具有憎水性扩散介质的燃料电池制造技术

本发明专利技术提供了用于ＰＥＭ燃料电池的具有硅氧烷涂层的扩散介质。该介质由多孔导电基质、粘附到基质上的第一憎水性氟碳聚合物涂层和粘附到基质上的包含憎水性硅氧烷聚合物的第二涂层制备。所述基质优选是碳纤维纸、憎水性氟碳聚合物为ＰＴＦＥ或类似聚合物，并且硅氧烷是可湿气固化的。

【技术实现步骤摘要】
具有憎水性扩散介质的燃料电池
本专利技术涉及具有憎水性扩散介质的燃料电池。具体地，本专利技术涉及具有憎水性硅氧烷涂层的燃料电池扩散介质。
技术介绍
燃料电池越来越多地用作电动车辆和其它应用的能源。典型的燃料电池具有催化电极与在电极之间形成的质子交换薄膜(PEM)的薄膜电极组装(MEA)。气体扩散介质在PEM燃料电池中起重要作用。在燃料电池中，它们一般分布在催化电极和流场通道之间，为燃料电池的适当功能提供反应物和产物渗透性、导电性、导热性以及机械强度。在燃料电池操作期间，基于包括在MEA内涉及氢和氧的电化学反应在阴极产生水。燃料电池的有效操作取决于在体系内提供有效水管理的能力。例如，扩散介质通过在保持反应物气体由双极板流过催化剂层的同时从该催化剂层除去产物水防止电极溢流(即装满了水并且严重限制O2通路)。气体扩散介质一般由包含碳纤维的材料构成。尽管碳纤维本身比较憎水，但是通常期望提高其憎水性或至少用更稳定的憎水性涂层处理碳纤维。将憎水剂如聚四氟乙烯(PTFE)加入碳纤维扩散介质是提高憎水性的常用方法。该方法一般通过将碳纤维纸浸入包含PTFE颗粒和其它湿润剂如非离子表面活性剂的溶液实施。燃料电池堆可根据应用的动力需求包含大量的燃料电池。例如，典型的燃料电池堆包含高达200和更多的单个燃料电池。由于燃料电池在堆中以串联方式操作，一个电池的缺点或较差性能可转化为整个电池堆的差性能。为此，期望堆中的每个电池都高效率运行。由于典型的燃料堆包含过多的单个电池，已经观察到，即使用具有高度制造重现性的扩散介质，仍然不时观察到个别或几个扩散介质具有的性能不佳，尤其在相对湿度较高的条件下。当所述情况出现时，包含这样燃料电池的电池堆一般将显示不佳的性能。因而，具有增强的憎水性能的扩散介质以及能够在单一燃料堆的数百个燃料电池中产-->生一致效果的生产方法在本领域将是先进的。
技术实现思路
本专利技术的一个方面，在用于燃料电池，例如PEM燃料电池的扩散介质上提供硅氧烷涂层。该扩散介质由多孔传导性基质、粘附到基质上的第一憎水性氟碳聚合物涂层和附到基质上的包含粘憎水性硅氧烷聚合物的第二涂层制备。在多种实施方案中，所述多孔传导性基质为碳纤维纸或其它常用于PEM燃料电池的传导性基质，并且所述憎水性氟碳聚合物为憎水性聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)。在多种实施方案中，第二涂层施加到已经施加了第一涂层的传导性基质上；第一涂层在所述基质的表面积主要部分上粘附，第二涂层(硅氧烷聚合物)粘附到该基质上没有被第一涂层完全覆盖的区域上。第二涂层优选通过使包含第一涂层的基质与硅氧烷组合物接触施加。优选地，所述硅氧烷组合物包含固化形成粘附到所述基质的憎水性硅氧烷聚合物的组分。在优选实施方案中，硅氧烷聚合物体系可通过湿气作用并且一般在室温下固化。依靠燃料堆中单个扩散介质改进的憎水特性，包含高达200或更多其中包含这样的扩散介质的燃料电池的PEM燃料堆的性能得到改善。因此，提供生产所述扩散介质和改进包括其中包含所述介质的单个燃料电池的燃料电池堆的性能的方法。所述方法包括使其上粘附憎水性氟碳聚合物的传导性多孔基质与硅氧烷组合物接触，所述硅氧烷组合物包括，在优选实施方案中，可湿气固化的硅氧烷树脂。在多种实施方案中，燃料电池堆是组装的，其中堆中的每个单个的燃料电池包含用所述憎水性硅氧烷涂覆的扩散介质。在某些实施方案中，燃料电池堆的操作通过下述步骤改进：首先确认任何由于具有过分亲水的扩散介质表现较差的单独的燃料电池，用所述的硅氧烷组合物处理燃料电池的扩散介质。附图说明图1是燃料电池堆的示意图图2显示了处理过的扩散介质的电流电压曲线。-->具体实施方式在一种实施方案中，适合在PEM燃料电池中应用的扩散介质由多孔传导性(即导电)基质制备，其中的多孔传导性基质具有粘附在其上的包含憎水性氟碳聚合物的第一涂层。包含憎水性硅氧烷聚合物的第二涂层也粘附在该基质上。在多种实施方案中，所述基质包含碳纤维基的扩散介质，例如碳纤维纸。在典型的实施方案中，所述的憎水性氟碳聚合物是憎水性材料如聚四氟乙烯(PTFE)。在另一种实施方案中，制备用于PEM燃料电池的扩散介质的方法包括首先用憎水性氟碳聚合物涂覆多孔传导性基质。在基质用憎水性氟碳聚合物涂覆后，使该涂覆过氟碳聚合物的基质与其中包含可湿气固化的硅氧烷树脂的硅氧烷组合物接触。在多种实施方案中，憎水性氟碳聚合物以基于基质总重1-20重量％的负载量施加到基质上，并且以基于涂覆过的基质总重约0.01-约5重量％、优选约0.1-2重量％的量施加硅氧烷。该方法可进一步应用于在传导性基质的一侧包含微孔层涂层的扩散介质。所述微孔层包含氟碳聚合物和传导性颗粒，并且通常具有的孔径比基质没有用微孔层涂覆的那一侧小得多。在另一种实施方案中，提供包含如这里所述的憎水性扩散介质的燃料电池。在另一种实施方案中，提供包含许多燃料电池的燃料电池堆。在另一种实施方案中，提供一种用于改善PEM燃料电池堆高湿度性能的方法。所述堆包含许多PEM燃料电池，每个燃料电池包含阴极、阳极和置于阴极和阳极之间的聚合电解质薄膜，并且进一步包含邻近电极(即阴极和阳极)的流场(flow field)。涂覆氟聚合物的扩散介质置于至少其中一个电极和其流场之间，即阴极和阴极流场与阳极和阳极流场中至少之一。也就是说，单个的燃料电池在阴极侧和/或阳极侧包含扩散介质。该方法包括使涂覆氟聚合物的扩散介质与其中包含可湿气固化的硅氧烷树脂的硅氧烷组合物接触。在多种实施方案中，所述方法导致憎水性硅氧烷涂层在涂覆氟碳聚合物的扩散介质区域应用，其中所述涂覆氟碳聚合物的扩散介质出于这样或那样的，包括在氟碳涂覆处理中随机或不可预测的变化，的原因，包含没有被氟碳聚合物完全覆盖的区域，因此这些区域比扩散介质的其它区域更亲水。-->在多种实施方案中，所述方法通过操作燃料电池堆并确定堆中没有按预期运行的单个电池实施。在某些实施方案中，将表现较差的燃料电池从堆中除去并且按照所述用硅氧烷涂层处理扩散介质。然后重新组装燃料电池。燃料电池堆包含许多燃料电池，单个电池的数量取决于应用所需的动力和电压。在汽车应用中，一般的燃料电池堆包含50或更多的单个燃料电池，并且可以包含高达400、500或甚至更多。各种应用中动力需求也可以通过提供许多包含单个燃料电池堆的模块满足。这些模块被设定以串联方式工作以提供充足的动力并且尺寸与可使用的包装相适应。图1是一个说明典型的多电池堆构造详情的放大图，为了清楚仅显示了其中的两个电池。双极燃料电池堆2具有一对通过导电性燃料分布元件8(以下称为双基板8)彼此分离的薄膜电极组件(MEA)4和6。该MEA的4和6以及双极板8堆放在不锈钢夹板或端板10和12和端部接触元件14和16之间。为了将燃料和氧化剂气体(即氢和氧)分布到MEA的4和6，端部接触元件14和16以及双基板8的两工作面分别包含许多槽或通道18、20、22和24的流场。非传导性的垫圈26、28、30和32在燃料电池堆的各元件之间提供密封和电绝缘。用作气体扩散介质的能渗透气体的传导性材料一般是碳/石墨扩散纸34、36、38和40，它们相对MEA的4和6的电极面压紧。端部接触元件14和16分别相对碳石墨扩散介质34和40压紧，同时双基板8相对MEA4阳极面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于ＰＥＭ燃料电池的扩散介质，其包含：多孔传导性基质；包含粘附到基质上的憎水性氟碳聚合物的第一涂层；和包含粘附到基质上的硅氧烷聚合物的第二涂层。

【技术特征摘要】
US 2005-10-14 11/2501971.一种用于PEM燃料电池的扩散介质，其包含：多孔传导性基质；包含粘附到基质上的憎水性氟碳聚合物的第一涂层；和包含粘附到基质上的硅氧烷聚合物的第二涂层。2.如权利要求1所述的扩散介质，其中的基质包含碳纤维纸。3.如权利要求1所述的扩散介质，其中的憎水性氟碳聚合物包含PTFE。4.如权利要求1所述的扩散介质，其中的第一涂层在基质表面积的主要部分上与基质粘附，第二涂层粘附到基质没有被第一涂层覆盖的区域。5.如权利要求1所述的扩散介质，其中的第二涂层包含湿气固化的硅氧烷。6.如权利要求1所述的扩散介质，其中的扩散介质具有第一和第二面，第一面包含第一和第二涂层，第二面包含微孔层，其中的微孔层包含碳和氟碳聚合物颗粒的烧结体。7.包含多个燃料电池的燃料堆，其中至少一个燃料电池包含如权利要求1所述的扩散介质。8.包含多个燃料电池的燃料堆，其中至少一个电池包含如权利要求6所述的扩散介质。9.一种制备用于PEM燃料电池的扩散介质的方法，其中包括：用憎水性氟碳聚合物涂覆多孔传导性基质，和使涂覆氟碳化合物的基质与包含可湿气固化硅氧烷树脂的硅氧烷组合物接触。10.如权利要求9所述的方法，其中所述的涂覆包括使基质与包含溶剂和憎水性氟碳聚合物颗粒的涂料组合物接触、除去溶剂并烧结颗粒。11.如权利要求10所述的方法，其中包括在烧结后将基...

【专利技术属性】
技术研发人员：C纪，V库马，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[]