[发明专利]一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种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。

技术领域

本发明属于水电解池材料技术领域，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。

背景技术

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。

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。

通常，一个PEM水电解单池包括以下组件：膜电极组件(Membrane ElectrodeAssembly，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。

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。

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。本发明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。同时本发明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。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种制备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：

(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；