專利名稱：燃料電池中導(dǎo)電元件上的導(dǎo)電聚合物涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體地涉及燃料電池中的導(dǎo)電元件。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提議將燃料電池作為用于電動(dòng)車輛和其它應(yīng)用的電源。示例
性的燃料電池具有膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件具有催化電 極和夾在電極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)?；贛EA內(nèi)氫和氧之間 發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，在陰極電極處產(chǎn)生水。燃料電池的效率運(yùn)行取決 于在系統(tǒng)中提供有效水管理的能力，例如，將水控制輸送離開(kāi)陰極上 的生成點(diǎn)以防止水聚集起來(lái)堵塞流動(dòng)通道和燃料電池溢流(flooding) 的能力。
在燃料電池以低電力負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)物水可能聚集在反應(yīng)物 流場(chǎng)的通道中，特別在陰極側(cè)。水聚集可能導(dǎo)致流體流動(dòng)被堵塞(稱 作"溢流")，這可能導(dǎo)致燃料電池的一部分不穩(wěn)定。已經(jīng)對(duì)圍繞這 個(gè)可能問(wèn)題的各種方法進(jìn)行了研究，包括改變通道的物理特性，尤其 是通道幾何形狀，包括大小和形狀。因而，最佳燃料電池性能和高效 的水管理有關(guān)。因而，有改善水管理的需要以改善燃料電池性能、效 率和壽命。
發(fā)明概述
本發(fā)明提供導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電元件具有限定在電化學(xué)燃料電池 中使用的流場(chǎng)的表面。所述元件具有沿所述元件的所述表面的區(qū)域沉 積的導(dǎo)電聚合物涂層。
一方面，本發(fā)明提供具有膜電極組件(MEA)的燃料電池。燃料 電池包括不透性的導(dǎo)電元件，其限定流體流場(chǎng)和具有與MEA/氣體擴(kuò) 散介質(zhì)相鄰的表面。導(dǎo)電聚合物涂層被沉積在該表面的容易液體聚集 的區(qū)域。與未涂覆的表面比較，所述涂層減少了沿所述區(qū)域的液體聚 集。
又一方面，本發(fā)明提供用于制造電化學(xué)燃料電池的導(dǎo)電元件的方法。所述方法包括借助于電聚合或簡(jiǎn)單的溶液澆注，將導(dǎo)電聚合物涂 層沉積在導(dǎo)電元件的導(dǎo)電表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上。
又一方面，本發(fā)明提供用在燃料電池中的導(dǎo)電元件。所述元件包 括具有在其中形成流體流場(chǎng)的表面和沿流場(chǎng)的區(qū)域施加的導(dǎo)電聚合
物涂層，所述涂層用以與未涂覆的表面相比，減少流體流過(guò)流場(chǎng)時(shí)在 涂覆的區(qū)域上的液體聚集。
又一方面，本發(fā)明提供通過(guò)電聚合制備用在燃料電池中的導(dǎo)電元 件的方法。所述方法包括將所述元件的導(dǎo)電表面的區(qū)域與電解溶液接
觸，所述電解溶液包括一種或多種導(dǎo)電單體和所需的反離子電解質(zhì)； 將第一電勢(shì)施加到所述元件和將第二相反電勢(shì)施加到與沉積溶液接 觸的反電極。電勢(shì)被施加足夠的持續(xù)時(shí)間以使單體沿所述區(qū)域電聚 合，從而沿所述區(qū)域形成導(dǎo)電聚合物涂層。
本發(fā)明的進(jìn)一步適用范圍從下文提供的具體描述中變得顯而易 見(jiàn)。應(yīng)該理解，詳細(xì)說(shuō)明和具體實(shí)施例雖然指示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方 案，但僅為了示例目的，并不試圖限制本發(fā)明的范圍。
附圖簡(jiǎn)述
從詳細(xì)說(shuō)明和附圖中將更完全地理解本發(fā)明，其中
圖l是示例性液體冷卻的PEM燃料電池堆(僅示出了兩個(gè)電池)
的示意、分解、等距示例圖2是類似

圖1所示的PEM燃料電池堆中有用的雙極板的分解
等距圖3是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案沿圖2的3-3方向的部分剖面
圖4是根據(jù)本發(fā)明的替換實(shí)施方案的示例性端子集流器端板 (terminal collector end plate );
圖5是顯示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的圖3的雙極板的放大部分；和 圖6是顯示圖3的雙極板的放大部分的本發(fā)明替換性優(yōu)選實(shí)施方案。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述 優(yōu)選實(shí)施方案的下述描述本質(zhì)上僅是示例性的，而決不是打算限制發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
為了在寬范圍的負(fù)載上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PEM燃料電池操作，需要在 燃料電池中恰當(dāng)?shù)毓芾砹黧w流動(dòng)，更具體地，液體流動(dòng)。例如，液態(tài) 水由電化學(xué)燃料電池的運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的陰極氧還原反應(yīng)產(chǎn)生，必須 有效地循環(huán)和除去以維持穩(wěn)定的反應(yīng)。涉及燃料電池運(yùn)行的關(guān)鍵因素 是水運(yùn)輸和防止燃料電池中不期望的水的聚集。因而，在不同水平的 氣體速度和運(yùn)行條件下從流場(chǎng)通道驅(qū)除水的能力對(duì)燃料電池運(yùn)行而 言是重要的。例如，在接近0.1A/cn^的低負(fù)載條件下，已經(jīng)證實(shí)在流 場(chǎng)"U形彎"和彎曲中聚集的水導(dǎo)致電池的表現(xiàn)很差。這涉及其中 堆中的一個(gè)或多個(gè)電池經(jīng)歷電壓的快速下降的情況。在這種情況下， 氣體慣性不足以朝著陰極排放集管圍繞180。彎頭驅(qū)逐大的液柱(liquid slug)。這種潛在的聚集可導(dǎo)致整個(gè)管道缺氧。為解決這些問(wèn)題，本 發(fā)明考慮流場(chǎng)具有精調(diào)的表面自由能和粗糙度連同通道的幾何設(shè) 計(jì)，以通過(guò)有效除去水以在低氣體速度下維持穩(wěn)定性能，而改善燃料 電池運(yùn)行。
如在此描述的液體聚集本質(zhì)上是主要形成在陰極處的液態(tài)水的 匯合。在此描述的傳導(dǎo)性聚合材料包括共軛的導(dǎo)電聚合材料，也稱作
n鍵，其產(chǎn)生導(dǎo)電。在此使用的術(shù)語(yǔ)"導(dǎo)電的"是在本領(lǐng)域中使用的 表示導(dǎo)電的相對(duì)簡(jiǎn)寫的術(shù)語(yǔ)。
本發(fā)明提供用在燃料電池中的導(dǎo)電元件。所迷元件優(yōu)選包括具有 在其中形成流體流場(chǎng)的表面和沿流場(chǎng)的區(qū)域施加的導(dǎo)電聚合物涂 層。與所述表面的未涂覆區(qū)域上的液體聚集比較，根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電 聚合物涂層減少了當(dāng)流體流過(guò)流場(chǎng)時(shí)在涂覆區(qū)域上的液體聚集.使用
導(dǎo)電涂層的一些優(yōu)點(diǎn)包括l)涂層是導(dǎo)電的；2)聚合物涂層的表面 自由能(疏水的或親水的)可通過(guò)使用不同反離子或沉積條件進(jìn)行定 制；3)導(dǎo)電聚合物，如聚吡咯和聚苯胺，呈現(xiàn)良好的耐腐蝕性；和4) 這些導(dǎo)電聚合物可借助電聚合或溶液澆注簡(jiǎn)單地施加。
在一個(gè)實(shí)施方案中，疏水涂層可被施加到導(dǎo)電元件。在此使用的 "疏水的"是與參比材料比較的相對(duì)材料特性，更具體地涉及其中表 面聚集或吸引液體的傾向減弱的表面屬性。因而，與參比表面比較， 疏水表面一般具有較低表面自由能、較高表面接觸角或兩種性能都具 有。用這種方式，本發(fā)明通過(guò)將疏水涂層施加到流場(chǎng)的選擇區(qū)域，提供操縱流場(chǎng)表面屬性的能力，從而改善水輸送和管理，與未施加水管 理疏水涂層的元件相比，這提高了燃料電池性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí) 施方案中，疏水涂層包括導(dǎo)電聚合物，與所述流場(chǎng)的未涂覆和未處理 區(qū)域比較，所述導(dǎo)電聚合物優(yōu)選增加涂覆區(qū)域的疏水性(例如，減少 表面能)。
在又一實(shí)施方案中，親水涂層可施加到導(dǎo)電元件。在此使用的"親 水的"是與參比材料相比的相對(duì)材料特性，更特別地涉及其中在表面 上水容易鋪展的表面屬性。因而，與參比表面比較，親水表面一般具 有較高表面自由能、較小表面接觸角或兩種屬性都具有。用這種方 式，通過(guò)將親水涂層施加到流場(chǎng)的選擇區(qū)域，本發(fā)明提供了操縱流場(chǎng) 的表面屬性的能力，由此防止形成可能堵塞流場(chǎng)通道的水滴。與未施 加水管理親水涂層的元件相比，這產(chǎn)生改善的燃料電池性能。在本發(fā) 明的優(yōu)選實(shí)施方案中，與流場(chǎng)的未涂覆和未處理區(qū)域相比，親水涂層 包括優(yōu)選增加涂覆區(qū)域的親水性(例如，增加表面能)的導(dǎo)電聚合物。
在又一實(shí)施方案中，表面的潤(rùn)濕性可以通過(guò)在電聚合期間操縱表 面的粗糙度改善。這可以通過(guò)在涂層的施加過(guò)程中控制電壓和電流完 成。
一般地，較慢的沉積工藝產(chǎn)生較平滑的表面形貌，這可以通過(guò)使
用寸氐濃度溶液、較4氐沉積過(guò)電位(overpotential)和較^(氐沉積電流實(shí) 現(xiàn)。另外，不同反離子(電解質(zhì))的選擇也將影響沉積的聚合物膜的 表面形貌。
粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性的影響取決于襯底表面是否疏水或親水。表面的 潤(rùn)濕性通過(guò)接觸角的測(cè)量或在液滴和表面之間的接觸線上形成的角 來(lái)分類。對(duì)于接觸角小于90度而言，表面被認(rèn)為是親水的，而對(duì)于 那些大于90度而言，則為疏水的。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，根據(jù) 文策爾法則(WenzelLaw)，當(dāng)表面變粗糙時(shí)，接觸角或潤(rùn)濕性得以 改變。隨著粗糙度增加，對(duì)于親水表面潤(rùn)濕性增加，而對(duì)于疏水表面 潤(rùn)濕性降低。相反地，當(dāng)表面做得更光滑時(shí)，疏水表面的潤(rùn)濕性提高， 而親水表面的潤(rùn)濕性下降。如同本文使用的這樣，液體的潤(rùn)濕性定義 為處于熱平衡的液滴在水平面之間的接觸角。非潤(rùn)濕性流體的潤(rùn)濕角 一般小于90度。潤(rùn)濕性流體的潤(rùn)濕角一般在90和180度之間。用峰 谷比測(cè)量的、大約為10微米的粗糙度就足夠顯著影響表面潤(rùn)濕性。 通過(guò)控制粗糙度，可以提高親水度和疏水度。因而，粗糙度連同表面
9能在控制通道水聚集方面提供了附加的靈活性。通過(guò)使粗糙度最小化 并具有光滑和平整的表面，本發(fā)明的涂層確保雙極板之間的電接觸將 被維持。
本發(fā)明因而通過(guò)將導(dǎo)電聚合物施加到元件的選擇區(qū)域上提供用 于改變導(dǎo)電元件(例如，雙極板)的區(qū)域的表面自由能和疏水性的方 法。根據(jù)本發(fā)明施加導(dǎo)電聚合物的優(yōu)選方法是在導(dǎo)電元件上電聚合。 可替換地，這些聚合物涂層可包括帶有所需反離子的導(dǎo)電聚合物，所 述導(dǎo)電聚合物首先合成，接著借助于本領(lǐng)域已知的適當(dāng)溶劑通過(guò)溶液 澆注或絲網(wǎng)印刷施加到所述元件。使用任何適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢?dǎo)電聚合物 被沉積在所述元件的所述表面的區(qū)域，例如作為涂覆在一個(gè)或多個(gè)選 擇區(qū)域上的薄膜。
本發(fā)明也提供包含不可滲透的導(dǎo)電元件的燃料電池，所述導(dǎo)電元 件沿一個(gè)或多個(gè)區(qū)域具有導(dǎo)電聚合物涂層。燃料電池包含限定流體流
場(chǎng)的不可滲透的導(dǎo)電元件，其中所述流場(chǎng)與膜電極組件(MEA) /氣 體擴(kuò)散介質(zhì)相鄰。所述導(dǎo)電元件的所述表面的至少一個(gè)區(qū)域具有沿所 述流場(chǎng)的容易流體聚集的區(qū)域電沉積的疏水性或親水性涂層。
為了更好的理解本發(fā)明，在圖1中示出了可以采用本發(fā)明的示例 性燃料電池，圖1描述了兩個(gè)單個(gè)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池， 其連接在一起形成具有由導(dǎo)電的、液體冷卻的雙極隔板或者傳導(dǎo)性元 件8分隔開(kāi)的一對(duì)膜電極組件(MEA) 4、 6和氣體擴(kuò)散介質(zhì)34、 36、 38、 40的電池堆。單個(gè)的燃料電池在電池堆中不是串聯(lián)連接，具有帶 有單個(gè)電活性側(cè)的隔板8。在堆中，優(yōu)選的雙極隔板8典型地在堆內(nèi) 具有兩個(gè)電活性側(cè)20、 21，每個(gè)活性側(cè)20、 21各自面向帶有分開(kāi)的、 相反電荷的分離MEA 4、 6，因此稱作"雙極"板。如同在此描述的 那樣，燃料電池堆描迷成具有傳導(dǎo)性雙極板。
MEA4、 6和雙極板8在不銹鋼固定端板10、 12和末端接觸流體 分布元件14、 16之間堆疊在一起。末端流體分布元件14、 16以及雙 極板8的兩個(gè)工作面或側(cè)20、 21包含與活性面18、 19、 20、 21、 22 和23上用于將燃料和氧化劑氣體(即，H2和02)分配給MEA 4、 6 的槽或通道相鄰的多個(gè)平臺(tái)。非傳導(dǎo)性墊圈或密封26、 28、 30、 32、 33和35在燃料電池堆的多個(gè)部件之間提供密封和電絕緣。氣體可滲 透的傳導(dǎo)性擴(kuò)散介質(zhì)34、 36、 38和40壓靠在MEA4、 6的電極面上。另外的傳導(dǎo)性介質(zhì)層43、 45設(shè)置在末端接觸流體分布元件14、 16和 端子集流板10、 12之間以當(dāng)在正常運(yùn)行條件下壓縮所述堆時(shí)在其中 提供傳導(dǎo)性通路。末端接觸流體分布元件14、 16各自壓靠在擴(kuò)散介 質(zhì)34、 43和40、 45上。
借助于適合的供應(yīng)管道42，氧從存儲(chǔ)罐46供應(yīng)給燃料電池堆的 陰極側(cè)，同時(shí)借助于適合的供應(yīng)管道44，氫從存儲(chǔ)罐48供應(yīng)給燃料 電池的陽(yáng)極側(cè)?？商鎿Q地，空氣可從周圍環(huán)境供應(yīng)給陰極側(cè)而氫從甲 醇或汽油重整物或類似物中供應(yīng)給陽(yáng)極。也提供用于ME A的H2 - 02/ 空氣側(cè)的排氣管道41。另外的管道50被提供用于使來(lái)自存儲(chǔ)區(qū)域52 的冷卻劑循環(huán)通過(guò)雙極板8和端板14、 16并從排出管道54排出。
在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，陽(yáng)極氫氣(H2)分裂成兩個(gè)質(zhì)子(H+)， 因而釋放兩個(gè)電子。質(zhì)子穿過(guò)MEA4、 6的膜遷移到陰極側(cè)。在陰極 側(cè)引入的氧或空氣流入多孔電極。陰極內(nèi)的催化劑顆粒促進(jìn)質(zhì)子 (H+)和氧(02)之間的反應(yīng)，以在電極內(nèi)形成水。因而，當(dāng)液態(tài)水 產(chǎn)生時(shí)，必須同時(shí)維持氣體流入多孔陰極材料。否則，電極有液體"溢 流"的潛在可能。溢流阻止氣體通過(guò)MEA4， 6流向PEM，實(shí)際上減 少或停止了發(fā)生在MEA4、 6處的任何反應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案 提供流體分布裝置，其與陰極相鄰、促進(jìn)水和陰極排出物(effluent) 遠(yuǎn)離陰極、同時(shí)還濕潤(rùn)PEM、并且在一些實(shí)施方案中甚至冷卻燃料電 池。
圖2是雙極板56的等距、分解圖，所述雙極板包括第一外部金屬 片58、第二外部金屬片60和夾在第一金屬片58和第二金屬片60中 間的內(nèi)部金屬隔片62。外部金屬片58、 60做成盡可能的薄(例如， 大約0.002-0.02英寸厚)，可以由沖壓、光刻(即，通過(guò)光刻用掩模) 或用于成形片狀金屬的任何其它常規(guī)工藝形成。外部片58在其外側(cè) 具有與膜電極組件(未示出)相對(duì)的第一工作表面59，所述第一工作 表面經(jīng)形成以提供在其中限定多個(gè)被稱為"流場(chǎng)"的槽66的多個(gè)平 臺(tái)64，燃料電池的反應(yīng)物氣體(即，112或02)通過(guò)所述槽從雙極板 的一側(cè)68沿著曲折路徑流到其另一側(cè)70。燃料電池被完全組裝時(shí)， 平臺(tái)64壓靠著碳/石墨紙氣體擴(kuò)散介質(zhì)(如圖1中的36或38)，其 進(jìn)而壓靠著MEA (各自如圖1中的4或6)。為繪圖簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖2 僅描述兩列平臺(tái)64和槽66。實(shí)際上，平臺(tái)和槽64、 66將覆蓋與碳/石墨紙配合的金屬片58、 60的整個(gè)外表面。反應(yīng)物氣體從沿燃料電 池的一側(cè)68的集管或歧管槽72供應(yīng)給槽66，并借助與燃料電池的相 對(duì)側(cè)70相鄰的另一集管/歧管槽74從槽66排出。
最佳如圖3中所示，所述片58的底側(cè)包括在其中限定多個(gè)通道 78的多個(gè)脊76，在燃料電池的運(yùn)行過(guò)程中冷卻劑流過(guò)所述多個(gè)通道 78。如圖3所示，冷卻劑通道78位于每個(gè)平臺(tái)64之下，而反應(yīng)物氣 體槽66位于每個(gè)脊76的下面?？商鎿Q地，所述片58可以是扁平的而 流場(chǎng)形成在分開(kāi)的片材中。金屬片60與片58類似。片60的內(nèi)表面 61 (即，冷卻劑側(cè))在圖2中示出。
在這點(diǎn)上，描述了多個(gè)在其間限定多個(gè)通道82的脊80,冷卻劑 通過(guò)所述多個(gè)通道82從雙極板的一側(cè)69流到另一側(cè)71。像片58— 樣并最佳地如圖3中所示，所述片60的外側(cè)具有其上具有多個(gè)平臺(tái) 84的工作表面63，所述多個(gè)平臺(tái)84限定反應(yīng)物氣體從中流過(guò)的多個(gè) 槽86。內(nèi)部金屬隔片62位于外部片58、 60的中間并在其中包括多個(gè) 孔88以允許冷卻劑在片60中的通道82和片58中的通道78之間流 動(dòng)，從而打破層流邊界層和提供增強(qiáng)與外部片58、 60的各自內(nèi)表面 90、 92的熱交換的紊流。
隔片62位于第一片58和第二片60之間，第一片58上的脊76 和第二片60上的脊80結(jié)合(例如，通過(guò)結(jié)合層85，如銅焊或粘合劑) 到隔片62。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)到的，本發(fā)明的集流器在設(shè)計(jì)上 可以和以上所述的不同，比如例如在流場(chǎng)構(gòu)造、流體輸送歧管的布置 和數(shù)目、以及冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)方面不同，然而，在所有設(shè)計(jì)中，通過(guò) 集流器的表面和本體的電流傳導(dǎo)功能相似。
典型地，基于幾何形狀，與復(fù)雜的流動(dòng)模式相比，直流通道使得 橫跨流場(chǎng)的壓差較小。盡管氣體流場(chǎng)通道66、 86可以包括線性排列， 但某些設(shè)計(jì)可能需要非線性通道，尤其是需要更強(qiáng)的流體紊流和混合 的地方。這些復(fù)雜的流場(chǎng)被典型地形成以容納用于三種流體(氬、空 氣和冷卻劑)的管道。本發(fā)明在元件具有復(fù)雜流場(chǎng)通道66、 86的模 式(例如，具有"U形彎"和彎曲的蛇狀流場(chǎng)模式)的地方特別有用。 本發(fā)明的一方面是減少水聚集和從而防止氣體流場(chǎng)通道66、 86的堵 塞。
本發(fā)明也可適用于燃料電池中接觸流體的其它傳導(dǎo)性元件，如類似圖4中所示的示例性元件的端子集流器端板。端子集流器端板99 (如圖1的IO或12)具有非導(dǎo)電區(qū)域100以及導(dǎo)電區(qū)域102。端子板 99的導(dǎo)電區(qū)域102典型地通過(guò)密封墊圏33、 35(圖1)與非導(dǎo)電區(qū)域 IOO分開(kāi)。非導(dǎo)電區(qū)域100內(nèi)的孔104穿過(guò)端子板99的主體或襯底128 延伸，并允許在運(yùn)行條件下輸送流體(例如，H2、 02、冷卻劑、陽(yáng)極 和陰極流出物)進(jìn)出所述堆?？?04的具體數(shù)量或者順序沒(méi)有限制， 在此僅是示例性的描述，像本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)可的一樣，多種構(gòu)造都 是可能的。雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)可以支配進(jìn)口和入口孔104的構(gòu)造和流體 傳輸布置。導(dǎo)電集流器接頭片(tab) 120可以連到外部引線，便于從 外部收集來(lái)自所述堆的電流。
本發(fā)明提供包括其上沉積有導(dǎo)電聚合物的襯底的元件或雙極 板，及其制造方法。雙極板具有形成在其中的流體流場(chǎng).導(dǎo)電聚合物 優(yōu)選通過(guò)電化學(xué)聚合或電聚合沉積在襯底表面的區(qū)域上。替換方法包 括溶液澆注或用適合的溶劑進(jìn)行絲網(wǎng)印刷。例如，聚苯胺可以從二甲 苯溶液澆注到襯底。
與未涂覆的區(qū)域比較，涂層減少在流體流過(guò)流場(chǎng)時(shí)在所述區(qū)域上 的液體聚集。有利地，電致涂覆的雙極板的表面自由能可以通過(guò)選擇 導(dǎo)電聚合物中的不同反離子和不同沉積條件進(jìn)行調(diào)整。至此，已經(jīng)示 出導(dǎo)電聚合物涂層的表面自由能可以從低至30達(dá)因/厘米到高達(dá)72達(dá) 因/厘米變化。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的雙極板具有小于70 達(dá)因/厘米，優(yōu)選小于50達(dá)因/厘米的表面自由能.最優(yōu)選的，雙極板 被提供有小于30達(dá)因/厘米的表面自由能，這導(dǎo)致了疏水表面。在又 一優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的雙極板具有大于50達(dá)因/厘米，優(yōu)選大 于65達(dá)因/厘米的表面自由能。最優(yōu)選地，雙極板被提供有大于72達(dá) 因/厘米的表面自由能，這導(dǎo)致了親水性表面。本發(fā)明的雙極板的表面 自由能取決于下面將進(jìn)行討論的導(dǎo)電聚合物涂層的屬性。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，雙極板上的導(dǎo)電聚合物涂層通過(guò)電化學(xué) 聚合的工藝施加。在本實(shí)施方案的方法中，導(dǎo)電襯底用作用于電聚合 的電化學(xué)電池的工作電極。導(dǎo)電襯底，或工作電極，浸入包括單體和 電解質(zhì)的溶液中。將導(dǎo)電襯底進(jìn)入到溶液之后，施加相對(duì)于反電極(石 墨或貴金屬)的正電壓。通過(guò)電極處的化學(xué)改變實(shí)現(xiàn)電流通過(guò)所述溶 液。在陽(yáng)極借助于氧化反應(yīng)失去電子，而在單體被還原的陰極處獲得電子。因而，才艮據(jù)本發(fā)明，正電勢(shì)施加到工作電極，通過(guò)在額外的電 子被轉(zhuǎn)移時(shí)單體基團(tuán)陽(yáng)離子的連續(xù)陽(yáng)極耦合在其上形成導(dǎo)電聚合物 涂層。優(yōu)選單體包括吡咯和苯胺。例如，在用于吡咯的電聚合的反應(yīng) 機(jī)理的情況下，例如，陰極上的吡咯的初期還原提供吡咯基團(tuán)陽(yáng)離 子，所述吡咯基團(tuán)陽(yáng)離子最終在陽(yáng)極處與吡咯單體耦合以形成脫去了
兩個(gè)KT的二聚物。重復(fù)所述工藝，在每一增加步驟中涉及兩個(gè)e和 兩個(gè)H+，其中增加的吡咯基團(tuán)陽(yáng)離子在2、 5位置上形成聚吡咯。
導(dǎo)電聚合物涂層的整個(gè)形成及其表面屬性是例如單體濃度、電解 質(zhì)濃度和反應(yīng)條件，如施加的持續(xù)時(shí)間、溶液的pH和施加的電壓， 的函數(shù)?？梢援a(chǎn)生薄的、 一體化的、均勻的膜，此處厚度由電荷轉(zhuǎn)移 的數(shù)量確定。雖然電流的流動(dòng)確定聚合物形成的速率，但電荷轉(zhuǎn)移的 總數(shù)量將支配產(chǎn)生的聚合物的量。對(duì)于區(qū)域表面膜涂層而言，如在此 使用的，電荷控制著聚合物層的整體厚度。典型地，沉積在疏水表面 上的膜是連續(xù)地，而疏水表面上的膜由顆粒(聚吡咯的球；聚苯胺的 棒)組成。
襯底上聚合物的形成或增長(zhǎng)也取決于聚合物的電特性和相應(yīng)的 疏水或親水行為。如果選擇的聚合物是非導(dǎo)電的，聚合物層的增長(zhǎng)將 是自我限制的。相反地，取決于選擇和電聚合條件，使用導(dǎo)電聚合物 的層的增長(zhǎng)實(shí)際上是無(wú)限的。
適合的單體包括已知的用于在電壓比單體氧化電勢(shì)高的陽(yáng)極處 在聚合時(shí)形成導(dǎo)電聚合物的那些。所述單體的非限定性例子包括吡 咯、逸吩、苯胺、呋喃、甘菊環(huán)、^唑以及這些的取代衍生物。取代 衍生物包括1-甲基吡咯和各種P-取代的吡咯類、噻吩類、呋喃類。 p-取代的噻吩類的非限定例子包括，例如，p-烷基噻吩、P-溴代 蓉吩、p-CH2CN逸吩和P，p，-二溴代蓉吩?？梢栽谶秽蜻量┉h(huán)上 提供類似取代。而且，可以使用各種烷基、卣素和其它取代的甘菊環(huán) 類和啼唑類。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括選自下組中的單體吡咯、 苯胺、其共聚物和混合物，其形成電聚合的涂層。適合的單體或組合 應(yīng)該基于具體待涂覆的表面需要的疏水或親水屬性的期望程度進(jìn)行 選擇。
如上所述，雙極板在電聚合過(guò)程中作為工作電極或陽(yáng)極。也提供 適合的反電極。例如，標(biāo)準(zhǔn)的甘汞參比電極(SCE)可以靠近工作電
14極放置。雙極板可以電連接到集流器，如金屬箔，或可以通過(guò)適合的 夾具、引線或其它設(shè)備直接連接到電路中。反電極和工作電極一般浸 入同一電解溶液，所述電解質(zhì)溶液還包含一種或多種可聚合單體的適 合濃度。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，該元件或者工作電極的導(dǎo)電表面的 區(qū)域接觸具有可聚合單體的電解溶液。相對(duì)于和電解溶液接觸的反電 極，將正電勢(shì)施加到所述元件上足夠長(zhǎng)的時(shí)間以沿襯底的選擇區(qū)域 (一個(gè)或多個(gè))電聚合所述單體。
一般地，取決于聚合條件和最終聚合物涂層的期望特性，可以選 擇寬范圍的可聚合單體濃度。應(yīng)理解，聚合速率和聚合物結(jié)合到雙極 板表面上的程度將部分地由電解溶液中的單體濃度決定。適合的單體
濃度包括在大約O.OIM和單體的溶解上限之間的濃度。在各種實(shí)施方 案中，使用可聚合單體的大約1.5M的最大濃度。在各種其它實(shí)施方 案中，單體濃度優(yōu)選至少大約O.IM，更優(yōu)選至少大約0.5M或最優(yōu)選 在大約0.5M至大約1.5M。
電聚合隔室應(yīng)包含合適水平的電解質(zhì)。可以使用電解質(zhì)和沉積條 件的各種組合，而溶液中電解質(zhì)濃度的選擇取決于聚合物涂層的所需 特性。優(yōu)選地，選擇電解質(zhì)濃度使得電荷通過(guò)電池中電解溶液的轉(zhuǎn)移 (通過(guò)電解質(zhì)分子)沒(méi)有速率限制。就所述單體而言，電解質(zhì)的濃度 可以從大約O.OIM直到其在溶液的溶劑中的溶解極限。優(yōu)選地，在大 約O.OIM和大約1.5M之間的范圍內(nèi)，最優(yōu)選從大約O.IM至大約l.OM 的范圍內(nèi)，使用電解質(zhì)。優(yōu)選的溶劑包括水。
電解質(zhì)可以選自包含分子電荷并能攜帶電子通過(guò)電極之間的溶 液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，比如 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、及其鹽，尤其是鈉鹽。電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度將影響涂覆 的雙極板的表面自由能。
膜，或涂層，的形貌將取決于選擇的電解質(zhì)的本質(zhì)和取決于下面 的襯底電極的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。涂層的厚度一般是電聚合工藝的持續(xù)時(shí)間的 函數(shù)。和形態(tài)與厚度相關(guān)的其它變量包括但不限于用于沉積的速度和 勢(shì)能、陰離子或多陰離子和表面活化劑的存在、選擇的單體的濃度和 整個(gè)混合物的PH。
通過(guò)使電流流經(jīng)聚合隔室足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使足夠量的單體發(fā)生氧化從而在雙極板表面上形成電導(dǎo)聚合物，來(lái)在陽(yáng)極雙極板上沉積導(dǎo) 電聚合物。用于聚合物的沉積的反應(yīng)時(shí)間取決于多種因素，如電池的 溫度、電解溶液中單體和電解質(zhì)的濃度、電池的構(gòu)造、和所期望的聚 合物結(jié)合到雙極板上的程度。典型的反應(yīng)時(shí)間是數(shù)秒到幾十分鐘。在 各種實(shí)施方案中，優(yōu)選相對(duì)較小的沉積電流以實(shí)現(xiàn)低聚合速率和均勻 涂層。通常優(yōu)選提供反應(yīng)參數(shù)使得反應(yīng)時(shí)間對(duì)于該工藝的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行而 言是合適的短，與在雙極板上形成均勻?qū)щ娋酆衔锿繉酉嘁恢?。在?yōu)
選實(shí)施方案中，選擇電池參數(shù)和反應(yīng)條件以提供從大約0.5分鐘至大 約30分鐘，優(yōu)選從大約1分鐘至IO分鐘的反應(yīng)時(shí)間。通過(guò)如所討論 的改變參數(shù)，制造涂覆的雙極板，其帶有具有可以為30- 72達(dá)因/厘 米的所需表面自由能的區(qū)域。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，表面能小于50 達(dá)因/厘米。在又一優(yōu)選實(shí)施方案中，表面能小于或等于30達(dá)因/厘米。
在陽(yáng)極保持在高于可聚合單體的氧化勢(shì)能的電壓下，實(shí)施電聚 合。高于這一電壓的情況下，可選擇施加的電壓以和反應(yīng)時(shí)間、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)相一致。實(shí)際 上，施加的電壓應(yīng)該小于會(huì)在電化學(xué)電池中水解水的電壓。在不同實(shí) 施方案中，施加的電壓在大約0.5至大約2.5伏特的范圍內(nèi)(與SCE 參比電極相對(duì))?？梢允褂貌煌姆措姌O，如鉑網(wǎng)、鈦網(wǎng)和石墨塊。 膜或涂層的電聚合可以通過(guò)在電極上電位的循環(huán)進(jìn)行，或可替換地， 可以通過(guò)使用固定的電位進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的一種方法，提供用于制造涂覆元件或雙極板的工 藝。用于電聚合的優(yōu)選單體包括吡咯和苯胺。在這個(gè)實(shí)施方案中，聚 吡咯、聚苯胺、聚吡咯和聚苯胺的共聚物沉積在雙極板的表面上。一 般地，少量電解質(zhì)也結(jié)合到電沉積的導(dǎo)電聚合物中，所述導(dǎo)電聚合物 可用于定制聚合物涂層的導(dǎo)電性和涂覆的導(dǎo)電聚合物的表面自由 能。由上述工藝制備的雙極板的涂覆區(qū)域可具有比未涂覆區(qū)域低的或 高的表面自由能。
在又一實(shí)施方案中，以上描述的涂覆的雙極板可用在在電化學(xué)燃 料電池中提供集成水管理的隔板組件中。這種水管理功能包括從燃 料電池的陰極側(cè)的濕區(qū)域移走水，此處水作為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)中 的產(chǎn)物產(chǎn)生；通過(guò)減少流體聚集，防止水在流場(chǎng)中的任何彎曲或彎頭 中聚集；更充分地允許將水在內(nèi)部輸送到沿陰極側(cè)的任何相對(duì)干燥區(qū)域。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，雙極板的涂覆區(qū)域在MEA和雙極板 之間建立導(dǎo)電通路，并在大約1，350kPa或更大的壓力下具有大約 50mn-cm2和大約100 mft - cm2之間的導(dǎo)電性。在又一實(shí)施方案中， 在類似的壓力下，導(dǎo)電性將小于50mft-cm2。
對(duì)用于構(gòu)建燃料電池內(nèi)的導(dǎo)電元件，比如雙極板或者端子板，的 材料的選擇，包括權(quán)衡比如如下參數(shù)總密度(質(zhì)量和體積)、所述 表面上測(cè)量的襯底的電接觸電阻、體積導(dǎo)電率、和抗腐蝕和抗氧化。 因而，電元件的重要考慮包括材料作為電流集流器的表面和體積固有 導(dǎo)電率，同時(shí)承受住燃料電池內(nèi)經(jīng)歷的潛在的腐蝕條件。優(yōu)選地，根 據(jù)本發(fā)明的集流器包括導(dǎo)電金屬?？捎米饕r底的金屬的非限定例子包 括鋁、鎂、鉑、不銹鋼、鈦、它們的金屬合金和混合物?？商鎿Q地， 選擇的導(dǎo)電聚合物復(fù)合物據(jù)稱也可以用作襯底材料，只要在所述復(fù)合 物和選擇的導(dǎo)電聚合物之間存在良好的粘合即可。
由于這些金屬相對(duì)較高的體積導(dǎo)電率和耐腐蝕性，富鉻(即，按 重量計(jì)算至少16% )、鎳(即，按重量計(jì)算至少20% )和鉬(即， 按重量計(jì)算至少3% )的不銹鋼是用于燃料電池的特別期望的金屬。 優(yōu)選地，襯底58、 60的表面清潔和基本上沒(méi)有金屬氧化物，而所述 金屬氧化物的電化學(xué)活性顯著小于基礎(chǔ)金屬。"基本上沒(méi)有"意味著 存在的任何金屬氧化物被消除到所述金屬氧化物對(duì)接觸電阻和隨后 的聚合物涂層130的粘附具有可忽略不計(jì)的效果，尤其是在電接觸將 發(fā)生的區(qū)域，如平臺(tái)64、 84上以使電阻最小化。適當(dāng)?shù)那鍧嵐に嚮?清潔工藝順序的選擇基于污染物和金屬兩者的本質(zhì)來(lái)選擇。襯底表面 上的任何金屬氧化物可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的各種適合的工藝除去，如 陰極電解清潔、機(jī)械摩擦、用堿性清洗劑清潔襯底和用酸性溶劑或酸 浸液蝕刻。
不銹鋼板可用于減少燃料電池堆的體積和重量功率密度(power density)。還有，不銹鋼材料具有相對(duì)高強(qiáng)度、物理穩(wěn)定性、與保護(hù) 涂層的粘附和沒(méi)有許多其它傳導(dǎo)性金屬替換物昂貴。然而，表面上自 然發(fā)生的氧化層不允許地增大了襯底的接觸電阻，而這先前阻止了襯 底獨(dú)立用作電接觸元件或集流器。還有許多其它較輕的金屬對(duì)腐蝕侵 蝕敏感(如，鋁和鈦)。在112-02/空氣PEM燃料電池環(huán)境中，雙極板和其它接觸元件(例如端板)持續(xù)地與包含F(xiàn)—、 S042—、 S03—、 HS04 —、0332_和HCO:T等的高度酸性溶液(Ph 3-5)接觸。而且，陰極 在高度氧化環(huán)境中運(yùn)行，被極化到最大大約+lV (與通常的氫電極相 比較)，同時(shí)暴露于高壓空氣。最后，陽(yáng)極持續(xù)地暴露于超大氣的氫 (super atmospheric hydrogen )。 因此，由金屬制成的接觸元件必須 在燃料電池環(huán)境中耐酸、抗氧化和防氫脆。因而，本發(fā)明的又一方面 是根據(jù)本發(fā)明在雙極板和端板上使用的導(dǎo)電聚合物涂層是耐腐蝕和 抗氧化的，以及導(dǎo)電的，以促進(jìn)燃料電池的功率輸出和延長(zhǎng)壽命.
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，導(dǎo)電聚合物涂層130(—般參照?qǐng)D1 -3和5和6)沿雙極板56的表面59、61的至少一個(gè)區(qū)域電化學(xué)沉積。 在本發(fā)明的一種方法中，用聚合物涂覆雙極板58、 60的整個(gè)工作表 面59、 61。在替換性實(shí)施方案中，多個(gè)離散區(qū)域被涂覆。在某些優(yōu)選 實(shí)施方案中，所述離散區(qū)域?qū)?yīng)于沿所述元件陰極側(cè)的、容易液體聚 集的流場(chǎng)槽66。所述多個(gè)涂覆區(qū)域在不同范圍/區(qū)域中可以包括相同 的導(dǎo)電聚合物或可以包括不同的聚合物。通過(guò)使用不同的聚合物，涂 層的表面自由能可用于改變表面59、 61的涂覆區(qū)域的相對(duì)疏水性。 在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，具有第一表面自由能的笫一涂層沉積在第一 區(qū)域上，具有第二表面自由能的第二涂層沉積在笫二區(qū)域上，其中第 一表面自由能大于笫二表面自由能。
在某些優(yōu)選實(shí)施方案中，涂層130沿所述一個(gè)或多個(gè)涂覆的區(qū)域 中的至少一個(gè)具有梯度或非均勻的表面自由能。例如， 一個(gè)涂覆的區(qū) 域可從流場(chǎng)的入口 73延伸到出口 75(圖2)。在優(yōu)選實(shí)施方案中， 流場(chǎng)通道66在入口 73處具有與出口 75大的疏水性，從而使聚集的水 被拉向出口和防止在流場(chǎng)通道66中水聚集。類似地，可以沿著通道 長(zhǎng)度創(chuàng)建親水性梯度，以將產(chǎn)物水朝著出口拉動(dòng)并拉到流場(chǎng)之外。另 外，聚合物涂層130可以包括多層(即， 一個(gè)或多個(gè)層)。換句話說(shuō)，
上。這可以提供^二步保護(hù)所述板的某些部件免受惡劣的燃料電k環(huán) 境影響的裝置。導(dǎo)電涂層施加到所述板的某些區(qū)域以進(jìn)一步改善水管 理。剩余區(qū)域不會(huì)具有另外的導(dǎo)電涂層，但仍然具有來(lái)自先前涂層的 傳導(dǎo)性。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，涂層130的厚度可以在大約2至大約200pm的范圍內(nèi)變動(dòng)。如先前所討論的，涂層130可以包括一層或多層以實(shí) 現(xiàn)這個(gè)厚度。涂層30可以第一厚度沉積在第一區(qū)域上，用第二厚度 沉積在第二區(qū)域上。應(yīng)該選擇涂層130厚度以維持所需的表面自由能 同時(shí)不將過(guò)量的材料和重量加入到燃料電池。
由于電聚合一般僅在傳導(dǎo)性表面上發(fā)生，所以在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施方案中，傳導(dǎo)性襯底元件表面59、 61的選擇區(qū)域133被掩模覆蓋。 聚合物涂層130因而僅施加到所需的非掩模覆蓋區(qū)域131，而位于掩 模134下面的區(qū)域132保持未涂覆。在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，某些選 擇區(qū)域，如平臺(tái)64、 84，如圖6所示，在電聚合工藝之前用電絕緣材 料134掩蓋。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到的，傳導(dǎo)性襯底(例如， 雙極板56)的各個(gè)部分可以在電聚合工藝之前可以被掩模覆蓋。另 外，可以有掩模覆蓋和電聚合的不同重復(fù)一一每次用不同的聚合物， 任一數(shù)目的不同聚合物涂層130組合可以在元件56的不同區(qū)域上實(shí) 現(xiàn)并因此可以創(chuàng)建各種不同的表面屬性。
如前面所討論的，本發(fā)明的一個(gè)方面在襯底的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上 提供帶有不同表面自由能的導(dǎo)電聚合物涂層，用來(lái)沿涂覆區(qū)域減少和
防止通道被液體堵塞。本發(fā)明的又一有利方面允許不同表面能被使用 以誘導(dǎo)通道中的毛細(xì)作用，從而將產(chǎn)物水從入口抽取到出口。入口區(qū) 域可以設(shè)計(jì)成具有相對(duì)較強(qiáng)的疏水特性，而出口區(qū)域具有相對(duì)較低的 疏水性。相反地，入口區(qū)域可以被設(shè)計(jì)成具有相對(duì)較低的親水性，而 出口區(qū)域具有較強(qiáng)的親水性。
改變單一襯底的這些導(dǎo)電聚合物涂層的表面自由能的又一方法 是通過(guò)在電聚合工藝中緩慢地將襯底(雙極板)拉出鍍?cè)∫约跋鄳?yīng)地 改變沉積條件(例如，電壓)。
另外，表面上的具有相應(yīng)下降的表面能的疏水涂層只允許小滴駐 留在通道壁上一一生長(zhǎng)的較大滴很容易被剪除。這種較小的小滴在流 動(dòng)通道中引起較小的流動(dòng)阻力，當(dāng)燃料電池在凍結(jié)溫度以下關(guān)閉時(shí)， 這種較小的小液滴在關(guān)閉條件下更容易從固態(tài)解凍。
本發(fā)明的說(shuō)明本質(zhì)上僅是示例性的，因而，不背離發(fā)明要旨的改 變落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種改變不認(rèn)為背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、導(dǎo)電元件，包括經(jīng)構(gòu)造和設(shè)置以分布反應(yīng)物氣體的表面，所述表面的至少一個(gè)區(qū)域具有導(dǎo)電涂層，所述導(dǎo)電涂層導(dǎo)電并包括導(dǎo)電聚合物。
2、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層的至少部分是 親水的。
3、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層的至少部分是 疏水的。
4、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層沿所述表面覆 蓋多個(gè)區(qū)域。
5、 權(quán)利要求4所述的導(dǎo)電元件，其中，所述多個(gè)區(qū)域的至少兩 個(gè)包括不同的所述導(dǎo)電聚合物。
6、 權(quán)利要求4所述的導(dǎo)電元件，其中，所述多個(gè)區(qū)域包括相同 的導(dǎo)電聚合物。
7、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層基本覆蓋所述 元件的整個(gè)表面。
8、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層包括多層。
9、 權(quán)利要求l所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層的厚度在大約2 至200pm之間。
10、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層的厚度在所述 區(qū)域上基本上是均勻的。
11、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂層的厚度在所述 區(qū)域上是非均勻的。
12、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述區(qū)域與容易沿所述 表面聚集的流體接觸。
13、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，笫一涂層沉積在具有笫 一表面自由能的第一所述區(qū)域上，第二涂層沉積在具有笫二表面自由 能的第二所述區(qū)域上，其中所述第一表面自由能大于所述笫二表面自 由能。
14、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中， 一個(gè)所述區(qū)域的表面自 由能小于相鄰的未涂覆表面的表面自由能。
15、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述導(dǎo)電聚合物選自聚苯胺、聚吡咯和它們的共聚物和混合物。
16、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述導(dǎo)電聚合物包括聚 苯胺。
17、 權(quán)利要求l所述的導(dǎo)電元件，其中，所述導(dǎo)電聚合物包括聚 吡咯。
18、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述導(dǎo)電聚合物包括聚 苯胺和聚吡咯的共聚物。
19、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述元件包括選自由下 述材料組成的組的材料鋁、鎂、鉑、不銹鋼、鈦、聚合物復(fù)合物和 它們的混合物。
20、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述表面的所述涂覆區(qū) 域的表面自由能小于70達(dá)因/厘米。
21、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂覆表面的表面自 由能小于50達(dá)因/厘米。
22、 權(quán)利要求l所述的導(dǎo)電元件，其中，所述涂覆表面的表面自 由能小于30達(dá)因/厘米。
23、 權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電元件，其中，所述表面的所述涂覆區(qū) 域耐腐蝕。
24、 具有膜電極組件(MEA)的燃料電池，所述燃料電池包括 具有面向MEA并限定流場(chǎng)的表面的不可滲透性導(dǎo)電元件，所述表面 容易被所述MEA產(chǎn)生的液體聚集，導(dǎo)電聚合涂層覆蓋所述表面的至 少一個(gè)區(qū)域，其中，與相鄰的未涂覆的表面比較，所述導(dǎo)電涂層減少 在所述區(qū)域的液體聚集。
25、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述區(qū)域包括多個(gè)區(qū)域。
26、 權(quán)利要求25所述的燃料電池，其中，所述流場(chǎng)包括與多個(gè)槽 相互散置的多個(gè)平臺(tái)，其中所述涂覆區(qū)域?qū)?yīng)所述槽。
27、 權(quán)利要求25所述的燃料電池，其中，所述多個(gè)區(qū)域包括第一 區(qū)域和第二區(qū)域，其中所述第一區(qū)域具有大于所述第二區(qū)域的第二表面自由能的第一表面自由能。
28、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)電聚合物涂層包 括選自聚苯胺、聚吡咯、它們的共聚物和混合物的聚合物。
29、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)電聚合物涂層包括聚苯胺和聚吡咯的共聚物。
30、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)電元件包括選自 鋁、鎂、鉑、不銹鋼、鈦、聚合物復(fù)合物和它們的混合物的材料。
31、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述涂層的厚度沿所述 區(qū)域是均勻的。
32、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述涂層的厚度小于大 約200,。
33、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述流場(chǎng)具有入口和出口，所述涂覆區(qū)域從所述入口向所述出口延伸，所述導(dǎo)電涂層在所述 出口具有大于在所述入口的疏水性。
34、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述元件的所述表面與 所述MEA的陰極側(cè)相鄰。
35、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，還包括創(chuàng)建在MEA和所述不 可滲透性元件之間的、在l，350kPa或更大的壓力下具有小于大約100mQ -(!1112的電阻率的導(dǎo)電路徑。
36、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，還包括創(chuàng)建在MEA和所述不 可滲透性元件之間的、在1，350kPa或更大的壓力下具有小于50mQ - 112的電阻率的導(dǎo)電路徑。
37、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)電涂層的至少部 分是疏水的。
38、 權(quán)利要求24所述的燃料電池，其中，所述導(dǎo)電涂層的至少部 分是親水的。
39、 用于制造電化學(xué)燃料電池的導(dǎo)電元件的方法，所述方法包 括將導(dǎo)電聚合物涂層沉積在導(dǎo)電元件的導(dǎo)電表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域 上。
40、 權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述沉積包括溶液澆注工藝。
41、 權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述沉積包括電聚合工藝。
42、 權(quán)利要求41所述的方法，其中在所述沉積過(guò)程中所述元件用 作工作電極。
43、 權(quán)利要求42所述的方法，其中，所述沉積包括將所述工作電 極與包括一種或多種單體和一種或多種電解質(zhì)的電解溶液接觸；將正 電位施加到所述工作電極。
44、 權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述聚合物涂層的厚度與所 述沉積的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。
45、 權(quán)利要求41所述的方法，在所述沉積之前，將所述元件的一 個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域用電絕緣材料掩蓋。
46、 權(quán)利要求43所述的方法，其中所述溶液的所述一種或多種電 解質(zhì)選自硫酸鹽、苯和它們的混合物。
47、 權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述混合物的所述一種或多 種單體選自聚苯胺、聚吡咯、它們的共聚物和混合物。
48、 權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述涂層沿所述一個(gè)或多個(gè) 區(qū)域的至少一個(gè)沉積成基本上均勻的厚度。
49、 權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述涂層沿所述一個(gè)或多個(gè) 區(qū)域的至少一個(gè)沉積成非均勻的厚度。
50、 權(quán)利要求41所述的方法，其中所述沉積包括使所述電勢(shì)循環(huán)。
51、 權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述電勢(shì)在大約0.5至大約 2.5伏的范圍內(nèi)。
52、 權(quán)利要求43所述的方法，其中，施加所述電勢(shì)小于大約1 分鐘的持續(xù)時(shí)間。
53、 權(quán)利要求41所述的方法，其中，所述沉積包括 將所述導(dǎo)電表面的所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域與包括導(dǎo)電單體的電解溶液接觸；和將第 一電勢(shì)施加到所述元件，將笫二相反電勢(shì)施加到與所述電解 溶液接觸的反電極，持續(xù)足以沿所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域電聚合所述單體 的時(shí)間，從而在所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上形成導(dǎo)電聚合物涂層。
54、 權(quán)利要求39所述的方法，包括在所述沉積前，在所述導(dǎo)電元 件中或上面進(jìn)行流場(chǎng)的圖案化。
55、 權(quán)利要求54所述的方法，其中所述流場(chǎng)包括平臺(tái)和槽，所述 沉積在與所述平臺(tái)對(duì)應(yīng)的所述一個(gè)或多個(gè)區(qū)域上進(jìn)行。
56、 權(quán)利要求41所述的方法，還包括通過(guò)調(diào)節(jié)在所述電聚合工藝 過(guò)程中施加的電流，控制所述聚合物涂層的粗糙度。
全文摘要
用在質(zhì)子交換膜燃料電池中的雙極板，具有涂覆在所述板的與流場(chǎng)接觸的表面的至少一個(gè)區(qū)域上的導(dǎo)電聚合物。與所述表面的未涂覆區(qū)域比較，所述涂覆區(qū)域疏水或親水以防液體聚集。導(dǎo)電聚合物涂層通過(guò)電化學(xué)聚合施加。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101443938SQ200580046216
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者B·K·布拉迪, S·R·法爾塔, T·A·特拉博德, 紀(jì)純新 申請(qǐng)人:通用汽車公司