利用喷墨印刷使PEM燃料电池的催化剂层选择性沉积的系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用喷墨印刷使PEM燃料电池的催化剂层选择性沉积的系统和方法。本发明专利技术涉及一种形成电极的方法，其包括：操作第一多个喷墨件以将具有质子传输材料和电子传输材料的第一墨水的第一多个液滴喷射在基底表面的第一部分上；和操作第二多个喷墨件以将具有所述质子传输材料、所述电子传输材料和催化剂的第二墨水的第二多个液滴喷射在所述基底表面的第二部分上，所述第二部分不同于所述第一部分。所述方法可用于减少生产可操作燃料电池所需的催化剂量。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容总体上涉及在燃料电池中形成催化剂层的系统和方法，并且更具体地涉及被配置来在质子交换膜上形成催化剂层或电极的喷墨印刷系统。
技术介绍
已知燃料电池可将储存在燃料中的化学能转化成另一种能量形式，如电能或热能。虽然各种形式的燃料电池自19世纪以来就为人所知，但近年来增加了对燃料电池的关注，因为燃料电池能够有效地由多种产氢源产生电能，从而减少对传统化石燃料源如煤和石油的依赖。燃料电池的当前和未来应用包括但不限于用于道路车辆、太空飞行器以及用于家庭和工业发电的电源。 通常，燃料电池能够使诸如氢气或烃的燃料与氧化剂结合并产生电能和废副产物。燃料与氧化剂的许多组合是已知的，基础燃料电池被配置来使氢气与氧气结合而产生电能和作为废副产物的水(H2O)。各种燃料电池实施方案包括两个电极。一个电极为阳极，其被配置来当供给作为燃料的氢气(H2)时产生H+阳离子。另一个电极为阴极，其被配置来使氧离子(0_2)与氢离子结合。在以质子交换膜(PEM)操作的燃料电池中，阳极和阴极形成于平面PEM的相对侧上。替代性燃料电池配置使用各种燃料、氧化剂、催化剂，但与图6中示出的燃料电池600具有类似的特征。图6示出被配置来将氢气用作燃料并将氧气用作氧化剂的燃料电池600的横截面。燃料电池600包括阳极双极板604、阳极气体扩散层608、阳极电极层612、质子交换膜(PEM) 616、阴极电极层620、阴极气体扩散层624和阴极双极板628。阳极双极板604和阴极双极板628各自包括分别接收和分配氢气和氧气的一个或多个通道。阳极电极层612包括能够使H2气体分子电离成H+离子和自由电子e_的催化剂。各种催化剂是已知的，其中一个实例为钼粒子。PEM 616被配置来使H+离子能够从阳极层612移动至阴极层620。PEM616为能够使带电粒子在阳极和阴极之间移动的电解质的实例。PEM能够使H+离子从阳极移动至阴极，但替代性燃料电池配置包括能够使0_2离子从阴极移动至阳极的电解质。在一个实施方案中，PEM 616由以酸性(H+)形式的全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物(以Nafion 市售)形成。PEM 616被配置来使质子(H+离子)能够从阳极612移动至阴极620，同时防止自由电子e_移动透过PEM 616。在操作中，氢气被供给至阳极双极板604。形成于阳极双极板604中的通道将氢气分配至阳极气体扩散层608，以使氢气能够朝向阳极催化剂层612流动。阳极气体扩散层608为多孔材料的薄层，如碳纸。氢气呈二原子分子H2形式。催化剂层612中的催化剂促进H2分子电离以形成H+离子。H+离子流经PEM 616至阴极电极层620。阴极电极层620还包括促进氧离子0_2与2H+离子结合以形成水(H2O)的催化剂。氧气经由形成于阴极双极板628中的通道供给至阴极电极层620，其流经阴极气体扩散层624至阴极电极层620。自由电子e_从阳极电极层612流至负载632，然后返回阴极电极层620，以形成电路。在典型的燃料电池系统中，多个燃料电池如燃料电池600以串联或并联配置电连接(称为燃料电池堆)，以产生预定电流和电压的电能。2H+离子和0_2离子的结合也为放热反应，并且反应中产生的热可用于加热或也用于产生电能。在反向操作模式中，燃料电池600可作为电解槽(electrolyzer)操作。在反向模式中，负载632将电流供给至阳极层612和阴极层620。当燃料电池600作为电解槽操作时，供给至阴极双极板628的H2O电解产生O2分子和H2分子。由H2O分子产生H2分子被称为电解。阳极层612和阴极层620中的催化剂促进电解过程，从而能够使燃料电池600由H2O产生H2分子，而消耗的电能与在缺少催化剂的情况下电解H2O的电能相比较少。电解槽配置中燃料电池的一种已知的用途是将燃料电池耦接至间歇电源，如风力涡轮机或太阳能阵列。当电源可操作时，燃料电池利用电源提供的多余的电力来电解氢气；当间歇电源不可操作时，燃料电池消耗氢气来产生电能。如上所述，阳极层和阴极层包括催化剂，如钼或钯。用于形成阳极层和阴极层的现有技术设法使催化剂均匀分配在PEM的整个表面上，以能够使均匀的质子流经PEM。金属催 化剂的成本是燃料电池的制造成本中的重要的组成部分。用于形成电极层的现有技术将催化剂放置在催化剂对于促进燃料电池中进行的电化学反应不太有效的位置。因此，对燃料电池中阳极层和阴极层的形成进行的、减少生产可操作燃料电池所需的催化剂量的改善将是有益的。
技术实现思路
在一个实施方案中，已开发出在基底上形成电极的方法。所述方法包括操作第一多个喷墨件(inkjet)以将具有质子传输材料和电子传输材料的第一墨水的第一多个液滴喷射在基底表面的第一部分上，和操作第二多个喷墨件以将具有所述质子传输材料、所述电子传输材料和催化剂的第二墨水的第二多个液滴喷射在所述基底表面的第二部分上，所述第二部分不同于所述第一部分。在另一个实施方案中，已开发出用于燃料电池的电极。所述电极包括平面基底、形成于所述平面基底的表面的第一部分上的第一墨水和形成于所述平面基底的表面的与第一部分不同的第二部分上的第二墨水，所述第二部分不同于所述第一部分。所述第一墨水包括质子传输材料和电子传输材料。所述第二墨水包括所述质子传输材料、所述电子传输材料和催化剂。所述第一墨水和第二墨水在所述基底表面的第一部分和第二部分上方形成单一电导体。附图说明结合附图对被配置来形成具有选定催化剂分配的阳极和阴极的方法和印刷系统的上述方面和其它特征进行描述。图I为被配置来将至少两种墨水印刷在燃料电池中所用材料层上的印刷系统的示意图。图2为图I的印刷系统的一部分的示意图。图3为利用喷墨印刷系统在燃料电池中所用材料的层上形成电极的方法的框图。图4为利用喷墨印刷系统在燃料电池中所用材料的层上形成电极的另一方法的框图。图5为气体扩散层(OTL)材料的剖视图，其中电极印刷在⑶L上。图6为现有技术燃料电池的示意图。图7为被配置来接收氢气或氧气并将所述气体供给至燃料电池的现有技术双极板的平面图。具体实施例方式参照附图，以对本文所公开的系统和方法以及所述系统和方法的详情进行总体了解。在附图中，通篇已使用相同的附图标号来指定相同的元件。如本文所用，术语“成像装置”是指被配置来在图像接收构件上形成墨水图像的任何打印机、复印机、多功能装置等。如本文所用，术语“图像接收构件”是指印刷基底如质子交换膜，或可为中间成像构件如打印鼓或环形带，其容纳由喷墨印刷头所形成的墨水图像。如本文所用，术语“处理方向”是指图像接收构件在成像操作期间相对于一个或多个印刷头移动的方向。术语“横向处理方向”是指沿着图像接收构件的表面垂直于处理方向的方向。如本文所用，术语“燃料电池”是指利用燃料与氧化剂之间的电化学反应来产热和电力的装置以及供电时由含氢的分子如H2O产生H2的装置。具有本领域普通技术的人员应认识到，一些燃料电池实施方案以第一模式操作来发电，并以第二模式操作来产生H2。在一个典型的实施方案中，燃料电池包括由质子交换膜分隔的阳极和阴极。如本文所用，应用于发电操作模式的质子交换膜燃料电池的术语“阳极”是指被配置来当供给作为燃料的氢气(H2)时产生H+阳离子的电极。如本文所用，应用于发电操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成电极的方法，其包括：操作第一多个喷墨件以将具有质子传输材料和电子传输材料的第一墨水的第一多个液滴喷射在基底表面的第一部分上；和操作第二多个喷墨件以将具有所述质子传输材料、所述电子传输材料和催化剂的第二墨水的第二多个液滴喷射在所述基底表面的第二部分上，所述第二部分不同于所述第一部分。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B·J·鲁夫，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：