CN113348269B - 基于多个微米和纳米烧结多孔层的多孔传输层 - Google Patents
基于多个微米和纳米烧结多孔层的多孔传输层 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113348269B CN113348269B CN202080010463.XA CN202080010463A CN113348269B CN 113348269 B CN113348269 B CN 113348269B CN 202080010463 A CN202080010463 A CN 202080010463A CN 113348269 B CN113348269 B CN 113348269B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- porous
- transport layer
- particle size
- average particle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 54
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 165
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 11
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 6
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 9
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009770 conventional sintering Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
- C25B1/042—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water by electrolysis of steam
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0232—Metals or alloys
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
因此，本发明的目的是提供多孔传输层，所述多孔传输层显示出系统效率的提高以及消除了膜和催化剂层变形的优异的耐久性并降低双极板加工成本。该目的根据本发明通过基于对电化学电池中的气态物质和液态物质具有渗透性的复数个烧结的多孔层(4、8、10)的多孔传输层(2)来实现；所述多层多孔传输层(2)适于组装在电化学电池的双极板与催化剂层之间，所述多层多孔传输层(2)包括：a)包括导电材料的不规则形状颗粒的至少第一多孔层(8、10)和第二多孔层(4)，其中平均颗粒尺寸在从双极板向催化剂层看的方向上逐层减小，并且其中不规则形状颗粒通过具有小于5的不规则性参数IP＝D/d和大于1.2的圆度RN＝P2/4πA来限定，其中：i)D为围绕颗粒的2D投影的最小可能圆的直径；ii)d为完全位于颗粒的2D投影内部的最大可能圆的直径；iii)P为颗粒的2D投影的周长；以及iv)A为颗粒的2D投影的面积；并且b)第一多孔层(8、10)和第二层(4)由导电材料的经烧结的不规则形状颗粒制成，其中具有能够朝向催化剂层定向的接触表面的第一多孔层(8、10)的平均颗粒尺寸小于具有能够朝向双极板定向的接触表面的第二多孔层(4)。包括与一体化流场结构任选组合的复数个多孔层的多层设计的多孔传输结构的使用通过对单个组件设计的优化而同时提供经济和技术改善。
Description
本发明涉及用于具有堆叠组件和固体电解质的电化学设备的多孔传输层(PTL)。
具有堆叠组件的电化学设备如聚合物电解质水电解(PEWE)和聚合物电解质燃料电池(PEFC)被认为是例如将水分解成气态产物氧和氢或者由含氢和氧的气体产生电力的电化学装置。电化学组件基于质子传导聚合物膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层以及多孔传输层(PTL)，使流体/气体朝向聚合物膜循环。通常，所述多孔传输层夹在双极板与聚合物膜的一侧上的阳极催化剂层之间和/或夹在双极板与聚合物膜的另一侧上的阴极催化剂层之间。
在PEWE中，多孔传输层是关键组件，其提供导热性和导电性并促进催化剂层与双极板中的流场之间的两相流动。为了确保运行期间的电化学稳定性(电压在开路电压与3V之间)，阀金属(valve metal)，优选比由于其电化学惰性而用于PTL和双极板的基于碳的材料更优的钛，是合适的材料。系统的效率非常受多孔传输层的特性的影响，这些特性进一步控制催化剂层与双极板中的流场通道之间的流体和热管理。已知PTL中的流体传输是由毛细管压力驱动的。对从0.1A/cm2直至2.5A/cm2的宽范围的电流密度建立了气体通路。表面特性影响多孔钛结构中的两相传输。
常规类别的单层多孔传输层(SL-PTL)特征在于差的机械和电化学相关的表面特性。高表面粗糙度和多孔传输层与催化剂层之间的低界面接触面积的组合导致催化剂层和膜发生显著的局部塑性变形，随后可以引起催化剂层开裂和膜变薄。
通过等离子喷涂而改性的PTL表面不显著改善与膜和催化剂层变形相关的机械特性。此外，与欧姆电阻和动力学过电位相关的效率并未同时改善，因此改性材料无法胜过现有技术的烧结材料。
效率是PEW中的关键特性，因为运行成本通常占系统生命周期成本的高达70％。此外，使用Ti作为用于PTL和双极板的材料导致大量投资成本。用于流场的基于Ti的双极板的附加机械加工对综合成本(stack costs)有很大贡献。因此，本发明的目的是提供一类高效多孔传输层，其显示出系统效率的提高以及消除了膜和催化剂层变形的优异的耐久性并降低双极板加工成本。
该目的根据本发明通过基于对电化学电池中的气态物质和液态物质具有渗透性的复数个烧结多孔层的多孔传输层来实现；所述多层多孔传输层适于组装在双极板与催化剂层之间，所述多层多孔传输层包括：
a)包括导电材料的不规则形状颗粒的至少第一多孔层和第二多孔层，其中平均颗粒尺寸在从双极板向催化剂层看的方向上逐层减小，并且其中不规则形状颗粒通过具有小于5的不规则性参数IP＝D/d和大于1.2的圆度RN＝P2/4πA来限定，其中：
i)D为围绕颗粒的2D投影的最小可能圆的直径；
ii)d为完全位于颗粒的2D投影内部的最大可能圆的直径；
iii)P为颗粒的2D投影的周长；以及
iv)A为颗粒的2D投影的面积；并且
b)第一层和第二层由导电材料的经烧结的不规则形状颗粒制成，其中具有能够朝向催化剂层和聚合物膜定向的接触表面的第一多孔层的平均颗粒尺寸小于具有能够朝向双极板定向的接触表面的第二多孔层。
包括与一体化流场结构任选组合的复数个多孔层的多层设计的多孔传输结构的使用通过对单个组件设计的优化而同时提供经济和技术改善。
作为用于PTL本体结构的材料的不规则形状颗粒由于其固有的宽孔尺寸分布以及高机械刚度和高导热性而成为实现有效传质的关键。与不连续的气指(gas fingering)相比，由于宽的孔尺寸分布和颗粒尺寸分布(PSD)而可以获得连续的气体通路。水和气体逆流传输通过孔基体。非球形颗粒的使用提供了优于球形颗粒的某些优点。除了高机械强度外，还获得了改善的导热性和导电性。颗粒的不规则性可以通过如上定义的不规则性参数IP和圆度RN来定义。颗粒的这些参数和实例由Valdek MIKLI等在Proc.EstonianAcad.Sci.Eng.,2001,7,1,第22至34页的文章“Characterization of powder particlemorphology”中更详细地描述。
优选地，第一多孔层的平均颗粒尺寸可以为低于1μm至25μm和/或标记为支撑层的第二多孔层的平均颗粒尺寸在10μm至500μm的范围内。
适当地，第一多孔层的厚度在10μm至300μm的范围内，以及第二多孔层的厚度在0.1mm至4mm的范围内。
在本发明的优选实施方案中，导电材料是具有保护层的钛和/或不锈钢。
为了抑制高欧姆电阻Ti氧化物层的生长以及多孔传输层的劣化，第一多孔层和/或第二多孔层可以至少部分地包括保护涂层，所述保护涂层包含合金或惰性金属，优选Au、Pt和Ir中的一者或Au、Pt和Ir的组合，所述保护涂层优选具有0.02μm至2μm的范围内的厚度。
为了在逐层降低平均颗粒尺寸的PTL的设计中提供一定的灵活性，在第二多孔层上设置至少一个附加微米多孔层/纳米多孔层(MPL/NPL)；所述第二多孔层的平均颗粒尺寸大于附加多孔层。
为了优化来自和/或流向催化剂层的气态流体和液态流体的流动路径，可以将流动通道一体化在第二层中，所述支撑层包括多个一体化流动通道；所述一体化流动通道的高度和宽度优选在0.1mm至5mm的范围内。
下面参考附图更详细地描述本发明的优选实施方案，附图描述如下：
图1是在支撑层上使用一个附加微米多孔层的多层多孔传输层(ML-PTL)的X射线断层显微成像；
图2是在接触表面处具有防腐蚀层的三层多孔传输层配置的简化图；
图3示意性地示出了在支撑层中包括平行流动通道的多层多孔传输层配置；以及
图4示意性地示出了在与多层多孔传输层组合的支撑层中的蛇形流场。
本发明涉及用于具有堆叠组件和固体电解质的电化学设备的基于多孔支撑层上的单个/多个烧结的微米多孔层和/或纳米多孔层(MPL/NPL)以及一体化流场的多层多孔传输层(ML-PTL)。
此外，ML-PTL的合适的表面特性通过不规则形状颗粒的烧结过程得到维持，其中根据现有技术的喷涂促进表面的疏水性。单层以及表面改性的PTL与催化剂层之间的界面接触面积特性以及本体特性不通过该程序得到优化。密集等离子喷涂层在支撑颗粒周围形成粗糙的锐利轮廓，而不是使PTL的表面光滑。
图1示例性地描绘了使用单个MPL层的ML-PTL组合，因为根据现有技术这不是常识。常规的单层多孔传输层的特征在于差的机械和电化学相关的表面粗糙度特性。高表面粗糙度和多孔传输层与催化剂层之间的低界面接触面积的组合导致催化剂层和膜发生显著的局部塑性变形，随后可以引起催化剂层开裂和膜变薄。通过等离子喷涂改性的PTL表面不同时影响欧姆电阻或动力学过电位，并且无法胜过现有技术的烧结材料。
形成多层烧结PTL的不规则形状颗粒(参见以上定义)的新组合涵盖了用于PEWE的高效PTL的所有基本特性。多层烧结多孔传输层包括支撑层和至少一个微米多孔层/纳米多孔层或多个微米多孔层/纳米多孔层，其特征在于颗粒尺寸的梯度减小。所有层的优选孔隙率被确定为在30％至60％的范围内。通常，对于该实例中使用的颗粒，不规则性参数IP在1.5至4的范围内，圆度在1.15至2.0的范围内。
图2例示了基于三层配置的多层PTL结构2。图2中所示的支撑层4的特征在于4mm下至0.1mm(在此例如0.4mm)的优选厚度并且基于尺寸在10μm至500μm，优选30μm至150μm的范围内的非限定形状的颗粒6。任选地，流场包埋在该支撑层4中，如下一部分中针对图3和图4所讨论的。
通过对微米多孔层8和/或纳米多孔层10和多孔支撑层4应用多层烧结，获得显著降低的表面粗糙度。任何先前层表面处的空位按时间顺序从高固体平均颗粒尺寸向低固体平均颗粒尺寸逐渐填充。非球形微米多孔层(MPL)颗粒尺寸优选在1μm至25μm的范围内。MPL厚度的特征在于10μm至300μm的厚度。高界面接触表面以及光滑的表面粗糙度通过所述多层方法获得。基于非球形颗粒的MPL的烧结能够实现在25％至60％的范围内的足够开孔率，以维持有效的流体传输。不规则性参数IP和圆度RN在以上给出的公差范围内。
多层烧结多孔传输层的表面特性通过纳米多孔层10(NPL)进一步优化，纳米多孔层10(NPL)的特征在于0.3μm至1μm的非限定形状颗粒尺寸。NPL的理想厚度被确定为2μm至30μm。
对于NPL/MPL的补充，任选地使用在PEWE运行期间抑制高欧姆电阻Ti氧化物层生长的防腐蚀涂层的最终层12。在工业中常用的保护层12是合金和金属，如Au、Pt和Ir。这些优选厚度为0.02μm至2μm的薄的最终保护层12在最终MPL 8或NPL 10和支撑层4的表面处通过等离子喷涂或电镀过程制成。经济和技术上优选的涂层渗透深度低于50μm。PEWE效率由与动力学、导电性/离子传导性和传质相关的三种损耗决定。与选择性影响喷涂层相比，由于烧结MPL 8/NPL 10的优异表面特性而使所有三种损耗同时降低。MPL/NPL的高接触面积和接触线引起较高的催化剂层利用率，较低的欧姆界面接触电阻并抑制传质过电位。ML-PTL的宽的孔尺寸分布和开孔率确保了在MPL/NPL本体的小孔和大孔中分别对于水和气体的明确且有效的流体传输。可以将所述催化剂层(未在图2中示出)沉积在纳米多孔层10的一侧上的保护层12上。然后将催化剂层夹在PEWE的多层多孔传输层2与聚合物膜之间。双极板(未在图2中示出)可以接触多孔支撑层4的一侧上的保护层12。完整的多层多孔传输层2在组装电化学电池中夹在膜侧上的催化剂层与相对侧上的双极板之间。
通过在催化剂层/PTL以及在双极板/PTL之间的界面处抑制Ti氧化物层局部形成和生长的Pt或Ir的耐腐蚀接触层涂层12，可以进一步降低欧姆接触电阻以及Ti氧化物对PTL表面的钝化。
梯度尺寸颗粒的多层烧结促进了界面处均匀的温度和压力分布，这确保了由于通过光滑的MPL/NPL表面特性和高的面内和贯通面的电导率值而降低的机械应力所引起的较低的氢穿过。
由于改善的机械和拓扑MPL/NPL特性，多组件设备如PEWE的效率可以通过能够使用超薄离子传导膜而进一步改善。
ML-PTL的支撑层中的一体化流动通道与MPL/NPL组合的新构思通过选择不同的通道几何形状提供了受控流体动力学的可能性。除了常用的烧结掩模底片的机械加工外，还可以使用增材制造技术如3D打印或蚀刻，从而实现流场几何形状的高灵活性。
可以实现流场和PTL支撑的单步烧结制造成本的显著降低以及优异的水管理。
确定0.3mm至5mm范围内的通道宽度和高度对流体传输是最佳的。图3和图4中示出了多个通道几何形状，例如与单个和多个烧结NPL/MPL组合的平行和蛇形。
图3示出了包埋在与单个MPL 8组合的支撑层4中的平行流场通道14。图4示意性地示出了多层多孔传输层18，其具有在与MPL 8以及NPL 10和保护涂层12的多层结构组合的支撑层4中的蛇形流场16。
多层多孔传输层(ML-PTL)的制造可以通过技术经济上建立的烧结过程进行，其提供对过程参数、工业生产规模和现有产品几何形状的灵活性的精确控制。优选通过氢化-脱氢(HDH)过程生产的不规则的、飞溅的Ti粉末可以用作烧结过程的原料。
多层结构可以通过同轴压制多个所述不规则飞溅的Ti粉末来实现，其中平均颗粒直径逐层减小，从而可以使用多个填充靴。PTL的机械完整性和特定的本体特性是通过烧结过程优选真空烧结获得的。常规的烧结参数为2×10-3Pa的真空压力、1150℃至1300℃的温度和1小时至3小时的均热时间。
Claims (10)
1.一种多层多孔传输层，所述多层多孔传输层基于对电化学电池中的气态物质和液态物质具有渗透性的复数个烧结的多孔层；所述多层多孔传输层适于被组装在所述电化学电池的双极板与催化剂层之间，所述多层多孔传输层包括：
a)包括导电材料的不规则形状颗粒的至少第一多孔层和第二多孔层，其中平均颗粒尺寸在从所述双极板向所述催化剂层观察的方向上逐层减小，以及其中所述不规则形状颗粒通过具有小于5的不规则性参数IP＝D/d和大于1.2的圆度RN＝P2/4πA来限定，其中：
i)D为围绕所述颗粒的2D投影的最小可能圆的直径；
ii)d为完全位于所述颗粒的所述2D投影内部的最大可能圆的直径；
iii)P为所述颗粒的所述2D投影的周长；以及
iv)A为所述颗粒的所述2D投影的面积；并且
b)所述第一多孔层和所述第二多孔层由所述导电材料的经烧结的不规则形状颗粒制成，其中具有能够朝向所述催化剂层定向的接触表面的所述第一多孔层的平均颗粒尺寸小于具有能够朝向所述双极板定向的接触表面的所述第二多孔层的平均颗粒尺寸。
2.根据权利要求1所述的多层多孔传输层，
其中所述第一多孔层的平均颗粒尺寸在0.3μm至25μm的范围内和/或所述第二多孔层的平均颗粒尺寸在1μm至150μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的多层多孔传输层，
其中所述第一多孔层的厚度在2μm至300μm的范围内以及所述第二多孔层的厚度在0.1mm至4mm的范围内。
4.根据权利要求1或2所述的多层多孔传输层，
其中所述导电材料为具有保护层的钛和/或不锈钢。
5.根据权利要求1或2所述的多层多孔传输层，
其中所述第一多孔层和/或所述第二多孔层包括至少局部的保护涂层，所述保护涂层包含惰性金属或合金。
6.根据权利要求5所述的多层多孔传输层，
其中所述保护涂层包含Au、Pt和Ir中的一者或组合。
7.根据权利要求5所述的多层多孔传输层，
其中所述保护涂层的厚度在0.02μm至2μm的范围内。
8.根据权利要求1或2所述的多层多孔传输层，
其中至少一个附加多孔层被设置在所述第一多孔层与所述第二多孔层之间；所述附加多孔层的平均颗粒尺寸大于所述第一多孔层的平均颗粒尺寸且小于所述第二多孔层的平均颗粒尺寸。
9.根据权利要求1或2所述的多层多孔传输层，其中所述第二多孔层包括多个一体化流动通道。
10.根据权利要求9所述的多层多孔传输层，其中所述一体化流动通道的高度和宽度在0.1mm至5mm的范围内。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP19153307.4A EP3686318A1 (en) | 2019-01-23 | 2019-01-23 | Porous transport layer based on plurality of sintered porous layers |
| EP19153307.4 | 2019-01-23 | ||
| PCT/EP2020/050805 WO2020151997A1 (en) | 2019-01-23 | 2020-01-14 | Porous transport layer based on multiple micro and nano sintered porous layers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113348269A CN113348269A (zh) | 2021-09-03 |
| CN113348269B true CN113348269B (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=65228352
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080010463.XA Active CN113348269B (zh) | 2019-01-23 | 2020-01-14 | 基于多个微米和纳米烧结多孔层的多孔传输层 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220085390A1 (zh) |
| EP (2) | EP3686318A1 (zh) |
| CN (1) | CN113348269B (zh) |
| WO (1) | WO2020151997A1 (zh) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3958360A1 (en) * | 2020-08-18 | 2022-02-23 | Paul Scherrer Institut | Hybrid structured porous transport electrodes with electrochemically active top-layer |
| KR20220146262A (ko) * | 2021-04-23 | 2022-11-01 | 현대자동차주식회사 | 기공성 물질전달층용 복합체, 이의 소결체, 및 이의 제조방법 |
| WO2023006202A1 (en) * | 2021-07-29 | 2023-02-02 | Paul Scherrer Institut | Hybrid structured porous transport electrodes with electrochemically active top-layer |
| CA3234951A1 (en) * | 2021-10-15 | 2023-04-20 | Basf Se | Process for manufacturing a porous transport layer |
| DE102021214920A1 (de) * | 2021-12-22 | 2023-06-22 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Halbzelle einer Elektrolysezelle für einen Elektrolyseur und Verfahren zum Herstellen einer Komponente für eine Elektrolysezelle |
| WO2023129549A2 (en) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | Electric Hydrogen Co. | Multilayer coatings on porous transport layers |
| TW202413728A (zh) * | 2022-05-27 | 2024-04-01 | 德商巴斯夫歐洲公司 | 用作電解槽之多孔傳輸層之透氣導電板 |
| NL2032014B1 (en) | 2022-05-30 | 2023-12-12 | Univ Eindhoven Tech | Method of manufacturing an isolated porous material and an isolated porous material |
| EP4343898A1 (de) | 2022-09-21 | 2024-03-27 | iGas energy GmbH | Kombination von poröser transportschicht und bipolarplatte für elektrochemische zellen |
| WO2024200817A1 (en) | 2023-03-31 | 2024-10-03 | Nv Bekaert Sa | Porous transport layer |
| WO2024200810A1 (en) | 2023-03-31 | 2024-10-03 | Nv Bekaert Sa | Porous transport layer |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006034086A1 (en) * | 2004-09-21 | 2006-03-30 | Worcester Polytechnic Institute | Membrane enhanced reactor |
| JP2010053400A (ja) * | 2008-08-28 | 2010-03-11 | Honda Motor Co Ltd | 電解装置用多孔質導電体の製造方法 |
| DE102015111918A1 (de) * | 2015-07-17 | 2017-01-19 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Stromkollektor, Membraneinheit, elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektor, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001279481A (ja) | 2000-03-29 | 2001-10-10 | Shinko Pantec Co Ltd | 給電体の製造方法および給電体 |
| ATE369223T1 (de) | 2001-02-16 | 2007-08-15 | Sumitomo Titanium Corp | Gesinterter presskörper aus titanpulver |
| AU2003302247A1 (en) * | 2002-12-12 | 2004-07-09 | Mykrolis Corporation | Porous sintered composite materials |
| US20060105159A1 (en) * | 2004-11-12 | 2006-05-18 | O'hara Jeanette E | Gas diffusion medium with microporous bilayer |
| JP4585867B2 (ja) | 2005-01-07 | 2010-11-24 | ダイソー株式会社 | 不溶性陽極 |
| FR2948821B1 (fr) * | 2009-08-03 | 2011-12-09 | Commissariat Energie Atomique | Cellule electrochimique a metal support et son procede de fabrication |
| US10287695B2 (en) | 2012-06-13 | 2019-05-14 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Flow structures for use with an electrochemical cell |
| DE102015215381A1 (de) | 2015-08-12 | 2017-02-16 | Volkswagen Ag | Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle |
| JP7077085B2 (ja) | 2018-03-19 | 2022-05-30 | 東邦チタニウム株式会社 | 多孔質チタン系焼結体、その製造方法、及び電極 |
| EP3778074A4 (en) | 2018-03-29 | 2021-12-22 | Toho Titanium Co., Ltd. | POROUS TITANIUM BASED, Sintered COMPACT, PROCESS FOR MANUFACTURING THEREOF AND ELECTRODE |
-
2019
- 2019-01-23 EP EP19153307.4A patent/EP3686318A1/en not_active Withdrawn
-
2020
- 2020-01-14 WO PCT/EP2020/050805 patent/WO2020151997A1/en unknown
- 2020-01-14 US US17/425,447 patent/US20220085390A1/en active Pending
- 2020-01-14 CN CN202080010463.XA patent/CN113348269B/zh active Active
- 2020-01-14 EP EP20702217.9A patent/EP3914754B1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006034086A1 (en) * | 2004-09-21 | 2006-03-30 | Worcester Polytechnic Institute | Membrane enhanced reactor |
| JP2010053400A (ja) * | 2008-08-28 | 2010-03-11 | Honda Motor Co Ltd | 電解装置用多孔質導電体の製造方法 |
| DE102015111918A1 (de) * | 2015-07-17 | 2017-01-19 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Stromkollektor, Membraneinheit, elektrochemische Zelle, Verfahren zur Herstellung eines Stromkollektor, einer Membraneinheit und einer elektrochemischen Zelle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3914754C0 (en) | 2023-09-20 |
| EP3914754A1 (en) | 2021-12-01 |
| EP3914754B1 (en) | 2023-09-20 |
| EP3686318A1 (en) | 2020-07-29 |
| US20220085390A1 (en) | 2022-03-17 |
| WO2020151997A1 (en) | 2020-07-30 |
| CN113348269A (zh) | 2021-09-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113348269B (zh) | 基于多个微米和纳米烧结多孔层的多孔传输层 | |
| Lettenmeier et al. | Comprehensive investigation of novel pore-graded gas diffusion layers for high-performance and cost-effective proton exchange membrane electrolyzers | |
| Stiber et al. | A high-performance, durable and low-cost proton exchange membrane electrolyser with stainless steel components | |
| Menzler et al. | Materials and manufacturing technologies for solid oxide fuel cells | |
| US20110076587A1 (en) | Highly electrically conductive surfaces for electrochemical applications and methods to produce same | |
| KR102073581B1 (ko) | 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법 | |
| EP3089250A1 (en) | Cathode current collector for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell comprising same | |
| WO2015137102A1 (ja) | 多孔質集電体、燃料電池及び多孔質集電体の製造方法 | |
| KR101939666B1 (ko) | 부식방지 기체 확산층 및 그 제조방법과 이를 구비한 막전극접합체 | |
| JPWO2017026291A1 (ja) | 金属多孔体、燃料電池、及び金属多孔体の製造方法 | |
| US20140242462A1 (en) | Corrosion resistance metallic components for batteries | |
| CN107275656A (zh) | 固体氧化物燃料电池用尖晶石/金属连接体复合材料及其制备方法 | |
| WO2017130904A1 (ja) | 燃料電池 | |
| CN117813417A (zh) | 具有电化学活性顶层的复合结构多孔传输电极 | |
| CN116368647A (zh) | 用于生产用于电化学电池的双极板的方法以及双极板 | |
| JP5054049B2 (ja) | 電解装置 | |
| JP6289170B2 (ja) | セル間接続部材接合構造およびセル間接続部材接合方法 | |
| JP2008098145A (ja) | 電解質・電極接合体及びその製造方法 | |
| JP2010189708A (ja) | 電解装置 | |
| JP2004068112A (ja) | 多孔質導電板 | |
| JP2012180553A (ja) | 高圧水素製造装置及びその多孔質給電体の製造方法 | |
| KR20100128272A (ko) | 전해질막의 형성 방법, 막전극 접합체 및 막전극 접합체의 제조 방법 | |
| JP2012052202A (ja) | 電解セル用部材およびそれを用いた水素製造装置 | |
| EP3958360A1 (en) | Hybrid structured porous transport electrodes with electrochemically active top-layer | |
| JP5588402B2 (ja) | 高圧水素製造装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |