一种PEM水电解双极板及制备方法技术

本发明专利技术公开一种PEM水电解双极板及制备方法，属于水电解制氢领域。包括金属复合板体，所述金属复合板体由泡沫镍和含钛浆料组成，所述含钛浆料填充在泡沫镍内部，同时所述泡沫镍外表面涂覆有含钛浆料形成的含钛物质层；所述金属复合板体的上下两表面均设置球形脱氢钛粉层，其中一面的球形脱氢钛粉层上设置功能涂层，所述功能涂层形成双极板的流场结构；所述含钛浆料和所述功能涂层中包含球形雾化钛粉。所述PEM水电解双极板具有优异的导热性、导电性、耐蚀性，板体更轻，满足水电解双极板的工作要求。要求。

【技术实现步骤摘要】
一种PEM水电解双极板及制备方法


[0001]本专利技术属于水电解制氢领域，具体涉及一种PEM水电解双极板及制备方法。

技术介绍

[0002]随着全社会对环境保护越来越重视，对于氢能的使用也逐渐受到关注。水电解制氢技术因为可以安全高效的获得氢气而备受青睐。水电解制氢的设备是电解槽，可以通过电能将水电解成氢气和氧气。氢气和氧气分别位于双极板两侧。双极板作为电解槽的核心部件之一，直接影响到整个电解槽的性能。
[0003]双极板是质子交换膜水电解技术的关键技术之一，双极板上具有流场结构，流场结构包括流道脊背、扰流柱、氢氧框、过桥区，除此之外，双极板上还包括流道沟槽、处扰流柱的其他扰流区以及氢氧腔，流道脊背、流道沟槽、氢氧框、过桥区以及含有扰流柱的扰流区形成双极板的流场结构。它在水电消化池中具有支撑、气体隔离、传导和散热功能，因此，对双极板材料的机械性能、导电性、导热性、化学稳定性和成本都有很高的要求，研究低成本、高化学稳定性、高导电性的双极板具有重要意义。常用的双极板材料有三种：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨材料价格低廉，加工工艺简单，但石墨的力学性能较差，在高压下易破碎；复合材料的化学稳定性良好，但导电、电热和机械性能较差。传统的工艺制备水电解双极板，一般采用纯钛或者其他高导电性的复合材料，制备成本高，工艺复杂，需要单独或者额外加工水电解沟槽、流道等部分，在进行加工，造成大量的材料浪费，因此研究如何提高水电解双极板制备成本和性能，是水电解发展的重中之重。
[0004]现阶段水电解双极板的生产工艺仍停留在单批次或者加工材料的连续制备上，却不能连续批量化生产水电解双极板，研究如何实现水电解双极板的连续批量化生产，迎合水电解发展的需求，开发水电解双极板的连续批量化生产，是解决当前水电解快速发展应用的重要方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种PEM水电解双极板及制备方法，包括复合板体和功能层，板体为泡沫镍和钛浆料混合热压制成的复合板体，功能层为通过等离子喷涂加模具印刷方式制备而成具有流场结构的钛层。本专利技术可实现复合板整体面的均匀性，在整套产线中，可实现卷材的连续化处理，避免了水电解双极板的常规的复杂处理。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]本专利技术提供了一种PEM水电解双极板，包括金属复合板体，所述金属复合板体由泡沫镍和含钛浆料组成，所述含钛浆料填充在泡沫镍内部，同时所述泡沫镍外表面涂覆有含钛浆料形成的含钛物质层；所述金属复合板体的上下两表面均设置球形脱氢钛粉层，其中一面的球形脱氢钛粉上设置功能涂层，所述功能涂层形成双极板的流场结构；所述含钛浆料和所述功能涂层中包含球形雾化钛粉。
[0008]进一步地，所述球形雾化钛粉的粒径为20
‑
50μm；所述球形脱氢钛粉的粒径为30
‑
100μm；所述球形脱氢钛粉层中含有微孔，所述微孔的孔径为100nm
‑
10μm的孔，所述微孔均通过制备过程中流量、频率、次数等参数控制并结合球形脱氢钛粉粒径控制得到，最终通过显微镜等精密测量仪器测量得出。
[0009]进一步地，所述泡沫镍的厚度为2
‑
4mm，孔径为0.1mm
‑
10mm，孔隙率为50％
‑
98％，通孔率为≥98％，体积密度为0.1
‑
0.8g/cm3；所述泡沫镍外表面的含钛浆料层的厚度为0.5
‑
1mm；所述球形脱氢钛粉层的厚度为0.1
‑
0.3mm，所述功能涂层的厚度为0.2
‑
0.5mm。
[0010]本专利技术还提供了一种PEM水电解双极板的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：
[0011](1)金属复合板体的制备：将含钛浆料填充至泡沫镍内部，同时涂覆至泡沫镍外表面将其均匀包覆；然后进行烘干、热压，得到金属复合板体；
[0012](2)采用等离子喷涂的方式将球形脱氢钛粉均匀喷涂至金属复合板体表面，形成球形脱氢钛粉层；
[0013](3)采用模具印刷的方式将功能涂层浆料印刷至球形脱氢钛粉层上形成流场结构；此处所述的流场结构为广义的流场结构，包括但不限于流场反应区(流道脊背和流到沟槽)，例如，还包括双极板的进出口边框，密封框等(氢氧框)，流场分配区，过桥区，或者是扰流区，本领域技术人员根据实际需要可以通过模具印刷形成各种结构。
[0014](4)烘干退模，得到PEM水电解双极板。
[0015]本专利技术还提供了一种制备所述的PEM水电解双极板的连续化生产产线，所述生产产线具有传动机构，所述传动机构包括多组供泡沫镍卷材张紧安装实现传送的传送辊、以及分别安装在首尾的放卷辊、收卷辊，沿所述传动机构的传送方向，依次设有放卷辊、清洗区、烘干区Ⅰ、注料区、烘干区Ⅱ、热压区、喷涂区、切割区、印刷区、烘干区Ⅲ和收卷辊；
[0016]所述注料区内设有多组注料管，所述热压区内设有多组压力辊，所述喷涂区内设有多组等离子喷头，所述切割区内设有多组切割辊，所述印刷区内设有传送带机构，延传送带机构的传送方向，依次设有人工位、印刷平台和刮刀；
[0017]所述注料管、压力辊、等离子喷头、切割辊均均对称分布于泡沫镍卷材的上方和下方。
[0018]本专利技术还提供了一种利用所述的生产产线批量化制备PEM水电解双极板的方法，包括以下步骤：
[0019]1)将泡沫镍卷材张紧置于传动机构中进行传送；
[0020]2)泡沫镍卷材依次经过清洗区的清洗、烘干区Ⅰ的烘干后进入注料区；
[0021]3)多组所述注料管依次工作，首先将含钛物质浆料填充至泡沫镍内部，其次将将含钛物质浆料涂覆至覆盖泡沫镍表面，随后进入烘干区Ⅱ进行烘干；
[0022]4)烘干后，进入热压区，压力辊均匀连续挤压带有含钛浆料的泡沫镍卷材，得到金属复合板体；
[0023]5)金属复合板体进入喷涂区，球形脱氢钛粉经等离子喷头喷涂至金属复合板体的上、下两面，形成球形脱氢钛粉层；
[0024]6)形成球形脱氢钛粉层的金属复合板体进入切割区，在切割辊的切割下，得到具有氢腔和氧腔的金属复合板体；
[0025]7)切割下来的金属复合板体进入印刷区，在人工位中，将模具放置在金属复合板体表面，只有传送进入印刷平台，印刷平台的上料区将功能涂层浆料注于模具上，最后再刮
刀的作用下，将功能涂层浆料印刷至金属复合板体表面，形成功能涂层；
[0026]8)进入烘干区Ⅲ进行烘干，烘干完成后，退模，完成PEM水电解双极板的制作。
[0027]进一步地，步骤3)中含钛物质浆料的填充流量为0.1
‑
5mL/min，时间为5s
‑
5min。
[0028]进一步地，步骤7)中所述刮刀与金属复合板体的接触压力为0.05
‑
0.1Mpa。
[0029]进一步地，所述含钛浆料和所述功能涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEM水电解双极板，其特征在于：包括金属复合板体，所述金属复合板体由泡沫镍和含钛浆料组成，所述含钛浆料填充在泡沫镍内部，同时所述泡沫镍外表面涂覆有含钛浆料形成的含钛物质层；所述金属复合板体的上下两表面均设置球形脱氢钛粉层，其中一面的球形脱氢钛粉层上设置功能涂层，所述功能涂层形成双极板的流场结构；所述含钛浆料和所述功能涂层中包含球形雾化钛粉。2.根据权利要求1所述的一种PEM水电解双极板，其特征在于：所述球形雾化钛粉的粒径为20
‑
50μm；所述球形脱氢钛粉的粒径为30
‑
100μm；所述球形脱氢钛粉层中分布有微孔，所述微孔的孔径为100nm
‑
10μm。3.根据权利要求1所述的一种PEM水电解双极板，其特征在于：所述泡沫镍的厚度为2
‑
4mm，孔径为0.1mm
‑
10mm，孔隙率为50％
‑
98％，通孔率为≥98％，体积密度为0.1
‑
0.8g/cm3；所述泡沫镍外表面的含钛浆料层的厚度为0.5
‑
1mm；所述球形脱氢钛粉层的厚度为0.1
‑
0.3mm，所述功能涂层的厚度为0.2
‑
0.5mm。4.一种PEM水电解双极板的制备方法，其特征在于：所述制备方法包含以下步骤：(1)金属复合板体的制备：将含钛浆料填充至泡沫镍内部，同时涂覆至泡沫镍外表面将其均匀包覆；然后进行烘干、热压，得到金属复合板体；(2)采用等离子喷涂的方式将球形脱氢钛粉均匀喷涂至金属复合板体表面，形成球形脱氢钛粉层；(3)采用模具印刷的方式将功能涂层浆料印刷至球形脱氢钛粉层上形成流场结构；(4)烘干退模，得到PEM水电解双极板。5.一种制备权利要求1
‑
4中任一项所述的PEM水电解双极板的连续化生产产线，其特征在于：所述生产产线具有传动机构，所述传动机构包括多组供泡沫镍卷材张紧安装实现传送的传送辊(22)、以及分别安装在首尾的放卷辊(12)、收卷辊(23)，沿所述传动机构的传送方向，依次设置为放卷辊(12)、清洗区(13)、烘干区Ⅰ(14)、注料区(15)、烘干区Ⅱ(16)、热压区(17)、喷涂区(18)、切割区(19)、印刷区(20)、烘干区Ⅲ(21)和收卷辊(23)；所述注料区(15)内设有多组注料管(15
‑
1)，所述热压区(17)内设有多组压力辊(17
‑
1)，所述喷涂区(18)内设有多组等离子喷头(18
‑
1)，所述切割区(19)内设有多组切割辊(19
‑
1)，所述印刷区(20)内设有传送带机构，延传送带机构的传送方向，依次设有人工位(20
‑
1)、印刷平台(20
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2)和刮刀(20
‑
3)；所述注料管(15
‑
1)、压力辊(17
‑
1)、等离子喷头(18
‑
1)、切割辊(19
‑
1)均对称分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝金凯，邵志刚，张洪杰，俞红梅，
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：