專利名稱：用于燃料電池的親水導(dǎo)電流體分配板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及親水導(dǎo)電流體分配板、制造親水導(dǎo)電流體分配板的方法和利用根據(jù)本發(fā)明的親水導(dǎo)電流體分配板的系統(tǒng)。更明確地來講，本發(fā)明涉及在解決燃料電池和其它類型的裝置中的水輸送難題時(shí)親水導(dǎo)電流體分配板的使用。

背景技術(shù)：
正在開發(fā)燃料電池作為用于包括車輛用途的許多用途的電源。燃料電池的一種是質(zhì)子交換膜或PEM燃料電池。PEM燃料電池是本領(lǐng)域中所公知的并在燃料電池中的每個(gè)單元中包括膜電極組件或MEA。MEA是具有陽極電極面和陰極電極面的薄質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物膜電解質(zhì)，陽極電極面在MEA的一個(gè)側(cè)面上形成，陰極電極面在MEA的相對(duì)的側(cè)面上形成。膜電解質(zhì)的一個(gè)示例是用離子交換樹脂制成的類型。示范性離子交換樹脂包括全氟磺酸(perfluoronated sulfonicacid)聚合物，如可從E.I.DuPont de Nemeours&Co.得到的NAFIONTM。另一方面，陽極面和陰極面通常包括精細(xì)分離的碳粒子，支撐在碳粒子的內(nèi)表面和外表面上的非常精細(xì)地分離的催化粒子，以及質(zhì)子傳導(dǎo)粒子，如與催化粒子和碳粒子混合的NAFIONTM；或者分散在整個(gè)聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑中的無碳催化粒子。
多單元PEM燃料電池包括多個(gè)MEA，這些MEA以電氣串聯(lián)方式堆疊在一起，并且由稱為分隔板或雙極板的不透氣導(dǎo)電流體分配板相互分隔。這些多單元燃料電池稱為燃料電池組。雙極板具有兩個(gè)工作面，一個(gè)工作面面對(duì)一個(gè)單元的陽極，另一個(gè)工作面面對(duì)堆中的相鄰的下一個(gè)單元上的陰極，并且在相鄰的單元之間傳導(dǎo)電流。在電池組的端部的導(dǎo)電流體分配板僅接觸端部單元并稱為端板。雙極板含有在陽極和陰極的表面上方分配氣體反應(yīng)物(如H2和O2/空氣)的流場(chǎng)。這些流場(chǎng)通常包括多個(gè)脊部(land)，這些脊部在它們之間限定多個(gè)流動(dòng)通道，氣體反應(yīng)物通過這些流動(dòng)通道在供給集管與排氣集管之間流動(dòng)，供給集管和排氣集管位于流動(dòng)通道的相對(duì)端部。
通常將稱為“擴(kuò)散介質(zhì)”的高度多孔(即大約60％至80％)的導(dǎo)電材料(如布、濾網(wǎng)、紙、泡沫等)插在導(dǎo)電流體分配板與MEA之間，并用于(1)在導(dǎo)電流體分配板的脊部之間和下方在電極的整個(gè)面上分配氣體反應(yīng)物，和(2)從面對(duì)凹槽的電極的面采集電流并將電流輸送到限定該凹槽的相鄰的脊部。一種公知的擴(kuò)散介質(zhì)包括具有約70％的體積孔隙度和約為0.17mm的未壓縮厚度的石墨紙，這種石墨紙可在商業(yè)上從Toray Company以Toray 060的名字獲得。這種擴(kuò)散介質(zhì)還可包括本領(lǐng)域中所公知的細(xì)篩、貴金屬濾網(wǎng)等。
在H2-O2/空氣PEM燃料電池環(huán)境中，導(dǎo)電流體分配板通常可與含有F-、SO4-、SO3-、HSO4-、CO3-和HCO3-等的弱酸溶液(pH3至5)恒定接觸。而且，陰極通常在高度氧化的環(huán)境中運(yùn)行，并且在暴露給增壓空氣時(shí)被極化至約+1V(與標(biāo)稱氫電極相比)的最大值。最后，陽極通常恒定地暴露給氫。因此，導(dǎo)電流體分配板應(yīng)耐受燃料電池中的不利環(huán)境。
一種更普遍類型的適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電流體分配板包括用聚合物復(fù)合材料模制的那些導(dǎo)電流體分配板，這些材料通常包括50％至90％體積的導(dǎo)電填料(如石墨粒子或絲)，這種導(dǎo)電填料分散在整個(gè)聚合物基料(熱塑性或熱固性的)中。近期在復(fù)合導(dǎo)電流體板的開發(fā)中的努力一直針對(duì)具有足夠的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性的材料。材料供應(yīng)商已開發(fā)出高碳載荷復(fù)合板，這些復(fù)合板在聚合物基料中包括體積范圍在50％至90％之間的石墨粉，以實(shí)現(xiàn)必要的傳導(dǎo)率目標(biāo)。這種類型的板通常能夠耐受腐蝕性燃料電池環(huán)境，并且，就大部分而言，滿足成本和傳導(dǎo)率目標(biāo)。目前可得到的一種雙極板是來自West Chicago，III.的BulkMolding Compound，Inc.的BMC板。
或者，分立的導(dǎo)電纖維已在降低碳載荷并提高板韌度的嘗試中用在復(fù)合板中。參看于2003年8月19日公告的發(fā)明人為Blunk等人的共同待審的(copending)美國專利No.6,607,857，該美國專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用結(jié)合在本文中。與導(dǎo)電粉末相比，纖維材料在軸向方向上的導(dǎo)電率通常要大十至一千倍。參看于2004年12月7日公告的發(fā)明人為Lisi等人的美國專利No.6,827,747，該美國專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用結(jié)合在本文中。
另一種更普遍類型的適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電流體分配板包括用聚合物復(fù)合材料涂覆的金屬制成的那些導(dǎo)電流體分配板，這些聚合物復(fù)合材料含有約30％至約40％的體積的導(dǎo)電粒子。就此方面而言，見于2002年4月16日公告的發(fā)明人為Fronk等人的美國專利No.6,372,376，該專利(1)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，(2)通過引用結(jié)合在本文中，并且(3)公開了導(dǎo)電流體分配板，這些導(dǎo)電流體分配板用金屬薄板制成，這些金屬薄板涂有抗腐蝕導(dǎo)電層，這種抗腐蝕導(dǎo)電層包括多個(gè)導(dǎo)電抗腐蝕(即抗氧化和抗酸)填料粒子，這些填料粒子分散在抗酸、不溶于水、抗氧化聚合物的整個(gè)基料中，這種聚合物將這些粒子粘結(jié)在一起并粘結(jié)到金屬薄板的表面上。根據(jù)涂層的成分、電阻率和完整性，F(xiàn)ronk等人類型的復(fù)合涂層優(yōu)選具有不大于約50ohm-cm2的電阻率和介于約5微米和75微米之間的厚度。優(yōu)選較薄的涂層來實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃料電池組的較低IR降。
正如前面所討論的那樣，大部分導(dǎo)電流體分配板要么包括復(fù)合聚合物材料，要么包括涂有導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的金屬基礎(chǔ)層。雖然這些類型的板目前通常具有80°至90°的水接觸角，從而導(dǎo)致可接受的水管理性能，但希望提供一種具有提高的水管理性能的導(dǎo)電流體分配板。


發(fā)明內(nèi)容
在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供一種導(dǎo)電流體分配板，這種導(dǎo)電流體分配板包括板體和復(fù)合導(dǎo)電涂層，這種板體限定了一組流體流動(dòng)通道，這些流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流，這種復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到該板體上。在至少該實(shí)施例中，復(fù)合涂層包括聚合物導(dǎo)電層和粒子碳層，聚合物導(dǎo)電層粘附到板體上并具有外表面，粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的外表面上。
在又一個(gè)實(shí)施例中，提供一種制造流體分配板的方法，這種方法包括提供板體和復(fù)合導(dǎo)電涂層，這種板體具有限定了一組流體流動(dòng)通道的主體，這些流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流，復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到該板體上。在至少該實(shí)施例中，復(fù)合涂層包括聚合物導(dǎo)電層和粒子碳層，聚合物導(dǎo)電層粘附到板體上并具有外表面，粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的外表面上。
在再一個(gè)實(shí)施例中，提供一種燃料電池。這種燃料電池包括第一導(dǎo)電流體分配板，這種第一導(dǎo)電流體分配板包括板體和復(fù)合導(dǎo)電涂層，這種板體限定了一組流體流動(dòng)通道，這些流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流，這種復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到該板體上。在至少該實(shí)施例中，復(fù)合涂層包括聚合物導(dǎo)電層和粒子碳層，聚合物導(dǎo)電層粘附到板體上并具有外表面，粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的外表面上。在至少該實(shí)施例中，這種燃料電池還包括第二導(dǎo)電流體分配板和膜電極組件，這種膜電極組件將第一導(dǎo)電流體分配板和第二導(dǎo)電流體分配板分開，膜電極組件包括電解質(zhì)膜、陽極和陰極，電解質(zhì)膜具有第一側(cè)面和第二側(cè)面，陽極鄰近于電解質(zhì)膜的第一側(cè)面，陰極鄰近于電解質(zhì)膜的第二側(cè)面。
從下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的描述就會(huì)更全面地了解本發(fā)明。應(yīng)注意到，權(quán)利要求的范圍由權(quán)利要求所引述的內(nèi)容所限定，而不是由在本說明書中所列出的特征和優(yōu)點(diǎn)的特定描述所限定。



在結(jié)合下面的附圖閱讀時(shí)就會(huì)很好地理解下面的對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描述，在這些圖中，相同的結(jié)構(gòu)用相同的標(biāo)號(hào)表示，在這些圖中 圖1是包括燃料電池系統(tǒng)的車輛的示意圖； 圖2是采用兩個(gè)燃料電池的燃料電池組的示意圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)電流體分配板的示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)電流體分配板的示意圖； 圖5是示于圖3中的板的一部分的放大視圖。
技術(shù)人員會(huì)理解，圖中所示出的元件是為了簡(jiǎn)單和清楚起見，且并非按比例繪制。例如，可將圖中的一些元件的尺寸相對(duì)于其它元件擴(kuò)大，以幫助提高對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的理解程度。

具體實(shí)施例方式 下面的對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述實(shí)質(zhì)上僅僅是示范性的且決不是旨在對(duì)本發(fā)明及其應(yīng)用或用途進(jìn)行限制。將詳細(xì)參考本發(fā)明目前所優(yōu)選的成分、實(shí)施例和方法，這些成分、實(shí)施例和方法構(gòu)成發(fā)明人目前所知的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。不過，將會(huì)理解，所公開的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的示范，而本發(fā)明可體現(xiàn)在各種替代形式中。因此，本說明書所公開的特定細(xì)節(jié)并不解釋為限制性的，而僅是權(quán)利要求的代表性基礎(chǔ)和、或用于教導(dǎo)本領(lǐng)域中技術(shù)人員以各種方式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
除了在示例中之外或以其它形式明確說明之外，將表明材料的量或反應(yīng)條件和、或用途的本說明書中的所有數(shù)值量理解為在描述本發(fā)明的最寬廣范圍時(shí)由詞語“約”修正。通常優(yōu)選在所陳述的數(shù)值限制內(nèi)的實(shí)施。而且，除非有明確的相反說明，百分比、“…的部分”和比率值按重量計(jì)算；用語“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；適合于或優(yōu)選用于與本發(fā)明有關(guān)的指定目的的材料群組或類別的描述表明群組或類別的組成部分中的任何兩種或多種的混合同樣是適合的或優(yōu)選的；用化學(xué)用語對(duì)組分進(jìn)行的描述是指加到描述中所明確的任何組合中時(shí)的組分，而不必排除混合物的一旦混合時(shí)的組分之間的化學(xué)相互作用；首字母簡(jiǎn)略詞或其它縮略語的第一定義適用于相同的縮略語在本說明書中隨后的使用并且適用于最初限定的縮略語的標(biāo)準(zhǔn)語法變化；而且，除非有明確的相反說明，一種特性的測(cè)量由以前或以后參考用于相同的特性的相同的技術(shù)確定。
參看圖1，圖中示出了用于車輛用途的示范性燃料電池系統(tǒng)2。不過，將會(huì)理解，其它的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用如在居住系統(tǒng)領(lǐng)域也可受益于本發(fā)明。
在示于圖1的實(shí)施例中，所示出的車輛具有車體90和示范性燃料電池系統(tǒng)2，示范性燃料電池系統(tǒng)2具有燃料電池處理器4和燃料電池組15。以下參考圖2至圖5描述體現(xiàn)在燃料電池組和燃料電池中的本發(fā)明的實(shí)施例。將會(huì)理解，雖然描述一種特定的燃料電池組15的設(shè)計(jì)，但本發(fā)明也適用于使用流體分配板的任何燃料電池組的設(shè)計(jì)。
圖2示出了兩個(gè)燃料電池的燃料電池組15，燃料電池組15具有一對(duì)膜電極組件(MEA)20和22，MEA 20和22由導(dǎo)電流體分配板30相互分離。板30用作具有多個(gè)流體流動(dòng)通道35、37的雙極板，多個(gè)流體流動(dòng)通道35、37用于將燃料和氧化劑氣體分配給MEA 20和22?！傲黧w流動(dòng)通道”是指用于將流體輸送到板中、從板輸送出、沿著板輸送或穿過板輸送的板上的路徑、區(qū)、區(qū)域或任何范圍。可在夾板40和42與導(dǎo)電流體分配板32和34之間將MEA 20和22以及板30堆疊在一起。在所示出的實(shí)施例中，板32和34用作端板，這些端板分別僅具有包含通道36和38的一個(gè)側(cè)面，這種側(cè)面用于燃料和氧化劑氣體分配給MEA 20和22，而不是板的兩個(gè)側(cè)面。
可設(shè)有不導(dǎo)電的襯墊50、52、54和56，以在燃料電池組的幾個(gè)部件之間提供密封和電氣絕緣。透氣碳/石墨擴(kuò)散紙60、62、64和66可壓在MEA 20和22的電極面上。板32和34可分別壓在碳/石墨擴(kuò)散紙60和66上，而板30可壓在MEA 20的陽極面上的碳/石墨擴(kuò)散紙64上，并且壓在MEA 22的陰極面上的碳/石墨擴(kuò)散紙60上。
在所示出的實(shí)施例中，從儲(chǔ)存容器70通過適當(dāng)?shù)墓┙o管道86將氧化流體如O2提供給燃料電池組的陰極側(cè)面。在將氧化流體提供給陰極側(cè)面時(shí)，將還原流體如H2從儲(chǔ)存容器72通過適當(dāng)?shù)墓┙o管道88提供給燃料電池的陽極側(cè)面。還設(shè)有既用于這些MEA的H2側(cè)又用于O2/空氣側(cè)的排氣管道(未示出)。設(shè)有其它的管道80、82和84用于向板30和板32與34供應(yīng)液體制冷劑。還設(shè)有用于從板30、32和34排出制冷劑的適當(dāng)管道，但在圖中并未示出。
圖3示出了示范性導(dǎo)電流體分配板30，導(dǎo)電流體分配板30包括第一薄板102和第二薄板104。第一薄板和第二薄板102、104在它們的外側(cè)面/表面上包括多個(gè)流體流動(dòng)通道106、108，燃料電池的反應(yīng)氣體通常穿過這些流體流動(dòng)通道106、108在沿著每個(gè)板的一個(gè)側(cè)面的曲折路徑中流動(dòng)。第一薄板和第二薄板102、104的內(nèi)側(cè)面可包括多個(gè)第二流體流動(dòng)通道110、112，在燃料電池的運(yùn)行期間，制冷劑流過這些流體流動(dòng)通道110、112。在將第一薄板102和第二薄板104的內(nèi)側(cè)面放置在一起以形成板體120時(shí)，這些流體流動(dòng)通道連接并形成用于制冷劑流過板30的一系列通道。
可用單個(gè)薄板或板而不是示于圖3中的兩個(gè)分立的薄板形成板 體120。當(dāng)用單個(gè)板形成板體120時(shí)，可在板體120的外側(cè)面上形成這些通道，且這些通道可穿過板體120的中部，以使合成的板體120相當(dāng)于從兩個(gè)分立的薄板102、104構(gòu)造成的板體120。
可用金屬、金屬合金或復(fù)合材料形成板體120，且板體120必須導(dǎo)電。在一個(gè)實(shí)施例中，鈍化金屬或鈍化合金形成板體120。“鈍化金屬”或“鈍化合金”是指由于與周圍的物質(zhì)如空氣或水的反應(yīng)的原因而形成不活潑的鈍化層的金屬或合金。例如，鈍化層(未示出)可以是金屬氧化物。金屬氧化物通常通過要求氧擴(kuò)散到整個(gè)層中以到達(dá)金屬或合金表面起到進(jìn)一步的氧化的阻擋層的作用。因此，鈍化層可保護(hù)金屬或金屬合金的整體性。
適當(dāng)?shù)慕饘?、金屬合金和?fù)合材料應(yīng)以足夠的耐久性和剛性為特征，以起到燃料電池中的流體分配板的作用。在選擇用于板體的材料時(shí)所考慮的其它設(shè)計(jì)性能包括透氣性、導(dǎo)電性、密度、導(dǎo)熱性、抗腐蝕性、圖案清晰度、熱與圖案穩(wěn)定性、可加工性、成本和可用性。
可用的金屬和合金包括鋁、鈦、不銹鋼、鎳基合金和它們的組合。復(fù)合材料可包括石墨、石墨箔、聚合物基料中的石墨粒子、碳纖維紙和聚合物疊層、帶有金屬芯的聚合物板、導(dǎo)電地涂覆的聚合物板和它們的組合。
第一薄板和第二薄板102、104的厚度通常介于約51至約510微米(:m)之間?？赏ㄟ^機(jī)械加工、模制、切割、雕刻、模壓、光蝕刻或其它任何適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和制造工藝來形成這些薄板102、104，光蝕刻如通過光刻掩模進(jìn)行。能構(gòu)思出的是，薄板102、104可包括疊層結(jié)構(gòu)，這種疊層結(jié)構(gòu)包括平薄板和另外的薄板，這種另外的薄板包括一系列外流體流動(dòng)通道。內(nèi)金屬隔離薄板(未示出)可位于第一薄板和第二薄板102、104之間。
在示意性地示于圖3的板30中，形成體120的結(jié)構(gòu)性部件的基板102、104包括易腐蝕金屬，如鋁、鈦、不銹鋼和鎳基合金。板30的工作面用導(dǎo)電聚合物復(fù)合涂層125覆蓋。在至少一個(gè)實(shí)施例中，聚合物導(dǎo)電涂層125包括導(dǎo)電抗氧化抗酸保護(hù)材料，這種材料具有小于約50ohm-cm2的電阻率并包括多個(gè)抗氧化不溶于酸的導(dǎo)電粒子(即小于約50微米)，這些粒子分散在整個(gè)抗酸抗氧化聚合物基料中。可從美國專利No.6,372,376獲知這些涂層的適當(dāng)?shù)氖纠蛻?yīng)用方式。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電填料粒子可以是金、鉑、石墨、碳、鈀、鈮、銠、釕和稀土金屬中的至少一種。在至少某些實(shí)施例中，這些粒子可包括重量載荷為25％的導(dǎo)電碳和石墨。聚合物基料可包括可形成為薄的粘附膜并可耐受燃料電池的不利氧化性和酸性環(huán)境的不溶于水的聚合物。因此，除了其它的聚合物之外，還認(rèn)為諸如環(huán)氧樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、氟橡膠(如聚偏二氟乙烯)、聚酯、苯氧基酚醛、環(huán)氧酚醛、丙烯酸樹脂和聚氨酯這樣的聚合物可用于復(fù)合涂層。交聯(lián)聚合物可用于制造不透水涂層，且最優(yōu)選聚酰胺酰亞胺熱固聚合物。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，可通過將聚酰胺酰亞胺溶解在溶劑中來涂敷聚合物復(fù)合層125，這種溶劑包括N-甲基吡咯烷酮、丙二醇和乙酸甲酯(methyl ether acetate)的混合物，且加入21％至23％重量的石墨和碳黑粒子和混合物。在至少一個(gè)實(shí)施例中，石墨粒子的尺寸范圍在5微米至20微米之間，且碳黑粒子的尺寸范圍在0.5微米至1.5微米之間。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可將這種混合物噴射到基板上、干燥(如將溶劑蒸發(fā))并固化，以提供具有碳與石墨的重量含量為38％的10至30微米厚的涂層?？稍诘蜏?即＜400)下將這種聚合物緩慢固化，或者在兩步過程中較快固化，在此過程中，先在約300至350通過十分鐘的加熱除去溶劑(即干燥)，然后在從約1/2分鐘至約15分鐘的不同時(shí)間(根據(jù)所使用的溫度)以較高的溫度加熱(500至750)，以將聚合物固化。正如在下面所描述的那樣，本發(fā)明的多孔表面層130在干燥和固化之前涂敷，而復(fù)合層125仍有粘性。
可將導(dǎo)電聚合物涂層125直接涂覆到基板金屬并允許在基板金屬上干燥/固化，或者可在將導(dǎo)電聚合復(fù)合層125涂覆之前首先用可氧化金屬(如不銹鋼)覆蓋基板金屬(如鋁)(見前面的Li等人的專利)?？捎酶鞣N方式涂覆復(fù)合層125，如涂刷、噴射、涂抹或?qū)㈩A(yù)成形膜層壓到基板上。
在示于圖3的實(shí)施例中，導(dǎo)電流體分配板30包括復(fù)合導(dǎo)電涂層130，這種復(fù)合導(dǎo)電涂層130粘附到聚合物導(dǎo)電涂層125上并覆蓋聚合物導(dǎo)電涂層125。在至少一個(gè)實(shí)施例中，如在圖5中詳細(xì)地示出的那樣，復(fù)合導(dǎo)電涂層包括聚合物導(dǎo)電層140和粒子碳層150，聚合物導(dǎo)電層140鄰近于聚合物導(dǎo)電涂層125，粒子碳層150在聚合物導(dǎo)電層140的上表面144上。在至少一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合導(dǎo)電涂層130具有小于40°的水接觸角，在另一個(gè)實(shí)施例中為小于25°，在又一個(gè)實(shí)施例中為小于10°，在再一個(gè)實(shí)施例中為小于5°，在再一個(gè)實(shí)施例中為小于1 °。
雖然復(fù)合導(dǎo)電涂層130可如圖3中所示意性地示出的那樣基本上在板30的整個(gè)外表面上延伸，但復(fù)合導(dǎo)電涂層130還可在小于整個(gè)外表面的上延伸。此外，雖然粒子碳層150可如圖3中所示意性地示出的那樣基本上在整個(gè)聚合物導(dǎo)電層140上延伸，但粒子碳層150還可在小于整個(gè)聚合物導(dǎo)電層140上延伸。雖然由于粒子碳層150而導(dǎo)致復(fù)合導(dǎo)電層130的性質(zhì)較脆弱，但提供聚合物導(dǎo)電涂層125，聚合物導(dǎo)電涂層125至少部分地向金屬基板102和104提供額外的防腐保護(hù)，不過，在至少一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還構(gòu)思出將聚合物導(dǎo)電涂層125略去，且聚合物導(dǎo)電層140向金屬基板102和104提供足夠的防腐保護(hù)。
申請(qǐng)人:已發(fā)現(xiàn)，提供包括具有粒子碳層的復(fù)合導(dǎo)電涂層130的導(dǎo)電分配板30可產(chǎn)生具有優(yōu)良的水管理性能(即具有小于40°的水接觸角)的導(dǎo)電的分配板。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，除了聚合物導(dǎo)電層140的上表面144注有碳粒子之外，復(fù)合涂層130的聚合物導(dǎo)電層140可基本上類似于前面所描述的聚合物導(dǎo)電涂層125。不過，應(yīng)理解，任何適當(dāng)?shù)木酆衔飳?dǎo)電材料均可用于形成聚合物導(dǎo)電層140。在至少一個(gè)實(shí)施例中，聚合物導(dǎo)電層140的厚度為10至40微米，在另一個(gè)實(shí)施例中為15至30微米。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，粒子碳層150包括設(shè)置在聚合物導(dǎo)電層140的上表面144上的多個(gè)碳粒子。在至少一個(gè)實(shí)施例中，粒子碳層150的厚度為0.5至10微米，在另一個(gè)實(shí)施例中為1至5微米。在至少一個(gè)實(shí)施例中，粒子碳層150的碳粒子可展示出基于復(fù)合涂層130的重量的5至70％重量的載荷，在其它實(shí)施例中為15至60％，在另一個(gè)實(shí)施例中為30至50％。在至少一個(gè)實(shí)施例中，粒子碳包括碳黑、石墨和它們的組合。
各種類型的碳黑適合用在層150中。作為示例而不是作為限定，碳黑可選自乙炔黑、Ravan black、Ketjen blackTM、Vulcan blackTM、RegalTM、爐黑、black pearlTM、AX-21和它們的組合。碳黑可以介于約0.05至約0.2微米之間的粒子尺寸為特征。
申請(qǐng)人:已發(fā)現(xiàn)，某些類型的碳黑具有使這些類型的碳黑特別適于與本發(fā)明一起使用的孔隙結(jié)構(gòu)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，用于形成根據(jù)本發(fā)明制造的導(dǎo)電流體分配板30的粒子碳層150的碳黑粒子可展示出5∶1至40∶1的中孔微孔比，在其它實(shí)施例中為10∶1至35∶1，在又一些實(shí)施例中為15∶1至25∶1。用在本說明書中的用語“中孔”是指1至80nm(納米)的孔尺寸，且用語“微孔”是指小于1nm的孔尺寸。在至少一個(gè)實(shí)施例中，已證明具有20∶1的中孔微孔比的乙炔黑在提供親水復(fù)合涂層130時(shí)非常有效。
申請(qǐng)人:已發(fā)現(xiàn)，某些類型的碳黑具有使這些類型的碳黑特別適于與本發(fā)明一起使用的孔隙結(jié)構(gòu)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，用于形成根據(jù)本發(fā)明制造的導(dǎo)電流體分配板30的粒子碳層150的碳黑粒子可呈酸性并展示出小于4.0的pH值，在其它實(shí)施例中在1至3.5之間，在又一些實(shí)施例中在1.5至3.0之間。在這個(gè)實(shí)施例中，已證明具有2.3的pH值的Ravan black在提供親水復(fù)合涂層130時(shí)非常有效。
在至少一個(gè)實(shí)施例中，極性石墨粒子可用于形成根據(jù)本發(fā)明制造的導(dǎo)電流體分配板30的粒子碳層150。在此實(shí)施例中，已證明具有小于4.0的pH值的酸性磺化石墨在提供親水復(fù)合涂層130時(shí)非常有效。
形成復(fù)合涂層130的方式不必是重要的?？捎萌魏芜m當(dāng)?shù)姆绞皆诎?0上提供復(fù)合涂層130。一種示范性方式是在導(dǎo)電聚合物復(fù)合涂層125上提供聚合物導(dǎo)電材料的濕層140，這種聚合物導(dǎo)電材料的成分與用于形成導(dǎo)電聚合物復(fù)合涂層125的成分相同或類似。可用任何適當(dāng)?shù)姆绞絹硖峁竦木酆衔飳?dǎo)電層130，如噴射。在濕的聚合物導(dǎo)電層140完全干燥之前，可將適當(dāng)量的粒子碳嵌入濕的聚合物導(dǎo)電層140的上表面144中，以形成粒子碳層150。可用任何適當(dāng)?shù)姆绞絹砬度肓Ｗ犹?，如噴射、刮板涂覆和絲網(wǎng)印刷。
然后可將濕的聚合物層140干燥或固化，且粒子碳層150在濕的聚合物層140上。若干燥之后在已固化的聚合物層140的表面上留有過多的碳粒子，則可用任何適當(dāng)?shù)姆绞角鍜呋蚯鍧嵄砻鎸?，以去除過多的碳粒子。
圖4示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。示于圖4的板30′和板體120′的結(jié)構(gòu)和用途類似于示于圖3中的板30和板體120?；旧吓c示于圖3中的板30的對(duì)應(yīng)部分相同的板30′的部分用相同的標(biāo)號(hào)表示，且為了清楚起見，基本上與板30的對(duì)應(yīng)部分不同的板30′的部分用帶有后綴“′”(撇號(hào))的相同的標(biāo)號(hào)表示。
導(dǎo)電流體分配板30′的板體120′完全用復(fù)合材料制成(如模制)，且在接合擴(kuò)散介質(zhì)的復(fù)合材料的外表面上形成復(fù)合導(dǎo)電層130。在此實(shí)施例中，不必使用導(dǎo)電涂層125。板30′的復(fù)合材料可以是用于形成板的任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電復(fù)合材料，如聚合物復(fù)合材料，這種聚合物復(fù)合材料包括50％至90％體積的導(dǎo)電填料(如石墨粒子或絲)，這種導(dǎo)電填料分散在整個(gè)聚合物基料(熱塑性或熱固性的)中。
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的導(dǎo)電流體分配板具有優(yōu)良的水管理性能。應(yīng)理解，本發(fā)明的原理同樣適用于單極板和雙極板。
將通過示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。將會(huì)理解，本發(fā)明并不限于這些示例。
示例 首先用如在美國專利No.6,372,376中所公開的導(dǎo)電防護(hù)聚合物涂層涂覆金屬雙極板。第一涂層有助于保護(hù)基層金屬(如不銹鋼)不會(huì)在活潑的燃料電池環(huán)境中腐蝕，并被以150℃閃蒸(flash)10分鐘，然后以260℃固化15分鐘。在板冷卻之后，將相同的聚合物層的第二層噴射到第一涂層上。然后使用噴槍用碳黑(乙炔黑)將濕的層去塵，之后利用與第一涂層相同的固化周期固化。固化之后，將干燥的額外碳黑(乙炔黑)從板拭去。在這種板上所測(cè)得的水接觸角小于10°。
雖然已示出并描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但并不是說在這些實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明的所有可能的形式。相反，用在說明書中的語言是描述的語言而不是限制，而且應(yīng)理解，在并不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電流體分配板，包括
板體，所述板體限定了一組流體流動(dòng)通道，所述流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過所述板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流；以及
復(fù)合導(dǎo)電涂層，所述復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到所述板體上，所述復(fù)合涂層包括
聚合物導(dǎo)電層，所述聚合物導(dǎo)電層粘附到所述板體上，所述聚合物導(dǎo)電層具有外表面；以及
粒子碳層，所述粒子碳層粘附到所述聚合物導(dǎo)電層的所述外表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的板，其特征在于，所述粒子碳層包括分散在所述聚合物導(dǎo)電層的所述外表面上的多個(gè)碳黑粒子。
3.如權(quán)利要求2所述的板，其特征在于，所述碳黑層的厚度為0.5至10微米，且所述聚合物導(dǎo)電層的厚度為10至40微米。
4.如權(quán)利要求3所述的板，其特征在于，所述復(fù)合涂層包括基于所述復(fù)合導(dǎo)電涂層的重量的5至70％重量的碳黑。
5.如權(quán)利要求1所述的板，其特征在于，所述板體包括金屬薄板和復(fù)合聚合物導(dǎo)電涂層，所述復(fù)合聚合物導(dǎo)電涂層不同于所述復(fù)合導(dǎo)電涂層。
6.如權(quán)利要求1所述的板，其特征在于，所述板體包括金屬薄板。
7.如權(quán)利要求1所述的板，其特征在于，所述板體包括復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括設(shè)置在整個(gè)聚合物基料中的導(dǎo)電填料。
8.如權(quán)利要求2所述的板，其特征在于，所述碳黑包括乙炔黑、Ravan black、Vulcan blackTM、爐黑、Ketjen blackTM、black pearlTM、RegalTM、AX-21和它們的組合中的至少一種。
9.如權(quán)利要求8所述的板，其特征在于，所述碳黑的粒子尺寸在0.05微米與0.2微米之間。
10.如權(quán)利要求9所述的板，其特征在于，所述碳黑呈酸性。
11.如權(quán)利要求2所述的板，其特征在于，所述碳黑的pH值小于4。
12.如權(quán)利要求11所述的板，其特征在于，所述碳黑包括Ravanblack。
13.如權(quán)利要求9所述的板，其特征在于，所述碳黑具有5∶1至40∶1的中孔對(duì)微孔之比。
14.如權(quán)利要求13所述的板，其特征在于，所述碳黑包括乙炔黑。
15.如權(quán)利要求1所述的板，其特征在于，所述粒子碳包括酸性石墨。
16.如權(quán)利要求8所述的板，其特征在于，所述水接觸角是小于10°的。
17.一種制造流體分配板的方法，所述方法包括
提供板體，所述板體具有限定了一組流體流動(dòng)通道的主體，所述流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過所述板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流；
復(fù)合導(dǎo)電涂層，所述復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到所述板體上，所述復(fù)合導(dǎo)電涂層包括
聚合物導(dǎo)電層，所述聚合物導(dǎo)電層粘附到所述板體上，所述聚合物導(dǎo)電層具有外表面；以及
粒子碳層，所述粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的所述外表面上。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述主體上提供復(fù)合導(dǎo)電涂層的步驟包括
在所述主體上提供所述導(dǎo)電聚合物層；以及
將足夠量的碳黑嵌入所述聚合物導(dǎo)電層中，以導(dǎo)致小于40°的水接觸角。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟包括在所述聚合物導(dǎo)電層的所述外表面噴射碳黑粒子，以形成厚度為0.5至10微米的碳黑層。
20.一種燃料電池，包括
第一導(dǎo)電流體分配板，所述第一導(dǎo)電流體分配板包括板體，所述板體限定了一組流體流動(dòng)通道，所述流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過所述板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流，
復(fù)合導(dǎo)電涂層，所述復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到所述板體上，所述復(fù)合涂層包括
聚合物導(dǎo)電層，所述聚合物導(dǎo)電層粘附到所述板體上，所述聚合物導(dǎo)電層具有外表面；以及
粒子碳層，所述粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的所述外表面上；
第二導(dǎo)電流體分配板；以及
膜電極組件，所述膜電極組件將所述第一導(dǎo)電流體分配板和所述第二導(dǎo)電流體分配板分開，所述膜電極組件包括
電解質(zhì)膜，所述電解質(zhì)膜具有第一側(cè)面和第二側(cè)面以及陽極，所述陽極鄰近于所述電解質(zhì)膜的第一側(cè)面；以及
陰極，所述陰極鄰近于所述電解質(zhì)膜的第二側(cè)面。
全文摘要
在至少一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種親水導(dǎo)電流體分配板、制造親水導(dǎo)電流體分配板的方法和用于利用親水導(dǎo)電流體分配板的系統(tǒng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，該板包括板體和復(fù)合導(dǎo)電涂層，板體限定了一組流體流動(dòng)通道，這些流體流動(dòng)通道構(gòu)造成經(jīng)過板的至少一個(gè)側(cè)面分配流體流，復(fù)合導(dǎo)電涂層具有小于40°的水接觸角并粘附到該板體上。在至少一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合涂層包括聚合物導(dǎo)電層和粒子碳層，聚合物導(dǎo)電層粘附到板體上并具有外表面，粒子碳層粘附到聚合物導(dǎo)電層的外表面上。
文檔編號(hào)H01M8/20GK101213701SQ200680024397
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者M·H·阿布德埃爾哈米德, Y·M·米克海爾, G·維亞斯, 峰 鐘, R·H·布倫克, D·J·利西, M·K·布丁斯基, G·W·弗利, T·J·福勒, B·K·布拉迪, K·E·紐曼 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司