CN109923718B - 磷酸硼基质层 - Google Patents

Abstract

燃料电池的说明性示例实施例包括阴极电极、阳极电极和在电极之间的多孔基质层。多孔基质层包括孔和固体。固体包含至少90％的磷酸硼。磷酸电解质位于基质层的孔内。

Description

磷酸硼基质层

背景技术

燃料电池可用于基于电化学反应产生电能。已经开发了不同类型的燃料电池。磷酸燃料电池（PAFC）利用阴极电极和阳极电极之间的磷酸电解质。聚合物电解质膜（PEM）燃料电池在电极之间使用聚合物电解质。每种类型的燃料电池都有其自身的特性，这使其更适合于特定的应用。

在PAFC中，磷酸电解质保留在位于电极之间的基质中。已经将不同的材料用于基质层。美国专利第3,694,310号描述了酚醛树脂基质层。与酚醛树脂基质层相关的一个缺点是随着时间的过去，磷酸与基质层的有机材料在升高温度下的反应产生吸附在电极催化剂上并使催化剂中毒的分子。结果，燃料电池的性能下降。

美国专利第4,017,664号描述了一种由碳化硅制成的基质层。与这种基质层相关的一个缺点是碳化硅上的氧化物在典型的燃料电池操作条件下缓慢溶解并转化成不溶于磷酸的磷酸硅。这导致磷酸电解质的相关损失，并且不溶性磷酸盐材料可能潜在地阻止燃料或氧化剂气体输送到电极。

与先前提出或使用的基质层相比，具有改进特性的PAFC基质层将是有用的。

发明内容

燃料电池的说明性示例实施例包括阴极电极、阳极电极和在电极之间的多孔基质层。基质层包含孔和固体。基质层的固体包含至少90％的磷酸硼。磷酸电解质位于基质层的孔内。

在具有前一段落的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，磷酸硼具有在0.5μm和4μm之间的平均粒度。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，平均粒度为约2μm。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，基质层具有在10μm和100μm之间的厚度。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，厚度为约50μm。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，基质层的固体包含90％至99％的磷酸硼。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，基质层包括在电极的至少一个上的涂覆层。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，阴极电极和阳极电极各自包括催化剂层，每个催化剂层由填充带层包围，并且每个填充带层包括磷酸硼。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，填充带层具有与基质层不同的组成。

在具有前述段落中任一段的燃料电池的一个或多个特征的示例实施例中，阳极电极和阴极电极支撑在相应的衬底层上，相应的衬底层包括边缘密封件，并且相应的边缘密封件包括磷酸硼。

制造燃料电池的方法的说明性示例实施例包括建立阴极层；建立阳极层；在阴极层和阳极层之间建立多孔基质层，其中基质层包含孔和固体，其中固体包含至少90％的磷酸硼；以及将磷酸电解质布置在基质层的孔中。

在具有前一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，建立基质层包括使包含磷酸硼颗粒、表面活性剂、增稠剂和粘合剂的浆料混合；在阴极层或阳极层中的至少一个上沉积混合浆料的涂覆层；并且干燥所沉积的涂覆层，其中所得涂覆层是基质层的至少一部分。

具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例包括在阴极层和阳极层的每个上沉积混合浆料的涂覆层，并且所沉积的涂覆层共同建立基质层。

在具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，磷酸硼颗粒具有在0.5μm和4μm之间的平均粒度。

在具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，平均粒度为约2μm。

在具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，基质层具有在10μm和100μm之间的厚度。

在具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，厚度约为50μm。

在具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例中，基质层的固体包含在90％和99％之间的磷酸硼。

具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例包括分别用包含磷酸硼的填充带层围绕阴极层和阳极层。

具有前述段落中任一段的方法的一个或多个特征的示例实施例包括在第一衬底层上建立阴极层，在第二衬底层上建立阳极层，在第一衬底层上设置第一边缘密封件，以及在第二衬底层上设置第二边缘密封件。第一和第二边缘密封件包括磷酸硼。

从下面的详细描述中，至少一个所公开的示例实施例的各种特征和优点对本领域技术人员而言将是显而易见的。伴随着详细描述的附图可以被如下简要描述。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的实施例设计的燃料电池的所选择部分。

图2示意性地示出了燃料电池的另一示例实施例的所选择部分。

具体实施方式

图1示意性地示出了燃料电池20的所选择部分。阴极电极22和阳极电极24由设置在阴极22和阳极24之间的多孔基质层26隔开。多孔基质层26包括固体和孔。基质层26的固体包含磷酸硼。在一些示例中，基质层26的固体包含至少90％的磷酸硼。一个示例实施例包括基质层26的固体，其包含高达99％的磷酸硼。

例如，如果要考虑基质层26占据的体积，那么该体积中的一些将被基质层26的孔占据。在一些实施方案中，孔占据体积的至少约40％。未被孔占据的剩余部分的体积将由基质层的固体占据，并且那些固体包含至少90％的磷酸硼。

基质层26的孔包含示意性地以28表示的磷酸电解质，其用作促进燃料电池20借此生成电力的电化学反应的电解质。

将磷酸硼用于基质层26提供了将磷酸电解质28保持在电极之间的能力并防止来自各个电极的反应物混合（即，足够的气泡压力），在电极处在燃料电池操作期间将需要磷酸电解质。多孔基质层26具有良好的液体渗透性、对磷酸电解质是可润湿的、至少电绝缘到足以促进燃料电池操作的程度、在磷酸电解质存在下是化学稳定的、并且允许使得基质层26足够薄以使IR损失最小化。

基质层26的一个特征是它可以包括磷酸硼颗粒，该颗粒足够小以实现与用其他材料制成的基质层相比更薄的基质层。在一些示例中，磷酸硼颗粒具有在0.5μm和4μm之间的平均粒度，其中最大粒度为约10μm（例如，D100 =10μm）。在所示的示例中，平均粒度为约1μm。该描述在该上下文中使用术语“约”来涵盖从精确为1μm的粒度的变化。例如，短语“约1μm”应理解为包括0.5μm和1.5μm之间的平均粒度。其他实施例可具有不同的平均粒度或最大粒度。

包含磷酸硼的基质层26可以薄至10μm。示例实施例包括在10μm和100μm之间的基质层厚度。一个示例实施例包括具有大约50μm的厚度的基质层26。在该上下文中，术语“约”应理解为包括从50μm的精确尺寸的变化，并且包括例如在40μm和60μm之间。具有更薄的基质层减少IR损失并提供更好的燃料电池效率。

使用磷酸硼允许具有更小的粒度和所得到的更薄的基质层。与先前的基质层材料（诸如碳化硅）相比，较小的粒度还允许增加的气泡压力，这也增强了燃料电池的操作和寿命。

不可能使用与所示实施例的磷酸硼颗粒一样小的碳化硅颗粒，部分原因是因为较小的碳化硅颗粒提供了更多的表面积和更多可被磷酸电解质侵蚀的氧化物，从而导致更多的上述不希望的不溶性磷酸硅、燃料电池中的酸存量减少、和燃料电池寿命缩短。

通过具有更薄的基质层来减少损失还允许降低电极中的铂负载而不牺牲功率。鉴于铂是昂贵的材料，根据本发明的实施例设计的基质层26不仅对基质层本身而且对燃料电池的其它部分提供成本优势。降低成本是燃料电池行业面临的重大挑战。

图2示出了另一示例燃料电池构型。阴极层22支撑在第一衬底层32上，并且阳极层24支撑在第二衬底层34上。填充带层40围绕相应的电极层22和24。示例实施例具有填充带层40的图像帧型构型。在该示例中，填充带层40是多孔的，并且填充带层的固体包含至少90％的磷酸硼。在一些示例中，填充带层40至少约40％是多孔的。

填充带层40中的磷酸硼颗粒的尺寸可以与基质层26中的磷酸硼颗粒的尺寸不同。在一个实施例中，填充带中磷酸硼的平均粒度在0.5um和10um之间。在一些示例中，填充带层40包括粘合剂材料，诸如含氟聚合物。另外，填充带层40可以具有其他组分，使得填充带层40的组成与基质层26的组成不同，即使两者都包括磷酸硼。

衬底层32和34分别包括沿衬底层的边缘的边缘密封件。所示示例中的边缘密封件42包括浸渍在衬底的孔内的磷酸硼颗粒。边缘密封件42中的磷酸硼颗粒的尺寸可以不同于基质层26中和填充带层40中分别使用的颗粒的尺寸。在一个实施例中，边缘密封件中磷酸硼的平均粒度在0.1μm和4μm之间。另外，边缘密封件42的组分可以与填充带层40的组分不同。

利用磷酸硼作为基质层26的材料，填充带层40和边缘密封件42可以在制造如图2所示的燃料电池装置的过程期间提供效率。

制造燃料电池的方法的实施例包括建立阴极层22和建立阳极层24。该方法包括在阴极层和阳极层之间建立基质层26，其中基质层包含至少90％的磷酸硼。磷酸28作为电解质设置在基质层26中。

在一个示例实施例中建立基质层包括使包含磷酸硼颗粒、表面活性剂、增稠剂和粘合剂的浆料混合。一个示例浆料组成包括约55％磷酸硼粉末、0.4％表面活性剂（诸如surfynol 104E）、0.06％的罗地亚黄原胶（rhodopol）23、作为粘合剂的0.8％的含水FEP分散液（诸如chemours D121）、其余约43％为蒸馏水。所选择的添加剂及其近似比率可以针对不同的沉积方法进行调整。在给出该描述的情况下，本领域技术人员将能够针对其特定情况确定适当的比率。

在一些示例中，可以研磨磷酸硼粉末以获得所需的平均粒度。

可以将混合的浆料施加到阳极电极、阴极电极或两者。用于在阴极层或阳极层的至少一个上沉积混合浆料的涂覆层的示例性技术可包括流延成型（tape casting）、喷涂、凹版涂布、幕式淋涂、丝网印刷、转移印刷、刮刀涂布、压铸或类似工艺。

将沉积的涂覆层干燥，得到所需厚度的磷酸硼基质层。在一些示例中，当电极相对于彼此定位时，每个电极层涂覆有基质层的一部分，该部分具有基质层总厚度的大约一半，如图1和2中示意性所示。

与上述描述一致的由磷酸硼制成的燃料电池基质层允许实现提高的燃料电池效率、增加的产品寿命和降低的燃料电池成本。

前述描述本质上是示例性的而不是限制性的。对所公开示例的变型和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，这些变型和修改并不必要地偏离本公开的本质。给予本发明的法律保护范围仅可以通过研读下述权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种燃料电池，其包括：

阴极电极；

阳极电极；

在所述阴极电极和所述阳极电极之间的多孔基质层，所述多孔基质层包括孔和固体，所述多孔基质层的所述固体包含至少90wt％的磷酸硼；和

位于所述基质层的所述孔内的磷酸电解质。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述磷酸硼具有在0.5μm和4μm之间的平均粒度。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述平均粒度为2μm。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基质层具有在10μm和100μm之间的厚度。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述厚度为50μm。

6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基质层包含在90wt％至99wt％之间的磷酸硼。

7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基质层包括在所述阴极电极和所述阳极电极中的至少一个上的涂覆层。

8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，

所述阴极电极和阳极电极各自包括催化剂层；

每个催化剂层由多孔填充带层包围；和

每个多孔填充带层包含磷酸硼。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，所述多孔填充带层具有与所述基质层不同的组成。

10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，

所述阳极电极和所述阴极电极支撑在相应的衬底层上；

相应的衬底层包括边缘密封件；和

相应的边缘密封件包括磷酸硼。

11.一种制造燃料电池的方法，所述方法包括

建立阴极层；

建立阳极层；

在所述阴极层和所述阳极层之间建立多孔基质层，所述多孔基质层包括孔和固体，所述固体包含至少90wt％的磷酸硼；和

将磷酸电解质设置在所述多孔基质层的所述孔中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，建立所述多孔基质层包括：

使含有磷酸硼颗粒、表面活性剂、增稠剂和粘合剂的浆料混合；

在所述阴极层或所述阳极层中的至少一个上沉积混合浆料的涂覆层；和

干燥所沉积的涂覆层，其中所得涂覆层是所述基质层的至少一部分。

13.根据权利要求12所述的方法，其包括：

在所述阴极层和所述阳极层的每个上沉积混合浆料的涂覆层；和

其中所沉积的涂覆层共同建立所述基质层。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述磷酸硼颗粒具有在0.5μm和4μm之间的平均粒度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述平均粒度为2μm。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基质层具有在10μm和100μm之间的厚度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述厚度为50μm。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基质层包含在90wt％和99wt％之间的磷酸硼。

19.根据权利要求11所述的方法，包括分别用包含磷酸硼的填充带层围绕所述阴极层和所述阳极层。

20.根据权利要求11所述的方法，包括：

在第一衬底层上建立所述阴极层；

在第二衬底层上建立所述阳极层；

在所述第一衬底层上设置第一边缘密封件；和

在所述第二衬底层上设置第二边缘密封件，

其中所述第一边缘密封件和第二边缘密封件包括磷酸硼。

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