專利名稱：具有側(cè)鏈全氟磺酸部分的基于全氟環(huán)丁烷的水蒸氣轉(zhuǎn)移膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更特別地涉及燃料電池的濕化。
背景技術(shù)：
燃料電池在許多應(yīng)用中用作電源。尤其，燃料電池建議用于汽車中替代內(nèi)燃機。通 常使用的燃料電池設(shè)計使用固體聚合物電解質(zhì)(“SPE”)膜或質(zhì)子交換膜(“PEM”)，以便 在陽極和陰極之間提供離子遷移。在質(zhì)子交換膜型燃料電池中，將氫氣作為燃料提供給陽極和將氧氣作為氧化劑提 供給陰極。氧氣能夠呈現(xiàn)純形式(O2)或是空氣(02和隊的混合物)形式。PEM燃料電池 典型地具有膜電極組件(“MEA”)，其中固態(tài)聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，在背面 上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層是由多孔傳導(dǎo)性材料如織造石 墨、石墨化片材或碳紙形成的，以使得燃料能分散在面對燃料供應(yīng)電極的膜表面上。各電極 具有擔載于碳顆粒上的細散催化劑顆粒(例如鉬顆粒)，以促進在陽極處的氫氣的氧化和 在陰極處氧氣的還原。質(zhì)子從陽極流過離子傳導(dǎo)聚合物膜流到陰極，在這里它們與氧結(jié)合 形成水，該水從電池中排出。該MEA夾在一對多孔氣體擴散層(“GDL”)之間，它們進而夾 在一對的無孔的導(dǎo)電性元件或板之間。該板用作陽極和陰極的集流器，并且含有在其中所 形成的合適的通道和開口以便將燃料電池的氣態(tài)反應(yīng)劑分布在各個陽極催化劑和陰極催 化劑的表面上。為了有效地產(chǎn)生電能，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須是薄的、化學穩(wěn) 定的、質(zhì)子透過性的、非導(dǎo)電性的和不透氣的。在典型的應(yīng)用中，燃料電池以許多單個燃料 電池堆的陣列形式提供以便提供高水平的電能。用于燃料電池中的內(nèi)膜典型地維持在濕條件下。這幫助避免對膜的損害或避免 縮短膜的壽命，以及維持所希望的工作效率。例如，膜的較低水含量導(dǎo)致更高的質(zhì)子傳導(dǎo) 阻抗，因此導(dǎo)致更高的歐姆電壓損失。原料氣的濕化，尤其陰極入口的濕化，是令人想望 的，以便在膜中、尤其在該入口區(qū)中維持足夠的水含量。在燃料電池中的濕化已在共同擁 有的美國專利申請系列號No. 10/797，671 (Goebel等人)、共同擁有的美國專利申請系列號 No. 10/912，298 (Sennoun等人)和共同擁有的美國專利申請系列號No. 11/087, 911 (Forte) 中進行討論，它們中的每一件以全部內(nèi)容通過引用結(jié)合進來。為了維持所希望的水分含量，空氣濕化器常常用于濕化在燃料電池中使用的空氣 物流。該空氣濕化器正常由安裝在外殼內(nèi)的圓形或盒子型空氣濕化模塊組成。這一類型的 空氣濕化器的例子顯示和描述在美國專利申請系列No. 10/516，483 (Tanihara等人)和美 國專利No. 6，471，195中，因此它們中的每一件以全部內(nèi)容通過引用結(jié)合進來。膜濕化器也已經(jīng)用于滿足燃料電池濕化需求。對于車用燃料電池濕化應(yīng)用，此類 膜濕化器需要是緊湊的，顯示出低的壓降，和具有高的工作性能。設(shè)計膜濕化器要求質(zhì)量傳遞阻力和壓降的平衡。為了穿過膜從濕側(cè)傳輸至干側(cè)， 水分子必須克服下列阻力的一些組合在濕和干流動通道中的對流質(zhì)量傳輸阻力；穿過該 膜的擴散傳輸阻力；和穿過該膜載體材料的擴散傳輸阻力。緊湊和高性能膜濕化器典型地需要具有高的水傳輸速率(即，在10000-12000范圍的GPU)的膜材料。GPU或氣體透過單 位是分壓標稱化的通量，其中1 GPU=10_6Cm3(STP)/(Cm2*sec*cm#)。結(jié)果，將在濕和 干流動通道以及膜載體材料中的傳輸阻力降低至最低變成了設(shè)計的焦點。因此，仍然需要用于濕化燃料電池的改進的材料和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過在至少一個實施方案中提供用于燃料電池的膜濕化器組件(membrane humidifier assembly)來解決現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。本實施方案的膜濕化器組件包 括第一流場板(flow fieldplate)(它適于促進第一氣體向其流動)和第二流場板(它適 于促進第二氣體向其流動)。該聚合物膜被布置在第一流場和第二流場之間并適于允許水 的轉(zhuǎn)移。聚合物膜包括具有包括聚合物鏈段1的聚合物鏈段的第一聚合物
權(quán)利要求
1.燃料電池用的膜濕化器，該膜濕化器包括第一流場板，它用于促進第一氣體流向它；第二流場板，它用于促進第二氣體流向它；布置在所述第一流場板和所述第二流場板之間的聚合物膜，該膜用于允許水的轉(zhuǎn)移，該聚合物膜包括具有包含聚合物鏈段1的聚合物鏈段的第一聚合物
2.權(quán)利要求1的濕化器，其中第一氣體和第二氣體包括選自02，N2,H2O,H2，和它們的組 合的組分。
3.權(quán)利要求1的濕化器，其中該聚合物膜具有大于6000GPU的滲透率。
4.權(quán)利要求1的濕化器，其中所述第一流場板和所述第二流場板各自獨立地包括周界 密封性區(qū)段。
5.權(quán)利要求1的濕化器，其中聚合物鏈段1重復(fù)1-10，000次。
6.燃料電池系統(tǒng)，包括具有陰極側(cè)和陽極側(cè)的燃料電池堆； 膜濕化器，包括第一流場板，用于從所述燃料電池堆的所述陰極側(cè)接收第一氣體； 第二流場板，用于促進第二氣體流向它；布置在所述第一流場板和所述第二流場板之間的聚合物膜，該膜適于允許水的轉(zhuǎn)移， 該聚合物膜包括具有包含聚合物鏈段1的聚合物鏈段的第一聚合物
7.權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一氣體和所述第二氣體包括選自由02，N2, H2O, H2,和它們的組合所構(gòu)成的組的組分。
8.權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中該聚合物膜具有大于6000GPU的滲透率。
9.權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一流場板和所述第二流場板各自獨立地包 括周界密封性區(qū)段。
10.權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中聚合物鏈段1重復(fù)1-10，000次。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有側(cè)鏈全氟磺酸部分的基于全氟環(huán)丁烷的水蒸氣轉(zhuǎn)移膜。更具體涉及膜濕化器組件，包括第一流場板，它用于促進第一氣體流向它，和第二流場板，后者用于促進第二氣體流向它。該聚合物膜被布置在第一流場和第二流場之間并用于允許水從第一流場板轉(zhuǎn)移到第二流場板。該聚合物膜包括具有全氟環(huán)丁基和具有供質(zhì)子基團的側(cè)掛的側(cè)鏈的聚合物。
文檔編號H01M8/24GK102005587SQ201010267470
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者A·M·布倫納, S·M·麥金農(nóng), T·J·富勒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司