[发明专利]轻质针刺织物和其制造方法以及其在燃料电池的扩散层中的用途

说明书

本发明涉及包括碳纱线的织物，所述织物的单位面积质量为40g/m²至80g/m²、优选为40g/m²至80g/m²、尤其为60g/m²至80g/m²，并且其特征在于所述织物包括短纤维，所述短纤维从它们所源自于的构成织物的纱线中伸出并在与短纤维所源自于的纱线不平行的方向上延伸，和/或特征在于织物是针刺的。本发明也涉及该织物在燃料电池的扩散层中的用途以及制造该扩散层的方法。

技术领域

本发明涉及用于电化学系统或装置例如燃料电池的材料的技术领域。

特别地，本发明涉及织物，特别是轻质针刺织物，其制造方法，以及其作为扩散层中的支撑物的用途。

背景技术

PEMFC(质子交换膜燃料电池)是电流发生器，其工作原理基于经由燃料(通常为H₂)和燃烧剂(通常为O₂)的催化反应将化学能转化为电能。因此，该能量产生经由电化学转化发生。

燃料电池包括至少一个电化学电池，但是更通常为连接于一个或多个集流体的一叠几个串联电化学电池以便于满足应用需求。电化学电池各自包括进行电化学转化的膜电极组件(MEA)。

膜电极组件(MEA)由以下组成：

-形成电解液的导电膜，

-其中进行电化学反应的两个活性层(或阳极和阴极电极)；它们位于膜的任一侧上；

-两个双极板；

-两个气体扩散层(GDL)，它们各自位于一个活性层和一个双极板之间。

通常，导电膜具有一种或多种质子或离聚物聚合物，通常为类型的全氟磺酸化的聚合物。其将阳极与阴极分开，且不允许电子或气体通过。其传导质子。

电极由催化剂(通常为铂)、碳、和离聚物构成。它们必须允许将质子朝膜运输，经扩散层和双极板将电极朝集流体运输，和将试剂与反应产物、水、和热量一起运输。

双极板确保当导电时，随着过量的水和试剂借助于毫米级通道的排出进行气体分布。它们通常由无孔石墨制成或由碳/聚合物复合材料制成。

扩散层在燃料电池中起几种重要作用。特别是，它们使得试剂(燃烧气体和燃烧剂)和当适用时的水蒸气能够从双极板行进至活性层；它们使得液体水和蒸气能够排出；使得在活性层产生的电流能够传导到双极板；使得在活性层产生的热量能够排出，它们能够机械补强膜/活性层组件。

为执行这些各种作用，扩散层必须在单位面积质量、厚度、电导率、热导率、透气性、疏水性、化学稳定性、和物理稳定性这些方面具有有效性质。特别地，由于双极板的通道的结构，扩散层必须足够刚硬以用作MEA的机械补强。它们也必须能够充分透过气体以便于能够使气体在活性层和极板之间交换，并且能够充分透过水以使水朝双极板排出而不会阻碍活性层加湿以便促进质子转移。

扩散层通常包括支撑物，其形式为织物、纸、或毛毡类型的碳纤维补强物，其随后通过化学加工制成为疏水性的。该类型的化学加工，例如，公开于美国专利申请2014/025581。通常，也将微孔层施用到这些载体上。微孔层由直径为约1微米的孔构成。这些孔小于扩散层支撑物的孔。微孔层是扩散层和活性层之间的界面。向扩散层的支撑物增加微孔层可改善燃料电池在其在水管理方面的活性的性能。该类型的微孔层，例如，公开于美国专利申请2014/0205919。

因此，扩散层的设计是复杂的，因为其性能取决于对支撑物的性质、疏水加工、微孔层、和所有这些组分的加工性的优化。支撑物的加工性涉及支撑物沿各种涂覆线行进(因此也涉及其展开能力，在各种辊上行进的能力，和反绕的能力)而不会显著变形的能力。支撑物的加工性基于其机械强度和其被完全浸泡的能力评估，因为该浸泡类型通常在疏水加工过程中使用。