[發明專利]燃料電池的氣體擴散層及制造該氣體擴散層的裝置和方法

在審

• 申請號: 201610772700.1
• 申請日: 2016-08-30
• 公開（公告）號: CN106856246A
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 韓國壹;梁酉彰;陳相文
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 陳鵬,李靜

技術領域

本公開涉及一種用于燃料電池的氣體擴散層以及制造該氣體擴散層的裝置和方法。更具體地，本公開涉及這樣一種用于燃料電池的氣體擴散層以及用于制造該氣體擴散層的裝置和方法，其可以防止構成氣體擴散層的大孔層和微孔層中的孔隙的尺寸減小并且改進防水性能。

背景技術

通常，燃料電池是產生電力的發電設備，即，燃料電池車輛的能量源。燃料電池具有這樣一種結構，在該結構中，在電極膜組件插入陽極與陰極之間的狀態下氫氣供給至陽極且空氣供給至陰極，并且使用空氣中的氧氣與從外部供給的氫氣之間的化學反應產生電能。

燃料電池堆疊以形成數十到數百個單元電池堆疊的燃料電池堆。每個電池都包括：高分子電解質膜；催化層，施加于電解質膜的兩個表面使得氫氣和氧氣可以彼此反應，即，陰極和陽極；氣體擴散層，堆疊在陰極和陽極的外表面上；以及分離板，堆疊在氣體擴散層的外表面上以供給燃料并且排出通過反應生成的水。

氣體擴散層用作分離板的通道與包括陰極和陽極的催化層之間的氧氣、氫氣、蒸汽以及電子的移動通道，并且同時用作排水通道。

更詳細地，氣體擴散層將反應氣體(氧氣、氫氣等)均勻地供應至催化層并且傳輸所產生的電子。氣體擴散層通過排出通過反應生成的水而使每個燃料電池的液泛(flooding)最小化。

傳統的氣體擴散層具有雙層結構，該雙層結構包括具有炭粉和防水劑的微孔層(MPL)以及包括碳纖維、碳化樹脂和防水劑的大孔層(稱為基部或碳纖維層)。

通常，用于制造氣體擴散層的傳統方法包括：通過使用浸涂工藝用防水劑涂覆由碳纖維形成的基材片制造大孔層；以及通過混合防水劑和炭粉且然后將混合物涂覆到大孔層的表面上制造微孔層。

浸涂工藝通常包括：通過將基材片連續浸到在指定濃度中稀釋的拒水性液體中涂覆基材片；以及燒結干燥溶劑(sintering of drying the solvent)。

然而，傳統的氣體擴散層存在以下問題。

如上所述，當制造氣體擴散層的微孔層時，使用浸涂工藝用防水劑涂覆基材片，以便給予由碳纖維形成的基材片防水性能。此處，所涂覆的防水劑堵塞碳纖維分子之間的孔隙，并且因此減小了孔隙的尺寸。

還發現，現有技術中，在涂覆防水劑前后，微孔層存在比較大的變化(源于C.Y.Wang等人，Electrochimica Acta 49(2004)pp 4149-4156，與使用防水劑涂覆之前的碳纖維分子之間的孔隙的尺寸相比，在用防水劑涂覆之后的碳纖維分子之間的孔隙的尺寸顯著地減小。

當大孔層的碳纖維之間的孔隙的尺寸減小時，氣體擴散層的氣體擴散性能和排水性能劣化。

此外，當防水劑的含量增加以改進大孔層的防水性能時，大孔層中的孔隙的尺寸可能減小并且氣體擴散層的性能可能降低。

此外，防水劑被添加到直接接觸陽極或陰極的微孔層，同樣地，防水劑堵塞微孔層中的孔隙并且因此降低氣體擴散層的氣體擴散性能和排水性能。

發明內容

本公開致力于解決與現有技術相關的上述問題。本公開的一方面提供一種用于燃料電池的氣體擴散層以及用于制造該氣體擴散層的裝置和方法，其中氣體擴散層的大孔層和微孔層涂覆有纖維類型的防水劑或指定模式的防水劑以便防止大孔層和微孔層中的孔隙的尺寸減小并且改進防水劑性能。

根據本公開的示例性實施方式，一種用于制造燃料電池的氣體擴散層的裝置包括：傳送機，在防水劑涂覆操作之前沿一個方向輸送用于氣體擴散層的大孔層的基材片；噴嘴，布置在傳送機周圍以用纖維類型或期望模式的防水劑涂覆所輸送的基材片；以及噴嘴輸送單元，與噴嘴的上端結合以沿著期望軌跡輸送噴嘴。

該裝置還可以包括浸涂單元，該浸涂單元布置在噴嘴之前或之后的位置處，以使用浸涂法用纖維類型或期望模式的防水劑涂覆基材片。

具有電磁閥以調節噴嘴的打開程度的電動噴嘴可以用作噴嘴，并且調節電壓且然后將電壓施加至電磁閥或者在一工作周期中將電壓施加至電磁閥的電源單元可以連接至電動噴嘴。

LM引導件可以用作噴嘴輸送單元，其中，噴嘴安裝在LM引導件上以能在橫向方向或縱向方向上被輸送。

電動機可以用作噴嘴輸送單元，在該電動機上噴嘴安裝成能偏心地旋轉。

根據本公開的另一示例性實施方式，一種用于制造燃料電池的氣體擴散層的方法包括：通過用如纖維類型或期望模式的防水劑涂覆碳纖維基材片來制造大孔層；以及通過用將纖維類型防水劑與炭粉混合所獲得的涂覆液體涂覆大孔層的表面來制造微孔層。