本發(fā)明涉及電解水制氫領(lǐng)域，尤其涉及一種電解水多孔擴(kuò)散層及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜電解池(pemwe)主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和多孔擴(kuò)散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護(hù)片和端板等組成。pem電解池的核心部件是膜電極(mea)，由質(zhì)子交換膜、陽(yáng)極和陰極催化層和擴(kuò)散層組成。其中擴(kuò)散層的作用是將氣/液兩相從雙極板流場(chǎng)傳輸?shù)酱呋瘎?，同時(shí)作為集流體傳導(dǎo)和收集電子。由于pem電解水陽(yáng)極過(guò)電位高，商業(yè)電解槽通常使用鈦基多孔材料作為陽(yáng)極擴(kuò)散層。為防止鈦在長(zhǎng)期運(yùn)行中被氧化，表面還需涂覆鉑或銥涂層。擴(kuò)散層的孔徑和孔結(jié)構(gòu)會(huì)明顯影響氣液兩相傳輸，從而影響電解池性能。

2、cn?113957470?b公開(kāi)了一種多孔擴(kuò)散層及其制備方法和質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置，所述多孔擴(kuò)散層包括層疊設(shè)置的至少兩個(gè)子擴(kuò)散層,依次為第一子擴(kuò)散層、第二子擴(kuò)散層、....第n子擴(kuò)散層，當(dāng)所述多孔擴(kuò)散層包括兩個(gè)子擴(kuò)散層時(shí)，所述第n子擴(kuò)散層為第二子擴(kuò)散層；并且沿著從所述第一子擴(kuò)散層到所述第n子擴(kuò)散層的方向，所述至少兩個(gè)子擴(kuò)散層的孔隙率、孔徑和厚度逐漸減?。凰鲋辽賰蓚€(gè)子擴(kuò)散層均為親水性的。該專利的多孔擴(kuò)散層能夠耐受高壓，對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行支撐和保護(hù)，而且具有親水性，使水容易通過(guò)，適用于高壓電解水。但由于其采用松散燒結(jié)方式，所得多孔擴(kuò)散層的孔徑控制均一性較差。

3、cn115852409a公開(kāi)了一種pem水電解陽(yáng)極擴(kuò)散層，包括多孔層和微孔層，所述多孔層為二氧化鈦納米纖維支撐層，所述二氧化鈦納米纖維支撐層由至少兩層的鈦納米纖維層經(jīng)熱壓、煅燒制得，所述二氧化鈦納米纖維支撐層的表面制備有微孔層，所述微孔層包括鉑黑、球形脫氫鈦粉和粘結(jié)劑。該pem水電解陽(yáng)極擴(kuò)散層的制備工藝流程復(fù)雜，且需要加入貴金屬鉑成本較高。

4、由于現(xiàn)有pem電解水制氫的多孔擴(kuò)散層陽(yáng)極多采用鈦氈，孔隙較大，在pem高壓差下，陽(yáng)極膜電極容易被壓入孔洞，影響性能；同時(shí)大孔洞的擴(kuò)散層容易造成電流分布不均，影響膜電極壽命。此外，鈦氈材料表面的孔隙形狀不規(guī)則，與催化層之間的接觸電阻較大，容易造成電解槽能耗較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種電解水多孔擴(kuò)散層及其制備方法與應(yīng)用，旨在提高電解槽性能及降低質(zhì)子交換膜在高壓下的損傷，從而提高質(zhì)子交換膜和電極壽命。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種電解水多孔擴(kuò)散層，所述電解水多孔擴(kuò)散層包括微孔層和基材層，所述電解水多孔擴(kuò)散層的平均孔徑為10～100μm；其中，所述微孔層的平均孔徑0.5～20μm。

4、上述電解水多孔擴(kuò)散層，所述微孔層的微孔層厚度為10～300μm。

5、上述電解水多孔擴(kuò)散層，所述電解水多孔擴(kuò)散層的厚度為200～500μm。

6、上述電解水多孔擴(kuò)散層，制備所述微孔層的材料包括鈦粉。

7、上述電解水多孔擴(kuò)散層，所述基材層包括鈦纖維氈。

8、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種上述電解水多孔擴(kuò)散層的制備方法，包括如下步驟：

9、1)將鈦粉與造孔劑混合得到混合粉末，對(duì)混合粉末進(jìn)行壓制得到毛坯；

10、2)對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)燒結(jié)得到微孔層；

11、3)將微孔層和基材層進(jìn)行二次壓制，得到復(fù)合擴(kuò)散層；

12、4)將所述復(fù)合擴(kuò)散層進(jìn)行二次燒結(jié)，得到帶微孔層的擴(kuò)散層，即所述電解水多孔擴(kuò)散層。

13、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述鈦粉和所述造孔劑按照質(zhì)量比為1:0.05～0.3進(jìn)行混合。

14、本發(fā)明通過(guò)控制所述鈦粉和所述造孔劑的質(zhì)量比，有利于控制電解水多孔擴(kuò)散層的強(qiáng)度。所述鈦粉和所述造孔劑的質(zhì)量比過(guò)高，會(huì)影響造孔效果，降低造孔效率；質(zhì)量比過(guò)低則影響電解水多孔擴(kuò)散層的強(qiáng)度。

15、上述制備方法中，所述步驟1)中，鈦粉包括鈦金屬粉。

16、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述鈦金屬粉粒徑范圍為200～500目。

17、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述造孔劑包括尿素和碳酸氫銨。

18、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述造孔劑中，尿素和碳酸氫銨的質(zhì)量比為1:0.15～0.7。

19、本發(fā)明中，尿素和碳酸氫銨具有不同的分解溫度，因而在不同的燒結(jié)溫度下，兩種造孔劑分別分解形成微孔。較低分解溫度的造孔劑在相對(duì)較低的升溫溫度下分解形成微孔，較高分解溫度的造孔劑在由較低分解溫度的造孔劑形成的微孔基礎(chǔ)上，在較高的升溫溫度下發(fā)生分解形成微孔，從而形成不同孔徑的微孔。因此，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)兩種不同分解溫度的造孔劑(尿素和碳酸氫銨)的比例，可以調(diào)控電解水多孔擴(kuò)散層的微孔孔徑。

20、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述混合包括球磨混合、剪切攪拌混合和螺旋混合中的任意一種。

21、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述混合的時(shí)間為2～96h。

22、上述制備方法中，所述步驟1)中，所述壓制的壓力為50～250mpa。

23、上述制備方法中，所述步驟1)中，壓制得到毛坯的微孔層厚度為10～300μm。

24、上述制備方法中，所述步驟2)中，所述預(yù)燒結(jié)的溫度為700～900℃。

25、上述制備方法中，所述步驟2)中，所述預(yù)燒結(jié)過(guò)程采用程序升溫模式，包括三個(gè)保溫平臺(tái)，隨后冷卻至室溫；其中，第一溫度平臺(tái)為150～200℃，升溫速率1～4℃/min，保溫2～8h；第二溫度平臺(tái)為300～500℃，升溫速率1～4℃/min，保溫0.5～4h；第三溫度平臺(tái)為700～900℃，升溫速率4～10℃/min，保溫1～4h。

26、本發(fā)明通過(guò)控制預(yù)燒結(jié)時(shí)的升溫速度，可以調(diào)節(jié)兩種造孔劑的生化速度，從而使造孔劑在分解溫度時(shí)均勻地分解形成微孔，從而使電解水多孔擴(kuò)散層中具有均勻的微孔。

27、上述制備方法中，所述預(yù)燒結(jié)在真空環(huán)境中進(jìn)行。

28、上述制備方法中，所述步驟2)中，所述微孔層的微孔層厚度10～300μm，平均孔徑0.5～20μm。

29、上述制備方法中，所述步驟3)中，所述基材層包括鈦纖維氈。

30、上述制備方法中，所述步驟3)中，所述二次壓制的壓力為60～180mpa。

31、上述制備方法中，所述步驟3)中，所述復(fù)合擴(kuò)散層的厚度為200～500μm，平均孔徑為10～100μm。

32、上述制備方法中，所述步驟4)中，所述二次燒結(jié)的溫度為900～1300℃，保溫1～4h。

33、本發(fā)明中，二次燒結(jié)的溫度過(guò)低，容易降低基材的強(qiáng)度；二次燒結(jié)的溫度過(guò)高，容易造成微孔層的孔徑分布不均勻，從而影響所述電解水多孔擴(kuò)散層的性能。因此，本發(fā)明通過(guò)控制二次燒結(jié)的溫度，在強(qiáng)化基材強(qiáng)度的同時(shí)使電解水多孔擴(kuò)散層形成的微孔層的孔徑均勻分布，提升電解水多孔擴(kuò)散層的性能。

34、上述制備方法中，所述步驟4)中，所述二次燒結(jié)的升溫速率4～10℃/min。

35、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種上述電解水多孔擴(kuò)散層在電解水制氫領(lǐng)域中作為質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置中的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的應(yīng)用。

36、上述應(yīng)用中，所述質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置包括陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陽(yáng)極流場(chǎng)板和膜電極，所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層采用上述電解水多孔擴(kuò)散層，所述電解水多孔擴(kuò)散層的微孔層與所述膜電極陽(yáng)極催化層接觸，所述電解水多孔擴(kuò)散層的基材層與所述陽(yáng)極流場(chǎng)板接觸。

37、上述應(yīng)用中，所述電解水多孔擴(kuò)散層應(yīng)用在電解水制氫領(lǐng)域中作為質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置中的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層時(shí)，在2a/cm2電密下，電壓為1.84v時(shí)，電解水陽(yáng)極催化層和電解水多孔擴(kuò)散層之間的接觸電阻可降至15.2mωcm2。

38、本發(fā)明中，在相互不沖突的情況下，上述技術(shù)特征可自由組合形成新的技術(shù)方案。

39、本發(fā)明提供的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益技術(shù)效果：

40、(1)根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)在電解水多孔擴(kuò)散層中設(shè)置微孔層減少電解水陽(yáng)極催化層和電解水多孔擴(kuò)散層的接觸電阻，提高電化學(xué)性能；

41、(2)根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)調(diào)節(jié)兩種不同分解溫度的造孔劑比例，可以調(diào)控微孔孔徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電解水多孔擴(kuò)散層中微孔層孔徑的自由調(diào)控；

42、(3)根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)預(yù)燒結(jié)時(shí)的升溫速度的控制調(diào)節(jié)造孔劑的生化速度，使電解水多孔擴(kuò)散層中形成的微孔均勻化，從而減少電解水陽(yáng)極催化層和擴(kuò)散層的接觸電阻，提高電化學(xué)性能；

43、(4)根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)控制鈦粉和造孔劑的質(zhì)量比，提升電解水多孔擴(kuò)散層的強(qiáng)度，從而降低質(zhì)子交換膜在高壓下的損傷，提高質(zhì)子交換膜和電極壽命。