燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极制造技术

本实用新型专利技术公开了一种燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极，该膜电极包括该气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，所述纤维毡包括两层金属纤维：第一金属纤维层和第二金属纤维层，所述第一金属纤维层纤维的当量直径小于所述第二金属纤维层纤维的当量直径，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。由此使得扩散层具有最佳的平面空气渗透性并且接触层具有相对较小的空气渗透性，因此这些气体以最佳的方式在整个质子交换膜表面上进行扩散。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极，该膜电极包括该气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，所述纤维毡包括两层金属纤维：第一金属纤维层和第二金属纤维层，所述第一金属纤维层纤维的当量直径小于所述第二金属纤维层纤维的当量直径，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。由此使得扩散层具有最佳的平面空气渗透性并且接触层具有相对较小的空气渗透性，因此这些气体以最佳的方式在整个质子交换膜表面上进行扩散。【专利说明】燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极
本技术涉及一种气体扩散层，该气体扩散层用在燃料电池或者电解槽中；具体涉及一种膜电极中的气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡。
技术介绍
燃料电池和电解槽中的膜电极，常常由三层组成，中间层为交换膜，两侧分别是多孔阴极催化气体扩散层和多孔阳极催化气体扩散层。这些气体扩散层被加入来与交换膜，通常是质子交换膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)相结合，以在燃料电池或者电解槽中得到一些用于电化学反应的独立电池。气体扩散层可以与本身具有催化剂成分的PEM直接接触，或者通过催化剂本身形成所谓的“催化剂层”，位于气体扩散层和PEM之间，提供接触，因此，该催化剂层也可称作“接触层”。通过扩散层提供到接触层中的气体被充分地保留以在所谓的接触层上产生电化学反应。接触层和可能的扩散层可以由疏水物质(例如借助注入疏水成分如Teflon?)或者亲水物质形成。根据气体扩散层在燃料电池或者电解槽中的位置，产生化学反应，在这种反应中，e_、质子(H+)和气体在PEM附近被消耗或者提供。H+通过PEM提供或者排出到电化学反应中。因此，在催化剂本身形成的催化剂层和PEM之间的接触将尽可能地完全，因为电化学反应产生在催化剂层上，该层靠近PEM的表面。扩散层尽可能多地使气流分散在接触层的整个表面上，以尽可能充分地使用目前的催化剂成分，从而在PEM的整个表面上提供e_和H+。扩散层的例子公开在W02003/061042和W02003/059556中。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种用在燃料电池或者电解槽中的改进气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，该纤维毡由两层金属纤维组成:第一金属纤维层和第二金属纤维层；其中第一金属纤维层纤维的当量直径小于第二金属纤维层纤维的当量直径，并且第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。“金属纤维的当量直径”表示假想圆的直径，该假想圆具有与金属纤维的横截面相同的表面积。 优选的,一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括上述气体扩散层和隔膜，气体扩散层的第一金属纤维层一侧直接与隔膜相接触，第二金属纤维层被烧结到所述第一金属纤维层的另一侧部上。这种膜电极中的隔膜，例如PEM，本身上具有催化剂成分，通过扩散层提供到隔膜表面的气体被充分地保留以产生电化学反应。优选的，一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括上述气体扩散层和隔膜，还包括一个催化剂层；第一金属纤维层一侧通过该催化剂层与隔膜相接触，第二金属纤维层被烧结到第一金属纤维层的另一侧部上。这种膜电极中催化剂层上含有催化剂成分，通过扩散层提供到接触层中的气体被充分地保留以产生电化学反应。该催化剂层用来在气体扩散层中的第一金属纤维层和所述隔膜之间提供接触，因此，也可以称作“接触层”。用来提供第一金属纤维层的纤维当量直径小于25 μ m,优选的，小于20 μ m ;最优选的小于15μπ?。可能的是，一种以上的不同当量直径的金属纤维用来提供第一金属纤维层。用来提供第二金属纤维层的纤维当量直径大于30 μ m,优选的，大于40 μ m ;最优选的小于50 μ m。可能的是，一种以上的不同当量直径的金属纤维用来提供第二金属纤维层。第一金属纤维层纤维的质量占第一金属纤维层以及第二金属纤维层纤维总质量的质量百分比小于35%,,优选的，小于25% ;最优选的小于20%。可能的是,第一金属纤维层的纤维克重小于第二金属纤维层的纤维克重。优选的，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过切削(shaved)得到的，这种金属纤维横截面包含一个等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边，往往是矩形横截面。更优选的，通过上述切削法(shaved)得到用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维的横截面至少有一条边长度相等。满足该要求的可选方法之一是，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维是由同一片金属薄片切削得到的，从而保证了第一金属纤维层的金属纤维和第二金属纤维层的金属纤维的横截面至少有一条边长度相等。通过此法得到的金属纤维在具有矩形横截面的同时，其当量直径偏差也很小。优选的，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过机械加工(machined)得到的，通过此法得到的金属纤维往往具有不规则的横截面，包含一个小于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边，例如，不规则锥形。此法是利用机械工具，例如自旋转车刀，从金属工件上加工得到金属纤维。通过此法得到的金属纤维当量直径偏差相对较大；但是本技术中，用来提供第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维当量直径之间的标准偏差均小于25%。纤维当量直径之间的标准偏差较小可以很好的满足金属纤维之间的一致性，特别是由当量直径较小的金属纤维组成本技术气体扩散层中的第一金属纤维层，对金属纤维一致性要求更高。综上所述，组成本技术气体扩散层的两层金属纤维层，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过同一种加工方法获得的，不管是第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边(shaved)或者均包含一个小于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边(machined);显然地，通过同一种加工方法获得两种不同当量直径的金属纤维，简单方便，经济实惠。优选的，用来提供金属纤维的金属纤维是不锈钢纤维、镍纤维或者镍合金纤维或者Ti纤维。在是不锈钢纤维的情况下，优选的，使用Fe-N1-Cr合金，如系列AIS1-300的合金，优选的AISI316L或者Fe-Cr合金如系列AIS1-400的合金。借助使用目前公知的技术如集束拉拔(bundle drawing)、卷削(coil shaving)、机械加工(machined)或者任何其它生产技术，可以得到金属纤维。可能的是，合适的催化剂放置形成催化剂层(接触层)，该层的侧部直接接触PEM;另一方面，催化剂直接放置在PEM的表面上。由于用来提供扩散层第一金属纤维层的当量直径较小并且该层的克重较小，因此在接触层和PEM之间或者扩散层直接和PEM之间可以得到非常高的接触度。此外，由于接触PEM的扩散层的第一金属纤维层的纤维当量直径较小，更加柔软，容易变形；所以在使用时，从接触层或者PEM的基本平的表面伸出的金属纤维不会穿过PEM，但是在装配和使用燃料电池或者电解槽期间，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：D·米克斯，F·韦沙瓦，
申请(专利权)人：贝卡尔特公司，
类型：实用新型
国别省市：