氣體擴(kuò)散基片的制作方法
【專利摘要】非織造氣體擴(kuò)散基片，其包含：(i)非織造碳纖維網(wǎng)；(ii)碳顆粒材料；以及(iii)疏水性粘結(jié)劑；其特征在于：該非織造氣體擴(kuò)散基片還包含導(dǎo)電材料，該材料具有x∶y為0.01至100的縱橫比，x∶z至少為500的縱橫比以及y∶z至少為500的縱橫比。
【專利說明】氣體擴(kuò)散基片
[0001]本發(fā)明涉及非織造氣體擴(kuò)散基片，特別涉及用于燃料電池(例如質(zhì)子交換膜燃料電池)的非織造氣體擴(kuò)散基片。
[0002]燃料電池是電化學(xué)電池，其包括兩個(gè)被電解質(zhì)分隔的電極。將諸如氫或碳?xì)浠衔?如甲醇或乙醇)的燃料提供給陽極，而將氧化劑(例如氧氣或空氣)提供給陰極。電化學(xué)反應(yīng)在電極處發(fā)生并且燃料和氧化劑的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為電能和熱。電解質(zhì)被用來促進(jìn)陽極處燃料的電化學(xué)氧化以及陰極處氧的電化學(xué)還原。
[0003]在氫或碳?xì)浠衔锶剂腺|(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，電解質(zhì)是電絕緣和質(zhì)子傳導(dǎo)的固體聚合物膜。質(zhì)子在陽極處產(chǎn)生，穿過膜傳送到陰極，在那里與氧結(jié)合形成水。
[0004]PEMFC的主要部件被稱為膜電極組件(MEA)且基本上由五層組成。中間層是聚合物離子傳導(dǎo)膜。在離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)具有電催化劑層，其包含為特定電解反應(yīng)而設(shè)計(jì)的電催化劑。最后，鄰接每個(gè)電催化劑層都有氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層必須允許反應(yīng)物到達(dá)電催化劑層并且必須傳導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。因此，氣體擴(kuò)散層必須是多孔的和導(dǎo)電的。
[0005]MEA可用多種方法構(gòu)造。電催化劑層可被用于氣體擴(kuò)散層以形成氣體擴(kuò)散電極。兩個(gè)氣體擴(kuò)散電極可被放置在離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)并且層壓在一起以形成五層的MEA。供選擇地，電催化劑層可被用到離子傳導(dǎo)膜的兩個(gè)表面以形成涂覆催化劑的離子傳導(dǎo)膜。隨后，氣體擴(kuò)散層被用到涂覆催化劑的離子傳導(dǎo)膜的兩個(gè)表面。最后，MEA可由一側(cè)涂覆電催化劑層的離子傳導(dǎo)膜，鄰接電催化劑層的氣體擴(kuò)散層，以及在離子傳導(dǎo)膜的另一側(cè)的氣體擴(kuò)散電極形成。
[0006]典型的數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)MEA被要求為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的電力，因此多個(gè)MEA被組裝以形成燃料電池堆。流場(chǎng)板(field flow plates)被用來分隔MEA。流場(chǎng)板執(zhí)行多個(gè)功能:為MEA提供反應(yīng)物，移出產(chǎn)物，提供電連接和提供物理支持。
[0007]通常，氣體擴(kuò)散層由氣體擴(kuò)散基片形成，在氣體擴(kuò)散基片的一個(gè)表面上具有一層顆粒材料(微孔或底層)，如炭黑和PTFE，使得當(dāng)形成MEA時(shí)，微孔層接觸電催化劑層。
[0008]對(duì)氣體擴(kuò)散基片的必不可少要求是導(dǎo)電?；ǔＳ锰蓟郾╇?PAN)纖維制成。廣泛商業(yè)化并使用至今的氣體擴(kuò)散基片由這些纖維通過濕法或干法工藝以生產(chǎn)碳纖維非織造網(wǎng)的方式制成。非織造網(wǎng)隨后通常用有機(jī)樹脂粘結(jié)劑材料(如酚醛樹脂)浸潰，所述有機(jī)樹脂粘結(jié)劑材料能夠在熱處理至高溫時(shí)被碳化或石墨化。一旦浸潰后，就對(duì)網(wǎng)進(jìn)行加熱處理，需要加熱到高達(dá)2000°C，或者對(duì)某些產(chǎn)品而言，要超過2000°C，以將有機(jī)材料轉(zhuǎn)換成碳質(zhì)導(dǎo)電殘余物。殘余物用作粘結(jié)劑以給碳纖維網(wǎng)提供機(jī)械強(qiáng)度。所有已被商業(yè)上利用的非織造基片的共同特性是它們?cè)谔祭w維網(wǎng)上使用非常高溫度的熱處理步驟來制造，以賦予所需的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度特性。然而，這些工藝能耗極大并且顯著增加了這些基片的成本。供選擇地，可以使用包括非織造碳纖維網(wǎng)的基片，所述基片包括碳質(zhì)顆粒和來自可碳化或可石墨化粘結(jié)劑的碳化成石墨化的殘余物，如在US7144476中公開的那些基片。這些仍然要求800°C至高達(dá)2500°C的高溫處理，這取決于粘結(jié)劑是否要被碳化或石墨化。供選擇地，織造碳布基片也可由紡織PAN纖維制成，其隨后經(jīng)歷達(dá)到1700°C的布的碳化以產(chǎn)生織造碳纖維布基片。碳布基片在其制造中不使用有機(jī)樹脂粘結(jié)劑，因其織造結(jié)構(gòu)提供了所需的機(jī)械整體性。然而，由于其織造特性，這些基片在隨后加工以形成完整MEA中更難以處理，并且當(dāng)結(jié)合到燃料電池堆中時(shí)容易在施加擠壓負(fù)載下產(chǎn)生變形，這可能限制了燃料電池可達(dá)到的性能。這因此限制了織造碳布基片的廣泛應(yīng)用，而非織造基片仍然是最廣泛采用的材料。因此，仍然需要非織造基片，其不需要昂貴的在碳網(wǎng)上的高溫碳化或石墨化處理步驟，卻達(dá)到高電導(dǎo)率的必不可少的特性。
[0009]以前，發(fā)明家尋求提供具有良好導(dǎo)電率但又不需要高溫碳化或石墨化步驟的基片。EP0791974公開了不需要高溫碳化或石墨化步驟制備氣體擴(kuò)散基片的連續(xù)制造方法。炭黑與PTFE混合，并在碳纖維上涂覆PTFE。炭黑/PTFE混合物和經(jīng)涂覆的碳纖維混合形成沉積到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)床上的漿料。將經(jīng)沉積的層干燥并在超過350°C溫度的空氣中燒結(jié)成PTFE，形成氣體擴(kuò)散基片。此外，W02005/124902公開了氣體擴(kuò)散基片，其包括非織造的碳纖維網(wǎng)絡(luò)，其中碳纖維被石墨化，而非織造網(wǎng)絡(luò)沒有經(jīng)歷石墨化工藝，并且石墨顆粒和疏水性聚合物的混合物沉積在網(wǎng)絡(luò)中，其中至少90%的石墨顆粒的最大尺寸小于ΙΟΟμπι。
[0010]然而，由這樣的氣體擴(kuò)散基片獲得的電導(dǎo)率仍不足以廣泛用于所有商業(yè)應(yīng)用中。因此，本發(fā)明人尋求提供氣體擴(kuò)散基片，其具有足夠電導(dǎo)率以適用于商用，但不需要昂貴的高溫?zé)崽幚聿襟E。
[0011]因此，本發(fā)明提供非織造氣體擴(kuò)散基片，其包含:
[0012]⑴非織造碳纖維網(wǎng)；
[0013](ii)碳顆粒材料；以及
[0014](iii)疏水性粘結(jié)劑
[0015]其特征在于，非織造氣體擴(kuò)散基片還包含導(dǎo)電材料，其具有X: y為0.01至100的縱橫比，X: Z為至少500的縱橫比并且y: Z為至少500的縱橫比。本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片沒有進(jìn)行高于400°C的熱處理，并且不包含有機(jī)樹脂粘結(jié)材料(例如酚醛樹脂)的碳質(zhì)/石墨化殘余物。
[0016]導(dǎo)電材料為晶片狀結(jié)構(gòu)，其具有X方向?yàn)?.5至500 μ m，優(yōu)選為I至100 μ m的尺寸；具有y方向?yàn)?.5至500 μ m，優(yōu)選為I至100 μ m的尺寸。
[0017]優(yōu)選地，導(dǎo)電材料是碳基材料(通常指的是納米石墨烯片或石墨烯納米片，例如來自 Angstron Materials 公司的 N002、N006 和 N008 系列、來自 XG Sciences 公司的xGnP?.或者來自US Research Nanomaterials公司的US1059)或者金屬或?qū)щ娊饘傺趸铩⒌锘蛱蓟?例如摻雜的TiOx或摻雜的SnOx)，其具有所要求的X: y、x: z和y: z縱橫比；合適地，導(dǎo)電材料為碳基材料或金屬氧化物，優(yōu)選為碳基材料。
[0018]本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與添加特別是傳統(tǒng)碳顆粒材料相比時(shí)，即使在非織造氣體擴(kuò)散基片中加入少量這樣的晶片狀導(dǎo)電材料也對(duì)電導(dǎo)率具有顯著影響。因此，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的方面中，在非織造氣體擴(kuò)散基片中，導(dǎo)電材料以最終的非織造氣體擴(kuò)散基片總重量計(jì)為0.75wt%以上，優(yōu)選為1.25被％以上的量存在。優(yōu)選地，在非織造氣體擴(kuò)散基片中導(dǎo)電材料以非織造氣體擴(kuò)散基片的重量百分比計(jì)最大值為IOwt%，更優(yōu)選最大值為5wt%的量存在。
[0019]適合用來制備基片的非織造碳纖維網(wǎng)包括碳纖維(例如由聚丙烯腈(PAN)纖維生成的那些(如來自SGL Group的SIGRAFIL? C級(jí),來自Zoltek的Panex級(jí)(如Panex35))、浙青纖維(pitch fibre)(如來自 Sumitomo 的 Dialead K223HE,均來自 Cytec Industries 公司的Thornel?連續(xù)浙青基碳纖維和Thermalgraph?:纖維)、人造纖維(rayon fibre)或任何其他聚合物前體生成的纖維、活化碳纖維(如來自臺(tái)灣Carbon Technology C0.Ltd的KOTHmex ACF 以及來自 Kynol Europa GmbH 的 ACF1603-15 和 1603-20)、碳納米纖維、浙青基泡沫纖維或其一種或多種的混合物。適合地，該非織造碳纖維網(wǎng)包括碳纖維或碳納米纖維或其混合物。
[0020]適合用來制備非織造碳纖維網(wǎng)的纖維具有5nm至12μπι的直徑；如果纖維是納米纖維，直徑合適地為5nm至I μ m，優(yōu)選50至500nm ;對(duì)于所有其他纖維而言，直徑合適地為IymM 12 μ m, 1?!-- 5 μ m M 9 μ m。
[0021]用來制備非織造碳纖維網(wǎng)的纖維的纖維長度將取決于所用纖維的類型。對(duì)于納米纖維而言，長度合適地為IOnm至10 μ m，優(yōu)選為IOOnm至1000nm ;對(duì)于所有其他類型的纖維而言，長度合適地為2mm至100mm,更合適地為3mm至50mm,更合適地為3mm至25mm,優(yōu)選為6_至18_并且最優(yōu)選為6_至12_。兩種或更多種不同長度或類型的纖維可用在同一張網(wǎng)中。非織造纖維網(wǎng)的重量(克重)合適地為5至500g/m2，更合適地為10至50g/m2。對(duì)于某些應(yīng)用而言，重量合適地為15至25g/m2。 [0022]非織造碳纖維網(wǎng)可作為包含以上列出纖維的預(yù)制墊獲得。這樣的預(yù)制墊的實(shí)例包括來自 Technical Fibre Products Ltd 的Optimat?,產(chǎn)品系列，或來自 Hollingsworth 與Vose的AFN?」先進(jìn)纖維非織造產(chǎn)品系列。供選擇地，單獨(dú)的纖維可被采購并且非織造碳纖維網(wǎng)可以由所屬領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)制備。這樣的技術(shù)包括的方法例如濕法制紙法、水刺纏繞法或干沉積法。
[0023]碳顆粒材料包括:⑴炭黑(例如來自Cabot的Vulcan XC72R) ； (ii)石墨(合成的或天然的)(例如可從來自Timcal石墨和碳的Timrex? ELB2001的分散體中獲得)；(iii)炭黑和石墨的混合物(例如可從Timcal石墨和碳的Timrex? LB-1016的分散質(zhì)中獲得)；
(iv)納米纖維和納米管(例如來自Pyrograf Products公司的Pyrograf IΠ--碳纖維或來自 Showa Denko K.K.的 VGCF-H)或其混合物。
[0024]疏水性粘結(jié)劑合適地是含氟聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)或氟化乙烯-丙烯(FEP)，并且優(yōu)選為FEP。碳顆粒材料與疏水性粘結(jié)劑的重量比適當(dāng)?shù)卦?0: 20和20: 80之間，優(yōu)選在70: 30和50: 50之間。
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在跨越非織造碳纖維網(wǎng)厚度上存在碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度梯度。術(shù)語“濃度梯度”表示濃度從網(wǎng)的第一表面到第二表面以單調(diào)的方式(盡管不必是線性)變化。碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料在第一表面的適當(dāng)?shù)牧渴翘碱w粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料在第二表面的量的至少兩倍，并且優(yōu)選地是至少四倍。
[0026]在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度在跨越非織造碳纖維網(wǎng)的厚度上是不均勻的，以使得碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料在非織造碳纖維網(wǎng)的兩個(gè)表面上的濃度較高，而碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料在非織造碳纖維網(wǎng)的中間部分的濃度較低。濃度的變化不必須是對(duì)稱的，并且較低的濃度可更接近非織造碳纖維網(wǎng)的一個(gè)表面而不是另一個(gè)表面。[0027]在本發(fā)明的一個(gè)供選擇的實(shí)施方案中，碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料均勻布置在纖維網(wǎng)絡(luò)中，即跨越在非織造纖維網(wǎng)的厚度上沒有濃度梯度。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，非織造氣體擴(kuò)散基片適用于燃料電池中并由此具有小于500 μ m的非原位厚度以及優(yōu)選在100至350 μ m之間的厚度。非織造氣體擴(kuò)散基片的厚度在受壓時(shí)可能減小，例如當(dāng)被組裝進(jìn)燃料電池堆時(shí)會(huì)發(fā)生。
[0029]本發(fā)明還提供了形成根據(jù)本發(fā)明非織造氣體擴(kuò)散基片的方法，其包括以下步驟:
[0030]a)形成非織造碳纖維網(wǎng)(如前所述)或采用預(yù)制的非織造碳纖維網(wǎng)；
[0031]b)制備碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的懸浮液；
[0032]c)將懸浮液施加到非織造碳纖維網(wǎng)中；
[0033]d)在不超過400°C的溫度下干燥并燒制非織造碳纖維網(wǎng)。
[0034]本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片可于任何需要非織造氣體擴(kuò)散基片的電化學(xué)器件中用作電極。于是，本發(fā)明的另一方面提供了包含本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片和存在于非織造氣體擴(kuò)散基片上的電催化劑層的氣體擴(kuò)散電極。非織造氣體擴(kuò)散基片可在裝入氣體擴(kuò)散電極之前對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以使得其更易濕(親水性)或更防水(疏水性)。任何處理的特性將取決于燃料電池的類型和會(huì)被使用的操作條件。非織造氣體擴(kuò)散基片可通過從懸浮液中浸潰而與例如炭黑材料結(jié)合而變得更易濕，或者用聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟乙丙烯(FEP)的膠體懸浮液浸潰非織造氣體擴(kuò)散基片的孔結(jié)構(gòu)，接著在高于聚合物軟化點(diǎn)進(jìn)行干燥和加熱，而變得更疏水。對(duì)于一些應(yīng)用而言，例如PEMFC，額外的含碳層通常稱為微孔層或基層也可在電催化劑層沉積之前而被應(yīng)用以形成通常稱作的氣體擴(kuò)散層。如果非織造氣體擴(kuò)散基片在非織造氣體擴(kuò)散基片的厚度跨度上具有碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度梯度，那么微孔層或基層合適池位于非織造氣體擴(kuò)散基片具有較高濃度的碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的那一表面上。于是，本發(fā)明的另一方面提供了氣體擴(kuò)散層，其包括本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片以及施用到非織造氣體擴(kuò)散基片的一個(gè)表面上的含碳層。本發(fā)明的再一方面是提供氣體擴(kuò)散電極，其包括本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層以及存在于具有含碳層的氣體擴(kuò)散層表面上的電催化劑層。
[0035]本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片也適用于這些電池，其中催化劑層沉積在電性隔離陽度和陰極的膜或其他分隔器上。
[0036]電催化劑層包括電催化劑，其可以是精細(xì)切分的金屬粉末(金屬黑)，或者可以是負(fù)載型催化劑，其中小金屬顆粒在導(dǎo)電碳顆粒載體上分散。電催化劑金屬合適地選自
[0037]⑴鉬族金屬(鉬、鈕、錯(cuò)、釕、銥、鋨)，
[0038](ii)金或銀，
[0039](iii)賤金屬，
[0040]或包括這些金屬及其氧化物的一種或多種的合金或混合物。優(yōu)選的電催化劑金屬是鉬，其可與其他貴金屬(如釕)或賤金屬成為合金。如果電催化劑是負(fù)載型催化劑，那么碳載體材料上的金屬顆粒負(fù)載量適當(dāng)?shù)卣嫉玫降碾姶呋瘎┲亓康?-90wt%，優(yōu)選為5-75wt%。
[0041]電催化劑層可適當(dāng)?shù)匕ㄆ渌煞郑珉x子導(dǎo)電聚合物材料，其被包括以改進(jìn)層中的離子傳導(dǎo)性。
[0042]在優(yōu)選實(shí)施方案中，氣體擴(kuò)散電極是燃料電池的陰極，并且其中在非織造纖維網(wǎng)的厚度跨度上存在著碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度梯度，電催化劑層鄰接非織造氣體擴(kuò)散基片中碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度較高的一面。設(shè)置基片中最疏水的表面與催化劑層鄰接以避免在燃料電池運(yùn)行時(shí)催化劑層被水阻塞。
[0043]本發(fā)明還提供了膜電極組件，其包括根據(jù)本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片。膜電極組件包括插入到兩個(gè)電催化劑層之間的聚合物電解質(zhì)膜。氣體擴(kuò)散基片的至少一個(gè)是根據(jù)本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片，其鄰接電催化劑層。
[0044]膜可以是適用于PEM燃料電池的任何膜，例如基于全氟磺酸材料，例如Naf ion?(DuPont), Flemion? (Asahi Glass)和Aciplex? (Asahi Kasei)的膜；這些膜可不需改性地加以使用或者可被改性成(例如通過引入添加劑)改進(jìn)高溫性能。供選擇地，膜可以是基于磺化的烴的膜，例如這些材料可從Polyfuel、JSR公司、FuMA-Tech GmbH等得到。膜可以是復(fù)合膜，包含質(zhì)子傳導(dǎo)材料和其他賦予性能(如機(jī)械強(qiáng)度特性)的材料。例如，膜可包含如EP0875524描述的質(zhì)子傳導(dǎo)膜和硅纖維基質(zhì)，或者膜可包含延展的PTFE基片。供選擇地，膜可基于摻雜有磷酸的聚苯并咪唑并且包括來自例如BASF Fuel CellGmbH研發(fā)的膜(例如061丨60@-?膜)，其可在120°C至180°C的范圍工作。
[0045]MEA還可包括密封和/或加強(qiáng)MEA邊緣區(qū)域的組件，如W02005/020356描述的那樣。MEA用本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的常規(guī)方法組裝。
[0046]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，在非織造纖維網(wǎng)的厚度跨度上存在著碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度梯度，膜電極組件中的電催化劑層鄰接非織造氣體擴(kuò)散基片中碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的濃度較高的表面。
[0047]在其中可以使用本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片、氣體擴(kuò)散層、電極和MEA的電化學(xué)器件包括燃料電池、特別是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池可在陽極基于氫或富氫燃料而運(yùn)行或者使用如甲醇的碳?xì)浠衔镒魅剂?。本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片、電極和MEA也可使用于燃料電池，其中的膜采用除質(zhì)子以外的電荷載流子，例如0H_傳導(dǎo)膜(如那些可從Solvay Solexis S.p.A、FuMA_Tech GmbH獲得的膜)。本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片和電極也可用于其他低溫燃料電池，其采用了液體離子傳導(dǎo)電解質(zhì)(例如酸或堿的水溶液或濃縮的磷酸)。其他其中可以使用本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片、電極和MEA的電化學(xué)器件作為再生燃料電池的陰極電極(其中析氫和氧還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行)，以及作為電解劑的陰極其中進(jìn)行析氫。
[0048]于是，本發(fā)明的又一方面提供了燃料電池，優(yōu)選為質(zhì)子交換膜燃料電池，其包括本發(fā)明的的非織造氣體擴(kuò)散基片、氣體擴(kuò)散層、電極或MEA。
[0049]本發(fā)明將參考實(shí)施例加以描述，所述實(shí)施例是說明性的并不限制本發(fā)明。
[0050]實(shí)施例1
[0051]將由Technical Fibre Products制造的20g/m2的碳纖維網(wǎng)(網(wǎng)的絕對(duì)重量=1.25g)的A4樣品浸入在1.22g的氟化乙烯丙烯(來自3M的Dyneon?FEP6300GZ)、1.42g的石墨 / 炭黑顆粒(來自 Timcal Graphite & Carbon 的Timrex? LB-1016)、1.42g 的石墨顆粒(來自 Timcal Graphite&Carbon 的Timrex? E-LB200l)以及變化重量((XO35g-0.17g)的等價(jià)于固體(FEP+ 石墨/碳+石墨+納米石墨烯薄片)總重量的1-1Owt^的納米石墨烯薄片(來自 Angstron Materials 公司的 N006-100-05(N006))。在 150_250°C下干燥材料后，將基片在385°C下進(jìn)行熱處理，處理時(shí)用特定斜率的升溫/冷卻機(jī)制。測(cè)量使用兩電極的構(gòu)造的穿透平面電阻率被測(cè)量并與以基片總重量的重量百分比計(jì)的納米石墨烯薄片的相對(duì)量一起示于表I中。
[0052]實(shí)施例2
[0053]實(shí)施例2使用與實(shí)施例1基本相似的方法制備，不同在于:使用0.036g_0.171g來自Angstron Materials公司的納米石墨烯薄片N008-100-05 (N008)替代N006。測(cè)量使用兩電極構(gòu)造的穿透平面電阻率并與以基片總重量的重量百分比計(jì)的納米石墨烯薄片的相對(duì)量一起示于表I中。
[0054]對(duì)比實(shí)施例1
[0055]對(duì)比實(shí)施例1使用與實(shí)施例1基本相似的方法制備，不同在于:不加入納米石墨烯薄片，而是加入0.033g-0.152g來自Timcal Graphite&Carbon的額外的石墨顆粒Timrex?E-LB2001。測(cè)量使用兩電極構(gòu)造的穿透平面電阻率與以基片總重量的重量百分比計(jì)的額外的石墨顆粒Timrex?E-LB200i的相對(duì)量一起示于表I中。
[0056]實(shí)施例3
[0057]將由Technical Fibre Products制造的30g/m2的碳纖維網(wǎng)(網(wǎng)的絕對(duì)重量=
1.87g)的A4樣品浸入1.71g的氟化乙烯丙烯(來自3M的DyneonTM FEP6300GZ)、4.50g的石墨 / 炭黑顆粒(來自 Timcal Graphite&Carbon 的Timrex? LB-1016)、1.54g 的炭黑顆粒(來自 Timcal Graphite&Carbon 的Timrex? RD696)以及變化重量(0.18g-0.54g)的等價(jià)于固體(FEP+石墨/碳+石墨+納米石墨烯薄片)總重量的1-4.5wt%的納米石墨烯薄片(來自Angstron Materials公司的N008-100-05 (N008))。測(cè)量使用兩電極構(gòu)造的穿透平面電阻率并與以基片總重量的重量百分比計(jì)的納米石墨烯薄片的相對(duì)量一起示于表I中。
[0058]對(duì)比實(shí)施例2
[0059]對(duì)比實(shí)施例2使用與實(shí)施例3基本相似的方法制備，不同在于:不是加入納米石墨烯薄片，而是加入0.28g-0.63g來自Timcal Graphite&Carbon的額外的炭黑顆粒Timrex?RD696。測(cè)量使用兩電極構(gòu)造的穿透平面電阻率以與基片總重量的重量百分比計(jì)的額外的石墨顆粒Timrex? RD696的相對(duì)量一起不于表I中。
[0060]表I
[0061]
【權(quán)利要求】
1.非織造氣體擴(kuò)散基片，其包含: (i)非織造碳纖維網(wǎng)； (ii)碳顆粒材料； (iii)疏水性粘結(jié)劑； 其特征在于，所述非織造氣體擴(kuò)散基片還包含導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料具有X: y為0.0l至100的縱橫比，X: Z為至少500的縱橫比以及y: z為至少500的縱橫比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非織造氣體擴(kuò)散基片，其中所述導(dǎo)電材料為晶片狀結(jié)構(gòu)，其具有X方向?yàn)?.5至500 μ m，優(yōu)選為I至100 μ m的尺寸，具有y方向?yàn)?.5至500 μ m，優(yōu)選為I至100 μ m的尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非織造氣體擴(kuò)散基片，其中所述導(dǎo)電材料在所述非織造氣體擴(kuò)散基片中以基于非造織氣體擴(kuò)散基片總重量計(jì)0.75wt%以上的量存在。
4.根據(jù)前任一權(quán)利要求所述的非織造氣體擴(kuò)散基片，其中在跨越非織造碳纖維網(wǎng)厚度方向上存在碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的梯度。
5.形成根據(jù)本發(fā)明的非織造氣體擴(kuò)散基片的方法，包括以下步驟: a)形成非織造碳纖維網(wǎng)或使用預(yù)制的非織造碳纖維網(wǎng)； b)制備碳顆粒材料、疏水性粘結(jié)劑和導(dǎo)電材料的懸浮液； c)將懸浮液施加到非織造碳纖維網(wǎng)中； d)在不超過400°C的溫度下干燥并燒制非織造碳纖維網(wǎng)。
6.氣體擴(kuò)散電極，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)的非織造氣體擴(kuò)散基片以及在所述非織造氣體擴(kuò)散基片上的電催化劑層。
7.膜電極組件，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)的非織造氣體擴(kuò)散基片。
8.膜電極組件,其包括根據(jù)權(quán)利要求6的氣體擴(kuò)散電極。
【文檔編號(hào)】H01M4/96GK103999276SQ201280051617
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月19日
【發(fā)明者】R·菲舍, I·R·哈克尼斯, J·D·B·沙曼, M·杰施克 申請(qǐng)人:莊信萬豐燃料電池有限公司, 技術(shù)纖維產(chǎn)品有限公司