专利名称：亲水燃料电池元件的制作方法
技术领域：
本发明关于一些燃料电池，更具体的说，它关于一些带有亲水表面的燃料电池元件。
背景技术：
燃料电池技术已经成为近来研究和开发的热点，因为出现了与化石燃料燃烧发动机和燃烧室有关的一些环境问题和长期燃料供应问题。燃料电池技术通常可以生产出更清洁的能源，它们可充分压缩，并且重量较轻，可在交通工具中使用。另外，在固定应用环境中使用时，燃料电池可安装于靠近能源使用点处，这样可大大降低由能源远距离传输所导致的效率低下问题。
尽管在燃料电池中可使用不同的反应剂和原料，但是对于各种燃料电池来说，通常需要使用电解液将正电极和相对的阴极分离。阳极和阴极一般都带有电极孔或电极通道，通过其中某个孔或通道，反应剂可进入电池内，通常这些孔或通道为阳极孔或阳极通道；而氧化剂一般通过阴极孔或通道进入电池内。反应剂在电池内发生氧化，产生直流电，并伴有水和热作为副产物。一般来说，每块电池可以产生1伏特的电势，但可以将任何数量的电池串连在一起，并通过隔离板隔开，这样可以制造出一个燃料电池堆栈，用于获得各种大小的电压值。
在现代燃料电池设计中，通常将阳极、阴极和电解液置于同一个膜电极组件内，该组件为聚合物电解液膜，带有气体扩散层，而分离板和集流器通常安装在一块“双极板”内。该双极板用于限制反应剂、氧化剂、冷却液流和能量转换反应的起始原料的液流通路。有关燃料电池设计和操作的详细资料，可参照位于维吉尼亚西部Morgantown的美国能源部国家能源技术实验室在2000年10月出版的“燃料电池手册，第5版”，该手册作为2004年4月30日申请的专利申请号为_________同时待审美国专利的附录A，此申请名称为“带有亲水表面的燃料电池元件”，所述申请包括此处用于参考的附录A。在美国专利4,988,583、5,733,678、5,798,188、5,858,569、6,071,635、6,251,308、6,436,568以及美国公开专利序列号2002/0155333中对各类燃料电池元件进行了深入介绍，这些元件包括膜电极组件和双极板，这些专利都用作本专利的参考。
在燃料电池设计方面一直存在一个巨大挑战，就是如何控制电池中的水分和其他液体。在某些条件下，与电池反应可以快速生成水分。这些水分一般产生于电池的阴极侧，并且若其不断积累的话，可能会阻碍或限制燃料进入电池。这种情况也就是人们熟悉的“阴极淹水(cathodeflooding)”现象。另外，电池内部气体经常含有大量水蒸汽，这些水蒸汽为反应副产物，并因为操作缘故会进入电池内。电池和周边环境之间的温差会导致阴极或阳极液流通道表面上出现水蒸汽冷凝现象，并且在运行过程中因水蒸汽进出电池，也会在整个装置元件内或电池内其他表面上产生这种现象。而且，在采用甲醇燃料电池(DMFC)时，一种或多种反应剂或氧化剂原料以液态形式存在。
制造双极板的材料会有所不同，但越来越多的情况下，采用聚合物粘结剂内的碳颗粒作为制造材料。适用于粘结剂的各种常用结构聚合物通常具有一定程度的疏水性。液体会在疏水表面上冷凝，这使得液滴与表面之间会出现相对较大的交会角。因此，当在双极板上使用聚合物时，水或其他液体会在液流通路内的双极板上以紧密小液滴的形态聚集，从而会导致上述液流通路受阻或受到限制。
我们知道，通常极性液体比如水所使用的聚合物的亲水性可通过将极性基团引入到聚合物表面上来得到提高。此处所使用的极性基团指的是对水或其他极性液体具有亲和性的那一半化学组成，这些极性基团因偶极子产生，或者因偶极化作用、酸碱相互作用、氢键结合、离子相互作用或静电相互作用而产生。这些极性基团一般含有相对负电性的元素，比如氧、氮、氯或硫，并以氢氧化物、醚、酯、羰基、羧基、胺、酰胺、卤化物、磺酰基或磺酸盐形态存在。
对开发带有润湿性得到改善的表面的聚合燃料电池元件，前面已经做了许多尝试，这种润湿性改善通过将极性基团引入到元件表面上来完成。在现有技术的工艺中，需通过将元件表面置于非常高的温度环境下使其氧化。而在高温工艺中可使用的材料必然会受到限制，因此只能使用那些在非常高温环境下可抵御分子结构断裂和保持结构完整性的材料。另外，操作过程中需要加热和冷却表面，这就增加了生产工艺的复杂性、生产时间和生产费用。因此，采用这种工艺大量生产双极板或其他电池元件难以实现。
在其他工艺中，使用浓硫酸对元件表面进行处理。采用这种工艺后会产生化学残留，对燃料电池的正确运行不利。因此需要采用复杂和昂贵的操作步骤来除去这种化学处理后带来的污染物，从而又增加了生产工艺的复杂性、生产时间和生产费用。
电池工业发展需要的是一种廉价、易于大规模生产、并且润湿性得到改善的聚合燃料电池元件。
发明概述本发明满足了电池工业对廉价、易于大规模生产、并且润湿性得到改善的聚合燃料电池元件的需求。在本发明的一个实施例中，采用聚合物材料制造燃料电池元件主体。至少部分元件主体的表面会与冷等离子接触，这样可以增加接触表面部分的亲水性。这样就使制得的燃料电池元件表面的亲水性得到改善，元件上液体也会以平面液滴状或平板状紧紧粘附在表面上。这些表面可有选择性的使用于该元件的临界区域上，比如双极板和膜电极组件的液流通路内壁表面，因此可防止液流通路在燃料电池工作时出现液封现象。
在本发明的另一个实施例内，元件表面在存在臭氧或氧气的条件下使用紫外线进行处理，从而可提高所生成表面的亲水性。在本发明其他实施例中，在元件表面上使用一薄层亲水聚合物，比如聚乙烯醇，从而生成亲水表面。该薄层聚合物可以通过电浆聚合法、薄膜射出加工法、压缩成型加工法或任何其他适当方法制备得到。
无论采用上述何种一种方法，目的都是对元件表面进行亲水处理，并使元件表面亲水性得到预期改善。也可以根据元件是否需要亲水属性来决定是否将聚合物处理步骤去除。
附图简要说明
图1是燃料电池堆栈系统剖面简图，该系统配备有根据本发明的双极板；图2是图1燃料电池堆栈系统的放大局部视图，描绘了系统内的一个液流通路；图3是经过冷等离子处理装置的简化示意轮廓图；图4是适合用于制造双极板和其他燃料电池元件的聚合物列表；图5是用于改进聚合物燃料电池元件传导性能的填充材料列表；图6是经过紫外照射处理装置的简化示意轮廓图；图7是燃料电池元件的一个剖面图，用于描绘内部带有亲水聚合物层的元件主体；以及图8是等离子体聚合处理装置的简化示意图。
发明内容
为本申请的目的，术语“燃料电池”指的是各种电化学燃料电池装置或系统，包括但不局限于质子交换膜燃料电池(PFMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)。术语“燃料电池堆栈装置”指的是一个至少含有一块燃料电池和含有燃料电池中一个或全部元件的装置，这些独立元件分别在燃料电池内起着不同的功能，这些独立元件包括但不局限于，外壳、绝缘板、集管、管道系统和电元件。
图1中描绘了本发明中作为实施例的某燃料电池堆栈系统10的剖面简图。燃料电池堆栈系统10一般包括膜电极组件12，该组件与双极板14分离。以端板16形式存在的单侧双极板12通过每个终端包围着该系统10。每个膜电极组件12一般由一个阳极膜结构18、一个阴极膜结构20和电解质22组成。
14和16板通常包括板实体23和25，由具电导性的耐腐蚀和耐热材料制成，比如充碳聚合物。板14的表面24以及板16的面向内部的表面26上装有液流通路28，用于将反应剂和氧化剂运送入膜电极组件12内，也用于排水。板14和16的传热部分30有足够大的表面积，可将电池内部热量除去。
根据本发明，可将板14或16外表面的所有部分或任何部分制成亲水表面31。如图2所示，亲水表面31可存在于液流通路28的面向内部的表面32上，用于防止通路28内出现溢流现象。反应过程中产生水滴将以平面液滴或平板的形态粘附在亲水表面31的液流通路内壁33上，因此可保证液流通路28畅通。
如图1所示，双极板14或端板16的其他部分，比如传热部分30和外表面34也可以采用亲水表面31的形式，这样可以增强聚集或冷凝在这些表面的水分的排水性能。虽然在图中没有描绘，多年时燃料电池堆栈设备内的其他元件，比如气体扩散层、质子交换膜(PEMs)或者设备元件内的平衡装置也应具有亲水表面31的形式，这样可以对电池内的液体进行很好的控制。
在本发明第一个实施例中，对燃料电池元件36，也可能是双极板14和16应进行“冷”等离子处理，它们装有元件主体37，该主体采用表面39。该冷等离子为一种离子化气体，由离子、电子、基团、原子和/或其他中性颗粒组成。此处使用的术语冷等离子，指的是在减压气体环境下通过辉光放电产生的等离子体，该减压环境真空度不超过10托。气态离子和分子可存在于环境温度下，而电子会达到好几万开氏度的电子温度。等离子体的电子温度(Te)根据下列关系式测定得到Te=(ek)(Eλe22)(mmme)1/2(π6)1/4]]>其中e是电荷量，k是Boltzmann常量，E是电场，λe是电子的平均自由行程，mm指的是等离子体内中性原子和分子的质量，me指的是等离子体内电子的质量。冷等离子虽然为高能等离子体，但是等离子体内电子只能使部分离子和中性原子具有热质量。因此，等离子体仍然相对较冷-一般在300开氏度(23摄氏度)左右。
电极之间的辉光放电可通过在电极之间施加500到几千伏特的低频(比如60Hz)电压来产生。辉光放电也可以通过对气体进行高频振荡产生。这些高频振荡可以通过火花放电器(10Hz～50Hz)、射频放电器(50Hz～150Hz)、或者微波发生器(150Hz～300Hz)生成。关于冷等离子处理及其表面效应的详细资料可在纽约Marcel Dekker有限公司Souheng Wu的题为“聚合物界面和粘附”一文第298～336页中进行了阐述，该文为本发明的参考文献。对聚合材料采取不同冷等离子处理工艺可增加材料的亲水性，这一点在美国专利3,526,583、3,870,610、4,072,769、4,188,426以及5,314,539中进行了介绍，这些均为本发明的参考文献。
图3为某实施例中冷等离子处理设备100的简化示意轮廓图。等离子处理设备100通常由密封舱102、真空源104、电磁能发生器106和处理气体供应设备108构成。电磁能发生器106可以采用前面介绍的射频发生器或微波发生器，也可以通过将感应线圈110缠绕在102舱部分表面进行耦合。真空源104可采用任何适合使用的、能使102舱内具有足够真空度的真空源，所要求的真空度一般为10托或更低，最好是低于1托。处理气体供应设备108一般由气体供应设备112组成，可通过管道114和流量控制器116与102舱相连。
在本发明中某个实施例中，燃料电池元件36一般放置于等离子体处理设备100的102舱内。使用真空源104对102舱进行抽真空，使其达到预计真空度(基础压力)。一旦达到基础压力，则气体供应设备112的工艺气体将进入102舱内。对流量控制器116进行调节，将102舱内的压力稳定在设定工艺压力值，该值一般小于10托。然后启动电磁能发生器，在102舱内生产冷等离子。恰当时间后，完成处理，将电磁能发生器关闭，熄灭等离子体。然后使舱恢复到大气压力，并将处理好的燃料电池元件36移出。
在本发明中适合使用的商用等离子体处理设备可采用肯塔基州Erlanger的Plasmatech有限公司生产的Plasmatec V55型产品。本发明范围内，任何可生产冷等离子并可保持与燃料电池元件接触的等离子体处理设备均可使用。
在本发明的某个特定实施例中，可将热固乙烯基酯(比如聚酯)材料与具有电导性的石墨或者其他导电碳比如碳黑结合，用于制备得到双极板14和16。用于生产双极板的电导石墨填充乙烯基酯材料可采用BulkMolding Compounds有限公司的“BMC-940”产品，该公司位于伊利诺斯州芝加哥西部的1600Powis Court(60185)。成型双极板14和16可采用任何合适的方法，包括与本申请同日内申请的专利申请号为_________同时待审的美国专利中给出的挤压法，名称为“压挤式双极板”，为本发明的发明人共同发明，并作为本发明的参考文献。一旦成型完毕，应立即通过等离子体处理设备100按照前述方法使用纯氧作为工艺气体对双极板14和16进行处理。对102舱内进行抽真空处理，使其基础压强达到0.1托左右。将氧气以300ml/min的速度注入到102舱内，并且工艺压力稳定在1托左右。在102舱内，可以采用足够大的电磁能通过辉光放电形成冷等离子。在处理适当长时间后，关闭电磁能，并使舱内恢复大气压力，这些处理时间一般为30秒～1小时，但在某些实施例内，处理时间也可为15～30分钟。
通常双极板14和16表面的润湿程度随着与冷等离子接触时间的增长而增加。在处理大约1分钟后，固着水滴与表面之间的交会角可达25～40度。在经过1个小时处理后，表面显示与水滴接触的该交会角接近0度。
也可以变化工艺气体压力值或流量值，这样可以获得不同的处理结果。而且，氧气是最适合使用的处理气体，但也可以使用其他合适气体和蒸气。选用的处理气体不同，所获得的表面修饰也相应不同。其他合适的气体和蒸气包括空气；氮气；氩气；烷基胺；烷基硅烷；氨气；二氧化碳；氯气；二氧化氯；氯三氟甲烷之类的氯氟烃类物质；包括氯仿、氯甲烷和氯乙烷在内的氯代烃；亚硝酸氧化物；臭氧；水蒸汽；烷氧基硅烷；烯丙醇；四氯化碳；乙二醇；一乙基醚；环氧乙烷；一氧化碳；硝基烷；氮气；二氧化氮；硫氧化物。
尽管在上述实例中使用了热固乙烯基酯材料，但预计可使用本发明内工艺处理聚合物双极板14和16，以及那些含有在表面上可形成极性基团的组成的燃料电池元件。图4给出了适用于成形双极板和其他燃料电池元件的其他聚合物材料列表。这些材料的电导性可通过加入填充材料来进行改变，图5内的表格列出了这些填充材料。
应该意识到，冷等离子处理能够有选择性的使用于元件36的部分外表面，而使用冷等离子处理的这些外表面需要具有亲水性。在某个实施例中，对于不需等离子体处理的元件36的表面，使用活动屏障进行覆盖。在处理之后，屏障可去除以暴露出未处理部分。在其他实施例中，对元件36的整个表面进行等离子体处理，而在那些不需处理部分应将处理完的表面去除。一般来说，经处理后的表面为一薄层材料，厚度为10nm到100nm。因此，在本发明中，在去除处理后的表面时，应将这么厚的聚合物层去除，而不会损坏下垫底层，去除可通过精磨精铣器具，比如CNC铣床来完成。
在本发明其他实施例内，可使用常压冷等离子处理设备对元件36所选择部分进行等离子体处理。在美国专利6,502,558中介绍了适合在本发明中使用的一台常压冷等离子处理设备，该专利为本发明参考文献。美国专利5,693,241中介绍了另一台适用于对元件36选择部分进行常压等离子体处理的设备，该专利也为本发明参考文献。
上述处理工艺均为冷法工艺，因此它们可比以前使用的工艺具有更多重要优点。无需加热和冷却处理，这使生产工艺周期更短、效率更高。另外，因为处理温度较低，这些工艺不会导致元件出现严重变形现象。
而且，由于在处理工艺中不需使用化学试剂，这大大降低了清洗双极燃料电池的后处理需要，从而可以进一步提高效率和降低成本。而且，在上述冷等离子处理工艺使用了导电性填料，可增强聚合物燃料电池元件34的导电性，这些填料对双极板等一些燃料电池元件有利。
通过使用紫外线对表面进行处理可改善聚合物燃料电池元件表面的亲水性能。在某些实施例中，将元件与氧气接触，并使用高能紫外辐射进行处理，紫外波长为184.7nm左右。紫外照射与氧气相互作用，生成臭氧和氧自由基，它们会氧化聚合物元件的表面。在另外一些实施例中，将元件与臭氧接触，并使用波长为254nm的紫外辐射进行处理。紫外辐射可将臭氧裂解成分子氧和原子氧，从而生成强氧化环境，对聚合物元件表面进行氧化。而且，在这些实施例中，通过对元件聚合物表面进行直接紫外辐射可使聚合物内化学键发生断裂，因此当表面与强氧化环境接触时，可生成强极性羟基、羰基或羧基，从而改善表面的亲水性。当使用波长为140nm左右～400nm左右的高能紫外辐射时，效果非常显著，而当波长为184nm～365nm时，效果更佳。
图6中为在本发明中使用的一台紫外处理设备200的简化示意轮廓图。紫外处理设备200通常包括密封舱202、紫外光源204、真空源206以及工艺气体供应系统208。202舱最好采用耐紫外辐射材料制造。
紫外光源204可以是氙气灯、汞蒸气灯或者其他能发射预期使用波长紫外线的灯。紫外光源204最好采用能产生254nm和184.7nm波长高能紫外线的灯。也可采用适合用作紫外光源204的特殊灯具，具体包括RC-500、RC-600、RC-742、RC-747、RC-1002型氙气灯设备，这些设备装有C、D或E型灯，可从位于20Commerce Way，Wobum，Massachusetts，01801的Xenon公司购买获得。紫外光源204和元件36最好安装在202舱内，这样可使在紫外光源204开启后，元件表面上获得150mJ/cm2～300mJ/cm2的紫外照射。需要注意的是，可在202舱周围安装多个紫外光源204，这样可对元件36的多块表面部分进行同时紫外辐射。
真空源206可以是任何能使密封舱202内产生足够真空度的真空源，舱内真空度一般为10托或更少，最好为1托以下。处理气体供应系统208一般由通过管路212和流量计214与202舱连接的气体供应设备210构成。通过处理气体供应系统208供应的处理气体可以是臭氧、分子氧或原子氧，或者其他适合使用的氧化剂，比如二氧化硫、一氧化二氮或二氧化氮。
在本发明的某个特殊实施例中，将燃料电池元件36安放于密封舱202内。启动真空源206，当202舱内达到预定基础压力时关闭，一般为0.0001～20托，最好是0.5～1托。然后，将臭氧通过处理气体供应设备208注入到202舱内，并使202舱内气体压力稳定在某一工艺压力处，该处理压力可以为基础压力或接近基础压力。然后打开紫外光源204，对臭氧和元件36进行辐射。预计经过30秒～1小时的处理后，可有效改善元件36表面的润湿性。也可使用分子氧或原子氧代替臭氧作为处理气体，而通过波长为184.7nm的紫外辐射，可原位生成臭氧。
在Bhurke等人撰写的题为“用于改善粘结性的聚合物和复合材料紫外光表面处理”一文中，介绍了适合在本发明中使用的紫外处理工艺的更多详细资料，该论文为2003年2月23-26日举行的粘结协会第26届年会论文集收录，并由粘结协会于2003年出版，其ISSN编号为1086-9506，该论文作为本发明的参考文献。关于紫外/臭氧处理工艺的更多资料，可参阅John R.Vig于1985年5/6月在J.Vac.Sci.Technol.上第1027-1034发表的题为“表面紫外/臭氧清洗”一文，该文也作为本发明的参考文献。
如图7所示，燃料电池元件36的表面润湿性能可通过在表面上使用一薄层38亲水性聚合物来得到提高，这些聚合物包括聚乙烯醇(PVOH)。适合使用于薄层38的其他亲水聚合物有聚氧化烷撑类物质比如聚乙二醇和聚丙二醇；纤维素和功能性纤维素化合物比如羟乙基纤维素；聚丙烯腈；聚丙烯酰胺；聚乙烯酰胺；聚乙烯糖；聚氨基丙烯酸酯；聚羟烷基丙烯酸酯类物质比如羟乙基丙烯酸酯；聚丙烯酸；聚丙烯酸盐；以及功能性苯乙烯离聚物，比如聚苯乙烯磺酸钠。对于一种聚合物是否可适用于制造薄层38，可通过将其浸没在水中，观察其本体聚合物平面样品的润湿性能进行评估。一般来说，浸没后出现片状剥落并且不会成细粒，即说明该聚合物适用于制造薄层38。也可通过观察本体聚合物样品的水平面上液滴与其之间的交会角来进行评估。若前交会角不超过45度，则一般可认为其适合用于制造薄层38。
在一个实施例中，将粉状PVOH与水和合适的交联剂混合，并使用于元件36的表面。例如，PVOH溶液可使用0.5％CevolTM325聚乙烯醇和20％乙二醛脱水交联剂(将125微升交联剂溶解于10毫升CevolTM325内)。CevolTM325可从肯塔基州Calvert城的Celanese化学公司购买获得。通过任何一种合适的方法将PVOH溶液薄层使用于元件36的表面，并干燥，这样就在元件36上形成薄层38。通常制备得到的薄层38的厚度最好为100纳米～1毫米左右，若厚度为1微米～100微米更好。在使用薄层38之前，采用前面介绍的冷等离子对元件36的表面进行处理，可以增强薄层38与元件36之间的粘附力。
注意，薄层38可有选择性的使用于元件36上那些需要获得亲水性的那部分表面(比如双极板液流通路的内表面)。对于元件36上不需要使用薄层38的表面区域，可通过使用活动屏障(未描绘)来有选择性的使用薄层38。在薄层38成型于屏障以及元件36未遮盖区域后，将屏障移去。在其他实施例中，通过使用自动撒播器将薄层38使用于元件36上需要薄层部分。适合在本发明中使用的这种自动撒播器可以是DK118型嗉子撒播器，该撒播器可从新泽西Fairlawn 2-07Banta Place的I&JFisnar购买获得。如有需要，可使用机器人对自动撒播器进行自动定位。适合用于定位自动撒播器的机器人定位设备为I&J7400型机器人，该机器人也可从I&J Fisnar购买获得。
在本发明的另一个实施例中，亲水聚合物可以薄板的形态存在(比如≤1mm)，并使用薄膜射出加工法将其粘附在元件36的表面，该法公开于PCT专利申请号PCT/US02/37966题为“流体控制设备的性能聚合物薄膜射出加工法”以及PCT专利申请号PCT/US02/38076题为“带有除静电膜的半导体元件控制装置”中，这两项专利为本发明的发明人所发明，均为本发明的参考文献。通过使用这些方法，可将薄层38有选择性的使用于元件36上需要获得亲水性的表面部分(比如双极板液流通路的内表面)，这样就不再需要将元件36上不需获得亲水性的薄层38去除。
在其他实施例中，可采用已知压缩成型加工法通过压缩成型亲水聚合物以交联薄板的形态将薄层38使用于元件36的表面上。在其他实施例中，可将亲水聚合物熔融于元件36的表面上获得薄层38。
也可采用已知等离子体聚合技术使用薄层38。一般来说，在等离子体聚合时，可将有机物(比如一种单体)加入到反应器内的等离子体中，来使底层上沉积一层聚合物。通过非弹性碰撞，单体从等离子体中获得能量，并得到活化，因此可与其他单体或低聚物发生反应。这些小分子不断反应成一种聚合物，沉积在底层和反应器表面上。在美国专利3,518,108、3,666,533、4,013,532、4,188,273和5,447,799中对适用于本发明中元件36表面上薄层38沉积的等离子体聚合工艺进行了描述，这些专利作为本发明的参考文献。
图8为某个实施例中等离子体聚合设备300的简化示意轮廓图。等离子体聚合设备300通常由密封舱302、真空源304、电磁能发生器306和处理气体供应设备308以及起动气体供应设备310构成。电磁能发生器306可以采用前面介绍的使用于等离子体处理设备100的射频发生器或微波发生器，也可以通过将感应线圈312缠绕在302舱部分表面进行耦合。真空源304可采用任何适合使用的、能使302舱内具有足够真空度的真空源，所要求的真空度一般为10托或更低，最好是低于1托。工艺气体供应设备308一般由通过管道316和流量控制器318与302舱相连的气体供应设备314构成。起动气体供应设备310一般由通过管道322和流量控制器324与302舱相连的气体供应设备320构成。在美国专利6,156,435中公开了适合在本发明中使用的其他设备，该专利为本发明的参考资料。
根据本发明中某个实施例中，燃料电池元件36一般放置于等离子体处理设备300的302舱内。使用真空源304对302舱进行抽真空，使其达到预计真空度(基础压力)。一旦达到基础压力，则气体供应设备314的工艺气体将进入302舱内。对流量控制器318进行调节，将302舱内的压力稳定在设定工艺压力值，该值一般小于10托。然后启动电磁能发生器306，在302舱内生产冷等离子。然后将来自于起动气体供应设备310的起动气体导入到302舱内，开始薄层38沉积。一旦薄层38达到合适厚度，将电磁能发生器关闭，熄灭等离子体，并关闭起动气体供应设备310，停止供应起动气体。然后使302舱恢复到大气压力，并将带有沉积好的薄层38的燃料电池元件36移出。
通过起动气体供应设备供应的起动气体可以是任何能生成亲水聚合物的有机或无机单体，或气态或蒸气态化合物。适合用作起动气体供应设备310中的起动气体的实例包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。而且，可使用硅烷或氯硅烷作为起动气体在元件36上生成亲水二氧化硅薄层38。适合在本发明中使用的硅烷实例有氨基硅烷(比如氨丙基三甲氧基硅烷，N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷或双(3-三甲氧硅烷基)乙二胺；聚亚烷基氧化硅烷(比如2-[甲氧基(聚乙烯氧基)丙基]三甲氧基硅烷；氨基甲酸乙酯硅烷(比如N-(三乙氧硅烷丙基-o-聚乙烯氧化硅烷)；和羟基硅烷(比如羟乙基三甲氧硅烷)。
对于元件34，比如双极板14和16，可使薄层38具有相对电导性。在等离子体聚合过程中，可以通过将电导微粒比如碳加入到302舱内来制备得到具有电导性的薄层38。在美国专利4,422,915内，公开了通过等离子体聚合在燃料电池元件上生成导电聚合物膜的一种设备和方法，该专利为本发明的参考文献。
同时在其他实施例中，也需有选择性的将等离子体聚合薄层38使用于元件36上那些需要获得亲水性的部分。如上所述，对于元件36上不需要使用薄层38的表面区域，可通过使用活动屏障(未描绘)来有选择性的使用薄层38。在薄层38成型于屏障以及元件36未遮盖区域后，将屏障移去，露出不合薄层38区域。也可通过常规机械加工方法比如磨削或铣削将不需增强亲水性的部分的薄层38去除。
本发明也可以使用于其他特定实例中，而不会改变本发明中给出的重要性质，因此所介绍的实施例从各个方面看均具有例证性，并不受限制。预计可以对本申请书中公开的性质，以及作为本发明参考文献中给出的性质进行组合或修改，以适合特定使用环境。所作的各种修改和变化需要按照常识来进行。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种燃料电池聚合物双极板，双极板包括具有部分亲水聚合物层的板主体，板主体至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物；板主体还含有从下列一组材料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管；它由下列步骤组成的方法制造板主体由聚合物材料制备，板主体有一个外表面；将板主体装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。
2.(删除)
3.根据权利要求1所述的双极板，其中，板主体采用热固乙烯基酯制造。
4.(删除)5.根据权利要求1所述的双极板，其中，起动气体可从下列一组物质中选择，这组物质包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。
6.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将导电微粒材料加入倒密封舱内，以及将带有聚合物层的导电微粒材料沉积在板主体上。
7.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将硅烷或氯硅烷加入到密封舱内，以及通过等离子体聚合工艺将二氧化硅层沉积在板主体上。
8.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将至少一部分聚合物层去除。
9.一种制造带有亲水表面部分的聚合物燃料电池元件的方法，包括下列步骤
使用聚合物材料使元件成形，该元件有一个外表面；将元件装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一本身亲水聚合物的沉积层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，该元件为一双极板。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，该元件至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，元件采用热固乙烯基酯制造。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，元件含有从下列一组材料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，起动气体可从下列一组物质中选择，这组物质包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤，即将导电微粒材料加入倒密封舱内，以及将带有聚合物层的导电微粒材料沉积在元件上。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤，即将硅烷或氯硅烷加入到密封舱内，以及通过等离子体聚合工艺将二氧化硅层沉积在元件上。
17.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法包括下列步骤，即将至少一部分聚合物层去除。
18.(删除)19.(删除)
20.一种燃料电池元件包括采用聚合物材料制造得到的元件主体并带有外表面；聚合物材料板选自由下列一组物质中的一种，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物；元件主体还含有从下列一组材料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管以及至少在部分元件主体外表面上存在一亲水聚合物材料构成的薄层。
21.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其特征在于，元件中使用的亲水聚合物可从下列一组物质中选择，这组物质包括聚烷撑乙二醇、纤维素、功能性纤维素化合物、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯酰胺、聚乙烯糖、聚氨基丙烯酸酯、聚羟烷基丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、以及功能性苯乙烯离聚物。
22.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，元件中亲水聚合物为聚乙烯醇。
23.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成一层交联薄板状，然后将该薄板加压成型至元件表面上。
24.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成一层薄膜，然后将薄膜射出成型至元件表面上。
25.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成的液相溶液混匀，然后将溶液涂敷在元件表面上形成一薄涂层。
26.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将元件装入一密封舱内，将密封舱内气体排空使其内部达到低于大气压力的基础压力，将空气气体注入密封舱内，然后将起动气体注入舱内，并施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子。
权利要求
1.一种燃料电池聚合物双极板，它由下列步骤组成的方法制造板主体由聚合物材料制备，板主体有一个外表面；将板主体装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。
2.根据权利要求1所述的双极板，其中，板主体至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物。
3.根据权利要求2所述的双极板，其中，板主体采用热固乙烯基酯制造。
4.根据权利要求2所述的双极板，其中，板主体含有从下列一组材料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的双极板，其中，起动气体可从下列一组物质中选择，这组物质包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。
6.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将导电微粒材料加入倒密封舱内，以及将带有聚合物层的导电微粒材料沉积在板主体上。
7.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将硅烷或氯硅烷加入到密封舱内，以及通过等离子体聚合工艺将二氧化硅层沉积在板主体上。
8.根据权利要求1所述的双极板，其中，生产工艺包括下列步骤，即将至少一部分聚合物层去除。
9.一种带有亲水表面部分的聚合物燃料电池元件，其中，该元件由包括下列步骤的方法制造使用聚合物材料使元件成形，该元件有一个外表面；将元件装在一个密封舱内；将起动气体注入到密封舱内；施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子；并且通过冷等离子聚合使起动气体在板主体上沉积一聚合物层。
10.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，该元件为一双极板。
11.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，元件至少由下列一组物质中的一种聚合物材料制造得到，这组物质包括醇酸树脂、酞酸二烯丙酯、环氧化物、酚醛塑料、蜜胺、聚酯、尿素、丙烯酸酯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚苯乙烯共聚物、聚氯乙稀、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚酯、尼龙、液晶聚合物和混合物、聚芳基酮、天然橡胶、聚异戊二烯、聚丁二烯、氯丁二烯、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅酮、乙丙橡胶、聚烯烃、聚酯、聚氨酯、己内酰胺嵌段共聚物、以及苯乙烯-烯烃嵌段共聚物。
12.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，元件采用热固乙烯基酯制造。
13.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，元件含有从下列一组材料中选择得到的一种填料，这组材料包括玻璃纤维、玻璃珠、不锈钢纤维、金属微粒、矿物质、碳粉、碳纤维、石墨、碳纤维和碳纳米管。
14.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，起动气体可从下列一组物质中选择，这组物质包括环氧乙烷、硝基乙烷、1-硝基丙烷(C3H7NO2)、2-硝基丙烷((CH3)2CHNO2)、乙烯、甲烷和三甲胺。
15.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，该方法还包括下列步骤，即将导电微粒材料加入倒密封舱内，以及将带有聚合物层的导电微粒材料沉积在元件上。
16.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，该方法还包括下列步骤，即将硅烷或氯硅烷加入到密封舱内，以及通过等离子体聚合工艺将二氧化硅层沉积在元件上。
17.根据权利要求9所述的燃料电池元件，其中，该方法还包括下列步骤，即将至少一部分聚合物层去除。
18.在燃料电池内抑制阴极淹水现象的方法由下列步骤组成提供一个包含多块双极板和多个膜电极组件的燃料电池，用于控制多个液流通路，每个液流通路受一个液流通路内壁限制；在每个液流通路部分内壁上生成一亲水聚合物层，使得在燃料电池工作期间凝结在液流通路内的水分能够粘附在液流通路内壁上，并不会堵塞液流通路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，生成亲水聚合物层的工艺为，采用等离子体聚合工艺在部分液流通路内壁表面上沉积一层亲水聚合物。
20.一种燃料电池元件包括采用聚合物材料制造得到的元件主体并带有外表面；以及至少在部分元件主体外表面上存在一亲水聚合物材料构成的薄层。
21.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其特征在于，元件中使用的亲水聚合物可从下列一组物质中选择，这组物质包括聚烷撑乙二醇、纤维素、功能性纤维素化合物、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚乙烯酰胺、聚乙烯糖、聚氨基丙烯酸酯、聚羟烷基丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、以及功能性苯乙烯离聚物。
22.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，元件中亲水聚合物为聚乙烯醇。
23.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成一层交联薄板状，然后将该薄板加压成型至元件表面上。
24.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成一层薄膜，然后将薄膜射出成型至元件表面上。
25.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将亲水聚合物材料制成的液相溶液混匀，然后将溶液涂敷在元件表面上形成一薄涂层。
26.根据权利要求20所述的燃料电池元件，其中，采用下列步骤的方法应用亲水聚合物材料将元件装入一密封舱内，将密封舱内气体排空使其内部达到低于大气压力的基础压力，将空气气体注入密封舱内，然后将起动气体注入舱内，并施加足够大的电磁能，使起动气体生成一种冷等离子。
全文摘要
一种燃料电池元件(36)，其表面能增强亲水性，可使该元件(36)上液体以平面液滴状或平板状紧紧粘附在表面上。可将一薄层亲水聚合物(38)使用于元件(36)表面，从而获得亲水表面。这种亲水表面可有选择性的使用于元件(36)的临界区域上，比如双极板和膜电极组件的液流通路内壁表面，因此可防止液流通路在燃料电池工作时出现液封现象。
文档编号H01M8/02GK1894813SQ200480012304
公开日2007年1月10日 申请日期2004年5月3日 优先权日2003年5月5日
发明者查尔斯·W·埃克斯垂德, 桑基·M·布特, 罗楔·蒙森 申请人:诚实公司