[发明专利]一种PEM水电解阴极多孔传输层及制备方法

说明书

本发明提供一种PEM水电解阴极多孔传输层及制备方法，涉及质子交换膜水电解领域，阴极多孔传输层包括碳支撑层，碳支撑层的孔径内嵌入有非贵金属间化合物粒子，非贵金属间化合物粒子在碳支撑层上形成导电孔道结构，构建了高效且有序的传输电子通道，具有微观粒子界面的结合，结合程度更加致密紧凑且精细，有效提高了金属利用率和碳支撑层的导电性；且直接采用非贵金属间化合物，由于非贵金属间化合物没有固定的组分配比，可以直接通过温度、时间、电压功率等条件的调节实现对化合物结构的调节，进而平衡导电性、强度、稳定性等性能的要求。

技术领域

本发明属于质子交换膜水电解领域，尤其涉及一种PEM水电解阴极多孔传输层及制备方法。

背景技术

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同，通常将水电解制氢分为碱性水电解(AE)、质子交换膜(PEM)水电解以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。PEM水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极多孔传输层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

研究发现，目前关于多孔传输层的研究方法是在己存在的商业多孔传输层上通过不同材料的修饰、添加不同的材料、调节不同材料的含量等手段改善多孔传输层的亲疏水性，气体透过性，导电性等性能问题。例如通过在商业多孔传输层上均匀的涂覆纳米碳纤维，炭黑，石墨烯纳米片混合浆料制备石墨烯覆盖的多孔传输层，或者直接将上述材料与碳材料的混合制成料液在支撑层上进行涂覆制备多孔传输层。上述手段首先方法上需要通过调节材料种类和材料组分的方式调控性能，即需要在工艺源头调整，调控方式单一且效率低下无法满足实际生产过程中随时所更换的性能要求；其次在产品性能上，料液直涂或者混合形成涂覆料液的方式均较为直接，忽略了微观粒子界面的结合程度，因此导电性能和强度均不佳。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种PEM水电解阴极多孔传输层及制备方法，一方面可以直接通过温度、时间、电压功率等条件的调控实现对化合物结构的调节，进而平衡或满足多孔传输层导电性、强度、稳定性等性能的实时调控要求，另一方面本发明所制备的阴极多孔传输层具有微观粒子界面的结合，结合程度更加致密紧凑且精细，有效提高金属利用率，进而提高导电性、机械强度和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供一种PEM水电解阴极多孔传输层，包括碳支撑层，所述碳支撑层的孔径内嵌入有非贵金属间化合物粒子，所述非贵金属间化合物粒子在碳支撑层上形成导电孔道结构。

非贵金属指除了金、银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)等以外的金属，非贵金属间化合物指非贵金属与非贵金属或非贵金属与准金属(如H、B、N、S、P、C、Si等)形成的化合物。

进一步地，所述碳支撑层为碳毡、碳布、碳纸中的任一种，孔隙率为60-85％，孔径为100-200μm；所述非贵金属间化合物为Mg₂Si、AlSb、MgSe中的任一种。

本发明提供一种PEM水电解阴极多孔传输层的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用高压蒸汽进入碳支撑层，打开碳支撑层微孔结构，得到孔径撑大的碳支撑层，高压蒸汽温度为460-540℃，压力为6Mpa-14Mpa；

步骤二：配置非贵金属间化合物溶液，并加热非贵金属间化合物溶液，使其形成非贵金属间化合物蒸汽；

步骤三：将非贵金属间化合物蒸汽间断式与孔径撑大的碳支撑层接触，使得非贵金属间化合物蒸汽在孔径撑大的碳支撑层上间断式沉积，在非贵金属间化合物蒸汽与孔径撑大的碳支撑层停止接触的时间内，对孔径撑大的碳支撑层进行激光照射，最终得到阴极多孔传输层。