CN1780038A

CN1780038A - 制备燃料电池单元gdl电极层时对碳涂层微裂纹的控制

Info

Publication number: CN1780038A
Application number: CNA2004100960568A
Authority: CN
Inventors: 让·弗朗索瓦·莱考斯托维克; 莫里斯R·帕奎因; 保罗·肯尼迪
Original assignee: Albany International Techniweave Inc
Current assignee: Albany International Techniweave Inc
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-05-31

Abstract

一种用于燃料电池单元或电池气体扩散层(GDL)的涂层。该涂层包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨颗粒和碳颗粒之一的分散体，其中这些颗粒的尺寸显著大于炭黑微粒，并为涂层提供结构完整性以便将其裂纹降至最小程度。炭黑微粒的尺寸可以在大约13～95nm的范围内。碳颗粒可以是短切碳纤维、碳或石墨薄片或薄层、碳纳米管、碳原纤维、或碳须晶。这些碳颗粒可以具有较高的长径比。

Description

制备燃料电池单元GDL电极层时对碳涂层微裂纹的控制

技术领域

本发明涉及施加于燃料电池单元或电池的气体扩散层或电极的表面的涂层，其含有碳或石墨颗粒。

背景技术

燃料电池单元或电池的气体扩散层(“GDLs”)，其可以是无纺布或织物形式的碳纤维，通常在一侧或多侧用一种物质涂布，以在燃料电池单元内的GDL和隔膜或双极板之间形成电接触。这类涂层可以由炭黑(也称作乙炔炭黑或无定形炭黑)和含氟聚合物如Telfon^的混合物制成。还可以包括其他材料，如不同尺寸的颗粒，以控制所希望的性能，如增强的导电性或支撑催化剂。

为了获得燃料电池单元或电池的较高燃料效率，应控制涂层的尺寸和孔隙。孔隙可影响若干功能，包括：形成进一步的通路以控制燃料流到催化剂和隔膜；调节在隔膜附近的水量；以及支撑催化剂本身。

这些涂层是利用具有低固体填充量的水分散体制成。当除去大量的流体时，裂纹(“泥裂”)经常发生于GDL表面上的涂层。典型的裂纹包括由固化薄膜中的破裂组成的涂层缺陷，其暴露裸基片。在制备涂层基片期间，当涂层太脆或与基片的粘着性太低时，上述情况通常会发生。当更重的涂层沉积于GDL基片表面时，这些裂纹可变得更加明显。裂纹越严重，GDL完成其某些功能的效果就越差。在GDL表面的涂层中这类裂纹的一个实例示于图1。

消除涂层中的裂纹的传统方法，使用过如增加粘合剂、控制干燥速率、连续性薄涂层(successive thin pass coatings)、以及增加固体，但未见成功。在这种应用中，增加粘合剂不能有效控制裂纹。为使之有效而必需的干燥速率是不易实施的。连续性薄涂层也是如此；增加固体也不行，因为它妨碍涂布过程。

发明内容

根据本发明，提供了用于燃料电池单元或电池的气体扩散层或电极的涂层，其把裂纹降至最低程度。该涂层包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨颗粒和碳颗粒之一的水分散体。大多数这些颗粒的尺寸显著大于炭黑微粒，其可以在例如大约13～95nm的范围内。碳颗粒可以是短切碳纤维、碳或石墨薄片或薄层、碳纳米管、碳原纤维(carbon fibrils)、或碳须晶。

这些碳颗粒可以具有较高的长径比(length to diameter ratio)。

从下面参照附图对具体实施例的详细描述，根据本发明的其他特点和优点将变得显而易见，其中相同的部件是用相同的附图标号进行标记。

附图说明

图1是在气体扩散层织物上、有裂纹的涂层外观；

图2是根据本发明的一个具体实施例，在气体扩散层织物上的涂层外观；以及

图3是燃料电池单元的一个实施例的示意图，对其可以施加本发明涂层。

优选具体实施方式

在本发明中，把水分散体作为涂层施加于电池或燃料电池单元(如甲醇型燃料电池单元)的GDL的基片。该分散体可以包括炭黑、含氟聚合物、以及碳颗料或石墨颗粒，其还可以包括表面活性剂。含氟聚合物与炭黑之比按重量计算可以在5/95至70/30的范围内。这些颗粒可以占整个涂层重量的25％至70％。这些颗粒的加入，允许获得更大的结构完整性以及增加分散体固体填充量，而不会增加粘度。因此，本涂层最小化GDL的涂层中的裂纹。

炭黑是由天然碳氢化合物热分解产生的黑色、无定形、碳素颜料。通常，有三种不同类型的炭黑(即，炉黑、槽法炭黑、以及灯黑)。其通常纯度(nominalpurity)大约相当于98.5％至99.6％。炭黑微粒的尺寸可以是从13nm至95nm。炭黑可以具有球形。

大多数这些颗粒的尺寸可以显著地大于炭黑微粒。这些颗粒可以具有大于其直径的长度。长径比可以在1.5至10000之间。这些颗粒可以包括短纤维如短切碳或石墨纤维、碳或石墨薄片或薄层、碳或石墨纳米管、碳或石墨原纤维、或碳或石墨须晶。这些纤维的直径可以是6至20微米，以及长度可以是10至500微米。薄片或薄层的长度可以为1至500微米。纳米管、原纤维、以及须晶的直径可以为5至100nm，而其长度可以为5至几百微米。加入这些纤维作为涂层的混合料可在干燥期间使泥裂降至最小程度。

图2图示在GDL表面的涂层，其包括短切碳纤维。如从该图可以看到的，在涂层中并没有出现明显的裂纹。

除防止在涂层中形成裂纹以外，加入这些颗粒还可以增加涂层中的电导率。

GDL基片可以由碳纤维预制品制成，其可以是短纤维；纸；单向带；织物和无纺布包括针织布；以及滚压粘合多轴向织物。可以利用各种技术来施加涂层，如浸渍涂布、刮膜法、刮刀、喷涂、辊子、或狭槽。

电极可为一单个的弯片，可插入相邻电池单元。可替换地，电极可以由两片构成并以一定方式相连以致连接的两片起单个电极的作用。在电极之间可以提供隔膜，可以允许离子穿过该隔膜。

图3是燃料电池单元100的示意图。燃料电池单元100可以包括，连同其他部件一道，集电极102、气体通道104、GDL105、催化剂层106、以及质子交换膜107，其结构如图3所示。

因此，加入这些颗粒可以显著地降低在为GDL基片制备的涂层中的裂纹量。由于这些颗粒，可以制得高达300g/m²的总涂层量且具有最小数量的裂纹。因为甲醇燃料电池单元需要比氢燃料电池单元更重的涂层，所以上述混合物在那些情形是特别有利的。

虽然本文已详细描述了本发明的优选具体实施方式以及其改进，但应当理解，本发明并不限于此明确的具体实施方式以及改进，本领域技术人员可以进行其他改进和变化而不偏离本发明的思想和范围，其由所附权利要求所限定。

Claims

1.一种用于燃料电池单元或电池的气体扩散层的涂层，所述涂层包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳颗粒之一，其中部分所述颗粒的尺寸显著大于所述炭黑，并为所述涂层提供结构完整性，以将其裂纹降至最小程度。

2.根据权利要求1所述的涂层，其中所述炭黑微粒的尺寸在大约13～95nm的范围内。

3.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒是短切碳纤维。

4.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒是碳或石墨薄片或薄层。

5.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒是碳纳米管。

6.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒是碳原纤维。

7.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒是碳须晶。

8.根据权利要求1所述的涂层，其中所述颗粒具有较高的长径比。

9.一种涂布燃料电池单元或电池的GDL基片的方法，所述方法包括下述步骤：

制备炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳颗粒之一的分散体；

将所述分散体施加于所述基片以便涂布所述基片；以及

其中所述颗粒的尺寸显著大于所述炭黑，并为所述涂层提供结构完整性，以将其裂纹降至最小程度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述炭黑微粒的尺寸在大约13～95nm的范围内。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒是短切碳纤维。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒是碳或石墨薄片或薄层。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒是碳纳米管。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒是碳原纤维。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒是碳须晶。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述颗粒具有较高的长径比。

17.一种用于燃料电池单元或电池的制品，所述制品是具有涂布以分散体的基片的GDL，其中所述分散体包括炭黑、含氟聚合物、以及石墨或碳颗粒之一，其中部分所述颗粒的尺寸显著大于所述炭黑，并为所述涂层提供结构完整性，以将其裂纹降至最小程度。

18.根据权利要求17所述的制品，其中所述炭黑微粒的尺寸在大约13～95nm的范围内。

19.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒是短切碳纤维。

20.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒是碳或石墨薄片或薄层。

21.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒是碳纳米管。

22.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒是碳原纤维。

23.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒是碳须晶。

24.根据权利要求17所述的制品，其中所述颗粒具有较高的长径比。