本发明专利技术提供一种具有良好极性液体传输性能和气体传输性能的燃料电池的扩散电极，并且提供利用该扩散电极的电极和燃料电池。该扩散电极包括：疏水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒和疏水性粘结剂树脂，充当没有浸泡在极性液体中的气体传输路径，并形成三维网状结构；及亲水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒，形成三维网状结构，填充在疏水性多孔团聚体所形成的三维网状结构之间，并充当极性液体的传输路径。
【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的扩散电极
本专利技术涉及燃料电池，更具体地，涉及用于燃料电池的扩散电极。
技术介绍
燃料电池是通过燃料与氧气的电化学反应产生电能的电力发生器。由于它们不是基于用在热电力生产的卡诺循环，它们的理论电力生产效率很高。燃料电池可以用作小的电/电子设备的电源，包括便携式设备，以及在工业、家用、和运输上的应用。依据电解质类型，燃料电池可以划分为聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔化碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，和其它种类。依据电池使用的电解质类型，燃料电池的工作温度和组成材料因而变化。根据供应燃料给阳极的方式，燃料电池可以划分为外转化类型，其中燃料在被燃料转化器转化成富氢气体后，提供给阳极；和直接燃料供应类型或内转化类型，其中燃料以气态或液态直接供应给阳极。代表性的直接燃料供应类型电池实例是直接甲醇燃料电池(DMFC)。在DMFC中，甲醇水溶液通常供应给阳极，DMFC不需要外转化，使得燃料方便被搬运，并且作为便携式能量源比其它种类燃料电池具有最高的潜在实用性。发生在DMFC中的电化学反应如下：燃料在阳极氧化，氧气通过与氢离子在阴极反应被还原成水。阳极反应： 阴极反应： 总的反应： 以上反应示意表明，甲醇与水反应在阳极产生一个二氧化碳分子，六个-->氢离子，和六个电子，产生的氢离子穿过可传导氢离子的电解质薄膜迁移到阴极，该薄膜插入到阳极和阴极之间。迁移的氢离子与氧气和经过外回路供应的电子反应，在阴极产生水。归纳DMFC中总的反应，水和二氧化碳通过甲醇与氧气反应产生，结果，基本上与甲醇燃烧热相等的能量转化成电能。为了促进该反应，阳极和阴极包括有催化剂。通常，DMFC包括传输氢离子的电解质薄膜，其插入在阳极催化剂层和阴极催化剂层之间。阳极扩散层，位于阳极催化剂层的外面，用作传输甲醇水溶液到阳极催化剂层的路径，作为释放在阳极催化剂层产生的二氧化碳的路径，和作为传输在阳极催化剂层产生的电子的导体。阴极扩散层，位于阴极催化剂层的外面，用作传输氧气或空气到阴极催化剂层的路径，作为释放在阴极催化剂层产生的水的路径，和作为传输电子到阴极催化剂层的导体。电导性的双极板或端板，在其一面形成供应甲醇水溶液和释放二氧化碳的流动区域，被安置在阳极扩散层的外面。电导性的双极板或端板，在其一面形成供应氧气和空气以及释放水的流动区域，被安置在阴极扩散层外面。例如，在利用氢气或含氢气体作为燃料的燃料电池中，诸如PEMFC和PAFC，阳极的反应物和产物都是气态，因此，阳极扩散层不需要具有复杂的传输性能。然而，在利用甲醇水溶液作为燃料的DMFC中，阳极的反应物和产物分别是液体和气体，因此，阳极扩散层需要具有良好的液体和气体传输性能。DMFC的阴极扩散层也需要具有与阳极扩散层相同的性能。通常，DMFC在温度低于水沸点下操作，例如，在约80℃下。由于阴极的反应物和产物分别是气体和液体，阴极扩散层必须拥有良好的液体和气体传输性能。如美国专利第4551220号所公开的，传统的用于燃料电池的扩散电极通常通过混合炭黑与聚四氟乙烯(PTFE)和热处理该混合物制造。美国专利第6103077号公开了具有两层结构的扩散电极。该两层扩散电极中，一层是亲水性的，另一层是疏水性的。然而，当传统的扩散层应用到DMFC时，燃料处于液态、可以静止地淹没阳极扩散层整个面积，结果，释放阳极催化剂层产生的气体产物的路径被堵塞。相应地，大堆的气体产物存在于阳极催化剂层，从而使阳极催化剂-->层的催化剂中毒。另外，副反应导致的气体产物比燃料对催化剂具有更高的反应性，使得催化剂利用效率下降。而且，大堆的气体阻止了燃料在阳极催化剂层中扩散。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于燃料电池的扩散电极，其具有良好的极性液体传输性能和气体传输性能。本专利技术还提供燃料电池电极，其包括具有良好的极性液体传输性能和气体传输性能的扩散电极。本专利技术还提供燃料电池，该电池包括具有良好的极性液体传输性能和气体传输性能的扩散电极。根据本专利技术一方面，提供燃料电池的扩散电极，包括：疏水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒和疏水性粘结剂树脂，充当没有浸泡在极性液体中的气体传输路径，并形成三维网状结构；及亲水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒，形成三维网状结构，填充在疏水性多孔团聚体所形成的三维网状结构之间，并充当极性液体的传输路径。疏水性多孔团聚体和亲水性多孔团聚体可以在扩散电极厚度的方向连续排列。根据本专利技术的另一方面，提供燃料电池电极，包括：催化剂层；和如上所述的燃料电池扩散电极。根据本专利技术的再一方面，提供燃料电池包括：含有催化剂层和扩散层的阴极，含有催化剂层和扩散层的阳极，和插入在阴极和阳极之间的电解质薄膜，其中至少一个阴极扩散层和阳极扩散层是如上所述的扩散电极。 附图说明通过参照所附的附图详细描述其示范性的具体实施方式，本专利技术的上述和其它的特征和优点将变得更加明显：图1是根据本专利技术具体实施方式的燃料电池扩散电极的横截面视图；图2示出了本专利技术扩散电极的物料传输程序；图3示意性地示出了制造本专利技术扩散电极的方法实例；图4是本专利技术实施例制造的扩散电极的横截面的SEM照片；和-->图5到8是在本专利技术实施例和对比例中分别获得的燃料电池的极化曲线。 具体实施方式下文中，将详细描述根据本专利技术具体实施方式的燃料电池的扩散电极。根据本专利技术具体实施方式的燃料电池的扩散电极具有与传统的扩散电极不同的结构。例如，在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，甲醇水液体作为燃料供应给阳极是处于液态，并且阳极催化剂层电化学反应导致的CO2处于气态。本专利技术燃料电池的扩散电极提供了这样的微结构：均匀地扩散甲醇水溶液的亲水性的路径和迅速释放CO2的疏水性路径是分离的，从而解决了关于传统的扩散电极的问题。本专利技术扩散电极中，疏水性多孔团聚体中疏水性粘结剂树脂的实例包括：聚四氟乙烯(PTFE)，全氟代(烷氧基烷烃)(PFA)共聚物，氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物等。当疏水性多孔团聚体中疏水性粘结剂树脂的含量太低时，疏水性多孔团聚体的疏水性能极度地下降，因此疏水性多孔团聚体浸泡在液体燃料中并且会失去作为气体产物释放路径的功能。当疏水性多孔团聚体的疏水性粘结剂树脂的含量太高时，疏水性多孔团聚体中电导性颗粒的含量极大地下降。相应地，扩散电极的电导率减小并且难以形成微孔路径。考虑到这点，疏水性多孔团聚体的疏水性粘结剂树脂的含量可以在按重量约20到约80％的范围内。本专利技术的扩散电极中，疏水性多孔团聚体的电导性颗粒的实例包括：球形或针状碳粉，石墨粉等。当疏水性多孔团聚体中电导性颗粒的平均粒径太小时，难以形成多孔路径。当疏水性多孔团聚体中电导性颗粒的平均粒径太大时，由此得到的孔也大，从而引起扩散电极上形成的催化剂层的丢失。考虑到这点，疏水性多孔团聚体中电导性颗粒的平均粒径可以在约30到约300nm的范围内。本专利技术扩散电极中，亲水性多孔团聚体中电导性颗粒的实例包括：球形或针本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于燃料电池的扩散电极，包括：疏水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒和疏水性粘结剂树脂，充当没有浸泡在极性液体中的气体传输路径，并形成三维网状结构；及亲水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒，形成三维网状结构，填充在疏水性多孔团聚 体所形成的三维网状结构之间，并充当极性液体的传输路径。
【技术特征摘要】
KR 2003-9-26 66941/031.一种用于燃料电池的扩散电极，包括：疏水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒和疏水性粘结剂树脂，充当没有浸泡在极性液体中的气体传输路径，并形成三维网状结构；及亲水性多孔团聚体，其含有电导性颗粒，形成三维网状结构，填充在疏水性多孔团聚体所形成的三维网状结构之间，并充当极性液体的传输路径。2.权利要求1的扩散电极，其中所述疏水性多孔团聚体中的疏水性粘结剂树脂是聚四氟乙烯(PTFE)，全氟代(烷氧基烷烃)(PFA)，氟化乙烯-丙烯(FEP)共聚物，或其混合物。3.权利要求1的扩散电极，其中所述疏水性多孔团聚体中的疏水性粘结剂树脂的含量为20～80％重量。4.权利要求1的扩散电极，其中所述疏水性多孔团聚体中的电导性颗粒为球形或针状碳粉。5.权利要求4的扩散电极，其中所述疏水性多孔团聚体中的碳粉的平均粒径为30～300nm。6.权利要求1的扩散...
【专利技术属性】
技术研发人员：金之来，崔京焕，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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