专利名称：气体扩散层，气体扩散层的布置结构和制造气体扩散层的方法
技术领域：
本发明涉及一种气体扩散层。此外，本发明还涉及一种包括两个气体 扩散层的布置结构。最后，本发明涉及一种用于制造所述气体扩散层的方 法。
背景技术：
气体扩散层用于燃料电池中。燃料电池的常见结构的特征在于，带有 气体分配结构的双极板、气体扩散层和反应层排列(构成)的层序列。为 了降低接触电阻，所述层被(相互)挤压/层压。为了实现均匀的、不受厚 度容差影响的挤压，希望气体扩散层的弹性尽可能大。
但弹性的气体扩散层会进入燃料电池的气体通道中。在汽车领域中的 燃料电池的气体分配器内，通道的深度非常小并且较宽。通道的深度小于
400 jim，而通道的宽度大于1000 nm。这样的尺寸对于满足对燃料电池的 要求来说是必需的。
管道内部的压力下降不是线性的，而是与管道半径的四次幂的倒数成 比例关系。因此，气体扩散层进入通道较小的进入量就会引起电池中明显 的压力下降。由此会由于压缩机中附带的损失导致燃料电池效率降低。
同时气体扩散层在通道的区域内作用在反应层或者说薄膜上的压力较 小。由此，导致在所述区域内接触电阻的升高，这附加地导致电池效率的 降低。
在燃料电池的阳极和阴极之间出现压力差的情况下，还有一种需要担 心的气体扩散层弯曲现象。因此，对于这种应用场合几乎只使用具有很高
拉伸^=莫量的碳纤维纸。但超过一定厚度所釆用的所述紙就不在能巻绕起来， 并因此不能进行连续的生产和加工。
因此由现有技术已知的气体扩散层在很多方面都有缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种系统，该系统可以在优化燃料电池 效率的情况下实现燃料电池毫无问题的运行。
根据本发明，前面所述的目的利用权利要求1的特征来实现。
气体扩散层包括至少两个相互作用连接的功能区域，其中第 一 区域具有 多孔结构，而第二区域设计成稳定区(起稳定作用的区域)。
根据本发明首先获知，气体扩散层必须具有不同的功能区域以最佳地 发挥其作用。在一第二步骤中获知，设置稳定区防止，当气体扩散层受到 压缩时第一区域会被压进燃料电池的气体通道中去。(由此)精巧地保证了 ， 能够以足够的程度用压力对气体扩散层进行加载作用，以降低气体扩散层的 接触电阻。此外，还可以保证气体扩散层不会被压入气体通道中去。因此， 本发明的气体扩散层的结构设计优化了燃料电池的效率，并确保了燃料电 池毫无问题的运行。因此可以实现开头所述的目的。
第一区域可以特别有利地具有比第二区域高的可压缩性。这种具体的 设计确保了第一区域可以毫无问题地被压缩，而第二区域具有较高的稳定 性。这种较高的稳定性确保第二区域不会被压入与其邻接空腔中。
第 一 区域可以设计成比第二区域弹性大。这种具体的设计允许补偿压 靠在第一区域上的不平度或(凹凸)结构。因此，是第一区域可以实现特 别好的密封性。
第一区域的拉伸模量可以小于第二区域。这种设计可以确保第一区域
比第二区域更早地出现弯曲。气体扩散层在整体上可以用小于lGPa的弯 曲模量来描述其特性。具有这样的弯曲模量的气体扩散层可以毫无问题地 巻绕。这使得可以连续地制造气体扩散层，因为这样的气体扩散层可以巻 绕到辊上，而不会折断。
所述区域可以设计成层或扁平的层。在这种具体的设计中，可以毫无 问题地将预制的并经过不同处理的层相互连接。因此可以不同地并相互分 开地确定各层的参数。
所述区域可以设计成无纺布、织物、针织物，网格物(Gitter)或者网 状物。使用所述材料使得气体扩散层具有特别好的稳定性。另外，所述材 料可以方便地在市场上购得，从而可以毫无问题地制造所述气体扩散层。
第一区域可以设计成包含碳纤维的无纺布。这里可以设想，第一区域 设计成多孔的、含有碳纤维物体或者碳制物体的无纺布。还可以设想，第 一区域设计成织物、针织物、网格物或者网状物。使用碳纤维使得第一区 域具有特别好的导电性。
无纺布中可以包含最高30。/。重量百分比的粘，接纤维和在30至300g/m2 的单位面积重量。使用最高30%重量百分比的粘接纤维可以确保，各个区 域希望的物理和化学特性不会受到过度的影响。上述选择的单位面积重量 使得可以对无纺布进行机械加固。这里可以设想，可以用在100至300bar 的压力下高压流体束对无纺布进行机械加固。
无纺布可以通过流体束对进行机械加固并通过轧光进行致密化/压缩 (verdichten )。这些这些措施可以大大提高无纺布的稳定性。此外，通过 轧光还可以对无纺布的结构产生影响或者确定无纺布的尺寸。
无纺布可以在800。C至2500。C下发生多友化。无纺布的碳化确〗呆了进 一步的加固。此外通过碳化还能提高无纺布的导电性。
第二区域可以包括湿式铺放的无纺布。这个区域是可以导电的。这个 区域特别是用于提高整个气体扩散层的稳定性，而不必承担其它任务。这 个区域可以含有石友纤维。通过使用碳纤维可以将第二区域设计导电的。
第二区域可以设计成涂层。设置涂层使得可以实现特别薄的第二区域 的结构。因此可以实现整个气体扩散层特别紧凑的结构。
所述涂层可以包含可碳化的粘合剂。使用可碳化的粘合剂可稳定气体 扩散层。
所述涂层可以具有1 - 100g/ii^的单位面积重量。从这个范围选择涂层
的单位面积重量可以确保气体扩散层具有足够的稳定性。特别是可以确保， 气体扩散层应该可以毫无问题地巻绕起来而不会发生折断。涂层可以包括 树脂和/或热塑性材料。选择这样的材料确保了毫无问题的可加工性，因为 这种材料可以和大部分常见的纤维材料相结合。特別是可以将涂层涂得很
薄,以至最多可以覆盖第一区域10。/。的表面积。可以考虑采用从煤焦油、石
油、木材或者其混合物中提取的沥青或者焦油、酚醛树脂、呋喃树脂、环 氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯酸、丙烯腈丁二烯、苯乙烯三元共聚物、三聚 氰胺甲酪树脂、苯酚酚醛清漆和六亚甲基四胺、苯酚-环氧树脂-预缩合 物、上述所列化合物的共聚物、改性的聚合体或者混合物作为具有可碳化 的粘合剂。还有糖类，例如单糖如蔗糖适于用作所述粘合剂。所有这些粘 合剂的特征都在于特别合适的可加工性。也可以考虑采用不能碳化的的粘 合剂。例如可以考虑采用具有良好疏水性能的聚四氟乙烯。
第二区域可以包括聚乙烯醇、炭黑、石墨、金属、碳纤维或者金属纤
维。特别可以设想，向第二区域中掺入设计成涂层的掺料(Beimengung)。 使用聚乙烯醇使得可以调整第二区域的多孔性。第二区域中的炭黑、石墨、 金属掺料使得可以提高第二区域的导电性。通过添加碳纤维和金属纤维可 以实现强度的提高。
气体扩散层可以具有渐变式的结构。渐变式的结构可以用梯度来描述。 尤其可以设想，气体扩散层由统一的材料制成，所述材料在其弯曲刚度、 拉伸模量或者其它机械特性上的特征可以通过不同空间方向上的梯度来描 述。在这样的背景下可以设想，第一区域的可压缩性沿笫二区域的方向连 续降低。对于所有的机械特性，在所有的空间方向上都可以设想这种连续 的降低。因此气体扩散层可以与预定的空间条件相适应。
此外，利用权利要求19的特征来实现开始所述的目的。据此， 一布置 结构包括两个前面所述类型的气体扩散层，其中，所述气体扩散层以其第 一区域相互朝向放置，而第二区域互相背离地定向。
为了避免重复，关于创造性可以参考对所迷气体扩散层的说明。按照 发明的布置结构的特征特别在于，这种配对方式(Paarung)的弯曲模量
比第二区域相互朝向定位时至少提高了 25%。
完全根据对使用了所述气体扩散层的燃料电池的要求，还可以设想， 提供一种两个气体扩散层的第二区域相互朝向定位的布置结构。
此外，开头所述的目的还通过一种用于制造前面所述的气体扩散层的、 具有在权利要求20的特征的方法来实现。根据该方法，将具有多孔结构的 笫 一 区域与设计成稳定区的第二区域相配。
为了避免重复，关于创造性可以参考对所述气体扩散层的说明。
所述区域可以有利地共同进行碳化或者石墨化。这种实施形式允许整 个气体扩散层具有特别均匀的结构。特别是通过这样的方法步骤可以实现， 使所述两个区域行进通过相同的制造工序过程，这可以使其材料特性统一。
可以在0.1-40MPa的压力和20 - 400°C的温度下压合所述区域。可以 设想所述方法步骤是在添加了合适的粘合剂的情况下进行的。使用粘合剂 可以确保两个区域牢固地连接。此外，该方法步骤还可以包括一个在确定 的压力和温度条件下的层压步骤。该层压的步骤允许有选择地对气体扩散 层加载压力。此外可以设想，使气体扩散层具有(凸凹)结构。
可以对第一区域进行加固。这里可以设想，对第一区域进行机械加固。 在这个背景下，可以用高压流体束对设计成纤维网(Faserflor)的第一区 域进行加固。在用高压流体束进行处理时，使纤维涡流变形并互相缠绕。 在这样处理之后， 一部分纤维具有沿Z-方向的走向，即沿无纺布的厚度方 向。可选地，通过机械的致密化处理，将经加固的无纺布致密化到其初始 厚度的30%至90 0/0 。
可以对第一区域首先在最高1500。C,然后在最高2500。C的温度下进 行分步式的热处理。这个方法步骤使得可以在多个步骤内使第一区域发生 碳化或者石墨化。
所有的方法步骤可以多次重复，并且只要在:^支术上是合理的，所述方 法步骤可以按任意的顺序执行。
现在存在各种不同的、对本发明的教导进行设计和改进的可能性。为 此， 一方面可参考并列独立权利要求的从属权利要求，另一方面可参考下
面根据附图对本发明的优选实施例的说明。结合对本发明的优选实施例的 说明，还一般性地说明了本发明的教导的优选实施形式和改进方案。
在唯一一个附图中示出在燃料电池中的布置结构，所述布置结构包括具 有多孔结构和稳定区的气体扩散层。
具体实施例方式
所述唯一的附图示出了燃料电池内部的布置结构。在气体分配器1之
间设置气体扩散层2。气体扩散层2包含两个互相作用连接的功能区域2a 和2b。第一区域2a设计成多孔结构。第二区域2b设计成稳定区。在气体 扩散层2上连接有电极3，该电极与薄膜4相连。布置结构的结构相对于 薄膜4是对称的。
下面用两个实施例来说明气体扩散层可能的结构形式
实施例1:
如下所述来制造双层的气体扩散层
首先通过将巻曲变形的、氧化的聚丙烯腈纤维轧光并铺;改成纤维网来 制造第一层。此后在150 Bar的压力下用高压水束对所述Flor进行涡流变 形和加固。接着在120。C下对所述层进行干燥。然后在320。C的温度下借 助于轧光机将所述笫一层压缩至0.2mm的厚度。接着在氮气气氛中在 1400°C的温度下对第一层进行碳化。这样制成的第一层具有65 g/ii^的单 位面积重量。
第二层是一种市场上可购得的碳纤维纸制。这种碳纤维纸由日本的公 司Toray Industries Inc.制造，产品名称为TGPH 30。所述两个层在装入 燃料电池中时相互叠置并压实。此时第一层朝向燃料电池的薄膜。
实施例2: 实施例2示出一气体扩散层，在该气体扩散层中第一层与实施例1中 的第一层类似地制成。所述第一层仅在单位面积重量上和实施例1中的第 一层不同。
按照实施例2的第一层的单位面积重量为100 g/m2。第二层起涂层的 作用。该涂层具有是25 g/n^的单位面积重量并由80%的炭黑和20%的 酚醛树脂(9282 FP型，Bakelite公司，德国)制成。涂层是点状的，其中 点的直径小于0.5mm。涂层使得形成第一层27%的单侧面覆盖部。该涂层 借助于丝网印刷施加在第一层上。在丝网印刷时，采用由20%的固体物 质一即炭黑和酚醛树脂和80 %的水构成的膏状物。在通过丝网印刷施加膏 状物之后，在120。C的温度下进行干燥，由此蒸发水分。然后在200。C的 温度下实施一调温过程，以使酚酪树脂完全反应。在这个制造步骤之后在 氮气气氛中在"00。C下使复合物/化合物碳化。
对于本发明的教导其它有利的实施形式和改进方案， 一方面可参考发 明内容部分，另一方面可参考后附的权利要求。最后特别要指出，前面只
是随意选择的实施例仅是用于说明本发明应用的教导，而不是将所述教导 限于所述实施例。
权利要求
1.气体扩散层(2)，包括至少两个相互作用连接的功能区域(2a，2b)，其中第一区域(2a)具有多孔的结构，而第二区域(2b)设计成稳定区。
2. 根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征为，所述第一区域(2a ) 具有比第二区域(2b)高的可压缩性。
3. 根据权利要求1或2的气体扩散层，其特征为，所述第一区域(2a) 的弹性比第二区域(2b)高。
4. 根据权利要求1至3中任一项的气体扩散层，其特征为，所述第一 区域(2a)具有比第二区域(2b)小的拉伸模量。
5. 根据权利要求1至4中任一项的气体扩散层，其特征为，所述气体 扩散层具有小于lGPa的弯曲模量。
6. 根据权利要求1至5中任一项的气体扩散层，其特征为，所述区域 (2a， 2b) i殳计成层或者面状层。
7. 根据权利要求1至6中任一项的气体扩散层，其特征为，所述区域 (2a， 2b)设计成无纺布、织物，针织物，网格物或者网状物。
8. 根据权利要求1至7中任一项的气体扩散层，其特征为，所述笫一 区域(2a)设计成包括碳纤维的无纺布。
9. 根据权利要求8的气体扩散层，其特征为，所述无纺布包含最多30 %重量百分比的粘接纤维，并具有30至300g/m2的单位面积重量。
10. 根据权利要求8或9的气体扩散层，其特征为，所述无纺布通过 流体束加固并通过轧光处理致密化。
11. 根据权利要求8至10中任一项的气体扩散层，其特征为，所述 无纺布在800 - 2500°C下碳化。
12. 根据权利要求1至11中任一项的气体扩散层，其特征为，所述 第二区域(2b)包含湿式铺放的无纺布
13. 根据权利要求1至11中任一项的气体扩散层，其特征为，所述 第二区域(2b)设计成涂层。
14. 根据权利要求13所述的气体扩散层，其特征为，所述涂层包含 可碳化的粘合剂。
15. 根据权利要求13或14的气体扩散层，其特征为，所述涂层具有 1至100g/m2的单位面积重量。
16. 根据权利要求13至15中任一项的气体扩散层，其特征为，涂层 包括树脂和/或热塑性材料。
17. 根据权利要求13至16中任一项的气体扩散层，其特征为，所述 第二区域(2b)具有聚乙烯醇、炭黑、石墨、金属、碳纤维或者金属纤维。
18. 根据权利要求1至17中任一项的气体扩散层，其特征为，所述 气体扩散层具有渐进式的结构。
19. 包括两个根据上述权利要求中任一项的气体扩散层的布置结构， 其中，所述气体扩散层以其第一区域(2a)相互朝向放置，而所述第二区 域(2b)彼此背离地定向。
20. 用于制造根据上述权利要求中任一项的气体扩散层的方法，其 中，使具有多孔结构的第一区域(2a)与设计成稳定区的第二区域(2b) 相配。
21. 根据权利要求20的方法，其特征为，对所述区域(2a, ab)共同 进行碳化和石墨化。
22. 根据权利要求20或21的方法，其特征为，在0.1-40MPa的压 力和20-400。C的温度下将所述区域(2a, 2b )压制在一起。
23. 根据权利要求20至22中任一项的方法，其特征为，对所述第一 区域(2a)进行加固。
24. 根据权利要求20至23中任一项的方法，其特征为，在最高2500°C 的温度下对至少一个区域(2a， 2b)进行分步式的热处理。
25. 根据权利要求20至24中任一项的方法，其特征为，多次重复各 单独的方法步骤。
全文摘要
本发明涉及一种气体扩散层，该气体扩散层包括至少两个相互作用连接的功能区域(2a，2b)，其中第一功能区域(2a)具有多孔结构，而第二功能区域(2b)设计成稳定区。这种气体扩散层实现这样的目的，即，提供一种系统，该系统可以在优化燃料电池效率的情况下实现燃料电池毫无问题的运行。此外，本发明还涉及一种包含两个气体扩散层的布置结构和一种用于制造气体扩散层的方法，所述布置结构和方法也可实现所述目的。
文档编号H01M8/02GK101171713SQ200680016000
公开日2008年4月30日 申请日期2006年3月31日 优先权日2005年5月11日
发明者A·波克, A·赫尔博德, D·赖贝尔, K·撒拉玛, K-D·瓦格纳, S·瓦格纳 申请人:卡尔弗罗伊登柏格两合公司