专利名称：水蒸气转移膜和纸集成的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，更特别涉及燃料电池的湿化。
背景技术：
燃料电池在许多应用领域用作电源。特别建议在汽车中使用燃料电池代替内燃 机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)以 提供阳极与阴极之间的离子传输。在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，氧作为氧化剂供应给阴极。 氧可以是纯氧(O2)或空气形式(02和队的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件 (“MEA”)，其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，在相反面上具有阴极催化剂。典型 的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔传导性材料，如编织石墨、石墨化片材或碳纸，形 成以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。各电极具有负载在碳粒子上的细碎 催化剂粒子(例如钼粒子)以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从阳极穿 过离子传导聚合物膜流向阴极，在此它们与氧结合形成水，水从电池中排出。MEA夹在一对 多孔气体扩散层(“GDL”)之间，这对GDL又夹在一对非多孔的导电元件或板之间。该板充 当阳极和阴极的集流器，并含有在其中形成的用于将该燃料电池的气态反应物分配在各自 的阳极和阴极催化剂表面上的适当的通道和开口。为了有效地产生电力，PEM燃料电池的 聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、可传输质子的、不导电的和不透气的。在典型用 途中，燃料电池以许多单个燃料电池堆的阵列形式提供以提供大量电力。燃料电池中所用的内膜典型地保持在潮湿条件下。这有助于避免对该膜的损坏或 缩短膜寿命，以及保持所需的工作效率。例如，较低的膜水含量造成较高的质子传导阻力， 由此造成较高的欧姆电压损失。进料气的湿化，特别是在阴极入口，是合意的，以便保持该 膜中，尤其入口区域中，的充足水含量。在授予Goebel等人的共同拥有的美国专利申请系 列号10/797，671 ；授予Sermoim等人的共同拥有的美国专利申请系列号10/912，298 ；和授 予Forte的共同拥有的美国专利申请系列号11/087，911中论述了燃料电池中的湿化，它们 各自全文经此引用并入本文。为保持所需的水分含量，常常使用空气湿化器以湿化燃料电池中使用的空气物 流。空气湿化器通常由安装到空气湿化器外壳中的圆形或箱型空气湿化模件构成。这 种类型的空气湿化器的实例显示并描述在授予Tanihara等人的美国专利申请系列号 10/516，483和美国专利No. 6，471，195中，它们各自全文经此引用并入本文。也已经使用膜湿化器实现燃料电池湿化要求。对汽车燃料电池湿化用途而言，此 类膜湿化器需要是紧凑的，表现出低压降并具有高的性能特性。设计膜湿化器需要平衡传质阻力与压降。为了使水透过膜从湿侧传输到干侧，水 分子必须克服下列阻力的某结合湿和干流动通道中的对流传质阻力；透过膜的扩散传输 阻力；以及透过膜载体材料的扩散传输阻力。紧凑且高性能的膜湿化器典型地需要具有高 的水传输速率(即10，000-16，000的GPU)的膜材料。GPU或气体渗透单位是分压标准化通量，其中IGPU= 10_6立方厘米(STP)/(平方厘米 秒 厘米.汞)。结果，尽量降低湿和 干流动通道与膜载体材料中的传输阻力成为设计的焦点。因此，需要用于湿化燃料电池的改进的材料和方法。
发明内容
本发明通过在至少一个实施方案中提供膜湿化器组件(membranehumidif ier assembly)来解决现有技术的一个或多个问题。该膜湿化器组件包括适于促进第一气体流 向其的第一流场板(flow field plate)和适于促进第二气体流向其的第二流场板。在所述 第一和第二流场之间安置聚合物膜。第一扩散层设置在第一流场板和所述聚合物膜之间。 第二扩散层设置在第二流场板和所述聚合物膜之间。该聚合物膜适于允许水在第一流场板 和第二流场板之间转移。该聚合物膜包括聚合物基底和位于该聚合物基底上的聚合物层。 所述聚合物层粘附到所述第一扩散层上。该聚合物层特有地包括位于该聚合物基底上的具 有氟化环丁基的第一聚合物。本发明进一步体现在如下方面1.燃料电池用膜湿化器，该膜湿化器包含适于促进第一气体流向其的第一流场板；设置在所述第一流场板上的第一扩散层；设置在所述第一扩散层上的聚合物膜，该聚合物膜适于允许水的转移，该聚合物 膜包含聚合物基底和粘附到所述第一扩散层上的聚合物层，该聚合物层包含具有氟化环丁 基的第一聚合物；设置在所述聚合物膜上的第二扩散层；和设置在所述第二扩散层上适于促进第二气体流向其的第二流场板。2.方面1的湿化器，其中所述第一气体和所述第二气体各自独立包括选自由02、 N2, H2O, H2及其组合组成的组的组分。3.方面1的湿化器，其中所述聚合物膜具有大于6000GPU的渗透率。4.方面1的湿化器，其中所述第一流场板和所述第二流场板各自独立地包括外周 密封性区。5.方面1的湿化器，其中所述聚合物层包括聚合物链段1 :E0-P1-Q1-P21E0是具有给质子基团的部分；P1, P2 各自独立地为不存在、-0-、-S-、-SO-、-CO-、-SO2-, -NH-, NR2-或-R3-；R2是Cp25烷基、CV25芳基或CV25亚芳基；R3是Cp25亚烷基、CV25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Cp25亚芳基；和Q1是氟化的环丁基部分。6、方面5的湿化器，其中所述给质子基团是S02X、-PO3H2或-C0X，X是-0H、卤素、
酯、或
权利要求
1.燃料电池用膜湿化器，该膜湿化器包含 适于促进第一气体流向其的第一流场板； 设置在所述第一流场板上的第一扩散层；设置在所述第一扩散层上的聚合物膜，该聚合物膜适于允许水的转移，该聚合物膜包 含聚合物基底和粘附到所述第一扩散层上的聚合物层，该聚合物层包含具有氟化环丁基的 第一聚合物；设置在所述聚合物膜上的第二扩散层；和设置在所述第二扩散层上适于促进第二气体流向其的第二流场板。
2.权利要求1的湿化器，其中所述第一气体和所述第二气体各自独立包括选自由02、 N2, H2O, H2及其组合组成的组的组分。
3.权利要求1的湿化器，其中所述第一流场板和所述第二流场板各自独立地包括外周 密封性区。
4.权利要求1的湿化器，其中所述聚合物层包括聚合物链段1: E0-Pi-Qi-P2 1E0是具有给质子基团的部分；P” P2 各自独立地为不存在、-0-、-S-、-so-、-co-、-SO2-, -NH-, NR2-或-R3-； R2是CV25烷基、CV25芳基或Cp25亚芳基；R3是CV25亚烷基、CV25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Cp25亚芳基；和 Q1是氟化的环丁基部分。
5.权利要求4的湿化器，其中所述给质子基团是S02X、-PO3H2或-C0X，X是-0H、卤素、 酯、或OH Il——N——S—R4IlO ；R4是三氟甲基、CV25烷基、CV25全氟亚烷基或Cp25芳基。
6.权利要求1的湿化器，其中所述聚合物层包含聚合物链段2和3: [E1 (Z1)J-P1-Q1-P2 2E2_P3_Q2_P43其中Z1是给质子基团； E1是含芳基的部分；E2是未磺化的含芳基和/或含脂族基团的部分； d是连接到E1上的叾工数；P” P2、P3、P4 各自独立地为不存在、-0-、-S-、-so-、-co-、-SO2-、-NR1H-、NR2-或-R3-； R2是CV25烷基、CV25芳基或Cp25亚芳基；R3是CV25亚烷基、CV25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Cp25亚芳基；和 Qp Q2各自独立地为氟化环丁基部分。
7.权利要求1的湿化器，其中所述聚合物层包含聚合物链段4和5:
8.权利要求1的湿化器，其中所述聚合物层包含聚合物链段6和7: E1 (SO2X)d-P1-Q1-P2 6E2-P3-Q2-P47它们通过连接基L1连接以形成聚合物单元8和9
9.权利要求1的湿化器，其中所述聚合物层包含聚合物链段10和11 E1 (Z1)d——P1-Q1-P210E2(Z1)f——P311其中Z1是给质子基团；E1^E2各自独立地为含芳族或脂族基团的部分，其中E1和E2中的至少一个包括被Z1取 代的芳基；X是-0H、卤素、酯或
10.燃料电池系统，其包含 适于促进第一气体流向其的第一流场板； 设置在所述第一流场板上的第一扩散层；设置在所述第一扩散层上的聚合物膜，该聚合物膜适于允许水的转移，该聚合物膜包 含聚合物基底和粘附到所述第一扩散层上的聚合物层； 设置在所述聚合物膜上的第二扩散层；适于促进第二气体流向其的第二流场板，所述聚合物层包含第一聚合物，该第一聚合 物具有包含聚合物链段1的聚合物链段 E0-PrQi-P2ι其中E0是具有给质子基团的部分；P” P2 各自独立地为不存在、-0-、-S-、-so-、-co-、-SO2-, -NR1H-, NR2-或-R3-； R2是CV25烷基、CV25芳基或Cp25亚芳基；R3是CV25亚烷基、CV25全氟亚烷基、全氟烷基醚、烷基醚或Cp25亚芳基；且 Q1是氟化环丁基部分。
全文摘要
本发明涉及水蒸气转移膜和纸集成的组件，具体涉及膜湿化器组件，所述膜湿化器组件包括适于促进第一气体流向其的第一流场板和适于促进第二气体流向其的第二流场板。在所述第一和第二流场之间安置聚合物膜。该聚合物膜适于允许水在第一流场板和第二流场板之间转移。该聚合物膜包括聚合物基底和位于该聚合物基底上的聚合物层。该聚合物层特有地包括位于该聚合物基底上的具有氟化环丁基的第一聚合物。
文档编号H01M8/24GK102005590SQ201010267788
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月30日 优先权日2009年8月28日
发明者A·M·布伦纳, S·M·麦金农, T·J·富勒 申请人:通用汽车环球科技运作公司