擴(kuò)散介質(zhì)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及擴(kuò)散介質(zhì)及其制備方法。其中，納米到微米級寬度尺寸的樹脂纖維通過熔融擠出工藝由多組分體系得到。該工藝包括將纖維樹脂與水溶性載體樹脂組合以形成樹脂混合物的步驟。該樹脂混合物被擠出以形成經(jīng)擠出的樹脂混合物，該經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于載體樹脂中的纖維樹脂線料。該經(jīng)擠出的樹脂混合物進(jìn)而與水接觸以將纖維樹脂線料與載體樹脂分離。進(jìn)而由纖維樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。該纖維片被用作燃料電池中的擴(kuò)散層。
【專利說明】擴(kuò)散介質(zhì)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本申請涉及可用在燃料電池應(yīng)用中的多孔襯墊。
【背景技術(shù)】
[0002]高質(zhì)量的多孔襯墊被用于過濾和用在眾多電子裝置如蓄電池和燃料電池中。在這樣的裝置中，多孔襯墊有利地容許氣體或溶解在液體中的組分穿過。多孔襯墊由微纖維、納米纖維和微孔膜制成。在溶劑可溶性聚合物的情況下這些尺寸的纖維通過靜電紡絲制得。然而，如果不在高沸點(diǎn)溶劑中維持高溫，則聚烯烴難于形成溶液。多孔聚烯烴通過在這些塑料聚合物的膜或片上的雙向拉伸制得?？蛇x地，造孔劑在制造過程期間被添加到聚烯烴片材中，然后其被溶劑萃取或者熱移除。在可在溶液中處理的溶劑可溶性烯烴的情況下，可使用靜電紡絲。
[0003]在質(zhì)子交換膜(PEM)類型的燃料電池中，氫氣供給到陽極作為燃料，和氧氣供給到陰極作為氧化劑。氧氣可以是純形式(O2)或者空氣(02和隊(duì)的混合物)。PEM燃料電池通常具有膜電極組件(MEA)，其中固體聚合物膜在一個(gè)面上具有陽極催化劑以及在相對面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導(dǎo)電材料形成，例如編織石墨(woven graphite)、石墨化片或者炭紙以使燃料能夠分散在朝向燃料供給電極的膜表面上。通常，離子導(dǎo)電聚合物膜包含全氟磺酸(“PFSA”)離聚物。
[0004]每個(gè)催化劑層具有負(fù)載在碳顆粒上的、細(xì)粒催化劑顆粒(例如鉬顆粒)以促進(jìn)陽極處的氫氣氧化，和陰極處的氧氣還原。質(zhì)子從陽極透過離子導(dǎo)電聚合物膜流動到陰極，在此所述質(zhì)子與氧氣結(jié)合形成從電池排放的水。
[0005]MEA夾持在一對多孔氣體擴(kuò)散層(GDL)之間，所述多孔氣體擴(kuò)散層夾持在一對導(dǎo)電元件或者板之間。所述板充當(dāng)陽極和陰極的集流器，并包括形成在其中的適當(dāng)?shù)耐ǖ篮烷_口，用于在相應(yīng)的陽極和陰極催化劑的表面上分配燃料電池的氣體反應(yīng)物。為了有效地產(chǎn)生電，PEM燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜必須薄、化學(xué)穩(wěn)定、可傳導(dǎo)質(zhì)子、不導(dǎo)電和氣體不可滲透。在典型的應(yīng)用中，燃料電池以堆疊的許多單個(gè)燃料電池的陣列設(shè)置以提供高的電功率水平。
[0006]在許多燃料電池應(yīng)用中，電極層由包含貴金屬和全氟磺酸聚合物(“PFSA”)的油墨組合物形成。例如，在質(zhì)子交換膜燃料電池的電極層制造中，PFSA通常添加到Pt/C催化劑油墨中以提供質(zhì)子傳導(dǎo)性，給分散的Pt-碳催化劑納米顆粒，以及多孔碳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。傳統(tǒng)的燃料電池催化劑將碳黑與碳表面上的鉬沉積物，以及離聚物混合。碳黑提供(部分地)高表面積的導(dǎo)電基材。鉬沉積物提供了催化劑性能，并且離聚物提供了質(zhì)子傳導(dǎo)組分。電極由包含碳黑催化劑和離聚物的油墨形成，它們通過干燥結(jié)合形成電極層。
[0007]氣體擴(kuò)散層在燃料電池技術(shù)中具有多種功能。例如，氣體擴(kuò)散層充當(dāng)行進(jìn)到陽極和陰極層的反應(yīng)物氣體的擴(kuò)散器，同時(shí)將產(chǎn)物水輸送到流場。氣體擴(kuò)散層還傳導(dǎo)電子并將膜電極組件處產(chǎn)生的熱傳遞到冷卻劑，并充當(dāng)軟的膜電極組件和硬的雙極板之間的緩沖層。盡管用于制造用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)有技術(shù)效果相當(dāng)不錯(cuò)，但是仍希望在性能和成本上得到改善。
[0008]因此，本發(fā)明提供了改進(jìn)的制造可用在燃料電池應(yīng)用中的多孔襯墊的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明通過在至少一個(gè)實(shí)施方式中提供可用在燃料電池應(yīng)用中的導(dǎo)電纖維片的形成方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或者多個(gè)問題。這個(gè)實(shí)施方式的方法包括混合成纖樹脂與水溶性載體樹脂以形成樹脂混合物的步驟。將樹脂混合物擠出以形成經(jīng)擠出的樹脂混合物。典型地，經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于較大的載體樹脂線料(strand)中的成纖樹脂線料。進(jìn)而將經(jīng)擠出的樹脂混合物與水接觸以將成纖樹脂線料與載體樹脂分離。進(jìn)而由成纖樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。最后，將導(dǎo)電纖維片整合并插入到陽極和陰極之間。該方法有利地用于制備可用作多孔載體的聚烯烴微纖維，并且適用于低成本聚合物和聚合物纖維的連續(xù)、大規(guī)模和廉價(jià)的加工。該方法有助于產(chǎn)生具有定制的熱性質(zhì)、尺寸性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的材料。它是易于放大和可再現(xiàn)的，并且有助于采用廉價(jià)的、環(huán)境友好的組分和制造的連續(xù)加工技術(shù)。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施方式中，提供了制造具有導(dǎo)電纖維片的裝置的方法。該方法包括將熱塑性樹脂與水溶性聚酰胺樹脂混合以形成樹脂混合物。然后將該樹脂混合物擠出以形成經(jīng)擠出的樹脂混合物，經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于較大的水溶性載體樹脂線料中的熱塑性樹脂線料。將經(jīng)擠出的樹脂混合物與水接觸以將熱塑性樹脂線料與水溶性聚酰胺(例如，聚[2-乙基-2-噁唑啉])樹脂分離。由熱塑性樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。最后，將導(dǎo)電纖維片整合并插入到陽極和陰極之間。水溶性樹脂可以是聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOX)、聚氧化乙烯(PEO)等。
特別地，本發(fā)明提供了以下方面的技術(shù)方案:
1.制造具有纖維片的裝置的方法，所述方法包括:
將成纖樹脂與載體樹脂混合以形成樹脂混合物，所述載體樹脂是水溶性的；
將所述樹脂混合物擠出以形成經(jīng)擠出的樹脂混合物，所述經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于載體樹脂中的成纖樹脂線料；
將所述經(jīng)擠出的樹脂混合物與水接觸以將所述成纖樹脂線料與載體樹脂分離；以及 由所述成纖樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。
2.根據(jù)方面I的方法，其中將所述纖維片插入到陽極和陰極之間。
3.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂包含多個(gè)導(dǎo)電顆粒。
4.根據(jù)方面3的方法，其中所述導(dǎo)電顆粒選自碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒及它們的組
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5.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述導(dǎo)電纖維片通過用金屬層涂覆所述成纖樹脂線料形成。
6.根據(jù)方面4的方法，其中所述金屬層包含選自鉻、鎳、不銹鋼、金、鈀、鉬及它們的組合的組分。
7.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步包括將所述纖維片放置在催化劑層和流場板之間，其中所述纖維片是氣體擴(kuò)散層。
8.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂是熱塑性聚合物。 9.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂包含選自聚烯烴、聚酯及它們的組合的組分。
10.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂包含選自可擠出的熱塑性聚合物例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、全氟磺酸聚合物、全氟環(huán)丁烷聚合物、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯酸、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、含氟聚合物、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚己酸內(nèi)酯、聚三氟氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯、聚碳酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚酮、聚醚酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、氯化聚乙烯、聚甲基戊烯、聚苯醚、聚苯乙烯、聚砜、聚對苯二甲酸丙二醇酯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈及它們的組合的組分。
11.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述載體樹脂是水溶性聚酰胺。
12.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
13.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂與載體樹脂的重量比為約I: 100 到約 10: I。
14.根據(jù)前述方面中任一項(xiàng)的方法，其中所述成纖樹脂線料具有約5納米到約10微米的平均寬度。
15.制造具有纖維片的裝置的方法，所述方法包括:
將熱塑性樹脂與水溶性聚酰胺樹脂混合以形成樹脂混合物，所述熱塑性樹脂與水溶性聚酰胺樹脂的重量比為約1: 100到約10: I ；
將所述樹脂混合物擠出以形成經(jīng)擠出的樹脂混合物，所述經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于水溶性聚酰胺樹脂中的熱塑性樹脂線料；
將所述經(jīng)擠出的樹脂混合物與水接觸以將所述熱塑性樹脂線料與水溶性聚酰胺樹脂分離；以及
由所述熱塑性樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。
16.根據(jù)方面15的方法，進(jìn)一步包括將所述纖維片插入到陽極和陰極之間。
17.根據(jù)方面15或16的方法，其中所述成纖樹脂包含多個(gè)導(dǎo)電顆粒。
18.根據(jù)方面17的方法，其中所述導(dǎo)電顆粒選自碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒及它們的組合。
19.根據(jù)方面15-18中任一項(xiàng)的方法，其中所述導(dǎo)電纖維片通過用金屬層涂覆所述熱塑性樹脂線料形成。
20.根據(jù)方面15-19中任一項(xiàng)的方法，其中所述金屬層包含選自鉻、鎳、不銹鋼、金、鈀、鉬及它們的組合的組分。
21.根據(jù)方面15-20中任一項(xiàng)的方法，其中所述水溶性聚酰胺樹脂包含選自聚氧化乙烯、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(2-R-2-噁唑啉)，及它們的混合物和共聚物的組分，其中R = H、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]根據(jù)詳細(xì)說明和附圖可以更全面地理解本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，其中:
[0012]圖1提供了具有分隔件的燃料電池的示意圖；
[0013]圖2是通過下面說明的方法的變型制造的纖維板或襯墊的理想化的頂視圖；以及[0014]圖3示出了用于燃料電池應(yīng)用的氣體擴(kuò)散層的制造的示意性流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選組合物、實(shí)施方式和方法，它們構(gòu)成了發(fā)明人目前已知的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。附圖不必按比例繪制。但是，應(yīng)當(dāng)理解，所公開的實(shí)施方式只是本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以各種形式和可選形式來實(shí)施。因此，本文所公開的特定細(xì)節(jié)不能解釋為限定，而只能作為本發(fā)明任一方面的代表性基礎(chǔ)和/或者作為教導(dǎo)普通技術(shù)人員以各種方式實(shí)施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0016]除了在實(shí)施例中，或者有明確的其它表示,本說明書中表示材料量或者反應(yīng)和/或使用條件的所有數(shù)量應(yīng)理解成在描述本發(fā)明的最寬范圍時(shí)被措詞“大約”所修飾。在所述的數(shù)值界限內(nèi)的實(shí)踐通常是優(yōu)選的。同樣，除非有明確的相反表示:百分比、“份數(shù)”和比例值是以重量計(jì)的；術(shù)語“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；除非有其它表示，對任何聚合物提供的分子量均指重均分子量；一組或者一類材料被描述為適于或者優(yōu)選與本發(fā)明結(jié)合用于給定目的，意味著所述組或者類成員中的任何兩個(gè)或者更多個(gè)的混合物同樣也是適合的或者優(yōu)選的；以化學(xué)術(shù)語描述的成分指在添加到說明書中限定的任意組合中時(shí)的組分，且不必然排除一旦混合后在混合物各成分之間存在化學(xué)相互作用；首字母縮寫詞或者其他縮寫的首次定義適用于相同縮寫在本文中的所有后續(xù)使用，且經(jīng)過必要修改后也適用于初始限定的縮寫的正常語法變型；且除非有明確的相反表示，性質(zhì)的測量是通過前文或后文對相同性質(zhì)提及的相同技術(shù)測定的。
[0017]還應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于下述的特定實(shí)施方式和方法，因?yàn)樘囟ǖ慕M分和/或者條件毫無疑問可以變化。此外，本文所使用的術(shù)語僅用于描述本發(fā)明的特定實(shí)施方式的目的而不意于以任何方式限制本發(fā)明。
[0018]還必須注意的是，在說明書和所附權(quán)利要求中使用時(shí)，單數(shù)形式“a”、“an”和“the”涵蓋了復(fù)數(shù)個(gè)指示物的情形，除非上下文有明確的其它表示。例如以單數(shù)形式提及某組分也意于包括復(fù)數(shù)個(gè)組分。
[0019]在整個(gè)本申請中，在提及出版物時(shí)，這些出版物的公開內(nèi)容通過引用整體并入到本申請中，以更全面地描述本發(fā)明所屬領(lǐng)域的狀況。
[0020]參照圖1，提供了具有纖維片的實(shí)施方式的燃料電池的示意性截面圖。質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池10包括設(shè)置在陰極催化劑層14和陽極催化劑層16之間的聚合物離子導(dǎo)電膜12。燃料電池10還包括流場導(dǎo)電板18和20、氣體通道22和24和氣體擴(kuò)散層26和28。有利地，擴(kuò)散層26和28由下面說明的工藝的變型制得。在燃料電池10運(yùn)行期間，燃料例如氫氣供給到陽極側(cè)上的流場板20并且氧化劑例如氧氣供給到陰極側(cè)上的流場板18。由陽極催化劑層16產(chǎn)生的氫離子遷移穿過聚合物離子導(dǎo)電膜12，它們在陰極催化劑層14處反應(yīng)形成水。這個(gè)電化學(xué)過程產(chǎn)生通過連接到流場板18和20的負(fù)載的電流。
[0021]參照圖2，提供了通過下面說明的方法的變型制造的纖維片的理想化的頂視圖。纖維片30由多個(gè)聚集在一起形成襯墊的樹脂纖維32形成。通常，樹脂纖維32具有約5納米到約30微米的平均寬度。在另一個(gè)細(xì)化方案中，樹脂纖維32具有約5納米到約10微米的平均寬度。在又一細(xì)化方案中，樹脂纖維32具有約10納米到約5微米的平均寬度。在又一細(xì)化方案中，樹脂纖維32具有約100納米到約5微米的平均寬度。在另一個(gè)細(xì)化方案中，樹脂纖維32具有約500納米到約20微米的平均寬度。通常，纖維片30是導(dǎo)電的。
[0022]在本實(shí)施方式的變型中，纖維片30具有約50微米到約2mm的厚度。在一個(gè)細(xì)化方案中，纖維片30具有約50微米到約Imm的厚度。在另一個(gè)細(xì)化方案中，纖維片30具有約100微米到約500mm的厚度。
[0023]在本發(fā)明的變型中，纖維片包含潤濕劑。這樣的潤濕劑可作為單獨(dú)的組分添加或接枝到聚合物主鏈上。
[0024]在另一個(gè)變型中，纖維片30包括導(dǎo)致多孔性的孔隙。在一個(gè)細(xì)化方案中，孔隙率是約5到95體積百分比。在上下文中，孔隙率表示片材中為空(empty)的體積百分比。在另一個(gè)細(xì)化方案中，孔隙率是約20到80體積百分比。在又一細(xì)化方案中，孔隙率是約40到60體積百分比。
[0025]參照圖3，提供了示出分隔件多孔纖維襯墊的制造的示意性流程圖。在步驟a)中，成纖樹脂40與水溶性載體樹脂42混合以形成樹脂混合物44。成纖樹脂40包含聚合物樹脂和多個(gè)導(dǎo)電顆粒。在一個(gè)細(xì)化方案中，成纖樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比介于I: 100到10: I。在另一個(gè)細(xì)化方案中，成纖樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比介于1: 50到10: I。在另一個(gè)細(xì)化方案中，成纖樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比介于1: 10到10: I。在又一細(xì)化方案中，成纖樹脂40與水溶性載體樹脂42的重量比介于
0.2到0.8。在又一細(xì)化方案中，成纖樹脂40包含占成纖樹脂40總重量(樹脂加顆粒)的約0.5到約80重量百分比的導(dǎo)電顆粒。合適的導(dǎo)電顆粒的實(shí)例包括但不限于碳黑、石墨、鉬、金、鈕等及它們的組合。在一個(gè)細(xì)化方案中，導(dǎo)電顆粒具有約5nm到約I微米的空間尺寸(例如,直徑)。在一個(gè)細(xì)化方案中，導(dǎo)電顆粒具有約5nm到約IOOnm的空間尺寸(例如，直徑)。在一個(gè)細(xì)化方案中，導(dǎo)電顆粒具有約IOnm到約50nm的空間尺寸(例如，直徑)。
[0026]纖維樹脂40是將形成樹脂纖維50的樹脂而載體樹脂42是水溶性樹脂。在一個(gè)細(xì)化方案中，成纖樹脂40是熱塑性聚合物。用于成纖樹脂40的適合的熱塑性聚合物的實(shí)例包括但不限于聚烯烴、聚酯及它們的組合。其它的實(shí)例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、全氟磺酸聚合物、全氟環(huán)丁烷聚合物、聚環(huán)烯烴、聚全氟環(huán)丁烷、聚酰胺(非水溶性)、聚乳酸、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、乙烯-醋酸乙烯酯、乙烯-乙烯醇、含氟聚合物(例如PTFE、FEP等)、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈(例如PAN)、聚芳醚酮、聚丁二烯、聚丁烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚己酸內(nèi)酯、聚三氟氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯、聚碳酸酯、聚羥基脂肪酸酯、聚酮、聚醚酮、聚醚酰亞胺、聚醚砜、氯化聚乙烯、聚甲基戊烯、聚苯醚、聚苯乙烯、聚砜、聚對苯二甲酸丙二醇酯、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、苯乙烯-丙烯腈及它們的組合。合適的水溶性樹脂的實(shí)例包括但不限于水溶性聚酰胺(例如聚(2-乙基-2-噁唑啉))(“ΡΕ0Χ”)。在一個(gè)細(xì)化方案中，水溶性樹脂包含選自聚氧化乙烯、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(2-R-2-噁唑啉)，及它們的混合物和共聚物的組分，其中R = H、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基。在一個(gè)細(xì)化方案中，所述PEOX具有約50000到500000的重均分子量。
[0027]在步驟b)中，使用擠出機(jī)46在升高的溫度下共擠出所述材料，樹脂纖維50形成在載體樹脂52中。在步驟c)中，任選地將擠出的線料從擠出機(jī)46中分離。在步驟d)中，樹脂纖維50通過與水接觸(例如清洗)而從線料中釋放。在步驟e)中，樹脂纖維50被形成為氣體擴(kuò)散層26和/或28。氣體擴(kuò)散層26和28可以通過擠壓和加熱纖維50來形成。在另一個(gè)細(xì)化方案中，纖維50被結(jié)合到紙或氈墊(mat)上。通常，氣體擴(kuò)散層26和28是厚度約10微米到5mm的襯墊形狀。最后，在步驟f)中，氣體擴(kuò)散層26和28被放置在流場板和陽極層或陰極層之間以形成其內(nèi)包含有氣體擴(kuò)散層的燃料電池。為了最佳的性能，氣體擴(kuò)散層是導(dǎo)電的使得電子可從催化劑層14(陽極)穿過氣體擴(kuò)散層26到流場板18通過電路(具有負(fù)載例如電機(jī))到流場板20到氣體擴(kuò)散層28，到陰極催化劑層16。在聚丙烯腈的情況下，導(dǎo)電纖維襯墊可以通過所述多孔墊在超過300°C溫度下的熱解和碳化或石墨化來制得。通過在與水溶性聚合物(例如聚(2-乙基-2-噁唑啉))擠出之前，將碳黑或石墨以多于7.5wt%的載量引入到水溶性樹脂(通過擠出)中，可以賦予所述纖維導(dǎo)電性。在另一個(gè)變型中，通過用金屬層涂覆樹脂纖維50來使該纖維襯墊變?yōu)閷?dǎo)電的。在一個(gè)細(xì)化方案中，該金屬層包含選自由鉻、鎳、不銹鋼、金、鈀、鉬及它們的組合的組分。合適的用于形成含催化劑層的膜涂布工藝包括但不限于物理氣相沉積(PVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、磁控濺射、電子束沉積、離子束增強(qiáng)沉積、離子輔助沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍等。
[0028]在針對上面說明的變型和實(shí)施方式的本發(fā)明的細(xì)化方案中，所述纖維具有約10納米到約30微米的平均截面寬度(即，當(dāng)該纖維具有圓形截面時(shí)的直徑)。在另一個(gè)細(xì)化方案中，該纖維具有約5納米到約10微米的平均寬度。在又一細(xì)化方案中，該纖維具有約10納米到約5微米的平均寬度。在進(jìn)一步的細(xì)化方案中，該纖維具有約100納米到約5微米的平均寬度。所述纖維的長度通常超過寬度。在又一細(xì)化方案中，由本實(shí)施方式的工藝生產(chǎn)的纖維具有約Imm到約20mm或更多的平均長度。本文生產(chǎn)的纖維具有介于兩個(gè)尺寸范圍之間的纖維直徑范圍，通常小于纖維素紙和其它天然纖維膜中常見的那些纖維直徑范圍。靜電紡絲纖維和膨體Teflon膜(EPTFE)具有一般低至中值(mid) 100的納米范圍的纖維。紙纖維、擠出線料和拉伸纖維和絲線一般直徑在100到數(shù)千微米。
[0029]接下來的實(shí)施例舉例說明了本發(fā)明的各種實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉落在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的許多變型。
實(shí)施例1:
[0030]在實(shí)驗(yàn)室混合擠出機(jī)(Dynisco, LME)的料斗中將高表面積石墨化碳(CabotEG15)添加到聚乙烯(PE)粉末(7700Mn(數(shù)均分子量)，35000Mw(重均分子量)，Aldrich產(chǎn)品目錄號47799-1KG)中，所述擠出機(jī)在140°C的模頭和轉(zhuǎn)子設(shè)定溫度運(yùn)行，驅(qū)動馬達(dá)以50%的生產(chǎn)能力運(yùn)行。在Waring攪拌機(jī)中將所得的擠出線料減小成粒狀，然后與聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOX) (50000Mw，Aldrich372846-500G)在該攪拌機(jī)中以 10: I 的 PEOX 對碳-PE共混物的比例混合。
[0031 ] 所得三組分共混物在前述條件下再次擠出，得到PEOX與載碳的PE的混合線料。擠出線料包含載碳的PE纖維,其通過在Waring攪拌機(jī)中在250ml水中洗漆而釋放出來。從水溶性PEOX中釋放出來的纖維通過在異丙醇中洗滌而干燥，并測試電阻。
實(shí)施例2 =
[0032]在Waring攪拌機(jī)中以10: I的PEOX對碳-PE共混物的比例將聚乙烯粉末(7700Mn,35000Mw, Aldrich 產(chǎn)品目錄號 47799-1KG)與聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOX)(50000Mw, Aldrich372846-500G)混合。將所得的組分共混物擠出得到PEOX與PE的混合線料。該擠出線料包含PE纖維，其通過在Waring攪拌機(jī)中在250ml水中洗滌而釋放出來。從水溶性PEOX中釋放出來的纖維被干燥到氈墊中并在異丙醇中洗滌。然后在真空下在Denton涂布系統(tǒng)中用金鈀涂覆所述氈墊。使用20秒到I小時(shí)的涂布時(shí)間來產(chǎn)生各種水平的導(dǎo)電纖維。
實(shí)施例3 =
[0033]在War ing攪拌機(jī)中以10: I的PEOX對碳-PE共混物的比例將聚乙烯粉末(7700Mn,35000Mw, Aldrich 產(chǎn)品目錄號 47799-1KG)與聚(2-乙基-2-噁唑啉)(PEOX)(50000Mw, Aldrich372846-500G)混合。將所得的組分共混物擠出得到PEOX與PE的混合線料。該擠出線料包含PE纖維，其通過在Waring攪拌機(jī)中在250ml水中洗滌而釋放出來。從水溶性PEOX中釋放出來的纖維被干燥到氈墊中并在異丙醇中洗滌。隨后將這些纖維準(zhǔn)備用于使用鎳打底(nickel strike)的電鍍,然后電鍍鉻。
[0034]盡管已經(jīng)說明和描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，這不意味著這些實(shí)施方式說明和描述了本發(fā)明的所有可能的形式。相反，說明書中所使用的措詞只是描述性的措詞而不是限制性的，且應(yīng)當(dāng)理解，可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下作出各種改變。
【權(quán)利要求】
1.制造具有纖維片的裝置的方法，所述方法包括: 將成纖樹脂與載體樹脂混合以形成樹脂混合物，所述載體樹脂是水溶性的； 將所述樹脂混合物擠出形成經(jīng)擠出的樹脂混合物，所述經(jīng)擠出的樹脂混合物具有位于所述載體樹脂中的成纖樹脂線料； 將所述經(jīng)擠出的樹脂混合物與水接觸以將所述成纖樹脂線料與載體樹脂分離；以及 由所述成纖樹脂線料形成導(dǎo)電纖維片。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述纖維片插入到陽極和陰極之間。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述成纖樹脂包含多個(gè)導(dǎo)電顆粒，所述導(dǎo)電顆粒選自碳顆粒、石墨顆粒、金屬顆粒及它們的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述導(dǎo)電纖維片通過用金屬層涂覆所述成纖樹脂線料形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將所述纖維片放置在催化劑層和流場板之間，其中所述纖維片是氣體擴(kuò)散層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述成纖樹脂是熱塑性聚合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述成纖樹脂包含選自聚烯烴、聚酯及它們的組合的組分。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述載體樹脂是水溶性聚酰胺，其中所述成纖樹脂與載體樹脂的重量比為約1: 100到約10: I。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述水溶性聚酰胺包含選自聚氧化乙烯、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(2-R-2-噁唑啉)，及它們的混合物和共聚物的組分，其中R = H、甲基、乙基、丙基、丁基或苯基。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述載體樹脂包含聚(2-乙基-2-噁唑啉)。
【文檔編號】H01M8/02GK103456971SQ201310277551
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月30日
【發(fā)明者】J·米切爾, T·J·富勒 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司