[发明专利]用于燃料电池加湿器的分离辊薄膜涂层

说明书

本申请要求于2011年2月28日提交的美国临时申请No. 61/447,212 的优先权。

技术领域

本发明总地涉及一种增强燃料电池加湿器单元的方法，更特别地，涉及加湿器内可渗水薄膜的结构及制造该薄膜的方法。

背景技术

在许多燃料电池系统中，氢或富氢气体通过流场被供应至燃料电池的阳极侧，而氧（例如以大气氧的形式）通过不同的流场被供应至燃料电池的阴极侧。通常在多孔扩散介质上布置一层适当的催化剂（例如铂），所述多孔扩散介质通常由碳纤维或纸制成，使得其组合展现了弹性、导电性和透气性。催化扩散介质用于促进阳极侧的氢氧化和阴极侧的氧还原。阳极氢的分解产生的电流从扩散介质的催化部分通过，并穿过单独的电路，使得它可为有用功的电源，同时电离的氢穿过位于阳极和阴极的扩散介质之间的另一介质。在这种通过过程中，电离的氢与阴极电离的氧组合，形成高温水蒸汽作为反应副产物。在一种称为质子交换薄膜或聚合物电解质薄膜（无论哪样，都为PEM）燃料电池的燃料电池中，用于电离氢通过的介质为全氟磺酸（PFSA）离聚物薄膜（例如Nafion?）形式的电解液。通过催化扩散介质环绕在相对侧上的薄膜的这个分层结构通常称为薄膜电极组件（MEA），形成了单个燃料电池。许多这种单个电池可组合形成燃料电池堆，提高其功率输出。

燃料电池（特别是PEM燃料电池）需要平衡的水位，以确保恰当的操作。例如，避免燃料电池中具有过多的水是重要的，过多的水会导致反应物流场通道内的淹没或相关的堵塞。另一方面，过少的水和作用会限制薄膜的导电性能，导致过早的电池故障。增加保持水位平衡的难度在于，在燃料电池中发生许多互相冲突的反应，这些反应同时提高和降低局部和总体的水和作用水平。

确保整个燃料电池适当水和作用水平的一种潜在方法包括，在一种或两种反应物进入燃料电池之前加湿该一种或两种反应物。例如，可通过恰当的加湿装置使用阴极废气中残留的水，以降低阳极、PFSA离聚物薄膜或阴极入口的脱水的可能性。一种这类加湿装置为水蒸汽输送（WVT）单元，也可称为薄膜加湿器、燃料电池加湿器或相关组件。WVT单元从湿润的燃料电池排气流路抽取湿气，并将其送入低湿度反应物的供给通路中。湿侧和干侧反应物流路（例如，阴极出口和阴极入口）在WVT单元中通过一个或多个分离器（也称为隔离板）彼此连通交换湿气。在一种特定制造方法中，分离器连续地形成为辊，其具有一对平面多孔层和位于其间通过细长弦分隔开的支撑。通过该连续的辊，WVT单元可被切割成特定燃料电池应用所需的大小和形状。美国专利7,749,661和7,875,396以及美国公开专利申请2009/0092863中可找到WVT单元的例子，这些文献全部都被转让给本发明的受让人，其全部内容通过引用全面包含于本文。

湿气的交换通常通过使用布置在分离器中形成的相邻的高湿和低湿流体流路之间的离聚物薄膜而在WVT单元中完成。总体平面的薄膜（其结构上可类似于上述PFSA薄膜的结构）允许水蒸汽从较高湿度流体的一侧通过至较低湿度流体的另一侧，同时禁止两种流体的直接混合，例如，阴极入口和阴极出口被输送通过流路。在一种构造形式中，离聚物薄膜附接至相邻的支撑层（其可为一薄层的扩展聚乙烯（四氟乙烯）（ePTFE）或相关材料），以提高薄膜和支撑的强健性和可操纵性，并且避免离聚物迁移进多孔分离器。尽管这样分层，但是在一种典型形式中，其中离聚物薄膜可在3与10微米厚之间而支撑（例如，由扩展聚乙烯（四氟乙烯）（ePTFE）制成）可在约10至30微米厚，这种组合仍保持脆弱。

与WVT单元制造相关的现有工艺会将离聚物薄膜和支撑暴露于过度处理和相关的恶劣条件，过度处理和相关恶劣条件通过故障模式（例如交叉）会损坏薄膜整体性。同样，最终报废离聚物薄膜的重要部分的现有工艺导致浪费和相关成本的增加。如上所述，分离器以辊的形式制造；在这种情形下，离聚物薄膜在一层衬垫材料支撑层上，该衬垫材料必须被移除，作为分离器板制造过程的一部分。这些特征显著地增加了将离聚物薄膜集成进WVT单元的整体成本。这样，会降低与这种薄膜材料相关的处理和成本问题的方法是优选的。

发明内容