导电性和气体渗透率改进的气体扩散层制造技术

气体扩散层，其包含微孔层和由含碳材料组成的基底，其中可通过以下方法获得所述气体扩散层，所述方法包括如下步骤：i）分散含有如下物质的混合物：具有最大200m2/g的BET表面积的碳黑、具有至少200m2/g的BET表面积和最大25nm的平均外径（d50）的碳纳米管和分散介质，其中使用的剪切速度为至少1,000秒-1和/或使得在产生的分散体中，所有碳纳米管的至少90%具有最大25μm的平均凝聚尺寸，ii）将步骤i）产生的分散体施加到所述基底至少一侧的至少一部分上，和iii）对步骤ii）中施加的分散体进行干燥。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】导电性和气体渗透率改进的气体扩散层
本专利技术涉及气体扩散层，制造这样的气体扩散层的方法，这样的气体扩散层的用途，气体扩散电极，和这样的气体扩散电极的用途。
技术介绍
这种气体扩散层和气体扩散电极用于许多不同应用中，尤其是用于燃料电池中、电解电池和电池中。燃料电池为如下的电化学电池，其已被建议例如代替内燃机用作机动车辆中的推进源。在燃料电池工作时，例如氢或甲醇的燃料与通常是空气的氧化剂在催化剂存在下发生电化学反应，在氢作为燃料时生成水，和在甲醇作为燃料时生成水和二氧化碳。针对该目的，聚合物电解质膜（PEM）燃料电池包括如下的膜电极组件（MEA），其由薄的、可透过质子的、非导电的固体聚合物电解质膜组成，其中在所述膜的一侧上设置有阳极催化剂，和在所述膜的相对侧上设置有阴极催化剂。在PEM燃料电池工作时，在所述阳极处，从所述燃料释放出质子和电子，并且这些质子和电子在阴极处和氧发生反应形成水。由于所述质子从所述阳极穿过所述聚合物电解质膜输送至所述阴极，所述电子通过外部的电路从所述阳极迁移到所述阴极。在所述阳极和所述阴极之间形成的电压可以用于例如驱动电机。为了确保所述燃料电池中高效且特别是恒定的气体输送，特别是高效和恒定地将反应气体氢气输送至所述阳极和将氧气输送至所述阴极，在所述MEA相对的两侧上通常设置有多孔的气体扩散介质或气体扩散层（GDL）。每个气体扩散层在其与所述MEA最远的一侧和分隔所述燃料电池和邻近燃料电池的双极板接触。除了保证将所述反应气体高效和均匀地输送至所述电极之外，所述气体扩散层也负责确保将所述燃料电池中形成的作为反应产物的水从所述燃料电池中移除。所述气体扩散层也用作集流体和导电体，将在所述阳极处释放出的电子传输到相应的双极板，并经由该双极板从所述燃料电池中导出，并通过设置在所述燃料电池另一侧上的双极板向所述阴极输送电子。为了能够实施这些功能，气体扩散层必须具有尽可能高的导电性和高的气体渗透率。这样的气体扩散层通常由多孔的碳纤维纸或碳纤维织物构成。为了在燃料电池工作时防止水浸入所述气体扩散层的孔，这会完全阻止气体在所述气体扩散层中的输送，通常将至少在所述气体扩散层朝向所述MEA的一侧设计为疏水的，例如在该侧面上涂覆疏水物质或使所述气体扩散层浸渍以疏水物质。此外，在所述碳纤维纸或所述碳纤维织物朝向所述MEA的一侧上通常设置有微孔层（MPL），该微孔层增强所述燃料电池内部水分的输送，并将所述气体扩散层电连接至相邻的催化剂层，从而不仅提高所述气体扩散层的性能和使用寿命，同时也提高所述燃料电池的性能和使用寿命。这样的微孔层通常由碳黑和疏水聚合物例如聚四氟乙烯的混合物组成，其中，所述碳黑产生导电性，而所述疏水聚合物旨在防止水浸入所述气体扩散层。这样的微孔层通常通过以下方式制备：将包含碳黑、疏水聚合物和作为分散介质的水的分散体沉积到由碳纤维纸或碳纤维织物制成基底上，和然后干燥去除所述分散介质。为了改善所述微孔层的性能，之前已经提出在碳黑和疏水聚合物的混合物中添加碳纳米管或碳纳米纤维。为了能够满足其功能，所述微孔层还必须具有尽可能高的导电性和气体渗透率。然而，当前已知的气体扩散层，并且尤其是其微孔层仍然需要改进，特别是在其导电性和气体渗透率方面仍然需要改进。难以同时改进这两种性能，因为这样的层的气体渗透率和导电性无法相互关联，而是相反，在例如通过提高孔隙率改进气体渗透率时通常会导致导电性的降低，而且相反地，提高导电性通常会降低气体渗透率。为了用作机动车辆的推进源，目前燃料电池实现的电流密度必须从1.5A/cm2提高至高于2A/cm2。同时必须降低使用昂贵催化剂材料，通常为铂，的催化剂层的负载量，以便将燃料电池的成本降低至可接受的范围。然而，尤其是在电流密度高时，燃料电池的输出主要受到其电阻和将所述反应气体传质至所述催化剂层的限制。因此，只有在所述气体扩散层的导电性的和气体渗透率都提高的情况下才可能实现电流密度必要的提高和催化剂负载量的降低。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种气体扩散层，该气体扩散层具有提高的导电性，并且同时具有气体渗透率更高的特征。根据本专利技术，该目的通过如下的气体扩散层而实现，该气体扩散层包含微孔层和含碳材料的基底，其中在具有如下步骤的方法中能够获得所述气体扩散层：i）分散含有如下物质的混合物：具有最大200m2/g的BET表面积的碳黑、具有至少200m2/g的BET表面积和最大25nm的平均外径（d50）的碳纳米管和分散介质，其中使用的剪切速度为至少1,000rps和/或使得在产生的分散体中，所述碳纳米管的至少90%具有最大为25μm的平均凝聚尺寸，ii）将步骤i）产生的分散体施加到所述基底至少一侧的至少一部分上，和iii）对步骤ii）中施加的分散体进行干燥，以便除去所述分散介质的至少一部分，从而形成所述微孔层。这种方案基于令人预料不到的发现：通过下述措施的组合，获得了一种包含微孔层的气体扩散层，其与目前已知的气体扩散层相比，不仅具有更高的导电性，而且特别是还具有气体渗透率提高的特征，其一，使用了特定的碳黑，即具有相对低的比表面积的碳黑；其二，使用了特定的碳纳米管，即具有相对高的比表面积和相对低的平均外径的碳纳米管；和其三，用于制备所述微孔层的包含碳黑、碳纳米管和分散介质分散体具有相对高的均质度。在这种情况下，上述三种措施以令人预料不到的协同方式发挥作用。对于本专利技术目的至关重要的是，包含所述碳黑、碳纳米管和分散介质的混合物的分散采用至少1,000rps的剪切速度进行和/或以如下方式进行，其该方式使得在因此形成的分散体中含有的所有碳纳米管的至少90%具有最大25μm平均凝聚尺寸，即，在一定程度上，所述碳黑和所述碳纳米管被并行分散。这令人预料不到地使得，包含微孔层的气体扩散层比使用相同原料实施的下述相应方法具有更高的导电性和更高的气体渗透率，在所述相应方法中，不进行上述的并行分散，而是在将两种分散体混合在一起之前，首先将碳黑分散在分散介质中，和然后将碳纳米管分散在分散介质中，在没有均质化，即未不施加高剪切力的情况下，单独地进行这两种分散，或者，在所述相应方法中，首先在分散介质中制备碳纳米管分散体，和然后在未不进一步均质化，即未不施加高剪切力的情况下，在该分散介质中添加碳黑。在不希望受到给定理论束缚的情况下，据认为这可能由如下的情形导致，其中使用足够高的剪切速度并行分散碳黑和碳纳米管，不仅能够根据需要充分混合碳黑和碳纳米管，而且在所述微孔层中，特别是对于提高气体渗透率的孔隙率和改进的导电性，也能够实现单独碳纳米管和单独碳黑粒子之间的优化排列以及碳纳米管凝聚物的优化尺寸。因此，总体上，所述特定的碳黑、所述特定的碳纳米管和所述并行分散的组合导致了在所述微孔层中单独粒子的优异的边界表面结构，这又导致在改进所述气体扩散层导电性的同时改进其气体渗透率。尤其是，所述并行分散还能够实现在所述分散体中，并因此还在所述微孔层中引入更高量的碳纳米管，这是因为，在通过单独分散进行制造时，即在该方法中在未不均质化的情况下将两种分散体相互混合前，首先将碳黑分散在分散介质中，和然后将碳纳米管分散在分散介质中，单独地进行这两种分散而不是进行上述的并行分散，由于随着碳黑和碳纳米管的量的上升，所述分散体中的粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
气体扩散层，其包含微孔层和含碳材料的基底，其中在具有以下步骤的方法中能够获得所述气体扩散层：i）分散含有如下物质的混合物：具有最大200m2/g的BET表面积的碳黑、具有至少200m2/g的BET表面积和最大25nm的平均外径（d50）的碳纳米管和分散介质，其中使用的剪切速度为至少1,000rps和/或使得在产生的分散体中，所述碳纳米管的至少90%具有最大25μm的平均凝聚尺寸，ii）将步骤i）产生的分散体施加到所述基底至少一侧的至少一部分上，和iii）对步骤ii）中施加的分散体进行干燥。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.21 DE 102011083118.51.气体扩散层，其包含微孔层和含碳材料的基底，其中在具有以下步骤的方法中能够获得所述气体扩散层：i)分散含有如下物质的混合物：具有最大200m2/g的BET表面积的碳黑、具有至少200m2/g的BET表面积和最大25nm的平均外径(d50)的碳纳米管和分散介质，其中使用的剪切速度为至少1000rps和/或使得在产生的分散体中，所述碳纳米管的至少90％具有最大25μm的平均凝聚尺寸，ii)将步骤i)产生的分散体施加到所述基底至少一侧的至少一部分上，和iii)对步骤ii)中施加的分散体进行干燥。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中使用的碳纳米管具有8至25nm的平均外径(d50)。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中使用的碳纳米管具有大于200m2/g且小于或等于400m2/g的BET表面积。4.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中使用的混合物含有相对于所述混合物的碳含量10至50重量％的碳纳米管。5.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中使用的碳黑具有20至100m2/g的BET表面积。6.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中的混合物含有用作所述分散介质的水，其中相对于所述混合物总量，所述分散介质的量是50至98重量％。7.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，步骤ii)中施加的混合物由如下物质组成：-1至15重量％的总共的碳黑和碳纳米管，其中所述碳黑具有最大200m2/g的BET表面积，所述碳纳米管具有至少200m2/g的BET表面积以及最大为25nm的平均外径(d50)，相对于所述混合物的碳含量，所述碳纳米管的量是10至50重量％，碳含量100重量％的余量为碳黑，-50至98重量％的作为所述分散介质的水，-0.1至10重量％的作为粘结剂的聚四氟乙烯，-0至5重量％的作为成膜物质的聚乙二醇，和-0至5重量％的作为粘度调节剂的羟丙基纤维素。8.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，在步骤i)中将所述混合物在至少2000rps的剪切速度下分散。9.根据权利要求1或2所述的气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·维尔德，鲁迪格尔·施魏斯，斯特凡·福雷罗，梅拉尼·哈伯科恩，蒂姆·舒伯特，
申请(专利权)人：西格里碳素欧洲公司，未来碳有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE