触媒层及其制造方法、膜电极组及其制造方法与燃料电池技术

本发明专利技术提供一种触媒层及其制造方法、膜电极组及其制造方法与燃料电池。触媒层的制造方法包含下列步骤：首先，提供一溶液制备步骤以制备溶液，其中前述溶液包含溶剂、含钛前驱物与高分子化合物。接着，提供一成层步骤使溶剂挥发以形成胶状层，再进行氮化步骤于氨气中处理前述胶状层以移除高分子化合物而得到触媒载体，且触媒载体是由氮化钛组成并包含多个孔洞。最后，进行触媒制备步骤以形成多个铂颗粒于触媒载体上。借此，本发明专利技术可以简单地制造做为触媒载体的氮化钛孔洞结构，并可以有效地减低触媒使用量以及提升使用效率。

Catalyst layer and method for manufacturing the same, membrane electrode assembly and method of manufacturing the same, and fuel cell

The invention provides a catalyst layer and a method for manufacturing the same, a membrane electrode assembly and a method of manufacturing the same, and a fuel cell. The manufacturing method of the catalyst layer comprises the following steps: first, a solution preparation step is provided to prepare the solution, wherein the solution comprises a solvent, a titanium containing precursor and a polymer compound. Then, 10% steps to solvent to form a layer of gelatinous layer, then the colloidal layer in nitridation step to remove ammonia in polymer compound and catalyst carrier and catalyst carrier is composed of titanium nitride and contains a plurality of holes. Finally, a catalyst preparation step is carried out to form a plurality of platinum particles on the catalyst support. Thereby, the invention can simply manufacture a titanium nitride hole structure as a catalyst carrier, and can effectively reduce the amount of catalyst usage and improve the use efficiency.

【技术实现步骤摘要】
触媒层及其制造方法、膜电极组及其制造方法与燃料电池
本专利技术是有关于一种触媒层的制造方法，尤其是一种利用溶胶凝胶法伴随相变化法制造触媒层的方法、其制造的触媒层及其应用的膜电极组的制造方法、膜电极组与燃料电池。
技术介绍
能源是一切经济活动的动力来源，与社会经济发展息息相关。至目前为止，全球能源来源有化石能源(如石油与天然气)、水力、地热、核能、太阳能等，其中以化石能源的应用比例最高，但化石能源在燃烧后会产生二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等。以往一味追求经济成长而大量的使用此能源，后果则是严重的空气污染和温室效应。因此，科学家亟欲寻找解决的方案，以减少传统能源的使用及依赖，而燃料电池(fuelcell)便是其中一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。燃料电池是一种电化学发电装置，其将燃料及氧化剂气体转化为电能并产生反应产物。也就是说，燃料电池是直接将化学能转换成电能，且其所产生的废气为水蒸气而不会对环境造成污染，亦无需经过热能而可直接转换为电能，故属于洁净且高效率的绿色能源之一。请参考图1，图1是绘示已知质子交换膜燃料电池单元100的结构示意图，质子交换膜燃料电池(未图示)包含多个单独的质子交换膜燃料电池单元100。各质子交换膜燃料电池单元100包含阳极双极板(bipolarplate)102a与阴极双极板102b、阳极气体扩散层(gasdiffusionlayer)104a与阴极气体扩散层104b、阳极触媒层(catalystlayer)106a与阴极触媒层106b、质子交换膜(protonexchangemembrane)108以及相关的辅助部件，如鼓风机(图未示)、阀门(图未示)、管路(图未示)等。承上述，阳极气体扩散层104a、阴极气体扩散层104b、阳极触媒层106a、阴极触媒层106b与质子交换膜108为质子交换膜燃料电池的核心且是通常结合为一体而称作为膜电极组(membraneelectrodeassembly)。其中，阳极触媒层106a包含阳极触媒载体106aa及设置于其上的阳极触媒颗粒106ab，而阴极触媒层106b包含阴极触媒载体106ba及设置其上的阴极触媒颗粒106bb。且通常采用具有催化活性的贵金属颗粒如铂颗粒做为触媒颗粒以及采用如碳颗粒做为触媒载体而各自涂覆于阳极气体扩散层104a与阴极气体扩散层104b的表面。然而，前述使用碳材做为触媒载体的质子交换膜燃料电池在氧化过程中所产生的一氧化碳中间产物是导致使用效率降低的常见问题。由于一氧化碳比氢气具有与铂颗粒更强的键结能力，因此即便只有微量的一氧化碳也会因其易于附着于铂颗粒表面造成触媒参与电化学反应的有效面积降低，进而使得燃料电池性能下降及缩短使用寿命。这也就是燃料电池中触媒层的一氧化碳中毒现象。再者，前述以碳材做为触媒载体的制程通常需要高温热能(大于1000℃)，且贵金属颗粒所费不赀，都使得质子交换膜燃料电池的成本无法有效降低，而不利于量产。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种触媒层的制造方法、其制造的触媒层及其应用的膜电极组的制造方法、膜电极层与燃料电池。借此，由本专利技术所提供的触媒层的制造方法所制得的触媒载体是以氮化钛取代传统碳材以减少制备传统碳材所需的高温热能，且前述触媒载体具有高比表面积可有效提升包含其的燃料电池的效能。再者，本专利技术通过原子层沉积步骤形成铂颗粒于触媒载体上以有效降低铂颗粒的使用量，进而降低产品的成本。本专利技术一方法态样在于提供一种触媒层的制造方法，其包含下列步骤。首先，提供一溶液制备步骤以制备溶液，其中前述溶液包含溶剂、含钛前驱物与高分子化合物。接着，提供一成层步骤使溶剂挥发以形成胶状层，再进行氮化步骤于氨气中处理前述胶状层以移除高分子化合物而得到触媒载体，且触媒载体是由氮化钛组成并包含多个孔洞。最后，进行触媒制备步骤以形成多个铂颗粒于触媒载体上。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中前述触媒制备步骤可为原子层沉积步骤或湿式化学还原步骤。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中当触媒制备步骤为原子层沉积步骤时，前述触媒层的制造方法还可包含重复进行触媒制备步骤50至300次。借此，本专利技术可以简单且低成本的方式制造触媒层的触媒载体，并以原子层沉积步骤精准地控制铂颗粒的均匀度与粒径以有效提升铂颗粒的使用效率。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中前述成层步骤可为旋转涂布步骤或浸沾涂布步骤。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中前述含钛前驱物可为异丙醇钛或钛酸正丁酯、前述高分子化合物可为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物，以及前述溶剂可为N-甲基吡咯烷酮或酒精。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中前述高分子化合物在前述溶液中相对于含钛前驱物的含量可大于或等于10重量百分比且小于或等于50重量百分比。依据本专利技术前述的触媒层的制造方法，其中前述氮化步骤可于氨气中以大于或等于800℃且小于或等于1000℃的温度加温前述胶状层，且前述氮化步骤可进行1至2小时。本专利技术的一结构态样在于提供一种触媒层，其可由前述触媒层的制造方法所制造而包含前述触媒载体与前述多个铂颗粒。其中前述触媒载体的多个孔洞可包含2至50纳米的第一孔径以及大于50纳米且小于或等于100纳米的第二孔径，而铂颗粒是设置于前述触媒载体上。借此，通过本专利技术所提供的触媒层的制造方法所制得的触媒层的触媒载体为同时具有大孔与介孔的结构，可提升其比表面积进而提升其后续应用的效能。依据本专利技术前述的触媒层，其中前述触媒载体的比表面积可为80平方米/克至200平方米/克。依据本专利技术前述的触媒层，前述多个铂颗粒的粒径可为2纳米至15纳米，且其承载量可为5微克/平方厘米至100微克/平方厘米。依据本专利技术前述的触媒层，其中前述触媒层于电压为0.6伏特时的比功率密度可为0.8至1.2瓦/毫克。本专利技术的另一方法态样在于提供一种膜电极组的制造方法，包含下列步骤。提供质子交换膜，且质子交换膜具有第一面与第二面。提供阳极气体扩散层与阴极气体扩散层。提供阳极触媒层与阴极触媒层，其中阳极触媒层是设置于阳极气体扩散层上并位于质子交换膜的第一面与阳极气体扩散层之间，阴极触媒层是设置于阴极气体扩散层上并位于质子交换膜的第二面与阴极气体扩散层之间，且阳极触媒层与阴极触媒层中的至少一者是由前述触媒层的制造方法制造而成。最后，热压阳极气体扩散层、阳极触媒层、质子交换膜、阴极触媒层与阴极气体扩散层以形成膜电极组。依据本专利技术前述的膜电极组的制造方法，其中前述阳极气体扩散层与前述阴极气体扩散层可为碳纸。本专利技术的另一结构态样在于提供一种膜电极组，其是由前述膜电极组的制造方法制造而成。本专利技术的再一结构态样在于提供一种燃料电池，其包含前述膜电极组。且依据本专利技术前述的燃料电池，前述燃料电池可为一质子交换膜燃料电池。附图说明为让本专利技术的上述和其他目的、特征、优点与实验例能更明显易懂，所附附图的说明如下：图1是绘示已知质子交换膜燃料电池单元的结构示意图；图2是绘示本专利技术一方法态样的触媒层的制造方法流程图；图3A至图3B是本专利技术一结构态样的触媒层的触媒载体于不同倍率下的扫描式电子显微镜影像；图3C是本专利技术一结构态样的触媒层的扫描式电子显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种触媒层的制造方法，其特征在于，包含：提供一溶液制备步骤，以制备一溶液，其中该溶液包含一溶剂、一含钛前驱物与一高分子化合物；提供一成层步骤，使该溶剂挥发以形成一胶状层；进行一氮化步骤，是于氨气中处理该胶状层以移除该高分子化合物而得到一触媒载体，其中该触媒载体是由氮化钛组成并包含多个孔洞；以及进行一触媒制备步骤，以形成多个铂颗粒于该触媒载体上。

【技术特征摘要】
2016.03.16 TW 1051081341.一种触媒层的制造方法，其特征在于，包含：提供一溶液制备步骤，以制备一溶液，其中该溶液包含一溶剂、一含钛前驱物与一高分子化合物；提供一成层步骤，使该溶剂挥发以形成一胶状层；进行一氮化步骤，是于氨气中处理该胶状层以移除该高分子化合物而得到一触媒载体，其中该触媒载体是由氮化钛组成并包含多个孔洞；以及进行一触媒制备步骤，以形成多个铂颗粒于该触媒载体上。2.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该触媒制备步骤是一原子层沉积步骤或一湿式化学还原步骤。3.根据权利要求2所述的触媒层的制造方法，其特征在于，还包含：当该触媒制备步骤是该原子层沉积步骤时，重复进行该触媒制备步骤50至300次。4.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该成层步骤是一旋转涂布步骤或一浸沾涂布步骤。5.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该含钛前驱物是异丙醇钛或钛酸正丁酯。6.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该高分子化合物是聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸或聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物。7.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该溶剂是N-甲基吡咯烷酮或酒精。8.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该高分子化合物在该溶液中相对于该含钛前驱物的含量是大于或等于10重量百分比且小于或等于50重量百分比。9.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该氮化步骤是于该氨气中以大于或等于800℃且小于或等于1000℃的温度加温该胶状层。10.根据权利要求1所述的触媒层的制造方法，其特征在于，该氮化步骤是进行1至2小时。11.一种触媒层，其特征在于，是由如权利要求1至10中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪依旻，金子刚，蜜希菈，彭宗平，
申请(专利权)人：彭宗平，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71