具有超憎液表面的燃料电池的制作方法

专利名称：具有超憎液表面的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及燃料电池，更具体地说涉及燃料电池中的水处理。
背景技术：
出于对与化石燃料燃烧装置和燃烧炉有关的环境的和长期燃料供应的关切，燃料电池技术已经成为许多最近研究和开发活动的主题。燃料电池技术一般来说能提供一种能被充分压缩并且轻到能够在车中使用的较清洁的能源。此外，燃料电池可以紧靠固定装置中能量的使用位置，以大大地减少长距离能量传输造成的效率低下。
尽管有许多不同燃料和材料可以在燃料电池中使用，但是所有的燃料电池一般都有阳极和被电解液隔开的反向的阴极。阳极和阴极一般是多孔的，所以燃料可以通过它们中的一个，一般是阴极，被传引进电池，而氧化剂则通过另一个，一般是阳极来引进。燃料在电池中被氧化，产生直流电，同时产生水和热为其副产品。每个电池一般产生大约1伏特的电压，但是可以将任何数量的电池串联起来并且由隔离板隔离，用以产生一个燃料电池组，提供任何所需的电压。在近代的燃料电池设计中，阳极、阴极和电解液通常结合在一个膜电极组中，并且隔离板和电流集流器通常结合在一个“双极板”中。燃料电池的设计和工作的详细内容在位于西维吉尼亚的摩根市的美国能源部，国家能源技术实验室于2000年10月出版的“燃料电池手册，第五版”(“Fuel Cell Handbook，5thEdition，published by the U.S.Department of Energy，National Energy Technology Laboratory，Morgantown，West Virginia，October，2000)中有进一步解释，其内容均被引用于此。各种燃料电池部件，包括膜电极组和双极板，在第4,988,583号；第5,733,678号；第5,798,188号；第5,858,569号；第6,071,635号；第6,251,308号；第6,436,568号美国专利；和申请号为2002/0155333的美国公布专利申请中有进一步説明，上述专利与申请的内容均被引用于此。
在燃料电池的设计中，一个持续的挑战是电池中的水处理的问题。在某些情况下，水在电池中很快地产生。这些水通常产生在电池的阴极侧，如果容许累积，可以约束或者阻碍燃料流入电池内。在本技术领域内这种情况被称为为“阴极淹水”。此外，在电池和周围环境之间的温差可以很大，因此在工作期间空气进出电池时，有时可以引起水蒸汽的凝聚。
典型地，在双极板的表面设有排水通道，让水通过通道引向集流区，从电池中排出。此外，双极板通常由具有较低表面能量的材料制成，因此水可以更加容易地从双极板中排出。但是，这两种措施没有一种在燃料电池中解决阴极淹水和水处理问题方面已经完全成功。特别是，即使在燃料电池中使用了例如PTFE这样的低表面能量材料，水滴还是可以依附在电池的双极板和其它表面，而不是按照所需的那样排出。工业上需要在电池内有能促进更好地排水的部件的燃料电池。

发明内容
本发明实质上满足了工业的上述需求。本发明包括一个燃料电池组装置，该装置具有在选定的、可能发生水凝聚的区域含耐用超憎液表面的部件，以便改善装置内的排水。超憎液表面的高排斥性实质上抑制了水滴依附在表面的任何倾向，从而极大地改善了电池内的排水。
超憎液表面一般包括一基底部分，其上设有规则排列的大量凸出的规则形状的微米或纳米尺度的凸(凹)体，使得表面的以接触线米数/每平方米表面积计量的设定接触线密度等于或者大于按照下式确定的临界接触线密度值“ΛL” 其中，P是流体流动通道内设定的最大预期的流动压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，和ω是凸(凹)体上升角。一般说来，较佳的凸(凹)体的横截面尺寸与凸(凹)体的间隔尺寸的比率小于或者等于0.1，以便优化超憎液表面的排斥性。
凸(凹)体可以形成于基底材料本身中或基底材料本身之上，或者形成于基底表面上的一层或多层材料中。这些凸(凹)体可以是任何规则或不规则形状的三维实心或空心体，并且可以按任何规则的几何图形设置。
凸(凹)体可以使用光刻工艺，或者使用纳米加工、微冲压、微接触印刷、自组装金属胶体单分子膜、原子力微复制纳米加工、溶胶-凝胶模制法、自组装单分子膜定向图案化工艺、化学蚀刻、溶胶-凝胶冲压法、胶体墨水印刷法形成，或者通过在基底上设置一层平行纳米碳管的方法形成。该方法还可以包括根据以下公式确定临界凸(凹)体高度值Zc(米)的步骤 其中，d是相邻凸(凹)体之间的最小距离(米)，θa，0是表面液体的实际前进接触角(度)，ω是凸(凹)体的上升角(度)。


图1是本发明的超憎液表面大量纳/微米尺度的凸(凹)体排列成矩形阵列的大倍数放大的透视图；图1a是本发明的具有超憎液表面的燃料电池组装置的简化横截面图；图1b是图1a中的燃料电池组设备的部分放大图，表示了装置中的一个通道；图2是图1中表面部分的俯视图；图3是图2中表面部分的侧视立面图；图4是本发明的超憎液表面的一实施例中凸(凹)体排列成六边形阵列的局部俯视图；图5是图4所示实施例的侧视立面图；
图6是凸(凹)体之间的悬浮液体挠曲的侧视立面图；图7是表示一定量的液体悬浮在凸(凹)体顶部的侧视立面图；图8是表示液体和凸(凹)体之间的空间底部接触的侧视立面图；图9是本发明超憎液表面的另一实施例的单个凸(凹)体的侧视立面图，其中凸(凹)体上升角为锐角；图10是本发明超憎液表面的另一实施例的单个凸(凹)体的侧视立面图，其中凸(凹)体上升角为钝角；图11是本发明超憎液表面的另一实施例的局部俯视图，其中凸(凹)体为圆柱形、且排列成矩形阵列；图12是图11所示实施例的侧视立面图；图13是各种凸(凹)体形状和排列方式的接触线密度和接触线性片段的计算公式列表；图14是本发明超憎液表面的另一实施例的侧视立面图；图15是图14所示实施例的俯视图；图16是本发明的超憎液表面的另一选实施例中单个凸(凹)体的俯视图；和图17是表示各种x/y比率下特定超憎液表面和液体的凸(凹)体间隔(y)和最大压力(P)之间的关系的图表。
具体实施例方式
在本申请中，术语“燃料电池”意指任何类型的任何电化学燃料电池装置或者设备，包括，但不限于质子交换膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，和固体氧化物燃料电池(SOFC)。术语“燃料电池组装置”是指至少包含一个燃料电池和其中的任何和所有部件的装置，连同任何和所有与燃料电池功能相关的独立部件，包括但不限于外壳，绝缘体，岐管，管道，以及电气部件。
抵抗液体润湿的表面被称为“憎湿”表面。如果该液体是水，这种表面可以称为憎水表面，如果是其它液体，可以称为憎液表面。如果表面抗润湿达到以下程度，该表面可称为“超憎水”或“超憎液”表面水或者其它液体的小液滴与表面呈现很高的固定接触角(约大于120度)；表面保留液滴的特性具有显著减小的趋势；或者当表面完全浸没在液体中时表面存在液-气-固界面。在本申请中，术语“超憎液”一般并指超憎水表面和超憎液表面。
应当知道，表面粗糙度对于表面润湿的程度有很大的影响。通常可观察到，在某些情况下，与相应的光滑表面相比，粗糙能够使液体更牢地粘附于表面。但是，在其它情况下，粗糙可以使液体粘附于粗糙的表面的程度不如光滑表面。在某些情况下，表面可以是超憎液的。这种超憎液表面通常采用具有大量微米到纳米尺度的凸起或者凹穴，这里称为“凸(凹)体”的基底部分的形式。
图1a是本发明的燃料电池组装置100的一个实施例的一部分的简化横截面图。燃料电池组设备100总的包括膜电极组件102，其由双极板104隔开。设备100的各端部设有端板106。每一个膜电极组件102总的包括阳极膜结构108，阴极膜结构110和电解液112。
双极板104和端板106典型地由导电、抗腐蚀和抗热材料，例如金属或者充填聚合物的石墨制成。双极板104的表面114和端板106的朝内的表面116典型地具有通道118，用来传输燃料和氧化剂到膜电极组件102和排出水。双极板104和端板106的热转移部分120可以提供额外的表面区域将热从电池中排除。
根据本发明，双极板104和端板106的外表面的全部或者任何所需部分可以是超憎液表面。例如，如图1b所示，为了改善通道118的排水，可以在通道118的朝内的表面121上设有超憎液表面20。反应过程中产生的水滴将被超憎液表面20排斥，使水靠重力从通道118中排出。
如图1a所示，双极板104或者端板106的其它部分，例如热传导部分120和外部表面122也可以是超憎液表面20，以改进积聚或凝聚于这些表面上的水的排出。燃料电池组装置的其它部件，例如燃料和氧化剂岐管和管道(图中未表示)，出口(图中未表示)，和外壳表面(图中未表示)可以设有超憎液表面20，以排出由于周围环境和电池内升高的温度之间的湿气移动而凝聚于这些部件上的水。很容易知道，为了提高其排水特性，可以在任何燃料电池组装置部件的任何所需部分设本发明的超憎液表面20。
图1所示为本发明的超憎液表面20的大倍数放大图。表面20总的包括具有大量凸出的凸(凹)体24的基底22。每个凸(凹)体24有多个侧面26和一个顶部28。每个凸(凹)体24具有一宽度，图中标注为“x”，和一高度，图中标注为“z”。
如图1-3所示，凸(凹)体24排列成规则的矩形阵列，每个凸(凹)体和相邻的凸(凹)体之间相隔一间距，图中用“y”表示。凸(凹)体24的顶缘30所包含的角用表示，凸(凹)体24的侧面26相对基底22的上升角用ω表示。角和ω的和是180度。
通常当表面20存在液-固-气界面时，该表面会表现出超憎液特性。如图7所示，如果液体32仅接触到凸(凹)体24的顶部28和靠近顶缘30的一部分侧面26，使凸(凹)体之间的空间34内充满空气或其它气体，则必然出现液-固-气界面。上述液体可以说成是“悬浮”在凸(凹)体24的顶部以及顶缘30之间。
以下要说明的是，液-固-气界面的形成取决于凸(凹)体24的某些相互关联的几何参数和液体的特性，和液体与固体表面的相互作用。本发明中，可以选择凸(凹)体24的几何特性，使表面20在任何所需的液压下表现出超憎液特性。
参见图1-3中的矩形阵列，表面20可划分成大小相同的包围每一个凸(凹)体24的用虚线划界的面积36。每个相同面积36中凸(凹)体的面积密度(δ)可以用以下等式表示δ=1y2,---(1)]]>其中，y是凸(凹)体之间的间距，单位为米。
对于图1-3中的具有正方形剖面的凸(凹)体24，顶部28的顶缘30周长(p)为p＝4x，(2)其中，x是凸(凹)体宽度，单位为米。
周长p可以称之为限定液-固-气界面位置的“接触线”。表面的接触线密度(Λ)，即每单位面积表面上的接触线长度，为周长(p)和凸(凹)体的面积密度(δ)的乘积，即Λ＝pδ。
(3)对于图1-3的正方形凸(凹)体的矩形阵列Λ＝4x/y2。 (4)如果液体因重力产生的体积力(F)小于其在接触线上作用于凸(凹)体的表面力(f)，大量液体会悬浮在凸(凹)体24顶部。与重力相关的体积力(F)可由下列公式确定F＝ρgh， (5)其中，(ρ)是液体的密度，(g)是重力加速度，(h)是液体的深度。因此，例如对于密度约为1000kg/m3的10米水柱，其体积力(F)为F＝(1000kg/m3)(9.8m/s2)(10m)＝9.8×104kg/m·s2。
另一方面，表面力(f)取决于液体的表面张力(γ)、凸(凹)体24的侧面26相对垂线的表面接触角θS、凸(凹)体的接触线密度(Λ)和液体的表面接触面积(A)
f＝-ΛAγcosθS。 (6)在一特定固体材料上的液体的实际前进接触角(θa，0)定义为，在一实质上没有凸(凹)体的材料表面上的经实验测量出的液体的最大固定接触角。该实际前进接触角通过本领域熟知的技术很容易测量出来。
具有凸(凹)体的表面之悬浮液滴在凸(凹)体的侧面显示出它们的实际前进接触角值(θa，0)。在凸(凹)体侧面相对垂线的接触角(θS)通过或ω和实际前进接触角值(θa，0)的关系如下θS＝θa，0+90°-＝θa，0+ω-90°。 (7)使F和f相等，求出接触线密度Λ，便可确定临界接触线密度参数ΛL，用于预测表面的超憎液特性 其中，(ρ)是液体的密度，(g)是重力加速度，(h)是液体的深度，(γ)是液体的表面张力，ω是凸(凹)体侧面相对基底的以度计量的上升角，(θa，0)是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角，单位为度。
如果Λ＞ΛL，液体会悬浮在凸(凹)体24的顶部，形成超憎液表面。反之，如果Λ＜ΛL，液体会塌陷于凸(凹)体上，且表面的接触界面只有液-固界面，不具有超憎液特性。
应该知道，将上述等式分子替换成一适当值，便可确定临界接触线密度，设计出在任何所需压力值下保持超憎液特性的表面。该等式概括为
其中，P是使表面必须显示超憎液特性的以千克/平方米为单位的最大压力，γ是液体的以牛顿/米为单位的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的以度为单位的实际前进接触角，ω是以度为单位的凸(凹)体上升角。
通常可预见到，根据上述关系形成的表面20在最高达到并包括上述等式(9)中P值的任何液压下会显示出超憎液特性。无论表面是否浸没在液体中，受液体喷射或喷洒，或受到个别液滴的冲撞，都会表现出超憎液特性。
一旦确定了接触线密度的临界值，根据接触线密度等式中x和y之间的关系就可以确定凸(凹)体几何形状的其它值。换言之，可以通过选择接触线等式中的x或y值，求出其它变量，从而确定表面的几何形状。
超憎液表面20排斥液滴，使其在很大的接触角时停留在该表面的趋势可以由后退接触角(Δθ)最好地表达，该后退接触角是表面液滴的前进和后退接触角之间的差。通常，较小的后退接触角的值相应于表面较大的排斥特性。可以根据下列方程确定表面的后退接触角Δθ＝λP(Δθ0+ω)，(10)其中，(λP)是与凸(凹)体接触的线性片段，(Δθ0)是表面材料的实际前进接触角(θa，0)和实际后退接触角(θr，0)之间的差，(ω)是凸(凹)体的上升角。对于正方形凸(凹)体的矩形阵列λP＝x/y。(11)
图13给出了用来确定具有其它几何形状的表面的(λP)的方程式。对于在表面上的液滴，表面的实际前进接触角可以根据下式确定θa＝λP(θa，0+ω)+(1-λP)θair， (12)实际后退接触角可以根据下式确定θr＝λPθr，0+(1-λP)θair。
(13)通过分析上面给出的关系，很容易知道，λP，ω，x/y和Λ的相对较小的值导致表面较高的排斥性，每一个这些相同参数的相对较大的值导致表面较高的悬浮液柱的能力。其结果是，如果一个表面要具有所需的良好的排斥性和悬浮特性，通常需要选择这些参数的值来达到平衡。
上面的方程也可以用来作成表示对于给定的液体特性，在各种x/y值下，凸(凹)体间隔(y)和最大压力(P)之间的关系的图表。这种图表，图17所示的就是这种图表的一个例子，如下面所举例子表明，可以作为一种有用的设计工具。
如图6所示，相邻凸(凹)体之间的液体界面向下凹陷一定的量D1。如果该量D1大于凸(凹)体24的高度(z)，液体会在凸(凹)体24之间的一点与基底22发生接触。如果这种情况发生，液体会进入空间34，并塌陷于凸(凹)体上，导致表面的超憎液特性被破坏。D1值代表临界凸(凹)体高度(Zc)，可根据以下公式确定 其中，(d)是接触线上相邻凸(凹)体之间的最小距离，ω是凸(凹)体上升角，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角。凸(凹)体24的高度(z)必须至少等于，优选为大于临界凸(凹)体高度(Zc)。
虽然图1-3中凸(凹)体上升角ω是90度，但其它凸(凹)体几何形状也是可以的。例如，ω可以是如图9所示的锐角或如图10所示的钝角。一般来说，ω最好介于80度和130度之间。
还应当知道，各种不同的凸(凹)体形状和排列方式都可能包含在本发明的范围内。例如，凸(凹)体可以是如图11-12所示的多面体、圆柱体，椭圆柱或任何其它合适的三维形状。只要保持临界接触线密度，凸(凹)体也可以随机分布，尽管这样的随机排列可能使超憎液特性小于预计特性且不是最佳方式。在凸(凹)体的随机排列中，临界接触线密度和其它相关参数可以视为是表面的平均值。图13所示的表中，列出了计算各种其它凸(凹)体形状和排列的接触线密度的公式。
另外，可以利用各种办法使凸(凹)体的接触线密度达到最优化。如图14和15所示，凸(凹)体24可以形成为具有底部38和顶部40。顶部40上顶缘30的较大周长增加了表面的接触线密度。另外，例如可以在如图16所示的凸(凹)体24上形成诸如凹部42的特征，以增加顶缘30的周长，进而增加接触线密度。凸(凹)体还可以是在基底上形成的凹穴。
凸(凹)体可以排列成如上所述的矩形阵列，诸如图4-5所示六边形阵列的多边形阵列，或者环形或卵形排列方式。只要能维持在临界接触线密度，凸(凹)体也可以随机分布，尽管这样的随机排列可能使超憎液特性小于预计特性且不是最佳方式。在凸(凹)体的这种随机排列中，临界接触线密度和其它相关参数可以视为是表面的平均值。图13所示的表中，列出了计算各种其他凸(凹)体形状和排列方式的接触线密度的公式。
通常，基底材料可以是适合形成微米或纳米尺度的凸(凹)体的任何材料。凸(凹)体可以直接在基底材料本身上形成，或者通过光刻或者任何一种合适的方法在沉积于基底材料上的一层或者多层其它材料上形成。可以用直接挤压法形成平行脊形式的凸(凹)体。这种平行脊最好与液体流动方向成横向。一种适合形成微米/纳米尺度凸(凹)体的光刻方法披露于公布号为WO 02/084340的PCT专利申请中，该申请的全部内容均被引用于此。
适合形成所需形状和间隔的凸(凹)体的其它方法包括第2002/00334879号美国公开专利申请公开的纳米加工工艺，第5,725,788号美国专利公开的微冲压工艺，第5,900,160号美国专利公开的微接触印刷工艺，第5,609,907号美国专利公开的自组装金属胶体单分子膜法，第6,444,254号美国专利公开的微冲压工艺，第5,252,835号美国专利公开的原子力微复制纳米加工工艺、第6,403,388号美国专利公开的纳米加工工艺，第6,530,554号美国专利公开的溶胶-凝胶模制法，第6,518,168号美国专利公开的表面自组装单分子膜定向图案化工艺，第6,541,389号美国专利公开的化学蚀刻法，或者第2003/0047822号美国公开专利申请公开的溶胶-凝胶冲压法，上述所有内容均被引用于此。还可以使用纳米碳管结构形成所需的凸(凹)体几何形状。第2002/0098135和2002/0136683号美国公开专利申请公开了纳米碳管结构的实例，这些也全部被引用于此。另外，使用众所周知的胶体墨水印刷法也可以形成适合的凸(凹)体结构。
在某些应用中，特别是部件没有承受高压的地方，超憎液表面20可以使用公知的化学蒸发沉积或者化学表面改性技术，用聚合物材料的涂层的形式形成。例如，可以用气相聚合聚合法将低表面能量材料的薄层形成于部件的表面。在本发明中，低表面能量材料通常是具有低于约35mN/m的表面能量值的任何材料。形成的超憎液表面20通常具有在低表面能量材料上形成的随机形状和排列的凸(凹)体。或者，可以对部件表面进行化学表面改性，例如冷氧化等离子或者电晕放电处理。总之，预期能够产生随机形状和排列、具有所需的接触线密度的凸(凹)体的任何方法均可在本发明的范围内使用。
在另一个低流体压应用的实施例中，可以形成一个分形超憎液表面作为基底的一层材料。在这样一个实施例中，可以将烷基乙烯酮二聚物(AKD)或类似材料的一个层熔化或倾注在聚合物基底上，让其在氮气氛中硬化。一种合适的形成AKD表面的方法在T.Onda等人的题为“超级抗水不规则表面”，Langmuir，12卷，9期，1996年5月1日，第2125页，的文章中有更全面的说明，这篇文章的内容也被引用于此。
在另一个适合于低流体压应用的实施例中，可以将聚合物材料，例如聚丙烯，溶解在溶剂，例如对二甲苯中。可以在溶液中加一定量的非溶剂，例如甲基乙基酮，将该溶液沉积于部件的基底上。当溶剂被蒸发后，一种多孔的，类似凝胶的超憎液表面结构就形成了。
上述各聚合物层中，形成的表面的一般特征是随机形状和排列的微米尺度凸(凹)体。尽管这种表面的实际的接触线密度和临界接触线密度值由于凸(凹)体个体的变化而很难确定，但是如果表面的接触线密度值等于或超过表面的临界接触线密度，这些表面将呈现超憎液特性。对于这样的表面，由于各凸(凹)体的尺寸和几何形状不同，实际的接触线密度一定是表面的平均值。此外，上述等式中的凸(凹)体上升角ω应该是表面的平均值。当然，可以知道，在本发明的范围内，能够精确形成微米/纳米尺度的凸(凹)体的任何其它方法也是可以使用的。
通常，为了使排水能力最好，最需要优化燃料电池部件中的超憎液表面的排斥特性。如上所述，为了确保在电池中可能出现的最大压力下表面具有超憎液特性，表面的排斥特性可以在确保表面具有有效的临界接触线密度的值(ΛL)的前提下，通过选择相对较小的λP，ω，x/y或者Λ的值来达到最优化。为了使得排斥性能达到最佳，凸(凹)体几何形状的x/y的比应该小于约0.1，最好为约0.01。
下列例子中可说明优化燃料电池组装置的超憎液表面的排斥特性的一种方法例子假定燃料电池双极板上设有超憎液表面。假定燃料电池组装置内的最大预期工作压力为5个大气压，并且双极板的材料具有下列特性θa，0＝110°θr，0＝90°超憎液表面具有在双极板上的正方形柱(ω＝90°)阵列。通过选择小的x/y比来优化超憎液表面的排斥性，以便增加流体接触面的水的实际前进和后退接触角
选择x/y＝λP＝0.1所以θa＝λP(θa，0+ω)+(1-λP)θair＝180°并且θr＝λPθr，0+(1-λP)θair＝171° 参照图17，该图为表示以水为液体，θa，0和θr，0的值与具有上述特性的材料一致，在各种x/y比率下，凸(凹)体间隔(y)和最大压力(P)之间的关系的图表，可以确定，在最大压力值51,500Pa和x/y比率为0.1时，y应该约为5×10-7米或者0.5微米。因此x＝0.1(y)＝0.1(5×10-7m)＝5×10-8m或50nm接下来，求出ZC 这样，如果正方形凸(凹)体以矩形阵列设置在双极板上，那么凸(凹)体的横截面边长应当大约为50nm，应该有0.5μm的间隔，高度至少为80nm。
当然很容易知道，任何所需的凸(凹)体间隔和几何形状，任何所需的表面材料和几何形状，均可以使用上述办法。
可以预期的是，由于表面具有悬浮和容易排斥液滴、使其靠重力在任何表面斜坡上自由滚动的倾向，具有超憎液表面的燃料电池部件将呈现大为改进的排水性能。超憎液表面将是耐用的，并且能够在压力最高达到根据上面概括的方法选择的设计压力下呈现超憎液特性。另外，还可以预期，由于表面的凸(凹)体使得表面积有所增加，根据本发明的超憎液表面的表面排热性能可以得到改善。
本发明的一些其他目的、优点和创新特征会在以下说明中阐述，另一些对于所属技术领域的技术人员而言，根据以下分析即可显而易见，或可以通过实施本发明而获知。本发明的目的和优点可以通过权利要求中特别指出的方法及其组合来了解和获得。
权利要求
1.一种燃料电池组装置的部件，其特征是包括具有用于排斥液体的表面部分的主体，上述表面部分包括其上具有大量凸(凹)体的基底，每一凸(凹)体具有一横截面尺寸和相对上述基底的凸(凹)体上升角，上述凸(凹)体排列成使表面的以接触线米数/每平方米表面积计量的接触线密度等于或大于按以下公式确定的临界接触线密度值“ΛL” 式中，P是表面部分最大预定压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的以度为单位的实际前进接触角，ω是凸(凹)体上升角。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征是凸(凹)体的形状和尺寸实质上一致，其中，凸(凹)体按实质上统一的的图形设置，并且凸(凹)体按实质上一致的间隔尺寸相间隔。
3.根据权利要求2所述的部件，其特征是凸(凹)体的横截面尺寸与凸(凹)体的间隔尺寸之比小于或者等于0.1。
4.根据权利要求1所述的部件，其特征是上述部件是双极板。
5.根据权利要求1所述的部件，其特征是上述部件是岐管。
6.根据权利要求1所述的部件，其特征是凸(凹)体是凸起的。
7.根据权利要求6所述的部件，其特征是凸(凹)体是多面体形状。
8.根据权利要求6所述的部件，其特征是每一个凸(凹)体具有一般为正方形的横截面。
9.根据权利要求6所述的部件，其特征是凸(凹)体是圆柱形或者椭圆柱形。
10.根据权利要求1所述的部件，其特征是凸(凹)体为形成于基底上的凹穴。
11.根据权利要求1所述的部件，其特征是凸(凹)体具有相对于基底的实质上统一的高度，其中凸(凹)体的高度大于根据下式确定的、以米为单位的临界凸(凹)体高度值“Zc” 式中，d是相邻凸(凹)体之间的以米为单位的最小距离，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的以度为单位的实际前进接触角，ω是以度为单位的凸(凹)体上升角。
12.一种制造燃料电池组装置的部件的方法，上述部件具有用于排斥液体的表面部分，其特征是上述方法包括下列步骤形成具有表面的部件主体；和在上述表面的至少一个部分设置大量凸(凹)体，每个凸(凹)体具有一横截面尺寸和相对于表面的凸(凹)体上升角，凸(凹)体的位置使其表面具有以接触线米数/每平方米表面积计量的设定接触线密度等于或者大于按照下式确定的临界接触线密度值“ΛL” 其中，P是设定的最大预期的压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的实际前进接触角(单位为度)，ω是凸(凹)体的上升角。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征是上述凸(凹)体具有实质上统一的形状，其中在表面上设置凸(凹)体的步骤包括按实质上统一的图形设置凸(凹)体，使得凸(凹)体按实质上统一的间隔尺寸隔开。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征是设置凸(凹)体，使得凸(凹)体的横截面尺寸与凸(凹)体的间隔尺寸的比率小于或者等于0.1。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征是设置凸(凹)体，使得凸(凹)体的横截面的尺寸与凸(凹)体的间隔尺寸的比率小于或者等于0.01。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征是进一步包括选择凸(凹)体的几何形状的步骤。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征是进一步包括选择凸(凹)体的阵列形状的步骤。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征是进一步包括选择凸(凹)体的至少一个尺寸和使用接触线密度方程确定凸(凹)体的至少另一个尺寸的步骤。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征是凸(凹)体按选自下组方法中的一种方法形成，该组方法包括纳米加工工艺、微冲压工艺、微接触印刷工艺、自组装金属胶体单分子膜工艺、原子力微复制纳米加工工艺、溶胶-凝胶模制法、自组装单分子膜定向图案化工艺、化学蚀刻法、溶胶-凝胶冲压法、胶体墨水印刷法以及在表面上排列一层纳米碳管的方法。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征是在基底上设置凸(凹)体的步骤包括通过挤压成形。
21.根据权利要求12所述的方法，其特征是还包括根据以下的公式确定以米为单位的临界凸(凹)体高度值“Zc”的步骤 其中d是以米为单位的相邻凸(凹)体间的最小距离，θa，0是表面液体的以度为单位的实际前进接触角，和ω是以度为单位的凸(凹)体上升角。
22.一种包括至少一个具有用于排斥液体的表面部分之部件的燃料电池组装置，其特征是在上述表面部分包括其上设有大量凸(凹)体的基底，每个凸(凹)体具有一横截面尺寸和相对于基底的凸(凹)体上升角，凸(凹)体的分布使该表面部分具有以接触线米数/每平方米表面积计量的设定接触线密度等于或者大于按照下式确定的临界接触线密度值“ΛL” 其中，P是表面部分的设定的最大预期的压力值，γ是液体的表面张力，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的以度为单位的实际前进接触角，ω是凸(凹)体的上升角。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征是上述凸(凹)体具有实质上统一的形状和尺寸，其中凸(凹)体以实质一致的形状排列，其中凸(凹)体由实质一致的间隔尺寸隔开。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征是凸(凹)体的横截面的尺寸与凸(凹)体的间隔尺寸的比率小于或者等于0.1。
25.根据权利要求22所述的部件，其特征是上述部件是双极板。
26.根据权利要求22所述的装置，其特征是上述部件是岐管。
27.根据权利要求22所述的装置，其特征是凸(凹)体是凸出的。
28.根据权利要求26所述的装置，其特征是凸(凹)体是多面体形状。
29.根据权利要求26所述的装置，其特征是每一个凸(凹)体具有一般为正方形的横截面。
30.根据权利要求26所述的装置，其特征是凸(凹)体是圆柱或者椭圆柱形状。
31.根据权利要求22所述的装置，其特征是凸(凹)体为形成于基底上的凹穴。
32.根据权利要求22所述的装置，其特征是凸(凹)体具有相对于基底的实质上统一的高度，其中凸(凹)体的高度大于根据下式确定的、以米为单位的临界凸(凹)体高度值“Zc” 式中，d是相邻凸(凹)体之间的以米为单位的最小距离，θa，0是通过实验测量出的凸(凹)体材料上液体的以度为单位的实际前进接触角，ω是以度为单位的凸(凹)体上升角。
全文摘要
具有在选定的、水可能发生凝结的位置有耐用超憎液表面的部件的燃料电池。超憎液表面一般包括一设有大量凸出的微米或纳米尺度的凸(凹)体的基底部分，使得表面具有等于或者大于临界接触线密度的预设接触线密度。
文档编号B01L3/00GK1805807SQ200480016620
公开日2006年7月19日 申请日期2004年4月15日 优先权日2003年4月15日
发明者查尔斯·W·艾克斯川德 申请人:安堤格里斯公司