具有疏水性和亲水性的扩散介质制造技术

用在ＰＥＭ燃料电池中的扩散介质，该扩散介质包含用于改进的水管理的疏水区和亲水区。疏水聚合物如氟树脂沉积在纸上限定疏水区，导电聚合物如聚苯胺或聚吡咯沉积在纸上限定亲水区。在各个实施方案中，在碳纤维基扩散介质上的疏水区和亲水区阵列通过将亲水聚合物电引发聚合到预先涂覆有疏水聚合物如碳氟聚合物的扩散介质上来产生。当含有用于电引发聚合的单体的水溶液与碳氟化合物涂覆的扩散介质接触时，亲水聚合物将优先沉积在未覆盖碳氟化合物的碳纤维基扩散介质区域上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池和改进燃料电池运行过程中水管理的方法。本专利技术还涉及用于燃料电池的扩散介质的制备方法，所述扩散介质具有空间图案化的疏水区和亲水区。
技术介绍
燃料电池日益用作电动汽车和其它应用的电源。典型的燃料电池具有膜电极组件(MEA)，该膜电极组件(MEA)具有催化电极和在电极之间形成的质子交换膜。在燃料电池运行过程中，基于出现在MEA中的氢和氧之间的电化学反应，在阴极产生水。燃料电池的有效运行取决于在系统中提供有效的水管理的能力。气体扩散介质在PEM燃料电池中起重要作用。通常，扩散介质需要通过毛细作用从阴极催化剂层带走产物水，同时保持反应物气体从气流通道流达催化剂层。另外，电极之间的质子交换膜在完全被水合时运行最好。因此，气体扩散介质的最重要的功能之一是在燃料电池运行过程中提供水管理。对于最佳的水管理，提供具有所需平衡的亲水性和疏水性的气体扩散介质是合乎需要的。通过提供具有适当平衡的亲水性和疏水性的气体扩散介质，可以向反应物气体和产物水提供不同的传输路径并因此防止由于水在气体扩散介质的孔隙中过度积累导致的电池中的溢流，同时保持质子交换膜的适当水合，特别是当在高电流密度通过质子经由渗透牵引将水从阳极侧运至阴极侧时。另外，通过在气体扩散介质中保持适当量的液态水或通过电池内部液态水循环使得能够利用相当干燥的进入反应物气体，因而减少对外部加湿器的容量要求。将聚四氟乙烯(PTFE)添加到碳纤维扩散介质中是普通的燃料电池技术。这种添加使介质更为疏水而且提供优点。已做了各种尝试以改进PTFE涂敷介质的水管理能力，包括涂敷额外的微孔层和/或将芯吸材料嵌入到扩散介质中。因此，提供具有改进的疏水性和亲水性平衡的气体扩散介质是合乎需要的，这种改进的平衡能够用来在燃料电池中提供有效的水管理。提供将疏水材料如聚四氟乙烯沉积至此类扩散介质以便能够精确地设置疏水区和亲水区从而获得最佳的燃料电池效率的方法也是合乎需要的。专利技术概述在一个实施方案中，用于PEM燃料电池的扩散介质包含疏水区和亲水区用于改进的水管理。该扩散介质包含具有两个侧面的片形式的碳纤维纸。疏水聚合物沉积在该纸上以限定疏水区，亲水导电聚合物沉积在该纸上以限定亲水区。在各个实施方案中，碳纤维基扩散介质上的疏水区和亲水区阵列通过将亲水聚合物电引发聚合到预先涂敷有疏水聚合物如碳氟聚合物的扩散介质上来产生。当含有用于电引发聚合的单体的水溶液与碳氟化合物涂敷的扩散介质接触时，亲水导电聚合物将优先沉积在未覆盖碳氟化合物的碳纤维基扩散介质区域上。由于电引发聚合主要发生在未覆盖碳氟化合物的区域，所以将产生具有疏水区和亲水区平衡的扩散介质。在另一实施方案中，提供包含位于流体分配室中的扩散介质的PEM燃料电池，流体分配室通过不渗透的导电元件如双极板限定在电池的阴极侧和阳极侧上。可以调节扩散介质上的亲水区和疏水区的平衡以在燃料电池中提供所需水平的水管理。例如，在各个实施方案中，流体分配室具有反应物气体入口侧和出口侧。将氧化剂气体如氧气供应给阴极入口。将氢燃料供应给阳极入口。氢在阳极被氧化形成质子，并且质子从阳极穿过聚合物交换膜到达阴极以便与氧气反应形成水。通过扩散介质的作用将产物水芯吸离开阴极电极并通过氧化剂气体的流动从电池去除该产物水。在一个实施方案中，邻近出口侧的扩散介质区域中的扩散介质上疏水聚合物的含量大于邻近入口侧的扩散介质区域中的扩散介质上疏水聚合物的含量。可选择的是，邻近入口侧的扩散介质区域中的亲水聚合物的含量可以大于邻近出口侧的扩散介质区域中的亲水聚合物的含量。在各个实施方案中，疏水聚合物包括碳氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)，并且通过电引发聚合沉积的亲电子聚合物是聚苯胺或聚吡咯。优选，疏水聚合物是不导电的。在另一实施方案中，扩散介质通过下述方法来制备，该方法包括将碳氟聚合物以图案方式沉积到导电的多孔基材，如碳纤维基基材上以便保留一部分基材不被碳氟聚合物覆盖。因此，导电聚合物优选通过电引发聚合沉积在基材的未覆盖部分。优选，在进行电引发聚合步骤之前沉积的碳氟聚合物经受高温以烧结该聚合物，从碳氟聚合物溶液烧掉分散剂并将其固定在碳纤维基基材上。根据下文提供的详细描述，本专利技术适用的其它领域将变得显而易见。应当理解的是在说明本专利技术的各个实施方案时，详细描述和具体例子仅仅是说明的目的并不意味着限制本专利技术的范围。附图简述根据详细描述和附图，将更全面地理解本专利技术，其中附图说明图1和2说明用于实施将疏水聚合物以所需图案沉积在基材上的方法的图案元件的实施方案；图3、4和5是用在所述方法中的模具的截面图。图6是示例性的燃料电池系统电池堆中的三个电池的示意图。详细描述优选实施方案的以下描述实质上仅仅是示例性的并且决不意味着限制本专利技术、它的应用或用途。用于PEM燃料电池的扩散介质包含用于改进的水管理的疏水区和亲水区，该扩散介质包括具有两个侧面的片形式的导电多孔材料；沉积在多孔材料上的疏水聚合物，限定疏水区；和沉积在多孔材料上的亲水导电聚合物，限定亲水区。优选的多孔材料是碳纤维纸或碳布。在各个实施方案中，疏水聚合物是碳氟聚合物。适宜的疏水聚合物包括，但不限于，聚四氟乙烯(PTFE)，氟化的乙烯丙烯(FEP)和聚氟烷氧基(PFA)。优选的导电聚合物包括，但不限于，聚苯胺和聚吡咯。在各个实施方案中，通过涂敷疏水聚合物限定的疏水区主要位于纸的一侧上，同时通过沉积导电聚合物限定的亲水区主要位于纸的另一侧上。在另一实施方案中，在纸的一侧或两侧上提供疏水区和亲水区图案以便提供具有亲水性和疏水性平衡的扩散介质。在另一实施方案中，制备具有疏水区和亲水区的碳纤维基扩散介质的方法包括a)将疏水聚合物以某种图案沉积到碳基基材上以便保留一部分基材不被疏水聚合物覆盖；和因此b)将导电聚合物沉积到未被覆盖的基材部分上。在各个实施方案中，疏水聚合物包括碳氟聚合物如PTFE和导电聚合物包括聚苯胺或聚吡咯。在一些实施方案中，疏水聚合物主要沉积在基材的一侧上，导电聚合物主要沉积在另一侧上。疏水或碳氟聚合物可以用各种方法沉积在碳纤维基基材上。在各个优选实施方案中，通过下面论述的和在名称为″Preparationof Patterned Piffusion Media″碳氟聚合物的所需图案沉积在碳纤维基材上，上述申请转让给当前受让人，2004年4月14日提交，序列号为10/824,032，在此并入其所披露的内容作为参考。在各个实施方案中，碳氟聚合物用这样一种方法沉积到基材上，该方法包括以下步骤a)用碳氟聚合物水乳液中的溶剂润湿碳纤维纸片，如将该纸浸渍到乳液中；b)使润湿片与图案元件接触，该图案元件包括对应于碳氟聚合物沉积预定图案定向的一个或多个开口；c)在该片与图案元件接触时从该片上蒸发溶剂。结果，在邻近图案元件上的开口的区域碳氟聚合物浓缩在片上。可以通过将片保持在两个模具表面进行接触步骤，其中至少一个模具表面包括溶剂可以蒸发通过的开口。在选择性的实施方案中，一个模具表面包括开口，而另一个模具表面是实心的。在另一实施方案中，两个模具表面都包括开口，而且碳氟聚合物的图案沉积在碳纤维纸的两侧上。图案元件可以包括筛网。在各个实施方案中，通过加热片去除溶剂来完成溶剂的蒸发。在各个优选的实施方案中，片的至少一侧在其大约10％到大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，包括：阳极；阴极；位于阳极和阴极之间的质子交换膜；与阴极相连具有气体入口侧和气体出口侧的流体分配室；与阳极相连具有气体入口侧和气体出口侧的流体分配室；位于与阴极相连的流体分配室、 与阳极相连的流体分配室或上述两者内的扩散介质，其中该扩散介质从入口侧到出口侧跨越流体分配室，而且其中至少一个扩散介质包含：导电多孔材料；沉积在多孔材料上的限定疏水区的疏水聚合物；和沉积在多孔材料上的限定亲水区的亲水聚 合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪纯新，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]