[发明专利]疏水性提高的多孔介质及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及疏水的多孔介质及其制造方法。更具体地，本发明涉及高度疏水的多孔介质及其制造方法。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中用于发电的电化学反应如下。供应到燃料电池的膜电极组件(MEA)中的阳极(“氧化电极”)的氢被离解成氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。氢离子通过聚合物电解质膜传送到阴极(“还原电极”)，而电子通过外部电路传送到阴极，由此通过电子流动产生电。

此外，氧分子、质子、和电子在阴极相互反应产生电和热，同时产生水作为反应副产物。

通常将燃料电池表现出电化学性能的区域分为三个区域：(i)因电化学反应动力学损失所致的“活化损失”区域；(ii)因各组件之间界面处的接触电阻和聚合物电解质膜中的离子传导损失所致的“欧姆损失”区域；和(iii)因反应气体的传质(mass transport)局限所致的“传质损失”或“浓度损失”区域[R.O Hayre，S.Cha，W.Colella，F.B.Prinz，Fuel Cell Fundamentals(燃料电池基础)，Ch.1，John Wiley & Sons，New York(2006)]。

当存在适当量的电化学反应过程中所产生的水时，其优选地起到保持聚合物电解质膜的湿度的作用。然而，当产生的过量的水没有被适当清除时，在高电流密度下发生“溢流(flooding)”，阻止反应气体被有效供应到燃料电池，从而增加电压损失[M.M.Saleh，T.Okajima，M.Hayase，F.Kitamura，T.Ohsaka，J.Power Sources，167，503(2007)]。

组成燃料电池的代表性的多孔介质是气体扩散层(GDL)，气体扩散层具有微孔层(MPL)和大孔基底(substrate)或背衬(baking)结合在一起的结构。

市售的气体扩散层具有二元结构，其包括采用压汞法测量时孔径小于1微米的微孔层，和孔径为1至300微米的大孔基底或背衬[X.L.Wang，H.M.Zhang，J.L.Zhang，H.F.Xu，Z.Q.Tian，J.Chen，H.X.Zhong，Y.M.Liang，and B.L.Yi，Electrochimica Acta，51，4909(2006)]。

在燃料电池中，气体扩散层附着在聚合物电解质膜两个表面上涂覆的阳极和阴极的催化层的外表面上。气体扩散层起到供应例如氢和空气的反应气体、传送电化学反应所产生的电子、并排出反应产生的水以使燃料电池中的溢流现象最小化的作用[L.Cindrella，A.M.Kannan，J.F.Lin，K.Saminathan，Y.Ho，C.W.Lin，J.Wertz，J.Power Sources，194，146(2009)；X.L.Wang，H.M.Zhang，J.L.Zhang，H.F.Xu，Z.Q.Tian，J.Chen，H.X.Zhong，Y.M.Liang，B.L.Yi，Electrochim.Acta，51，4909(2006)]。

特别地，为了通过有效地除去燃料电池的电化学反应过程中产生的水来提高传质并保持高电池性能，通过向微孔层和大孔基底中引入例如聚四氟乙烯(PTFE)的疏水剂来使其具有疏水性是非常重要的[S.Park，J.-W.Lee，B.N.Popov，J.Power Sources，177，457(2008)；G.-G.Park.Y.-J.Sohn，T.-H.Yang，Y.-G.Yoon，W.-Y.Lee，C.-S.Kim，J.Power Sources，131，182(2004)]。

但是，传统上使用湿化学方法来赋予疏水性，因此制造方法本身很复杂，而且难以在气体扩散层上均匀地分布譬如PTTE的疏水剂。

此外，根据传统的气体扩散层制造方法，难以使已经经过防水处理的多孔介质进一步具有150°或更高的接触角(静态接触角)所对应的高疏水性或超疏水性。

在传统研究中，已经有多种尝试采用多种等离子体方法例如氧、氮、氨、硅烷(SiH₄)、有机金属等，以使多孔介质的表面具有疏水性[D.R.Mekala，D.W.Stegink，M.M.David，J.W.Frisk，US 2005/0064275 A1(2005)；韩国专利公开第10-2006-0090668号(2006)]，但这些尝试与使多孔介质具有高疏水性的本发明的目的不同。