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。按照本发明专利技术，形成第一纸幅并且形成第二纸幅，将所述第二纸幅在仍湿润的状态中与所述第一纸幅结合并且牢固地连接。第一纸幅和第二纸幅优选掺混有金属粉末和/或金属纤维并且与必要时的其它成分和/或涂层共同形成生纸。在脱粘、烧结、涂层、(热式)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。
[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]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用于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点。
[0008]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。
[0009]按照本专利技术，形成第一纸幅并且形成第二纸幅，将所述第二纸幅在仍湿润的状态中与所述第一纸幅结合并且牢固地连接。第一纸幅和第二纸幅优选掺混有金属粉末和/或金属纤维并且与必要时的其它成分和/或涂层共同形成生纸。在脱粘、烧结、涂层、(热式)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。在烧结之后，生纸的所有有机的成分都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。
[0010]可以使用纳米尺寸的所有金属粉末和金属纤维、例如由DE 10 2008 042415B3已知的钛、铜、锌或不生锈的精炼钢作为用于烧结纸的填充材料。在此重要的是，针对成型层和环形筛层使用不同的混合物，以便实现纸层的不同的孔隙率。成型层在此设计得比环形筛更精细。在成型层中也可以使用纳米粉末。
[0011]第一纸幅和/或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。
[0012]因此在工作进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方案处理成具有不同特性的组合的生纸。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。
[0013]按照一种优选的实施方式规定，第一纸幅具有比第二纸幅更高的密度。第一纸幅的密度例如为3g/cm3至10g/cm3，第二纸幅的密度为1g/cm3至5g/cm3。第一纸幅在此特别优选由比第二纸幅更精细的纸纤维浆形成，这相应地使得在烧结纸的该局部区域中产生更精细的孔。
[0014]第一纸幅的厚度优选为5μm至50μm、特别优选10μm至20μm，第二纸幅的厚度为50μm～至400μm，特别优选为80μm至200μm。
[0015]按照另一优选的实施方式，可以将其它纸幅施加到第一纸幅和第二纸幅上。这或者如第一和第二纸幅那样在造纸机的湿区中实现或者事后地通过层压实现。在此，所有纸幅可以具有不同的孔隙率或不同的通道状的结构，所述通道状的结构例如具有不同的长度或者不同的直径。特别优选地，孔隙率不同的纸幅可以组合以形成具有孔隙率梯度的纸堆。由此能够特别有利地在燃料电池内实现更均匀的气体分布。
[0016]在一个或多个纸幅中，还可以引入形式为水印的用于水传输的附加的通道。所述附加的通道用于水的平衡的传输并且具有特别的优点，即PEM电池既不会被淹没也不会干燥，因为这两者都会对电池的效率产生不利影响。此外，水通道也可用于电池的持续的冷却。
[0017]此外，特别有利的是，在第一纸幅和第二纸幅中分别引入水印，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，并且第二纸幅在烧结后具有30％至90％的较高的孔隙率，从而第二纸幅几乎不用作对气体的阻力，而是仅用作相对于双极板的间隔装置。以此方式能够将最佳的气体分布与最佳的可堆叠性和机械压力在整个PEM膜上的最佳均匀分布相结合。特别有利的是，在第一纸幅和膜之间存在微孔层(MPL)，该微孔层具有精细表面，该精细表面与第一纸幅和第二纸幅相比具有更小的粗糙度和更小的孔。
[0018]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。
[0019]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，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，形成第一纸幅(20)并且形成第二纸幅(30)，将所述第二纸幅在仍湿润的状态中与所述第一纸幅(20)结合并且牢固地连接，其中，所述第一纸幅(20)和所述第二纸幅(30)共同形成所述生纸。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅(20)和/或第二纸幅(30)在环形筛造纸机(12、14)中制造。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅(20)和/或第二纸幅(30)在短成型机(40)中产生，其中，纸料被喷洒到环形筛(44)上。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅(20)具有比所述第二纸幅(30)更高的密度，所述第一纸幅例如具有3g/cm3至10g/cm3的密度，所述第二张纸幅例如具有1g/cm3至5g/cm3的密度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一纸幅(20)由比所述第二纸幅(30)更精细...

【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：