疏水性提高的多孔介質及其製造方法

2023-10-10 18:18:54 5

專利名稱：疏水性提高的多孔介質及其製造方法
技術領域：
本發明涉及疏水的多孔介質及其製造方法。更具體地，本發明涉及高度疏水的多孔介質及其製造方法。
背景技術：
聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)中用於發電的電化學反應如下。供應到燃料電池的膜電極組件(MEA)中的陽極(「氧化電極」)的氫被離解成氫離子(質子，H+)和電子(e_)。氫離子通過聚合物電解質膜傳送到陰極(「還原電扱」)，而電子通過外部電路傳送到陰極，由此通過電子流動產生電。此外，氧分子、質子、和電子在陰極相互反應產生電和熱，同時產生水作為反應副 產物。通常將燃料電池表現出電化學性能的區域分為三個區域(i)因電化學反應動カ學損失所致的「活化損失」區域；(ii)因各組件之間界面處的接觸電阻和聚合物電解質膜中的離子傳導損失所致的「歐姆損失」區域；和Qii)因反應氣體的傳質(mass transport)局限所致的「傳質損失」或「濃度損失」區域[R. 0 Hayre, S. Cha, ff. Colella, F. B. Prinz,Fuel Cell Fundamentals (燃料電池基礎)，Ch. I, John Wiley & Sons, New York (2006) ] 當存在適當量的電化學反應過程中所產生的水時，其優選地起到保持聚合物電解質膜的溼度的作用。然而，當產生的過量的水沒有被適當清除時，在高電流密度下發生「溢流(flooding) 」，阻止反應氣體被有效供應到燃料電池，從而增加電壓損失[M.M. Saleh,T. Okajima, M. Hayase, F. Kitamura, T.Ohsaka,J.Power Sources,167,503(2007)]。組成燃料電池的代表性的多孔介質是氣體擴散層(GDL)，氣體擴散層具有微孔層(MPL)和大孔基底(substrate)或背襯(baking)結合在一起的結構。市售的氣體擴散層具有ニ元結構，其包括採用壓汞法測量時孔徑小於I微米的微孔層，和孔徑為I至300微米的大孔基底或背襯[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)]o在燃料電池中，氣體擴散層附著在聚合物電解質膜兩個表面上塗覆的陽極和陰極的催化層的外表面上。氣體擴散層起到供應例如氫和空氣的反應氣體、傳送電化學反應所產生的電子、並排出反應產生的水以使燃料電池中的溢流現象最小化的作用[L. Cindrella, A. M. Kannan, J. F. Lin, K. Saminathan, Y. Ho, C. ff. Lin, J. Wertz, J. PowerSources, 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)]。特別地，為了通過有效地除去燃料電池的電化學反應過程中產生的水來提高傳質並保持高電池性能，通過向微孔層和大孔基底中引入例如聚四氟こ烯(PTFE)的疏水劑來使其具有疏水性是非常重要的[S. Park, J. -ff. Lee, B. N. Popov, J. Power Sources, 177，457 (2008) ；G. -G. Park. Y. -J. Sohn, T. -H. Yang, Y. -G. Yoon, ff. -Y. Lee, C. -S. Kim, J. PowerSources,131，182(2004)]。但是，傳統上使用溼化學方法來賦予疏水性，因此製造方法本身很複雜，而且難以在氣體擴散層上均勻地分布譬如PTTE的疏水劑。此外，根據傳統的氣體擴散層製造方法，難以使已經經過防水處理的多孔介質進一歩具有150°或更高的接觸角(靜態接觸角)所對應的高疏水性或超疏水性。在傳統研究中，已經有多種嘗試採用多種等離子體方法例如氧、氮、氨、矽烷(SiH4)、有機金屬等，以使多孔介質的表面具有疏水性[D.R.Mekala，D. ff. Stegink,M. M. David, J. ff. Frisk, US 2005/0064275 Al (2005);韓國專利公開第 10-2006-0090668 號
(2006)]，但這些嘗試與使多孔介質具有高疏水性的本發明的目的不同。此外，已經有在MEA的電極製造中使用等離子體表面處理技術的嘗試[G. H. Nam, S. I. Han，韓國專利公開第 10-2009-0055301 號(2009) ；M. G. Min, G. S. Chae, S. G. Kang,韓國專利第 10-0839372 號(2008) ；ff. M. Lee, I. G. Goo, J. H. Sim，韓國專利第 10-0681169 號
(2007)；H. T. Kim, H. J. Kwon，韓國專利第No. 10-0599799號(2006)]，但這些嘗試涉及形成包括催化劑和粘合劑的催化劑層的方法。也就是說，這些方法是要採用等離子體技術通過修飾催化劑層的表面來從化學上形成親水或疏水的表面，用這些方法在多孔介質表面上形成高疏水性存在局限。本背景技術部分公開的以上信息僅用於增強對本發明的背景技術的理解，因此其可能包含不構成本國本領域普通技術人員已經知曉的現有技術的信息。

發明內容
本發明提供提高多孔介質表面上的疏水性的方法，該方法可有效用於燃料電池。一方面，本發明提供疏水性提高的多孔介質。該多孔介質包括微-納米ニ元結構，其中，在具有微米級表面粗糙度的多孔介質的表面上形成有納米級的突起或坍塌孔，並且在微-納米ニ元結構的表面上沉積有疏水薄膜。另ー方面，本發明提供疏水性提高的多孔介質的製備方法。此方法包括提供具有微米級表面粗糙度的多孔介質；採用等離子體蝕刻通過形成納米級的突起或坍縮孔，在多孔介質的表面上形成為微-納米ニ元結構；和在微-納米ニ元結構的表面上沉積疏水薄膜。以下討論本發明的其它方面和優選實施方式。


現在將參考附圖所圖示的本發明的某些示例性實施方式詳細描述本發明的以上和其它特徵，以下給出的這些實施方式僅用於說明，因此不是對本發明的限制，其中圖I是示出根據本發明的示例性實施方式對多孔介質進行等離子體蝕刻而形成的微-納米複合結構的示意圖；圖2A-2D是示出根據本發明的示例性實施方式，在氧等離子體蝕刻之前和之後以及在「氧等離子體蝕刻+疏水薄膜沉積」之後的氣體擴散層的微孔層的表面的SEM圖。圖3是示出改變氧等離子體蝕刻時間時微孔層表面上的液滴的接觸角的變化的曲線圖。圖4A和4B是示出根據本發明的示例性實施方式，在氧等離子體蝕刻之前和之後的大孔基底的表面的SEM圖。圖5是示出改變氧等離子體蝕刻時間時大孔基底表面上的液滴的接觸角的變化的曲線圖。應理解，所附的附圖並非必然是按比例的，而只是呈現說明本發明的基本原理的各種優選特徵的一定程度的簡化表示。本文所公開的本發明的具體設計特徵包括，例如，具體的尺寸、方向、位置和形狀，將部分取決於特定的既定用途和應用環境。在附圖中，附圖標記在附圖的數圖中通篇指代本發明的相同或等效部分。
具體實施例方式以下將詳細參照本發明的不同實施方式，其實施例在附圖中圖示並在以下說明。 儘管將結合示例性實施方式對本發明進行描述，但應當理解，本說明書不是要將本發明限制於這些示例性的實施方式中。相反，本發明不僅要涵蓋這些示例性實施方式，還要涵蓋由所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的各種替代形式、修改、等效形式和其它實施方式。應理解，本文使用的術語「車輛」或「車輛的」或其他類似術語包括通常的機動車，例如，包括多功能運動車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務車的客車，包括各種船隻和船舶的水運工具，飛行器等等，並且包括混合動カ車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其他代用燃料車(例如，來源於石油以外的資源的燃料)。如本文所提到的，混合動カ車是具有兩種或多種動カ源的車輛，例如，具有汽油動力和電動カ的車輛。下面討論本發明的上述和其它特徵。本發明提供燃料電池中使用的多孔介質(PM)及其製造方法，所述多孔介質具有增強的疏水表面。特別地，本發明的高度疏水的多孔介質具有微-納米ニ元結構的表面，其中在具有微米級表面粗糙度的多孔介質(將在後面描述的大孔基底，具有微米級表面粗糙度)的表面上形成有納米突起(nanotrusions)或坍縮納米孔(collapsed nonopores),同時，在微-納米ニ元結構的表面上沉積有疏水薄膜，由此，因微納米ニ元結構和疏水薄膜而使疏水性提聞。下面，微-納米ニ元結構表示包括微米結構和納米結構的複合結構,其中，通過在具有固有的微米級粗糙度的多孔介質的表面上進行等離子體蝕刻處理而人工形成有納米突起或坍縮納米孔。由於大孔基底具有微米級的表面粗糙度，其微米級表面突起或坍縮孔與人工形成的納米突起或納米孔一起形成微-納米ニ元結構。此外，微孔層的碳顆粒也具有精細(fine)的表面粗糙度，因此當通過等離子體蝕刻處理在微孔層上形成納米突起或納米孔時，通過等離子體蝕刻處理的納米結構與碳顆粒一起在微孔層上形成ニ元結構。表面粗糙度由多孔介質用材料表面上形成的納米突起或坍縮納米孔(相當於微孔層的碳顆粒或大孔基底的碳纖維)給出。由此，本發明的具有微-納米ニ元結構的高度疏水的多孔介質具有如下特徵兩個(外)表面上的可溼性顯著低於傳統多孔介質的可溼性，且多孔介質表面上的譬如純水的液體的接觸角(即，靜態接觸角)為150°或更高，這些將在後面詳細描述。此外，為了克服多孔介質傳統製造方法中實現高疏水性的局限，在本發明的製造方法中，通過結構和化學修飾二者對例如氣體擴散層的多孔介質的表面(即，微孔層的表面和大孔基底的表面)賦予高疏水性，其中結合進行以下エ序使多孔介質表面上的長寬比(aspect ratio)高的納米結構最小化的エ序、對具有微-納米ニ元粗糙度結構的表面進行結構修飾的エ序、和通過沉積疏水薄膜形成化學疏水的表面的化學修飾エ序。經過實驗發現，當對多孔介質進行乾等離子體處理(即，等離子體蝕刻處理)吋，納米突起或納米孔(通過等離子體蝕刻處理)而形成，並且與具有微米級表面粗糙度的多孔介質的表面結合，以形成微-納米ニ元結構，並且當通過等離子體沉積在微-納米ニ元結構的表面上形成疏水的碳薄膜時，例如，多孔介質的疏水性可以顯著提高。由此形成的疏水性提高的多孔介質可有效用作燃料電池的氣體擴散層，並且可以有效地用來除去燃料電池的電化學反應過程中所產生的水。 在本發明的通過等離子體處理對多孔介質的表面進行修飾的方法中，採用例如氬(Ar)或氧等離子體通過蝕刻多孔介質的表面而形成納米結構，以提供可以使得與液體例如水的接觸面最小化的結構，並在產生的結構的表面上沉積疏水薄膜(如疏水碳薄膜)。在這種情況下，可以賦予相對於液體例如純水接觸角為150°或更大所對應的高疏水性或超疏水性。即，採用乾等離子體處理，可以在多孔介質的表面上進行結構和化學修飾，由此可以容易地賦予適用於燃料電池的高疏水性。通過理解如下所述的固體表面上高疏水性或超疏水性的原理，可以對多孔介質表面上的疏水性提高獲得更好的理解。 固體表面的疏水性取決於固體表面的化學性質,但是當固體表面上形成微細圖案時，疏水性顯著提高，從而使固體表面具有超疏水性。例如，與經過相同的化學處理的平坦表面相比，具有微細突起或孔結構的表面與水的接觸角相對較大，在賦予超疏水性的150°至170°的範圍內。同時，具有突起或孔結構的表面可具有自清潔的作用，這使得在接觸角滯後減小到小於10°的條件下，可以很容易地除去固體表面上的液滴。因此，為了製造高度疏水或超疏水的表面，應當形成具有低表面能的表面層，同時該表面層應當具有物理/結構上的表面粗糙度。在表面粗糙度、微細突起或孔的大小分布起重要作用的情況下，包括坍縮孔的表面粗糙度也表現出與包括微細突起的表面粗糙度相同的特性。特別地，如果在納米級的孔和微米級的孔一起存在時控制表面的化學組成，可以獲得疏水表面，並進而獲得超疏水的表面。因此，在本發明中，通過實施提高疏水性的機制來實現目標高疏水性，其可以在上述結構和化學性質在多孔介質的表面結合在一起時獲得。也就是說，通過等離子體蝕刻形成納米圖案，並在微孔層和大孔基底的表面上通過等離子體沉積形成疏水薄膜，可以獲得高度疏水的表面，其構成多孔介質，例如燃料電池的氣體擴散層。而且，可以通過同時對多孔介質的表面性質進行結構和化學控制，使多孔介質的表面具有聞疏水性。接著，將參照附圖更詳細地描述本發明。圖I為示出根據本發明對多孔介質進行等離子體蝕刻而形成的微-納米複合結構的示意圖。即，圖I示意性地示出了微孔層和大孔基底，其構成作為燃料電池中多孔介質的代表性實例的氣體擴散層，並示出根據本發明用於多孔介質的表面修飾方法。本發明的高度疏水的多孔介質包括具有高長寬比的納米結構和疏水薄膜，其分別設置在微孔層的表面上和大孔基底的表面上。如圖I所示，分別在微孔層的表面上和大孔基底的表面 上進行用於微-納米ニ元結構的等離子體蝕刻處理，以形成具有高長寬比的納米結構，並通過等離子體沉積在微-納米ニ元結構上形成疏水薄膜，從而製造具有高度疏水表面的多孔介質。構成作為燃料電池中的多孔介質的氣體擴散層的微孔層和大孔基底由以下材料組成。典型地，通過製備諸如こ炔碳黑、黑珍珠碳等的碳黑粉末與諸如聚四氟こ烯(PTFE)或氟化こ烯丙烯(FEP)的疏水劑的混合物，並將該混合物塗覆在大孔層的ー側或兩側，可以形成大孔層。大孔基底通常由碳纖維和諸如聚四氟こ烯或氟化こ烯丙烯的疏水劑組成[C. Lim and C. Y. Wang, Electrochim. Acta, 49,4149 (2004)],根據其物理結構可以大致分為碳纖維租、碳纖維紙、和碳纖維布[S. Escribano, J. Blachot, J. Etheve,A. Morin, R. Mosdale, J. Power Sources,156,8 (2006) ；M. F. Mathias, J. Roth, J. Fleming,and ff. Lehnert,Handbook of Fuel Cells—Fundamentals,Technology and Applications,Vol. 3，Ch. 42，John Wiley & Sons (2003)]。在本發明中，對具有微孔層和大孔基底堆疊在一起的上述結構的多孔介質的各個表面進行等離子體蝕刻(見圖I)，以在碳材料(例如碳顆粒和碳纖維)的表面上形成納米突起或納米孔的圖案，其構成微孔層和大孔基底的表面(即多孔介質的表面)。在一示例性的實施方式中，通過等離子體蝕刻，可以在微孔層和大孔基底表面上的碳材料的表面上優選形成寬度為I至100納米、長度為I至1，000納米、且長寬比為I至10的納米突起或納米孔的圖案。這裡，如果長寬比小於1，表面粗糙度的效果不能充分建立，而如果長寬比大於10，則納米圖案的結構不能穩定地保持。在微孔層中，具有不均勻大小的形式的碳顆粒聚集，從而存在於數十納米至數微米的範圍內。當對微孔層進行等離子體蝕刻處理時，球形的碳顆粒的表面被蝕刻，以形成寬度為數納米的尖鋭的碳顆粒，並在所得的微孔層表面上沉積有疏水薄膜。此外，優選通過等離子體蝕刻，在大孔基底的直徑為5至20微米的碳纖維的表面上形成寬度為10至30納米、長度為10至200納米、且長寬比為I至7的納米突起或納米孔。這些納米突起形成具有高長寬比的納米圖案，從而得到微-納米ニ元結構。而且，具有微-納米ニ元結構的表面具有超疏水和自清潔的特性。用於提高疏水性的疏水薄膜可以是包括矽(Si)和氧的烴薄膜或包括氟(F)的烴薄膜，且疏水薄膜的厚度可以在0. I至90納米的範圍內。這裡，如果疏水薄膜的厚度小於
0.I納米，可能得不到提高多孔介質疏水性的效果，而如果厚度超過90納米，當多孔介質被用作氣體擴散層時，電阻可能顯著増大。因此，優選疏水薄膜的厚度在0. I至90納米的範圍內。特別地，為了將多孔介質用作燃料電池的氣體擴散層，需要適當地調整疏水薄膜的厚度，以便在不增加氣體擴散層原始電阻的情況下不會堵塞孔。可以使用六甲基ニ矽氧烷(HMDSO)作為前體來沉積包括矽和氧的烴材料，並且可以通過適當地混合六甲基ニ矽氧烷和氬氣(不高於30%體積分數)來對疏水性進行控制。經上述等離子體處理(用以通過等離子體蝕刻形成納米結構並通過等離子體沉積形成疏水薄膜)而使疏水性得以提高的多孔介質中的微孔層和大孔基底的表面上的接觸角為150°或更高。由於納米級的圖案和微米級的圖案在構成多孔介質的微孔層和大孔基底的表面上與作為疏水聚合物的PTFE混合，因而接觸角為約135至145°。但在本發明的多孔介質中，通過等離子體蝕刻而形成的具有高長寬比的納米圖案的大小要顯著小於上述傳統表面的大小，並且表面粗糙度比傳統表面的表面粗糙度要大得多。因此，本發明的多孔介質因微-納米ニ元結構可以具有150°或更高的接觸角(即靜態接觸角)，並具有高度疏水的表面性質。特別地，即使是不含PTFE的表面也可以具有150°或更高的接觸角所對應的高疏水性。而且，疏水薄膜在表面上均勻沉積，使得表面能通常為低，由此可以得到高度均勻的疏水表面。市售的氣體擴散層的微孔層和大孔基底中引入的例如PTFE的疏水劑難以均勻地引入表面和內部，需要使用複雜的溼法生產エ藝。而且，難以將多孔介質表面的接觸角提高·到150。以上。·本發明的高度疏水的多孔介質的製造方法包括(a)提供僅包括大孔基底或具有大孔基底和微孔層結合在一起的結構的多孔介質；(b)在多孔介質的碳材料的表面上形成具有高長寬比的納米突起形式的或坍縮納米孔形式的納米結構；和(C)在其上形成有納米結構的多孔介質的表面上沉積疏水薄膜。如圖I所示，步驟(a)是提供僅包括大孔基底或具有大孔基底和微孔層結合在一起的結構的多孔介質，該多孔介質的製造方法是本領域內熟知的。在優選的實施方式中，可以使用市售的用於氣體擴散層的多孔介質，其中微孔層和大孔基底結合在一起。步驟(b)是通過在其上形成有納米級和微米級表面的包括微孔層和大孔基底的多孔介質的兩側進行等離子體蝕刻，形成具有高長寬比的納米結構。等離子體蝕刻可以是等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD)或等離子體輔助型化學氣相沉積(PACVD)，並可使ffi02、Ar、N2、He、CF4、CHF3、C2F6、HF_SiF4。而且，除了化學氣相沉積(CVDs)以外，還可通過離子束、混合型等離子體化學氣相沉積(HPCVD)和大氣等離子體中的ー種或其組合來進行蝕刻。當通過等離子體蝕刻法蝕刻的表面被放大時，可以看到，形成了大量的具有高長寬比的納米突起，並且從圖2和圖4中可以看到微孔層和大孔基底的表面上的納米突起的分布變化。圖2A和2B是示出氧等離子體蝕刻之前的微孔層的表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖，圖2C是示出通過氧等離子體蝕刻的微孔層的表面的SEM圖。另外，圖2D是示出在通過等氧離子體蝕刻的微孔層的表面上最終沉積有疏水薄膜的表面的SEM圖。與等離子體蝕刻處理之前的圖2A和2B相比，如圖2C所示，可以看到納米圖案的大小相對減小，從約50納米減小至約10 30納米，並且表面更為粗糙。氧等離子體與碳材料反應，對微孔層表面上的碳顆粒和大孔基底表面上的碳纖維進行蝕刻。此時，碳材料與氧等離子體結合形成CO2或CO，由此表面被蝕刻。在本發明的等離子體蝕刻過程中，可以通過調整蝕刻壓力、加速電壓和蝕刻時間(SP，等離子體處理時間)中的至少ー種來控制具有高長寬比的納米結構的大小和形狀。優選地，蝕刻壓カ為IPa至lOPa，加速電壓為-IOOVb至-1，OOOVb。如果蝕刻壓カ小於IPa，表面粗糙度圖案的形成速率過低而不能有效地形成圖案，而如果其超過lOPa，表面粗糙度圖案的形成速率則太高而不能形成穩定的圖案。再者，如果加速電壓小於-lOOVb，不能有效地產生等離子體，而如果其超過-1，OOOVb,則不能穩定地維持等離子體產生過程。另外，由於根據等離子體蝕刻時間的表面納米結構的形成對燃料電池的性能具有顯著作用，將等離子體輻射進行最優時間非常重要，因此等離子體蝕刻優選進行0. I至60分鐘。如果等離子體蝕刻時間小於0. I分鐘，蝕刻效果太小而不能發展出納米結構，而如果其超過60分鐘，由於過度的蝕刻，難以對所需的納米結構的表面形狀進行控制，而且進ー步地，表面處理周期過長，由此降低生產率。 步驟(c)是在其上形成有包括微米孔和納米孔的複合孔結構的多孔介質的表面上沉積疏水薄膜。為了沉積疏水薄膜，可以使用氬(在0至30體積％的範圍內)和六甲基ニ矽氧烷或六甲基ニ矽氧烷氣體的混合氣體。提高疏水性的疏水薄膜的表面性質取決於PECVD裝置中的射頻(RF)電源和氬組分。因此，如果適當地控制RF電源和前體氣體中的氬組分，便可以控制疏水性並獲得改良的薄膜。以下將參照附圖詳細描述本發明的實施例。將在以下實施例I和2中描述微孔層和大孔基底表面上的高度疏水的多孔介質的製造方法，該多孔介質構成作為燃料電池中的多孔介質的代表性實例的氣體擴散層，但本發明不限於此。實施例I :疏水件提高的微孔層的材料首先，使用市售的氣體擴散層材料，其包括包括直徑為10至300納米的碳粉和PTFE的微孔層，和包括氈形式的碳纖維和PTFE的大孔基底。但是，大孔基底僅包括碳纖維而不含疏水材料如PTFE的氣體擴散層也可應用於本發明。形成氣體擴散層材料中的微孔層的碳顆粒大小不均勻，在10至300納米的範圍內。本發明的此實施例所用的氣體擴散層的基本性質和特點示於表I。使用Mitutoyo測厚儀(Mitutoyo Co ，日本)測量至少20次求得多孔介質(即，氣體擴散層)的整體厚度。使用數字秤(A&D Company,日本)測量至少20次求得多孔介質每單位面積的重量，並使用Gurley方法在0. 3kPa的條件下測量多孔介質的透氣性至少5次。表I
權利要求
1.一種疏水性提高的多孔介質，所述多孔介質包括 微-納米二元結構，其中在具有微米級表面粗糙度的多孔介質的表面上形成有納米級的突起或坍縮孔；和 沉積在所述微-納米二元結構的表面上的疏水薄膜。
2.如權利要求I所述的多孔介質，其中所述多孔介質僅包括大孔基底，或者包括大孔基底和塗覆在所述大孔基底上的微孔層。
3.如權利要求2所述的多孔介質，其中所述大孔基底包括微-納米二元結構，其中在直徑為5 20微米的碳纖維的表面上形成有寬度為10 30納米、長度為10 200納米、且長寬比為I 7的納米突起或納米孔。
4.如權利要求I所述的多孔介質，其中所述納米突起或納米孔的寬度為I 100納米，長度為I 1，000納米，且長寬比為I 10。
5.如權利要求I所述的多孔介質，其中所述疏水薄膜是烴薄膜。
6.如權利要求5所述的多孔介質，其中所述疏水薄膜是包括矽和氧的烴薄膜或包括氟的烴薄膜。
7.如權利要求I或5所述的多孔介質，其中所述疏水薄膜的厚度為O.I 90納米。
8.如權利要求I所述的多孔介質，其中其上形成有所述疏水薄膜的表面的靜態接觸角為150°或更高。
9.一種疏水性提高的多孔介質的製造方法，所述方法包括 提供具有微米級表面粗糖度的多孔介質； 通過等離子體蝕刻形成納米級的突起或坍縮孔，在所述多孔介質的表面上形成微-納米二元結構；和 在所述微-納米二元結構的表面上沉積疏水薄膜。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述多孔介質僅包括大孔基底，或者包括大孔基底和塗覆在所述大孔基底上的微孔層。
11.如權利要求10所述的方法，其中在所述多孔介質的兩側上進行所述等離子體蝕刻。
12.如權利要求9所述的方法，其中所述等離子體蝕刻是等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD)。
13.如權利要求12所述的方法，其中使用0231^2、抱、0 4、冊、(^6、(冊3或5丨 4進行所述PECVD。
14.如權利要求9所述的方法，其中在所述等離子體蝕刻中，通過調節等離子體輻射時間、加速電壓和蝕刻壓力中的至少一種對納米突起或納米孔的大小和形狀進行控制。
15.如權利要求14所述的方法，其中將所述加速電壓調節在-IOOVb -1，OOOVb的範圍內，並且將所述蝕刻壓力調節在IPa至IOPa的範圍內。
16.如權利要求9所述的方法，其中通過離子束、混合等離子體化學氣相沉積(HPCVD)或大氣等離子體進行所述等離子體蝕刻。
17.如權利要求9所述的方法，其中在所述疏水薄膜的沉積中，使用六甲基二矽氧烷氣體。
18.如權利要求9所述的方法，其中所述疏水薄膜是包括矽和氧的烴薄膜或包括氟的烴薄膜。
19.如權利要求9或18所述的方法，其中所述疏水薄膜的厚度為O.I 90納米。
20.如權利要求9所述的方法，其中其上形成有所述疏水薄膜的表面的靜態接觸角為150°或更高。
全文摘要
本發明提供疏水性提高的多孔介質及其製造方法，其中通過在具有微米級表面粗糙度的多孔介質的表面上進行等離子體蝕刻形成具有高長寬比的納米突起，從而提供微-納米二元結構，並在微-納米二元結構的表面上沉積疏水薄膜，從而顯著提高疏水性。當該高度疏水的多孔介質用作燃料電池的氣體擴散層時，能夠有效地排出燃料電池的電化學反應過程中所產生的水，從而防止燃料電池中的溢流。另外，能夠向膜電極組件(MEA)充分地供應反應氣體例如氫和空氣(氧)，從而改進燃料電池的性能。
文檔編號H01M8/02GK102760897SQ20111025955
公開日2012年10月31日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年4月29日
發明者文明芸, 李光烈, 洪普基, 金世勳 申請人:現代自動車株式會社, 韓國科學技術研究院