[發明專利]導電性和氣體滲透率改進的氣體擴散層

有效

• 申請號: 201280046286.6
• 申請日: 2012-09-07
• 公開（公告）號: CN103828105A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 彼得·維爾德;魯迪格爾·施魏斯;斯特凡·福雷羅;梅拉尼·哈伯科恩;蒂姆·舒伯特
• 申請（專利權）人: 西格里碳素歐洲公司;未來碳有限責任公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/00
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張爽;郭國清

技術領域

本發明涉及氣體擴散層，制造這樣的氣體擴散層的方法，這樣的氣體擴散層的用途，氣體擴散電極，和這樣的氣體擴散電極的用途。

背景技術

這種氣體擴散層和氣體擴散電極用于許多不同應用中，尤其是用于燃料電池中、電解電池和電池中。燃料電池為如下的電化學電池，其已被建議例如代替內燃機用作機動車輛中的推進源。在燃料電池工作時，例如氫或甲醇的燃料與通常是空氣的氧化劑在催化劑存在下發生電化學反應，在氫作為燃料時生成水，和在甲醇作為燃料時生成水和二氧化碳。針對該目的，聚合物電解質膜（PEM）燃料電池包括如下的膜電極組件（MEA），其由薄的、可透過質子的、非導電的固體聚合物電解質膜組成，其中在所述膜的一側上設置有陽極催化劑，和在所述膜的相對側上設置有陰極催化劑。在PEM燃料電池工作時，在所述陽極處，從所述燃料釋放出質子和電子，并且這些質子和電子在陰極處和氧發生反應形成水。由于所述質子從所述陽極穿過所述聚合物電解質膜輸送至所述陰極，所述電子通過外部的電路從所述陽極遷移到所述陰極。在所述陽極和所述陰極之間形成的電壓可以用于例如驅動電機。

為了確保所述燃料電池中高效且特別是恒定的氣體輸送，特別是高效和恒定地將反應氣體氫氣輸送至所述陽極和將氧氣輸送至所述陰極，在所述MEA相對的兩側上通常設置有多孔的氣體擴散介質或氣體擴散層（GDL）。每個氣體擴散層在其與所述MEA最遠的一側和分隔所述燃料電池和鄰近燃料電池的雙極板接觸。除了保證將所述反應氣體高效和均勻地輸送至所述電極之外，所述氣體擴散層也負責確保將所述燃料電池中形成的作為反應產物的水從所述燃料電池中移除。所述氣體擴散層也用作集流體和導電體，將在所述陽極處釋放出的電子傳輸到相應的雙極板，并經由該雙極板從所述燃料電池中導出，并通過設置在所述燃料電池另一側上的雙極板向所述陰極輸送電子。為了能夠實施這些功能，氣體擴散層必須具有盡可能高的導電性和高的氣體滲透率。

這樣的氣體擴散層通常由多孔的碳纖維紙或碳纖維織物構成。為了在燃料電池工作時防止水浸入所述氣體擴散層的孔，這會完全阻止氣體在所述氣體擴散層中的輸送，通常將至少在所述氣體擴散層朝向所述MEA的一側設計為疏水的，例如在該側面上涂覆疏水物質或使所述氣體擴散層浸漬以疏水物質。此外，在所述碳纖維紙或所述碳纖維織物朝向所述MEA的一側上通常設置有微孔層（MPL），該微孔層增強所述燃料電池內部水分的輸送，并將所述氣體擴散層電連接至相鄰的催化劑層，從而不僅提高所述氣體擴散層的性能和使用壽命，同時也提高所述燃料電池的性能和使用壽命。這樣的微孔層通常由碳黑和疏水聚合物例如聚四氟乙烯的混合物組成，其中，所述碳黑產生導電性，而所述疏水聚合物旨在防止水浸入所述氣體擴散層。這樣的微孔層通常通過以下方式制備：將包含碳黑、疏水聚合物和作為分散介質的水的分散體沉積到由碳纖維紙或碳纖維織物制成基底上，和然后干燥去除所述分散介質。為了改善所述微孔層的性能，之前已經提出在碳黑和疏水聚合物的混合物中添加碳納米管或碳納米纖維。為了能夠滿足其功能，所述微孔層還必須具有盡可能高的導電性和氣體滲透率。

然而，當前已知的氣體擴散層，并且尤其是其微孔層仍然需要改進，特別是在其導電性和氣體滲透率方面仍然需要改進。難以同時改進這兩種性能，因為這樣的層的氣體滲透率和導電性無法相互關聯，而是相反，在例如通過提高孔隙率改進氣體滲透率時通常會導致導電性的降低，而且相反地，提高導電性通常會降低氣體滲透率。為了用作機動車輛的推進源，目前燃料電池實現的電流密度必須從1.5A/cm²提高至高于2A/cm²。同時必須降低使用昂貴催化劑材料，通常為鉑，的催化劑層的負載量，以便將燃料電池的成本降低至可接受的范圍。然而，尤其是在電流密度高時，燃料電池的輸出主要受到其電阻和將所述反應氣體傳質至所述催化劑層的限制。因此，只有在所述氣體擴散層的導電性的和氣體滲透率都提高的情況下才可能實現電流密度必要的提高和催化劑負載量的降低。

發明內容

因此，本發明的目的在于提供一種氣體擴散層，該氣體擴散層具有提高的導電性，并且同時具有氣體滲透率更高的特征。

根據本發明，該目的通過如下的氣體擴散層而實現，該氣體擴散層包含微孔層和含碳材料的基底，其中在具有如下步驟的方法中能夠獲得所述氣體擴散層：