专利名称：用于燃料电池板的三维亲水多孔结构的制作方法
技术领域：
本公开一l^f涉及的领域包括用于固态燃料电池板的包括三维亲水多孔结 构的燃料电池部件。
背景技术：
已失口燃料电池包 流板(collectorplate)如双极或单极板，其用于收集由 燃料电池消耗燃料所产生的电子，并通过反应气舰场输送燃料电池反应气体。 这些反应气体流场由一个或多个通道限定，所^M在通常由金属或复合材料 制成的固体翻中经机加工、冲压、嫩U、模铸或其它方法形成。集流板通常 邻近扩散介质材料提供，所述扩散介质材料通常为多孑L材料如碳纸。可替换地， 在某些配置中，集流板可以直接与催化电极接触。任选地，微孔层可以位于气 体扩散介质层之下，并且催化电极可以位于微孔层或气体扩散介质层之下。聚 合电解质膜在第一催化电极下面，第二催化电极位于聚合电解质膜的第二面的 下面。第二微 L层可以位于第二催化电极之下，并且第二气体扩散介质层位于 第二微孔层或第二催化电极之下。第二集流板位于第二气体扩散介质层之下。 第二穀荒板还包括由多个通道和平台(land)限定的反应气体流场。这些平台与 气体扩散介质层进行物理接触。
为了便于燃料电池中的水处理，希望在双极板表面上引入亲^^性。处理双 极板表面以引A^面亲水性可以ffl31使初始的7jC接触角不超过15° (超亲水性) 来实现；并具有耐久性以便在燃料电池的，寿命中7JC接触角足够稳定而不会 皿15°;以及亲水M不会不利地影响板的接触电阻使其超出可接^7iC平。
迄今，二氧化^^层已被用于选择性地向双极板的部分引入亲7jC特性。然
而，这种及其它基于有机的亲7k涂层面临着如下问题在S^及如不锈钢上的差 的粘附性(不管在湿还是干的条件下)；污染，这是由于易于被较小亲水性的污 染物污染的超亲水性表面的高表面能；溶解，其中二氧化硅可以M与膜糊军 副产物如HF反应而溶角tt燃料电池环境中；热老化(thermal degradation),其中涂层如有机涂层随着反复暴露于90。及以上的温度并且经反复的干和湿循环 (导致所述涂层上表面上的亲水基团重新取向)而老化，，从而降低了它的亲水 性；电化学老化，其中某些亲水基团在燃料电池的置换环境(substitution environment)中会被电化学激活并老化。
发明内容
本发明的一种实施方案包括产品，其包括具有由多个通道和平台限定的反 应气舰场的燃料电池集流板(fUel cell collector plate);以及基本上填充所舰 道的三维多孑L亲水结构(three-dimensional porous hydrophilic structure )。
本发明的其它示范性实施方案通过下面提供的详细描述将变得明显。应当 理解，公开本发明的示范性实施方案的详细描述和特定实施例只是用于说明的 目的，而不是旨在限制本发明的范围。
M详细的描述并结合附图，本发明的示范性实 案将变得被更全面地
理解，其中
图1显示了根据本发明的一种实施方案的方法。 图2显示了根据本发明的一种实施方案的产品。
具体实施例方式
以下实施方案的描述在本质上只是示例，而决不是要限制本发明、它的应 用或用途。
本发明的一个实施方案包括向双极或单极板流动通道中引入亲水性的方 法。三维多孔亲水结构置于或形成于集流板流动通道中。三维结构具有互连的 多孔结构。三维结构的孔隙率可以通过产生孔隙的方法提供，所述方法包括但
不限于，产生多孔的开放单元结构(open cell structure)的生孔或发泡剂。生孔
剂可以是任何可以随后被牺牲或去除的材料，所述牺牲或去除aii蚀刻、溶解，
或者ilil加热生孔剂使其从三维结构中流出^iS行。适合的发泡剂包括本领域 技术人员已知用于聚合物、陶瓷或金属材料的任何发泡剂。
参见图l，本发明的一个实M^案包括提供;)t料电池集流板10，其具有由 多个通道12和平台14限定在其中的反应气Ml场。通道12可以形皿基板16 中，基板16可以由复合材料或金属如不锈钢、铝、钛或其它合金形成。可以在 基板16中进行机加工、冲压、蚀刻或模铸形 道12。通道12可以填充可形成固态的材料和生孔剂或发泡剂。在将材料形成固态的过程中，发泡剂在形成
的固体中产生多孔结构。可替换地，形成固体时，生孔剂可随后M31溶解、蚀 刻、或者加热生孔齐舰其成为液体并使该液体从保留在集流M道12中的三维 结构中流出而去除。在一个实 案中，通道12填充有第一材料18，所述第一 材料可以包括单体、交联剂和生孔剂。所述单，第二步骤中例如通过加热或 暴露于UV光固化，以提供具有生孔剂的固化材料18c。此后，去除生孔剂，从 而在通道12中获得交联的三维多孔结构18d。选择在固化时具有亲水特性的单 体，以便三维多孔结构是亲水性的。可替换地，可以使用额外的化学改性通道 12中的三维结构的步骤，以在三维结构中引入亲水性。
在本发明的另一实施方案中，三维亲水多孔结构可以^吏用具有与燃料电池 集流板10中的流动M 12的几何皿相同的模子在别处制成。另外，多孔结 构可以由各种其它材料制成，包括但不限于，金属和陶瓷。 地，三维结构 选用的材料对燃料电池的环境是化学耐受的。任何对HF耐受的聚合物都對继 的。此外，因为鹏12中的材料是三维的，所以克服了与双极板表面上的二维 涂层的粘附有关的问题。
该三维多孔结构不是气体扩散介质层。气体扩散介质层通常是碳纸或毡形 式的碳纤维。
现在参见图2，本发明的另一实施方案包括产品10c，例如燃料电池^t料 电池堆，具有第一双极板16c，所述第一双极板具有由多个平台14c和通道12c 限定的反应气体流场，在通道12c中具有交联的三维多孔结构18d。第一气体扩 散介质层20c可以位于第一双极板16c之下。第"^体扩散介质层20c可以包括 多个碳纸或碳毡形式的碳纤维。微孔层22c可以位于第^体扩散介质层20c 之下。微 L层22c 4雄地涂敷在第1体扩散介质层20c上并可以包括大量在 聚四氟乙烯粘结剂中的ra粒。阴极24c可以位于第一微孔层22c之下。阴极 24c可以包括催化剂如负载在大量 粒上的铂并包括离聚物如NAFION。聚合 电解质膜26可以位于阴极24c之下。聚合电解质膜26可以由离聚物如NAFION 形成，并且如果需要可以由膨胀的聚四氟乙烯片支撑。阳极层24a可以位于聚 合电解质膜26之下并且可以与阴极层24c类似地构造。第二微孔层22a可以位 于阳极层24a之下。第二气体扩散介质层20a可以位于第二微孔层22a之下。第 』极板层16a，具有由多个平台14a和通道12a限定的反应气^l场，在通道
612a中具有交联的三维多孔结构18d。
以上对本发明实施方案的描述在本质上只是示例，因此其变化不应被看作 是脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1、产品，包括燃料电池双极板，在其至少一面中限定有反应气体流场，所述反应气体流场由多个平台和通道限定；和基本上填充至少一个通道的三维亲水结构。
2、 产品，包括燃料电池集流板，其中限定有反应气体流场，所述反应气#^场由形成 于所述集流板的面中的多个平台和通道限定；基本上填充通道的三维多孔结构;和在所述三维结构的至少一部分上的亲7j^^层。
3、 根据权利要求2的产品，其中所述三维结构包括聚合物。
4、 根据权利要求2的产品，其中所脏维结构包括陶瓷材料。
5、 根据权利要求2的产品，其中所述三维结构包括金属。
6、 方法，包括提供燃料电池双极板，所述燃料电池双极板的第一面中限定有反应气体流场，所述反应气体流场至少部分地由多个平台和通道限定；用第一材料填充所舰道，所述第一材料能够被固化，所述第一材料包括形成孔的装置；以及4妙万述第一材料形成固态的三维多孔结构。
7、 根据权利要求6的方法，其中所述三维固态结构是亲水性的。
8、 根据权禾腰求6的方法，还包括处S0f述三维多孔结构以弓l入亲水性。
9、 根据权利要求6的方法，还包括在所述三维多孔结构的至少一部分上形 成亲水性涂层。
10、 根据权利要求6的方法，其中所述第一材料包括单体和交联剂。
11、 根据丰又利要求6的方法，其中所述第一材料包括预聚物。
12、 根据权利要求6的方法，其中所述第一材料包括陶瓷。
13、 根据权利要求6的方法，其中所述第一材料包括金属。
14、 方法，包括提供燃料电、 M极板，所述it料电池双极板的第一面中具有反应气Ml 场，所述反应气術荒场包括多个平台和鹏；以及将多 L三维结构方iS入并基本上i真充所M道。
15、 根据权利要求14的方法，其中所脏维多孔结构是亲水性的。
16、 根据权利要求14的方法，还包括处理所述三维多孔结构以引入亲水性。
17、 根据t又利要求14的方法，还包括使用亲水性^^层涂敷所述三维多孔结 构的至少一部分。
18、 产品，包括第一jt料电池双极板，在其至少第一面中形成有反应气体流场，所述反 应气体流场由至少多个平台和通道限定；和在所M道之一中的三维多孔亲水 结构，并且其中所述三维多孔亲水结构基本上填充戶万^ 之一；位于所述第一双极板之下的第1体扩散介质层，位于所述第1体扩 散介质层之下的第一催化电极，位于所述第一催化电极之下的聚电解质膜，位 于所述聚电解质膜之下的第二催化电极，位于所述第二催化电极之下的第二气 体扩散介质层，以及位于所述第二气体扩散介质层之下的第极板。
全文摘要
本发明涉及用于燃料电池板的三维亲水多孔结构，一个实施方案包括用于燃料电池集流板的三维亲水多孔结构。
文档编号H01M4/86GK101582508SQ20081021476
公开日2009年11月18日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年5月13日
发明者T·谢 申请人:通用汽车环球科技运作公司