高纯度气体扩散层的制作方法

发明领域本发明涉及一种制造高纯度气体扩散层的方法、可根据这种方法获得的气体扩散层以及一种包括这种气体扩散层的燃料电池。

背景技术：

1、燃料电池利用燃料(特别是氢)与氧发生化学反应生成水来产生电能。在氢氧燃料电池中，氢或含氢气体混合物被提供给阳极，在阳极处发生电化学氧化并释放电子(h2→2h++2e-)。通过一个以气密方式将反应区彼此分开并使其电绝缘的膜，将质子从阳极区输送到阴极区。阳极处所提供的电子通过外导体电路被输送到阴极。氧或含氧气体混合物被提供给阴极，由此在吸收电子的情况下将氧还原。在此过程中所形成的氧阴离子与通过膜被输送过来的质子发生反应并生成水(1/2o2+2h++2e-→h2o)。

2、许多应用领域(特别是汽车动力传动系)会使用低温质子交换膜燃料电池(pemfc，proton exchange membrane fuel cells，又称聚合物电解质膜燃料电池(polymerelectrolyte membrane fuel cells))，其核心部件是只允许质子(或水合氢离子h3o+)和水通过且在空间上将氧化剂(一般是大气中的氧气)与还原剂分开的聚合物电解质膜(pem,polymer-elektrolyt-membran)。在气密电绝缘质子传导膜的阳极侧和阴极侧上施加有催化剂层，该催化剂层形成电极，通常含有铂以作为催化活性金属。实际的氧化还原反应和电荷分离是在催化剂层中进行。膜和催化剂层形成一个又称催化剂涂层膜(ccm,catalystcoated membrane)的组件。ccm两侧设有气体扩散层(gasdiffusionslage,gdl)，该气体扩散层能稳定电池结构并承担反应气体、水、热和电流的输送功能和分配功能。膜、电极和气体扩散层形成膜电极组件(mea，membrane electrode assembly)。膜电极组件之间设有集流板(所谓的双极板)，这些集流板具有为相邻的阴极和阳极提供工艺气体的通道，通常还具有内部冷却通道。

3、位于集流板与催化剂层之间的气体扩散层对燃料电池的功能和性能具有至关重要的作用。例如，在电极反应中消耗和产生的工艺组分必须由气体扩散层输送，并且必须从集流板/双极板的宏观结构被均匀分配到催化剂层的微观结构上。在半电池反应中形成和消耗的电子必须以尽可能少的电压损失传导到集流板。反应过程中产生的热量必须消散到集流板中的冷却剂中，因此gdl的材料也须具有足够的导热性。此外，gdl还须在宏观结构化的集流板与催化剂层之间起机械平衡作用。

4、用于燃料电池的气体扩散层一般由碳纤维基材构成，通常用含氟聚合物(例如ptfe)对该碳纤维基材进行疏水处理，而后平面涂布微孔层(mpl,lage)。mpl通常由作为粘合剂的含氟聚合物(例如ptfe)和多孔的导电碳材料(例如炭黑或石墨粉)组成。目前，以下三种材料被用作gdl的碳纤维基材：

5、-碳纤维纸(湿法成网和化学粘合的碳纤维无纺布，具有经碳化的化学粘合剂)，

6、-碳纤维织物(例如由已氧化但尚未碳化的聚丙烯腈纤维纱线制成，纱线经织造后被碳化或石墨化)，

7、-碳纤维无纺布(例如由氧化的聚丙烯腈制成的无纺布，干法成网，经梳理和水刺，随后被校准厚度和碳化)。

8、众所周知，燃料电池会因引入不参与电极过程的外来离子而受到污染。例如，已经有关于双极板材料对电池性能的影响以及从双极板引入燃料电池的mea的阳离子和阴离子对电池性能的影响的研究。其他来源，特别是金属阳离子的来源，是来自于电池的其余材料、系统组件(如槽罐、热交换器、管道等)、提供给阴极的空气流和制造或运输过程中的氢气的杂质的排放。引入的金属离子的一个可能问题是，它们很容易被电解质膜吸收。其原因是金属阳离子对全氟阳离子交换膜的磺酸基的亲合力很强，通常大于质子对磺酸基的亲合力。

9、现在已发现，gdl也会在mea加载外来离子方面起一定作用。因此，需要有离子(特别是金属阳离子)浓度极低的气体扩散层及其制造方法。gdl应特别具有低浓度的阳离子，如技术用水中通常所包含的阳离子，如钙离子、镁离子、钠离子和钾离子。同时，gdl的其余机械性能不应发生不利的变化。

10、为了制造碳纤维无纺布，可以通过含水流体射流的作用来加固由碳纤维或碳纤维前体制成的无纺布。这种用流体射流或流体流进行无纺布加固的水刺工艺，包括用过热蒸汽射流进行水刺，是本领域技术人员已知的。一种特殊的无纺布机械加固方法是水刺法，也就是压力提高到大约20bar至超过400bar的水通过多个喷嘴流到待加固的无纺布上。其中，水射流的脉冲力致使纤维被机械锚固于产品中。这种方法所使用的工具是所谓的水针板(düsenstreifen)，可以安装成一排或多排。每一排都有大量的喷嘴。最大喷嘴数可以达到每板20000个喷嘴，其中典型的喷嘴直径范围为0.05mm至0.3mm。

11、wo 0231841描述一种导电无纺布，这种无纺布是以由碳纤维的预氧化纤维所制成的纤维网为原料，通过在100bar至300bar的压力下用高压流体射流加固纤维网，将已加固的纤维无纺布致密化，随后在保护气氛中以800℃至2500℃的温度进行碳化和/或石墨化而获得。

12、de 10 2006 060 932 a1描述了包括纤维和涂层的温度稳定的结构，其中该涂层共价地粘合到纤维表面。具体来说，这种结构是经过氟化烃的等离子体涂布处理的导电无纺布，适合作为燃料电池的气体扩散层。为了制造导电无纺布，以成网工艺将碳纤维或碳纤维前体制成纤维网，并且通过高压流体射流的作用将其加固，然后进行预干燥、轧光和碳化。

13、us 2019/0165379 a1描述一种基于碳纤维无纺布的、用于气体扩散层的材料，该碳纤维无纺布在平面内具有高克重区域和低克重区域，其中无纺布的至少一个表面具有凹凸不平的图案，该图案与纤维的重量分布无关。这种无纺布的制造包含了水射流工艺。

14、前述文献均未提供关于水射流处理中所使用的水的质量相关的信息。

15、现在已发现，如果通过水性流体射流的作用将由碳纤维或碳纤维前体制成的干法成网无纺布加固，就能制造出高纯度的碳纤维无纺布。出人意料的是，正是通过水刺法工艺才成功制造出离子浓度极低的高纯度无纺布，而这些无纺布可被进一步加工成离子浓度同样很低的gdl。有利的是，所获得的无纺布的特点是具有非常少的所谓的水针板缺陷(düsenstreifenfehler)。这种水针板缺陷可能产生于水针板的个别喷嘴被堵塞时。

技术实现思路

1、本发明的第一主题是一种用于制造燃料电池的气体扩散层的方法，其中，

2、a)提供纤维组合物，该纤维组合物包含碳纤维和/或碳纤维的前体，

3、b)对步骤a)中所提供的纤维组合物实施用于制造纤维网的工艺，

4、c)通过含水流体射流的作用将纤维网加固成无纺布，其中所使用的水在25℃时的电导系数最高为250microsiemens/cm，

5、d)视需要对在步骤c)中得到的所述无纺布进行热处理和/或机械处理，以进行干燥和/或进一步加固，

6、e)如果步骤a)中所使用的所述纤维组合物包含碳纤维的前体，则在至少1000℃的温度下将所述无纺布热解。

7、在一种特定的实施方式中，用疏水剂整理来自步骤c)、步骤d)或步骤e)(即取决于这些步骤中哪些步骤被实施，在这些步骤中的最后一个步骤之后))的无纺布(＝步骤f)。

8、在另一种特定的实施方式中，以微孔层涂布来自步骤c)、步骤d)、步骤e)或步骤f)(即取决于这些步骤中哪些步骤被实施，在这些步骤中的最后一个步骤之后)的无纺布(＝步骤g)。

9、本发明还涉及一种离子浓度极低的、通过含水流体射流的作用而加固的纤维网(水刺无纺布)。因此，一种可通过包括以下步骤的方法而获得的无纺布也是本发明的主题：

10、a)提供纤维组合物，该纤维组合物包含碳纤维和/或碳纤维的前体，

11、b)对步骤a)中所提供的纤维组合物实施用于制造纤维网的工艺，

12、c)通过含水流体射流的作用将纤维网加固成无纺布，其中所使用的水在25℃时的电导率最高为250microsiemens/cm。

13、关于步骤a)、步骤b)和步骤c)，请充分参考以下对这些步骤的阐述。

14、本发明的另一个主题是一种如上文和下文所述的气体扩散层或可通过如上文和下文所述的方法而获得的气体扩散层。

15、本发明的另一个主题是一种燃料电池，包括至少一个如上文和下文所述的气体扩散层或可通过如上文和下文所述的方法而获得的气体扩散层。