CN110785514B - 用于制造气体扩散电极的方法和气体扩散电极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造气体扩散电极的方法和一种气体扩散电极。具体地，提供一种用于连续制造具有减小的厚度的气体扩散电极的方法。为此，将不导电的增强幅材用作基础物以在该增强幅材上施加颗粒。具体地，增强幅材可包括聚合物的网状物，所述聚合物例如是聚丙烯、聚苯硫醚、尼龙或另外的有机聚合物。以该方式，可通过连续制造工艺获得非常稳健且薄的气体扩散电极。

Description

用于制造气体扩散电极的方法和气体扩散电极
本发明涉及一种用于制造气体扩散电极的方法，尤其涉及一种连续制造气体扩散电极的方法。此外，本发明涉及一种气体扩散电极。
现有技术
电化学转化过程如电解用于多种目的(用途)。例如，可在电解槽中通过电解质(通常是水)的电解由析氢反应(HER)和析氧反应(OER)产生氢和/或氧。电化学转化过程的另一实例是例如二氧化碳的电化学还原。在其中执行这样的电化学转化过程的电化学转化装置如电解槽包括被称为气体扩散电极的电极。这些电极将电能传导至电解质，并使电解质和/或其他反应物分解以生成所需的产物，例如氧气、氢气等。
在这种电化学转化过程中使用的另一重要成分是气密膜或隔膜，其被称为气体分离器(隔板)隔膜或简称为气体分离器(隔板)。该部件将电化学转化装置分为多个腔室或隔室，并允许离子从一个这样的腔室流向另一个腔室，但不允许气体例如氧气或氢气从一个腔室流向另一个腔室。以该方式使电化学转化的产物分离。目前，通过使用批量生产来制造电化学池(单元池)部件，即气体分离器隔膜和/或气体扩散电极。
US 3,553,032 A1公开了一种制造燃料电池电极的方法，该燃料电池电极包括多孔的斥水聚合物颗粒结合的基体，该基体具有薄的银涂层和散布在其中并粘附在该基体上的导电材料的颗粒，该方法包括：形成斥水聚合物、导电材料的颗粒和碳酸银颗粒的混合物，在压力下模制该混合物以形成凝聚(连贯)结构，并将所得凝聚结构加热至高于碳酸银的分解温度但低于聚合物的软化点的温度，从而形成银并释放出二氧化碳气体，二氧化碳气体扩散穿过结构以使其基本上呈多孔的。
对有效的用于制造气体扩散电极的方法存在需求，该方法可通过较低的生产成本以高的品质制造气体扩散电极。因此，需要连续的用于制造气体扩散电极的方法，同时仍保持气体扩散电极的重要参数如孔隙率、疏水性和催化性能。此外，需要一种简单的用于制造气体扩散电极的方法，该方法导致具有高品质的、薄的气体扩散电极。
发明概述
这通过独立权利要求的特征来实现。
根据第一方面，本发明提供了一种用于制造气体扩散电极的方法。该方法包括提供原始电极层的步骤，其中原始电极层包括不导电的幅材。此外，该方法包括调整原始电极层的厚度和将非溶剂施加到原始电极层的步骤。
根据另一方面，本发明提供了一种气体扩散电极，其包括不导电的增强幅材。
因此，通过使用不导电的增强幅材来制造气体扩散电极，可实现这种气体扩散电极的简单制造，并且同时可减小气体扩散电极的厚度。以该方式，可实现稳健的(坚固的)且薄的气体扩散电极的简单制造，并且同时可降低这种气体扩散电极的制造成本。
通过基于增强幅材来制造气体扩散电极，可实现气体扩散电极的连续制造工艺。例如，可用颗粒在粘合剂溶液中的悬浮液浇注(流延，cast)增强幅材。取决于层的期望性质，悬浮液可包含导电颗粒或疏水材料的颗粒。可使原始电极层经受相反转(phaseinversion)，从而实现孔隙率。甚至能够将另一悬浮液流延到原始电极层上的第一悬浮液上，或在使原始电极发生相反转之前将不同的悬浮液施加到增强幅材的不同位置上。
这种将增强幅材用一种或多种悬浮液流延并通过将一种或多种非溶剂施加到原始电极层上而进行相反转的过程能够以连续工艺进行，气体扩散电极能够以需要低成本的、简单的制造工艺生产。同时，可实现高品质的流延扩散电极。
通过使用不导电的增强幅材，即使增强幅材的厚度非常低，增强幅材的稳定性也很高。以此方式可在气体扩散电极的制造工艺中使用仅具有非常小的厚度，例如几微米，例如10、20、50、100或140微米的增强幅材。
在一种实施方式中，不导电的幅材包含有机聚合物。例如，不导电的增强幅材可包括聚丙烯(PP)或聚苯硫醚(PPS)。然而，也可使用任何其他合适的聚合物。例如，尼龙或其他合适的有机聚合物也可用作增强幅材。以该方式，具有仅几微米，特别是10、20、50、100或150微米的非常小的厚度的增强幅材可用作增强幅材。增强幅材可具有任何适当的宽度。例如，增强幅材可具有约一或几厘米的宽度。宽度也可有几十厘米到100厘米甚至更多。因此，气体扩散电极的最终尺寸仅受限于其上流延有气体扩散电极的颗粒的增强幅材的尺寸。此外，增强幅材的长度以及因此原始电极层的长度可为几米到许多米。
根据一种实施方式，增强幅材的厚度、特别是不导电幅材的厚度小于150微米，特别是小于149微米。在一种实施方式中，不导电的增强幅材的厚度小于100微米，特别是小于50微米或甚至小于20微米或小于10微米。以该方式可使得到的气体扩散电极的厚度最小。
根据一种实施方式，若干电极层包括至少一个包含电极材料的颗粒和粘合剂的层。例如，原始电极层可包括导电材料的颗粒和粘合剂。以该方式可实现电化学活性层。作为替代或另外地，原始电极层可包括一个包含疏水性材料的颗粒和第二粘合剂的层。此外，还可将任何其他合适材料的颗粒流延到不导电的幅材上。
根据一种实施方式，向原始电极层施加非溶剂的步骤包括以封闭体积(a closedvolume)的蒸汽将第一非溶剂施加到原始电极层的表面上和/或将第一非溶剂喷涂在原始电极层的表面上。以该方式使原始电极层经受相反转，从而可实现气体扩散电极的孔隙率。
根据一种实施方式，将非溶剂施加到原始电极层包括在非溶剂浴中施加第二非溶剂。任选地，还可将用于施加另外的非溶剂的另外的任务应用于原始电极层，以执行相反转并实现电极层中的孔隙率。
根据另一实施方式，提供原始电极层包括提供第一原始电极层和第二原始电极层。在这种情况下，将第一电极层和第二原始电极层压制在一起。因此，可将第一原始电极层和第二原始电极层组合成共同的原始电极层，并且将依次的(相继的)步骤应用于第一和第二原始电极层的组合。因此，第一和第二原始电极层可具有不同的特性，特别是第一原始电极层和第二原始电极层可包括不同材料的颗粒。因此，可实现两层甚至更多层的夹心结构。
根据另一实施方式，第一原始电极层和第二原始电极层都包括不导电幅材。具体地，第一和第二原始电极层的不导电幅材都可为有机聚合物的幅材，并且都可具有小于149微米的厚度。
根据另一实施方式，在将非溶剂施加到原始电极层之前，将物理屏障放置在原始电极层的表面之前。以该方式，物理屏障可限制或防止将非溶剂施加到原始电极层的相应表面上。因此，限制了非溶剂对相应表面的冲击，因此可实现气体扩散电极的非对称横截面。
根据一种实施方式，该方法包括控制物理屏障和原始电极层的表面之间的距离。通过调整物理屏障和原始电极层的表面之间的距离，可控制非溶剂的冲击，因此可影响面对物理屏障的电极层的相应侧面的性质。
根据一种实施方式，当将非溶剂施加到原始电极层上时垂直地供给原始电极层。以此方式，可以非常有效的方式通过施加非溶剂进行相反转。
根据气体扩散电极的一种实施方式，不导电的增强幅材的厚度小于149微米。具体地，增强幅材的厚度小于140微米，或者甚至小于120微米或小于100微米。具体地，不导电的增强幅材的厚度可甚至小于50微米或小于20微米或甚至小于10微米。
根据气体扩散电极的一种实施方式，气体扩散电极包括至少两个层。在这种情况下，每一层都包括具有上述性质的、单独的不导电的增强幅材。
根据一种实施方式，气体扩散电极具有不对称的横截面。因此，气体扩散电极的不同侧面具有不同的性质。
根据一种实施方式，不导电的增强幅材包含有机聚合物。例如，有机聚合物可包括聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)或尼龙。然而，任何其他合适的聚合物也可用于制造增强幅材。
在下文中将参考附图中示出的实施方式来进一步描述本发明，其中：
图1：示意性地示出根据一种实施方式的原始电极层的横截面；
图2：示意性地示出根据一种实施方式的用于制造气体扩散电极的方法；
图3：示意性地示出根据另一实施方式的用于制造气体扩散电极的方法；
图4：示意性地示出根据又一实施方式的用于制造气体扩散电极的方法；
图5：示意性地示出根据一种实施方式的气体扩散电极的横截面。
图6：示意性地示出根据另一实施方式的气体扩散电极的横截面；和
图7：示意性地示出根据一种实施方式的用于制造气体扩散电极的方法的流程图。
以下详细描述本发明的上述和其他特征。参照附图描述了各种实施方式，其中，附图标记自始至终用于指代相似的实施方式。出于解释的目的，在下面的描述中阐述了许多具体细节以便提供对一种或多种实施方式的理解。可注意到，所示的实施方式旨在解释而不是限制本发明。可明确的是，能够在没有这些具体细节的情况下实践这样的实施方式。
图1示出了原始电极层100的横截面，其可用作用于制造气体扩散电极的原始电极层。原始电极层包括幅材110。该幅材110可用作增强幅材。以此方式，可实现原始电极层100和所得的气体扩散电极的期望的稳定性。具体地，幅材110由多孔的不导电材料制成。例如，可通过包含聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、尼龙或另一种合适聚合物的幅材来实现这种多孔的不导电幅材110。例如，幅材110可通过包含聚合物的网状物来实现，所述聚合物诸如是上述聚合物或另一种合适的有机聚合物。以该方式，可实现结实且牢固的幅材110，其可用作用于原始电极层100和所得的气体扩散电极的增强幅材。由于这种不导电的幅材110，特别是有机聚合物的网状物的稳健性，可实现非常薄且结实的增强幅材110。例如，即使厚度t小于200微米，或者甚至小于150微米、149微米，小于100微米或小于50微米，也可实现增强幅材110的期望的稳健性。甚至可实现厚度为20微米或更小、例如10微米的增强幅材。与此相反，基于金属网状物的、导电的增强幅材通常具有显著更高的厚度，以实现所需的稳健性。
增强幅材110被流延以悬浮液120-i。该悬浮液120-i可包含颗粒和粘合剂。根据悬浮液中所选择的颗粒，可调整所得气体扩散电极的性能。可将悬浮液120-i至少流延到增强幅材110的一侧上。然而，也可将悬浮液120流延到增强幅材110的两侧上。此外，可将不同的悬浮液流延到增强幅材110上。例如，可将包含第一种颗粒的第一悬浮液120-1流延到增强幅材的一侧上；并且可将包含第二颗粒的第二悬浮液120-2流延到增强幅材110的另一侧上。
此外，也可将多个层流延到增强幅材110的一侧或至少一侧上。例如，可将第一悬浮液的第一层直接流延到增强幅材的表面上，然后可将包含第二种颗粒的第二悬浮液流延到第一悬浮液的层上。原始电极层100的宽度w仅由在其上流延有悬浮液的增强幅材110的宽度限制。例如，增强幅材或所得的原始电极层100可具有至少5厘米、10厘米、20厘米、50厘米、1米或更大的宽度w。此外，原始电极层110的长度可是许多米。例如，原始电极层的长度可为5米、10米、50米、100米或甚至更长。
图2示出了根据一种实施方式的用于制造气体扩散电极的方法的示意图。首先，提供至少一个原始电极层100。例如，在位置10处可提供一卷已经准备好的原始电极层110。作为替代，也可仅提供增强幅材110，并且随后在提供的增强幅材110上流延一层或多层适当的悬浮液。在提供原始电极层110之后，在位置20处可调整原始电极层的厚度。例如，可通过将原始电极层100输送到具有预定距离的两个轧辊来设定原始电极层的厚度。以该方式，可根据两个轧辊之间的距离来调整原始电极层100的厚度。作为替代，也可将原始电极层输送通过具有预定宽度的狭缝。此外，用于调整原始电极层100的厚度的任何其他适当的配置结构也是可能的。
在相应地调整原始电极层100的厚度之后，将非溶剂施加到原始电极层100。以该方式，可进行相反转，从而可实现增强幅材110上的悬浮液120-i的孔隙率。例如，可将至少一种或两种非溶剂施加到原始电极层以便进行相反转。如图2中所示，可在位置31处将第一非溶剂施加到原始电极层100。例如，该第一非溶剂可为封闭体积的合适的蒸汽或液体，其最后被喷涂到原始电极层上。此外，可在位置32处将包含液体形式的非溶剂的非溶剂浴应用于原始电极层。非溶剂可是例如水或适当的有机溶剂或其混合物。由于用于进行相反转的合适的非溶剂已经是众所周知的，因此在本文中不更详细地讨论这些溶剂。
任选地，可在后续步骤中在位置40处应用其他额外的非溶剂浴。例如，另一个非溶剂浴可为水或其他合适的非溶剂。然而也可省略位置40。
如果将任意类型的成孔剂添加到流延到原始电极层100上的悬浮液中，则可在随后的浴50中将该成孔剂除去。如果需要，在位置60处可将疏水性颗粒如聚四氟乙烯(PTFE)的悬浮液至少喷涂在所得电极结构的一侧上。最后，在于位置90处可卷起气体扩散电极之前，可将最终的清洗浴70应用于电极结构。
以该方式可实现气体扩散电极的连续制造工艺。这允许在仅需要低制造成本的工艺中非常快速地制造高品质的气体扩散电极。由于气体扩散电极是基于非常薄的不导电的增强幅材110，因此可实现具有最小厚度的非常稳健的气体扩散电极。
图3示出了根据另一实施方式的用于制造气体扩散电极的示意图。从该图中可看出，两个原始电极层100由辊10提供。因此，每个所提供的原始电极层100的厚度可各自通过辊对11和12来调整。在该实施方式中，每个原始电极层100可包括各自的增强幅材110。随后，通过用于组合各个原始电极层100的辊对20或另一适当的装置将两个(或更多个)原始电极层100压制在一起。接下来，如结合图2已经描述的，使各个原始电极层的组合经受一种或多种非溶剂。因此，根据图3的用于制造气体扩散电极的工艺主要对应于结合图2所描述的工艺。
图4示意性地示出了根据另一实施方式的用于制造气体扩散电极的工艺。该实施方式主要对应于前述实施方式，其中在原始电极层100的至少一个表面之前布置了附加的物理屏障35。以该方式可调整非溶剂对原始电极层100的悬浮液的影响。如果物理屏障35被布置得非常靠近原始电极层的表面，则没有非溶剂或仅少量非溶剂被施加到原始电极层100的相应侧。通过增加原始电极层100和物理屏障35之间的距离，更多量的非溶剂可到达原始电极层100的相应表面，并且非溶剂的影响增加。
尽管仅在原始电极层100的一侧示出了单一的物理屏障35，但是也可在原始电极层100的两侧都设置物理屏障。例如，当施加第一非溶剂时，可在原始电极层100的一侧上施加第一物理屏障35，而当施加另一种非溶剂时，可在原始电极层的另一侧上施加第二物理屏障。
其余步骤，特别是如已经结合图2描述的制造气体扩散电极的附加任选的步骤，也可在本实施方式中应用任何其他所述的实施方式。
图5示出了通过根据一个实施方式的所得气体扩散电极200的横截面。可看出，所得的气体扩散电极包括不导电的增强幅材110。此外，在增强幅材110上布置有多孔结构220和230。尽管可在增强幅材110的两侧上都形成相同的多孔结构，但是也可能的是气体扩散电极200在增强幅材110的各个侧上包括不同的多孔结构220和230。例如，可将导电颗粒布置在增强幅材110的第一侧上以形成活性层。此外，可将疏水材料的颗粒施加到增强幅材110的一侧。此外，包括不导电的增强幅材110的气体扩散电极的任何合适的构造也是可能的。也可能的是，可在增强幅材110的同一侧上布置多于一层的不同颗粒，以形成不同的功能层。
图6示意性地示出了根据一种实施方式的气体扩散电极的另一种构造。从该图中可看出，气体扩散电极包括至少两个结构，每个结构都包括各自的增强幅材110。在这种构造中，多个原始电极层如结合图3所述地被组合。因此，所得的气体扩散电极300包括多个层310、320，每个层310、320都具有各自材料的颗粒。
图7示意性地示出了根据一种实施方式的用于制造气体扩散电极的方法的流程图。
在步骤S1中，提供至少一个原始电极层100。每个原始电极层100都包括不导电的增强幅材110。具体地，不导电的增强幅材110可由聚合物的网状物形成，所述聚合物例如是聚丙烯、聚苯硫醚、尼龙或其他合适的聚合物。以该方式可实现仅具有小于200微米，特别是小于149微米，小于100微米或甚至小于50、20或10微米的较小厚度的增强幅材110。
在步骤S2中，调整原始电极层100的厚度。例如，可将原始电极层100输送到具有预定宽度的狭缝或具有预定距离的辊对。此外，在步骤S3中，将至少一种非溶剂施加至原始电极层100。如果需要，也可进行两个或更多个施加非溶剂的步骤。例如，可通过一定体积的蒸汽或通过将液体非溶剂喷涂在原始电极层100的表面上来施加第一非溶剂。此外，还可应用适当的非溶剂浴。以此方式，可实现相反转并且获得原始电极层的流延件的多孔结构。
综上所述，本发明提供了一种用于制造气体扩散电极的方法。具体地，提供了一种连续制造具有减小的厚度的气体扩散电极的方法。为此，将不导电的增强幅材用作基础物以在该增强幅材上施加颗粒。具体地，增强幅材可包括聚合物的网状物，所述聚合物例如是聚丙烯、聚苯硫醚、尼龙或另一种有机聚合物。以该方式，可通过连续制造工艺获得非常稳健且薄的气体扩散电极。

Claims (12)

1.一种用于制造气体扩散电极的方法，包括以下步骤：
(S1)提供包括不导电的幅材(110)的原始电极层(100)；
(S2)调整原始电极层(100)的厚度；和
(S3)将非溶剂施加到原始电极层(100)上，
其中当(S3)将非溶剂施加到原始电极层(100)上时，垂直地输送原始电极层(100)，并且其中将非溶剂施加到原始电极层(100)上包括以封闭体积的蒸汽施加第一非溶剂，并且
其中不导电的幅材(110)包括有机聚合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中不导电的幅材(110)的厚度小于149微米。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中原始电极层(100)包括至少一个包含电极材料的颗粒和粘合剂的层。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中(S3)将非溶剂施加到原始电极层(100)上包括将第一非溶剂喷涂到原始电极层(100)的表面上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中将非溶剂施加到原始电极层(100)上包括以非溶剂浴施加第二非溶剂。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中(S1)提供原始电极层包括：
提供第一原始电极层和第二原始电极层；和
将第一原始电极层和第二原始电极层压制在一起。
7.根据权利要求6所述的方法，其中第一原始电极层和第二原始电极层各自包括不导电的幅材(110)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中在将非溶剂施加到原始电极层(100)上之前，将物理屏障(35)放置在原始电极层(100)的表面的前面。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括控制物理屏障(35)与原始电极层(100)的表面之间的距离。
10.一种气体扩散电极，包括不导电的幅材(110)，所述不导电的幅材(110)是增强幅材，所述气体扩散电极是通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法制造的，其中不导电的增强幅材的厚度小于50μm。
11.根据权利要求10所述的气体扩散电极，其中气体扩散电极包括至少两个层，每一层都包括不导电的增强幅材。
12.根据权利要求10或11所述的气体扩散电极，其中气体扩散电极具有不对称的横截面。
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