亲水燃料电池元件制造技术

一种燃料电池元件（３６），其表面能增强亲水性，可使该元件（３６）上液体以平面液滴状或平板状紧紧粘附在表面上。可将一薄层亲水聚合物（３８）使用于元件（３６）表面，从而获得亲水表面。这种亲水表面可有选择性的使用于元件（３６）的临界区域上，比如双极板和膜电极组件的液流通路内壁表面，因此可防止液流通路在燃料电池工作时出现液封现象。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】亲水燃料电池元件相关申请本申请要求美国临时申请号60/468,213中的权利，该临时申请书于2003年5月5日申请，因此这里它可以完全用作参考。
本专利技术关于一些燃料电池，更具体的说，它关于一些带有亲水表面的燃料电池元件。
技术介绍
燃料电池技术已经成为近来研究和开发的热点，因为出现了与化石燃料燃烧发动机和燃烧室有关的一些环境问题和长期燃料供应问题。燃料电池技术通常可以生产出更清洁的能源，它们可充分压缩，并且重量较轻，可在交通工具中使用。另外，在固定应用环境中使用时，燃料电池可安装于靠近能源使用点处，这样可大大降低由能源远距离传输所导致的效率低下问题。尽管在燃料电池中可使用不同的反应剂和原料，但是对于各种燃料电池来说，通常需要使用电解液将正电极和相对的阴极分离。阳极和阴极一般都带有电极孔或电极通道，通过其中某个孔或通道，反应剂可进入-->电池内，通常这些孔或通道为阳极孔或阳极通道；而氧化剂一般通过阴极孔或通道进入电池内。反应剂在电池内发生氧化，产生直流电，并伴有水和热作为副产物。一般来说，每块电池可以产生1伏特的电势，但可以将任何数量的电池串连在一起，并通过隔离板隔开，这样可以制造出一个燃料电池堆栈，用于获得各种大小的电压值。在现代燃料电池设计中，通常将阳极、阴极和电解液置于同一个膜电极组件内，该组件为聚合物电解液膜，带有气体扩散层，而分离板和集流器通常安装在一块“双极板”内。该双极板用于限制反应剂、氧化剂、冷却液流和能量转换反应的起始原料的液流通路。有关燃料电池设计和操作的详细资料，可参照位于维吉尼亚西部Morgantown的美国能源部国家能源技术实验室在2000年10月出版的“燃料电池手册，第5版”，该手册作为2004年4月30日申请的专利申请号为_________同时待审美国专利的附录A，此申请名称为“带有亲水表面的燃料电池元件”，所述申请包括此处用于参考的附录A。在美国专利4,988,583、5,733,678、5,798,188、5,858,569、6,071,635、6,251,308、6,436,568以及美国公开专利序列号2002/0155333中对各类燃料电池元件进行了深入介绍，这些元件包括膜电极组件和双极板，这些专利都用作本专利的参考。在燃料电池设计方面一直存在一个巨大挑战，就是如何控制电池中的水分和其他液体。在某些条件下，与电池反应可以快速生成水分。这些水分一般产生于电池的阴极侧，并且若其不断积累的话，可能会阻碍或限制燃料进入电池。这种情况也就是人们熟悉的“阴极淹水(cathodeflooding)”现象。另外，电池内部气体经常含有大量水蒸汽，这些水蒸-->汽为反应副产物，并因为操作缘故会进入电池内。电池和周边环境之间的温差会导致阴极或阳极液流通道表面上出现水蒸汽冷凝现象，并且在运行过程中因水蒸汽进出电池，也会在整个装置元件内或电池内其他表面上产生这种现象。而且，在采用甲醇燃料电池(DMFC)时，一种或多种反应剂或氧化剂原料以液态形式存在。制造双极板的材料会有所不同，但越来越多的情况下，采用聚合物粘结剂内的碳颗粒作为制造材料。适用于粘结剂的各种常用结构聚合物通常具有一定程度的疏水性。液体会在疏水表面上冷凝，这使得液滴与表面之间会出现相对较大的交会角。因此，当在双极板上使用聚合物时，水或其他液体会在液流通路内的双极板上以紧密小液滴的形态聚集，从而会导致上述液流通路受阻或受到限制。我们知道，通常极性液体比如水所使用的聚合物的亲水性可通过将极性基团引入到聚合物表面上来得到提高。此处所使用的极性基团指的是对水或其他极性液体具有亲和性的那一半化学组成，这些极性基团因偶极子产生，或者因偶极化作用、酸碱相互作用、氢键结合、离子相互作用或静电相互作用而产生。这些极性基团一般含有相对负电性的元素，比如氧、氮、氯或硫，并以氢氧化物、醚、酯、羰基、羧基、胺、酰胺、卤化物、磺酰基或磺酸盐形态存在。对开发带有润湿性得到改善的表面的聚合燃料电池元件，前面已经做了许多尝试，这种润湿性改善通过将极性基团引入到元件表面上来完成。在现有技术的工艺中，需通过将元件表面置于非常高的温度环境下使其氧化。而在高温工艺中可使用的材料必然会受到限制，因此只能使用那-->些在非常高温环境下可抵御分子结构断裂和保持结构完整性的材料。另外，操作过程中需要加热和冷却表面，这就增加了生产工艺的复杂性、生产时间和生产费用。因此，采用这种工艺大量生产双极板或其他电池元件难以实现。在其他工艺中，使用浓硫酸对元件表面进行处理。采用这种工艺后会产生化学残留，对燃料电池的正确运行不利。因此需要采用复杂和昂贵的操作步骤来除去这种化学处理后带来的污染物，从而又增加了生产工艺的复杂性、生产时间和生产费用。电池工业发展需要的是一种廉价、易于大规模生产、并且润湿性得到改善的聚合燃料电池元件。专利技术概述本专利技术满足了电池工业对廉价、易于大规模生产、并且润湿性得到改善的聚合燃料电池元件的需求。在本专利技术的一个实施例中，采用聚合物材料制造燃料电池元件主体。至少部分元件主体的表面会与冷等离子接触，这样可以增加接触表面部分的亲水性。这样就使制得的燃料电池元件表面的亲水性得到改善，元件上液体也会以平面液滴状或平板状紧紧粘附在表面上。这些表面可有选择性的使用于该元件的临界区域上，比如双极板和膜电极组件的液流通路内壁表面，因此可防止液流通路在燃料电池工作时出现液封现象。在本专利技术的另一个实施例内，元件表面在存在臭氧或氧气的条件下使用紫外线进行处理，从而可提高所生成表面的亲水性。在本专利技术其他-->实施例中，在元件表面上使用一薄层亲水聚合物，比如聚乙烯醇，从而生成亲水表面。该薄层聚合物可以通过电浆聚合法、薄膜射出加工法、压缩成型加工法或任何其他适当方法制备得到。无论采用上述何种一种方法，目的都是对元件表面进行亲水处理，并使元件表面亲水性得到预期改善。也可以根据元件是否需要亲水属性来决定是否将聚合物处理步骤去除。附图简要说明图1是燃料电池堆栈系统剖面简图，该系统配备有根据本专利技术的双极板；图2是图1燃料电池堆栈系统的放大局部视图，描绘了系统内的一个液流通路；图3是经过冷等离子处理装置的简化示意轮廓图；图4是适合用于制造双极板和其他燃料电池元件的聚合物列表；图5是用于改进聚合物燃料电池元件传导性能的填充材料列表；图6是经过紫外照射处理装置的简化示意轮廓图；图7是燃料电池元件的一个剖面图，用于描绘内部带有亲水聚合物层的元件主体；以及图8是等离子体聚合处理装置的简化示意图。
技术实现思路
为本申请的目的，术语“燃料电池”指的是各种电化学燃料电池装置-->或系统，包括但不局限于质子交换膜燃料电池(PFMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。术语“燃料电池堆栈装置”指的是一个至少含有一块燃料电池和含有燃料电池中一个或全部元件的装置，这些独立元件分别在燃料电池内起着不同的功能，这些独立元件包括但不局限于，外壳、绝缘板、集管、管道系统和电元件。图1中描绘了本专利技术中作为实施例的某燃料电池堆栈系统10的剖面简图。燃料电池堆栈系统10一般包括膜电极组件12，该组件与双极板14分离。以端板16形式存在的单侧双极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池聚合物双极板，它由下列步骤组成的方法制造：板主体由聚合物材料制备，板主体有一个外表面；将板主体装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且　 　通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-5-5 60/468,213;US 2004-4-30 10/837,0301.一种燃料电池聚合物双极板，它由下列步骤组成的方法制造：板主体由聚合物材料制备，板主体有一个外表面；将板主体装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。2.根据权利要求1所述的双极板，其中，板主体至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物。3.根据权利要求2所述的双极板，其中，板主体采用热固乙烯基酯制造。4.根据权利要求2所述的双极板，其中，板主体含有从下列一组材-->料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管。5.根据权利要求1所述的双极板，其中，起动气体可从下列一组物质中选择，这组物质包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。6.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将导电微粒材料加入倒密封舱内，以及将带有聚合物层的导电微粒材料沉积在板主体上。7.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将硅烷或氯硅烷加入到密封舱内，以及通过等离子体聚合工艺将二氧化硅层沉积在板主体上。8.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将至少一部分聚合物层去除。9.一种带有亲水表面部分的聚合物燃料电池元件，其中，该元件由包括下列步骤的方法制造：使用聚合物材料使元件成形，该元件有一个外表面；将元件装在一个密封舱内；-->将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。10.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，该元件为一双极板。11.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，元件至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯W埃克斯垂德，桑基M布特，罗楔蒙森，
申请(专利权)人：诚实公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]