專利名稱：具有圖案的擴(kuò)散介質(zhì)的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池和改善燃料電池工作期間水管理的方法。本發(fā)明還涉及將疏水材料沉積至燃料電池用擴(kuò)散介質(zhì)上的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池日益用作電動車和其它用途的動力源。示例性的燃料電池具有帶催化電極和形成于電極間的質(zhì)子交換膜的膜電極組件(MEA)。燃料電池工作期間，由于MEA內(nèi)氫和氧之間發(fā)生電極化學(xué)反應(yīng)，在陰極電極產(chǎn)生水。燃料電池的有效工作取決于在所述系統(tǒng)中提供有效水管理的能力。氣體擴(kuò)散介質(zhì)在PEM燃料電池中發(fā)揮著重要作用。一般說來，擴(kuò)散介質(zhì)需要通過毛細(xì)作用將產(chǎn)物水帶離陰極催化劑層，同時維持從氣流通道至催化劑層的反應(yīng)氣流。此外，電極間的質(zhì)子交換膜當(dāng)被完全水合時工作最佳。因此，氣體擴(kuò)散介質(zhì)的最重要作用之一是在燃料電池工作期間提供水管理。為進(jìn)行最佳水管理，希望提供具有理想的親水性和疏水性平衡的氣體擴(kuò)散介質(zhì)。通過提供親水性和疏水性適當(dāng)平衡的氣體擴(kuò)散介質(zhì)，有可能防止電池內(nèi)氣孔中水過量積聚所引起的水淹，同時維持質(zhì)子交換膜的適當(dāng)水合。因此，理想的是提供疏水性和親水性平衡改善的氣體擴(kuò)散介質(zhì)，這種介質(zhì)可被用于提供燃料電池中有效的水管理。
發(fā)明概述鑒于上述，本發(fā)明提供將疏水材料例如聚四氟乙烯沉積于這類擴(kuò)散介質(zhì)上的方法，以使疏水區(qū)和親水區(qū)可被精確定位，從而得到最佳燃料電池效率。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，提供用于燃料電池的氣體擴(kuò)散介質(zhì)，其含有具一定圖案的沉積疏水性聚合物，使得擴(kuò)散介質(zhì)不到100％的表面被疏水性聚合物所覆蓋。本發(fā)明還提供使疏水性聚合物沉積至這類片材上的方法。理想的疏水性聚合物是氟烴聚合物，更理想的是氟樹脂。本發(fā)明以氟樹脂的應(yīng)用為例，但不受此限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員常常互換使用術(shù)語氟樹脂和氟烴聚合物。所述方法涉及首先在疏水性聚合物的含水乳液中濕潤碳纖維紙片。此后，經(jīng)濕潤紙片與含有方向符合預(yù)定或所需的疏水性聚合物沉積圖案的一個或多個開孔的圖案形成構(gòu)件(pattern member)接觸。當(dāng)紙片仍與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，對其進(jìn)行加熱或以其它方式處理，以使溶劑從所述紙片中蒸發(fā)。在與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，蒸發(fā)的發(fā)生方式使疏水性聚合物通過蒸發(fā)過程濃縮于紙片中圖案形成構(gòu)件的開孔處。在所述方法的另一變更方法中，先用含有水和疏水性聚合物顆粒的含水乳液濕潤碳纖維紙片。此后，濕潤紙片經(jīng)熱壓法與圖案形成構(gòu)件接觸，在與所述圖案形成構(gòu)件接觸同時，水從紙片蒸發(fā)。如前所述，水從紙片蒸發(fā)的方式，使疏水性聚合物顆粒濃縮于紙片中與圖案形成構(gòu)件的開孔位置相應(yīng)的位置處。在優(yōu)選實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件由以基本平面的圖案形成構(gòu)件中大體上規(guī)則的開孔為特征的篩網(wǎng)組成。在某些實(shí)施方案中，所述接觸步驟包括使紙片置于兩個模具表面之間，其中這兩個模具可具有相同或不同的圖案。在這類實(shí)施方案中，可在碳紙片的兩面得到相同或不同圖案的疏水性聚合物沉積?？山?jīng)加熱、經(jīng)略微抽真空或這兩種的組合，使水從紙片中蒸發(fā)。在從濕紙片完全除去水后，在升高的溫度下固化所述紙片。干燥期間形成的圖案在高溫固化后保持不變。所述圖案形成構(gòu)件由不透水的材料制成，其中提供大量開孔，以便通過經(jīng)所述開孔的蒸發(fā)在紙片上限定出一定圖案的疏水性聚合物沉積。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述開孔占圖案形成構(gòu)件面積的10-90％，使紙片在10-90％的面積上可被疏水性聚合物覆蓋。在另外的優(yōu)選實(shí)施方案中，紙片的10-60％被覆蓋，優(yōu)選10-50％被覆蓋。在使紙片與兩個模具表面接觸的方法中，如果兩個模具的表面皆含有開孔，則可在紙片的兩面沉積一定圖案的疏水性聚合物。水蒸發(fā)期間，通過只使經(jīng)濕潤紙片的一面與圖案形成構(gòu)件接觸，所生成的氣體擴(kuò)散介質(zhì)的一面可具有疏水性聚合物沉積圖案，而另一面則均勻覆蓋疏水性聚合物。作為選擇，通過以模壓或熱壓法接觸紙片，其中紙片只有一面與有孔的圖案形成構(gòu)件接觸，而另一面所對是密實(shí)模具，所生成的氣體擴(kuò)散介質(zhì)可能一面有一定圖案的沉積疏水性聚合物，而另一面含有很少或基本上沒有沉積的疏水性聚合物。可通過改變上述方法的參數(shù)，制備具有各種各樣疏水圖案的、燃料電池用的氣體擴(kuò)散介質(zhì)。從下文所提供的詳述中，本發(fā)明所適用的其它領(lǐng)域會變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解，盡管指出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但所述詳細(xì)描述和具體實(shí)施例旨在說明而非限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡述從詳述和附圖中，會更充分地理解本發(fā)明，其中

圖1圖示本發(fā)明的圖案形成構(gòu)件和片材；圖2圖示本發(fā)明的另一實(shí)施方案；圖3是敞口模具的橫截面視圖；圖4是閉式模具應(yīng)用的橫截面視圖；和圖5是雙面模具的橫截面視圖。圖6是較低氣體入口濕度下的電池性能曲線圖。圖7是較高氣體入口濕度下的電池性能曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳述下列優(yōu)選實(shí)施方案的描述本質(zhì)上只是示例性的，決非旨在限制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。一種使聚合物在片材上以一定圖案沉積的方法包括用含有溶劑和聚合物的聚合物分散體濕潤所述片材。在所述片材被浸入聚合物分散體后，再使片材與包含符合所述圖案的開孔的圖案形成構(gòu)件接觸。此后，當(dāng)所述片材仍與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，使溶劑從濕潤的多孔片材蒸發(fā)。溶劑在開孔處經(jīng)所述圖案形成構(gòu)件離開紙片。這樣，聚合物被沉積到所述紙片上，主要沉積在開孔處。在優(yōu)選實(shí)施方案中，提供一種沉積疏水性聚合物于碳纖維紙片上的方法。所述疏水性聚合物優(yōu)選以顯示不到100％、例如顯示50％-99％的碳纖維紙片被所述疏水性聚合物覆蓋的圖案，沉積于碳纖維紙上。在其它實(shí)施方案中，聚合物例如疏水性聚合物可覆蓋紙片面積的10％-90％，優(yōu)選10％-60％或10％-50％。所述方法包括在疏水性聚合物的含水乳液中濕潤碳纖維紙片，接著，在溶劑從所述疏水性聚合物含水乳液完全蒸發(fā)之前，使所述濕潤紙片與圖案形成構(gòu)件接觸。所述圖案形成構(gòu)件包括方向符合聚合物在所述碳纖維紙上的覆蓋圖案的一個或多個開孔。然后當(dāng)碳纖維紙片仍與圖案形成構(gòu)件接觸時，從所述紙片蒸發(fā)水。結(jié)果，疏水性聚合物被濃縮于碳纖維紙上對應(yīng)于圖案形成構(gòu)件中開孔的位置上。在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，當(dāng)紙片仍被溶劑濕潤時使其與圖案形成構(gòu)件接觸的方法通過熱壓法來完成。在優(yōu)選實(shí)施方案中，碳纖維紙片被浸入具有包含水和疏水性聚合物顆粒的含水乳液的疏水性聚合物分散體中。當(dāng)碳纖維紙片仍被水濕潤時，使紙片經(jīng)熱壓法與圖案形成構(gòu)件接觸，當(dāng)紙片與圖案形成構(gòu)件接觸時，從紙片蒸發(fā)水。其上沉積一定圖案聚合物(例如疏水性聚合物)的碳纖維紙，可用作例如燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)。這類燃料電池包含陽極和陰極以及布置在陽極和陰極間的質(zhì)子交換膜。燃料電池工作期間，在陰極的表面生成水。擴(kuò)散介質(zhì)的布置使其與陽極和陰極催化劑層接觸，以便在燃料電池中執(zhí)行可用于水管理和反應(yīng)物氣體輸送的多種功能。用于本發(fā)明的片材材料一般是多孔2-D柔性材料，它可被與如下所述的聚合物溶液結(jié)合的水或其它溶劑濕潤。在一個實(shí)施方案中，所述片材可由機(jī)織織物或無紡布制備。這類織物由可被所述聚合物溶液濕潤的纖維制成。如果需要，可向聚合物溶液加入表面活性劑或潤濕劑，以使聚合物和溶劑濕潤所述纖維。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述片材由碳纖維紙制成。碳纖維紙可被認(rèn)為是由碳纖維制成的無紡布?？赏ㄟ^商業(yè)途徑得到多種形式的碳纖維紙。例如，所述碳纖維紙可具有0.3-0.8g/cm3密度和100μm-500μm厚度。如下所述的燃料電池用的適用碳纖維紙可從TorayIndustries USA購得。從Toray購買得到的碳纖維紙的一個實(shí)例是TGPH-060，它具有0.45gm/cm3體積密度和約180微米厚度。用于本發(fā)明并經(jīng)本發(fā)明的方法沉積于所述片材上的聚合物是能在下述蒸發(fā)條件下從乳液中沉降或從溶液中沉淀出的聚合物。優(yōu)選沉積在紙片上的聚合物是在最終應(yīng)用(例如燃料電池擴(kuò)散介質(zhì))的使用條件下能與所述紙片的部分保持穩(wěn)定接觸的聚合物。如下所述，可通過某種后固化，其中經(jīng)涂覆片材被加熱到高溫以固定片材上聚合物的結(jié)構(gòu)，增加與所述片材接觸的聚合物的相容性或穩(wěn)定性。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所用聚合物是能賦予所述聚合物沉積于其上的基質(zhì)片材以疏水性或親水性的聚合物。如果聚合物材料的表面自由能小于片材本身的表面自由能，則所述聚合物致使基質(zhì)表面疏水。如果聚合物的表面自由能大于片材的表面自由能，則聚合物致使基質(zhì)的表面親水。可通過聚合物或片材與水接觸的接觸角分別測量聚合物和片材的表面自由能并使其與所述接觸角相關(guān)聯(lián)。例如，如果水與聚合物的接觸角大于水與片材的接觸角，那么所述聚合物可被認(rèn)為是疏水材料。如果水與聚合物的接觸角小于水與片材的接觸角，則所述聚合物可被認(rèn)為是親水聚合物。就某些應(yīng)用、例如燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)而言，采用疏水性聚合物。疏水性聚合物的非限制性實(shí)例包括氟樹脂。氟樹脂是含氟聚合物，它通過使包含至少一個氟原子的一種或多種單體聚合或共聚而制成?？杀痪酆仙煞鸁N聚合物的含氟單體的非限制性實(shí)例包括四氟乙烯、六氟丙烯、偏二氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚、全氟丙基乙烯基醚等。氟碳鍵的存在被認(rèn)為是導(dǎo)致這些樹脂疏水性的原因。優(yōu)選的氟烴聚合物或氟樹脂的具體實(shí)例是聚四氟乙烯(PTFE)-一種四氟乙烯均聚物。通過在包含所述聚合物和溶劑的濕潤組合物中濕潤所述片材，將所述聚合物施用于所述片材。在某些實(shí)施方案中，可以乳液形式提供濕潤組合物。也可用溶液。在某些實(shí)施方案中，濕潤組合物含有表面活性材料或其它試劑以使所述聚合物保存在溶液或懸液中，或有助于濕潤所述片材。例如，用于濕潤所述片材的乳液可包含1-約70％(重量)的疏水性聚合物(例如聚四氟乙烯)的顆粒。在其它實(shí)施方案中，優(yōu)選1％-20％的范圍。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述聚合物組合物含有約2％-15％(重量)的所述聚合物固體。如上所述，聚合物組合物除溶劑(例如水)和聚合物顆粒(例如聚四氟乙烯顆粒)外，還可包括表面活性劑或潤濕劑。通過使片材暴露于濕潤組合物一定時間，其中聚合物濃度的選擇使得沉積所需量聚合物于所述片材上，由此實(shí)現(xiàn)所述片材的濕潤。例如，片材可被浸、沉浸或浸泡在濕潤溶液中。相對于所述聚合物和片材的總重量，優(yōu)選約1％-約20％(重量)，更優(yōu)選約2％-15％，更優(yōu)選約4％-10％聚合物被沉積于片材上。根據(jù)片材的疏水性或親水性的相對程度、所沉積聚合物的疏水性或親水性、和沉積聚合物在片材上的所需覆蓋百分率、對最終應(yīng)用要求的所有考慮，聚合物覆蓋的量和圖案可有所不同。在非限制性實(shí)施例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，含有約7％(重量)沉積聚合物(例如PTFE或其它氟樹脂、氟烴聚合物或疏水性聚合物)的碳纖維紙滿足于燃料電池中的用途。圖案形成構(gòu)件的稱謂緣于它由相對剛性的框架材料制成，其上具有確定聚合物在片材上沉積圖案的開孔。圖案形成構(gòu)件中的開孔可呈洞、孔眼、槽或其它形狀出現(xiàn)，可在圖案形成構(gòu)件中經(jīng)任何適當(dāng)?shù)臎_孔、切削或其它方法制作。在其它實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件可呈具有一維或兩維的孔或開孔圖案的篩網(wǎng)形式出現(xiàn)。篩網(wǎng)形式的圖案形成構(gòu)件可呈具穿孔板或有網(wǎng)眼的金屬絲織物的形狀。非限制性實(shí)例包括具穿孔鐵片和具穿孔不銹鋼篩網(wǎng)。所述開孔一般可占待與紙片接觸的篩網(wǎng)面積的10％-90％。在其它實(shí)施方案中，開孔可占篩網(wǎng)接觸面積的10％-60％或優(yōu)選10％-50％。在另一實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件可呈平板或基本平面的構(gòu)件形式出現(xiàn)。圖案形成構(gòu)件可為平面或它可略微彎曲?？傊谙率龅暮罄^蒸發(fā)步驟期間，圖案形成構(gòu)件適于被壓向所述片材。在另一實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件可為圓柱狀。在所述實(shí)施方案中，所述圓柱狀圖案形成構(gòu)件可適于經(jīng)熱軋法在在片材上產(chǎn)生一定圖案圖案的涂層。在所述實(shí)施方案中，圓柱狀圖案材料的一部分先被壓向片材。當(dāng)片材與圓柱體接觸時，施加高溫或其它條件，以便從所述片材蒸發(fā)溶劑。當(dāng)圓柱狀圖案形成構(gòu)件暫時與片材接觸時，所述圓柱體以蒸發(fā)足以發(fā)生的慢速度輾過所述片材。經(jīng)濕潤的片材可被連續(xù)喂入含有這類滾動圓柱狀圖案形成構(gòu)件的裝置。構(gòu)成圖案形成構(gòu)件框架材料的材料優(yōu)選不滲透水或其它溶劑，并應(yīng)當(dāng)優(yōu)選是導(dǎo)熱的，以促進(jìn)下述的溶劑蒸發(fā)。當(dāng)接觸所述片材時，圖案形成構(gòu)件中的開孔限定了蒸發(fā)路徑，從而使溶劑從與圖案形成構(gòu)件保持接觸的多孔片材脫逸。當(dāng)片材依然濕潤時，通過使圖案形成構(gòu)件與片材接觸，并采用蒸發(fā)條件，進(jìn)行蒸發(fā)步驟。在優(yōu)選實(shí)施方案中，在片材與圖案形成構(gòu)件接觸的同時，加熱所述片材。在其它實(shí)施方案中，為促進(jìn)蒸發(fā)，當(dāng)與圖案形成構(gòu)件接觸時，可抽真空蒸發(fā)溶劑，或以空氣或其它氣體吹掃片材的表面。也可用微波或紅外線加熱所述材料，蒸發(fā)溶劑，完成干燥。還可采用這類蒸發(fā)條件的組合。當(dāng)片材被加熱以便蒸發(fā)溶劑時，蒸發(fā)速度隨溫度而變。干燥溫度會影響干燥速度，但它不會影響平面內(nèi)PTFE分布(即，所述圖案本身)，但會影響穿過平面的分布，例如，快速干燥會趨于將PTFE引至紙表面的開孔處，緩慢干燥會導(dǎo)致更多PTFE處于所述紙的橫截面或大多處于開孔處。通過選擇合適的條件例如溫度、真空和氣流的組合，可選擇溶劑以可接受的速度蒸發(fā)、從而生成所需要的橫截面PTFE分布的條件。在一個實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件與片材在可含或不合開孔的模具中接觸—其部分實(shí)施方案圖示于附圖。在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，圖案形成構(gòu)件可經(jīng)熱壓工藝與片材接觸。在這類工藝中，優(yōu)選在與所述片材構(gòu)件接觸之前加熱圖案形成構(gòu)件。熱壓構(gòu)件可呈上述的平板、彎曲材料或圓柱狀形式。所述熱壓技術(shù)特別適合于對連續(xù)或高通量加工的適應(yīng)。干燥或蒸發(fā)步驟期間，所述聚合物顆粒例如PTFE顆粒借助于溶劑遷移，沉積于溶劑從所述基質(zhì)上蒸發(fā)的位置。以于所述片材上要求較高含量的沉積聚合物的位置制作開孔或槽的方式，制備圖案形成構(gòu)件。片材可被浸入或以其它方式暴露于聚合物溶液，濕潤的片材例如碳纖維紙可被置于兩個相同和鏡像圖案模具之間。作為選擇，可用在片材的任一面具有不同圖案設(shè)計(jì)的模具或圖案形成構(gòu)件接觸所述片材。在又一選擇方案中，可使片材的一面與圖案形成構(gòu)件接觸，而另一面暴露于封閉的塊狀物。通過附圖，在非限制性實(shí)施例中進(jìn)一步說明了這些和其它的實(shí)施方案。這樣，PTFE顆粒或其它聚合物顆粒被最集中地沉積至溶劑從片材蒸發(fā)出的位置上。所述沉積位置對應(yīng)于圖案形成構(gòu)件中的開孔。片材上與圖案形成構(gòu)件密實(shí)部分(即不是開孔)接觸的位置可能有可察覺量的聚合物沉積，但它會顯著少于開孔處的量。在溶劑被蒸發(fā)而聚合物以所需圖案沉積在片材上之后，進(jìn)行進(jìn)一步的后固化或燒結(jié)步驟往往是理想的。一般通過加熱到較高溫度一段足以完成固化的時間，完成所述后固化。就氟烴聚合物例如聚四氟乙烯涂層而言，往往能加熱到約380℃。一般而言，優(yōu)選約以任何這類聚合物涂層的熔化或軟化溫度加熱它們。軟化使聚合物與片材的織物更緊密接觸。在燒結(jié)前，顆粒以與其在懸液中的形狀相同的形狀沉積。相信燒結(jié)步驟將單獨(dú)的顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)閹в芯w結(jié)構(gòu)的基本連續(xù)的層。所述層影響濕潤行為。干燥期間沉積于織物上的圖案不會被高溫固化所改變。因此，可以較低的溫度進(jìn)行圖案的形成步驟，提供低成本方法。圖1A表示由確定圖案形成構(gòu)件2中的開孔8的密實(shí)部分或不滲透部分6所制成的本發(fā)明的圖案形成構(gòu)件2，此處圖示為一系列的槽8。圖1B表示圖案形成構(gòu)件2的橫截面，顯示密實(shí)部分6和開孔8。圖1C圖示根據(jù)本發(fā)明的方法使圖案形成構(gòu)件2與多孔織物接觸所制得的片材4。片材4包括區(qū)域10，它對應(yīng)于與貼近圖案形成構(gòu)件中的開孔8的位置；和接觸區(qū)域12，它對應(yīng)于貼近圖案形成構(gòu)件的密實(shí)部分6的位置。聚合物主要沉積在片材上的開孔區(qū)域8。圖2A表示圖案形成構(gòu)件2的另一實(shí)施方案的透視圖，這里圖示為呈篩網(wǎng)形式的密實(shí)部分6，篩網(wǎng)具有在所述圖案形成構(gòu)件中二維圖案的孔形式的開孔8。圖2B所示為多孔織物4，它主要在開孔區(qū)域10沉積有聚合物，而在接觸區(qū)域12很少或完全沒有聚合物沉積。圖3A顯示與多孔織物4接觸的圖案形成構(gòu)件2的橫截面。圖案形成構(gòu)件2由密實(shí)部分6制成，它具有確定多孔織物4中溶劑蒸發(fā)路徑的開孔8。多孔織物4在接觸區(qū)域12接觸圖案形成構(gòu)件，留下多孔織物的開孔10不與圖案形成構(gòu)件接觸。在圖3A所示的實(shí)施方案中，蒸發(fā)步驟期間，多孔織物4的背面11未與圖案形成構(gòu)件接觸。圖3B以示意形式圖示蒸發(fā)步驟后3A中的多孔織物的結(jié)構(gòu)。圖3B表明聚合物主要沉積在多孔織物4的與開孔區(qū)域10相對應(yīng)的位置和圖3A所述多孔織物的背面11。另一方面，蒸發(fā)期間，對應(yīng)于多孔織物與圖案形成構(gòu)件接觸之處的多孔織物上的位置12，很少或完全沒有沉積聚合物。圖4A表示本發(fā)明的多孔織物一面與圖案形成構(gòu)件2接觸，另一面與密實(shí)模具表面5接觸。圖4B表示蒸發(fā)步驟后4A中的多孔織物上的聚合物沉積圖案。與圖案形成構(gòu)件接觸的一面顯示出聚合物在位置10沉積，而在位置12沒有聚合物沉積。多孔織物的背面11也很少或完全沒有沉積的聚合物，因?yàn)檎舭l(fā)步驟期間它與模具表面接觸，因而完全沒有提供來自背面的蒸發(fā)路徑。圖5A以示意形式圖示以一面與圖案形成構(gòu)件2接觸而以另一面與圖案形成構(gòu)件2′接觸的多孔織物4。所述多孔織物背面的圖案形成構(gòu)件2′由所述圖案形成構(gòu)件中的密實(shí)部分6′和開孔8′組成。蒸發(fā)步驟期間，多孔織物4與圖案形成構(gòu)件在12和12′位置接觸，而各圖案形成構(gòu)件2和2′的位置10和10′在蒸發(fā)期間不接觸。圖5B圖示具有沉積聚合物的、例如圖5A中經(jīng)蒸發(fā)制備的多孔織物。聚合物在對應(yīng)于圖5A開孔區(qū)域的位置10和10′沉積在多孔織物4上。此外，蒸發(fā)步驟期間，很少或完全沒有聚合物沉積在對應(yīng)于織物和圖案形成構(gòu)件間接觸區(qū)域的位置12和12′。
實(shí)施例實(shí)施例1提供呈篩網(wǎng)形式的圖案形成構(gòu)件，它在不銹鋼薄片中有一系列孔，所述孔的面積占圖案形成構(gòu)件總表面積的約20-63％。這類篩網(wǎng)可以例如從McMaster-Carr買到。將碳纖維紙片(例如Toray TGPH-060，Toray，日本)浸泡于3％(重量)聚四氟乙烯溶液4分鐘。通過以20∶1稀釋60％(重量)DuPont T-30溶液制得3％(重量)PTFE溶液。再使所述碳纖維紙與圖案形成構(gòu)件接觸，并于120℃干燥0.5小時。此時，有約8.2％(重量)的攝取量，主要由PTFE和所述商品溶液中的表面活性劑組成。除去溶劑后，取出與圖案形成構(gòu)件接觸的紙，并于380℃固化20分鐘。固化步驟后，保留約7％(重量)的PTFE攝取量。
實(shí)施例2制備電化學(xué)燃料電池，其中的陽極催化劑層與含有未用圖案形成構(gòu)件涂敷的7％(重量)PTFE的Toray TGPH-060碳纖維紙接觸。在三個不同的電池中，所提供的靠近陰極的擴(kuò)散介質(zhì)1)不含PTFE圖案，但含有7％(重量)的總PTFE，2)含有碳纖維紙，所述紙的兩面含有7％(重量)的鏡像圖案的PTEE，其中PTFE覆蓋所述紙面積的37％，并呈現(xiàn)為0.045英寸直徑的點(diǎn)；和3)含有碳纖維紙，其兩面有7％(重量)的鏡像圖案的PTFE，其中PTFE覆蓋約63％的所述紙的面積，并以0.156直徑的點(diǎn)出現(xiàn)。進(jìn)行第一個實(shí)驗(yàn)，以評價在相當(dāng)干燥的條件下氣體擴(kuò)散介質(zhì)的性能，其極化曲線示于圖6。用具有50cm2活性區(qū)域的單池燃料電池進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)和下述實(shí)驗(yàn)。所述電池工作條件如下80℃，50kPa表壓，以2.0化學(xué)計(jì)量量供給陽極100％H2，以2.0氧氣化學(xué)計(jì)量量供給陰極空氣，所供氣流露點(diǎn)為70℃。可以看出，在這些條件下，具有經(jīng)本發(fā)明方法制備的形成圖案的擴(kuò)散介質(zhì)的電池，其性能與具有PTFE而無圖案的擴(kuò)散介質(zhì)的電池的性能相同。進(jìn)行第二個實(shí)驗(yàn)以評價極濕潤條件下氣體擴(kuò)散介質(zhì)性能，其極化曲線示于圖7。所述電池工作條件如下60℃，170kPa表壓，以2.0化學(xué)計(jì)量量供給陽極100％H2，以2.0氧氣化學(xué)計(jì)量量供給陰極空氣，所供氣流露點(diǎn)為80℃。這時，發(fā)現(xiàn)具有PTFE(由0.045英寸直徑的點(diǎn)制成)覆蓋度為37％的陰極擴(kuò)散介質(zhì)的電池，其性能與具有7％(重量)PTFE但無圖案的所述擴(kuò)散介質(zhì)的電池的性能大約相同。另一方面，具有63％覆蓋度(由0.156英寸直徑的點(diǎn)制成)的陰極擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池性能更好。通過細(xì)微調(diào)節(jié)所述PTFE圖案以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物水排斥性和反應(yīng)氣體輸送性的最佳平衡，可在濕潤條件下發(fā)揮燃料電池性能。從前述描述和實(shí)驗(yàn)可看出，本發(fā)明提供經(jīng)提供所需圖案的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)。更具體地說，優(yōu)化所述擴(kuò)散介質(zhì)以與燃料電池中的雙極板結(jié)合。所述雙極板包括大量凸區(qū)(land)和凹槽，圖案形成構(gòu)件的開孔對應(yīng)于所述凸區(qū)或凹槽或任何其它形狀。盡管本發(fā)明在其優(yōu)選實(shí)施方案中提供了使聚合物以所需圖案分散于擴(kuò)散介質(zhì)上以便與一區(qū)域相比在另一區(qū)域提供所需疏水裝載量的方法，但本發(fā)明也可用來以任何所需圖案沉積聚合物于擴(kuò)散介質(zhì)上。例如，所述方法在其最為通用的實(shí)施方案中提供一種方法，該方法通過用包含溶劑和聚合物的溶液濕潤擴(kuò)散介質(zhì)，再使所述片材與具有預(yù)定圖案的圖案形成構(gòu)件接觸，接著，在所述片材與圖案形成構(gòu)件接觸時，從片材蒸發(fā)所述溶劑，制備其一部分上沉積有聚合物的擴(kuò)散介質(zhì)。更特別是，優(yōu)化所述擴(kuò)散介質(zhì)，以便與燃料電池中的雙極板結(jié)合。所述雙極板包括大量凸區(qū)和凹槽。在圖案形成構(gòu)件包括平行通道的情況下，所述圖案形成構(gòu)件的開放通道可對應(yīng)于凸區(qū)區(qū)域或凹槽區(qū)域。因此，所述聚合物的加載可受控制，以便在凸區(qū)區(qū)域較高，或在凹槽區(qū)域更高?？梢钥闯?，本發(fā)明的方法提供制備含有GDM的燃料電池的能力，其中所述GDM帶有圖案，具有與雙極板的凸區(qū)和凹槽相吻合的不同含量的氟烴聚合物。在另一情況中，所述燃料電池工作期間，雖然氣體入口區(qū)域非常干燥，但更多的水積聚在氣體出口區(qū)域附近，反應(yīng)氣體需要進(jìn)一步增濕。更理想的選項(xiàng)可能是采用可產(chǎn)生下述擴(kuò)散介質(zhì)的圖案，所述擴(kuò)散介質(zhì)在氣體入口區(qū)域附近疏水氟烴聚合物的覆蓋相對稀疏，而在氣體擴(kuò)散介質(zhì)的氣體入口區(qū)域附近疏水氟烴聚合物的覆蓋密集。實(shí)際上，本發(fā)明的描述只是示例性的，因此，不脫離本發(fā)明的要旨的變化將落入本發(fā)明范圍內(nèi)。這類變化不被認(rèn)為是脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.使聚合物以預(yù)定圖案沉積于多孔片材上的方法，它包括用包含溶劑和疏水性聚合物的聚合物組合物濕潤所述多孔片材；當(dāng)所述片材仍然濕潤時，使所述濕潤多孔片材與包含對應(yīng)于所述預(yù)定圖案的開孔的圖案形成構(gòu)件接觸；和在所述濕潤多孔片材與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，從所述濕潤多孔片材蒸發(fā)溶劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述多孔片材包括碳纖維紙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述碳纖維紙的孔隙率大于50％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述疏水性聚合物包括氟烴聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述氟烴聚合物包括聚四氟乙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，它包括只使所述多孔片材的一面與所述圖案形成構(gòu)件接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，它包括使所述多孔片材的兩面與圖案形成構(gòu)件接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述圖案包括在所述多孔片材上的覆蓋度為50-99％的疏水性聚合物。
9.將氟烴聚合物以預(yù)定圖案沉積于碳纖維紙片材上的方法，其中所述圖案顯示所述氟烴聚合物于所述片材上的覆蓋度小于100％，所述方法包括用含氟烴聚合物含水乳液形式的溶劑濕潤碳纖維紙；使所述濕潤紙片與含有方向符合所述預(yù)定圖案的一個或多個開孔的圖案形成構(gòu)件接觸；和當(dāng)所述片材與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，從中蒸發(fā)溶劑，以便氟烴聚合物在所述片材上被濃縮于所述開孔處。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述氟烴聚合物包括聚四氟乙烯。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述接觸步驟包括保持所述片材于兩個模具表面之間，其中至少一個模具表面包括所述溶劑可經(jīng)其蒸發(fā)的開孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中一個模具表面包括開孔，而另一個模具表面是密實(shí)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中兩個模具表面皆包括開孔，并且其中一定圖案的氟烴聚合物被沉積在所述片材的兩面。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述圖案形成構(gòu)件包括篩網(wǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中通過加熱所述片材以除去溶劑來完成蒸發(fā)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述片材的至少一個面的10-90％面積上被氟烴聚合物覆蓋。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述片材的至少一個面的10-60％面積被氟烴聚合物覆蓋。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述片材的至少一個面的10-50％面積被氟烴聚合物覆蓋。
19.燃料電池，它包含經(jīng)權(quán)利要求9的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)。
20.制備擴(kuò)散介質(zhì)的方法，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)的一部分上沉積有聚合物，所述方法包括用包含溶劑和聚合物的溶液濕潤擴(kuò)散介質(zhì)片材；使所述片材與具有預(yù)定圖案的圖案形成構(gòu)件接觸；和當(dāng)所述片材與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，從所述片材蒸發(fā)溶劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)是碳纖維紙；所述聚合物包括氟烴，且所述溶劑包括水。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述圖案形成構(gòu)件包括篩網(wǎng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述篩網(wǎng)包括占所述篩網(wǎng)面積的10-90％的開孔。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述開孔占所述篩網(wǎng)面積的10-60％。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述開孔占所述篩網(wǎng)面積的10-40％。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述溶液是包含1-10％(重量)呈顆粒形式的聚合物的含水乳液。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述含水乳液包含1-5％(重量)呈顆粒形式的聚合物。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述氟烴包括聚四氟乙烯，所述方法包括遞送相對于經(jīng)涂覆片材總重量的1-20％(重量)聚四氟乙烯至所述碳纖維紙上。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中2-15％(重量)的聚四氟乙烯被遞送至所述碳片材上。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中4-10％(重量)的聚四氟乙烯被遞送至所述碳片材上。
31.燃料電池，它包含經(jīng)權(quán)利要求20的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)。
32.燃料電池，它包含經(jīng)權(quán)利要求1的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)。
33.燃料電池，它包含經(jīng)權(quán)利要求1的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)，所述燃料電池具有包含大量凸區(qū)和凹槽的雙極板，所述圖案形成構(gòu)件的開孔與所述凹槽或凸區(qū)相對應(yīng)。
34.燃料電池，它包含經(jīng)權(quán)利要求1的方法制備的擴(kuò)散介質(zhì)，所述燃料電池具有包含大量凸區(qū)和凹槽的雙極板，所述圖案形成構(gòu)件限定了所述凹槽中的疏水性聚合物含量不同于所述凸區(qū)中的所述疏水性聚合物含量。
35.權(quán)利要求32的燃料電池，它有氣體入口區(qū)域和氣體出口區(qū)域，鄰近于氣體出口區(qū)域或在所述氣體出口區(qū)域內(nèi)疏水性聚合物裝載量更大。
36.施加聚合物于多孔片材上的方法，它包括用包括溶劑和聚合物的溶液濕潤所述片材；使所述濕潤多孔片材與圖案形成構(gòu)件接觸；和當(dāng)所述片材與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，從所述片材蒸發(fā)水，以改變對應(yīng)于所述圖案形成構(gòu)件的所述片材上的聚合物裝載量。
全文摘要
提供用于燃料電池的氣體擴(kuò)散介質(zhì)，它含有一定圖案的沉積疏水性聚合物，以至所述擴(kuò)散介質(zhì)不到100％的表面被疏水性聚合物覆蓋。通過首先在所述疏水性聚合物的含水乳液中濕潤碳纖維紙片材制備所述介質(zhì)。經(jīng)濕潤片材與圖案形成構(gòu)件接觸，其中圖案形成構(gòu)件含有方向符合預(yù)定或所需疏水性聚合物沉積圖案的一個或多個開孔。當(dāng)仍與所述圖案形成構(gòu)件接觸時，加熱所述片材或以其它方式處理，使水從所述片材蒸發(fā)。與所述圖案形成構(gòu)件接觸時蒸發(fā)發(fā)生的方式，可使疏水性聚合物經(jīng)蒸發(fā)過程在所述圖案形成構(gòu)件的開孔處濃縮于所述片材中。
文檔編號H01M4/88GK1976763SQ200580019208
公開日2007年6月6日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者紀(jì)純新, M·R·舍內(nèi)維斯, M·F·馬蒂亞斯, J·羅思 申請人:通用汽車公司