CN203574057U - 燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池或者电解槽中的气体扩散层和膜电极，该膜电极包括该气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，所述纤维毡包括两层金属纤维：第一金属纤维层和第二金属纤维层，所述第一金属纤维层纤维的当量直径小于所述第二金属纤维层纤维的当量直径，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。由此使得扩散层具有最佳的平面空气渗透性并且接触层具有相对较小的空气渗透性，因此这些气体以最佳的方式在整个质子交换膜表面上进行扩散。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气体扩散层，该气体扩散层用在燃料电池或者电解槽中；具体涉及一种膜电极中的气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡。
背景技术
燃料电池和电解槽中的膜电极，常常由三层组成，中间层为交换膜，两侧分别是多孔阴极催化气体扩散层和多孔阳极催化气体扩散层。
这些气体扩散层被加入来与交换膜，通常是质子交换膜（Proton Exchange Membrane，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。气体扩散层可以与本身具有催化剂成分的PEM直接接触，或者通过催化剂本身形成所谓的“催化剂层”，位于气体扩散层和PEM之间，提供接触，因此，该催化剂层也可称作“接触层”。通过扩散层提供到接触层中的气体被充分地保留以在所谓的接触层上产生电化学反应。
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
）或者亲水物质形成。
根据气体扩散层在燃料电池或者电解槽中的位置，产生化学反应，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，在催化剂本身形成的催化剂层和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。
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+。
扩散层的例子公开在WO2003/061042和WO2003/059556中。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用在燃料电池或者电解槽中的改进气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，该纤维毡由两层金属纤维组成：第一金属纤维层和第二金属纤维层；其中第一金属纤维层纤维的当量直径小于第二金属纤维层纤维的当量直径，并且第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。
“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积。
优选的，一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括上述气体扩散层和隔膜，气体扩散层的第一金属纤维层一侧直接与隔膜相接触，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。这种膜电极中的隔膜，例如PEM，本身上具有催化剂成分，通过扩散层提供到隔膜表面的气体被充分地保留以产生电化学反应。
优选的，一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括上述气体扩散层和隔膜，还包括一个催化剂层；第一金属纤维层一侧通过该催化剂层与隔膜相接触，第二金属纤维层被烧结到第一金属纤维层的另一侧部上。这种膜电极中催化剂层上含有催化剂成分，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。该催化剂层用来在气体扩散层中的第一金属纤维层和所述隔膜之间提供接触，因此，也可以称作“接触层”。
用来提供第一金属纤维层的纤维当量直径小于25μm，优选的，小于20μm；最优选的小于15μm。可能的是，一种以上的不同当量直径的金属纤维用来提供第一金属纤维层。
用来提供第二金属纤维层的纤维当量直径大于30μm，优选的，大于40μm；最优选的小于50μm。可能的是，一种以上的不同当量直径的金属纤维用来提供第二金属纤维层。
第一金属纤维层纤维的质量占第一金属纤维层以及第二金属纤维层纤维总质量的质量百分比小于35%，，优选的，小于25%；最优选的小于20%。可能的是，第一金属纤维层的纤维克重小于第二金属纤维层的纤维克重。
优选的，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过切削（shaved）得到的，这种金属纤维横截面包含一个等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边，往往是矩形横截面。
更优选的，通过上述切削法（shaved）得到用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维的横截面至少有一条边长度相等。满足该要求的可选方法之一是，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维是由同一片金属薄片切削得到的，从而保证了第一金属纤维层的金属纤维和第二金属纤维层的金属纤维的横截面至少有一条边长度相等。通过此法得到的金属纤维在具有矩形横截面的同时，其当量直径偏差也很小。
优选的，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过机械加工（machined）得到的，通过此法得到的金属纤维往往具有不规则的横截面，包含一个小于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边，例如，不规则锥形。此法是利用机械工具，例如自旋转车刀，从金属工件上加工得到金属纤维。通过此法得到的金属纤维当量直径偏差相对较大；但是本实用新型中，用来提供第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维当量直径之间的标准偏差均小于25%。纤维当量直径之间的标准偏差较小可以很好的满足金属纤维之间的一致性，特别是由当量直径较小的金属纤维组成本实用新型气体扩散层中的第一金属纤维层，对金属纤维一致性要求更高。
综上所述，组成本实用新型气体扩散层的两层金属纤维层，用来提供第一金属纤维层的金属纤维和用来提供第二金属纤维层的金属纤维都是通过同一种加工方法获得的，不管是第一金属纤维层纤维和第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个等于90°的夹角以及组成该夹 角的两条邻边（shaved）或者均包含一个小于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边(machined)；显然地，通过同一种加工方法获得两种不同当量直径的金属纤维，简单方便，经济实惠。
优选的，用来提供金属纤维的金属纤维是不锈钢纤维、镍纤维或者镍合金纤维或者Ti纤维。在是不锈钢纤维的情况下，优选的，使用Fe-Ni-Cr合金，如系列AISI-300的合金，优选的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集束拉拔（bundle drawing）、卷削（coil shaving）、机械加工（machined）或者任何其它生产技术，可以得到金属纤维。
可能的是，合适的催化剂放置形成催化剂层（接触层），该层的侧部直接接触PEM；另一方面，催化剂直接放置在PEM的表面上。由于用来提供扩散层第一金属纤维层的当量直径较小并且该层的克重较小，因此在接触层和PEM之间或者扩散层直接和PEM之间可以得到非常高的接触度。此外，由于接触PEM的扩散层的第一金属纤维层的纤维当量直径较小，更加柔软，容易变形；所以在使用时，从接触层或者PEM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，弯曲到接触层或者PEM表面上。
在第二金属纤维层的一侧部烧结到第一金属纤维层的另一侧部之后，可能地但不是必须地，这些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
来浸渍，形成本实用新型所述的膜电极中的气体扩散层。
这些膜电极可以用在燃料电池中，在该燃料电池中，使用作为本实用新型主题的至少两个扩散层，在这两个扩散层之间（阴极催化扩散层和阳极催化扩散层）设置PEM。在PEM的两侧上具有所需要的催化剂，以进行想要的电化学反应。把H2提供到扩散层上，该H2流过整个扩散层。在PEM处，进行如下反应：
H2→2H++2e-
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金属结构中，又通过扩散层，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提供到扩散层中，该扩散层通过接触层到达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：
O2+4H++4e-→2H2O
由于扩散层具有最佳的平面空气渗透性并且接触层具有相对较小的空气渗透性，因此这些气体以最佳的方式在整个PEM表面上进行扩散。
当这些膜电极用在电解槽中时，可以得到类似的优点。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扩散层处提供H2O，该H2O在PEM表面上进行反应如下：
2H2O→O2+4H++4e-
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：
2H++2e-→H2
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
附图1为本实用新型中电解槽用膜电极实施例示意图。
附图2为本实用新型电解槽用膜电极气体扩散层实施例示意图。
附图3a、3b、3c为本实用新型机械加工金属纤维的横截面示意图（锥形）。
附图4为本实用新型中燃料电池实施例示意图。
具体实施方式
作为本实用新型主题之一的电解槽用膜电极的实施例示出在图1中。
在图1所示出的实施例中，两个气体扩散层12分别设置在两个所谓的接触层14（催化剂层）的一侧上，接触层14的另一侧直接与PEM16接触，通过气体扩散层12提供到接触层14中的气体被充分地保留以在所谓的接触层14上产生电化学反应，18是冷凝管。扩散层12是烧结金属纤维层，该烧结金属纤维层包括一个第一金属纤维层22和一个第二金属纤维层24（如图2所示）。其中，第一金属纤维层22的一侧直接通过接触层与PEM16相接触，第二金属纤维层24被烧结到第一金属纤维层22的另一侧上。该第一金属纤维层纤维的当量直径为15μm的不锈钢纤维（合金AISI316L），第二金属纤维层纤维的当量直径为50μm的不锈钢纤维（合金AISI316L）。
是该扩散层的第一金属纤维层22设置到PEM16的侧部上，第二金属纤维层不直接接触PEM16的侧部。由于用来提供直接接触PEM16侧部的金属纤维的当量直径较小，因此在气体扩散层和PEM之间可以得到非常高的接触度，而接触PEM侧部的该层相对较软，避免了PEM膜电极受到损坏。在使用时，从气体扩散层的基本平的表面伸出的金属纤维不会穿过PEM，但是在装配和使用该电解槽期间，直接弯曲到气体扩散层表面上。
这些纤维优选的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，对于第一金属纤维层的纤维，克重是150g/m2，具有的矩形横截面长侧大约为20μm，而短侧大约为8.8μm；对于第二金属纤维层的纤维，克重是300g/m2，具有的矩形横截面长侧大约为20μm，而短侧大约为98.2μm。可选的，当第一金属纤维层的纤维克重是100g/m2时，而纤维的平均当量直径保持不变的情况下(15μm)，其具有的矩形横截面长侧大 约为30μm，而短侧大约为5.9μm；对于第二金属纤维层，纤维面克重是350g/m2时，而纤维的平均当量直径保持不变的情况下(50μm)，其具有的矩形横截面长侧大约为30μm，而短侧大约为65.4μm。
同样的，这些纤维也可以通过机械加工（machined）得到，这样加工得到的金属纤维往往具有不规则的横截面，例如锤形，横截面至少包含一个锐角（小于90°的夹角）及其两条邻边（如图3a、3b、3c所示）。机械加工法得到的金属纤维当量直径往往偏差很大，而锥形截面的金属纤维当量直径偏差明显减小（小于20%），因此，可以减少金属纤维的用量，特别是组成气体扩散层的第一金属纤维层，较少量的金属纤维也可以满足气体扩散层中第一金属纤维层的构成要求：第一金属纤维层的纤维百分含量占整个气体扩散层纤维总质量的35%，甚至更少。
图4示出了作为本实用新型另一主题的燃料电池40的示意图，该燃料电池40包括许多气体扩散层42，使用质子交换膜41来使这些气体扩散层42相互分开，合适的催化剂设置在气体扩散层42和PEM41之间。
以这样的方式把O2或者H2提供到气体扩散层42中，以致在PEM的两侧上产生电化学反应。这些收集e-的收集层通过合适的电连接装置43而相互连接起来，该连接装置43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44中。
Claims (18)
1.一种用在燃料电池或者电解槽中的气体扩散层，该气体扩散层包括烧结金属纤维毡，所述纤维毡包括两层金属纤维：第一金属纤维层和第二金属纤维层，所述第一金属纤维层纤维的当量直径小于所述第二金属纤维层纤维的当量直径，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维的横截面均包含一个小于等于90°的夹角以及组成该夹角的两条邻边。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层的纤维当量直径小于25μm。
3.根据权利要求2所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层的纤维当量直径小于20μm。
4.根据权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层的纤维当量直径小于15μm。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第二金属纤维层的纤维当量直径大于30μm。
6.根据权利要求5所述的气体扩散层，其特征在于，所述第二金属纤维层的纤维当量直径大于40μm。
7.根据权利要求6所述的气体扩散层，其特征在于，所述第二金属纤维层的纤维当量直径大于50μm。
8.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维的横截面均是矩形。
9.根据权利要求8所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层以及第二金属纤维层的纤维横截面至少有一条边长度相等。
10.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维和所述第二金属纤维层纤维当量直径之间的标准偏差小于25%。
11.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维的质量百分含量小于所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层纤维总质量的35%。
12.根据权利要求11所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维的质量百分含量小于所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层纤维总质量的25%。
13.根据权利要求12所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层纤维的质量百分含量小于所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层纤维总质量的20%。
14.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层所含金属纤维是不锈钢纤维。
15.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层所含金属纤维是镍纤维或者镍合金纤维。
16.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一金属纤维层以及所述第二金属纤维层所含金属纤维是Ti纤维。
17.一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括如权利要求1所述的气体扩散层和隔膜，其特征在于，所述气体扩散层中的第一金属纤维层与所述隔膜直接接触。
18.一种用在燃料电池或者电解槽中的膜电极，该膜电极包括如权利要求1所述的气体扩散层和隔膜以及催化剂层，其特征在于，所述催化剂层用来在所述气体扩散层中的第一金属纤维层和所述隔膜之间提供接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140430 |