CN112820892A - 一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池。该气体扩散电极包括多孔碳制品，多孔碳制品的扁平表面上形成有气体流动通道，多孔碳制品的一面为肋状，多孔碳制品的另一面为平面；催化剂层，浇铸于多孔碳制品的另一面上。该燃料电池包括：电极，上述的气体扩散电极制成，电极由石墨板密封；高温质子交换膜，为由聚唑聚合物和磷酸聚合成的高温聚合物电解质膜，电极的平面层压于高温质子交换膜上；电解槽，形成于电极的阳极和阴极在高温质子交换膜之间的区域。本发明提出的气体扩散电极与双极板制成的膜电极组件相比，成本更低，组装更容易，厚度更薄。

Description

一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池
技术领域
本发明涉及电池领域，具体涉及一种气体扩散电极和包括该气体扩散电极的电池。
背景技术
近年来，对非化石燃料清洁电力的需求急剧增加。这一需求集中在许多技术上，其中就包括以氢为燃料的发电和供热系统。上述的系统被称为质子交换(PEM)膜燃料电池。根据电解质和燃料不同,燃料电池分为六类：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)。
其中，质子交换膜燃料电池单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，由于质子交换膜燃料电池拥有较高转化率及分子密度的特征，因此在氢燃料汽车中受到广泛运用，并逐渐成为最主流的一种燃料电池模式。
目前，质子交换膜燃料电池一般分为低温质子交换膜(60-80℃)和高温质子交换膜(120-160℃)两大类。
在高温质子交换膜燃料电池发展到某个阶段时，提高电池组的效率和降低成本是非常必要的。
发明内容
鉴于上述背景技术存在的问题，为了降低燃料电池的成本，并提高燃料电池的效率，有必要提出一种成本更低、效率更高的零部件。本发明的目的在于提供一种气体扩散电极，该气体扩散电极中内置有双极板的功能，以使膜电极、膜电极组件或燃料电池堆栈在成本降低的同时还具有更高的效率和功率密度。
为此，本发明提供一种气体扩散电极，其包括：多孔碳制品，多孔碳制品的扁平表面上形成有气体流动通道，多孔碳制品的一面为肋状，多孔碳制品的另一面为平面；催化剂层，浇铸于多孔碳制品的另一面上。
在上述的气体扩散电极中，催化剂层含有一种或多种的贵金属和/或其合金和/或其单原子配合物。
在上述的气体扩散电极中，贵金属可以选择铂。
在上述的气体扩散电极中，多孔碳制品可以由无定形碳和粘合剂制成。
本发明还提供了一种电池，其包括：电极，由上述的气体扩散电极制成，电极由石墨板密封；高温质子交换膜，为由聚唑聚合物和磷酸聚合成的高温聚合物电解质膜，电极的平面层压于高温质子交换膜上；电解槽，形成于电极的阳极和阴极在高温质子交换膜之间的区域。
在上述的电池中，制备高温质子交换膜所需磷酸浓度为85～100％，磷酸的用量为50～95％。
在上述的电池中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族二羧酸单体。
在上述的电池中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族二氨基羧酸单体和/或芳香族四氨基羧酸单体。
在上述的电池中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族三羧酸单体和/或芳香族四羧酸单体。
在上述的电池中，聚唑聚合物可以选择为3,4-二氨基苯甲酸制成的聚苯并咪唑。
具体实施方式
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明旨在解决当前高温聚合物电解质膜最新技术中的一个空白，并逐渐剔除目前在低温质子交换膜和高温质子交换膜燃料电池市场上看到的传统双极板的使用。
在本实施例当中，高温质子交换膜电解电池、燃料电池、液流电池和由其制成的氢气净化装置中使用了带肋气体扩散电极。上述的带肋气体扩散电极首次应用于分布式发电厂和现地废热发电厂(50KW-20MW)的大型磷酸燃料电池中。
在本实施例中，采用的是带肋多孔碳气体扩散电极，本实施例提供了一种更为简单的生产制造方法：
1.多孔碳制品在带肋或孔道朝向相同的连续辊上进行生产制造；
2.将制得的多孔碳制品长带材切割至所需尺寸；
3.在切割好的带肋多孔碳制品的平面上先涂上碳墨水，随后涂上催化剂墨水，得到带肋多孔碳气体扩散电极；
4.将切割后的带肋多孔碳气体扩散电极的平面层压至高温质子交换膜上；
5.在带肋多孔碳气体扩散电极的气体通道的外表面上覆盖轻薄且不可渗透的石墨板以完成密封。
此外，多孔碳气体扩散电极还可作为额外的磷酸电解质的储备层。
带肋多孔碳气体扩散电极的一个非常重要优点是，在此结构上，有可能创造出迄今为止最薄的高温质子交换膜电解槽；而且，同样有可能缩小由其制成的电池从而增加最终系统的能量密度。
多孔碳制品通常由无定形碳(例如炭黑、玻璃碳、烟灰、活性炭等和/或其混合物)和粘合剂(通常是酚醛树脂或“甲阶酚醛树脂”)制成。上述的粘合剂在多孔碳制品成型后于高温(250-1400℃)下碳化。这种粘合剂通常被称为“牺牲粘合剂(sacrificial binders)”，这是因为粘合剂的大部分重量在最后的热解步骤中被去除。
带肋多孔碳气体扩散电极的阳极和阴极通常需要不同的贵金属负载。因此，阴极处的氧还原需要比阳极处的氢氧化更高的贵金属负载量。贵金属通常选择铂和/或铂的合金。通常情况下，碳墨水要先于催化剂墨水涂抹，这样做是为了使带肋多孔碳气体扩散电极的平面更加平滑和均匀。完成催化剂的涂层后，在惰性气体氛围中将带肋多孔碳气体扩散电极在200℃以上的温度下加热，以激活贵金属。在这一“激活”步骤之后，带肋多孔碳气体扩散电极的阳极和阴极即可准备层压到高温质子交换膜上，本实施例中的高温质子交换膜为聚唑磷酸膜。
单原子贵金属催化剂墨水可以与传统的贵金属催化剂墨水混合使用，共同涂抹于带肋多孔碳气体扩散电极的平面；也可以作为带肋气体扩散电极中贵金属催化剂的唯一来源。
被制备出的含有气体通道的带肋多孔碳气体扩散电极的厚度仅为约1.5-2.0mm，而不可渗透的扁平的电池端石墨盖板的厚度通常仅为约1mm。
如上所述，这就体现出了本实施例的一个重要优点，即当带有盖板的气体通道气体扩散电极与高温聚合物电解质膜(厚度约为20-30微米)进行组合时，组合得到的电池的厚度能够轻薄至6毫米甚至以下。
与现有技术相比，这种电池在自重降低的情况下能够产生更高发电效率和能量密度。
本申请实施例所使用的高温质子交换膜由磷酸和聚唑聚合物合成。本申请实施例中的聚唑聚合物可通过以下单体基团在任何化学计量组合中聚合而制成。这里通过举例示出了一些聚唑单体，但是并不排除其他能够形成聚唑聚合物的单体。
1.芳香族二羧酸单体，其包括：对苯二甲酸、间苯二甲酸、萘-1,4-二甲酸、萘-1,3-二甲酸、萘-1,5-二甲酸、萘-2,6-二甲酸、4,4'-二羧基联苯、3,3'-二羧基联苯、3,4'-二羧基联苯、4,4'-二羧基二苯砜、3,3'-二羧基二苯砜、3,4'-二羧基二苯砜、吡啶-2,5-二甲酸、吡啶-2,4-二甲酸、吡啶-2,6-二甲酸、吡啶-3,5-二甲酸。
2.芳香族二氨基羧酸单体，其包括：3,4-二氨基苯甲酸、6-7-二氨基-2-萘甲酸、3,4-二氨基-4'-羧基联苯、3,4-二氨基-4'-羧基二苯硫醚、3,4-二氨基-4'-羧基二苯亚砜、3,4-二氨基-4'-羧基二苯砜、3,4-二氨基-4'-羧基联苯醚、3,4-二氨基-4'-羧基二苯甲酮及其酸性盐。
3.芳香族四氨基羧酸单体，其包括：3,3',4,4'-四氨基联苯、1,2,4,5-四氨基苯、3,3'4,4'-四氨基二苯砜、3,3'4,4'-四氨基二苯甲酮、3,3',4,4'-四氨基二苯醚、2,3,5,6-四氨基吡啶及其酸性盐。
4.芳香族三羧酸单体和芳香族四羧酸单体，其包括：均苯三甲酸(1,3,5-苯三甲酸)、1,3,5-三(4-羧基苯基)苯、3,5,4'-三羧基联苯、3,5,3'-三羧基联苯、3,5,3',5'-四羧基联苯、3,5,4'-三羧基联苯醚、3,5,3'-三羧基联苯醚、3,5,3',5'-四羧基联苯醚、3,5,4'-三羧基联苯砜、3,5,3'-三羧基联苯砜、3,5,3',5'-四羧基联苯砜、3,5,4'-三羧基二苯甲酮、3,5,3'-三羧基二苯甲酮、3,5,3',5'-四羧基二苯甲酮、萘-1,4,5-三羧酸、萘-1,4,6-三羧酸、萘-1,4,7-三羧酸、萘-1,3,5-三羧酸、萘-1,3,6-三羧酸、萘-1,3,7-三羧酸、萘-1,3,5,7-四羧酸、萘-1,4,5,8-四羧酸、吡啶-2,4,6-三羧酸、嘧啶-2,4,6-三羧酸、1,3,5-三嗪-2,4,6-三羧酸。
本发明的高温质子交换膜可通过多种工艺制备，在本实施例中，采用的工艺包括：
1.“浸渍和浸泡”工艺，其中，即为简单地将聚唑膜浸泡在浓磷酸中；
2.“聚磷酸聚合”工艺，其中，聚唑膜吸收所需的磷酸以最后形成高温质子交换膜；在本实施例中，使用的聚唑膜是通过纯单体的无溶剂热聚合，然后将所得聚唑粉末溶解在适当的溶剂中制得，溶剂可以选择二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基乙酰胺(DMAC)等；
3.“膜浇铸”工艺，其中，将该溶液或“涂料”浇铸成膜；
4.“水解和膜聚合”工艺，其中，通过蒸发去除溶剂，然后用水冲洗去除残留的溶剂，最后的膜聚合成型。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种气体扩散电极，其中，包括：
多孔碳制品，所述多孔碳制品的表面上有气体流动通道，所述多孔碳制品的一面为肋状，所述多孔碳制品的另一面为平面；
催化剂层，浇铸于所述多孔碳制品的所述平面上。
2.如权利要求1所述的气体扩散电极，其中，所述催化剂层含有一种或多种的贵金属和/或所述贵金属的合金和/或所述贵金属的单原子配合物。
3.如权利要求2所述的气体扩散电极，其中，所述贵金属为铂。
4.如权利要求1所述的气体扩散电极，其中，所述多孔碳制品由无定形碳和粘合剂制成。
5.一种电池，其中，包括：
电极，由权利要求1-4任一项所述的气体扩散电极制成，所述电极由石墨板密封；
高温质子交换膜，为由聚唑聚合物和磷酸聚合成的高温聚合物电解质膜，所述电极的所述平面层压于所述高温质子交换膜上；
电解槽，形成于所述电极的阳极和阴极在所述高温质子交换膜之间的区域。
6.如权利要求5所述的电池，其中，所述高温质子交换膜所述磷酸浓度为85～100％，所述磷酸的用量为50～95％。
7.如权利要求5所述的电池，其中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族二羧酸单体。
8.如权利要求5所述的电池，其中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族二氨基羧酸单体和/或芳香族四氨基羧酸单体。
9.如权利要求5所述的电池，其中，能够制成所述聚唑聚合物的单体为芳香族三羧酸单体和/或芳香族四羧酸单体。
10.如权利要求5所述的电池，其中，所述聚唑聚合物为3,4-二氨基苯甲酸制成的聚苯并咪唑。
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