CN110506352A - 气体扩散层 - Google Patents

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Abstract

一种用于电解槽或燃料电池的气体扩散层，包括：金属纤维的第一无纺层，被设置为用于与质子交换膜接触；金属纤维的第二无纺层；以及第三多孔金属层。金属纤维的第一无纺层包括第一当量直径的金属纤维。金属纤维的第二无纺层包括第二当量直径的金属纤维。第二当量直径大于第一当量直径。第三多孔金属层包括开孔。第三多孔金属层的开孔大于金属纤维的第二无纺层的开孔。第二无纺层被设置在第一无纺层和第三多孔金属层之间并且与其接触。第二无纺层被冶金结合到第一无纺层和第三多孔金属层。第三多孔金属层的厚度是第一无纺层的厚度的至少两倍，优选地至少三倍。

Description

气体扩散层
技术领域
本发明涉及如例如用于电解槽和燃料电池的气体扩散层的领域。
背景技术
WO 03/059556 A2公开了一种用于燃料电池或电解槽的堆叠。该堆叠包括不可渗透的金属结构、第一金属纤维层、以及第二金属纤维层。不可渗透的金属结构被烧结到第一金属纤维层的一侧，而第二金属纤维层被烧结到第一金属纤维层的另一侧。向燃料电池或电解槽中的PEM(质子交换膜)提供第二金属纤维层作为接触层。堆叠的平面透气率大于0.02l/min*cm。
发明内容
本发明的第一方面是一种用于电解槽或燃料电池的气体扩散层。该气体扩散层包括：金属纤维的第一无纺层，被设置为用于与质子交换膜接触(其可以涂覆有催化剂)；金属纤维的第二无纺层；以及第三多孔金属层。金属纤维的第一无纺层包括第一当量直径的金属纤维。金属纤维的第二无纺层包括第二当量直径的金属纤维。第二当量直径大于第一当量直径。第三多孔金属层包括开孔。第三多孔金属层的开孔大于金属纤维的第二无纺层的开孔。第二无纺层被设置在第一无纺层和第三多孔金属层之间并且与其接触。第二无纺层被冶金结合到第一无纺层和第三多孔金属层。第三多孔金属层的厚度是第一无纺层的厚度的至少两倍，并且优选地至少三倍，更优选地至少五倍。
提供第一无纺层以用作与质子交换膜(PEM)的接触层。使用细纤维具有益处，因为提供了与PEM的大接触面积以用于发生电化学反应；并且由于在第一无纺层中使用细纤维而存在的细孔允许毛细作用，以用于高效的质量输送进出PEM处的反应位点。第三多孔层的孔比第一无纺层的孔大；积极效果是高效的平面质量流入和流出。由于第三多孔层的厚度，平面流动得到进一步改善，从而为平面质量流动提供了大的横截面。
尽管金属纤维的第二无纺层的存在对分子通过平面的流入和流出产生负面影响——并且因此由于流动减少而增加了所需的电解槽的过电压，所以对电解槽或燃料电池的功能产生负面影响——使用中间的金属纤维的第二无纺层提供了特别的益处。已经注意到，将第一无纺层直接冶金结合到第三多孔金属层上非常麻烦且不可靠，其结果是早期结合失效，并且在操作压力下的通过气体扩散层的厚度的电阻更高。各层之间的冶金结合至关重要，因为这种结合提供了各层之间的低电阻。因为各层的孔尺寸的差异，所以在第一无纺层和第三多孔金属层之间提供第二无纺层确保可以提供各层之间可靠的冶金结合，从而减小了需要彼此直接结合的、组成各层的金属结构的尺寸。益处是降低气体扩散层的欧姆电阻，降低电解槽的过电压，并且提高气体扩散层的机械稳定性。两个无纺层的表面上不可避免地存在一定量的毛羽(hairiness)。因此，来自第一无纺层的纤维会刺入第二无纺层中的一定程度，并且第二无纺层的金属纤维会刺入第一无纺层和第三多孔层中的一定程度。这种刺入增强了金属接触和冶金结合，两者都有利于降低气体扩散层的欧姆电阻，降低电解槽的过电压，并且改善气体扩散层的机械稳定性。
纤维的当量直径意指具有与该纤维的横截面相同的表面积的圆的直径，该纤维的横截面不一定为圆形。
可以以几种方式观察无纺层或第三多孔金属层的孔尺寸。可以制作贯穿气体扩散层的厚度的横截面，并且可以在显微镜下分析横截面，其中孔和它们的尺寸变得可见。更先进的方法是气体扩散层的X射线断层摄影。
优选地，第二当量直径比第一当量直径大至少50％。
第二无纺层被冶金结合到第一无纺层和第三多孔金属层。冶金结合可以例如借助于烧结或借助于焊接(例如，借助于电容放电焊接，CDW)进行。
优选地，第一无纺层中的金属纤维彼此冶金结合。
优选地，第二无纺层中的金属纤维彼此冶金结合。
优选地，第一当量直径小于35μm，优选地小于25μm，更优选地小于20μm。
优选地，第二当量直径在20μm和60μm之间。
优选地，第二无纺层的厚度至少是第一无纺层的厚度的两倍。
优选地，第一无纺层的厚度小于0.15mm。这样的实施例提供了一种特别有益的气体扩散层，因为为PEM提供接触层的第一无纺层较薄，使得在电解槽中用于设置气体扩散层的可用空间中，可以提供厚度更厚的第三多孔层；第三多孔层提供水和反应产物的平面内流入和流出。
优选地，第一无纺层和第二无纺层包括钛纤维，优选地由钛纤维组成。第三多孔层包括钛，优选地由钛组成。
在优选实施例中，第一无纺层和第二无纺层具有相同的孔隙率。
在优选实施例中，第一无纺层的金属纤维具有离散的长度；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。由于其横截面的不规则形状，所以第一无纺层的金属纤维具有大的表面积。结果是与质子交换膜接触的大表面积，在该质子交换膜上，可以发生电化学反应，尤其是当第一无纺层的表面涂覆有催化剂或当质子交换膜涂覆有催化剂时。
这种纤维可以如WO 2014/048738 A1中所述制造。在US 4,640,156中描述了这种纤维的另一生产技术。
在优选实施例中，第二无纺层的金属纤维具有四边形的横截面，优选地矩形横截面。在US 4,930,199中公开了一种这种纤维的制造技术。
优选地，第二无纺层的金属纤维具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。这种纤维可以如WO 2014/048738A1中所述制造。在US 4,640,156中描述了这种纤维的另一生产技术。
在优选实施例中，第三多孔金属层包括金属纤维的第三无纺层或由金属纤维的第三无纺层组成。金属纤维的第三无纺层包括第三当量直径的金属纤维。第三当量直径大于第二当量直径。
优选地，第三当量直径比第一当量直径大至少40μm，更优选地至少50μm。
优选地，第三无纺层中的金属纤维彼此冶金结合。
在优选实施例中，第一无纺层、第二无纺层和第三无纺层具有相同的孔隙率。
优选地，第三当量直径大于50μm，优选地大于60μm，更优选地大于70μm。这些实施例具有以下益处：在第三无纺层中提供大孔，促进通过第三多孔层的平面内流动。
优选地，第三无纺层的金属纤维具有四边形的横截面，优选地矩形横截面。在US4,930,199中公开了一种这种纤维的制造技术。其中第三无纺层的金属纤维具有四边形的横截面，优选地矩形横截面的实施例具有协同益处：第三无纺层的金属纤维具有更紧凑的横截面，其不会对其中使用气体扩散层的电解槽或燃料电池中的气体的平面流入和流出产生阻碍。
优选地，第三无纺层的金属纤维具有离散的长度；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。这种纤维可以如WO 2014/048738 A1中所述制造。在US 4,640,156中描述了这种纤维的另一生产技术。
在优选实施例中，第三多孔金属层包括一张拉伸金属薄板或编织丝网、或多张拉伸金属薄板或编织丝网的堆叠，或由其组成。拉伸金属薄板和编织丝网的孔隙率和孔尺寸可以与第一无纺层和第二无纺层分开选择。例如，可以选择增加的孔隙率以减小压降。拉伸金属薄板比烧结的无纺层具有更高的刚度是有益的。包括一张或多张拉伸金属薄板的多层气体扩散层允许在PEM侧具有大表面积，同时刚度防止当压向由其中已经加工有流动通道的双极板提供的成型表面时，成型表面凹陷。
优选地，第三多孔金属层包括多张拉伸金属薄板或编织丝网或由其组成；其中多张拉伸金属薄板或编织丝网彼此冶金结合，例如，借助于烧结或借助于焊接，例如，电容放电焊接(CDW)。
在优选实施例中，第三多孔金属层包括多张拉伸金属薄板的堆叠或由其组成。在堆叠中，开口尺寸较大的拉伸金属薄板比开口尺寸较小的拉伸金属薄板更远离第二无纺层。
在优选实施例中，第三多孔金属层包括第一拉伸金属薄板和第二拉伸金属薄板。第一拉伸金属薄板的菱形开口的大尺寸的方向与第二拉伸金属薄板的菱形开口的大尺寸的方向形成的角度为至少30°，优选地至少60°，更优选地90°。这些实施例在第三多孔金属层中提供了更好的平面内流场。
本发明的第二方面是一种用于电解槽或燃料电池的堆叠，包括如本发明第一方面的任何实施例中的气体扩散层；以及双极板。双极板与第三多孔金属层接触。优选地，双极板被冶金结合到第三多孔金属层，例如，借助于烧结或焊接。优选地，双极板在其与第三无纺层接触的整个表面上是平坦的；这意味着在双极板中没有提供流场。
本发明的第三方面是一种如本发明第一方面的任何实施例中的气体扩散层和质子交换膜的组件。第一无纺层与质子交换膜接触。优选地，在第一无纺层与质子交换膜接触的一侧处的第一无纺层上提供催化剂；或者，在与第一无纺层接触的一侧处的质子交换膜上提供催化剂。
本发明的第四方面是一种如本发明第二方面的堆叠和质子交换膜的组件。第一无纺层与质子交换膜接触。优选地，在第一无纺层与质子交换膜接触的一侧处的第一无纺层上提供催化剂；或者，在与第一无纺层接触的一侧处的质子交换膜上提供催化剂。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的气体扩散层的横截面。
图2示出了根据本发明的气体扩散层的横截面的放大图。
图3比较了通过气体扩散层的厚度的电阻与通过双层气体扩散层的厚度的电阻。
具体实施方式
图1中示意性地示出了根据本发明的第一示例性气体扩散层10。
图2中示出了该第一示例性气体扩散层40的横截面的放大图。第一示例性气体扩散层10，40由钛纤维的第一无纺层12，42、钛纤维的第二无纺层22，52、以及钛纤维的第三无纺层32，62组成。提供钛纤维的第一无纺层用于与电解槽中的质子交换膜接触。钛纤维的第一无纺层包括22μm当量直径的钛纤维。第一无纺层的钛纤维长14mm；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。第一无纺层的密度为250g/m2，厚度d1为0.11mm。
钛纤维的第二无纺层由当量直径为50μm的800g/m2的钛纤维组成；纤维具有四边形横截面。第二无纺层的厚度d2为0.35mm。由于与第一无纺层相比，第二无纺层中纤维的当量直径更大，因此第二无纺层中的开孔比第一无纺层中的开孔更大。
钛纤维的第三无纺层由当量直径为80μm的2600g/m2钛纤维组成。第三无纺层的厚度d3为1.14mm。第三无纺层中的开孔大于第二无纺层中的开孔。第一无纺层的钛纤维具有离散的长度；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。
第二无纺层设置在第一无纺层和第三无纺层之间并且与其接触。第二无纺层被烧结到第一无纺层和第三无纺层。气体扩散层的总厚度d为1.6mm。
已经将根据本发明的第一示例性气体扩散层与双层气体扩散层进行了比较。
双层气体扩散层由钛纤维的第一无纺层组成，钛纤维的当量直径为22μm。第一层的密度为650g/m2，厚度为0.28mm。烧结到第一无纺层的是另一3000g/m2的无纺层，其由当量直径为80μm的钛纤维组成，该另一无纺层的厚度为1.32mm；该气体扩散层的总厚度为1.6mm；其总厚度与根据本发明的第一示例性气体扩散层的总厚度相同。
作为气体扩散层上的压缩力的函数，测量通过气体扩散层的厚度的电阻。气体扩散层在压缩力下(例如，在4MPa或甚至更高的压缩力下)，在电解槽和燃料电池中操作。图3以Y轴(以mOhm为单位)示出了作为气体扩散层上的压缩力(X轴上，压缩力以MPa表示)的函数的、所测量的通过本发明的气体扩散层的厚度的电阻(曲线A)和通过双层气体扩散层的厚度的电阻(曲线B)。结果表明，如在用于本发明的气体扩散层的电解槽或燃料电池中使用的压缩力(X轴上，以MPa表示)下，通过气体扩散层的电阻(曲线A)显著降低。
根据本发明的第二示例性气体扩散层由钛纤维的第一无纺层、钛纤维的第二无纺层、以及拉伸钛金属薄板堆叠组成。提供钛纤维的第一无纺层用于与电解槽中的质子交换膜接触。钛纤维的第一无纺层包括当量直径为14μm的钛纤维。第一无纺层的钛纤维长10mm；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。第一无纺层的密度为150g/m2，厚度为0.15mm。
钛纤维的第二无纺层由当量直径为22μm的150g/m2的钛纤维组成。第二无纺层的钛纤维长14mm；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。第二无纺层的厚度为0.15mm。由于与第一无纺层相比，第二无纺层中纤维的当量直径更大，所以第二无纺层中的开孔比第一无纺层中的开孔更大。第二无纺层被烧结到第一无纺层。
第三多孔层由6张拉伸钛薄板(或网)的堆叠组成，它们彼此烧结或焊接，并且被烧结或焊接到第二无纺层。具有大小为0.8mm×1.2mm的菱形开口的、厚度为0.125mm的第一网与第二无纺层接触。该第一网之后是与第一网相同的第二拉伸金属薄板。进一步地，该堆叠包括：厚度均为0.3mm并且具有大小为1.0mm×2.0mm的菱形开口的两张拉伸金属薄板；以及厚度均为0.68mm并且具有大小为2.0mm×4.0mm的菱形开口的两张拉伸金属薄板。
气体扩散层的总厚度为2.5mm。
根据本发明的第三示例性气体扩散层由钛纤维的第一无纺层、钛纤维的第二无纺层、以及拉伸钛金属薄板堆叠组成。提供钛纤维的第一无纺层用于与电解槽中的质子交换膜接触。钛纤维的第一无纺层包括当量直径为14μm的钛纤维。第一无纺层的钛纤维长10mm；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。第一无纺层的密度为150g/m2，厚度为0.15mm。
钛纤维的第二无纺层由当量直径为22μm的150g/m2的钛纤维组成。第二无纺层的钛纤维长14mm；并且具有横截面，其中横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。第二无纺层的厚度为0.15mm。由于与第一无纺层相比，第二无纺层中纤维的当量直径更大，因此第二无纺层中的开孔比第一无纺层中的开孔更大。第二无纺层被烧结到第一无纺层。
第三多孔层由5张拉伸钛薄板(或网)的堆叠组成，它们彼此烧结或焊接，并且被烧结或焊接到第二无纺层。具有大小为0.8mm×1.2mm的菱形开口的、厚度为0.1mm的第一网与第二无纺层接触。该第一网之后是具有大小为1mm×2mm的菱形开口的、厚度为0.3mm的第二拉伸金属薄板。进一步地，该堆叠包括厚度均为2mm并且具有大小为7mm×14mm的菱形开口的三张拉伸金属薄板。
气体扩散层的总厚度为6mm。

Claims (15)

1.一种用于电解槽或用于燃料电池的气体扩散层，包括：
-金属纤维的第一无纺层，被设置为用于与质子交换膜接触，其中所述金属纤维的第一无纺层包括第一当量直径的金属纤维；
-金属纤维的第二无纺层，其中所述金属纤维的第二无纺层包括第二当量直径的金属纤维；
其中所述第二当量直径大于所述第一当量直径；以及
-第三多孔金属层；其中所述第三多孔金属层包括开孔；其中所述第三多孔金属层的所述开孔大于所述金属纤维的第二无纺层的开孔；
其中所述第二无纺层被设置在所述第一无纺层和所述第三多孔金属层之间，并且与所述第一无纺层和所述第三多孔金属层接触；
其中所述第二无纺层被冶金结合到所述第一无纺层和所述第三多孔金属层；
其中所述第三多孔金属层的厚度是所述第一无纺层的厚度的至少两倍，并且优选地至少三倍。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其中所述第一当量直径小于35μm，优选地小于25μm，更优选地小于20μm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层，其中所述第二无纺层的厚度是所述第一无纺层的厚度的至少两倍。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层，其中所述第一无纺层的厚度小于0.15mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层，
其中所述第一无纺层和所述第二无纺层包括钛纤维，并且优选地由钛纤维组成；
并且其中所述第三多孔层包括钛，并且优选地由钛组成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层，其中所述第一无纺层的所述金属纤维具有离散的长度；并且具有横截面，其中所述横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边、以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体扩散层，
其中所述第三多孔金属层包括金属纤维的第三无纺层，或由金属纤维的第三无纺层组成，
其中所述金属纤维的第三无纺层包括第三当量直径的金属纤维；
并且其中所述第三当量直径大于所述第二当量直径。
8.根据权利要求7所述的气体扩散，其中所述第一无纺层、所述第二无纺层、以及所述第三无纺层具有相同的孔隙率。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的气体扩散层，其中所述第三当量直径大于50μm，优选地大于60μm，更优选地大于70μm。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的气体扩散层，
其中所述第三无纺层的所述金属纤维具有离散的长度；并且具有横截面，其中所述横截面具有夹角小于90°的两条相邻的直线侧边、以及一条或多条不规则形状的弯曲侧边。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的气体扩散层，
其中所述第三无纺层的所述金属纤维具有四边形的横截面，并且优选地具有矩形的横截面。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的气体扩散层，其中所述第三多孔金属层包括一张拉伸金属薄板或编织丝网、或多张拉伸金属薄板或编织丝网的堆叠；或者所述第三多孔金属层由一张拉伸金属薄板或编织丝网、或多张拉伸金属薄板或编织丝网的堆叠组成。
13.根据权利要求12所述的气体扩散层，
其中所述第三多孔金属层包括第一拉伸金属薄板和第二拉伸金属薄板，
其中所述第一拉伸金属薄板的菱形开口的大尺寸的方向与所述第二拉伸金属薄板的菱形开口的大尺寸的方向形成的角度为至少30°，并且优选地至少60°，并且更优选地90°。
14.一种用于电解槽或燃料电池的堆叠，包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的气体扩散层；以及
-双极板；
其中所述双极板与所述第三多孔金属层接触，
优选地，其中所述双极板被冶金结合到所述第三多孔金属层。
15.一种根据权利要求1至13中任一项所述的气体扩散层和质子交换膜的组件；或一种根据权利要求14所述的堆叠和质子交换膜的组件，
其中所述第一无纺层与所述质子交换膜接触；
并且优选地，其中催化剂被设置在所述第一无纺层与所述质子交换膜接触的一侧处的所述第一无纺层上。
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