CN104711634A - 一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents
一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层的制备方法，它具有最佳的物理特性，它能够充分地将反应水提供给电极，又能及时把生成气体排走，从而极大改善水电解池的工作特性。该扩散层与气液流场为一体式结构，气液流场可采用冲压、锻压等工艺成型，该成型工艺制备的扩散层厚度可控，易于面积放大，且生产效率高。成型后的一体式结构的流场扩散层经过涂层处理后，形成固态聚合物电解质水电解池流场扩散层。
Description
技术领域
本发明涉及固态聚合物电解质水电解池，特别是一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层及其制备方法。
背景技术
近年来，随着世界经济的持续快速发展，人类对能源的需求不断增加，导致了化石燃料等不可再生能源日渐枯竭，能源危机日益严重。而化石能源大量消耗，也加剧了环境污染，严重威胁着人类的生存环境。因此，为了人类社会的可持续发展，研究开发各种新型绿色可再生能源成为必然选择。氢发热值高，零排放，被誉为最有希望替代化石能源的能量载体。通过电解水制氢的技术，可以避免使用化石资源，并能非常方便地从水中制备不含一氧化碳、硫化物和氮化物的高纯氢气。为此，利用太阳能电池、风力发电和电网用电低谷富余的电力驱动的电解水制氢将是极其重要的制氢气技术。
固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte，简称SPE）纯水电解技术具有效率高、气体纯度高、安全可靠寿命长等优点，被公认为制氢领域重点发展、甚至首选的方法。与传统的碱性电解技术相比，SPE水电解池技术具有气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小等诸多优点。因此，SPE水电解池技术具有很好的发展前景。
扩散层是SPE水电解池的关键部件，其材料应具有良好的导电性能、耐腐蚀性、机械力学性能及较高的电化学稳定性。
JP2004035933.A提出了一种水电解槽用集流器的制造方法，该方法论述了钛纤维毡的制备，具体将直径10-40μm的钛纤维丝在100MPa的压力下压延成一定厚度的钛纤维毡，作为电解槽给电器（扩散层）使用。CN101736359A介绍了一种SPE的电解槽，它的阳极一体式扩散层流场的材料为多孔金属板、金属丝网、碳材料或几种的混合层等；该扩散层成型可以为直接模具压制或注塑成型，或材料经过抛光、打磨、酸洗等预处理后电加工或机械加工成型。
本发明提出了一种利用压延或锻压等工艺制备一体式流场扩散层的方法，适合批量化生产，能够降低电解池成本，促进SPE水电解技术的市场化。
发明内容
本发明提供一种固态聚合物电解质（SPE）水电解池的扩散层的制备方法，能够简化电解池结构、提高电解池性能及电解效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
首先，提供一个扩散层用的多孔基材，该基材是泡沫镍、镍纤维毡、不锈钢纤维毡、钛纤维毡、粉末烧结多孔镍板、粉末烧结多孔钛板，将以上多孔基材用成型工艺，如压延、轧辊轧制、模压或机加工等工艺的一种或几种成型，形成带有流场的扩散层基材；或采用钛粉、镍粉或不锈钢粉，由冲压、压延、轧辊轧制、等静压、模压直接形成带有流场的扩散层基材。
其次，将多孔基材或成型的一体式结构的流场扩散层，在温度700-1300℃和真空环境下退火1-4次；或将一体式结构的流场扩散层进行涂层处理。
最后，将一体式结构的流场扩散层进行涂层处理，其中涂层制备工艺，最好采用电镀Pt、Au，或烧结氧化铱、铱钌氧化物、铱锡氧化物，或真空溅射氮化钛、碳化钛、氧化铱、氧化钛。
所述的一体式结构流场的凹槽深0.2-1.0mm，凹槽宽0.3-1.5mm，凸台或脊宽0.3-1.5mm；它可用于固态聚合物电解质电解池的阳极和阴极，也可单独使用。
所述的一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层，具有以下指标：它具有：厚度为0.3-1.0mm、孔隙尺寸为5μm—1000μm、气体渗透系数为0.2×10-12m2—5×10-12m2、透水性为200×10-17m2—2000×10-17m2和开孔孔隙率为30%—80%（容积）。
本发明具有如下优点
1.生产周期短，提高了生产效率。
2.扩散层流场采用一体式成型工艺，即可降低了接触电阻，又提高电解效率。
3.该方法不需要在扩散层上加工流场，可以降低电解池成本，降低电解池厚度，使电解池结构更加紧凑。
附图说明
图1单侧流场扩散层结构示意图。
图2双侧流场扩散层结构示意图。
图3钛纤维毡有无流场作扩散层的电解池初性能对比。
图4多孔钛板和镍板有无流场作扩散层的电解池电解池初性能对比。
图5电解池稳定性曲线。
图1和2为扩散层流场一体式结构图，1为导电凸台，2为气液流场（凹槽），3为板厚度。
具体实施方式
实施例1
实验采用的多孔基材为钛纤维毡，将厚度为1.5mm的钛纤维毡用带流道的模具冲压成型，形成槽宽1.4mm、凸台宽1.4mm、槽深0.5mm的一体式流场扩散层。对其镀铂，然后将其用在SPE水电解池的阴阳极，膜为Nafion212，组装后进行性能评价，如图3所示。采用无流场结构的钛纤维毡作扩散层，电解池电流密度在500mA/cm2的电解电压为1.55V，而使用一体式流场扩散层钛纤维毡的扩散层，电解池在电流密度为500mA/cm2时的电解电压为1.59V,电解性能优于非一体式结构的扩散层。
在例1中，一体式流场扩散层具有以下物理性质：
透水性：900×10-17m2
气体渗透性：4×10-12m2
孔隙率：68%
孔径范围：8μm-400μm
厚度：0.9mm
实施例2
实验分别用钛粉和镍粉在辊轧机上轧制，形成槽宽1.2mm、凸台宽1.0mm、槽深0.6mm的一体式流场扩散层。然后，钛基材在1200℃，真空条件下煅烧2次；镍基材在1300℃，氢气条件下煅烧1次。最后对钛一体式扩散层涂铱锡氧化物，对镍一体式扩散层镀银，然后将其分别用在SPE水电解池的阳极和阴极，膜为Nafion117，组装后进行性能评价，如图4所示。采用非一体式流场扩散层，其电流密度在500mA/cm2的电解电压为1.64V，而使用钛一体式和镍一体式的流场扩散层，电解池在电流密度为500mA/cm2时的电解电压为1.61V，电解性能优于非一体式流场结构扩散层。
在例2中，多孔钛一体式流场扩散层具有以下物理性质：
透水性：500×10-17m2
气体渗透性：1×10-12m2
孔隙率：40%
孔径范围：10μm-240μm
厚度：1.2mm
在例2中，多孔镍一体式流场扩散层具有以下物理性质：
透水性：300×10-17m2
气体渗透性：2×10-12m2
孔隙率：35%
孔径范围：6μm-150μm
厚度：0.6mm
实施例3
实验用的多孔基材为1mm厚的多孔不锈钢板。采用机加工成型，形成一体式扩散层流场，然后在1000℃，真空条件下退火3次，形成槽宽0.8mm、凸台宽1.0mm、槽深0.3mm的一体式流场扩散层。最后对一体式扩散层流场镀金，然后将其分别用在SPE水电解池的阳极和阴极，膜为Nafion212，组装后进行性能评价，如图5所示。电解池在电解电压为1.78V时，电解电流密度为800mA/cm2运行100h，性能基本保持稳定。
在例3中，多孔不锈钢一体式流场扩散层具有以下物理性质：
透水性：400×10-17m2
气体渗透性：4.5×10-12m2
孔隙率：50%
孔径范围：15μm-250μm
厚度：1.0mm
以上实例说明，本发明制备的扩散层能够满足SPE水电解池使用要求，能够提高电解效率，延长电解池工作寿命。
Claims (10)
1.一种固态聚合物电解质水电解池一体式结构的流场扩散层的制备方法，其特征在于：扩散层与气液流场为一体式结构，制备包括以下步骤：
（1）选择多孔材料作扩散层基材，将基材用成型工艺形成带有流场的扩散层；或将金属粉末成型，形成带有流场的扩散层基材；
（2）将1）中所述的带有流场的扩散层基材进行涂层处理，或将扩散层基材在真空或氢气下退火，或将带有流场的扩散层基材在真空或氢气下退火后进行涂层处理，形成在固态聚合物电解质水电解池使用的一体式结构的流场扩散层。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的流场扩散层的成型工艺为冲压成型、压延成型、轧辊轧制成型、锻压成型、等静压成型、机加工、模压成型的一种或几种的组合。
3.步骤（1）所述的多孔材料为多孔镍板、多孔不锈钢板、多孔钛板、泡沫镍、不锈钢纤维毡、钛纤维毡的一种。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的扩散层基材的退火条件为：温度600-1300℃，和在真空或氢气环境。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的成型后的一体式结构的流场扩散层，退火温度为600-1100℃，在真空或氢气环境下，退火1-5次。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述的一体式结构的流场扩散层，成型后的凹槽深0.2-0.8mm，凹槽宽0.3-1.5mm，凸台或导电脊宽0.3-1.5mm。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤（2）所述的涂层，包括Pt、Au、Ag、氧化铱、铱钌氧化物、铱锡氧化物、氮化钛、碳化钛、氧化钛、铱钌锡氧化物。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤（2）所述的涂层处理是采用电镀Pt、Au、Ag，或烧结Pt、氧化铱、铱钌氧化物、铱锡氧化物，或真空溅射Pt、Au、氮化钛、碳化钛、氧化铱、氧化钛。
9.一种按照权利要求1所述的扩散层，包括：一个水电解池一体式流场扩散层，它具有：厚度为0.3-1.2mm、孔隙尺寸为5μm—1000μm、气体渗透系数为0.2×10-12m2—5×10-12m2、透水性为200×10-17m2—2000×10-17m2和最小开孔孔隙率为30%（容积）。
10.一种固态聚合物电解质水电解池一体式结构的流场扩散层的应用，其特征在于：
一体式流场扩散层用于固态聚合物电解质水电解池的阳极，或/和阴极。
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