《一体式可再生燃料电池气体扩散层及其制备方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一体式可再生燃料电池气体扩散层及其制备方法.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102856567 A (43)申请公布日 2013.01.02 C N 1 0 2 8 5 6 5 6 7 A *CN102856567A* (21)申请号 201110182437.8 (22)申请日 2011.06.30 H01M 8/02(2006.01) (71)申请人中国科学院大连化学物理研究所 地址 116023 辽宁省大连市中山路457号 (72)发明人张华民 刘波 马海鹏 邱艳玲 董明全 (74)专利代理机构沈阳科苑专利商标代理有限 公司 21002 代理人马驰 (54) 发明名称 一体式可再生燃料电池气体扩散层及其制备 方法 (57) 摘要 本发明。
2、公开了一种一体式可再生燃料电池扩 散层及其制备方法，采用不导电的有机合成纤维 布作为扩散层的支撑体，通过在其上构造导电的 耐腐蚀金属/金属氧化物网络，填充到有机纤维 的孔隙中，结合一定的疏水剂、粘结剂，使扩散层 达到适宜的亲疏水性能以及构造合适的孔结构， 以保证URFC在不同工作模式下的传质平衡。解决 了现有技术中URFC支撑体的腐蚀问题，提高重量 比功率，降低电极成本，使URFC离实用化更进一 步。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一体。
3、式可再生燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述扩散层包括有机纤维布支撑 体；有机纤维布支撑体上、下表面涂覆有由导电耐腐蚀整平材料和疏水粘结剂材料构成的 混合材料层。 2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于：所述的有机纤维布的材料为类聚 酯纤维、聚烯烃纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯晴纤维或聚乙烯醇纤维；所述有机纤维布的孔隙 率为3090，厚度为50500微米。 3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于：导电耐腐蚀整平材料和疏水粘结 剂材料的质量比为(1-10)1，耐腐蚀整平材料在有机纤维布上的担载量为3-8mg/cm 2 。 4.根据权利要求1或3所述的气体扩散层，其特征在于：所述的导电耐。
4、腐蚀整平材料 为耐腐蚀金属材料Pt、Ir或Ti，或者为W、Mo、Ir或Ti的氧化物、碳化物或氮化物； 或者以上述材料为载体，负载析氧催化剂，所述的负载析氧催化剂为贵金属Pt、Pd、Au、 Ru、Rh、Ir的氧化物、碳化物或氮化物的混合物，或贵金属Pt、Pd、Au、Ru、Rh、Ir与过渡金属 元素Os、Ta、W、Ni的混合物或合金。 5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于：所述的疏水粘结剂为聚偏二氟乙 烯或聚偏四氟乙烯。 6.一种权利要求1所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：按如下过程制备而成， (1)支撑体的前处理 将有机纤维布浸泡在去离子水中，经过超声振荡，静置、过滤、烘干待用； 。
5、(2)导电微孔层的制备： 1)将疏水粘结剂与有机溶剂按质量比(110)100共混，在2080搅拌至完全 溶解制成溶液A； 2)耐腐蚀整平材料加入溶液A中搅拌1060min，制成疏水导电涂料，其中耐腐蚀整 平材料与疏水粘结剂的质量比为(110)1； 3)分别将疏水导电涂料均匀涂覆到有机纤维布的两侧表面，并在压力作用下使其渗透 到纤维体内部，待干燥后重复涂覆直至耐腐蚀整平材料的担载量达到3-8mg/cm 2 。 7.根据权利要求6所述的气体扩散层制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为丙酮 或N，N二甲基甲酰胺。 权 利 要 求 书CN 102856567 A 1/4页 3 一体式可再生燃料电池气体。
6、扩散层及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及燃料电池关键材料及其制备方法，具体的说是一种一体式可再生燃料 电池气体扩散层及其制备方法。 背景技术 0002 可再生燃料电池(regenerative fuel cell，简称RFC)是一种能量储存系统，在水 电解模式下，水在外加电源的作用下被电解成氢气和氧气；在燃料电池模式下，氢气和氧气 通过发生电化学反应生成水同时释放出电能，即RFC储能系统由燃料电池(fuel cell，简 称FC)及水电解池(water electrolyzer，简称WE)两个组件构成，根据系统中FC和WE两 个组件组合方式的不同，RFC可以分为分开式、综合式以及一体。
7、式(Unitized Regenerative Fuel Cell，简称URFC)。 0003 URFC将水电解技术(电能+2H 2 O-2H 2 +O 2 )与燃料电池技术(2H 2 +O 2 -H 2 O+电能)相结 合，通过双功能催化剂实现两种工作模式在同一组件上进行，即执行燃料电池功能时，URFC 实现氢氧复合并对外输出电能；执行水电解功能时，URFC在外加电能的条件下将水电解成 氢气和氧气，达到储能的目的。 0004 膜电极是URFC的核心部件，多孔的气体扩散层是URFC膜电极中至关重要的部分。 对URFC膜电极中的扩散层，要求具备适宜的亲疏水性能，才能保证在其不同工作模式下的 传质。
8、平衡。同时，水电解工作模式下，活性氧物种在较高的阳极电位下对材料的腐蚀严重， 因此，对扩散层基底材料及整平材料的选择必须满足在较高的析氧电位下，材料本身具有 很高的电化学和化学稳定性，即要满足耐腐蚀性的要求。 0005 传统的燃料电池采用碳纸或碳布作为扩散层材料，但是碳材料扩散层不能直接用 于URFC，因为在URFC进行水电解操作时会发生碳材料的阳极氧化反应： 0006 C+H 2 OCO 2 +4H + +4e - 0007 E 0 =0.118V vs.SHE at 25 0008 传统的扩散层支撑体(如：碳纸、碳布、泡沫金属、金属编织/拉伸网、金属纤维 等)，在URFC的工作环境下，都存。
9、在着易腐蚀、电阻大、价格昂贵等缺陷。URFC工作环境下对 支撑体材料的要求：1、高电位下稳定；2、耐酸性条件下的氧化腐蚀；3、强度韧性优良；4、价 格低廉。目前URFC扩散层方面的报道较少，基本上沿用质子交换膜水电解池的膜电极扩散 层的思路，多以钛材料进行憎水化处理后制得。如将烧结钛板、钛网等钛材料基底，通过浸 渍PTFE实现憎水化作为URFC的扩散层。但是钛金属在析氧状态下会形成电导很低的表面 氧化膜，随着水电解的进行，钛扩散层表面的氧化膜会逐渐增厚，导致电导逐渐降低，如果 长时间工作，电解池的内阻会逐渐增大。虽然可以通过表面进行电镀或化学镀Pt来解决， 但是极大的增加了URFC的制造成本，。
10、而且电池的重量较大，削弱了URFC质量比能量高的优 势。 0009 部分有机纤维具有价格低廉、材质轻且柔软、能耐酸碱腐蚀、耐老化、高电位下稳 定，以及容易在材料表面构筑合适的孔隙结构的优点。但是存在着材料本身为绝缘材料，不 说 明 书CN 102856567 A 2/4页 4 导电的问题。如果能解决导电性，将极大的解决URFC支撑体的腐蚀问题，提高重量比功率， 降低电极成本，使URFC离实用化更进一步。 发明内容 0010 本发明的目的是提供一种一体式可再生燃料电池气体扩散层及其制备方法。 0011 为实现上述目的，本方明采用的技术方案为： 0012 一体式可再生燃料电池气体扩散层包括有机纤维。
11、布支撑体；有机纤维布支撑体 上、下表面涂覆有由导电耐腐蚀整平材料和疏水粘结剂材料构成的混合材料层。 0013 所述的有机纤维布的材料为类聚酯纤维、聚烯烃纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯晴纤维 或聚乙烯醇纤维；所述有机纤维布的孔隙率为3090，厚度为50500微米。 0014 类聚酯纤维如PET、PBT，聚烯烃纤维如PP、PE，聚酰胺纤维如PA，聚丙烯晴纤维 PAN，聚乙烯醇纤维PVA等。 0015 导电耐腐蚀整平材料和疏水粘结剂材料的质量比为(1-10)1，耐腐蚀整平材料 在有机纤维布上的担载量为3-8mg/cm 2 。 0016 所述的导电耐腐蚀整平材料为耐腐蚀金属材料Pt、Ir或Ti，或者为W、M。
12、o、Ir或Ti 的氧化物、碳化物或氮化物； 0017 或者以上述材料为载体，负载析氧催化剂，所述的负载析氧催化剂为贵金属Pt、 Pd、Au、Ru、Rh、Ir的氧化物、碳化物或氮化物的混合物，或贵金属Pt、Pd、Au、Ru、Rh、Ir与 过渡金属元素Os、Ta、W、Ni的混合物或合金。 0018 所述的疏水粘结剂为聚偏二氟乙烯或聚偏四氟乙烯。 0019 上述一体式可再生燃料电池气体扩散层的制备方法如下： 0020 (1)支撑体的前处理 0021 将有机纤维布浸泡在去离子水中，经过超声振荡，静置、过滤、烘干待用； 0022 (2)导电微孔层的制备： 0023 1)将疏水粘结剂与有机溶剂按质量比(1。
13、10)100共混，在2080搅拌至 完全溶解制成溶液A； 0024 2)耐腐蚀整平材料加入溶液A中搅拌1060min，制成疏水导电涂料，其中耐腐 蚀整平材料与疏水粘结剂的质量比为(110)1； 0025 3)分别将疏水导电涂料均匀涂覆到有机纤维布的两侧表面，并在压力作用下使其 渗透到纤维体内部，待干燥后重复涂覆直至耐腐蚀整平材料的担载量达到3-8mg/cm 2 。 0026 所述的有机溶剂为丙酮或N，N二甲基甲酰胺。 0027 为了考察该URFC扩散层的性能，将其制成URFC膜电极，方法如下： 0028 1、催化膜(CCM，catalyst coated membrane)的制备 0029 将。
14、析氧催化剂负载于氧还原催化剂上或将析氧催化剂与氧还原催化剂机械混合 得到双效氧电极催化剂，将双效氧电极催化剂与亲水粘结剂混合，双效电催化剂亲水粘 结剂为(1090)(1090)，采用喷涂、印刷或转压等公知的方法将混合物制备到 聚合物电解质膜(如全氟磺酸膜)上，即得到双效氧电极催化膜。 0030 2、MEA的制备 0031 将双效氧电极催化膜与扩散层以及传统的氢电极热压在一起，得到一体式可再生 说 明 书CN 102856567 A 3/4页 5 燃料电池膜电极，热压温度为120180，压强为0.0110MPa。 0032 本发明从制备燃料电池扩散层的思路出发，采用不导电的有机合成纤维作为扩 散。
15、层的基底，通过在其上构造导电的耐腐蚀金属/金属氧化物网络，填充到有机纤维的孔 隙中，结合一定的疏水粘结剂，使扩散层达到适宜的亲疏水性能以及合适的孔结构，以保证 URFC在不同工作模式下的传质平衡。 0033 本发明的有益效果为： 0034 1.本发明所制备的扩散层，通过采用不导电的有机合成纤维作为扩散层的基底， 解决了传统电极支撑体材料的高电位腐蚀问题； 0035 2.本发明所制备的扩散层，具有适宜的亲疏水性能以及合适的孔结构，可以保证 URFC在不同工作模式下的传质平衡； 0036 3.本发明所制备的扩散层，具有价格低廉，材质轻且柔韧性强的特点，提高了 URFC的重量比功率，降低了电极成本，。
16、使URFC离实用化更近一步。 附图说 明 0037 图1不同支撑体的显微镜图； 0038 图2不同支撑体制备的URFC电极I-V曲线。 具体实施方式 0039 下面结合附图对本发明作进一步详述。 0040 实施例1 0041 1)基底的疏水化处理 0042 裁取22.5cm 2 的碳纸，在1wt的PTFE乳液中多次浸渍进行疏水化处理，然后在 360下焙烧1小时，得到疏水化处理的碳纸； 0043 2)在50mg IrO2/Ti整平材料上加入乙醇，混合均匀后加入200mg20wtPTFE乳 液，混合均匀后得到整平层浆料，将浆料均匀涂于疏水化处理后的碳纸上，然后再360下 焙烧1小时，得到以碳纸作为。
17、支撑体的疏水的扩散层。 0044 实施例2 0045 1)基底的疏水化处理 0046 裁取22.5cm 2 的钛纤维网，在1wt的PTFE(聚四氟乙烯)乳液中多次浸渍进行 疏水化处理，然后在360下焙烧1小时，使其憎水化； 0047 2)在50mg IrO2/Ti整平材料上加入乙醇，混合均匀后加入200mg20wtPTFE乳 液，混合均匀后得到整平层浆料，将浆料均匀涂于疏水化处理后的碳纸上，然后再360下 焙烧1小时，得到以碳纸作为支撑体的疏水的扩散层。 0048 实施例3 0049 选取聚对苯二甲酸乙二醇酯合成纤维布(PET)作为扩散层的支撑体，扩散层的制 备方法如下： 0050 1)支撑体。
18、的前处理： 0051 将22.5cm 2 的有机纤维布浸泡在去离子水中，超声振荡30min，去除表面的杂质。 0052 2)导电微孔层的制备： 说 明 书CN 102856567 A 4/4页 6 0053 a、称取一定量的PVDF树脂，加入有机溶剂DMF，配成7的溶液； 0054 b、将PVDF溶液置于60的恒温水浴中，连续搅拌30分钟，直至PVDF全部溶解，放 置脱泡待用； 0055 c、将导电交联材料IrO2/Ti加入PVDF溶液中，IrO2/Ti与PVDF的比例为31， 放在搅拌器重搅拌30min，制成膏状疏水导电涂料； 0056 d、在80加热板上，固定支撑体有机纤维布，将疏水导电涂。
19、剂均匀的涂到纤维上， 同时保证有部分疏水导电涂料渗透到纤维的另一侧； 0057 e、在130的烘箱中烘干后，将支撑体纤维180翻转，重复d步骤； 0058 f、多次正反面涂覆导电整平材料，当整平材料的担载量达到3-8mg/cm 2 时，将其在 200下焙烧4小时。 0059 为了考察实施例1、2、3扩散层的性能，将其分别制成URFC膜电极，方法如下： 0060 1、催化膜(CCM，catalyst coated membrane)的制备 0061 将Pt black与IrO 2 机械混合得到双效氧电极催化剂，将双效氧电极催化剂与亲 水粘结剂混合，双效氧电极催化剂亲水粘结剂为73，采用喷涂、印刷。
20、或转压等公知的 方法将混合物制备到聚合物电解质膜(如全氟磺酸膜)上，即得到双效氧电极催化膜。 0062 2、MEA的制备 0063 将双效氧电极催化膜与扩散层以及传统的氢电极热压在一起，得到一体式可再生 燃料电池膜电极。热压温度为140，压强为8kg/cm 2 。 0064 通过图1可以看出，三种材料具有相似的纤维结构，合适的孔隙率，便于我们在制 备微孔层时更好的控制孔隙率和孔分布； 0065 图2的极化曲线测试结果表明：以不导电的有机纤维为支撑体的扩散层，达到了 碳纸和金属纤维一致的性能，说明本发明的导电改性的扩散层的制备方法是成功的。 说 明 书CN 102856567 A 1/1页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102856567 A 。