作为燃料电池用气体扩散介质的丙烯酸类纤维粘合的碳纤维纸制造技术

提供用于燃料电池例如质子交换膜燃料电池的气体扩散介质。所述气体扩散介质包括可碳化丙烯酸类浆纤维而不是常规的酚醛树脂作为粘合剂材料。在造纸步骤过程中将丙烯酸类纤维与碳纤维分散体混合，因此去除了通常与常规气体扩散介质制造方法相关连的酚醛树脂浸渍步骤。随后固化和碳化该垫片以生成气体扩散介质。

【技术实现步骤摘要】
作为燃料电池用气体扩散介质的丙烯酸类纤维粘合的碳纤维纸
本专利技术一般地涉及燃料电池系统，更具体地涉及用在质子交换膜(PEM)燃料电池系统中的新型和经改善的气体扩散介质。
技术介绍
燃料电池已经在许多应用中用作能源。例如，燃料电池已经被计划用于电动车动力设备中来取代内燃机引擎。在质子交换膜(PEM)型燃料电池以及在其他燃料电池类型中，氢供给燃料电池的阳极且氧作为氧化剂供给阴极。在共同转让的美国专利No 5,272,017和5,316,871中描述了典型的PEM燃料电池及其膜电极组件(MEA)，其整个说明书通过参考引入本文。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括薄的、可传送质子的、非电子导电的固体聚合物电解质膜，在该膜的一个面上具有阳极催化剂且在相对面上具有阴极催化剂。PEM燃料电池通常使用在两侧都具有通道的双极板以用于在电极(也就是阳极和阴极)催化剂层表面上分配反应物。在催化剂涂覆的质子交换膜的每个面和双极板之间提供有气体扩散介质(也称为气体扩散器或气体扩散背衬)。反应物通道之间的区域由平台(land)组成，也称为肋(rib)。因此，在这类设计中，电极区域的大概一半与肋相邻，一半与平台相邻。气体扩散介质的作用是以最小的电压损失将阳极和阴极气体从流场的通道-肋结构转移到电极的活性区域。虽然所有电流都穿过所述平台，但是有效的扩散介质在相邻的催化剂层促进均匀的电流分布。有关PEM及其他相关类型燃料电池系统的技术的实例可在以下参考文献中找到：共同转让的美国专利，Witherspoon等的3,985,578；Li等的5,624,769；Neutzler的5,776,624；Swathirajan等的6,277,513；Wood III等的6,350,539；Fronk等的6,372,376；Mathias等的6,376,111；Vyas等的6,521,381；Sompalli等的6,524,736；Fly等的6,566,004；Fly等的6,663,994；Brady等的6,793,544；Rapaport等的6,794,068；Blunk等的6,811,918；Mathias等的6,824,909；美国专利申请-->公开，Mathias等的2004/0009384；Darling等的2004/0096709；Mathias等的2004/0137311；O′Hara的2005/0026012；O′Hara等的2005/0026018；O′Hara等的2005/0026523；Mathias等的2005/0042500；Angelopoulos等的2005/0084742；Abd Elhamid等的2005/0100774；和Mathias等的2005/0112449，它们的整个说明书特别地作为参考文献引入本文。气体扩散介质为反应气体提供从流场通道到催化剂层的接入(access)，提供将产物水从催化剂层区域移到流场通道的通道，提供从催化剂层到双极板的电子导电性，提供从MEA到双极板(其中布置有冷却剂通道)有效的散热，和在阳极和阴极气体通道之间存在很大的反应物压力差时向MEA提供机械支撑。上述功能给扩散介质带来了导电和导热要求，包括本体性质和与双极板和催化剂层的界面传导性。由于双极板的通道-肋结构，气体扩散介质同样允许气体从通道到邻接平台的催化剂区域的横向接入，使得可以在此处发生电化学反应。气体扩散介质同样促进从邻接平台的催化剂区域到通道的横向排水。气体扩散介质还在双极板平台和邻接通道的催化剂层之间提供横向电子导电性，和与催化剂层保持良好接触以用于电和热传导，且不压缩到通道中而导致流动阻塞和高通道压降。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，现有技术扩散介质由碳纤维垫片组成，通常称为碳纤维纸。这些纸使用通常由聚丙烯腈、纤维素及其他聚合材料制成的前体纤维。该工艺包括形成垫片，添加树脂粘合剂，与所述材料一起固化树脂(有时在受压下操作，称为模塑)，和在惰性气氛或真空下逐渐加热该材料以去除非碳(non-carbonaceous)材料。制造该材料的最后步骤是高温热处理步骤，其接近或超过1,600℃，有时高达2,800℃。在惰性气体(例如氮或氩)或真空环境下进行该步骤，且目的是去除非碳材料，并且当温度为约2,000℃或以上时，将碳转化为石墨。这一步骤可以连续进行，或者使用通常为一平方米的方形碳纤维纸片堆在间歇炉中进行。将碳转化为石墨产生优良的导电性，其通常被认为在PEM燃料电池使用中是理想的。在磷酸燃料电池(PAFC)应用中碳纤维纸同样用作气体扩散电极。在这个应用中，该材料必须进行石墨化以具有充分的耐腐蚀性来耐受热磷酸电解质。总结来说，典型碳纤维纸基气体扩散介质的制造步骤一般包括：(1)碳纤维纸制造步骤；(2)使用树脂和填料的浸渍步骤；(3)有时在施加压力下进行的树-->脂固化步骤；和(4)碳化/石墨化步骤。碳纤维纸制造和浸渍步骤一般是连续的，而模塑、碳化和石墨化步骤即可以间歇进行也可以连续进行。例如，一具体的方法包括下列步骤：(1)提供聚丙烯腈(PAN)纤维的步骤；(2)碳化和切断纤维的步骤；(3)纸制造步骤，包括添加5-15％粘合剂；(4)使用酚醛树脂的树脂浸渍步骤；(5)模塑步骤；和(6)碳化/石墨化步骤。用来将结构粘结在一起的树脂，一般为酚醛树脂，在分离的浸渍步骤期间通过溶液以常规方式施加，溶剂在高速烘箱中被驱除。然而，所有这些分开的制造和处理步骤都是耗时和昂贵的。因此，这就需要用于PEM燃料电池系统的新型和经改善的气体扩散介质。
技术实现思路
根据本专利技术的一般教导，提供用于PEM燃料电池系统的新型和经改善的气体扩散介质。根据本专利技术一个实施方案，提供用于燃料电池的气体扩散层，其包括：(1)包含许多碳纤维的垫片；和(2)引入到碳纤维垫片中的许多丙烯酸类浆纤维(acrylic pulp fibers)，其中丙烯酸类浆纤维在引入到碳纤维垫片中之后被固化和碳化。根据本专利技术的一个方面，在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的范围是大约25-大约50重量％。根据本专利技术的另一个方面，在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的数量是大约35重量％。根据本专利技术的一个方面，在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，丙烯酸类浆纤维存在的范围是大约50到大约75重量％。根据本专利技术的另一个方面，在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，丙烯酸类浆纤维存在的数量是大约65重量％。根据本专利技术的一个方面，在固化和碳化步骤之后，基于气体扩散层的总重量，添加到预碳化垫片中的碳纤维存在的范围是大约40-大约70重量％。根据本专利技术的另一个方面，在固化和碳化步骤之后，基于气体扩散层总重量，碳化的丙烯酸类纤维存在的范围是大约30-大约60重量％。根据本专利技术的一个方面，气体扩散层被石墨化(例如大于90％碳)。根据本专利技术的另一个方面，所述气体扩散介质被引入到质子交换膜燃料电池中。-->根据本专利技术的第一可选择的实施方案，提供一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：(1)包含许多碳纤维的垫片；和(2)引入到所述碳纤维垫片中的许多丙烯酸类浆纤维；其中所述丙烯酸类浆纤维在引入到碳纤维垫片中之后被固化和碳化；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：包含许多碳纤维的垫片；和引入到该碳纤维垫片中的许多丙烯酸类浆纤维；其中所述丙烯酸类浆纤维在引入到碳纤维垫片中之后被固化和碳化。

【技术特征摘要】
US 2006-3-20 11/3847061、一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：包含许多碳纤维的垫片；和引入到该碳纤维垫片中的许多丙烯酸类浆纤维；其中所述丙烯酸类浆纤维在引入到碳纤维垫片中之后被固化和碳化。2、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的范围是大约25-大约50重量％。3、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的数量是大约35重量％。4、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，丙烯酸类浆纤维存在的范围是大约50到大约75重量％。5、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，丙烯酸类浆纤维存在的数量是大约65重量％。6、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化步骤之后，基于气体扩散层的总重量，添加到预碳化垫片中的碳纤维存在的范围是大约40-大约70重量％。7、根据权利要求1的发明，其中在固化和碳化步骤之后，基于气体扩散层总重量，碳化的丙烯酸类纤维存在的范围是大约30-大约60重量％。8、根据权利要求1的发明，其中所述气体扩散层被引入到质子交换膜燃料电池中。9、一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：包含许多碳纤维的垫片；和引入到所述碳纤维垫片中的许多丙烯酸类浆纤维；其中所述丙烯酸类浆纤维在引入到碳纤维垫片中之后被固化和碳化；其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的范围是大约25-大约50重量％；其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，丙烯酸类浆纤维存在的范围是大约50-大约75重量％。10、根据权利要求9的发明，其中在固化和碳化之前，基于气体扩散层的总重量，碳纤维存在的数量是大约35重量％。--...

【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]