CN113948724B - 一种再生式燃料电池用导电扩散层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种再生式燃料电池，尤其是涉及一种再生式燃料电池用导电扩散层材料及其制备方法，该导电扩散层材料由抗氧化性强的阀型金属微米级别纤维组成，阀型金属微米级别纤维为钛纤维；制备包括如下步骤：S1：将阀型金属微米级别纤维短切；S2：将步骤S1中短切后的阀型金属微米级别纤维进行振动筛选，得到单位面积固定质量的蓬松纤维体；S3：将步骤S2中得到的单位面积固定质量的蓬松纤维体进行油压形成初级片材；S4：将步骤S3中得到的初级片材连接处理，滚压成型，得到再生式燃料电池用导电扩散层材料。与现有技术相比，本发明解决了采用常规的碳扩散层在电解水时会发生解离的问题，并且发电时不会影响再生式燃料电池的发电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种再生式燃料电池，尤其是涉及一种再生式燃料电池用导电扩散层材料及其制备方法。
背景技术
再生式燃料电池(Regenerative Fuel Cell，简称RFC)是指一种氢气、氧气产生，储存和利用的电化学装置，它是将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的一种新型氢能源发电装置。
RFC非常适合低重量、长耗时的用电需要，适于空间、军事及可移动电源领域中替代传统二次电池储能技术。通常采用电力驱动的长航时高空太阳能飞行器，要求储能装置的比能量在400Wh/kg以上，只有RFC可以满足该要求。同样RFC也可用于有人职守的月球基地：由于月球的自转周期很长(28个地球日)，其中无日照时间为16个地球日，因此用于月球基地的电源必须能长期供电，能量消耗很大，有相关研究认为月球基地的所需功率为20～100kW。建设月球基地，若选择高比能电源系统，可节约大量的发射费用。RFC只需要增加氢、氧和水的贮存系统，就能满足大容量储能要求。RFC作为储能系统，在轨道向光的时候，利用太阳能光伏阵进行发电并供给空间站所需以及RFC充电(即在水电解模式下，将水分解成氢气和氧气并储存起来)，无光时RFC通过利用储存的氢气和氧气发电以维持系统运行。
RFC还可以与生命维持系统(如水净化系统)相组合，电解尿液产生的氢气可用于还原二氧化碳，生成的氧气可供宇航员呼吸；电解水产生的高压氢气、氧气可用于空间站及卫星的姿态控制，还可用于生命支持系统和姿态调整。从RFC中排出的废热温度约为50～70℃，可供宇航员保暖用，也可用于航天器的热管理。
在RFC的使用过程中需要通过电解水以产生氢气和氧气，而电解水通常需要2V以上的电压。在该电压下，如果仍然在RFC中使用碳扩散层，会使谈扩散层发生解离并生成二氧化碳，这不仅会影响气体的储存，还会降低RFC的性能。因此，RFC中需要使用一种能够同时满足发电和电解需求的扩散层。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种再生式燃料电池用导电扩散层材料及其制备方法，解决了采用常规的碳扩散层在电解水时会发生解离的问题，并且发电时不会影响再生式燃料电池的发电性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种再生式燃料电池用导电扩散层材料，该导电扩散层材料由抗氧化性强的阀型金属微米级别纤维组成，所述的阀型金属微米级别纤维为钛纤维。
进一步地，所述的阀型金属微米级别纤维还可以为钽或铌。
进一步地，所述的阀型金属微米级别纤维还可以为钛、钽或铌的合金。
进一步地，所述的阀型金属微米级别纤维中阀型金属含量大于99％。优选地，阀型金属含量大于99.9％。进一步优选地，阀型金属含量大于99.95％。
进一步地，所述的阀型金属微米级别纤维的单根纤维横截面积小于0.01mm2。优选地，单根纤维横截面积小于0.0025mm2。进一步优选地，单根纤维横截面积小于0.0005mm2。
进一步地，所述的阀型金属微米级别纤维的纤维长度为6-40mm。优选地，纤维长度为6-20mm。进一步优选地，纤维长度为6-15mm。可以根据实际需要进行确定。
本发明第二方面公开了一种用于制备上述再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将阀型金属微米级别纤维短切；
S2：将步骤S1中短切后的阀型金属微米级别纤维进行振动筛选，得到单位面积固定质量的蓬松纤维体；
S3：将步骤S2中得到的单位面积固定质量的蓬松纤维体进行油压形成初级片材；
S4：将步骤S3中得到的初级片材连接处理，滚压成型，得到再生式燃料电池用导电扩散层材料。
进一步地，步骤S2中振动筛选用的筛网孔径为0.1-2mm。优选地，选用1mm孔径的筛网。
进一步地，步骤S2中所述的单位面积固定质量的蓬松纤维体为5-8mg/cm2的蓬松纤维体。优选地，为6mg/cm2的蓬松纤维体。
进一步地，步骤S3中所述的油压的压力为8-12kg/cm2。优选地，油压压力为10kg/cm2。
进一步地，所述的初级片材的厚度小于1mm。优选地，初级片材的厚度小于0.6mm。进一步优选地，初级片材的厚度小于0.3mm。
进一步地，所述的初级片材的空隙率大于5％。优选地，初级片材的空隙率大于40％。进一步优选地，初级片材的空隙率大于60％。
进一步地，步骤S4中所述的连接处理为中频焊接、储能焊接或超声波焊接。
进一步地，焊接时作用压力为0.9-1.2kg/cm2。优选地，焊接时作用压力为1kg/cm2。
进一步地，作用能量小于100kW/cm2。优选地，作用能量小于50kW/cm2。进一步优选地，作用能量小于10kW/cm2。
进一步地，作用时间小于1000ms。优选地，作用时间小于100ms。进一步优选地，作用时间小于10ms。
进一步地，焊接采用的电极为石墨电极或钽电极。采用石墨电极或钽电极代替常规的铜电极，可以防止铜的转移，进而防止对再生式燃料电池性能的影响。
进一步地，本发明的导电扩散层材料还可以用于质子交换膜燃料电池和质子交换膜水电解制氢制氧电池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用阀型金属微米级别纤维制备导电扩散层材料，该导电扩散层材料在水电解时不会发生反应，不会产生除氢气和氧气以外的气体，可以有效保障再生式燃料电池的再生性能；在发电时不会产生容易堵塞质子交换膜的金属阳离子，即便在酸性环境下，阀型金属也是以酸根形式存在，不会产生金属阳离子。也就是说，本发明制备得到的导电扩散层材料用于再生式燃料电池中不仅能够满足发电时对扩散层的要求，也能满足电解时对扩散层的要求，能够最大化再生式燃料电池的再生效益，大幅提升其循环性能。
2、现有技术中采用高温烧结(850-1150℃)的方式对钛金属纤维进行连接处理，烧结过程中需要惰性气体进行保护，但基于金属钛在800℃以上时表面活性强，会与H2、CO2和N2发生反应产生脆性产物，因此，通常需要用Ar2作为保护气。此外烧结对工艺设备的要求极高，需要反复抽气、充气使设备中氧气含量降至10ppm以下，工艺流程复杂，而且烧结完成后温度需要降至50℃后才能取出钛金属纤维防止氧化，使得整体工艺效率较低。本发明通过采用油压以及中频焊接、储能焊接或超声波焊接的方式对导电扩散层材料进行连接处理，对设备要求和工艺条件要求均较低，并且耗时短，效率高，更适合工业化、流程化、规模化生产。
3、本发明通过振动筛选控制得到的蓬松纤维体在单位面积上具有固定质量，进而在其他工艺条件相同时，可以得到性能一致的产品，适于工业化生产。
4、焊接时采用石墨电极或钽电极代替常规采用的铜电极，有效防止铜转移至扩散层上进而防止其对再生式燃料电池性能的影响。石墨在本发明的工艺条件下不会转移至扩散层上；钽通常也不会转移，即便有一定量的转移，在再生式燃料电池运行时也不会产生金属阳离子，不会影响再生式燃料电池的性能。
具体实施方式
本发明第一方面公开了一种再生式燃料电池用导电扩散层材料，该导电扩散层材料由抗氧化性强的阀型金属微米级别纤维组成，阀型金属微米级别纤维可以为钛、钽、铌纤维或其合金；其含量大于99％，优选大于99.9％，更优选大于99.95％；其单根纤维的横截面积小于0.01mm2，优选小于0.0025mm2，更优选小于0.0005mm2；其纤维长度为6-40mm，优选为6-20mm，更优选为6-15mm。上述参数均可以根据实际需求进行调节。
本发明第二方面公开了一种用于制备上述再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将阀型金属微米级别纤维短切至需要的长度；
S2：将步骤S1中短切后的阀型金属微米级别纤维进行振动筛选，振动筛选用的筛网孔径为0.1-2mm，优选为1mm，筛选后5-8mg/cm2的蓬松纤维体，优选为6mg/cm2；
S3：将步骤S2中得到的蓬松纤维体在8-12kg/cm2的压力下进行油压，优选采用10kg/cm2的压力进行，经油压得到厚度小于1mm，空隙率大于5％的初级片材，优选厚度小于0.6mm，更优选厚度小于0.3mm，优选空隙率大于40％，更优选空隙率大于60％；
S4：将步骤S3中得到的初级片材通过中频焊接、储能焊接或超声波焊接进行连接处理，焊接时作用压力为0.9-1.2kg/cm2，优选为1kg/cm2；作用能量小于100kW/cm2，优选小于50kW/cm2，更优选10kW/cm2；作用时间小于1000ms，优选小于100ms，更优选小于10ms，焊接采用石墨电极或钽电极，以防止铜电极上铜的转移，进而防止对再生式燃料电池性能的影响。经连接处理的片材再经过滚压成型后，即得到再生式燃料电池用导电扩散层材料。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是对本发明的限制。
实施例1
选用市售的TA1牌号钛合金丝，丝径约为0.02mm，横截面积小于0.0005mm2，将其短切成10mm长度。短切后的钛合金纤维丝置于1mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的钛合金纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为6mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为10kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入中频焊机上，设定压力为1kg/cm2，作用能量为15kW/cm2，作用时间150ms进行焊接，焊接时采用石墨电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.4mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.5mΩ·cm，空隙率为66％。
实施例2
选用市售的TA1牌号钛合金丝，丝径约为0.05mm，横截面积小于0.0025mm2，将其短切成10mm长度。短切后的钛合金纤维丝置于1mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的钛合金纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为6mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为10kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入中频焊机上，设定压力为1kg/cm2，作用能量为15kW/cm2，作用时间150ms进行焊接，焊接时采用石墨电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.4mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.0mΩ·cm，空隙率为65％。
实施例3
选用市售的TA1牌号钛合金丝，丝径约为0.02mm，横截面积小于0.0005mm2，将其短切成8mm长度。短切后的钛合金纤维丝置于0.1mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的钛合金纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为8mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为12kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入中频焊机上，设定压力为0.9kg/cm2，作用能量为30kW/cm2，作用时间100ms进行焊接，焊接时采用钽电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.2mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.1mΩ·cm，空隙率为64％。
实施例4
选用市售的纯钛丝，丝径约为0.1mm，横截面积小于0.01mm2，将其短切成6mm长度。短切后的钛纤维丝置于0.5mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的钛纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为5mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为12kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入储能焊机上，设定压力为1.2kg/cm2，作用能量为10kW/cm2，作用时间200ms进行焊接，焊接时采用钽电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.6mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.2mΩ·cm，空隙率为67％。
实施例5
选用市售的厚度为0.02mm的钽箔，进行切丝处理，得到丝径约为0.02mm，横截面积小于0.0005mm2的钽丝，再将其短切成20mm长度。短切后的钽纤维丝置于2mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的钽纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为8mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为12kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入超声波焊接机上，设定压力为1.1kg/cm2，作用能量为95kW/cm2，作用时间900ms进行焊接，焊接时采用钽电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.8mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.7mΩ·cm，空隙率为64％。
实施例6
选用市售的厚度为0.02mm的铌箔，进行切丝处理，得到丝径约为0.02mm，横截面积小于0.0005mm2的铌丝，再将其短切成35mm长度。短切后的铌纤维丝置于2mm的不锈钢筛网框内，并放入振动筛网机上准备筛选。在筛网下方有电子秤，电子秤的称重处放置A4纸，用于接收经振动筛网机筛下来的铌纤维丝。并根据A4纸的大小和电子秤的称重控制收集到的蓬松纤维体克重为7mg/cm2。将A4纸连同纸上的蓬松纤维体一起进行油压，压力为8kg/cm2，油压后分离A4纸得到初级片材。将该初级片材裁切为30*30mm见方片材并置入中频焊机上，设定压力为0.9kg/cm2，作用能量为90kW/cm2，作用时间800ms进行焊接，焊接时采用石墨电极进行。焊接得到的导电层扩散材料片经滚压成厚度为0.3mm的片材即为产品。经测定，该导电层扩散材料纵向的电阻率为9.2mΩ·cm，空隙率为66％。
对比例1
选用市售的东丽(Toray)品牌，型号TGP-H-090碳纸，并裁切成30*30mm见方片材。
对比测试：
选用市售江苏清能新能源技术股份有限公司(HFCT)品牌的标准再生式燃料电池膜电极(其中氢侧催化剂铂含量2mg/cm2，质子交换膜为杜邦公司的nafion212，氧侧铂铱合金催化剂含量4mg/cm2)，氢侧统一采用市售上海河森电器有限公司的碳纤维机织布(克重为160g/m2斜纹)，氧侧分别采用实施例1-6和对比例1得到的30*30mm的导电扩散层材料，并置于同样规格燃料电池膜电极单电池测试夹具内进行测试，采用正反电化学循环冲击模式测试：采用2V的输入电压进行水电解制氢制氧(充电储能模式)，产生的氢气和氧气分别收集在200mL的倒扣水封排水收集杯内；当电解制氢气达到100mL后，将收集的氢气和氧气供给单电池作为反应气体发电(储能放电模式)，采用短路形式进行快速放电，反复循环充放电过程100小时后观察纪录结果如下：
装有实施例1-6制备得到的导电扩散层材料相对应的单电池能够将倒扣水封排水收集杯内的气体完全耗尽，而装有对比例1的导电扩散层材料相对应的单电池即便短路再长时间，仍会有部分气体残留在倒扣水封排水收集杯内，说明在充放电过程中碳纸发生解离并反应生成二氧化碳气体。通过对比试验可以充分说明本发明的导电扩散层材料不会发生解离反应，不会影响再生式燃料电池的再生性能，因此本发明的导电扩散层材料适用于燃料电池中使用，尤其适合再生式燃料电池中使用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，其特征在于，该导电扩散层材料由抗氧化性强的阀型金属微米级别纤维组成，所述的阀型金属微米级别纤维为钛纤维；
该导电扩散层材料的制备方法包括如下步骤：
S1：将阀型金属微米级别纤维短切；
S2：将步骤S1中短切后的阀型金属微米级别纤维通过孔径为0.1-2mm的筛网进行振动筛选，得到5-8mg/cm2的蓬松纤维体；
S3：将步骤S2中得到的蓬松纤维体进行油压形成初级片材；
S4：将步骤S3中得到的初级片材连接处理，滚压成型，得到再生式燃料电池用导电扩散层材料；
步骤S3中，油压的压力为8-12kg/cm2；初级片材的厚度小于1mm，空隙率大于5%；
步骤S4中，连接处理为中频焊接、储能焊接或超声波焊接；焊接时作用压力为0.9-1.2kg/cm2，作用能量小于100kW/cm2，作用时间小于1000ms；焊接采用的电极为石墨电极或钽电极。
2.根据权利要求1所述再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，其特征在于，所述的阀型金属微米级别纤维还可以为钽或铌。
3.根据权利要求1所述再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，其特征在于，所述的阀型金属微米级别纤维中阀型金属含量大于99%。
4.根据权利要求1所述再生式燃料电池用导电扩散层材料的制备方法，其特征在于，所述的阀型金属微米级别纤维的单根纤维横截面积小于0.01mm2；长度为6-40mm。
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