專利名稱：氣體擴(kuò)散層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維基礎(chǔ)上的氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer-⑶L)，該氣 體擴(kuò)散層具有結(jié)構(gòu)化親水物，其在聚合物-電解質(zhì)-膜片(PEM)燃料電池(BZ)中使用。
背景技術(shù)：
燃料電池是高效能源，其中燃料(典型的是富含氫的氣體)和氧化劑(典型的是 空氣氧)在PEM兩個(gè)主面的催化劑層上電化學(xué)轉(zhuǎn)換成水。通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和反應(yīng) 物在形成水的情況下產(chǎn)生反應(yīng)。PEM在此方面承擔(dān)半塊電池之間的質(zhì)子傳輸，其中，電子通 過(guò)電極和外部電路用于完成電功。這種類型的燃料電池的主要問(wèn)題是，膜片和相鄰的催化 劑層必要的濕度保持以及所形成的水的排出之間的平衡，否則水充滿GDL孔、阻礙氣體傳 輸以及降低輸出功率。濕度水平受到一系列因素的影響和控制。陽(yáng)極和陰極反應(yīng)氣體的增 濕通常用于調(diào)整必要的濕度水平。工作條件(電池溫度、氣體壓力和氣體化學(xué)計(jì)量)是影 響膜片和GDL水分的其他影響值。最后燃料電池工作的功率范圍也對(duì)電池內(nèi)水含量的平衡 產(chǎn)生重要影響。高電流密度下的運(yùn)行導(dǎo)致產(chǎn)生高的水含量，這種水含量占主導(dǎo)地位并必須 這樣被弓I導(dǎo)，使得以可靠和無(wú)干擾的方式實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)。文獻(xiàn)DE 102 60 501A1公開了一種具有用于控制水橫向擴(kuò)散的層的氣體擴(kuò)散電 極。在此方面，氣體擴(kuò)散電極的微孔的GDL與大孔的GDL之間具有由親水纖維，特別是親水 碳纖維組成的水橫向擴(kuò)散層。文獻(xiàn)WO 2007/139940A2公開了一種用于PEM燃料電池的熱量和水管理裝置。該裝 置由熱和導(dǎo)電的親水的熱量和水輸送元件組成，該熱量和水輸送元件從電池的內(nèi)部向電池 的外部延伸并設(shè)置在GDL與電流輸出器之間。傳輸元件由氮化硼、氮化鋁、銅-、鋁-、鎳-合 金、石墨、膨脹石墨、石墨布、石墨紙、鋁泡沫、不銹鋼泡沫、鎳泡沫、聚乙烯醇泡沫、玻璃微纖 維、粗紡毛織物、棉紙、棉布、聚氨酯泡沫、纖維素醋酸酯、聚乙烯吡咯烷酮或者聚丙烯酰胺 組成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種⑶L，該⑶L通過(guò)其構(gòu)造可以保證有效的水管理并因 此在持續(xù)的高功率輸出情況下以簡(jiǎn)單方式控制和運(yùn)行燃料電池。依據(jù)本發(fā)明，依據(jù)分類提出的GDL的目的利用權(quán)利要求1的特征得以實(shí)現(xiàn)。其他 具有優(yōu)點(diǎn)的構(gòu)成在權(quán)利要求2至10中予以說(shuō)明。本發(fā)明還涉及一種按權(quán)利要求11至14 所述用于制造依據(jù)本發(fā)明的GDL的方法以及按權(quán)利要求15所述GDL的應(yīng)用。將側(cè)向預(yù)先規(guī)定的路徑置入⑶L內(nèi)，液態(tài)水應(yīng)在這些路徑上聚集，以便可以沿該 路徑被傳輸。親水芯條上的區(qū)域應(yīng)有針對(duì)性地吸出液態(tài)水，以便使直接相鄰的孔可靠開放 用于氣體傳輸。這些路徑可以以如下方式被置入 將親水纖維加入微孔層(MPL)內(nèi)，
·將親水纖維置入到MPL/催化劑交界層上，·將纖維置入到襯底/MPL交界層上，·置入具有微米/納米尺度的親水物質(zhì)的印制圖形。作為親水纖維使用無(wú)機(jī)纖維如氧化鋁或者Al203_Si02( “鋁硅酸鹽”)的混合纖維。 這些纖維被切割或者作為磨碎的纖維來(lái)獲得。作為其他親水物質(zhì)可以考慮基于SiO2(熱解 硅酸，fumed silica)、Ti02、Al2O3或者化03的微米或者納米尺度的顆粒。親水芯條的側(cè)向和垂直定向在此方面是重要的在小和中等負(fù)載范圍內(nèi)，優(yōu)選這 些范圍在流動(dòng)區(qū)的接片上有助于PEMBZ的功率。優(yōu)選那里存在液態(tài)水形式的反應(yīng)產(chǎn)物。接 片上形成的液態(tài)水必須橫向于接片排入通道內(nèi)并避免GDL的大空間注水泛濫。因此必須是 芯條定向理想地與流動(dòng)區(qū)幾何形狀相一致。為盡可能通用地構(gòu)成這一點(diǎn)，提出一種蜂巢狀 結(jié)構(gòu)，蜂巢狀結(jié)構(gòu)具有流動(dòng)區(qū)結(jié)構(gòu)數(shù)量級(jí)的蜂房寬度，作為選擇也適用類似的簡(jiǎn)單多角形 結(jié)構(gòu)。由此使液態(tài)水從反應(yīng)區(qū)的流出變得容易并同時(shí)為到反應(yīng)位置的必要的氣體傳輸創(chuàng)造 自由空間。液態(tài)水的傳輸行程多樣構(gòu)成并需要在三個(gè)空間方向上。需要指出的是，液態(tài)水聚 集在催化劑-MPL分界面上。這種液態(tài)水以蒸汽形式通過(guò)MPL并以液態(tài)形式重新聚集在襯 底內(nèi)。這種以蒸汽形式通過(guò)MPL(蒸發(fā)和再凝結(jié))是引起效率和動(dòng)力損失的附加過(guò)程。液 態(tài)水沿親水疇(DomSne)通過(guò)MPL傳輸(在Z方向上)可以產(chǎn)生功率優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將型號(hào)Sigracet GDL 25BA 的碳纖維紙(SGL Technologies GmbH, Meitingen) 利用涂層膏在實(shí)驗(yàn)室刮板上涂層(層厚30-50 μ m)并隨后在350°C燒結(jié)10分鐘。向涂層膏 (由77%的乙炔炭黑、23%的聚四氟乙烯(PTFE)和有機(jī)膠結(jié)物料組成)添加不同量的預(yù)磨 碎的氧化鋁纖維(事先在水中分散)。樣品A(MUSTER A)與膏的固體含量相關(guān)0. 16%的氧化鋁纖維樣品B(MUSTER B)與膏的固體含量相關(guān)0.的氧化鋁纖維
樣品C(MUSTER C)與膏的固體含量相關(guān)0. 67%的氧化鋁纖維涂層內(nèi)少量的無(wú)機(jī)纖維就已經(jīng)使得表面產(chǎn)生明顯的親水性(無(wú)纖維的表面由于 層內(nèi)的PTFE部分而明顯疏水)。但電阻也隨著纖維比例的增加而上升。
權(quán)利要求
1.碳纖維基礎(chǔ)上的氣體擴(kuò)散層，用于具有聚合物-電解質(zhì)-膜片(PEM)的燃料電池，其 具有結(jié)構(gòu)化親水物，其特征在于，具有親水特性的材料從以平均疇尺寸0. 5 μ m-80 μ m、在氣 體擴(kuò)散層內(nèi)存在作為親水芯條的金屬氧化物的組中選取。
2.按權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，金屬氧化物從由Si、Al、Ti、B、Sn、& 組成的組中選取。
3.按權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇通過(guò)疏水疇隔開。
4.按權(quán)利要求3所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，疏水疇含有含氟的聚合物或者疏水 的溶膠凝膠，最好從由PTFE、PVDF組成的組中選取。
5.按權(quán)利要求3所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇之間的距離處于10μ m到3mm 的范圍內(nèi)。
6.按權(quán)利要求1-5之一或多項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇圖形狀存在。
7.按權(quán)利要求6所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇線狀設(shè)置。
8.按權(quán)利要求7所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇多角形，最好菱形或者六角形設(shè)置。
9.按權(quán)利要求1-8之一或多項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇與疏水疇的面 積比處于10%至90%，最好40%至60%之間的范圍內(nèi)。
10.按權(quán)利要求1-9之一或多項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，親水疇由顆?；蛘呃w 維組成。
11.用于制造的氣體擴(kuò)散層的方法，所述氣體擴(kuò)散層用于具有聚合物-電解質(zhì)-膜片 (PEM)的燃料電池，其包括結(jié)構(gòu)化親水物，其特征在于，將從溶膠凝膠、金屬氧化物前體、揮 發(fā)金屬化合物的組中選取的精細(xì)分散的親水材料或者其前體以0. 1 μ m至10 μ m的平均粒 度置入氣體擴(kuò)散層內(nèi)。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，置入通過(guò)絲網(wǎng)印刷或者凹版印刷進(jìn)行。
13.按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，置入借助掩模通過(guò)噴涂、激光或者輻射處 理、等離子沉積、化學(xué)或者物理氣相沉積進(jìn)行。
14.按權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，置入a)在氣體擴(kuò)散層的完成以后b)在通過(guò)混入親水纖維制造氣體擴(kuò)散層期間c)在施加疏水和/或者調(diào)節(jié)孔尺寸的物質(zhì)之前和/或者d)與施加疏水和/或者調(diào)節(jié)孔尺寸的物質(zhì)同時(shí)進(jìn)行。
15.按權(quán)利要求1-10之一或多項(xiàng)所述的氣體擴(kuò)散層在膜片電極單元、PEM燃料電池、電 化學(xué)傳感器或者電解電池中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維基礎(chǔ)上的氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer -GDL)，所述氣體擴(kuò)散層用于聚合物-電解質(zhì)-膜片(PEM)燃料電池(BZ)中，其具有結(jié)構(gòu)化親水物，其中，具有親水特性的材料從平均疇尺寸0.5至80μm、在氣體擴(kuò)散層內(nèi)存在作為親水芯條的金屬氧化物的組中選取。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102106027SQ200980123187
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者彼得·維爾德, 魯?shù)细駹?伯恩德·施魏斯 申請(qǐng)人:西格里碳素歐洲公司