具有阴离子交换树脂的多孔扩散介质和双极板组件以及结合它们的装置制造方法及图纸

提供了包括膜电极组件、多孔扩散介质和至少一对双极板组件的装置。膜电极组件插在一对扩散介质衬底之间，双极板组件包括至少一个流场通道，并且双极板组件接合扩散介质衬底。扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体。衬底包括足以赋予所述衬底导电性的一定数量的碳质材料。阴离子交换树脂层接合扩散介质衬底的第一和第二主面中至少一个的至少一部分和／或流场通道。设计阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有阴离子交换树脂的多孔扩散介质和双极板组件以及结合它们的装置专利技术背景本专利技术涉及多孔扩散介质、双极板组件、使用根据本专利技术的多孔扩散介质和双极板组件的燃料电池，和结合这种燃料电池的燃料电池驱动的系统。更具体地，本专利技术涉及具有阴离子交换树脂的多孔扩散介质和双极板组件和结合它们的装置。专利技术概述已知固体酸膜电极组件(MEA)材料在质子交换膜(PEM)燃料电池内部会热和化学降解，释放氟化物离子，其又腐蚀金属双极板材料(例如不锈合金)。氟化氢侵蚀金属材料，尽管该酸被认为是弱酸。板腐蚀副产物-金属阳离子-于是与聚合物膜和催化剂离聚物层中的交换位交换，造成：a)当酸基被释放时MEA导电率下降，b)电池阴极侧上氧还原速率明显降低，和c)燃料电池性能总体下降。降低燃料电池环境中氟化物离子的浓度将提高带有排出水的燃料电池系统中双极板和其它金属部件的耐久性。因而，认识到对燃料电池设计改进的需要。本专利技术通过使用已知能在许多工业应用中除去阴离子的阴离子交换树脂来满足这种需要。尽管本专利技术不限制于特定的优点或功能，但注意到按本文描述的方式使用阴离子交换树脂能有效地a)从燃料电池环境中除去氟化物离子，b)减小双极板材料(例如钛、铝、不锈钢)的腐蚀，c)降低金属阳离子浸出速率，d)延长双极板和MEA的有效寿命，和d)提高燃料电池耐久性和性能。根据本专利技术的一种实施方案，提供一种包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层的多孔扩散介质。扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体。衬底包括足以赋予衬底导电性的一定数量的碳质材料。阴离子交换树脂层接合扩散介质衬底的第一和第二主面中至少一个的至少一部分。设计阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。-->根据本专利技术的另一种实施方案，提供包括膜电极组件、多孔扩散介质和至少一对双极板组件的装置。多孔扩散介质包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层。扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体。扩散介质衬底包括足以赋予衬底导电性的一定数量的碳质材料。阴离子交换树脂层接合扩散介质衬底的第一和第二主面中至少一个的至少一部分。设计阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。膜电极组件插在一对扩散介质衬底之间。双极板组件接合阴离子交换树脂层。该装置可包括燃料电池，该装置还可包括限定由燃料电池驱动的车辆的结构。典型地，阴离子交换树脂层接合扩散介质衬底的第一主面，双极板组件接合阴离子交换树脂层。任选地，阴离子交换树脂层还接合扩散介质衬底的第二主面，膜电极组件接合与扩散介质衬底第二主面接合的阴离子交换树脂层。根据本专利技术的又一种实施方案，提供一种包括膜电极组件、多孔扩散介质和至少一对双极板组件的装置。膜电极组件插在一对扩散介质衬底之间。双极板组件包括至少一个包含阴离子交换树脂层的流场通道。设计阴离子交换树脂层以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。双极板组件接合扩散介质衬底。根据本专利技术的还一种实施方案，提供一种包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层的多孔扩散介质。扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体，其中衬底包括足以赋予衬底导电性的一定数量的碳质材料。还限定衬底厚度为约0.17mm。阴离子交换树脂层接合扩散介质衬底的第一和第二主面中至少一个的至少一部分。设计阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子，并且阴离子交换树脂包括强碱阴离子交换树脂、弱碱阴离子交换树脂和其组合中的至少一种。阴离子交换树脂层具有足以从溶液中除去游离的无机和有机酸的厚度。阴离子交换树脂层的厚度在约10和约30μm之间。阴离子交换树脂层渗透扩散介质衬底。阴离子交换树脂层的特征在于孔隙率大于扩散介质衬底的纤维基体的孔隙率。从下面结合附加权利要求的专利技术详细描述中将更充分地理解本专利技术的这些和其它特征和优点。注意权利要求的范围由其中的描述来限定，而不是由本说明书中阐述的特征和优点的具体讨论来限定。-->附图简述当结合下面的图阅读时可最好地理解本专利技术具体实施方案的以下详细描述，其中相同的结构用相同的引用数字来表示，其中：图1为结合了根据本专利技术原理的多孔扩散介质和一对流场板的燃料电池的展开示意图；图2为根据本专利技术一种实施方案的多孔扩散介质的示意图；和图3为结合了根据本专利技术原理的燃料电池的车辆的示意图。技术人员能认识到图中的元件是为了简洁和清楚而示出，没有必要按比例描绘。例如，图中的一些元件的尺寸可相对于其它元件被放大以帮助促进理解本专利技术的实施方案。本专利技术一些实施方案的详述电化学转化装置(例如PEM燃料电池)中膜材料的热/化学降解导致氟化氢(HF)的形成，其侵蚀金属材料，尽管该酸一般被认为是弱酸。氟化物离子的侵蚀特性来自于它侵蚀已知用于保护强耐蚀材料如不锈钢、钛、铝和其它不锈合金的钝化膜的能力。例如，氟化物离子可使不锈钢上的惰性氧化物不稳定，因此使它更易于腐蚀。对钛也可显示出这种相同的效应，其中氟化物离子侵蚀氧化钛(最稳定的氧化物之一)并相当大地腐蚀钛。氟化物离子的侵蚀特性在一些应用中是有利的，如为了表面制备和从表面上除去残余污染物而蚀刻不锈合金和钛。但是，降低燃料电池环境中氟化物离子的浓度能提高带有排出水的燃料电池系统中双极板和其它金属部件的耐久性。根据本专利技术的几种实施方案，可使用阴离子交换树脂除去这类阴离子。有两种通用的阴离子交换树脂。第一种为具有羟基的强碱阴离子交换树脂，该树脂通过与羟基交换除去阴离子，如下面所示：R-N(CH3)2+OH-+HF→R-N(CH3)2+F-+H2O已知这种树脂具有有限的热稳定性(例如在不超过约60℃下稳定)。第二种阴离子交换树脂为弱碱阴离子交换树脂，其通过形成季铵盐来除去阴离子，如下面所示：R-N(CH3)3+HF→R-NH(CH3)2+F-这种阴离子交换树脂能稳定最高约7年，最高约100℃。-->阴离子交换树脂可从The Dow Chemical Company(Midland，MI)以商标名DOWEXTM得到，其为一种固定碱。这种阴离子交换树脂用作酸吸收剂。它从溶液中除去酸并中和，但不释放会产生淤渣或改变工艺流的任何东西回到溶液中。例如，DOWEXTM M-43阴离子交换树脂为多功能酸吸收剂，其既能除去无机酸又能除去有机酸，如HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、乙酸、甲酸、丙酸和苯甲酸。首先参考图1，图示了结合根据本专利技术的多孔扩散介质20的电化学转化装置10。具体地说，装置10包括插在装置10的阳极流场40和阴极流场50之间的膜电极组件30。阳极和阴极流场40、50可各自通过结合阳极和阴极流场通道到导电板的相对面内而被构成双极板。本领域的技术人员能理解，这种板被称为双极板是因为当形成燃料电池堆时，该板通常接触一个电池的阴极和相邻电池的阳极。进一步预见到，只要不脱离本专利技术的范围，流场40、50和膜电极组件30可呈各种常规形式，或要发展的形式。尽管膜电极组件30的具体形式不在本专利技术的范围内，但在图示的实施方案中，膜电极组件30包括相应的催化电极层32和离子交换膜34。现在参考图2，示意地图示了根据本专利技术一种实施方案的多孔扩散介质20。扩散介质20包括扩散介质衬底22和阴离子交换树脂层24。扩散介质衬底22包括限定相对的第一和第二主面21、23本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔扩散介质，包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层，其中：　　　　所述扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体，所述衬底包括足以赋予所述衬底导电性的一定数量的碳质材料；　　　　所述阴离子交换树脂层接合所述扩散介质衬底的所述第一和第二主面中至少一个的至少一部分；和　　　　设计所述阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-8-5 10/911,8511.一种多孔扩散介质，包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层，其中：所述扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体，所述衬底包括足以赋予所述衬底导电性的一定数量的碳质材料；所述阴离子交换树脂层接合所述扩散介质衬底的所述第一和第二主面中至少一个的至少一部分；和设计所述阴离子交换树脂以通过与羟基交换或形成季铵盐来除去阴离子。2.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层与所述扩散介质衬底的所述第一主面的至少一部分接合。3.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层与所述扩散介质衬底的所述第二主面的至少一部分接合。4.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层与所述扩散介质衬底的所述第一主面和所述第二主面两者的至少一部分接合。5.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂包括强碱阴离子交换树脂、弱碱阴离子交换树脂和其组合中的至少一种。6.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子包括氟化物、氯化物、硫酸盐、亚硫酸盐和其组合中的至少一种。7.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层具有足以中和溶液中的游离的无机和有机酸的厚度。8.权利要求7的多孔扩散介质，其中所述酸包括HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、乙酸、甲酸、丙酸和苯甲酸及其组合中的至少一种。9.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层具有至少约10μm的厚度。10.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层具有在约10和约30μm之间的厚度。11.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层至少部分地渗透所述扩散介质衬底。12.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述阴离子交换树脂层的-->特征在于孔隙率大于所述扩散介质衬底的所述纤维基体的孔隙率。13.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述扩散介质衬底包括碳纤维纸。14.权利要求1的多孔扩散介质，其中所述扩散介质衬底具有约0.17mm的厚度。15.一种装置，包括膜电极组件、多孔扩散介质和至少一对双极板组件，其中：所述多孔扩散介质包括扩散介质衬底和阴离子交换树脂层；所述扩散介质衬底包括限定相对的第一和第二主面的纤维基体；所述扩散介质衬底包括足以赋予所述衬底导电性的一定数量的碳质材料；所述阴离子交换树脂层接合所述扩散介质衬底的所述第一和第二主面中至少一个的至少一部分；设计所述阴离子交换树脂以通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：MH阿布德埃尔哈米德，YM米克海尔，RH布伦克，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]