TWI884551B

TWI884551B - 用於燃料電池的具有特性梯度和小的可塑性變形性的氣體擴散層及其製造方法

Info

Publication number: TWI884551B
Application number: TW112139822A
Authority: TW
Inventors: 阿奇姆博克; 克里斯托夫克萊茵; 克里斯托弗拉庫斯基; 漢尼斯巴爾施; 馬蒂亞斯洛布萊; 施佩艾米莉萬
Original assignee: 德商卡爾科德寶兩合公司
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2023-10-18
Publication date: 2025-05-21
Also published as: EP4358197A1; WO2024083602A1; DE102022127228A1; TW202437579A; KR20250069640A; JP2025535150A; EP4605991A1; CN120019509A

Abstract

本發明涉及一種用於製造用於燃料電池的氣體擴散層的方法，所述氣體擴散層具有特性梯度和具有小的可塑性變形性(小的永久變形表現)，以及涉及一種根據所述方法可獲得的氣體擴散層和一種包含這種氣體擴散層的燃料電池。

Description

用於燃料電池的具有特性梯度和小的可塑性變形性的氣體擴散層及其製造方法

本發明涉及一種用於製造用於燃料電池的氣體擴散層的方法，所述氣體擴散層具有特性梯度並且具有小的可塑性變形性(小的永久變形表現)。本發明還涉及一種根據所述方法可獲得的氣體擴散層和一種包含這種氣體擴散層的燃料電池。

燃料電池利用燃料、尤其氫氣與氧氣生成水的化學反應，以便產生電能。在氫氧燃料電池中，氫氣或含氫的氣體混合物被輸送給陽極，在那裡在釋放電子的條件下發生電化學氧化(H₂→2 H⁺+2 e^-)。質子經由膜從陽極室傳輸到陰極室，所述膜將反應室以氣密的方式彼此分離並且電絕緣。在陽極處提供的電子經由外部電路導向陰極。氧氣或含氧的氣體混合物被輸送給陰極，其中在吸收電子的條件下發生氧氣的還原。在此形成的氧陰離子在形成水的條件下與經由膜傳輸的質子發生反應(1/2 O₂+2 H⁺+2 e^-→H₂O)。

對於許多應用，特別是在汽車動力總成中，都使用低溫質子交換膜燃料電池(PEMFC，proton exchange membrane fuel cells(質子交換膜燃料電池)，又稱為polymer electrolyte membrane fuel cells(聚合物電解質膜燃料電池))，所述低溫質子交換膜燃料電池的核心是聚合物電解質膜(PEM)，所述聚合物電解質膜僅對於質子(或水合氫離子H₃O⁺)和水是可穿透的，並且氧化劑、通常空氣氧在空間上與還原劑分離。在氣密的、電絕緣的傳導質子的膜上，在陽極側和陰極側上施加有催化劑層，所述催化劑層構成電極並且所述催化劑層通常包含鉑作為催化活性金屬。在催化劑層中，進行真正的氧化還原反應和電荷分離。膜和催化劑層形成一個單元，所述單元也稱作為CCM(catalyst coated membrane(催化劑塗層膜))。在CCM的兩側上存在氣體擴散層(GDL)，所述氣體擴散層使電池構造穩定並且承擔用於反應氣體、水、熱量和電流的傳輸和分配功能。膜、電極和氣體擴散層形成膜電極單元(MEA，membrane electrode assembly)。在膜電極單元之間設置有流動分配板(所謂的雙極板)，所述流動分配板具有用於用工藝氣體供應鄰接的陰極和陽極的通道以及通常附加地位於內部的冷卻通道。

氣體擴散層對燃料電池的功能和性能有重要意義。一方面，通過所述氣體擴散層傳輸在電極反應中消耗的和產生的工藝組分，並且另一方面將在半電池反應中形成的和消耗的電子和在反應中形成的熱量傳導至流動分配板。此外，GDL也作用為在宏觀結構化的流動分配板和催化劑層之間的機械補償。為此，必須補償構件公差和分配壓縮壓力。GDL也用作為非常薄的膜的機械保護，所述非常薄的膜在燃料電池中承受高的負荷。因此，對GDL的機械特性提出高的要求。

用於燃料電池的氣體擴散層典型地由碳纖維基板構成，所述碳纖維基板疏水地配備有氟聚合物(如PTFE)，並且接著借助微孔層(MPL)面狀地覆層。MPL通常由作為粘合劑的含氟的聚合物(例如PTEE)以及導電材料構成，其中通常使用碳材料，如炭黑或石墨粉。用於製造MPL的其他方式在基於矽樹脂或PVA的粘合劑中使用炭黑。

開發適合日常使用的燃料電池是對從化石燃料向可持續燃料的能源轉型的重要貢獻。因此，目前對在所描述的複雜特性品質方面改進的PEM燃料電池存在大的需求。

WO 2021/099129 A1基於的目的是，減少或避免由在運行介質的輸送和輸出之間關於化學成分和/或運行參數的梯度造成的缺點。為了實現所述目的，使用氣體擴散層，所述氣體擴散層關於其基面(在x、y平面中)具有特性梯度，由此改進運行介質通過GDL的分配。通過使GDL特性有針對性地匹配於運行介質的梯度，如其由半電池反應的環境條件預設的那樣，燃料電池的功率可以顯著地提升。尤其，電流密度在有效面的範圍中的波動可以減小。

WO 2022/002932 A1描述一種用於燃料電池的氣體擴散層，所述氣體擴散層具有面狀擴展和垂直於面狀擴展測量的層厚度，其中選自疏水性和滲透性的物理特性中的至少一個物理特性在沿著面狀擴展的至少一個方向上從在起始區域中的起始值改變成在結束區域中的結束值。氣體擴散層可以具有施加在其上的微孔層。具體來說，例如疏水性經由疏水材料(如PTEE)的含量控制而滲透性通過氣體擴散層的孔隙度控制。在施加的微孔層中，可以影響其厚度，這尤其造成到承載層中的改變的局部進入深度。接觸電阻、通過電阻、潤濕角和疏水性可以被調整，例如通過使用疏水材料的不同的局部密度或含量。孔隙度在使用鐳射的情況下還可以通過可變的孔圖來設定。本申請的公開內容是不太具體的並且不僅缺少對實施所描述的構思的說明，而且也缺少可效仿的實施例以及應用方面的數據。

EP 3957789 A1描述一種氣體擴散層，所述氣體擴散層儘管具有小的密度，但是具有高的導熱性並且具有良好的可操作性和電池功率。GDL包括碳纖維氈，碳纖維氈包含平均纖維直徑為5μm至20μm的碳纖維，其中形成碳纖維氈的碳纖維的至少一部分具有平坦部分，其中在碳纖維氈的表面的平面視圖中觀察纖維直徑的最大值，所述最大值比平均纖維直徑大10%至50%，並且在碳纖維氈的表面處的平坦部分的頻率為50/mm²至200/mm²。

在燃料電池中使用時，GDL通常被強地擠壓(壓縮)。GDL的由於壓縮引起的特性可以經由彈性和塑性變形的份額來表徵。在塑性變形時，氣體擴散層在載入之後不再次100%回到初始形狀，而是保留永久的形變。當施加應力時材料的永久地改變其形狀的特性，即其可變形性，也用術語“設定(Setzen)”表示。具有小的可塑性變形性的材料具有小的永久變形表現。從現有技術中已知的GDL的永久變形表現還需要改進。如果GDL在燃料電池堆中在高壓下張緊，則由於張緊力和在運行中的動態力變換出現設定。這會造成在燃料電池堆中的壓縮壓力的損失，這提高了大部分部件的材料電阻和特別是其在堆中的過渡電阻。此外可能需要對堆設計的調整，如用於補償在設定時產生的應力損耗的附加的彈簧包的使用。因此，堆的長度和用於其安裝所需的空間可以提高。此外，在堆疊安裝時會需要附加的措施，例如其方式為：將堆在組裝時多重地張緊和減荷並且隨後才固定，這提高了生產耗費。

本發明基於的目的是，避免或至少減少上文所描述的缺點。令人驚訝地現在發現，當為氣體擴散長度在至少一個化學和/或物理特性方面關於其基面(在x、y平面中)賦予特性梯度並且所述氣體擴散長度在提高的壓力的條件下和可選地提高的溫度的條件下經受後處理時，可以實現具有良好的特性品質(Eigenschaftsprofil)、特別是關於其傳輸特性的特性品質和具有顯著改進的永久變形表現的氣體擴散層。因此，可以明顯地降低GDL的塑性變形份額。令人驚訝地發現，所述後處理也可以有利地影響梯度。因此，特別是在傳輸特性、如透氣性和幹擴散長度方面，能實現表現為更強的梯度。

本發明的第一主題是一種用於製造用於燃料電池的氣體擴散層的方法，所述氣體擴散層包括：

A)面狀的導電的纖維材料，和

B)在纖維材料的面中的至少一個面上的微孔層，其中微孔層關於氣體擴散層的基面(在x、y平面中)具有在至少一個化學和/或物理特性方面的至少一個特性梯度，

其中

i)提供面狀的導電的纖維材料A)，

ii)將在步驟i)中提供的纖維材料借助前體覆層以構成微孔層B)，其中改變前體的組成以產生梯度，

iii)使在步驟ii)中獲得的已覆層的纖維材料在提高的壓力和可選地提高的溫度的條件下經受後處理。

本發明的另一主題是一種氣體擴散層，所述氣體擴散層通過如在上文和下文中所描述的方法獲得。

本發明的另一主題是一種用於燃料電池的氣體擴散層，包括：

A)面狀的導電的纖維材料，和

B)在纖維材料的面中的至少一個面上的微孔層，

其中氣體擴散層關於其基面(在x、y平面中)具有關於至少一個化學和/或物理特性的至少一個特性梯度，並且氣體擴散層在提高的壓力的條件下和可選地提高的溫度的條件下經受後處理，使得所述氣體擴散層相對於未經後處理的氣體擴散層具有減小的可塑性變形性。

在一個特別的實施方案中，所述氣體擴散層相對於未經後處理的氣體擴散層具有減小的壓縮永久變形值(Compression Set-Wert)。

本發明的另一主題是一種燃料電池，所述燃料電池包括至少一個如在上文和在下文中所限定的氣體擴散層。

本發明的另一主題是如在上文和下文中所限定的或通過如在上文和下文中所限定的方法可獲得的氣體擴散層在質子交換膜燃料電池中的應用。

根據本發明的和依照根據本發明的方法獲得的氣體擴散層具有以下優點：

- 氣體擴散層具有顯著改進的永久變形表現。通過在提高的壓力的條件下和可選地提高的溫度的條件下根據本發明的後處理可以明顯地降低GDL的塑性變形份額。

- 用於使燃料電池堆匹配於與GDL的永久變形(Setzen)關聯的結果的結構上的措施，如安裝的部件的減小的壓縮壓力、提高的材料電阻和應力損失可以減小或可以完全地棄用這些措施。

- 令人驚訝地發現，後處理也可以有利地影響梯度。特別是在傳輸特性，如透氣性和幹擴散長度方面，能實現表現為更強的梯度。此外，用於產生梯度的原料在沒有後處理的情況下引起強塑性變形表現。梯度的不同的區域可以具有不同的永久變形表現。這通過根據本發明的後處理不僅明顯地最小化，梯度的不同區域通常也被均勻化。

- 通過根據本發明的氣體擴散層所具有的至少一個特性梯度，可以使GDL的特性有針對性地匹配於相應的燃料半電池的運行條件。GDL的特徵在於關於燃料的分配改進的特性。特別成功的是，不同的傳輸過程通過GDL彼此獨立地控制。因此，例如液態的水和氣態的水的傳輸可以獨立地設定。也能有針對性地控制通過GDL到陰極的氧氣傳輸。

- 根據本發明的氣體擴散層能簡單地且低成本地製造。

- 通過根據本發明的氣體擴散層的特性梯度可以減小在所產生的燃料電池中電流密度在有效面的範圍內的波動。

塑性變形表示，材料、如氣體擴散層在載入之後不再次100%回到原始形狀，而是保留永久的形變。變形的一部分是彈性的進而是可逆的，僅特定部分是塑性的且持久保持不變。材料在施加應力時永久改變其形狀的特性，即其可變形性，也用術語“永久變形(Setzen)”表示。具有小的可塑性變形性的材料具有小的永久變形表現。具有小的永久變形表現的氣體擴散層的特徵在於小的壓縮永久變形值。壓縮永久變形和用於其測量的方法下面詳盡地描述。

根據本發明的方法包括以下步驟：

i)提供面狀的導電的纖維材料A)，

iii)對在步驟ii)中獲得的經覆層的纖維材料在提高的壓力的條件下和可選地提高的溫度的條件下進行後處理。

關於纖維材料A)和用於構成微孔層B)的前體和條件方面參照在更下文中全面的實施方案。

iii)在提高的壓力的條件下和提高的溫度的條件下的後處理

在一個特別的實施方案中，在至少0.5MPa的提高的壓力和至少100℃的提高的溫度進行步驟iii)中的處理。

優選地，在5bar至100bar(0.5至10.0MPa)、特別優選15bar至80bar的範圍內的壓力進行步驟iii)中的處理。

優選地，在100℃至350℃、特別優選120℃至330℃、尤其150℃至320℃的範圍內的溫度進行步驟iii)中的處理。

優選地，在5秒至5分鐘、優選10秒至2分鐘的時間段內在壓床中進行步驟iii)中的處理。

優選地，在大於0秒至10秒、優選0.1秒至5秒的時間段內在砑光機中進行步驟iii)中的處理。

為了在步驟iii)中的後處理可以使用常見的設備，如單層壓床或多層壓床，連續帶式壓床或砑光機。在一個特別的實施方案中，為了步驟iii)中的後處理使用至少一個雙帶壓床。在另一特別的實施方案中，為了步驟iii)中的後處理使用至少一個砑光機。

單層壓床或多層壓床特別適合於不連續地後處理段狀材料。雙帶壓床不僅適合於處理連續的帶狀材料，也適合於處理段狀材料(板材)。雙帶壓床具有兩個連續環繞的壓帶，在所述壓帶之間GDL帶在壓力和可能還有熱量的作用下在沿著前進方向同時傳輸的情況下經過後處理。帶彼此平行地定向並且在上帶和下帶之間存在間隙，所述間隙可以打開和閉合以匹配於GDL材料的厚度和設定期望的特性。

在一個優選的實施方式中，在雙帶壓床中進行步驟iii)中的處理。特別地，在1MPa至8MPa(10bar至80bar)的範圍內的壓力和在200℃至350℃的範圍內的溫度在雙帶壓床中進行步驟iii)中的處理。

在另一優選的實施方式中，在砑光機中進行步驟iii)中的處理。原則上，在根據本發明的方法的步驟iii)中可以使用已知的和市售的砑光機。因此，可行的是，使用具有2、3、4個或多於4個砑光機輥的砑光機。在最簡單的優選的實施方式中，在根據本發明的方法中所使用的砑光機是2輥砑光機。氣體擴散層可以引導穿過砑光機一次或重複地穿過，例如1、2、3、4、5次或多於5次。砑光機輥能夠以適合於壓延氣體擴散層的幾何形狀設置。兩輥砑光機可以具有輥的豎直的、傾斜的或水準的設置。三輥砑光機可以具有豎直的設置、錯開設置的上輥或錯開設置的下輥。四輥砑光機可以具有輥的L型設置、倒L型設置、S型設置、Z型設置或其他設置。

優選地，在5N/mm至500N/mm、優選10N/mm至100N/mm的範圍內的線性壓力在砑光機中進行步驟iii)中的處理。

優選地，以0.05m/min至30m/min的帶速執行步驟iii)中的壓延。

特別地，在8N/mm至80N/mm的範圍內的線性壓力和1m/min至10m/min的帶速在130℃至220℃的範圍內的輥溫度在砑光機中進行步驟iii)中的處理。

面狀的導電的纖維材料A)和氣體擴散層(GDL)

在本發明的範圍內，無紡纖維織物/纖維網(Vlies)通常表示面狀組織結構，其多數地由分開的纖維構成，所述纖維的粘著基本上僅通過其自己的附著得出。通過在纖維之間產生比其在纖維網中存在時更牢固的接合得出的纖維網到無紡布的轉變通過纖維網固化的方法進行，所述纖維網固化通常劃分為機械的、化學的和熱學的方法。纖維網(Vliese)、無紡布(Vliesstoffe)和用於其製造的方法在H.Fuchs，W.Albrecht所著的，無紡布，第2版，Wiley-VCH，Weinheim，德國中被描述。

根據本發明使用的面狀的導電材料A)和氣體擴散層是面形的組織結構，所述組織結構具有基本上二維的、平面的擴展和與之相對較小的厚度。根據本發明的氣體擴散層具有基面，所述基面通常基本上對應於具有催化劑層的鄰接的膜的基面和鄰接的電流分配板的基面。氣體擴散層的基面的形狀例如可以是多邊形的(n角的，n

3，例如三角形的、四角形的、五角形的、六角形的等)、圓形的、圓區段形的(例如半圓形的)、橢圓形的或橢圓區段形的。優選地，基面是矩形的或圓形的。在本發明的範圍內，為了描述GDL使用正交坐標系，其中GDL的基面位於由x軸和y軸展開的平面(也稱作為x、y平面)中。正交於其的z軸用於描述材料厚度。根據對於纖維複合材料常見的說明，x軸也描述為滾動方向(機器方向，machine direction，MD)並且y軸描述為滾動反方向(機器橫向方向，cross machine direction，CMD)。沿z軸的方向主要進行在電流分配板和膜之間的物質傳輸。

根據本發明，氣體擴散層具有關於至少一個化學和/或物理特性的至少一個特性梯度。也就是說，氣體擴散層的至少一個特性與位置相關。特性梯度可以在一個、兩個或所有三個空間方向上延伸。所述特性梯度可以分別在沿一個空間方向的整個長度擴展的範圍內延伸或在特定部段的範圍內延伸。特性改變可以是跳躍式的(即根據本發明的氣體擴散層具有關於至少一個特性的異質性)或是連續的(即根據本發明的氣體擴散層具有關於至少一個特性的不均勻性)。跳躍式的特性改變通常關於具有梯度的特性具有至少2個、優選至少3個、尤其至少4個階梯。面狀的纖維材料A)，以及微孔層B)，以及這兩者都可以具有至少一個特性梯度。

優選地，至少微孔層B)具有至少一個特性梯度。優選地，根據本發明的燃料電池的至少陰極側的氣體擴散層具有MPL，所述MPL關於GDL的基面(在x、y平面中)具有特性梯度。已發現，通過使用關於GDL的基面(在x、y平面中)具有特性梯度的MPL，可以實現燃料電池的更均勻的電流密度分佈。在一個特別的實施方式中，僅微孔層具有一個或多個特性梯度。

優選地，氣體擴散層(即面狀的纖維材料A)和/或微孔層B))具有至少一個特性梯度，所述特性梯度與位置相關地單調改變。將單調的特性改變理解為，當代表位置座標的值增加時，代表特性改變的功能值始終增長或始終下降。在此允許，代表特性改變的功能值在位置座標的變化中也在一個子區域的範圍內或在多個子區域的範圍內保持不變。然而，所述功能值不具有局部最小值或最大值。

優選地，氣體擴散層(即僅面狀的纖維材料A)或者僅微孔層B)或者纖維材料A)和微孔層B))僅具有與位置相關地單調改變的特性梯度。

優選地，至少微孔層B)具有與位置相關地單調改變的至少一個特性梯度。在一個特別的實施方式中，僅微孔層具有與位置相關地單調改變的至少一個特性梯度。在另一特別的實施方式中，微孔層僅具有與位置相關地單調改變的特性梯度。更特別地，微孔層具有僅一個唯一的特性梯度並且所述特性梯度與位置相關地單調改變。

氣體擴散層作為組分A)包括至少一種導電的面狀的纖維材料。優選地，組分A)包括纖維材料，所述纖維材料選自纖維網、紙、織物及其組合。適合的基底材料是如下纖維材料，所述纖維材料本身是導電的或通過添加導電添加劑、如碳顆粒或金屬顆粒變得導電。作為基底材料原則上適用碳纖維、玻璃纖維、有機聚合物的纖維，如聚丙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚醚酮的纖維，及其混合物。包含在纖維材料A)中的纖維包括碳纖維(Kohlefasern,Carbonfasern)或優選地由碳纖維構成。這種纖維材料特別有利地滿足對GDL的氣體擴散性、液態水滲透性、導電性和導熱性的要求。纖維材料A)優選選自碳纖維織物、碳纖維紙和碳纖維無紡布。在一個優選的實施方式中，纖維材料A)包括至少一種碳纖維無紡布或纖維材料A)由碳纖維無紡布構成。

碳纖維的製造能夠以常規的方式進行，其中作為初始材料優選使用聚丙烯腈纖維(PAN纖維)。PAN纖維通過單體組份的自由基聚合來製造，所述單體組份優選包含以用於聚合的單體的總重量計至少90% 的丙烯腈。獲得的聚合物溶液例如通過濕紡和凝固紡成絲並且組成繩。在高溫下將所述PAN前體轉化為碳纖維之前，所述PAN前體通常在含氧環境中在大約180℃至300℃的提高的溫度經受氧化環化(也簡稱為氧化)。通過在此得出的化學交聯改進纖維的尺寸穩定性。接著，在至少1200℃的溫度進行真正的生成碳纖維的熱解。與力求的纖維材料的形狀相關地，可以將初始纖維或已經面狀的纖維材料用於熱解。與熱解時的溫度相關地，在碳化和石墨化之間區分。碳化表示在惰性氣氛下在大約1200℃至1500℃的處理，所述處理造成揮發性產物的分離。通過石墨化，即在惰性氣體下加熱至約2000℃至3000℃，獲得所謂的高模量纖維或石墨纖維。這些纖維具有高純度、是重量輕的、非常堅固的，並且非常好地導電和導熱。

纖維材料A)優選地選自碳纖維織物、碳纖維紙和碳纖維無紡布。

在碳纖維織物中，面狀的纖維材料通過經線(經紗)和緯線(緯紗)兩個紗體系交叉來製造。與在紡織品中那樣，纖維束靈活地、但彼此不可分離地連接。為了製造碳纖維織物，優選使用氧化的、但尚未碳化或石墨化的PAN纖維。對面狀的纖維材料賦予導電性的碳化或石墨化在編織後進行。

如開頭所描述的，氧化的PAN纖維通常用於製造碳纖維紙。所述PAN纖維以本身已知的方式碾碎成纖維碎片、淤漿(aufgeschlämmt)，並且類似於紙製造通過篩分(造紙)製造纖維條並且乾燥。在一個優選的實施方案中，附加地將至少一種粘合劑引入到紙中。適合的粘合劑例如是酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚醯亞胺樹脂等。為了引入粘合劑，可以將紙用所述粘合劑浸漬並且將粘合劑必要時隨後硬化。在浸漬和硬化之後，使碳纖維紙再次經受碳化/石墨化，以便也將粘合劑轉化為具有改進的導電性的化合物。在另一適合的實施方案中，使用填充的碳纖維紙來提供纖維材料A)。製造首先如在上文所描述的那樣進行，然而代替引入粘合劑和碳化/石墨化，將由聚合物粘合劑中的碳材料構成的填充物引入到仍潮濕的紙中。特別地，為此使用碳-PTFE填充物。通過所述填充提高導熱性和導電性，使得可以省去碳化/石墨化。

為了製造碳纖維無紡布，可以使用未氧化的或氧化的PAN纖維。所述PAN纖維可以在第一步驟中幹鋪(梳理)為紗並且接著固化為無紡布。這例如可以通過水刺法(hydro-entangling)進行，其中將碳纖維定向、交錯從而機械穩定。必要時，可以將固化的無紡布的厚度校準到期望值。基於未氧化的PAN纖維的無紡布在鋪設纖維網和固化之後經受首先在提高的溫度和在氧氣氛圍下的氧化和隨後在惰性氣體氛圍下的碳化/石墨化。基於氧化的PAN纖維的無紡布在鋪設纖維網和固化之後僅經受碳化/石墨化。可選地，在纖維網中可以附加地引入至少一種粘合劑並且所述粘合劑必要時隨後硬化。適合的粘合劑是針對碳纖維紙提到的，特別是酚醛樹脂。粘合劑的引入例如可以緊接著碳化/石墨化並且獲得的浸漬的纖維網最後再次碳化/石墨化。

在一個特定的實施方式中，面狀的導電的纖維材料A)包括至少一種碳纖維無紡布。所述碳纖維無紡布尤其是有利的，因為其是壓縮彈性的並且可以簡單地大規模地、例如在卷對卷方法中製造。

纖維材料A)通常是纖維複合材料，包括：

a1)碳纖維，

a2)可能的至少一種聚合物粘合劑和/或其熱解產物。

a3)可能的至少一種另外的與a2)不同的添加劑。

包含在氣體擴散層中的纖維材料A)可以包含常見的添加劑a3)。所述添加劑優選地選自疏水劑、改進傳導性的添加劑、表面活性物質及其混合物。

為了改進通過GDL和在邊界面處的傳輸過程，有利的可以是，提高纖維材料A)的疏水性。適合的疏水劑是含氟聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)和四氟乙烯-六氟丙烯-共聚物(FEP)。優選地，作為疏水劑使用PTFE。纖維材料可以通過常見的浸漬法配設有疏水劑。為此，可在浸泡槽中施用PTFE分散液，蒸發溶劑，並且在通常至少300℃的提高的溫度燒結經處理的纖維材料。

優選地，纖維材料A)具有以纖維材料A)的總重量計3重量%至40重量%的疏水劑的含量。在一個特別的實施方式中，纖維材料具有以纖維材料A)的總重量計3重量%至40重量%的PTFE的含量。

為了改進導電性和導熱性，纖維材料A)可以配設有至少一種改進傳導性的添加劑。適合的改進傳導性的添加劑例如是金屬顆粒、碳顆粒等。優選地，改進傳導性的添加劑選自炭黑、石墨、石墨烯、碳納米管(CNT)、碳納米纖維及其混合物。纖維材料A)配設有至少一種改進傳導性的添加劑例如可以與疏水劑、特別是PTFE分散液一起進行。經常地，由於使用的碳纖維，纖維材料A)無需改進傳導性的添加劑也具有良好的導電性和導熱性。

優選地，纖維材料A)具有以纖維材料A)的總重量計0重量%至40重量%的改進傳導性的添加劑的含量。當纖維材料A)包含改進傳導性的添加劑時，優選量為以纖維材料A)的總重量計0.1重量%至40重量%，特別優選0.5重量%至30重量%。

纖維材料A)優選地具有在50μm至750μm、特別優選100μm至500μm的範圍內的厚度。所述厚度涉及纖維材料A)的未壓縮的狀態，即在步驟iii)中的後處理之前和在將GDL裝入燃料電池中之前。

纖維材料A)優選具有在10%至90%、特別優選20%至85%的範圍內的孔隙度。纖維材料的孔隙度在纖維密度已知的情況下能夠從測量出的厚度和測量出的單位面積重量計算。因此，對於1.8g/cm³的碳纖維密度適用：孔隙度[%]=[(1.8單位面積重量/厚度)/1.8]×100。還存在以下可能性，即用氦密度測量來確定氣體擴散層的密度，和用汞孔隙度測定法來確定比孔隙體積。孔隙度那麼如下計算：孔隙度[%]=比孔隙體積/(比孔隙體積+1/He-密度)×100%]。

纖維材料A)的平均孔徑優選處於5μm至60μm、特別優選8μm至50μm、尤其10μm至40μm的範圍內。平均孔徑的確定可以通過汞孔隙度測定法進行。

根據本發明的氣體擴散層由兩層或多層的層複合件構成，所述層複合件基於面狀的、導電的纖維材料A)和在纖維材料A)的面之一上的微孔層(MPL)B)。

與大孔纖維材料A)相反地，MPL B)是具有以下孔徑的微孔，所述孔徑通常明顯低於一微米，優選最高為900nm，特別優選最高為500nm，尤其最高為300nm。MPL B)的平均孔徑優選在5nm至200nm、特別優選10nm至100nm的範圍內。平均孔徑的確定又可以通過汞孔隙度測定法進行。最後提到的平均孔徑尤其適用于將炭黑用作為MPL中的傳導顆粒。通過將石墨用作為MPL中的傳導顆粒或使用成孔劑，也能產生明顯更大的MPL孔。根據組成，平均孔徑那麼例如大於1μm。

MPL在由聚合物粘合劑構成的基質中包含傳導的碳顆粒，優選炭黑或石墨。優選的粘合劑是上文提到的含氟聚合物，特別是聚四氟乙烯(PTFE)。

微孔層B)優選具有在5μm至150μm、特別優選10μm至100μm的範圍內的厚度。所述厚度涉及微孔層B)的未壓縮的狀態，即在步驟iii)中的後處理之前和在GDL裝入燃料電池中之前。

MPL的存在對燃料電池的水平衡具有大的影響。由於MPL的高的PTFE份額和小的孔，使湧進GDL和電極變難，其方式為：MPL用作為液態水屏障進而有利於氣態的反應物到催化劑的品質傳輸。已證實的是，有利的可以是，在根據本發明的氣體擴散層中，微孔層具有關於其GDL的基面(在x、y平面中)的特性梯度。

根據本發明的氣體擴散層優選具有在75μm至1000μm、特別優選100μm至500μm的範圍內的厚度(由纖維材料A)和MPL B)構成的總厚度)。所述厚度涉及GDL的未壓縮的狀態，即在步驟iii)中的後處理之前和在其裝入燃料電池中之前。

此外，氣體擴散層優選地具有高的總孔隙度。所述高的總孔隙度優選處於20%至80%的範圍內，如之前所描述的那樣，通過氦密度測量和汞孔隙度測定法來確定。

用於製造氣體擴散層的方法

步驟i)

關於在步驟i)中使用的適合的和優選的纖維材料A)全面地參照之前的實施方案。

步驟ii)

在步驟ii)中使用的前體優選地包含至少一種含氟聚合物，至少一種碳材料和可能的至少一種成孔劑。含氟聚合物優選地選自聚四氟乙烯(PTFE)和四氟乙烯-六氟丙烯-共聚物(FEP)。優選使用PTFE。優選地，碳材料選自炭黑、石墨、石墨烯、碳納米管(CNT)、碳納米纖維及其混合物。優選地使用炭黑或石墨。在一個特別的實施方案中，在步驟b)中使用的前體包含至少一種成孔劑(Porenbildner)。適合的成孔劑是市售的塑膠顆粒，例如由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構成的塑膠顆粒。適合的微粒大小處於10μm至100μm的範圍內。

優選地，在製成的微孔層中的孔的體積份額，歸因於成孔劑的使用，以製成的微孔層中的孔的總體積計為0體積%至70體積%。

優選地，將纖維材料A)借助不同組成的前體的至少2個、優選至少3個、尤其至少4個橫向彼此鄰接的帶覆層，以構成微孔層。MPL的塗覆能夠以不同的方式進行。在不連續的製造中通常使用噴射、絲網印刷或Meyer-Rod方法，而在連續的覆層中優選地使用刮塗、縫隙噴嘴和凹版印刷輥工藝。在此，MPL層厚度和進入深度可以通過覆層工藝參數以及覆層的粘度影響。最後，例如在乾燥和燒結爐中，進行重新的熱處理。在此，首先可以在100℃至200℃的溫度進行乾燥，並且接著在300℃至500℃的溫度進行燒結。

特性梯度

如上文提到的那樣，面狀的纖維材料A)，以及微孔層B)，以及這兩者都可以具有至少一個特性梯度。

具有梯度的特性原則上選自

- 面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的化學組成，

- 面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的機械特性，

- 面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的傳輸特性，

- 其組合。

面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的可以具有梯度的化學特性例如包括疏水劑、碳顆粒等的含量。其中特別包括PTFE、炭黑、石墨、石墨烯、碳納米管(CNT)、碳納米纖維及其混合物的含量。

面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的可以具有梯度的機械特性例如包括密度、與面積相關的品質、孔隙度和平均孔徑。

以g/m³為單位的密度的確定可以通過氦密度測量，如上文所描述的那樣，進行。

以g/m²為單位的與面積相關的品質的確定可以根據ISO 9073-1或EN 29073-1：1992進行。

孔隙度和孔大小分佈的確定可以借助於汞孔隙度測定法進行，如這在DIN ISO 15901-1：2019-03和ISO 15901-1：2016部分1：汞孔隙度測定法中所描述的那樣。

為了產生在機械特性中的梯度，例如微孔層的壓縮表現可以設有梯度，其方式為：其關於其材料中的至少一種材料的組成改變。由此，到電極的接合也改變。替選地，機械特性中的梯度可以通過如下方式產生：在通過水刺法的纖維網固化時產生在材料寬度的範圍內的梯度。由此影響機械特性和水傳輸。

面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的可以具有梯度的傳輸特性包括：

- 面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的透氣性，

- 面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)的液體滲透性，

- 氣體擴散層的穿過材料平面的通過電阻，

- 氣體擴散層的穿過材料平面的通過熱阻，

- 幹擴散長度。

在一個優選的實施方式中，微孔層(MPL)具有關於至少一個化學和/或物理特性的至少一個特性梯度。這尤其包括機械特性和傳輸特性。MPL具有關於其基面、即在俯視圖中或在x、y平面中的至少一個特性梯度。必要時，MPL可以附加地具有垂直於其基面、即在z軸的方向上的特性梯度。

優選地，微孔層具有至少2個、優選至少3個、尤其至少4個、特別至少5個、更特別至少6個離散區域，所述離散區域在至少一個特性方面不同。在本實施方案中，在區域之間的特性改變是跳躍性的。各個區域可以全部在一個相同特性方面或(在多個不同特性的情況下)在多個相同特性方面不同。這是優選的。然而也可行的是，兩個或更多個區域關於不同的特性不同。在一個特別的實施方式中，微孔層具有至少2個、優選至少3個、尤其至少4個、特別至少5個、更特別至少6個離散區域，所述離散區域全部在一個或多個特性方面不同。

在一個特別的實施方案中，每個單個區域關於其特性是基本上均勻的。在此，將基本上均勻理解為：在一個區域內僅出現如其在沒有刻意產生梯度時(例如由於製造)也出現的特性波動。

在一個替選的實施方式中，微孔層具有至少一個連續的特性梯度。

優選地，微孔層具有至少2個、優選至少3個、尤其至少4個橫向地彼此鄰接的條帶，所述條帶在至少一個特性方面不同。在一個特別的實施方式中，微孔層具有至少2個、優選至少3個、尤其至少4個橫向地彼此鄰接的條帶，所述條帶全部在同一特性方面不同。特別地，每個單個的條帶關於其特性是基本上均勻的。

優選地，微孔層的具有梯度的特性選自：

- 根據格利的透氣性，和

- 幹擴散長度。

物理變數，測量法

垂直於材料平面的透氣性可以經由格利測量來求取，Gurley Precision Instruments公司的自動化的格利密度計可以用於格利測量。在測量中求取以秒為單位的時間，在壓差恒定的情況下直至100cm³的空氣垂直地流過具有6.42cm²的被穿流的試樣面積的GDL試樣。根據格利的透空氣度的確定在ISO 5636-5中描述。以1/m²s為單位的透氣性的測量也可以根據DIN EN ISO 9237：1995-12進行，以確定紡織的面狀組織結構的透空氣度。

液體的、特別是液態水的垂直於材料平面的滲透性(液體-水滲透性“through-plane(層面之間)”)可以借助所謂的“過濾室(Filtration cell)”或根據“賓夕法尼亞大學(Penn State)”法確定[參見引文a-c]：[a]I.S.Hussaini和C.Y.Wang所著的“Measurement of relative permeability of fuel cell diffusion media，”Journal of Power Sources,195卷，3830-3840頁，2010；[b]J.D.Sole所著的“Investigation of water transport parameters and processes in the gas diffusion layer of PEMFCs”，維吉尼亞理工學院，2008年；[c]J.Benziger、J.Nehlsen、D.Blackwell、T.Brennan和J.Itescu所著的“Water flow in the gas diffusion layer of PEM fuel cells，”Journal of Membrane Science，261卷，98-106頁，2005。

厚度方向(through plane，TP)的(比)電阻的確定可以通過4點測量法以文獻中已知的方式進行。

幹擴散長度表示氣體分子穿過面狀的纖維材料A)和/或微孔層B)所經過的以μm為單位的路段的實際長度。所述幹擴散長度借助於固定式Wicke-Kallenbach池確定。

為了確定厚度方向(through plane，TP)的熱阻，可以使用兩個已知的檢查法，熱流法或鐳射閃光法。

壓縮永久變形值是代表材料、在此為GDL在壓力變形和隨後卸壓的情況下如何表現的量值。GDL在裝入燃料電池時通常被強烈地擠壓(壓縮)。為了表徵GDL由於壓縮引起的特性，使用彈性和塑性變形的份額(以及必要時其他物理變數的說明，如透氣度和電阻)。塑性變形表示材料在載入之後不再次100%回到原始形狀，而是保留永久的形變。壓縮永久變形是在撤除作用力之後剩下的保留的變形。

壓縮永久變形值的確定能夠以下面的方式和方法進行。可行的是，分別在特定的壓力下和在一次或多次力作用之後，同時確定其他物理變數，如厚度、透氣度、電阻的值。

從待檢查的GDL中在整個寬度的範圍內提取三個試樣(左邊、右邊和中間)，從這三個試樣中求取平均值。如果材料由於製造而具有機器方向，則垂直於機器方向(CMD)提取試樣。試樣是環形的，具有45mm的內徑和56mm的外徑。試樣面積為8.72577cm²。在檢查機器中，試樣經受隨時間可變的壓力，所述壓力垂直地作用到試樣的面上。感測器確定在分別作用的壓力下在時間變化中GDL的厚度的改變。試樣安放在用於借助於力感測器確定彈性和塑性變形的設備上，其中運動經由彈簧轉移到試樣上。直至達到最大壓力的移動路徑經由路程感測器確定。因為試樣的變形是非線性的，所以測量曲線匹配於相對改變。測量週期，即直至最大壓力的一次載入和隨後的卸壓持續1分鐘。試樣經過三個載入週期。僅將小的力施加到試樣上的起始值為0.025MPa。用於確定壓縮永久變形值(和另外的物理變數，如厚度、導電性或單位面積電阻、透氣性等)的典型的壓力值例如是0.6MPa，1.0MPa和2.4MPa。

用於特定壓力的壓縮永久變形值從在第一載入週期中在該壓力下測量的厚度和在第三載入週期中在該壓力下測量的厚度的差中得出。

優選地，根據本發明的GDL具有在6bar(0.6MPa)下為6μm的壓縮永久變形值，其根據上文所描述的方法在單位面積重量為90g/m²至95g/m²並且MPL載入為15.0g/m²至22.0g/m²的GDL處對內部直徑為45mm並且外部直徑為56mm的環形的試樣測量。

氣體擴散層的厚度的確定可以根據DIN 53855-1：1993-08“紡織面狀組織結構的厚度的確定”進行。在特定壓力下(例如在0.025MPa或在1.0MPa)的厚度的確定可以在用於測量壓縮永久變形的設備中進行，如上文詳細描述的那樣。

燃料電池

本發明的另一主題是一種燃料電池，其包括至少一個氣體擴散層，所述氣體擴散層如上文所限定或可通過如上文所限定的方法獲得。

原則上，根據本發明的氣體擴散層適合於所有常見的燃料電池類型。優選地，根據本發明的燃料電池是質子交換膜燃料電池(英語：proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)。質子交換膜燃料電池也稱作為聚合物電解質燃料電池(英語：polymer electrolyte fuel cell,PEFC)或低溫聚合物電解質膜燃料電池(英語：low temperature polymer electrolyte membrane fuel cell,LT-PEMFC)。本發明的一個特別的實施方案是呈低溫質子交換膜燃料電池(PEMFC)的形式的水氧燃料電池。全面參照上文關於燃料電池的構造做出的詳述。

根據本發明的燃料電池優選地包括聚合物電解質膜，催化劑層在陽極側和陰極側上施加到所述聚合物電解質膜上，所述催化劑層構成電極。優選地，在陽極側和/或陰極側上，氣體擴散層(GDL)與催化劑層接觸。燃料電池特別地具有聚合物電解質膜，催化劑層施加到所述聚合物電解質膜上，所述催化劑層與根據本發明的氣體擴散層的微孔層B)的表面接觸。特別地，燃料電池在陰極側上具有根據本發明的氣體擴散層，其中催化劑層與氣體擴散層的微孔層B)的表面接觸。更特別地，燃料電池在陰極側上和在陽極側上具有根據本發明的氣體擴散層，其中陰極層以及陽極層分別與根據本發明的氣體擴散層的微孔層B)的表面接觸。

本發明的一個優點是，穿過氣體擴散層的傳輸過程可以有針對性地匹配於流過燃料電池的運行介質和/或燃料電池的運行參數的梯度。為此，氣體擴散層的至少一個特性梯度通常與流過燃料電池的運行介質和/或燃料電池的運行參數的特性梯度中的至少一個特性梯度相符。

本發明的另一主題是，如上文所限定或可通過如上文所限定的方法獲得的氣體擴散層在質子交換膜燃料電池中的應用。

圖1示出GDL材料的俯視圖，其製造在實例1中描述。在DIN A3規格(29.7×42cm，其中md表示機器方向)的纖維網上，沿縱向方向借助4種不同的MPL膏(膏1至4)以分別7cm至8cm的寬度塗覆4個橫向地彼此鄰接的條帶。從乾燥的和燒結的材料中衝壓出規格為274.8mm×96.5mm的氣體擴散層，所述氣體擴散層具有橫向於機器方向的長邊。圖1示出3個替選的衝壓位置(GDL 1至3)。獲得的GDL在x軸的方向上具有特性梯度，其中GDL 1具有特性分別不同的4個條帶，並且GDL 2和3各自具有特性不同的3個條帶。當然，其他衝壓位置以及其他規格也是可行的，其也可以具有關於x軸的不同於90°的角度，以便改變梯度。GDL也能夠以其他形狀，例如方形、卵形、圓形衝壓出，以便產生分別具有個體化的梯度的其他GDL變型形式。根據本發明的GDL在提高的壓力和提高的溫度的條件下經受後處理。未經後處理的GDL用作為比較。

圖2對於比較GDL(左側柱狀圖)和根據本發明的GDL(右側柱狀圖)的四個條帶分別示出根據在6bar下的壓縮永久變形值的塑性變形特性(永久變形表現)。

圖3a對於比較GDL的四個條帶示出以μm為單位的幹擴散長度(三角形)，以μm為單位的在2MPa下的GDL的厚度(方形)和以s為單位的格利值(圓形)。

圖3b對於根據本發明的GDL的四個條帶示出以μm為單位的幹擴散長度(三角形)，以μm為單位的在2MPa下的GDL的厚度(方形)和以s為單位的格利值(圓形)。

圖4對於四個條帶示出通過在提高的壓力和提高的溫度的條件下的後處理造成的在幹擴散長度(三角形)和格利值(圓形)方面的特性的改變。圖形針對根據本發明的GDL(GDL 1)和比較GDL(GDL V1)示出值的差(△值)。

以下實例用於闡述本發明，其不以任何方式限制本發明。

實例

I)製造氣體擴散層

製造實例1：

製造具有沿x方向的特性梯度的根據本發明的氣體擴散層和比較擴散層

從厚度為0.145mm、單位面積重量為60g/m²和在1MPa的壓縮下通過電阻(through plane)為6.6mΩcm²的市售的導電纖維網中，沿縱向方向(機器方向，md)從GDL卷衝壓出DIN A3規格(29.7×42cm)的片並且各個覆層。為了產生具有特性梯度的微孔層，沿纖維網4的縱向方向用寬度分別為7cm至8cm的MPL膏塗覆橫向地彼此鄰接的條帶(參見圖1)。膏具有根據表格1的組成。為了其製造，將PTFE、不同的碳和塑膠顆粒作為成孔劑分散在蒸餾水中，並且通過刮板間隙為240μm的刮塗來塗覆到纖維網上。接著，將片在160℃乾燥並且在400℃燒結。所得出的MPL載入根據條帶為15至22g/m²。

¹)分別以燒結的膏的總重量計

從獲得的片中，以橫向於機器方向的長邊衝壓出274.8×96.5mm規格的氣體擴散層。圖1示出3個替選的衝壓位置。獲得的GDL在x軸的方向上具有特性梯度，其中GDL 1具有4個分別具有不同特性的條帶，並且GDL 2和3各自具有3個具有不同特性的條帶。

為了製造燃料電池，可以例如將GDL安裝為，使得x方向(長邊)沿著工作原料至流動分配板的輸送和輸出之間的直接連接的方向。因此，在具有直的通道的流動分配板中，GDL的長邊平行於氣體通道。然而，在不同的流場設計的情況下，裝配例如可以進行為，使得在燃料電池的陰極側(空氣側)上輸送的富含O₂的燃料首先與由膏1形成的MPL(層1)接觸，而輸出的O₂貧乏的燃料與由膏4形成的MPL(層4)接觸。

II)應用實例

對於在下文中描述的測量，使用比較GDL V1和根據本發明的GDL 1，其分別具有4個條帶。

壓縮永久變形值的求取根據上面詳細描述的方法進行。根據所述方法，也分別在特定的壓力下在沒有之前的力作用的情況下/在第一載入過程中，確定厚度、透氣度、撚杆擴散長度(Rockendiffusionslänge)和電阻。這些值在下面的表格1中給出。

根據ISO 5636-5，借助Gurley Precision Instruments公司的Gurley密度計分別垂直於材料平面確定Gurley透氣性。結果同樣從表格2可獲得。

幹擴散長度借助於固定式Wicke-Kallenbach池確定。結果同樣從表格2可獲得。

厚度方向(through plane，TP)的(比)電阻的確定通過4點測量進行。

氣體擴散層在提高的壓力和提高的溫度的條件下的根據本發明的後處理引起塑性變形的份額的明顯減小。圖2根據在6bar處的壓縮永久變形值示出這種情況。經過後處理的GDL的變形大多數情況下彈性地進行。此外，也顯示出不同條帶的永久變形表現的明顯的均勻化。條帶與條帶之間的永久變形表現的差異明顯減小。

圖3a、3b和4根據幹擴散長度和格利值示出根據本發明的後處理對GDL的傳輸特性及其梯度的影響。根據條帶的組成，通過在提高的壓力和提高的溫度的條件下的處理，傳輸特性明顯地改變(條帶1和2)或少量地改變(條帶3和4)。這能用於根據需要控制梯度的表現。

TP=厚度方向(through plane)

Claims

一種用於製造用於燃料電池的氣體擴散層的方法，所述氣體擴散層包括：A)面狀的導電的纖維材料，和B)在所述纖維材料的面中的至少一個面上的微孔層，其中所述微孔層關於所述氣體擴散層的基面(在x、y平面中)具有關於至少一個化學和/或物理特性的至少一個特性梯度，其中i)提供面狀的導電的纖維材料A)，ii)對在步驟i)中提供的纖維材料借助用於構成微孔層的前體進行覆層，其中改變所述前體的組成以產生梯度，iii)使在步驟ii)中獲得的經覆層的纖維材料在提高的壓力的條件下和可選地提高的溫度的條件下經受後處理。
根據請求項1所述的方法，其中在0.5MPa至10.0MPa的範圍內的壓力執行步驟iii)中的處理。
根據請求項2所述的方法，其中在1.5MPa至8.0MPa的範圍內的壓力執行步驟iii)中的處理。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中在100℃至350℃的範圍內的溫度執行步驟iii)中的處理。
根據請求項4所述的方法，其中在120℃至330℃的範圍內的溫度執行步驟iii)中的處理。
根據請求項4所述的方法，其中在150℃至320℃的範圍內的溫度執行步驟iii)中的處理。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中為了在步驟iii)中的處理使用如下設備，所述設備選自單層壓床、多層壓床、連續帶式壓床、砑光機和其組合。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中為了在步驟iii)中的處理使用如下設備，所述設備選自雙帶壓床、砑光機和其組合。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中在壓床中在5秒至5分鐘的時間段中執行步驟iii)中的處理。
根據請求項9所述的方法，其中在壓床中在10秒至2分鐘的時間段中執行步驟iii)中的處理。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中在砑光機中在大於0秒至10秒的時間段中執行步驟iii)中的處理。
根據請求項11所述的方法，其中在砑光機中在0.1秒至5秒的時間段中執行步驟iii)中的處理。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中步驟iii)中的處理在砑光機中在5N/mm至500N/mm的範圍內的線性壓力下進行。
根據請求項13所述的方法，其中步驟iii)中的處理在砑光機中在10N/mm至100N/mm的範圍內的線性壓力下進行。
根據請求項1至3中任一項所述的方法，其中在覆層期間改變所述前體的組成，使得所述微孔層關於所述氣體擴散層的基面(在x、y平面中)具有至少一個單調的特性梯度。
一種氣體擴散層，所述氣體擴散層能夠通過如在請求項1至15中任一項中限定的方法獲得。
一種用於燃料電池的氣體擴散層，包括：A)面狀的導電的纖維材料，和B)在所述纖維材料的面中的至少一個面上的微孔層，其中所述氣體擴散層關於其基面(在x、y平面中)具有關於至少一個化學和/或物理特性的至少一個特性梯度，並且所述氣體擴散層在提高的壓力條件下和可選地提高的溫度條件下經受後處理，使得所述氣體擴散層相對於未經後處理的氣體擴散層具有減小的可塑性變形性。
根據請求項16或17所述的氣體擴散層，所述氣體擴散層相對於未經處理的氣體擴散層具有減小的壓縮永久變形值。
根據請求項16或17所述的氣體擴散層，其中所述微孔層具有至少一個特性梯度，所述特性梯度與位置相關地單調地改變。
根據請求項19所述的氣體擴散層，其中所述特性梯度是連續的或跳躍的。
根據請求項16或17所述的氣體擴散層，其中所述微孔層具有至少2個區域，所述區域在至少一個特性方面不同。
根據請求項21所述的氣體擴散層，其中所述微孔層具有至少3個區域，所述區域在至少一個特性方面不同。
根據請求項21所述的氣體擴散層，其中所述微孔層具有至少4個區域，所述區域在至少一個特性方面不同。
根據請求項16或17所述的氣體擴散層，其中具有梯度的特性選自：- 所述面狀的纖維材料A)和/或所述微孔層B)的化學組成，- 所述面狀的纖維材料A)和/或所述微孔層B)的機械特性，- 所述面狀的纖維材料A)和/或所述微孔層B)的傳輸特性，- 其組合。
根據請求項16或17所述的氣體擴散層，所述氣體擴散層具有幹擴散長度和/或格利透氣性的梯度。
一種燃料電池，所述燃料電池包括至少一個氣體擴散層，所述氣體擴散層如在請求項16至25中任一項中限定或能夠通過如在請求項1至15中任一項中限定的方法獲得。
根據請求項26所述的燃料電池，所述燃料電池包括聚合物電解質膜，在所述聚合物電解質膜上施加有催化劑層，其中所述催化劑層與所述氣體擴散層的所述微孔層B)的表面接觸。
一種氣體擴散層在質子交換膜燃料電池中的應用，所述氣體擴散層如在請求項16至25中任一項中限定或能夠通過如在請求項1至15中任一項中限定的方法獲得。