專利名稱：制備燃料電池單元gdl電極層時(shí)對碳涂層微裂紋的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及施加于燃料電池單元或電池的氣體擴(kuò)散層或電極的表面的涂層，其含有碳或石墨顆粒。
背景技術(shù)：
燃料電池單元或電池的氣體擴(kuò)散層(“GDLs”)，其可以是無紡布或織物形式的碳纖維，通常在一側(cè)或多側(cè)用一種物質(zhì)涂布，以在燃料電池單元內(nèi)的GDL和隔膜或雙極板之間形成電接觸。這類涂層可以由炭黑(也稱作乙炔炭黑或無定形炭黑)和含氟聚合物如Telfon的混合物制成。還可以包括其他材料，如不同尺寸的顆粒，以控制所希望的性能，如增強(qiáng)的導(dǎo)電性或支撐催化劑。
為了獲得燃料電池單元或電池的較高燃料效率，應(yīng)控制涂層的尺寸和孔隙?？紫犊捎绊懭舾晒δ?，包括形成進(jìn)一步的通路以控制燃料流到催化劑和隔膜；調(diào)節(jié)在隔膜附近的水量；以及支撐催化劑本身。
這些涂層是利用具有低固體填充量的水分散體制成。當(dāng)除去大量的流體時(shí)，裂紋(“泥裂”)經(jīng)常發(fā)生于GDL表面上的涂層。典型的裂紋包括由固化薄膜中的破裂組成的涂層缺陷，其暴露裸基片。在制備涂層基片期間，當(dāng)涂層太脆或與基片的粘著性太低時(shí)，上述情況通常會發(fā)生。當(dāng)更重的涂層沉積于GDL基片表面時(shí)，這些裂紋可變得更加明顯。裂紋越嚴(yán)重，GDL完成其某些功能的效果就越差。在GDL表面的涂層中這類裂紋的一個(gè)實(shí)例示于圖1。
消除涂層中的裂紋的傳統(tǒng)方法，使用過如增加粘合劑、控制干燥速率、連續(xù)性薄涂層(successive thin pass coatings)、以及增加固體，但未見成功。在這種應(yīng)用中，增加粘合劑不能有效控制裂紋。為使之有效而必需的干燥速率是不易實(shí)施的。連續(xù)性薄涂層也是如此；增加固體也不行，因?yàn)樗恋K涂布過程。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了用于燃料電池單元或電池的氣體擴(kuò)散層或電極的涂層，其把裂紋降至最低程度。該涂層包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨顆粒和碳顆粒之一的水分散體。大多數(shù)這些顆粒的尺寸顯著大于炭黑微粒，其可以在例如大約13～95nm的范圍內(nèi)。碳顆?？梢允嵌糖刑祭w維、碳或石墨薄片或薄層、碳納米管、碳原纖維(carbon fibrils)、或碳須晶。
這些碳顆?？梢跃哂休^高的長徑比(length to diameter ratio)。
從下面參照附圖對具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，根據(jù)本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中相同的部件是用相同的附圖標(biāo)號進(jìn)行標(biāo)記。


圖1是在氣體擴(kuò)散層織物上、有裂紋的涂層外觀；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，在氣體擴(kuò)散層織物上的涂層外觀；以及圖3是燃料電池單元的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，對其可以施加本發(fā)明涂層。
優(yōu)選
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明中，把水分散體作為涂層施加于電池或燃料電池單元(如甲醇型燃料電池單元)的GDL的基片。該分散體可以包括炭黑、含氟聚合物、以及碳顆料或石墨顆粒，其還可以包括表面活性劑。含氟聚合物與炭黑之比按重量計(jì)算可以在5/95至70/30的范圍內(nèi)。這些顆?？梢哉颊麄€(gè)涂層重量的25％至70％。這些顆粒的加入，允許獲得更大的結(jié)構(gòu)完整性以及增加分散體固體填充量，而不會增加粘度。因此，本涂層最小化GDL的涂層中的裂紋。
炭黑是由天然碳?xì)浠衔餆岱纸猱a(chǎn)生的黑色、無定形、碳素顏料。通常，有三種不同類型的炭黑(即，爐黑、槽法炭黑、以及燈黑)。其通常純度(nominalpurity)大約相當(dāng)于98.5％至99.6％。炭黑微粒的尺寸可以是從13nm至95nm。炭黑可以具有球形。
大多數(shù)這些顆粒的尺寸可以顯著地大于炭黑微粒。這些顆?？梢跃哂写笥谄渲睆降拈L度。長徑比可以在1.5至10000之間。這些顆?？梢园ǘ汤w維如短切碳或石墨纖維、碳或石墨薄片或薄層、碳或石墨納米管、碳或石墨原纖維、或碳或石墨須晶。這些纖維的直徑可以是6至20微米，以及長度可以是10至500微米。薄片或薄層的長度可以為1至500微米。納米管、原纖維、以及須晶的直徑可以為5至100nm，而其長度可以為5至幾百微米。加入這些纖維作為涂層的混合料可在干燥期間使泥裂降至最小程度。
圖2圖示在GDL表面的涂層，其包括短切碳纖維。如從該圖可以看到的，在涂層中并沒有出現(xiàn)明顯的裂紋。
除防止在涂層中形成裂紋以外，加入這些顆粒還可以增加涂層中的電導(dǎo)率。
GDL基片可以由碳纖維預(yù)制品制成，其可以是短纖維；紙；單向帶；織物和無紡布包括針織布；以及滾壓粘合多軸向織物?？梢岳酶鞣N技術(shù)來施加涂層，如浸漬涂布、刮膜法、刮刀、噴涂、輥?zhàn)印⒒颡M槽。
電極可為一單個(gè)的彎片，可插入相鄰電池單元?？商鎿Q地，電極可以由兩片構(gòu)成并以一定方式相連以致連接的兩片起單個(gè)電極的作用。在電極之間可以提供隔膜，可以允許離子穿過該隔膜。
圖3是燃料電池單元100的示意圖。燃料電池單元100可以包括，連同其他部件一道，集電極102、氣體通道104、GDL105、催化劑層106、以及質(zhì)子交換膜107，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
因此，加入這些顆?？梢燥@著地降低在為GDL基片制備的涂層中的裂紋量。由于這些顆粒，可以制得高達(dá)300g/m2的總涂層量且具有最小數(shù)量的裂紋。因?yàn)榧状既剂想姵貑卧枰葰淙剂想姵貑卧氐耐繉?，所以上述混合物在那些情形是特別有利的。
雖然本文已詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選具體實(shí)施方式
以及其改進(jìn)，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于此明確的具體實(shí)施方式
以及改進(jìn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行其他改進(jìn)和變化而不偏離本發(fā)明的思想和范圍，其由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池單元或電池的氣體擴(kuò)散層的涂層，所述涂層包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳顆粒之一，其中部分所述顆粒的尺寸顯著大于所述炭黑，并為所述涂層提供結(jié)構(gòu)完整性，以將其裂紋降至最小程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述炭黑微粒的尺寸在大約13～95nm的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒是短切碳纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒是碳或石墨薄片或薄層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒是碳納米管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒是碳原纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒是碳須晶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其中所述顆粒具有較高的長徑比。
9.一種涂布燃料電池單元或電池的GDL基片的方法，所述方法包括下述步驟制備炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳顆粒之一的分散體；將所述分散體施加于所述基片以便涂布所述基片；以及其中所述顆粒的尺寸顯著大于所述炭黑，并為所述涂層提供結(jié)構(gòu)完整性，以將其裂紋降至最小程度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述炭黑微粒的尺寸在大約13～95nm的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒是短切碳纖維。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒是碳或石墨薄片或薄層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒是碳納米管。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒是碳原纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒是碳須晶。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述顆粒具有較高的長徑比。
17.一種用于燃料電池單元或電池的制品，所述制品是具有涂布以分散體的基片的GDL，其中所述分散體包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳顆粒之一，其中部分所述顆粒的尺寸顯著大于所述炭黑，并為所述涂層提供結(jié)構(gòu)完整性，以將其裂紋降至最小程度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述炭黑微粒的尺寸在大約13～95nm的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒是短切碳纖維。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒是碳或石墨薄片或薄層。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒是碳納米管。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒是碳原纖維。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒是碳須晶。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制品，其中所述顆粒具有較高的長徑比。
全文摘要
一種用于燃料電池單元或電池氣體擴(kuò)散層(GDL)的涂層。該涂層包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨顆粒和碳顆粒之一的分散體，其中這些顆粒的尺寸顯著大于炭黑微粒，并為涂層提供結(jié)構(gòu)完整性以便將其裂紋降至最小程度。炭黑微粒的尺寸可以在大約13～95nm的范圍內(nèi)。碳顆?？梢允嵌糖刑祭w維、碳或石墨薄片或薄層、碳納米管、碳原纖維、或碳須晶。這些碳顆粒可以具有較高的長徑比。
文檔編號H01M4/88GK1780038SQ20041009605
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者讓·弗朗索瓦·萊考斯托維克, 莫里斯R·帕奎因, 保羅·肯尼迪 申請人:阿爾巴尼國際紡織技術(shù)有限公司