用于制造针对燃料电池的气体扩散层的生纸制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸，本发明专利技术还涉及一种制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸的方法，按照本发明专利技术，所述生纸具有至少一个第一纸幅，在所述第一纸幅中引入至少一个水印。所述水印在此形成用于由所述生纸制造的气体扩散层(GDL)的流场或者气体分布结构的结构化部。第一纸幅特别优选掺混有金属粉末和/或金属纤维。在脱粘、烧结、涂层、原子层沉积(ALD

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造针对燃料电池的气体扩散层的生纸
[0001]本专利技术涉及一种用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸。本专利技术还涉及一种制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸的方法。
[0002]在也被称为聚合物电解质燃料电池的质子交换膜燃料电池(PEMFC)型燃料电池中，通过所谓的双极板(BPP)和气体扩散层(GDL)实现向涂覆有催化性的铂的膜(也称为CL或催化剂层)上的气体分布。两个双极板之间的整个结构也称为膜电极组件(MEA)。
[0003]在氢气和氧气的催化氧化作用下，燃料电池产生电流、水蒸气和热量。
[0004]对于汽车领域，一种GDL得到了普遍认同，该GDL由例如通过碳纤维构成的纤维材料和由钢构成的经涂层的BPP制造。纤维材料在此可以实施为纺织织物/针织织物或实施为通过造纸技术制造的纤维垫，所述纤维垫例如由DE 10 2008 042 415B3已知。该GDL还可以由两个层构成，即与CL邻接的精细层，和与BPP以及流场邻接的较粗糙的层。
[0005]通过造纸技术制造的纤维垫被称为生纸或烧结纸(Sinterpapier)，该生纸或烧结纸在后续的工作步骤之一中脱粘和/或烧结并且由此被进一步处理成GDL。
[0006]在基于碳纤维制造GDL时特别不利的是，碳纤维及其进一步处理的成本相对较高。此外，碳纤维对压力敏感，这可能导致纤维断裂，进而可能损坏CL/PEM。此外，碳纤维可能会弯曲或膨胀，并且在此进入BPP的通道中，由此减少气体和水的流通并且使燃料电池的效率受到影响。此外，GDL孔隙率仅能够有限地被调节并且对于具有由粗大的和精细的孔隙率构成的组合的双层GDL需要至少两个附加的工作步骤。
[0007]最后，流场必须完全由BPP形成，因为由现有技术中已知的GDL不提供结构化的可能性。为此，必须对BPP进行压印或对生纸进行处理，以针对流场实现气体分布结构或结构化。这通常是单独的、耗费的工作过程。
[0008]因此，本专利技术所要解决的技术问题在于，改进按照本专利技术所述类型的用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸以及按照本专利技术所述类型的制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸的方法，以消除现有技术的缺陷。
[0009]所述技术问题通过独立权利要求的特征实现。本专利技术的扩展设计是从属权利要求的技术方案。
[0010]按照本专利技术，生纸具有至少一个第一纸幅，在该第一纸幅中引入至少一个水印。该水印在此形成用于由生纸产生的气体扩散层(GDL)的流场或气体分布结构的结构化部。特别优选的是，第一纸幅掺混有金属粉末和/或金属纤维。在脱粘、烧结、涂层、原子层沉积(ALD
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atomic layer deposition)和必要时的其它过程步骤之后形成最终的GDL。
[0011]本专利技术还涉及一种制造用于制造气体扩散层(GDL)的生纸的方法，在该方法中，产生至少一个掺混有金属粉末和/或金属纤维的第一纸幅，在所述第一纸幅中引入至少一个水印。接着借助热式ALD工艺通过脱粘、烧结、涂层、原子层沉积(ALD
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atomic layer deposition)和必要时的其它过程步骤处理该纸幅以形成最终的GDL。
[0012]在进行烧结之后，生纸的所有有机成分被热解并且因此不再包含于GDL中，GDL几乎仅由金属框架组成。根据目前的观点，金属框架的孔隙率尤其取决于纸幅的纤维密度、金属粉末和/或金属纤维和所添加的添加剂的(晶粒)尺寸。
[0013]令人惊奇的是，通过将水印引入生纸的纸幅中，可以对造纸商制造的生纸进行结构化，使得能够省去或者至少更简单地实施BPP的耗费的压印或对生纸或者由生纸制造的GDL的后续处理。
[0014]按照本专利技术，通过将相应的水印集成到造纸机环形筛上的水印层中，将后续的流场集成到生纸中而无需单独的工作过程。在此能够在没有特别的耗费的情况下通过水印网(Wasserzeichensieb)的取决于设计的结构化以及相关的纸的厚度调制来实现流场通道的每个任意的形状和分级。为了提高结构化部的分辨率，也可以例如由EP 1432868 A1或WO 2014/040706 A1已知地使用高分辨率的或多级的水印。
[0015]本专利技术范畴中的水印是真水印，其中，纸的厚度改变，然而纸的密度不变。纸在此具有相对于相邻的区域厚度更大和/或更小的区域，其中，纸的密度在所有区域中都相同。这种水印可以在造纸过程中引入纸幅中，方式为例如将凹部或者突起部引入环形筛中，在由纸浆产生纸时有或多或少的纸纤维聚集在所述凹部或突起部处。然而水印也可以事后地引入纸幅中，方式为例如机械地通过铣削或者通过激光去除部分纸。
[0016]备选地，伪水印也是可行的，其中，在例如将纸幅从环形筛上取下之后通过压印过程对仍湿润的纸幅进行压印。这种水印也称为压印辊水印(Egoutteur
‑
Wasserzeichen)。通过压印降低了纸的厚度，然而其中，同时增加了纸的密度。纸纤维因此被压实或压缩。这种压实的优点是，防止过多的气体在通道的前部区域中就已经通过GDL朝向催化剂层(CL)的方向扩散并且因此它确保了更均匀的气体分布。
[0017]特别优选地，真水印和伪水印可以相互组合，方式为例如由真水印形成水印的部分而由伪水印形成其它部分。
[0018]按照另一优选的实施方式规定，生纸由第一纸幅和至少一个第二纸幅组成。在此，生纸由第一纸幅和至少一个第二纸幅构成。第二纸幅在仍然湿润的状态中与第一张纸幅结合在一起并固定地连接。第二和/或任何其它纸幅在此也可以具有水印。
[0019]第一纸幅和/或至少一个第二纸幅在此可以在环形筛造纸机中产生。备选地，第一纸幅和/或至少一个第二纸幅也可以在短成型机(Kurzformer)中产生，在短成型机中，纸料被喷洒到环形筛上。这些制造方法由WO 2006/099971 A2已知用于制造安全文件或有价文件、例如钞票或身份证，并且也是按照本专利技术优选的用于由至少一个纸幅制造GDL的方法。
[0020]因此在工作过程中形成由金属粉末和/或金属纤维填充的高度填充的生纸，该高度填充的生纸根据DE 10 2008 042 415 B3通过至少两种不同的配方处理成具有不同特性的组合生纸。这对于燃料电池的情况例如是具有精细的孔的较薄的层和具有粗大的孔的较厚的层。两个纸幅之间的孔隙率也可不同。
[0021]此外，特别有利的是，生纸由两个纸幅组成，所述纸幅分别具有水印，其中，第一纸幅的水印的结构和第二纸幅的水印的结构不相同，而是恰好在面中和沿着材料厚度的方向镜像对称。换言之，第一纸幅的水印结构相对于第二纸幅的水印结构发生了180
°
的相移。这意味着，当第一纸幅和第二纸幅通过其由水印进行结构化的一侧接合时，第一纸幅的突起部与第二纸幅的凹部重合。该实施方式所具有的特别的优点是，在烧结之后，第一纸幅和第二纸幅可以具有不同的孔隙率。例如朝向膜的第一纸幅在烧结后具有20％至75％的较低的孔隙率，而第二纸幅在烧结后具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸，其特征在于，所述生纸具有至少一个第一纸幅，在所述第一纸幅中引入至少一个水印，其中，所述水印形成用于由所述生纸制造的气体扩散层(GDL)的流场的结构化部。2.根据权利要求1所述的生纸，其特征在于，所述水印为真水印，在所述真水印中，纸的厚度变化而纸的密度不变，和/或所述水印为伪水印，在所述伪水印中，纸的厚度减少，然而其中，纸的密度同时增加。3.根据权利要求1或2所述的生纸，其特征在于，所述生纸具有第一纸幅和至少一个第二纸幅。4.根据前述权利要求之一所述的生纸，其特征在于，所述水印设计为凹部，所述凹部的形式为至少一个通道。5.根据前述权利要求之一所述的生纸，其特征在于，所述水印较少地或几乎没有被结构化，以便在GDL中产生配准标记、定位辅助、定心辅助或流通口的开端。6.根据前述权利要求之一所述的生纸，其特征在于，所述燃料电池的阳极侧和阴极侧的水印的结构不相同，而是在面中并且沿着材料厚度的方向精确地镜像对称。7.一种制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层(GDL)的生纸的方法，其特征在于，产生至少一个第一纸幅，所述第一纸幅优选掺混有金属粉末和/或金属纤维，其中，在所述纸幅中引入至少一个水印，以便形成用于由生纸制造的气体扩散层(GDL)的流场的结构化部。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述水印由真水印形成，在所述真水印中，纸的厚度变化而纸的密度不变，和/或所述水印由伪水印形成，在所述伪水印中，纸的厚度减少，然而其中，纸的密度同时增加。9.根据权利要求7或8所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：捷德货币技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：