用于具有各向异性气体扩散系数的燃料电池的分配结构的制作方法

1.本发明涉及一种根据独立设备权利要求的前序部分所述的、呈多微孔层形式的、用于燃料电池的分配结构，和一种根据并列的独立设备权利要求所述的相应的燃料电池。


背景技术：

2.已知的燃料电池(例如pem燃料电池)堆叠成由各个电池构成的堆垛。各个燃料电池通常具有亲水性(聚合物)膜片，该膜片具有双侧的催化剂涂层并且具有邻接的疏水性气体扩散层(gdl)，所述气体扩散层被挤压在两个相应的气体分配器结构(所谓的双极板)之间。在燃料电池中发生反应时，在阴极侧形成产物水。如果不导出产物水，则催化剂处的区域可能被淹没。冷凝的产物水会在此阻碍反应物到达催化剂。燃料电池的功率在被淹没的区域中局部地降低，并且减小系统的总功率。此外，这样的被淹没的区域通常是腐蚀等退化效应的区域或者出发点。
3.为了阻止淹没催化剂处的区域，在通常纤维状的气体扩散层(碳纸，carbon paper或简称为cp)上通常布置由疏水性颗粒状材料构成的多微孔层、所谓的多微孔层(mpl)，以便能始终使反应物通行并将产物水导出。


技术实现要素：

4.根据第一方面，本发明提出一种具有独立设备权利要求的特征的、呈多微孔层形式的、用于燃料电池的分配结构，所述特征尤其来自于特征部分。此外，根据第二方面，本发明提出一种具有并列的独立设备权利要求的特征的、相应的燃料电池。由相应从属权利要求、说明书和附图得出本发明的其他特征和细节。在此，在根据本发明的各个方面的背景下描述的特征和细节当然也在根据本发明的别的方面的背景下适用，相应地反之亦然，从而在各个发明方面的公开内容方面始终相互援引或者能够相互援引。
5.根据第一方面，本发明提出一种呈(尤其自承载式)多微孔层形式的、用于燃料电池的分配结构，该分配结构具有：多个颗粒，其中，所述颗粒实施用于提供分配结构的机械稳定性和导电性，其中，在所述颗粒之间构造有多个孔隙，用于通过分配结构分配反应物并且用于引离产物水。对此，根据本发明设置有多个纤维，所述纤维在多微孔层内分配为尤其与所述颗粒混合，使得该分配结构在关于多微孔层的延伸平面的第一平面方向上具有第一(指的是有效的)扩散系数，并且使得该分配结构在关于多微孔层的延伸平面的第二平面方向上具有第二(指的是有效的)扩散系数，其中，第一扩散系数高于第二扩散系数。
6.根据本发明的纤维能够通过纵长的颗粒状材料(partikulare materialien)和/或通过纤维状材料(faserige materialien)来提供。
7.根据本发明的纤维能够与所述颗粒按份额地设置，例如以0.1:1至10:1、尤其是0.5:1至5:1、优选1:2至2:1的(重量)比例。
8.根据本发明的多微孔层能够制造为膜、箔或者幅面，该膜、箔或者幅面能够裁剪，以便为一个或者多个燃料电池提供一个或者多个多微孔层。
9.根据本发明的多微孔层优选是自承载式的。即，在根据本发明的多微孔层能够布置在双极板与膜片的催化剂层之间之前，能够单个地处理该多微孔层。
10.根据本发明，根据本发明的分配结构能够以多微孔层(mpl)的形式实施，其中，借助根据本发明的分配结构能够有利地省去燃料电池内的纤维状气体扩散层(gdl)。
11.根据本发明的分配结构能够至少布置在燃料电池的阴极侧上并且必要时在阳极侧上，或能够布置在燃料电池的阳极侧上并且必要时在阴极侧上。
12.根据本发明的燃料电池能够构造呈燃料电池堆、所谓的燃料电池堆垛的形式，该燃料电池堆具有多个堆叠的燃料电池、优选pem燃料电池。
13.因此，根据本发明的双极板能够有利地适用于移动应用(例如在车辆中)、或者也适用于静止的应用(例如在发电机中)。
14.本发明构思在此在于，将基于颗粒的多微孔层制造为膜或者幅面，在该基于颗粒的多微孔层中混入有纤维状颗粒。因此，基于颗粒的多微孔层在多微孔层的延伸平面(x、y)中在第一平面方向(x)上具有比在第二平面方向(y)上更高的(有效的)扩散系数。在关于多微孔层的延伸平面(x、y)的高度方向(z)上看，即在燃料电池堆的堆叠方向上，该分配结构能够具有第三(有效的)扩散系数，该第三(有效的)扩散系数能够大于或者等于第二(有效的)扩散系数。
15.令人惊讶地表明，当在颗粒状多微孔层内按份额地使用纤维状材料时，其余材料(例如颗粒、尤其是碳纤维、必要时是导电添加剂型胶合剂)的结构、但是尤其还有颗粒之间的孔隙的结构沿着纤维定向。所述材料能够事先例如均匀地混合。该混合能够通过一种工艺必要时利用流化辅助剂、溶剂和/或结合剂优选连续地制造为膜、箔或者幅面，所述工艺例如是首先进行搅拌或者揉捏并且随后进行成型或者是仅进行成型，所述成型例如是刮擦、狭缝铸造、挤出或者挤压。因此，用于反应物的气体扩散路径能够优选构造在膜的或箔的或者幅面的平面中。
16.借助本发明显著地改善燃料电池的催化剂层与气体通道之间的、但是也在双极板的接片下方的材料交换。由于取消基于纤维的气体扩散层(gdl)，能够节省用于纤维状气体扩散层的材料成本和制造成本。此外，能够由此明显减小燃料电池的结构空间和重量。此外能够由此针对较高的功率密度改善从燃料电池中的热量运出(由于多微孔层的与纤维状气体扩散层相比更高的材料密度)。
17.此外，本发明能够在分配结构方面设置：该分配结构在关于多微孔层的延伸平面的高度方向上具有第三扩散系数，其中，该第三扩散系数大于或者等于第二扩散系数。通过这种方式，燃料电池内的气体分配能够优选在多微孔层的延伸平面中执行。同时，由此能够改善从燃料电池中沿燃料电池堆垛的堆叠方向的热量运出。
18.另外，本发明能够在分配结构方面设置：颗粒具有碳材料、碳黑和/或石墨。因此，能够提供导电的且稳定的颗粒，以便提供该分配结构的机械稳定性和导电性。
19.另外，本发明能够在分配结构方面设置：纤维具有碳纤维和/或石墨纤维。因此，能够使用在工业上能制造的纤维，所述纤维像往常一样用于基于纤维的气体扩散层。
20.此外，本发明能够在分配结构方面设置：颗粒具有基本上圆形的或者或椭圆的形状。因此，能够利用像往常一样用于多微孔层的颗粒。通过椭圆的形状，能够有利于所述颗粒并且优选所述孔隙沿纤维方向的定向，以便沿优选的方向(在此称为“沿第一平面方向”)
获得更高的扩散系数。
21.此外，本发明能够在分配结构方面设置：所述颗粒具有达50μm、尤其是5nm至30μm、优选10nm至10μm的直径。所述颗粒也能够作为附聚物存在。因此，能够提供有利的颗粒尺寸，该颗粒尺寸具有多微孔层内的颗粒之间的足够的孔隙度。
22.此外，本发明能够在分配结构方面设置：所述纤维具有2μm至20μm、尤其是5μm至10μm、优选6-8μm的直径。另外，本发明能够在分配结构方面设置：所述纤维具有10μm至6mm、尤其是10μm至500μm、优选50μm至200μm的长度。因此能够提供如下纤维：所述纤维能够影响颗粒和孔隙的定向，并且所述纤维能够提供多微孔层内的颗粒与纤维之间的足够的孔隙度。
23.另外，本发明能够在分配结构方面设置：所述孔隙通过颗粒形孔隙形成物和/或通过纤维形孔隙形成物制造。通过这种方式能够在多微孔层内提供颗粒形区域和/或纤维形区域，所述颗粒形区域和/或纤维形区域能够有利于气体运输和产物水运出。
24.另外，本发明能够在分配结构方面设置：颗粒形孔隙形成物和/或纤维形孔隙形成物具有：糖，盐，聚乙二醇，聚偏二氟乙烯、尤其是聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，和/或颗粒形孔隙形成物和/或纤维形孔隙形成物以可溶于溶剂的方式和/或以能够通过热处理或者辐射分解的方式构造。通过这种方式能够以多种多样的方式制造多微孔层内的孔隙结构。
25.此外，本发明能够在分配结构方面设置：该分配结构优选以1至40重量百分比、尤其是2至30重量百分比、优选5至20质量百分比的总份额具有至少一个或者多个胶合剂、尤其是聚偏二氟乙烯和/或聚四氟乙烯，和/或具有至少一个或者多个辅助材料和/或添加材料、例如自由基清除剂。在胶合剂的情况下或在胶合剂混合物的情况下，混合物中的pvdf份额能够在40与100重量百分比之间。因此，能够提供具有多种多样性能的多微孔层，该多微孔层能够根据需要和要求来构型。
26.此外，本发明能够在分配结构方面设置：自承载式多微孔膜通过下述工艺中的一个工艺制造：刮擦工艺(尤其是在载体箔上的刮擦工艺)，狭缝铸造，挤出，或者挤压。借助这样的工艺能够实现具有几微米的材料厚度的多微孔层的简单且成本有利的制造，该材料厚度能够尤其大于或者等于所述颗粒的直径或能够仅具有少量颗粒层。
27.此外，根据第二方面，本发明提出一种燃料电池，该燃料电池能够具有至少一个分配结构，该分配结构具有各向异性的扩散系数，该分配结构能够以如上所述的方式实施。借助根据本发明的燃料电池实现与在上文中在根据本发明的分配结构的背景下所描述的优点相同的优点。在当前情况下，完全援引这些优点。
附图说明
28.下面，根据附图更详细地阐述本发明和其扩展方案以及其优点。其分别示意性地示出：
29.图1在本发明意义上的分配结构在制造时、例如借助刮擦工艺制造时的示意图，
30.图2在俯视图、横截面和纵剖面中的在本发明意义上的分配结构的示意图，
31.图3在本发明意义上的分配结构在制造时、尤其是在孔隙形成时的示意图，
32.图4在本发明意义上的燃料电池的示意图。
33.在不同的附图中，本发明的相同部件始终设有相同的附图标记，因此，这些部件通
常只描述一次。
具体实施方式
34.图1至图3示出在本发明意义上的用于燃料电池1的分配结构10，该燃料电池在图4中示例性地示出。与分配结构10一样，燃料电池1也构成成本发明的一个方面。
35.图2用于说明在本发明意义上的分配结构10的结构，该分配结构构造呈尤其自承载式多微孔层，其具有多个颗粒11。颗粒11在此实施用于提供分配结构10的机械稳定性和导电性。在颗粒11之间构造有多个孔隙p，用于通过分配结构10分配反应物并且用于引离产物水。
36.根据本发明，在分配结构10的情况下设置有多个纤维12，所述纤维在多微孔层的延伸平面x、y的俯视图中且在沿着第一平面方向x的纵剖面x、z中可见。
37.第一平面方向x在此仅示例性地命名。重要的是，第一平面方向x位于多微孔层的延伸平面x、y中。第一平面方向x是通过纤维12在分配结构10内的定向决定的。第一平面方向x能够由制造决定，例如通过刮擦方向或者通过挤出方向决定。
38.根据本发明的纤维12能够与颗粒11按份额地设置，例如以0.1:1至10:1、尤其是0.5:1至5:1、优选1:2至2:1的比例，该比例例如是重量比例或者质量比例。
39.根据本发明的纤维12在多微孔层内这样分配、尤其是这样与颗粒11混合，使得分配结构10在关于多微孔层的延伸平面x、y的第一平面方向x上具有第一扩散系数d1，并且使得分配结构10在关于多微孔层的延伸平面x、y的第二平面方向y上具有第二扩散系数d2，其中，第一扩散系数d1高于第二扩散系数d2。
40.根据本发明的纤维12能够通过纵长的颗粒状材料以及通过纤维状材料来提供。
41.如上所述且如图1示例性所示，根据本发明的多微孔层能够制造为膜、箔或者幅面，该膜、箔或者幅面能够按形状裁剪，以便为在图4的意义上的一个或者多个燃料电池1提供一个或者多个多微孔层。
42.根据本发明的多微孔层有利地是自承载式的，使得在根据本发明的分配结构10能够布置在双极板bpp与燃料电池1内的膜片m的催化剂层k之间之前，能够单个地处理该分配结构，如图4所示。
43.借助根据本发明的分配结构10能够省去燃料电池1内的纤维状气体扩散层(gdl)。
44.根据本发明的分配结构10能够至少布置在燃料电池1的阴极侧上并且必要时在阳极侧上，或者能够布置在阳极侧上并且必要时在阴极侧上。
45.根据本发明的燃料电池1还能够堆叠成燃料电池堆、所谓的燃料电池堆垛，该燃料电池堆具有多个燃料电池、优选pem燃料电池。
46.根据本发明的分配结构10能够特别有利地用于移动应用(例如在车辆中)、但是也用于静止的应用(例如在发电机中)。
47.因此，基于颗粒的多微孔层在多微孔层的延伸平面x、y中在第一平面方向x上具有比在第二平面方向y上更高的扩散系数。因此，用于反应物的气体扩散路径能够优选构造在多微孔层的延伸平面x、y中。
48.在关于多微孔层的延伸平面x、y的高度方向z上或在燃料电池堆的堆叠方向上，分配结构10能够具有第三扩散系数d3，该第三扩散系数能够大于或者等于第二扩散系数d2。
通过这种方式，燃料电池1内的气体分配能够主要在多微孔层的延伸平面x、y中执行。同时，由此能够改善从燃料电池1中沿燃料电池1的高度方向z的热量运出。
49.本发明认识到在颗粒状多微孔层内使用纤维状材料的情况下令人惊讶的优点。在此，其余材料(例如颗粒11、必要时导电添加剂型胶合剂)的结构、但是尤其还有颗粒11之间的孔隙p的结构沿着纤维12定向。
50.颗粒状多微孔层的各个材料能够事先例如均匀地混合。该混合物、例如均匀的混合物能够通过下述工艺来制造，所述工艺例如是在载体箔101上的刮擦(对此参见图1)，以及狭缝铸造、挤出或者挤压。
51.必要时能够在混合时使用流化剂、分散剂、溶剂和/或结合剂，以便使分配结构10的制造变容易。
52.通过根据本发明的分配结构10，明显改善燃料电池1的催化剂层k与气体通道之间的、也在双极板bpp的接片下方的材料交换。
53.由于取消基于纤维的气体扩散层(gdl)，能够节省用于纤维状气体扩散层的材料成本和制造成本。也能够由此减小燃料电池1的结构空间和重量。此外，能够由此针对较高的功率密度改善从燃料电池1中的热量运出，因为多微孔层能够具有比纤维状气体扩散层更高的材料密度。
54.颗粒11能够具有碳材料、碳黑和/或石墨。颗粒11能够具有基本上圆形的或者椭圆的形状。此外，颗粒11能够具有达50μm、尤其是5nm至30μm、优选10nm至10μm的直径。颗粒也能够作为附聚物存在。
55.纤维12能够具有碳纤维和/或石墨纤维。纤维12能够具有2μm至20μm、尤其是5μm至10μm、优选6-8μm的直径。另外，纤维12能够具有10μm至6mm、尤其是10μm至500μm、优选50μm至200μm的长度。
56.如图3示例性所示，孔隙p能够通过颗粒形孔隙形成物p1和/或通过纤维形孔隙形成物p2来制造。在本发明的框架中能够设想，孔隙形成物p1、p2能够挥发性地、例如以可溶于溶剂102或分散剂的方式或者以不可溶、但能通过热处理w或者辐射l分解的方式构造。
57.能考虑作为本发明意义上的孔隙形成物p1、p2的是：糖，盐，聚乙二醇，聚偏二氟乙烯、尤其是聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯。
58.此外，分配结构10能够优选以1至40重量百分比、尤其是2至30重量百分比、优选5至20质量百分比的总份额具有至少一个或者多个胶合剂、例如聚偏二氟乙烯和/或聚四氟乙烯，和/或能够具有至少一个或者多个辅助材料和/或添加材料、例如自由基清除剂。
59.对附图的上述说明仅在实施例的框架中说明本发明。当然，实施方式的各个特征只要在技术上合理都能够自由地相互组合，而不离开本发明的框架。