CN1649690A - 燃料电池或者电解槽的多孔金属叠板 - Google Patents

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Abstract

一种用在燃料电池或者电解槽中的叠板，该叠板包括：不能渗透的金属结构、至少一个第一金属纤维层和至少一个第二金属纤维层。不能渗透的金属结构被烧结到所述第一金属纤维层的一侧上，第二金属纤维层被烧结到所述第一金属纤维层的另一侧上。所述叠板的平面空气渗透性大于0.02l/min*cm，而所述第二金属纤维层的孔隙度小于80％。

Description

燃料电池或者电解槽的多孔金属叠板
发明领域
本发明涉及一种多孔叠板，该叠板包括金属纤维，该叠板用在燃料电池或者电解槽中。
背景技术
燃料电池和电解槽常常包括许多叠板，这些叠板被加入来与质子交换膜(PEM)相结合，以在燃料电池或者电解槽中得到一些用于电化学反应的独立电池。这些叠板通常在现有技术中已经公开。它们常常具有至少3层，这些层相互紧密接合。
第一层是防水和防气体的层，在下文中称为收集层，在现有技术中也称为“双极板”。这种收集层可以防止气体或者水从一个电池泄漏到另一个中，并且把电子导到该电池中或者从该电池中导出电子。因此，通常公知的是，使用导电板、常常是石墨板。
紧密地接合收集层的一侧的第二层用来把气体分布在燃料电池或者电解槽的整个表面上，这些气体借助位于质子交换膜(PEM)处的燃料电池或者电解槽中的电化学反应来使用或者提供。该层在下文中称为“分配层”。
紧密接合收集层的另一侧的第三层是这样的层，该层用来在扩散层和PEM之间提供接触。在这种所谓的接触层或者“电极层”中产生电化学反应，因为在接触层或者PEM本身上具有催化剂成分。通过扩散层提供到接触层中的气体被充分地保留以产生电化学反应。
接触层和可能的扩散层可以由疏水物质(例如借助注入疏水成分如Teflon®)或者亲水物质形成。
根据叠板在燃料电池或者电解槽中的位置，产生电化学反应，在这种反应中，e-、质子(H+)和气体在PEM附近被消耗或者提供。
H+通过PEM提供或者排出到电化学反应中。因此，在接触层和PEM之间的接触将尽可能地完全，因为电化学反应产生在催化剂层上，该层靠近PEM的表面。
e-通过通过由收集层、扩散层和接触层所形成的叠板来提供或者排出。因此，所有接合起来的这些层将是导电的，叠板上的电阻、尤其是许多层的接触处的接触电阻将尽可能的小。
扩散层尽可能多地使气流分散在接触层的整个表面上，以尽可能充分地使用目前的催化剂成分，从而在PEM的整个表面上提供e-和H+。
叠板的例子公开在WO0069003和EP0141241中。
发明内容
本发明的目的是提供一种用在燃料电池或者电解槽中的改进叠板，该叠板包括金属纤维，该叠板在它的厚度上减少了电阻，并且提高了反应气体在PEM表面上进行扩散的性能，该叠板用在该PEM表面上，并且改善了叠板和PEM之间的接触。
作为本发明主题的叠板包括至少三层：
至少一个气体和液体不能渗透的金属结构(收集层)如金属箔或者金属板；
至少一个第一金属纤维层(扩散层)，它包括金属纤维；
至少一个第二金属纤维层(接触层)，它包括金属纤维。
根据本发明，不能渗透的结构被烧结到扩散层的一侧上，第二金属纤维层烧结到扩散层的另一侧上。术语层应该理解成具有厚度的、基本上是平的物体，该厚度在物体的表面上基本上相等。以这样的方式选择两个金属纤维层的性能，以致作为本发明主题的叠板的平面空气渗透性大于0.02l/min*cm，因此接触层的孔隙度小于80％或者甚至小于75％。
作为本发明主题的叠板可以包括：
气体和液体不能渗透的金属结构(收集层)，如金属箔或者金属板；
两个第一金属纤维层(扩散层)，它们包括金属纤维；
两个第二金属纤维层(接触层)，它们包括金属纤维。
应该知道，把第一金属纤维层烧结在不能渗透的金属结构的两侧上，第二金属纤维层被烧结到第一金属纤维层的每个侧部上，这些侧部没有连接到不能渗透的金属结构上。位于不能渗透的金属结构的两侧上的、作为本发明主题的叠板的该平面空气渗透性大于0.02l/min*cm，而接触层的孔隙度小于80％或者甚至小于75％。
平面空气渗透性表示这样的气体量，该气体量沿着平行于这些层的平面的方向通过该叠板的金属纤维层。借助采用高度为2.5cm的叠板的矩形部分来测量平面空气渗透性。该侧在下文中称为短侧。矩形样品的另一侧称为长侧。矩形体以这样的方式夹紧在相等尺寸大小的两个密封件之间，以致样品的侧部和密封件的侧部相一致。在长度超过5cm的矩形样品的长侧上，使用200Pa的负压来吸入空气。通过其吸入空气的长侧的未使用长度被密封住。测量空气吸入量，以l/min*cm来表示渗透性，其中cm是样品的长度单位。优选地，使用长侧的5cm的长度。
一层的孔隙度表示如下：
孔隙度＝100-密度
密度表示100倍的这样比率，该比率是单位该层容积的重量与100％金属合金的相同容积的重量之比，提供该金属合金的金属纤维。该密度表示成百分比。
优选地，不能渗透的金属结构是金属箔或者金属板，最优选的是，由不锈钢、Ni、镍合金例如Inconel®或者Ti来形成。在是不锈钢的情况下，优选地，使用Fe-Ni-Cr合金，如系列AISI-300的合金，优选地AISI316L或者Fe-Cr合金如系列AISI-400的合金。
用来提供金属纤维的金属纤维优选地是不锈钢纤维、镍或者镍合金纤维或者Ti纤维。在是不锈钢纤维的情况下，优选地，使用Fe-Ni-Cr合金，如系列AISI-300的合金，优选地AISI316L或者Fe-Cr合金如系列AISI-400的合金。借助使用目前公知的技术如拔束(bundledrawing)、卷削(coil shaving)或者任何其它生产技术，可以得到金属纤维。
优选地，所有叠板层由相同金属或者金属合金来形成。
在装配具有收集层、一个或者多个扩散层和一个或者多个接触层的叠板并把这些层相互烧结起来之前，接触层和扩散层可以分开地进行烧结。另一方面，在一个烧结工作(一批烧结或者连续烧结)期间，具有金属纤维的多个扩散层和收集层及收集层可以立即全部相互烧结起来。
用来提供第一金属纤维层即所谓的扩散层的金属纤维的当量直径大于20um，最优选地大于50um。可能的是，一个以上的金属纤维片用来提供第一金属纤维层。
“金属纤维的当量直径”表示假想圆的直径，该假想圆具有与金属纤维的横截面相同的表面。
优选地，扩散层的孔隙度比接触层的孔隙度大10％以上。最优选的是，扩散层的孔隙度超过80％，或者甚至大于82％，如大于85％或者甚至大于90％。为了得到作为本发明主题的优选叠板，因此扩散层的厚度大于0.5mm，最优选为大于1mm。
这些扩散层最大程度地为叠板提供了平面空气渗透性，因此反应气体可以很好地分布在邻近接触层的整个表面上。
另外，根据本发明，金属网或者伸展金属箔或者板或者泡沫金属层可以插入到两个金属纤维片之间，这些纤维片包括在第一金属纤维层中。
用来提供第二金属纤维层即所谓的接触层的金属纤维的当量直径小于30um，最优选地小于10um。可能的是，一个以上的金属纤维片用来提供第二金属纤维层。接触层的厚度优选地小于0.2mm。通过扩散层在它的整个表面上得到反应气体的这些接触层保留足够的气体，以在它的反应侧上进行电化学反应，该反应侧是接触层的侧部，该接触层接触邻近的PEM。由于第二金属纤维层的垂直空气渗透性相对较小，因此可以防止反应气体在叠板的气体入口处消耗太快，从而导致在连接层的整个表面上具有反应气体。可能的是，接触PEM的接触层的侧部设置有合适的催化剂。另一方面，催化剂被放置在PEM的表面上。由于用来提供接触层的金属纤维的当量直径较小并且该层的密度较小，因此在接触层和PEM之间可以得到非常高的接触度，而接触PEM的该层的侧部相对较软。在使用时，从接触层的基本平的表面伸出的金属纤维不会穿过PEM，但是在装配和使用燃料电池或者电解槽期间，弯曲到接触层表面上。
优选地，接触层的垂直空气渗透性小于200l/min*dm2，最优选为甚至小于150l/min*dm2。
垂直空气渗透性表示气体量，该气体量沿着垂直于该层平面的方向通过金属纤维层，该气体量使用200Pa的负压来进行测量，并且使用现有技术中的公知方法如Textest FX3300来进行测量。垂直空气渗透性以l/min*dm2来表示。
此外，在提供不能渗透的金属结构、扩散层和接触层的叠板的情况下，作为本发明主题的、所得到的叠板的横向电阻优选地小于30*10-3欧姆或者甚至小于15*10-3欧姆。横向电阻表示在不能渗透的金属结构表面上的点和连接层的侧部的点之间所测得的电阻，其中该连接层用在PEM上，该点最靠近不能渗透的金属结构的点。由于在许多纤维之间具有许多接触点，因此可以得到小电阻，而这些纤维相互烧结起来或者烧结到收集层上。
另一方面，当在不能渗透的金属结构的每侧上设置扩散层和连接层时，横向电阻优选地小于30*10-3欧姆。
在烧结之后，可能地但不是必须地，这些金属纤维层可以用疏水剂或者亲水剂如聚四氟乙烯如作为疏水剂的Teflon®来浸渍。
这些叠板可以用在燃料电池中，在该燃料电池中，使用作为本发明主题的至少两个叠板。在第一叠板的接触层和第二叠板的接触层之间设置PEM。在PEM的两侧上具有所需要的催化剂，以进行所想要的电化学反应。把H2提供到第一叠板的扩散层上，该H2流过整个扩散层(因为该叠板的平面空气渗透性相对较高)。在PEM处，进行如下的反应：
燃料电池的这个侧部称为阳极。
H+通过PEM到达PEM的相对侧上，而e-通过导电连接和扩散层排出到不能渗透的金属结构中。
e-通过电路导入到其它的不能渗透的第二叠板的金属结构中。又通过第二叠板的扩散层和连接层，把e-提供到位于PEM侧部的电化学反应中，该侧是阳极侧。
把O2提供到这个第二叠板的扩散层中，该扩散层通过连接层到达PEM的表面。这里，使用O2、e-和H+(这些通过PEM来提供)来产生反应：
由于叠板具有最佳的平面空气渗透性并且这些接触层具有相对较小的垂直空气渗透性，因此这些气体以最佳的方式在整个PEM表面上进行扩散。此外，由于这些叠板具有较小的横向小电阻，因此e-到达电路而不会有明显的功率损失。
当这些叠板用在电解槽中时，可以得到类似的优点。提供至少两个叠板的相同结合。在两个不能渗透的金属结构之间提供确定的电压。在它的不能渗透的金属结构上具有正电压的叠板处提供H2O，该H2O在PEM表面上进行反应如下：
H+通过PEM到达PEM的另一侧中，因此e-通过金属纤维层到达不能渗透的金属结构。O2容易排出，因为扩散层具有较高的平面空气渗透性。
在另一侧上，产生了反应：
在这里，H+通过PEM来提供，而e-通过不能渗透的金属结构(它是负极)和金属纤维层来提供。由于扩散层具有较高的平面空气渗透性，因此H2容易排出。
附图说明
参照附图，现在更加详细地描述本发明，在这些附图中：
图1示意性地示出了作为本发明主题的叠板；
图2示意性地示出了作为本发明主题的另一叠板；
图3a、图3b和图3c示意性地示出了一个实验，该实验建立来测量叠板的平面空气渗透性；
图4示意性地示出了作为本发明主题的燃料电池；
图5示意性地示出了作为本发明主题的电解槽。
具体实施方式
作为本发明主题的多孔叠板的实施例示出在图1中。
叠板10包括气体和液体不能渗透的金属结构、即所谓的收集层11。在图1所示出的实施例中，使用由具有合金AISI316L的不锈钢所形成的金属板。收集层的厚度为0.4mm。
扩散层12设置到收集层的一侧上，扩散层12是烧结金属纤维层，该烧结金属纤维层由当量直径为22um的不锈钢纤维(合金AISI316L)形成。扩散层12的厚度为1.7mm，并且孔隙度为90％。
这些纤维优选地但不是必须地通过卷削(coil shaving)过程来得到，这使得这些纤维具有基本上是矩形的横截面，其中长侧大约为25um，而短侧大约为15um。
是接触层的第二金属纤维层13设置到扩散层的侧部上，该侧部不接触收集层。
接触层13包括烧结的、拉制成束的不锈钢纤维(合金AISI136L)，这些纤维具有基本上是圆形的横截面，该横截面具有8um的当量直径。接触层13的厚度大约为0.2mm，并且优选地孔隙度为70％。
作为本发明主题的另一种叠板20示出在图2中。该实施例包括收集层21，该收集层与图1的收集层相同。
在收集层21的两侧上设置扩散层22a和22b，每个扩散层22a和22b与图1的扩散层相同。
与图1相类似，接触层23a和23b设置到扩散层22a和22b的侧部上。这些接触层23a和23b与图1的接触层相同。
如图3a、图3b和3c所示一样，测量叠板10的平面空气渗透性及叠板20的两侧24a和24b的平面空气渗透性。
如图3a所示，借助两个夹子505，使具有长侧302和短侧303的叠板的矩形样品(301)被夹紧在两个密封件304之间。密封件304的密封剂材料最好是HD PE-泡沫，在没有挤压时，它的厚度大约为10mm。夹子305最好由金属形成。借助封闭装置306如夹子使所有的零件保持在一起。
使该组件放置在密封层507上，该密封层设置有孔，该孔具有直径310(参见图3b和3c)，该孔设置在长侧302的下方。该组件的尺寸大小308和309至少比孔的直径310大2cm。
短侧303的高度315取为2.5cm。
在图3b的AA’的截面上，及在图3c的BB’的截面上，它示出了，该组件放置在吸入装置312例如Textest FX3300的开口上，该装置具有吸入开口，该开口具有直径311，该直径311至少等于密封层307中的开口直径，但是它小于尺寸大小308和309。
通过叠板的样品301，使用200Pa的负压沿着方向313吸入空气，如箭头314所示一样。测量每分钟所吸入的空气量，并且空气渗透性表示为每分钟和每长度单位的开口310直径的空气量。
对于5cm的长度310而言，图1和2所示出的、上述的叠板10的平面空气渗透性和叠板20的两侧24a和24b的平面空气渗透性为每分钟0.16升。平面空气渗透性为0.032l/min*cm。
已发现，接触层13、23a或者23b的孔隙度不会明显改变平面空气渗透性。
对于70％孔隙度的接触层而言，接触层13、23a和23b的垂直空气渗透性被测量为123l/min*dm2。
在叠板10或者在叠板20的两侧上测量电阻，该电阻为9.2*10-3欧姆。
作为本发明主题的叠板10或者20可以用在电解槽或者燃料电池中，如图4和5所示一样。
图4示出了燃料电池40，该燃料电池40包括许多叠板10和20，使用质子交换膜41来使这些叠板相互分开，合适的催化剂设置在叠板10或者20的接触层和PEM41之间。
以这样的方式把O2或者H2提供到叠板中，以致在PEM的两侧上产生电化学反应。通过接触层和扩散层，借助收集层来收集e-。
这些收集层通过合适的电连接装置42而相互连接起来，该连接装置42提供电装置要使用的电流，或者将要使用的电流提供到电池43中。
在图5中，借助涂有催化剂的PEM51使两个叠板10相互分开。
借助电压源52来把电压提供到电解槽的收集层中。提供到电解槽中的H2O进行电化学反应，从而提供O2和H2。

Claims (18)

1.一种叠板，该叠板包括：不能渗透的金属结构、至少一个第一金属纤维层和至少一个第二金属纤维层，所述不能渗透金属结构被烧结到所述第一金属纤维层的一侧上，所述第二金属纤维层被烧结到所述第一金属纤维层的另一侧上，其特征在于，所述叠板的平面空气渗透性大于0.02l/min*cm，所述第二金属纤维层的孔隙度小于80％。
2.如权利要求1所述的叠板，所述叠板包括两个第一金属纤维层和两个第二金属纤维层，每个所述第一金属纤维层被烧结到不能渗透的金属结构的一侧上，所述第二金属纤维层被烧结到所述第一金属纤维层的另一侧部上。
3.如权利要求1或者2所述的叠板，所述第一金属纤维层的孔隙度大于80％。
4.如权利要求1-3所述的叠板，所述第二金属纤维层的垂直空气渗透性小于200l/min*dm2。
5.如权利要求1-4所述的叠板，所述第一金属纤维层包括一些纤维，这些纤维的当量直径大于20um。
6.如权利要求1-5所述的叠板，所述第二金属纤维层包括一些纤维，这些纤维的当量直径小于30um。
7.如权利要求1-6所述的叠板，所述第一金属纤维层的厚度大于0.5mm。
8.如权利要求1-7所述的叠板，所述第二金属纤维层的厚度小于0.2mm。
9.如权利要求1-8所述的叠板，所述叠板的横向电阻小于30*10-3欧姆。
10.如权利要求1-9所述的叠板，所述不能渗透的金属结构是金属板。
11.如权利要求1-9所述的叠板，所述不能渗透的金属结构是金属箔。
12.如权利要求1-11所述的叠板，所述金属纤维是不锈钢纤维。
13.如权利要求1-11所述的叠板，所述金属纤维是镍纤维或者镍合金纤维。
14.如权利要求1-11所述的叠板，所述金属纤维是Ti纤维。
15.如权利要求1-14所述的叠板，所述金属纤维具有与所述不能渗透的金属结构相同的合金。
16.一种燃料电池，它具有如权利要求1-15所述的叠板。
17.一种电解槽，它具有如权利要求1-15所述的叠板。
18.如权利要求1-15所述的叠板用在燃料电池或者电解槽中。
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