專利名稱：可以用作雙極板的多孔結(jié)構(gòu)以及生成該多孔結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及尤其可用作燃料電池裝置中的雙極板或者電極/雙極板組件的多孔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還涉及用于制造這種多孔結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的主要領(lǐng)域可以被定義為燃料電池領(lǐng)域，特別是固態(tài)聚合物電解質(zhì)類型的燃料電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池是通常包括多個(gè)堆疊于彼此頂部之上的電池元件的組件。在燃料電池的每個(gè)電池元件中，在兩種被連續(xù)不斷地引入到電池元件中的反應(yīng)物之間產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。通常使用的燃料是氫氣或者甲醇，其分別取決于電池是以氫氣/氧氣混合物類型(PEMFC型電池)還是以甲醇/氧氣混合物類型(DMFC型電池)運(yùn)行。
將燃料與陽(yáng)極接觸，同時(shí)將助燃劑(在該情況下為氧氣)與陰極接觸。
通過(guò)離子交換膜類型的電解液將陽(yáng)極和陰極分開(kāi)。
在陽(yáng)極，燃料(例如氫氣)進(jìn)行由下列反應(yīng)方程式表示的氧化反應(yīng)
在陰極，氧化物(通常為氧氣)進(jìn)行由下列反應(yīng)方程式表示的還原反應(yīng)
因此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。質(zhì)子H+通過(guò)電解液從陽(yáng)極流動(dòng)到陰極。在陽(yáng)極產(chǎn)生的電子通過(guò)外部電路被傳送到陰極，從而用于產(chǎn)生電能。
同時(shí)，在陰極生成水，并將水從電極-膜-電極組件除去。
在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，多個(gè)電極-膜-電極組件堆疊在彼此頂部之上，從而能獲得比只利用這些組件中的一個(gè)組件所傳遞的電能更大的電能。在這些組件之間的電連接和電連續(xù)性(electricalcontinuity)通常借助導(dǎo)電板而發(fā)生，這些導(dǎo)電板也被叫做雙極板。
因此，借助這些雙極板，一個(gè)組件的陰極可以被連接到鄰近組件的陽(yáng)極上。這些雙極板進(jìn)一步提供了盡可能高的導(dǎo)電率，從而避免對(duì)燃料電池的效率有不利影響的歐姆損耗。
雙極板除了提供電連接，還必須發(fā)揮作用。
這是因?yàn)榈谝唤M件的陽(yáng)極和鄰近的第二組件的陰極必須，例如通過(guò)這些雙極板連續(xù)供應(yīng)反應(yīng)物，在這種情形下，則所述雙極板起到傳輸反應(yīng)物的作用。
另外，雙極板還用于通過(guò)與用于除去多余的水的元件結(jié)合來(lái)除去在陰極的產(chǎn)物。
雙極板可以進(jìn)一步結(jié)合熱交換器，用于消除在電極-膜-電極組件堆中的所有過(guò)熱。
最后，我們注意到，雙極板的另一個(gè)功能是使電極-膜-電極組件具有機(jī)械穩(wěn)定性(特別是當(dāng)這些組件堆疊在彼此頂部之上的時(shí)候)。該組件使電池的總體積具有較小的厚度，這非常適合于期望的應(yīng)用(例如在電動(dòng)交通工具中的應(yīng)用)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，存在不同的雙極板構(gòu)造用于傳輸反應(yīng)物。
首先設(shè)計(jì)了一種構(gòu)造，在該構(gòu)造中，在雙極板的至少一個(gè)表面上機(jī)械加工出通道。這些通道被設(shè)計(jì)成用于在電極的表面上盡可能均勻地傳輸反應(yīng)物，這些通道通過(guò)電極相接觸。
通常將這些通道形成為使得注入到這些通道中的反應(yīng)物在大部分電極表面上彎曲流動(dòng)。用于獲得這樣一個(gè)效果的裝置是水平部件，其通過(guò)180°下降彎管隔開(kāi)。應(yīng)該注意到，這些部件還能夠回收和除去在陰極產(chǎn)生的水。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種裝置的特別布置并沒(méi)有提供用以產(chǎn)生工業(yè)應(yīng)用中可接受的電化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的足夠大的交換區(qū)域。
為了緩解該缺陷，在現(xiàn)有技術(shù)中提出了另一種構(gòu)造。
在這種構(gòu)造中，具有高孔隙率的泡沫金屬被用于連接金屬部件，在該金屬部件中進(jìn)行機(jī)械加工，使得這種泡沫金屬保證反應(yīng)物被適當(dāng)?shù)貍鬏?，以及保證各種產(chǎn)物被除去。
然而，泡沫金屬與雙極板連接的事實(shí)促成了高電阻的產(chǎn)生，導(dǎo)致在組件內(nèi)電傳導(dǎo)的降低。
盡管與電傳導(dǎo)相關(guān)的問(wèn)題可以通過(guò)壓縮泡沫金屬來(lái)部分解決，但是由于該類型燃料電池的高腐蝕性的化學(xué)環(huán)境(即使通過(guò)使用抗腐蝕涂層)，以及特別是由于多種缺陷(比如泡沫金屬內(nèi)的束狀斷裂(ruptures de brins))的存在，所以仍然存在腐蝕問(wèn)題。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中用作雙極板的構(gòu)造都有一個(gè)或者多個(gè)以下缺陷-由于用于在該結(jié)構(gòu)和被供給液體的元件之間交換的面積不足，所以它們不能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)物的有效傳輸。
-由于它們可能包括多個(gè)由不同材料制成的部件，所以產(chǎn)生接觸電阻和腐蝕問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種尤其可用于形成雙極板和電極/雙極板組件的多孔結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了前述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
本發(fā)明的目的還在于提供用于制造這種多孔結(jié)構(gòu)的方法。
因此，根據(jù)第一目的，本發(fā)明涉及包括碳-纖維多孔基質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔基質(zhì)被不滲透層(或密封層)限定于其至少一個(gè)表面上，該不滲透層由選自包括碳纖維、碳納米管、玻璃碳或其組合物的碳單質(zhì)制成，所述不滲透層通過(guò)碳-碳鍵連接到多孔基質(zhì)。
這樣的多孔結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)-因?yàn)樗鼉H包含碳，因此該結(jié)構(gòu)具備電連續(xù)性、良好的傳導(dǎo)性和高度的化學(xué)惰性，而現(xiàn)有技術(shù)的多孔結(jié)構(gòu)不具備這些特性；
-因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的部分(基質(zhì)和不滲透層)不再僅通過(guò)機(jī)械連接，而是通過(guò)碳-碳鍵連接，所以當(dāng)該結(jié)構(gòu)用于流體流動(dòng)時(shí)不會(huì)有流體泄漏的問(wèn)題；-由于與上述相同的原因，當(dāng)該結(jié)構(gòu)用于電傳導(dǎo)時(shí)，本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)不會(huì)經(jīng)受電位降，至于現(xiàn)有技術(shù)的該結(jié)構(gòu)內(nèi)在的接觸電阻則不再存在，原因是本發(fā)明該多孔結(jié)構(gòu)的各種組成部分是由相同材料(碳)制成并且通過(guò)碳-碳鍵連接在一起的；以及-最后，如上述解釋的，僅僅使用碳單質(zhì)用于構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)的事實(shí)，使得有可能減小后者(該多孔結(jié)構(gòu))的尺寸和重量。
根據(jù)第二目的，本發(fā)明涉及用于制造以上定義的多孔結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括生成所述不滲透層的步驟1)在碳-纖維基質(zhì)的一個(gè)表面或者相對(duì)的兩個(gè)表面上進(jìn)行選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)的生長(zhǎng)，接著使所述碳單質(zhì)的密度增加(densification)；和/或2)當(dāng)碳單質(zhì)是玻璃碳時(shí)，在碳-纖維基質(zhì)的的一個(gè)表面或相對(duì)的兩個(gè)表面上形成玻璃碳。
因此，本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)勢(shì)-它簡(jiǎn)化了多孔區(qū)域的設(shè)計(jì)，不同于現(xiàn)有技術(shù)的方法，該多孔區(qū)域不再通過(guò)不同類型材料的疊加來(lái)設(shè)計(jì)；-它允許對(duì)多孔區(qū)域的不同組成部分的多孔性進(jìn)行控制；-由于所使用的材料全部基于碳，使得可以獲得表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的區(qū)域；以及
-它包括了能夠在連續(xù)的生產(chǎn)線中進(jìn)行的步驟。
最后，根據(jù)第三目的，本發(fā)明涉及包括根據(jù)本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)的雙極板或電極/雙極板組件。
本發(fā)明的其它優(yōu)勢(shì)和特征在以下非限定性的具體描述中將變得顯而易見(jiàn)。


圖1至6是根據(jù)本發(fā)明的各種多孔結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明涉及能夠用作雙極板和/或電極/雙極板組件的多孔結(jié)構(gòu)。
因此，多孔結(jié)構(gòu)包括碳-纖維多孔基質(zhì)，所述多孔基質(zhì)被不滲透層(或密封層)限定于其至少一個(gè)表面上，該不滲透層由選自碳纖維、碳納米管和玻璃碳的成分組成，所述不滲透層通過(guò)碳-碳鍵連接到多孔基質(zhì)上。
應(yīng)該指出，根據(jù)本發(fā)明，多孔結(jié)構(gòu)一般而言具有整體開(kāi)孔率(porosité ouverte)。
應(yīng)該指出，術(shù)語(yǔ)“碳-纖維多孔基質(zhì)”在全文中理解為由碳纖維線纏結(jié)物構(gòu)成的柔性部分，纏結(jié)的程度取決于所需的孔隙率。
多孔基質(zhì)被不滲透層(即氣體和液體不能滲透的層)限定于其至少一個(gè)表面上。該不滲透層具有以下特殊特征由選自碳纖維、碳納米管和玻璃碳的碳單質(zhì)組成，并且不通過(guò)機(jī)械連接而是通過(guò)碳-碳鍵連接到多孔基質(zhì)。
從而，多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成了不具有接觸電阻的部件，而在現(xiàn)有技術(shù)的多孔結(jié)構(gòu)的實(shí)例中具有接觸電阻，尤其當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)用作雙極板時(shí)，該接觸電阻是造成電位降的原因。
根據(jù)本發(fā)明多孔結(jié)構(gòu)所設(shè)想的用途，其可以具有不同構(gòu)造。
因此，根據(jù)圖1中具體示出的第一實(shí)施例，多孔結(jié)構(gòu)1包括被表現(xiàn)上述特征的不滲透層7限定于第一表面5上以及被多孔層11限定于與第一表面5相對(duì)的第二表面9上的多孔基質(zhì)3，多孔層11由選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)制成，所述多孔層11通過(guò)碳-碳鍵連接到多孔基質(zhì)3。應(yīng)該理解，該多孔層具有預(yù)定的孔隙率，該孔隙率取決于該多孔層投入使用的專用用途。
根據(jù)在圖2所示的第二實(shí)施例，多孔結(jié)構(gòu)13包括被不滲透層19限定于第一表面17和被另一不滲透層23限定于與第一表面相對(duì)的第二表面21上的多孔基質(zhì)15，該不滲透層19、23如上述定義。
本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)也可以包括在上述不滲透層或多個(gè)不滲透層上和/或在多孔基質(zhì)的表面上的多孔層(如圖3和圖4中具體示出的)，該多孔層由選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)制成。
這樣，圖3示出的多孔層25包括多孔基質(zhì)27，多孔基質(zhì)27如同圖1所示那樣被不滲透層29限定于表面30上和被多孔層31限定于相對(duì)表面32上；以及在所述不滲透層29上的另一多孔層33。
圖4示出的多孔結(jié)構(gòu)35包括被兩個(gè)不滲透層39、41限定于兩個(gè)相對(duì)的表面40、42上的多孔基質(zhì)37，這兩個(gè)不滲透層39、40在該多孔基質(zhì)37的兩個(gè)表面上，兩個(gè)多孔層43、45通過(guò)碳-碳鍵固定到不滲透層。
應(yīng)該指出，根據(jù)任一實(shí)施例，多孔結(jié)構(gòu)可以包括設(shè)置在上述多孔層上的有源層(couche active)(分別參照?qǐng)D1、圖5和圖6中的附圖標(biāo)號(hào)12)。
應(yīng)該理解，可以將上述各種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，以提供更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
因此，圖5對(duì)應(yīng)于由如圖1所示的兩個(gè)多孔結(jié)構(gòu)13通過(guò)其不滲透層7結(jié)合在一起而產(chǎn)生的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)。
圖6對(duì)應(yīng)于由根據(jù)圖2的多孔結(jié)構(gòu)13與根據(jù)圖1的兩個(gè)多孔結(jié)構(gòu)1通過(guò)其不滲透層(7、19、23)結(jié)合在一起而產(chǎn)生的復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)可以用作雙極板和/或電極/雙極板組件。本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)也可以用作熱交換器。
已知，雙極板是用于機(jī)械分離燃料電池的相鄰的兩個(gè)電池元件的兩個(gè)相對(duì)極性的電極的部件，同時(shí)確保電連續(xù)性。雙極板除了發(fā)揮其分離作用外，還可以起到將合適的反應(yīng)物(即燃料或氧化劑)輸送到上述電極的作用。
電極/雙極板組件是由如上定義的雙極板和電極的至少一部分的組合而產(chǎn)生的組件，即反應(yīng)物擴(kuò)散區(qū)(可能對(duì)應(yīng)于上述多孔層)和可選地有源區(qū)域(可能對(duì)應(yīng)于上述有源層)的組合而產(chǎn)生的組件。應(yīng)該指出，術(shù)語(yǔ)“有源層”根據(jù)本發(fā)明理解為包括至少一種催化劑的層，該催化劑在所討論的電極處能夠催化合適的電化學(xué)反應(yīng)。
因而，尤其是圖1、圖4、圖5和圖6所示的多孔結(jié)構(gòu)可以用作雙極板和/或電極/雙極板組件。
這樣，當(dāng)試圖將所述電極/雙極板組件結(jié)合到由電池元件堆組成的燃料電池中時(shí)，圖1所示的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于位于堆(empilement，疊層)端部的電極/雙極板組件。在這種情況下，不滲透層7和多孔基質(zhì)3對(duì)應(yīng)于半板，就其僅基于一個(gè)電極而言，多孔層11對(duì)應(yīng)于電極反應(yīng)物擴(kuò)散區(qū)域，而催化層12對(duì)應(yīng)于電極的有源區(qū)域。
圖4所示的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于包括冷卻回路的雙極板，在該結(jié)構(gòu)中-多孔基質(zhì)37對(duì)應(yīng)于冷卻液循環(huán)區(qū)域；-多孔層43、45對(duì)應(yīng)于反應(yīng)物輸送區(qū)域；以及-不滲透層39、41將冷卻液循環(huán)區(qū)域與反應(yīng)物輸送區(qū)域分開(kāi)。
圖5所示的多孔結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于不包括冷卻回路的電極/雙極板組件，在該結(jié)構(gòu)中-多孔基質(zhì)3對(duì)應(yīng)于反應(yīng)物輸送區(qū)域；-多孔層11對(duì)應(yīng)于屬于兩個(gè)相鄰的電池元件的電極的擴(kuò)散區(qū)域；-有源層12對(duì)應(yīng)于屬于兩個(gè)相鄰的電池元件的電極的有源區(qū)域；以及-不滲透層7將兩個(gè)反應(yīng)物輸送區(qū)域分開(kāi)。
圖6所示的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于包括冷卻回路的電極/雙極板組件，在該組件中
-多孔基質(zhì)15對(duì)應(yīng)于冷卻液循環(huán)區(qū)域，以及多孔基質(zhì)3對(duì)應(yīng)于兩個(gè)反應(yīng)物輸送區(qū)域；-多孔層11對(duì)應(yīng)于屬于兩個(gè)相鄰的電池元件的電極的擴(kuò)散區(qū)域；以及-有源層12對(duì)應(yīng)于屬于兩個(gè)相鄰的電池元件的電極的有源區(qū)域；以及-不滲透層7、19、23將冷卻液循環(huán)區(qū)域與兩個(gè)反應(yīng)物輸送區(qū)域分開(kāi)。
圖2所示的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于雙極板，其中-多孔基質(zhì)15對(duì)應(yīng)于冷卻液循環(huán)區(qū)域；以及-不滲透層19和23可以將燃料電池的兩個(gè)相鄰電池元件的兩個(gè)電極分開(kāi)。
最后，圖3所示的結(jié)構(gòu)可以對(duì)應(yīng)于不具有冷卻回路的電極/雙極板組件，其中-多孔基質(zhì)27和多孔層31對(duì)應(yīng)于反應(yīng)物輸送區(qū)域；-多孔層33對(duì)應(yīng)于與上述輸送區(qū)域不同的反應(yīng)物輸送送區(qū)域；以及-不滲透層29將上述兩個(gè)的輸送區(qū)域分開(kāi)。
對(duì)于以上解釋的不同構(gòu)造，應(yīng)該理解，在任一多孔層內(nèi)的孔隙率可以根據(jù)該多孔層的用途而改變。在兩個(gè)分離的多孔層之間的孔隙率也可以根據(jù)這些多孔層是用于輸送氣體(例如O2)還是用于輸送液體(例如甲醇)而不同。
如上所述，本發(fā)明涉及用于制造如上定義的多孔結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括生成所述不滲透層或多個(gè)不滲透層的步驟，即通過(guò)在碳-纖維基質(zhì)的一個(gè)表面上或兩個(gè)相對(duì)表面上的碳單質(zhì)的生長(zhǎng)，然后使所述碳單質(zhì)的密度增加(當(dāng)這些碳單質(zhì)是碳纖維或碳納米管)或者通過(guò)生成玻璃碳來(lái)進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)該指出，術(shù)語(yǔ)“碳-纖維基質(zhì)”被理解為由碳纖維的纏結(jié)而形成的部分，纏結(jié)密度根據(jù)所需的孔隙率而變化。
碳-纖維基質(zhì)可以從商業(yè)上獲得或者預(yù)先生成，例如，通過(guò)碳纖維的針刺法(aiguilletage)。應(yīng)該指出針刺法技術(shù)包括使用針刺機(jī)(aiguilleteuse)在三維空間上機(jī)械地纏結(jié)織物(voile)的纖維，可以根據(jù)所需孔隙率來(lái)控制纏結(jié)操作。
生成不滲透層或多個(gè)不滲透層的步驟以這樣的方式進(jìn)行使得不滲透層通過(guò)碳-碳鍵完全或部分地被固定(錨定)于碳-纖維基質(zhì)，更具體而言，被固定(錨定)于該碳-纖維基質(zhì)的構(gòu)成孔。由此獲得的是多孔區(qū)域(由碳-纖維基質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成)，該多孔區(qū)域被不滲透層限定于其至少一個(gè)表面上，該不滲透層與所述基質(zhì)的孔相互貫通，由此所得部件為“整體(monobloc)”部件，也就是說(shuō)，該部件不是由多個(gè)部件通過(guò)例如焊接連接在一起而形成的，也就不具有該類部件如前所述的缺陷。
由此，該不滲透層可以通過(guò)以下方式獲得當(dāng)碳單質(zhì)是碳纖維或碳納米管時(shí)，通過(guò)在碳-纖維基質(zhì)的至少一個(gè)表面上碳單質(zhì)的生長(zhǎng)，接著使所述碳單質(zhì)致密來(lái)進(jìn)行。該不滲透層也可以通過(guò)在碳-纖維基質(zhì)的至少一個(gè)表面上形成玻璃碳而獲得。當(dāng)不滲透層包括諸如碳纖維或碳納米管的碳單質(zhì)和玻璃碳時(shí)，也可以設(shè)想將碳單質(zhì)的生長(zhǎng)和玻璃碳的形成結(jié)合在一起。
當(dāng)碳單質(zhì)是碳纖維時(shí)，所述碳纖維的生長(zhǎng)步驟可以包括熱解碳纖維前體纖維，所述前體纖維可以是聚合物纖維，例如聚丙烯腈(PAN)纖維或由瀝青獲得的纖維，該熱解步驟通過(guò)以下步驟進(jìn)行-用合適的單體或石油瀝青浸漬碳-纖維基質(zhì)的合適的表面的步驟；-如果前體纖維是聚合物纖維，則在聚合所述單體的步驟之后，進(jìn)行紡織(filage)操作，以便獲得合適的聚合物纖維；或-如果前體纖維是瀝青纖維，則進(jìn)行紡織步驟以便獲得瀝青纖維。
應(yīng)該理解，進(jìn)行紡織操作，以獲得纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充分地纏結(jié)，以使得在熱解的末期，所得到的層為不滲透層。
使用FR 2844510中定義的方法可以在碳-纖維基質(zhì)上進(jìn)行碳納米管的生長(zhǎng)。該方法具體包括以下步驟-用含一種或多種用于納米管生長(zhǎng)的金屬鹽催化劑的水溶液(例如Co，Ni或Fe的硝酸鹽或醋酸鹽)浸漬基質(zhì)的合適表面的步驟；-通過(guò)熱處理(例如，通過(guò)將浸漬的基質(zhì)加熱至100℃與250℃之間)將所述鹽分解成氧化物的步驟；-將生成的氧化物還原的步驟，例如通過(guò)將基質(zhì)放入在還原氣氛中操作的爐子中；以及
-合成碳納米管的步驟，即通過(guò)將基質(zhì)與爐子中的氣態(tài)碳前體接觸，該爐子加熱到一定溫度使得能夠通過(guò)氣態(tài)碳前體分解(裂解)而生成碳。
氣態(tài)前體可以是芳香族烴或非芳香族烴。例如，可以使用乙炔、乙烯、丙烯或甲烷。用于裂解的所需爐溫可以在450℃至1200℃的范圍內(nèi)。
然后，通過(guò)如文獻(xiàn)FR 2844510中所描述的液體處理或化學(xué)氣相滲透來(lái)使得所獲得的結(jié)構(gòu)(無(wú)論不滲透層是由碳纖維還是由碳納米管制成)密度增加。
玻璃碳形成步驟可以通過(guò)用呋喃樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂浸漬碳-纖維基質(zhì)的合適表面，并繼而以熱解步驟來(lái)進(jìn)行。
當(dāng)本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)多孔層(其限定由纖維制成的基質(zhì)的界限或者其被設(shè)置在不滲透層上)時(shí)，所述多孔層可以通過(guò)諸如碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)的生長(zhǎng)來(lái)獲得，控制該生長(zhǎng)以便在該生長(zhǎng)操作之后獲得具有期望孔隙率的層。
當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)還包括基于催化劑的有源層時(shí)，后者(該有源層)可以通過(guò)制造有源層通常使用的技術(shù)來(lái)獲得，例如涂布(enduction)或噴射包含合適催化劑的懸浮液。該懸浮液可以是鍍鉑碳的懸浮液。
因此，由于其上述特征，本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)由于限定的孔隙率的不同區(qū)域的存在，不僅可以作為雙極板應(yīng)用于低溫下運(yùn)作的PEMFC或DMFC類型燃料電池和在中等溫度下運(yùn)作的電池(例如在250℃下運(yùn)行的磷酸電池)領(lǐng)域，而且可以應(yīng)用于熱交換器領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.包括碳-纖維多孔基質(zhì)(3，15，27，37)的多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔基質(zhì)被不滲透層(7，19，23，29，39，41)限定在其至少一個(gè)表面(5，17，21，30，40，42)上，所述不滲透層由選自碳纖維、碳納米管、玻璃碳或其組合物的碳單質(zhì)制成，所述不滲透層通過(guò)碳-碳鍵連接到所述多孔基質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔基質(zhì)(3)被如權(quán)利要求1所定義的不滲透層(7)限定于第一表面(5)上，以及被多孔層(11)限定于與所述第一表面(5)相對(duì)的第二表面(9)上，所述多孔層由選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)制成，所述多孔層通過(guò)碳-碳鍵連接到所述多孔基質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔基質(zhì)(15)被不滲透層(19)限定于第一表面(17)上，以及被另一不滲透層(23)限定于與所述第一表面(17)相對(duì)的第二表面(21)上，所述不滲透層為如權(quán)利要求1所定義的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括由選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)制成的多孔層(31、33、43、45)，所述多孔層在所述不滲透層或多個(gè)所述不滲透層(29、39、41)上和/或在所述多孔基質(zhì)(27)的一個(gè)表面(32)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，進(jìn)一步包括在所述多孔層或多個(gè)所述多孔層(11)上的有源層(12)。
6.一種雙極板或電極/雙極板組件，包括如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所定義的多孔結(jié)構(gòu)。
7.用于制造如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所定義的多孔結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法包括生成所述不滲透層的步驟1)在碳-纖維基質(zhì)的一個(gè)表面或者兩個(gè)相對(duì)表面上進(jìn)行選自碳纖維和碳納米管的碳單質(zhì)的生長(zhǎng)，接著使所述碳單質(zhì)的密度增加；和/或2)當(dāng)所述碳單質(zhì)是玻璃碳時(shí)，在碳-纖維基質(zhì)的一個(gè)表面或者兩個(gè)相對(duì)表面上生成玻璃碳。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，包括通過(guò)碳纖維的針刺法來(lái)生成所述碳-纖維基質(zhì)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多孔結(jié)構(gòu)，其特征在于該多孔結(jié)構(gòu)包括由碳纖維制成的多孔基質(zhì)，所述多孔基質(zhì)被不滲透層(19，23)限定在其至少一個(gè)面(17，21)上，該不滲透層由選自碳纖維、碳納米管以及玻璃碳的成分制成，所述不滲透層通過(guò)碳－碳鍵連接在多孔基質(zhì)上。本發(fā)明還涉及用于制造該多孔結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明應(yīng)用在燃料電池和熱交換器領(lǐng)域。
文檔編號(hào)F28F21/00GK1849279SQ200480022072
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者勒諾·莫斯達(dá)勒, 西爾維·埃斯克里瓦諾, 皮埃爾·奧爾里 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能委員會(huì)