[发明专利]一种一体式可再生燃料电池扩散层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池扩散层领域，特别涉及一种一体式可再生燃料电池扩散层的研究领域。

背景技术

一体式可再生燃料电池(Unitized Regenerative Fuel Cell，即URFC)是可再生燃料电池(Regenerative Fuel Cell，即RFC)的一种，是在氢氧燃料电池的基础上将燃料电池技术与水电解技术相结合发展起来的具有高比能量的新型储能系统。其清洁环保，比能量和比功率高，配合太阳能或风能可以实现自给工作，能满足长期充放电的需求，易于小型化，在航天、通讯、军事等领域有极其广阔的应用前景。

URFC将水电解技术(电能+2H₂O-2H₂+O₂)与燃料电池技术(2H₂+O₂-H₂O+电能)相结合，通过双功能催化剂实现两种工作模式在同一组件上进行。即执行燃料电池功能时，URFC实现氢氧复合并对外输出电能，执行水电解功能时，URFC在外加电能的条件下将水电解成氢气和氧气，达到储能的目的。

膜电极是URFC的核心部件之一。对URFC膜电极中的扩散层，要求具备适宜的亲疏水性能，才能保证在其不同工作模式下的传质平衡。同时，水电解工作模式下，活性氧物种在较高的阳极电位下对材料的腐蚀严重，因此，对扩散层基底材料及整平材料的选择必须满足耐腐蚀性的要求。

传统的扩散层疏水化处理方法是将扩散层直接放入疏水剂中浸渍一定时间，然后晾干、焙烧。这样制得的扩散层，疏水剂大多堆积在扩散层的表面，而无法渗透到扩散层的内部，表面疏水剂的过量聚集，影响了扩散层本身的导电性和透气性。

此外，在燃料电池中，通常以碳粉作为整平材料，以PTFE作为疏水性粘结剂。材料表面的浸润性能，取决于材料表面的化学组成和表面形貌，降低固体的表面自由能，能够提高固体表面的疏水性。在燃料电池中，PTFE的包覆，就是改变材料表面的形貌，达到疏水的目的。美国专利US5137754，6083638，5561000，7063913以及WO 00/54350等专利技术都是为了得到疏水性扩散层，通常会对碳基材(包括碳纸、碳布等)进行疏水处理，得到疏水的碳基材，再在其上进行涂布、浸渍或喷洒等方法在碳基材上使用疏水性高分子与碳颗粒的混合物，经高温焙烧热处理，得到疏水的扩散层方法。而在URFC中，需要使用强耐腐蚀性材料作为整平层，与传统的碳粉材料整平层相比亲水性较高，因此若同样采用PTFE作为疏水剂，达到相同的疏水效果，通过实验测定，PTFE的用量增加了8倍左右，极大的增大了电极电阻，使电极性能明显下降，因而存在着不可忽略的缺陷。

硅烷偶联剂是一类分子中同时具有能和无机材料(如金属)与有机材料(如合成树脂等)化学结合的反应基团。通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起。如果我们使用具有疏水功能的硅烷偶联剂与URFC耐腐蚀整平材料通过化学键的形式结合制备疏水性的扩散层，可解决传统方法制备的疏水性扩散层存在的不足。

本发明结合硅烷偶联剂的特点，将其与URFC的耐腐蚀整平材料结合，制备URFC扩散层。

发明内容

本发明的目的是提供一种一体式可再生燃料电池扩散层及其制备方法，改变传统的将整平材料与PTFE疏水剂直接共混使其达到疏水性的制备方法，通过含有疏水基团的硅烷偶联剂与整平材料之间形成化学键的方式制备扩散层，可降低电极的接触电阻，大大提高电池性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一体式可再生燃料电池扩散层，由碳材料或金属材料基底和催化整平层构成，所述的催化整平层为使用疏水化硅烷偶联剂进行预疏水处理的耐腐蚀整平材料制得；

所述耐腐蚀整平材料为：W、Mo、Ir或Ti的氧化物中的一种或者二种以上；或者是以Pt、Ir、Ti、W或Mo作为载体，担载的活性组分包括贵金属Pt、Pd、Au、Ru、Rh、Ir，及过渡金属Os、Ta、W或Ni的氧化物，它们中的一种或者二种以上的混合物。

疏水化硅烷偶联剂为碳主链上含氟的氯硅烷。

所述碳主链上含氟的氯硅烷为五氟苯基二甲基氯硅烷、三氟丙基甲基二氯硅烷、1H，1H，2H，2H-全氟辛基二甲基氯硅烷或1H，1H，2H，2H-全氟癸基二甲基氯硅烷。

所述扩散层使用的碳材料基底为碳纸或碳布；金属材料基底为金属纤维、泡沫金属、金属网或多孔金属板中的一种；疏水性粘结剂聚四氟乙烯或偏二氟乙烯。