专利名称：气体扩散层以及用于制造气体扩散层的方法
技术领域：
本发明涉及一种具有包括纤维的层的气体扩散层，其中所述纤维部分 地设有涂层材料，其中纤维在接触位置彼此贴合，其中所述层具有面对外 界的边界面。本发明还涉及一种用于制造气体扩散层的方法，其中包括纤 维的层配备有涂层材料，其中所述纤维至少部分地用涂层材料覆盖。
背景技术：
这种气体扩散层以及方法是由现有技术已知的，并且应用于将化学能转化为电能的燃料电池中。气体扩散层具有多大的电阻对于燃料电池的效 率具有非常重要的意义。出于各种原因，气体扩散层设有涂层材料。这种材料对气体扩散层的 导电性能有重要的影响。关于这种物理性质，按照现有技术的覆层，由现有技术已知的机械地 结合的气体扩散层，例如无纺布或织物，具有较高的且很少优化的电阻值。发明内容本发明的目的在于，设计并进一步改进前述种类的气体扩散层，使其 具有最优的导电性能。本发明通过权利要求l所述的特征部分来实现前述目的。据此，气体 扩散层的特征在于，在接触位置和/或边界面上从纤维上除去涂层材料。根据本发明首先获知，纤维具体的区域，即边界面以及接触位置，对 导电性能有重要影响。然后在第二步中获知，在气体扩散层的特定区域选 择性除去涂层材料使气体扩散层的稳定性和物理化学特性仅在必要的程度上发生改变。最后还获知，选择性地局部地除去涂层材料实现了确定的电 阻值的可再现性。从边界面除去涂层材料使得燃料电池结构中相邻部件的 接触电阻减小。这样就提供了这样一种气体扩散层，该气体扩散层总是显 示出最优的导电性能。由此实现了前述目的。此外，所述目的还由并列的独立权利要求2的特征部分实现。 如果将一气体扩散层加热到一等于或高于熔点、软化点或烧结温度的 温度，而在该气体扩散层中纤维的接触位置基本上不具有涂层材料，则涂 层材料会再次汇流到接触位置。因此导电性再次显著恶化，而电阻非常显 著地提高。电阻应当理解为通过所述层的体积电阻率(Durchgangswiderstand )。 可将所述层^L置在适当的电极之间来测量电阻。加热通常会致4吏电阻至少 加倍。如果根据本发明的气体扩散层在加热前在室温(T-20X:)下具有一 电阻，则一次性地单独通过加热到涂层材料的熔点、软化点或烧结温度下 或高于所述温度会使该电阻增加。在这种情况下，在一次加热并再次冷却 到室温后气体扩散层具有显著提高的电阻。在一在结构上特别有利的设计方案中，可将所述层设计成纺织平面构 型物。这种具体的设计方案使可能无问题地加工处理已预制的半成品。采 用纺织平面构型物确保气体扩散层具有确定的弹性特性，例如可巻起或可 变形。所述层可包括碳纤维。碳的特征在于特别有利的导电性能。另外碳纤 维具有高的刚度、稳定性和低的密度，因此碳纤维适合于制造较轻和较稳 定的层。另外，由此背景可以设想，采用碳(素)纤维纸或碳(素)无纺 布，该碳素纤维纸或碳素织物确保在燃料电池中出现的反应物能够良好地 到达电极。涂层材料可设计成疏水剂。例如，可以设想，在疏水设计中可以防止 在燃料电池中产生的反应水(Reaktionswasser)封闭气体扩散层的孔以及 阻止气体流。还可以设想，涂层材料可设计成亲水剂(Hydrophilierungsmittel)。 这样，有利于水在气体扩散层上的积聚，从而防止所述气体扩散层完全干 燥以及由此导致的质子传导性(Protonenleit伤higkeit)的恶化。根据对气体扩散层的疏水或亲水特性的选择不同，能够优化通过气体 扩散层的气体或液体流，即优化气体和水管理。这里还可以设想，气体扩 散层同时在部分区域设置有疏水剂，在部分区域设置有亲水剂。涂层材料可用作粘合剂。这种设计允许实现层的纤维之间的化学粘合。 这里特别地可以设想，纤维在涂层材料结构上彼此连接，其中纤维彼此贴 合的交叉点无涂层材料。粘合剂可包括添加剂，如炭黑，以提高导电性和/ 或实现亲水的中心或较少的疏水中心。可通过由热的、化学的或机械的粘合机制/机构的组合来使气体扩散层和化学特性。涂层材料可具有从0到70 %体积的比例。完全取决于涂层材料的百分 比的选择，还可以调节层的弹性和机械特性。特别有利地，涂层材料的比 例是0到20%体积。通过选择所述区域，尽管气体扩散层显示出令人满意 的疏水性能，也显示出同样令人满意的水存留能力。涂层材料可包括聚四氟乙烯。因为聚四氟乙烯易于购得并且对于其物 理化学特性已有较好的研究，所以聚四氟乙烯特别可以用作疏水剂。另夕卜， 聚四氟乙烯可无问题地在液体中分散地处理。除聚四氟乙烯外，还可采用 含氟聚合物，例如聚全氟乙丙烯(FEP)，以及含氟聚合物的共聚物、硅 烷或其它疏水材料。含氟聚合物是疏水材料，其特征在于具有4艮高的热和 化学稳定性。至少 一个边界面可配设有微孔涂层。由此实现与可施加在气体扩散层 的微孔涂层上或设置在燃料电池的质子传导性的膜上的催化层的较好的连 接。也可这样施加微孔式涂层，即，在选择合适的原料以及工艺过程的情 况下可以不影响接触位置区域的涂层材料浓度/富集度(Konzentration )。可以对气体扩散层进行等离子体处理。等离子体处理可用于选择性地有的结构上。由此影响气体扩散层的流体透过性能。 另外除通过涂层材料实现的疏水和亲水区域外，通过等离子体处理还能够 实现其它的这样的区域。所述的目的还通过具有权利要求12的特征的方法实现。据此，用于制 造气体扩散层的方法的特征在于，可局部地和选择性地从纤维除去涂层材 料。所述的目的还通过具有权利要求13的特征的方法实现。 为了避免重复，对于创造性劳动方面可参考对这种气体扩散层的说明。 可以通过施加压力除去涂层材料。这里可以设想，通过这样一种布置 形式来实现气体扩散层，这种布置形式以这样的方式在气体扩散层上施加 确定的压力，即，使两个彼此贴合的纤维之间的涂层材料被压出。可特别 地根据所希望的气体扩散层的导电性来选择用来对所述层加载的压力。通 过这种方法可以可再现地制造具有可规定的导电性的气体扩散层。在这个背景下还可以设想，涂层材料可包括一种或多种使涂层材料不 会粘附到气体扩散层朝向外界环境的边界面上的添加剂。这里可以设想， 涂层材料优选地以体相(Bulk-Phase)渗入所述层中。可在调温过程/退火过程(Temperprozess )之前、之中或之后除去涂 层材料。对于热塑性的涂层材料，调温过程使涂层材料在均匀地熔化以形成均 勻的层，也称作烧结。烧结过程通常在涂层材料的烧结温度下进行。因为涂层材料在这种熔化状态下具有足够的流动性，所以在应用热塑 性涂层材料时，在烧结过程期间的除去允许特别快速地进行加工过程。这 种流动性允许除去接触位置之间的涂层材料。在烧结过程之后在一后续的方法步骤中进行除去则允许对烧结过程进 行优化，其中，可忽略接触位置之间的涂层材料浓度。在采用交联的涂层材料时，调温过程用于实现均匀和充分的交联反应。 在调温过程之前进行的除去确保接触位置在交m应之前就几乎完全没有 涂层材料。配备涂层材料。干式配备的优点在于，可省去 烧结过程之前的干燥过程。湿式配备允许用涂层材料完全润湿纤维，从而 能够确保几乎完全地包裹纤维。由此可实现在才几械上结构特别稳定和均匀 的气体扩散层。现在还存在有利地设计和改进本发明的教导的不同的可能性。对此一 方面可参考后附的权利要求，另一方面可参考下面借助附图对本发明的优 选实施例的说明。接合参考附图对本发明的优选实施例的说明，还在总体 上出所述教导的有利的实施形式和改进方案进行了说明
唯一的附图示出图1示出根据本发明的气体扩散层的示意性视图。
具体实施方式
唯一的附图以示意性的视图示出具有面形层2的气体扩散层。局部A 示出了层2的放大的视图。层2包括纤维1，其中纤维l部分地设有涂层 材料3,其中纤维1在接触位置4彼此贴合，其中层2具有朝向外界的边 界面5。纤维1在接触位置4处和/或在边界面5上不具有涂层材料3。层2设计为导电的纺织平面构型物并包括碳纤维。涂层材料3设计为 疏水剂。采用聚四氟乙烯作为涂层材料3。关于本发明的教导的其它的优选实施形式以及变型方案可参考说明书 的发明内容部分以及所附的权利要求。最后，特别需要强调的是，前述纯粹是任意选出的实施例仅用于说明 本发明的教导，而本发明的教导不受这些实施例的限制。
权利要求
1.一种气体扩散层，该气体扩散层具有包括纤维(1)的层(2)，其中所述纤维(1)部分地设置有涂层材料(3)，其中纤维(1)在接触位置(4)彼此贴靠，并且其中该层(2)具有朝向外界的边界面(5)，其特征在于，纤维(1)在接触位置(4)处和/或在边界面(5)上没有涂层材料(3)。
2. —种气体扩散层，该气体扩散层具有包括纤维(1)的层(2)， 其中所述纤维(1)部分地设置有涂层材料(3)，其中纤维(1)在接触位 置(4)彼此贴靠，其中该层(2)具有朝向外界的边界面(5)，其特征在于，该气体扩散层在室温下具有一电阻，能够通过将气体扩 散层一次性地加热到涂层材料(3)的熔点或高于熔点的温度来提高该电阻。
3. 如权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，该层(2 ) 设计成导电的纺织平面构型物。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 层(2)包括碳纤维。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 涂层材料(3 )包括疏水剂。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 涂层材料(3)包括亲水剂。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 涂层材料(3)起粘合剂的作用。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 涂层材料(3)的比例是0到70的体积百分比。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，该 涂层材料(3)包括聚四氟乙烯、含氟聚合物或硅烷。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，至 少一个边界面(5)配设有微孔涂层。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的气体扩散层，其特征在于，对该气体扩散层进行等离子体处理。
12. —种用于制造特别是如前述权利要求1至11所述的气体扩散层 的方法，其中，给包括纤维(1)的层(2)配备涂层材料(3)，其中所述 纤维(1)至少部分地由涂层材料(3)覆盖，其特征在于，局部地和选择 性地从纤维(1)上除去涂层材料(3 )。
13. —种用于制造特别是如前述权利要求1至11所述的气体扩散层 的方法，其中，给包括纤维(1)的层(2)配备涂层材料(3)，其中所述 纤维(1)至少部分地由涂层材料(3)覆盖，其特征在于，通过将气体扩 散层加热到涂层材料(3 )的熔点或高于该熔点的温度而一次性地提高气体 扩散层在室温下的电阻。
14. 如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过压力加载来 除去涂层材料(3 )。
15. 如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，在调温 过程之前、期间或之后除去涂层材料(3)。
16. 如权利要求12至15中任一项所迷的方法，其特征在于，可湿式 地或千式地给层(2)配备涂层材料(3)。
全文摘要
本发明涉及一种气体扩散层。该气体扩散层具有包括纤维(1)的层(2)，其中所述纤维(1)部分地设置有涂层材料(3)，其中纤维(1)在接触位置(4)彼此贴合，其中该层(2)具有朝向外界的边界面(5)，本发明的目的在于确保最优的导电能力，其特征在于，纤维(1)在接触位置(4)处和/或在边界面(5)上不具有涂层材料(3)。另外，本发明还涉及用于制造气体扩散层的方法，该方法包括，局部地和选择性地从纤维(1)上除去涂层材料(3)。
文档编号H01M8/00GK101258630SQ200680032854
公开日2008年9月3日 申请日期2006年8月9日 优先权日2005年9月9日
发明者A·波克, A·韦勒, K·撒拉玛, K-D·瓦格纳 申请人:卡尔弗罗伊登柏格两合公司