制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层的生纸的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术还涉及相应地制造的气体扩散层(GDL)在燃料电池中的应用。按照本发明专利技术，产生优选掺混有金属粉末和/或金属纤维的第一纸幅，并且将形式为至少一个涂层的微孔层(MPL)施加到所述第一纸幅上。接着通过脱粘、烧结、涂层、借助热式ALD工艺的原子层沉积(ALD

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造用于制造针对燃料电池的气体扩散层的生纸的方法
[0001]本专利技术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。本专利技术还涉及相应地制造的气体扩散层(GDL)在燃料电池中的应用。
[0002]在也称为聚合物电解质燃料电池的质子交换膜燃料电池(PEMFC)型的燃料电池中，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邻接的精细的层，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时尤其不利的是，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的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构成，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，产生优选掺混有金属粉末和/或金属纤维的第一纸幅，并且将形式为至少一个涂层的微孔层(MPL)施加到所述第一纸幅上。接着通过脱粘、烧结、涂层、借助热式ALD工艺的原子层沉积(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。
[0011]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(颗粒)尺寸。
[0012]按照一种优选的实施方式规定，涂层通过由现有技术已知的纸张涂刷法、丝网印刷方法或等离子体涂层施加到纸幅上。
[0013]如果在生纸烧结前将涂层施加在纸幅上，则涂层优选具有颗粒尺寸/纤维直径优选为0.4μm至5μm的粉末/纤维，所述粉末/纤维在纸张涂刷法或者丝网印刷法中存在于有机的粘合剂基质中。在烧结之后，在此在GDL或MPL中产生数量级在0.1μm到3μm的孔隙尺寸。
[0014]如果在生纸烧结后将涂层施加在纸幅上，则涂层优选具有由现有技术、例如DE 10 2008 042 415 B3已知的成分。
[0015]可以使用LTDA长间隙涂覆器(LongTimeDwellApplicator)
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辊式涂布机或STDA短间隙涂覆器(ShortTimeDwellApplicator)
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喷嘴式涂布机作为用于涂覆纸张的涂布机。在涂覆之后通过合适的刮刀方法(辊式刮刀/弯刀/硬刀、气刀)进行整平。为了实现涂刷部相对于表面的轮廓，可以通过帘式涂布机或薄膜印刷机(施胶压榨(size press)、凹版涂布机、施胶压榨(Leimpressen))来涂覆涂刷部。通过刀片涂刷能够实现高达30g/m2的涂覆，通过薄膜印刷机能够实现高达7g/m2的涂覆量。
[0016]如果在烧结前借助丝网印刷法将涂层施加在纸幅上，则优选通过辊对辊机器或者胶合板机上的环形筛进行丝网印刷。如果在烧结之后借助丝网印刷法将涂层施加在纸幅上，丝网印刷则优选在单张胶印机(Bogenmaschine)上进行，在此特别优选可以使用环形筛机、例如NotaScreen，或扁平筛机(Flachsiebmaschine)。这里特别优选在印刷机中进行丝网印刷连同其它方法、例如GDL的冲压和可能的附加的压印。
[0017]如果借助等离子体涂层进行涂覆，则优选将金属粉末输入等离子体头并且喷洒到纸幅上。通过等离子体能量使金属颗粒相互"结块"。金属粉末的颗粒尺寸应当选择为，使得产生期望的孔隙尺寸。颗粒尺寸为0.4μm到5μm的非常精细的粉末产生数量级为0.1μm到3μm的孔径。等离子体涂层可以在烧结之前或之后实现。在烧结之后优选用单张进纸方法(Bogenverfahren)实现。
[0018]针对等离子体涂层，特别优选使用大气的热等离子体，其熔化金属颗粒/晶粒，从而使金属颗粒/晶粒与纸纤维或基材连接。针对MPL应当注意的是，熔化过程只涉及金属颗粒的表面，由此基本上仍保持金属颗粒的形状，并且由此形成期望的多孔结构。
[0019]按照一个优选的实施方式规定，将水印引入至少一个纸幅中。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。
[0020]在此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筛网(Wasserzeichensieb)的取决于设计的结构化以及与之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。
[0021]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。
[0022]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
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Wasserzeichen)。通过压印降低了纸的厚度本文档来自技高网...

【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，产生优选掺混有金属粉末和/或金属纤维的第一纸幅，并且将形式为至少一个涂层的微孔层(MPL)施加到所述第一纸幅上。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层通过纸张涂刷法、丝网印刷法或者等离子体涂层施加在纸幅上。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述涂层在生纸烧结之前施加在纸幅上并且具有颗粒尺寸优选为0.4μm至5μm的粉末，其中，所述粉末在纸张涂刷法或者丝网印刷法中存在于有机的粘合剂基质中。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述涂层在生纸烧结之后施加在纸幅上。5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述涂层设计为多层的，其中，不同的层具有不同的颗粒尺寸和/或不同的层厚，和/或局部地和/或结构化地施加在生纸的在燃料电池中朝向催化剂层(CL)或双极板(BPP)的一侧上。6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在施加涂层之前形成至少一个其它纸幅，所述至少一个其它纸幅在仍潮湿状态中与所述第一纸幅结合并且固定地连接。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅和/或每个其它纸幅在环形筛造纸机和/或短成型机中产生，其中，将纸料喷洒到环形筛上。8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅具有比所述第二纸幅更高的密度，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
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：