[发明专利]一种用于一体式可再生燃料电池的扩散层及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及一体式可再生燃料电池扩散层，特别是应用于一体式可再生燃料电池的扩散层及其制备。

背景技术

一体式可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell简称URFC)是可再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell简称RFC)的一种。它的比能量高达400～1000Wh/Kg，是其它高能二次电池如锂离子电池的几倍。相对于分开式RFC而言，URFC系统简单，成本低廉，比能量和比功率高，易于小型化。由于URFC能满足长期充放电的储能需求，应用前景十分广阔，尤其在空间电源领域具有不可比拟的优势。

URFC能在同一组件上进行两种工作模式即燃料电池模式和水电解模式。以燃料电池模式运行时，氢电极作为阳极，反应生成H⁺，输出电子，H⁺通过Nafion膜迁移到氧电极，与氧气反应生成水。以水电解模式运行时，氧电极作为阳极，电池利用电能电解水生成氢气和氧气储存备用。

扩散层在燃料电池中主要起到支撑催化层、收集电流、并为电化学反应提供电子、气体及排水通道的作用。气体扩散层通常是由基底层和微孔层组成。基底层材料一般采用石墨化碳纸或碳布，有时也使用金属材料。微孔层通常是为了改善扩散层的孔隙结构而在其表面制作的一层碳粉(又称整平处理)，可起到降低接触电阻、防止电极催化层“水淹”及防止催化层渗透到基底层的作用。

URFC的核心组件为膜电极(MEA)，采用的质子交换膜和阴极扩散层可以与普通质子膜燃料电池相同。但当URFC以水电解模式运行时，阳极析氧电位很高，而碳粉在高电位下极易被腐蚀。传统扩散层的微孔层常用碳粉制成，这种扩散层极易因碳粉腐蚀而结构发生变化，导致电池的稳定性下降。使用碳粉为微孔层，文献〔1〕(G.Chen，Catalysis Today，341(2001))只提供循环3次的电池性能。其他公开的URFC循环寿命仅10次左右〔2〕(L.S.Larry，J.Power Sources 47(1994))〔3〕(T.Ioroi，J.Power Sources124(2003))，而且单一循环时间都很短。目前关于URFC扩散层方面的研究很少。文献〔3〕〔4〕(U.Wittstakt，J.Power Sources 145(2005))沿用固体聚合物水电解中的扩散层技术，即采用烧结钛板、泡沫钛、钛网、钛纤维等钛材料为基底。但单纯采用钛基底层而没有微孔层的扩散层，由于钛金属表面在析氧状态下能不断地被氧化成导电性能很差的氧化膜，从而降低URFC的性能。文献〔5〕(S.Song，Electrochem.Commun.，8(2006))提出以碳纸为基底层，IrO₂/Ti制成微孔层，报道了该URFC40小时的循环寿命。但是其所用的微孔层材料全部为催化剂，IrO₂的担量高达2.5mg/cm²，价格昂贵而且制备大量的具有合适孔径的IrO₂/Ti的扩散层十分困难。

本发明结合纳米陶瓷技术的最新结果，将导电性能优异的金属间化合物引入URFC领域。目前，尚未有使用金属间化合物作为URFC扩散层原料的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于一体式可再生燃料电池的扩散层及该扩散层的制备，提高一体式再生燃料电池的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于一体式可再生燃料电池的扩散层，其由基底层和其上涂覆的微孔层组成，所述微孔层由质量比为(0.1∶1)～(1∶0.1)的金属间化合物和贵金属催化剂混合而成。

所述的金属间化合物为TiC、Ti₂N、TiN、Ti(CN)、(TiAl)(CN)、(TiAl)N、ZrC、ZrN、Zr(CN)、NbC、NbN、Nb(CN)、TaC、TaN、Ta(CN)和CrN中的一种或多种，其粒径为1～100nm。

本发明所述的贵金属催化剂为铱、钌、铱的氧化物、钌的氧化物、铱钌的共混氧化物、担载型铱、担载型钌、担载型的铱氧化物、担载型的钌氧化物、担载型的铱钌共混氧化物中的一种或多种；催化剂的粒径为2～100nm；担载型贵金属单质或担载型贵金属氧化物所用的担载体为Ti，TiO₂，ZrO₂，TiC，TiN，ZrC，ZrN，NbC，NbN，TaC，TaN，WC中一种或一种以上，粒径为1～95nm，担载体的重量含量为1-90％。