專利名稱：具有陰離子交換樹(shù)脂的多孔擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板組件以及結(jié)合它們的裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及多孔擴(kuò)散介質(zhì)、雙極板組件、使用根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板組件的燃料電池，和結(jié)合這種燃料電池的燃料電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及具有陰離子交換樹(shù)脂的多孔擴(kuò)散介質(zhì)和雙極板組件和結(jié)合它們的裝置。
發(fā)明概述已知固體酸膜電極組件(MEA)材料在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池內(nèi)部會(huì)熱和化學(xué)降解，釋放氟化物離子，其又腐蝕金屬雙極板材料(例如不銹合金)。氟化氫侵蝕金屬材料，盡管該酸被認(rèn)為是弱酸。板腐蝕副產(chǎn)物-金屬陽(yáng)離子-于是與聚合物膜和催化劑離聚物層中的交換位交換，造成a)當(dāng)酸基被釋放時(shí)MEA導(dǎo)電率下降，b)電池陰極側(cè)上氧還原速率明顯降低，和c)燃料電池性能總體下降。降低燃料電池環(huán)境中氟化物離子的濃度將提高帶有排出水的燃料電池系統(tǒng)中雙極板和其它金屬部件的耐久性。因而，認(rèn)識(shí)到對(duì)燃料電池設(shè)計(jì)改進(jìn)的需要。
本發(fā)明通過(guò)使用已知能在許多工業(yè)應(yīng)用中除去陰離子的陰離子交換樹(shù)脂來(lái)滿足這種需要。盡管本發(fā)明不限制于特定的優(yōu)點(diǎn)或功能，但注意到按本文描述的方式使用陰離子交換樹(shù)脂能有效地a)從燃料電池環(huán)境中除去氟化物離子，b)減小雙極板材料(例如鈦、鋁、不銹鋼)的腐蝕，c)降低金屬陽(yáng)離子浸出速率，d)延長(zhǎng)雙極板和MEA的有效壽命，和d)提高燃料電池耐久性和性能。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，提供一種包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層的多孔擴(kuò)散介質(zhì)。擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體。襯底包括足以賦予襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料。陰離子交換樹(shù)脂層接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分。設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，提供包括膜電極組件、多孔擴(kuò)散介質(zhì)和至少一對(duì)雙極板組件的裝置。多孔擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層。擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體。擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括足以賦予襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料。陰離子交換樹(shù)脂層接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分。設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子。膜電極組件插在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)襯底之間。雙極板組件接合陰離子交換樹(shù)脂層。
該裝置可包括燃料電池，該裝置還可包括限定由燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛的結(jié)構(gòu)。典型地，陰離子交換樹(shù)脂層接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第一主面，雙極板組件接合陰離子交換樹(shù)脂層。任選地，陰離子交換樹(shù)脂層還接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第二主面，膜電極組件接合與擴(kuò)散介質(zhì)襯底第二主面接合的陰離子交換樹(shù)脂層。
根據(jù)本發(fā)明的又一種實(shí)施方案，提供一種包括膜電極組件、多孔擴(kuò)散介質(zhì)和至少一對(duì)雙極板組件的裝置。膜電極組件插在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)襯底之間。雙極板組件包括至少一個(gè)包含陰離子交換樹(shù)脂層的流場(chǎng)通道。設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂層以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子。雙極板組件接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底。
根據(jù)本發(fā)明的還一種實(shí)施方案，提供一種包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層的多孔擴(kuò)散介質(zhì)。擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體，其中襯底包括足以賦予襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料。還限定襯底厚度為約0.17mm。陰離子交換樹(shù)脂層接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分。設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子，并且陰離子交換樹(shù)脂包括強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂、弱堿陰離子交換樹(shù)脂和其組合中的至少一種。陰離子交換樹(shù)脂層具有足以從溶液中除去游離的無(wú)機(jī)和有機(jī)酸的厚度。陰離子交換樹(shù)脂層的厚度在約10和約30μm之間。陰離子交換樹(shù)脂層滲透擴(kuò)散介質(zhì)襯底。陰離子交換樹(shù)脂層的特征在于孔隙率大于擴(kuò)散介質(zhì)襯底的纖維基體的孔隙率。
從下面結(jié)合附加權(quán)利要求的發(fā)明詳細(xì)描述中將更充分地理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。注意權(quán)利要求的范圍由其中的描述來(lái)限定，而不是由本說(shuō)明書(shū)中闡述的特征和優(yōu)點(diǎn)的具體討論來(lái)限定。
附圖簡(jiǎn)述當(dāng)結(jié)合下面的圖閱讀時(shí)可最好地理解本發(fā)明具體實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的引用數(shù)字來(lái)表示，其中

圖1為結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明原理的多孔擴(kuò)散介質(zhì)和一對(duì)流場(chǎng)板的燃料電池的展開(kāi)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的示意圖；和圖3為結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明原理的燃料電池的車輛的示意圖。
技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到圖中的元件是為了簡(jiǎn)潔和清楚而示出，沒(méi)有必要按比例描繪。例如，圖中的一些元件的尺寸可相對(duì)于其它元件被放大以幫助促進(jìn)理解本發(fā)明的實(shí)施方案。
本發(fā)明一些實(shí)施方案的詳述電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置(例如PEM燃料電池)中膜材料的熱/化學(xué)降解導(dǎo)致氟化氫(HF)的形成，其侵蝕金屬材料，盡管該酸一般被認(rèn)為是弱酸。氟化物離子的侵蝕特性來(lái)自于它侵蝕已知用于保護(hù)強(qiáng)耐蝕材料如不銹鋼、鈦、鋁和其它不銹合金的鈍化膜的能力。例如，氟化物離子可使不銹鋼上的惰性氧化物不穩(wěn)定，因此使它更易于腐蝕。對(duì)鈦也可顯示出這種相同的效應(yīng)，其中氟化物離子侵蝕氧化鈦(最穩(wěn)定的氧化物之一)并相當(dāng)大地腐蝕鈦。氟化物離子的侵蝕特性在一些應(yīng)用中是有利的，如為了表面制備和從表面上除去殘余污染物而蝕刻不銹合金和鈦。但是，降低燃料電池環(huán)境中氟化物離子的濃度能提高帶有排出水的燃料電池系統(tǒng)中雙極板和其它金屬部件的耐久性。根據(jù)本發(fā)明的幾種實(shí)施方案，可使用陰離子交換樹(shù)脂除去這類陰離子。
有兩種通用的陰離子交換樹(shù)脂。第一種為具有羥基的強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂，該樹(shù)脂通過(guò)與羥基交換除去陰離子，如下面所示R-N(CH3)2+OH-+HF→R-N(CH3)2+F-+H2O已知這種樹(shù)脂具有有限的熱穩(wěn)定性(例如在不超過(guò)約60℃下穩(wěn)定)。第二種陰離子交換樹(shù)脂為弱堿陰離子交換樹(shù)脂，其通過(guò)形成季銨鹽來(lái)除去陰離子，如下面所示R-N(CH3)3+HF→R-NH(CH3)2+F-這種陰離子交換樹(shù)脂能穩(wěn)定最高約7年，最高約100℃。
陰離子交換樹(shù)脂可從The Dow Chemical Company(Midland，MI)以商標(biāo)名DOWEXTM得到，其為一種固定堿。這種陰離子交換樹(shù)脂用作酸吸收劑。它從溶液中除去酸并中和，但不釋放會(huì)產(chǎn)生淤渣或改變工藝流的任何東西回到溶液中。例如，DOWEXTMM-43陰離子交換樹(shù)脂為多功能酸吸收劑，其既能除去無(wú)機(jī)酸又能除去有機(jī)酸，如HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、乙酸、甲酸、丙酸和苯甲酸。
首先參考圖1，圖示了結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)20的電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置10。具體地說(shuō)，裝置10包括插在裝置10的陽(yáng)極流場(chǎng)40和陰極流場(chǎng)50之間的膜電極組件30。陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)40、50可各自通過(guò)結(jié)合陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)通道到導(dǎo)電板的相對(duì)面內(nèi)而被構(gòu)成雙極板。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解，這種板被稱為雙極板是因?yàn)楫?dāng)形成燃料電池堆時(shí)，該板通常接觸一個(gè)電池的陰極和相鄰電池的陽(yáng)極。進(jìn)一步預(yù)見(jiàn)到，只要不脫離本發(fā)明的范圍，流場(chǎng)40、50和膜電極組件30可呈各種常規(guī)形式，或要發(fā)展的形式。盡管膜電極組件30的具體形式不在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但在圖示的實(shí)施方案中，膜電極組件30包括相應(yīng)的催化電極層32和離子交換膜34。
現(xiàn)在參考圖2，示意地圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的多孔擴(kuò)散介質(zhì)20。擴(kuò)散介質(zhì)20包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底22和陰離子交換樹(shù)脂層24。擴(kuò)散介質(zhì)襯底22包括限定相對(duì)的第一和第二主面21、23的纖維基體例如碳纖維紙和足以賦予襯底22導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料。在圖示的實(shí)施方案中，陰離子交換樹(shù)脂層24接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第一主面21。但是，如本文所指出，還考慮到陰離子交換樹(shù)脂層24可接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23或第一和第二主面21、23兩者。
在本發(fā)明的許多實(shí)施方案中，陰離子交換樹(shù)脂層24在從產(chǎn)物水中除去F-和酸度方面更有效，如果它靠著雙極板組件放置，更尤其是靠近電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置10的陽(yáng)極和/或陰極流場(chǎng)40、50的面，這與靠著膜電極組件30放置相反。盡管如此，仍考慮到擴(kuò)散介質(zhì)襯底22可沿襯底22的任何一個(gè)主面21、23接合陰離子交換樹(shù)脂層24，與哪個(gè)面靠著膜電極組件30放置無(wú)關(guān)。此外，陰離子交換樹(shù)脂層24可蓋住其接合的主面21、23的全部或一部分。陰離子交換樹(shù)脂層24特征使得它不會(huì)影響擴(kuò)散介質(zhì)襯底22和雙極板之間的接觸電阻。
為了限定和描述本發(fā)明，如上所述，注意到設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂層24以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子(例如氟化物、氯化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽等)。因而，形成陰離子交換樹(shù)脂層24中使用的陰離子交換樹(shù)脂可包括強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂(例如DOWEXTM22、DOWEXTMMSA-2等，可從The Dow Chemical Company，Midland，MI得到)、弱堿陰離子交換樹(shù)脂(例如DOWEXTMMARATHON WBA、DOWEXTMMARATHON WBA-2、DOWEXTMMONOSPHERE 66、DOWEXTM66、DOWEXTMM-43、DOWEXTMM4195等，可從The Dow Chemical Company，Midland，MI得到)和其組合中的至少一種。此外，陰離子交換樹(shù)脂層24的特征在于孔徑在約幾納米到約數(shù)百納米之間。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，構(gòu)造陰離子交換樹(shù)脂層24使得它比擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的纖維基體更多孔是有利的。
如圖2中進(jìn)一步所示，陰離子交換樹(shù)脂層24可至少部分地滲透擴(kuò)散介質(zhì)襯底22。通過(guò)在圖2中的部分剖視圖中顯示第一主面21來(lái)示意圖示的滲透程度可隨陰離子交換樹(shù)脂層24和擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的性質(zhì)變化。典型地，陰離子交換樹(shù)脂層24滲透擴(kuò)散介質(zhì)襯底使得它涂在襯底22內(nèi)部纖維的至少一部分上，以提供在從燃料電池環(huán)境中除去腐蝕性物質(zhì)時(shí)更有效的更高內(nèi)表面積。
通常，根據(jù)本發(fā)明，將一定數(shù)量的陰離子交換樹(shù)脂施加到擴(kuò)散介質(zhì)襯底22上形成陰離子交換樹(shù)脂層24。陰離子交換樹(shù)脂的數(shù)量足以中和排出水中的游離的無(wú)機(jī)和有機(jī)酸(例如HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、乙酸、甲酸、丙酸和苯甲酸及其組合)和除去電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置(例如燃料電池)操作過(guò)程中產(chǎn)生的陰離子(例如氟化物、氯化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽等)。關(guān)于圖2中所示的擴(kuò)散介質(zhì)襯底22和陰離子交換樹(shù)脂層24各自的厚度a、b，注意到合適的值將隨使用擴(kuò)散介質(zhì)20的具體應(yīng)用而變化。例如，考慮厚度b為約0.17m m的碳纖維紙產(chǎn)品適用于本發(fā)明。陰離子交換樹(shù)脂層24可具有至少約10μm的厚度a，一般在約10和約30μm之間。這種陰離子交換樹(shù)脂數(shù)量足以提供F-和其它離子如硫的有效中和，但不會(huì)影響陰離子交換樹(shù)脂層24和擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的界面處的電接觸電阻，也不會(huì)影響流到電極的氣流?？赏ㄟ^(guò)將襯底22浸泡在樹(shù)脂溶液中然后使它干燥形成陰離子交換樹(shù)脂層24來(lái)將陰離子交換樹(shù)脂層24施加到擴(kuò)散介質(zhì)襯底22上。陰離子交換樹(shù)脂層24負(fù)載量可在約6和約10％之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方案，提供包括如本文描述的膜電極組件30、至少一對(duì)雙極板組件和多孔擴(kuò)散介質(zhì)20的裝置。該裝置可包括燃料電池。如圖1和2所示，陰離子交換樹(shù)脂層24接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第一和第二主面21、23中至少一個(gè)的至少一部分，膜電極組件30插在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)襯底22之間?？砂ū疚拿枋龅年?yáng)極和陰極流場(chǎng)板40、50的雙極板組件接合陰離子交換樹(shù)脂層24。因此，膜電極組件30可被插在陽(yáng)極流場(chǎng)40和陰極流場(chǎng)50之間。
在本發(fā)明的其它任選實(shí)施方案中，陰離子交換樹(shù)脂層24接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第一主面21，雙極板組件接合陰離子交換樹(shù)脂層24。任選地，可設(shè)計(jì)該裝置使得陰離子交換樹(shù)脂層24進(jìn)一步接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23，膜電極組件30接合與擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23接合的陰離子交換膜層24。膜電極組件30可包括插在一對(duì)催化電極層32之間并與它們接合的離子交換膜34，催化電極層32與接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23的陰離子交換樹(shù)脂層24接合。在本發(fā)明的另外任選實(shí)施方案中，催化電極層32與多孔擴(kuò)散介質(zhì)20接合，更具體地，與擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23接合。在這種特別的實(shí)施方案中，陰離子交換樹(shù)脂層24不位于催化電極層32和擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第二主面23之間。但是，陰離子交換樹(shù)脂層24可接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底22的第一主面21。
根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施方案進(jìn)一步考慮到，陰離子交換樹(shù)脂層24可被施加到限定在陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)40、50內(nèi)的流場(chǎng)通道上，以便除去產(chǎn)物水中的陰離子和中和游離酸，該產(chǎn)物水在陰極流場(chǎng)50處形成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到，流場(chǎng)為一種電化學(xué)電池部件，其為了燃料電池的運(yùn)行而允許流體如反應(yīng)物和廢氣以及液體進(jìn)入和離開(kāi)反應(yīng)區(qū)。如本文所述，樹(shù)脂從產(chǎn)物水中除去陰離子如氟化氫并因此減輕金屬(如不銹合金)雙極板的腐蝕。陰離子交換樹(shù)脂層24的厚度一般在約10和約30μm之間，這能在燃料電池堆的壽命(例如約6000小時(shí))內(nèi)有效地除去陰離子。
現(xiàn)在參考圖3，可設(shè)計(jì)結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池系統(tǒng)作為車輛100的電源運(yùn)行。具體地，來(lái)自燃料儲(chǔ)存單元120的燃料可被送往被設(shè)計(jì)將燃料例如H2轉(zhuǎn)化成電力的燃料電池裝置110。產(chǎn)生的電力用作車輛100的動(dòng)力源，其中電力被轉(zhuǎn)化成扭矩和車輛平移運(yùn)動(dòng)。盡管圖3中所示的車輛100為客車，但可預(yù)見(jiàn)到車輛100可為任何能被燃料電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)或推動(dòng)的現(xiàn)在已知或以后開(kāi)發(fā)的車輛，如汽車(即小汽車、輕型或重型卡車、或牽引車)、農(nóng)場(chǎng)設(shè)備、飛機(jī)、船只、鐵路機(jī)車等。
注意術(shù)語(yǔ)象“優(yōu)選”、“通常”和“一般”在本文中不用于限制聲明的發(fā)明的范圍或表明某些特征對(duì)于聲明的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或甚至重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅僅是用于強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的具體實(shí)施方案中可使用或不使用的替換或附加特征。
為了描述和限定本發(fā)明，注意術(shù)語(yǔ)“裝置”在本文中用于代表部件和單獨(dú)部件的組合，不管部件是否與其它部件結(jié)合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“裝置”可包括多孔擴(kuò)散介質(zhì)、結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的多孔擴(kuò)散介質(zhì)的燃料電池、結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的車輛等。
為了描述和限定本發(fā)明，注意術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中用于代表由于任何數(shù)量比較、值、測(cè)量或其它表示法造成的固有不確定性程度。術(shù)語(yǔ)“基本上”在本文中還用于代表數(shù)量表示可與指定基準(zhǔn)有差異而不會(huì)引起正討論的主題的基本功能變化的程度。
已詳細(xì)并參考具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但顯然，只要不脫離附加權(quán)利要求中限定的本發(fā)明范圍，更改和變化都是可能的。更具體地說(shuō)，盡管本發(fā)明的一些方面在本文中被指定為優(yōu)選或尤其有利的，但應(yīng)考慮到本發(fā)明沒(méi)有必要限制到本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種多孔擴(kuò)散介質(zhì)，包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體，所述襯底包括足以賦予所述襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料；所述陰離子交換樹(shù)脂層接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分；和設(shè)計(jì)所述陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子。
2.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層與所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一主面的至少一部分接合。
3.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層與所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第二主面的至少一部分接合。
4.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層與所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一主面和所述第二主面兩者的至少一部分接合。
5.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂包括強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂、弱堿陰離子交換樹(shù)脂和其組合中的至少一種。
6.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子包括氟化物、氯化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽和其組合中的至少一種。
7.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層具有足以中和溶液中的游離的無(wú)機(jī)和有機(jī)酸的厚度。
8.權(quán)利要求7的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述酸包括HCl、HBr、HF、HI、H2SO4、H3PO4、乙酸、甲酸、丙酸和苯甲酸及其組合中的至少一種。
9.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層具有至少約10μm的厚度。
10.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層具有在約10和約30μm之間的厚度。
11.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層至少部分地滲透所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底。
12.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層的特征在于孔隙率大于所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述纖維基體的孔隙率。
13.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括碳纖維紙。
14.權(quán)利要求1的多孔擴(kuò)散介質(zhì)，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底具有約0.17mm的厚度。
15.一種裝置，包括膜電極組件、多孔擴(kuò)散介質(zhì)和至少一對(duì)雙極板組件，其中所述多孔擴(kuò)散介質(zhì)包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層；所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體；所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括足以賦予所述襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料；所述陰離子交換樹(shù)脂層接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分；設(shè)計(jì)所述陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子；所述膜電極組件插在一對(duì)所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底之間；和所述雙極板組件接合所述陰離子交換樹(shù)脂層。
16.權(quán)利要求15的裝置，其中每個(gè)所述雙極板組件包括陰極流場(chǎng)和陽(yáng)極流場(chǎng)，和其中所述膜電極組件插在所述陽(yáng)極流場(chǎng)和所述陰極流場(chǎng)之間。
17.權(quán)利要求15的裝置，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一主面，和所述雙極板組件接合所述陰離子交換樹(shù)脂層。
18.權(quán)利要求17的裝置，其中所述陰離子交換樹(shù)脂層還接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第二主面，和所述膜電極組件接合與所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第二主面接合的所述陰離子交換樹(shù)脂層。
19.權(quán)利要求18的裝置，其中所述膜電極組件還包括插在一對(duì)催化電極層之間并與它們接合的離子交換膜，和其中所述催化電極層與接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第二主面的所述陰離子交換樹(shù)脂層接合。
20.權(quán)利要求15的裝置，其中所述膜電極組件還包括插在一對(duì)催化電極層之間并與它們接合的離子交換膜，和其中所述催化電極層與所述多孔擴(kuò)散介質(zhì)接合。
21.權(quán)利要求15的裝置，其中所述雙極板組件包括流場(chǎng)，和其中陰離子交換樹(shù)脂接合所述流場(chǎng)。
22.權(quán)利要求15的裝置，其中所述裝置包括燃料電池。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中所述裝置還包括限定由所述燃料電池驅(qū)動(dòng)的車輛的結(jié)構(gòu)。
24.一種裝置，包括膜電極組件、多孔擴(kuò)散介質(zhì)和至少一對(duì)雙極板組件，其中所述膜電極組件插在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)襯底之間；所述雙極板組件包括至少一個(gè)流場(chǎng)通道，所述流場(chǎng)通道包括陰離子交換樹(shù)脂層，其中設(shè)計(jì)所述陰離子交換樹(shù)脂層以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子；和所述雙極板組件接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底。
25.一種多孔擴(kuò)散介質(zhì)，包括擴(kuò)散介質(zhì)襯底和陰離子交換樹(shù)脂層，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體，其中所述襯底包括足以賦予所述襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料，和厚度為約0.17mm；所述陰離子交換樹(shù)脂層接合所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分；設(shè)計(jì)所述陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子，并且所述陰離子交換樹(shù)脂包括強(qiáng)堿陰離子交換樹(shù)脂、弱堿陰離子交換樹(shù)脂和其組合中的至少一種；所述陰離子交換樹(shù)脂層具有足以從溶液中除去游離的無(wú)機(jī)和有機(jī)酸的厚度，所述陰離子交換樹(shù)脂層的所述厚度在約10和約30μm之間；所述陰離子交換樹(shù)脂層至少部分地滲透所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底；和所述陰離子交換樹(shù)脂層的特征在于孔隙率大于所述擴(kuò)散介質(zhì)襯底的所述纖維基體的孔隙率。
全文摘要
提供了包括膜電極組件、多孔擴(kuò)散介質(zhì)和至少一對(duì)雙極板組件的裝置。膜電極組件插在一對(duì)擴(kuò)散介質(zhì)襯底之間，雙極板組件包括至少一個(gè)流場(chǎng)通道，并且雙極板組件接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底。擴(kuò)散介質(zhì)襯底包括限定相對(duì)的第一和第二主面的纖維基體。襯底包括足以賦予所述襯底導(dǎo)電性的一定數(shù)量的碳質(zhì)材料。陰離子交換樹(shù)脂層接合擴(kuò)散介質(zhì)襯底的第一和第二主面中至少一個(gè)的至少一部分和/或流場(chǎng)通道。設(shè)計(jì)陰離子交換樹(shù)脂以通過(guò)與羥基交換或形成季銨鹽來(lái)除去陰離子。
文檔編號(hào)H01M4/90GK101053102SQ200580034014
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月5日
發(fā)明者M·H·阿布德埃爾哈米德, Y·M·米克海爾, R·H·布倫克 申請(qǐng)人:通用汽車公司