一种PEM水电解阳极扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种PEM水电解阳极扩散层及其制备方法，涉及PEM水电解技术领域，阳极扩散层包括多孔层和微孔层，多孔层为二氧化钛纳米纤维支撑层，由至少两层的钛纳米纤维层经热压、煅烧制得，二氧化钛纳米纤维支撑层的表面制备有微孔层，微孔层包括铂黑、球形脱氢钛粉和粘结剂；由钛纳米纤维分批次放置于热压机上进行热压，每次添加的钛纳米纤维的质量逐渐增加；本发明专利技术的阳极扩散层具有较强的支撑性和韧性，孔隙率高且孔道分布均匀，提高了水电解运行时水气传输能力，多孔层中添加PTFE，提高了疏水性，利于水和气的传导，微孔层中加入脱氢钛粉提高了扩散层的导电性，加入铂黑促进水电解反应的进行，使得膜电极的电化学性能显著提高。使得膜电极的电化学性能显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种PEM水电解阳极扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术属于PEM水电解
，尤其涉及一种PEM水电解阳极扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着国内对绿色环保工作的不断深入，氢能作为一种理想的清洁能源未来潜力巨大，氢气需求量将不断提高。PEM水电解技术可以利用风、光等可再生能源过剩电量电解制氢，同时缓解电网压力。PEM水电解制氢具有众多优势，制氢过程中仅需水做原料，产物氢气氧气纯度高，氢氧互渗情况轻微。电解过程高效、安全、无毒无害，设备结构紧凑，可实现就地制氢。
[0003]在现阶段，由于PEM水电解本身的特性，阳极扩散层通常独立地作为电解池的组件之一，其在PEM水电解池中起着导电，分隔水流与气泡，支撑等作用。因此对阳极扩散层材料的机械性能、导电性能、化学稳定性、成本等方面同时具有很高的要求，其成本在PEM电堆各部件中占很大一部分，对低成本、高化学稳定性、高电导性的阳极扩散层的研究至关重要。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，导致大部分材料无法长时间高效使用。
[0004]阳极扩散层的孔径和孔结构会明显影响气液两相传输，研究发现随着钛毡平均孔径减小，PEM水电解性能逐渐增强，电极上产生的气泡会导致水供应的降低。当平均孔径小于50μm时，水供应降低对阻抗的影响会被限制，从而增加电极和钛毡的均一接触，降低接触电阻和活化过电位。当PEM电解槽内电解反应进行时，电解槽阳极为酸性环境，电解电压通常高于1.6V，因此必须选用稳定性好的钛材料。阳极扩散层常用的多孔烧结钛板和钛纤维毡的孔隙结构可以满足PEM电解池的传质需要及实现较高的电解性能，其中钛纤维毡厚度最低达0.25mm，孔隙率高达70％，其结构更有利于气液传质。但未经处理的金属钛在氧化性环境中会在表面生成一层二氧化钛薄膜，导致电导率大幅降低。此外，钛纤维毡机械性能可满足电解池需要，价格较昂贵。钛网价格低廉，孔隙率较高但孔过大，厚度大于1mm，基本无法满足传质需要，用于电解池实际性能最差。出于电解池性能考虑，选择钛纤维毡做扩散层最为适合。
[0005]现在已有一系列针对PEM水电解阳极扩散层的研究，传统的制备方式采用浓盐酸刻蚀焙烧还原法将贵金属混合氧化物涂层制备在钛纤维毡表面，将此修饰后的钛纤维毡用做PEM水电解池的阳极扩散层。此方法对钛纤维毡的厚度及膜电极组件制备方法进行了优化。优化后的阳极扩散层具有良好的导电性、化学与机械稳定性及抗腐蚀性能，但是酸刻蚀法酸浓度较低，刻蚀时间较长，长时间低浓度酸刻蚀将造成钛纤维毡中纤维断裂机械强度大幅下降，或表面粗糙度过低，钛纤维毡的精细结构被破坏，在组装电解池时可能割破质子交换膜，造成膜电极失效。
[0006]综上所述，传统的阳极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，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，因此导电性差、易氧化、涂层易脱落、成本高等问题大大制约了PEM水电解阳极扩散层的发展。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种PEM水电解阳极扩散层及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种PEM水电解阳极扩散层，包括多孔层和微孔层，所述多孔层为二氧化钛纳米纤维支撑层，所述二氧化钛纳米纤维支撑层由至少两层的钛纳米纤维层经热压、煅烧制得，所述二氧化钛纳米纤维支撑层的表面制备有微孔层，所述微孔层包括铂黑、球形脱氢钛粉和粘结剂。
[0009]进一步地，至少两层的钛纳米纤维层经热压后的厚度为60
‑
120μm，所述微孔层的厚度为100
‑
200μm，所述微孔层中铂黑、球形脱氢钛粉和粘结剂的质量比为1∶5
‑
10∶3
‑
7。
[0010]进一步地，钛纳米纤维层中的钛纳米纤维的直径为50
‑
200nm。
[0011]一种上述的PEM水电解阳极扩散层的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤一：称取钛酸四丁酯、聚乙烯咯烷酮(PVP)、聚四氟乙烯(PTFE)以及醇溶剂，搅拌混合均匀，制得静电纺丝浆料；
[0013]步骤二：控制静电纺丝电压，将步骤一制备的静电纺丝浆料制成钛纳米纤维；
[0014]步骤三：将步骤二制备的钛纳米纤维分批次放置于热压机上进行热压，控制热压温度和压力，得到多层钛纳米纤维层，其中，每次添加的钛纳米纤维经热压后制成钛纳米纤维层，钛纳米纤维层的层数至少为两层，每次添加的钛纳米纤维的质量逐渐增加，即后一次添加的钛纳米纤维的质量大于前一次钛纳米纤维的质量；
[0015]步骤四：将步骤三制备的多层钛纳米纤维层进行煅烧，制得二氧化钛纳米纤维支撑层；
[0016]步骤五：称取球形脱氢钛粉、铂黑、造孔剂、粘结剂以及醇溶剂，混合分散均匀，制得微孔层浆料；
[0017]步骤六：采用涂布工艺将步骤五制备的微孔层浆料均匀涂布在步骤四制备的二氧化钛纳米纤维支撑层的表面，并进行煅烧，制得阳极扩散层。
[0018]进一步地，步骤一中，钛酸四丁酯、聚乙烯咯烷酮(PVP)、聚四氟乙烯(PTFE)以及醇溶剂的质量比为1∶0.05
‑
0.2∶0.1
‑
0.3∶5
‑
10；静电纺丝浆料的粘度为300
‑
700cp。
[0019]进一步地，步骤二中，静电纺丝的电压为1
‑
10KV。
[0020]进一步地，步骤三中，热压温度为100
‑
160℃，压力为5
‑
12MPa，压力随钛纳米纤维量的增加逐渐增大，即后一次的压力大于前一次的压力。
[0021]进一步地，步骤四中，煅烧温度为280
‑
460℃；步骤六中，煅烧温度为600
‑
800℃。
[0022]进一步地，步骤五中，铂黑、球形脱氢钛粉、粘结剂、造孔剂以及醇溶剂的质量比为1∶5
‑
10∶3
‑
7∶0.02
‑
0.05∶20
‑
50；微孔层浆料的粘度为200
‑
400cp；铂黑的粒径尺寸为3
‑
8nm，
球形脱氢钛粉的粒径尺寸为10
‑
50nm。
[0023]球形脱氢钛粉一方面导电作用，另一方面其结构比较均匀，形状比较规整，故制备的微孔层孔径分布均匀。
[0024]进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEM水电解阳极扩散层，其特征在于，包括多孔层和微孔层，所述多孔层为二氧化钛纳米纤维支撑层，所述二氧化钛纳米纤维支撑层由至少两层的钛纳米纤维层经热压、煅烧制得，所述二氧化钛纳米纤维支撑层的表面制备有微孔层，所述微孔层包括铂黑、球形脱氢钛粉和粘结剂。2.如权利要求1所述的PEM水电解阳极扩散层，其特征在于，至少两层的钛纳米纤维层经热压后的厚度为60
‑
120μm，所述微孔层的厚度为100
‑
200μm，所述微孔层中铂黑、球形脱氢钛粉和粘结剂的质量比为1∶5
‑
10∶3
‑
7。3.如权利要求1所述的PEM水电解阳极扩散层，其特征在于，钛纳米纤维层中的钛纳米纤维的直径为50
‑
200nm。4.一种如权利要求1～3任一项所述的PEM水电解阳极扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：称取钛酸四丁酯、聚乙烯咯烷酮、聚四氟乙烯以及醇溶剂，搅拌混合均匀，制得静电纺丝浆料；步骤二：控制静电纺丝电压，将步骤一制备的静电纺丝浆料制成钛纳米纤维；步骤三：将步骤二制备的钛纳米纤维分批次放置于热压机上进行热压，控制热压温度和压力，得到多层钛纳米纤维层，其中，每次添加的钛纳米纤维经热压后制成钛纳米纤维层，钛纳米纤维层的层数至少为两层，每次添加的钛纳米纤维的质量逐渐增加；步骤四：将步骤三制备的多层钛纳米纤维层进行煅烧，制得二氧化钛纳米纤维支撑层；步骤五：称取球形脱氢钛粉、铂黑、造孔剂、粘结剂以及醇溶剂，混合分散均匀，制得微孔层浆料；步骤六：采用涂布工艺将步骤五制备的微孔层浆料均匀涂布在步骤四制备的二氧化钛纳米纤维支撑层的表面，并进行煅烧，制得阳极扩散层。5.如权利要求4所述的PEM水电解阳极扩散层的制备方法，其特征在于，步骤一中...

【专利技术属性】
技术研发人员：路文龙，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：