具有气相沉积的碳氟聚合物的扩散介质制造技术

本发明专利技术涉及具有气相沉积的碳氟聚合物的扩散介质。燃料电池包含扩散介质，该扩散介质具有在导电基材上的气相沉积的碳氟聚合物。在PEM燃料电池中使用的扩散介质包含用来改进水管理管理的疏水和亲水区域。疏水聚合物例如氟树脂气相沉积在纸上以限定疏水区域；亲水区域是那些没有被疏水聚合物覆盖或被另外沉积的亲水聚合物覆盖的区域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池以及用于改进在燃料电池工作过程中的水管理的方法。本专利技术还涉及制备燃料电池的扩散介质的方法。
技术介绍
燃料电池作为电动车辆以及其它应用的电源正日益得到应用。典型的燃料电池具有膜电极组件(MEA)，该膜电极组件具有形成于电极之间的催化电极和质子交換膜(PEM)。 在燃料电池工作过程中，基于MEA中发生的氢和氧之间的电极化学反应，在阴极产生水。燃料电池的有效运行取决于系统中提供有效的水管通的能力。气体扩散介质在PEM燃料电池中起重要作用。通常，扩散介质需要有益于从阴极催化剂层除去产物水同时保持反应气体从气体流通道穿过到达催化剂层。另外，电极间的质子交換膜在其被充分水合时处于最佳工作状态。因此，气体扩散介质的最重要的功能之ー是在燃料电池工作过程中提供水管理。为获得最好的水管理，期望提供具有理想的亲水性和疏水性平衡的气体扩散介质。通过提供具有合适的亲水性和疏水性平衡的气体扩散介质，为反应气体和产物水提供不同的传输路径并因而防止由于气体扩散介质的细孔中水的过度聚积引起的电池中的溢流是可能的。在保持质子交換膜合适水合的同时必须实现水的去除，尤其是在该膜的阳极侦1J,该侧倾向于成为由于在高电流密度时阳极向阴极的电渗カ(electroosmotic drag)(由质子携帯的水)而导致的膜首先干燥的部分。另外，获得合适的亲水性和疏水性平衡使得通过在气体扩散介质中保持合适量的液态水或通过电池中液态水的循环可以使用相当干燥的入口反应气体，这减小了对外部加湿器的容量要求。在燃料电池技术中通常在碳纤维扩散介质中添加聚四氟こ烯(PTFE)。该添加使得介质更疏水并提供优点。为改进涂覆PTFE的介质的水管理能力，已经进行了各种尝试，包括涂覆另外的微孔层和/或在扩散介质中嵌入芯吸材料。涂覆PTFE的扩散介质已经表现出缺陷，如例如在标准化的Wilhelmy测试中通过測量动态接触角所证实的那样，在一些情况下，经涂覆的介质的疏水性会随时间降低。改进PTFE涂覆的扩散介质的疏水性保持的方法将代表显著的进步。
技术实现思路
适合在PEM燃料电池中使用的扩散介质通过包括在导电的多孔基材上气相沉积碳氟聚合物的方法来制备。示例性地，多孔基材是碳纤维基的纸。在一个实施方案中，通过将单体前体气体暴露于温度足以使单体前体气体热解并在基材表面附近产生反应性CF2物种源的热源来进行气相沉积。气相沉积的产物是在基材的表面和细孔中沉积的均匀的PTFE状聚合物。在不同的实施方案中，气相沉积完全覆盖基材的至少ー侧的表面或覆盖ー侧小于100%的区域。任何未被碳氟聚合物的气相沉积所覆盖的剩余区域都可以用各种亲水性聚合物涂覆或覆盖。另外，可以提供在ー侧具有微孔层和在另ー侧具有气相沉积的碳氟聚合物的扩散介质。提供包括这样的扩散介质的PEM燃料电池，所述扩散介质放置在流体分配室中，流体分配室通过不渗透的导电构件例如双极板限定在电池的阴极侧和阳极侧上。如果希望在燃料电池中提供期望的水管理水平，可以调节扩散介质上亲水和疏水(气相沉积的碳氟聚合物)的平衡。例如，在多个实施方案中，流体分配室具有反应气体入口侧和出口侧。氧化剂气体例如氧提供给阴极入口。氢燃料提供给阳极入口。氢在阳极氧化形成质子 ，质子通过质子交換膜从阳极到达阴扱，以通过与氧气反应形成水。从阴极除去产物水通过扩散介质的作用得到促进并通过氧化剂气体的流动从电池中除去。在一个实施方案中，扩散介质上疏水聚合物的含量在邻近出ロ侧的扩散介质区域大于邻近入口侧的扩散介质区域。作为选择，亲水聚合物的含量在邻近入口侧的扩散介质区域，可以大于邻近出口侧的区域。扩散介质和包含该扩散介质的燃料电池以及燃料电池堆显示可以接受的燃料电池性能。一方面，由于观察到的气相沉积的扩散介质随着老化还在很大程度上保持着它们的疏水性能的性质，燃料电池的性能得到提高。具体地说，本专利技术涉及以下方面I、ー种燃料电池堆，其包括多个串联电连接的单个的PEM燃料电池，所述单个燃料电池包括 阳极；阴极；设置在所述阳极和阴极之间的质子交換膜，和邻近所述阳极、阴极或这两者的扩散介质，其中所述燃料电池堆中至少ー个燃料电池中的至少ー个扩散介质包含多孔导电基材，其中该基材上具有气相沉积的碳氟聚合物。2、第I项所述的燃料电池堆，其中所述碳氟聚合物是聚四氟こ烯。3、第I项所述的燃料电池堆，其中气相沉积的碳氟聚合物覆盖所述至少ー个扩散介质的小于100%的区域。4、第3项所述的燃料电池堆，其中没有被气相沉积的碳氟聚合物覆盖的扩散介质区域被亲水聚合物覆盖。5、第I项所述的燃料电池堆，其中碳氟聚合物通过如下方法气相沉积，该方法包括将单体前体气体暴露于热源，该热源具有足以热解该单体气体并在基材附近产生反应性碳氟自由基源的温度。6、第5项所述的方法，其中单体前体气体包含六氟氧化丙烯。7、第I项所述的燃料电池堆，其中所述至少一个扩散介质的ー侧覆盖有微孔层，另ー侧包含所述气相沉积的碳氟聚合物。8、第I项所述的燃料电池堆，包括20-500个单个的燃料电池。9、一种制备在PEM燃料电池中使用的扩散介质的方法，该方法包括通过气相沉积将碳氟聚合物施加到多孔导电基材上，其中碳氟聚合物的面积覆盖率小于100%基材。10、第9项所述的方法，其中所述碳氟聚合物是聚四氟こ烯。11、第9项所述的方法，其中气相沉积包括将单体前体气体暴露于热源，该热源具有足以热解该单体气体并在基材附近产生反应性碳氟物种源的温度。12、第11项所述的方法，其中单体前体气体包含六氟氧化丙烯。13、第9项所述的方法，其中面积覆盖率为基材的10% -90%。14、第9项所述的方法，包括将碳氟聚合物施加到基材的ー侧，和将微孔层施加到另ー侧。15、第9项所述的方法，还包括将亲水聚合物施加到没有被碳氟聚合物覆盖的基材区域上。16、ー种PEM燃料电池，包括根据第13项制备的扩散介质。 17、ー种燃料电池堆，包括多个根据第16项的燃料电池。18、ー种燃料电池，包括阳极；阴极；设置在所述阳极和阴极之间的质子交換膜；邻近阴极的不滲透的导电构件，所述导电构件和所述阴极限定具有氧化剂入口侧和出口侧的流体分配室；和设置在位于所述阴极和导电构件之间的所述流体分配室中的扩散介质，其中该扩散介质从氧化剂入口侧到出ロ侧横跨流体分配室，其中该扩散介质包括导电多孔材料；和包含沉积在该多孔材料上的疏水聚合物的疏水区域，该疏水聚合物包括气相沉积的碳氟聚合物。19、第18项所述的燃料电池，其中所述碳氟聚合物是聚四氟こ烯。20、第18项所述的燃料电池，其中碳氟聚合物通过如下方法沉积，该方法包括将単体前体气体暴露于热源，该热源具有足以热解该单体气体并在基材附近产生反应性碳氟物种源的温度。21、第20项所述的方法，其中单体前体气体包含六氟氧化丙烯。22、第18项所述的燃料电池，其中疏水聚合物在邻近出口侧的扩散介质区域中的含量大于邻近入口侧的扩散介质区域中的含量。23、第22项所述的燃料电池，其中邻近入口侧的扩散介质区域中亲水区域的含量大于邻近出ロ侧扩散介质区域中的含量。24、第18项所述的燃料电池，其中扩散介质还包括没有被所述疏水聚合物覆盖的区域。25、第24项所述的燃料电池，其中亲水区域被亲水聚合物覆盖。从以下详细描述中，本专利技术的其它应用领域会变得显而易见。应该理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2006.03.20 US 11/3847051.ー种燃料电池堆，其包括多个串联电连接的单个的PEM燃料电池，所述单个燃料电池包括 阳极； 阴极； 设置在所述阳极和阴极之间的质子交換膜，和 邻近所述阳极、阴极或这两者的扩散介质， 其中所述燃料电池堆中至少ー个燃料电池中的至少ー个扩散介质包含多孔导电基材，其中该基材上具有气相沉积的碳氟聚合物。2.权利要求I所述的燃料电池堆，其中所述碳氟聚合物是聚四氟こ烯。3.权利要求I所述的燃料电池堆，其中气相沉积的碳氟聚合物覆盖所述至少ー个扩散介质的小于100%的区域。4.权利要求3所述的燃料电池堆，其中没有被气相沉积的碳氟聚合物覆盖的扩散介质区...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪纯新，M·马蒂亚斯，
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：