專利名稱:在雙極板上沉積納米顆粒涂層以及從該雙極板的槽脊上除去納米顆粒涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本申請涉及一種涂覆燃料電池組件的方法。
背景技術(shù):
Angelopoulos等人的US專利號6,025,057公開了一種解決制作電子組件例如印刷電路板問題的辦法,其中制作該組件的主要要求是實現(xiàn)適當?shù)腜d/Sn種子層(seed layer)催化劑擔載。Pb催化劑不足將導致在銅沉積電路層中產(chǎn)生空隙,產(chǎn)生斷路。催化劑太多能夠引起粘結(jié)失效和橫向傳導。粘結(jié)失效使得非電解電鍍?nèi)芤涸诠饪棠z下面泄漏并且在導致短路的電路元件之間沉積銅。公開的解決該問題的技術(shù)方案包括在有機基板上,例如由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂形成的電路板上沉積有機聚合物電解質(zhì)。將膠狀鈀-錫種子層沉積在有機聚合物電解質(zhì)上部。接著在種子層的上部沉積可光成像的聚合物,然后利用光刻法對該可光成像的聚合物進行構(gòu)圖而沒有覆蓋種子層部分。使用銅的非電解沉積將銅沉積在種子層中未覆蓋部分上。在對于所需種子催化劑涂層適合的pH下將有機聚合物電解質(zhì)從水溶液中沉積出來。公開的有機聚合物電解質(zhì)的例子是丙烯酰胺和β-甲基丙烯酰氧基(metacryloxy)乙基三甲基銨甲基硫酸鹽的共聚物。上述聚合物電解質(zhì)包括水解的氨基基團并且在pH低于4的含硫酸的水溶液中被沉積到有機基板上。在另一個公開的實施方案中,聚合物電解質(zhì)在pH大于10的含氫氧化鈉的水溶液中沉積到有機基板上。公開的另一個聚合物電解質(zhì)是陽離子聚酰胺-胺。采用濃度在0.2到1.2克/升的聚合物電解質(zhì)將中性水溶液展開。在聚合物電解質(zhì)上沉積Pd/Sn膠狀懸浮液種子層。
1999年12月7日出版的Angelopoulos等人的US專利No.5,997,997公開了一種解決涉及制造電路化結(jié)構(gòu),例如印刷電路板這一問題的辦法,其中傳統(tǒng)無電電鍍方法經(jīng)常遭受過度種子沉積。在電路板上存在過量的種子導致泄漏短路、因不平坦的表面而引起種子層上用于將電路板電路化的光刻膠的粘結(jié)性差。過量的種子層還能夠在接下來的工序中導致不想要的金屬鍍層。公開的技術(shù)方案包括提供工件,該工件包括涂覆有聚合物電介質(zhì)層的基板。然后將該具有聚合物電介質(zhì)層的工件在周圍環(huán)境大氣中烘焙。此后,用聚合物表面活性劑處理該工件,該聚合物表面活性劑可以是在聚合物電介質(zhì)的表面上與弱酸基團鍵合的氫。公開的聚合物表面活性劑是具有氨基基團的陽離子聚合物電解質(zhì),例如聚合丙烯酰胺或陽離子聚酰胺一胺。聚合物表面活性劑的分子量范圍在105到107。公開的聚合物電解質(zhì)可以使用Polytech,Inc的商標為“Polytech”的聚合物電解質(zhì)。
在不涉及印刷電路板的領(lǐng)域中,燃料電池堆疊體的制造包括制造具有控制水特征的雙極板。疏水雙極板溝槽中液體膜的毛細驅(qū)動不穩(wěn)定性能夠?qū)е乱后w飽和以及燃料電池性能的損失。在雙極板表面上引入親水官能團的等離子體處理已經(jīng)顯示出了消除液體飽和并且改進燃料電池性能。然而,這種等離子體處理技術(shù)費用非常昂貴并且耗時。因此,需要選擇可替代的處理方式。在受讓人的題目為“具有包含納米顆粒的涂層的燃料電池組件”的臨時美國專利申請?zhí)?0/707,705中公開了一種處理方式選擇,其中公開的實施方案中包括在雙極板表面上噴涂疏水納米顆粒的薄涂層。然而,申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一定條件下很多對耐久性的擔憂存在于包括下述方面的過程中(1)缺乏涂層顏色反射力暗示由涂層覆蓋是不相干的,(2)有機酸和表面活性劑殘余物與涂層一起保留,以及(3)涂層的強度是粘接的結(jié)果而不是粘接相互反應的結(jié)果(即,涂層幾乎不或者沒有化學鍵合到基板上)。本發(fā)明提供了現(xiàn)有技術(shù)的替代辦法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施方案包括一種方法,其包括將燃料電池雙極板浸沒到包含納米顆粒和由納米顆粒分散劑組成的液相浴中,并且其中雙極板包括具有形成在其中的多個槽脊和溝槽的上表面,將燃料電池雙極板從浴槽中移出,使得在涂層是濕的并且在將涂層干燥并且固化之前包含納米顆粒的涂層粘附在燃料電池雙極板上,將包含納米顆粒的涂層從雙極板的槽脊上除去,將包含納米顆粒的涂層留在溝槽中并且干燥涂層。
本發(fā)明的另一個實施方案將從此后提供的詳細描述中變得顯而易見。應當理解詳細描述和具體實施例在表示本發(fā)明代表性實施方案的時候,目的僅是說明并且不是要限制本發(fā)明的范圍。
從下面的詳細描述和附圖中將更加全面地理解本發(fā)明,其中圖1是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的方法的工藝流程圖。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的另一種方法的工藝流程圖。
圖3說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的具有第一層聚電解質(zhì)聚合物和其上的第二涂層材料的燃料組件。
圖4說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的具有第一層聚電解質(zhì)聚合物和其上的第二涂層材料的燃料組件。
圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的方法。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的方法。
圖7說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的方法。
圖8說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的方法。
圖9說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的產(chǎn)品。
圖10說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的方法。
具體實施例方式
下述實施方案的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的并且不是要限制本發(fā)明、其應用或用途。
本發(fā)明的一個實施方案包括一種方法,其包括將包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液涂覆到燃料電池組件上。聚電解質(zhì)聚合物可以包括陽離子官能團和/或陰離子官能團。合適的陽離子聚電解質(zhì)聚合物的例子包括但不局限于下述丙烯酰胺和季氨鹽的共聚物;聚酰胺-胺、聚丙烯胺氫氧化物、基于環(huán)氧基的偶氮聚合物以及基于丙烯酸的偶氮聚合物。合適的燃料電池組件的例子包括但不局限于雙極板、擴散介質(zhì)以及膜電極組件。第二涂層材料可以被涂覆到粘附到燃料電池組件上的聚電解質(zhì)聚合物上。作為例子,第二涂層可以包括但不局限于親水或疏水材料。在一個實施方案中,第二涂層材料可以包括納米顆粒。在受讓人的美國專利申請序號為60/707,705的題目為“具有包含納米顆粒的涂層的燃料電池組件”中公開了合適的第二涂層材料,在此結(jié)合其公開的內(nèi)容作為參考。在本發(fā)明的一個實施方案中,第二涂層材料包括帶有負電荷基團的親水材料,其中該帶有負電荷的基團能夠與燃料電池組件上涂覆的陽離子聚合物(聚電解質(zhì))形成強離子鍵。
圖1是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的方法的工藝流程圖。在該實施方案中,該方法的第一步100包括將聚電解質(zhì)聚合物水溶液涂覆到燃料池組件,例如雙極板上。該方法的第二步102包括通過例如在去離子水中清洗燃料電池組件,將任何未粘附的聚電解質(zhì)聚合物從燃料電池組件上除去。該方法的第三步104包括將第二涂層材料涂覆到粘附在燃料電池組件上的聚電解質(zhì)聚合物上。第二涂層材料可以是,例如包含納米顆粒的材料。
該方法的第四步106包括通過例如在去離子水中清洗燃料電池板,將任何未粘附到聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料上除去??梢詫⒉襟E1到4(100-106)重復幾次以構(gòu)建多層聚電解質(zhì)聚合物和粘附在其上的第二涂層材料。
在本發(fā)明的一個實施方案中,燃料電池組件為雙極板,其包括由在雙極板上表面中形成的多個槽脊和溝槽限定的氣體流場。本發(fā)明的第五步107包括在涂層仍然是濕的而沒有干燥固化的時候?qū)⑼繉硬牧蠌碾p極板的槽脊上除去。涂層留在雙極板的溝槽中。本發(fā)明的一個實施方案包括發(fā)現(xiàn)在包含納米顆粒的涂層仍然是濕的時候,即使在聚電解質(zhì)涂層已經(jīng)涂覆到雙極板上以增強納米顆粒涂層在板上的粘附時,仍能夠容易地從雙極板上除去。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的方法的工藝流程圖。該方法的第一步108包括將雙極板浸沒到預處理溶液中,例如在65℃下浸沒三分鐘,將油脂和/或雜質(zhì)從燃料電池雙極板上除去。預處理溶液的一個實施方案包括K2-級(FDA微電子級)脫脂劑。該方法的第二步110包括在第一去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘。該方法的第三步112包括在第二去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘,從而完成清潔沖洗。該方法的第四步114包括將該雙極板浸沒在包含第一聚電解質(zhì)聚合物的第一水溶液中,例如大約兩分鐘。在本發(fā)明的一個實施方案中,第一聚電解質(zhì)聚合物為陽離子聚丙烯酰胺,例如由CYTEC得到的Superfloc C-442或C-446。陽離子聚丙烯酰胺聚合物的另一個例子是由Polytech,Inc得到的Polytech 7M。該方法的第五步116包括在第三去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘以除去任何未粘附的第一聚電解質(zhì)聚合物。該方法的第六步118包括在第四去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘,從而完成清潔沖洗。該方法的第七步120包括將該雙極板浸沒到包含第二涂層材料的第二水溶液中,例如在57℃下浸沒三分鐘。第二涂層材料可以包括親水納米顆粒,例如由Nano-X得到的X-Tec 4014或3408。該方法的第八步122包括在第五去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘以除去任何未粘附到第一聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料。該方法的第九步124包括在第六去離子水浴中清洗該雙極板,例如在57℃下清洗一分鐘,從而完成清潔沖洗。該方法的第十步126包括重復步驟4到9(114-124)總計三次循環(huán),構(gòu)建多層聚電解質(zhì)聚合物和其上的第二涂層材料。該方法的第十一步127包括在涂層仍然是濕的并且沒有被干燥且固化的時候,從雙極板的槽脊上除去涂層材料。涂層留在雙極板的溝槽中。此后,該方法的第十二步驟128包括例如通過將雙極板在干燥臺上放置10-15分鐘使雙極板干燥。
受讓人的美國專利申請序號為60/707705中公開了包括納米顆粒的第二涂層材料的合適例子,以下對這種第二涂層材料的例子進行描述。本發(fā)明的一個實施方案包括具有基板的燃料電池組件,例如但不局限于其上具有聚電解質(zhì)聚合物的雙極板以及在聚電解質(zhì)聚合物上包含納米顆粒的第二涂層材料。納米顆粒的尺寸范圍可以在大約2到大約100納米;優(yōu)選在大約2到大約20納米;并且最優(yōu)選在大約2到大約5納米。納米顆粒可以包括無機和/或有機材料。第二涂層材料可以包括包含羥基、鹵素、羰基、酮和/或醛官能團的化合物。第二涂層材料可以使燃料電池組件,例如雙極板成為親水性的。
本發(fā)明的一個實施方案包括其上具有聚電解質(zhì)聚合物和包括在聚電解質(zhì)聚合物上具有親水側(cè)鏈的納米顆粒的持久親水涂層的燃料電池組件。
在本發(fā)明的一個實施方案中,包含納米顆粒的持久親水涂層包含10到90重量%的無機結(jié)構(gòu)、5到70重量%的親水側(cè)鏈的和0到50重量%的具有官能團的有機側(cè)鏈。在本發(fā)明的一個實施方案中,親水側(cè)鏈是氨基、磺酸根、硫酸根、亞硫酸根、磺酰胺、亞砜、羧酸根、多元醇、聚醚、磷酸根或膦酸基團。
在本發(fā)明的一個實施方案中,第二涂層材料可以包括有機側(cè)鏈,并且其中有機側(cè)鏈的官能團為環(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、酰胺或氨基、異氰基、含羥基的或硅醇基團。在本發(fā)明的一個實施方案中涂層的pH為3到10。
本發(fā)明的另一個實施方案包括在燃料電池組件上的聚電解質(zhì)聚合物上沉積包含納米顆粒和載體的漿料狀溶液,然后把載體驅(qū)逐出去。載體可以包括水、酒精和/或其他合適的溶劑。在一個實施方案中,漿料包括4-5重量%的納米顆粒,其余部分為載體。在一個實施方案中,載體可以在大約80℃到大約180℃的溫度下被驅(qū)逐出去。固化周期范圍可以在從80℃下的10分鐘到180℃下的10秒鐘的范圍內(nèi)。
合適的漿料材料可以從Nano-X Gmbh以商標名HP 3408和HP 4014得到。漿料材料可以提供能夠在燃料電池運行條件下保存多于2500小時的持久親水涂層。持久涂層可以在金屬例如鋁和高級別的不銹鋼、聚合基板和導電復合基板例如雙極板上形成。
美國專利申請?zhí)?004/0237833,在此結(jié)合其公開內(nèi)容作為參考,描述了制作在本發(fā)明中有用的漿料的多種方法,以下對其進行重復。
實施例1。將221.29g(1mol)3-氨基丙基三乙氧基硅烷添加到444.57g磺基琥珀酸中,同時攪拌并加熱到120℃,在硅油浴中保持5小時。在反應混合物冷卻之后,將20g粘性流體和80g(0.38mol)四乙氧基硅烷混合,然后吸收在100g乙醇中。然后將該溶液與13.68g(0.76mol)0.1N的HCl溶液混合,在40℃下在水浴中回火過夜。這得到了大約2nm具有反應性端基的親水納米顆粒。用1/3的水和2/3的N-甲基吡咯烷酮(NMP)的混合物將得到的溶液稀釋到固體物質(zhì)含量為5%,然后通過噴涂涂覆到玻璃基板上,濕膜厚度為10到20μm。接著,將該基板在循環(huán)空氣干燥箱內(nèi)在150℃下壓實3小時。
實施例2。將221.29g(1mol)3-氨基丙基三乙氧基硅烷添加到444.57g磺基琥珀酸中,同時攪拌。然后將該溶液在硅油浴中加熱到150℃。在1小時反應時間之后,332.93g Levasil 300/30%型堿穩(wěn)定化的硅膠水溶液(pH=10)添加到該反應溶液中,同時攪拌。在反應12個小時之后,用水將該混合物稀釋到固體物質(zhì)含量為5%。這得到了大約15nm具有反應性端基的親水納米顆粒。通過淹沒將該體系涂覆到等離子體活化的聚碳酸酯片材上,接著在循環(huán)空氣干燥箱內(nèi)在130℃下壓實5小時。
實施例3。將123.68g(0.5mol)3-異氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷添加到600g(1mol)聚乙二醇600中,然后在硅油浴中加熱到130℃,在添加0.12g二丁基二月桂酸錫(相對于3-異氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷為0.1wt%)之后,將25g(0.12mol)四乙氧基硅烷和33.4g(0.12mol)3-縮水甘油氧基(glycidyloxy)丙基四乙氧基硅烷添加到50g得到的溶液中(溶液A),同時攪拌。在添加15.12g(0.84mol)0.1NHCl溶液之后,將混合物進行水解并且在室溫下冷凝24小時。這得到了大約5nm具有反應性端基的親水納米顆粒。
實施例4。將12.5g(0.05mol)3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、12.5g的20%CeO2水溶液(來自Aldrich)和50g乙醇添加到50g示例性實施方案3中描述的溶液A中,同時攪拌以使混合物均勻,進行親水化48小時。在添加0.375g來自Ciba Spezialitaten Chemie(相對于3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷為3wt%)的Ingacure 184之后,通過噴涂將混合物涂覆到燒過的聚碳酸酯片材上,濕膜厚度至多為30μm,首先在循環(huán)空氣干燥箱內(nèi)在130℃下熱干燥10分鐘。隨后用輻射輸出為1-2J/cm2的Hg發(fā)射器進行光化學干燥。
本發(fā)明的范圍不局限于上述描述的第二涂層材料及其制造方法,而是還包括其他第二涂層材料,包括在燃料電池組件上的聚電解質(zhì)聚合物上形成的納米顆粒。下面對第二涂層材料及其制造方法的其他實施方案進行描述。
合適的納米顆粒例如,但是不局限于SiO2、其他金屬氧化物例如HfO2、ZrO2、Al2O3、SnO2、Ta2O5、Nb2O5、MoO2、IrO2、RuO2、亞穩(wěn)的氮氧化物、非化學計量的金屬氧化物、氮氧化物及其包括碳鏈或包括碳的衍生物以及它們的混合物。
在一個實施方案中,第二涂層材料是親水的并且包括至少一個Si-O基團、至少一個極性基團和至少一個包含飽和或不飽和碳鏈的基團。在本發(fā)明的一個實施方案中,極性基團可以包括羥基、鹵素、羰基、酮或醛官能團。在本發(fā)明的一個實施方案中,碳鏈可以是飽和的或者不飽和的并且可以具有1到4個碳原子。第二涂層材料可以具有添加元素或化合物,包括例如Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、稀土金屬及其合金、聚合物碳或石墨以改善導電性。
在本發(fā)明的一個實施方案中,第二涂層材料包括Si-O基團和Si-R基團,其中R包括飽和或不飽和碳鏈,并且其中Si-R基團對Si-O基團的摩爾比范圍為1/8到1/2,優(yōu)選在1/4到1/2。在本發(fā)明的另一個實施方案中,第二涂層材料還包括羥基基團以改善涂層的親水性。
本發(fā)明的另一個實施方案包括燃料電池組件,其具有其上具有聚電解質(zhì)聚合物和位于聚電解質(zhì)聚合物上面的第二涂層材料的組件,并且其中涂層源自硅氧烷。該硅氧烷可以是直鏈的、支鏈的或者環(huán)狀的。在一個實施方案中,該硅氧烷具有通式R2SiO并且其中R為烷基。
在本發(fā)明的另一個實施方案中,第二涂層材料來自具有下述通式的材料 其中,R1、R2、R3、R4、R5和R6每個可以是H、O、Cl或具有1-4個碳原子的飽和或不飽和碳鏈,并且其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以相同或者不同。
在本發(fā)明的另一個實施方案中,第二涂層材料源自具有下述通式的材料 其中,R1、R2、R3、R4、R5和R6每個可以是H、O、Cl或具有1-4個碳原子的飽和或不飽和碳鏈,并且其中R1、R2、R3、R4、R5和R6可以相同或者不同,并且R1、R2、R3、R4、R5或R6中至少一個為具有至少一個碳原子的碳鏈。
本發(fā)明的另一個實施方案包括燃料電池組件,其具有其上具有聚電解質(zhì)聚合物和位于聚電解質(zhì)聚合物上面的第二涂層材料的組件,并且其中第二涂層材料包括尺寸范圍為1到100納米,優(yōu)選為1-50納米,最優(yōu)選為1-10納米的納米顆粒,并且其中納米顆粒包括包含硅、飽和或不飽和碳鏈以及極性基團的化合物。在一個實施方案中,第二涂層可以具有80-100nm的平均厚度。
如圖3中所示,燃料電池組件可以是包括相對薄的基板12的雙極板,其中該基板12被壓制成界定出由多個槽脊16和溝槽14(氣體流過其中)界定的氣體流場。包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液可以沉積在雙極板的上表面18上,使得至少部分聚電解質(zhì)聚合物粘附在基板12上形成第一層20??梢栽趬褐苹?2之前或者之后,將包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液沉積在雙極板的上表面18上。此后,包含第二涂層材料的水溶液可以被涂覆到聚電解質(zhì)組合物的第一層20上,并且使其干燥,在聚電解質(zhì)組合物的第一層20上形成第二涂層材料22?;?2可以是金屬例如不銹鋼。
現(xiàn)在參考圖4,本發(fā)明的另一個實施方案包括包含基板12的燃料電池雙極板10,其中該基板12被機械加工成界定出由多個槽脊16和溝槽14(氣體流過其中)界定的氣體流場。包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液可以被沉積在雙極板的上表面18上,使得至少部分聚電解質(zhì)聚合物粘附在基板12上形成第一層20。此后,可以將包含第二涂層材料的水溶液涂覆到聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上,然后可以干燥從而在聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上形成第二涂層材料22?;?2可以是金屬例如不銹鋼。
現(xiàn)在參考圖5,在本發(fā)明的一個實施方案中,基板12可以涂覆有聚電解質(zhì)聚合物的第一層20,并且掩膜材料24可以被有選擇地沉積在第一層20上。此后,可以將第二涂層材料22沉積在第一層20和掩膜材料24上。如圖6中所示,可以將掩膜材料24和直接覆蓋在掩膜材料24上的第二涂層材料除去而在第一層20上有選擇地留下部分第二涂層材料22?;?2可以被壓制成使得第二涂層材料位于氣體流場的溝槽14內(nèi)。包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液和包含第二涂層材料的水溶液均可以通過浸蘸、噴涂、輥壓、刷抹等涂覆或沉積在基板12上。
現(xiàn)在參考圖7,在另一個實施方案中,掩膜材料24可以被有選擇地沉積在基板12的上表面18上。聚電解質(zhì)聚合物的第一層20可以被形成在掩膜材料24和基板12的上表面中未掩蓋的部分上。然后第二涂層材料22可以被形成在第一層20上。此后,可以將掩膜材料24和直接覆蓋在掩膜材料24上的部分第一層20和第二涂層材料22除去而留下基板12上表面的暴露部分18′,如圖8中所示??梢允褂妙愃频难谀ぜ夹g(shù)來機械加工基板。
在本發(fā)明的另一個實施方案中,涂覆工藝可以利用或者不利用上述使用包含聚電解質(zhì)的水溶液的涂覆工藝。在本發(fā)明的這個實施方案中,將燃料組件浸沒在包含上述納米顆粒和液相的浴槽中,其中液相包括占液相體積至少30%的納米顆粒分散劑。液相可以包括30-100體積%或者介于其中的任何體積%的納米顆粒分散劑。液相也可以包括占液相0.1-7.0體積%或者介于其中的任何體積%的水。合適的納米顆粒分散劑包括但不局限于醇類,包括甲醇、乙醇或丙醇中的至少一種。與水形成溶液并且提供分散性質(zhì)的任何有機溶劑都可以被認為是合適的分散劑。當使用X-Tec 3408或4014時,納米顆粒構(gòu)成X-Tec材料的4-5重量%。在本發(fā)明的一個實施方案中,納米顆粒的含量可以為浴液的0.2-5重量%。
在將燃料電池組件浸沒到上述浴槽中并且從其中移出后,任選地將燃料電池組件在水(例如DI水)中清洗以除去任何沒有粘附在燃料電池組件上的涂料,然后將燃料電池組件暴露在環(huán)境空氣、對流烘箱、紅外線或者微波能量中的至少一種干燥。浸沒、清洗和干燥產(chǎn)生了至少25nm厚的納米顆粒涂層。在本發(fā)明的一個實施方案中,浸沒、清洗和干燥在燃料電池組件上產(chǎn)生了納米涂層,在該納米涂層中具有0.4原子重量%的硅。
此后,可以反復幾次浸沒、清洗和干燥以在燃料電池組件上構(gòu)建多層納米顆粒涂層。例如,至少可以對同一個燃料電池組件進行浸沒、清洗和干燥以產(chǎn)生至少100nm厚的納米顆粒涂層。在本發(fā)明的一個實施方案中,反復進行浸沒、清洗和干燥,從而在燃料電池組件上產(chǎn)生納米顆粒涂層,其中該涂層中具有1.5原子重量%的硅。對于納米顆粒來說合適的材料在上面已經(jīng)描述過了,特別是從Nano-X得到的X-Tec3408和/或4014、或者從Sigma-Aldrich得到的二氧化硅納米粉末。本發(fā)明的一個實施方案包括至少1體積份的X-Tec 3408和/或4014對19體積份的溶劑,其中該溶劑為包含至少30體積%的醇的水。
現(xiàn)在參考圖9,本發(fā)明的一個實施方案包括燃料電池組件10,例如雙極板,包括具有由多個槽脊16和溝槽14界定的氣體流場的基板12。第一層20聚電解質(zhì)聚合物位于基板的上表面18上。第一層20包括多個層19、21,每層都包括根據(jù)上述水溶液涂覆工藝形成的聚電解質(zhì)聚合物。第二層22納米顆粒被設(shè)置在聚電解質(zhì)聚合物的第一層20上面。第二層22納米顆粒可以由多層200、202、204、206形成,每一層都包括由上述用于沉積納米顆粒連續(xù)層的浸蘸工藝形成的納米顆粒。在本發(fā)明的一個實施方案中,層200、202、204、206總計至少為100nm厚且總計具有至少1.5原子重量%的硅。
現(xiàn)在參考圖10,在本發(fā)明的一個實施方案中,燃料電池組件為雙極板12,該雙極板12具有在上表面中形成的、由多個槽脊16和溝槽14界定的氣體流場的基板12。如上所示,聚電解質(zhì)涂層20和納米顆粒涂層22均沉積在槽脊16和凹槽14上。在將涂層20、22從清洗浴中取出來仍然是濕的且沒有干燥固化的時候,除去位于槽脊16上面的涂層20、22而留下溝槽14中的涂層22、22??梢酝ㄟ^對涂層20、22進行擦除、刮去、摩擦或輕微的機械磨蝕來除去槽脊16上面的涂層。在本發(fā)明的一個實施方案中,刮刀300橫過槽脊16移動以擦除槽脊16的涂層20、22。刮刀300可以由金屬、聚合物(例如塑料)、彈性材料(例如橡膠)或復合物制成。在本發(fā)明的一個實施方案中,刮刀300為橡皮刮刀。在本發(fā)明的一個實施方案中,可以通過除去槽脊16上方的織物或彈性材料來從槽脊16中除去涂層20、22。
本發(fā)明的描述本質(zhì)上僅僅是示例性的,因此可以在不脫離本發(fā)明要點的變動是要落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的。這種變動不認為是偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法,包括將燃料電池雙極板浸沒在包含納米顆粒和液相的浴槽中,其中該液相包含納米顆粒分散劑,其中雙極板包括在其中形成有多個槽脊和溝槽的上表面;將燃料電池雙極板從浴槽中取出,使得包含納米顆粒的涂層粘附在燃料電池雙極板上;在涂層是濕的且在將涂層干燥固化之前,將包含納米顆粒的涂層從雙極板的槽脊上除去,將包含納米顆粒的涂層留在溝槽中;以及干燥溝槽中的涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中從槽脊上除去涂層包括擦拭掉槽脊上的涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中所述的擦拭包括橫過槽脊移動刮刀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的刮刀包括金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的刮刀包括彈性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的刮刀包括橡膠
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的刮刀包括復合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中所述的擦拭包括橫過槽脊移動橡皮刮刀。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中所述的擦拭包括橫過槽脊移動織物。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中所述的擦拭包括橫過槽脊移動彈性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,還包括在對溝槽中涂層進行干燥之前,清洗燃料電池組件以將任何沒有充分粘附到燃料電池組件上的納米顆粒除去。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中所述的分散劑包括醇。
13.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的醇的含量為占液相體積的至少30%。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,其中液相還包括占液相體積的0.1-70%的水。
15.根據(jù)權(quán)利要求3的方法,其中所述的醇包括甲醇、乙醇或丙醇中的至少一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中所述的納米顆粒分散劑包括能夠與水形成溶液的有機溶劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,其中所述的液相還包括水。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,還包括在浸沒之前,將包含聚電解質(zhì)聚合物的水溶液涂覆到雙極板上,使得聚電解質(zhì)聚合物粘附在雙極板上。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,其中聚電解質(zhì)聚合物包括陽離子官能團。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,其中聚電解質(zhì)聚合物包括陰離子官能團。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,還包括將第二涂層材料涂覆到粘附在該組件上的聚電解質(zhì)聚合物上。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法,還包括將包含帶有負電荷官能團的第二涂層材料涂覆到粘附在該組件上的聚電解質(zhì)聚合物上,使得該帶有負電荷官能團和帶有正電荷官能團形成離子鍵。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,其中納米顆粒包括帶有負電荷官能團。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,其中納米顆粒包括硅氧烷。
25.根據(jù)權(quán)利要求18的方法,其中納米顆粒包括二氧化硅。
26.一種方法,包括(a)將聚電解質(zhì)聚合物水溶液涂覆到具有上表面的燃料電池雙極板上,使得該聚電解質(zhì)聚合物粘附在雙極板上,其中雙極板的上表面包括多個槽脊和溝槽;(b)除去任何沒有粘附到雙極板上的聚電解質(zhì)聚合物;(c)將第二涂層材料涂覆到粘附在雙極板上的聚電解質(zhì)聚合物上;(d)除去任何沒有粘附到粘附在雙極板上的聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料;(e)將燃料電池雙極板浸沒在包含納米顆粒和液相的浴槽中,其中該液相包含納米顆粒分散劑;(f)將燃料電池雙極板從浴槽中取出,使得納米顆粒涂層粘附在該燃料電池組件上并且干燥涂層;(g)清洗燃料電池雙極板以除去任何沒有充分粘附到該燃料電池組件上的納米顆粒;(h)在涂層是濕的且在將涂層干燥固化之前,將包含納米顆粒的涂層從雙極板的槽脊上除去,將包含納米顆粒的涂層留在溝槽中;以及(i)干燥溝槽中的涂層。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,其中從槽脊上除去涂層包括擦拭掉槽脊上的涂層。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法,其中所述的擦拭包括橫過槽脊移動刮刀。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,還包括重復(a-d)數(shù)次。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,還包括重復(f-g)數(shù)次。
31.一種方法,包括(a)通過將雙極板浸沒到預定溶液中來從燃料電池雙極板上除去油脂和雜質(zhì);(b)在第一去離子水浴中清洗該雙極板;(c)在第二去離子水浴中清洗該雙極板;(d)將該雙極板浸沒到第一聚電解質(zhì)聚合物的第一水溶液中;(e)在第三去離子水浴中清洗該雙極板以除去任何沒有粘附到該雙極板上的第一聚電解質(zhì)聚合物;(f)在第四去離子水浴中清洗該雙極板;(g)將該雙極板浸沒到包含第二涂層材料的第二分散液中,其中第二分散液包括納米顆粒和醇;(h)在第四去離子水浴中清洗該雙極板以除去任何沒有粘附到粘附在該雙極板上的第一聚電解質(zhì)聚合物上的第二涂層材料;(i)在第五去離子水浴中清洗該雙極板;(j)重復(d-1)三次;(k)從清洗開始在涂層仍然是濕的的時候從槽脊上除去任何涂層;(l)干燥雙極板。
全文摘要
一種方法,包括將燃料電池雙極板浸沒在包含納米顆粒和液相的浴槽中,其中該液相包含納米顆粒分散劑,其中雙極板包括在其中形成有多個槽脊和溝槽的上表面;將燃料電池雙極板從浴槽中取出,使得包含納米顆粒的涂層粘附在燃料電池雙極板上;在涂層是濕的且在將涂層干燥固化之前,將包含納米顆粒的涂層從雙極板的槽脊上除去,留下溝槽中包含納米顆粒的涂層;然后干燥溝槽中的涂層。
文檔編號H01M4/88GK101030651SQ20071009236
公開日2007年9月5日 申請日期2007年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者S·L·彼得斯, A·安杰洛普洛斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司