氣體擴散介質和燃料電池制造技術

一種制造用于燃料電池的擴散介質的方法。所述方法包括以下步驟：制備出包括粉末狀樹脂、粘合劑材料、包含碳纖維的纖維材料的含水分散體系；在支承體上形成一層分散體系；從所述層上去除水從而形成纖維層；對所述纖維層進行模制；并且對所述模制層進行碳化／石墨化處理。

【技術實現步驟摘要】

本申請的披露內容涉及具有擴散介質的燃料電池。特別是，本申請的披露內容涉及一種用于制造燃料電池擴散介質的方法、采用該方法制造出的擴散介質，和包含這種擴散介質的燃料電池。
技術介紹
本部分中的陳述內容目的僅在于提供與本申請的披露內容相關的背景信息，且本部分中的陳述內容可以不構成現有技術。燃料電池在電動車輛和其它應用中被用作電源。典型的燃料電池具有膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件包括催化電極和在所述電極之間形成的質子交換膜(PEM)。通過在膜電極組件內氫與氧之間發生的電化學反應在陰極生成水。氣體擴散介質在質子交換膜燃料電池中起到重要作用。氣體擴散介質通常被設置在催化電極與將反應氣體引入燃料電池中的流場通道之間，所述氣體擴散介質提供了反應物擴散至電極的通路和用于除去產物水的通路、燃料電池正常運行所需的電子傳導率、熱導率以及機械強度。在燃料電池的工作過程中，通過在膜電極組件內氫與氧之間發生的電化學反應在陰極生成水。燃料電池的高效工作取決于在系統中提供有效的水管理的能力。例如，擴散介質通過從催化劑層中除去產物水同時保持來自雙極板中的氣體流動通道的反應物氣體流通過到達催化劑層，從而防止電極產生溢流(即充滿水且嚴重限制O2進入)。燃料電池堆中可根據應用的功率需求包含大量的燃料電池。例如，典型的燃料電池堆具有高達400個單個燃料電池或更多個單個燃料電池。由于燃料電池堆中的燃料電池串聯進行工作，因此在一個電池中的較差或較弱的性能可導致整個燃料電池堆的性能變差。為此，所希望的是燃料電池堆中的每個燃料電池以較高的效率進行工作。用于氣體擴散介質的典型的生產步驟包括：生產碳纖維紙，用樹脂或樹脂與填料的混合物浸漬所述碳纖維紙，對經過浸漬的碳纖維紙-->進行模制，并且對所述經過樹脂浸漬的碳纖維紙進行碳化或石墨化處理。所述生產碳纖維紙和進行浸漬處理的步驟是連續的，而所述進行模制、進行碳化和石墨化處理的步驟或是批量進行的，或是連續的。由于典型的燃料電池堆中包含如此眾多的單個燃料電池，因此重要的是使擴散介質的生產工藝具有高度的可靠性。因此所希望的是：對所述生產工藝的改進能夠降低成本、使所述工藝得到簡化，或者增強所述介質的性能。
技術實現思路
本專利技術提供了一種用于制造氣體擴散介質的方法，所述方法包括以下步驟：(a)制備出包括纖維材料和樹脂粉末的含水分散體系；(b)所述纖維和樹脂粉末分散體系在支承體上形成層或氈；(c)從所述層中除去水從而形成包括樹脂粉末的纖維層；(d)對包含樹脂粉末的纖維層進行模制；(e)對所述經過模制的層進行碳化或石墨化處理。該方法避免了使用樹脂浸漬纖維氈的步驟。在本專利技術的一個實施例中，所述支承體是具有所需篩孔的篩網。尺寸大于篩孔尺寸的纖維束和樹脂粉末顆粒得到保留從而形成纖維層，更小的顆粒還可被保留在纖維氈中。在多個不同的實施例中，所述篩網的篩目尺寸小于樹脂粉末的平均粒度。在一些實施例中，使用平均粒度為約40微米-約100微米的樹脂粉末。在本專利技術的方法的一種實施方式中，所述樹脂粉末是或者包括酚醛樹脂。在本專利技術的一些實施例中，所述樹脂粉末的平均粒度為約40微米-約100微米。本專利技術進一步提供了采用根據本專利技術的方法制備出的擴散介質。與具有相同的樹脂含量但采用現有技術方法制造出的擴散介質相比，本專利技術的擴散介質的透氣性得到增強。雖然不希望受到理論束縛，但是據認為：與溶解型樹脂浸漬方法相比，這是由于碳纖維或石墨纖維通過在碳紙形成過程中存在的均勻分散的樹脂顆粒被點焊焊接在一起所造成的，所述均勻分散的樹脂顆粒依賴于在固化過程中的樹脂流動從而將單根纖維保持在一起。傳統的浸漬步驟導致在進行樹脂浸漬和固化后產生較薄的富含樹脂的表面層，據認為在進行碳化/石墨化處理-->后其將轉變為單根纖維上的非晶質碳表面層，這樣可能會不利地影響氣體擴散介質的表面自由能和耐久性。本專利技術避免在所述碳纖維上出現這種表面層。本專利技術還提供了一種包括膜電極組件(MEA)的燃料電池，所述膜電極組件包括陽極、陰極和設置在所述陽極與所述陰極之間的質子交換膜(PEM)；在膜電極組件的陽極側和陰極側中的至少一個側面上，不可透過的導電構件與相應的陰極和/或陽極一起限定出位于不可透過的導電構件與陰極和/或陽極之間的流體分配室；和根據本專利技術的設置在多個流體分配室中的一個或兩個中的擴散介質。所述擴散介質優選橫跨流體分配室從不可透過的導電構件延伸至電極側。所述工藝中的新型碳纖維紙的制造步驟降低了制造碳纖維紙氣體擴散介質的成本，且因此降低了使用本專利技術的氣體擴散介質制備得到的燃料電池的成本。另外，采用本專利技術的方法制備得到的擴散介質具有孔隙更多連通的結構和得到改進的燃料電池性能。在對本專利技術的論述中，術語“樹脂”包括適合于特定應用的低聚材料和聚合材料。術語“粉末”指的是粉碎的、磨細的和粒狀的材料。術語“大約”具有“接近”的通常意思或者指的是可能在數值上存在微小的不精確(大約或相當接近該數值)。數值范圍被理解為披露了端點值和落入該范圍內的各個數值，以及通過將任意兩個披露值作為端點而可能形成的所有被包括在內的范圍。附圖說明圖1是本專利技術的方法的流程圖；圖2A和2B是采用常規溶解型樹脂浸漬方法制備得到的碳纖維紙(圖2A)和采用本專利技術的粉末狀樹脂摻雜方法制備得到的碳纖維紙(圖2B)的掃描電鏡照片的復制圖；圖3是包括氣體擴散介質的燃料電池堆的示意圖；和圖4示出了經過處理的擴散介質的電流電壓比較曲線圖。具體實施方式通過該說明書可明顯看到其它可適用的領域。應該理解：本專利技術的說明書、附圖和具體實例旨在僅用于示側性目的，而不是旨在限制-->本專利技術的披露內容的范圍。氣體擴散介質由纖維和粉末狀樹脂制成。當被結合到氣體擴散介質前驅物中時，粉末狀樹脂是不變成溶劑化物的。粉末狀樹脂以粉末形式進行結合，且可被熔化且在進行碳化或石墨化從而由氣體擴散介質前驅物形成氣體擴散介質之前可至少部分地發生固化。圖1示出了本專利技術的用于制造氣體擴散介質的方法100。在步驟110中，形成碳纖維和/或石墨纖維、粉末狀樹脂和粘合劑材料的分散體系。在一些實施例中，所述分散體系中包括通過使隨后被切成所需長度的聚丙烯腈纖維碳化而獲得的碳纖維。在多個不同的實施例中，碳纖維的直徑為大約5微米-大約10微米，長度為大約5毫米-大約10毫米。也可以使用石墨纖維。碳纖維或石墨纖維的適當實例包括，但不限于，碳化的或石墨化的聚丙烯腈纖維、丙烯腈(特別是包含重量百分比至少為90％的丙烯腈單體)的共聚物、纖維素、人造絲、瀝青和酚醛樹脂。聚丙烯腈(PAN)纖維通常采用溶液紡絲工藝由聚丙烯腈聚合物制成。直徑為12微米-14微米的原絲典型地被用于制備用于燃料電池擴散介質的碳纖維或石墨纖維。PAN纖維可在大約230℃的條件下在空氣中進行穩定化，然后發生碳化并被切成所需長度?？梢栽?200℃-1350℃的條件下在氮氣中進行碳化，從而產生具有至少95％重量百分比的碳含量的碳纖維。碳化的纖維束可被切成大約3毫米-大約12毫米長。在一種方法中，被切短的碳纖維和/或石墨纖維隨后與水、粉末狀樹脂和粘合劑材料混合在一起，從而形成含水的分散體系。粘合劑材料優選被用以給予由分散體系中制得的碳纖維紙結構完整性，從而使得可在不受損傷的情況下對碳纖維紙進行進一步加工。粘合劑材料的合適本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制備擴散介質的方法，所述方法包括以下步驟：制備出包括粉末狀樹脂、粘合劑材料、包括碳纖維、石墨纖維和其組合的纖維材料的含水分散體系；在支承體上形成一層分散體系；從所述層上去除水從而形成纖維層；對所述纖維層進 行模制；并且對所述模制層進行碳化或石墨化處理。

【技術特征摘要】
US 2006-3-17 11/3782241、一種制備擴散介質的方法，所述方法包括以下步驟：制備出包括粉末狀樹脂、粘合劑材料、包括碳纖維、石墨纖維和其組合的纖維材料的含水分散體系；在支承體上形成一層分散體系；從所述層上去除水從而形成纖維層；對所述纖維層進行模制；并且對所述模制層進行碳化或石墨化處理。2、根據權利要求1所述的方法，其中所述纖維層在進行模制前至少部分地發生固化。3、根據權利要求2所述的方法，其中去除水和至少部分地發生固化一起得到實施。4、根據權利要求1所述的方法，其中所述粉末狀樹脂包括酚醛樹脂。5、根據權利要求1所述的方法，其中所述粉末狀樹脂的平均粒度為約40微米-約100微米。6、根據權利要求5所述的方法，其中所述粉末狀樹脂包括酚醛樹脂。7、根據權利要求1所述的方法，其中所述纖維氈在碳化前具有重量百分比為約40％-約80％的粉末狀樹脂。8、根據權利要求1所述的方法，其中所述支承體是篩網。9、根據權利要求8所述的方法，其中所述篩網的篩目尺寸小于粉末狀樹脂的平均粒度。10、一種采用根據權利要求1所述的方法制備出的擴散介質。11、一種采用根據權利要求7所述的方法制備出的擴散介質。12、一種燃料電池，包括：膜電極組件，所述膜電極組件包括陽極、陰極和設置在所述陽極與所述陰極之間的質子交換膜；位于膜電極組件的電極側面中的至少一個側面上的不可透過的導電構件，所述構件與電極一起限定出位于不可透過的導電構件與電極之間的流體分配室；和根據權利要求1所述的設置在流體分配室中的擴散介質。-->13、根據權利要求12所述的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：紀純新，M弗勒明，M馬蒂亞斯，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作公司，光譜公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]