CN104204302A - 多孔金属性扩散基材和聚合物分隔膜的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

多孔金属性扩散基材和聚合物分隔膜的组件
技术领域
本发明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。本发明还涉及制备这样的组件的方法。
背景技术
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(stretch metal)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。
WO 93/15529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WO 2006/15462、WO 2009/147084和WO 2009/147086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。WO 2006/015462、WO2009/147084和WO 2009/9147086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***-以单位膜表面积的性能来表示。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
根据本发明的第一方面，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。
根据本发明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，本发明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。
本发明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ASTM E128-61(相当于ISO 4003)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***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多层材料。多层材料可以由不同的材料形成，例如在其上具有烧结金属纤维网的编织的金属屏；或者由相同的材料形成，例如多层金属纤维网，例如不同纤维类型(直径、长度、化学类型或合金)或孔隙率的金属纤维网。
在一种优选的实施方案中，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，例如包括镍、钛、不锈钢、锆或它们的合金纤维，以及已知的在碱性环境中可相容使用的任何其它金属合金。
对于碱性电解池，镍纤维是最优选的，因为在碱性环境中镍在水电解中的反应性在使用本发明的组件时使得本发明的组件有可能获得高效率，即使没有使用催化剂。优选的金属纤维当量直径是5至100微米，更优选20－50微米。当量直径是指具有与金属纤维横截面相同表面积的圆的直径。
金属纤维的横截面可以是圆的或可以是多边形的(例如矩形、六边形、三角形、正方形)。如现有技术中所已知的，金属纤维可以是集束拉拔的，可以通过剃齿法或通过机加工制备。
金属纤维的平均纤维长度可以是1至100毫米，优选5至50毫米。
多孔金属性气体扩散基材的优选孔隙率范围为50至95％，更优选60至80％，带来对碱性电解池或碱性燃料电池最好效率的良好性质组合。
多孔金属性气体扩散基材可包括几个层，例如在未烧结金属纤维网上的几个烧结层，例如两层，例如三层。所述层可具有相同或不同的结构和/或组成，例如具有不同孔隙率的层。
多孔金属性气体扩散基材可包括一个或多个的筛网层(例如编织的金属筛网)。例如，筛网(例如1至6个筛网，优选2至4个筛网)可与一个或多个金属纤维网层共烧结。
在另一个优选的实施方案中，金属性气体扩散基材包括多个纤维网层，例如两层纤维网，其中部分或全部的纤维网层具有不同的物理性质。
可以使用包含多个不同的烧结或未烧结的金属纤维网层的金属性气体扩散基材。优选具有较细的纤维和/或较低孔隙率的层与聚合物分隔膜接触以提供良好且平滑的接触，因为较细的纤维在扩散基材与分隔膜之间提供较多的接触点。较均匀的接触和分隔膜上的等压降是结果，其增加电解池或燃料电池的效率。金属性气体扩散基材的其它层可包括较粗的纤维和/或具有较高的孔隙率水平，这对液体和气体产物的流通是有益的。使用较粗的纤维提供金属性气体扩散基材的稳定性和完整性以及因此的电解池或燃料电池堆的稳定性和完整性。
在更优选的实施方案中，金属性气体扩散基材包括多个纤维网层，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。
根据本发明的第二方面，提供了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。该组件适用于电解池或燃料电池。该组件包括如本发明第一个方面的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件以及第二多孔金属性气体扩散基材。聚合物分隔膜位于两个金属性气体扩散基材之间。第二多孔金属性气体扩散基材可选自与本发明第一个方面的金属性气体扩散基材相同的候选组。优选地，两个金属性气体扩散基材相同。
优选地，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聚合物分隔膜至少渗入第二多孔金属性气体扩散基材的顶部。好处是使用这样的组件的电解池或燃料电池的效率进一步提高。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于制备本发明第一个方面的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件的方法。该方法包括以下步骤：
－提供多孔金属性气体扩散基材，
－将包括聚合物粘结剂和分散在其中的无机亲水颗粒的浆料涂覆在多孔金属性扩散基材上以形成聚合物分隔膜。
“涂覆”意指将浆料层施加在多孔金属性气体扩散层的一侧上。可以使用任何已知的方法，如刀片或刮刀涂覆、挤压涂覆、狭缝(slot)涂覆、辊涂覆…
可在多孔金属性气体扩散基材上涂覆浆料前，在其上提供抗润湿剂，以限制浆料渗入金属性基材的程度。
对于本发明优选的是，将会涂覆第一多孔金属性气体扩散基材的所有功能表面以形成聚合物分隔膜。
优选地，在单一涂覆操作中进行涂覆。作为替代，可在不同步骤进行涂覆，其中每次施加一层浆料(相同或不同的浆料)。
在本发明的第三方面的优选实施方案中，浆料包括溶剂且该方法包括在将浆料涂覆在多孔金属性气体扩散基材上之后蒸发至少部分浆料溶剂的额外步骤。溶剂可部分或全部蒸发。
在本发明的第三方面的优选实施方案中，该方法包括在浆料已涂覆在多孔金属性气体扩散基材上之后凝聚浆料的额外步骤。凝聚步骤允许在多孔金属性气体扩散基材上形成聚合物分隔膜。
优选的浆料是这样一种组合物，其包括在溶剂中的成孔聚合物的溶液和在聚合物溶液中分散的氧化锆颗粒。
合适的成孔聚合物包括聚砜(PSU)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)、聚酯、聚醚砜(PES)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEK)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰胺(PA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、交联PVP、纤维素类(cellulosic)例如醋酸纤维素(CA)和三乙酸纤维素(CTA)、聚碳酸酯嵌段聚合物、选自硅橡胶、聚甲基戊烯、氯丁二烯、SBR、NBR、氨基甲酸乙酯、氯丁橡胶、腈、Buna、氨基甲酸乙酯、表氯醇、EPDM、丁基、天然橡胶(胶乳)、丙烯酸橡胶、氟橡胶和全氟橡胶橡胶，以及它们的混合物/共混物。进一步合适的膜聚合物包括氯化聚氯乙烯(CPVC)、丙烯腈例如与氯乙烯或丙烯酸乙酯的共聚物、聚丁二酸乙二酯(PESU)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)和纤维素类例如羟丙基纤维素(HPC)、羧甲基纤维素(CMC)和纤维素三苯氨甲酸酯(CTC)及其混合物/共混物以及它们的接枝衍生物(磺化的、丙烯酸酯化、氨化的……)
成孔聚合物优选包括聚砜(PSU)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚环氧乙烷(PEO)、聚甲基丙烯酸甲酯或其共聚物。从抗氧化/抗还原和成膜性质的观点来说，聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯(VDF)的共聚物和主要由聚偏氟乙烯组成的有机聚合物是尤其优选的。在这其中，偏氟乙烯(VDF)、六氟丙烯(HFP)和三氟氯乙烯(CTFE)的三聚物因它们优秀的膨胀性质、耐热性和与电极的粘附性而为优选的。
浆料可进一步包括亲水剂和稳定剂，例如聚丙二醇、乙二醇、三丙二醇、聚乙二醇(PEG)例如PEG 8000和PEG 20000、丙三醇、多元醇例如丙三醇，邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸双十一烷基酯(DUP)、异壬酸，并且还可以在相转化过程完成后但在干燥前引入新癸酸。其它合适的亲水聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、交联聚乙烯吡咯烷酮(PPVP)、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、甲基纤维素和聚环氧乙烷。
浆料中成孔聚合物溶液的溶剂优选为极性溶剂。合适的极性有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N-乙基吡咯烷酮(NEP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲酰胺、二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、乙腈和它们的混合物。通过在水中浸渍聚砜-NMP溶液形成的膜是多孔的。然而，可通过在水中浸渍聚砜-NMP-THF溶液获得不同的膜结构。通常，溶剂混合物的变化引起不同的膜形态以及由此的膜性能。
无机颗粒例如TiO2、HfO2、Al2O3、ZrO2、Zr3(PO4)4、Y2O3、SiO2、钙钛矿氧化物材料、碳化硅(SiC)和C(Pt/Rh/Ru)可单独或组合地使用或将其添加至浆料，其中优选氧化物和氢氧化物，例如氧化钛。无机氧化物和氢氧化物具有增加离子可渗透的分隔膜的离子电导率的额外优势。高度优选的材料是氧化锆颗粒。
在浸渍温度下浆料优选具有的在1s-1剪切下的粘度与在100s-1剪切下的粘度的比值为至少2.0，更优选至少2.5，最优选至少5。可通过添加无机颜料或聚合物作为增稠剂来提高粘度比。
相转化过程优选为这样一种过程，其中用溶剂(其是用于成孔聚合物的非溶剂)处理涂覆在多孔金属性气体扩散基材上的湿浆料层，以引起聚合物的聚结并在聚合物层中形成多孔结构。可通过将湿浆料层与非溶剂在蒸气相中接触和/或通过将湿浆料层浸渍在液相的非溶剂中来获得聚合物的聚结。在一个优选的过程中，湿浆料层在涂覆步骤之后马上转移通过被非溶剂的蒸气饱和的区域，通常随后将浆料层浸渍在非溶剂液体中。通常，浆料组合物的溶剂与引起聚结的非溶剂是可混溶的。将通过使湿浆料层浸渍在液相的非溶剂中的聚合物聚结称为凝聚。
非溶剂可以是任何溶剂，成孔聚合物对其具有差的溶解度使得聚合物沉淀(或凝聚)，更优选成孔聚合物对其是不可溶的。典型地，非溶剂包括水蒸气相(水蒸气或冷蒸汽，优选0.02至5巴的蒸气压力，并且尤其优选0.05-0.2巴的蒸气压力)、水、醇例如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、三丙二醇、聚丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、聚乙二醇单***和多元醇例如丙三醇，以及其中两种或更多种的混合物。如果使用水浴作为用于相转化的水蒸气源，那么例如整夜地可通过在水浴表面上的强制对流或通过使加热的水浴上方的封闭区域中的气氛与下方的加热的水浴平衡来获得蒸气。当相转化在水浴中发生时，当在水中从浆料去除的溶剂的浓度达到20重量％时，应优选替换水。因此，优选相转化是凝聚。
在涂覆步骤之后紧随的凝聚步骤中，在涂覆浆料的多孔金属性气体扩散层的两侧诱发孔形成。孔形成可分成两个阶段：表面孔形成(外孔)和整体孔形成(内孔)。通过与非溶剂蒸汽接触并随后成孔聚合物凝聚来形成表面孔。通过从非溶剂扩散至聚合物层中、随后通过萃取浆料组合物中的溶剂来形成整体孔。这给出了用于开发所需的复合物或复合孔结构的宽泛参数工具。相转化过程中蒸气或液体的使用确定了可获得的孔隙尺寸，采用蒸气诱发的相分离(VIPS)获得低于10μm的孔隙尺寸，采用液体诱发的相分离(LIPS)获得低于50nm的孔隙尺寸。分隔膜聚合物和颜料的选择也会影响孔隙尺寸。已知这样的分隔膜的结构取决于溶剂的去除速度。取决于非溶剂的选择，该速度明显不同。
通过在多孔金属性气体扩散层上涂覆而制备的分隔膜的优点是获得平滑表面和细的对称孔隙结构，其在饱和有电解质时为充分气密的以防止气体的混合并避免通过分隔膜发生气体泄漏。
在作为替代的方法中，可通过溶剂的蒸发(干相转化)进行分隔膜形成。浆料可包括两种溶剂，在这种情况下具有较低沸点的溶剂首先蒸发并形成膜组合物。具有较高沸点的溶剂被捕获在膜组合物的孔隙中并随后蒸发。
根据本发明的第四方面，提供了一种制备如本发明第二方面的包括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方法，该方法包括以下步骤：
-通过如在本发明的第三方面中限定的方法，提供第一多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件；
-当聚合物分隔膜在涂覆在第一多孔金属性气体扩散基材上后仍处于湿润状态下时，将第二多孔金属性气体扩散基材与聚合物分隔膜的一侧接触，该侧和与第一多孔金属性气体扩散基材接触的一侧相对。
本发明这个方面的优点是聚合物分隔膜与两个多孔金属性气体扩散基材都紧密接触(例如通过膜部分渗入两种多孔金属性气体扩散层的顶部)，导致使用该组件的电解池或燃料电池的效率增加。本发明这个方面的另一个优点是，可在单一连续的过程中制备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。可事先将催化剂施加在将与聚合物分隔体接触的第二多孔金属性气体扩散基材的一侧上。
在本发明第四个方面的特定实施方案中，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聚合物分隔膜通过以下方式获得：通过互相层叠如本发明第三个方面制得的两个组件，其中两个聚合物分隔膜表面互相面对以形成单一聚合物分隔膜。可通过热层叠(例如连续或非连续方式的热压)或通过施加合适的胶黏剂进行层叠。
本发明的第五个方面是包括如在本发明第一个方面中的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件的碱性电解池或碱性燃料电池。
本发明的另一个方面是包括如在本发明第二个方面中的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碱性电解池或碱性燃料电池。
附图说明
图1显示了如在本发明第一个方面中的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件的实例。
图2显示了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实例。
图3显示了可用于本发明的涂覆和凝聚生产线的实例。
具体实施方式
图1显示了如在本发明第一个方面中的多孔金属性气体扩散基材110和聚合物分隔膜130的组件100的实例。聚合物分隔膜130渗入多孔金属性气体扩散基材110的顶部150。
图2显示了两个多孔金属性气体扩散基材210，215并在其间具有聚合物分隔膜250的组件200的实例，其中聚合物分隔膜250渗入两个多孔金属性气体扩散基材210,215的顶部部分260，280。
根据本发明可用于将膜层涂覆在多孔金属性气体扩散层上的浆料的实例包含49.07重量％的氧化锆(例如来自MEL-Chemical的E101型)、8.66重量％的聚砜、1.10重量％的丙三醇和41.17重量％的N-乙基吡咯烷酮(NEP)。
图3显示了可用于将浆料层涂覆在多孔金属性气体扩散基材上的涂覆和凝聚生产线的实例。涂覆生产线300包括辊305，由其而来的多孔金属性气体扩散基材310是未卷绕的。经由张力补偿辊315和导向辊318，将多孔金属性气体扩散基材310引导通过浆料浸渍***，在此预计量狭缝式模头装置320向由反作用辊325支撑的多孔金属性气体基材310上施加浆料。在室330中存在蒸气相(冷蒸汽)，其中开始浆料的相转化。在被传送辊350运送至辊卷绕单元360之前，涂覆的多孔金属性气体扩散层移动通过浸渍浴340(并在多个导向辊345上)用于进一步相转化和分隔膜的清洗。
作为上述预计量狭缝式模头***的替代，还可使用简单的具有刮棒与基材之间可调整的距离的刮刀(或刮棒)涂覆机。在该情况下，涂覆重量取决于间隙距离、浆料的流变性质、涂覆速度和基材的性质。当使用预计量狭缝式模头时，涂覆重量仅取决于进料泵进给的流量、涂覆宽度和涂覆速度而不取决于浆料的流变性或基材的性质。
可通过转化、凝聚和通过浸渍在60℃温度下的水浴中以去除溶剂N-乙基吡咯烷酮(NEP)和丙三醇随后冲洗而进行的洗涤来实现相转化。由此获得50nm至100nm范围的孔隙尺寸。最后，将所得的多孔层在40℃下干燥60分钟。
已使用不同的多孔金属气体扩散基材制得根据本发明第一个方面的组件样品。第一组多孔金属性气体扩散基材为包括两个层的烧结不锈钢纤维网。第一层是在450克每平方米的8μm直径不锈钢纤维的顶部上的150克每平方米的6.5μm直径不锈钢纤维。将该组合物压缩并烧结成具有不同孔隙率值的两个样品：60％(具有8μm的平均孔隙尺寸)和80％(具有16μm的平均孔隙尺寸)。
第二组多孔金属性气体扩散基材为包括两个层的烧结不锈钢纤维网。第一层是在450克每平方米的22μm直径不锈钢纤维的顶部上的600克每平方米的12μm直径不锈钢纤维。将该组合物压缩并烧结成具有不同孔隙率值的两个样品：60％(具有15μm的平均孔隙尺寸)和80％(具有30μm的平均孔隙尺寸)。
第三组多孔金属性气体扩散基材为包括两个层的烧结不锈钢纤维网。第一层是在600克每平方米的30μm直径不锈钢纤维的顶部上的600克每平方米的22μm直径不锈钢纤维。将该组合物压缩并烧结成具有不同孔隙率值的两个样品：60％(具有27.5μm的平均孔隙尺寸)和80％(具有55μm的平均孔隙尺寸)。
通过将合适的浆料涂覆在多孔金属性气体扩散基材上已制得多孔气体金属扩散基材和聚合物分隔膜的组件。已制得的样品在多孔气体金属扩散基材上的分隔膜的干涂覆重量为200至400克每平方米。
已制得包括以下成分的浆料：
-49.07重量％的来自MEL-Chemicals的Zirconia型E101：一种具有0.658μm的平均颗粒尺寸；22.26m2/g的比表面积和0.140ml/g孔隙体积的二氧化锆；
-8.66重量％的聚砜(Solvay的P-1800 NT 11)；
-1.10重量％的丙三醇；和
-41.17重量％的N-乙基吡咯烷酮(NEP)。
首先将聚砜(Solvay的P-1800 NT 11)溶解在丙三醇和N-乙基吡咯烷酮的混合物中并搅拌超过30分钟，随后添加氧化锆并搅拌另外120分钟。
为了制备测试样品，使用如图3所描述的相似涂覆和凝聚装置，但是作为进给的狭缝式涂覆模头的替代，使用具有可调整的间隙的刮刀。
通过调整基材与刮刀之间的距离，施加不同厚度的浆料。还取决于浆料温度、涂覆速度、由刮刀提供的间隙和多孔金属基材的性质，获得了不同总涂覆重量的膜。取决于所提到的参数，施加的全部浆料的一部分渗入多孔基材中。
建造实验室电解池测试装置，以便评价已制得的(根据本发明的第一个方面)多孔气体金属扩散基材和聚合物分隔膜的组件。使用在水中的氢氧化钾作为电解质。暴露的测试样品是3cm乘以3cm(或9平方cm)的正方形。该测试样品(根据本发明的第一个方面)充当电解槽的阴极，而分隔膜面对涂覆铂的钛对电极(阳极)。使用EA源型PS 3016-20B以4安培的恒定电流设置(意指0.44安培/平方cm样品表面)向电解槽的阳极和阴极施加电压。控制并保持电解质的温度为70℃。在实验中以恒定的方式搅拌电解质。在恒定电流下的电解实验中，连续测量总功率消耗和所产生的气体(氢和氧)的体积。
根据本发明使用测试样品作为阴极的电解试验已显示，与当采用等同的多孔金属性扩散基材替换测试试样(阴极)并将其与等同的聚合物分隔膜紧密接触(通过施加压力)时相比，对于相同的气体产生速率(以每单位时间产生的气体体积测量)导致25％更低的功率消耗(以瓦特测量)。

Claims (14)

1.一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。
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.根据前述任一权利要求的组件，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，例如包括镍、钛、不锈钢、锆或它们的合金纤维，或者在碱性环境中可相容使用的任何其它金属合金。
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.根据前述任一权利要求的组件，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.根据前述任一权利要求的组件，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中任一项所述的组件的方法，该方法包括以下步骤：
－提供多孔金属性气体扩散基材，
－将包括聚合物粘结剂和分散在其中的无机亲水颗粒的浆料涂覆在所述多孔金属性气体扩散基材上。
9.根据权利要求8的方法，其中浆料包括溶剂，且其中该方法包括在将所述浆料涂覆在多孔金属性气体扩散基材上之后蒸发至少部分浆料溶剂的额外步骤。
10.根据权利要求8或9的方法，其中该方法包括在将浆料涂覆在所述多孔金属性气体扩散基材上之后凝聚所述浆料的额外步骤。
11.一种制备权利要求7所述的组件的方法，该方法包括以下步骤：
-通过权利要求8至10中任一项所述的方法提供第一多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件；
-当该聚合物分隔膜在被涂覆在所述第一多孔金属性气体扩散基材上后仍处于湿润状态时，将第二多孔金属性气体扩散基材与所述聚合物分隔膜的一侧接触，该侧和与所述第一多孔金属性气体扩散基材接触的一侧相对。
12.一种制备权利要求7所述的组件的方法，该方法包括以下步骤：
-通过权利要求8至10中任一项所述的方法提供多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的第一组件；
-通过权利要求8至10中任一项所述的方法提供多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的第二组件；
-将第一和第二组件层叠在一起，其中两个聚合物分隔膜表面互相面对以形成单一聚合物分隔膜。
13.碱性电解池或碱性燃料电池，其包括权利要求1至6中任一项所述的多孔金属性气体扩散基材和聚合物分隔膜的组件。
14.碱性电解池或碱性燃料电池，其包括权利要求7所述的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。
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