专利名称：具有中孔层的未处理扩散介质以及包括该介质的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及扩散介质的设计和制造，更具体地，涉及用于电化学电池的扩散介质，其中水的控制是重要的设计问题。
根据本发明，提供了针对与电化学电池和其他采用该扩散介质的装置中的水的控制相关的问题的扩散介质及其制造工艺。根据本发明的一个实施方式，提供了制造扩散介质的工艺。提供包括限定了第一和第二主面的多孔纤维基质的扩散介质基底。基底包括一定量的碳材料，其足以使基底导电。沿基底的第一和第二主面其中之一的至少一部分涂覆中孔层。通过提供含有疏水组分、亲水组分和造孔剂的涂层将中孔层涂覆到基底上。在负载有该中孔层的基底区域之外，所述基底不含氟化聚合物。分解造孔剂，从而中孔层比扩散介质基底更疏松。
根据本发明的另一实施方式，提供了制造扩散介质的工艺。根据该工艺，通过提供含有疏水组分、亲水组分、造孔剂和溶剂的涂层将中孔层涂覆到基底上。疏水组分包括氟化聚合物。亲水组分包括选自碳纤维、碳颗粒及其结合的含碳物质。含碳物质的特点为大约60cm2/g的表面积。造孔剂包括碳酸铵。在负载有中孔层的基底区域之外，基底不含氟化聚合物。将足量的中孔层涂覆到基底上，从而与不含中孔层的扩散介质相比，大幅增加扩散介质的孔隙率。扩散介质的孔隙率大幅增加在约5％和约15％之间。溶剂选自H2O、异丙醇及其结合。提供涂层，从而使其至少部分渗入扩散介质基底。造孔剂在热处理过程中分解，从而中孔层比扩散介质基底更疏松。
再根据本发明的另一实施方式，提供包括扩散介质的装置，其中扩散介质包括扩散介质基底和中孔层。扩散介质基底包括多孔纤维基质，其限定了第一和第二主面，和足以使基底导电的一定量的碳材料。扩散介质基底沿基底第一和第二主面其中之一的至少一部分负载中孔层。中孔层包括疏水和亲水组分，其在中孔层内限定了疏水和亲水区域。中孔层含有一定量的碳材料，其足以使中孔层导电。中孔层的特点为比扩散介质基底更大的孔隙率。在负载有中孔层的基底区域之外，扩散介质基底不含氟化聚合物。
相应地，本发明的目的之一是要提供针对扩散介质中水控制问题的方法和采用这种扩散介质的装置。根据本发明在此的实施方式的描述，本发明的其它目的将是显然的。
以下本发明具体实施方式
的详细描述当与以下附图一起阅读时可达到最佳理解，附图中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中
图1是根据本发明引入了多孔扩散介质的燃料电池的示意性描述；图2是根据本发明一个实施方式的多孔扩散介质的示意性描述；并且图3是根据本发明引入了燃料电池的车辆。
开始参考图1，描述了根据本发明引入了多孔扩散介质20的燃料电池10。具体地，燃料电池10包括安插在燃料电池10的阳极流场40和阴极流场50之间的膜电极组件30。预期在不偏离本发明的范围下，流场40、50和膜电极组件30可具有多种传统的或正在开发的形式。尽管膜电极组件30的具体形式超过了本发明的范围，但在所述实施方式中，膜电极组件30分别包括催化电极层32和离子交换膜34。
现在参考图2，示意性地描述了根据本发明一个实施方式的扩散介质20。扩散介质20包括扩散介质基底22和中孔层24。扩散介质基底22包括多孔纤维基质，其限定了第一和第二主面21、23，以及一定量的碳材料，其足以使基底22导电。在描述的实施方式中，扩散介质基底22沿基底22的第一主面21负载中孔层24。
在本发明的许多实施方式中，如果将中孔层24放置在与燃料电池10的膜电极组件30相对，即与面对电池流场的放置相反，则中孔层24针对水控制问题更有效。然而，预期扩散介质基底22可沿基底22主面21、23的其中任一负载中孔层24，而不考虑是哪个面的放置与膜电极组件30相对。进一步，中孔层24可覆盖其沿着负载的面的全部或一部分。
典型地，中孔层24比扩散介质基底22更疏松。出于限定和描述本发明的目的，注意到中孔结构的特点为孔径可从几纳米到几百纳米变化。中孔层24包含疏水组分26和亲水组分28，其在层24中限定了疏水和亲水区域。疏水组分26可包括含氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、氟化聚合物的结合，或任何其他合适的疏水材料或材料的结合。亲水组分28可为含碳物质如碳纤维、碳颗粒及其结合，但也可为任何其它合适的亲水材料。为了描述而非限制，注意到含碳物质如乙炔黑，其特点为表面积为约60cm2/g，是中孔层合适的亲水材料。中孔层24也包括一定量足以使其导电的碳材料。尽管出现在层24中的亲水或疏水组分28可被选来负担这个任务，预期可引入附加组分到该层中来使其导电。
如图2的描述，中孔层24至少部分渗入扩散介质基底22。通过显示图2中的虚像中的第一表面21，示意性地表明了渗入的程度，其根据中孔层24和扩散介质基底22的性质可有很大的变化。
从其不含氟化聚合物的角度看，扩散介质基底22是未处理的。当然，在中孔层含有氟化聚合物的实施方式里，注意到扩散介质基底22在任何负载有中孔层24的基底22区域之外，扩散介质基底22不含氟化聚合物。
现在参考图3，根据本发明包括扩散介质的燃料电池系统可设置用于作为车辆100的动力源工作。具体地，从燃料储存单元120出来的燃料可被导入燃料电池组件110，其设置为将燃料如H2转化为电能。产生的电能然后被用于车辆100的发动机动力供应，其中电能被转化为转矩和车辆的平移运动。
现在可参考用于制造本发明扩散介质的工艺，通过提供含有疏水组分、亲水组分、造孔剂和合适溶剂的涂层，将中孔层涂覆到基底上。然后分解造孔剂，从而中孔层比扩散介质基底更疏松。溶剂可以是任何合适的溶剂，包括但不限于去离子水、异丙醇及其结合。
通常，所述涂层是混合物，包含约15wt％至约40wt％的疏水组分，约85wt％至约60wt％的亲水组分，以及约0wt％至约15wt％的造孔剂。更具体地，该涂层是混合物，含有略微少于约20％的疏水组分、略微少于约80wt％的亲水组分以及约5wt％的造孔剂。
当亲水组分包括含碳物质，该物质可选自多种材料，包括但不限于碳纤维、碳颗粒及其结合。该含碳物质的特点为表面积在约50cm2/g和约250cm2/g之间。更具体地，为了说明而非限制，合适的亲水组分如乙炔黑的特点是表面积为约60cm2/g。
至于造孔剂，当其涂覆到基底上，并被固化、干燥、硬化或用别的方式稳定化，其应包含倾向于大幅增加中层孔径的材料。例如，并为了说明而非限制，造孔剂可包括碳酸铵或其它任何在加热时在与疏水和亲水组分的混合物中分解的材料。分解可不含有颗粒，可含有气体或液体组分。更具体地，造孔剂可包含选用的材料，从而使得中孔层在造孔剂分解后可基本不含造孔剂的成分。分解成气体产物和水的造孔剂对于本发明的许多应用都是合适的。例如，碳酸铵热分解的产物包括氨气、二氧化碳、氮气和水蒸气。
加热已涂层的基底可有利于造孔剂的分解。合适的热处理温度可根据中孔层的组成变化。例如，当利用碳酸铵作为造孔剂，已涂层的介质应加热到至少约100℃，以在碳酸铵分解时有利于水的蒸发。通常，热处理过程的特点是温度在约75℃和约100℃之间，或至少高于约65℃。
关于具有中孔层的扩散介质与没有中孔层的扩散介质相比，孔隙率的增加尽管预计其增加的范围很宽，在扩散介质中孔隙率的增加在约5％和约15％之间，或更具体地，对于本发明许多实施方式典型地为约7.5％。为了描述而非限制，根据本发明的一个实施方式，包括250μm厚的碳纤维纸基底，10μm厚的乙炔黑中孔层，和PTFE的扩散介质的孔隙率从约78％(没有中孔层)增加到约84％(包括中孔层)。
关于图2中描述的扩散介质基底22和中孔层24分别的厚度a、b，注意到合适的值随采用扩散介质的具体应用而变化。例如，预计具有厚度b在约100μm至约300μm之间的碳纤维纸产物，将与厚度a在约10μm至25μm之间的中孔层适合用在本发明中。
注意术语，如“优选地”、“通常地”和“典型地”，在这里并不用于限制本发明的范围，或暗示某些特点对发明的结构或功能是关键的、必要的或者甚至是重要的。更合适的，这些术语只是意在强调在本发明的特定实施方式中可以利用或不利用的可作为选择的或额外的特征。
出于描述和限定本发明的目的，注意术语“装置”在这里用于表述组件的结合和单个的组件，而不考虑该组件是否与其他组件相结合。例如，根据本发明的“装置”可包括扩散介质、根据本发明引入了扩散介质的燃料电池、根据本发明引入了燃料电池的车辆等。
出于描述和限定本发明的目的，注意术语“基本上”用于表述固有的不确定度，其可归于任何数量比较、值、量度或其它表述。术语“基本上”在此还用于表述程度，从而数量的表述可从所述的参考变化，而不会导致待解决主题基本功能的变化。
由于已经详细地描述了本发明，并通过参考具体实施方式
，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范围下，显然修改和变化都是可能的。更具体地，尽管本发明的一些方面在此看成优选的或特别有利的，预期本发明并不一定限定在这些发明的优选方面。
权利要求
1.用于制造扩散介质的工艺，所述工艺包括提供含有限定第一和第二主面的多孔纤维基质的扩散介质基底，其中所述基底包括一定量碳材料，其足以使所述基底导电；沿所述基底的所述第一和第二主面其中之一的至少一部分涂覆中孔层，其中通过提供含有疏水组分、亲水组分和造孔剂的涂层，将所述中孔层涂覆到所述基底上，并且在负载有所述中孔层的所述基底区域外，所述基底不含氟化聚合物，并且分解所述造孔剂，从而所述中孔层的特点为其孔隙率比所述扩散介质基底的孔隙率更大。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述疏水组分包括氟化聚合物。
3.如权利要求2所述的工艺，其中所述疏水组分包括PTFE。
4.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是混合物，包含约15wt％至约40wt％的所述疏水组分。
5.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是含有约20wt％所述疏水组分的混合物。
6.如权利要求1所述的工艺，其中所述亲水组分包括含碳物质。
7.如权利要求6所述的工艺，其中所述含碳物质选自碳纤维、碳颗粒及其结合。
8.如权利要求6所述的工艺，其中所述含碳物质的特点为表面积为约50cm2/g至250cm2/g之间。
9.如权利要求6所述的工艺，其中所述含碳物质的特点为表面积为约60cm2/g。
10.如权利要求6所述的工艺，其中所述含碳物质包括乙炔黑。
11.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是混合物，含有约60wt％至约85wt％的所述亲水组分。
12.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是混合物，含有约80wt％的所述亲水组分。
13.如权利要求1所述的工艺，其中所述造孔剂包括选用的材料，从而在所述造孔剂分解后，所述中孔层基本上不含所述造孔剂的成分。
14.如权利要求1所述的工艺，其中所述造孔剂包括选用的材料，从而在高于室温加热时，其在与所述疏水和亲水组分的混合物中分解。
15.如权利要求14所述的工艺，其中所述造孔剂包括选用的材料，从而所述分解没有颗粒。
16.如权利要求14所述的工艺，其中所述造孔剂包括选用的材料，从而所述分解包括气体和液体成分。
17.如权利要求14所述的工艺，其中所述造孔剂包括选用的材料，从而所述分解包括至少一种气体成分和H2O。
18.如权利要求1所述的工艺，其中所述造孔剂包括碳酸铵。
19.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是混合物，包括约0wt％至约15wt％之间的所述造孔剂。
20.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层是混合物，包括约5wt％的所述造孔剂。
21.如权利要求1所述的工艺，其中相对于没有所述中孔层的所述扩散介质，将所述足量的中孔层涂覆到所述基底上，以大幅增加所述扩散介质的孔隙率。
22.如权利要求21所述的工艺，其中所述扩散介质的所述孔隙率的大幅增加在约5％至约15％之间。
23.如权利要求21所述的工艺，其中所述扩散介质的所述孔隙率的大幅增加为约7.5％。
24.如权利要求21所述的工艺，其中包括所述基底和所述中孔层的所述扩散介质的所述孔隙率为约84％。
25.如权利要求1所述的工艺，其中所述涂层进一步包括溶剂，选自H2O、异丙醇及其结合。
26.如权利要求1所述的工艺，其中所述提供的涂层至少部分渗入所述扩散介质基底。
27.如权利要求1所述的工艺，其中将足量的所述中孔层涂覆到所述基底上，以大幅增加所述扩散介质的总的孔隙率，从不含所述中孔层的约78％增加到含有所述中孔层的约84％。
28.如权利要求1所述的工艺，其中所述将足量的中孔层涂覆到所述基底上，以使中孔层厚度为约10μm至约25μm之间。
29.如权利要求28所述的工艺，其中所述提供的扩散介质基底具有约100μm至约300μm之间的厚度。
30.如权利要求1所述的工艺，其中所述造孔剂通过热处理过程分解。
31.如权利要求30所述的工艺，其中所述热处理过程的特点是温度在约75℃至约100℃之间。
32.如权利要求30所述的工艺，其中所述热处理过程的特点是温度高于约65℃。
33.用于制造扩散介质的工艺，所述工艺包括提供含有限定第一和第二主面的多孔纤维基质的扩散介质基底，其中所述基底包括一定量碳材料，其足以使所述基底导电；沿所述基底的所述第一和第二主面其中之一的至少一部分涂覆中孔层，其中通过提供含有疏水组分、亲水组分、造孔剂和溶剂的涂层，将所述中孔层涂覆到所述基底上，所述疏水组分包括氟化聚合物，所述亲水组分包括含碳物质，选自碳纤维、碳颗粒及其结合，所述含碳物质的特点是表面积为约60cm2/g，所述造孔剂包括碳酸铵，在负载有所述中孔层的所述基底区域外，所述基底不含氟化聚合物，相对于没有所述中孔层的所述扩散介质，将足量的所述中孔层涂覆到所述基底上以大幅增加所述扩散介质的孔隙率，所述扩散介质所述孔隙率的大幅增加在5％至15％之间，所述溶剂选自H2O、异丙醇及其结合，并且提供所述涂层，从而其至少部分渗入所述扩散介质基底；并且在热处理过程中分解所述造孔剂，从而所述中孔层的特点为其孔隙率比所述扩散介质基底的孔隙率更大。
34.包括扩散介质的装置，其中所述扩散介质包括扩散介质基底和中孔层；所述扩散介质基底包括多孔纤维基质，其限定第一和第二主面，和一定量的碳材料，其足以使基底导电；所述扩散介质基底沿所述基底的第一和第二主面其中之一的至少一部分负载所述中孔层；所述中孔层包括疏水和亲水组分，其在所述中孔层中限定疏水和亲水区域；所述中孔层包括一定量碳材料，其足以使所述中孔层导电；所述中孔层的特点为其孔隙率比所述扩散介质基底的孔隙率更大；并且所述扩散介质基底在负载有所述中孔层的所述区域外不含氟化聚合物。
35.如权利要求34所述的装置，其中所述中孔层的特点为孔径在1nm至1μm之间。
36.如权利要求34所述的装置，其中所述疏水组分包括氟化聚合物；所述亲水化合物包括含碳物质，选自碳纤维、碳颗粒及其结合；所述含碳物质的特点为表面积为约60cm2/g；所述中孔层至少部分渗入所述扩散介质基底；所述扩散介质基底的特点是在负载所述中孔层的基底区域之外的孔隙率为约78％；并且所述扩散介质的特点是总孔隙率为约84％。
37.如权利要求34所述的装置，其中所述装置进一步包括限定采用所述扩散介质的燃料电池的结构。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述装置进一步包括限定由所述燃料电池驱动的车辆的结构。
全文摘要
提供了扩散介质及其制造工艺，其用于针对电化学电池及其它采用该扩散介质的装置中与水管理问题有关的问题。根据本发明的一个实施方式，提供了制造扩散介质的工艺。提供包括限定第一和第二主面的多孔纤维基质的扩散介质基底。所述基底包括一定量含碳物质材料，其足以使该基底导电。沿基底的第一和第二主面其中之一的至少一部分涂覆中孔层。通过提供含有疏水组分、亲水组分和造孔剂的涂层，将该中孔层涂覆在基底上。在所述基底负载有所述中孔层的区域外，所述基底不含氟化聚合物。分解造孔剂，从而所述中孔层比所述扩散介质基底更疏松。
文档编号H01M4/96GK1830107SQ200480022016
公开日2006年9月6日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年7月28日
发明者J·E·奥哈拉, J·罗特, 刘晗 申请人:通用汽车公司