多孔传输层的制备方法、多孔传输层及质子交换膜水电解槽与流程

本发明涉及氢能源材料技术以及电化学能源，具体地，涉及一种多孔传输层的制备方法、多孔传输层及质子交换膜水电解槽。

背景技术：

1、近年来，以可再生方式(光伏发电和风力发电等)获取的电能来电解水制取氢气的工业技术在国际上和国内都呈现出高速发展的态势，其中核心部件称之为电解槽。质子交换膜电解槽制氢纯度高，可高压工作，动态响应快，是目前研究的重点，近年来产业化发展迅速。多孔传输层作为质子交换膜水电解槽的一个重要部件，在电解槽中起到导通电流和输送气、液两相流体的作用，直接影响电解槽的能源效率和产氢能力，一直也是研究的热点。

2、为了实现气、液两相流体的传输，目前质子交换膜水电解槽中的多孔传输层都选用具有丰富连续微孔道结构的多孔材料制成，其中阳极一侧的扩散层由于需要耐受高电位下的电化学腐蚀，一般采用粉末烧结多孔钛板或者钛毡来充当，而阴极一侧则选用普通碳纤维纸即可。但测试表明，粉末烧结钛板和钛毡中平均孔洞的直径都偏小，而且孔洞的走向随机，路径蜿蜒曲折，气体和液体在其中主要以毛细渗透型的方式来传输，严重阻碍气液两相传输，降低水电解槽的能源效率和产氢能力。

3、电解水过程中，多孔传输层的另一个重要作用是将外电路传导来的电子继续传导给与之紧邻的催化剂层。但由于电解水阳极催化层电阻率普遍较大，阻碍电子在催化层内的传输，最后导致仅有多孔传输层边缘几个微米宽度范围内的催化剂能够得到电子参与电解水反应，而远处的催化剂则由于得不到电子而失去参与反应机会。因此，如何确保电子能够高效传输，并传输到尽可能多的催化剂表面是需要解决的重要技术难点，该问题的解决将有助于进一步提高水电解催化剂的利用率和提升水电解槽性能，促进氢能产业的发展。

4、专利文献cn115125558a(申请号：cn202210958592.2)公开了一种金属基导电多孔传输层的制备方法及其在电解水电池中的应用，至少包括以下步骤：s1、取酚醛树脂或酚醛环氧树脂、分散助剂完全溶解于有机溶剂后，加入金属基导电材料粉末，金属基导电材料粉末均匀分散于有机溶剂中，得到浆料a，树脂与金属基导电材料的质量比为1:18-22，浆料a中分散助剂的质量分数为1-5％；s2、取清洗干净的钛毡，钛毡表面刮涂步骤s1得到的浆料a；s3、将刮涂后的钛毡干燥，得到金属基导电多孔传输层。然而该专利无法解决目前存在的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多孔传输层的制备方法、多孔传输层及质子交换膜水电解槽。

2、根据本发明提供的多孔传输层的制备方法，包括：

3、首先，将具有高导电高耐蚀性的金属箔作为基础材料进行脱脂和除油处理，经超声清洗和烘干后，根据设定的参数在金属箔材基础上进行细长型直通孔洞成型加工，获得多孔传输层；

4、其次，将多孔传输层用于质子交换膜电解槽的装配，并进行电化学极化曲线的测试。

5、优选的，所述金属箔的厚度为5～1000μm；

6、多孔传输层的基础材料为钛、铂、金在内的单质金属箔，或者钛合金、铂合金、金合金、不锈钢在内的高耐蚀合金箔材料。

7、优选的，细长型多孔传输层的单个孔洞的长边长度与窄边长度的比值大于1。

8、优选的，细长型直通孔洞的总几何面积占整个多孔传输层表面积的20％～90％。

9、优选的，多孔传输层的加工方式包括如下中的一种或多种：

10、冲孔、钻孔、激光切割在内的机械加工形式；

11、湿化学法或者电化学法刻蚀技术，光刻技术、离子束刻蚀技术，等离子体刻蚀技术或者反应性离子刻蚀技术的刻蚀工艺。

12、优选的，对多孔传输层进行镀层处理，镀层元素为铂、金、银、铱、钌、铌、钛、铬、钨中的一种或多种；

13、多孔传输层的镀层制备技术包括电镀、化学镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积、热喷涂、等离子喷涂、热扩散处理中的任一种或者多种技术联用。

14、优选的，细长型多孔传输层的直通孔洞的长边的几何形状为直线或任意走向的曲线；

15、细长型多孔传输层的两条长边的间距是全部相等的或是变化的；

16、细长型多孔传输层的直通孔洞在金属箔表面的分布为均匀分布、随机分布、特定区域分布的中至少一种；

17、细长型多孔传输层的直通孔洞是统一的长边长度与短边长度比值的孔洞，或是两种长度比值以上孔洞的组合分布。

18、优选的，多孔传输层一层单独使用，或多层联合使用。

19、根据本发明提供的多孔传输层，采用所述的多孔传输层的制备方法制备得到。

20、根据本发明提供的质子交换膜水电解槽，包括所述的多孔传输层。

21、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

22、和传统的圆形等孔洞相比，在同等开孔面积下，本发明设计的细长型直通孔可以具有最大的周长，相应的，在这种孔洞的四周，即周长位置与细长型直通孔直接接触的催化剂数量也较多，更重要的是在其周长微米级范围内电子可达到的催化剂数量也较多，因此，本发明中具有周长最大化设计的细长型直通孔特征的多孔传输层可以进一步提升催化剂的利用率，同时满足气液两相的高效直通传输；为了增强耐蚀性和导电性，本发明中的多孔传输层采用了保护镀层。

技术特征：

1.一种多孔传输层的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，所述金属箔的厚度为5～1000μm；

3.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，细长型多孔传输层的单个孔洞的长边长度与窄边长度的比值大于1。

4.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，细长型直通孔洞的总几何面积占整个多孔传输层表面积的20％～90％。

5.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，多孔传输层的加工方式包括如下中的一种或多种：

6.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，对多孔传输层进行镀层处理，镀层元素为铂、金、银、铱、钌、铌、钛、铬、钨中的一种或多种；

7.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，细长型多孔传输层的直通孔洞的长边的几何形状为直线或任意走向的曲线；

8.根据权利要求1所述的多孔传输层的制备方法，其特征在于，多孔传输层一层单独使用，或多层联合使用。

9.一种多孔传输层，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项或任多项所述的多孔传输层的制备方法制备得到。

10.一种质子交换膜水电解槽，其特征在于，包括权利要求9所述的多孔传输层。

技术总结
本发明提供了一种多孔传输层的制备方法、多孔传输层及质子交换膜水电解槽，包括：首先，将具有高导电高耐蚀性的金属箔作为基础材料进行脱脂和除油处理，经超声清洗和烘干后，根据设定的参数在金属箔材基础上进行细长型直通孔洞成型加工，获得多孔传输层；其次，将多孔传输层用于质子交换膜电解槽的装配，并进行电化学极化曲线的测试。本发明中具有周长最大化设计的细长型直通孔特征的多孔传输层可以进一步提升催化剂的利用率，同时满足气液两相的高效直通传输。

技术研发人员：夏雨蓓
受保护的技术使用者：夏雨蓓
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15