CN1191653C - 用于聚合物电解质隔膜燃料电池的气体扩散电极 - Google Patents

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Abstract

制造一种特别廉价的、均一而多孔的气体扩散电极，它包括至少一层导电的、憎水的和透气的气体扩散层，所述气体扩散层包括在至少一种体积电导率≥10mS/cm的导电材料中浸渍过的一种机械稳定支撑材料。所述气体扩散电极可以涂覆一层催化活性层。本发明的电极尤其适合应用于燃料电池和电解电池中。

Description

用于聚合物电解质隔膜燃料电池的 气体扩散电极
本发明涉及到一种气体扩散电极及其制造方法，向这种气体扩散电极上覆盖催化活性层的方法及其在燃料电池和电解电池中的应用。
在聚合物电解质隔膜燃料电池中，气体扩散电极用作聚合物电解质隔膜和集流极比如双极板之间的电极。其功能是导走在所述隔膜中生成的电流，并必须使反应气体扩散到催化层中去。另外，所述气体扩散电极应当至少在正对所述隔膜的那一层中是憎水的，以防止在反应中生成的水充斥所述气体扩散电极的孔穴从而阻塞气体向所述催化活性层的运移。对于许多应用，比如在星际旅行中或者用于汽车时，用来构建电池堆的材料应当轻便、占空间小但又要有高机械强度，这同样是很重要的。十分廉价的材料产品一贯受到重视。
对于这种气体扩散电极，迄今为止，一般利用含石墨化纤维或者石墨化纸的材料。这种材料是通过一种昂贵的热处理(温度直到200℃以上)(E-Tek，Inc.1995产品目录，E-Tek，Inc.Natick.MA 01760，USA)制造的。含石墨化纤维的气体扩散电极常常不能使氧，尤其是低压空气氧充分扩散，而且相对较重。为获得足够的机械强度和纤维的垂直于纤维方向的足够高的导电率，致密结构是必须的。其制造需要高温以及精确的反应工艺，这就相应地导致高的能源消耗和高价格。所述石墨化纸的缺点是脆而没有挠性，且其孔隙结构是固定的，不能在不影响导电率的前体下予以改变。
我们还知道一种气体扩散电极，它含有对燃料电池而言导电性足够好的憎水的多孔支撑材料、一不具有催化活性且包括电子导电材料的中间层和一催化活性层(EP-A-0687023)。这里，所述不具有催化活性的中间层含有一种电子导电离聚物和质子可导离聚物的混合物。在载有0.21mg/cm2的铂、H2压强为1.25巴(绝对压强)、空气压强为1.8巴(绝对压强)的情况下，利用所述的气体扩散电极的燃料电池只能达到200mW/cm2的最大输出，或者在0.6V电池电压下的163mW/cm2的输出(例2表格)。
本发明的一个目的是提供一种气体扩散电极，生产成本不贵但具有机械稳定性，可允许氧气尤其是空气中的氧气在低表压下很容易地扩散，并具有必要的高导电率，具有机械稳定性和憎水性。
本发明的另一个目的是提供一种制造所述气体扩散电极的方法。
本发明的另一个目的是提供一种向气体扩散电极上覆盖催化活性层的方法，并指出本发明的气体扩散电极在燃料电池和电解电池中的应用。
这些目的是通过如权利要求1所述的气体扩散电极、权利要求16所述的制造气体扩散电极的方法、如权利要求24所述的对气体扩散电极覆盖膜的方法和如权利要求30所述的所述气体扩散电极的用途而实现的。在相应的从属权利要求中，描述了本发明的最佳实施例。
图1示出了根据本发明的一个聚合物电解质隔膜燃料电池。
根据本发明的所述气体扩散电极适用于燃料电池，尤其是聚合物电解质隔膜燃料电池，和聚合物电解质隔膜电解电池。在聚合物电解质隔膜燃料电池中，本发明的气体扩散电极可被分别用作正极或者负极。本发明的气体扩散电极尤其可以被用于下述聚合物电解质隔膜燃料电池中：这种燃料电池使用氢作为燃料，空气作为氧化剂，在低于环境压力以上0.5巴，尤其是0.1巴的低压强下工作。
本发明的气体扩散电极包括至少一个气体扩散层。该气体扩散层包括一种机械稳定的支撑材料，后者用至少一种体积电导率≥10mS/cm的电导材料浸渍过。在这里，“浸渍”一词的意思是，所述支撑材料的孔穴(纤维间的中间空隙)基本上均一地充填有电导材料。
在一最佳实施例中，本发明的气体扩散电极包括一到四层气体扩散层。
用于本发明的气体扩散电极的原材料是非常轻的、未必导电的但具有一定机械强度的支撑材料，包括纤维，比如非纺纤维、纸纤维或者纺织纤维。所述支撑材料最好包括碳纤维、玻璃纤维或者含有机聚合物的纤维。所述有机聚合物例如为聚丙烯、聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚亚苯基硫或者聚醚酮等。尤为合适的材料是那些单位面积重量＜150g/m2，最好是在10-100g/m2之间的材料。当使用碳材料作为支撑材料时，用碳化或者石墨化纤维制成的单位面积重量在上述最佳范围内的非纺材料尤为合适。这种材料的使用有两个优点：第一，它们非常轻；第二，它们具有高的开放孔隙率。所述支撑材料的开放孔隙率最好在20-99.9％，更好地，在40-99％的范围内，以便使得它们易于充填其他材料，从而使所得到的气体扩散层的孔隙率、导电率和憎水性能够通过充填材料而真正地在所述气体扩散层的整个厚度上被设定为预定状态。
为了制造一种根据本发明的包括至少一个导电的、憎水而透气的气体扩散层的气体扩散电极，首先从一种最好是粉末状的导电材料和至少一种液体(例如水或者低级(C1-C4)醇)制备一种悬浮液。所述导电材料包括，例如，碳(比如碳黑)或者一种不溶于或仅仅微溶于水并具有低氧化灵敏度的金属，例如Ti、Au、Pt、Pd、Ag或Ni。特别地，所使用的导电材料的体积电导率为≥10mS/cm2，最好为≥100mS/cm2。特别地，其粒度在10nm到0.1mm的范围内，最好是在50nm到0.05mm之间。如果使用不同的导电粉末的混合物或者导电材料比如不锈钢的合金粉末，那就更好。
为了减小表面张力，可以添加比如低级醇之类的物质(添加剂或者洗涤剂)。这种添加剂改善制备悬浮液的能力，因为它们能够改善导电材料比如碳黑或者金属粉末的可沾性，从而使得后者与悬浮液更加可混溶。这种悬浮液，如果需要的话可以说是一系列这种悬浮液，与一种粘合材料在至少一种液体中形成的至少一种悬浮液或者溶液彻底混合。所述粘合材料，例如是热稳定的聚合物，比如全氟化聚合物(氟化乙烯-丙烯共聚物或者聚四氟乙烯)、聚醚酮、聚醚砜、聚砜、聚苯并咪唑、聚亚苯基硫、聚酰亚胺、聚酰胺或者聚亚苯基氧。所述液体，尤其是水、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺或二甲基亚砜。所述悬浮液(导电材料、粘合材料和溶剂)的特性粘度最好在5-0.01dl/g范围内，尤其是在2-0.05dl/g的范围内。
基于所需的气体扩散层的憎水性，还可以在混合物中使用许多粘合剂，例如可另外联合使用全氟化聚合物与非氟化粘合剂。所述粘合材料和导电材料的质量比最好为1∶100到100∶1，更好地，该范围为1∶50到50∶1。
用所述悬浮液混合物彻底浸渍上述支撑材料，或者将所述混合物均匀地涂在所述支撑材料上，以使所述支撑材料基本上被均一地浸渍。用这种方法制造的潮湿的气体扩散层随后被干燥；干燥所需温度取决于所用的液体、支撑材料和粘合材料的类型。一般，最好在高于室温的温度下，例如在高于80℃的温度下进行干燥，这时，干燥可在空气中或者在惰性气体中进行。上述支撑材料的浸渍和干燥可以重复一次或者多次。用这种方法浸渍过的支撑材料随后在至少200℃的温度下烧结，以便获得支撑材料和所述导电材料之间的紧密粘结，同时也使所述导电材料内部得到紧密粘结。类似地，烧结可在空气或者惰性气体中进行。取决于所使用的材料的稳定性，烧结温度最好在300℃以上。成品气体扩散层与所使用的支撑材料的单位面积重量之比为1.05到50，最好是在1.2到20的范围之内。
用这种方法所获得的气体扩散电极特别均一、多孔，同时有很好的机械强度。这是通过将由所述支撑材料所提供的机械强度功能与所述导电材料浸渍所提供的导电功能分开而实现的。由于孔隙率可调，与通常的石墨化纤维或者石墨化纸相比，所述气体扩散层较少地抑制所需气体的扩散，尤其是空气中的氧气的扩散。由于通过烧结步骤而实现的所述支撑材料与导电材料之间的紧密粘结，本发明的气体扩散电极的导电率也足可与石墨化纤维或石墨化纸相媲美，并足以用于燃料电池或者电解电池中。向含导电材料的所述悬浮液中添加一种憎水剂(例如氟化聚合物，比如聚四氟乙烯或者氟化乙烯-丙烯共聚物)使得能够在所述气体扩散层的纵断面上获得非常均一的憎水性。这导致可以改善燃料电池中的产物水从所述气体扩散层中的运移，从而改善产物水向所述气体扩散电极之外的运移，从而导致进一步改善气体的运移，尤其是空气中的氧气的运移。
为了制造成品气体扩散电极，可以用一层或者多层，最好是一到四层所述的气体扩散层。如果使用一层以上，就最好通过压制或者层压步骤，且最好在较高的温度下将这些层相互紧密地粘合在一起。
如上所述制造的气体扩散电极然后可以用于例如一聚合物电解质隔膜燃料电池中。由于上述电极不包括催化活性层，它可以与一覆盖有催化剂的隔膜联合使用。但是，作为另一种方案，本发明的气体扩散电极也可以覆盖上一催化活性层。
根据本发明的催化层必须是透气的，可导电，可传导H+离子，当然，还必须催化合适的反应。根据本发明，当催化活性层做得很薄时，可获得这些特性。其厚度最好为1-100μm，更好地，为3-50μm。
所述催化活性层包括a).至少一种催化活性物质，b).一种或者多种离子导电聚合物，这些聚合物最好是从下列物质中选取：磺化芳族聚合物(polyaromatics)(例如聚醚酮、聚醚砜或者聚亚苯基硫)、聚苯并咪唑和磺化、全氟化聚合物比如Nafion(杜邦公司)或者Flemion(Asahi Glass公司)，和，如果需要的话，c).一种或者多种憎水材料，例如氟化聚合物，比如聚四氟乙烯、多氟化的乙烯-丙烯共聚物或者部分氟化的聚合物比如聚三氟苯乙烯。所述离子导电聚合物可以以合适溶剂中的悬浮液或者溶液的形式加工。
作为催化活性材料，最好使用贵金属催化剂；特别地，所述催化活性材料包括至少一种第VIII过渡族金属，例如铂。更好的材料是一种或多种第VIII过渡族金属的合金，尤其是含第IV过渡族元素的合金，其中，第VIII过渡族金属，例如铂在合金中的含量为20-95％，更好地，为30-90％。
所述催化活性材料(催化剂)可以有载体支撑或没有载体支撑。如果使用有载体支撑的催化剂，载在支撑材料上的贵金属的重量比大于1％，最好大于2％。载于所述催化活性层中的贵金属少于1mg/cm2为合适，最好少于0.5mg/cm2，尤其更好地，应少于0.3mg/cm2所述气体扩散电极。催化活性材料与离子导电聚合物的质量比一般在1∶100到100∶1，最好在1∶10到20∶1。
当使用有载体支撑的催化剂时，最好使用碳作为支撑材料。催化剂的碳支撑导电而多孔，因此保证了所述催化层的足够的导电率和透气性。质子可导的聚合物同时用作催化层的粘合剂。根据本发明的较小的层厚度对所有需运移的物质：电子、H+离子和气体，保证了短的运移路径，从而保证了较低的运移阻力。
根据本发明，气体扩散电极在其一个表面上按如下所述方式覆盖有一层催化活性层：一种催化活性材料，例如80％的碳(碳黑)所支撑的20％的铂，与一种或者多种溶解的或悬浮的离子导电聚合物(离子交换聚合物，即离聚物)彻底混合。可以使用的离子导电聚合物在上文已用例子的方式描述过了。特别地，合适的悬浮介质是水和醇，尤其是C1-C5醇，或者它们的混合物。包括离聚物和催化剂的悬浮液可以，如果需要的话，用合适的液体，例如水，予以稀释。通过喷涂、印刷或者涂刷的方法，含有催化剂和离聚物的悬浮液被涂到所述气体扩散电极的薄片般的一侧，该涂层然后被干燥。通常，在进行悬浮液的涂覆之前，最好蒸发掉悬浮介质混合物的一部分，例如部分醇，所述蒸发最好在稍高的温度下进行。这一步骤可以影响悬浮液的表面张力值，从而使得悬浮液中的催化剂和离聚物组分基本上只浸湿气体扩散层的表面，而不渗入该气体扩散层的内部。为了进一步最小化所述催化活性层的向内扩散，所述气体扩散层也可以用一种液体例如水或者醇预先浸渍，以将其空隙充满，从而防止溶液的渗入。
用这种方法涂覆的催化活性层随后被干燥。催化活性层的干燥步骤通常在10-250℃的温度下进行，该温度最好为15-200℃，尤其是15-150℃。干燥可在空气中进行，但也可以用其它干燥介质，例如氮气或者惰性气体。
当将上述涂覆步骤和干燥步骤重复一次或多次时，所述催化活性层就可以获得特别好的粘附。所述催化活性层在气体扩散层的整个面积上未必要有均一的厚度。相反，有时候，如果催化层的厚度处处不同反而更好，因为这能够减少整个电极的粗糙度。所述催化活性层在其整个厚度上也未必要有均一的组成；相反，如果导电的和离子导电的材料具有垂直于邻近层的浓度梯度反而更好。尤其是当催化活性层如上所述通过多个步骤涂覆时，所述悬浮液中的催化活性材料和离子导电聚合物的各种合适的浓度的选择使得很容易得到这样的涂覆层：垂直于催化层方向，其催化活性材料的浓度随着距支撑材料的距离的增加而降低，其离子导电聚合物的浓度则升高，也就是说，在与气体扩散层交界处，催化剂和电子导体的浓度高，而在电极的自由表面，离子交换聚合物的浓度高。所述自由表面后来要与质子可导的隔膜相结合，所述高浓度的离聚物可以优化所述电极与隔膜的结合。
电子导体、催化剂和离子导电聚合物的这种分布在与催化活性层中的电子和离子的必要的各种不同的浓度的配合方面也是有好处的。例如考虑正极，从气体扩散层进入催化活性层的燃料气体在其向聚合物电解质隔膜通过催化活性层的途中将越来越高程度地被离子化，从而使得在催化活性层靠近隔膜的区域中的离子的浓度，进而对离子导电材料的需求要高于毗连非纺碳纤维的区域。另一方面，在靠近隔膜的区域，电子的浓度，进而对电子导体的需求较低，因为不是自由电子的全体都通过这些区域，而只是让存在于各区域中的中性尾气的离子化过程中的电子通过。类似地，在负极的催化活性层中，在通过催化活性层运移的途中，通过捕获电子，氧化剂气体离子化程度越来越高，从而同样，在靠近隔膜的区域，与远离隔膜的区域相比，离子浓度更高，而电子浓度更低。
本发明的涂覆催化活性层的方法可以用于任何无催化剂的气体扩散电极，尤其是可用于本发明的气体扩散电极。
本发明的气体扩散电极可以通过在其与有催化活性层的那侧相对那侧的一导电网而被机械加固。合适的网是金属网，但也可以用由聚合物制成的镀有金属的网，所述聚合物比如是聚酯、聚醚酮、聚醚砜、聚砜或者其它的连续使用温度在100℃以上的聚合物。适合用作所述网或者网镀层的金属是贵金属，比如Pt、Au、Ag、Ni，或者不锈钢，或者碳。所述金属网也可以用低价金属比如钢制成，如果使用了贵金属或者镍质的保护镀层了的话。鉴于本发明的目的，尤为合适的网是网格孔径为0.4-0.8mm、网线厚度为0.12-0.28mm的方网孔纺织网，最好是镍质的。镍是合适的材料，因为其在燃料电池的条件下具有化学惰性，且与所述气体扩散电极有足够低的接触电阻。当装配燃料电池时，该网被安装在气体扩散电极远离隔膜的那一侧。其功能是以与气体扩散电极之间的低接触电阻而确保电流的充分排出，并将气体足够均一地分布到气体扩散电极的整个面积上，同时将电极均一地压向所述隔膜。
如果需要，一层或者多层气体扩散层可被复合进一个气体扩散电极中。相互叠加到一起的多于一个的上述气体扩散层的使用减少了，例如，所述网和/或部分集流极例如双极板压透所述隔膜而损伤后者的危险。一般地，每根电极中复合有总共两到三层浸渍过的气体扩散层。多于四层相互叠加的气体扩散层的使用会导致气体扩散不再充分，从而导致燃料电池的输出功率下降。为了使气体扩散层相互间粘合良好，可利用最高500巴的压强和最高400℃的温度将所需数目的气体扩散层压合到一起。最好的压合条件是200巴的压强和200℃的温度。向所述气体扩散层的一面涂覆催化剂最好在通过压合完成各单层之间的紧密粘合之后进行。
一个或多个本发明的气体扩散电极能够与聚合物电解质隔膜复合到一起，形成一隔膜电极组。作为聚合物电解质隔膜，可以使用任何隔膜。这些隔膜的例子有：Nafion(杜邦公司)、Flemion(Asahi Glass公司)、Gore-Select(W.L.Gore & Assoc.)，或者例如在下述出版物中所描述的隔膜：“用于燃料电池系统1的新材料”，第一届燃料电池系统新材料国际研讨会(1995年7月9-13日在加拿大魁北克省蒙特利尔市召开)报告集，蒙特利尔综合技术学院出版社(Les Editions de I′Ecole Polytechnique deMontreal)，第74-94页。不含氟的隔膜尤受关注，因为从环境保护的观点来看，这种隔膜有诸多优点。为获得隔膜电极组的最佳产品，用来输出催化活性层的聚合物如果可能的话应当是与隔膜相匹配的类型：为与非氟化的例如磺化聚醚酮的隔膜相配合，所述催化活性层中的聚合物也应当是一种磺化聚亚芳基；当使用全氟化隔膜时，在所述催化活性层中也使用全氟化离聚物。但是，催化活性层和隔膜中的离聚物的其它组合也可得到令人满意的隔膜电极组。基于气体扩散电极是否有催化活性层，所使用的隔膜可以没有或者有催化活性层，自然，两部分分别在其表面也可以都有催化活性层，从而，所述粘结就建立在催化层中。为生产隔膜电极组，可以将一个或多个浸渍气体扩散层组成的一气体扩散电极置于一H+形式的聚合物电解质隔膜的一侧，随后在最高300巴的压强和最高250℃的温度下压合。优选的条件是：压强最高达300巴，温度最高达200℃。如果所述气体扩散电极包括催化活性层，其向所述隔膜压合时，其催化活性层与所述隔膜相接触。在所述隔膜两侧的电极和所述隔膜之间可以以这种方式接触。所述电极可以选择与所述隔膜依次或同时接触。
为制造所述隔膜电极组，所述气体扩散层和隔膜之间的催化活性层可以是相同的，也可以有不同的化学组成。当使用纯氢(纯度＞99.9％)时，在正极侧的催化剂含量可以如此选择，以使其大大低于在负极侧的含量。当燃料电池的运作使用纯氢以外的燃料时，不同的催化活性层的选择尤其受到关注。在此情况下，建议在正极上使用具有较高的耐CO性的催化剂，例如包含Pt、Ru合金的催化剂。在此情况下，同样，为正极和负极设定不同的催化剂含量也是合适的。在前述步骤中完成的紧密粘结与简单地堆在一起相比，大大改善了所述隔膜上的催化活性层与所述气体扩散层之间，或者所述气体扩散层上的催化活性层与所述隔膜之间的电接触，从而使燃料电池中的隔膜电极组的性能被提高了。在将所述隔膜电极组安装到聚合物电解质隔膜燃料电池中之前，所述气体扩散电极可以通过在其远离隔膜的一侧安装一个网而得到加强。
与已知类型的气体扩散电极相比，本发明的气体扩散电极具有特别低的表面电阻，后者在≤100mΩ/cm2的范围内，更好的是在≤60mΩ/cm2的范围内。
包含本发明的一个气体扩散电极的一燃料电池的最佳实施例示于图1中。正极1和负极1′是由浸渍过的碳纤维非纺材料3和3′构成的。正极1和负极1′在其正对聚合物电解质隔膜5的一侧分别覆有催化层4或者4′。正极1和负极1′与聚合物电解质隔膜5一起构成隔膜电极组6或者6′。在其远离所述隔膜的一侧，正极1和负极1′分别被导电的网2和2′加强。双极板7和7′分别在正极和负极侧构成电池的外侧。
含有本发明的气体扩散电极的隔膜电极组(MEU)适于燃料电池的任何工作条件，也就是说，它可以在有或者没有正表压、在高速和低速气流下、在最高100℃的温度下使用。使用氢气和空气工作时，取决于工作条件，一般的功率密度可达900mW/cm2，在使用氢气和氧气工作时，甚至可达到1.8W/cm2。
下面描述本发明的气体扩散电极的制造和性能：
例1：
将45g的碳黑(Vulcan XC 72)悬浮于450ml的水和495ml的异丙醇中。该悬浮液与32.17g的聚四氟乙烯(PTFE)(60％的Hostaflon纤维的水悬浮液，Hoechst AG制造，产品编号TF5032)彻底混合。所得到的混合物均一地涂覆到一碳化碳纤维非纺材料上(30mg/m2)，该非纺材料随后在约70℃的温度下被干燥。上述涂覆和干燥的过程重复两次。在最后一次干燥之后，浸渍过的碳纤维非纺材料在400℃的温度下烧结约15分钟。这样，就得到了一种事实上在整个厚度和整个面积上都被Vulcan XC 72和Hostaflon均一浸渍的碳纤维非纺材料。
向所述气体扩散电极涂覆催化活性层：
0.6g的碳支撑贵金属催化剂(20％的Pt、80％的C)与4.0g 5％浓度的Nafion溶液(将Nafion溶于短链醇和水中)和10.0g的水彻底混合。然后在50℃的温度下从中蒸发掉2g的醇，以提高该悬浮液的表面张力。该悬浮液然后被喷涂到一浸渍碳纤维非纺材料上，随后在80℃的温度下干燥。所述喷涂和干燥过程重复两次。这就制出了一种覆有催化剂、载有约0.2mg/cm2的Pt的气体扩散电极。
具有NAFION115隔膜的MEU的制造：
具有H+形式的但未经预处理的NAFION115隔膜的隔膜-电极组件(MEU)是通过构造一种夹心结构而制造出来的，所述夹心结构包括一个如上所述的电极、所述隔膜和另一个如上所述的电极。该夹心结构然后在130℃的温度下和250巴的压强下被压合90秒钟，从而完成其中的紧密粘结而制造出MEU。
所述MEU在燃料电池中的效果：
然后在一测试电池中研究用上述方法制造出来的MEU的性能。燃料电池在如下所述的条件下工作：表压0.5巴的未增湿的氢气，表压约60毫巴的增湿空气，空气指数16，电池温度为65℃，镍网用作功率导体。在MEU进行一段试运行后，获得了下表所示的性能数据。在所述试运行中，所述隔膜积累了高导电率所需的水量。
    电压(mV)   电流密度(mA/cm2)   功率密度(mW/cm2)
    1002     0     0
    750     208     151
    700     300     210
    600     563     338
    500     700     350
例2
象例1那样制造气体扩散层，但使用厚度为40μm(在干燥状态下测量)、离子交换当量为1.46mmol或H+/g的磺化聚醚醚酮酮(PEEKK)隔膜。在制造出来后，所述隔膜在去离子水中煮2小时，随后在环境条件下被干燥，以使其在安装时大部分是干的。例1中的电极被放在所述隔膜的两侧，然后在室温下被压合，从而形成一MEU。
所述MEU被安装到测试电池中，然后在下述测试条件下工作：电池温度80℃，氢气表压＜100巴，在80℃下增湿，流速2，空气表压＜100毫巴，空气指数5.5，在80℃下增湿。
所获得的性能数据如下表所示：
    电压(mV)    电流密度(mA/cm2)   功率密度(mW/cm2)
    980     0     0
    750     132     99
    700     240     168
    600     520     312
    500     710     355
例3(比较例)：
按例1或者例2所述制造的4层气体扩散层被作为一面积为12cm2的圆形片安装到一燃料电池的一电池区段中。然后，所述气体扩散层被加以1A/cm2的电流，测量跨越该电池区段的电压降。当各部分在约10巴的压强下被压合到一起时，所述气体扩散层的表面电阻，包括其与所述电池区段的接触电阻为40mΩ/cm2。
使用未加改进的碳纤维非纺材料用作原材料，在同样的条件下重复上述试验。未经处理的碳纤维非纺材料层的电阻为330mΩ/cm2，约比根据本发明制造的气体扩散层的电阻高出8倍。
例4：
使用单位面积重量为30g/m2的、单根玻璃纤维直径为12μm的玻璃纤维非纺材料作为所述气体扩散电极的机械加固材料。所述玻璃纤维非纺材料的表面电阻大于100kΩ/cm2。为制造一根电极，要使用带玻璃纤维非纺材料的两个气体扩散层。单个气体扩散层的制造用类似于例1的方法实现，即，用碳黑/PTFE的悬浮液在其整个厚度上尽量均一地浸渍所述玻璃纤维非纺材料，然后干燥，然后烧结。用于悬浮液配制和处理步骤的配方类似于例1。然后，与例1类似，在所得到的气体扩散电极的一侧涂覆上一层催化活性层。催化活性层中铂的含量是0.2mg/cm2。
所述气体扩散电极的表面电阻是80mΩ/cm2，即，比单独的玻璃纤维的电阻小106多倍！
为制造MEU，将用上述方法制造的两个玻璃纤维电极连同一GoreSelect隔膜(40μm)(W.L.Gore & Assoc.产品)在90℃和80巴的条件下压合而形成一MEU。
然后在例1的条件下测试所述MEU的性能。数据如下：
    电压(mV)   电流密度(mA/cm2)   功率密度(mW/cm2)
    980     0     0
    750     263     196
    700     671     260
    650     500     325
    550     750     412
例5：
MEU的制造使用与例2相似的方法，但是在这里所使用的隔膜的厚度只有25μm。这种MEU在下述条件下测试：
电池温度：50℃，在3巴的绝对压强下使用氢气和氧气，流速约为2，氢气和氧气的增湿器在环境温度即22℃下工作，因此所述气体只含有30％的饱和水蒸气。下面给出测试数据：
    电压(mV)   电流密度(mA/cm2)   功率密度(mW/cm2)
    980     0     0
    750     374     281
    700     580     406
    600     1000     600
    500     1395     697
这里，例如，在低增湿的条件下，发现700mV的输出可以维持数小时。

Claims (24)

1、一种气体扩散电极，包括至少一层导电的、憎水的和透气的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括用至少一种体积电导率≥10mS/cm2的导电材料浸渍过的一种机械稳定支撑材料，所述机械稳定支撑材料包括碳纤维、玻璃纤维或者含有有机聚合物的纤维，所述机械稳定支撑材料的单位面积重量＜150g/m2，所述气体扩散电极的表面电阻≤100mΩ/cm2。
2、如权利要求1所述的气体扩散电极，其特征在于，所述气体扩散电极包括至少一个气体扩散层，该层中，所述机械稳定支撑材料是一种非纺材料、纺织纤维或者纸。
3、如权利要求1或2所述的气体扩散电极，其特征在于，所述机械稳定支撑材料的开放孔隙率范围在20％到99.9％之间。
4、如权利要求1所述的气体扩散电极，其特征在于，所述导电材料包括碳和/或一种金属。
5、如权利要求1所述的气体扩散电极，其特征在于，它包括一到四层气体扩散层。
6、如权利要求1所述的气体扩散电极，它包括一催化活性层。
7、如权利要求6所述的气体扩散电极，其特征在于，所述催化活性层包括：
a).至少一种催化活性材料和
b).一种或者多种离子导电聚合物和/或
c).一种或者多种憎水材料。
8、如权利要求7所述的气体扩散电极，其特征在于，所述催化活性材料是至少一种第VIII过渡族金属，或者是一种或多种第VIII过渡族金属与一种第IV过渡族金属的合金。
9、如权利要求7或8所述的气体扩散电极，其特征在于，催化活性材料与离子导电聚合物的质量比在1∶100到100∶1的范围内。
10、如权利要求7所述的气体扩散电极，其特征在于，垂直于所述催化活性层方向，所述催化活性材料的浓度随着距支撑材料的距离的增加而降低，而所述离子导电聚合物的浓度则升高。
11、如权利要求1所述的气体扩散电极，其特征在于，用一导电网予以机械加固。
12、如权利要求11所述的气体扩散电极，其特征在于，所述导电网是一金属网或者由镀有金属的聚合物构成。
13、一种制造气体扩散电极的方法，所述气体扩散电极包括至少一层导电的、憎水的和透气的气体扩散层，所述方法的特征在于，包括下列步骤：
a)制备含有一种导电材料和至少一种液体的悬浮液，其中所述导电材料的体积导电率≥10mS/cm，
b)用一种粘合材料和至少一种液体制备一种或多种悬浮液或者溶液，
c)彻底混合步骤a)中制备的悬浮液和至少一种步骤b)中所制备的悬浮液，
d)用步骤c)中制备的混合物浸渍一种机械稳定支撑材料，
e)干燥上述浸渍过的支撑材料，
f)在至少200℃的温度下烧结所述浸渍支撑材料，
其中，所述机械稳定支撑材料的单位面积重量＜150g/m2，所述气体扩散电极的表面电阻≤100mΩ/cm2。
14、如权利要求13所述的制造气体扩散电极的方法，其特征在于，所述气体扩散电极包括至少一个气体扩散层，在所述气体扩散层中，所述机械稳定支撑材料是非纺材料、纺织纤维或者纸。
15、如权利要求13所述的制造气体扩散电极的方法，其特征在于，所述步骤d)和e)重复一次或者多次。
16、如权利要求13所述的制造气体扩散电极的方法，其特征在于，一层或者多层烧结的气体扩散层在最高500巴的压强和最高400℃的温度下被压合到一起。
17、如权利要求13所述的制造气体扩散电极的方法，其特征在于，在所述步骤a)中所制备的悬浮液含有一种用来减小表面张力的物质。
18、如权利要求13所述的制造气体扩散电极的方法，其特征在于，所使用的所述粘合材料和导电材料的质量比为1∶100到100∶1。
19、向一气体扩散电极的一个表面涂覆一层催化活性层的方法，其中，使用权利要求1所述的一气体扩散电极，该涂覆方法的特征在于包括下列步骤：
a)将至少一种催化活性材料与一种或者多种溶解的或悬浮的离子导电聚合物彻底混合，
b)将步骤a)中所制备的悬浮液涂覆到所述气体扩散电极的一个表面上，
c)干燥所涂覆的涂层。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，在涂覆所述步骤a)中制备的悬浮液之前，蒸发掉部分悬浮液。
21、如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，所述步骤b)和c)重复一次或者多次。
22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，在连续的各层中，分别使用具有不同的催化活性材料浓度和离子导电聚合物浓度的悬浮液。
23、一种隔膜电极组件，包括一正极、一负极和位于正负极之间的一层聚合物电解质隔膜，其特征在于，至少一个电极是如权利要求1所述的气体扩散电极。
24、如权利要求1所述的气体扩散电极在燃料电池或者电解电池中的用途。
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