本发明专利技术提供一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：先将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；而后将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；最后将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。本发明专利技术采用颗粒均匀分布的金属钛粉以及不同的流延处理方法，能够制备得到具有梯度孔结构的PEM水电解池阳极多孔扩散层。电解池阳极多孔扩散层。电解池阳极多孔扩散层。
【技术实现步骤摘要】
一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于水电解池材料
，具体涉及一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]近年来，氢气被广泛应用在合成氨、食品加工、电子技术以及生物医学等领域，其具有重要的应用前景。然而，面对日益严峻的能源短缺问题，开发氢能源被认为是一种能够解决能源危机的有效途径之一。氢气作为一种绿色能源，其氧化产物为水，具有对环境无污染的优势；同时，水又能够分解并制备得到氢气，因此能够循环利用，是目前亟需开发的清洁能源之一。
[0003]固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)电解水制氢是一种新兴的电解水技术，其具有制氢压力高、氢气纯度高、占地面积小、启动速度快以及与可再生能源能够良好地耦合等优点。
[0004]通常，一个PEM水电解单池包括以下组件：膜电极组件(Membrane Electrode Assembly，MEA)、集流板、流场板、密封圈、绝缘板、端板和紧固件等。膜电极组件是电化学反应的主要场所，因此是电解池的核心组成部分，并对电解池的性能起着至关重要的作用。MEA的结构通常包括五部分，具体分别为阳极多孔扩散层(PTL)、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层和阴极多孔扩散层。阳极多孔扩散层通常独立地作为电解池的组件之一，但是阳极多孔扩散层的材料种类选择有限，主要是由于电化学反应过程中的高氧化电位和酸性环境，此外阳极多孔扩散层还需具备较高的机械强度来负载催化层，现有技术中通常采用有经过钝化处理的多孔材料。
[0005]传统的多孔材料用作气体扩散层存在以下问题：一是内部孔隙结构比较复杂且孔道无序，导致气体和水在其内部存在较大的阻力，流体通过性较差，进而影响了整个电解反应的效率；二是多孔材料表面的孔隙形状不规则，导致其在与催化层接触时多为线接触状态，使得接触效率低和活性位点少，降低了析氧反应的速度，同时也造成了界面之间的接触电阻较大，进一步增加了电解池的能耗；三是多孔材料表面的孔隙较大且孔径大小不一，为了防止质子交换膜在阴极和阳极的高压差作用下产生剪切力而造成破坏，通常需要使用比孔径更大的质子交换膜，从而增加了内阻和系统能耗；四是多孔材料的孔隙度过大，不适用于进行较大活性面积的电解反应。
[0006]因此，基于以上考虑，在本领域中，亟需开发一种阳极多孔扩散层材料，其不仅具有有序且适宜的孔径结构，同时还与膜电极接触时具有较小的电阻，并且制备得到的电解池具有较高的反应效率以及较低的能耗。
技术实现思路
[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。本专利技术采用颗粒均匀分布的金属钛粉，金属钛粉在烧结后形成的金
属钛层具备有良好的耐腐蚀性和较高的电子传导性。同时本专利技术采用不同的流延处理方法，并加入造孔剂进行复合，能够制备得到具有梯度孔结构的PEM水电解池阳极多孔扩散层。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：
[0010](1)将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；
[0011](2)将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；
[0012](3)将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
[0013]本专利技术通过采用颗粒均匀分布的金属钛粉，金属钛粉在烧结后形成的金属钛层具备有良好的耐腐蚀性和较高的电子传导性。另外，还可以在金属钛粉浆料中加入造孔剂，并经过流延处理和相转化固化处理来制备具有不同孔径的PEM水电解池阳极多孔扩散层。此外，本专利技术中不加入造孔剂浆料能够得到具有基底层、多孔层和表层三层结构的阳极多孔扩散层，并进一步通过采用双层流延和相转化固化处理，即表层或基底层加入造孔剂浆料，而其余两侧均采用金属钛粉流延浆料，由于造孔剂在后续的高温煅烧过程中能够被去除，从而获得具有两层结构的阳极扩散层。
[0014]优选地，所述造孔剂浆料的制备方法如下：
[0015]将粘接剂和分散剂与溶剂进行混合，并加入造孔剂进行球磨，得到所述造孔剂浆料。
[0016]优选地，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(3wt％
‑
20wt％):(0.1wt％
‑
5wt％):(21wt％
‑
71wt％):(15wt％
‑
45wt％)，优选为(6wt％
‑
15wt％):(0.8wt％
‑
3wt％):(50wt％
‑
70wt％):(25wt％
‑
35wt％)，例如可以为3wt％:5wt％:71wt％:21wt％、5wt％:3wt％:65wt％:27wt％、6wt％:3wt％:65wt％:26wt％、8wt％:2wt％:60wt％:30wt％、11.4wt％:1.6wt％:57wt％:30wt％、15wt％:1wt％:50wt％:34wt％、20wt％:1wt％:35wt％:44wt％。
[0017]在本专利技术中，通过调整所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比，使得形成更加均匀的浆料，造孔剂占比过低则形成的孔较少，不利于反应物的传输，造孔剂占比过高则会造成形成的孔较多，整体机械强度降低。
[0018]优选地，所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂。
[0019]优选地，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯。
[0020]优选地，所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0021]优选地，所述造孔剂包括石墨或淀粉。
[0022]优选地，所述球磨的时间为24
‑
72h，例如可以为24h、28h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、72h。
[0023]优选地，步骤(1)中所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂。
[0024]优选地，步骤(1)中所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯。
[0025]优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0026]优选地，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为50
‑
150μm，优选为75
‑
100μm，例如可以为50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm。
[0027]在本专利技术中，通本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，其特征在于，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：(1)将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；(2)将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；(3)将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料的制备方法如下：将粘接剂和分散剂与溶剂进行混合，并加入造孔剂进行球磨，得到所述造孔剂浆料。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(3wt％
‑
20wt％):(0.1wt％
‑
5wt％):(21wt％
‑
71wt％):(15wt％
‑
45wt％)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(6wt％
‑
15wt％):(0.8wt％
‑
3wt％):(50wt％
‑
70wt％):(25wt％
‑
35wt％)。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂；所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯；所述溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮；所述造孔剂包括石墨或淀粉；所述球磨的时间为24
‑
72h。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂；所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯；所述有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为50
‑
150μm。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为为75
‑
100μm。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为(3wt％
‑
15wt％):(0.1wt％
‑
2wt％):(21wt％
‑
45wt％):(43wt％
‑
65wt％)。10.根据权利要求9所述的方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：李春峰，张玉月，
申请(专利权)人：阳光氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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