TWI274084B - Hybrid membrane-electrode assembly with minimal interfacial resistance and preparation method thereof - Google Patents

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1274084 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種膜電極組件（membrane_eiect⑺de assemb丨y，MEA)及其詳細製造方法，其為燃料電池之一重 要組件。本發明之膜電極組件可大量製造且其半透膜與電 極間具極低的界面電阻。 【先前技術】 近年來燃料電池因為可作為新的電力來源而受到相當 川的喝目。在不久的未纟，燃料電池可望 電子裝置等用電設備的電力來源。 皁輛“式 來合物電解燃料電池為一種直接將燃料藉由電化學反 應產生電力的電力來源。其具有作為燃料電池心臟的多層 式的膜電極組件以及用以收集電流並提供燃料的雙極板。 U膜電極組件具有：一用來催化燃料（甲醇或氯氣水溶液消 空氣進行電化學反應的電極；及一用來交換氫離子的質子 交換膜。 ' 詳細來說，所有的電化學反應皆以兩個個別反應组 於陽極（燃料極）發生的氧化反應；以及在陰極（空氣極） 發生的還原反應。而這兩個電極間則以—聚合物電解質半 透膜分隔。在一直接甲醇燃料電池中，陽極的甲醇與水在 進：氧化反應後釋放出的質子經由聚合物交換膜到陰極與 乳氣進行還原反應而產生電流。反應式如下： 20 1274084 陽極（燃料極）：CH3OH + H20 4 C02+ 6H+ + 6e+ 陰極（空氣極）：3/202 + 6H+ + 6e+ 3H20 全反應·· CH3OH + 3/202 10 15 直接甲醇燃料電池的電極基本上為一氣體擴散電極。 此電極具兩層結構，一層為氣體擴散層（電極支撐層），另 一為活性層。氣體擴散層的作用為支撐並使燃料擴散，以 碳衣或碳紙構成。活性層位於聚合物電解質半透膜旁，用 以催化電化學反應，而通常以鉑金屬催化粒分散在碳粉、 鉑金屬或合金黑等材料構成。電化學反應發生在一三相交 接的區域，其中燃料自氣體擴散層擴散接觸到活性層之鉑 金屬與聚合物交換膜的介面。所以如何增加此三相交接區 域並增加其中鉑金屬催化劑即為增進效能的關鍵；但是此 類固體的聚合物電解質半透膜能附著到電極的深度僅有 ΙΟμιη’故上述三相交接區域的大小便有—^的限制， 而使的只有一部分的鉑金屬催化劑能被利用參與反 應。實驗數據則指出，使裝置於活性層接觸電極㈣金屬 催化劑密度越高、三相交接區 電池的單位發電量越高。 定‘，、、卄 噴灑=^直接〒醇燃料電池的初期，所使用的電極是以 ::麗、黑粒子於用來當擴散層的碳衣或碳紙上，形 / s #將此活性/擴散層以μ法附著於電解質半 =二:=此的結構在活性層與交換膜間的介面電阻 頗间而*致效率低落，且部分貴重的翻金屬催化劑會穿透 20 1274084 過擴散層Μ*參與反應造成浪費。 為了解决上述的問題，美國發明編號ό，391，436發表 了 — ϋ £ί7 兴务 、 化的方式將催化劑層直接印於電解質半透膜的

方法。而在美國發明編號0，171，721中則記載了另一種噴 5灑式的塗佈法。 I 並〗〃述的印彳匕方式是先形成一獨立的活性層然後再將 二”電解貝半透膜貼合，其需要—較玻璃溶點更高的接合 ，故需分開的先前處理而使的步驟複雜。另一個缺點 則是移動活性層的操作不易。 1〇 、而關於另一種喷灑式的塗佈法，其雖可增加催化劑的 =性，但基於晶體特性所生成超過1μιη厚度的薄膜，卻會 造成正離子的流動困難。因而使的能被應用催化劑的量下 降’進而導致電能的密度下降。另外 其製作流程類似半導體製程而需要高真空，造成製造 15成本與時間較高，且不易提高電能密度，使得本方法不適 用於大量製造。 如上所述，這些方法雖各具優點卻也有著極嚴重的缺 陷：不易在固體聚合物電解質半透膜與奈米大小的催化劑 粒子之間形成一穩定的介面於。 20 【發明内容】 為解決前文所述之問題，本發明提供方法製備上述不 穩定的介面並增加催化劑的利用性。 1274084 本發明的發明者在詳細研究膜電極組件（MEA)及其在 之所製造方式下的缺點後，發現利用混合鍍膜的技術將具 催化劑的活性層附著於電解液半透膜及擴散層，可降低介 面電阻，並利用控制催化劑的黏稠度以增加催化劑利用 欧以上述的技術本發明可說已相當完備。 、另外，用於將活性層附著於氣體擴散層的混合式鍍膜 法為如印刷法、電鍍法、刮刀塗佈法等適合大量製造的淋 幕塗佈類製程。 本發明提供了一種膜電極組件 10 15 陰極組成之二電極，其中陽極包括有一氣體擴散層含 有催化劑的活性層；陰極包括有一氣體擴散層及一含有催 化劑的活性層；以及一裝置在陰、陽極之間的電解質半透 Μ，並在其一側或兩側有一含有催化劑的活性層，且此二 :極係肅法覆於電解質半透膜，其中塗佈於氣體擴散 曰之活性層黏稠度介於1〇〇〜1〇，_cPs間。（如圖一） 生·在另方面’本發明提供了—種製制電極組件的方 ⑷在电解貝半透膜表面塗佈_層含有催化劑的活性 / ’、⑻在氣體擴散層表面塗佈—層含有催化劑的活性層； :以熱壓法將氣體擴散層覆於電解質半透膜，其中塗佈於 :驟，之氣體擴散層之活性層黏稠度介於1〇〇〜1〇，_心 在本方法中’步驟⑷與⑻的順序可是同時、陸續或相 本發明之特點在於， 在於其膜電極組件中每個氣體擴 20 1274084 散層及電解質半透膜都被覆以活性層，以及在塗佈活性層 於氣體擴散層時控制活性層的黏稠度以降低介面電阻並增 加催化劑含量而增進效能。 (1) 降低介面電阻 5 在燃料電池中產生的反應主要位於催化劑活性層與半 透膜之間。詳細來說，催化劑產生的正離子通過半透膜後 與另一端的催化劑產生電化學反應。故位於催化劑活性層 與半透膜之間的堆疊空間（三相的反應區）相當重要。 如圖二所示，如果催化劑活性層直接形成於電解質半 10透膜，則可形成一良好的活性層/半透膜堆疊結構。而如果 活性層直接形成於氣體擴散層，則即使以熱壓法進行其正 離子的流動仍會發生受阻的現象，因為如此半透膜（Nafi〇n 材質）能滲透催化劑活性層的深度將很有限。 介面電阻可藉由阻抗的量測得知。例如以ZahnerIM6 15阻抗計用兩電極阻抗法量測一單電池蕊中的MpA，例如， 當以測量阻抗1M〜1kHz的範圍於一 5mV電流變動振幅在 一使用40〇sccm的氳氣於標準電極，2〇〇〇sccm空氣流於工 作電極時，活性層/半透膜結構顯示25_3〇ιηΩ*6·25，而活 性層/氣體擴散層結構則為35-4ΟπιΩ*6.25。 20 故本發明希望藉將催化劑活性層塗佈於電解質半透膜 及氣體擴散層兩者的方式降低界面電阻。 (2) 增加催化劑利用性 要增加催化劑的利用性，首先為增進ΜΕΑ中催化劑 1274084 在電化學反應中的被利用率，再來是增加製造MEA時催 化劑的塗佈量。 (a) 在燃料電池的三相區中含有催化劑（鉑或鉑_铷合 金）、燃料（如甲醇溶液）、離子聚合物（Nafi〇n離聚物）三3者。 故不在此三相區中的催化劑即不參予反應而造成效率低 落。 一 如果使用稀釋的催化劑墨水（藥劑）於附著催化劑活性 層於氣體擴散層（GDL)時，小於丨μιη的催化劑顆粒會滲透 過氣體擴散層（如圖三、十一）而無法參予反應。故為維持 一定的催化效率（ΜΕΑ的電化學反應效率），必須防止催化 劑顆粒滲透到氣體擴散層（GDL)。（如圖四） 為達到上述目標，本發明利用空氣喷麗法將催化劑活 性層塗料離子聚合物半透膜(Naf咖半透膜，主要反應發 生區），而使用高黏稠度的催化劑墨水（藥劑）以印刷法或模 具塗佈法塗佈於氣體擴散層（GDL)。如此可使活性層的製 造過程中不會有催化劑滲透到擴散層。 (b) 在以空氣喷灑法將催化劑活性層塗佈於電解質半 透膜時，催化劑顆粒的附著率僅有3〇%，而減少了 7〇%的 催化d 3里而本發明的特點即是將少量的催化劑塗佈於 電解質半透膜以減低電極的介面電阻，較多的催化劑塗佈 於電解負半透膜氣體擴散層（以轉軸印刷法附著率可達 90%)以達到較高的催化劑含量。 (3)增加製程效率 10 1274084 本發明鐘用於將催化劑活性層㈣於氣體擴散層的混 合式鑛膜法為如印刷法、電鑛法、刮刀塗佈法等適合大量 製造的淋幕塗佈類製程。 以下為本發明的詳細解說·· 5 1 ·製備催化劑活性層用的催化劑墨水（藥劑） 燃料電池的陽極（燃料端電極）及陰極（空氣端電極）皆 具含有摧化劑的活性層以參與電化學反應。 本發明中所使用的催化劑可以是翻粉末、翻_物合全粉 末、翻/碳粉末（Pt/C)、雀白•合金/碳粉末（pt_Ru/c)、翻-翻 ίο合金粉末、鉑-鉬合金/碳粉末（Pt_M〇/c)、鉑-铑合金粉末、 鉑-铑合金/碳粉末（Pt-Rh/〇或其他鉑合金。 陽極較適合以鉑-铷合金粉末或鉑_铷合金/碳粉末 (Pt_Ru/C)製作，而陰極較適合以翻粉末或#/碳粉末⑺/c) 製成。陽極在反應的過程中會生成C〇而污染催化劑而降 15低其活性，為避免此現象敍7金屬為較合適的催化劑。 催化劑顆粒可散佈於碳黑粒子或製成鉑（合金）粉末。 催化劑可附著於各式的碳黑，如Vucan XC-72R、Vucan XC-72、乙炔黑（acetylene black)、Kejon black、pearl black 等，亦可使用導電的氧化物如氧化鉑、氧化紙。 20 用於塗佈活化層在電解質半透膜（相對於陽極的面）的 催化劑最好使用與陽極相同的金屬，而用於塗佈活化層在 電解質半透膜的催化劑（相對於陰極的面）最好使用與陰極 相同的金屬。 11 1274084 2.塗佈催化劑墨水（藥劑）於電解質半透膜（步驟一） 5 10 電=質半透膜的作用為一質子（H+)導體，可使用的有 Naf1〇V半透膜（杜邦製造，以聚四氟乙婦為原料）、 Flem.onCAsahi glass c〇.) . Aciplex ^ (Asahi Chemical co.) ^ Gore Select (Gore co.)以及所有各種陽離子交換膜。 電解質半透膜可為一複合式電解質半透膜或一表面施 以親水處理的半透膜。 塗佈催化劑墨水（藥劑）於電解質半透膜時，適合以空 壓法供應摧化劑墨水，而以喷灑法施於—乾燥的電解質半 透膜在此方式中，塗佈的活性層之黏稠度控制於卜⑺cPs 之間。 之所以使用噴灑法施於電解質半透膜，是因為此方式 I在聚合物電解質半透膜的表面直接形成-連續的催化劑 薄膜而達到增加催化劑含量的效果。但如使用淋幕塗佈 15式製程則會造成半透膜的毀壞。（如圖十三） 在上述製程中，為避免半透膜因吸收催化劑墨水中的 溶劑而膨脹，必許使其維持在乾燥的狀態，故可使用一加 熱器使溶劑揮發，以維持半透膜的乾燥。在此作法下使用 噴灑法式較合適的。 20 以下為一使用噴灑搶進行噴灑塗佈製程的例子。 所使用於噴灌法的載體氣體為鈍氣，如氮氣或空氣， 而其於噴灑搶中所使用的壓力則在〇 〇i〜2atm之間。 在塗佈催化劑於電解質半透膜時的工作溫度在 13 1274084 20〜1〇0°C之間，在超過丄廣的溫度操作將會出現問題因 為Naflon之玻璃轉換溫度(Tg)約在i 4代。也就是說操作 時溫度須依所使用的電解質半透膜的Tg而定。 。。除了喷灑法外，亦可使用無線電磁控濺鑛機或加熱蒸 發益進行物理氣相層積催化劑墨水於電解質半透膜上。：' 避免催化劑在難時形成晶體，可使用碳粉或其 ^ 料進行共濺鍍。 ㈣ 在塗佈催化劑於電解質半透膜時最好使用一遮罩以形 ίο 15 20 成特殊的紋路。因為電解質半透膜的表面積必須比反應區 大以達到流通電解質並抑制反應物（甲醇或氯氣 _ 流動。(如圖六） ）的 、形成於電解質半透膜的活性層的量最好為施於擴散層 的活性層重量的卜1G〇%，而形成於電解質半透膜的活性 1的厚度則是控制在低於1μΓη最佳。這是因為在大量製造 時淋幕塗佈法較喷灑法具優勢。 k 3.塗佈催化劑墨水（藥劑）於擴散層（步驟二） 一雖然用於擴散層的催化劑墨水的内含成分與用於電解 質半透膜者相同。但其中的溶劑含量則各自有適合的比 例:特別是在擴散層使用的催化劑墨水較濃稠，而施於半 透膜者則具較稀的濃稠度。 、擴散層可以碳衣或碳紙（由SGL、toray等廠商製旬製 成0 以鐵 §使用甲醇為燃料時，陽極的擴散層最好以用未 14 1274084 催化劑粉末溶於溶劑/溶媒。使用的溶劑/溶媒可為水或醇 類’如丁醇、異丙醇（IPA)、正丙醇（NPA)等。當加入Nafi〇n /合液於催化劑墨水以形成三相反應區時，催化劑墨水的黏 ㈣會降低而變的不適用於印刷塗佈。故須以一先前處理 5控制催&劑墨水的黏稠度：先加入始粉末或始-麵合金粉末 (Pt-Ru)催化劑到Nafi〇n溶液，在以洪乾爐去除其中的溶 劑。如此處理後催化劑墨水的黏稠度便可以加入催化劑中 溶劑的比例決定。 圖七為應用印刷塗佈機在氣體擴散層塗佈催化劑墨水 10 形成活性層的說明。 較喷灑法適合於大量製造之塗饰方法，如上述的印刷 塗佈法，可鍍膜較多的催化劑於氣體擴散層。故形成於電 解質半透膜的活性層的厚度控制在低於1μιη而將大部分 的催化劑鍍膜於氣體擴散層。 15 在氣體擴散層塗佈催化劑墨水時，最好在形成活性層 後進行熱滾壓法以去除其中的溶劑以形成一電極。 4·組合電極與電解質半透膜 將形成於電解質半透膜的活性層以熱壓法黏合於氣體 擴散層表面塗佈的活性層，形成一膜電極組件 20 (membrane_electrode assembly，ΜΕΑ)。 上述將電極黏合半透膜所施行之熱壓法較適用於溫度 50〜200 C ’ 5〜l〇〇kg/cm2 的壓力。 16 1274084 本發明之膜電極組件具電極與半透膜間介面電阻低、 n催化劑含量、電量密度高、且易於大量生產的優點。 【實施方式】 5 以下實施例僅係詳細說明最實用而常見的情況，本發 明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述之範圍和精 神爲準，而非僅限於上述實施例及圖示。 實施例一 免興一：電解i半透膜面的餹胺 10 電解吳半透膜的陽極面以鉑-麵合金粉末（Pt_Ru)催化 劑鍍膜，而其陰極面則以鉑粉末（pt)催化劑鍍膜。 浴液與IPA、水混合以製備一均勻散佈的溶液。溶液： Nafum(乾重）：催化劑以5〇: 〇·3 : i的比例混合並攪拌使 均勻’形成lcPs的催化劑墨水。 15 一用作以電解質半透膜的杜邦Nafion半透膜先以過 虱化氫及硫酸處理，再置入一作為遮罩的不銹鋼袼狀物。 以不銹鋼格狀物相反面加熱（8〇〇c)二十分鐘以去除溼氣 後，將上述製備的陽極面用鉑-鈿合金粉末（Pt-Ru)催化劑墨 水及陰極面用鉑粉末（Pt)催化劑墨水以〇 l_2〇cc/cm2用喷 20私噴灑於格狀物面，而溶劑則在喷灑的過程中靠背面加熱 器的熱力揮發。 體擴散層面的鍍膜 陽極的擴散層最好以用未以鐵氟龍鍍膜（疏水處理）的 17 1274084 石厌衣或碳紙構成以有效輸送甲醇。而陰極的擴散層最好以 5 20 /〇wt的鐵氟龍鑛膜（疏水處理）之碳紙構成以有效排除 產生的水。 在加入翻粉末或鉑-铷合金粉末（Pt_Ru)催化劑到 5 Nafion溶液，再以烘乾爐去除其中的溶劑以使催化劑表面 只有Nafion電解質。 使用於陽極的催化劑鉑-铷合金粉末（pt_Ru)在經上述 處理後，IPA舆水混合以製備一均勻散佈的溶液，再將溶 液：Naf1〇n(乾重）··催化劑以3: 〇·3: !的比例混合並再以 10超音波震動5分鐘使均勻，形成1〇〇〇cPs的催化劑墨水。 如圖七所示，上述製造的催化劑墨水皆以印刷機塗佈 於擴散層，形成一具4mg/cm2的電極。塗佈於擴散層的活 性層再以熱滾壓法乾燥後便形成一擴散層的電極。 15 步驟三：電極與電解皙半透膜的細各 將一具有活性層的電解質半透膜至於兩片上述製備的 電極（擴散層）之間，施以140°C，5〜lOOkg/cm2的熱壓三到 十分 4里，形成一膜電極組件（membrane-electr〇(JeaSsembly， MEA)。在此MEA中，Nafion半透膜（16cm2)面積比電極 20 (5cm2)稍大。 比較例一（言接锻膜） 重複實施例一’但只在電解質半透膜表面直接施以空 18 1274084 氣喷灑法（lcPs的催化劑墨水）形成活性層（催化劑層）。 上匕較例二（非直接辅_ ) 重複實施例一，但只在擴散層表面施以空氣喷灑法 5 (1CPS的催化劑墨水）形成活性層（催化劑層）再以熱壓法與 電解質半透膜接合。 —車义例二（在擴散i表面以小於1 OOcPs的催化劑墨水赫膜、 重複實施例一，但在擴散層表面形成活性層（催化劑層） 10時使用75cPs的催化劑墨水。 达.岸父例吗丄在擴散屋i面以大於l〇,〇〇〇cps的墨水餹 膜） ^ 重複實施例一，但在擴散層表面形成活性層（催化劑層） 15時使用15,000cPs的催化劑墨水。 在擴散層表面以小於l〇〇cPs 佈法鍍膜） 重複貫施例一，但在擴散層表面施以模具塗佈法形成 20活性層（催化劑層）並使用75cPs的催化劑墨水。 圖十一為比較例五以75cPs條件下進行模具塗佈附著 活性層於電極的前（左圖）、後（右圖）示意圖。 如圖十一所示，當使用小於100cPs的催化劑墨水時， 19 1274084 催化劑顆粒會滲透過氣體擴散層而阻礙燃料的流通，造成 電池效率的降低。 生j父直六（在擴散層表面以邀化劑墨水施以嗜 5 Ml 重複實施例一，但在擴散層表面施以喷灑鍍膜法製程 形成活性層（催化劑層）並使用lcPs的催化劑墨水。故在擴 散層及電解質半透膜皆以喷灑鍍膜法製程形成活性層。 1〇生較ϋ七（在電解質半透膜表面以催化劑黑皮^ —製程） 重複實施例一，但在電解質半透膜表面以印刷法 (lOOOcPs的催化劑墨水）形成活性層（催化劑層）。 如圖十一所示，當在電解質半透膜表面以印刷法形成 j5 活性層時，Nafion膜會被嚴重破壞，造成催化劑不平均的 分布，使得此方法無法用在MEA的製造上。 實施例二 重複實施例一，但以鉑/碳粉末（Pt/C)取代原來使用的 2〇 麵-铷合金粉末及翻粉末作為催化劑。 奮施例三（徒用未以Nafion塗佈的催化劑羱 重複實施例二，但在過程中改為使用未以Nafion溶液 20 1274084 處理的催化劑與IPA、Nafion溶液、水混合製備催化劑墨 水（如圖十四） 實驗部份：_ L 測量（實施例一及比較例二） 5 以ZahnerIM0阻抗計用兩電極阻抗法量測一單電池蕊

中的MPA’例如，當以測量阻抗iM〜ikHz的範圍於一 5mV 電流變動振幅在一使用400sccm的氳氣於標準電極， 200〇sccm空氣流於工作電極，實施例一中（直接鍍膜）的結 構顯示為25-30ιηΩ*6·25，而比較例二（非直接鍍膜）結構則 10 為 35_40πιΩ*6.25。 及比敕例一、一^ 15 20 旦實施例一及比較例一、二中一單電池蕊電能密度的測 量於以下狀態：陽極催化劑為鉑_铷合金粉末，陰極催化劑 為鉑粉末，工作溫度為8〇〇c，使用的催化劑含量 燃料為2M甲醇，氧氣i000cc/min ,常壓。 士圖八所示電旎岔度曲線圖可看出實施例一中的混 合錄膜法製造的MEA多出了 5〇%的電能密度。圖中也可 看出使用同樣的催化劑含量，本發明實施例—中的混合鍵 膜法仍具較高的效能，故其黯的催化劑具較高的反應 芩與度。 21 1274084 MAiOL係的測量（實施例一及比較例 如圖九所示，以印刷法應用不同黏稠度的催化劑藥 劑：75cPs(比較例三）、1000cPs(實施例一）、i5,〇〇〇cps、(比 較例四）於附著活性層於擴散層的示意圖及電極的照片。 5 在圖九中可明顯看出，比較例三使用低於100cPs的催 化劑藥#1(75CPS)進行印刷造成催化劑顆粒渗透到擴散層 内部，而使得部分催化劑浪費且阻礙了燃料的流通。而比 較例四使用高们0,000cPs的催化劑藥劑〇5,〇〇〇cps)進行 印刷，因催化劑藥劑流動性過差發生催化劑塗佈不均的情 10 形。 旦實施例一及比較例三、四中一單電池蕊電能密度的測 里於以下狀態：陽極催化劑為鉑_铷合金粉末，陰極催化劑 為翻粉末，工作溫度為80°c，使用的催化劑含量4mg/cm2; 燃料為2M甲醇，氧氣1〇〇〇cc/min，常壓。 15 在圖十中可明顯看出’比較例三（75cPs)效能明顯降 低，因為催化劑顆粒在印刷時渗透到擴散層的孔洞，而大 量阻礙了燃料的主要流通區域。巾比較例四〇5，_叫 則在低包*日寸效率低落，這是因為催化劑顆粒在印刷時塗 佈不良而了發生催化劑過少的情形。 20 if @ f 的測量施例一及比鮫例六、 、貝W列&比較例六中一I電池蕊電能密度的測量於 、下狀心陽極催化劑為鉑_铷合金粉末，陰極催化劑為鉑 22 1274084

粉末，工作溫度為80〇c，使用的催化劑含量 料為2M甲醇，氧氣1000cc/min，常壓。 在比較例六中使用喷灑鍍膜將活性層覆於作為擴散層 的碳衣或碳紙，再以熱壓法將之與電解質半透膜結合，士曰口 此造成大量的催化劑顆粒在印刷時滲透到擴散層洞而° 無法參與反應，且阻礙了燃料（甲醇溶液）的流通。 另外在圖十二中可看出，在比較例六中燃料（甲醇溶液 或風氣）在主要流通區域的流動並不順暢，*成了效能的明 顯下滑。 10 覆於催牝劑顆氣 以實施例一及二中製造的ΜΕΑ製成的氫燃料電池 (PEMFC)單電池蕊之電能密度測量於以下狀態··陽極催化 15劑為鉑粉末，陰極催化劑為鉑粉末，工作溫度為70〇C，使 用的催化劑含量4mg/cm2 ;燃料為氫氣，空氣常壓下。 圖十五為催化劑顆粒有以Nafion包覆（實施例二）與催 化劑顆粒沒有以Nafion包覆（實施例三）間的比較，其中顯 不有以Nafion包覆的催化劑顆粒具較低的質量傳輸阻力 20 而有較好的效能。 在實施例二中，以Nafion包覆的催化劑顆粒塗佈於擴 散層時可在催化劑顆粒間維持最大的孔洞（如圖十四所 示）’此孔洞可確保燃料（甲醇溶液）通暢的補充到活性層之 23 1274084 催化劑，進而增進電極的效率。 本發明所 而非僅限 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準 於上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖為本舍明之混合式臈電極組件的分解示专固 1: 一陽極的擴散層； 2: —陽極的活性層； 3: —電解質半透膜的活性層； 4·· 一電解質半透膜（聚合物半透膜）,· 5: —電解質半透膜的活性層； 6: —陰極的活性層； 7. 一陰極的擴散層；以及 15 圖二為活性層位於擴散層(上半圖)或電 圖)兩種不同配置方法的比較圖。 、相(下+ 圖三為使用碳衣（左半圖）或石 微放大圖。 卞口）作為擴散層的顯 20圖四為將催化劍附著於擴散層時 對沉積的影響。 不同黏稠度的催化 劑藥劑 圖五為製備權化谢藥劑流程的示意圖。 圖六為以料進㈣化# Ά層附者的電解質半透膜的示 24 1274084 思圖。 圖七為以印刷法將活性層附著於氣體擴散層的示意圖； 9: 一印刷機； 10: —自動供給滾軸； 5 11: 一活性層（催化劑層）； 12· —滾壓軸； 13 · —氣體擴散層（破衣或碳紙）。 圖八為比較用範例一、比較用範例二及範例一的膜電極組 件之間電流-電壓曲線及電能密度曲線的比較圖。 10圖九為以印刷法應用不同黏稠度的催化劑藥劑：75cPs(比 較用範例三）、lOOOcPs(範例一）、15,000cPs(比較用範例四） 於附著活性層於一擴散層的示意圖及電極的照片。 圖十為比較用範例三、比較用範例四及範例一的膜電極組 件之間電流-電壓曲線及電能密度曲線的比較圖。 15圖十一為比較用範例五以75cPs條件下進行模具塗佈附著 活性層於電極的前（左圖）、後（右圖）示意圖。 圖十二為比較用範例六及範例一的膜電極組件之間電流_ 電壓曲線及電能密度曲線的比較圖。 圖十三為比較用範例七中以印刷法附著活性層於電解液半 20 透膜的示意圖。 圖十四為範例二、三中附著催化劑活性層於氣體擴散層的 結構示意圖。 25 1274084 圖十五為使用範例二、三的膜電極組件之氣 (PEMFC)的電流-電壓曲線及電能密度曲線的比較圖、、广池 【主要元件符號 說明】 1陽極的擴散層； 2陽極的活性層； 3電解質半透膜的 活性層； 4電解質半透膜 5電解質半透膜 活性層； 的6陰極的活性層 7陰極的擴散層 8被電解質包圍的9印刷機 催化劑 10自動供給滾軸 11活性層 12滾壓軸 13氣體擴散層 26

Claims (1)

1274084 !% \ Γ ：： 十、申請專利範圍·· 1.種膜電極組件（membrane-electrode assembly， MEA)，包括： ’ 一由陽極和陰極組成之二電極，其中該陽極包括有一氣 5體擴散層及-含有催化劑的活性層；該陰極包括有一氣體 擴散層及一含有催化劑的活性層；以及 、一裝置在陰、陽極之間的電解質半透膜，並在其一側 或兩側有-含有催化劑的活性層，且該二電極係以熱壓法 覆於電解質半透膜，其中塗佈於該氣體擴散層之活性層勸 ίο稠度介於100〜10,000 cPs間。 曰# 2·如申請專利範圍第1項之膜電極組件，而其中塗佈 於該氣體擴散層之該活性層黏度介於匕㈣〜以㈣^間。 ^ 3·如申請專利範圍第1項之膜電極組件，其中作為該 電極之該活性層之催化劑顆粒表面覆有一層電解質。/ 15 4.如中請專㈣圍第1項之膜電極組件，其中塗佈於 電解質半透膜面對陽極之表面的催化劑與陽極之活性層之 催化劑相同，塗佈於電解質半透膜面對陰極之表面的催化 劑與陰極之活性層之催化劑相同。 5.如中請專利範圍第1項之膜電極組件，其中該氣體 擴散層表面的該活性層是以淋幕㈣製程塗佈。 6·如申請專利範㈣丨項之膜電極組件，其中該電解 質半透膜之活性層是以喷灑塗佈，且該活性層之黏祠度低 於 10cPs 〇 7·如申請專利範圍第！項之膜電極組件，其中該電解 27 1274084 5 10 15 20 質半透膜之該活性層占該氣體擴散層之活性層之1至 100%重量比。 8,種製備如中請專利範圍第項中膜電極 的方法： (a) 在该電解質半透膜表面塗佈一層含有催化劑的、、舌 (b) 在该氣體擴散層表面塗佈一層含有催化劑的、、舌性 (c) 以熱壓法將4氣體擴散層覆於該電解質半透膜其 中塗佈於步驟⑻之該氣體擴散層之該活性層黏稠度介於、 100〜10,000cPs 間。 又、 9·如申請專利範圍第8項之膜電極組件製備方法，其 中步驟⑷係以空壓法供應該催化劑並以噴灑塗 ：、 的該電解質半透膜。 本 ▲ Ο· *口申明專利範圍帛9項之膜電極組件製備方法， 八中"亥電解質半透膜以一加熱器維持乾燥。 i中1^驟^請專利範圍第8項之膜電極組件製備方法， :4(b)係以一電解質包覆該催化劑，再將之混合一溶 4以製成一催化劑墨水，並塗覆 活性層。 1土復孓d乱體擴散層而形成該 而二2牛二申::專利範圍第8項之膜電極組件製備方法， 々宁父驟（a)的工作溫度介於20至100〇c。 而二3·牛二申、請專利範圍第8項之膜電極組件製備方法， ^⑷的卫作條件為2G至⑽。c及5至1()()kg/cm2 ·· 28 1274084 的壓力。 14. 如申請專利範圍第8項之膜電極組件製備方法， 而其中步驟（b)可以一乾燥鍍膜法完成。 15. 一膜電極組件，包括一具有電解質包覆的催化劑 5 粒子之催化活性層。

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