[發明專利]氣體擴散層以及用于制造氣體擴散層的方法

無效

• 申請號: 200680032854.1
• 申請日: 2006-08-09
• 公開（公告）號: CN101258630A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發明（設計）人: K－D·瓦格納;A·波克;K·撒拉瑪;A·韋勒
• 申請（專利權）人: 卡爾弗羅伊登柏格兩合公司
• 主分類號: H01M8/00
• 分類號: H01M8/00;H01M8/02;H01M4/96
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所
• 代理人: 吳鵬;馬江立

技術領域

本發明涉及一種具有包括纖維的層的氣體擴散層，其中所述纖維部分地設有涂層材料，其中纖維在接觸位置彼此貼合，其中所述層具有面對外界的邊界面。本發明還涉及一種用于制造氣體擴散層的方法，其中包括纖維的層配備有涂層材料，其中所述纖維至少部分地用涂層材料覆蓋。

背景技術

這種氣體擴散層以及方法是由現有技術已知的，并且應用于將化學能轉化為電能的燃料電池中。氣體擴散層具有多大的電阻對于燃料電池的效率具有非常重要的意義。

出于各種原因，氣體擴散層設有涂層材料。這種材料對氣體擴散層的導電性能有重要的影響。

關于這種物理性質，按照現有技術的覆層，由現有技術已知的機械地結合的氣體擴散層，例如無紡布或織物，具有較高的且很少優化的電阻值。

發明內容

本發明的目的在于，設計并進一步改進前述種類的氣體擴散層，使其具有最優的導電性能。

本發明通過權利要求1所述的特征部分來實現前述目的。據此，氣體擴散層的特征在于，在接觸位置和/或邊界面上從纖維上除去涂層材料。

根據本發明首先獲知，纖維具體的區域，即邊界面以及接觸位置，對導電性能有重要影響。然后在第二步中獲知，在氣體擴散層的特定區域選擇性除去涂層材料使氣體擴散層的穩定性和物理化學特性僅在必要的程度上發生改變。最后還獲知，選擇性地局部地除去涂層材料實現了確定的電阻值的可再現性。從邊界面除去涂層材料使得燃料電池結構中相鄰部件的接觸電阻減小。這樣就提供了這樣一種氣體擴散層，該氣體擴散層總是顯示出最優的導電性能。

由此實現了前述目的。

此外，所述目的還由并列的獨立權利要求2的特征部分實現。

如果將一氣體擴散層加熱到一等于或高于熔點、軟化點或燒結溫度的溫度，而在該氣體擴散層中纖維的接觸位置基本上不具有涂層材料，則涂層材料會再次匯流到接觸位置。因此導電性再次顯著惡化，而電阻非常顯著地提高。

電阻應當理解為通過所述層的體積電阻率(Durchgangswiderstand)。可將所述層設置在適當的電極之間來測量電阻。加熱通常會致使電阻至少加倍。如果根據本發明的氣體擴散層在加熱前在室溫(T＝20℃)下具有一電阻，則一次性地單獨通過加熱到涂層材料的熔點、軟化點或燒結溫度下或高于所述溫度會使該電阻增加。在這種情況下，在一次加熱并再次冷卻到室溫后氣體擴散層具有顯著提高的電阻。

在一在結構上特別有利的設計方案中，可將所述層設計成紡織平面構型物。這種具體的設計方案使可能無問題地加工處理已預制的半成品。采用紡織平面構型物確保氣體擴散層具有確定的彈性特性，例如可卷起或可變形。

所述層可包括碳纖維。碳的特征在于特別有利的導電性能。另外碳纖維具有高的剛度、穩定性和低的密度，因此碳纖維適合于制造較輕和較穩定的層。另外，由此背景可以設想，采用碳(素)纖維紙或碳(素)無紡布，該碳素纖維紙或碳素織物確保在燃料電池中出現的反應物能夠良好地到達電極。

涂層材料可設計成疏水劑。例如，可以設想，在疏水設計中可以防止在燃料電池中產生的反應水(Reaktionswasser)封閉氣體擴散層的孔以及阻止氣體流。

還可以設想，涂層材料可設計成親水劑(Hydrophilierungsmittel)。這樣，有利于水在氣體擴散層上的積聚，從而防止所述氣體擴散層完全干燥以及由此導致的質子傳導性的惡化。

根據對氣體擴散層的疏水或親水特性的選擇不同，能夠優化通過氣體擴散層的氣體或液體流，即優化氣體和水管理。這里還可以設想，氣體擴散層同時在部分區域設置有疏水劑，在部分區域設置有親水劑。

涂層材料可用作粘合劑。這種設計允許實現層的纖維之間的化學粘合。這里特別地可以設想，纖維在涂層材料結構上彼此連接，其中纖維彼此貼合的交叉點無涂層材料。粘合劑可包括添加劑，如炭黑，以提高導電性和/或實現親水的中心或較少的疏水中心。

可通過由熱的、化學的或機械的粘合機制/機構的組合來使氣體擴散層穩定。不同粘合機制的組合允許選擇性地調節出氣體擴散層的不同的物理和化學特性。

涂層材料可具有從0到70％體積的比例。完全取決于涂層材料的百分比的選擇，還可以調節層的彈性和機械特性。特別有利地，涂層材料的比例是0到20％體積。通過選擇所述區域，盡管氣體擴散層顯示出令人滿意的疏水性能，也顯示出同樣令人滿意的水存留能力。