气体扩散基片制造技术

非织造气体扩散基片，其包含：(i)非织造碳纤维网；(ii)碳颗粒材料；以及(iii)疏水性粘结剂；其特征在于：该非织造气体扩散基片还包含导电材料，该材料具有x∶y为0.01至100的纵横比，x∶z至少为500的纵横比以及y∶z至少为500的纵横比。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散基片本专利技术涉及非织造气体扩散基片，特别涉及用于燃料电池(例如质子交换膜燃料电池)的非织造气体扩散基片。燃料电池是电化学电池，其包括两个被电解质分隔的电极。将诸如氢或碳氢化合物(如甲醇或乙醇)的燃料提供给阳极，而将氧化剂(例如氧气或空气)提供给阴极。电化学反应在电极处发生并且燃料和氧化剂的化学能被转化为电能和热。电解质被用来促进阳极处燃料的电化学氧化以及阴极处氧的电化学还原。在氢或碳氢化合物燃料质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是电绝缘和质子导电的固体聚合物膜。质子在阳极处产生，穿过膜传送到阴极，在那里与氧结合形成水。PEMFC的主要部件被称为膜电极组件(MEA)且基本上由五层组成。中间层是聚合物离子导电膜。在离子导电膜的任一侧具有电催化剂层，其包含为特定电解反应而设计的电催化剂。最后，邻接每个电催化剂层都有气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层并且必须传导电化学反应产生的电流。因此，气体扩散层必须是多孔的和导电的。MEA可用多种方法构造。电催化剂层可被用于气体扩散层以形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可被放置在离子传导膜的任一侧并且层压在一起以形成五层的MEA。供选择地，电催化剂层可被用到离子传导膜的两个表面以形成涂覆催化剂的离子导电膜。随后，气体扩散层被用到涂覆催化剂的离子传导膜的两个表面。最后，MEA可由一侧涂覆电催化剂层的离子导电膜，邻接电催化剂层的气体扩散层，以及在离子导电膜的另一侧的气体扩散电极形成。典型的数十个或数百个MEA被要求为大多数应用提供足够的电力，因此多个MEA被组装以形成燃料电池堆。流场板(fieldflowplates)被用来分隔MEA。流场板执行多个功能：为MEA提供反应物，移出产物，提供电连接和提供物理支持。通常，气体扩散层由气体扩散基片形成，在气体扩散基片的一个表面上具有一层颗粒材料(微孔或底层)，如炭黑和PTFE，使得当形成MEA时，微孔层接触电催化剂层。对气体扩散基片的必不可少要求是导电。基片通常用碳化聚丙烯腈(PAN)纤维制成。广泛商业化并使用至今的气体扩散基片由这些纤维通过湿法或干法工艺以生产碳纤维非织造网的方式制成。非织造网随后通常用有机树脂粘结剂材料(如酚醛树脂)浸渍，所述有机树脂粘结剂材料能够在热处理至高温时被碳化或石墨化。一旦浸渍后，就对网进行加热处理，需要加热到高达2000℃，或者对某些产品而言，要超过2000℃，以将有机材料转换成碳质导电残余物。残余物用作粘结剂以给碳纤维网提供机械强度。所有已被商业上利用的非织造基片的共同特性是它们在碳纤维网上使用非常高温度的热处理步骤来制造，以赋予所需的导电性、稳定性和机械强度特性。然而，这些工艺能耗极大并且显著增加了这些基片的成本。供选择地，可以使用包括非织造碳纤维网的基片，所述基片包括碳质颗粒和来自可碳化或可石墨化粘结剂的碳化成石墨化的残余物，如在US7144476中公开的那些基片。这些仍然要求800℃至高达2500℃的高温处理，这取决于粘结剂是否要被碳化或石墨化。供选择地，织造碳布基片也可由纺织PAN纤维制成，其随后经历达到1700℃的布的碳化以产生织造碳纤维布基片。碳布基片在其制造中不使用有机树脂粘结剂，因其织造结构提供了所需的机械整体性。然而，由于其织造特性，这些基片在随后加工以形成完整MEA中更难以处理，并且当结合到燃料电池堆中时容易在施加挤压负载下产生变形，这可能限制了燃料电池可达到的性能。这因此限制了织造碳布基片的广泛应用，而非织造基片仍然是最广泛采用的材料。因此，仍然需要非织造基片，其不需要昂贵的在碳网上的高温碳化或石墨化处理步骤，却达到高电导率的必不可少的特性。以前，专利技术家寻求提供具有良好导电率但又不需要高温碳化或石墨化步骤的基片。EP0791974公开了不需要高温碳化或石墨化步骤制备气体扩散基片的连续制造方法。炭黑与PTFE混合，并在碳纤维上涂覆PTFE。炭黑/PTFE混合物和经涂覆的碳纤维混合形成沉积到移动网络床上的浆料。将经沉积的层干燥并在超过350℃温度的空气中烧结成PTFE，形成气体扩散基片。此外，WO2005/124902公开了气体扩散基片，其包括非织造的碳纤维网络，其中碳纤维被石墨化，而非织造网络没有经历石墨化工艺，并且石墨颗粒和疏水性聚合物的混合物沉积在网络中，其中至少90％的石墨颗粒的最大尺寸小于100μm。然而，由这样的气体扩散基片获得的电导率仍不足以广泛用于所有商业应用中。因此，本专利技术人寻求提供气体扩散基片，其具有足够电导率以适用于商用，但不需要昂贵的高温热处理步骤。因此，本专利技术提供非织造气体扩散基片，其包含：(i)非织造碳纤维网；(ii)碳颗粒材料；以及(iii)疏水性粘结剂其特征在于，非织造气体扩散基片还包含导电材料，其具有x∶y为0.01至100的纵横比，x∶z为至少500的纵横比并且y∶z为至少500的纵横比。本专利技术的非织造气体扩散基片没有进行高于400℃的热处理，并且不包含有机树脂粘结材料(例如酚醛树脂)的碳质/石墨化残余物。导电材料为晶片状结构，其具有x方向为0.5至500μm，优选为1至100μm的尺寸；具有y方向为0.5至500μm，优选为1至100μm的尺寸。优选地，导电材料是碳基材料(通常指的是纳米石墨烯片或石墨烯纳米片，例如来自AngstronMaterials公司的N002、N006和N008系列、来自XGSciences公司的或者来自USResearchNanomaterials公司的US1059)或者金属或导电金属氧化物、氮化物或碳化物(例如掺杂的TiOx或掺杂的SnOx)，其具有所要求的x∶y、x∶z和y∶z纵横比；合适地，导电材料为碳基材料或金属氧化物，优选为碳基材料。本专利技术人已发现，当与添加特别是传统碳颗粒材料相比时，即使在非织造气体扩散基片中加入少量这样的晶片状导电材料也对电导率具有显著影响。因此，在本专利技术的一个优选的方面中，在非织造气体扩散基片中，导电材料以最终的非织造气体扩散基片总重量计为0.75wt％以上，优选为1.25wt％以上的量存在。优选地，在非织造气体扩散基片中导电材料以非织造气体扩散基片的重量百分比计最大值为10wt％，更优选最大值为5wt％的量存在。适合用来制备基片的非织造碳纤维网包括碳纤维(例如由聚丙烯腈(PAN)纤维生成的那些(如来自SGLGroup的C级，来自Zoltek的Panex级(如Panex35))、沥青纤维(pitchfibre)(如来自Sumitomo的DialeadK223HE，均来自CytecIndustries公司的连续沥青基碳纤维和纤维)、人造纤维(rayonfibre)或任何其他聚合物前体生成的纤维、活化碳纤维(如来自台湾CarbonTechnologyCo.Ltd的KOTHmexACF以及来自KynolEuropaGmbH的ACF1603-15和1603-20)、碳纳米纤维、沥青基泡沫纤维或其一种或多种的混合物。适合地，该非织造碳纤维网包括碳纤维或碳纳米纤维或其混合物。适合用来制备非织造碳纤维网的纤维具有5nm至12μm的直径；如果纤维是纳米纤维，直径合适地为5nm至1μm，优选50至500nm；对于所有其他纤维而言，直径合适地为1μm至12μm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
非织造气体扩散基片，其包含：(i)非织造碳纤维网；(ii)碳颗粒材料；(iii)疏水性粘结剂；其特征在于，所述非织造气体扩散基片还包含导电材料，所述导电材料具有x∶y为0.01至100的纵横比，x∶z为至少500的纵横比以及y∶z为至少500的纵横比。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.19 GB 1118020.51.非织造气体扩散基片，其包含：(i)非织造碳纤维网；(ii)碳颗粒材料；(iii)疏水性粘结剂；其特征在于，所述非织造气体扩散基片还包含导电材料，所述导电材料选自基于碳的纳米石墨烯片、金属、导电金属氧化物、氮化物或碳化物，所述导电材料具有x:y为0.01至100的纵横比，x:z为至少500的纵横比以及y:z为至少500的纵横比。2.根据权利要求1所述的非织造气体扩散基片，其中所述导电材料为晶片状结构，其具有x方向为0.5至500μm的尺寸，具有y方向为0.5至500μm的尺寸。3.根据权利要求1所述的非织造气体扩散基片，其中所述导电材料为晶片状结构，其具有x方向为1至100μm的尺寸，具有y方向为为1至100μm的尺寸。4.根据权利要求1-3中任一项所述的非织造气...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·菲舍，I·R·哈克尼斯，J·D·B·沙曼，M·杰施克，
申请(专利权)人：庄信万丰燃料电池有限公司，技术纤维产品有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB