非導電纖維上的導電塗層製造的氣體擴散介質的製作方法

2023-12-06 16:57:01

專利名稱：非導電纖維上的導電塗層製造的氣體擴散介質的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於燃料電池應用的氣體擴散介質。
背景技術：
在許多應用中，燃料電池用作電源。特別地，提出在汽車中使用燃料電池以替代內 燃機。通常使用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質(SPE)薄膜或者質子交換膜(PEM) 以在陽極和陰極之間提供離子傳輸。在質子交換膜類型的燃料電池中，氫氣供給到陽極，燃料和氧氣供給到陰極作為 氧化物。該氧氣可以是純氧形式(O2)或者空氣(氧氣和氮氣的混合物)。PEM燃料電池典 型地具有膜電極組件(MEA)，其中固體聚合物電解質在一個面上具有陽極催化劑以及在相 對面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導電材料形成，例 如石墨纖維、石墨片或者複寫紙以讓燃料分散在朝向燃料供給電極的該膜的表面之上。每 個電極具有支撐在碳微粒上的、細分的催化劑微粒(例如鉬微粒)，以促進再陽極處的氫氣 的氧化和在陰極處的氧氣的還原。質子從陽極通過離子導電聚合物膜流動到所述質子與氧 氣結合以形成從電池排放的水的陰極處。典型地，離子導電聚合物膜包括全氟磺酸(PFSA) 離聚物。MEA夾持在一對多孔氣體擴散層(GDL)之間，所述一對多孔氣體擴散層夾持在一 對導電元件或者板之間。所述板用作陽極和陰極的集流器，並包括形成在其中的適當的通 道和開口，用於在各陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應物。為了有效地 產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學性能穩定、可質子傳輸、非導電和氣體 可滲透。在典型的應用中，燃料電池以許多的單個燃料電池堆陣列設置以提供高水平的電 功率。氣體擴散層在PEM燃料電池中起到多個角色。例如，GDL用作行進到陽極和陰極 層的反應氣體的擴散器，同時將產物水傳輸到流場。GDL也傳導電子並將MEA處產生的熱傳 輸到冷卻劑，並用作軟MEA和硬雙極板之間的緩衝層。典型地，該氣體擴散層從碳纖維或者 非紡織纖維形成，所述碳纖維或者非紡織纖維具有或者不具有連接到其上的微孔層。儘管 用於製造氣體擴散層的當前技術有理由工作的很好，但是這些燃料電池組件的構造趨於相 對較貴。相應地，存在對形成用於燃料電池應用的氣體擴散層的可選方法和成分的需求。

發明內容
本發明通過在至少一個實施例中提供一種燃料電池來解決現有技術中的一個或 者更多個問題，所述燃料電池包括擴散介質，所述擴散介質具有塗布有導電層的纖維。該實 施例的燃料電池包括第一導電板和第一氣體擴散層。第一氣體擴散層設置在所述第一導 電板上。特徵上，第一氣體擴散層包括第一纖維片層，該第一纖維片層具有塗布有導電層的 纖維。第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上且離子導電膜設置在第一催化劑層上。該燃料電池也包括設置在該離子導電膜之上的第二催化劑層，第二氣體擴散層設置在第二催化 劑層之上。第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。在本發明的另一實施例中，提供了一種用於製造前述的擴散介質的方法。該實施 例的方法包括其中至少一部分的多個纖維被塗布導電層來形成多個被塗布纖維的步驟。該 多個被塗布的纖維被用於形成用於燃料電池應用的氣體擴散層。在另一可選步驟中，微孔 層施加到所述氣體擴散層上。在本發明的另一實施例中，提供了一種用於組裝燃料電池的方法。該實施例的方 法包括前述的氣體擴散層被放置在導電板和膜電極組件(MEA)之間的步驟。第二氣體擴散 層放置在該膜電極組件和第二導電板之間。本發明的其他示例性實施例將從此後提供的詳細說明而變得顯而易見。必須理解 的是，儘管公開了本發明的示例性實施例，詳細的說明和特定的示例只是為了說明的目的 而不是為了限制本發明。本發明還提供了以下方案1. 一種燃料電池，包括第一導電板；第一氣體擴散層，所述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上，所述第一氣體 擴散層包括第一纖維片層，所述第一纖維片層具有塗布有導電層的纖維；第一催化劑層，所述第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上；離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上；第二催化劑層，所述第二催化劑層設置在離子導電層上；第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設置在所述第二催化劑層上；以及第二導電板，所述第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。2.根據方案1所述的燃料電池，其中第一多微孔層插入所述第一擴散層和所述第 一催化劑層之間，第二多微孔層插入所述第二催化劑層和所述第二氣體擴散層之間。3.根據方案2所述的燃料電池，其中所述第一和所述第二微多孔層中的每個獨立 包括炭黑和PTFE微粒。4.根據方案1所述的燃料電池，其中所述纖維包括非導電纖維。5.根據方案1所述的燃料電池，其中所述纖維包括從玻璃纖維、聚合物纖維、陶瓷 纖維及其組合所構成的組中選擇的成分。6.根據方案1所述的燃料電池，其中所述纖維自聚醯胺尼龍、聚酯纖維、酚醛纖 維、聚乙烯醇纖維、聚氯乙烯纖維、聚烯烴纖維、腈綸纖維、聚丙烯腈纖維、芳香族聚醯胺纖 維、聚乙烯纖維、聚氨酯纖維及其組合所構成的組中選擇。7.根據方案1所述的燃料電池，其中所述導電層包括從金屬膜、碳膜、導電氧化物 膜、氮氧化物膜及其組合所構成的組中選擇的成分。8.根據方案1所述的燃料電池，其中所述導電層具有從大約Inm到大約1微米的厚度。9.根據方案1所述的燃料電池，其中所述纖維片層是織物的或者非織物的。10.根據方案1所述的燃料電池，其中所述第二氣體擴散層包括第二纖維片層， 所述第二纖維片層具有塗布有導電層的纖維。
11. 一種燃料電池，包括第一導電板；第一氣體擴散層，所述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上，所述第一氣體 擴散層包括纖維片層，所述纖維片層具有塗布有導電層的非導電纖維；第一催化劑層，所述第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上；離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上；第二催化劑層，所述第二催化劑層設置在離子導電層上；第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設置在所述第二催化劑層上，所述氣體擴 散層包括纖維片層，所述纖維片層具有非導電纖維，所述非導電纖維塗布有導電層；以及第二導電板，所述第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。12.根據方案11所述的燃料電池，其中所述纖維包括從纖維玻璃纖維、塑料纖維、 陶瓷纖維及其組合所構成的組中選擇的成分。13.根據方案11所述的燃料電池，其中所述纖維自聚醯胺尼龍、聚酯纖維、酚醛纖 維、聚乙烯醇纖維、聚氯乙烯纖維、聚烯烴纖維、腈綸纖維、聚丙烯腈纖維、芳香族聚醯胺纖 維、聚乙烯纖維、聚氨酯纖維及其組合所構成的組中選擇。14.根據方案11所述的燃料電池，其中所述導電層包括從金屬膜、碳膜、導電氧化 物膜及其組合所構成的組中選擇的成分。15.根據方案11所述的燃料電池，其中所述導電層具有從大約Inm到大約1微米
的厚度。16. 一種製造燃料電池的方法，所述燃料電池包括第一導電板；第一氣體擴散 層，所述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上；第一催化劑層，所述第一催化劑層設置 在第一氣體擴散層上；離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上；第二催化劑 層，所述第二催化劑層設置在所述離子導電膜上；第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設 置在所述第二催化劑層上；以及第二金屬板，所述第二金屬板設置在所述第二氣體擴散層 上，所述方法包括提供多個纖維；用導電層塗布所述多個纖維的至少一部分以形成多個被塗布的纖維；以及將所述多個被塗布的纖維放置在所述第一導電板和所述第一催化劑層之間。17.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過物理沉積塗布。18.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過蒸發塗布。19.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過化學氣相沉積、原子層沉積和化 學氣相滲透來塗布。20.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過浸塗來進行塗布。21.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過電鍍、電鑄成形和靜電沉積來塗布。22.根據方案16所述的方法，其中所述纖維通過噴霧熱解來塗布。23.根據方案16所述的方法，進一步包括第二纖維片層，其具有多個纖維；將所述第二纖維片層中的至少一部分纖維塗布有導電層；以及
將所述第二纖維片層放置在所述第二導電板和所述第二催化劑層之間。


本發明的示例性實施例將從詳細的說明書和附圖而變得完全理解，其中圖1是併入本發明的一個或者更多個實施例的氣體擴散層的燃料電池的示意顯 示；圖2是提供用於形成氣體擴散層的方法的第一變型的流程圖；圖3是提供用於形成氣體擴散層的另一變型的流程圖；以及圖4是提供用於形成燃料電池的方法的變型的流程圖，所述燃料電池併入氣體擴 散層，所述氣體擴散層包括塗布有導電層的纖維。
具體實施例方式現在將詳細參照本發明的優選組成、實施例和方法，該優選組成、實施例和方法構 成了對發明人所已知實施本發明的最佳模式。所述附圖不一定成比例。但是，必須理解，所 公開的實施例只是示例本發明，該發明可以各種和可選的形式來實施。因此，此處所公開的 特定細節不能解釋為限定，而只能作為用於本發明的任何一方面的代表性基礎和/或者作 為教導普通技術人員來不同地利用本發明的代表性基礎。除了在示例中，或者特意地指出，該說明書中指示反應和/或者應用的材料或者 條件的量的所有的數量將被理解成在描述本發明的最寬泛的範圍中以術語「大約」來限定。 所闡述的數字限值之內的實踐通常是優選的。同樣，除非特意地相反闡述，比例、「部分」和 比率值是以重量計，作為適於或者優選用於與本發明相關聯的給定目的的一組或者一類材 料的描述意味著，所述組或者類的任何兩個或者更多個的混合物同樣也是適合的或者優選 的。化學術語中的成分的描述指的是添加到說明書中限定的任意組合時的成分，且不必然 排除一旦混合之後的混合物的成分之間的化學交互反應；縮寫詞或者其他縮寫應用到後續 此處所有相同的縮寫，且經過必要修改後也適用於初始限定的縮寫的正常語法變形，且除 非相反地闡述，屬性的度量通過與用於相同屬性的前述或者後續參考的相同技術來確定。也應該理解的是，該發明不限於下述的特定實施例和方法，因為特定的部件和/ 或者條件當然也發生變化。此外，此處所使用的術語只是為了描述本發明的特定實施例的 目的而不是為了以任何其他方式來限制。如所述說明書和所附權利要求中所使用，必須注意的是，單數形式包括多個所指 物除非行文清晰地進行否定地指示。例如對部件的單數形式的標記意於包括多個部件。在整個該申請中，在參考到出版物時，這些出版物的公開此處完整地引入併入到 該申請中，以更完全地描述該發明所涉及的現有技術。參照圖1，提供了併入本發明的一個或者更多個實施例的氣體擴散介質的燃料電 池。PEM燃料電池10包括設置在第一催化劑層14和第二催化劑層16之間的聚合物離子導 電薄膜12。在一個變型中，第一催化劑層14是陰極層，第二催化劑層16是陽極層。燃料電 池10也包括導電板20、22和氣體通道對、26。氣體擴散層30設置在導電板20和第一催化 劑層14之間，氣體擴散層32設置在導電板22和第二催化劑層16之間。氣體擴散層30、32 中的一個或者兩個包括這樣的纖維，所述纖維塗布有下述更為詳細說明的導電層。在各種改進中，氣體擴散層30、32中的一個或者兩個包括被塗布的纖維的紡織或者非紡織層。進一步參照圖1，在本發明的變型中，微孔層34設置在氣體擴散層30和第一催化 劑層14之間，微孔層36設置在氣體擴散層32和第二催化劑層16之間。擴散層30、32每個包括塗布有如上所述的導電層的纖維。在一個改進中，所述纖 維包括非導電纖維。這樣的纖維的示例包括但是不限於玻璃纖維、聚合物纖維、陶瓷纖維及 其組合。有用的纖維的更特定的示例包括但是不限於聚醯胺纖維、尼龍纖維、聚酯纖維、酚 醛纖維、聚乙烯醇纖維、聚氯乙烯纖維、聚烯烴纖維、腈綸纖維、聚丙烯腈纖維、芳香族聚醯 胺纖維、聚乙烯纖維、聚氨酯纖維、含硼E-玻璃(二氧化矽-氧化鈣-氧化鋁-氧化鎂)纖 維、無硼E-玻璃(二氧化矽-氧化鈣-氧化鋁-氧化硼)纖維、D-玻璃(二氧化矽-氧化 硼-氧化鋁-氧化鈣-氧化鎂和二氧化矽-氧化硼-氧化鈉)纖維、二氧化矽/石英纖維 及其組合。必須理解的是，本發明也構思使用導電纖維。在這樣的情況下，導電層被用於改 進該纖維的導電性。在本實施例的一個變型中，塗布有導電層的纖維的長度為大約3mm至大約65mm。 更長的纖維通常有益於增加滲透和導電性。但是，更長的纖維趨於讓加工更困難且在燃料 電池應用中可能潛在地增加膜失效的可能性。因此，大約6mm的纖維長度是可接受的。在 另一改進中，纖維直徑是大約5微米到大約15微米。為了在填料密度和纖維強度之間獲得 好的平衡，從大約7到10微米的纖維直徑是可接受的。如上所述，氣體擴散層30、32包括塗布有導電層的纖維。可以包括在這些層中的 導電材料的示例包括但是不限於金屬膜(例如、金、鉬、釕、銥、鎳、鋼、鉻、鈀、鎳鉻鐵合金 等)、碳薄膜、金屬碳化物薄膜、導電氧化物薄膜(例如氧化銦錫、含氟或者銻摻雜氧化錫、 鈮或者鉭摻雜氧化鈦等)、氧氮化物薄膜(例如氧氮化鈦、氧氮化釩等)及其組合。在本實 施例的改進中，導電層的厚度為從大約Inm到大約1微米。用導電塗層塗布非導電纖維的概念被提出來作為以顯著低的成本來複製相對昂 貴的氣體擴散介質材料的電學性能的手段。對於具有每長度電阻(R/L)c，導電塗層電阻率 Pm，以及非導電纖維直徑《。的導電纖維來說，需要與導電纖維電學性能匹配所需的塗層厚 度(t。)可以通過下式來計算
一 1 Pm , (c^nc) e^nc上述公式的計算的示例如下。氣體擴散介質包括7μπι直徑的碳纖維和 2000 μ Ω cm的電阻率。基於這些數值，每長度的導電纖維電阻(R/L) C是5. 2 X IO9 μ Ω/cm。 具有比基碳纖維低得多的電阻率的各種導電材料可以應用到具有直徑IOym的實質非導 電的纖維，以複製標準的氣體擴散介質的電學性能。
權利要求
1.一種燃料電池，包括 第一導電板；第一氣體擴散層，所述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上，所述第一氣體擴散 層包括第一纖維片層，所述第一纖維片層具有塗布有導電層的纖維； 第一催化劑層，所述第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上； 離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上； 第二催化劑層，所述第二催化劑層設置在離子導電層上； 第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設置在所述第二催化劑層上；以及 第二導電板，所述第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，其中第一多微孔層插入所述第一擴散層和所述第 一催化劑層之間，第二多微孔層插入所述第二催化劑層和所述第二氣體擴散層之間。
3.根據權利要求2所述的燃料電池，其中所述第一和所述第二微多孔層中的每個獨立 包括炭黑和PTFE微粒。
4.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述纖維包括非導電纖維。
5.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述纖維包括從玻璃纖維、聚合物纖維、陶瓷 纖維及其組合所構成的組中選擇的成分。
6.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述纖維自聚醯胺尼龍、聚酯纖維、酚醛纖 維、聚乙烯醇纖維、聚氯乙烯纖維、聚烯烴纖維、腈綸纖維、聚丙烯腈纖維、芳香族聚醯胺纖 維、聚乙烯纖維、聚氨酯纖維及其組合所構成的組中選擇。
7.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述導電層包括從金屬膜、碳膜、導電氧化物 膜、氮氧化物膜及其組合所構成的組中選擇的成分。
8.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述導電層具有從大約Inm到大約1微米的 厚度。
9.一種燃料電池，包括 第一導電板；第一氣體擴散層，所述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上，所述第一氣體擴散 層包括纖維片層，所述纖維片層具有塗布有導電層的非導電纖維； 第一催化劑層，所述第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上； 離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上； 第二催化劑層，所述第二催化劑層設置在離子導電層上；第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設置在所述第二催化劑層上，所述氣體擴散層 包括纖維片層，所述纖維片層具有非導電纖維，所述非導電纖維塗布有導電層；以及 第二導電板，所述第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。
10.一種製造燃料電池的方法，所述燃料電池包括第一導電板；第一氣體擴散層，所 述第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上；第一催化劑層，所述第一催化劑層設置在第 一氣體擴散層上；離子導電膜，所述離子導電膜設置在第一催化劑層上；第二催化劑層，所 述第二催化劑層設置在所述離子導電膜上；第二氣體擴散層，所述第二氣體擴散層設置在 所述第二催化劑層上；以及第二金屬板，所述第二金屬板設置在所述第二氣體擴散層上，所 述方法包括提供多個纖維；用導電層塗布所述多個纖維的至少一部分以形成多個被塗布的纖維；以及 將所述多個被塗布的纖維放置在所述第一導電板和所述第一催化劑層之間。
全文摘要
本發明涉及非導電纖維上的導電塗層製造的氣體擴散介質。具體地，一種燃料電池包括第一導電板和第一氣體擴散層。第一氣體擴散層設置在所述第一導電板上。特徵上，第一氣體擴散層包括第一纖維片層，該第一纖維片層具有塗布有導電層的纖維。第一催化劑層設置在第一氣體擴散層上且離子導電膜設置在第一催化劑層上。該燃料電池也包括設置在該離子導電膜之上的第二催化劑層，第二氣體擴散層設置在第二催化劑層之上。第二導電板設置在所述第二氣體擴散層上。也提供了用於形成氣體擴散層和燃料電池的方法。
文檔編號H01M4/94GK102097627SQ20101058764
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者D·W·富爾茨, G·V·達赫奇, P·D·尼科特拉, P-Y·A·創, T·A·特拉波德 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司