一种膜电极复合纤维钛毡结构及其制备方法

本发明涉及膜电极结构，具体涉及一种膜电极复合纤维钛毡结构及其制备方法。

背景技术：

1、钛毡为钛纤维毡，又称为钛纤维扩散层，是由钛金属纤维编织而成的三维网状结构材料，具有优异的晶间孔和毛细孔结构，常作为pem电解水膜电极的核心组件之一，被用作气液传输的载体，具有优异的耐腐蚀性、气液传质能力以及电化学性能。

2、目前钛毡通常由切削钛纤维制备而成，成为切削钛纤维毡，其中切削钛纤维为通过切削法得到的钛纤维丝，切削法生产效率高且成本较低，广泛应用在钛纤维毡的制备过程中。研究表明，钛毡的孔隙结构对膜电极性能影响很大，孔径过度粗或细都会降低气液传输的效率；但由于切削钛纤维毡的制造特性，其孔隙不均匀性是不可避免的；同时在膜电极的使用过程中，由于切削钛纤维毡上面的部分区域由于表面孔径较大，导致切削钛纤维毡的切削钛纤维丝会侵入膜电极，从而影响pem电解槽的使用效果；在膜电极制备时热压过程中，这些钛纤维丝还可能会扎破全氟磺酸膜，破坏膜电极结构，造成膜电极无法正常使用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的技术问题，本发明的目的在于提供一种膜电极复合纤维钛毡结构，解决了钛纤维丝会侵入膜电极，热压时钛纤维丝会扎破膜电极的问题。同时本发明提供了其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

3、一方面，本发明提供了一种膜电极复合纤维钛毡结构，包括钛毡基体以及保护纤维层，所述保护纤维层覆盖在钛毡基体的外表面上，所述保护纤维层至少包括一层拉拔钛纤维。

4、本发明中提供了一种复合纤维钛毡结构，可以有效保护膜电极不受侵入和破坏，成本较低，实用性强；具体的，采用在钛毡基体如以切削钛纤维为原料制备得到的钛毡基体上附着一层或多层拉拔钛纤维的方式，由于拉拔钛纤维丝具有较好的柔性性能，将其覆盖在钛毡表面可以对膜电极起到保护作用，有效解决钛纤维丝侵入膜电极和热压时钛纤维丝扎破膜电极的问题；同时拉拔钛纤维还具有较大的比表面积，可以保证孔隙结构，提高钛毡的传质能力，用于膜电极中提高电解槽的使用效率，更好地满足电解槽的使用需求。

5、由于拉拔钛纤维可以增加钛毡结构与膜电极的接触面积，从而降低pem电解槽的欧姆电阻，同时拉拔钛纤维不会侵入到膜电极内，起到保护膜电极的作用。同时铺盖一层或多层拉拔钛纤维相比于整个钛毡结构均采用拉拔钛纤维制成，可以大幅降低钛毡的成本，适用范围更广。

6、此外，还可以改善现有技术中喷涂金属颗粒的方式，金属颗粒会覆盖在钛毡基材的孔隙里面，导致钛毡基材的孔隙变小；且由于金属颗粒覆盖不均匀，个别的孔隙会被金属颗粒堵死，汽水传输受阻，传质阻力增大，导致膜电极在高电流密度区的性能降低。采用本申请中的复合纤维钛毡结构即可较好的避免上述问题，不仅具有较好的孔隙结构，更优选的，还可以实现梯度化孔隙结构，还可以有效解决钛纤维丝侵入膜电极或扎破膜的问题，适用性能好。

7、在上述技术方案基础上，所述保护纤维层包括多层拉拔钛纤维，所述钛毡基体以及多层拉拔钛纤维之间依次形成梯度化孔隙结构，所述拉拔钛纤维的表层孔隙率为40％-60％；优选的，拉拔钛纤维的表层孔隙为5-10μm。

8、在上述技术方案基础上，所述拉拔钛纤维的直径为0.008-1mm，长度为3-20mm。

9、所述保护纤维层的厚度根据实际需求进行喷涂，即拉拔纤维设置的层数以及各层的厚度相应设计，只要能确保切削钛纤维毡的表面可以被完全覆盖即可。优选的，在钛毡基体的外表面设置有单层拉拔钛纤维，可采用不同尺寸的拉拔钛纤维，根据不同直径、长度的拉拔钛纤维的适用，可以得到不同间隙大小，做到间隙可控，以满足电解槽对于不同孔隙的需求，适用性更强。优选的，在钛毡基体的外表面设置有多层拉拔钛纤维，相互之间形成梯度化孔隙结构，即可以采用等离子喷涂的方式依次将烘干后的大尺寸拉拔钛纤维喷涂在切削钛纤维毡基材的外表面，再将烘干后的小尺寸拉拔钛纤维喷涂在大尺寸拉拔钛纤维层的外表面；这种梯度化孔隙设计，既能解决外部杂质侵入钛纤维毡内部造成的负面影响，又能实现梯度化孔径的目的，实现拉拔钛纤维表层孔隙直径为5-10μm，可以提高钛纤维毡的传质能力，增加接触表面积，增加反应发生的三相界面，提高电解槽的使用效率，更好地满足电解槽的使用需求。其中拉拔钛纤维采用集束拉拔的方式制备得到。

10、在上述技术方案基础上，所述钛毡基体采用切削钛纤维毡；所述切削钛纤维毡的厚度为250-800μm，孔隙率为40％-60％，钛纤维直径为30-50μm。

11、优选的，所述切削钛纤维毡的厚度为250μm、400μm或800μm，孔隙率为40％、50％或60％，钛纤维直径为30μm、40μm或50μm。

12、另一方面，本发明提供了一种膜电极复合纤维钛毡结构的制备方法，包括以下步骤：

13、步骤一，将需要使用的拉拔钛纤维烘干，备用；

14、步骤二：将步骤一中得到的拉拔钛纤维叠铺在钛毡基体上，然后进行烧结，将拉拔钛纤维与切削钛纤维毡固定；

15、步骤三：降温冷却后得到最终的膜电极复合纤维钛毡结构。

16、在上述技术方案基础上，所述步骤二中的拉拔钛纤维与切削钛纤维毡的烧结条件为：在温度为400-500℃下烧结1h。

17、采用烧结法制备膜电极符合纤维钛毡结构，制备方法简单，相较于现有技术中常用的离子喷涂法制备涂层，方法更加简单易操作，成本也更低，适用性好。

18、本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：

19、1、本发明中提供了一种复合纤维钛毡结构，可以有效保护膜电极不受侵入和破坏，成本较低，实用性强；具体的，采用在钛毡基体如以切削钛纤维为原料制备得到的钛毡基体上铺展一层或多层拉拔钛纤维的方式，由于拉拔钛纤维丝具有较好的柔性性能，将其覆盖在钛毡表面可以对膜电极起到保护作用，有效解决钛纤维丝侵入膜电极和热压时钛纤维丝扎破膜电极的问题；同时拉拔钛纤维还具有较大的比表面积，可以保证孔隙结构，提高钛毡的传质能力，用于膜电极中提高电解槽的使用效率，更好地满足电解槽的使用需求。

20、2、本申请还提供了复合纤维钛毡结构的制备方法，采用烧结法制备工艺，制备方法简单易操作，相较于现有技术中常用的离子喷涂法制备涂层，方法更加简单易操作，成本也更低，实用性强。

技术特征：

1.一种膜电极复合纤维钛毡结构，其特征在于，包括钛毡基体以及保护纤维层，所述保护纤维层覆盖在钛毡基体的外表面上，所述保护纤维层至少包括一层拉拔钛纤维。

2.根据权利要求1所述的一种膜电极复合纤维钛毡结构，其特征在于，所述保护纤维层包括多层拉拔钛纤维，所述钛毡基体以及多层拉拔钛纤维之间依次形成梯度化孔隙结构，所述拉拔钛纤维的表层孔隙率为40％-60％。

3.根据权利要求1所述的一种膜电极复合纤维钛毡结构，其特征在于，所述拉拔钛纤维的直径为0.008-1mm，长度为3-20mm。

4.根据权利要求1所述的一种膜电极复合纤维钛毡结构，其特征在于，所述钛毡基体采用切削钛纤维毡；所述切削钛纤维毡的厚度为250-800μm，孔隙率为40％-60％，钛纤维直径为30-50μm。

5.一种根据权利要求1至4任一项所述的膜电极复合纤维钛毡结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种膜电极复合纤维钛毡结构的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的拉拔钛纤维与切削钛纤维毡的烧结条件为：在温度为400-500℃下烧结1h。

技术总结本发明涉及膜电极结构技术领域，具体涉及一种膜电极复合纤维钛毡结构，包括钛毡基体以及保护纤维层，保护纤维层覆盖在钛毡基体的外表面上，保护纤维层至少包括一层拉拔钛纤维；可以有效保护膜电极不受侵入和破坏，成本较低，实用性强；采用在钛毡基体上附着一层或多层拉拔钛纤维的方式，由于拉拔钛纤维丝具有较好的柔性性能，将其覆盖在钛毡表面可以对膜电极起到保护作用，有效解决钛纤维丝侵入膜电极和热压时钛纤维丝扎破膜电极的问题；同时拉拔钛纤维还具有较大的比表面积，可以保证孔隙结构，提高钛毡的传质能力，用于膜电极中提高电解槽的使用效率，更好地满足电解槽的使用需求。同时还提供了其制备方法，简单易操作，可实施性强。技术研发人员：刘建国,庞博,谭爱东,李佳,杨德仁受保护的技术使用者：华北电力大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17