專利名稱：燃料電池元件的涂敷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂敷燃料電池元件的方法。
背景技術(shù)：
Angelopoulos等人的美國(guó)專利6,025,057公開了一種解決制造電子包(package)，例如印刷電路板的問題的方法，其中制造電子包的關(guān)鍵要求是要實(shí)現(xiàn)合當(dāng)?shù)腜d/Sn種子層催化負(fù)載量。Pd催化劑不足將在銅沉積電路層中產(chǎn)生空隙而產(chǎn)生開放電路。太多的催化劑會(huì)導(dǎo)致粘合失敗和橫向?qū)?。粘合失敗允許化學(xué)鍍?nèi)芤盒孤┑诫娐吩g的光致抗蝕劑和沉積銅的下面而引起短路。所公開的對(duì)該問題的解決方案包括在有機(jī)襯底，諸如由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂形成的電路板上沉積有機(jī)聚電解質(zhì)。膠態(tài)鈀錫種子層沉積在有機(jī)聚電解質(zhì)的上面。接著將光致成像聚合物沉積在種子層頂上，以及用照相平版印刷法形成光致成像聚合物的圖案，以暴露種子層的部分。采用銅的化學(xué)鍍沉積在種子層的暴露部分上沉積銅。在期望的種子催化劑涂層的合適的pH值從水溶液中沉積有機(jī)聚電解質(zhì)。有機(jī)聚電解質(zhì)的公開例子是丙烯酰胺和β-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基銨甲基硫酸鹽(beta-metacryloxy ethyl trimethyl ammonium methylsulfate)的共聚物。上述聚電解質(zhì)包括水解酰胺基，且該聚電解質(zhì)沉積在水溶液中的有機(jī)襯底上，其中該水溶液包含pH低于4的硫酸。在另一實(shí)施方案中，該聚電解質(zhì)沉積在水溶液中的有機(jī)襯底上，其中該水溶液包含pH大于10的氫氧化鈉。公開的另一種聚電解質(zhì)是陽(yáng)離子聚酰胺-胺。配置中性水溶液使聚電解質(zhì)的濃度在0.2至1.2克/公升的范圍內(nèi)。Pd/Sn膠態(tài)懸浮物的種子層沉積在聚電解質(zhì)上。
Angelopoulos等人在1997年12月7日授權(quán)的美國(guó)專利5,997,997公開了一種與制作電路結(jié)構(gòu)，諸如印刷電路板有關(guān)的問題的解決方案，其中傳統(tǒng)的化學(xué)電鍍方法經(jīng)常忍受過量種子沉積的困擾。電路板上存在過量的種子導(dǎo)致泄漏短路，由于不平整表面導(dǎo)致用于在種子層上形成電路板回路的光致抗蝕劑的粘附力差。過量的種子層也會(huì)在隨后的加工步驟中導(dǎo)致不希望的金屬鍍層。該公開的解決方案包括提供加工件，該加工件包括涂敷有聚合介電層的襯底。然后將具有聚合介電層的加工件在周圍環(huán)境氣氛下烘烤。其后，用聚合表面活性劑處理加工件，該聚合表面活性劑能夠以氫鍵結(jié)合聚合介電表面上的弱酸基。公開的聚合表面活性劑是具有酰胺基的陽(yáng)離子聚電解質(zhì)，諸如陽(yáng)離子聚丙烯酰胺或陽(yáng)離子聚酰胺-胺。聚合表面活性劑的分子量在105至107的范圍內(nèi)。公開的聚電解質(zhì)可以選用Polytech公司的商標(biāo)為“Polytech”的產(chǎn)品。
在與印刷電路板無(wú)關(guān)的領(lǐng)域中，制造燃料電池堆包括制造具有水管理特性的雙極板。疏水雙極板通道中液態(tài)膜的毛細(xì)管(capillary)驅(qū)動(dòng)的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致液體飽和以及燃料電池性能的損失。已經(jīng)顯示在雙極板的表面上引入親水官能團(tuán)的等離子處理可以消除液體飽和并提高燃料電池的性能。但是，這樣的等離子處理技術(shù)非常昂貴且費(fèi)時(shí)。因此，需要選擇其他的處理方法。一種這樣的選擇公開在受讓人的臨時(shí)美國(guó)專利申請(qǐng)60/707,705，名為“帶有包括納米粒子涂層的燃料電池(Fuel Cell Component With Coating Including Nanoparticles)”中。該方法包括將薄的親水納米粒子的涂層噴涂在雙極板表面上。但是，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在該方法中存在多個(gè)耐久性的相關(guān)問題，包括(1)涂層缺少顏色反射性表示涂層的覆蓋不連續(xù)，(2)有機(jī)酸和表面活性劑殘留在涂層上，以及(3)涂層的強(qiáng)度是粘著(cohesive)作用而不是粘合(adhesive)作用的結(jié)果(即涂層與襯底很少或沒有化學(xué)鍵合)。本發(fā)明提供現(xiàn)有技術(shù)的替代物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可以包括用于燃料電池元件的涂敷方法，其包括在燃料電池的元件上施涂包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液。
本發(fā)明的其他實(shí)施方案將通過下文的詳細(xì)描述變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)的說明書和具體實(shí)施例雖然表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但其目的僅在于舉例說明，而不擬限定本發(fā)明的范圍。


本發(fā)明將從詳細(xì)的說明書和附圖中變得更全面地被理解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法的方法流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的另一方法的方法流程圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的燃料元件，該元件具有聚電解質(zhì)聚合物的第一層和在其上的第二涂層材料。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的燃料元件，該元件具有聚電解質(zhì)聚合物的第一層和在其上的第二涂層材料。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的方法。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的方法。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的方法。
具體實(shí)施例方式
下面描述的優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，并不擬限制本發(fā)明及其應(yīng)用或用途。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括一種方法，該方法包括將包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液施涂于燃料電池元件。該聚電解質(zhì)聚合物可以包括陽(yáng)離子官能團(tuán)和/或陰離子官能團(tuán)。適合的陽(yáng)離子聚電解質(zhì)聚合物的例子包括但不局限于下列聚合物丙烯酰胺和季銨鹽的共聚物；聚酰胺-胺；聚烯丙基胺氫氯化物；環(huán)氧基偶氮聚合物；以及丙烯酸基偶氮聚合物。燃料電池元件適合的例子包括但不局限于雙極板、擴(kuò)散介質(zhì)和薄膜電極組件。第二涂層材料可以施涂于附著到燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。第二涂層材料可以包括負(fù)官能團(tuán)或正官能團(tuán)，它們從聚電解質(zhì)聚合物的官能團(tuán)中充有相反電荷，以便在聚電解質(zhì)的官能團(tuán)和第二涂層材料的官能團(tuán)之間形成離子鍵。例如，聚電解質(zhì)聚合物可以包括陽(yáng)離子官能團(tuán)，而第二涂層材料可以包括陰離子官能團(tuán)，以便正官能團(tuán)和負(fù)官能團(tuán)形成離子鍵，從而提高第二涂層材料對(duì)雙極板的附著力。例如，第二涂層材料可以包括但不局限于親水或疏水材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料可以包括納米粒子。適當(dāng)?shù)牡诙繉硬牧瞎_在受讓人的名為“帶有包括納米粒子涂層的燃料電池”的美國(guó)專利申請(qǐng)60/707,705中，這里該公開文本作為參考。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料包括親水材料，該親水材料包括帶負(fù)電荷的基團(tuán)，其可以與涂敷在燃料電池元件上的陽(yáng)離子聚合物(聚電解質(zhì))形成強(qiáng)離子鍵。
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的方法的方法流程圖。在該實(shí)施方案中，該方法的第一步驟100包括將聚電解質(zhì)聚合物的水溶液施涂于燃料電池元件，諸如雙極板上，以便至少一部分聚電解質(zhì)聚合物附著到該元件上。該方法的第二步驟102包括通過例如在去離子水中沖洗燃料電池元件將任何未附著的聚電解質(zhì)聚合物從燃料電池元件移除。該方法的第三步驟104包括將第二涂層材料施涂于附著到燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。該第二涂層材料例如可以是包括納米粒子的材料。
該方法的第四步驟106包括通過例如在去離子水中沖洗燃料電池板移除任何未附著到聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料?？梢灾貜?fù)步驟1至4(100-106)幾次，以建立聚電解質(zhì)聚合物和附著于其上的第二涂層材料的多個(gè)層。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的方法的方法流程圖。該方法的第一步驟108包括通過將燃料電池雙極板浸入預(yù)處理的例如65℃的溶液中三分鐘，以將油脂和/或污物從該板移除。在一個(gè)實(shí)施方案中，預(yù)處理溶液包括K2-級(jí)(FDA微電子級(jí))脫脂劑。該方法的第二步驟110包括將該板在例如57℃的去離子水的第一浴槽中沖洗一分鐘。該方法的第三步驟112包括將該板在例如57℃的去離子水的第二浴槽中沖洗一分鐘，以進(jìn)行清潔沖洗。該方法的第四步驟114包括將該板浸入包括第一聚電解質(zhì)聚合物的第一水溶液中例如大約兩分鐘，使得至少一部分聚電解質(zhì)附著到該板上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第一聚電解質(zhì)聚合物是陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，例如可選用CYTEC的Superfloc C-442或C-446。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺聚合物的另一個(gè)例子是來自Polytech Inc.的Polytech7M。該方法的第五步驟116包括將該板在例如57℃的去離子水的第三浴槽中沖洗一分鐘，以去除任何未附著的第一聚電解質(zhì)聚合物。該方法的第六步驟118包括將該板在例如57℃的去離子水的第四浴槽中沖洗一分鐘，以進(jìn)行清潔沖洗。該方法的第七步驟120包括將該板浸入例如57℃的包括第二涂層材料的第二水溶液中三分鐘。第二涂層材料可以包括親水的納米粒子，諸如可選用Nano-X的X-Tec 4014或3408。該方法的第八步驟122包括將該板在例如57℃的去離子水的第五浴槽中沖洗一分鐘，以去除任何未附著到第一聚電解質(zhì)聚合物上的未附著的第二涂層材料。該方法的第九步驟124包括將該板在例如57℃的去離子水的第六浴槽中沖洗一分鐘，以進(jìn)行清潔沖洗。該方法的第十步驟126包括重復(fù)步驟4至9(114-124)總共三個(gè)循環(huán)，以建立聚電解質(zhì)聚合物和其上的第二涂層材料的多個(gè)層。之后，該方法的第十一步驟128包括例如通過將該板放置到干燥架上10-15分鐘來干燥該板。
包括納米粒子的適當(dāng)?shù)牡诙繉硬牧系睦庸_在受讓人共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)60/707,705中，下文中將描述這樣的第二涂層材料的例子。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括燃料電池元件，該元件具有襯底，諸如雙極板，但并不限于此，其中該雙極板上具有聚電解質(zhì)聚合物以及在聚電解質(zhì)聚合物上的包括納米粒子的第二涂層材料。該納米粒子可以具有從大約2納米至大約100納米的尺寸范圍；優(yōu)選大約2納米至大約20納米；最優(yōu)選的是大約2納米至大約5納米。該納米粒子可以包括無(wú)機(jī)和/或有機(jī)材料。該第二涂層材料可以包括這樣的化合物，該化合物包括羥基、鹵化物、羧基、酮和/或醛的官能團(tuán)。該第二涂層材料可以制造燃料電池元件，諸如雙極板、親水性物質(zhì)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括其上具有聚電解質(zhì)聚合物的燃料電池元件和包括在聚電解質(zhì)聚合物上具有親水側(cè)鏈的納米粒子的永久親水涂層。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，永久親水涂層包括納米粒子，該納米粒子包括10至90wt％的無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，5至70wt％的親水性物質(zhì)，以及0至50wt％的有機(jī)側(cè)鏈，該有機(jī)側(cè)鏈具有至少一個(gè)官能團(tuán)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，親水側(cè)鏈?zhǔn)前被⒒撬狨?、硫酸酯、亞硫酸酯、磺酰胺、亞砜、羧酸酯、多元醇、聚醚、磷酸酯或膦酸酯基?br> 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料可以包括有機(jī)側(cè)鏈，并且其中有機(jī)側(cè)鏈的官能團(tuán)可以包括環(huán)氧基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、縮水甘油氧基、烯丙基、乙烯基、羧基、巰基、羥基(hydroxyl)、氨基化合物或氨基、異氰基、羥基(hydroxy)或硅烷醇基。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，涂層的pH值范圍是3至10。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案包括將漿料溶液沉積在燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。該漿料溶液包括納米粒子和媒介物，之后去除媒介物。該媒介物可以包括水、醇和/或其他合當(dāng)?shù)娜軇?。在一個(gè)實(shí)施方案中，漿料包括4-5wt％的納米粒子，其余部分為媒介物。在一個(gè)實(shí)施方案中，媒介物可以在大約80至180℃的溫度范圍內(nèi)被去除。固化周期的范圍從80℃時(shí)的10分鐘至180℃時(shí)的10秒鐘。
恰當(dāng)?shù)臐{料材料可選用Nano-X GmbH的商標(biāo)HP 3408和HP 4014。漿料材料可以提供永久親水涂層，該涂層能夠在燃料電池工作條件下存在超過2500小時(shí)。永久涂層可以在金屬，諸如鋁和高等級(jí)不銹鋼，聚合襯底和諸如雙極板的導(dǎo)電復(fù)合襯底上形成。
美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0237833描述的制造本發(fā)明中使用的漿料的多種方式將在下文中再次說明，在此引入該申請(qǐng)的公開內(nèi)容作為參考。
實(shí)施例1.將221.29克(1摩爾)3-氨基丙基三乙氧基硅烷添加至444.57克磺基丁二酸中，同時(shí)進(jìn)行攪拌，并在硅氧烷浴中加熱至120℃并持續(xù)五小時(shí)。反應(yīng)混合物冷卻后，將20克的粘性流體與80克(0.38摩爾)四乙氧基硅烷混合，并在100克乙醇中被吸收。然后該溶液與13.68克(0.76摩爾)的0.1N HCI溶液混合，并在40℃的浴槽中回火一整夜。這樣得到親水性納米粒子，該粒子具有大約2nm的反應(yīng)性瑞基。所得溶液用1/3的水和2/3的N-甲基吡咯烷酮(NMP)的混合物稀釋至固態(tài)物的含量為5％，并在厚度為10至20μm的濕膜中，通過噴涂將其施涂于玻璃板上。隨后，在150℃下，該襯底在循環(huán)氣體干燥箱中被壓緊3小時(shí)。
實(shí)施例2.將221.29克(1摩爾)3-氨基丙基三乙氧基硅烷添加至444.57克磺基丁二酸中，同時(shí)進(jìn)行攪拌。然后該溶液在硅氧烷浴中加熱至130℃。1小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間后，將332.93克的Levasil 300/30％型(pH＝10)的堿性穩(wěn)定的含水硅膠溶液添加至反應(yīng)溶液中，同時(shí)進(jìn)行攪拌。12小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間后，該混合物用水稀釋至固態(tài)物的含量為5％。這樣得到親水性納米粒子，該粒子具有大約15nm的反應(yīng)性端基。該系統(tǒng)通過大量水(inundation)施涂于等離子體激發(fā)的聚碳酸酯片材上，并隨后在130℃下在循環(huán)氣體干燥箱中干燥5小時(shí)。
實(shí)施例3.將123.68克(0.5摩爾)3-異氰酸根合丙基三乙氧基硅烷添加至600克(1摩爾)的聚乙二醇600中，并在添加0.12克月桂酸二丁基錫(相對(duì)于3-異氰酸根合丙基三乙氧基硅烷是0.1wt％)后，在硅氧烷浴中加熱至130℃。將25克(0.12摩爾)四乙氧基硅烷和33.4g(0.12摩爾)3-縮水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷添加至50克所得的溶液(溶液A)中，同時(shí)進(jìn)行攪拌。添加15.12克(0.84摩爾)的0.1N HCI溶液后，該混合物被水解，并在室溫中冷凝24小時(shí)。這樣得到親水性納米粒子，該粒子具有大約5nm的反應(yīng)性端基。
實(shí)施例4.將12.5克(0.05摩爾)3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，12.5克的20％CeO2水溶液(來自Aldrich)，和50克的乙醇添加至在實(shí)施例3中描述過的50克溶液A中，同時(shí)進(jìn)行攪拌以使混合物均勻，并且進(jìn)行48小時(shí)的親水化。在添加0.375克來自Ciba Spezialitaten Chemie的Ingacure 184(相對(duì)于3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷是3wt％)后，在厚度至多為30μm的濕膜中，通過噴涂將該混合物施涂于燃燒過的聚碳酸酯處材上，并在130℃下在循環(huán)氣體干燥箱中第一次干燥10分鐘。這之后，采用汞發(fā)射器進(jìn)行光化學(xué)干燥，其中Hg發(fā)射器的輻射輸出為1-2J/cm2。
本發(fā)明的范圍并不限制于上述的第二涂層材料和其制造方法，而且包括其他第二涂層材料，該材料包括在燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物上形成的納米粒子。下面描述第二涂層材料和其制造方法的另外實(shí)施方案。
例如，但不限于此，恰當(dāng)?shù)募{米粒子包括SiO2，其他金屬氧化物，諸如HfO2、ZrO2、Al2O3、SnO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO2、IrO2、RuO2，亞穩(wěn)態(tài)氧氮化物，非化學(xué)計(jì)量的金屬氧化物，氧氮化物，以及它們的包括碳鏈或包括碳的衍生物，或它們的混合物。
在一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料是親水的，且包括至少一個(gè)Si-O基團(tuán)、至少一個(gè)極性基團(tuán)和至少一個(gè)包括飽和或不飽和碳鏈的基團(tuán)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，極性基團(tuán)可以包括羥基、鹵化物、羧基、酮或醛官能團(tuán)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，碳鏈可以是飽和的或不飽和的，并且可以具有1至4個(gè)碳原子。第二涂層材料可以具有另外的元素或化合物，包括例如Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、稀土金屬、它們的合金、聚合碳或石墨，用以提高導(dǎo)電性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料包括Si-O基和Si-R基，其中R包括飽和或不飽和的碳鏈，以及其中Si-R基團(tuán)與Si-O基團(tuán)的摩爾比的范圍是從1/8至1/2，優(yōu)選是1/4至1/2。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料還包括羥基，以提高涂層的親水性。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案包括燃料電池元件，該燃料電池元件具有在其上帶有聚電解質(zhì)聚合物的一種元件和在聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料，并且其中涂層衍生自硅氧烷。硅氧烷可以是線性的、支化的或環(huán)狀的。在一個(gè)實(shí)施方案中，硅氧烷具有式R2SiO，其中R是烷基。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料衍生自具有下式的材料
其中R1、R2、R3、R4、R5和R6，每個(gè)可以是H、O、Cl或飽和的或不飽和的碳鏈，該碳鏈具有1至4個(gè)碳原子，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以是相同的或不同的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第二涂層材料衍生自具有下式的材料 其中R1、R2、R3、R4、R5和R6，每個(gè)可以是H、O、Cl或飽和的或不飽和的碳鏈，該碳鏈具有1至4個(gè)碳原子，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以是相同的或不同的，以及R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一個(gè)是具有至少一個(gè)碳原子的碳鏈。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括具有在其上的聚電解質(zhì)聚合物和在聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料的燃料電池元件，，其中第二涂層材料包括納米粒子，該粒子的尺寸在1至100nm范圍內(nèi)，優(yōu)選的是1-50nm，最優(yōu)選是1-10nm，其中該納米粒子包括包含硅、飽和或不飽和的碳鏈和極性基團(tuán)的化合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂層的平均厚度是80-100nm。
如圖3所示，燃料電池元件可以是雙極板，其包括較薄的襯底12，該襯底被沖壓以限定一個(gè)由多個(gè)臺(tái)階16和溝道14(氣體通過其流動(dòng))限定的氣體流動(dòng)區(qū)域。包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液可以沉積在雙極板的上表面18上，使得至少一部分聚電解質(zhì)聚合物附著到襯底12上以形成第一層20。包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液可以在襯底12被沖壓之前或之后沉積在上表面18上。之后，包括第二涂層材料的水溶液可以施涂于聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上并進(jìn)行干燥，以在聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上形成第二涂層材料22。襯底12可以是諸如不銹鋼的金屬，但不限于此。
參照?qǐng)D4，本發(fā)明的另一實(shí)施方案包括燃料電池雙極板10，該雙極板包括襯底12，該襯底被機(jī)械加工以限定一個(gè)由多個(gè)臺(tái)階16和溝道14(氣體通過其流動(dòng))限定的氣體流動(dòng)區(qū)域。包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液可以沉積在雙極板的上表面18上，使得至少一部分聚電解質(zhì)聚合物附著到襯底12上以形成第一層20。之后，包括第二涂層材料的水溶液可以施涂于聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上并進(jìn)行干燥，以在聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上形成第二涂層材料22。襯底12可以是諸如不銹鋼的金屬，但不限于此。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，在一個(gè)實(shí)施方案中，襯底12可以用聚電解質(zhì)聚合物的第一層20涂敷，并且掩模材料24可以選擇性地沉積在第一層20上。之后，第二涂層材料22可以沉積在第一層20和掩模材料24上。如圖6所示，掩模材料24和直接涂敷在掩模材料24上的第二涂層材料可以被移除，以留下第一層20上第二涂層材料22的選擇部分。該襯底12可以被沖壓，以便第二涂層材料22在氣體流動(dòng)區(qū)域的溝道14內(nèi)。包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液，和包括第二涂層材料的水溶液，每個(gè)都可以通過浸漬、噴涂、滾動(dòng)、刷涂或類似方法施涂或沉積在襯底12上。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7和8，在另一實(shí)施方案中，掩模材料24可以選擇性地沉積在襯底12的上表面18上。包括聚電解質(zhì)聚合物的第一層20可以在掩模材料24和襯底12上表面的暴露部分18′上形成。然后，在第一層20上形成第二涂層材料22。之后，如圖8所示，掩模24以及第一層20和第二涂層材料22直接涂敷在掩模材料24上的部分被移除。類似的掩模技術(shù)可以用于機(jī)械加工的襯底。
本發(fā)明的說明書實(shí)質(zhì)上僅僅是示例性的，并且因此不脫離本發(fā)明宗旨的變形也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變形不被認(rèn)為脫離了本發(fā)明的主旨和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括將包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液施涂于燃料電池元件上，使得至少一部分所述聚電解質(zhì)聚合物附著到所述元件的至少一部分上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池元件包括雙極板。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)聚合物包括陽(yáng)離子官能團(tuán)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)聚合物包括陰離子官能團(tuán)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將第二涂層材料施涂于附著在所述元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括將包括負(fù)官能團(tuán)的第二涂層材料施涂于附著在所述元件上的聚電解質(zhì)聚合物上，并使得負(fù)官能團(tuán)和正官能團(tuán)形成離子鍵。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括將親水涂層施涂于所述聚電解質(zhì)聚合物，并且其中所述親水涂層包括負(fù)官能團(tuán)。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括將包括納米粒子的水溶液施涂于附著在所述元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括施涂包含硅氧烷納米粒子的水溶液。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第二涂層材料包括丙烯酰胺和季銨鹽的共聚物；聚酰胺-胺；聚烯丙基胺氫氯化物；環(huán)氧基偶氮聚合物；或丙烯酸基偶氮聚合物中的至少一種。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第二涂層材料包括SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、SnO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO2、IrO2、RuO2、亞穩(wěn)態(tài)氧氮化物、非化學(xué)計(jì)量的金屬氧化物、氧氮化物以及它們的包括碳鏈或包括碳的衍生物、或它們的混合物中的至少一種。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將包括納米粒子的分散體施涂于附著在所述元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。
13.一種方法，包括(a)將聚電解質(zhì)聚合物的水溶液施涂于燃料電池元件上，使得至少一部分所述聚電解質(zhì)聚合物附著到所述元件的至少一部分上；(b)將任何未附著到所述燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物移除；(c)將第二涂層材料施涂于附著在所述元件上的聚電解質(zhì)聚合物上；以及(d)將任何未附著到所述聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料移除，其中所述聚電解質(zhì)聚合物附著在所述元件上。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括重復(fù)(a)-(d)幾次。
15.一種方法，包括(a)通過將燃料電池雙極板浸入在預(yù)處理溶液中而從該板移除油脂和污物；(b)在去離子水的第一浴槽中沖洗所述板；(c)在去離子水的第二浴槽中沖洗所述板；(d)將所述板浸在第一聚電解質(zhì)聚合物的第一水溶液中；(e)在去離子水的第三浴槽中沖洗所述板，以將任何未附著到所述板的第一聚電解質(zhì)聚合物移除；(f)在去離子水的第四浴槽中沖洗所述板；(g)將所述板浸入在第二分散體中，該第二分散體包括第二涂層材料；(h)在去離子水的第四浴槽中沖洗所述板，以將任何未附著到所述第一聚電解質(zhì)聚合物的第二涂層材料移除，其中所述第一聚電解質(zhì)聚合物附著在所述板上；(i)在去離子水的第五浴槽中沖洗所述板；(j)重復(fù)(d)-(l)三個(gè)循環(huán)；(k)干燥所述板。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第二涂層材料包括納米粒子。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中附著到所述板上的第一聚電解質(zhì)聚合物包括陽(yáng)離子官能團(tuán)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二涂層材料包括陰離子官能團(tuán)。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二涂層材料包括具有陰離子官能團(tuán)的納米粒子。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一聚電解質(zhì)聚合物包括丙烯酰胺和季銨鹽的共聚物；聚酰胺-胺；聚烯丙基胺氫氯化物；環(huán)氧基偶氮聚合物；或丙烯酸基偶氮聚合物中的至少一種。
21.一種方法，包括將包括聚電解質(zhì)聚合物的水溶液施涂于燃料電池元件上，使得至少一部分所述聚電解質(zhì)聚合物附著到所述元件的至少一部分上；將第二涂層材料施涂于附著到所述燃料電池元件上的聚電解質(zhì)聚合物上。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述燃料電池元件包括雙極板。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)聚合物包括陽(yáng)離子官能團(tuán)。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述聚電解質(zhì)聚合物包括陰離子官能團(tuán)。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括納米粒子，該納米粒子的尺寸范圍為大約2納米至大約100納米。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括納米粒子，該納米粒子包括無(wú)機(jī)或有機(jī)材料。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層包括納米粒子，該納米粒子包括親水性側(cè)鏈。
28.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括納米粒子，該納米粒子包括10至90wt％的無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，5至70wt％的親水物質(zhì)，以及0至50wt％的具有官能團(tuán)的有機(jī)側(cè)鏈。
29.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括氨基、磺酸酯、硫酸酯、亞硫酸酯、磺酰胺、亞砜、羧酸酯、多元醇、聚醚、磷酸酯或膦酸酯基中的至少一種。
30.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括具有官能團(tuán)的有機(jī)側(cè)鏈，并且其中所述有機(jī)側(cè)鏈的官能團(tuán)是環(huán)氧基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、縮水甘油氧基、烯丙基、乙烯基、羧基、巰基、羥基、氨基化合物或氨基、異氰基、羥基或硅烷醇基。
31.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述燃料電池元件包括襯底，該襯底包括金屬、聚合材料或?qū)щ姀?fù)合材料中的至少一種。
32.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、SnO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO2、IrO2、RuO2、亞穩(wěn)態(tài)氧氮化物、非化學(xué)計(jì)量的金屬氧化物、氧氮化物以及它們的包括碳鏈或包括碳的衍生物、或它們的混合物中的至少一種。
33.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括至少一個(gè)Si-O基團(tuán)、至少一個(gè)極性基團(tuán)和至少一個(gè)包括飽和或不飽和碳鏈的基團(tuán)。
34.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括極性基團(tuán)，該極性基團(tuán)包括羥基、鹵化物、羧基、酮和/或醛官能團(tuán)中的至少一種。
35.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、稀土金屬、它們的合金、聚合碳或石墨。
36.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括Si-O基團(tuán)和Si-R基團(tuán)，其中R包括飽和或不飽和的碳鏈，以及其中Si-R基團(tuán)與Si-O基團(tuán)的摩爾比的范圍是1/8至1/2，優(yōu)選是1/4至1/2。
37.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料包括衍生自硅氧烷的材料。
38.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二涂層材料衍生自具有下式的材料 其中R1、R2、R3、R4、R5和R6每個(gè)可以是H、O、Cl或飽和的或不飽和的碳鏈，該碳鏈具有1至4個(gè)碳原子，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以是相同的或不同的，以及R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一個(gè)是具有至少一個(gè)碳原子的碳鏈。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中R1、R2、R3、R4、R5或R6中的至少一個(gè)是具有一個(gè)碳原子的碳鏈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池元件的涂敷方法，包括采用水溶液涂敷燃料電池元件，該水溶液包括聚電解質(zhì)聚合物。
文檔編號(hào)C08J5/18GK101030643SQ20061014649
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者A·安格羅普洛斯, S·L·彼得斯 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司