气体扩散基底制造技术

公开了一种气体扩散基底，其包含非织造纤维网、导热材料和碳质残留物，其中将该导热材料和碳质残留物植入到该非织造纤维网中，和其中该导热材料的最大维度是１－１００μｍ，和该气体扩散基底的孔隙率小于８０％。该基底具体用于磷酸燃料电池中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体扩散基底本专利技术涉及一种气体扩散基底，特别是用于燃料电池例如磷酸燃料电池(PAFC)中的气体扩散基底。本专利技术另外涉及一种制造这样的气体扩散基底的方法。燃料电池是一种电化学电池，其包含被电解质隔开的两个电极。将燃料例如氢气，醇(例如甲醇或者乙醇)，或者甲酸供给到阳极，将氧化剂例如氧气或者空气或者其他氧化剂例如过氧化氢供给到阴极。在该电极处发生电化学反应，并且将燃料和氧化剂的化学能转化成电能和热。使用电催化剂来促进燃料在阳极的电化学氧化和氧化剂在阴极的电化学还原。燃料电池通常根据所用电解质的性质分类。在PAFC中，电池是由包含在惰性基质薄层中的磷酸电解质制成，该基质薄层夹在阳极和阴极电极之间。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质层典型的是位于电极层之间的一种薄质子传导性聚合物。这些电池的任何一种能够用纯的氢气燃料，或者用通过烃燃料重整而形成的更稀的含氢燃料混合物来运行，或者特别是在PEMFC的情况中，可以直接用烃燃料例如甲醇或者乙醇来运行。PAFC和PEMFC的电极通常包含气体多孔性、导电的和化学惰性气体扩散基底(GDS)和电催化剂层，该电催化剂层包含电催化剂，其面向电解质或者膜并且与之接触。该基底为电催化剂层提供了机械支撑，并且允许反应物氢气和氧气物质从总体流动的流体中扩散到电催化剂层中的反应位置。该基底还能够将在电催化剂层中形成的产物水有效的除去到总体流动的流体中，并且提供转移通过电池的热和电子。任何GDS的具体结构设计高度依赖于燃料电池的类型和它打算运行的条件。但是，在今天的PAFC和PEMFC中所用的大部分基底的基本构造是基于树脂结合的碳纤维纸基底工艺。如WO2008/051280A2所述，用于生产这些基底的基本方法典型的包括：(i)通过湿铺法例如造纸方法来形成碳纤维的非织造网，(ii)用热固性酚类树脂浸渍该网，(iii)在足以固化所述树脂的温度加压一层或多层所述的网，(iv)在至高大约1000℃温度的惰性气氛中热处理来碳化该树脂，和(v)在2000-3000℃温度的惰性气氛中热处理来部分的石墨化所述碳，来提高导电和导热性以及耐腐蚀性。这种构造的气体扩散基底已经由市售的基底开发商进行了开发，并且已经用作PAFC发电设备制造中的关键部件。在这些实际的燃料电池系统中，将一系列的基础电池(包含阳极、电解质和阴极)与隔离器板(反应物气体和产物流过该板)一起组装到一起，来形成堆叠的电池，其能够获得适当的堆栈电压，电流和因此的功率输出。如“HandbookofFuelCells，第4卷第2部分第59章，797-810，2003年出版，JohnWileyandSonsLtd，ISBN：0-471-49926-9”中所述，从二十世纪九十年代早期开始，将由TorayIndustriesInc.所生产的类型的基底(如US4851304中所公开的)用于由UnitedTechnologiesCorporation(UTC)所生产的200kWPC-25PAFC发电设备中。在US4851304中，公开了将多孔电极基底用于燃料电池，其包含在基本上二维平面中以无规方向分散的短碳纤维和用于互连结合该纤维的碳化树脂。该碳纤维的直径是4-9μm，长度是3-20mm，并且碳化树脂的含量是整个基底的35-60重量%。在由TheTokyoElectricPowerCompanyInc.所出版的用于评价许多PAFC发电设备的报告中(JournalofPowerSources，第49卷，1994，第77-102页)，他们指出需要几种电池改进来进一步提高这些类型的燃料电池发电设备的商业可行性。导热性被认为是GDS的一个重要特性，并且这里需要以尽可能高的效率除去电极反应中所产生的热。除热效率越高，在堆栈组件中所用的冷却板的数目越少和该堆栈的高度和成本越低。用于生产非织造碳纤维网的典型的碳纤维是基于热处理的聚丙烯腈，并且称作PAN基碳纤维。US7429429B2公开了由长纤维PAN所制造的基底具有1.2W/m.K的热导率。热导率可以如下来提高：使用沥青基碳纤维而非PAN基碳纤维，或者使用短磨纤维(0.25mm-0.50mm)，或者提高基底制造方法中的最终热处理温度。数据表明当使用短磨的和沥青基的碳纤维时，并且热处理达到3000℃时，所获得的热导率是大约4.4W/m.K。相同的材料在2100℃的较低温度热处理时，仅仅具有大约1.75W/m.K的热导率，该热导率远降低了2.5倍。所以本专利技术的一个目标是提供一种气体扩散基底，特别是适用于磷酸燃料电池的气体扩散基底，其具有比现有技术的基底提高的热导率。具体的，本专利技术的一个目标是提供一种气体扩散基底，当在比现有技术的材料所要求的更低的温度进行热处理时，所述基底在1000kPa的压力时具有3W/m.k的最小穿过平面的热导率，优选在1000kPa的压力时具有4W/m.k的最小穿过平面的热导率。因此，本专利技术的第一方面提供一种气体扩散基底，其包含非织造纤维网、导热材料和碳质残留物，其中将该导热材料和碳质残留物植入到该非织造纤维网中，和其中该导热材料的最大维度是1-100μm，和该气体扩散基底的孔隙率小于80%，合适的小于75%。对于基本球形的材料来说，该“最大维度”将是该球体的直径。对于非球形的材料来说，该“最大维度”是最长的轴的尺寸。合适的，该导热颗粒的最大维度是6-100μm，和优选10-100μm。本领域技术人员将理解该导热材料的最大维度可以覆盖一定范围的维度。处于本专利技术范围内的是该气体扩散基底中至少50%，合适的是至少70%和优选至少90%的导热材料的最大维度是1-100μm。用术语“导热材料”表示这样的材料，如果该材料的物理性质是各向异性的，则至少在一个方面上该材料具有高的固有热导率，并且其能够浸渍到非织造网中来在最终基底中产生良好有效的热导率。这样的导热材料的例子包括：(i)颗粒，例如石墨(天然的或者合成的)，例如来自BranwellGraphiteLtd的V-SGA5或者来自TimcalGraphite&Carbon的Timrex®SFG6。合适的，该颗粒的d90是6-100μm和优选是10-100μm。d90测量表示90%的颗粒的直径小于d90值；例如6μm的d90表示90%的颗粒的直径小于6μm。(ii)纤维状或者管状材料，例如纳米纤维和纳米管，例如来自PyrografProductsInc.的PyrografIII®碳纤维或者来自ShowaDenkoK.K.的VGCF-H。合适的，该纤维状或者管状材料的最小长度是1μm，合适的是6μm和优选是10μm，直径是5nm-1μm，优选50-500nm。(iii)圆盘形材料，例如纳米石墨烯小片例如来自AngstronMaterialsLLC的N008-100-05或者N006-010-00。合适的，该圆盘形材料沿着圆盘(x/y-方向)的维度是40μm或者更低，和穿过该圆盘(z-方向)的厚度是100nm或者更低。(iv)任何其他形式的导热碳，例如炭黑及其任何的热处理形式，超富勒烯，沥青基碳泡沫等等。最合适的，该导热材料是颗粒，优选石墨(天然的或者合成的)。在一方面，还优选的是该导热颗粒也是导电性的。该气体扩散基底中的碳质残留物本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种气体扩散基底，其包含非织造纤维网、导热材料和碳质残留物，其中将该导热材料和碳质残留物植入到该非织造纤维网中，和其中该导热材料的最大维度是１－１００μｍ，和该气体扩散基底的孔隙率小于８０％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB0902312.82009年2月12日1.一种多孔气体扩散基底，其包含非织造纤维网、导热材料和碳质残留物，其中将该导热材料和碳质残留物植入到该非织造纤维网中，和其中该导热材料的最大维度是1-100μm，和该气体扩散基底的孔隙率小于80%，其特征在于导热材料：碳质残留物的比率是10：90至30：70，其中所述导热材料选自：碳纳米纤维、碳纳米管、或者纳米石墨烯小片，并且其中所述基底在1000kPa压力时透过平面的热导率是至少3W/m·k，其中所述多孔气体扩散基底通过包括如下步骤的方法制得：(i)用所述导热材料和可碳化粘合剂的混合物浸渍非织造纤维网；(ii)在100-250℃的温度固化该非织造纤维网中的可碳化粘合剂；(iii)在600-1000℃对该浸渍的纤维网进行第一热处理步骤来碳化该可碳化粘合剂，留下碳质残留物；和(iv)在2000-2300℃进行第二热处理步骤来提供气体扩散基底。2.根据权利要求1的气体扩散基底，其中该碳质残留物获自可碳化粘合剂。3.根据权利要求2的气体扩散基底，其中该可碳化粘合剂包含酚类粘合剂或沥青基树脂。4.根据权利要求1-3中任一项的气体扩散基底，其中相对于非织造纤维网的重量，该导热材料和碳质残留物在基底中的合计存在...

【专利技术属性】
技术研发人员：M耶施克，
申请(专利权)人：约翰逊马西有限公司，
类型：发明
国别省市：GB