移器被傳送到一個電解質(zhì)薄膜材料上。在本發(fā)明的一個實施例中，一種不起反應的第二流體可以在催化液沉積之后或者與催化液同時施加到上述中間材料上。隨后，形成在上述中間材料上的敷層被傳送到一個電解質(zhì)薄膜材料上。典型地，上述中間材料在聚四氟乙烯、乙烯四氟乙烯或者其變種中選擇。下面將詳細描述上述非催化液。
可以用于本發(fā)明的第二基片是一種擴散介質(zhì)材料。如果采用上述擴散介質(zhì)材料，則如上所述制備上述催化液，并且，隨后利用一個如上所述的直接書寫工具以上述任何圖案將其沉積到上述擴散介質(zhì)材料上。上述敷層的擴散介質(zhì)材料隨后被干燥。上述擴散介質(zhì)材料可以是用在燃料電池中的任何合適的擴散介質(zhì)材料。在本發(fā)明的一個實施例中，一種非催化流體的第二流體可以在催化液沉積之后或者與催化液同時施加到上述擴散介質(zhì)材料上。
作為一種選擇，上述基片可以是電解質(zhì)薄膜材料。因此，上述催化液直接沉積到電解質(zhì)薄膜材料上。隨后敷層的電解質(zhì)薄膜材料被干燥。上述電解質(zhì)薄膜材料可以是質(zhì)子導電膜，例如全氟磺酸或其某些變種。
在本發(fā)明的一個實施例中，一種非催化的第二流體可以在催化液沉積之后或者與催化液同時施加到上述電解質(zhì)薄膜材料上，從而在上述電解質(zhì)薄膜材料的一側(cè)上形成一個催化敷層和一個非催化敷層。參見附圖9，其中示出了一個帶有催化敷層182和非催化敷層184的薄膜電極組件180。上述非催化液干燥后形成非催化敷層184。上述非催化液以這樣一種方式沉積，以致其“遮蓋”上述催化液。所謂“遮蓋”意指一種液體隨著另一種液體的輪廓，這樣一種液體不會直接沉積在另一種液體上。上述非催化液在被使用時充滿在基片202上催化液線條之間的間隙。
上述非催化液包括一種具有高導電性、高導熱性和低孔隙率的材料。該非催化液可以是含碳的材料、碳黑、石墨或其組合。上述含碳的材料還可以包括聚合粘合劑，例如聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯及其組合。上述非催化液的粘度可以適當?shù)乇徽{(diào)整到容易填充附圖9中所示的催化敷層之間的區(qū)域。通常，上述非催化液具有約300厘泊到約10000厘泊之間的粘度。上述非催化液可以被這樣分配，使其在上述基片上比上述催化液厚。
參見附圖10，其中示出了帶有一個催化敷層182和一個非催化敷層184的薄膜電極組件180的一個實施方案。上述催化液可以以使催化敷層182的線條與流動區(qū)域板上的通道排列成行的圖案方式沉積。隨后上述非催化液可以以使非催化敷層184的線條與流動區(qū)域板上的紋間表面186排列成行的圖案方式沉積。這可以在上述基片202的兩側(cè)實現(xiàn)，這樣，上述形成催化陽極敷層182a的催化液與陽極流動區(qū)域板上的通道185排列成行。因此，上述非催化敷層184位于上述催化液或催化陽極敷層182a之間，在陽極流動區(qū)域板上的紋間表面186上形成了一個非催化敷層184。在薄膜電極組件180的陰極側(cè)與此相似，形成催化陰極敷層182b的催化液與陰極流動區(qū)域板的通道187排列成行。因此，上述非催化液沉積在上述催化液或催化陰極敷層182b的間隔之間，在陰極流動區(qū)域板的紋間表面186上形成了一個非催化敷層184。所示的上述催化陽極敷層182a和催化陰極敷層182b分別比通道185、187的開口窄。應當理解，上述催化陽極敷層182a和催化陰極敷層182b可以這樣形成，即，上述敷層與通道185、187一樣寬，或比它們更寬。這個概念在系列號為10/201.828的申請中更加詳細地解釋。
為了在基片202上形成一個非催化敷層184，使用非催化液時，并且上述基片是電解質(zhì)薄膜材料的情況下，上述燃料電池可以不再使用擴散介質(zhì)材料。這樣，得到的燃料電池與附圖3中所示的燃料電池10相同，但是，不再有擴散介質(zhì)60、62、64和66。
參見附圖11，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種薄膜電極組件的裝配系統(tǒng)200。該系統(tǒng)有三個主要部分一個第一敷層工位、一個第二敷層工位，和一個模切工位。上述基片202被放置在一個輸送輥212上，在此該基片202通過輥子216、218、224和226從一個工位被輸送到另一個工位。在第一敷層工位，基片202被輸送到一個第一基片夾持裝置214上。一旦基片到達上述第一基片夾持裝置214上，一個噴嘴210a便將催化液直接分配到上述基片202的第一側(cè)面202a上。上述催化液典型地按照一個圖案的形式分配，如上所述。隨后，上述基片202被輸送到第一干燥區(qū)215。該第一干燥區(qū)215可以是一列熱噴嘴、一個紅外線加熱器、對流烘箱或者其他任何合適的裝置，用于除去上述催化液的大部分溶劑。典型地，該第一干燥區(qū)215的溫度保持在約70℃到約100℃之間。在第一干燥區(qū)215，上述催化液被干燥到上述基片202上并且在上述基片202上形成一個催化敷層。上述催化敷層可以是一陽極敷層或一陰極敷層。
接著，上述基片202被輸送到一個第二敷層工位。在該第二敷層工位，上述基片202被輸送到一個第二基片夾持裝置228上。一種催化液被沉積到上述基片202的第二側(cè)202b。上述催化液可以以如上所述在基片202上形成一個圖案的方式分配。當上述基片202被輸送通過第一干燥區(qū)域215時，基片202以允許其第一側(cè)面202a朝向相對側(cè)的方式被翻轉(zhuǎn)，這樣噴嘴220a將催化液分配到基片202的第二側(cè)面202b上。在催化液分布到上述基片202的第二側(cè)面202b上之后，基片202被輸送到一個第二干燥區(qū)域222。該第二干燥區(qū)222可以是一列熱噴嘴、一個紅外線加熱器、對流烘箱或者其他任何合適的裝置，用于除去上述催化液的大部分溶劑。典型地，該第二干燥區(qū)222的溫度保持在約70℃到約100℃之間。在第二干燥區(qū)222，沉積到基片202的第二側(cè)面202b上的上述催化液在上述基片202上形成一個催化敷層。上述催化敷層可以是一陽極敷層或一陰極敷層。
隨后，上述基片202被輸送到一個切割工位230，在此上述基片202被切割成單獨的片，這樣基片202的每一片都有一個陽極敷層和一個陰極敷層。上述基片202還可以以不切斷由上述液體在基片202上形成的圖案的方式進一步切割。
如圖11所示，在每個工位可以使用一個以上的噴嘴210a、210b、220a、220b，一次在基片202上沉積一種以上的液體。雖然在每個工位只示出了兩個噴嘴，但是應當理解，可以提供一列噴嘴。在一次沉積一種以上的液體時，一種液體可以遮蓋另一種液體。雖然上面將非催化液稱為第二種液體，但是應當理解，上述第二種液體可以是任何需要的液體。例如，上述第二種液體可以是一種包含大量貴金屬的液體，其沉積在靠近薄膜電極組件入口和出口處。而后，具有少量貴金屬的液體可以沉積在薄膜電極組件的中央，從而減少部分耐用性和質(zhì)量傳遞損失。
典型地，上述噴嘴210a、210b、220a、220b固定到一個如上所述的直接書寫裝置。典型地，上述液體以如上所述的一種圖案的形式分布到上述基片202上。上述催化液如上所述地制備。上述第一和第二基片夾持裝置214和228可以是真空工作臺或者任何其他合適的用于將上述基片夾持在其位置上的裝置。
參見附圖12a和12b，其中示出了將一種以上的液體涂布到上述基片上的一個附加步驟?？梢岳贸暡芰繋椭M行基片202敷層。在上述液體從噴嘴210a和210b中分配到上述基片202上時，可以將一個超聲波探頭250設(shè)置在上述催化液240和非催化液242上方。上述超聲波探頭250在催化液240和非催化液242的接觸線241上方通過空氣傳送聲能251，如圖12a所示。特別參見附圖12b，上述超聲波探頭250可以設(shè)置在上述基片202下方，在上述催化液240和非催化液242從噴嘴210a和210b分配時，通過基片202傳遞聲能251。上述聲能251在上述催化液240和非催化液242的接觸線241處傳遞。
上述聲能251被連續(xù)地施加到上述接觸線241，這樣在液體與液體界面處的表面張力在施加點被連續(xù)地降低，從而使液體流動得更好，并且在液體240和242之間產(chǎn)生一個平滑的界面。應當理解，附圖12a和12b示出了在上述第一敷層工位利用噴嘴210a和210b，應當理解，附圖12a和12b也示出了在上述第二敷層工位利用噴嘴220a和220b。也應當理解，上述聲能251可以用于任何合適的制造帶有兩種液體的薄膜電極組件的方法或系統(tǒng)，上述兩種液體包括一種催化液和一種非催化液，一種催化液和一種非催化液均被分配到一個基片上。還應當理解，雖然該步驟采用來自一個超聲波探頭的聲能說明，但是可以使用能夠減輕液體與液體界面處的表面張力的任何工具或能量。
雖然已經(jīng)參照某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是應當理解，在本發(fā)明所述的主旨和范圍之內(nèi)可以進行大量的改變。因此，本發(fā)明不限于上述公開的實施例，其容許的全部范圍由下述權(quán)利要求的表述確定。
權(quán)利要求
1.一種在基片上形成催化敷層的方法，包括制備一種催化液；并且利用一種直接書寫(writing instrument)工具將所述催化液分配到一個基片上，該基片具有一個第一側(cè)面和一個第二側(cè)面，所述書寫工具按程序以在所述基片的第一側(cè)面形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分布到所述基片上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括在所述催化液被分配到所述基片的第一側(cè)面后干燥所述催化液的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，制備一種催化液的步驟包括制備約30克到約250克的溶劑和大約130克到約200克的水的混合物；并且制備一種溶液，在所述溶劑和水的混合物中有大約5克到約30克的離子交聯(lián)聚合物和約5克到約20克承載在大表面積碳上的鉑。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含至少一種離子交聯(lián)聚合物、至少一種貴金屬、碳、一種溶劑和水。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述至少一種離子交聯(lián)聚合物包括全氟聚合物。
6.權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述至少一種貴金屬包括鉑。
7.權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述至少一種離子交聯(lián)聚合物和至少一種貴金屬由所述碳承載。
8.權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述溶劑包括異丙醇。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含大約重量比為4％的鉑，大約重量比為4％的離子交聯(lián)聚合物，大約重量比為4％的碳，大約重量比為28％的水和大約重量比為60％的溶劑。
10.如權(quán)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約為0.g到2.0。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液的粘度約為70厘泊到2000厘泊。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液的粘度約為300厘泊。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含約8％到約20％的固體。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液包含大約12％的固體。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液支持氫氧化。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化液支持氧還原。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基片從電解質(zhì)材料、聚四氟乙烯片材和氣體擴散介質(zhì)中選擇。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述電解質(zhì)材料包括一個質(zhì)子導電膜。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述電解質(zhì)材料包括全氟磺酸。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化敷層在所述基片的第一側(cè)面以大致相同的厚度分布。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化敷層以增加氫基燃料電離作用的可能性的方式布置。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化敷層以增加氫離子與氧反應的可能性的方式布置。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述直接書寫裝置這樣設(shè)置，使其形成所述圖案的線條的寬度和厚度由該書寫工具的直徑和所述催化液的體積流速確定，所述催化液從所述直徑處分配。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述線條的厚度由下式確定t＝Q/(Vw)，其中，Q表示所述催化液的體積流速，V表示所述直接書寫工具的書寫速度，w表示線條寬度。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述圖案包括從矩形螺旋形、直線、線條組或者在整個基片上單獨連續(xù)的敷層中選擇的圖形。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述圖案包括與燃料電池的至少一個流動區(qū)域通道排列成行地布置的線條組。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述催化敷層在所述基片的第一側(cè)面形成一個導電層。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括在所述基片上施加超聲波能量。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述超聲波能量在所述催化液分配在所述基片的第一側(cè)面后施加到所述基片的第一側(cè)面。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述超聲波能量在所述催化液分配在所述基片的第一側(cè)面后施加到所述基片的第二側(cè)面。
31.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括，將一種第二液體利用一種直接書寫工具分配到所述基片的第一側(cè)面，該書寫工具按程序以在所述基片的第一側(cè)面上形成一個第二敷層圖案的方式將所述第二液體分配到所述基片。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述第二液體包括一種非催化液。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述第二液體包括一種貴金屬。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述貴金屬包括鉑。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述第二液體沉積在所述基片的第一側(cè)面的周邊。
36.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括，利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到所述基片的第二側(cè)面，該書寫工具按程序以在所述基片的第二側(cè)面上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液體分配到所述基片。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中，所述方法還包括，利用一種直接書寫工具將所述第二液體分配到所述基片的第二側(cè)面，該書寫工具按程序以在所述基片的第二側(cè)面上形成一個第二敷層圖案的方式將所述第二液體分配到所述基片。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述第二液體包括一種非催化液。
39.如權(quán)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側(cè)面上形成一個第二敷層圖案遮蓋所述催化液的方式分配。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述第二液體包括一種貴金屬。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中，所述貴金屬包括鉑。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其中，所述第二液體沉積在所述基片的第二側(cè)面的端部。
43.一種在基片上形成催化敷層的方法，包括制備一種催化液；利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一個基片上，該基片具有一個第一側(cè)面和一個第二側(cè)面，所述書寫工具按程序以在所述基片的第一側(cè)面形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分布到所述基片的第一側(cè)面；以及利用所述直接書寫工具將一種非催化液分配到所述基片的第一側(cè)面上，所述書寫工具按程序以在所述基片的第一側(cè)面上形成一個非催化敷層圖案遮蓋所述第一敷層的方式分布所述非催化液。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述非催化液包括一種含碳的材料。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一種具有高導電性的材料。
46.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一種具有高導熱性的材料。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括一種具有低孔隙度的材料。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述含碳的材料包括碳黑、石墨及其組合。
49.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述遮蓋圖案充滿所述第一敷層的圖案的任何間隙。
50.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述非催化液與所述催化液同時分配。
51.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述非催化敷層和所述催化敷層同時形成。
52.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述非催化敷層在所述催化敷層形成后形成。
53.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述催化敷層和上述非催化敷層由所述直接書寫工具獨立分配。
54.如權(quán)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.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述非催化液的粘度約為300厘泊到10000厘泊。
56.如權(quán)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.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述催化液的粘度約為70厘泊到2000厘泊。
58.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述催化液的粘度約為300厘泊。
59.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一側(cè)面上的上述催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域通道排列成行布置。
60.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一側(cè)面上的上述非催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域紋間表面排列成行布置。
61.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，在所述基片第一側(cè)面上的上述催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域通道排列成行布置，同時所述基片第一側(cè)面上的上述非催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域通道排列成行布置。
62.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述方法還包括利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到所述基片的第二側(cè)面上，所述書寫工具按程序以在所述基片的第二側(cè)面上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分布到所述基片的第二側(cè)面；以及利用所述直接書寫工具將所述非催化液分配到所述基片的第二側(cè)面上，其中所述書寫工具按程序以在所述基片的第二側(cè)面上形成一個非催化敷層圖案遮蓋所述催化液的方式將所述非催化液分布到所述基片的第二側(cè)面。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二側(cè)面上的上述催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域通道排列成行布置。
64.如權(quán)利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二側(cè)面上的上述非催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域紋間表面排列成行布置。
65.如權(quán)利要求62所述的方法，其中，在所述基片的第二側(cè)面上的上述催化敷層與燃料電池的流動區(qū)域通道排列成行布置，同時在所述基片第二側(cè)面上的上述第二敷層與燃料電池的流動區(qū)域紋間表面排列成行布置。
66.制備一種用于薄膜電極組件的電解質(zhì)薄膜的方法，包括制備一種催化液；利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一種中間材料上，所述書寫工具按程序以在所述中間材料上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述中間材料；以及將所述催化敷層從所述中間材料轉(zhuǎn)送到一個電解質(zhì)薄膜。
67.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，所述方法還包括在將所述催化液分配到所述基片上之后干燥所述催化液。
68.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，一種第二離子交聯(lián)聚合物溶液涂布于所述中間材料。
69.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述第二離子交聯(lián)聚合物溶液通過噴射作用涂布到所述中間材料。
70.如權(quán)利要求68所述的方法，其中，所述中間材料在涂布所述第二離子交聯(lián)聚合物溶液后干燥。
71.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，所述中間材料從聚四氟乙烯或乙烯四氟乙烯或者其變種中選擇。
72.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，通過熱壓機實現(xiàn)所述第一敷層從所述中間材料到所述電解質(zhì)薄膜的轉(zhuǎn)送。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，所述熱壓機的溫度設(shè)定在約140℃到約165℃之間。
74.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，所述熱壓機的壓力在約1300千帕到約4000千帕之間。
75.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，所述電解質(zhì)薄膜包括全氟磺酸或其某些變種。
76.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，所述方法還包括利用所述直接書寫工具將一種非催化液分配到所述中間材料上，所述書寫工具按程序以在所述中間材料上形成一個非催化敷層圖案遮蓋所述第一敷層的方式分配所述非催化液。
77.制備一種用于薄膜電極組件的電解質(zhì)薄膜的方法，包括制備一種催化液；和利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一種電解質(zhì)材料上，所述書寫工具按程序以在所述電解質(zhì)材料上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述電解質(zhì)材料。
78.如權(quán)利要求77所述的方法，其中，所述方法還包括在將所述催化液分配到所述電解質(zhì)材料上之后干燥所述電解質(zhì)材料。
79.制備一種用于燃料電池的擴散介質(zhì)的方法，包括制備一種催化液；和利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一種擴散介質(zhì)上，所述書寫工具按程序以在所述擴散介質(zhì)上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述擴散介質(zhì)。
80.如權(quán)利要求79所述的方法，其中，所述方法還包括在將所述催化液分配到所述擴散介質(zhì)上之后干燥所述擴散介質(zhì)。
81.如權(quán)利要求79所述的方法，其中，所述擴散介質(zhì)包括碳纖維、碳織物及其組合。
82.一種用于制備薄膜電板組件的系統(tǒng)，包括一個第一敷層工位，其包括一個第一基片夾持裝置和至少一個涂布頭，該涂布頭用于向基片的第一側(cè)面敷層；一個第一干燥工位；一個第二敷層工位，其包括一個第二基片保持裝置和至少一個涂布頭，該涂布頭用于向基片的第二側(cè)面敷層；一個第二干燥工位；一個切割工位；以及一個傳送裝置，用于每個工位上運送所述基片。
83.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第一基片保持裝置包括一個真空工作臺。
84.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第一敷層工位在所述基片的第一側(cè)面上形成一個導電敷層。
85.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第二基片夾持裝置包括一個真空工作臺。
86.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第二敷層工位在所述基片的第二側(cè)面上形成一個導電敷層。
87.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第一干燥工位包括一個熱源。
88.如權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中，所述熱源可以從紅外線加熱源、熱噴嘴、對流烘箱或者它們的組合中選擇。
89.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述第二干燥工位包括一個熱源。
90.如權(quán)利要求89所述的系統(tǒng)，其中，所述熱源可以從紅外線加熱源、熱噴嘴、對流烘箱或者它們的組合中選擇。
91.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述切割工位包括一個模切割工位。
92.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述傳送裝置包括一個輸送輥。
93.如權(quán)利要求82所述的系統(tǒng)，其中，所述基片從中間材料、電解質(zhì)材料和擴散介質(zhì)材料中選擇。
94.如權(quán)利要求93所述的系統(tǒng)，其中，所述中間材料從聚四氟乙烯或乙烯四氟乙烯中選擇。
95.如權(quán)利要求93所述的系統(tǒng)，其中，所述電解質(zhì)薄膜包括全氟磺酸或其變種。
96.如權(quán)利要求93所述的系統(tǒng)，其中，所述擴散介質(zhì)包括碳纖維、碳織物及其組合。
97.一種制造帶有一個燃料電池的產(chǎn)品的方法，該方法包括提供一個燃料供應歧管；提供一個氧化劑供應歧管；通過下述步驟制備一個薄膜電極組件制備一種催化液；利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一種中間材料上，所述書寫工具按程序以在所述中間材料上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述中間材料；將所述催化敷層從所述中間材料轉(zhuǎn)送到一個電解質(zhì)薄膜的一個第一側(cè)面；利用一沖直接書寫工具將所述催化液分配到一種中間材料上，所述書寫工具按程序以在所述中間材料上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述中間材料；并且將所述催化敷層從所述中間材料轉(zhuǎn)送到一個電解質(zhì)薄膜的一個第二側(cè)面；和在所述燃料供應歧管和氧化劑供應歧管之間定位所述薄膜電極組件。
98.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的車輛。
99.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的電源。
100.一種用于制造帶有一個燃料電池的產(chǎn)品的方法，該方法包括提供一個燃料供應歧管；提供一個氧化劑供應歧管；通過下述步驟制備一個薄膜電極組件，制備一種催化液；利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一種電解質(zhì)材料上，該電解質(zhì)材料帶有一個第一側(cè)面和一個第二側(cè)面，所述書寫工具按程序以在所述電解質(zhì)材料第一側(cè)面上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述電解質(zhì)材料；和利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到所述電解質(zhì)材料上，所述書寫工具按程序以在所述電解質(zhì)材料的第二側(cè)面上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述電解質(zhì)材料；并且在所述燃料供應歧管和氧化劑供應歧管之間定位所述薄膜電極組件。
101.如權(quán)利要求100所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的車輛。
102.如權(quán)利要求100所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的電源。
103.一種用于制造帶有一個燃料電池的產(chǎn)品的方法，該方法包括提供一個燃料供應歧管；提供一個氧化劑供應歧管；利用一種直接書寫工具將一種催化液分配到一種擴散介質(zhì)上，所述書寫工具按程序以在所述第一擴散介質(zhì)上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述第一擴散介質(zhì)上；將所述第一擴散介質(zhì)設(shè)置在靠近所述第一歧管處；利用一種直接書寫工具將所述催化液分配到一個第二擴散介質(zhì)上，所述書寫工具按程序以在所述第二擴散介質(zhì)上形成一個催化敷層圖案的方式將所述催化液分配到所述第二擴散介質(zhì)上；將所述第二擴散介質(zhì)設(shè)置在靠近所述第二歧管處；和在所述第一和第二擴散介質(zhì)之間設(shè)置一種電解質(zhì)材料。
104.如權(quán)利要求103所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的車輛。
105.如權(quán)利要求103所述的方法，其中，所述產(chǎn)品包括至少部分由所述燃料電池驅(qū)動的電源。
全文摘要
本發(fā)明涉及在基片上形成催化敷層的方法。該方法包括制備一種催化液，并且用一種直接書寫工具將該催化液分布到一個基片上。在此強調(diào)，所提供的摘要遵守需要下述摘要的規(guī)則，即，需要使檢索者或其他讀者能快速地確定公開的技術(shù)主題的摘要。其在不會被用于解釋或限制權(quán)利要求的范圍或意義的前提下給出。
文檔編號H01M8/04GK1508896SQ0315500
公開日2004年6月30日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月24日
發(fā)明者T·特拉波爾德, T 特拉波爾德, M·舍內(nèi)維斯, 諼 , M·斯科扎法瓦, 圃ㄍ 申請人:通用汽車公司