專(zhuān)利名稱(chēng)：具有疏水性和親水性的擴(kuò)散介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池和改進(jìn)燃料電池運(yùn)行過(guò)程中水管理的方法。本發(fā)明還涉及用于燃料電池的擴(kuò)散介質(zhì)的制備方法，所述擴(kuò)散介質(zhì)具有空間圖案化的疏水區(qū)和親水區(qū)。
背景技術(shù)：
燃料電池日益用作電動(dòng)汽車(chē)和其它應(yīng)用的電源。典型的燃料電池具有膜電極組件(MEA)，該膜電極組件(MEA)具有催化電極和在電極之間形成的質(zhì)子交換膜。在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，基于出現(xiàn)在MEA中的氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，在陰極產(chǎn)生水。燃料電池的有效運(yùn)行取決于在系統(tǒng)中提供有效的水管理的能力。氣體擴(kuò)散介質(zhì)在PEM燃料電池中起重要作用。通常，擴(kuò)散介質(zhì)需要通過(guò)毛細(xì)作用從陰極催化劑層帶走產(chǎn)物水，同時(shí)保持反應(yīng)物氣體從氣流通道流達(dá)催化劑層。另外，電極之間的質(zhì)子交換膜在完全被水合時(shí)運(yùn)行最好。因此，氣體擴(kuò)散介質(zhì)的最重要的功能之一是在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中提供水管理。對(duì)于最佳的水管理，提供具有所需平衡的親水性和疏水性的氣體擴(kuò)散介質(zhì)是合乎需要的。通過(guò)提供具有適當(dāng)平衡的親水性和疏水性的氣體擴(kuò)散介質(zhì)，可以向反應(yīng)物氣體和產(chǎn)物水提供不同的傳輸路徑并因此防止由于水在氣體擴(kuò)散介質(zhì)的孔隙中過(guò)度積累導(dǎo)致的電池中的溢流，同時(shí)保持質(zhì)子交換膜的適當(dāng)水合，特別是當(dāng)在高電流密度通過(guò)質(zhì)子經(jīng)由滲透牽引將水從陽(yáng)極側(cè)運(yùn)至陰極側(cè)時(shí)。另外，通過(guò)在氣體擴(kuò)散介質(zhì)中保持適當(dāng)量的液態(tài)水或通過(guò)電池內(nèi)部液態(tài)水循環(huán)使得能夠利用相當(dāng)干燥的進(jìn)入反應(yīng)物氣體，因而減少對(duì)外部加濕器的容量要求。將聚四氟乙烯(PTFE)添加到碳纖維擴(kuò)散介質(zhì)中是普通的燃料電池技術(shù)。這種添加使介質(zhì)更為疏水而且提供優(yōu)點(diǎn)。已做了各種嘗試以改進(jìn)PTFE涂敷介質(zhì)的水管理能力，包括涂敷額外的微孔層和/或?qū)⑿疚牧锨度氲綌U(kuò)散介質(zhì)中。因此，提供具有改進(jìn)的疏水性和親水性平衡的氣體擴(kuò)散介質(zhì)是合乎需要的，這種改進(jìn)的平衡能夠用來(lái)在燃料電池中提供有效的水管理。提供將疏水材料如聚四氟乙烯沉積至此類(lèi)擴(kuò)散介質(zhì)以便能夠精確地設(shè)置疏水區(qū)和親水區(qū)從而獲得最佳的燃料電池效率的方法也是合乎需要的。
發(fā)明概述在一個(gè)實(shí)施方案中，用于PEM燃料電池的擴(kuò)散介質(zhì)包含疏水區(qū)和親水區(qū)用于改進(jìn)的水管理。該擴(kuò)散介質(zhì)包含具有兩個(gè)側(cè)面的片形式的碳纖維紙。疏水聚合物沉積在該紙上以限定疏水區(qū)，親水導(dǎo)電聚合物沉積在該紙上以限定親水區(qū)。在各個(gè)實(shí)施方案中，碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)上的疏水區(qū)和親水區(qū)陣列通過(guò)將親水聚合物電引發(fā)聚合到預(yù)先涂敷有疏水聚合物如碳氟聚合物的擴(kuò)散介質(zhì)上來(lái)產(chǎn)生。當(dāng)含有用于電引發(fā)聚合的單體的水溶液與碳氟化合物涂敷的擴(kuò)散介質(zhì)接觸時(shí)，親水導(dǎo)電聚合物將優(yōu)先沉積在未覆蓋碳氟化合物的碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域上。由于電引發(fā)聚合主要發(fā)生在未覆蓋碳氟化合物的區(qū)域，所以將產(chǎn)生具有疏水區(qū)和親水區(qū)平衡的擴(kuò)散介質(zhì)。在另一實(shí)施方案中，提供包含位于流體分配室中的擴(kuò)散介質(zhì)的PEM燃料電池，流體分配室通過(guò)不滲透的導(dǎo)電元件如雙極板限定在電池的陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)上?？梢哉{(diào)節(jié)擴(kuò)散介質(zhì)上的親水區(qū)和疏水區(qū)的平衡以在燃料電池中提供所需水平的水管理。例如，在各個(gè)實(shí)施方案中，流體分配室具有反應(yīng)物氣體入口側(cè)和出口側(cè)。將氧化劑氣體如氧氣供應(yīng)給陰極入口。將氫燃料供應(yīng)給陽(yáng)極入口。氫在陽(yáng)極被氧化形成質(zhì)子，并且質(zhì)子從陽(yáng)極穿過(guò)聚合物交換膜到達(dá)陰極以便與氧氣反應(yīng)形成水。通過(guò)擴(kuò)散介質(zhì)的作用將產(chǎn)物水芯吸離開(kāi)陰極電極并通過(guò)氧化劑氣體的流動(dòng)從電池去除該產(chǎn)物水。在一個(gè)實(shí)施方案中，鄰近出口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)上疏水聚合物的含量大于鄰近入口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)上疏水聚合物的含量?？蛇x擇的是，鄰近入口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的親水聚合物的含量可以大于鄰近出口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的親水聚合物的含量。在各個(gè)實(shí)施方案中，疏水聚合物包括碳氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)，并且通過(guò)電引發(fā)聚合沉積的親電子聚合物是聚苯胺或聚吡咯。優(yōu)選，疏水聚合物是不導(dǎo)電的。在另一實(shí)施方案中，擴(kuò)散介質(zhì)通過(guò)下述方法來(lái)制備，該方法包括將碳氟聚合物以圖案方式沉積到導(dǎo)電的多孔基材，如碳纖維基基材上以便保留一部分基材不被碳氟聚合物覆蓋。因此，導(dǎo)電聚合物優(yōu)選通過(guò)電引發(fā)聚合沉積在基材的未覆蓋部分。優(yōu)選，在進(jìn)行電引發(fā)聚合步驟之前沉積的碳氟聚合物經(jīng)受高溫以燒結(jié)該聚合物，從碳氟聚合物溶液燒掉分散劑并將其固定在碳纖維基基材上。根據(jù)下文提供的詳細(xì)描述，本發(fā)明適用的其它領(lǐng)域?qū)⒆兊蔑@而易見(jiàn)。應(yīng)當(dāng)理解的是在說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案時(shí)，詳細(xì)描述和具體例子僅僅是說(shuō)明的目的并不意味著限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡(jiǎn)述根據(jù)詳細(xì)描述和附圖，將更全面地理解本發(fā)明，其中

圖1和2說(shuō)明用于實(shí)施將疏水聚合物以所需圖案沉積在基材上的方法的圖案元件的實(shí)施方案；圖3、4和5是用在所述方法中的模具的截面圖。圖6是示例性的燃料電池系統(tǒng)電池堆中的三個(gè)電池的示意圖。
詳細(xì)描述優(yōu)選實(shí)施方案的以下描述實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的并且決不意味著限制本發(fā)明、它的應(yīng)用或用途。用于PEM燃料電池的擴(kuò)散介質(zhì)包含用于改進(jìn)的水管理的疏水區(qū)和親水區(qū)，該擴(kuò)散介質(zhì)包括具有兩個(gè)側(cè)面的片形式的導(dǎo)電多孔材料；沉積在多孔材料上的疏水聚合物，限定疏水區(qū)；和沉積在多孔材料上的親水導(dǎo)電聚合物，限定親水區(qū)。優(yōu)選的多孔材料是碳纖維紙或碳布。在各個(gè)實(shí)施方案中，疏水聚合物是碳氟聚合物。適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)。優(yōu)選的導(dǎo)電聚合物包括，但不限于，聚苯胺和聚吡咯。在各個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)涂敷疏水聚合物限定的疏水區(qū)主要位于紙的一側(cè)上，同時(shí)通過(guò)沉積導(dǎo)電聚合物限定的親水區(qū)主要位于紙的另一側(cè)上。在另一實(shí)施方案中，在紙的一側(cè)或兩側(cè)上提供疏水區(qū)和親水區(qū)圖案以便提供具有親水性和疏水性平衡的擴(kuò)散介質(zhì)。在另一實(shí)施方案中，制備具有疏水區(qū)和親水區(qū)的碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)的方法包括a)將疏水聚合物以某種圖案沉積到碳基基材上以便保留一部分基材不被疏水聚合物覆蓋；和因此b)將導(dǎo)電聚合物沉積到未被覆蓋的基材部分上。在各個(gè)實(shí)施方案中，疏水聚合物包括碳氟聚合物如PTFE和導(dǎo)電聚合物包括聚苯胺或聚吡咯。在一些實(shí)施方案中，疏水聚合物主要沉積在基材的一側(cè)上，導(dǎo)電聚合物主要沉積在另一側(cè)上。疏水或碳氟聚合物可以用各種方法沉積在碳纖維基基材上。在各個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)下面論述的和在名稱(chēng)為″Preparationof Patterned Piffusion Media″碳氟聚合物的所需圖案沉積在碳纖維基材上，上述申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給當(dāng)前受讓人，2004年4月14日提交，序列號(hào)為10/824,032，在此并入其所披露的內(nèi)容作為參考。在各個(gè)實(shí)施方案中，碳氟聚合物用這樣一種方法沉積到基材上，該方法包括以下步驟a)用碳氟聚合物水乳液中的溶劑潤(rùn)濕碳纖維紙片，如將該紙浸漬到乳液中；b)使?jié)櫇衿c圖案元件接觸，該圖案元件包括對(duì)應(yīng)于碳氟聚合物沉積預(yù)定圖案定向的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口；c)在該片與圖案元件接觸時(shí)從該片上蒸發(fā)溶劑。結(jié)果，在鄰近圖案元件上的開(kāi)口的區(qū)域碳氟聚合物濃縮在片上?？梢酝ㄟ^(guò)將片保持在兩個(gè)模具表面進(jìn)行接觸步驟，其中至少一個(gè)模具表面包括溶劑可以蒸發(fā)通過(guò)的開(kāi)口。在選擇性的實(shí)施方案中，一個(gè)模具表面包括開(kāi)口，而另一個(gè)模具表面是實(shí)心的。在另一實(shí)施方案中，兩個(gè)模具表面都包括開(kāi)口，而且碳氟聚合物的圖案沉積在碳纖維紙的兩側(cè)上。圖案元件可以包括篩網(wǎng)。在各個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)加熱片去除溶劑來(lái)完成溶劑的蒸發(fā)。在各個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，片的至少一側(cè)在其大約10％到大約90％的區(qū)域上涂敷有碳氟聚合物。在另一實(shí)施方案中，片的至少一側(cè)在其大約10％到大約60％的區(qū)域上涂敷有碳氟聚合物。在各個(gè)實(shí)施方案中，如以下所述的和在名稱(chēng)為″Incressingthe Hydrophilicity of Carbon Fiker Paper by Electrophymerization″的共同未決申請(qǐng)中所述，可沉積導(dǎo)電聚合物，上述申請(qǐng)代理人記錄序號(hào)8540G-000212(GP-303506)，轉(zhuǎn)讓給當(dāng)前受讓人，2004年8月5日提交，在此引入其披露的內(nèi)容作為參考。優(yōu)選，導(dǎo)電聚合物通過(guò)電化學(xué)聚合從聚合單體的水溶液沉積。優(yōu)選該溶液包含電解質(zhì)和選自吡咯、噻吩、苯胺、呋喃、甘菊環(huán)、咔唑及其衍生物的單體。通過(guò)設(shè)置部分涂敷有碳氟聚合物的碳纖維基材作為電引發(fā)聚合過(guò)程中的工作電極來(lái)完成電引發(fā)聚合。如果該溶液包含苯胺，聚苯胺沉積在基材上。另一方面，如果該溶液包含吡咯，聚吡咯被沉積。由于電引發(fā)聚合主要發(fā)生在導(dǎo)電表面上，所以導(dǎo)電聚合物將優(yōu)先沉積在提供親水區(qū)的基材未涂敷部分上。在各個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的擴(kuò)散介質(zhì)用在燃料電池中。示例性的燃料電池包括陽(yáng)極、陰極和位于陽(yáng)極和陰極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)。鄰近陰極和陽(yáng)極提供不滲透的導(dǎo)電元件，該不滲透導(dǎo)電元件與各個(gè)電極一起限定分別與陰極和陽(yáng)極相關(guān)的流體分配室。例如如上所述的擴(kuò)散介質(zhì)位于一個(gè)或兩個(gè)流體分配室中。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，優(yōu)選的分配室具有氣體入口側(cè)和氣體出口側(cè)，而且擴(kuò)散介質(zhì)從入口側(cè)到出口側(cè)橫跨流體分配室。在陽(yáng)極側(cè)，氣體是反應(yīng)物氫，而在陰極，氣體是氧化劑氧。擴(kuò)散介質(zhì)的疏水區(qū)和親水區(qū)的平衡(即，疏水聚合物的量和區(qū)域覆蓋率，親水聚合物的量和區(qū)域覆蓋率，和兩者的相對(duì)比率)可以根據(jù)需要改變以在燃料電池中提供水管理。例如，疏水聚合物的量在鄰近流體分配室入口側(cè)和出口側(cè)的各個(gè)擴(kuò)散介質(zhì)部分可以是不同的。在非限制性的例子中，當(dāng)擴(kuò)散介質(zhì)在陰極側(cè)時(shí)，鄰近出口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物的含量大于鄰近入口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物的含量。在本發(fā)明的一個(gè)方面，在多孔材料如碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)上的疏水區(qū)和親水區(qū)陣列通過(guò)將親水聚合物電引發(fā)聚合到擴(kuò)散介質(zhì)上來(lái)產(chǎn)生，該擴(kuò)散介質(zhì)已經(jīng)部分涂敷有不導(dǎo)電的疏水聚合物。當(dāng)將包含用于電引發(fā)聚合的單體的水溶液施加到部分涂敷的擴(kuò)散介質(zhì)上時(shí)，導(dǎo)電聚合物的沉積將主要發(fā)生在未覆蓋疏水聚合物的基材區(qū)域上。相信這部分是由于涂層的非導(dǎo)電性和疏水性，這防止碳纖維被包含可電引發(fā)聚合單體的溶液潤(rùn)濕以致于沒(méi)有電子能夠通過(guò)非導(dǎo)電聚合物涂層轉(zhuǎn)移以引發(fā)電引發(fā)聚合過(guò)程。疏水聚合物，在各個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中包括碳氟聚合物，可通過(guò)各種方法沉積到多孔材料基材上，只要至少一部分基材保持未被覆蓋即可。在一個(gè)實(shí)施方案中，將碳纖維基材浸漬在碳氟聚合物乳液中，從乳液中移出，鋪置在固體基材如載玻片上。在溶劑從基材蒸發(fā)時(shí)，沉積在基材上的碳氟聚合物將濃縮在溶劑蒸發(fā)的一側(cè)上，而相對(duì)一側(cè)在其表面上將包含相對(duì)較少的碳氟聚合物。例如通過(guò)改變溫度可以調(diào)節(jié)溶劑的蒸發(fā)速率，以獲得整個(gè)基材厚度上的沉積的碳氟化合物所需的在整個(gè)平面上的分布。可選擇的是，沉積的碳氟聚合物的平面內(nèi)分布可以改變。例如，在燃料電池中鄰近反應(yīng)物氣體的進(jìn)口或入口側(cè)的區(qū)域中的擴(kuò)散介質(zhì)的疏水/親水平衡可以不同于在出口或排出口側(cè)所提供的擴(kuò)散介質(zhì)的疏水/親水平衡。用于本發(fā)明的多孔材料或基材一般是多孔2-D柔軟材料，上述材料可以用水或與下述聚合物溶液相關(guān)的其它溶劑潤(rùn)濕。在一個(gè)實(shí)施方案中，多孔材料(也稱(chēng)作片材料)可以用織造織物或非織造織物制成。這種織物由能夠用聚合物溶液潤(rùn)濕的纖維制成。如果必要的話(huà)，可以將表面活性劑或潤(rùn)濕劑添加到聚合物溶液中以使聚合物和溶劑潤(rùn)濕在纖維上。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，片材料由碳纖維紙制成。碳纖維紙可以被看作是由碳纖維制成的非織造織物。碳纖維紙是以多種形式商業(yè)可得的。在各個(gè)實(shí)施方案中，例如所述紙的密度是大約0.3-0.8g/cm3或大約0.4-0.6g/cm3，紙的厚度是大約100-大約1000mμm，優(yōu)選大約100-大約500mμm，孔隙率是大約60％-大約80％。如下所述用于燃料電池應(yīng)用的適宜的碳纖維紙例如從Toray Industries USA獲得。從Toray商業(yè)獲得的碳纖維紙的例子是TGP H-060，其具有0.45g/cm3的堆積密度和約180微米的厚度。用于本發(fā)明并用本發(fā)明的方法沉積在片材料上的疏水聚合物是將在下述的蒸發(fā)條件下從乳液沉淀或從溶液沉淀出來(lái)的疏水聚合物。優(yōu)選，沉積到片材料上的聚合物是在其最終應(yīng)用如燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)的使用條件下與片部分保持穩(wěn)定接觸的聚合物。如下所述，與片材料接觸的聚合物的相容性或穩(wěn)定性可以通過(guò)某些后固化步驟來(lái)加強(qiáng)，其中將涂敷的片材料加熱到高溫以固定聚合物在片材料上的結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所用的聚合物是給予沉積聚合物的基材片材料疏水特征的聚合物。如果聚合物材料的表面自由能小于片材料自身的表面自由能，則該聚合物使基材表面疏水。聚合物和片材料的表面自由能可以通過(guò)水分別與聚合物或片材料的接觸角來(lái)測(cè)量并與上述接觸角相關(guān)聯(lián)。例如，如果水在聚合物上的接觸角大于水在片材料上的接觸角，那么該聚合物可以被認(rèn)為是疏水材料。如果水在聚合物上的接觸角小于水在片材料上的接觸角，那么該聚合物可以被認(rèn)為是親水聚合物。疏水聚合物非限制性的例子包括氟樹(shù)脂。氟樹(shù)脂是通過(guò)聚合或共聚一種或多種包含至少一個(gè)氟原子的單體制成的含氟聚合物。除非另外指出，可互換使用術(shù)語(yǔ)″″合產(chǎn)生碳氟聚合物的含氟單體的非限制性例子包括四氟乙烯、六氟丙烯、偏二氟乙烯、全氟甲基乙烯醚、全氟丙基乙烯醚等。氟碳鍵的存在被認(rèn)為是造成這些聚合物疏水性質(zhì)的原因。優(yōu)選的氟樹(shù)脂的具體例子是聚四氟乙烯(PTFE)，四氟乙烯的均聚物。在各個(gè)實(shí)施方案中，以圖案形式在片材料上沉積疏水聚合物的方法包括用包含溶劑和聚合物的聚合物分散液潤(rùn)濕片材料。在將片材料浸漬到聚合物分散液中之后，然后片材料與包括對(duì)應(yīng)于圖案的開(kāi)口的圖案元件接觸。其后，從潤(rùn)濕的多孔片材料蒸發(fā)溶劑同時(shí)該片材料仍然與圖案元件接觸。溶劑通過(guò)圖案元件在開(kāi)口處離開(kāi)片。這樣，疏水聚合物主要在開(kāi)口處沉積在片上。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，氟樹(shù)脂以圖案形式沉積在碳纖維紙上，該圖案通過(guò)氟樹(shù)脂對(duì)碳纖維紙片的覆蓋率小于100％，例如50％-99％。在另一實(shí)施方案中，聚合物如氟樹(shù)脂可以覆蓋10％-90％的片面積，優(yōu)選10％-60％或10％-50％。該方法包括在氟樹(shù)脂水乳液中潤(rùn)濕碳纖維紙片，接著在溶劑從氟樹(shù)脂水乳液完全蒸發(fā)之前用圖案元件接觸潤(rùn)濕片。該圖案元件包括一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)于碳纖維紙上的聚合物覆蓋圖案定向的開(kāi)口。然后從碳纖維紙片蒸發(fā)水，同時(shí)該片仍然與圖案元件接觸。結(jié)果，疏水聚合物在對(duì)應(yīng)于圖案元件中開(kāi)口的位置濃縮在碳纖維紙上。在各個(gè)實(shí)施方案中，用熱壓方法完成在片仍然被溶劑潤(rùn)濕的同時(shí)使片與圖案元件接觸的過(guò)程。例如，使用包含水和氟樹(shù)脂顆粒的水乳液，將碳纖維紙片浸漬在氟樹(shù)脂分散液中。在碳纖維紙片仍然用水潤(rùn)濕時(shí)，使該片通過(guò)熱壓方法與圖案元件接觸，在片與圖案元件接觸時(shí)水從該片蒸發(fā)。片材料，例如其上沉積有圖案狀聚合物如氟樹(shù)脂的碳纖維紙，可用作例如燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)。這種燃料電池包括陽(yáng)極和陰極，質(zhì)子交換膜位于陽(yáng)極和陰極之間。在燃料電池運(yùn)行期間，在陰極表面產(chǎn)生水。設(shè)置擴(kuò)散介質(zhì)與陽(yáng)極和陰極催化劑層接觸以便于實(shí)行用于燃料電池中水管理和反應(yīng)物氣體傳輸?shù)亩喾N功能。所述膜是質(zhì)子交換膜(PEM)，其一般包含離子交換組件，如全氟磺酸鹽離聚物膜。一種此類(lèi)可商業(yè)獲得的膜是E.I.DuPont DeNemours&Co.以商標(biāo)NAFION出售的質(zhì)子傳導(dǎo)膜。陽(yáng)極和陰極一般包括其中分散有催化顆粒的多孔材料以促進(jìn)氧和氫的電化學(xué)反應(yīng)。重要的是保持膜被適當(dāng)?shù)厮弦杂糜谫|(zhì)子傳輸和提供適當(dāng)?shù)膬?nèi)阻。在各個(gè)實(shí)施方案中，在陽(yáng)極側(cè)、陰極側(cè)或上述兩側(cè)上使用本發(fā)明的擴(kuò)散介質(zhì)。這有助于陰極側(cè)上水的再分配，并且通過(guò)在擴(kuò)散介質(zhì)中提供儲(chǔ)器以保留一些水還有助于增濕陽(yáng)極反應(yīng)物氣體。另外，當(dāng)用在陽(yáng)極或陰極側(cè)時(shí)，會(huì)保持膜為水合狀態(tài)。在燃料電池運(yùn)行期間，在陽(yáng)極引入氫氣，在陽(yáng)極氫(H2)分裂成兩個(gè)質(zhì)子(H+)，釋放兩個(gè)電子。質(zhì)子移動(dòng)通過(guò)膜到達(dá)陰極側(cè)。在陰極側(cè)引入氧或空氣，在此處氧或空氣流入多孔電極。陰極內(nèi)的催化劑顆粒促進(jìn)了質(zhì)子(H+)和氧(O2)之間的反應(yīng)以在電極內(nèi)形成水。因而，當(dāng)產(chǎn)生液態(tài)水時(shí)，必須同時(shí)保持氣體流入多孔陰極材料。否則，電極具有被液體″有效減少或停止在MEA發(fā)生的任何反應(yīng)。提供擴(kuò)散介質(zhì)在某種程度上促進(jìn)了水管理。在各個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)在包含聚合物和溶劑的潤(rùn)濕組合物中潤(rùn)濕片材料將疏水聚合物施用于片材料。在一些實(shí)施方案中，可以以乳液形式提供潤(rùn)濕組合物。還可以使用溶液。在一些實(shí)施方案中，潤(rùn)濕組合物包含表面活性材料或其它試劑以便將聚合物保持在溶液或懸浮液中，或幫助潤(rùn)濕片材料。例如，用于潤(rùn)濕片材料的乳液可以包含1-大約70wt.％的疏水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)選的實(shí)施方案中，聚合物組合物包含大約2％-15重量％的聚合物固體。如上所述，除溶劑如水和聚合物顆粒如聚四氟乙烯顆粒外，聚合物組合物可以包含表面活性劑或潤(rùn)濕劑。通過(guò)將片材料暴露到潤(rùn)濕組合物一段時(shí)間并以所選擇的聚合物濃度可以進(jìn)行片材料的潤(rùn)濕以便將所需量的疏水聚合物沉積到片上。例如，片材料可以浸漬、沉浸或浸泡在潤(rùn)濕溶液中。優(yōu)選，基于聚合物和片材料的總重量，大約1％到大約20％重量的聚合物沉積在片材料上，更優(yōu)選，大約2％到15％，更優(yōu)選，大約4％到10％。聚合物覆蓋層的量和圖案可以根據(jù)片材料疏水或親水的相對(duì)程度、沉積的聚合物的疏水性和具有沉積聚合物的片材料的所需百分比覆蓋率進(jìn)行改變，所有都需要考慮最終應(yīng)用的要求。在非限制性的例子中，發(fā)現(xiàn)包含大約7重量％沉積聚合物如PTFE或其它氟樹(shù)脂的碳纖維紙可令人滿(mǎn)意的用于燃料電池。如此稱(chēng)呼圖案元件是因?yàn)樗上鄬?duì)剛性的構(gòu)架材料制成，所述圖案元件具有限定圖案的開(kāi)口，疏水聚合物將以上述圖案沉積在片材料上。可以以孔洞、穿孔、狹縫或其它形狀提供圖案元件的開(kāi)口，并且可以通過(guò)任何適當(dāng)?shù)臎_切、切削或其它方法在圖案元件中制備圖案元件的開(kāi)口。在其它實(shí)施方案中，可以以篩網(wǎng)的形式提供圖案元件，該篩網(wǎng)在一個(gè)或兩個(gè)維向上具有孔洞或開(kāi)口圖案。篩網(wǎng)形式的圖案元件可以呈穿孔板或有孔金屬網(wǎng)柵的形狀。非限制性的例子包括穿孔鐵皮和穿孔不銹鋼篩網(wǎng)。在各個(gè)實(shí)施方案中，開(kāi)口形成10％-90％的將與片接觸的篩網(wǎng)區(qū)域。在其它實(shí)施方案中，開(kāi)口可以形成10％-60％或優(yōu)選10％-50％的篩網(wǎng)接觸區(qū)域。在另一實(shí)施方案中，可以以板或基本上平面的元件的形式提供圖案元件。圖案元件可以是平面的或可以是輕微彎曲的。無(wú)論如何，在下述后續(xù)蒸發(fā)步驟中，圖案元件適合于壓住片材料。在另一實(shí)施方案中，圖案元件可以是圓筒形的。在這一實(shí)施方案中，圓筒形的圖案元件可以適合于通過(guò)熱軋法在片材料上制備涂敷圖案。在這一實(shí)施方案中，一部分圓筒形圖案材料首先壓住片材料。在該片材料與圓筒接觸的同時(shí)施加高溫或其它條件以從片材料蒸發(fā)溶劑。該圓筒以慢到足夠發(fā)生蒸發(fā)的速率滾軋通過(guò)片同時(shí)圓筒形圖案元件時(shí)刻與片材料接觸。可將潤(rùn)濕的片材料連續(xù)地喂入包含這種滾軋圓筒形圖案元件的裝置中。優(yōu)選，構(gòu)造圖案元件的構(gòu)架材料的材料是不透水或其它溶劑的，并且優(yōu)選應(yīng)當(dāng)是傳熱的以便促進(jìn)下述的溶劑蒸發(fā)。當(dāng)與片材料接觸時(shí)，圖案元件中的開(kāi)口限定了溶劑的蒸發(fā)路徑以使其從與圖案元件保持接觸的多孔片材料上排出。當(dāng)片材料仍然濕潤(rùn)時(shí)，通過(guò)使圖案元件與片材料接觸以及施加蒸發(fā)條件進(jìn)行蒸發(fā)步驟。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在與圖案元件接觸時(shí)加熱片材料。在其它實(shí)施方案中，可以施加真空以蒸發(fā)溶劑，或者在與圖案元件接觸時(shí)將空氣或其它氣體吹過(guò)片材料表面以促進(jìn)蒸發(fā)。還可以用微波或紅外輻射加熱該材料并蒸發(fā)溶劑進(jìn)行干燥。還可以使用所述蒸發(fā)條件的組合。當(dāng)加熱片材料蒸發(fā)溶劑時(shí)，蒸發(fā)速度是若干變量的函數(shù)，如溫度、環(huán)境相對(duì)濕度和對(duì)流速率。干燥速率接下來(lái)影響疏水聚合物在整個(gè)平面的分布。例如，較快干燥將傾向于在開(kāi)口處將PTFE拖到紙表面上，而較慢干燥會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較多的PTFE沉積在紙的橫截面中或紙?bào)w中。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臈l件如溫度、真空和氣流組合，選擇溶劑以可接受速率蒸發(fā)并因此產(chǎn)生所需橫截面PTFE分布的條件是可能的。在一個(gè)實(shí)施方案中，圖案元件在模具中與片材料接觸，該模具可以包括或不包括開(kāi)口，一些實(shí)施方案闡明在附圖中。在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，圖案元件可通過(guò)熱壓法與片材料接觸。在此種方法中，圖案元件在與片元件接觸之前優(yōu)選被加熱。熱壓元件可以是如上所述的板、曲線(xiàn)材料或圓筒的形式。熱壓技術(shù)尤其適用于連續(xù)或高產(chǎn)量方法。在干燥或蒸發(fā)步驟中，聚合物顆粒如PTFE顆粒隨溶劑移動(dòng)并沉淀在溶劑從基材蒸發(fā)的位置。以如下方式制造圖案元件在片材料在期望或設(shè)想具有相對(duì)于高含量的沉積硫水聚合物的位置切割開(kāi)口或槽縫。片材料可以浸漬在或以其它方式暴露于聚合物溶液，而且濕潤(rùn)的片材料如碳纖維紙可以放置于兩個(gè)同樣的和鏡像圖案模具之間?？蛇x擇的是，片材料可以被在片材料的任一側(cè)上都具有不同圖案設(shè)計(jì)的模具或圖案元件接觸。在另一實(shí)施方案中，片材料的一側(cè)可以與圖案元件接觸而另一側(cè)暴露于閉鎖部件。這些和其它實(shí)施方案進(jìn)一步通過(guò)附圖在非限制性例子中闡明。這樣，PTFE顆粒或其它聚合物顆粒絕大部分在溶劑從片材料蒸發(fā)的位置沉積在片材料上。沉積位置對(duì)應(yīng)于圖案元件中的開(kāi)口。片材料與圖案元件實(shí)心部分(即非開(kāi)口部分)接觸的位置可具有可檢測(cè)量的聚合物沉積，但是少于在開(kāi)口處的量。在溶劑已蒸發(fā)以及疏水聚合物以所需圖案沉積在片材料上之后，進(jìn)行進(jìn)一步的后固化或燒結(jié)步驟通常是合乎需要的。一般通過(guò)加熱到相對(duì)高溫足夠完成固化的一段時(shí)間來(lái)完成這種后固化。在氟樹(shù)脂涂層如聚四氟乙烯的情況下，一般加熱到大約380℃是足夠的。通常，優(yōu)選在其熔融或軟化溫度左右加熱任何這種聚合物涂層。軟化使聚合物與片材料織物發(fā)生更緊密的接觸。高溫固化不會(huì)改變?cè)诟稍锊襟E中沉積在織物上的圖案。因而可以在相對(duì)低溫進(jìn)行圖案形成步驟，提供低成本方法。圖1A顯示由限定圖案元件2中的開(kāi)口8的實(shí)心部分或不滲透部件6構(gòu)成的圖案元件2，此處開(kāi)口8由一組狹縫8表示。圖1B顯示圖案元件2的橫截面，該橫截面顯示實(shí)心部分6和開(kāi)口8。圖1C顯示根據(jù)本發(fā)明方法通過(guò)使圖案元件2與多孔織物接觸制成的片材料4。該片4包括區(qū)域10和接觸區(qū)12，區(qū)域10對(duì)應(yīng)于鄰近圖案元件中的開(kāi)口8的位置，接觸區(qū)12對(duì)應(yīng)于鄰近圖案元件實(shí)心部分6的位置。聚合物主要在開(kāi)口區(qū)8沉積在片上。圖2A顯示圖案元件2的另一實(shí)施方案的透視圖，此處用具有開(kāi)口8的篩網(wǎng)形式的實(shí)心部分6表示，開(kāi)口8在圖案元件中是兩維圖案中的孔洞形式。圖2B顯示具有聚合物的多孔織物4，該聚合物主要沉積在開(kāi)口區(qū)10，相反很少的或沒(méi)有聚合物沉積在接觸區(qū)12上。圖3A顯示與多孔織物4接觸的圖案元件2的橫截面。圖案元件2由具有開(kāi)口8的實(shí)心部分6構(gòu)成，所述開(kāi)口8限定了多孔織物4中的溶劑的蒸發(fā)路徑。多孔織物4在接觸區(qū)12接觸圖案元件，多孔織物的開(kāi)口區(qū)10不與圖案元件接觸。在圖3A所示的實(shí)施方案中，在蒸發(fā)步驟中多孔織物4的相對(duì)側(cè)11不與圖案元件接觸。圖3B示意性圖示蒸發(fā)步驟之后3A的多孔織物的結(jié)構(gòu)。圖3B顯示聚合物主要在對(duì)應(yīng)于開(kāi)口區(qū)10和圖3A的多孔織物相對(duì)側(cè)11的位置沉積在多孔織物4上。另一方面，在多孔織物上的位置12很少或沒(méi)有聚合物沉積，上述位置12對(duì)應(yīng)于在蒸發(fā)期間多孔織物與圖案元件接觸的位置。圖4A顯示在一側(cè)上與圖案元件2接觸而在另一側(cè)上與實(shí)心模具表面5接觸的本發(fā)明的多孔織物。圖4B顯示蒸發(fā)步驟之后在4A的多孔織物上的聚合物沉積圖案。與圖案元件接觸的一側(cè)顯示聚合物沉積在位置10，相反沒(méi)有聚合物沉積在位置12。同樣，當(dāng)多孔織物相對(duì)側(cè)11在蒸發(fā)步驟中與模具表面接觸并且因此沒(méi)有從相對(duì)側(cè)提供蒸發(fā)路徑時(shí)，多孔織物的相對(duì)側(cè)11包含很少的或不包含沉積的聚合物。圖5A示意性圖示在一側(cè)與圖案元件2接觸而在另一側(cè)與圖案元件2’接觸的多孔織物4。在多孔織物相對(duì)側(cè)上的圖案元件2’由實(shí)心部分6’和圖案元件8’中的開(kāi)口構(gòu)成。在蒸發(fā)步驟中，多孔織物4在位置12和12’與圖案元件接觸，同時(shí)在蒸發(fā)步驟中，多孔織物4不與圖案元件2和2’的各自位置10和10’接觸。圖5B圖示具有沉積聚合物的多孔織物，例如在圖5中通過(guò)蒸發(fā)所制備。聚合物在對(duì)應(yīng)于圖5A開(kāi)口區(qū)的位置10和10’沉積在多孔織物4上。此外，很少或沒(méi)有聚合物沉積在位置12和12’，上述位置對(duì)應(yīng)于在蒸發(fā)步驟中織物和圖案元件之間的接觸區(qū)。一旦疏水聚合物沉積在片材料如碳纖維基基材上，就將親水聚合物沉積到該基材上。在各個(gè)實(shí)施方案中，親水聚合物主要沉積在沒(méi)有覆蓋疏水聚合物的基材區(qū)域上。在各個(gè)實(shí)施方案中，親水聚合物用電化學(xué)聚合法制備。如上所述部分涂敷有碳氟聚合物的碳纖維紙用作電化學(xué)電池的工作電極。在下述電化學(xué)聚合中提及的所有碳纖維，都應(yīng)理解為是指以上討論的部分涂覆有碳氟聚合物的碳纖維基材。碳纖維紙陽(yáng)極沉浸在單體和電解質(zhì)溶液中。將正電勢(shì)施加到該工作電極，通過(guò)單體自由基正電子的陽(yáng)極偶合形成導(dǎo)電聚合物(例如用于在2、5位置形成聚吡咯的吡咯自由基正電子)。導(dǎo)電聚合物的形成和涂層的表面性質(zhì)取決于單體濃度、電解質(zhì)濃度和反應(yīng)條件。適宜的單體包括已知的在陽(yáng)極一經(jīng)聚合就形成導(dǎo)電聚合物的那些單體，所述陽(yáng)極具有大于所述單體氧化電勢(shì)的電壓。所述單體非限制性的例子包括吡咯、噻吩、苯胺、呋喃、甘菊環(huán)、咔唑，及其取代的衍生物。取代的衍生物包括1-甲基吡咯和各種□-取代的吡咯、噻吩和呋喃。□取代的噻吩的非限制性例子包括例如□-烷基噻吩、□-溴代噻吩、□-CH2CN噻吩和□，□-二溴噻吩。類(lèi)似的取代可以發(fā)生在呋喃或吡咯環(huán)上。此外，可以使用各種烷基、鹵素和其它基團(tuán)取代的甘菊環(huán)和咔唑。如上所述，在電引發(fā)聚合期間設(shè)置碳纖維紙作為工作電極或陽(yáng)極。還提供適宜的反電極，例如石墨塊或不銹鋼篩網(wǎng)?？梢钥拷ぷ麟姌O設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)甘汞參比電極(SCE)。碳纖維紙可以與集電器如金屬箔電耦合，或者可以通過(guò)適宜的接線(xiàn)柱、引線(xiàn)或其它裝置直接連接電路。用半透膜分隔的兩個(gè)室或單個(gè)室可以分別用于反電極和工作電極。反電極和工作電極一般沉浸在相同的電解液中。工作電極所在的隔室還包含適宜濃度的可聚合單體。通常，根據(jù)聚合條件可在大范圍內(nèi)選擇可聚合單體的濃度。可以理解聚合速率和聚合物結(jié)合到碳纖維表面的程度部分取決于單體濃度。適宜的單體濃度包括大約0.01M到單體溶解度上限之間的濃度。在各個(gè)實(shí)施方案中，使用大約1.5M的可聚合單體最大濃度。在各個(gè)其它實(shí)施方案中，單體濃度為至少大約0.1M，至少大約0.5M，或在大約0.5M到大約1.5M的范圍內(nèi)。電引發(fā)聚合隔室還包含適宜水平的電解質(zhì)。可以使用很多種電解質(zhì)，并根據(jù)電化學(xué)電池的其它特征和其它反應(yīng)條件選擇電解質(zhì)的濃度。優(yōu)選，選擇電解質(zhì)的濃度使借助于電解質(zhì)分子通過(guò)電池的電荷轉(zhuǎn)移不受速率限制。如同單體一樣，電解質(zhì)的濃度可以為大約0.01M到其在溶劑中的溶解度限制。優(yōu)選，在大約0.01M到大約1.5M的范圍內(nèi)使用電解質(zhì)，優(yōu)選大約0.1M到大約1.0M。優(yōu)選的溶劑是水。電解質(zhì)可以選自包含分子電荷并能夠通過(guò)電極間的溶液運(yùn)送電子的分子或分子混合物。通常使用的電解質(zhì)包括磺酸和磺酸鹽例如但不限于樟腦磺酸、對(duì)甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、硫酸、茜素紅S-一水合物和它們的鹽，特別是鈉鹽。電解質(zhì)通常混入到沉積的導(dǎo)電聚合物涂層中。電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度將影響涂敷的碳纖維的表面自由能。通過(guò)使電流通過(guò)聚合隔室一段時(shí)間氧化充足量的單體反應(yīng)在碳纖維表面上形成導(dǎo)電聚合物將導(dǎo)電聚合物沉積到陽(yáng)極碳纖維紙上。沉積聚合物的反應(yīng)時(shí)間取決于很多因素，如電池的溫度、單體和電解質(zhì)的濃度、施加的電勢(shì)、電池的結(jié)構(gòu)和所需的聚合物結(jié)合到碳纖維紙上的程度。一般的反應(yīng)時(shí)間范圍為從幾秒到幾分鐘。通過(guò)改變以上所述的參數(shù)，可以制備表面自由能恰好大于未涂敷的碳纖維的表面自由能到大于70dyne/cm的涂敷的碳纖維紙。用保持在大于可聚合單體氧化電勢(shì)的電壓的陽(yáng)極進(jìn)行電引發(fā)聚合。大于該電壓，可以根據(jù)反應(yīng)時(shí)間、所需的表面自由能、單體濃度、電解質(zhì)濃度、反應(yīng)溫度和其它參數(shù)選擇施加的電壓。作為實(shí)際問(wèn)題，施加的電壓應(yīng)當(dāng)小于會(huì)水解電化學(xué)電池中的水的電壓。在各個(gè)實(shí)施方案中，施加的電壓在大約0.5到大約2.5伏的范圍內(nèi)。可以使用各種反電極，如鉑網(wǎng)、鈦網(wǎng)和石墨塊。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過(guò)使用脈沖沉積技術(shù)進(jìn)行電引發(fā)聚合。例如，當(dāng)設(shè)置穩(wěn)壓器提供脈沖電壓(某一頻率的方波函數(shù))時(shí)，聚合過(guò)程往往主要發(fā)生在暴露的碳纖維區(qū)域而不是在溶液中。溶液中聚合物的形成可導(dǎo)致聚合物不合需要地沉積在最初用非導(dǎo)電疏水聚合物覆蓋的區(qū)域上。在循環(huán)中，當(dāng)施加電壓時(shí)，單體在陽(yáng)極表面氧化并在該表面上聚合。同時(shí)，基材表面周?chē)碾娊庖后w積中單體被暫時(shí)耗盡。當(dāng)電壓循環(huán)停止，反應(yīng)停止，通過(guò)從大量的陽(yáng)極電池電解液擴(kuò)散可在陽(yáng)極表面重建單體濃度。當(dāng)電壓再次開(kāi)啟，如前所述單體在陽(yáng)極表面氧化并聚合。可選擇電壓或電流脈沖周期以最優(yōu)化導(dǎo)電聚合物在表面上的形成速率和均勻性。例如，可選擇大約0.1Hz到大約0.001Hz的脈沖頻率。還可以改變循環(huán)過(guò)程中的開(kāi)/關(guān)時(shí)間百分比。在典型的實(shí)施方案中，開(kāi)/關(guān)循環(huán)時(shí)間是50/50。在制造本發(fā)明涂敷的碳纖維紙的方法中，優(yōu)選的電引發(fā)聚合單體包括吡咯和苯胺。聚吡咯或聚苯胺沉積到碳纖維紙中的碳纖維表面上。通常，該方法引起少量的電解質(zhì)混入到電沉積的導(dǎo)電聚合物中，這可以用于調(diào)節(jié)聚合物涂層的導(dǎo)電性和表面自由能。涂敷的碳纖維紙的表面自由能和其它有用的物理特征取決于多個(gè)因素，如混入到聚合物中的抗衡離子(電解質(zhì))的性質(zhì)、聚合物的量和電引發(fā)聚合到表面上的聚合物的表面形態(tài)。在各個(gè)實(shí)施方案中，芯吸材料包含涂敷有大約2重量％到大約30重量％或大約2重量％到大約15重量％的導(dǎo)電聚合物的碳纖維紙。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，聚合物涂層的厚度為碳纖維直徑的大約5％到大約10％。在各個(gè)實(shí)施方案中，包含上述疏水和親水沉積聚合物的擴(kuò)散介質(zhì)用在電化學(xué)燃料電池中以提供綜合的水管理。這種水管理功能包括將水移動(dòng)離開(kāi)燃料電池的濕潤(rùn)區(qū)域，在此區(qū)域水作為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物產(chǎn)生；在內(nèi)部將水運(yùn)送至任何相對(duì)干燥的區(qū)域；充當(dāng)儲(chǔ)器用于在濕潤(rùn)和干燥運(yùn)轉(zhuǎn)條件下儲(chǔ)存和釋放水；和潤(rùn)濕膜電極組件(MEA)的質(zhì)子交換膜(PEM)。通常參照?qǐng)D6，連接根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的三個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池形成電池堆。每個(gè)PEM燃料電池分別具有膜-電極-組件(MEA)13、15、14，上述膜-電極-組件用導(dǎo)電的不滲透分隔板16、18分開(kāi)，并夾在位于電池堆每一端的終端分隔板20、22之間，每個(gè)終端分隔板20、22只具有一個(gè)電活性側(cè)面24、26。沒(méi)有串聯(lián)連接在電池堆內(nèi)的單獨(dú)的燃料電池具有只有單個(gè)電活性側(cè)面的分隔板。在多燃料電池堆中，如所示的這一個(gè)中，優(yōu)選的雙極分隔板16一般具有兩個(gè)電活性側(cè)面28、30，上述電活性側(cè)面分別面對(duì)帶有分開(kāi)的相反電荷的分離的MEA13、15，因而稱(chēng)作″如本文所述，燃料電池堆在具有多個(gè)燃料電池的電池堆中具有雙極分隔板，然而本發(fā)明同樣可適用于在只具有單個(gè)燃料電池的電池堆內(nèi)的導(dǎo)電分隔板。在所示的實(shí)施方案中，將MEAs 13，15、14和雙極板16、18一起堆疊在電池堆每個(gè)末端的鋁夾板32和末端接觸終端板元件20、22之間。末端接觸終端板元件20、22和兩個(gè)雙極分隔板16、18的工作側(cè)面28、30和31、33包含大量的氣流通道(未顯示)用于將燃料和氧化劑氣體(即，H2和O2)分配到MEAs 13、15、14。不導(dǎo)電的襯墊或密封墊(未顯示)在燃料電池堆的幾個(gè)組件之間提供密封和電絕緣。透氣導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)34壓在MEAs 13、15、14的電極面上。當(dāng)組裝燃料電池堆時(shí)，導(dǎo)電氣體擴(kuò)散層34有助于氣體均勻分散在MEAs13、15、14上均勻分配氣體的整個(gè)電極而且還有助于傳導(dǎo)電流通過(guò)電池堆。將氧氣從儲(chǔ)存罐40經(jīng)由適當(dāng)?shù)墓?yīng)管42供應(yīng)到電池堆中的每個(gè)燃料電池的陰極側(cè)36，同時(shí)將氫氣從儲(chǔ)存罐44經(jīng)由適當(dāng)?shù)墓?yīng)管46供應(yīng)到燃料電池的陽(yáng)極側(cè)38。可選擇的是，可以將空氣從周?chē)h(huán)境供應(yīng)到陰極側(cè)36，將來(lái)自甲醇或汽油重整器等的氫氣供應(yīng)到陽(yáng)極38。為MEAs 13、15、14的陽(yáng)極側(cè)48和陰極側(cè)50提供排氣管。在陰極側(cè)，管道限定了出口側(cè)。氣體流入和流出電池堆一般用風(fēng)扇60推動(dòng)，如在圖6的示例性結(jié)構(gòu)中所示的那些。所示風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和數(shù)量?jī)H僅是示例性的而非限制性的。如果需要外部增濕，可以如圖6中的非限制性實(shí)施方案中所示提供。如圖6的實(shí)施方案所示，陰極流出物50從電池堆流到冷凝器54，該冷凝器用于液化和回收陰極流出物流50中的蒸氣。將液體(例如水)運(yùn)送到用于儲(chǔ)存的儲(chǔ)器56中。由于通過(guò)發(fā)生在MEA內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水以及引入用于冷卻的任何額外的水，因此來(lái)自于陰極的流出物流50具有高濃度的蒸氣(例如水蒸氣)。水由于燃料電池內(nèi)的壓力和溫度條件而蒸發(fā)。優(yōu)選，流出物流用蒸氣飽和(例如在大約100％相對(duì)濕度的水的情況下)。如圖所示，通過(guò)將儲(chǔ)器56連接到電池堆中的燃料電池，供應(yīng)管61將水供應(yīng)給每個(gè)MEA13、15、14的陰極側(cè)。泵(未顯示)可以任選地包括在系統(tǒng)中以推動(dòng)液體從儲(chǔ)器56運(yùn)送到電池堆，或運(yùn)送通過(guò)該系統(tǒng)的其它區(qū)域。不滲透導(dǎo)電層80包括實(shí)心導(dǎo)電體86。不滲透導(dǎo)電層80是不滲透流體和氣流的，因而在幾個(gè)燃料電池之間或電池堆的終端提供物理屏障。不滲透導(dǎo)電層80可由本領(lǐng)域已知的導(dǎo)電材料構(gòu)造，例如鋁、鈦、不銹鋼和它們的合金，以及碳復(fù)合材料。優(yōu)選，導(dǎo)電不滲透層80接近并附著于流體分配裝置72。上文已參照某些實(shí)施方案描述本發(fā)明。在下文的實(shí)施例中進(jìn)一步給出對(duì)本發(fā)明非限制性的描述。
實(shí)施例實(shí)施例1提供篩網(wǎng)形式的圖案元件，其在不銹鋼片上具有一系列孔洞以使孔洞的面積占整個(gè)圖案元件表面積的大約20-63％。這種篩網(wǎng)是商業(yè)可得的，例如來(lái)自于McMaster-Carr。將碳纖維紙片(例如TorayTGP H-060，Toray，Japan，具有大約180μm的厚度，7μm的纖維直徑和75％的孔隙率)浸泡在3wt％的聚四氟乙烯(PTFE)的分散液中4分鐘。通過(guò)60wt％的DuPont T-30 PTFE分散液20∶1的稀釋制備3wt％的PTFE。然后設(shè)置碳纖維紙與圖案元件接觸并在120℃干燥0.5小時(shí)。此時(shí)，有約8wt％的吸收，這一般由商品溶液中的PTFE和表面活性劑造成。去除溶劑后，將紙從與圖案元件的接觸中移開(kāi)并在380℃固化20分鐘。固化步驟后，保持大約7wt％的PTFE吸收。
實(shí)施例2在聚苯乙烯磺酸電解液中將聚苯胺沉積在實(shí)施例1的PTFE涂敷的紙上。電鍍?cè)“谒械?.3M苯胺和0.2mg/ml聚苯乙烯磺酸。將如實(shí)施例1制備的一片3″×3″Toray 060碳紙作為工作電極置于電鍍?cè)≈虚g。將兩片不銹鋼反電極置于碳纖維紙的每一側(cè)，上述不銹鋼反電極距離碳纖維紙表面大約1.5″。將SCE電極設(shè)置在碳紙表面附近作為參比電極。用下述方法利用穩(wěn)壓器進(jìn)行電引發(fā)聚合過(guò)程施加0.9V到0V，0.1Hz，50/50周期的施加電壓的方波用于電引發(fā)聚合苯胺(施加0.9V電壓5秒，隨后施加0V電壓5秒)?？偟姆磻?yīng)時(shí)間是50秒(在0.9V25秒)。紙的視覺(jué)檢測(cè)表明聚苯胺優(yōu)先沉積在最初未覆蓋PTFE的區(qū)域。校準(zhǔn)沉積效率后使用通過(guò)沉積電池的電荷可以估計(jì)導(dǎo)電聚合物的加載量(已知量的電流或電荷通過(guò)系統(tǒng)，然后漂洗和干燥樣品以測(cè)量重量增加)。本發(fā)明的描述實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，因而，不背離本發(fā)明要旨的改變落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。所述改變不認(rèn)為是背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括陽(yáng)極；陰極；位于陽(yáng)極和陰極之間的質(zhì)子交換膜；與陰極相連具有氣體入口側(cè)和氣體出口側(cè)的流體分配室；與陽(yáng)極相連具有氣體入口側(cè)和氣體出口側(cè)的流體分配室；位于與陰極相連的流體分配室、與陽(yáng)極相連的流體分配室或上述兩者內(nèi)的擴(kuò)散介質(zhì)，其中該擴(kuò)散介質(zhì)從入口側(cè)到出口側(cè)跨越流體分配室，而且其中至少一個(gè)擴(kuò)散介質(zhì)包含導(dǎo)電多孔材料；沉積在多孔材料上的限定疏水區(qū)的疏水聚合物；和沉積在多孔材料上的限定親水區(qū)的親水聚合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中疏水聚合物包括碳氟聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中疏水聚合物包括聚四氟乙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中親水聚合物包括聚苯胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中親水聚合物包括聚吡咯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中包含疏水聚合物和親水聚合物的至少一種擴(kuò)散介質(zhì)在鄰近出口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物含量不同于鄰近入口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池，其中鄰近陰極設(shè)置的擴(kuò)散介質(zhì)在鄰近出口側(cè)擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物含量高于鄰近入口側(cè)的擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域中的疏水聚合物含量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中多孔材料包括碳纖維紙。
9.一種具有疏水區(qū)和親水區(qū)的擴(kuò)散介質(zhì)的制備方法，包括a)將疏水聚合物以圖案形式沉積到多孔基材上以便保留一部分基材不被聚合物覆蓋；和然后b)將導(dǎo)電聚合物沉積到基材未被覆蓋的部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中疏水聚合物包括碳氟聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中碳氟聚合物包括聚四氟乙烯。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中導(dǎo)電聚合物包括聚苯胺或聚吡咯。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，包括將疏水聚合物主要沉積在基材的一側(cè)上，而將導(dǎo)電聚合物主要沉積在另一側(cè)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中步驟a)包括在包含疏水聚合物的水乳液中用溶劑潤(rùn)濕基材，該基材為碳纖維紙片；使該濕潤(rùn)片與圖案元件接觸，該圖案元件包括對(duì)應(yīng)于預(yù)定圖案定向的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口；和在該片與圖案元件接觸時(shí)從該片蒸發(fā)溶劑，由此疏水聚合物在開(kāi)口處濃縮在片上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中接觸步驟包括將片保持在兩個(gè)模具表面之間，其中至少一個(gè)模具表面包括溶劑能夠從中蒸發(fā)的開(kāi)口。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中一個(gè)模具表面包括開(kāi)口，而另一模具表面是實(shí)心的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中兩個(gè)模具表面都包括開(kāi)口，其中疏水聚合物的圖案沉積在片的兩側(cè)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中圖案元件包括篩網(wǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中通過(guò)加熱片進(jìn)行蒸發(fā)以去除溶劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中片的至少一側(cè)在其10-90％的面積上涂敷有碳氟聚合物。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中片的至少一側(cè)在其10-60％的面積上涂敷有碳氟聚合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中步驟b)包括通過(guò)電化學(xué)聚合從單體水溶液沉積導(dǎo)電聚合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述溶液包含電解質(zhì)和選自吡咯、噻吩、苯胺、呋喃、甘菊環(huán)、咔唑及其衍生物的單體。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中單體包括苯胺。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中單體包括吡咯。
26.一種用于PEM燃料電池的擴(kuò)散介質(zhì)，其包含用于改進(jìn)水管理的疏水區(qū)和親水區(qū)，該擴(kuò)散介質(zhì)包含具有兩個(gè)側(cè)面的多孔導(dǎo)電基材；沉積在基材上限定疏水區(qū)的疏水聚合物；和沉積在基材上限定親水區(qū)的導(dǎo)電聚合物。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的擴(kuò)散介質(zhì)，其中疏水聚合物包括碳氟聚合物。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的擴(kuò)散介質(zhì)，其中疏水聚合物包括聚四氟乙烯。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的擴(kuò)散介質(zhì)，其中導(dǎo)電聚合物包括聚苯胺或聚吡咯。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的擴(kuò)散介質(zhì)，其中疏水區(qū)主要在基材的一側(cè)上，而親水區(qū)主要在另一側(cè)上。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的擴(kuò)散介質(zhì)，其中基材包括碳纖維紙。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的擴(kuò)散介質(zhì)，其中疏水聚合物包括碳氟聚合物。
全文摘要
用在PEM燃料電池中的擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì)包含用于改進(jìn)的水管理的疏水區(qū)和親水區(qū)。疏水聚合物如氟樹(shù)脂沉積在紙上限定疏水區(qū)，導(dǎo)電聚合物如聚苯胺或聚吡咯沉積在紙上限定親水區(qū)。在各個(gè)實(shí)施方案中，在碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)上的疏水區(qū)和親水區(qū)陣列通過(guò)將親水聚合物電引發(fā)聚合到預(yù)先涂覆有疏水聚合物如碳氟聚合物的擴(kuò)散介質(zhì)上來(lái)產(chǎn)生。當(dāng)含有用于電引發(fā)聚合的單體的水溶液與碳氟化合物涂覆的擴(kuò)散介質(zhì)接觸時(shí)，親水聚合物將優(yōu)先沉積在未覆蓋碳氟化合物的碳纖維基擴(kuò)散介質(zhì)區(qū)域上。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101036254SQ200580034178
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者紀(jì)純新 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)公司