CN101496198A - 扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统 - Google Patents

扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN101496198A
CN101496198A CNA2006800140157A CN200680014015A CN101496198A CN 101496198 A CN101496198 A CN 101496198A CN A2006800140157 A CNA2006800140157 A CN A2006800140157A CN 200680014015 A CN200680014015 A CN 200680014015A CN 101496198 A CN101496198 A CN 101496198A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydrophilic
diffusion media
porous
coating
porous diffusion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2006800140157A
Other languages
English (en)
Inventor
谢涛
纪纯新
郑仰泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN101496198A publication Critical patent/CN101496198A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Coating Of Shaped Articles Made Of Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

在至少某些实施方案中，本发明提供了扩散介质和使用该扩散介质的燃料电池和系统，在至少一个实施方案中，扩散介质包含具有外表面的多孔基质和在至少一部分多孔基质上的亲水聚合物涂层，该亲水涂层包含含有亲水单体的制剂的固化产物。

Description

扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统
发明领域
本发明大体上涉及扩散介质、使用本发明的扩散介质的燃料电池和采用这种燃料电池的燃料电池供能的系统。更具体地，本发明涉及使用扩散介质解决燃料电池和其它类型的器件中的水转移难题。
背景技术
燃料电池已经被用作许多用途中的电源并被提议用在电动汽车动力装置中以代替内燃机。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，对燃料电池的阳极供应氢，对阴极供应作为氧化剂的氧。PEM燃料电池包括膜电极组合件(MEA)，其包含在其一面上具有阳极并在相反面上具有阴极的薄的、质子传导性的、非电子传导性(non-electrically conductive)的固体聚合物电解质膜。MEA夹在一对电子传导性元件之间，这对元件(1)充当阳极和阴极的集电器，和(2)在其中含有适当的通道和/或开孔以使燃料电池气态反应物分布在各自的阳极和阴极催化剂的表面上。多个单独电池通常束在一起形成PEM燃料电池堆。术语燃料电池通常根据上下文用于指单电池或多个电池(堆)。堆中的一组电池通常被称作簇(cluster)。在转让给General Motors Corporation的美国专利No.5,763,113中描述了电池堆中多个电池的典型布置。
在PEM燃料电池中，氢(H2)是阳极反应物(即燃料)，氧是阴极反应物(即氧化剂)。氧可以是纯净形式(O2)、或空气(O2和N2的混合物)。固体聚合物电解质通常由离子交换树脂，例如全氟化磺酸离子交联聚合物制成。阳极/阴极通常包含细碎的催化颗粒，其通常负载在碳颗粒上并与质子传导树脂混合。催化颗粒通常是贵重的贵金属颗粒。包含催化电极的这些膜电极组合件需要某些受控条件以保持最佳质子传导性所需的一定水化(hydration)和避免溢流。
燃料电池的有效运行至少部分取决于在发生反应的电极催化位点有效分散反应物气体的能力。此外，需要有效去除产物水以便不会抑制新鲜反应物流向催化位点。因此，改进反应物和产物水进出发生反应的MEA的迁移性是合意的。
为了改进反应物和产物物质进出发生反应的MEA的迁移性，使用扩散结构——其提高进出燃料电池的MEA中的电极的质量传递。扩散结构在与电池的膜电解质相对的电极主表面上与电极协作并相互作用，因此需要电和热传导性。扩散结构有利于向电极供应反应物气体。扩散结构下文被称作扩散介质。参见例如授予本申请的受让人的美国专利No.6,350,539。扩散介质位于MEA和各个燃料电池的阴极或阳极流动通道之间。相对典型的扩散介质的一个例子包括电子传导性多孔介质，例如碳纸。
在操作PEM燃料电池时，由于在MEA中发生的氢与氧之间的电化学反应，在阴极侧产生水。水还通常经由反应物气流引入燃料电池以润湿该膜，从而确保良好的质子传导性。PEM燃料电池可能遭受相对过量的水，其如果不从该系统中去除，就会阻塞氧化剂气体和阴极之间的传输路径。除阴极侧上可能的氧化剂不足外，也可能在阳极侧上形成气流通道中的水栓，这可能造成氢不足。阳极侧上的水可能由氢气的外部润湿和由透过膜的反向扩散(阴极到阳极)引起。如果发生这些情况，燃料电池效率会降低并可能最终造成系统停止--一种被称作“溢流”的现象。因此，管理水是燃料电池的有效运行的一个相对重要的方面。
扩散介质在PEM燃料电池水管理中发挥相对重要的作用。扩散介质可以促进水的移动以确保MEA中反应物气体与催化剂电极之间良好的传输路径。实现这一点的一种传统实践是用疏水材料，例如聚四氟乙烯(PTEE)涂布扩散介质(例如碳纸)。这种PTEE涂布使该介质更疏水并由此有助于防止水堵塞扩散介质中的流动通道。此外，为提供更有效的水管理，还追求其它水管理性能。对于气体扩散介质，提供流动路径对于燃料电池中提高的水管理是合意的。
发明概述
在至少一个实施方案中，本发明包括具有包括第一主表面和第二主表面的外表面的多孔基质和在至少一部分多孔基质上的亲水聚合物涂层，其中亲水涂层包含含有亲水单体的制剂的固化产物。
在至少另一实施方案中，本发明包括包含阳极、阴极、位于阳极和阴极之间的PEM、和位于阳极和阴极至少之一与PEM之间的扩散介质的燃料电池。扩散介质包含具有包括第一主表面和第二主表面的外表面的多孔基质和在至少一部分外表面上的亲水聚合物涂层。该亲水涂层包含含有亲水单体的制剂的固化产物。
在至少再一实施方案中，本发明包括制造扩散介质的方法。该方法包括提供多孔基质并用亲水聚合物涂层涂布至少一部分多孔基质。在至少一个实施方案中，涂布步骤包括使多孔基质暴露在包含亲水单体的亲水制剂中以在多孔基质上形成涂层前体，遮蔽第一部分涂有前体的多孔基质，同时让第二部分基质未遮蔽，并使涂有前体的多孔基质暴露在紫外线下以紫外线固化第二部分基质上的涂层前体以在该第二部分上形成亲水聚合物涂层。
根据本文提供的详述，本发明的其它应用领域变得显而易见。应该理解的是，详述和具体实施例尽管显示了本发明的优选实施方案，但仅用于举例说明而非限制本发明的范围。
附图简述
根据详述和附图，将更充分地理解本发明，在附图中，类似的结构用类似的附图标记表示，且其中：
图1是包含本发明的多孔扩散介质的燃料电池的分解示意图；
图2是根据本发明的实施方案的扩散介质的图解；
图3是靠着催化剂层放置的根据本发明的实施方案的扩散介质的图解；
图4是根据本发明的其它实施方案的扩散介质的示意图；
图5是包含使用本发明的多孔扩散介质的燃料电池的车辆的图解。
优选实施方案详述
优选实施方案的下列描述就其性质而言仅是示例性的且无论如何不是要限制本发明、其应用或用途。现在详细提及本发明的目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成发明人目前已知的本发明的最佳实施方式。附图不一定按比例。但是，要理解的是，所公开的实施方案仅是可以以各种可选择的形式实施的本发明的示例。因此，本文所公开的具体细节不被认为是限制性的，而是仅作为权利要求的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
除了在实施例中或在另行明确指明的地方外，本说明书中描述材料量或反应条件和/或应用的所有数值量被理解为用词语“大约”修饰以描述本发明的最宽范围。在所述数值限值范围内的实践通常是优选的。此外，除非明确作出相反论述：百分比，“份数”和比值按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”和类似物；对于与本发明相关的给定用途而言合适或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类中任何两种或更多成员的混合物同样合适或优选；在化学方面成分的描述是指在添加到本说明书中所列的任何组合中时的成分，且不必排除在一经混合后混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩写词或其它缩写的第一个定义适用于相同缩写在本文中的所有随后的应用，并适用于最初定义的缩写的标准语法变体；且除非明确地作出相反论述，通过与上文或下文中对于相同性质提出的相同技术确定性质的测量。
先参看图1，显示了包含本发明的多孔扩散介质20的示例性燃料电池10。具体地，燃料电池10包含插在燃料电池10的阳极流场40和阴极流场50之间的膜电极组合件30。已想到，流场40、50和膜电极组合件30可以在不背离本发明范围的情况下具有各种传统或有待开发的形式。尽管膜电极组合件30的具体形式超出本发明的范围，在所示实施方案中，膜电极组合件30包括各自的催化电极层32和离子交换膜34。
参照图2，显示了根据本发明的一个实施方案的多孔扩散介质20。扩散介质20包含在至少一部分多孔基质表面上具有亲水聚合物涂层24的多孔基质22。在至少一个实施方案中，亲水聚合物涂层24包含对于涂布介质20适合产生小于90°，在另一些实施方案中小于75°，在又一些实施方案中小于50°，在再一些实施方案中小于25°，在再一些实施方案中小于15°，在再一些实施方案中小于10°，在再一些实施方案中小于5°，在再一些实施方案中为0°的接触角的固化聚合物。亲水涂层24可以提供穿过介质20的有效水流路径以将水芯吸走。对于多孔介质，0°的接触角意味着水基本立即穿过或芯吸穿过扩散介质20。
在至少一个实施方案中，涂层24是使涂布基质22亲水(即具有小于90°的接触角)的亲水聚合交联单体。单体可以通过交联单体的接枝聚合和/或沉积法沉积在多孔基质22的表面上。在至少一个实施方案中，涂层24可以为1nm(纳米)至1μm(微米)厚，在另一些实施方案中为5至100纳米厚，在再一些实施方案中为10至50纳米厚。在低于1纳米的厚度下，基质22可能不够亲水。在大于1微米的厚度下，基质22的渗透性可能受损。
多孔基质22可以包含任何合适的多孔基质材料，例如电子传导性材料、碳纸、石墨纸、布、毡、泡沫、碳或石墨织物、碳或石墨无纺布、金属筛或泡沫、及其组合。尽管基质22的尺寸极大取决于与要使用多孔扩散基质20的具体应用相关的设计要求，要指出，可以使用20微米至1000微米或更特别200微米的厚度d。类似地，作为例举而非限制，多孔基质可以确定以织物透气性试验仪值(permeometer number)(用Gurley织物透气性试验仪，型号4301测定)表征的孔隙率，为在0.5英寸水下50ft3/min/ft2，或更通常以在0.5英寸水下20ft3/min./ft2至100ft3/min./ft2的Gurley织物透气性试验仪值。在这点上，要指出，孔隙率是空气有多容易透过材料样品的量度。Gurley试验测量了给定体积的空气透过样品所需的时间。
可以使可聚合单体通过接枝和/或沉积聚合和交联到多孔基质22上以使包括孔隙内表面(即穿过多孔基质厚度d或主体)的多孔基质的几乎整个表面完全被交联/接枝聚合物涂布。或者，涂层24可以限制在小于基质22的整个表面，例如整个表面或主体的一部分(小于d，例如d的一半)，基质22的一面或两面，基质22的一面或两面的一部分，和/或条形或其它离散的覆盖形状。
在一个工艺实施方案中，在溶剂或其它对反应物成分合适的稀释剂中包含可自由基聚合的单体、聚合引发剂和交联剂的试剂浴与多孔基质22接触。然后将处理过的基质22置于实施单体的自由基聚合和用交联聚合物涂布多孔基质的条件下。当单体是双官能或具有更高官能度时，不需要使用其它交联剂。
在本文中可以使用用于涂布聚合物的任何单体，只要其是亲水的，能够通过自由基聚合法聚合和可以交联即可。合适的亲水单体包括但不限于，羟基取代的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，包括但不限于2-羟乙基丙烯酸酯、2-和3-羟丙基丙烯酸酯、2，3-二羟丙基丙烯酸酯、聚乙氧基乙基-和聚乙氧基丙基-丙烯酸酯；丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺及其衍生物，包括但不限于N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基-氨基乙基、N，N-二乙基-氨基乙基、2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸、N-[(3-二甲基氨基)丙基]丙烯酰胺、和丙烯酸2-(N，N-二乙基氨基)乙基甲基丙烯酰胺；聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；聚丙二醇丙烯酸酯、聚丙二醇甲基丙烯酸酯、聚丙二醇二丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯；丙烯酸；甲基丙烯酸；2-和4-乙烯基吡啶、4-和2-甲基-5-乙烯基吡啶；N-甲基-4-乙烯基吡啶；2-甲基-1-乙烯基咪唑；二甲基氨基乙基乙烯基醚；N-乙烯基吡咯烷酮；衣康酸、巴豆酸、富马酸和马来酸；苯乙烯磺酸及其混合物。在至少一个实施方案中，特别合适的单体包含聚乙二醇丙烯酸酯。
对上述单体合适的交联剂是本领域中公知的。合适的试剂包括，但不限于，具有二或多不饱和官能团的单体，包括但不限于聚乙二醇和聚丙二醇的二丙烯酸酯和二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三甲基丙烯酸酯、二-三羟甲基丙烷、四丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、四甲基丙烯酸酯、二乙烯基苯、含二乙烯基砜硅氧烷的二丙烯酸酯和二甲基丙烯酸酯。在至少一个实施方案中，特别合适的交联剂包括聚乙二醇二丙烯酸酯。
对上述单体合适的引发剂是本领域中公知的。合适的引发剂包括，但不限于，过硫酸铵、过硫酸钾、4，4’-偶氮双(4-氰基戊酸)、2，2’-偶氮双(2-脒基丙烷)盐酸盐、过硫酸氢钾、酮或类似物。在至少一个实施方案中，特别合适的交联剂包括酮，例如Ciba SpecialtyChemicals IRGACURE 184(1-羟基-环苯基-酮(1-hydroxy-cycle-phenyl-ketone))。
用于可聚合单体、聚合引发剂和交联剂的具体溶剂组合物或稀释剂取决于所用具体反应物。必要的只是反应物在溶剂中溶解且溶剂不会腐蚀多孔基质22。典型的合适溶剂组合物包括(a)水和(b)与水混溶的有机溶剂，例如N-甲基吡咯烷酮、二甲亚砜、异丙醇、2-丙醇、四氢呋喃、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、四氢噻吩-1，1-二氧化物、N-环己基-2-吡咯烷酮、四甲基脲或类似物。
通常，可聚合单体通常可以在反应物溶液中在至少一个实施方案中以反应物溶液重量的1重量％至100重量％，在另一实施方案中以5重量％至50重量％，在再一实施方案中以10重量％至30重量％的浓度存在。在至少一个实施方案中，交联剂通常以反应物溶液重量的0.5重量％至100重量％，在另一实施方案中以1重量％至25重量％，在再一实施方案中以2重量％至10重量％的量存在。在至少一个实施方案中，聚合引发剂通常以反应物溶液重量的0.01重量％至10重量％，在另一实施方案中以0.5重量％至5重量％，在再一实施方案中以1重量％至3重量％的量存在。如上所述，可以在没有单体的情况下使用交联剂并由此可以充当可聚合单体。
可以使用引发自由基聚合的任何传统能量源，例如紫外线、加热、γ辐射、电子束辐射等等。在至少一个实施方案中，聚合反应应该实施确保多孔基质22的所需表面被沉积的聚合物组合物涂布而基本不会阻塞基质22中的孔隙的时间。在至少一个实施方案中，亲水聚合物涂层24将多孔基质22的透气性与其初始透气性相比降低了小于40％，在另一些实施方案中降低了小于25％，在再一些实施方案中降低了小于15％。通常，在至少一个实施方案中，合适的反应时间为0.1至30分钟，在另一些实施方案中1至4分钟。可以在多孔基质22浸在溶液中的同时进行反应。但是，这可能导致单体在整个溶液中聚合。优选用反应物溶液浸透多孔基质22并在溶液外部进行反应以使单体不会浪费。因此，反应可以分批或连续进行。当作为连续法运行时，用反应物溶液浸透多孔基质片22，然后转移到反应区域，在此其暴露在能量下以实现聚合反应。
如上所述，在至少一个实施方案中，亲水聚合物涂层24可以位于多孔基质22的整个表面上。在至少另一实施方案中，亲水聚合物涂层24可以位于多孔基质22的不到整个表面上。例如，在至少某些实施方案中，亲水聚合物涂层24可以位于基质22的主表面21或23之一或两者上，或位于基质主表面21、23之一或两者的一部分上。此外，在至少另一实施方案中，亲水聚合物涂层24可以位于基质22的主表面21、23之一或两者的几乎全部或一部分上，并明显延伸到主表面21、23的涂布部分之间的基质22的主体内。
总体来看图2和4，显示了某些实施方案，其中亲水涂层24的示例性间隔区域26可以横跨扩散介质的第一和第二主表面21、23之间的多孔扩散介质20横截面分布，并可以横跨第一和第二主表面21、23交替。在该实施方案中，多孔基质22的基本未涂布区域28可以位于亲水涂布区域之间。例如而非作为限制，要指出，根据本发明的一个实施方案，间隔的亲水涂布区域26可以以小于5.0厘米，根据另一实施方案小于1.0厘米，根据再一实施方案0.5厘米，且根据又一实施方案0.25厘米的周期性为特征。当然，亲水区域26的周期性、形状和相对尺寸极大取决于与使用多孔扩散介质20的具体应用有关的设计要求。
如图2-4中示例性显示的本发明的亲水涂布区域26的间隔构造可以通过将扩散介质20分成加强水传递的区域26和加强气体传递的区域28来限制水和气体传递之间的干扰。
在本发明的某些实施方案中，亲水区域26可以限定为足够亲水以确定小于90°，在另一些实施方案中小于75°，在又一些实施方案中小于50°，在再一些实施方案中小于25°，在再一些实施方案中小于15°，在再一些实施方案中小于10°，在再一些实施方案中小于5°，在再一些实施方案中0°的接触角。
同样如图2-4中所示，在至少一些实施方案中，多孔扩散介质20可以包含疏水材料25，其例如为沿扩散介质20的一个，例如第二主表面23的至少一部分设置的疏水层形式。疏水材料25通常在多孔基质22的表面上形成相对较薄的疏水涂层，例如最多1微米厚，而不会明显降低多孔基质22的透气性。在所示实施方案中，疏水材料25有助于防止液体水滴在扩散介质20上聚集。已经想到，可能优选的是确保疏水材料25比多孔扩散介质20的涂布和未涂布区域26、28更推斥水滴，即更疏水。
疏水材料25通常包括含氟聚合物。作为例子而非限制，合适的含氟聚合物可以由四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)、乙烯和四氟乙烯(ETFE)、氟化乙烯和丙烯(FEP)、全氟甲基乙烯基醚、偏二氟乙烯、和类似物及其组合制成。
在至少一个实施方案中，亲水聚合物涂层24和疏水材料25可以在多孔基质22附近以离散图案布置以在扩散介质20中产生加强水传递的区域和加强气体传递的区域。在这种构造中，在被亲水涂层24涂布的基质22的部分26中会加强水传递，在被疏水材料25涂布的区域28中会加强气体传递。
在至少一个实施方案中，本发明的扩散介质20通过使多孔基质22暴露在溶剂(如果必要)、亲水单体、交联剂(如果必要)和优选引发剂的溶液中来制造。在至少一个实施方案中，通过将多孔基质22浸在溶液中，使多孔基质22暴露在溶液中。然后额可以让处理过的多孔基质22干燥以使溶剂蒸发，从而留下其上具有涂层前体的处理过的多孔基质22。其上具有涂层前体的多孔基质22随后可以暴露在固化媒介，例如紫外线中，以将涂层24固化到多孔基质22上，从而形成扩散介质20。
在另一实施方案中，亲水涂层24的选择性放置可以通过如下方式实现：将其上具有涂层前体的多孔基质22用合适的掩模，例如金属或塑料板覆盖，然后使该掩蔽的多孔基质22暴露在合适的固化介质中以固化多孔基质22的未覆盖(即未掩蔽)部分。在该实施方案中，特别合适的固化介质是紫外线，因为紫外线不会固化被掩模覆盖的涂层前体。在移除掩模后，具有预定涂层24的多孔基质22可以随后用溶剂漂洗以从多孔基质22上去除未固化的涂层前体。可以让具有被亲水涂层24涂布的部分的多孔基质22随后干燥形成扩散介质。此外，还想到，使用掩模的一种替代方案可以是将亲水单体溶液仅选择性施加到要被亲水涂层24涂布的离散区域26上。如果需要，可以将疏水材料25以任何合适的方式，在被亲水涂层24涂布之间或之后，置于或固定在扩散介质20上。如果使用疏水材料25，其可以以任何合适的方式，例如气相PTFE沉积法置于介质20上。
参看图5，要指出，本发明的器件可以包括限定与本发明的燃料电池10和燃料储存装置15结合的燃料电池供能机动车100的另一结构。但是要理解的是，其它燃料电池系统应用，例如在住宅系统领域中，可以从本发明获益。
通过实施例进一步解释本发明。要理解的是，本发明不受实施例限制。
实施例
制备包含0.1克聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、0.4克聚乙二醇丙烯酸酯(PEGA)、0.02克光引发剂Irgacure 184(可获自Ciba SpecialtyChemicals)和1.5毫升异丙醇的亲水涂料组合物的制剂。然后将碳纤维扩散介质浸在溶液中1分钟。然后将扩散介质从溶液中取出并在空气中暴露5分钟以蒸发异丙醇溶剂。然后将处理过的扩散介质暴露在紫外线固化下。
为了测试亲水涂层的耐久性，使具有亲水涂层的扩散介质暴露在加热至95℃的水中3天，然后暴露在95℃的酸性水溶液(pH＝2)中3天。在暴露在水和酸性水溶液中之后，扩散介质保持亲水，这表明亲水涂层非常稳定并合适地附着到扩散介质的多孔基质上。
要指出，“优选地”、“通常地”和“典型地”之类的术语在本文中不用于限定所要求的本发明的范围或意味着某些要素对于所要求的本发明的结构或功能是关键的、基本的或甚至重要的。但是，这些术语仅用于突出在本发明的具体实施方案中可以使用或不使用的替代或附加要素。
为了描述和限定本发明，要指出，术语“基本(substantially)”在本文中用于表示可归因于任何数量比较、值、测量或其它表示法的固有不确定程度。术语“基本”在本文中也用于表示数量表示法在不造成所述标的物基本功能变化的情况下偏离所述基准的程度。
尽管已经例证和描述了本发明的实施方案，但这些实施方案旨在例证和描述本发明的所有可能的形式。说明书中所用的词语是描述性而非限制性词语，要理解的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下作出各种变动。此外，尽管本发明的一些方面在本文中被确定为优选的或特别优选的，但本发明未必限于本发明的这些优选方面。

Claims (20)

1.多孔扩散介质，其包含：
具有包括第一主表面和第二主表面的外表面的多孔基质；和
在至少一部分外表面上的亲水聚合物涂层；
该亲水涂层包含含有亲水单体的制剂的固化产物。
2.权利要求1的多孔扩散介质，其中亲水涂层足够亲水以限定沿扩散介质的第一和第二主表面之一小于90°的接触角。
3.权利要求1的多孔扩散介质，其中亲水涂层足够亲水以限定沿扩散介质的第一和第二主表面之一小于25°的接触角。
4.权利要求1的多孔扩散介质，其中亲水涂层足够亲水以限定沿扩散介质的第一和第二主表面之一为0°的接触角。
5.权利要求1的多孔扩散介质，其中多孔基质包含电子传导性材料，包括碳纸、石墨纸、布、毡、泡沫、碳或石墨织物、碳或石墨无纺布、金属筛或泡沫的至少一种及其组合。
6.权利要求4的多孔扩散介质，其中多孔基质限定20微米至1000微米的厚度且亲水涂层具有1纳米至1微米的厚度。
7.权利要求2的多孔扩散介质，其中外表面包括在第一和第二主表面之间延伸的内表面部分，涂层置于内表面部分上并在第一和第二主表面之间延伸。
8.权利要求7的多孔扩散介质，其中亲水单体包含丙烯酸二醇酯或甲基丙烯酸二醇酯。
9.权利要求8的多孔扩散介质，其中亲水单体包含聚乙二醇丙烯酸酯。
10.权利要求7的多孔扩散介质，其中亲水单体是可紫外线固化的。
11.权利要求10的多孔扩散介质，其中该制剂包含聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、光引发剂和溶剂。
12.权利要求1的多孔扩散介质，其中多孔扩散介质进一步包含疏水材料。
13.权利要求12的多孔扩散介质，其中疏水材料沿扩散介质的第一和第二主表面之一放置。
14.权利要求1的多孔扩散介质，其中亲水涂层具有横跨在扩散介质的第一和第二主表面之间的多孔扩散介质横截面分布的部分。
15.权利要求1的多孔扩散介质，其中亲水聚合物涂层包含亲水聚合物涂层区域，扩散介质包含未涂布区域，亲水聚合物涂层区域和未涂布区域横跨扩散介质的第一和第二主表面的至少一个交替。
16.权利要求12的多孔扩散介质，其中亲水聚合物涂层包含亲水聚合物涂层区域，疏水材料包含疏水材料区域。
17.权利要求16的多孔扩散介质，其中交替区域以小于5厘米的周期性为特征。
18.燃料电池，其包含：
阳极；
阴极；
位于阳极和阴极之间的PEM；和
位于阳极和阴极至少之一与PEM之间的扩散介质，该扩散介质包含：
具有包括第一主表面和第二主表面的外表面的多孔基质；和
在至少一部分外表面上的亲水聚合物涂层；
该亲水涂层包含含有亲水单体的制剂的固化产物。
19.制造扩散介质的方法，所述方法包括：
提供多孔基质；和
用亲水聚合物涂层涂布至少一部分多孔基质。
20.权利要求19的方法，其中涂布步骤包括：
使多孔基质暴露到包含亲水单体的亲水制剂以在多孔基质上形成涂层前体；
遮蔽第一部分涂有前体的多孔基质，同时让第二部分基质未遮蔽；并
使涂有前体的多孔基质暴露在紫外线下以紫外线固化第二部分基质上的涂层前体，从而在该第二部分上形成亲水聚合物涂层。
CNA2006800140157A 2005-04-25 2006-03-31 扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统 Pending CN101496198A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/113,503 2005-04-25
US11/113,503 US20060240312A1 (en) 2005-04-25 2005-04-25 Diffusion media, fuel cells, and fuel cell powered systems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101496198A true CN101496198A (zh) 2009-07-29

Family

ID=37187333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2006800140157A Pending CN101496198A (zh) 2005-04-25 2006-03-31 扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20060240312A1 (zh)
JP (1) JP4994364B2 (zh)
CN (1) CN101496198A (zh)
DE (1) DE112006000990B4 (zh)
WO (1) WO2006115688A2 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101800320A (zh) * 2010-03-30 2010-08-11 上海恒劲动力科技有限公司 燃料电池的透气层
CN112724724A (zh) * 2021-03-31 2021-04-30 永安行科技股份有限公司 燃料电池膜电极气体扩散层及其微孔层制备方法和应用

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7846593B2 (en) * 2006-05-25 2010-12-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Heat and water management device and method in fuel cells
TWI334237B (en) * 2007-01-05 2010-12-01 Ind Tech Res Inst Gas diffusion layer, manufacturing apparatus and manufacturing method thereof
US8007958B2 (en) * 2007-08-21 2011-08-30 GM Global Technology Operations LLC PEM fuel cell with improved water management
WO2009131581A1 (en) * 2008-04-24 2009-10-29 Utc Power Corporation Wicking layer for managing moisture distribution in a fuel cell
US9751050B2 (en) 2008-06-30 2017-09-05 3M Innovative Properties Company Method of forming an asymmetric membrane
DE102008034546B4 (de) * 2008-07-24 2012-09-27 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte mit einer hydrophil/hydrophob gemusterten Oberfläche
US8557485B2 (en) * 2008-12-11 2013-10-15 GM Global Technology Operations LLC Tungsten-containing hydrogen-storage materials for anodes of PEM fuel cells
US8389177B2 (en) * 2008-12-22 2013-03-05 Gm Global Technology Operations Combined subgasket and membrane support
EP2996184A1 (en) * 2014-09-09 2016-03-16 Paul Scherrer Institut A method to produce a gas diffusion layer and a fuel cell comprising a gas diffusion layer
DE102016122196A1 (de) * 2016-11-18 2018-05-24 Audi Ag Gasdiffusionsschicht und Verfahren zu deren Herstellung, sowie Brennstoffzelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004066427A1 (en) * 2003-01-15 2004-08-05 General Motors Corporation Diffusion layer and fuel cells
US20040213986A1 (en) * 2003-04-22 2004-10-28 Kim Ho-Cheol Patterned, high surface area substrate with hydrophilic/hydrophobic contrast, and method of use
CN1608331A (zh) * 2001-12-27 2005-04-20 纳幕尔杜邦公司 用于燃烧电池的气体扩散衬垫

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3607348A (en) * 1968-05-14 1971-09-21 Little Rapids Pulp Co Twice-coated cellulosic-fiber structure and its manufacture
US4196065A (en) * 1973-11-09 1980-04-01 Commissariat A L'energie Atomique Hydrophobic substrate with grafted hydrophilic inclusions
FR2306243A1 (fr) * 1975-04-03 1976-10-29 Asahi Dow Ltd Composition de revetement hydrophyle
US4614575A (en) * 1984-11-19 1986-09-30 Prototech Company Polymeric hydrogel-containing gas diffusion electrodes and methods of using the same in electrochemical systems
US4618533A (en) * 1984-11-30 1986-10-21 Millipore Corporation Porous membrane having hydrophilic surface and process
JPS6212267U (zh) * 1985-07-08 1987-01-24
JPS6212267A (ja) 1985-07-09 1987-01-21 Tokyo Electric Co Ltd 光学的読取装置
US4917793A (en) * 1986-12-04 1990-04-17 Pitt Aldo M Transparent porous membrane having hydrophilic surface and process
DK248889A (da) * 1988-05-27 1989-11-28 Int Fuel Cells Corp Fremgangsmaade til fremstilling af braendselscelle
US5039421A (en) * 1989-10-02 1991-08-13 Aligena Ag Solvent stable membranes
EP0456939B1 (en) * 1990-05-18 1995-02-22 Japan Gore-Tex, Inc. Hydrophilic porous fluoropolymer membrane
US6066448A (en) * 1995-03-10 2000-05-23 Meso Sclae Technologies, Llc. Multi-array, multi-specific electrochemiluminescence testing
US6210513B1 (en) * 1997-08-29 2001-04-03 Showa Denko K.K. Method for manufacturing solid polymer electrolyte/electrode composites, battery produced using the method and method for producing the same
JP3584331B2 (ja) * 1996-08-01 2004-11-04 昭和電工株式会社 高分子固体電解質フィルムの電極への固定方法並びにそれを用いた電池及びその製造方法
US5763113A (en) * 1996-08-26 1998-06-09 General Motors Corporation PEM fuel cell monitoring system
US6024848A (en) * 1998-04-15 2000-02-15 International Fuel Cells, Corporation Electrochemical cell with a porous support plate
US6358557B1 (en) * 1999-09-10 2002-03-19 Sts Biopolymers, Inc. Graft polymerization of substrate surfaces
US6350539B1 (en) * 1999-10-25 2002-02-26 General Motors Corporation Composite gas distribution structure for fuel cell
JP2001345106A (ja) * 2000-03-31 2001-12-14 Japan Storage Battery Co Ltd 燃料電池用電極およびその製造方法
DE10115463A1 (de) * 2001-03-29 2002-10-02 Duerr Systems Gmbh Zerstäuber für eine Beschichtungsanlage und Verfahren zu seiner Materialversorgung
US7132212B2 (en) * 2001-06-13 2006-11-07 Fuji Photo Film Co., Ltd. Presensitized plate
US6800118B2 (en) * 2001-07-17 2004-10-05 Gore Enterprise Holdings, Inc. Gas/liquid separation devices
JP3798276B2 (ja) * 2001-08-16 2006-07-19 三菱電機株式会社 電気化学素子及び電気化学素子装置
US6838205B2 (en) * 2001-10-10 2005-01-04 Lynntech, Inc. Bifunctional catalytic electrode
US6811918B2 (en) * 2001-11-20 2004-11-02 General Motors Corporation Low contact resistance PEM fuel cell
US20030219645A1 (en) * 2002-04-22 2003-11-27 Reichert David L. Treated gas diffusion backings and their use in fuel cells
JP2003323898A (ja) * 2002-04-22 2003-11-14 E I Du Pont De Nemours & Co 処理されたガス拡散支持体及び燃料電池におけるその使用
WO2003093824A1 (en) * 2002-05-01 2003-11-13 Innovation Chemical Technologies, Ltd. Invisible logos using hydrophobic and hydrophilic coatings on substrates
EP1514322A2 (en) * 2002-05-31 2005-03-16 Lynntech, Inc. Electrochemical cell and bipolar assembly for an electrochemical cell
US7157117B2 (en) * 2002-06-26 2007-01-02 Sigma Laboratories Of Arizona, Llc Functionalization of porous materials by vacuum deposition of polymers
WO2004022201A1 (en) 2002-09-03 2004-03-18 Whatman Plc Porous composite membrane and method for making the same
US7303835B2 (en) * 2003-01-15 2007-12-04 General Motors Corporation Diffusion media, fuel cells, and fuel cell powered systems
US6928893B2 (en) * 2003-01-15 2005-08-16 General Motors Corporation Method of making a gas diffusion media and quality controls for same
US7919178B2 (en) * 2003-03-21 2011-04-05 Millipore Corporation Spatially-controlled modified porous membrane
JP4106617B2 (ja) * 2003-04-09 2008-06-25 住友金属鉱山株式会社 プロトン伝導微粒子の製造方法、プロトン伝導微粒子塗布液、プロトン伝導樹脂製造用塗布液、プロトン伝導樹脂、固体燃料電池及びエレクトロクロミック素子
US6936362B2 (en) * 2003-04-14 2005-08-30 General Motors Corporation Variable pressure drop stack
US7112617B2 (en) * 2003-04-22 2006-09-26 International Business Machines Corporation Patterned substrate with hydrophilic/hydrophobic contrast, and method of use
KR101054145B1 (ko) * 2003-06-25 2011-08-03 도레이 카부시키가이샤 고분자 전해질, 그것을 사용한 고분자 전해질 막, 막 전극복합체 및 고분자 전해질형 연료 전지
GB0316926D0 (en) * 2003-07-18 2003-08-27 Eastman Kodak Co Method of coating
US20050064275A1 (en) * 2003-09-18 2005-03-24 3M Innovative Properties Company Fuel cell gas diffusion layer
JP2005108604A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Canon Inc 膜電極接合体、その製造方法および固体高分子型燃料電池
US7250189B2 (en) * 2004-08-05 2007-07-31 General Motors Corporation Increasing the hydrophilicity of carbon fiber paper by electropolymerization

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1608331A (zh) * 2001-12-27 2005-04-20 纳幕尔杜邦公司 用于燃烧电池的气体扩散衬垫
WO2004066427A1 (en) * 2003-01-15 2004-08-05 General Motors Corporation Diffusion layer and fuel cells
US20040213986A1 (en) * 2003-04-22 2004-10-28 Kim Ho-Cheol Patterned, high surface area substrate with hydrophilic/hydrophobic contrast, and method of use

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101800320A (zh) * 2010-03-30 2010-08-11 上海恒劲动力科技有限公司 燃料电池的透气层
CN112724724A (zh) * 2021-03-31 2021-04-30 永安行科技股份有限公司 燃料电池膜电极气体扩散层及其微孔层制备方法和应用
CN112724724B (zh) * 2021-03-31 2021-07-06 永安行科技股份有限公司 燃料电池膜电极气体扩散层及其微孔层制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006115688A2 (en) 2006-11-02
DE112006000990B4 (de) 2009-12-03
JP2008542978A (ja) 2008-11-27
US20110070524A1 (en) 2011-03-24
US9515328B2 (en) 2016-12-06
US20060240312A1 (en) 2006-10-26
WO2006115688A3 (en) 2009-04-09
DE112006000990T5 (de) 2008-03-06
JP4994364B2 (ja) 2012-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101496198A (zh) 扩散介质、燃料电池和燃料电池供能的系统
CN100502113C (zh) 具有疏水性和亲水性的扩散介质
US8835075B2 (en) Fuel cells with hydrophobic diffusion medium
CN101023551B (zh) 耐久的燃料电池
US20060046134A1 (en) Polymer electrolyte membrane and fuel cell employing the same
US20070269698A1 (en) Membrane electrode assembly and its manufacturing method
EP1944819A1 (en) Method for producing membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
US20070218344A1 (en) Diffusion media with vapor deposited fluorocarbon polymer
US20090068530A1 (en) Membrane electrode assembly and direct liquid fuel cell
CN1786047A (zh) 聚合物电解质和使用其的燃料电池
JP4852815B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用電極・膜接合体の製造方法
JP2004247091A (ja) 電解質膜電極接合体および直接アルコール形燃料電池
US8642228B2 (en) Polymer electrolyte membrane and fuel cell using the polymer electrolyte membrane
WO2006055101A2 (en) Fuel cell component storage or shipment
JP2003109606A (ja) 高分子電解質型燃料電池とその製造方法
JPH10334923A (ja) 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
US20030138686A1 (en) Fuel cell separator production method, fuel cell separators, and polymer electrolyte fuel cells
JP2005108770A (ja) 電解質膜電極接合体の製造方法
EP1369943A1 (en) Fuel cell separator, production method, and solid polymer fuel cells
CN101953013B (zh) 含聚结溶剂的电极墨水
EP2820707B1 (en) Gas diffusion layer and membrane electrode assembly including gas diffusion layer, and method of regenerating membrane electrode assembly
US20060105214A1 (en) Preconditioning fuel cell membrane electrode assemblies
US7910237B2 (en) Polymer electrolyte membrane and method for producing polymer electrolyte membrane
KR20230125550A (ko) 연료전지 물관리를 위한 폴리도파민 코팅을 통한 패턴화된 친수성 기체 확산층 및 이의 제조방법
JP2007280846A (ja) 電解質膜、並びに、それを使用した膜−電極接合体および燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20090729