[发明专利]用于燃料电池的气体扩散层和燃料电池

说明书

本发明涉及一种用于燃料电池(3)的气体扩散层(1)，包括复合材料(5)，所述复合材料包含能导电的颗粒(7)、粘合剂和纤维(9)、优选碳纤维，其中，所述颗粒(7)和所述纤维(9)以混合的方式存在于所述复合材料(5)中。本发明还涉及一种燃料电池和一种用于制造气体扩散层的方法。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的气体扩散层，包括复合材料。本发明也涉及一种包括气体扩散层的燃料电池，以及一种用于制造气体扩散层的方法。

背景技术

燃料电池是原电池，所述原电池将持续供应的燃料和氧化剂的化学反应能转化为电能。所以燃料电池是电化学换能器。在已知的燃料电池中尤其将氢气(H₂)和氧气(O₂)转化为水(H₂O)、电能和热量。

电解装置是电化学换能器，所述电化学换能器将水(H₂O)借助于电能分解成氢气(H₂)和氧气(O₂)。

此外，已知质子交换膜(Proton-Exchange-Membrane＝PEM)燃料电池，其也被称为聚合物电解质燃料电池。此外，已知既用于燃料电池也用于电解装置的阴离子交换膜。质子交换膜燃料电池具有中央布置的膜片，所述膜片对于质子、即对于氢离子而言是能传导的。由此使氧化剂、尤其是空气中的氧气在空间上与燃料、尤其是氢气分隔开。

质子交换膜燃料电池还具有阳极和阴极。燃料在燃料电池的阳极处供应并且在给出电子的情况下催化氧化成质子。质子通过膜片达到阴极。给出的电子从燃料电池导出并且通过外部电路流到阴极。

氧化剂在燃料电池的阴极处供应并且所述氧化剂通过接收来自外部电路的电子和通过膜片达到阴极的质子反应成水。这样生成的水由燃料电池排出。总反应为：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

在此，在燃料电池的阳极和阴极之间作用有电压。为了提高电压，可以将多个燃料电池机械地相继布置成燃料电池堆并且电地串联连接。

为了将燃料均匀分配到阳极上以及为了将氧化剂均匀分配到阴极上，设置有双极板。双极板例如具有通道状结构以用于将燃料以及氧化剂分配到电极上。通道状结构还用于将反应时生成的水排出。此外，双极板可以具有用于将冷却液体输送通过燃料电池以导出热量的结构。

在PEM燃料电池的阴极侧上，氧气必须垂直于膜片表面地输送到膜片上的反应区中并且形成的水必须被除去。这通常通过打开的孔系统、例如部分多孔层(Microporous Layer，MPL)发生。同时孔系统必须确保在膜片上的催化剂和双极板之间的电接触。

通常将孔系统和能导电的支撑结构组合起来，它们也满足由用于接触和密封的挤压力得出的机械要求。具有孔系统(MPL)和支撑结构(Gasdiffusionsbackbone，气体扩散支柱，GDB)的部分多孔层也共同地被称为气体扩散层。在反应时参与的物质均匀地供应和导出并且在平行于膜片的面上均匀地分配。为了实现均匀的分配，承受一定程度的压力损失，其中，局部的反应率是与压力有关的并且由于局部的压力差减小。