亲水性水传输板在固体聚合物电解质水电解池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种固体聚合物电解质水电解池用水传输板及其制备方法，该方法是先将纳米碳材料亲水化处理，再将亲水化处理后的纳米碳材料、导电添加剂、增强碳纤维与树脂粘结剂混合均匀后在模具中热压成形，即得亲水性水传输板，其中亲水纳米碳材料起到促进水传输的作用。本发明专利技术的水传输板将其作为固体聚合物电解质水电解池双极板具有良好的透水特性，不仅可以直接利用电解池冷却水实现静态供水，而且可以降低阳极浓差极化现象，提升高电密下的电解性能，降低电解池系统能耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水电解池
，属于水电解池亲水多孔双极板的制备方法，具体为一种固体聚合物电解质水电解池用水传输板及其制备方法。
技术介绍
聚合物电解质(SPE)水电解制氢技术具有产氢效率高、产氢纯度高、操作简单、维护方便、无污染等独特优点。按照供水方式的不同，SPE水电解池可以分为动态供水式和静态供水式。动态供水式的典型特征是水由泵动态输送至阳极腔室或阴极腔室。阳极动态供水的优点为阳极析氧水氧化反应不易受浓差极化的影响，电解池可以在大电流密度条件下运行；其缺点为产生的氢气和氧气都是水蒸汽饱和状态，给后续的水气分离和存储带来技术难度，并增加了寄生能耗和系统复杂度。阴极动态供水的优点为由阴极腔室扩散到阳极的水通量有限，产生的氧气携带水量少，简化了水氧分离系统；缺点为有限的水通量导致大电流密度工作条件下浓差极化增加，影响水电解性能。传统的静态供水是在水腔与阳极腔室(或阴极腔室)之间放置透水阻气膜，水由透水阻气膜渗透输入至阳极腔室(或阴极腔室)，无需泵动态输入。与动态供水相比，静态供水无泵移动部件，寄生能耗低，而且氢氧产气携带水量少，后续水气分离简单，电解系统整体简化。CN102181878A提出了一种静态供水质子交换膜电解水装置。该装置采用质子交换膜为透水阻气膜，直接将低压水电解成高压的氢气和氧气，节省了气体增压装置；并且电解产生的氢气和氧气含水量较低，节省了复杂的水气分离装置。但是质子交换膜的水通量有限，极大地限制了高电流密度条件下的电解池性能。UTC公司申请的“水传输板及其使用方法”专利技术专利【CN11794280】将导电石墨粉，增强碳纤维，纤维质纤维(软木浆)，热固性树脂和溶剂混合均匀后喷涂在筛网上，经真空干燥去筛网，滚压卷曲，多层叠压，高温石墨化，孔内亲水化处理等过程得到多孔碳水传输板。这种方法制备所得的水传输板虽然具有良好的气泡压力、透水性、平面电阻率和抗压屈服强度，但是制备过程需要进行高温碳化，碳化后石墨板质地较脆，不利于电池组装，且此方法制备过程繁琐复杂。InstituteofGasTechnology申请的专利技术专利【US5942347】将导电石墨粉，粘结剂树脂和亲水氧化物等混合热压得到水传输板。该技术中的亲水剂选自材料如Ti,Al和Si的氧化物及其混合物。但是因为该氧化物是电介的(dielectric)，使用所述此类型的亲水剂或润湿剂会增加这种分离板的电阻，从而影响了电池的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备固体聚合物电解质水电解池用水传输板的方法，保证组装后的固体聚合物电解质水电解池不仅可以直接利用冷却水实现静态供水，而且可以降低阳极浓差极化现象，提高高电密下的电解性能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：1)将碳材料置于浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中搅拌处理使其亲水化，其中浓硫酸的质量分数为70％-98％，浓硝酸的质量分数为65％-98％，浓硫酸和浓硝酸的体积比为1-5，亲水处理时间为1-24h，处理温度为20-50℃。2)亲水性水传输板由亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结性树脂混合均匀后用模具热压而成，其中亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂的比例为5-40wt％:40-80wt％:5-15wt％:10-20wt％，热压压力为1-10MPa,温度为100-250℃，时间为10-60min。3)将亲水性水传输板应用于固体聚合物电解质水电解池系统中不仅可以直接利用电解池冷却水实现静态供水，而且可以降低阳极浓差极化现象，提高高电密下的电解性能，降低电解池系统能耗。所述亲水碳材料为碳材料为碳粉、石墨粉、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或两种以上的混合物，其粒径为30-300nm。所述导电添加剂为石墨粉、碳粉、碳纳米管或石墨烯中的一种或两种以上的混合物，其粒径为10-150μm。。所述增强纤维为碳纤维或石墨纤维，直径为1-25μm，长径比为10-50。所述的粘结剂树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚砜、热塑性酚醛树脂、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、脲醛树脂、热固性酚醛树脂和三聚氰胺-甲醛树脂中的一种或两种以上的混合物。本专利技术的优点主要体现在：1.本专利技术制备的亲水性水传输板无需经过碳化和石墨化过程，制备过程简单，制备的水传输板韧性好，利于电解池的组装；2.本专利技术用处理的碳材料作为亲水填充剂，可有效降低板和扩散层的接触电阻；3.本专利技术用亲水碳材料在水传输板中形成亲水孔，有利于导水阻气；4.本专利技术制备的水传输板具有良好的透水、阻气、电导率特性，将亲水性水传输板与膜电极组装成固体聚合物电解质水电解池后，亲水性水传输板一侧直接与电解池的冷却水接触，部分冷却水透过亲水性水传输板用于电解反应过程，可以直接利用冷却水实现电解池的静态供水。此外，该水传输板良好的透水性能可以降低阳极浓差极化现象，提高高电密下的电解性能，降低电解池系统能耗。附图说明图1为亲水性水传输板透水量与水腔/气腔压差关系图；图2为亲水乙炔黑水传输板在阳极供水模式下的水腔压力与电解池性能关系图。图3为亲水乙炔黑水传输板在阳极供水模式下的水腔压力与电解池性能关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例1：将纳米乙炔黑(50nm)置于浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中搅拌处理，其中浓硫酸/浓硝酸体积比为5，处理温度为40℃，处理时间为10h。将亲水化处理的乙炔黑，导电石墨粉KS150(35μm)，导电碳纤维(直径为11μm，长径比为10)和热固性酚醛树脂混合均匀后用模具进行热压，各组分比例为5％:75％:10％:10％，热压温度为200℃(热固性酚醛树脂固化温度为190℃)，压力为4MPa，热压时间为40min，即得亲水乙炔黑水传输板，板厚度为1.3mm，一侧表面分布有平行的条形流场，条形流场的槽深为0.5mm。在自制的亲水乙炔黑水传输板的一侧通100ml/min的气体，一侧加水，对气腔和水腔加压，利用两侧压差测定水传输板的透水量，如图1所示。此水传输板气泡压力可达到0.15MPa。实施例2：将纳米乙炔黑(150nm)置于浓硝酸和浓硫酸的混合溶液中搅拌处理，其中浓硫酸/浓硝酸体积比为3，处理温度为25℃，处理时间为24h。将亲水化处理的乙炔黑，导电石墨粉KS75(50μm)，导电碳纤维(直径为20μm，长径比为30)和热塑性酚醛树脂混合均匀后用模具进行热压，各本文档来自技高网...

【技术保护点】
亲水性水传输板在固体聚合物电解质水电解池中的应用，其特征在于：所述亲水性水传输板由亲水纳米碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂混合均匀后热压而成；亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂的比例为5‑40wt％:40‑80wt％:5‑15wt％:10‑20wt％。

【技术特征摘要】
1.亲水性水传输板在固体聚合物电解质水电解池中的应用，其特征
在于：所述亲水性水传输板由亲水纳米碳材料、导电添加剂、增强纤维和
粘结剂树脂混合均匀后热压而成；
亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂的比例为5-40wt％:
40-80wt％:5-15wt％:10-20wt％。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：热压压力为1-10MPa,温
度为100-250℃，时间为10-60min。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述纳米碳材料为碳粉、
石墨粉、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或两种以上的混合物；
所述亲水碳材料的制备方法为：将纳米碳材料置于浓硫酸和浓硝酸的
混合液中搅拌处理在其表面引入亲水性基团；所述的亲水碳材料粒径为
30-300nm。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：浓硫酸的质量分数为
70％-98％，浓硝酸的质量分数为65％-98％，浓硫酸和浓硝酸的体积比为1:1-
1:5，亲水处理时间为1-24h，处理温度为20-50℃。
5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志刚，王浚英，郭晓倩，王志强，迟军，衣宝廉，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21