本发明专利技术涉及一种碳纤维基础上的气体扩散层（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ －ＧＤＬ），所述气体扩散层用于聚合物－电解质－膜片（ＰＥＭ）燃料电池（ＢＺ）中，其具有结构化亲水物，其中，具有亲水特性的材料从平均畴尺寸０．５至８０μｍ、在气体扩散层内存在作为亲水芯条的金属氧化物的组中选取。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种碳纤维基础上的气体扩散层(Gas Diffusion Layer-⑶L)，该气 体扩散层具有结构化亲水物，其在聚合物-电解质-膜片(PEM)燃料电池(BZ)中使用。
技术介绍
燃料电池是高效能源，其中燃料(典型的是富含氢的气体)和氧化剂(典型的是 空气氧)在PEM两个主面的催化剂层上电化学转换成水。通过电化学反应产生电能和反应 物在形成水的情况下产生反应。PEM在此方面承担半块电池之间的质子传输，其中，电子通 过电极和外部电路用于完成电功。这种类型的燃料电池的主要问题是，膜片和相邻的催化 剂层必要的湿度保持以及所形成的水的排出之间的平衡，否则水充满GDL孔、阻碍气体传 输以及降低输出功率。湿度水平受到一系列因素的影响和控制。阳极和阴极反应气体的增 湿通常用于调整必要的湿度水平。工作条件(电池温度、气体压力和气体化学计量)是影 响膜片和GDL水分的其他影响值。最后燃料电池工作的功率范围也对电池内水含量的平衡 产生重要影响。高电流密度下的运行导致产生高的水含量，这种水含量占主导地位并必须 这样被弓I导，使得以可靠和无干扰的方式实现最佳状态。文献DE 102 60 501A1公开了一种具有用于控制水横向扩散的层的气体扩散电 极。在此方面，气体扩散电极的微孔的GDL与大孔的GDL之间具有由亲水纤维，特别是亲水 碳纤维组成的水横向扩散层。文献WO 2007/139940A2公开了一种用于PEM燃料电池的热量和水管理装置。该装 置由热和导电的亲水的热量和水输送元件组成，该热量和水输送元件从电池的内部向电池 的外部延伸并设置在GDL与电流输出器之间。传输元件由氮化硼、氮化铝、铜-、铝-、镍-合 金、石墨、膨胀石墨、石墨布、石墨纸、铝泡沫、不锈钢泡沫、镍泡沫、聚乙烯醇泡沫、玻璃微纤 维、粗纺毛织物、棉纸、棉布、聚氨酯泡沫、纤维素醋酸酯、聚乙烯吡咯烷酮或者聚丙烯酰胺 组成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种⑶L，该⑶L通过其构造可以保证有效的水管理并因 此在持续的高功率输出情况下以简单方式控制和运行燃料电池。依据本专利技术，依据分类提出的GDL的目的利用权利要求1的特征得以实现。其他 具有优点的构成在权利要求2至10中予以说明。本专利技术还涉及一种按权利要求11至14 所述用于制造依据本专利技术的GDL的方法以及按权利要求15所述GDL的应用。将侧向预先规定的路径置入⑶L内，液态水应在这些路径上聚集，以便可以沿该 路径被传输。亲水芯条上的区域应有针对性地吸出液态水，以便使直接相邻的孔可靠开放 用于气体传输。这些路径可以以如下方式被置入 将亲水纤维加入微孔层(MPL)内，·将亲水纤维置入到MPL/催化剂交界层上，·将纤维置入到衬底/MPL交界层上，·置入具有微米/纳米尺度的亲水物质的印制图形。作为亲水纤维使用无机纤维如氧化铝或者Al203_Si02( “铝硅酸盐”)的混合纤维。 这些纤维被切割或者作为磨碎的纤维来获得。作为其他亲水物质可以考虑基于SiO2(热解 硅酸，fumed silica)、Ti02、Al2O3或者化03的微米或者纳米尺度的颗粒。亲水芯条的侧向和垂直定向在此方面是重要的在小和中等负载范围内，优选这 些范围在流动区的接片上有助于PEMBZ的功率。优选那里存在液态水形式的反应产物。接 片上形成的液态水必须横向于接片排入通道内并避免GDL的大空间注水泛滥。因此必须是 芯条定向理想地与流动区几何形状相一致。为尽可能通用地构成这一点，提出一种蜂巢状 结构，蜂巢状结构具有流动区结构数量级的蜂房宽度，作为选择也适用类似的简单多角形 结构。由此使液态水从反应区的流出变得容易并同时为到反应位置的必要的气体传输创造 自由空间。液态水的传输行程多样构成并需要在三个空间方向上。需要指出的是，液态水聚 集在催化剂-MPL分界面上。这种液态水以蒸汽形式通过MPL并以液态形式重新聚集在衬 底内。这种以蒸汽形式通过MPL(蒸发和再凝结)是引起效率和动力损失的附加过程。液 态水沿亲水畴(DomSne)通过MPL传输(在Z方向上)可以产生功率优点。具体实施例方式实施例1将型号Sigracet GDL 25BA 的碳纤维纸(SGL Technologies GmbH, Meitingen) 利用涂层膏在实验室刮板上涂层(层厚30-50 μ m)并随后在350°C烧结10分钟。向涂层膏 (由77%的乙炔炭黑、23%的聚四氟乙烯(PTFE)和有机胶结物料组成)添加不同量的预磨 碎的氧化铝纤维(事先在水中分散)。样品A(MUSTER A)与膏的固体含量相关0. 16%的氧化铝纤维样品B(MUSTER B)与膏的固体含量相关0.的氧化铝纤维样品C(MUSTER C)与膏的固体含量相关0. 67%的氧化铝纤维涂层内少量的无机纤维就已经使得表面产生明显的亲水性(无纤维的表面由于 层内的PTFE部分而明显疏水)。但电阻也随着纤维比例的增加而上升。权利要求1.碳纤维基础上的气体扩散层，用于具有聚合物-电解质-膜片(PEM)的燃料电池，其 具有结构化亲水物，其特征在于，具有亲水特性的材料从以平均畴尺寸0. 5 μ m-80 μ m、在气 体扩散层内存在作为亲水芯条的金属氧化物的组中选取。2.按权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，金属氧化物从由Si、Al、Ti、B、Sn、& 组成的组中选取。3.按权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴通过疏水畴隔开。4.按权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，疏水畴含有含氟的聚合物或者疏水 的溶胶凝胶，最好从由PTFE、PVDF组成的组中选取。5.按权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴之间的距离处于10μ m到3mm 的范围内。6.按权利要求1-5之一或多项所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴图形状存在。7.按权利要求6所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴线状设置。8.按权利要求7所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴多角形，最好菱形或者六角形设置。9.按权利要求1-8之一或多项所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴与疏水畴的面 积比处于10%至90%，最好40%至60%之间的范围内。10.按权利要求1-9之一或多项所述的气体扩散层，其特征在于，亲水畴由颗粒或者纤 维组成。11.用于制造的气体扩散层的方法，所述气体扩散层用于具有聚合物-电解质-膜片 (PEM)的燃料电池，其包括结构化亲水物，其特征在于，将从溶胶凝胶、金属氧化物前体、挥 发金属化合物的组中选取的精细分散的亲水材料或者其前体以0. 1 μ m至10 μ m的平均粒 度置入气体扩散层内。12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，置入通过丝网印刷或者凹版印刷进行。13.按权利要求11所述的方法，其特征在于，置入借助掩模通过喷涂、激光或者辐射处 理、等离子沉积、化学或者物理气相沉积进行。14.按权利要求11所述的方法，其特征在于，置入a)在气体扩散层的完成以后b)在通过混入亲水纤维制造气体扩散层期间c)在施加疏水和/或者调节孔尺寸的物质之前和/或者d)与施加疏水和/或者调节孔尺寸的物质同时进行。15.按权利要求1-10之一或多项所述的气体扩散层在膜片电极单元、PEM燃料电池、电 化学传感器或者电解电池中的应用。全文本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．碳纤维基础上的气体扩散层，用于具有聚合物－电解质－膜片（ＰＥＭ）的燃料电池，其具有结构化亲水物，其特征在于，具有亲水特性的材料从以平均畴尺寸０．５μｍ－８０μｍ、在气体扩散层内存在作为亲水芯条的金属氧化物的组中选取。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·维尔德，
申请(专利权)人：西格里碳素欧洲公司，
类型：发明
国别省市：DE
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