本发明专利技术涉及用于碱性电解池或碱性燃料电池的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件。该组件的聚合物分隔膜包括分散在有机聚合物粘结剂中的无机亲水粒料。该聚合物分隔膜在填充有电解质时是气密的。该聚合物分隔膜渗入该多孔金属性气体扩散基材至少顶部部分。还公开了一种通过将浆料涂覆在多孔金属性气体扩散基材上来制备这样的组件的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔金属性扩散基材和聚合物分隔膜的组件
本专利技术涉及多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件，例如用于碱性电解池和碱性燃料电池。本专利技术还涉及制备这样的组件的方法。
技术介绍
电解池和燃料电池包括电极(阳极和阴极)和分隔体，该分隔体至少在工作条件下不透气，从而分隔阳极和阴极。该分隔体可以是聚合物分隔膜。由于燃料和反应产物以气态和液态可获得，电极必须提供构件以允许这些燃料和反应产物扩散至反应区域和从反应区域扩散出来。这可通过使用带有开放通道结构的电极来实现，例如筛网、拉伸金属(stretchmetal)或多孔金属基材。可以使用催化剂，其中在电极上或分隔体上(例如在聚合物分隔膜上)提供该催化剂。多孔金属基材和催化剂(如果存在的话)形成电极的一部分。优选地，为了电解池或燃料电池的最高效率，电极的反应点与膜紧密接触。现行实践中，分别地制造分隔膜和制造多孔基材。可在分隔膜或在多孔基材上提供催化剂。将分隔膜和多孔基材在单独的工艺中组合成用于电解池或燃料电池中的所谓的膜电极组件(MEA)。对于在碱性电解池中的使用，可以使用在充有湿电解质时为气密的聚合物分隔膜。实例是在有机聚合物粘结剂中包含颗粒状无机亲水材料的膜，参见例如EP0232923A。该文件描述了一种离子可渗透的隔膜的制备方法，该隔膜包括嵌入形成膜的颗粒状无机亲水材料和有机聚合物粘结剂的混合物中的有机织物。WO93/15529描述了一种用于碱性电解池的多孔膜的制造方法，该方法包括以下步骤：由有机粘结剂(优选聚砜并使用聚乙烯吡咯烷酮作为成孔剂)和金属氧化物或金属氢氧化物(优选氧化锆)的溶液制得悬浮液，通过挤压将悬浮液施加在支撑体上和通过经在有机非溶剂中浸渍的萃取来去除溶剂。在例如WO2006/15462、WO2009/147084和WO2009/147086中描述了其它的方法和组合物。为了具有适当的聚合物分隔膜，在聚合物分隔膜中需要增强网或增强织物。否则，由于聚合物分隔膜有限的尺寸稳定性，在膜电极组件的制造中出现问题。WO2006/015462、WO2009/147084和WO2009/9147086公开了用于分隔膜制造的增强网或增强织物的双侧涂层。对电化学电池的性能而言，增强网或增强织物的存在具有缺点。另一个缺点是需要两次涂覆过程或双侧涂覆过程以制备用织物网增强的聚合物分隔膜。一个问题是，具有膜的多孔气体扩散层的组件堆的制备复杂。现在通过将气体扩散层和膜压制在一起来制备组件。将多个组件进一步组合在一起成堆。在这种组装过程中需要膜为完全平整的。如果平整度没有达到，会负面影响电化学电池的性能(效率)和寿命。现有技术中，可通过在膜中使用增强的织物载体网来实现平整度。膜中支持基材的存在还导致厚于功能上所需的膜以及使用这样的膜的电解池或燃料电池的效率降低。此外，较厚的膜导致电解池堆的尺寸增加，这对机械轨迹是不利的。此外，增强的载体网通常是聚合物织物，其限制了电解池的最高操作温度。现有技术的缺点是，膜制备和膜与气体扩散层的组件的制备在不同的步骤中。电解池和燃料电池的使用者需要高性能的系统-以单位膜表面积的性能来表示。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件，该组件在燃料电池或电解池中使用时导致较高的效率。本专利技术的第二个目的是提供两个多孔金属性气体扩散基材并在其间有聚合物分隔膜的组件，该组件在燃料电池或电解池中使用时导致较高的效率。本专利技术的另一个目的是提供一种多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件的制备方法，其中该聚合物分隔膜是在饱和有电解质时为气密的离子可渗透的分隔体。这导致在碱性燃料电池或碱性电解池中使用时较高的能量效率。该制备方法的优点包括多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件的一步的辊对辊制备。本专利技术的另一个目的是提供一种多孔金属性气体扩散基材和厚度降低的聚合物分隔膜的组件，其导致减少的机器轨迹。本专利技术的另一个目的是提供一种多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件，该组件允许电解池在增高的温度下操作，导致较高的电解池效率。本专利技术的另一个目的是提供制备一种两个多孔金属性气体扩散基材并在其间具有聚合物分隔膜的组件的一体生产线(inline)制备方法。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于碱性电解池或碱性燃料电池的具有多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件。该聚合物分隔膜包括分散在有机聚合物粘结剂中的无机亲水粒料，聚合物分隔膜在填充有电解质时为气密的。聚合物分隔膜渗入多孔金属性气体扩散基材的至少顶部部分。优选地，聚合物分隔膜没有在聚合物分隔膜中引入的增强网，或聚合物分隔膜没有在聚合物分隔膜中引入的增强织物。根据本专利技术第一方面的组件提供了在碱性电解池或燃料电池中使用时比现有技术产品更高的效率。增加的效率得益于多个要素的协同组合：增加的稳定性、维持分隔膜的高流量、膜的平整度、膜可以做的更薄、以及分隔膜与电极之间更强烈的接触(例如通过膜部分渗入多孔金属性气体扩散基材的顶部)和更高的最高操作温度。多孔金属性气体扩散基材作为电化学电池的功能原件，同时起到增强离子可渗透的分隔膜的作用。此外，本专利技术确保了分隔膜的平整度和增加的稳定性。不存在引入聚合物分隔膜中的支撑网或支撑织物具有优点：电解池可在较高的温度下操作，导致增加的性能和效率。多孔金属性气体扩散基材可以是开孔多孔金属基材。多孔金属性气体扩散基材可例如包括烧结金属粉末网或膨胀的金属板，更优选烧结或未烧结的金属纤维网。如果聚合物分隔膜与多孔金属性气体扩散基材的未烧结或烧结的金属纤维网接触，那么其渗入未烧结或烧结的金属纤维网的至少顶部部分。多孔金属性气体扩散基材可在将在其上形成聚合物分隔膜的面上提供有(贵)金属、金属氧化物或有机金属催化剂。本专利技术的聚合物分隔膜可以是具有多孔结构、在电解质溶液中可湿润和可膨胀的聚合物膜层，该膜层当饱和有电解质溶液时为充分气密的，从而防止在电解过程中形成的气体混合，并能够以低电阻传送离子。聚合物膜层优选包括至少一种聚合物和分散在聚合物膜层中的无机颗粒(优选氧化锆)。优选的有机粘结剂是聚砜并且在制备中优选使用聚乙烯吡咯烷酮作为成孔剂。聚合物膜层可通过如下方法制备：将浆料层涂覆在基材上、随后通过涂覆层中的相转化过程在该层中形成多孔结构。如果引入分散的氧化锆颗粒，那么可改进这种膜分隔体的结构和离子传导率。氧化锆颗粒与成孔聚合物的重量比的优选范围为2：1至19：1。聚合物分隔膜渗入多孔金属性气体扩散基材的至少顶部部分的深度优选大于多孔金属性气体扩散基材中孔隙尺寸的平均直径，并且更优选大于多孔金属性扩散基材顶部(意指与聚合物分隔膜接触的金属性基材的部分)中孔隙尺寸的平均直径。可通过根据ASTME128-61(相当于ISO4003)的泡点法来确定多孔金属性气体扩散基材的平均孔隙尺寸。优选地，渗入深度小于多孔金属扩散基材厚度的25％，更优选小于10％。优选地，渗入深度大于多孔金属扩散基材厚度的1％。一定水平的渗入是有益的，因为其产生电极(及其反应点)与聚合物分隔膜的紧密接触。结果是增加的性能，例如就在任何给定电流密度下的降低的电压降(导致改善的系统能量效率)而言。过度的渗入深度是不太优选的，因为其阻塞多孔金属性扩散基材的一部分。多孔金属性扩散基材可以是本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于碱性电解池或碱性燃料电池的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件，其中‑该聚合物分隔膜包括分散在有机聚合物粘结剂中的无机亲水粒料，‑该聚合物分隔膜在填充有电解质时是气密的，‑该聚合物分隔膜渗入该多孔金属性气体扩散基材至少顶部部分。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.28 EP 12161650.2;2012.03.28 US 61/616,4371.一种用于碱性电解池或碱性燃料电池的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件，其中-该聚合物分隔膜包括分散在有机聚合物粘结剂中的无机亲水粒料，-该聚合物分隔膜在填充有电解质时是气密的，-该聚合物分隔膜渗入该多孔金属性气体扩散基材的至少顶部部分，其中通过如下方式制备聚合物分隔膜：在金属性气体扩散基材上涂覆浆料层，然后在涂覆层中进行相转化过程从而在该涂覆层中形成多孔结构，所述浆料层包含聚合物粘结剂和分散于其中的无机亲水颗粒。2.根据权利要求1的组件，其中所述聚合物分隔膜没有在所述聚合物分隔膜中引入的增强网，或其中所述聚合物分隔膜没有在所述聚合物分隔膜中引入的增强织物。3.根据权利要求1或2的组件，其中所述无机亲水粒料是氧化锆。4.根据权利要求1的组件，其中多孔金属性气体扩散基材包括烧结或未烧结的金属纤维网。5.根据权利要求4的组件，其中金属性气体扩散基材包括至少两个具有不同物理性质的纤维网层。6.根据权利要求1的组件，其中金属性气体扩散基材的两侧具有不同的平均孔隙尺寸，并且其中聚合物分隔膜位于金属性气体扩散基材具有最小平均孔隙尺寸的一侧上。7.根据权利要求1的组件，还包括第二多孔金属性气体扩散基材，其中聚合物分隔膜位于两个金属性气体扩散基材之间。8.一种用于制备权利要求1至6中任一项所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：E·德肯彭尼尔，I·席尔德曼斯，J·万布拉班特，洪博，L·万梅勒，G·德西，W·米斯，
申请(专利权)人：贝卡尔特公司，阿格法格瓦特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：比利时;BE
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