燃料電池或者電解槽中的氣體擴(kuò)散層和膜電極的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種燃料電池或者電解槽中的氣體擴(kuò)散層和膜電極，該膜電極包括該氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層包括燒結(jié)金屬纖維氈，所述纖維氈包括兩層金屬纖維：第一金屬纖維層和第二金屬纖維層，所述第一金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑小于所述第二金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑，所述第一金屬纖維層纖維和所述第二金屬纖維層纖維的橫截面均包含一個小于等于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊。由此使得擴(kuò)散層具有最佳的平面空氣滲透性并且接觸層具有相對較小的空氣滲透性，因此這些氣體以最佳的方式在整個質(zhì)子交換膜表面上進(jìn)行擴(kuò)散。
【專利說明】燃料電池或者電解槽中的氣體擴(kuò)散層和膜電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層用在燃料電池或者電解槽中；具體涉及一種膜電極中的氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層包括燒結(jié)金屬纖維氈。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池和電解槽中的膜電極，常常由三層組成，中間層為交換膜，兩側(cè)分別是多孔陰極催化氣體擴(kuò)散層和多孔陽極催化氣體擴(kuò)散層。
[0003]這些氣體擴(kuò)散層被加入來與交換膜，通常是質(zhì)子交換膜(Proton ExchangeMembrane,PEM)相結(jié)合，以在燃料電池或者電解槽中得到一些用于電化學(xué)反應(yīng)的獨(dú)立電池。氣體擴(kuò)散層可以與本身具有催化劑成分的PEM直接接觸，或者通過催化劑本身形成所謂的“催化劑層”，位于氣體擴(kuò)散層和PEM之間，提供接觸，因此，該催化劑層也可稱作“接觸層”。通過擴(kuò)散層提供到接觸層中的氣體被充分地保留以在所謂的接觸層上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。
[0004]接觸層和可能的擴(kuò)散層可以由疏水物質(zhì)(例如借助注入疏水成分如Teflon?)或者親水物質(zhì)形成。
[0005]根據(jù)氣體擴(kuò)散層在燃料電池或者電解槽中的位置，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在這種反應(yīng)中，e_、質(zhì)子(H+)和氣體在PEM附近被消耗或者提供。
[0006]H+通過PEM提供或者排出到電化學(xué)反應(yīng)中。因此，在催化劑本身形成的催化劑層和PEM之間的接觸將盡可能地完全，因為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生在催化劑層上，該層靠近PEM的表面。
[0007]擴(kuò)散層盡可能多地使氣流分散在接觸層的整個表面上，以盡可能充分地使用目前的催化劑成分，從而在PEM的整個表面上提供e_和H+。
[0008]擴(kuò)散層的例子公開在W02003/061042和W02003/059556中。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型的目的是提供一種用在燃料電池或者電解槽中的改進(jìn)氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層包括燒結(jié)金屬纖維氈，該纖維氈由兩層金屬纖維組成:第一金屬纖維層和第二金屬纖維層；其中第一金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑小于第二金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑，并且第一金屬纖維層纖維和第二金屬纖維層纖維的橫截面均包含一個小于等于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊。
[0010]“金屬纖維的當(dāng)量直徑”表示假想圓的直徑，該假想圓具有與金屬纖維的橫截面相同的表面積。
[0011 ] 優(yōu)選的,一種用在燃料電池或者電解槽中的膜電極，該膜電極包括上述氣體擴(kuò)散層和隔膜，氣體擴(kuò)散層的第一金屬纖維層一側(cè)直接與隔膜相接觸，第二金屬纖維層被燒結(jié)到所述第一金屬纖維層的另一側(cè)部上。這種膜電極中的隔膜，例如PEM，本身上具有催化劑成分，通過擴(kuò)散層提供到隔膜表面的氣體被充分地保留以產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。
[0012]優(yōu)選的，一種用在燃料電池或者電解槽中的膜電極，該膜電極包括上述氣體擴(kuò)散層和隔膜，還包括一個催化劑層；第一金屬纖維層一側(cè)通過該催化劑層與隔膜相接觸，第二金屬纖維層被燒結(jié)到第一金屬纖維層的另一側(cè)部上。這種膜電極中催化劑層上含有催化劑成分，通過擴(kuò)散層提供到接觸層中的氣體被充分地保留以產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。該催化劑層用來在氣體擴(kuò)散層中的第一金屬纖維層和所述隔膜之間提供接觸，因此，也可以稱作“接觸層”。
[0013]用來提供第一金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑小于25 μ m,優(yōu)選的，小于20 μ m ;最優(yōu)選的小于15μπ??？赡艿氖?，一種以上的不同當(dāng)量直徑的金屬纖維用來提供第一金屬纖維層。
[0014]用來提供第二金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑大于30 μ m,優(yōu)選的，大于40 μ m ;最優(yōu)選的小于50 μ m?？赡艿氖?，一種以上的不同當(dāng)量直徑的金屬纖維用來提供第二金屬纖維層。
[0015]第一金屬纖維層纖維的質(zhì)量占第一金屬纖維層以及第二金屬纖維層纖維總質(zhì)量的質(zhì)量百分比小于35%,,優(yōu)選的，小于25% ;最優(yōu)選的小于20%?？赡艿氖?第一金屬纖維層的纖維克重小于第二金屬纖維層的纖維克重。
[0016]優(yōu)選的，用來提供第一金屬纖維層的金屬纖維和用來提供第二金屬纖維層的金屬纖維都是通過切削(shaved)得到的，這種金屬纖維橫截面包含一個等于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊，往往是矩形橫截面。
[0017]更優(yōu)選的，通過上述切削法(shaved)得到用來提供第一金屬纖維層的金屬纖維和用來提供第二金屬纖維層的金屬纖維的橫截面至少有一條邊長度相等。滿足該要求的可選方法之一是，用來提供第一金屬纖維層的金屬纖維和用來提供第二金屬纖維層的金屬纖維是由同一片金屬薄片切削得到的，從而保證了第一金屬纖維層的金屬纖維和第二金屬纖維層的金屬纖維的橫截面至少有一條邊長度相等。通過此法得到的金屬纖維在具有矩形橫截面的同時，其當(dāng)量直徑偏差也很小。
[0018]優(yōu)選的，用來提供第一金屬纖維層的金屬纖維和用來提供第二金屬纖維層的金屬纖維都是通過機(jī)械加工(machined)得到的，通過此法得到的金屬纖維往往具有不規(guī)則的橫截面，包含一個小于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊，例如，不規(guī)則錐形。此法是利用機(jī)械工具，例如自旋轉(zhuǎn)車刀，從金屬工件上加工得到金屬纖維。通過此法得到的金屬纖維當(dāng)量直徑偏差相對較大；但是本實用新型中，用來提供第一金屬纖維層纖維和第二金屬纖維層纖維當(dāng)量直徑之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于25%。纖維當(dāng)量直徑之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小可以很好的滿足金屬纖維之間的一致性，特別是由當(dāng)量直徑較小的金屬纖維組成本實用新型氣體擴(kuò)散層中的第一金屬纖維層，對金屬纖維一致性要求更高。
[0019]綜上所述，組成本實用新型氣體擴(kuò)散層的兩層金屬纖維層，用來提供第一金屬纖維層的金屬纖維和用來提供第二金屬纖維層的金屬纖維都是通過同一種加工方法獲得的，不管是第一金屬纖維層纖維和第二金屬纖維層纖維的橫截面均包含一個等于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊(shaved)或者均包含一個小于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊(machined);顯然地，通過同一種加工方法獲得兩種不同當(dāng)量直徑的金屬纖維，簡單方便，經(jīng)濟(jì)實惠。
[0020]優(yōu)選的，用來提供金屬纖維的金屬纖維是不銹鋼纖維、鎳?yán)w維或者鎳合金纖維或者Ti纖維。在是不銹鋼纖維的情況下，優(yōu)選的，使用Fe-N1-Cr合金，如系列AIS1-300的合金，優(yōu)選的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術(shù)如集束拉拔(bundle drawing)、卷削(coil shaving)、機(jī)械加工(machined)或者任何其它生產(chǎn)技術(shù)，可以得到金屬纖維。
[0021]可能的是，合適的催化劑放置形成催化劑層(接觸層)，該層的側(cè)部直接接觸PEM;另一方面，催化劑直接放置在PEM的表面上。由于用來提供擴(kuò)散層第一金屬纖維層的當(dāng)量直徑較小并且該層的克重較小，因此在接觸層和PEM之間或者擴(kuò)散層直接和PEM之間可以得到非常高的接觸度。此外，由于接觸PEM的擴(kuò)散層的第一金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑較小，更加柔軟，容易變形；所以在使用時，從接觸層或者PEM的基本平的表面伸出的金屬纖維不會穿過PEM，但是在裝配和使用燃料電池或者電解槽期間，彎曲到接觸層或者PEM表面上。
[0022]在第二金屬纖維層的一側(cè)部燒結(jié)到第一金屬纖維層的另一側(cè)部之后，可能地但不是必須地，這些層可以用疏水劑或者親水劑如聚四氟乙烯如作為疏水劑的Teflon?來浸潰，形成本實用新型所述的膜電極中的氣體擴(kuò)散層。
[0023]這些膜電極可以用在燃料電池中，在該燃料電池中，使用作為本實用新型主題的至少兩個擴(kuò)散層，在這兩個擴(kuò)散層之間(陰極催化擴(kuò)散層和陽極催化擴(kuò)散層)設(shè)置PEM。在PEM的兩側(cè)上具有所需要的催化劑，以進(jìn)行想要的電化學(xué)反應(yīng)。把H2提供到擴(kuò)散層上，該H2流過整個擴(kuò)散層。在PEM處，進(jìn)行如下反應(yīng):
[0024]H2 — 2H++2e-
[0025]燃料電池的這個側(cè)部稱為陽極。
[0026]H+通過PEM到達(dá)PEM的相對側(cè)上，而e_通過導(dǎo)電連接和擴(kuò)散層排出到不能滲透的
金屬結(jié)構(gòu)中。
[0027]e_通過電路導(dǎo)入到其它的不能滲透的金屬結(jié)構(gòu)中，又通過擴(kuò)散層，把e_提供到位于PEM側(cè)部的電化學(xué)反應(yīng)中，該側(cè)是陽極側(cè)。
[0028]把O2提供到擴(kuò)散層中，該擴(kuò)散層通過接觸層到達(dá)PEM的表面。這里，使用02、e_、和H+ (這些通過PEM來提供)來產(chǎn)生反應(yīng):
[0029]02+4H.+4e — 2H20
[0030]由于擴(kuò)散層具有最佳的平面空氣滲透性并且接觸層具有相對較小的空氣滲透性，因此這些氣體以最佳的方式在整個PEM表面上進(jìn)行擴(kuò)散。
[0031]當(dāng)這些膜電極用在電解槽中時，可以得到類似的優(yōu)點(diǎn)。在兩個不能滲透的金屬結(jié)構(gòu)之間提供確定的電壓。在它的不能滲透的金屬結(jié)構(gòu)上具有正電壓的擴(kuò)散層處提供H2O,該H2O在PEM表面上進(jìn)行反應(yīng)如下:
[0032]2H20 — 02+4H.+4e
[0033]H+通過PEM到達(dá)PEM的另一側(cè)中，因此e_通過金屬纖維層到達(dá)不能滲透的金屬結(jié)構(gòu)。O2容易排出，因為擴(kuò)散層具有較高的平面空氣滲透性。
[0034]在另一側(cè)上，產(chǎn)生了反應(yīng):
[0035]2H++2e_ — H2
[0036]在這里，H+通過PEM來提供，而e_通過不能滲透的金屬結(jié)構(gòu)(它是負(fù)極)和金屬纖維層來提供。由于擴(kuò)散層具有較高的平面空氣滲透性，因此H2容易排出。【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]附圖1為本實用新型中電解槽用膜電極實施例示意圖。
[0038]附圖2為本實用新型電解槽用膜電極氣體擴(kuò)散層實施例示意圖。
[0039]附圖3a、3b、3c為本實用新型機(jī)械加工金屬纖維的橫截面示意圖(錐形)。
[0040]附圖4為本實用新型中燃料電池實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0041]作為本實用新型主題之一的電解槽用膜電極的實施例示出在圖1中。
[0042]在圖1所示出的實施例中，兩個氣體擴(kuò)散層12分別設(shè)置在兩個所謂的接觸層14(催化劑層)的一側(cè)上，接觸層14的另一側(cè)直接與PEM16接觸，通過氣體擴(kuò)散層12提供到接觸層14中的氣體被充分地保留以在所謂的接觸層14上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，18是冷凝管。擴(kuò)散層12是燒結(jié)金屬纖維層,該燒結(jié)金屬纖維層包括一個第一金屬纖維層22和一個第二金屬纖維層24 (如圖2所示)。其中，第一金屬纖維層22的一側(cè)直接通過接觸層與PEM16相接觸，第二金屬纖維層24被燒結(jié)到第一金屬纖維層22的另一側(cè)上。該第一金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑為15 4!11的不銹鋼纖維(合金41313160，第二金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑為50 μ m的不銹鋼纖維(合金AISI316L)。
[0043]是該擴(kuò)散層的第一金屬纖維層22設(shè)置到PEM16的側(cè)部上，第二金屬纖維層不直接接觸PEM16的側(cè)部。由于用來提供直接接觸PEM16側(cè)部的金屬纖維的當(dāng)量直徑較小，因此在氣體擴(kuò)散層和PEM之間可以得到非常高的接觸度，而接觸PEM側(cè)部的該層相對較軟，避免了 PEM膜電極受到損壞。在使用時，從氣體擴(kuò)散層的基本平的表面伸出的金屬纖維不會穿過PEM，但是在裝配和使用該電解槽期間，直接彎曲到氣體擴(kuò)散層表面上。
[0044]這些纖維優(yōu)選的但不是必須地通過卷削(coil shaving)過程來得到，這使得這些纖維具有基本上是矩形的橫截面。其中，對于第一金屬纖維層的纖維，克重是150g/m2，具有的矩形橫截面長側(cè)大約為20 μ m,而短側(cè)大約為8.8 μ m ;對于第二金屬纖維層的纖維，克重是300g/m2，具有的矩形橫截面長側(cè)大約為20 μ m,而短側(cè)大約為98.2 μ m?？蛇x的，當(dāng)?shù)谝唤饘倮w維層的纖維克重是100g/m2時，而纖維的平均當(dāng)量直徑保持不變的情況下(15 μ m)，其具有的矩形橫截面長側(cè)大約為30 μ m，而短側(cè)大約為5.9 μ m ;對于第二金屬纖維層，纖維面克重是350g/m2時，而纖維的平均當(dāng)量直徑保持不變的情況下(50 μ m)，其具有的矩形橫截面長側(cè)大約為30 μ m,而短側(cè)大約為65.4 μ mo
[0045]同樣的，這些纖維也可以通過機(jī)械加工(machined)得到，這樣加工得到的金屬纖維往往具有不規(guī)則的橫截面，例如錘形，橫截面至少包含一個銳角(小于90°的夾角)及其兩條鄰邊(如圖3a、3b、3c所示)。機(jī)械加工法得到的金屬纖維當(dāng)量直徑往往偏差很大，而錐形截面的金屬纖維當(dāng)量直徑偏差明顯減小(小于20%)，因此，可以減少金屬纖維的用量，特別是組成氣體擴(kuò)散層的第一金屬纖維層，較少量的金屬纖維也可以滿足氣體擴(kuò)散層中第一金屬纖維層的構(gòu)成要求:第一金屬纖維層的纖維百分含量占整個氣體擴(kuò)散層纖維總質(zhì)量的35%，甚至更少 。
[0046]圖4示出了作為本實用新型另一主題的燃料電池40的示意圖，該燃料電池40包括許多氣體擴(kuò)散層42，使用質(zhì)子交換膜41來使這些氣體擴(kuò)散層42相互分開，合適的催化劑設(shè)置在氣體擴(kuò)散層42和PEM41之間。[0047]以這樣的方式把O2或者H2提供到氣體擴(kuò)散層42中，以致在PEM的兩側(cè)上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。這些收集e_的收集層通過合適的電連接裝置43而相互連接起來，該連接裝置43提供電裝置要使用的電流，或者將要使用的電流提供到電池44中。
【權(quán)利要求】
1.一種用在燃料電池或者電解槽中的氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層包括燒結(jié)金屬纖維氈，所述纖維氈包括兩層金屬纖維:第一金屬纖維層和第二金屬纖維層，所述第一金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑小于所述第二金屬纖維層纖維的當(dāng)量直徑，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維和所述第二金屬纖維層纖維的橫截面均包含一個小于等于90°的夾角以及組成該夾角的兩條鄰邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑小于25 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑小于20 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑小于15 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第二金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑大于30 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第二金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑大于40 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第二金屬纖維層的纖維當(dāng)量直徑大于50 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維和所述第二金屬纖維層纖 維的橫截面均是矩形。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層以及第二金屬纖維層的纖維橫截面至少有一條邊長度相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維和所述第二金屬纖維層纖維當(dāng)量直徑之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于25%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維的質(zhì)量百分含量小于所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層纖維總質(zhì)量的35%。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維的質(zhì)量百分含量小于所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層纖維總質(zhì)量的25%。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層纖維的質(zhì)量百分含量小于所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層纖維總質(zhì)量的20%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層所含金屬纖維是不銹鋼纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層所含金屬纖維是鎳?yán)w維或者鎳合金纖維。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層，其特征在于，所述第一金屬纖維層以及所述第二金屬纖維層所含金屬纖維是Ti纖維。
17.—種用在燃料電池或者電解槽中的膜電極，該膜電極包括如權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層和隔膜，其特征在于，所述氣體擴(kuò)散層中的第一金屬纖維層與所述隔膜直接接觸。
18.一種用在燃料電池或者電解槽中的膜電極，該膜電極包括如權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層和隔膜以及催化劑層，其特征在于，所述催化劑層用來在所述氣體擴(kuò)散層中的第一金屬纖維層和所 述隔膜之間提供接觸。
【文檔編號】H01M8/02GK203574057SQ201320675328
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】D·米克斯, F·韋沙瓦 申請人:貝卡爾特公司