專利名稱：氣體擴(kuò)散材料的結(jié)構(gòu)以及它們的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電化學(xué)應(yīng)用的氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)例如氣體擴(kuò)散電極和氣體擴(kuò)散電極襯底(backing)及其制備方法。
背景技術(shù)：
氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)越來越多地用于電化學(xué)應(yīng)用例如燃料電池和電解槽，特別在使用離子交換膜做隔膜和/或做電解質(zhì)的應(yīng)用中。氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)(也稱為“氣體擴(kuò)散器”)通常包括用作支撐體的網(wǎng)格(web)以及涂覆在其一側(cè)或兩側(cè)的涂層。涂層具有多個作用，其最主要的是為水和氣體傳輸提供通道并傳導(dǎo)電流。涂層特別是最外面一層還具有額外的作用，例如催化電化學(xué)反應(yīng)和/或提供離子傳導(dǎo)，特別是當(dāng)它們用在與離子交換膜直接接觸時。在大多數(shù)應(yīng)用中，期望它具有涂覆有電流傳導(dǎo)層的多孔電流傳導(dǎo)網(wǎng)格(例如碳布、碳紙或金屬網(wǎng))。也期望用于水和用于氣體傳導(dǎo)的通道為分離的通道，并具有疏水性和孔隙率。
本領(lǐng)域已知?dú)怏w擴(kuò)散器可以有利地具有兩個不同的層，具有不同的特性的內(nèi)涂層和外涂層例如，US 6,017,650公開了用于膜燃料電池中涂覆有較親水性的催化劑層的高疏水性氣體擴(kuò)散器的使用。US6,103,077公開了一種采用工業(yè)涂覆機(jī)自動制備這類氣體擴(kuò)散電極和電極襯底的方法。在這些引證文獻(xiàn)中，涂層包括碳顆粒和疏水性粘接劑例如PTFE的混合物，獲得具有獨(dú)特特性的擴(kuò)散性和催化性的層的方法包括在兩層中使用不同相對量的碳和粘接劑材料和/或使用兩種不同類型的碳。
具有不同孔隙率的雙層的氣體擴(kuò)散器同樣也在下述文獻(xiàn)中已知例如DE 19840 519公開了由具有不同孔隙率的兩個子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。令人驚奇的是，具有較高孔隙率和較高氣體滲透率的層是與膜接觸的層，而較低孔隙率和較低滲透率的層是與網(wǎng)格接觸的層。事實(shí)上通常的理解是與膜接觸的層應(yīng)具有所期望的孔隙率梯度以提供更低滲透性的結(jié)構(gòu)，例如如WO 00/38261中公開的催化劑層。雖然在這個情況中沒有在氣體擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)中獲得孔隙率梯度，而僅是在與離子交換膜直接接觸的催化親水性極薄層中獲得孔隙率梯度，但是通常的教導(dǎo)，即更低孔隙率的幾何形狀適于必須與膜電解質(zhì)結(jié)合的氣體進(jìn)料電極結(jié)構(gòu)的側(cè)面，這可認(rèn)為是本領(lǐng)域的公知常識。
這種類型的雙層氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)在大多數(shù)應(yīng)用中顯示了充分的性能，然而，仍有一些重要的應(yīng)用，其中現(xiàn)有技術(shù)的氣體擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)不能充分滿足氣體和水的傳送需求。
特別重要的應(yīng)用包括，例如在相當(dāng)高的溫度(接近或高于100℃)下和氧氣去極化的鹽酸水溶液電解槽中工作的膜燃料電池，特別是若在高電流密度或者若采用空氣或其他含較少氧的混合物代替純氧去極化的條件下進(jìn)行工作。在這些情況下，無法通過簡單的雙層氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的方式來獲得最佳的氣體傳輸和水管理。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)和使用該結(jié)構(gòu)的電化學(xué)電池，其中該結(jié)構(gòu)能克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點(diǎn)。
另一方面，本發(fā)明的目的是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點(diǎn)的氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面，本發(fā)明涉及一種氣體擴(kuò)散器，其包括在網(wǎng)格上的多層涂層，該涂層在穿過整個厚度的方向上具有孔隙率和疏水性的良好梯度。通過良好的梯度意圖獲得相關(guān)參數(shù)的單一地和基本規(guī)則地變化。
另一方面，本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池，例如膜燃料電池或電解池，其包括氣體擴(kuò)散器，該氣體擴(kuò)散器設(shè)有多層涂層，該涂層在穿過整個厚度的方向上具有孔隙率和疏水性的良好梯度。
最后一方面，本發(fā)明涉及一種氣體擴(kuò)散器的制備方法，該氣體擴(kuò)散器設(shè)有多層涂層，該涂層在穿過整個厚度的方向上具有孔隙率和疏水性的良好梯度。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這些和其他方面由于下面的說明而變得顯而易見，這些說明僅是為了描述本發(fā)明的具有代表性的實(shí)施方式，而不是構(gòu)成其限制。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)的氣體擴(kuò)散電極總是被描述為在兩個不同的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)兩種獨(dú)立功能的雙重結(jié)構(gòu)一個與膜接觸的活性、催化區(qū)域，用于促進(jìn)在催化劑顆粒上的三相反應(yīng)，其需要具有離子和電子傳導(dǎo)并因此具有顯著親水特性的擴(kuò)展界面；一區(qū)域，其用于進(jìn)行氣體擴(kuò)散并具有強(qiáng)疏水性以利于氣體穿過其孔隙的傳輸。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，提供穿過氣體擴(kuò)散器的整個結(jié)構(gòu)的良好的疏水性梯度，而不是提供穿過氣體擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)的疏水性的突然躍變，是出人意料地有利。氣體擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)可仍提供有活性或催化性的外層，然而，在最優(yōu)選實(shí)施方式中催化層的物理特性并不與結(jié)構(gòu)的其他部分形成突然的不連續(xù)性，因此在整個結(jié)構(gòu)上相當(dāng)確定地形成疏水性梯度，并且還延伸至活性區(qū)域。此外，為了充分發(fā)揮本發(fā)明的性能，穿過整個氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)還應(yīng)形成良好的孔隙率梯度，其中在與支撐網(wǎng)格直接接觸的涂層上孔隙更大，而在其相對的表面上孔隙更小，該氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)包括催化部分。在另一實(shí)施方式中，本發(fā)明的氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)包括在其厚度方向上具有孔隙率和疏水性的良好梯度的非催化部分；以及重疊的催化部分，該部分優(yōu)選在其厚度方向上具有不同的孔隙率和疏水性的良好梯度。在下述例子中，將示出可通過多個工序(pass)在網(wǎng)格的單側(cè)涂覆來獲得本發(fā)明的氣體擴(kuò)散器，然而，也可以通過多個工序在網(wǎng)格的兩側(cè)涂覆來獲得具有疏水性和孔隙率的良好梯度的氣體擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，并將支撐網(wǎng)嵌入到整個結(jié)構(gòu)中。有多種可能的方式在網(wǎng)格上同時獲得疏水性和孔隙率的良好梯度，但不是所有的方式都能與用自動涂覆機(jī)進(jìn)行的工業(yè)生產(chǎn)兼容。由于這個原因，隨后描述的一些優(yōu)選實(shí)施方式將代表實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，本發(fā)明的氣體擴(kuò)散器具有包括碳和粘結(jié)劑顆粒的涂層。碳顆?；旧嫌糜跒榻Y(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電性，可以理解可使用其他類型的導(dǎo)電性顆粒，例如金屬顆粒。粘接劑用于賦予(impart)涂層以結(jié)構(gòu)性能，并可以有利地用于改變涂層的疏水/親水性能。聚合物粘接劑優(yōu)選用于本申請，特別是部分氟化或全氟化的粘接劑例如PTFE(能賦予疏水特性)或磺化全氟碳酸例如Nafion(能賦予親水特性)。在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，通過提供多層涂覆能同時獲得疏水性和孔隙率的良好梯度，其中系統(tǒng)地改變碳相對于粘接劑顆粒的重量比，由此本發(fā)明的氣體擴(kuò)散器由可變數(shù)目的單獨(dú)的涂層組成，典型地數(shù)目為3～8。涂層的數(shù)目越大，所獲得的擴(kuò)散器在良好梯度結(jié)構(gòu)方面越好。然而，涂層的數(shù)目必須根據(jù)實(shí)際因素，并且更重要的是要保持所需的氣體滲透特性而有所限制。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，通過提供系統(tǒng)地改變兩種不同類型的碳之間的重量比的多層涂覆能同時獲得疏水性和孔隙率的良好梯度，所述兩種不同類型的碳為較疏水性的碳例如石墨或乙炔黑以及較親水性的碳例如炭黑。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，同時系統(tǒng)地改變兩種不同類型的碳之間的重量比和碳相對于粘接劑顆粒的重量比。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，通過提供系統(tǒng)地改變兩種不同類型的粘接劑之間的重量比的多層涂覆能同時獲得疏水性和孔隙率的良好梯度，所述兩種不同類型的粘接劑為疏水性的碳例如PTFE和親水性的粘接劑例如Nafion。所有同時獲得疏水性和孔隙率的良好梯度的這些不同的技術(shù)可以以多種方式組合。在每個先前提及的具體實(shí)施方式
中，最終涂層中的碳顆粒也可包括其上負(fù)載的催化劑，例如通常賦予親水性能的貴金屬催化劑(催化碳)。這相當(dāng)于氣體擴(kuò)散器在其厚度方向上提供有疏水性和孔隙率的良好梯度，在其最上面還提供有電催化層，其中，疏水性和孔隙率的良好梯度也在該電催化層中延伸。然而，在另一實(shí)施方式中，不同的疏水性和孔隙率梯度可存在于本發(fā)明氣體擴(kuò)散器的非催化部分和催化部分。在次優(yōu)選實(shí)施方式中，疏水性和孔隙率的良好梯度僅在擴(kuò)散器的非催化部分延伸，而被覆蓋的催化部分則根本不具有良好梯度。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施方式中，在每層中疏水粘接劑相對于碳的重量在0.1和2.3之間，當(dāng)使用兩種不同類型的碳時，所述兩種類型的碳之間的重量比典型地在1∶9與9∶1之間。然而，多于兩種類型的碳可用于本發(fā)明的氣體擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)中，以獲得所需的疏水性和孔隙率的良好梯度。
在本文中，術(shù)語“碳”具有普遍的含義，它可以是指純的含碳顆粒(非催化碳)或負(fù)載有其他物質(zhì)例如金屬催化劑或金屬氧化物催化劑的含碳顆粒(催化碳)。
例如，最終涂層可包括少量的疏水非催化碳、大量的第一親水非催化碳、和特點(diǎn)為高表面積的第二親水催化碳。
類似地，可通過涂覆包括不同催化碳的不同的層來獲得電極層中的梯度，其中，最終的涂層比之前的涂層包括更多的親水催化碳。
貴金屬特別是鉑族金屬是氣體擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)的大多數(shù)應(yīng)用中最常用的催化劑。貴金屬可以單體或氧化物的形式存在，優(yōu)選與其他金屬或金屬氧化物，特別是與現(xiàn)有技術(shù)中已知的過渡金屬或金屬氧化物混合。
根據(jù)本發(fā)明的方法，具有疏水性和孔隙率良好梯度的氣體擴(kuò)散器優(yōu)選制備如下用具有系統(tǒng)變化的組分的多個涂層涂覆網(wǎng)格，優(yōu)選電流傳導(dǎo)網(wǎng)格。通過系統(tǒng)地改變，使得至少一個參數(shù)例如碳相對于粘接劑的比例或使兩種不同碳顆粒之間的比例以單一的方式變化，即總是減少或總是增加，雖然一層與其相鄰層之間的改變率可以不是固定的。
本發(fā)明可借助一些實(shí)施例來進(jìn)一步解釋，這些實(shí)施例并不意味著限定其范圍。
實(shí)施例1選擇具有統(tǒng)一的經(jīng)緯(warp-to-fill)比、約25～50紗/英寸(yarns perinch)、碳含量為97～99％以及平均厚度為10密耳的碳布作為用于本實(shí)施例和以下實(shí)施例的所有氣體擴(kuò)散器的支撐網(wǎng)格。將適量的Shawinigan乙炔黑(SAB)和適量的負(fù)載在Vulcan XC-72催化劑上的20％的Pt分別用超聲筒分散。將得到的分散物與PTFE的含水懸浮液混合以形成不同的碳/粘接劑懸浮液，其中有四種懸浮液由SAB和PTFE組成，其中PTFE的含量在60～10wt％的范圍；剩下的三種由PTFE以及負(fù)載在炭黑上的Pt(20％的Pt負(fù)載在Vulcan XC-72上，此后稱為20％Pt/C)組成，其中PTFE的含量在50～10wt％的范圍。這七種懸浮液相繼地用手工涂覆到碳布上，并在每次涂覆后在大氣中進(jìn)行干燥步驟并最終在340℃下燒結(jié)20分鐘。每層的組分和單位負(fù)載如下表所示。

所得到的氣體擴(kuò)散電極進(jìn)一步從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序(pass)涂覆至具有0.71mg/cm2的Nafion，并在大氣中最后干燥。Nafion是美國杜邦的商標(biāo)，表示一類全氟磺酸鹽離聚物材料，其既作為離子交換膜又作為水醇懸浮液(“液體Nafion”)。
所得到的樣品的孔隙率用毛細(xì)流量孔隙方法檢測，其中在100微米厚的結(jié)構(gòu)中測量5次，平均流量孔徑(mean flow pore)結(jié)果為相當(dāng)規(guī)律地從35μm(在20μm深度的值)減少到0.08μm(100μm深)，如下表所示(氣體側(cè)為0μm以及催化側(cè)為100μm)。

上述樣品確定為“EX1”，是手工涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子，該電極包括具有第一組(a set of)孔隙率和疏水性的良好梯度的非催化部分，以及具有不同的一組孔隙率和疏水性的良好梯度的催化部分。
對比例1采用如上實(shí)施例1所述的方法，只是僅施用兩種懸浮液使用實(shí)施例1層2所用的懸浮液(40％PTFT，60％SAB)涂覆四層直至覆蓋度達(dá)到3.5mg/cm2，在其上面，涂覆三層的60％的炭黑負(fù)載的催化劑(20％Pt/C)和40％PTFE的懸浮液直至載料量(load)為0.39mg Pt/cm2。將得到的氣體擴(kuò)散電極如前述實(shí)施例進(jìn)行燒結(jié)并進(jìn)一步從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序涂覆至具有0.65mg/cm2的Nafion，并在大氣中最后干燥。
所得到的樣品的孔隙率用毛細(xì)流量孔隙方法檢測，其中在80微米厚的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行四次測量，平均流量孔徑表明其在非催化部分內(nèi)的保持恒定而在活性部分內(nèi)急劇減少

該樣品確定為“CE1”，是不具有孔隙率和疏水性的良好梯度的雙層手工涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子。
實(shí)施例2采用如上實(shí)施例1所述的方法施用碳/PTFE懸浮液系列，其中該懸浮液中PTFE的相對量固定在50％，而系統(tǒng)地改變碳的組分。使用三種不同的碳成分，即實(shí)施例1中的SAB碳、裸的(bare)Vulcan XC-72炭黑、催化的Vulcan XC-72(20％Pt/C)。每層的組分和單位負(fù)載如下表所示

將得到的氣體擴(kuò)散電極如前述實(shí)施例進(jìn)行燒結(jié)并進(jìn)一步從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序涂覆至具有0.73mg/cm2的Nafion，并在大氣中最后干燥。
該樣品確定為“EX2”，是具有穿過整個厚度包括催化部分的孔隙率和疏水性的良好梯度的手工涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子，該電極包括催化部分。
實(shí)施例3重復(fù)如上實(shí)施例1所述的方法，涂覆下述層

將得到的氣體擴(kuò)散電極如前述實(shí)施例進(jìn)行燒結(jié)并進(jìn)一步從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序涂覆至具有0.73mg/cm2的Nafion，并在大氣中最后干燥。
該樣品確定為“EX3”，是具有穿過整個厚度包括催化部分的孔隙率和疏水性的良好梯度的手工涂覆的氣體擴(kuò)散電極的另一例子，該電極包括催化部分。
對比例2制備與對比例1中的電極相等同的電極，除了應(yīng)用凹板印刷式自動涂覆以及選擇負(fù)載在Vulcan XC-72的30％Pt(以下為30％Pt/C)作為催化劑之外。
如US 6,103,077中實(shí)施例57所描述那樣，將碳布網(wǎng)格經(jīng)過12.7mm直徑、250mm長的凹版印刷頭以100rpm的輥軋。凹版印刷頭在表面具有5.3單元/厘米(cell/cm)的圖案(pattern)為提升和分布混合物提供幫助。所述網(wǎng)格先用1∶1重量比的SAB∶PTFE的混合物以2m/min的速率涂覆。涂覆多層并風(fēng)干中間層，直至達(dá)到4mg/cm2的載料量。接著，以1m/min的速率涂覆多層負(fù)載于Vulcan XC-72的30％Pt(以1∶1與PTFE混合)，并干燥中間層，直至達(dá)到0.5mg Pt/cm2的最終載料量。將最終裝置在340℃下燒結(jié)20分鐘并從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序涂覆至具有0.68mg/cm2的Nafion。
該樣品確定為“CE2”，是不具有孔隙率和疏水性的良好梯度的機(jī)器涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子。
實(shí)施例4采用對比例2的方法制備電極，并使用相同的凹板印刷式涂覆設(shè)備。涂覆下述層，其中層1是涂覆在網(wǎng)格的一側(cè)(背部)，而其他的層是涂覆在網(wǎng)格的另一側(cè)。

層3以兩層涂覆，層4和5以多層涂覆。在層4涂覆后，將電極切成兩部分，僅其中一個涂覆有層5，并如前述實(shí)施例進(jìn)行燒結(jié)和Nafion-涂覆(0.73mg/cm2)。
所得到的樣品的孔隙率用毛細(xì)流量孔隙方法檢測，其中在100微米厚的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行五次測量，結(jié)果為從氣體側(cè)到催化側(cè)平均流量孔徑相當(dāng)規(guī)律地減少。

該樣品確定為“EX4”，是具有穿過整個厚度包括催化部分的孔隙率和疏水性的良好梯度的機(jī)器涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子，該電極包括催化部分。
實(shí)施例5如前述實(shí)施例所述將實(shí)施例4中未涂層5的電極部分進(jìn)行燒結(jié)并涂覆Nafion(0.68mg/cm2)。由此其最后組成如下

該樣品確定為“EX5”，是具有穿過整個厚度包括催化部分的孔隙率和疏水性的良好梯度的機(jī)器涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子，該電極包括催化部分。然而該催化部分比之前的實(shí)施例薄，并由單層組成，其疏水性和孔隙率與整個結(jié)構(gòu)的總的疏水性和孔隙率的梯度一致。
實(shí)施例6重復(fù)實(shí)施例1中描述的方法涂覆三層非催化層，然后兩層不同的催化層。對于后者，使用兩種不同的催化碳，即前面兩個實(shí)施例中的負(fù)載在Vulcan XC-72上的30％Pt；和負(fù)載在Vulcan XC-72上的30％Pt-Cr合金(Pt∶Cr以原子比1∶1)。PTFE用作30％Pt/C涂層的粘接劑，而Nafion則用于Pt-Cr合金。

在形成層#3后，采用多道工序涂覆具有0.3mg/cm2的來自5％的水醇溶液的Nafion離聚物的第一層。
在涂層#3后，將得到的氣體擴(kuò)散電極如前述實(shí)施例進(jìn)行燒結(jié)并進(jìn)一步從5％的水醇溶液中進(jìn)行多道工序涂覆至具有0.3mg/cm2的Nafion，并在大氣中最后干燥。
所得到的樣品的孔隙率用毛細(xì)流量孔隙方法檢測，其中在80微米厚的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行四次測量，平均流量孔徑表明其在穿過整個厚度保持恒定

該樣品確定為“EX6”，是具有穿過整個厚度的孔隙率和疏水性的良好梯度的手工涂覆的氣體擴(kuò)散電極的例子，該電極包括催化部分。
實(shí)施例7將上述五個實(shí)施例和兩個對比例中獲得的七個樣品在低壓的氫氣和空氣(1.5bar)下于100℃下工作的燃料電池中進(jìn)行表征。從每個樣品獲得兩個相同的電極，一個用作陽極，另一個用作陰極。在兩天的穩(wěn)定工作后記錄在兩個固定電池電壓值(0.7和0.5V)下產(chǎn)生的電流密度并將其記錄到下述表格中

實(shí)施例1-5的電極與對比例的電極相比具有一致提高的性能，不管其是人工制造或機(jī)器涂覆，也不管是使用負(fù)載在炭黑上的20％或30％Pt作催化劑。三個機(jī)器涂覆的樣品也先在低壓的氫氣和空氣(1.5bar)下于70℃下進(jìn)行測試，然后在轉(zhuǎn)換陰極進(jìn)料為純氧氣后在相同的壓力下獲得“氧氣增益”(oxygen gain)數(shù)據(jù)。換言之，在陰級進(jìn)料為空氣和在陰級進(jìn)料為氧氣的條件下在固定的電流密度下測量電池電壓，然后在每個選定電流密度下將在氧氣下獲得的電壓減去在空氣下獲得的電壓。這些數(shù)據(jù)記錄在下面的表格中

在70℃下工作時，基于純熱力學(xué)條件，公式(2.303RT/nF)Log(pO2[氧氣]/pO2[空氣])可預(yù)知氧氣增益為11.9mV。這個值基本是確定了所期望的氧氣增益的下限。實(shí)驗(yàn)的氧氣增益的程度可歸因于電極的結(jié)構(gòu)，其中氧氣增益的減少意味著物質(zhì)傳送的提高。
上述描述不應(yīng)理解為限制本發(fā)明，可在不偏離本發(fā)明范圍的情況下根據(jù)不同的實(shí)施方式來實(shí)施本發(fā)明，本發(fā)明的范圍完全由附加的權(quán)利要求來限定。
在本申請的說明書和權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”并不意圖排除有其他元素或額外成分的存在。
權(quán)利要求
1.一種用于膜電化學(xué)電池的氣體擴(kuò)散器，包括網(wǎng)格和至少一個涂覆于其上的多層涂層，所述涂層同時具有貫穿其厚度形成的孔隙率的良好梯度和疏水性的良好梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體擴(kuò)散器，其中所述的多層涂層包括多個含有碳和粘接劑顆粒的單層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣體擴(kuò)散器，其中所述碳顆粒包括至少一種較疏水性的碳和至少一種較親水性的碳，所述較疏水性的碳非必須地為乙炔黑或石墨，所述較親水性的碳非必須地為炭黑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的氣體擴(kuò)散電極，其中所述至少一種較親水性的碳被催化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任意一個的氣體擴(kuò)散器，其中所述粘接劑顆粒由聚合物材料，非必須地由氟化聚合物材料制成。
6.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散器，其中所述孔隙率的良好梯度和所述疏水性的良好梯度都在從與所述網(wǎng)格接觸的表面向相對表面的方向上單調(diào)地減少。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任意一個的氣體擴(kuò)散器，其中所述良好梯度通過多個單層的覆蓋來獲得，所述多個單層具有粘接劑相對于碳的不同重量比和/或所述較疏水性的碳與所述較親水性的碳之間的不同重量比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的氣體擴(kuò)散器，其中所述粘接劑相對于碳的重量比包括在0.1和2.3之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的氣體擴(kuò)散器，其中所述較疏水性碳和所述較親水性碳之間的所述重量比包括在1∶9和9∶1之間。
10.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散器，其中所述多層涂層包括3到8層。
11.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散器，其中該擴(kuò)散器還包括在與網(wǎng)格相對的表面上方的額外電催化層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的氣體擴(kuò)散器，其中所述孔隙率的良好梯度和所述疏水性的良好梯度在所述電催化層中延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的氣體擴(kuò)散器，其中所述電催化層包括鉑族的金屬或金屬氧化物或者它們的合金。
14.一種電化學(xué)電池，其包括至少一個根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求的氣體擴(kuò)散器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電池，其特征在于是一種膜燃料電池或鹽酸電解槽。
16.制造權(quán)利要求1-13中任意一個的氣體擴(kuò)散器的方法，包括將含有碳顆粒和疏水性粘接劑顆粒的混合物的多個涂層涂覆到網(wǎng)格上，疏水性粘接劑相對于碳的重量比在每個后續(xù)涂層中單調(diào)地增加。
17.制造權(quán)利要求1-13中任意一個的氣體擴(kuò)散器的方法，包括將含有碳顆粒和疏水性粘接劑顆粒的混合物的多個涂層涂覆到網(wǎng)格上，所述碳顆粒包括至少一種較疏水性的碳和至少一種較親水性的碳，所述較疏水性的碳非必須地為乙炔黑或石墨，所述較親水性的碳非必須地為炭黑，所述較疏水性的碳和所述較親水性的碳之間的重量比在每個后續(xù)涂層中單調(diào)地減少。
18.權(quán)利要求17的方法，其中至少所述較親水性的碳是催化碳。
19.制造權(quán)利要求1-13中任意一個的氣體擴(kuò)散器的方法，包括將含有碳顆粒和粘接劑顆粒的混合物的多個涂層涂覆到網(wǎng)格上，所述粘接劑顆粒包括至少一種較疏水性的粘接劑和至少一種較親水性的粘接劑，所述較疏水性的粘接劑非必須地為全氟化粘接劑，所述較親水性的粘接劑非必須地為磺化全氟碳酸。
20.權(quán)利要求16的方法，其中所述多層涂層的涂覆通過自動涂覆機(jī)，非必須地通過凹板印刷式涂覆機(jī)來進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用于氣體擴(kuò)散電極和氣體擴(kuò)散層的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，其中孔隙率和疏水性的良好梯度促進(jìn)由這些元件構(gòu)成的膜電極裝置的有效的氣體傳輸、水的去除以及整體性能的提高。
文檔編號H01M4/92GK1926712SQ200480037353
公開日2007年3月7日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者艾莫里·德卡斯特羅, 鄒雨閔, 馬里亞·約瑟菲娜·卡耶塔諾, 杰弗里·G·莫爾斯, 邁克爾·施奈德, 鄧華 申請人:佩密斯股份有限公司