專利名稱：對(duì)用于燃料電池組合件的膜進(jìn)行微波退火的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的溶液或懸浮液的涂層進(jìn)行微波退火，本發(fā)明還涉及對(duì)含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的溶液或懸浮液的涂層進(jìn)行微波退火以形成膜電極組合件(MEA)的膜。
背景技術(shù)：
典型的燃料電池系統(tǒng)包括動(dòng)力部分，其中一個(gè)或多個(gè)燃料電池產(chǎn)生電力。燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其將氫和氧轉(zhuǎn)化為水，在該過程中產(chǎn)生電和熱。每個(gè)燃料電池單元可包括位于中間的質(zhì)子交換膜(PEM)，以及位于PEM兩側(cè)的氣體擴(kuò)散層。陽極和陰極催化劑層分別位于氣體擴(kuò)散層的內(nèi)部。這種單元被稱為膜電極組合件(MEA)。隔板或流場(chǎng)板分別位于膜電極組合件的氣體擴(kuò)散層的外部。這種類型的燃料電池常常被稱為PEM燃料電池。
在燃料電池的單個(gè)MEA中的反應(yīng)，典型地產(chǎn)生小于1伏特的電壓?？梢詫⒍鄠€(gè)MEA堆疊，以串聯(lián)方式電連接，從而達(dá)到預(yù)期的電壓。從燃料電池堆中收集電流，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。燃料電池可以用來為多種應(yīng)用提供電力，所述應(yīng)用包括從汽車到筆記本電腦。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及用于制造涂層、薄膜(film)和膜(membrane)的方法和設(shè)備，所述涂層、薄膜和膜包括已經(jīng)受微波退火的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體。本發(fā)明還涉及使用涂層、薄膜和膜制得的制品，所述涂層、薄膜和膜包括已經(jīng)受微波退火的一種含離子的聚合物或含離子的聚合物前體。
“微波退火”在本文中是指一種對(duì)材料涂層進(jìn)行微波輻射的工藝。在該工藝中，材料可能會(huì)發(fā)生物理變化，如涂層的液體組分的蒸發(fā)，或者在分散體中分離的、并在澆注膜或涂層膜仍保持分離的聚合物粒子，結(jié)合形成一種邊界被減少或優(yōu)選被消除的連續(xù)固相。其他可能發(fā)生的變化為例如涂層的聚合物組分中晶相的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變，或涂層的含離子聚合物組分的離子基團(tuán)的聚集重排。
“熱退火”在本文中是指一種對(duì)材料涂層進(jìn)行加熱(例如在爐中)的工藝。微波退火或熱退火典型地改善了涂層的物理性質(zhì)。
“涂層”在本文中是指一種在基底上包括聚合物組分的干燥的或含液體的層。術(shù)語“涂層”可以和術(shù)語“澆注物(cast)”互換。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，一種制造薄膜的方法包括提供含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層，以及使該涂層微波退火以形成薄膜。使涂層微波退火可包括使涂層經(jīng)受微波輻射，持續(xù)足夠的時(shí)間，以使涂層達(dá)到或超過薄膜形成溫度。使涂層微波退火也可包括使涂層經(jīng)受微波輻射，其優(yōu)選激發(fā)(excite)涂層的溶劑，或優(yōu)選激發(fā)涂層中的水。使涂層微波退火可包括使涂層經(jīng)受微波輻射，其優(yōu)選激發(fā)涂層的聚合物的官能團(tuán)。
本發(fā)明的一種方法可包括在襯墊上提供涂層，和使襯墊上的涂層微波退火以在襯墊上形成薄膜。含離子的聚合物或含離子的聚合物前體可以包括例如芳族聚合物、含氟聚合物、含有磺酸酯官能團(tuán)的含氟聚合物、或由含氟聚合物膠乳衍生的含氟聚合物。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，一種制造用于燃料電池的膜電極組合件中的含離子膜的方法包括涂覆含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的溶液，以形成膜電極組合件的膜，以及使該膜微波退火。該膜可包括例如PEM，其可以被包含到燃料電池組合件中。
根據(jù)另一實(shí)施方案，用于制造燃料電池的MEA的子配件(sub-assembly)可包括包括含離子聚合物的膜，以及與該膜接觸的襯墊。該襯墊的上限使用溫度可約等于或低于與膜相關(guān)的薄膜形成溫度。膜可包括PEM。襯墊可包括例如聚烯烴。還例如，襯墊可由聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate)、聚酰亞胺或含氟聚合物形成。襯墊的上限使用溫度典型地為約80℃至約300℃。
以上的本發(fā)明概述不打算描述本發(fā)明的所有實(shí)施方案或所有實(shí)施方式。通過參考以下的詳細(xì)描述和權(quán)利要求書以及附圖，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和目的以及更全面的理解將變得顯而易見。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為流程圖，描述了一種制造薄膜的方法，該方法包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，對(duì)含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層進(jìn)行微波退火；圖2為流程圖，描述了一種在襯墊上制造薄膜的方法，該方法包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，對(duì)含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層進(jìn)行微波退火；圖3表示一種用于制造含離子的膜的設(shè)備，該膜用于燃料電池的膜電極組合件中，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，該設(shè)備利用對(duì)含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的澆注溶液進(jìn)行微波退火，以在襯墊上形成澆注膜；圖4表示基于如下兩種試驗(yàn)樣品得到的對(duì)照穿刺試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用常規(guī)熱退火方法制造的膜的試驗(yàn)樣品和根據(jù)本發(fā)明使用微波退火制造的膜的樣品；圖5表示一種燃料電池及其組分層，這些層可包含根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案使用微波退火制造的含離子的膜；和圖6表示一種具有單極流場(chǎng)板的成組(unitized)的電池組合件，其可以包含根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案使用微波退火制造的含離子的膜。
盡管本發(fā)明可允許進(jìn)行各種修改和替換，但通過附圖舉例顯示了本發(fā)明并將進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，其目的不在于將本發(fā)明限制于所述的具體實(shí)施方案。相反地，其目的在于包括所有落于由所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的修改、等價(jià)物和替換物。各種實(shí)施方案詳述在以下實(shí)施方案的描述中，參考了附圖，這些附圖成為本文的一部分，其中圖解說明了可實(shí)施的本發(fā)明的各種實(shí)施方案。應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以利用這些實(shí)施方案，并可進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變。
在用于燃料電池組合件的膜的背景下，一般地描述本發(fā)明的各個(gè)方面。盡管本發(fā)明的制造方法在用于燃料電池組合件的膜制備方面是特別有利的，但是應(yīng)理解，本發(fā)明的原理可在廣泛的各種用途中實(shí)施，其中含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層、薄膜或澆注物可受益于微波退火以達(dá)到期望的性質(zhì)。因此，下述的具體例證性實(shí)施方案是說明性的，而不是限制性的。
聚合物電解質(zhì)或聚合物電解質(zhì)前體是首先被澆注、被涂覆或另外由懸浮液或溶液成形為合適的形狀，優(yōu)選成形為薄層。可以使用任何合適的涂覆或澆注方法，包括但不限于刮棒涂布(bar coating)、噴涂、狹縫式涂布(slit coating)、刷涂、溶劑澆注或其它的形成方法；一種通過將溶劑擠出到襯墊或支撐體上所得的形成方法；一種通過將溶劑噴射或另外沉積到襯墊或支撐體上所得的形成方法；等等。
已知，例如制備用于膜電極組合件中的膜可在相對(duì)高的溫度下經(jīng)受熱退火。這類膜制備方法的例子描述于共有的美國專利第6,649,295號(hào)。盡管熱退火方法所制備的膜具有良好的機(jī)械性能，但是已確認(rèn)使膜熱退火是復(fù)雜工藝，并且由于所用的高溫及其他原因，難以擴(kuò)大生產(chǎn)。
已表明，根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)涂層膜進(jìn)行微波退火，可以成功地制備具有良好機(jī)械性能的膜，所述機(jī)械性能包括良好的抗穿刺性，所述膜至少比得上使用常規(guī)的熱退火工藝制備的膜。例如與熱退火相比，根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)涂層膜進(jìn)行微波退火，這提供了復(fù)雜性減少的膜制備方法。而且，根據(jù)本發(fā)明使涂層膜微波退火，能有利于大規(guī)模生產(chǎn)這種膜。此外，通過用高效的微波輻射源來取代相對(duì)無效的常規(guī)熱退火爐(其必須在指定的溫度下加熱很大的容積)，能實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。本發(fā)明的其他實(shí)施方案還包括組合使用微波和熱退火，以及使涂層變干。
參照?qǐng)D1，其表示概括的流程圖，描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案制造薄膜的方法。根據(jù)圖1所示方式制造薄膜的方法包括提供10含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層。利用微波輻射使涂層經(jīng)受退火12。含離子的聚合物前體是指包括如下基團(tuán)的聚合物，該基團(tuán)能夠轉(zhuǎn)換為離子基團(tuán)。術(shù)語“涂覆”是指刮棒涂布、噴涂、狹縫式涂布、刷涂、溶劑澆注或其它的形成方法；一種通過將溶劑擠出到襯墊或支撐體上所得的形成方法；一種通過將溶劑噴射或另外沉積到襯墊或支撐體上所得的形成方法；等等。
圖1所示的制造薄膜的方法還可包括使含離子的聚合物或含離子的聚合物前體熱退火。根據(jù)圖1制造薄膜的方法也可包括使涂層變干。
圖2為概括的流程圖，其描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案來制造薄膜的方法。根據(jù)圖2所示的方法，提供20襯墊，在該襯墊上提供22含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層。使涂層經(jīng)受微波退火24，以在襯墊上形成薄膜?？梢詫?shí)施如下薄膜制造方式作為連續(xù)薄膜制造工藝的一部分，該方式運(yùn)用如下步驟使在襯墊上的涂層微波退火，或者，該薄膜制造方式可作為批式制造工藝的一部分。
根據(jù)本發(fā)明可經(jīng)受微波退火以制造涂層、薄膜和膜的合適的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體包括芳族聚合物、含氟聚合物、含有磺酸酯官能團(tuán)的含氟聚合物、Nafion(DuPont Chemicals，Wilmington，Del.)和FlemionTM(Asahi Glass Co.Ltd.，Tokyo，Japan)。以上所包括的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體可以包括具有下式的側(cè)基YOSO2-CF2-CF2-O-CF(CF3)CF2-O-[聚合物骨架]，其中Y為陽離子；具有下式的側(cè)基YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]，其中Y為陽離子；或具有下式的側(cè)基YOSO2-(CF2)n-O-[聚合物骨架]，其中每個(gè)n獨(dú)立地為2-5。合適的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體可包括由含氟聚合物膠乳衍生的含氟聚合物。
合適的含離子的聚合物前體可包括磺酰氟基團(tuán)或磺酰氯基團(tuán)。這類包括磺酰氟基團(tuán)的含離子的聚合物前體的具體例子為FSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O-[聚合物骨架]。合適的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體可包括如下聚合物或共混聚合物，其當(dāng)量小于約1200，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)在約80℃至約155℃之間。合適的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體可具有在約700至約1200之間的當(dāng)量。
合適的含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的細(xì)節(jié)和其他描述公開于共有的美國專利第6,649,295和6,624,328號(hào)；美國專利申請(qǐng)公布第20040121210號(hào)；提交于2003年10月30日的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)10/697,768；和提交于2003年10月30日的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)10/697,831。
與熱退火工藝所需的比較昂貴的襯墊相比，根據(jù)本發(fā)明使涂層膜微波退火的顯著優(yōu)點(diǎn)包括使用相對(duì)不太昂貴的襯墊。用于常規(guī)熱退火工藝的襯墊或支撐體必須用相對(duì)昂貴的高溫材料來制造，必須承受例如高達(dá)200℃的爐溫。
相反地，用于與本發(fā)明的微波退火相關(guān)的襯墊或支撐體，可以由不太昂貴的上限使用溫度較低的材料形成。例如，襯墊的上限使用溫度可約等于或低于與膜相關(guān)的薄膜形成溫度。這類襯墊不能用于熱退火工藝中。這種薄膜形成溫度(或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)可低至約80℃，其典型的范圍是在約80℃至200℃之間。應(yīng)指出，在某些工藝中，薄膜形成溫度的上限范圍可達(dá)約300℃。合適的襯墊或支撐體包括由聚合材料制得的那些產(chǎn)品，所述聚合材料包括但不限于聚烯烴、聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺和含氟聚合物。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，其描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案用于制造含離子的膜的設(shè)備，該膜用于燃料電池的膜電極組合件中。圖3的簡(jiǎn)化圖例描繪了一種連續(xù)的膜制造工藝，該工藝夠大量生產(chǎn)用于膜電極組合件中的膜。設(shè)備50包括連續(xù)的滾動(dòng)良好的襯墊(continuous roll goodliner)52，其由驅(qū)動(dòng)設(shè)備58驅(qū)動(dòng)。設(shè)備50還包括刮棒涂布機(jī)、噴涂機(jī)、狹縫式涂布機(jī)、刷涂機(jī)或其他的溶劑澆注裝置56。在將溶液或懸浮液分配到襯墊52之前，可將脫模劑施加到襯墊52上。所述溶液或懸浮液包括前述的一類含離子的聚合物或含離子的聚合物前體。通過在微波輻射源55下面的襯墊55的控制器機(jī)構(gòu)來運(yùn)送膜54。將膜54在微波輻射源55下運(yùn)送并經(jīng)受微波退火。應(yīng)理解，微波輻射源相對(duì)于膜可以有其他定位(例如在膜的下面)。經(jīng)微波退火的膜54被運(yùn)送至下一工段(未顯示)，以進(jìn)行另外的處理或加工。
可以用各種方式來調(diào)整微波輻射源55，以有利于使膜54實(shí)際有效地微波退火。例如，可以調(diào)整微波輻射源55以優(yōu)選激發(fā)溶液或懸浮液的液體組分，所述溶液或懸浮液包括含離子的聚合物或含離子的聚合物前體。還例如，可以調(diào)整微波輻射源55以優(yōu)選激發(fā)溶液或懸浮液中的水。在另一個(gè)例子中，可以調(diào)整微波輻射源55以優(yōu)選激發(fā)溶液或懸浮液中的聚合物的官能團(tuán)。在還一個(gè)例子中，可以調(diào)整微波輻射源55以激發(fā)襯墊或支撐體的一些功能部件，在所述襯墊或支撐體上運(yùn)送澆注膜54。
如上述已簡(jiǎn)單討論的內(nèi)容，已表明，根據(jù)本發(fā)明原理使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶?，可成功地制備具有良好機(jī)械性能的膜，所述機(jī)械性能包括良好的抗穿刺性，所述膜至少比得上利用常規(guī)的熱退火工藝制造的膜，正如以下實(shí)施例和圖4所證明的。
實(shí)施例使用全氟離子鍵共聚物制得膜樣品，該共聚物由四氟乙烯和FSO2-(CF2)4-O-CF＝CF2單體(MV-4S)制備得到，當(dāng)量為980。MV-4S單體的制備方法描述于共有的和前面已包括的美國專利第6,624,328號(hào)。聚合物制備方法描述于共有的美國專利申請(qǐng)公布20040121210號(hào)。膜樣品的制備包括在共有的美國專利申請(qǐng)公布20040121210號(hào)中所描述的涂布設(shè)備上，在160℃下進(jìn)行涂覆和熱退火。
將一組膜樣品(如圖4所示，作為AGL數(shù)據(jù)點(diǎn))脫離襯墊，在油熱的層壓機(jī)上、在200℃下熱退火。多次通過同一膜，以產(chǎn)生不同的退火時(shí)間。將另一組膜樣品脫離襯墊，在Amana model#RFS9B微波爐(Amana，division of Maytag Corporation，Newton，Iowa)內(nèi)進(jìn)行微波退火，持續(xù)不同的時(shí)間。
使用5磅測(cè)力計(jì)和10微米尖頭來測(cè)量抗穿刺值。數(shù)據(jù)繪制于圖4中，其顯示了對(duì)于層壓機(jī)熱退火的膜(圖4中的ALG數(shù)據(jù))和微波退火的膜(圖4中的微波數(shù)據(jù))，抗穿刺性作為時(shí)間的函數(shù)。圖4中的數(shù)據(jù)表明，與經(jīng)受層壓機(jī)(即“熱罐(hot can)”)熱退火的膜相比，經(jīng)受微波退火的膜具有相似的或更好的抗穿刺性。
根據(jù)本發(fā)明使用微波退火制造的膜可被添加到各種類型、結(jié)構(gòu)和技術(shù)的燃料電池組合件和燃料電池堆中。圖5描繪了一種典型的燃料電池。燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其能使氫燃料和空氣中的氧氣結(jié)合，產(chǎn)生電、熱和水。燃料電池不利用燃燒，因此燃料電池幾乎不產(chǎn)生危險(xiǎn)的流出物(如果有的話)。燃料電池將氫燃料和氧氣直接轉(zhuǎn)化為電，并且能夠在比例如內(nèi)燃機(jī)高得多的效率下工作。
圖5所示的燃料電池110包括第一擴(kuò)散器/集流器(DCC)112，其鄰近陽極114。電解質(zhì)膜116鄰近陽極114。陰極118鄰近電解質(zhì)膜116，第二擴(kuò)散器/集流器119鄰近陰極118。在操作中，氫燃料被引入到燃料電池110的陽極部分，通過第一擴(kuò)散器/集流器112，通入陽極114。在陽極114，氫燃料被分解為氫離子(H+)和電子(e-)。電解質(zhì)膜116僅允許氫離子或質(zhì)子通過電解質(zhì)膜116到達(dá)燃料電池110的陰極部分。電子不能通過電解質(zhì)膜116，相反，它們以電流的形式流經(jīng)外部電路。這種電流能夠給電負(fù)載117如電動(dòng)機(jī)提供功力，或被導(dǎo)入到儲(chǔ)能裝置，如可充電電池。
用于PEM燃料電池中的PEM典型地是一種固體聚合物電解質(zhì)薄片，其允許氫離子通過，但仍可以隔離氣體反應(yīng)物。典型地，在膜的兩側(cè)涂覆高度分散的金屬或金屬合金粒子(例如鉑或鉑/釕)，它們是活性催化劑。PEM的膜優(yōu)選地由根據(jù)本發(fā)明原理使用微波退火制備的含離子的聚合物形成。MEA是PEM燃料電池如氫燃料電池的中心元件。如上面所討論的，典型的MEA包括聚合物電解質(zhì)膜(PEM)(也稱為離子導(dǎo)電膜(ICM))，其起到固體電解質(zhì)的作用。
氧通過第二擴(kuò)散器/集流器119流入到燃料電池110的陰極側(cè)。當(dāng)氧通入陰極118時(shí)，氧、質(zhì)子和電子結(jié)合，從而產(chǎn)生水和熱。
DCC也可以被稱為氣體擴(kuò)散層(GDL)。陽極和陰極的電極層在制造過程中被施加到PEM或DCC，只要它們處于在完成的MEA內(nèi)的PEM和DCC之間。有用的PEM厚度范圍在約200μm至約15μm之間。PEM優(yōu)選包括上述類型的含離子的聚合物膜。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以使用任何合適的DCC。典型地，DCC由包含碳纖維的片狀材料組成。DCC典型地為選自如下的碳纖維結(jié)構(gòu)織造和非織造的碳纖維結(jié)構(gòu)?？捎糜趯?shí)施本發(fā)明的碳纖維結(jié)構(gòu)可包括Toray復(fù)寫紙(Carbon Paper)、SpectraCarb復(fù)寫紙、AFN非織造碳布、Zoltek碳布等?？梢杂酶鞣N材料涂覆或浸漬DCC，所述材料包括碳粒子涂層、親水化處理物、和疏水化處理物如用聚四氟乙烯(PTFE)涂覆。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以使用任何合適的催化劑，其包括鉑黑或鉑粉、含有碳負(fù)載催化劑粒子的墨(如US 20040107869所述)、或納米結(jié)構(gòu)的薄膜催化劑(如US 6482763和US 5879827所述)?？梢酝ㄟ^任意合適的手段將催化劑施加到PEM或DCC，所述手段包括手工和機(jī)械方法，包括手刷、帶缺口的刮棒涂布(notch bar coating)、帶流體的模具涂布、繞線桿涂(rod coating)、帶流體的涂布、槽饋刮刀涂布(slot-fed knife coating)、三輥涂布或貼花轉(zhuǎn)印(decal transfer)?？梢栽谝环N或多種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)涂覆。
可以將如圖5所示的單獨(dú)的燃料電池包裝成為成組的燃料電池組合件。這種成組的燃料電池組合件在本文中稱為成組電池組合件(UCA)，能夠與許多其他UCA聯(lián)合以形成燃料電池堆。UCA可以與多個(gè)UCA在電池堆內(nèi)串聯(lián)電連接，這決定了電池堆的總電壓，每個(gè)電池的活性表面積決定了總電流。將總電池堆的電壓乘以總電流可確定由所給燃料電池堆產(chǎn)生的總電功率。
本發(fā)明的UCA包裝方法可以用來構(gòu)建PEM燃料電池組合件。PEM燃料電池具有高功率密度，能夠快速改變其輸出以滿足所需功率的變化，并很好地適合于需要快速啟動(dòng)的各種用途，如在汽車中。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6，其表示根據(jù)PEM燃料電池技術(shù)進(jìn)行的UCA實(shí)施方案，其包括了上述的一類含離子的聚合物膜。如圖6所示，UCA 120的MEA 125包括五個(gè)組分層。PEM層122夾在DCC層124和126之間，或夾在例如氣體擴(kuò)散層(GDL)之間。陽極催化劑130位于第一DCC 124和含離子的聚合物膜122之間，而陰極催化劑132位于膜122和第二DCC 126之間。
在一種結(jié)構(gòu)中，制造的PEM層122包括在一個(gè)表面上的陽極催化劑涂層130和在另一表面上的陰極催化劑涂層132。這種結(jié)構(gòu)常常被稱為催化劑涂層膜或CCM。根據(jù)另一種結(jié)構(gòu)，制造的第一和第二DCC124、126分別包括陽極和陰極催化劑涂層130、132。
DDC 124、126典型地由碳纖維紙、或非織造材料、或織造布制得。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，DCC 124、126可以在一側(cè)具有碳粒子涂層。所制造的上述DCC 124、126可包括或不包括催化劑涂層。
在圖6所示的具體實(shí)施方案中，MEA 125顯示被夾在第一封邊系統(tǒng)134和第二封邊系統(tǒng)136之間。封邊系統(tǒng)134、136在UCA包裝內(nèi)提供必要的密封，以隔離各種流體(氣體/液體)運(yùn)送和反應(yīng)區(qū)域，防止相互污染和防止不適當(dāng)?shù)仉x開UCA 120，還可提供在流場(chǎng)板140、142之間的電絕緣和硬停機(jī)壓縮控制(hard stop compression control)。
流場(chǎng)板140、142分別位于靠近第一和第二封邊系統(tǒng)134和136的位置。流場(chǎng)板140、142分別包括如下場(chǎng)氣流通道143，以及使氫和氧供應(yīng)燃料通過的口。流場(chǎng)板140、142還可包括冷卻劑通道和口。冷卻劑通道被包括在流場(chǎng)板140、142的表面，與包括氣流通道143的表面相對(duì)。
在如圖6所示的結(jié)構(gòu)中，流場(chǎng)板140、142被構(gòu)造成單極流場(chǎng)板，其中單個(gè)MEA 125被夾在它們之間。在這個(gè)或其他的實(shí)施方案中，流場(chǎng)可以為低橫向流量的流場(chǎng)(low lateral flux flow field)，如共有的美國專利申請(qǐng)公布US 20030059662號(hào)所公開的內(nèi)容。應(yīng)理解，通過利用一個(gè)或多個(gè)雙極流場(chǎng)板，可以完成UCA或多電池組合件(MCA)以包括多個(gè)MEA 125。這樣的UCA或MCA可以包括雙極流場(chǎng)板，其含有整體冷卻通道。
如圖5和圖6所示的結(jié)構(gòu)代表了兩種特殊的布置，它們可被實(shí)施以用于燃料電池組合件的情況，該組合件包括根據(jù)本發(fā)明使用微波退火方法制造的含離子的聚合物膜。提供這兩種布置僅是為了說明，而不是為了代表在本發(fā)明范圍內(nèi)的所有可能的結(jié)構(gòu)。
為了說明的目的，已提出了以上本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案的描述。但不打算排除或?qū)⒈景l(fā)明限制于所公開的具體形式。依照上述指導(dǎo)，可能有許多修改和變化。本發(fā)明的范圍不應(yīng)限于這些詳細(xì)描述，而是由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種制造薄膜的方法，包括提供涂層，其包括含離子的聚合物或含離子的聚合物前體；和使涂層微波退火。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使涂層退火包括使涂層經(jīng)受微波輻射，持續(xù)足夠的時(shí)間，以使涂層達(dá)到或超過薄膜形成溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使涂層微波退火包括使涂層經(jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)涂層的液體組分。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使涂層微波退火包括使涂層經(jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)涂層中的水。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使涂層微波退火包括使涂層經(jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)涂層中的聚合物的官能團(tuán)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在襯墊上提供涂層，以及使該涂層微波退火以在襯墊上形成薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中含離子的聚合物或含離子的聚合物前體包括芳族聚合物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中含離子的聚合物或含離子的聚合物前體包括含氟聚合物。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中含離子的聚合物或含離子的聚合物前體包括具有磺酸酯官能團(tuán)的含氟聚合物。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中含離子的聚合物或含離子的聚合物前體包括由含氟聚合物膠乳衍生的含氟聚合物。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使含離子的聚合物或含離子的聚合物前體熱退火。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使涂層變干。
13.一種制造用于燃料電池的膜電極組合件中的含離子膜的方法，包括涂覆含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的溶液或懸浮液，以形成膜電極組合件的膜；和使該膜微波退火。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中膜包括質(zhì)子交換膜。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使膜微波退火包括使膜經(jīng)受微波輻射，持續(xù)足夠的時(shí)間，以使涂層達(dá)到或超過薄膜形成溫度。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使膜微波退火包括使?jié)沧⒛そ?jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)溶液的液體組分。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶鸢ㄊ節(jié)沧⒛そ?jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)溶液中的水。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶鸢ㄊ節(jié)沧⒛そ?jīng)受微波輻射，由此優(yōu)選激發(fā)溶液中的聚合物的官能團(tuán)。
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶鸢ǜ鶕?jù)連續(xù)制造方法使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶稹?br> 20.如權(quán)利要求13所述的方法，其中涂覆溶液或懸浮液包括將溶液涂覆到襯墊上；和使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶鸢ㄔ跐沧⒛の挥谝r墊上的情況下，使?jié)沧⒛の⒉ㄍ嘶稹?br> 21.一種膜電極組合件，包括按權(quán)利要求13的方法制備的膜。
22.一種包括膜電極組合件的燃料電池，該膜電極組合件的膜由權(quán)利要求13的方法制得。
23.一種用于制造燃料電池的膜電極組合件中的子配件，包括包括含離子的聚合物的膜；和與該膜接觸的襯墊，該襯墊的上限使用溫度約等于或低于與該膜相關(guān)的薄膜形成溫度。
24.如權(quán)利要求23所述的子配件，其中膜包括質(zhì)子交換膜。
25.如權(quán)利要求23所述的子配件，其中襯墊包括聚烯烴。
26.如權(quán)利要求23所述的子配件，其中襯墊由選自如下的材料形成聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺和含氟聚合物。
27.如權(quán)利要求23所述的子配件，其中薄膜形成溫度的范圍是從約80℃至約300℃。
全文摘要
本發(fā)明提供了制造薄膜的方法，該方法包括提供含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的涂層，以及利用微波輻射使該涂層退火以形成薄膜。本發(fā)明還提供了制造用于燃料電池的膜電極組合件中的含離子膜的方法，該方法包括涂覆含離子的聚合物或含離子的聚合物前體的溶液以形成膜電極組合件的澆注膜，以及利用微波使該澆注膜退火。澆注膜可包括例如PEM，其可以被包含在燃料電池組合件中。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101095201SQ200580045539
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者史蒂文·J·漢羅克, 邁克爾·A·揚(yáng)德拉希茨, 亞當(dāng)·M·普爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司