用于燃料电池的气体扩散层和燃料电池的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池的气体扩散层，包括复合材料。本发明也涉及一种包括气体扩散层的燃料电池，以及一种用于制造气体扩散层的方法。


背景技术：

2.燃料电池是原电池，所述原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。所以燃料电池是电化学换能器。在已知的燃料电池中尤其将氢气(h2)和氧气(o2)转化为水(h2o)、电能和热量。
3.电解装置是电化学换能器，所述电化学换能器将水(h2o)借助于电能分解成氢气(h2)和氧气(o2)。
4.此外，已知质子交换膜(proton
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exchange
‑
membrane＝pem)燃料电池，其也被称为聚合物电解质燃料电池。此外，已知既用于燃料电池也用于电解装置的阴离子交换膜。质子交换膜燃料电池具有中央布置的膜片，所述膜片对于质子、即对于氢离子而言是能传导的。由此使氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分隔开。
5.质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子通过膜片达到阴极。给出的电子从燃料电池导出并且通过外部电路流到阴极。
6.氧化剂在燃料电池的阴极处供应并且所述氧化剂通过接收来自外部电路的电子和通过膜片达到阴极的质子反应成水。这样生成的水由燃料电池排出。总反应为：
7.o2 4h

4e
‑
→
2h2o
8.在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继布置成燃料电池堆并且电地串联连接。
9.为了将燃料均匀分配到阳极上以及为了将氧化剂均匀分配到阴极上，设置有双极板。双极板例如具有通道状结构以用于将燃料以及氧化剂分配到电极上。通道状结构还用于将反应时生成的水排出。此外，双极板可以具有用于将冷却液体输送通过燃料电池以导出热量的结构。
10.在pem燃料电池的阴极侧上，氧气必须垂直于膜片表面地输送到膜片上的反应区中并且形成的水必须被除去。这通常通过打开的孔系统、例如部分多孔层(microporous layer，mpl)发生。同时孔系统必须确保在膜片上的催化剂和双极板之间的电接触。
11.通常将孔系统和能导电的支撑结构组合起来，它们也满足由用于接触和密封的挤压力得出的机械要求。具有孔系统(mpl)和支撑结构(gasdiffusionsbackbone，气体扩散支柱，gdb)的部分多孔层也共同地被称为气体扩散层。在反应时参与的物质均匀地供应和导出并且在平行于膜片的面上均匀地分配。为了实现均匀的分配，承受一定程度的压力损失，其中，局部的反应率是与压力有关的并且由于局部的压力差减小。
12.为了供应和导出在反应时参与的物质，经常使用以下结构，所述结构随着相对于
膜片的距离增大而具有更大的孔。通常，pem燃料电池这样构建，使得将非常精细的、大部分亲水性的、由碳颗粒制成的含催化剂的层作为电极在两侧施加到膜片上。由在膜片的每一侧上的各一个电极层和膜片组成的复合部被称为电极
‑
膜片
‑
电极单元(eme)。在这里，孔尺寸为大约15nm。紧接着eme分别是气体扩散层，所述气体扩散层通常包括微孔层(mpl)和支撑结构(gasdiffusionsbackbone，气体扩散支柱，gdb)，其中，微孔层在膜片侧布置并且支撑结构布置在气体扩散层的背离膜片的一侧上。通常由用于导电性的碳颗粒和作为具有针对液态水的差的润湿性的化学稳定的粘合剂系统的特氟龙颗粒形成的微孔层通常具有在0.06μm和1μm之间的孔尺寸。支撑结构通常由具有在20μm和200μm之间的孔的碳织物或纸状连接的碳纤维形成。
13.紧接着气体扩散层的背离膜片的一侧是以层构造结构化的气体通道和由石墨或金属制成的板，所述板也被称为气体分配器结构。借助于在气体通道之间的隔片将气体扩散层由双极板挤压到膜片的两侧上并且因此电接触和热接触催化剂层。气体通道和隔片的宽度典型地为0.2mm至2mm，从而得出从隔片中间至隔片中间的在0.4和4mm之间的间距。
14.us9,160,020描述被称为气体分配器结构的金属泡沫和金属板网结构(streckmetallstrukturen)。然而金属泡沫的可能性受限制，因为所述金属泡沫可能损坏薄的气体扩散层或微孔层并且也可能损坏燃料电池的膜片。
15.作为气体扩散层尤其已知碳纤维纸或来自碳纤维增强的塑料的模具制造(formenbau)织造的碳垫，其涂覆有微孔层。
16.us2004/0152588描述由粗颗粒挤压的气体扩散层，具有约400μm的厚度，所述气体扩散层与微孔层一起并且在没有微孔层的情况下使用。
17.由kotaka等人的investigation of interfacial water transport in the gas diffusion media by neutron radiography，ecs transactions，64(3)，第839
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851页，2014年，已知微孔层作为气体扩散层的专门使用或显示为支撑结构的无纺织物纤维作为气体扩散层的专门使用，其中，仅仅无纺织物纤维的使用导致在电池中的增大的水积聚。hiroshi等人的application of a self
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supporting microporous layer to gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells，journal of power sources 342，2017年，第393
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404页也涉及微孔层或支撑结构作为气体扩散层的使用。
18.针对碳纤维纸作为气体扩散层的专门使用描述了不均匀的电接触和热接触以及产物水的积聚，这可以通过不均匀的和彼此相对远离的、具有相应大的中间空间的碳纤维引起。
19.此外，us2004/0152588公开了复合材料的制造，所述复合材料包括聚合物基底，并且us9,325,022描述了气体扩散层的制造。电极薄膜通常借助于浆体方法、熔体挤出或尽可能无溶剂的轧制方法制造。
20.通常在对燃料电池评级(skalierung)时观察功率损耗，所述功率损耗归因于局部的不均匀性。


技术实现要素：

21.提出用于燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层包括复合材料，所述复合材料包含能导电的颗粒、粘合剂和纤维、优选碳纤维。其中，颗粒和纤维以混合的形式存在于复
合材料中。气体扩散层也可以使用在另外的电化学换能器中，例如使用在电解装置中。
22.根据本发明的气体扩散层可以理解为纤维增强的、基于颗粒的多孔气体扩散层。
23.优选地，气体扩散层具有刚好一个层并且所述一个层包括复合材料。尤其地，气体扩散层由复合材料单层地实施。更优选地，气体扩散层由复合材料组成。
24.在现有技术中描述的支撑结构和微孔层的特性在复合材料中组合。复合材料既包含能导电的颗粒也包含纤维，它们在空间上不彼此分开，而是以混合的方式存在。
25.气体扩散层优选不包括支撑结构(gdl)。
26.优选地，所述纤维具有至少0.2mm、优选2mm的长度l。此外优选地，长度l不超过12mm。长度l通常理解为纤维的尽可能大的延展尺寸。
27.优选地，所述纤维具有5μm至15μm、尤其6μm至12μm的直径df。
28.碳纤维尤其是例如sgl组的sigrafil类型的碳短纤维。碳短纤维尤其通过切割无缝纤维得出。
29.相比于所述纤维，能导电的颗粒可以表示为几何圆形的。优选地，能导电的颗粒具有1比1比1至10比10比1的长宽高比。能导电的颗粒尤其优选具有圆形的形状、土豆形的形状或薄板形状。圆形的形状理解为大约1比1比1的长宽高比，土豆形的形状理解为大约5比3比2的比例，并且薄板形状理解为大约10比10比1的比例。
30.气体扩散层优选具有10μm至300μm、更优选20μm至150μm的厚度d。
31.复合材料优选包含直至1％重量百分比至20％重量百分比、优选直至2％重量百分比至10％重量百分比的第一粘合剂、尤其是聚偏二氟乙烯(pvdf)，直至0％重量百分比至20％重量百分比、优选直至1％重量百分比至10％重量百分比的第二粘合剂、尤其是聚四氟乙烯(ptfe)，直至1％重量百分比至50％重量百分比、优选直至5％重量百分比至20％重量百分比的纤维，直至0％重量百分比至96％重量百分比、优选直至10％重量百分比至50％重量百分比的具有至50μm的平均直径dm的能导电的颗粒，和直至2％重量百分比至98％重量百分比、优选直至10％重量百分比至78％重量百分比的具有小于0.5μm的平均直径dm的能导电的颗粒。
32.此外，复合材料优选具有弹性特性，尤其是直至10％的弹性变形。
33.复合材料优选是多孔的并且能够加工成薄层或薄膜。
34.也提出一种燃料电池，所述燃料电池包括根据本发明的气体扩散层，其中，燃料电池尤其是聚合物电解质燃料电池(pemfc)。优选地，燃料电池包括两个根据本发明的气体扩散层。
35.气体扩散层尤其在燃料电池中布置在双极板和电极
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膜片
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电极单元之间
36.在本发明的可能构型中，燃料电池包括具有表面的气体分配器结构，其中，所述表面具有凸起部以用于引导气体并且相邻的凸起部相对彼此具备间距a。间距a尤其理解为在凸起部之间的流动通道的宽度。复合材料的纤维的长度l优选至少是间距a的两倍长、优选至少是所述间距的三倍长并且尤其不超过所述间距的五倍长。
37.燃料电池也优选不包括支撑结构(gdb)。
38.此外，提出一种用于制造气体扩散层的方法，所述方法包括下列步骤：
39.a.制造包含第一粘合剂、溶剂和添加物的第一混合物，
40.b.将第一混合物施加到能导电的颗粒和纤维上，优选在使用流化层的情况下，从
而生成第二混合物，
41.c.将第二混合物复合并且由第二混合物挤出或轧制出薄膜。
42.添加物可以是导电炭黑、导电石墨、玻璃碳或它们的混合物。玻璃碳优选具有1μm至10μm的平均直径，所述玻璃碳可以是多孔的或气密的。添加物也可以包含具有0.5μm至50μm的平均直径dm的能导电的颗粒或者由这些能导电的颗粒组成。
43.复合材料能够实现气体扩散层的薄的实施，其中，既确保参与反应的物质的均匀分配，也确保电接触和热接触，以及确保足够的机械稳定性。可以取消气体扩散层的多层构造，由此可以减小燃料电池和燃料电池堆的结构高度。
44.减小在燃料电池中的可能的产物堵塞并且可以实现较高的电流密度。
45.此外，可以实现更均匀的温度和压力分布并且燃料电池可以通过更高的压力挤压，这能够实现在电池中的更高的气体压力并且减小在关于催化剂和关于双极板的过渡部处的接触电阻。根据本发明的气体扩散层提供用于膜片相对于双极板的可靠的机械支撑，而不损坏膜片。
46.通过根据本发明的气体扩散层的抗弯的薄的结构还简化装配过程、尤其是所述气体扩散层的定位。此外，当复合材料具有弹性特性时，气体扩散层提供在装配时的公差补偿。
47.此外，根据本发明的气体扩散层可以形成具有小的表面粗糙度的无支承的薄膜，使得气体扩散层可以直接涂覆以催化剂层和膜片(direct membrane deposition，dmd)。根据本发明的气体扩散层是稳定的并且纤维嵌入到能导电的颗粒中，使得避免由表面伸出的纤维和由此对膜片的损坏。
48.气体扩散层也可以通过冲压或按压进一步结构化并且对双极板侧的流动引导造成影响。
附图说明
49.本发明的实施方式参照附图和下面的描述进一步阐释。
50.附图示出：
51.图1燃料电池堆，
52.图2具有根据现有技术的气体扩散层的燃料电池，和
53.图3具有根据本发明的气体扩散层的燃料电池。
具体实施方式
54.在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的或类似的元件标有相同的附图标记，其中，取消在个别情况下对这些元件的重复描述。附图仅示意性示出本发明的主题。
55.图1示出具有多个燃料电池3的燃料电池堆4的示意性示图。每个燃料电池3具有膜片24、两个气体扩散层1、阳极30和阴极32。各个燃料电池3通过双极板50彼此限界，所述双极板可以包括冷却板45。
56.被供应以氢气40和氧气42以及冷却介质44的燃料电池堆4通过两个端板48封闭并且具有集流器52。不同的供应通过密封件46彼此分开。
57.图2示出燃料电池3的示意性示图，所述燃料电池具有根据现有技术的气体扩散层
1。
58.燃料电池3包括膜片24，在该膜片上在两侧布置有催化剂层34。紧接着催化剂层34既在阳极30的侧上也在阴极32的侧上分别是气体扩散层1，所述气体扩散层分别由支撑结构38和微孔层36构建。支撑结构38具有比微孔层36更大的孔尺寸并且布置在气体扩散层1的背离膜片24的一侧上。气体扩散层1分别由气体分配器结构16围住，通过所述气体分配器结构将氢气40或氧气42供应给气体扩散层1。气体分配器结构16具有带凸起部20的表面18。凸起部20相对彼此具有间距a22，由此形成气体供应通道26。
59.图3示出燃料电池3，其包括根据本发明的气体扩散层1。燃料电池3基本上相应于在图2中示出的燃料电池3，区别在于，在图3中气体扩散层1根据本发明地实施。气体扩散层1由仅一个层11组成，所述层从催化剂层34延伸至气体分配器结构16的表面18。气体扩散层1由复合材料5构建，所述复合材料包含能导电的颗粒7和纤维9。纤维9具有长度l12，所述长度至少是在气体分配器结构16的凸起部20之间的间距a22的两倍长。此外，气体扩散层1具有厚度d14。
60.根据图3的由复合材料5构建的气体扩散层1分别代替在在图2中示出的支撑结构38和微孔层36。
61.本发明不局限于这里描述的实施例和在其中提到的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内的多种处于本领域技术人员的操作框架中的变型方案是可能的。