CN112689920A - 用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法 - Google Patents

用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造用于燃料电池(100)的气体扩散层(GDL)的方法，所述方法具有下列步骤：1)提供颗粒形的组成部分(M1、M2)：a)具有第一润湿角的第一组成部分(M1)，和b)具有第二润湿角的第二组成部分(M2)，所述第二润湿角不同于所述第一润湿角，2)将所述第一组成部分(M1)和所述第二组成部分(M2)混合成不均匀的混合物，3)由所述不均匀的混合物制造带形材料，4)在所述带形材料上裁剪出气体扩散层(GDL)。

Description

用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法
技术领域
本发明涉及一种根据独立的方法权利要求所述的用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法。此外，本发明还涉及一种相应的根据独立的装置权利要求所述的气体扩散层。此外，本发明还涉及一种相应的根据并列的独立装置权利要求所述的燃料电池。
背景技术
燃料电池是电化学换能器。在聚合物电解质膜燃料电池或简称为PEM燃料电池中为了获得能量将反应物氢气和氧气转化成水、电能和热量。根据现有技术，PEM燃料电池构造为重复单元的堆叠，所述重复单元包括阴极区域、双极板、阳极区域和膜片电极单元。双极板是能导电的，但对于气体和离子是不能穿透的。双极板借助于在毫米范围中的隔片结构在阳极区域中分配例如氢气并且在阴极区域中分配例如氧气或空气。为了简化气体从双极板的毫米级结构化部到膜片电极单元的纳米级催化剂颗粒上的过渡和分配，在膜片的阴极侧上和在膜片的阳极侧上分别使用各一个多孔的气体扩散层作为电极单元。在燃料电池中越来越多地使用基于颗粒的气体扩散层。在膜片的阴极侧上必须将由于化学反应形成的产物水经由气体扩散层的孔排出。已经示出，在排出产物水时在气体扩散层内部形成“任意的”水路径。在气体扩散层的多孔结构的局部注满的区域中含氧气的反应物的输送被阻碍，使得燃料电池的局部性能波动。这又可以影响燃料电池的整体性能。
发明内容
本发明涉及一种根据独立的方法权利要求所述的用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法。此外，本发明设置有一种相应的根据独立的装置权利要求所述的气体扩散层。此外，本发明涉及一种相应的根据并列的独立装置权利要求所述的燃料电池。本发明的其他优点和细节由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合根据本发明的方法描述的优点、特征和细节当然也适用于根据本发明的膜片电极单元以及根据本发明的燃料电池，反之亦然，使得关于本发明的各个方面的公开内容总是相互参照或可以相互参照。
本发明设置有一种用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法，所述方法具有以下步骤：
1)提供颗粒形的组成部分：
a)具有第一润湿角的第一组成部分，和
b)具有第二润湿角的第二组成部分，该第二润湿角不同于第一润湿角，
2)将第一组成部分和第二组成部分混合成不均匀的混合物，
3)由不均匀的混合物制造带形材料，
4)在带形材料上裁剪出气体扩散层。
在本发明的框架下，气体扩散层可以理解为多孔的、尤其多微孔的电极单元，该电极单元可以具有用于电化学反应的催化剂材料，例如铂，并且该电极单元可以涂覆有能导电离子的膜片。在本发明的框架下，电极单元具有在纳米范围中的多孔结构和20至100μm的材料厚度。
在此，本发明的思想在于，在制造气体扩散层时使用不同的组成部分或前体，其例如呈聚集物的形式，所述组成部分或前体具有不同的润湿特性。不同的组成部分可以分别具有能导电微粒，例如呈碳微粒和/或石墨微粒的形式，所述微粒借助于粘合剂、例如聚四氟乙烯颗粒(PTFE)和/或聚偏二氟乙烯颗粒(PVDF)优选以不同的质量分量至少部分地颗粒化和/或聚合。不同的组成部分有利地可以借助于不同的制造方法提供，例如包括喷雾颗粒化(Sprühgranulation)或流化层颗粒化(Wirbelschichtgranulierung)或机械剪切过程。此外可以考虑，组成部分可以通过以下特征区别开，如颗粒大小、颗粒形状、颗粒类型、颗粒成分、添加剂、溶剂类型、溶剂量、粘合剂量或其在前体中的分布，以便提供相对于在燃料电池中形成的产物水的不同润湿特性。
不同的组成部分或前体被混合，而不破坏超过50％的组成部分，例如不分解超过50％的聚集物。因此，可以得到不均匀的混合物，所述混合物在不同的部位处具有不同的润湿特性。由该混合物例如借助于滚压或挤出仅制造以下气体扩散层，所述气体扩散层在不同的部位处具有不同的润湿特性。
因此，可以在气体扩散层内部以统计学的规律的间距交替地形成用于产物水的路径和/或干扰区。由此减少并且更好地分配具有降低的氧气输送的局部干扰部位。由此提升局部的以及平均的电流密度并且改善燃料电池的性能。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，以2：8至4：6、尤其是3：7的体积比提供第一组成部分的颗粒和/或第二组成部分的颗粒。在此，相比于第二组成部分，能够以较小的润湿角提供第一组成部分。因此，通过第二组成部分(具有较大的润湿角)能够以足够的和规律的间距提供用于产物水的改善排出的路径。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，第一组成部分的颗粒与第二组成部分的颗粒通过下列特征中的至少一个特征区分开：
-颗粒大小，
-颗粒形状，
-颗粒类型，
-颗粒成分，
-添加剂、尤其是溶剂类型和/或粘合剂类型，
-添加剂量、溶剂量、粘合剂量和/或它们在颗粒中的分布。
所有这些特征能够实现润湿特性的灵活调整并且因此实现水路径在气体扩散层中的可确定的、均匀的分布。所述特征如颗粒大小、颗粒形状和颗粒类型是简单的数值，所述数值可以通过颗粒的选择来确定。所述特征如颗粒成分、添加剂的选择、尤其是溶剂类型和/或粘合剂类型、添加剂量的选择、溶剂量、粘合剂量和/或它们在颗粒中的分布是在制造组成部分期间可以有利地调整的特性。通过这些特征可以进一步提高在调整润湿特性时的灵活性。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，提供第一组成部分的颗粒和/或第二组成部分的颗粒作为聚集物，所述聚集物具有能导电微粒，例如呈碳微粒和/或石墨微粒的形式，所述微粒借助于粘合剂、例如聚合物颗粒、例如聚四氟乙烯颗粒(PTFE)和/或聚偏二氟乙烯颗粒(PVDF)至少部分地颗粒化和/或聚合。因此，组成部分可以呈干燥的或近似干燥的预混合物的形式被提供，所述预混合物可以在步骤2)中被混合并且可以在步骤3)被加工成带状材料。通过聚集物的大小、形状和成分不仅可以确定在颗粒内部的确定的润湿特性，而且也可以影响在气体扩散层内部的用于产物水的路径和/或干扰区的大小。此外，可以通过聚集物的大小确定带形材料的材料厚度。
此外，在本发明的框架下可以考虑，第一组成部分的颗粒和/或第二组成部分的颗粒具有作为粘合剂的、优选具有不同的质量分量的聚四氟乙烯颗粒和/或聚偏二氟乙烯颗粒。这种粘合剂具有不同的润湿特性。此外，这种粘合剂实现不同大小的颗粒和/或不同大小的聚集物作为颗粒。另外，通过质量分量的0：1至1：0的比例能够以简单的方式提高在调整润湿特性时的灵活性。
此外，在本发明的框架下可以考虑，第一组成部分的颗粒和/或第二组成部分的颗粒具有质量比例为7：3至9：1、尤其是8：2的能导电微粒和粘合剂。通过能导电微粒的足够的质量分量确保组成部分的导电性。通过粘合剂的分量可以确保连续的混合物，所述混合物可以在步骤3)中加工成带状材料。
此外，在本发明的框架下可以考虑，在步骤4)中提供具有20至400μm的材料厚度的气体扩散层。因此，气体扩散层可以构造用于使用在燃料电池中以及构造在燃料电池堆叠中。
此外，在本发明的框架下可以考虑，第一组成部分的颗粒和/或第二组成部分的颗粒具有在步骤3)中要制造的带形材料的材料厚度的10％至500％、尤其是50至200％的平均直径。因此，可以确保，颗粒按照大小在多个层中形成气体扩散层，直至在那里颗粒可以确定气体扩散层的材料厚度。在任何情况下，还可以设置为，通过在步骤3)中加工、例如滚压混合物，可以使气体扩散层的表面变平整。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，第一组成部分的颗粒借助于第一方法制造，其中，第二组成部分的颗粒借助于第二方法制造，其中，第一方法不同于第二方法。因此，能够以有利的方式确保，在气体扩散层内部以规律的间距交替地形成用于产物水的路径和/或干扰区。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，第一方法和/或第二方法包括能导电微粒的至少一部分的颗粒化和/或粘合剂的至少一部分的纤维化。以该方式，在颗粒内部的能导电微粒一方面设有疏水涂层并且另一方面确保在混合物内部的聚合。
此外，在本发明的框架下可以考虑，所述第一方法包括流化层颗粒化，和/或，第二方法包括机械剪切过程。这是简单的和可靠的用于由至少部分颗粒化的能导电微粒制造聚集物的方法，所述能导电微粒借助于纤维聚合，所述纤维通过粘合剂的机械应力产生。
此外，本发明可以在用于制造用于燃料电池的气体扩散层的方法中设置为，在步骤2)中在混合物内部添加相应的质量分量为1至10％重量百分比的溶剂和/或水。在此，溶剂可以有助于可以使相应的粘合剂在混合物内部液化或至少悬浮。溶剂和/或水也可以引起，能导电微粒在步骤2)中在混合时不受损害。在步骤2)中获得的或完成的混合物是连续的混合物，所述混合物既不是液态的也不是多孔的，但所述混合物明显保持干燥，因为水仅润湿颗粒表面，但水由于小的量不使混合物液化。溶剂和/或水可以在步骤3)中尽可能地蒸发。原则上可以考虑，在步骤3)之后、尤其在步骤4)之后可以设置单独的步骤来干燥带形材料。
有利地，本发明可以设置为，在步骤2)中进行混合，而不破坏超过50％的组成部分的颗粒。由此，组成部分可以在混合物内部充分地分布并且以足够的程度维持不同的润湿特性。
此外，本发明可以设置为，在步骤3)中借助于滚压或挤出制造带形材料。因此，可以借助于以下方法将带形材料制造为薄膜，所述方法由塑料加工已知。这种方法有利地适用于具有高质量和低废品率的可高度优化的制造。
此外，本发明可以设置为，在步骤3)中将至少一个滚子或挤出螺杆加热到50℃至400℃的温度。在此，所述温度可以取决于在第一组成部分a)和第二组成部分b)之间的混合比例以及取决于这两个组成部分的特征。因此，在步骤3)中，溶剂和/或水可以尽可能地蒸发并且带形材料还可以变平整。
此外，本发明设置有气体扩散层，该气体扩散层借助于可以如上所述地实施的方法制造。借助于根据本发明的气体扩散层实现上面结合根据本发明的方法已经描述的相同优点。这里全面地参考这些优点。
此外，本发明设置有具有气体扩散层的燃料电池，该气体扩散层可以借助于可以如上所述地实施的方法制造。借助于根据本发明的燃料电池同样实现上面结合根据本发明的方法已经描述的相同优点。这里全面地参考这些优点。
附图说明
下面参照附图详细阐释根据本发明的气体分配器结构和根据本发明的燃料电池和其扩展方案以及其优点。附图分别示意性示出：
图1已知的气体扩散层的示意性剖示图，
图2在本发明的意义中的气体扩散层的示意性剖示图，
图3在本发明的意义中的气体扩散层的示意性俯视图，
图4在本发明的意义中的气体扩散层的放大的示意性俯视图，
图5在本发明的意义中的气体扩散层的放大的剖示图，和
图6在本发明的意义中的经过气体扩散层的水路径的示意性示图。
在不同附图中，本发明的相同部件总是设有相同的附图标记，因此这些附图标记通常仅说明一次。
具体实施方式
图1示出已知的气体扩散层GDL*，该气体扩散层放置在膜片M上。气体扩散层GDL*和膜片M彼此电接合。气体扩散层GDL*和膜片M共同形成用于燃料电池100*的膜片电极单元MEA。
图2示出在本发明的意义中的气体扩散层GDL，该气体扩散层同样放置在膜片M上。在本发明的框架下，气体扩散层GDL和膜片M彼此电连接。气体扩散层GDL和膜片M共同形成用于燃料电池100的膜片电极单元MEA。
如由图2可看出，在本发明的意义中的气体扩散层GDL具有不同的组成部分M1、M2或者说不同的前体，例如呈聚集物(Konglomeraten)的形式，根据本发明，所述不同的组成部分具有不同的润湿特性(参见后面的图6)。
在本发明的意义中，气体扩散层GDL借助于根据本发明的方法制造，所述方法具有下列步骤：
1)提供颗粒形的组成部分M1、M2：
a)具有第一润湿角的第一组成部分M1，和
b)具有第二润湿角的第二组成部分M2，该第二润湿角不同于第一润湿角并且优选大于第一润湿角，
2)将第一组成部分M1和第二组成部分M2混合成不均匀的混合物，
3)由不均匀的混合物制造带形材料，
4)在带形材料上裁剪出气体扩散层GDL。
如从图2以及图3中还可看出，不同的组成部分M1、M2可以具有多个优选能导电的微粒，例如呈碳微粒和/或石墨微粒的形式。这些微粒可以借助于粘合剂、例如聚四氟乙烯颗粒(PTFE)和/或聚偏二氟乙烯颗粒(PVDF)优选以不同的质量分量至少部分地颗粒化和/或聚合。
为了得到不同的组成部分M1、M2，可以有利地使用不同的制造方法，所述制造方法例如包括喷雾颗粒化或流化层颗粒化或机械剪切过程。
此外可以考虑，组成部分M1、M2可以通过下列特征区分开，如：
-颗粒大小，
-颗粒形状，
-颗粒类型，
-颗粒成分，
-添加剂、尤其是溶剂类型和/或粘合剂类型，
-添加剂量、溶剂量、粘合剂量和/或它们在颗粒中的分布。
这些不同的特征可以用于提供相对于在燃料电池100中形成的产物水的不同润湿特性，如在图6中示意性表明的那样。
在根据本发明的方法的框架中，在步骤2)中将不同的组成部分M1、M2混合，而不破坏超过50％的组成部分M1、M2，例如不分解超过50％的聚集物。
有利地，在步骤2)中可以得到不均匀的混合物，所述混合物在不同部位上具有不同的润湿特性。
在步骤3)中，由该混合物例如可以借助于滚压或挤出制造在本发明的意义中的气体扩散层GDL，该气体扩散层在不同的部位上具有不同的润湿特性。
如图4和5以及图6示意性示出，可以借助于根据本发明的方法在气体扩散层GDL内部以规律的间距交替地形成用于产物水的路径和/或干扰区。由此减少并且均匀地分配具有降低的氧气输送的局部干扰部位。由此提升局部的以及平均的电流密度并且改善燃料电池的性能。
如由图4和5大概可看出，可以提供体积比为2：8至4：6、尤其是3：7的第一组成部分M1的颗粒和/或第二组成部分M2的颗粒。因此，通过第二组成部分M2(具有较大的润湿角)的质量分量能够以足够的和规律的间距提供用于产物水的改善排出的路径。
在不同组成部分M1、M2的颗粒内部可以设置有为7：3至9：1、尤其是8：2的质量比的导电微粒和粘合剂，以便得到能导电的并且同时连续的气体扩散层GDL。
在本发明的框架中，可以在步骤4)中提供具有20至400μm的材料厚度的气体扩散层GD。此外，在本发明的框架下可以考虑，第一组成部分M1的颗粒和/或第二组成部分M2的颗粒可以具有该材料厚度的10％至500％、尤其是50至200％的平均直径。
前面对附图的描述仅在示例的框架下说明本发明。当然，只要在技术上有意义，实施方式的各个特征可以自由地相互组合，而不偏离本发明的框架。

Claims (13)

1.用于制造用于燃料电池(100)的气体扩散层(GDL)的方法，所述方法具有下列步骤：
1)提供颗粒形的组成部分(M1、M2)：
a)具有第一润湿角的第一组成部分(M1)，和
b)具有第二润湿角的第二组成部分(M2)，所述第二润湿角不同于所述第一润湿角，
2)将所述第一组成部分(M1)和所述第二组成部分(M2)混合成不均匀的混合物，
3)由所述不均匀的混合物制造带形材料，
4)在所述带形材料上裁剪出气体扩散层(GDL)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
以2：8至4：6的体积比提供所述第一组成部分(M1)的颗粒和/或所述第二组成部分(M2)的颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述第一组成部分(M1)的颗粒与所述第二组成部分(M2)的颗粒通过下列特征中的至少一个特征区分开：
-颗粒大小，
-颗粒形状，
-颗粒类型，
-颗粒成分，
-添加剂，
-添加剂量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
提供所述第一组成部分(M1)的颗粒和/或所述第二组成部分(M2)的颗粒作为聚集物，所述聚合物具有能导电微粒，所述能导电微粒借助于粘合剂至少部分地颗粒化和/或聚合。
5.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，
所述第一组成部分(M1)的颗粒和/或所述第二组成部分(M2)的颗粒具有聚四氟乙烯颗粒(PTFE)和/或聚偏二氟乙烯颗粒(PVDF)作为粘合剂。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，
所述第一组成部分(M1)的颗粒和/或所述第二组成部分(M2)的颗粒具有质量比为7：3至9：1的所述能导电微粒和所述粘合剂。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在步骤4)中，提供具有20至400μm的材料厚度的所述气体扩散层(GDL)，
和/或，所述第一组成部分(M1)的颗粒和/或所述第二组成部分(M2)的颗粒具有在步骤3)中要制造的所述带形材料的材料厚度的10％至500％、尤其50至200％的平均直径。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
所述第一组成部分(M1)的颗粒借助于第一方法制造，
其中，所述第二组成部分(M2)的颗粒借助于第二方法制造，
其中，所述第一方法不同于所述第二方法。
9.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，
所述第一方法和/或所述第二方法包括能导电微粒的至少一部分的颗粒化和/或粘合剂的至少一部分的纤维化，
和/或，所述第一方法包括流化层颗粒化，
和/或，所述第二方法包括机械剪切过程。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在步骤2)中在所述混合物内部添加相应的质量分量为1至10％重量百分比的溶剂和/或水，和/或，
在步骤2)中进行混合，而不破坏超过50％的组成部分(M1、M2)的颗粒。
11.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，
在步骤3)中，借助于滚压或挤出制造所述带形材料，
和/或，在步骤3)中将至少一个滚子或挤出螺杆加热到50℃至400℃的温度。
12.气体扩散层(GDL)，其特征在于，
所述气体扩散层(GDL)借助于根据前述权利要求中任一项所述的方法制造。
13.燃料电池(100)，具有根据前一权利要求所述的气体扩散层(GDL)。
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