[發明專利]氣體擴散層

有效

• 申請號: 201880024845.0
• 申請日: 2018-04-04
• 公開（公告）號: CN110506352B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: R·德布魯伊克;D·戈森斯;K·辛哈維;J·德貝爾德梅克
• 申請（專利權）人: 貝卡爾特公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 董莘

一種用于電解槽或燃料電池的氣體擴散層，包括：金屬纖維的第一無紡層，被設置為用于與質子交換膜接觸；金屬纖維的第二無紡層；以及第三多孔金屬層。金屬纖維的第一無紡層包括第一當量直徑的金屬纖維。金屬纖維的第二無紡層包括第二當量直徑的金屬纖維。第二當量直徑大于第一當量直徑。第三多孔金屬層包括開孔。第三多孔金屬層的開孔大于金屬纖維的第二無紡層的開孔。第二無紡層被設置在第一無紡層和第三多孔金屬層之間并且與其接觸。第二無紡層被冶金結合到第一無紡層和第三多孔金屬層。第三多孔金屬層的厚度是第一無紡層的厚度的至少兩倍，優選地至少三倍。

技術領域

本發明涉及如例如用于電解槽和燃料電池的氣體擴散層的領域。

背景技術

WO 03/059556 A2公開了一種用于燃料電池或電解槽的堆疊。該堆疊包括不可滲透的金屬結構、第一金屬纖維層、以及第二金屬纖維層。不可滲透的金屬結構被燒結到第一金屬纖維層的一側，而第二金屬纖維層被燒結到第一金屬纖維層的另一側。向燃料電池或電解槽中的PEM(質子交換膜)提供第二金屬纖維層作為接觸層。堆疊的平面透氣率大于0.02l/min*cm。

發明內容

本發明的第一方面是一種用于電解槽或燃料電池的氣體擴散層。該氣體擴散層包括：金屬纖維的第一無紡層，被設置為用于與質子交換膜接觸(其可以涂覆有催化劑)；金屬纖維的第二無紡層；以及第三多孔金屬層。金屬纖維的第一無紡層包括第一當量直徑的金屬纖維。金屬纖維的第二無紡層包括第二當量直徑的金屬纖維。第二當量直徑大于第一當量直徑。第三多孔金屬層包括開孔。第三多孔金屬層的開孔大于金屬纖維的第二無紡層的開孔。第二無紡層被設置在第一無紡層和第三多孔金屬層之間并且與其接觸。第二無紡層被冶金結合到第一無紡層和第三多孔金屬層。第三多孔金屬層的厚度是第一無紡層的厚度的至少兩倍，并且優選地至少三倍，更優選地至少五倍。

提供第一無紡層以用作與質子交換膜(PEM)的接觸層。使用細纖維具有益處，因為提供了與PEM的大接觸面積以用于發生電化學反應；并且由于在第一無紡層中使用細纖維而存在的細孔允許毛細作用，以用于高效的質量輸送進出PEM處的反應位點。第三多孔層的孔比第一無紡層的孔大；積極效果是高效的平面質量流入和流出。由于第三多孔層的厚度，平面流動得到進一步改善，從而為平面質量流動提供了大的橫截面。

盡管金屬纖維的第二無紡層的存在對分子通過平面的流入和流出產生負面影響——并且因此由于流動減少而增加了所需的電解槽的過電壓，所以對電解槽或燃料電池的功能產生負面影響——使用中間的金屬纖維的第二無紡層提供了特別的益處。已經注意到，將第一無紡層直接冶金結合到第三多孔金屬層上非常麻煩且不可靠，其結果是早期結合失效，并且在操作壓力下的通過氣體擴散層的厚度的電阻更高。各層之間的冶金結合至關重要，因為這種結合提供了各層之間的低電阻。因為各層的孔尺寸的差異，所以在第一無紡層和第三多孔金屬層之間提供第二無紡層確保可以提供各層之間可靠的冶金結合，從而減小了需要彼此直接結合的、組成各層的金屬結構的尺寸。益處是降低氣體擴散層的歐姆電阻，降低電解槽的過電壓，并且提高氣體擴散層的機械穩定性。兩個無紡層的表面上不可避免地存在一定量的毛羽(hairiness)。因此，來自第一無紡層的纖維會刺入第二無紡層中的一定程度，并且第二無紡層的金屬纖維會刺入第一無紡層和第三多孔層中的一定程度。這種刺入增強了金屬接觸和冶金結合，兩者都有利于降低氣體擴散層的歐姆電阻，降低電解槽的過電壓，并且改善氣體擴散層的機械穩定性。

纖維的當量直徑意指具有與該纖維的橫截面相同的表面積的圓的直徑，該纖維的橫截面不一定為圓形。

可以以幾種方式觀察無紡層或第三多孔金屬層的孔尺寸。可以制作貫穿氣體擴散層的厚度的橫截面，并且可以在顯微鏡下分析橫截面，其中孔和它們的尺寸變得可見。更先進的方法是氣體擴散層的X射線斷層攝影。

優選地，第二當量直徑比第一當量直徑大至少50％。

第二無紡層被冶金結合到第一無紡層和第三多孔金屬層。冶金結合可以例如借助于燒結或借助于焊接(例如，借助于電容放電焊接，CDW)進行。