一種制造電化學裝置的擴散層的方法，所述方法包含下列步驟：疊加碳絲的多個單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)，其中各個所述網(wǎng)的所述絲彼此平行且相鄰設置；針刺所述多個網(wǎng)，破壞一部分的所述絲，使所述絲經(jīng)破壞的部份纏結其它各個所述網(wǎng)的絲；部分的所述多個單向網(wǎng)的切割，其中所述碳絲形成所述擴散層的一個導電外表面；以及在針刺的步驟中，完成以及/或?qū)τ诙鄠€單向網(wǎng)的沖擊密度大約介于100至300沖擊/平方公分(impacts/cm2)間，完全穿過所述多個單向網(wǎng)，及/或穿過所述多個單向網(wǎng)的兩個主要相對面(116,118)。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及電化學系統(tǒng)或裝置的領域，它包含如碳的導電材料制成的擴散層。本專利技術特別地涉及燃料電池及PEM(質(zhì)子交換薄膜)式電解器、磷酸燃料電池(PAFC)、電池等等的領域。
技術介紹
PEMFC式(聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池)電化學電池10概略地呈現(xiàn)于圖I。此電池10包含具有薄膜12的薄膜電極組件(AME)，它形成包含聚合物的電解液，且設置于兩個電極陽極14a及陰極14b間。陽極14a及陰極14b皆包含主動層16a、16b及擴散層18a及 18b。制造此薄膜電極組件特別地包含利用如涂布、轉(zhuǎn)移、濺鍍、網(wǎng)印等等沉積主動層16a、16b的步驟。它可能沉積主動層16a、16b于擴散層18a、18b上，其中以此方式制造的陽極14a及陰極14b接著裝配于薄膜12的兩側(cè)，或沉積主動層16a、16b于薄膜12的兩側(cè)，其中擴散層18a、18b接著于后經(jīng)裝配于主動層16a、16b上。兩個密封裝置可設置于所述薄膜電極組件的兩側(cè)。 薄膜12相對面的陽極14a及陰極14b的區(qū)域不必相同，但需小于或等于它們位于的薄膜12相對面的區(qū)域。在電池10中，當它使用于燃料電池時，薄膜電極組件使自氣態(tài)的氫(H2)及氧(O2)形成水的反應產(chǎn)生的化學能可轉(zhuǎn)換為電能，其中氫氣及氧氣分別作為燃料及此反應的氧化齊U。這些氣體通過陽極單極板20a及陰極單極板20b分別散布于薄膜電極組件間的陽極14a(接收氫)及陰極14b(接收氧)。這些單極板20a、20b也用于收集通過轉(zhuǎn)換化學能至電能的反應所產(chǎn)生的電能以及用于疏散此反應的熱能。于呈現(xiàn)于圖I的單極板20a、20b中，氣體(氫及氧)通過形成于沿著平行于y軸方向延伸的這些板中的通道22a、22b散布(通路22a、22b的長平行于y軸)?；蛘?，單極板20a、20b可具有滲透結構，以此方式散布氣體不需通道。PEM式電化學裝置50概略地呈現(xiàn)于圖2中。舉例而言，此電化學裝置是燃料電池。此燃料電池50通過許多例如與前述圖I所描述的相似的電化學電池10相似的電化學電池10a、IObUOc彼此相鄰設置而形成。在此電化學裝置中，稱為雙極板的兩個相鄰的單極板可通過相同的元件而形成，一個用于散布燃料(第一電池的陽極的單極板18a)，另一個用于散布氧化劑(相鄰于所述第一電池的第二電池的陰極單極板18b)。因此，呈現(xiàn)于圖2中的燃料電池50，電池10a、10b、IOc的薄膜電極組件通過雙極板52a、52b而彼此分離。燃料電池50的每個末端包含單極板54a、54b。每個雙極板52a、52b可具有通路，其中載熱流體于其中流動以冷卻燃料電池50的電化學電池10a、10b、10c。呈現(xiàn)于圖2中的電化學裝置50也可為PEM式電解器，其中此電解器包含類似于PEM燃料電池的結構。然而，因為是轉(zhuǎn)換電能為化學能，自水形成氣態(tài)的氫及氧，此電解器的操作為燃料電池的反向操作。于燃料電池50的電化學電池IOa-IOc中，每個流體分布線路(燃料、氧化劑及如可適用，載熱流體)具有這些流體的進口及出口。而且為避免流體互相混合，以及流體自其中的一電池的內(nèi)部漏出于燃料電池的外部，確保密封燃料電池50是很重要的。因此，密封是設計燃料電池時應考 慮的重點。此密封是通過位于單極或雙極板以及薄膜電極組件間的密封裝置而提供于陽極及陰極側(cè)。這些密封裝置的形狀及功能是根據(jù)電化學電池的架構而決定，更具體而言是根據(jù)燃料電池的架構而決定。因此，于電化學電池中，因為介于陽極以及陰極區(qū)間間的密封是通過薄膜電極組件的聚合物薄膜而提供，密封裝置僅用于預防燃料及氧化劑漏出于燃料電池外部。于PEM式燃料電池中，流體通常通過橫越整個電池的堆疊的通路傳輸至每個電化學電池，從而穿越每個雙極板。密封裝置的功能是預防流體自燃料電池內(nèi)部漏出于外部，以及預防流體的混合。于PEM式燃料電池或電解器中，每個擴散層由擴散載體以及微孔層組成。PEM式燃料電池中的擴散層扮演許多角色，且它們的特性需經(jīng)選擇，以達成許多準則間的妥協(xié)。首先，擴散層必須為良好的導電體，且必須具有充足地微孔，使空氣中的活性氣體(H2及O2)穿越且使產(chǎn)生的水排出。為了有效地散熱以及不增加電池的操作溫度，于相反的例子中可能損壞燃料電池的薄膜，因此它們也必須為良好的熱導體。最后，由于燃料電池的單極板及雙極板的齒/通道架構，它們必須具有足夠地硬度，以作為用于薄膜電極組件的機械強化材料。燃料電池中水分的管理是薄膜電極組件的關鍵點，且因此燃料電池具有良好的運作以及最佳的可靠度。大多數(shù)通過擴散層完成的水份管理是復雜的，于每個薄膜電極組件中-水分必須以氣態(tài)傳遞至陽極以及陰極主動層為止，以及至薄膜為止；-至少一部分產(chǎn)生于陰極的水必須回傳至陽極側(cè)。于質(zhì)子由陽極至陰極傳導的影響下，此流體必須至少部分地補償水分的移轉(zhuǎn)。-為了不阻擋氣體進入主動層的通路，陽極以及陰極側(cè)上至雙極板為止，必須排出任何多余的可能導致電池的不良運作的水分。在薄膜電極組件中，依據(jù)操作條件、薄膜電極組件的元件，尤其是擴散層以及雙極板的架構，因此存在水流的復雜平衡。此外，于燃料電池的操作條件下，擴散層必須是穩(wěn)定的(化學地以及物理地)。影響材料的穩(wěn)定性的準則為溫度，其可能達到約120度、相對濕度(HR)，其可能為100%、pH，其可能大約等于I、氣體(H2及O2，其壓力可能達到約4巴(bar))的活性、電位差，介于陽極以及陰極間的電位差可為I. 2伏特(V)。這些限制也可發(fā)現(xiàn)于PEM式電解器中，在此例中，介于陽極以及陰極間的電位差可介于I. 2伏特及2. 5伏特間。擴散層的擴散載體通常為織物(編織擴散載體)的形式，或紙或氈(非編織擴散載體)，其由碳纖維制成，通過干或濕方法制造。碳紙取自介于約3毫米(mm)及70毫米間的長度的經(jīng)破壞的碳纖維的懸浮物，且分散于具有聚合物黏合劑的溶劑中。接著過濾所述懸浮物，或蒸發(fā)所述溶劑，以取得通過熱處理以碳化聚合物黏合劑的自支撐(self-supporting)材料。浸潰、鑄型及熱處理的其它步驟如文件EP 0286945B1以及US 6489051B1中所描述。由于使用所述制造方法，這些紙僅可能為紙片的形式，其使這些擴散載體不容易轉(zhuǎn)傳輸。此外，大量的制造步驟以及材料的碳化或石墨化大大地增加了碳紙擴散層的成本。碳紙相較于織物較堅硬且具有更均勻的結構。然而，碳紙相較于織物較易碎且較難處理。就織物而言，碳紙具有各向異性，應記得紙中的碳纖維是以隨機方式排列。此外，因為纖維是隨機地分布，擴散載體的結構不被控制，從而此方法制造的擴散載體的特性缺乏重制性。碳氈是通過碳化由交聯(lián)聚合物纖維而制成的聚合物氈前驅(qū)體而取得。也執(zhí)行連續(xù) 的碳化或石墨化熱處理。制造氈相較于碳紙及織物較為便宜，且具有更各向同性的結構。然而，它仍然昂貴。此外，碳纖維的纏結是隨機地通過經(jīng)加壓的流體噴射完成，導致此方法制造的擴散載體的特性缺乏重制性。文件FR 2788168指出，通過針刺而互相貼合的碳絲的單向網(wǎng)的使用，制造電化學催化劑的擴散層。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的一目的在于提供一種制造電化學裝置，如燃料電池或PEM式電解器的擴散層的新方法，它利用許多碳絲的單向網(wǎng)、或絲帶、或纖維束、或經(jīng)紗，不具已知技術的擴散層的缺點，且改進包含此擴散層的電化學裝置的性能(增加導電性、減少接觸電阻)。為達到此目的，本專利技術提供一種制造電化學裝本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.20 FR 10530091.一種制造電化學裝置(10，50)的擴散層(112)的方法，其特征在于，至少包含下列步驟 -疊加多個碳絲(104)的多個單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)，其中每個所述單向網(wǎng)(102,102a, 102b, 102c)的所述碳絲(104)是彼此相鄰設置，且大致上互相平行排列， -所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的針刺，破壞部分的所述碳絲，使所述碳絲(104)經(jīng)破壞的所述部分纏結其它各個所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的所述碳絲(104)， -所述多個單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的至少一部分的切割，其中所述碳絲(104)形成所述擴散層(112)的至少一個導電外表面， 以及針刺的步驟完成以及/或具有對于所述多個單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的沖擊密度大約介于100至300沖擊/平方公分(impacts/cm2)間，完全穿過所述多個單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)，及/或穿過所述多個單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)的兩個主要相對面(116，118)。2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，至少一個第一(102a)所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列相對于至少一個第二(102b)所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列形成非零角度。3.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，疊加各個所述單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)之前，以能加強所述碳絲(104)的物理特性的材料涂布于所述碳絲(104)，且接著互相貼合，形成不同的所述單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)，其中于所述碳絲(104)互相貼合后消除所述強化材料。4.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，還包含處理所述碳絲(104)，以給定各個所述碳絲(104)疏水性或親水性的步驟。5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，每個所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的厚度大約介于10微米(μ m)及200微米(μ m)及/或具有大約介于40克/平方米(g/m2)及60克/平方米(g/m2)間的表面質(zhì)量。6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，每個所述碳絲(104)具有大約介于6微米(μ m)及8微米(μ m)間的直徑及/或具有大約介于O. 8歐姆厘米(Ω . cm)及I.8歐姆厘米(Ω . cm)間的電阻。7.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，至少一個第一(102a...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：阿諾德·墨林，尚馬克·布勞德，珍妮·尚基，喬爾·保切特，尚馬克·塞爾柯特，
申請(專利權)人：法國原子能與替代能委員會，赫克賽爾加固材料公司，
類型：
國別省市：
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