專利名稱：燃料電池隔板涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料隔板，尤其涉及隔板涂層。
背景技術(shù)：
電化學電池，比如燃料電池，通過燃料和氧化劑之間的電化學反應產(chǎn)生電力。示例性燃料電池具有膜電極組件(MEA)，所述組件具有催化電極以及夾在所述電極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)。在優(yōu)選的PEM型燃料電池中，氫作為還原劑被供給陽極，氧作為氧化劑被供給陰極。PEM燃料電池在陰極處還原氧，并提供電能用于多種應用，包括車輛。
已知水在陽極和陰極流場板的溝道中的累積會明顯影響燃料電池在低負載時的性能。當氣體速度相對較低(即，小于約5米每秒)時，水通過擴散介質(zhì)溝道的傳輸有利于形成占據(jù)大部分溝道橫截面的液滴。這些液滴增強了特殊溝道中的氣流阻力，由此使氣流轉(zhuǎn)到附近溝道中，導致局部活性區(qū)域嚴重缺乏必需的反應物。人們已經(jīng)提出了各種阻止這個潛在問題出現(xiàn)的方法，包括改變溝道的物理特征，包括溝道幾何學，具體而言是尺寸和形狀。但是仍然需要對水管理進行改善以提高燃料電池性能、效率和壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了燃料電池流場板(flow field plate)，它包括表面經(jīng)構(gòu)造和排列以分布反應物氣體的襯底。所述表面的至少一個區(qū)域包括聚合物或樹脂涂層。在一些實施方案中，樹脂涂層優(yōu)選包括在干燥時充分具有疏水性本質(zhì)而在濕潤時充分具有親水性本質(zhì)的離子交換樹脂。在優(yōu)選方面，所述樹脂包括全氟磺酸聚合物。在多種實施方案中，樹脂涂層的厚度為約0.01-約10μm。
在另一實施方案中，本發(fā)明提供燃料電池，它包括陽極、陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜、和至少一個設(shè)置在陽極和陰極之一或全部的附近的流場板。流場板包括離子交換樹脂涂層，所述樹脂涂層在干燥時是充分疏水的，在濕潤時是充分親水的。
本發(fā)明還提供了在燃料電池中管理水積累的方法。該方法包括在導電元件流場的至少一個區(qū)域上沉積離子交換樹脂涂層，所述樹脂涂層在干燥時充分具有疏水性而在濕潤時充分具有親水性。多種實施方案包括將樹脂涂層浸涂或噴涂到導電燃料電池元件(或雙極板)的選定區(qū)域中。
文中所用“一”表示存在著“至少一”項；可能時，可以存在著許多這種項?！按蠹s”當用在數(shù)值上時表示計算或測量使得該數(shù)值可以存在著一些輕微的不確定性(有些接近該數(shù)值的確切值；大約或者合理接近該值；將近)。如果由于每種原因?qū)е隆按蠹s”提供的不確定性在本領(lǐng)域中沒有和該種通常意義不同的理解，那么文中所用“大約”表示該數(shù)值可能有多達5％的變化。
本發(fā)明可應用的其它領(lǐng)域?qū)南旅娴脑斒鲋凶兊蔑@而易見。應該理解該詳述以及具體實施例在描述本發(fā)明優(yōu)選實施方案的同時，僅僅旨在舉例說明而不是試圖限制本發(fā)明的范圍。


根據(jù)詳述和附圖將更充分理解本發(fā)明，其中圖1是示例性液冷PEM燃料電池堆的示意性等比例分解圖(僅僅示出了兩個電池)；圖2是可以和圖1所示PEM燃料電池堆一起使用的雙極板的等比例分解圖；和圖3是根據(jù)本發(fā)明可替換實施方案的示例性終端集流端板(terminal collector end plate)。
具體實施例方式
下面的優(yōu)選實施方案描述本身僅僅是示例性的，絕不是試圖限制本發(fā)明極其應用或用途。
為了在寬負載范圍實現(xiàn)穩(wěn)定的PEM燃料電池操作，需要對燃料電池中的流體流，具體而言是液體流，進行正確地管理。例如，在電化學電池操作過程中通過陰極氧還原反應生成了液態(tài)水，為了維持反應穩(wěn)定所述液態(tài)水應該進行有效地循環(huán)和/或去除。本文所述的液體累積本質(zhì)上是主要在陰極形成的液態(tài)水的集中。和燃料電池操作相關(guān)的關(guān)鍵因素是水傳輸和防止在燃料電池中出現(xiàn)不希望的水累積。因此，在不同的氣體速度和操作條件下從流場溝道排出水的能力，對燃料電池操作而言很重要。為了解決這些問題，本發(fā)明考慮使用具有雙重性水處理性能的導電流場隔板。流場涂覆有具有離子交換活性的有機聚合物，比如在干燥時充分具有疏水本質(zhì)而在濕潤時充分具有親水本質(zhì)的陽離子交換樹脂或陰離子交換樹脂或者兩者。這種雙重性涂層通過便于形成薄層水膜改善了燃料電池操作，由此使反應物氣流的阻力變得最小并在低氣體速度下維持了穩(wěn)定的性能。
為了更好地理解本發(fā)明，圖1示出了采用本發(fā)明的燃料電池，它描述了兩個單個質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池連接起來形成電池堆，該電池堆具有一對膜電極組件(MEA)4，6以及由導電液冷雙極隔板或?qū)щ娫?將其互相隔開的氣體擴散介質(zhì)34、36、38、40。單個燃料電池，即在電池堆中沒有串聯(lián)連接的燃料電池，具有隔板8，所述隔板8具有單一電活性側(cè)。在電池堆中，優(yōu)選的雙極板隔板8一般在電池堆中具有兩個電活性側(cè)20、21，每個活性側(cè)20、21分別朝向分開的、帶有被隔開的相反電荷的MEA 4，6，因此被稱為隔板，或者“雙極板”。本文描述的燃料電池堆具有導電雙極板。
MEA 4，6和雙極板8在不銹鋼固定終端板10、12和終端接觸流體分布元件14、16之間被堆疊在一起。終端流體分布元件14、16，以及雙極板8的兩個工作面或側(cè)20、21，在活性面18、19、20、21、22和23上含有許多和溝槽或溝道相鄰的平臺，用于分布燃料和氧化物氣體(例如，H2和O2)到MEA 4，6上。非導電性墊圈或密封26、28、30、32、33和35在燃料電池堆的多個元件之間提供密封和電絕緣。透氣性導電擴散介質(zhì)34、36、38和40壓住MEA 4，6的電極面。在終端接觸流體分布元件14、16和集流終端板10、12之間，放置有另外的導電性介質(zhì)43、45層，以在正常操作條件下當電池堆被壓縮時在之間提供導電性通道。終端接觸流體分布元件14、16分別壓住擴散介質(zhì)34、43和40、45。
氧或另一種氧化物氣體從儲存罐46經(jīng)由合適的供應管道42供給燃料電池堆的陰極側(cè)，而氫或另一種燃料氣體從儲存罐48經(jīng)由合適的供應管道44供給燃料電池的陽極側(cè)。可替換地，可以從周圍環(huán)境中供應空氣到陰極側(cè)，從甲醇、甲烷或汽油重整物供應氫到陽極側(cè)，等等。還提供了針對MEA的H2-O2/空氣側(cè)的排放管道41。提供了輔助管道50用于將冷卻劑從存儲區(qū)域52循環(huán)通過雙極板8和端板14、16并從出口管道54中排出。
在燃料電池操作過程中，陽極氫氣(H2)分裂成兩個質(zhì)子(H+)，由此釋放兩個電子。質(zhì)子穿過MEA 4，6的膜遷移到陰極側(cè)。在陰極側(cè)引入的氧氣或空氣流到多孔電極中。陰極中的催化劑顆粒促進質(zhì)子(H+)和氧(O2)的反應，以在電極內(nèi)形成水。因此，由于生成了液態(tài)水，所以必需同時保持氣體流到多孔陰極材料中。否則電極有可能出現(xiàn)液體“溢流”。溢流阻礙氣體通過MEA 4，6流到PEM，導致在MEA 4，6處發(fā)生的所有反應減弱或者停止。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案提供和陰極相鄰的流體分布裝置，便于將水和陰極流出物從陰極輸送出，同時進一步濕潤PEM，而且在有些實施方案中甚至使燃料電池冷卻。
如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，本發(fā)明的雙極板可以在設(shè)計上有變化，比如，例如，在流場構(gòu)造上、在流體輸送歧管的位置和數(shù)目上、以及在冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)上。但是通過雙極板的表面和主體的電流導通功能在所有設(shè)計中作用相似。在多種實施方案中，雙極板包括復合材料，比如碳復合材料。在其它實施方案中，可以在金屬雙極板，比如不銹鋼、鋁、鎂、鈦、或其合金上，涂覆中和形式的離子交換樹脂。雙極板可以包括不導電基板，所述不導電基板在反應物表面上具有導電層，所述導電層和燃料電池堆內(nèi)的其它導電層連通。
圖2是雙極板56的等比例分解圖，它包括第一外部隔片58、第二外部隔片60、和插在第一片58和第二片60之間的內(nèi)部墊片62。應該理解，在一些實施方案中，雙極板可以是單體式或單塊式。外部隔片58、60如果是金屬的，則優(yōu)選非常薄(例如，約0.002-0.02英寸厚)，可以通過沖壓、光刻(即，通過光刻掩模)、或者任何用于成型片狀金屬的其它常規(guī)方法制備。外部片58、60每個在其外側(cè)都具有工作表面59，工作表面面對著膜-電極-組件(未示出)而且形成有多個平臺64，平臺64之間限定了多個稱作“流場”的溝槽66，燃料電池的反應物氣體(例如，H2或O2)通過溝槽66從雙極板的一側(cè)68沿著彎曲路徑到達另一側(cè)70。當燃料電池完全組裝時，平臺64壓靠著碳/石墨紙氣體擴散介質(zhì)(比如，圖1的36或38)，所述介質(zhì)進而壓靠著MEA(比如分別是圖1的4或6)。為了畫圖簡便，圖2僅僅繪制了兩排平臺64和溝槽66。實際上，平臺和溝槽64、66覆蓋著隔片58、60的、和所述碳/石墨紙相接合的整個外表面。反應物氣體從位于燃料電池一側(cè)68的集管或歧管溝槽72供給溝槽66，并經(jīng)由位于鄰近燃料電池相對側(cè)70的另一集管/歧管溝槽74從溝槽66排出。
導電元件或者隔板包括在其中形成流場的表面，和沿著流場區(qū)域施加的離子交換樹脂涂層。本文所用的術(shù)語“導電”是本領(lǐng)域用于表示電學上導電的相關(guān)縮略術(shù)語。本發(fā)明的樹脂涂層減少了當流體流過流場時液體在涂覆區(qū)域上的累積，相反液體在表面的未涂覆區(qū)域上累積。
在本領(lǐng)域中，離子交換樹脂通過聚合物基質(zhì)的物理和化學性質(zhì)以及官能團進行分類。官能團充當活性的固定位點，在此可以和可移動的帶電離子發(fā)生可逆的化學交換。存在著可移動的平衡離子，它們提供了合適的電中和。常見的離子交換樹脂包括交聯(lián)的聚合物基質(zhì)，在該基質(zhì)整體結(jié)構(gòu)中基本均勻地分布著離子活性位點。通常，骨架聚合物的聚合條件決定了離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)和孔隙率?？紫堵视绊懼梢赃M入具體結(jié)構(gòu)的離子或帶電分子的尺寸，也影響著擴散速率。固定的離子基團決定了離子交換性質(zhì)。例如，陽離子交換樹脂具有帶負電荷的基質(zhì)，基質(zhì)上具有可交換的正離子或陽離子，比如例如H+、Ca+、Na+、NH4+等?？捎玫年栯x子交換樹脂包括強酸樹脂和弱酸樹脂。強酸樹脂通常包括連接到苯乙烯骨架上的磺酸基團，而弱酸樹脂通常源自丙烯酸聚合物，包括羧酸衍生物。陰離子交換樹脂具有帶可交換的負離子或陰離子，比如例如，HCO3-、OH-、Cl-、SO42-等的帶正電荷基質(zhì)。同樣，陰離子交換樹脂可以包括強官能度和弱官能度。如同本領(lǐng)域所公知的，基于弱酸和弱堿的樹脂和基于強酸和強堿的樹脂相比，具有更高的交換容量。常見樹脂基質(zhì)包括苯乙烯-二乙烯基苯共聚物(凝膠狀和大孔的)、聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯。用于本發(fā)明的優(yōu)選離子交換樹脂的非限制性例子包括聚(全氟磺酸)(PFSA)、和具有PTFE骨架的樹脂，比如酸形式(H+)的全氟磺酸/TFE共聚物。
在多種實施方案中，樹脂涂層在干躁環(huán)境中顯示出充分疏水的性質(zhì)。文中所用的“干躁”環(huán)境定義為局部相對濕度(LRH)小于100％、通常小于90％LRH、甚至小于70-80％LRH、或更低的環(huán)境。文中所用的“疏水性”是和參比材料相比的相對材料特征，更具體是指表面累積或吸引液體的趨勢變小的表面性質(zhì)。因此，疏水性表面和參比表面相比一般具有更低的表面自由能、更高的水接觸角，或者兩者。一般而言，如果表面的靜態(tài)水接觸角大于90°，則認為是疏水性的。以此方式，本發(fā)明提供了通過向選定的流場區(qū)域施加樹脂涂層而操縱流場表面性質(zhì)的能力，因而和沒有施加水管理樹脂涂層的元件相比，改善了水輸送和管理以及燃料電池性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，樹脂涂層包括離子交換樹脂，和流場的未涂覆和/或未處理區(qū)域相比，它優(yōu)選提高了涂覆區(qū)域在干燥條件下的疏水性(例如，降低表面能)。
在多種實施方案中，樹脂涂層在濕潤環(huán)境中顯示出充分親水性性質(zhì)。文中所用的“濕潤”環(huán)境定義為LRH大于100％的環(huán)境。文中所用的“親水性”是和參比材料相比的相對材料性質(zhì)，具體涉及水很容易在表面上鋪展的表面性質(zhì)。因此，親水性表面和參比材料相比，一般具有更高的表面自由能、更低的水接觸角、或者兩者。一般而言，如果表面的靜態(tài)水接觸角小于90°，則認為是親水性的。以此方式，本發(fā)明提供了通過在流場選定區(qū)域上施加樹脂涂層而操縱流場表面性質(zhì)的能力，由此最小化或者防止可能堵塞氣體流通溝道的液滴形成。和沒有施加水管理樹脂涂層的元件相比，這樣改善了燃料電池性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，樹脂涂層包括離子交換樹脂，和流場的未涂覆和/或未處理區(qū)域相比，該樹脂優(yōu)選提高了涂覆區(qū)域在濕潤條件下的親水性(例如，增加表面能)。
表面的潤濕性通過測量靜態(tài)水接觸角、或者在液滴和表面之間的接觸線處形成的角，來進行分類。如前所討論的，對于小于90°的接觸角，認為該表面具有親水性，對于大于90°的接觸角，認為該表面具有疏水性。同樣，非潤濕性流體的潤濕角一般大于90°。潤濕流體的潤濕角一般在0和90°之間。當潤濕角小得足以允許水通過自發(fā)性的毛細作用流入流場溝道(即，“吸入”)時，最好地實現(xiàn)了親水性在液態(tài)水管理方面的一個優(yōu)勢。對于橫截面幾何形狀為大約方形或矩形的溝道而言，潤濕角優(yōu)選為0-約45°，更優(yōu)選為0-約30°。
因此，本發(fā)明提供了通過在元件的選定區(qū)域上施加離子交換樹脂而改變導電元件(例如，雙極板)的區(qū)域的表面自由能和/或改變疏水性/親水性本質(zhì)的方法。就成本、時間和復雜性而言，施加樹脂涂層到導電元件上的優(yōu)選方法包括本領(lǐng)域公知的浸涂和涂覆方法。采用任何合適方法，將樹脂涂層沉積在元件表面區(qū)域上，比如作為薄膜(例如，小于10μm)涂覆在一個或多個選定區(qū)域上。在多種實施方案中，可能需要涂覆元件的整個表面。在多種其它實施方案中，可能需要涂覆流動溝道66而不是平臺64。在這些情況下，涂層可以從某些區(qū)域去除，或者在采用常規(guī)方法涂覆之前掩蔽住元件的某些區(qū)域。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過施加極薄(例如，小于100nm)的連續(xù)層，或者通過控制施加工藝從而形成不連續(xù)層，限制了雙極板和擴散介質(zhì)之間接觸電阻的增長。在優(yōu)選實施方案中，樹脂涂層厚度可以是約0.01-約10μm；更優(yōu)選樹脂涂層是約0.05-約5μm，還更優(yōu)選是約1-約2μm。涂層可以包括一層或多層以達到所述厚度。涂層可以在第一區(qū)域以第一厚度形成或沉積，而在第二區(qū)域以第二厚度形成或沉積。優(yōu)選選擇涂層厚度以維持所需的表面自由能，同時不會使燃料電池增加多余材料和重量。涂層厚度也是涂層形貌的函數(shù)。隨著平均厚度下降到具體閾值水平，膜或涂層變得不連續(xù)。
在多種實施方案中，在導電元件的區(qū)域上提供了樹脂涂層的不連續(xù)層。文中所用術(shù)語“不連續(xù)涂層”是指有斷斷續(xù)續(xù)的間斷、中斷或不連續(xù)的涂層。例如，該涂層可以由多個個別的或者未連接的區(qū)域，或“島”組成，每個包含相同或相似的離子交換樹脂。不連續(xù)層提供了表面可潤濕性的益處，同時保留了足量的非涂覆面積以便促進在基板材料和設(shè)置在擴散介質(zhì)中，通常設(shè)置在導電元件附近的碳纖維之間的直接接觸。優(yōu)選，島類似地互相隔開，而且島之間的任何未涂覆區(qū)域和擴散介質(zhì)的纖維尺寸相比，大得足以便于電接觸。擴散介質(zhì)纖維的平均直徑一般可以是約5-約10μm。優(yōu)選，涂覆的島之間的非涂覆距離至少是單個碳纖維的大小，優(yōu)選達到纖維直徑的約10倍大，比如例如約10-約100μm。應該理解，涂層厚度和島之間的距離可以變大或變小，具體取決于設(shè)計和材料選擇，這些變化落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明還提供了含有不可滲透的、導電元件的燃料電池，所述導電元件在一個或多個區(qū)域上具有離子交換樹脂涂層。燃料電池包括陽極、陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜、和至少一個限定流體流場的不可滲透的、導電元件，其中所述流場鄰近MEA、氣體擴散介質(zhì)或者其組合。導電元件表面的至少一個區(qū)域具有沿著容易累積液體的流場區(qū)域施加的樹脂涂層。
申請人認為雙重性樹脂涂層使得在燃料電池的流場溝道內(nèi)更好進行水管理。在復合雙極板上采用親水性涂層的多個試驗已經(jīng)表明，燃料電池堆在水管理上沒有嚴重問題，親水性確實是避免流場溝道內(nèi)水累積所需要的。離子交換樹脂涂層可以涂覆在復合雙極板上，穩(wěn)定性問題(如果有)非常小?？商鎿Q地，離子交換樹脂的中和形式可以在金屬雙極板上形成穩(wěn)定涂層。該涂層形成時，首先充分顯示出疏水性，當充分潤濕后，該涂層變成充分親水性。
申請人目前認為，對于電池堆關(guān)閉循環(huán)而言，優(yōu)選干涂層的疏水本質(zhì)，在所述關(guān)閉循環(huán)中，為了后續(xù)啟動燃料電池必須用盡可能多的水沖洗，尤其是在凍結(jié)條件下。當板材料變干時，樹脂涂層變得相對具有疏水性，從而使其更容易沖洗掉留在流場溝道中的小的殘余水滴。值得一提的是，離子交換樹脂涂層在本質(zhì)上和聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的行為相似；但是，由于涂層的厚度為約0.01-約10μm，所以一般情況下涂層完全水合的時間更短。
當流體流過流場時，和未涂覆區(qū)域相比，樹脂涂層使區(qū)域上的液體累積下降。有利的是，被涂雙極板的表面自由能可以通過選擇不同的離子交換樹脂和不同的涂覆技術(shù)進行調(diào)整。樹脂涂層的表面自由能可以從低至約19達因/cm變化到直到約72達因/cm。
在多種實施方案中，上述樹脂涂覆的雙極板可用于電化學燃料電池的隔板組件中，提供整體水管理。這種水管理功能包括從燃料電池陰極側(cè)的濕潤區(qū)域中去除水，在該處水是作為燃料電池電化學反應的產(chǎn)物形成的；從燃料電池的陽極側(cè)的濕潤區(qū)域去除水，在該處停留的水是源于反應物氣流中水的冷凝，或者源自產(chǎn)物水通過MEA的傳輸；通過減少流體累積防止水在流場的任何曲線或彎曲處積累；以及使水更充分地從內(nèi)部輸送到沿著陰極側(cè)的任何相對干燥區(qū)域。
本發(fā)明的樹脂涂層也可施加到燃料電池中接觸流體的其它導電元件，比如圖3所示的終端集流端板。終端集流端板99(比如圖1的10或12)具有不導電區(qū)域100和導電區(qū)域102。在多種實施方案中，本發(fā)明的樹脂涂層施加到導電區(qū)域100的全部或部分上。終端板99的導電區(qū)域102通常通過密封墊圈33、35和不導電區(qū)域100隔開(圖1)。非導電區(qū)域100內(nèi)部的空隙104延伸通過終端板99的主體、或者襯底128，在操作條件下允許流體(例如，H2、O2、冷卻劑、陽極和陰極流出物)輸入到電池堆或從電池堆輸出。空隙104的具體數(shù)量或次序沒有限制，文中所述的僅僅用于示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可以采用很多構(gòu)造。雙極板流場設(shè)計描述了入口和出口空隙104構(gòu)造以及流體傳輸布局。導電集流翼片120可以連接到外部引線上，便于從電池堆外部收集電流。
本發(fā)明還提供了通過制備用于電化學燃料電池的導電元件對燃料電池的水累積進行管理的方法。該方法包括在導電元件的流場的至少一個區(qū)域上沉積離子交換樹脂涂層。多種實施方案包括在導電燃料電池元件的選定區(qū)域上浸涂或者噴涂樹脂涂層。如前所述，可能需要涂覆該元件的全部表面，而在多種其它實施方案中，可能需要涂覆某些區(qū)域，比如流體溝道而不是平臺。在這些情況下，涂層施加到全部元件上，可以采用二次去除工藝，例如，通過機械方法從某些區(qū)域去除?？商鎿Q地，在采用常規(guī)方法涂覆之前，可以覆蓋或掩蔽元件的某些區(qū)域。在涂覆后去除掩模。
本發(fā)明的描述本身僅僅用于示例，因此，不偏離本發(fā)明精神的變體都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。不能認為這些變體偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池導電元件，包括表面經(jīng)構(gòu)造和排列以分布反應物氣體的襯底，其中所述表面的至少一個區(qū)域包括樹脂涂層，所述樹脂涂層在干燥時是充分疏水性的而在濕潤時是充分親水性的。
2.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層包括離子交換樹脂。
3.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層包括全氟磺酸聚合物。
4.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層在局部相對濕度大于100％的條件下顯示出小于約45度的靜態(tài)水接觸角。
5.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層在局部相對濕度小于約90％的條件下顯示出大于約90度的靜態(tài)水接觸角。
6.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層的厚度為約0.01-約10μm。
7.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層包括具有第一厚度的第一區(qū)域和具有不同于所述第一厚度的第二厚度的第二區(qū)域。
8.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述襯底包括復合材料、金屬材料之一或兩者。
9.權(quán)利要求1的導電元件，其中所述樹脂涂層是不連續(xù)的。
10.權(quán)利要求9的導電元件，其中所述樹脂涂層包括多個分隔開的不連續(xù)區(qū)域從而使得涂覆區(qū)域之間的距離平均為約10-約100μm。
11.一種燃料電池，包括陽極；陰極；設(shè)置在所述陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜；和至少一個設(shè)置在所述陽極附近或陰極附近或者所述陽極和陰極附近的流場板，其中所述流場板包括離子交換樹脂涂層，所述樹脂涂層在干燥時是充分疏水性的而在濕潤時是充分親水性的。
12.權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述樹脂涂層的厚度為約0.01-約10μm。
13.權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述樹脂涂層包括多個分隔開的不連續(xù)區(qū)域從而使得涂覆區(qū)域之間的距離平均為約10-約100μm。
14.權(quán)利要求11的燃料電池，還包括和所述陽極和陰極之一相鄰的氣體擴散層，并包含纖維材料，其中所述樹脂涂層包括多個分隔開的不連續(xù)區(qū)域使得涂覆區(qū)域之間的距離為所述纖維材料的平均纖維直徑尺寸的約1-約10倍。
15.權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述樹脂涂層包括全氟磺酸聚合物。
16.一種制備用于電化學燃料電池的導電元件的方法，所述方法包括在所述導電元件的流場的至少一個區(qū)域上施加離子交換樹脂涂層，所述樹脂涂層在干燥時是充分疏水性的而在濕潤時是充分親水性的。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述樹脂涂層施加的厚度為約0.01-約10μm。
18.權(quán)利要求16的方法，還包括在施加所述樹脂涂層之前掩蔽所述導電元件的至少一個區(qū)域。
19.權(quán)利要求16的方法，還包括采用二次去除工藝從所述導電元件的至少一個區(qū)域去除部分所述離子交換樹脂涂層。
20.權(quán)利要求16的方法，以包括多個未涂覆區(qū)域的不連續(xù)層形式施加所述樹脂涂層，其中所述未涂覆區(qū)域被互相分隔開約10-約100μm的平均距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括在其上沉積了陽離子或陰離子交換樹脂涂層的襯底的燃料電池導電元件，或雙極板，以及其制備方法。該雙極板其中形成有流體流場。通過浸涂或噴涂工藝在襯底的表面區(qū)域上優(yōu)選沉積離子交換聚合物。樹脂涂層在干燥時充分具有疏水性本質(zhì)而在濕潤時充分具有親水性本質(zhì)。
文檔編號H01M2/14GK1874039SQ20061009235
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者M·H·A·埃爾哈米德, G·維亞斯, T·A·特拉波爾德, Y·M·米克海爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司