[发明专利]扩散介质及其制备方法

说明书

技术领域

本申请涉及可用在燃料电池应用中的多孔衬垫。

背景技术

高质量的多孔衬垫被用于过滤和用在众多电子装置如蓄电池和燃料电池中。在这样的装置中，多孔衬垫有利地容许气体或溶解在液体中的组分穿过。多孔衬垫由微纤维、纳米纤维和微孔膜制成。在溶剂可溶性聚合物的情况下这些尺寸的纤维通过静电纺丝制得。然而，如果不在高沸点溶剂中维持高温，则聚烯烃难于形成溶液。多孔聚烯烃通过在这些塑料聚合物的膜或片上的双向拉伸制得。可选地，造孔剂在制造过程期间被添加到聚烯烃片材中，然后其被溶剂萃取或者热移除。在可在溶液中处理的溶剂可溶性烯烃的情况下，可使用静电纺丝。

在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，氢气供给到阳极作为燃料，和氧气供给到阴极作为氧化剂。氧气可以是纯形式(O₂)或者空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(MEA)，其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂以及在相对面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电材料形成，例如编织石墨(woven graphite)、石墨化片或者炭纸以使燃料能够分散在朝向燃料供给电极的膜表面上。通常，离子导电聚合物膜包含全氟磺酸(“PFSA”)离聚物。

每个催化剂层具有负载在碳颗粒上的、细粒催化剂颗粒(例如铂颗粒)以促进阳极处的氢气氧化，和阴极处的氧气还原。质子从阳极透过离子导电聚合物膜流动到阴极，在此所述质子与氧气结合形成从电池排放的水。

MEA夹持在一对多孔气体扩散层(GDL)之间，所述多孔气体扩散层夹持在一对导电元件或者板之间。所述板充当阳极和阴极的集流器，并包括形成在其中的适当的通道和开口，用于在相应的阳极和阴极催化剂的表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄、化学稳定、可传导质子、不导电和气体不可渗透。在典型的应用中，燃料电池以堆叠的许多单个燃料电池的阵列设置以提供高的电功率水平。

在许多燃料电池应用中，电极层由包含贵金属和全氟磺酸聚合物(“PFSA”)的油墨组合物形成。例如，在质子交换膜燃料电池的电极层制造中，PFSA通常添加到Pt/C催化剂油墨中以提供质子传导性，给分散的Pt-碳催化剂纳米颗粒，以及多孔碳网络的结合。传统的燃料电池催化剂将碳黑与碳表面上的铂沉积物，以及离聚物混合。碳黑提供(部分地)高表面积的导电基材。铂沉积物提供了催化剂性能，并且离聚物提供了质子传导组分。电极由包含碳黑催化剂和离聚物的油墨形成，它们通过干燥结合形成电极层。

气体扩散层在燃料电池技术中具有多种功能。例如，气体扩散层充当行进到阳极和阴极层的反应物气体的扩散器，同时将产物水输送到流场。气体扩散层还传导电子并将膜电极组件处产生的热传递到冷却剂，并充当软的膜电极组件和硬的双极板之间的缓冲层。尽管用于制造用于燃料电池应用的气体扩散层的现有技术效果相当不错，但是仍希望在性能和成本上得到改善。

因此，本发明提供了改进的制造可用在燃料电池应用中的多孔衬垫的方法。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方式中提供可用在燃料电池应用中的导电纤维片的形成方法解决了现有技术中的一个或者多个问题。这个实施方式的方法包括混合成纤树脂与水溶性载体树脂以形成树脂混合物的步骤。将树脂混合物挤出以形成经挤出的树脂混合物。典型地，经挤出的树脂混合物具有位于较大的载体树脂线料(strand)中的成纤树脂线料。进而将经挤出的树脂混合物与水接触以将成纤树脂线料与载体树脂分离。进而由成纤树脂线料形成导电纤维片。最后，将导电纤维片整合并插入到阳极和阴极之间。该方法有利地用于制备可用作多孔载体的聚烯烃微纤维，并且适用于低成本聚合物和聚合物纤维的连续、大规模和廉价的加工。该方法有助于产生具有定制的热性质、尺寸性质和化学性质的材料。它是易于放大和可再现的，并且有助于采用廉价的、环境友好的组分和制造的连续加工技术。

在另一个实施方式中，提供了制造具有导电纤维片的装置的方法。该方法包括将热塑性树脂与水溶性聚酰胺树脂混合以形成树脂混合物。然后将该树脂混合物挤出以形成经挤出的树脂混合物，经挤出的树脂混合物具有位于较大的水溶性载体树脂线料中的热塑性树脂线料。将经挤出的树脂混合物与水接触以将热塑性树脂线料与水溶性聚酰胺(例如，聚[2-乙基-2-噁唑啉])树脂分离。由热塑性树脂线料形成导电纤维片。最后，将导电纤维片整合并插入到阳极和阴极之间。水溶性树脂可以是聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOX)、聚氧化乙烯(PEO)等。