气体扩散介质和燃料电池制造技术

一种制造用于燃料电池的扩散介质的方法。所述方法包括以下步骤：制备出包括粉末状树脂、粘合剂材料、包含碳纤维的纤维材料的含水分散体系；在支承体上形成一层分散体系；从所述层上去除水从而形成纤维层；对所述纤维层进行模制；并且对所述模制层进行碳化／石墨化处理。

【技术实现步骤摘要】

本申请的披露内容涉及具有扩散介质的燃料电池。特别是，本申请的披露内容涉及一种用于制造燃料电池扩散介质的方法、采用该方法制造出的扩散介质，和包含这种扩散介质的燃料电池。
技术介绍
本部分中的陈述内容目的仅在于提供与本申请的披露内容相关的背景信息，且本部分中的陈述内容可以不构成现有技术。燃料电池在电动车辆和其它应用中被用作电源。典型的燃料电池具有膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括催化电极和在所述电极之间形成的质子交换膜(PEM)。通过在膜电极组件内氢与氧之间发生的电化学反应在阴极生成水。气体扩散介质在质子交换膜燃料电池中起到重要作用。气体扩散介质通常被设置在催化电极与将反应气体引入燃料电池中的流场通道之间，所述气体扩散介质提供了反应物扩散至电极的通路和用于除去产物水的通路、燃料电池正常运行所需的电子传导率、热导率以及机械强度。在燃料电池的工作过程中，通过在膜电极组件内氢与氧之间发生的电化学反应在阴极生成水。燃料电池的高效工作取决于在系统中提供有效的水管理的能力。例如，扩散介质通过从催化剂层中除去产物水同时保持来自双极板中的气体流动通道的反应物气体流通过到达催化剂层，从而防止电极产生溢流(即充满水且严重限制O2进入)。燃料电池堆中可根据应用的功率需求包含大量的燃料电池。例如，典型的燃料电池堆具有高达400个单个燃料电池或更多个单个燃料电池。由于燃料电池堆中的燃料电池串联进行工作，因此在一个电池中的较差或较弱的性能可导致整个燃料电池堆的性能变差。为此，所希望的是燃料电池堆中的每个燃料电池以较高的效率进行工作。用于气体扩散介质的典型的生产步骤包括：生产碳纤维纸，用树脂或树脂与填料的混合物浸渍所述碳纤维纸，对经过浸渍的碳纤维纸-->进行模制，并且对所述经过树脂浸渍的碳纤维纸进行碳化或石墨化处理。所述生产碳纤维纸和进行浸渍处理的步骤是连续的，而所述进行模制、进行碳化和石墨化处理的步骤或是批量进行的，或是连续的。由于典型的燃料电池堆中包含如此众多的单个燃料电池，因此重要的是使扩散介质的生产工艺具有高度的可靠性。因此所希望的是：对所述生产工艺的改进能够降低成本、使所述工艺得到简化，或者增强所述介质的性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于制造气体扩散介质的方法，所述方法包括以下步骤：(a)制备出包括纤维材料和树脂粉末的含水分散体系；(b)所述纤维和树脂粉末分散体系在支承体上形成层或毡；(c)从所述层中除去水从而形成包括树脂粉末的纤维层；(d)对包含树脂粉末的纤维层进行模制；(e)对所述经过模制的层进行碳化或石墨化处理。该方法避免了使用树脂浸渍纤维毡的步骤。在本专利技术的一个实施例中，所述支承体是具有所需筛孔的筛网。尺寸大于筛孔尺寸的纤维束和树脂粉末颗粒得到保留从而形成纤维层，更小的颗粒还可被保留在纤维毡中。在多个不同的实施例中，所述筛网的筛目尺寸小于树脂粉末的平均粒度。在一些实施例中，使用平均粒度为约40微米-约100微米的树脂粉末。在本专利技术的方法的一种实施方式中，所述树脂粉末是或者包括酚醛树脂。在本专利技术的一些实施例中，所述树脂粉末的平均粒度为约40微米-约100微米。本专利技术进一步提供了采用根据本专利技术的方法制备出的扩散介质。与具有相同的树脂含量但采用现有技术方法制造出的扩散介质相比，本专利技术的扩散介质的透气性得到增强。虽然不希望受到理论束缚，但是据认为：与溶解型树脂浸渍方法相比，这是由于碳纤维或石墨纤维通过在碳纸形成过程中存在的均匀分散的树脂颗粒被点焊焊接在一起所造成的，所述均匀分散的树脂颗粒依赖于在固化过程中的树脂流动从而将单根纤维保持在一起。传统的浸渍步骤导致在进行树脂浸渍和固化后产生较薄的富含树脂的表面层，据认为在进行碳化/石墨化处理-->后其将转变为单根纤维上的非晶质碳表面层，这样可能会不利地影响气体扩散介质的表面自由能和耐久性。本专利技术避免在所述碳纤维上出现这种表面层。本专利技术还提供了一种包括膜电极组件(MEA)的燃料电池，所述膜电极组件包括阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的质子交换膜(PEM)；在膜电极组件的阳极侧和阴极侧中的至少一个侧面上，不可透过的导电构件与相应的阴极和/或阳极一起限定出位于不可透过的导电构件与阴极和/或阳极之间的流体分配室；和根据本专利技术的设置在多个流体分配室中的一个或两个中的扩散介质。所述扩散介质优选横跨流体分配室从不可透过的导电构件延伸至电极侧。所述工艺中的新型碳纤维纸的制造步骤降低了制造碳纤维纸气体扩散介质的成本，且因此降低了使用本专利技术的气体扩散介质制备得到的燃料电池的成本。另外，采用本专利技术的方法制备得到的扩散介质具有孔隙更多连通的结构和得到改进的燃料电池性能。在对本专利技术的论述中，术语“树脂”包括适合于特定应用的低聚材料和聚合材料。术语“粉末”指的是粉碎的、磨细的和粒状的材料。术语“大约”具有“接近”的通常意思或者指的是可能在数值上存在微小的不精确(大约或相当接近该数值)。数值范围被理解为披露了端点值和落入该范围内的各个数值，以及通过将任意两个披露值作为端点而可能形成的所有被包括在内的范围。附图说明图1是本专利技术的方法的流程图；图2A和2B是采用常规溶解型树脂浸渍方法制备得到的碳纤维纸(图2A)和采用本专利技术的粉末状树脂掺杂方法制备得到的碳纤维纸(图2B)的扫描电镜照片的复制图；图3是包括气体扩散介质的燃料电池堆的示意图；和图4示出了经过处理的扩散介质的电流电压比较曲线图。具体实施方式通过该说明书可明显看到其它可适用的领域。应该理解：本专利技术的说明书、附图和具体实例旨在仅用于示侧性目的，而不是旨在限制-->本专利技术的披露内容的范围。气体扩散介质由纤维和粉末状树脂制成。当被结合到气体扩散介质前驱物中时，粉末状树脂是不变成溶剂化物的。粉末状树脂以粉末形式进行结合，且可被熔化且在进行碳化或石墨化从而由气体扩散介质前驱物形成气体扩散介质之前可至少部分地发生固化。图1示出了本专利技术的用于制造气体扩散介质的方法100。在步骤110中，形成碳纤维和/或石墨纤维、粉末状树脂和粘合剂材料的分散体系。在一些实施例中，所述分散体系中包括通过使随后被切成所需长度的聚丙烯腈纤维碳化而获得的碳纤维。在多个不同的实施例中，碳纤维的直径为大约5微米-大约10微米，长度为大约5毫米-大约10毫米。也可以使用石墨纤维。碳纤维或石墨纤维的适当实例包括，但不限于，碳化的或石墨化的聚丙烯腈纤维、丙烯腈(特别是包含重量百分比至少为90％的丙烯腈单体)的共聚物、纤维素、人造丝、沥青和酚醛树脂。聚丙烯腈(PAN)纤维通常采用溶液纺丝工艺由聚丙烯腈聚合物制成。直径为12微米-14微米的原丝典型地被用于制备用于燃料电池扩散介质的碳纤维或石墨纤维。PAN纤维可在大约230℃的条件下在空气中进行稳定化，然后发生碳化并被切成所需长度。可以在1200℃-1350℃的条件下在氮气中进行碳化，从而产生具有至少95％重量百分比的碳含量的碳纤维。碳化的纤维束可被切成大约3毫米-大约12毫米长。在一种方法中，被切短的碳纤维和/或石墨纤维随后与水、粉末状树脂和粘合剂材料混合在一起，从而形成含水的分散体系。粘合剂材料优选被用以给予由分散体系中制得的碳纤维纸结构完整性，从而使得可在不受损伤的情况下对碳纤维纸进行进一步加工。粘合剂材料的合适本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备扩散介质的方法，所述方法包括以下步骤：制备出包括粉末状树脂、粘合剂材料、包括碳纤维、石墨纤维和其组合的纤维材料的含水分散体系；在支承体上形成一层分散体系；从所述层上去除水从而形成纤维层；对所述纤维层进 行模制；并且对所述模制层进行碳化或石墨化处理。

【技术特征摘要】
US 2006-3-17 11/3782241、一种制备扩散介质的方法，所述方法包括以下步骤：制备出包括粉末状树脂、粘合剂材料、包括碳纤维、石墨纤维和其组合的纤维材料的含水分散体系；在支承体上形成一层分散体系；从所述层上去除水从而形成纤维层；对所述纤维层进行模制；并且对所述模制层进行碳化或石墨化处理。2、根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维层在进行模制前至少部分地发生固化。3、根据权利要求2所述的方法，其中去除水和至少部分地发生固化一起得到实施。4、根据权利要求1所述的方法，其中所述粉末状树脂包括酚醛树脂。5、根据权利要求1所述的方法，其中所述粉末状树脂的平均粒度为约40微米-约100微米。6、根据权利要求5所述的方法，其中所述粉末状树脂包括酚醛树脂。7、根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维毡在碳化前具有重量百分比为约40％-约80％的粉末状树脂。8、根据权利要求1所述的方法，其中所述支承体是筛网。9、根据权利要求8所述的方法，其中所述筛网的筛目尺寸小于粉末状树脂的平均粒度。10、一种采用根据权利要求1所述的方法制备出的扩散介质。11、一种采用根据权利要求7所述的方法制备出的扩散介质。12、一种燃料电池，包括：膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极、阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的质子交换膜；位于膜电极组件的电极侧面中的至少一个侧面上的不可透过的导电构件，所述构件与电极一起限定出位于不可透过的导电构件与电极之间的流体分配室；和根据权利要求1所述的设置在流体分配室中的扩散介质。-->13、根据权利要求12所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪纯新，M弗勒明，M马蒂亚斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，光谱公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]