專利名稱：用于電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層以及制造此擴(kuò)散層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)系統(tǒng)或裝置的領(lǐng)域，它包含如碳的導(dǎo)電材料制成的擴(kuò)散層。本發(fā)明特別地涉及燃料電池及PEM(質(zhì)子交換薄膜)式電解器、磷酸燃料電池(PAFC)、電池等等的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
PEMFC式(聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池)電化學(xué)電池10概略地呈現(xiàn)于圖I。此電池10包含具有薄膜12的薄膜電極組件(AME)，它形成包含聚合物的電解液，且設(shè)置于兩個(gè)電極陽(yáng)極14a及陰極14b間。陽(yáng)極14a及陰極14b皆包含主動(dòng)層16a、16b及擴(kuò)散層18a及 18b。制造此薄膜電極組件特別地包含利用如涂布、轉(zhuǎn)移、濺鍍、網(wǎng)印等等沉積主動(dòng)層16a、16b的步驟。它可能沉積主動(dòng)層16a、16b于擴(kuò)散層18a、18b上，其中以此方式制造的陽(yáng)極14a及陰極14b接著裝配于薄膜12的兩側(cè)，或沉積主動(dòng)層16a、16b于薄膜12的兩側(cè)，其中擴(kuò)散層18a、18b接著于后經(jīng)裝配于主動(dòng)層16a、16b上。兩個(gè)密封裝置可設(shè)置于所述薄膜電極組件的兩側(cè)。 薄膜12相對(duì)面的陽(yáng)極14a及陰極14b的區(qū)域不必相同，但需小于或等于它們位于的薄膜12相對(duì)面的區(qū)域。在電池10中，當(dāng)它使用于燃料電池時(shí)，薄膜電極組件使自氣態(tài)的氫(H2)及氧(O2)形成水的反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能可轉(zhuǎn)換為電能，其中氫氣及氧氣分別作為燃料及此反應(yīng)的氧化齊U。這些氣體通過陽(yáng)極單極板20a及陰極單極板20b分別散布于薄膜電極組件間的陽(yáng)極14a(接收氫)及陰極14b(接收氧)。這些單極板20a、20b也用于收集通過轉(zhuǎn)換化學(xué)能至電能的反應(yīng)所產(chǎn)生的電能以及用于疏散此反應(yīng)的熱能。于呈現(xiàn)于圖I的單極板20a、20b中，氣體(氫及氧)通過形成于沿著平行于y軸方向延伸的這些板中的通道22a、22b散布(通路22a、22b的長(zhǎng)平行于y軸)。或者，單極板20a、20b可具有滲透結(jié)構(gòu)，以此方式散布?xì)怏w不需通道。PEM式電化學(xué)裝置50概略地呈現(xiàn)于圖2中。舉例而言，此電化學(xué)裝置是燃料電池。此燃料電池50通過許多例如與前述圖I所描述的相似的電化學(xué)電池10相似的電化學(xué)電池10a、IObUOc彼此相鄰設(shè)置而形成。在此電化學(xué)裝置中，稱為雙極板的兩個(gè)相鄰的單極板可通過相同的元件而形成，一個(gè)用于散布燃料(第一電池的陽(yáng)極的單極板18a)，另一個(gè)用于散布氧化劑(相鄰于所述第一電池的第二電池的陰極單極板18b)。因此，呈現(xiàn)于圖2中的燃料電池50，電池10a、10b、IOc的薄膜電極組件通過雙極板52a、52b而彼此分離。燃料電池50的每個(gè)末端包含單極板54a、54b。每個(gè)雙極板52a、52b可具有通路，其中載熱流體于其中流動(dòng)以冷卻燃料電池50的電化學(xué)電池10a、10b、10c。呈現(xiàn)于圖2中的電化學(xué)裝置50也可為PEM式電解器，其中此電解器包含類似于PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)。然而，因?yàn)槭寝D(zhuǎn)換電能為化學(xué)能，自水形成氣態(tài)的氫及氧，此電解器的操作為燃料電池的反向操作。于燃料電池50的電化學(xué)電池IOa-IOc中，每個(gè)流體分布線路(燃料、氧化劑及如可適用，載熱流體)具有這些流體的進(jìn)口及出口。而且為避免流體互相混合，以及流體自其中的一電池的內(nèi)部漏出于燃料電池的外部，確保密封燃料電池50是很重要的。因此，密封是設(shè)計(jì)燃料電池時(shí)應(yīng)考 慮的重點(diǎn)。此密封是通過位于單極或雙極板以及薄膜電極組件間的密封裝置而提供于陽(yáng)極及陰極側(cè)。這些密封裝置的形狀及功能是根據(jù)電化學(xué)電池的架構(gòu)而決定，更具體而言是根據(jù)燃料電池的架構(gòu)而決定。因此，于電化學(xué)電池中，因?yàn)榻橛陉?yáng)極以及陰極區(qū)間間的密封是通過薄膜電極組件的聚合物薄膜而提供，密封裝置僅用于預(yù)防燃料及氧化劑漏出于燃料電池外部。于PEM式燃料電池中，流體通常通過橫越整個(gè)電池的堆疊的通路傳輸至每個(gè)電化學(xué)電池，從而穿越每個(gè)雙極板。密封裝置的功能是預(yù)防流體自燃料電池內(nèi)部漏出于外部，以及預(yù)防流體的混合。于PEM式燃料電池或電解器中，每個(gè)擴(kuò)散層由擴(kuò)散載體以及微孔層組成。PEM式燃料電池中的擴(kuò)散層扮演許多角色，且它們的特性需經(jīng)選擇，以達(dá)成許多準(zhǔn)則間的妥協(xié)。首先，擴(kuò)散層必須為良好的導(dǎo)電體，且必須具有充足地微孔，使空氣中的活性氣體(H2及O2)穿越且使產(chǎn)生的水排出。為了有效地散熱以及不增加電池的操作溫度，于相反的例子中可能損壞燃料電池的薄膜，因此它們也必須為良好的熱導(dǎo)體。最后，由于燃料電池的單極板及雙極板的齒/通道架構(gòu)，它們必須具有足夠地硬度，以作為用于薄膜電極組件的機(jī)械強(qiáng)化材料。燃料電池中水分的管理是薄膜電極組件的關(guān)鍵點(diǎn)，且因此燃料電池具有良好的運(yùn)作以及最佳的可靠度。大多數(shù)通過擴(kuò)散層完成的水份管理是復(fù)雜的，于每個(gè)薄膜電極組件中-水分必須以氣態(tài)傳遞至陽(yáng)極以及陰極主動(dòng)層為止，以及至薄膜為止；-至少一部分產(chǎn)生于陰極的水必須回傳至陽(yáng)極側(cè)。于質(zhì)子由陽(yáng)極至陰極傳導(dǎo)的影響下，此流體必須至少部分地補(bǔ)償水分的移轉(zhuǎn)。-為了不阻擋氣體進(jìn)入主動(dòng)層的通路，陽(yáng)極以及陰極側(cè)上至雙極板為止，必須排出任何多余的可能導(dǎo)致電池的不良運(yùn)作的水分。在薄膜電極組件中，依據(jù)操作條件、薄膜電極組件的元件，尤其是擴(kuò)散層以及雙極板的架構(gòu)，因此存在水流的復(fù)雜平衡。此外，于燃料電池的操作條件下，擴(kuò)散層必須是穩(wěn)定的(化學(xué)地以及物理地)。影響材料的穩(wěn)定性的準(zhǔn)則為溫度，其可能達(dá)到約120度、相對(duì)濕度(HR)，其可能為100%、pH，其可能大約等于I、氣體(H2及O2，其壓力可能達(dá)到約4巴(bar))的活性、電位差，介于陽(yáng)極以及陰極間的電位差可為I. 2伏特(V)。這些限制也可發(fā)現(xiàn)于PEM式電解器中，在此例中，介于陽(yáng)極以及陰極間的電位差可介于I. 2伏特及2. 5伏特間。擴(kuò)散層的擴(kuò)散載體通常為織物(編織擴(kuò)散載體)的形式，或紙或氈(非編織擴(kuò)散載體)，其由碳纖維制成，通過干或濕方法制造。
碳紙取自介于約3毫米(mm)及70毫米間的長(zhǎng)度的經(jīng)破壞的碳纖維的懸浮物，且分散于具有聚合物黏合劑的溶劑中。接著過濾所述懸浮物，或蒸發(fā)所述溶劑，以取得通過熱處理以碳化聚合物黏合劑的自支撐(self-supporting)材料。浸潰、鑄型及熱處理的其它步驟如文件EP 0286945B1以及US 6489051B1中所描述。由于使用所述制造方法，這些紙僅可能為紙片的形式，其使這些擴(kuò)散載體不容易轉(zhuǎn)傳輸。此外，大量的制造步驟以及材料的碳化或石墨化大大地增加了碳紙擴(kuò)散層的成本。碳紙相較于織物較堅(jiān)硬且具有更均勻的結(jié)構(gòu)。然而，碳紙相較于織物較易碎且較難處理。就織物而言，碳紙具有各向異性，應(yīng)記得紙中的碳纖維是以隨機(jī)方式排列。此外，因?yàn)槔w維是隨機(jī)地分布，擴(kuò)散載體的結(jié)構(gòu)不被控制，從而此方法制造的擴(kuò)散載體的特性缺乏重制性。碳?xì)质峭ㄟ^碳化由交聯(lián)聚合物纖維而制成的聚合物氈前驅(qū)體而取得。也執(zhí)行連續(xù) 的碳化或石墨化熱處理。制造氈相較于碳紙及織物較為便宜，且具有更各向同性的結(jié)構(gòu)。然而，它仍然昂貴。此外，碳纖維的纏結(jié)是隨機(jī)地通過經(jīng)加壓的流體噴射完成，導(dǎo)致此方法制造的擴(kuò)散載體的特性缺乏重制性。文件FR 2788168指出，通過針刺而互相貼合的碳絲的單向網(wǎng)的使用，制造電化學(xué)催化劑的擴(kuò)散層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于提供一種制造電化學(xué)裝置，如燃料電池或PEM式電解器的擴(kuò)散層的新方法，它利用許多碳絲的單向網(wǎng)、或絲帶、或纖維束、或經(jīng)紗，不具已知技術(shù)的擴(kuò)散層的缺點(diǎn)，且改進(jìn)包含此擴(kuò)散層的電化學(xué)裝置的性能(增加導(dǎo)電性、減少接觸電阻)。為達(dá)到此目的，本發(fā)明提供一種制造電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層的方法，它至少包含下列步驟-疊加碳絲的多個(gè)單向網(wǎng)，其中每個(gè)所述單向網(wǎng)的所述碳絲是相鄰設(shè)置，且大致上互相平行排列，-針刺各個(gè)所述單向網(wǎng)，破壞部分的所述碳絲，使所述碳絲經(jīng)破壞的部分纏結(jié)各個(gè)所述單向網(wǎng)的其它所述碳絲，-切割所述多個(gè)單向網(wǎng)的至少一部分，其中所述碳絲形成所述擴(kuò)散層的至少一個(gè)導(dǎo)電外表面，以及在針刺的步驟中，完成以及/或具有對(duì)于所述多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的沖擊密度大約介于100至300沖擊/平方公分(impacts/cm2)間，完全穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)，及/或穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)的兩個(gè)主要相對(duì)面。在完成針刺的此方法的過程中，控制它的設(shè)置能夠改進(jìn)使用此方法制造的擴(kuò)散層的電化學(xué)裝置的表現(xiàn)。至少一個(gè)第一所述單向網(wǎng)的碳絲的排列相對(duì)于至少一個(gè)第二所述單向網(wǎng)的碳絲的排列可形成非零角度。疊加各個(gè)所述單向網(wǎng)之前，可以能夠加強(qiáng)所述碳絲的物理特性的材料涂布所述碳絲，且接著互相貼合，形成各個(gè)不同的所述單向網(wǎng)，其中于碳絲互相貼合后消除所述強(qiáng)化材料。所述方法還可包含處理碳絲，以給定各個(gè)所述碳絲疏水性或親水性的步驟。每個(gè)所述單向網(wǎng)的厚度可大約介于10微米(μ m)及200微米(μ m)及/或具有每單位面積大約介于40克/平方米(g/m2)及60克/平方米(g/m2)間的質(zhì)量。每個(gè)碳絲可具有介于6微米(μ m)及8微米(μ m)間的直徑及/或每個(gè)碳絲可具有大約介于0.8歐姆公分(Q.cm)及1.8歐姆公分(Ω . cm)間的電阻值。至少一個(gè)第一所述單向網(wǎng)的碳絲的排列相對(duì)于至少一個(gè)第二所述碳絲的單向網(wǎng)的碳絲的排列可形成非零角度或大約介于10度及95度間的角度，或大約介于40度及50度間。所述擴(kuò)散層可包含堆疊的碳絲的單向網(wǎng)為數(shù)量大于或等于兩以及小于或等于五。
所述擴(kuò)散層可包含碳絲的第一及第二單向網(wǎng)，使所述第一單向網(wǎng)的所述碳絲的排列相對(duì)于所述第二單向網(wǎng)的碳絲的排列形成大約介于O度及20度間的角度，且還可包含設(shè)置于所述碳絲的第一及第二單向網(wǎng)間的碳絲的第三單向網(wǎng)，使各所述第一及第二單向網(wǎng)的所述碳絲的排列相對(duì)于所述第三單向網(wǎng)的所述碳絲的排列形成大約介于70度及110度間的角度。所述擴(kuò)散層還可包含碳絲的第四單向網(wǎng)，設(shè)置于碳絲的第一及第二單向網(wǎng)間，使所述第四單向網(wǎng)的所述碳絲的排列相對(duì)于各所述第一及第二單向網(wǎng)的所述碳絲的排列形成大約介于70度及110度間的角度。于一不同態(tài)樣中，所述擴(kuò)散層包含碳絲的四個(gè)單向網(wǎng)，其中疊加這些網(wǎng)使每個(gè)所述四個(gè)單向網(wǎng)的碳絲的排列相對(duì)于相鄰于所述單向網(wǎng)的所述單向網(wǎng)的所述碳絲的排列形成大約介于25度及65度間的角度。本發(fā)明也涉及一種制造具有質(zhì)子交換薄膜的電化學(xué)電池的方法，它包含至少實(shí)施如上述的一種用以制造擴(kuò)散層的方法。擴(kuò)散層的至少一個(gè)單向網(wǎng)的碳絲的排列可大約垂直于與擴(kuò)散層相對(duì)設(shè)置的單極板的至少一個(gè)通路的長(zhǎng)的方向。本發(fā)明也涉及一種制造具有質(zhì)子交換薄膜的燃料電池的方法，它包含至少實(shí)施如上述的一種用以制造擴(kuò)散層的方法。本發(fā)明也涉及一種制造具有質(zhì)子交換薄膜的電解器的方法，它包含至少實(shí)施如上述的一種用以制造擴(kuò)散層的方法。已描述包含大約互相平行的經(jīng)貼合碳絲(舉例而言為互相貼合)的單向網(wǎng)的至少一部分的電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層，形成擴(kuò)散層的至少一個(gè)導(dǎo)電外表面。與包含由碳紙或碳?xì)种瞥傻臄U(kuò)散載體的使用長(zhǎng)度介于約3毫米以及70毫米的不連續(xù)的碳纖維，且隨機(jī)地散布的擴(kuò)散層不同，此擴(kuò)散層由彼此互相排列為平行的碳絲的至少一個(gè)單向?qū)又瞥?。制造此擴(kuò)散層較為便宜，應(yīng)記得相較于碳紙或碳?xì)?，由于制造這樣的網(wǎng)所必須的步驟較少，相較于碳紙或碳?xì)?，碳絲的單向網(wǎng)的制造成本較低。此外，與碳紙或碳?xì)植煌?，此擴(kuò)散層的制造中不需不斷的執(zhí)行熱處理，應(yīng)記得碳絲的使用不需任何碳化或石墨化處理，使它們的制造成本能夠略微降低。相較于碳紙，碳絲的單向網(wǎng)也較為容易處理及轉(zhuǎn)移，舉例而言于滾動(dòng)的形式，它是制造所述擴(kuò)散層的優(yōu)點(diǎn)。此外，與碳紙及碳?xì)植煌瑪U(kuò)散層中碳絲的規(guī)則散布及排列，使擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)能夠獲得良好的重制性，于是擴(kuò)散層的特性也能夠獲得良好的重制性。所述擴(kuò)散層也符合所有PEM式燃料電池及電解器的要求準(zhǔn)則良好的多孔性，以允許試劑穿越以及排出；薄，使擴(kuò)散層的電阻能夠減少；對(duì)燃料電池中相對(duì)濕度的變化的良好的擴(kuò)散層的適應(yīng)性。相較于已知技術(shù)的擴(kuò)散層，由于碳絲的排列的規(guī)則性，此擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)較容易控制，特別是厚度及多孔性。碳絲的單向網(wǎng)的厚度可介于約10微米及200微米，及/或具有每單位面積介于40克/平方米及60克/平方米的質(zhì)量。此厚度給予所述擴(kuò)散層低電阻。所述擴(kuò)散層的厚度可優(yōu)選為盡可能的薄。
每個(gè)碳絲的直徑可介于約6微米以及8微米間及/或每個(gè)碳絲可具有介于約O. 8歐姆公分以及I. 8歐姆公分間的電阻值。為取得所述碳絲，舉例而言，它可能使用包含介于約1，000及320，000碳絲間的碳絲，且最好是介于約12，000及48，000碳絲。藉由使用取自包含大量碳絲的線的碳絲，更加地降低制造所述擴(kuò)散層的成本，應(yīng)記得相較于具有少量碳絲的線，制造所述線較為便宜。擴(kuò)散層可包含多個(gè)堆疊的碳絲的單向網(wǎng)，其中每個(gè)單向網(wǎng)的碳絲可互相排列為大約平行，使至少一個(gè)第一所述單向網(wǎng)的碳絲的排列相較于至少一個(gè)第二碳絲的單向網(wǎng)的碳絲的排列形成非零度角度、或介于約10度及95度間、或方便地介于約40度及50度間。當(dāng)使用所述擴(kuò)散層于燃料電池，此彼此互相排列的單向網(wǎng)確保形成用于使氣體穿越的具有良好多孔性以及使水分抽離的擴(kuò)散層，當(dāng)使用所述擴(kuò)散層于電解器，此彼此互相排列的單向網(wǎng)確保水分穿越以及氣體抽離。擴(kuò)散層可包含碳絲的經(jīng)堆疊的單向網(wǎng)的數(shù)量大于或等于兩個(gè)以及小于或等于五個(gè)。擴(kuò)散層可包含碳絲的第一及第二單向網(wǎng)，使第一單向網(wǎng)的碳絲的排列相較于第二單向網(wǎng)的碳絲的排列形成約O度及20度間的角度，且也可包含設(shè)置于碳絲的第一及第二單向網(wǎng)間的碳絲的第三單向網(wǎng)，使各第一及第二單向網(wǎng)的碳絲的排列相較于第三單向網(wǎng)的碳絲的排列形成約70度及110度間的角度。擴(kuò)散層也可包含設(shè)置于碳絲的第一及第二單向網(wǎng)間的碳絲的第四單向網(wǎng)，使第四單向網(wǎng)的碳絲的排列相較于第一及第二單向網(wǎng)的碳絲的排列形成70度及110度間的角度。于一不同態(tài)樣中，擴(kuò)散層可包含碳絲的第四單向網(wǎng)，其中堆疊所述網(wǎng)，使每個(gè)所述第四單向網(wǎng)的碳絲的排列相較于相鄰的所述單向網(wǎng)的單向網(wǎng)的碳絲的排列形成介于約25度及65度間的角度。部份的碳絲可經(jīng)破壞，使經(jīng)破壞的部份所述碳絲與單向網(wǎng)的其它碳絲纏結(jié)，因此導(dǎo)致單向網(wǎng)物理地結(jié)合。此配置可為碳絲的單向網(wǎng)中完成的針刺操作的結(jié)果，操作顯著地使經(jīng)碳絲的堆疊的單向網(wǎng)能夠物理性地結(jié)合，為了使他們更容易處理，不破壞通過堆疊單向網(wǎng)而形成的結(jié)構(gòu)，因此不需調(diào)整不同網(wǎng)的碳絲的排列間的角度。擴(kuò)散層可具有疏水性的表面能量，舉例而言當(dāng)試圖使用此擴(kuò)散層于燃料電池中，或具有親水性，舉例而言當(dāng)試圖使用此擴(kuò)散層于電解器中。此疏水性可通過以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)處理單向網(wǎng)或碳絲的網(wǎng)取得。此親水性可通過以環(huán)氧樹脂(epoxy resin)處理單向網(wǎng)或碳絲的網(wǎng)取得。擴(kuò)散層可包含兩個(gè)導(dǎo)電主要面。具有質(zhì)子交換薄膜的電化學(xué)電池包含至少一個(gè)上述的擴(kuò)散層亦已描述。擴(kuò)散層的碳絲的至少一個(gè)單向網(wǎng)的碳絲的排列可大約垂直于與擴(kuò)散層相對(duì)設(shè)置的單極板的至少一個(gè)通路的長(zhǎng)的方向。包含至少一個(gè)上述的擴(kuò)散層的具有質(zhì)子交換薄膜的燃料電池亦已描述。
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包含至少一個(gè)上述的電化學(xué)電池的具有質(zhì)子交換薄膜的燃料電池亦已描述。包含至少一個(gè)上述的擴(kuò)散層的具有質(zhì)子交換薄膜的電解器亦已描述。包含至少一個(gè)上述的電化學(xué)電池的具有質(zhì)子交換薄膜的電解器亦已描述。經(jīng)貼合的碳絲的單向網(wǎng)的至少一部分的使用，例如彼此互相貼合，經(jīng)排列為彼此大約平行，形成電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層，其中也提及碳絲的單向網(wǎng)的所述部份形成擴(kuò)散層的至少一個(gè)導(dǎo)電外表面。電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層的制造方法也經(jīng)描述，它包含下列步驟-設(shè)置碳絲彼此相鄰且大約彼此平行排列，-碳絲的貼合，例如一個(gè)接一個(gè)設(shè)置碳絲，形成碳絲的單向網(wǎng)，-單向網(wǎng)的至少一部份的切割，其中，碳絲形成擴(kuò)散層的至少一個(gè)導(dǎo)電外表面。此方法還包含，于貼合及切割步驟間，疊加多個(gè)碳絲的單向網(wǎng)的步驟，其中每個(gè)單向網(wǎng)的碳絲經(jīng)彼此排列為大約平行，使至少一個(gè)第一所述單向網(wǎng)的碳絲的排列相對(duì)于至少一個(gè)第二碳絲的單向網(wǎng)的碳絲的排列形成非零度角度或介于約10度及95度間或介于40度及50度間的角度，其中所述切割步驟可包含所述多個(gè)單向網(wǎng)的至少一部份的切割。不同的經(jīng)堆疊的單向網(wǎng)的所有碳絲，用以形成擴(kuò)散層，因此可通過執(zhí)行單獨(dú)切割步驟切割。此單獨(dú)的切割步驟因此使擴(kuò)散層的制造成本能夠被減少。所述方法也可包含，于貼合及切割步驟間，且當(dāng)方法包含疊加碳絲的至少三單向網(wǎng)的步驟時(shí)，執(zhí)行碳絲的單向網(wǎng)的針刺，破壞部分的碳絲使經(jīng)破壞的所述碳絲部份與單向網(wǎng)的其它碳絲纏結(jié)，導(dǎo)致單向網(wǎng)物理性地結(jié)合。不同地,于經(jīng)加壓的水噴射下,此物理的結(jié)合可通過穿越碳絲的單向網(wǎng)取得，破壞部分碳絲，使所述碳絲經(jīng)破壞的部份與單向網(wǎng)的其它碳絲纏結(jié)。于碳絲的彼此相鄰的設(shè)置步驟執(zhí)行前，以能夠強(qiáng)化碳絲的物理特性的材料涂布于碳絲，舉例而言為樹脂及/或硬化劑，且所述方法還可包含，于貼合步驟后，所述材料的消除步驟。實(shí)際上，碳絲可能易碎，例如由聚丙烯腈(PAN)制成的前軀體取得的碳絲。為能夠于制造碳絲的單向網(wǎng)時(shí)更容易處理它們，碳絲因此可進(jìn)行上漿處理，其包含以強(qiáng)化碳絲的物理特性的材料涂布于它們，例如環(huán)氧樹脂。此材料可于碳絲彼此貼合后消除，以及例如于切割碳絲的單向網(wǎng)或網(wǎng)前。所述方法也可包含，于貼合步驟后，給定碳絲疏水性或親水性的處理碳絲的步驟。此疏水性可通過以聚四氟乙烯處理碳絲取得，例如藉由將它們浸入此材料的溶液中。親水性可藉由以環(huán)氧樹脂處理碳絲取得。


本發(fā)明將于閱讀例示性實(shí)施例的說(shuō)明后而更加了解，這些說(shuō)明僅僅是為了描述特定的本實(shí)施例，而不是限定本發(fā)明，參考后附說(shuō)明，其中圖I為呈現(xiàn)PEM式燃料電池或電解器的電化學(xué)裝置的電化學(xué)電池的圖，圖2為呈現(xiàn)PEM式燃料電池或電解器的電化學(xué)裝置的圖，圖3A及3B為呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例的擴(kuò)散層的碳絲的單向網(wǎng)的部份的俯視圖及剖面圖，圖4為呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例使用于的擴(kuò)散層中的包含碳絲的線的剖面圖，
圖5為呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例使用于制造擴(kuò)散層中碳絲的單向網(wǎng)的俯視圖，圖6呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例的擴(kuò)散層，圖7A及7B呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例形成擴(kuò)散層的碳絲的多軸網(wǎng)，圖8呈現(xiàn)包含產(chǎn)生自碳絲的網(wǎng)的擴(kuò)散層的電化學(xué)電池，以及包含由碳?xì)种瞥傻臄U(kuò)散層的已知技術(shù)的電化學(xué)電池的極化曲線，圖9A及9B呈現(xiàn)包含由針刺碳絲的單向網(wǎng)制造的擴(kuò)散層的電化學(xué)電池的極化曲線。下述的不同附圖的相同、相似或均等部份具有相同標(biāo)號(hào)，以簡(jiǎn)化附圖間的轉(zhuǎn)移。為增加附圖的可讀性，附圖中的不同部分不需呈現(xiàn)于一致的尺度。需暸解不同的可能性(變體及實(shí)施例)不互斥，且可互相組合。
具體實(shí)施例方式首先請(qǐng)參考圖3A及3B，它們呈現(xiàn)根據(jù)一特定實(shí)施例的碳絲104的部分單向網(wǎng)102形成的部分?jǐn)U散層。網(wǎng)102由大約一個(gè)接一個(gè)設(shè)置的多個(gè)連續(xù)碳絲104形成，且全部排列于與X軸平行的方向。于圖3A及3B中，僅呈現(xiàn)部分的單向網(wǎng)102。單向網(wǎng)102具有大約介于10微米及200微米間的厚度(沿著z軸的尺寸，它為相較于其它尺寸中最小的尺寸，亦即所述網(wǎng)的長(zhǎng)度及寬度)，其中此厚度隨著碳絲104的直徑以及一個(gè)接一個(gè)疊加于單向網(wǎng)102中的碳絲104的最大數(shù)量而定。此網(wǎng)102因此包含隨著所需的克重(grammage)及網(wǎng)102的寬度而定的碳絲104的數(shù)量。為使網(wǎng)102的電阻盡可能的低，以及使產(chǎn)生自單向網(wǎng)102的擴(kuò)散層盡可能的薄，單向網(wǎng)102的厚度可選擇為盡可能的小。舉例而言，單向網(wǎng)102的表面密度介于40克/平方米以及60克/平方米間。舉例而言，單向網(wǎng)102的碳絲104是由聚丙烯腈(PAN)制成。最初，可將碳絲104群聚為線的形式。此線105以剖面圖呈現(xiàn)于圖4中。線105由平行于線的長(zhǎng)度的方向延伸的多個(gè)碳絲104組成(圖4的實(shí)施例中為延著X軸)，且嵌入于由樹脂制成的護(hù)套106中。每個(gè)線105可包含介于約1，000及320，000間的碳絲104。為制造網(wǎng)102，由于它們的低成本，可選擇具有最大可能數(shù)量的碳絲106的線105。線105將優(yōu)選地選擇包含介于約3，000及24，000間的碳絲104。用于形成單向網(wǎng)102的碳絲104，舉例而言，具有介于6微米及8微米間的直徑以及介于O. 8歐姆公分以及I. 8歐姆公分間的電阻值。于制造網(wǎng)102的過程中，碳絲104彼此互相貼合，例如藉由自熱熔性材料制成的線108橫向于碳絲104的方向，設(shè)置于碳絲104上(圖5)。碳絲104還可能透過框架貼合，舉例而言由例如金屬的導(dǎo)電材料制成的框架，也可形成擴(kuò)散層的輪廓。如圖6所呈現(xiàn)，部分單向網(wǎng)102經(jīng)切割且作為擴(kuò)散載體，接著可貼合至微孔層110，以形成擴(kuò)散層112。然而，它可能不使用微孔層110，在此實(shí)施例中，擴(kuò)散層112僅以碳絲104形成。使用相似于擴(kuò)散層112的擴(kuò)散層制造基本電化學(xué)電池，類似于前述關(guān)于圖I的電化學(xué)電池10的結(jié)構(gòu)，其中接著組裝這些電池，以形成具有類似于前述關(guān)于圖2的電化學(xué)電池50的結(jié)構(gòu)2的例如PEM燃料電池或PEM電解器的電化學(xué)裝置。擴(kuò)散層由堆疊許多形成碳絲的多軸網(wǎng)的碳絲的單向網(wǎng)形成。此多軸網(wǎng)114呈現(xiàn)于圖7A及7B。呈現(xiàn)于圖7A及7B的多軸網(wǎng)114通過疊加及組裝例如相似于前述單向網(wǎng)102的三個(gè)單向網(wǎng)102a、102b以及102c形成。設(shè)置第一網(wǎng)102a，使此網(wǎng)102的碳絲排列于第一方向(于圖7A及7B的實(shí)施例中，平行于X軸)。疊加第二單向網(wǎng)102b于第一單向網(wǎng)102a上， 使此第二網(wǎng)102b的碳絲排列于第二方向，最佳地垂直于第一方向(于圖7A及7B的實(shí)施例中，平行于y軸)。最后，疊加第三單向網(wǎng)102c于第二網(wǎng)102b上，使此第三網(wǎng)102c的碳絲排列于垂直第二方向且與第一方向平行的第三方向。接著完成擴(kuò)散層，通過切割多軸網(wǎng)114的需要區(qū)域以形成擴(kuò)散層。為使擴(kuò)散層的全部區(qū)域由疊加不同單向網(wǎng)而形成，形成多軸網(wǎng)114的每個(gè)單向網(wǎng)102a、102b及102c的切割區(qū)域約等于擴(kuò)散層的區(qū)域?；蛘撸噍S網(wǎng)114的切割部分可貼合至微孔層，舉例而言由碳及/或一個(gè)或多個(gè)其它材料，例如疏水性材料制成。前述多軸網(wǎng)僅為一種可能的例示性實(shí)施例。一般而言，擴(kuò)散層可包含一個(gè)或多個(gè)經(jīng)疊加的碳絲的單向網(wǎng)。優(yōu)選地，多軸網(wǎng)可包含介于一個(gè)及五個(gè)間的單向網(wǎng)。優(yōu)選地，以此方法取得的擴(kuò)散層的總厚度介于約10微米及800微米間。此外，所述網(wǎng)的排列可與前述實(shí)施例不同。接著將開始描述制造前述擴(kuò)散層的執(zhí)行步驟。通過以大略一致的方法由散布、并排碳絲104，獨(dú)立地制造每個(gè)單向網(wǎng)102。接著網(wǎng)或每個(gè)網(wǎng)的碳絲彼此貼合，例如由以熱熔性材料制成的線橫向地設(shè)置于網(wǎng)的碳絲上，如前述關(guān)于圖5的描述。不同地，可使用如金屬制的框架貼合碳絲。當(dāng)試圖通過碳絲的多軸網(wǎng)形成擴(kuò)散載體，接著單向網(wǎng)彼此疊加，如圖7A及7B的實(shí)施例所示，且一個(gè)單向網(wǎng)與下一個(gè)單向網(wǎng)的碳絲的排列可不同。當(dāng)依序堆迭單向網(wǎng)彼此疊加時(shí)，它們可能受限于針刺操作，包含于破壞垂直于所有不同單向網(wǎng)的碳絲的排列的方向，亦即與多軸網(wǎng)的厚度平行的方向(于圖5與圖7A、7B的實(shí)施例中，與z軸平行)的部分的絲中，藉由使用例如貼合至以固定區(qū)間橫越多軸網(wǎng)的塔板的針，相對(duì)于針移動(dòng)網(wǎng)，通過碳絲的單向網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。為了在不修改迭疊加、或鋪設(shè)不同單向網(wǎng)而形成的結(jié)構(gòu)下固定所述網(wǎng)或鋪設(shè)不同單向網(wǎng)而形成的結(jié)構(gòu)下處理所述網(wǎng)，此針刺操作使所述網(wǎng)彼此迭疊加并物理性地固定。為達(dá)到此目的，所述針以介于100打擊/平方厘米(blows/cm2)及140打擊/平方厘米，或介于100及300沖擊/平方公分的打擊密度，或沖擊密度，埋入碳絲的網(wǎng)中約10毫米及16毫米間的深度，或完全穿過所述多軸網(wǎng)。舉例而言，針織編帶機(jī)，或機(jī)器為ASSELIN式，且針為15x18x323. 5BL RB 30A06/15式的SINGER針安裝于低于碳絲的網(wǎng)約15毫米或20毫米的區(qū)塊上的15x18x323. 5BL RB 30A06/15式的SINGER針。經(jīng)使用的所述針可具有介于約0.5毫米及3毫米間的側(cè)面維度(垂直于單向網(wǎng)的厚度的維度)。此外，針可需要足夠高，以完全穿過所述單向網(wǎng)。于一不同態(tài)樣中，針刺操作可液壓地完成，于此情形下針被空氣或水噴射(jets)取代。由PAN系前驅(qū)體取得的些碳絲尤其地易碎。為了改進(jìn)它的物理特性，且在制造單向網(wǎng)的期間內(nèi)藉由此方式更容易地處理它們而無(wú)破損的風(fēng)險(xiǎn)，可因此對(duì)碳絲進(jìn)行上漿處理。此上漿是在單向網(wǎng)形成前完成于碳絲中，它包含以如環(huán)氧系樹脂的樹脂涂布于碳絲。此樹脂于后可通過熱處理(退漿)而消除。此熱處理包含，舉例而言，執(zhí)行下列步驟(碳絲一開始位于室溫)-增加溫度約16分，直到約100度，-維持溫度于約100度大約20分，
-增加溫度約30分，直到約268度，-維持溫度于約268度大約30分，-增加溫度約12分，直到約340度，-維持溫度于約340度大約40分，-增加溫度約40分，直到約425度，-維持溫度于約425度大約20分，-回到室溫于此熱退漿處理后，樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆靥枷挡牧稀４送藵{步驟也可確保擴(kuò)散層具有親水性，且因此可于低相對(duì)濕度的環(huán)境下操作，舉例而言于介于約0%即50%間。當(dāng)開始使用碳絲線來(lái)制造單向網(wǎng)時(shí)，線護(hù)套的材料也可于此退漿步驟期間消除。此退漿也可通過其它形式的處理完成，例如化學(xué)處理，或紫外線(UV)處理。其它擴(kuò)散載體的處理，使碳絲的表面能量可調(diào)整，也可依據(jù)所設(shè)想的應(yīng)用而執(zhí)行，以給予這些絲疏水性或親水性。于這些處理后，擴(kuò)散層于需要時(shí)，在加入其它元件以制造電化學(xué)裝置前，可連結(jié)于微孔層。舉例而言，碳纖維網(wǎng)可通過描述于文件WO 98/44183中的方法而制造，它描述用以制造復(fù)合材料的碳纖維網(wǎng)的制造，。許多用于形成PEM燃料電池的擴(kuò)散層的碳絲的多軸網(wǎng)的例示性實(shí)施例描述于下。實(shí)施例I :由聚丙烯腈(PAN)制成的具有高電阻的碳絲，且產(chǎn)生自12K式線(每條線12，000絲)。舉例而言，所使用的碳絲具有下列物理特性牽引阻力4,900兆帕；牽引模塊230千兆帕；伸長(zhǎng)率2.1%;長(zhǎng)度的單位質(zhì)量800特克斯(克/千米)；密度1.8克/立方厘米。這些碳絲通過以環(huán)氧樹脂上漿處理而完成。
接著由這些碳絲制造單向網(wǎng)。在此實(shí)施例中取得的單向網(wǎng)具有約50克/平方厘米的表面質(zhì)量。接著通過橫向設(shè)置于網(wǎng)的碳絲的熱熔性材料制成的線貼合每個(gè)網(wǎng)的碳絲，相似于圖5呈現(xiàn)的線108。如上述所取得的三個(gè)單向網(wǎng)接著堆疊在一起。這三個(gè)單向網(wǎng)如關(guān)于前述圖7A及7B的實(shí)施例相對(duì)彼此排列。因此排列第二網(wǎng)垂直于第一網(wǎng)，且排列第三網(wǎng)平行于第一網(wǎng)。以第一網(wǎng)的碳絲的排列作為參考，取得具有根據(jù)下列配置0度/90度/0度排列的碳絲的多軸網(wǎng)，。形成于不同網(wǎng)的碳絲間的角度值也可與上述不同。接著以包含每米的寬度約4000針的托架執(zhí)行針刺操作，其中每個(gè)針的長(zhǎng)度約20毫米且具有三角形末端以及約O. 15毫米長(zhǎng)。于針刺操作期間，調(diào)整托架，使針以約138打擊/平方公分的速率侵入多軸網(wǎng)約12毫米的深度。針織編帶機(jī)，例如為ASSELIN式，且例如15x18x323. 5BL RB 30A06/15式的SINGER針安裝于低于碳絲的網(wǎng)約15毫米或20毫米的區(qū)塊上。接著通過熱處理消除上漿以及多軸網(wǎng)的熱熔性線，如前述的其一實(shí)施例。實(shí)施例2 單向網(wǎng)首先以相似于前述第一實(shí)施例的方式，使用相似的碳絲制造。接著將四個(gè)單向網(wǎng)堆疊于一起。第二網(wǎng)設(shè)置于第一網(wǎng)上，使它的碳絲的排列相對(duì)于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約45度的角度。第三網(wǎng)設(shè)置于第二網(wǎng)上，使它的碳絲的排列·相較于第二網(wǎng)的碳絲的排列形成約45度的角度，且相較于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約90度。最后，第四網(wǎng)設(shè)置于第三網(wǎng)上，使它的碳絲的排列相較于第三網(wǎng)的碳絲的排列形成約45度，且相較于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約135度。此堆疊形成具有利用第一網(wǎng)的碳絲的排列作為參考，以O(shè)度/45度/90度/135度的配置排列的碳絲的多軸網(wǎng)。針刺以及退漿接著以相似于上述第一例示性實(shí)施例的方式完成。實(shí)施例3:單向網(wǎng)首先以相似于前述第一實(shí)施例的方式，使用相似的碳絲制造。接著將四個(gè)單向網(wǎng)堆疊于一起。第二網(wǎng)設(shè)置于第一網(wǎng)上，使它的碳絲的排列相對(duì)于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約90度的角度。第三網(wǎng)設(shè)置于第二網(wǎng)上，使它的碳絲的排列相較于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約90度的角度(其中第二網(wǎng)的碳絲平行于第三網(wǎng)的碳絲)。最后，第四網(wǎng)設(shè)置于第三網(wǎng)上，使它的碳絲的排列相較于第一網(wǎng)的碳絲的排列形成約O度。利用第一網(wǎng)的碳絲的排列作為參考，以O(shè)度/90度/90度/0度的配置，此堆疊形成具有經(jīng)排列的碳絲的多軸網(wǎng)。針刺以及退漿接著以相似于上述第一例示性實(shí)施例的方式完成。于上述實(shí)施例的不同態(tài)樣中，可不通過熱熔性材料制成的線，而是通過經(jīng)橫向于碳絲的方向沉積的環(huán)氧樹脂貼合碳絲。在此例中，上漿于此貼合之前消除。碳絲的單向網(wǎng)接著根據(jù)所需的配置疊加。于另一態(tài)樣中，可通過如金屬的導(dǎo)電材料制的框架，或透過固定碳絲的端點(diǎn)的夾具貼合碳絲。舉例而言，可于產(chǎn)線中使用固定系統(tǒng)以能夠取得較大區(qū)域。在此例中，可通過橫向于絲的方向夾住絲的金屬件延展以及固定碳絲。
舉例而言，現(xiàn)在描述使用于PEM燃料電池中的電化學(xué)電池的一例示性實(shí)施例。首先根據(jù)前述第二實(shí)施例，通過切割碳絲的部份多軸網(wǎng)制造第一擴(kuò)散層，約為方形，且面積約為25平方厘米。設(shè)置第一擴(kuò)散層于電池的陰極側(cè)。設(shè)置此擴(kuò)散層于電池中，使碳絲的第一網(wǎng)的部分相鄰于陰極單極板的通道，且使方向0° (碳絲的第一網(wǎng)的部份的碳絲的排列)垂直于通道的長(zhǎng)度，其中此長(zhǎng)度代表通道的主要方向。接著根據(jù)前述第三實(shí)施例，通過切割碳絲的多軸網(wǎng)的部份制造第二擴(kuò)散層，約為方形，且面積約為25平方厘米。設(shè)置第二擴(kuò)散層于電池的陽(yáng)極側(cè)。設(shè)置此擴(kuò)散層于電池中，使碳絲的第一或第四網(wǎng)的部分相鄰于陽(yáng)極單極板的通道，且使方向0° (碳絲的第一或第四網(wǎng)的部份的碳絲的排列)垂直于通道的長(zhǎng)度。
擴(kuò)散層相對(duì)于電化學(xué)電池的單極板具有導(dǎo)電表面。此電化學(xué)電池的特性以低相對(duì)濕度(約30% )，以及于約80度的溫度時(shí)具有氫/空氣共同電流，于約I. 5巴(bar)的壓力，且化學(xué)劑量為SH2=15以及SQ2=7，其中電池以約等于I兆帕的壓力固定而獲得。通過測(cè)定電池對(duì)應(yīng)于電壓值的極化曲線檢測(cè)這些特性，電壓值取得于作為電流傳輸功能的電池端點(diǎn)。電化學(xué)電池的極化曲線202呈現(xiàn)于圖8，且與除了產(chǎn)生自碳?xì)值臄U(kuò)散層外的相似結(jié)構(gòu)的電化學(xué)電池的經(jīng)測(cè)定的極化曲線204比較。于圖8可見，取得自包含碳絲的網(wǎng)產(chǎn)生的擴(kuò)散層的電池的電壓高于取得自包含由碳?xì)种圃斓臄U(kuò)散層的電池的電壓，約O至約O. 85安培/平方厘米(A/cm2)的電流范圍。包含堆疊具有制造自碳絲的單向網(wǎng)的擴(kuò)散層的電化學(xué)電池的燃料電池，或更廣泛地為包含至少一個(gè)此種擴(kuò)散層的電化學(xué)裝置，因此于同等電流下的它的端點(diǎn)產(chǎn)生的電壓比碳?xì)种频臄U(kuò)散層高。除了將單向網(wǎng)固定在一起的功能外，針刺操作可使包含受限于針刺操作的自碳絲的單向網(wǎng)形成的擴(kuò)散層的電化學(xué)電池的特性，相較于包含不受限于針刺操作但同樣為自碳絲的單向網(wǎng)形成的擴(kuò)散層的電化學(xué)電池較為改良。舉例而言，此特性的改良相較于其它電化學(xué)電池(氣體分布器、主動(dòng)層、微孔沉積物)的元件為增加電化學(xué)電池的導(dǎo)電性及/或減少接觸電阻的形式。為更加改良這些特性，針刺操作可完全穿過碳絲的單向網(wǎng)。于單針刺操作(其中單向網(wǎng)在此例中設(shè)置于針的兩個(gè)托架間)或通過連續(xù)地針刺相對(duì)主要面期間，針刺操作也可穿過單向網(wǎng)的兩個(gè)相對(duì)主要面(參考圖7A中的116及118)。針刺也可以對(duì)于單向網(wǎng)介于約100及300沖擊/平方厘米的沖擊密度操作。此沖擊密度可通過選擇適合的針密度及/或通過控制針穿過單向網(wǎng)的頻率而控制。此針刺也可改良電化學(xué)電池內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)移。針刺操作可以完全穿過形成擴(kuò)散層的單向網(wǎng)操作。于另一態(tài)樣中，針刺可通過為了使單向網(wǎng)堆包含形成擴(kuò)散層的所有單向網(wǎng)，于包含單向網(wǎng)數(shù)量小于形成擴(kuò)散層的所有單向網(wǎng)數(shù)量的單向網(wǎng)堆重復(fù)針刺而完成。圖9A及9B說(shuō)明藉由完成針刺操作的方法的電化學(xué)電池的特性的改良。圖9A所呈現(xiàn)的曲線206為包含以第一網(wǎng)的碳絲的排列為參考，采用0° /90° /90° /0°的配置的四個(gè)單向網(wǎng)的電化學(xué)電池的極化曲線(橫坐標(biāo)電化學(xué)電池終端的電壓,伏特(volts);縱座標(biāo)橫越電化學(xué)電池的電流密度，安培/平方厘米(A/cm2))，所述網(wǎng)未經(jīng)針刺，或以不同于上述方式針刺，而可使電化學(xué)電池的特性被改良，換言之，即不滲透穿過單向網(wǎng)的全部寬度，以及具有小于100沖擊/平方厘米的表面沖擊密度。每個(gè)使用的網(wǎng)具有約50克/平方米(g/m2)的克重且以具有12，000碳絲的線形成。曲線208及210為取得自指定的電化學(xué)電池的最小及最大極化曲線，其中碳絲的單向網(wǎng)以介于約100及300沖擊/平方公分的表面沖擊密度，在此例中為約138沖擊/平方厘米，完全穿過單向網(wǎng)針刺。電化學(xué)電池的特性可藉由單向網(wǎng)的兩側(cè)皆被針刺而更加改良(如圖9B中的曲線212所示)。
僅管上述描述的產(chǎn)生自至少一個(gè)碳絲的單向網(wǎng)的擴(kuò)散層，主要用于PEM式燃料電池或電解器，這些擴(kuò)散層適用于每個(gè)使用至少一個(gè)由導(dǎo)電材料制成的擴(kuò)散層的電化學(xué)裝置，如磷酸燃料電池或電池。
權(quán)利要求
1.一種制造電化學(xué)裝置(10，50)的擴(kuò)散層(112)的方法，其特征在于，至少包含下列步驟 -疊加多個(gè)碳絲(104)的多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)，其中每個(gè)所述單向網(wǎng)(102,102a, 102b, 102c)的所述碳絲(104)是彼此相鄰設(shè)置，且大致上互相平行排列， -所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的針刺，破壞部分的所述碳絲，使所述碳絲(104)經(jīng)破壞的所述部分纏結(jié)其它各個(gè)所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的所述碳絲(104)， -所述多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的至少一部分的切割，其中所述碳絲(104)形成所述擴(kuò)散層(112)的至少一個(gè)導(dǎo)電外表面， 以及針刺的步驟完成以及/或具有對(duì)于所述多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的沖擊密度大約介于100至300沖擊/平方公分(impacts/cm2)間，完全穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)，及/或穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)的兩個(gè)主要相對(duì)面(116，118)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)第一(102a)所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列相對(duì)于至少一個(gè)第二(102b)所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列形成非零角度。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，疊加各個(gè)所述單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)之前，以能加強(qiáng)所述碳絲(104)的物理特性的材料涂布于所述碳絲(104)，且接著互相貼合，形成不同的所述單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)，其中于所述碳絲(104)互相貼合后消除所述強(qiáng)化材料。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包含處理所述碳絲(104)，以給定各個(gè)所述碳絲(104)疏水性或親水性的步驟。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)的厚度大約介于10微米(μ m)及200微米(μ m)及/或具有大約介于40克/平方米(g/m2)及60克/平方米(g/m2)間的表面質(zhì)量。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，每個(gè)所述碳絲(104)具有大約介于6微米(μ m)及8微米(μ m)間的直徑及/或具有大約介于O. 8歐姆厘米(Ω . cm)及I.8歐姆厘米(Ω . cm)間的電阻。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)第一(102a)所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列相對(duì)于至少一個(gè)第二(102b)所述碳絲的單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列形成非零角度或大約介于10度及95度間，或大約介于40度及50度間的角度。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散層(112)包含堆疊的碳絲(104)的單向網(wǎng)(102a，102b, 102c)數(shù)量為大于或等于兩以及小于或等于五。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散層(112)包含碳絲的第一(102a)及第二(102c)單向網(wǎng)，使所述第一單向網(wǎng)(102a)的所述碳絲(104)的所述排列相對(duì)于所述第二單向網(wǎng)(102c)的所述碳絲(104)的所述排列形成大約介于O度及20度間的角度，且還包含設(shè)置于碳絲(104)的所述第一(102a)及第二(102c)單向網(wǎng)間的碳絲的第三單向網(wǎng)(102b)，使各所述第一(102a)及第二(102c)單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的所述排列相對(duì)于所述第三單向網(wǎng)(102b)的所述碳絲(104)的所述排列形成大約介于70度及110度間的角度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散層(112)還包含設(shè)置于所述碳絲(104)的第一(102a)及第二(102c)單向網(wǎng)間的碳絲(104)的第四單向網(wǎng)，使所述第四單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的所述排列相對(duì)于各所述第一(102a)及第二(102c)單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的所述排列形成大約介于70度及110度間的角度。
11.如權(quán)利要求I至8中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散層(112)包含四個(gè)碳絲(104)的單向網(wǎng)，其中疊加所述網(wǎng)使各所述四個(gè)單向網(wǎng)中的所述碳絲(104)的所述排列相對(duì)于相鄰于所述單向網(wǎng)的所述單向網(wǎng)的所述碳絲(104)的排列形成大約介于25度及65度間的角度。
12.—種制造具有質(zhì)子交換薄膜的電化學(xué)電池(10，10a，10b，IOc)的方法，其特征在于，包含至少實(shí)施根據(jù)上述權(quán)利要求的其一的擴(kuò)散層(112)的制造方法。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述擴(kuò)散層(112)的至少一個(gè)所述單向網(wǎng)(102，102a, 102b, 102c)的所述碳絲(104)的所述排列大約垂直于與所述擴(kuò)散層(112)相對(duì)設(shè)置的單極板的至少一個(gè)通路的長(zhǎng)的方向。
14.一種制造具有質(zhì)子交換薄膜的燃料電池(50)的方法，其特征在于，它包含至少實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求12或13的電化學(xué)電池(10，10a, 10b, IOc)的制造方法。
15.一種制造具有質(zhì)子交換薄膜的電解器(50)的方法，其特征在于，它包含至少實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求12或13的電化學(xué)電池(10，10a, 10b, IOc)的制造方法。
全文摘要
一種制造電化學(xué)裝置的擴(kuò)散層的方法，所述方法包含下列步驟疊加碳絲的多個(gè)單向網(wǎng)(102，102a，102b，102c)，其中各個(gè)所述網(wǎng)的所述絲彼此平行且相鄰設(shè)置；針刺所述多個(gè)網(wǎng)，破壞一部分的所述絲，使所述絲經(jīng)破壞的部份纏結(jié)其它各個(gè)所述網(wǎng)的絲；部分的所述多個(gè)單向網(wǎng)的切割，其中所述碳絲形成所述擴(kuò)散層的一個(gè)導(dǎo)電外表面；以及在針刺的步驟中，完成以及/或?qū)τ诙鄠€(gè)單向網(wǎng)的沖擊密度大約介于100至300沖擊/平方公分(impacts/cm2)間，完全穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)，及/或穿過所述多個(gè)單向網(wǎng)的兩個(gè)主要相對(duì)面(116,118)。
文檔編號(hào)H01M4/96GK102947991SQ201180030349
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者阿諾德·墨林, 尚-馬克·布勞德, 珍妮·尚基, 喬爾·保切特, 尚-馬克·塞爾柯特 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能與替代能委員會(huì), 赫克賽爾加固材料公司