專利名稱：氣體擴散基材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體擴散基材，特別是涉及用于燃料電池(例如聚合物電解液膜燃料電池)的氣體擴散基材。本發(fā)明還涉及制備氣體擴散基材的方法。
燃料電池是含有兩個被電解液分開的電極的電化學(xué)電池。燃料、例如氫或甲醇，被供給到陽極而氧化劑，例如氧氣或空氣被供給到陰極。在電極間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱量。燃料電池是清潔和高效的能源，并可以取代傳統(tǒng)電能，例如靜態(tài)的或者汽車電用途中兩者中的內(nèi)燃發(fā)動機。在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，電解液是電子絕緣但是離子導(dǎo)通的固體聚合物膜。
已知聚合物電解液燃料電池的基本組件是膜電極組件(MEA)并通常含有五層。中間層是聚合物膜。該膜兩側(cè)是電催化劑(electrocatalyst)層，通常含有基于鉑的催化劑。電催化劑是提升電化學(xué)反應(yīng)速率的催化劑。最后，與各電催化劑層相鄰的是氣體擴散基材。該氣體擴散基材必須能夠讓反應(yīng)物達到電催化劑層和必須傳導(dǎo)由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。因此，該基材必須是多孔的和導(dǎo)電的。
MEAs可以由多種方法構(gòu)造?？梢詫㈦姶呋瘎邮┘拥綒怏w擴散基材上以形成氣體擴散電極。兩個氣體擴散電極可以設(shè)置在膜的兩側(cè)并一起層壓形成五層MEA。備選地，可以將電催化劑層施加到膜的兩面以形成用催化劑涂覆的膜。隨后，將氣體擴散電極施加到催化劑涂覆膜的兩面上。最后，通過在一側(cè)用電催化劑層涂覆膜、氣體擴散基材與電催化劑層鄰接和氣體擴散電極在膜的另一側(cè)形成了MEA。
典型的氣體擴散基材包括基于復(fù)寫紙的基材(例如由日本TorayIndustries可得的Toray紙)、織造碳布(例如由USA，ZoltekCorporation可獲得的ZoltekPWB-3)或者非織造碳纖維布(例如由UK，Technical Fibre Products可獲得的Optimat 203)。碳基材通常經(jīng)嵌入在基材中或者涂覆到平面上或者兩者的組合的顆粒材料改性。該顆粒材料通產(chǎn)是炭黑和聚合物(例如聚四氟乙烯，PTFE)的混合物。
US 6511768公開了一種氣體擴散基材，其包括石墨化的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)通過如下方法制備獲取由聚丙烯腈(PAN)纖維制備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并氧化和石墨化該網(wǎng)絡(luò)。該石墨化步驟在1500-2500℃溫度下進行。這種高溫處理要求相當大的能量輸入，增加了生產(chǎn)工藝的費用。
EP 791974公開了制備氣體擴散基材的連續(xù)生產(chǎn)方法，該方法沒有使用高溫石墨化步驟。炭黑與PTFE混合，并用PTFE涂覆碳纖維?；旌咸亢?PTFE混合物和經(jīng)涂覆的碳纖維以形成漿體，將該漿體涂覆到以移動網(wǎng)床(mesh bed)上。沉積層經(jīng)干燥形成氣體擴散基材。
本發(fā)明人在尋找一種與在EP 791974中所公開的基材相比具有改善的電導(dǎo)率的氣體擴散基材材料，并已經(jīng)尋找到實現(xiàn)該目標的方法，該方法不要求高溫石墨化纖維網(wǎng)絡(luò)?；谋仨毦哂袑τ谌剂现惺褂煤线m的電導(dǎo)率，透氣性和水處理性質(zhì)。所述基材應(yīng)當是堅固和柔性的，使得足以承受進一步加工成電極和/或膜電極組件。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供了包括碳纖維非織造網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中的石墨顆粒和疏水聚合物的混合物的氣體擴散基材，其中碳纖維經(jīng)石墨化但是非織造網(wǎng)絡(luò)沒有經(jīng)受石墨化步驟；至少90％石墨顆粒的最長尺寸低于100μm。
石墨化是其中碳被加熱到至少1500℃和碳的結(jié)晶學(xué)結(jié)構(gòu)變?yōu)楦窦兪Y(jié)構(gòu)的“石墨”形態(tài)的步驟。其中碳纖維經(jīng)石墨化但是非織造網(wǎng)絡(luò)未經(jīng)受石墨化步驟的非織造網(wǎng)絡(luò)在物理上不同于經(jīng)過石墨化的網(wǎng)絡(luò)。石墨網(wǎng)絡(luò)與由石墨化碳纖維制備的非石墨化網(wǎng)絡(luò)相比可能具有更高的傳導(dǎo)率和更高的勁度。
US 6511768提出由石墨化纖維形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過纖維的高勁度得以避免，但是本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)石墨化纖維有利地在本發(fā)明的氣體擴散基材中用于形成非織造纖維網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選使用單獨的石墨化纖維而不是使纖維網(wǎng)絡(luò)石墨化，這是因為前者更為容易并且單獨的纖維處理起來更為經(jīng)濟。石墨化纖維網(wǎng)絡(luò)還能由于石墨化步驟期間的各向異性尺寸變化導(dǎo)致不理想的不平坦結(jié)構(gòu)。
US 6511768公開了石墨化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)當用于形成氣體擴散基材，因為它們具有高的穿過平面?zhèn)鲗?dǎo)率。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以不使用石墨化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高傳導(dǎo)率的氣體擴散基材。在本發(fā)明中，高傳導(dǎo)率通過將細石墨顆粒設(shè)置在石墨化碳纖維的非織造網(wǎng)絡(luò)中而實現(xiàn)。細石墨顆粒(至少90％的石墨顆粒的最長尺寸低于100μm)賦予纖維交替平行的傳導(dǎo)路徑，由此改善了纖維間傳導(dǎo)率。
石墨化碳纖維是合適的通過氧化和石墨化聚丙烯腈(PAN)纖維制備的碳纖維。合適地，碳纖維的平均尺寸為0.1-20μm、優(yōu)選1-10μm。碳纖維的平均長度合適地為1-20mm、優(yōu)選3-12mm。所述非織造網(wǎng)絡(luò)合適的具有10-50g/m2、優(yōu)選20-40g/m2的克重(面重量)(這僅是碳纖維的重量而不包括石墨顆粒和疏水聚合物的重量)。如果纖維網(wǎng)絡(luò)具有低于此的克重，則可能危及基材的傳導(dǎo)率。
在非織造網(wǎng)絡(luò)中碳纖維合適地在x方向和y方向(面內(nèi))隨機取向，得到了二維各向異性結(jié)構(gòu)。然而，取決于用于生產(chǎn)該纖維網(wǎng)絡(luò)的方法，可以誘導(dǎo)某些在x方向和y方向的取向。如果該纖維網(wǎng)絡(luò)使用常規(guī)造紙法鋪設(shè)或者使用織造物技術(shù)濕鋪設(shè)，則可能產(chǎn)生在z方向(穿過平面)的隨機取向。
在本發(fā)明方法中使用的石墨顆?？梢允墙?jīng)石墨化的炭黑，但是合適地是片狀石墨或者球狀石墨。至少90％石墨顆粒的最長尺寸低于100μm、合適地為20-0.1μm、優(yōu)選為5-0.1μm。細的和非常細的石墨顆粒是優(yōu)選的；較大的石墨顆粒難于保持在纖維網(wǎng)絡(luò)中。優(yōu)選地，石墨顆粒作為石墨顆粒的膠體懸浮液供給，其中石墨顆粒小到足以保持在膠體懸浮液中。由于小顆粒不發(fā)生附聚，石墨顆粒的膠體懸浮液是有利的。
疏水聚合物合適地是含氟聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE)或者氟化的乙烯-丙烯(FEP)，并優(yōu)選是PTFE。石墨顆粒對疏水聚合物的重量比合適地為50∶1-2∶1，優(yōu)選為10∶1-4∶1。石墨顆粒對碳纖維的重量比合適地為1∶2-10∶1，優(yōu)選為3∶5-5∶1。石墨顆粒、疏水聚合物和碳纖維的相對量在確定基材比率時非常重要。增加疏水聚合物的比重增加了材料的疏水性和增加強度，反之增加碳纖維和石墨顆粒的比重增加了傳導(dǎo)率。由于石墨顆粒具有非常低的電阻率，石墨顆粒的相對量對傳導(dǎo)率具有最顯著影響。
在本發(fā)明的一個實施方案中，跨纖維網(wǎng)絡(luò)厚度存在石墨顆粒和疏水聚合物的濃度梯度。術(shù)語“濃度梯度”是指從網(wǎng)絡(luò)的第一面到第二面濃度以梯度(盡管不必是線性的)變化。合適地，在第一面上石墨顆粒和疏水聚合物的量至少是第二面上石墨顆粒和疏水聚合物的量的至少2倍、優(yōu)選至少4倍。
在本發(fā)明的一個備選實施方案中，石墨顆粒和疏水聚合物均勻分布在纖維網(wǎng)絡(luò)中，即跨纖維網(wǎng)絡(luò)厚度不存在濃度梯度。
除了石墨顆粒和疏水聚合物，氣體擴散基材可以另外含有通過快速低溫碳化酚醛樹脂制備的粘合劑。由于該粘合劑固定住網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的節(jié)點并更緊密地粘合石墨顆粒，這增加了x-y平面中的基材強度。此外，該粘合劑還降低了材料的可壓縮性。碳化的酚醛樹脂粘合劑的量合適地為2-50wt％(以基材重量計)。與在高于1500℃進行的石墨化相反，碳化可以在約800℃溫度下進行，盡管可以使用更低溫度，但是伴有傳導(dǎo)率的較低增加。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述氣體擴散基材合適地用于燃料電池，并因而具有低于400μm、優(yōu)選100-250μm的移位(ex-situ)厚度?；牡暮穸瓤赡茈S壓制顯著變化，例如在組裝成燃料電池組。
合適地，當所述基材在燃料電池中使用時，炭黑和疏水聚合物襯底層存在于基材的至少一面上。炭黑顆粒材料是例如油料爐黑，例如VulcanXC72R(來自Cabot Chemicals，USA)，或者乙炔炭黑，例如Shawinigan(來自美國Chevron Chemicals)或Denka FX-35(來自日本Denka)。疏水聚合物合適地是聚四氟乙烯(PTFE)。襯底層提供了其上待施加催化劑層的連續(xù)表面。如果氣體擴散基材在跨基材厚度上具有石墨顆粒和疏水聚合物的濃度梯度，那么襯底層合適地存在于氣體擴散基材具有較高石墨顆粒和疏水聚合物濃度的面上。
本發(fā)明還提供了包括根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散基材和電催化劑層的氣體擴散電極。
電催化劑層含有可以是細碎的金屬粉末(金屬黑)的電催化劑，或者可以是其中金屬小顆粒分散在導(dǎo)電的顆粒狀碳載體的負載催化劑。電催化劑金屬合適地選自(i)鉑族金屬(鉑、鈀、銠、釕、銥和鋨)，(ii)金或銀，(iii)賤金屬(base metal)，或者包括一種或者多種這些金屬或者它們的氧化物的合金或混合物。優(yōu)選的電催化劑金屬是鉑，其可以與其它貴金屬(例如釕)或賤金屬(例如鉬或鎢)合金化。如果該電催化劑是負載的催化劑，那么在碳載體材料上的金屬顆粒負載量合適地為10-90wt％，優(yōu)選為15-75wt％。
電催化劑層還合適地含有離子傳導(dǎo)聚合物，其被引入以改善層內(nèi)離子傳導(dǎo)性。
在其中氣體擴散電極是燃料電池的陰極和跨纖維網(wǎng)絡(luò)厚度存在石墨顆粒和疏水聚合物的濃度梯度的一個優(yōu)選實施方案中，電催化劑層鄰接于具有較高的石墨顆粒和疏水聚合物濃度的氣體擴散基材的面。設(shè)置基材的最疏水表面以鄰接于催化劑層，從而防止催化劑層在燃料電池運行期間被水堵塞。
本發(fā)明還提供了包括根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散基材的膜電極組件。所述膜電極組件包括插在兩個電催化劑層間的聚合物電解液膜。至少一個氣體擴散基材是根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散基材，該氣體擴散基材與電化學(xué)層相鄰接。
聚合物電解液膜可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何類型的離子傳導(dǎo)性膜。合適地，該膜是質(zhì)子傳導(dǎo)性的。在現(xiàn)有技術(shù)的膜電極組件中，這些膜經(jīng)?；谌幕撬岵牧?，例如Nafion(Dupont)、Flemion(Asahi Glass)和Aciplex(Asahi Kasei)。該膜可以是含有質(zhì)子傳導(dǎo)材料和其它賦予諸如機械強度的性能的復(fù)合膜。例如，該膜可以包括質(zhì)子傳導(dǎo)膜和硅石纖維基質(zhì)，如EP 875524中所述。該膜合適地低于200μm厚，優(yōu)選低于50μm厚。
在跨纖維網(wǎng)絡(luò)厚度存在石墨顆粒和疏水聚合物的濃度梯度的一個優(yōu)選實施方案中，在膜電極組件中電催化劑層與氣體擴散基材的具有較高石墨顆粒和疏水聚合物濃度的面相鄰接。
本發(fā)明還提供了形成根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散基材的方法，該方法包括下列步驟a)將石墨化碳纖維漿體沉積在多孔床上以形成濕纖維網(wǎng)絡(luò)；b)制備石墨顆粒和疏水聚合物的懸浮液，其中至少90％的石墨顆粒的最長尺寸低于100μm；c)將該懸浮液施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)上；d)將懸浮液吸入到濕纖維網(wǎng)絡(luò)中；和e)在不超過1000℃溫度下干燥和煅燒該濕纖維網(wǎng)絡(luò)。
該方法不要求預(yù)成型干燥纖維網(wǎng)絡(luò)的獨立步驟和不要求，也不要求高溫石墨化步驟，即不要求在高于1500℃下加熱。
所述纖維漿體合適地包括在液體(例如水)中的石墨化碳纖維。該漿體可以通過機械或者手動攪拌混合纖維和水來制備。將該漿體沉積到多孔床，例如紙制線(paper-making wire)或成型織物。該漿體可以使用多種適合于形成濕法鋪設(shè)非織造網(wǎng)絡(luò)的方法(例如使用簾式涂布機或者堤壩式涂布機(weircoater)進行沉積以提供平坦的漿體薄層。
所述纖維漿體合適地含有粘合劑材料，例如聚乙烯醇(PVA)，其量通常為漿體總干質(zhì)量的5-15％。該纖維漿體合適地含有通常為漿體總體積的0.5-1％的粘度改性劑，例如Texipol.在一個實施方案中，該纖維漿體還含有酚醛樹脂。
當漿體被沉積到多孔床上時，形成了濕纖維網(wǎng)絡(luò)。該纖維網(wǎng)絡(luò)由該床承載，而且在從床上取下時將會塌陷。
至少90％的石墨顆粒的最長尺寸為低于100μm，優(yōu)選至少90％的石墨顆粒的最長尺寸為0.1-5μm。細石墨顆粒(0.1-100μm)是優(yōu)選的，這是因為可以通過過濾方法將它們添加到纖維網(wǎng)絡(luò)中；較大顆粒不能滲入結(jié)構(gòu)中。優(yōu)選地，石墨顆粒作為石墨顆粒的膠體懸浮液(例如石墨顆粒的膠體溶液)提供。
所述石墨顆粒和疏水聚合物的懸浮液合適地在水中含有1-10wt％固體。該懸浮液可以通過機械或手動攪拌混合石墨顆粒的懸浮液、疏水聚合物的懸浮液和水而制備。
所述懸浮液合適地通過堤壩式涂布機或者簾式涂布機施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)上。
合適地使用抽吸系統(tǒng)將所述懸浮液吸入到濕纖維網(wǎng)絡(luò)中。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，僅將該懸浮液施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)的一面，而在濕纖維網(wǎng)絡(luò)的另一面實施抽吸。懸浮液被吸入到纖維網(wǎng)絡(luò)中，但是通常保持在靠近施加懸浮液一面的懸浮液比到達實施抽吸的基材一面的懸浮液多。由此，這種方法可以用于制備跨基材厚度有多孔性梯度的氣體擴散基材。
所述濕纖維網(wǎng)絡(luò)在不超過1000℃和合適地不超過400℃的溫度下干燥和煅燒。這優(yōu)于許多其中要求高溫石墨化步驟的現(xiàn)有技術(shù)方法。優(yōu)選地，煅燒溫度足以燒結(jié)疏水聚合物和固定纖維網(wǎng)絡(luò)中的所有粘合劑，并且至少為270℃。如果已經(jīng)將酚醛樹脂添加到纖維漿體中，那么如果想完全碳化纖維的化，煅燒必須在750-950℃下進行。
本發(fā)明還提供了制備根據(jù)本發(fā)明的氣體擴散基材的備選方法，該方法包括下列步驟a)將石墨顆粒和疏水聚合物的懸浮液相混合以形成第一漿體，其中至少90％石墨顆粒的最長尺寸低于100μm；b)將石墨化的碳纖維、液體和任選的粘合劑相混合以形成第二漿體；c)將第一漿體和第二漿體相混合以形成第三漿體；d)將第三漿體沉積到多孔床上以形成含纖維層；以及e)在不超過1000℃溫度下干燥和煅燒該含纖維層。
在該方法中，成功地將石墨顆粒結(jié)合到碳纖維網(wǎng)絡(luò)中，以簡單的“單罐”提供了高傳導(dǎo)性氣體擴散基材，而無需高溫石墨化處理。石墨顆粒和疏水聚合物懸浮液預(yù)混合確保石墨顆粒保持在氣體擴散基材中。
疏水聚合物懸浮液合適地是含水的和可以含有其它組分(例如表面活性劑)。懸浮液的固體含量合適地為0.01wt％-1wt％。石墨顆粒合適地使用混合器(例如高剪切力混合器)與疏水聚合物懸浮液混合。石墨顆粒對疏水聚合物的重量比合適地為50∶1至2∶1，優(yōu)選為10∶1至4∶1。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)石墨顆粒對疏水聚合物的比率影響石墨顆粒保留在氣體擴散基材中的程度。
對于第二漿體而言優(yōu)選的粘合劑是聚乙烯醇(PVA)。所述液體優(yōu)選是水。粘合劑對纖維的比率合適地為1∶1至1∶20，第二漿體的固體含量合適地低于1wt％。使用混合器(例如高剪切力混合器)混合纖維、任選的粘合劑和液體。在一個實施方案中，向第二漿體中添加酚醛樹脂。
合適地使用高剪切力混合器將第一漿體和第二漿體混合到一起。不可能在單一步驟中混合石墨顆粒、疏水聚合物和石墨化碳纖維；需要預(yù)先混合石墨顆粒和疏水聚合物，不然石墨顆粒不會保持在氣體擴散基材中。
第三漿體沉積在多孔床上，該多孔床優(yōu)選是紙制線或者成型織物。第三漿體可以使用多種技術(shù)、但合適地使用堤壩式涂布機沉積。當將第三漿體沉積到床上時，形成了含纖維層。纖維在層中形成網(wǎng)絡(luò)，而石墨顆粒和疏水聚合物嵌入到纖維網(wǎng)絡(luò)中。石墨顆粒和疏水聚合物的濃度跨含纖維層厚度為基本均一。
該含纖維網(wǎng)絡(luò)在不超過400℃和合適地不超過350℃的溫度下干燥和煅燒。這優(yōu)于許多其中要求高溫石墨化步驟的現(xiàn)有技術(shù)方法。優(yōu)選地，煅燒溫度足以燒結(jié)疏水聚合物并固定纖維網(wǎng)絡(luò)中的所有粘合劑，并且至少為270℃。如果已經(jīng)將酚醛樹脂添加到纖維漿體中，那么如果想完全碳化纖維的化，煅燒必須在750-950℃下進行。
本發(fā)明的方法還可以包括將含炭黑和疏水聚合物的層施加到含纖維層的至少一面上的額外步驟。
本發(fā)明還提供了一種生產(chǎn)氣體擴散電極的方法，在該方法中通過根據(jù)本發(fā)明方法齊備了氣體擴散基材，并將電催化劑層沉積在氣體擴散基材上。該電催化劑層使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的涂覆方法(例如印刷、噴霧或者手術(shù)刀涂方法)進行沉積。
現(xiàn)在參照實施例描述本發(fā)明，這些實施例用于闡述而不是限制本發(fā)明。
實施例1氣體擴散基材通過將纖維添加到水中并進行攪拌制備了含75wt％(基于固體組分重量)SGL C30 6mm碳纖維(石墨化PAN)和25wt％SGL C30 3mm碳纖維(石墨化PAN)的纖維漿體。向其中添加PVA粘合劑(SolvronNL 2003)(漿體干重量的10％)和Texipol63-002粘度調(diào)節(jié)劑(漿體體積的0.8％)。使用堤壩式涂布機在紙制線上沉積纖維漿體以形成濕非織造纖維網(wǎng)絡(luò)。
通過以4∶1的比率混合石墨懸浮液(AquaDag 18％，Acheson)和PTFE懸浮液(Fluon GP1溶液，Asahi Glass)制備石墨/PTFE漿體。使用簾式涂布機將該漿體施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)上，并使用抽吸系統(tǒng)將漿體吸入到纖維網(wǎng)絡(luò)中。然后在385℃下干燥和煅燒該濕基材15分鐘。
實施例2氣體擴散基材通過將纖維添加到水中并進行攪拌制備了含SGL C30 6mm碳纖維(石墨化PAN)的纖維漿體。向其中添加PVA粘合劑(Solvon NL2003)(漿體干重量的15％)和Texipol63-002粘度調(diào)節(jié)劑(漿體體積的0.6％)。
通過在水中混合Timcal石墨薄片(T44)和PTFE懸浮液(Fluon GP1溶液，Asahi Glass)(干重量的6％)制備了含石墨顆粒和PTFE的第二漿體。
然后在成型儲罐中混合這兩種漿體，并使用堤壩式涂布機該纖維漿體沉積到紙制線上，以形成插有石墨顆粒的濕非織造纖維網(wǎng)絡(luò)。
然后在385℃下干燥和煅燒該濕基材15分鐘。
實施例3膜電極組件使用根據(jù)實施例1制備的兩個氣體擴散基材制備了實施例MEA1。將碳/PEFE基底層施加到各氣體擴散基材的一個表面。將所述氣體擴散基材設(shè)置到催化全氟磺酸膜的兩側(cè)，并以基底層面向該膜，然后將組件層壓到一起。以完全相同的方式制備了對比例MEA1，區(qū)別在于氣體擴散基材是和實施例1的氣體擴散基材厚度大致相同的TorayTGP-H-060紙。
在燃料電池中在65℃下以14.9 kPa氫氣壓力和14.9kPa空氣壓力測定了兩種MEA。
圖1表明實施例MEA1的性能與對比例MEA1的性能是堪相比較的。
權(quán)利要求
1.一種氣體擴散基材，包括碳纖維非織造網(wǎng)絡(luò)，其中所述碳纖維是經(jīng)石墨化的但非織造網(wǎng)絡(luò)沒有經(jīng)受石墨化工藝，和設(shè)置在所述網(wǎng)絡(luò)中的石墨顆粒和疏水聚合物的混合物，其中至少90％石墨顆粒的最長尺寸低于100μm。
2.權(quán)利要求1的氣體擴散基材，其中非織造網(wǎng)絡(luò)具有10-50g/m2的克重。
3.權(quán)利要求1或2的氣體擴散基材，其中至少90％的石墨顆粒的最長尺寸為20-0.1μm。
4.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，其中石墨顆粒小到足以保持在膠體懸浮液中。
5.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，其中石墨顆粒對疏水聚合物的重量比為50∶1至2∶1。
6.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，其中石墨顆粒對碳纖維的重量比為1∶2至10∶1。
7.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，其中所述基材跨非織造網(wǎng)絡(luò)的厚度上具有石墨顆粒和疏水聚合物的濃度梯度。
8.權(quán)利要求1-6中任一項的氣體擴散基材，其中所述石墨顆粒和疏水聚合物均勻分布在纖維網(wǎng)絡(luò)中。
9.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，包括經(jīng)碳化的酚醛樹脂粘合劑。
10.前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材，其中炭黑和疏水聚合物基底層存在于基材的至少一面上。
11.一種氣體擴散電極，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的氣體擴散基材和電催化劑層。
12.權(quán)利要求11的氣體擴散電極，當從屬于權(quán)利要求7時，電催化劑層與氣體擴散基材中具有較高石墨顆粒和疏水聚合物濃度的面相鄰接。
13.一種膜電極組件，包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項的氣體擴散基材。
14.一種膜電極組件，包括權(quán)利要求11或12的氣體擴散電極。
15.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的氣體擴散基材的方法，包括下列步驟a)將石墨化碳纖維漿體沉積在多孔床上以形成濕纖維網(wǎng)絡(luò)；b)制備石墨顆粒和疏水聚合物的懸浮液，其中至少90％的石墨顆粒的最長尺寸低于100μm；c)將該懸浮液施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)上；d)將懸浮液吸入到濕纖維網(wǎng)絡(luò)上；和e)在不超過1000℃溫度下干燥和煅燒該濕纖維網(wǎng)絡(luò)。
16.權(quán)利要求15的方法，在步驟(d)中使用抽吸系統(tǒng)將懸浮液吸入濕纖維網(wǎng)絡(luò)。
17.權(quán)利要求16的方法，其中僅將該懸浮液施加到濕纖維網(wǎng)絡(luò)的一面，而在濕纖維網(wǎng)絡(luò)的另一面實施抽吸。
18.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的氣體擴散基材的方法，包括下列步驟a)將石墨顆粒和疏水聚合物的懸浮液相混合以形成第一漿體，其中至少90％石墨顆粒的最長尺寸低于100μm；b)將石墨化的碳纖維、液體和任選的粘合劑相混合以形成第二漿體；c)將第一漿體和第二漿體相混合以形成第三漿體；d)將第三漿體沉積到多孔床上以形成含纖維層；以及e)在不超過1000℃溫度下干燥和煅燒該含纖維層。
19.權(quán)利要求15-18中任一項的制備氣體擴散基材的方法，包括將含有炭黑和疏水聚合物的層施加到含纖維層的至少一面上的額外步驟。
20.一種制備氣體擴散電極的方法，其中氣體擴散基材通過權(quán)利要求15-19中任一項的方法制備，而電催化劑層設(shè)置在氣體擴散基材上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣體擴散基材，該氣體擴散基材包括非織造的碳纖維網(wǎng)絡(luò)，其中碳纖維經(jīng)石墨化但是非織造網(wǎng)絡(luò)未經(jīng)受石墨化工藝。石墨顆粒和疏水聚合物的混合物被設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中。至少90％的石墨顆粒的最長尺寸低于100μm。還公開了生產(chǎn)該氣體擴散基材的方法。
文檔編號H01M8/10GK1989641SQ200580019859
公開日2007年6月27日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月15日
發(fā)明者G·T·夸伊爾, J·M·羅維, J·D·B·夏馬, J·A·西奧德拉克, N·J·沃爾克 申請人:約翰遜馬西有限公司, 技術(shù)纖維產(chǎn)品有限公司