[發明專利]用于一體式可再生燃料電池的雙效膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 200910199030.9
• 申請日: 2009-11-19
• 公開（公告）號: CN102074715A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 張新榮;張偉;王濤;劉向;童莉
• 申請（專利權）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 金家山

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體涉及一種用于一體式可再生燃料電池(URFC)的雙效膜電極(MEA)；本發明還涉及該雙效膜電極的制備方法。

背景技術

可再生燃料電池(RFC)，比能量很高，可達400～1000Wh/kg，而且使用中無自放電現象，不受放電深度及電池容量限制。目前，長時間持續運行平流層等新型空間飛行器正逐漸向小型化和大功率方向發展，可充電池較低的質量比能量和有限的充放電循環壽命已逐漸無法適應新型空間飛行器的發展趨勢，而RFC比能量能夠達到目前最輕的高能可充電池比能量的幾倍，且產生的高壓H₂、O₂可用于新型空間飛行器、空間站和衛星的姿態控制，以及對宇航員的生命提供保障，在新型空間飛行器等空間電源領域具有極為廣闊的應用前景。

一體式可再生燃料電池(URFC)的燃料電池(FC)功能和水電解(WE)功能是由同一組件完成，既可以實現燃料電池功能又可以實現水電解功能，不僅可以降低RFC的成本，而且最大限度地降低RFC的體積和重量，提高體積和質量比功率及比能量，能量密度高，使用壽命長，使用中無自放電且無放電深度及電池容量的限制，是RFC中最先進的一種技術，成為RFC發展的必然趨勢，能夠滿足空間飛行器對體積和質量越來越高的要求，是目前國內外的研究重點。

美國在RFC技術方面的研究一直處于領先地位。隨著RFC向更大功率更長運行時間方向發展，其系統復雜、價格昂貴、體積和質量大的缺點逐漸顯現出來。Lawrence?Livermore?National?Laboratory(LLNL)認為將RFC的FC功能和WE功能合一的URFC系統將為以太陽能工作的空間飛行器提供更加優越的能量存儲系統，并在URFC技術結合風能和太陽能領域取得重大進展。美國的LLNL目前正在研發利用太陽能和URFC的組合系統為空間飛行器提供能源。1996年，在美國DOE、NASA等機構的資助下，LLNL的Mitlitsky成功開發出50W的URFC系統，該示范電池單池面積46cm2，循環次數超過2000次，且能量衰減率低于10％。美國質子能系統公司(ProtonEnergy?System?Inc.)在美國國家航空航天局(NASA)的資助下研究開發零重力及微重力環境下工作的URFC系統，以期作為衛星推進系統、太陽能飛行器、空間站以及行星基地的空間電源系統。通過努力，他們將一個已商業化的活性面積為0.1平方英尺的質子交換膜水電解裝置改造成一個URFC系統。該電池的性能無論是在燃料電池工作模式還是水電解工作模式下性能都超出了LLNL所研究的URFC的性能。德國、日本、歐洲等國家在URFC領域也有一定規模的研究。

URFC的技術難度主要是雙效膜電極的FC/WE循環壽命低。主要是因為：URFC在水電解模式工作時，新生態氧對膜電極產生很大的腐蝕，進而影響雙效膜電極的循環壽命，在實驗過程中出現的技術問題有：1)URFC在經過FC和WE多次循環反應后，膜電極的腐蝕和分層問題；2)氧電極擴散層的腐蝕問題。

傳統燃料電池MEA的制備方法是CCS(Catalyst?Coated?on?Substrate)工藝，將催化層涂覆在擴散層基體上，通過熱壓工藝將電極和質子膜組合而成MEA。CCS工藝的缺點是：URFC水電解模式工作時，在質子交換膜和催化層界面上發生的析氫和析氧將會導致質子交換膜(PEM)和催化層的分離。目前燃料電池多使用碳材料作為氧電極擴散層材料，但URFC在水電解模式工作時氧電極產生的活性氧物種在較高的電解電位下對碳紙擴散層有很強的腐蝕性，導致MEA性能不穩定，電池性能下降較快，所以碳材料不宜直接作為URFC膜電極的氧電極擴散層。這就要求氧電極擴散層必須選擇耐蝕性較強的多孔燒結金屬材料，由此產生的問題是：多孔燒結金屬擴散層與膜電極以及流場板之間接觸電阻增大，影響電池性能，這就要求氧電極擴散層既要滿足耐蝕性能的要求，又要保持良好的導電性以降低MEA和流場板之間的接觸電阻。

因此，如何選擇URFC雙效膜電極的制備工藝，尋求合適雙效氧電極擴散層材料，解決URFC水電解模式產生的活性氧物種的腐蝕問題，提高雙效膜電極的循環壽命成為URFC的技術難點。

發明內容

為了解決URFC水電解模式工作時活性氧物種產生的膜電極的腐蝕和分層以及氧電極擴散層的腐蝕問題，本發明所要解決的技術問題是提供一種高穩定性的用于一體式再生燃料電池的雙效膜電極。本發明提高了膜電極的循環壽命。

本發明所要解決的另一技術問題是提出該雙效膜電極的制備方法。