[发明专利]气体扩散层

说明书

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。

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。