一种差压式PEM电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层

本发明涉及电解水制氢，具体涉及一种差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层。

背景技术：

1、pem(质子交换膜)电解水制氢技术由于其运行电流密度高、能耗低、产氢压力高且容易与可再生能源相结合，成为电解水制氢的适宜方案，近年来发展较为迅速。高压pem电解水制氢技术通常分为均压式与差压式两类，其中差压式pem电解槽具有电解效率高，成本低等优点；但是在差压式水电解中，膜电极的阴极侧处于高压的环境，阳极测处于常压的环境，因此膜电极需要能够承受目标氢压力和阳极侧压力之间的压差，容易发生形变甚至出现损坏。这种耐压性是由多孔扩散层和双极板所提供的支撑，因此需要对扩散层与双极板之间的接触结构进行改进，具有重要的意义。

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差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层，解决了差压式pem电解槽中膜电极容易发生较大的形变，膜电极溶胀容易侵入钛纤维毡的问题，保证水汽正常传输；同时对电解槽进行了无流场化设计，流体分布更加均匀。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，本发明提供了一种差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层，包括扩散层基材、第一梯度层以及第二梯度层，所述扩散层基材的一侧设置有第一梯度层，另一侧设置有第二梯度层，所述第一梯度层中至少包括一层金属颗粒层，所述第二梯度层中至少包括一层金属颗粒层，第一梯度层、扩散层基材以及第二梯度层之间依次形成梯度化孔隙结构。

4、本发明提供了一种差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层，采用梯度化孔隙结构的方式，改善了传输层与双极板之间的接触结构，可以在膜电极阴极和阳极形成的压差作用下提供有效支撑，有效解决了膜电极的溶胀会导致膜进入到钛纤维毡的问题，在保证汽水传输的同时增加膜电极与钛纤维毡表面的接触面积，减少膜电极侵入钛纤维毡的面积，阻止膜电极形变严重甚至造成损坏。

5、在上述技术方案基础上，所述第一梯度层包括在扩散层基材表面由上向下依次设置的多层金属颗粒层且每层颗粒的粒径依次增大。

6、在上述技术方案基础上，所述第一梯度层包括由上向下依次铺设的第一颗粒层和第二颗粒层，所述第一颗粒层的颗粒粒径大于第二颗粒层的颗粒粒径；所述第二梯度层包括第三颗粒层，所述第三颗粒层的颗粒粒径大于第二颗粒层的颗粒粒径。

7、在上述技术方案基础上，所述第一颗粒层、第二颗粒层以及第三颗粒层的颗粒粒径范围分别为20-50nm、50-60nm、200-500nm。

8、在上述技术方案基础上，所述第一颗粒层、第二颗粒层以及第三颗粒层的孔隙率分别为30％-40％、50％-60％、70％-80％。

9、通过在扩散层基材的两侧设置有第一梯度层以及第二梯度层，相应的梯度层由一层或多层的金属颗粒层铺设而成，由上向下，第一梯度层内的金属颗粒层、扩散层基材、第二梯度层内的金属颗粒层之间形成上小下大的梯度化孔隙结构，即孔隙率也由上向下逐渐增大，增加膜电极与钛纤维毡表面的接触面积，减少膜电极侵入钛纤维毡的面积，改善膜电极的形变问题，在压差作用下不影响膜电极的正常使用。

10、具体的，本技术中制备不同孔隙率的钛纤维毡，形成梯度化孔隙结构，同时还采用模板剂控制孔隙大小，有效保证梯度化孔隙结构的形成与保持，使用寿命更长。在扩散层基材即优选的钛纤维毡的一侧，用粒径为50-60nm的钛金属颗粒覆盖在钛纤维毡表面，制成孔隙率为50％-60％的第二颗粒层；利用聚苯乙烯做模板剂，在第二颗粒层上再覆盖一层粒径为20-50nm的钛金属颗粒，制成孔隙率30％-40％的第一颗粒层。在钛纤维毡的另一侧，在钛纤维毡上再覆盖一层粒径为200-500nm的钛金属颗粒，制成孔隙率70％-80％的第三颗粒层。同时需要说明的是，第一梯度层和第二梯度层内包含的颗粒层的层数，可以根据实际压差式电解槽的膜电极结构和需求进行设计，上述仅给出了优选的结构。

11、在上述技术方案基础上，所述第二梯度层的外侧设置有膨胀钛网。

12、通过在第二梯度层的外侧烧结一层膨胀钛网，得到一种无需流道的多孔扩散层结构即去流场化，可以使得流体分布更加均匀，使膜电极在差压的作用下受力更加均匀，增强极板对于膜电极的支撑作用，避免膜电极在使用过程中产生较大的形变，造成损坏影响正常运行。

13、在上述技术方案基础上，第一梯度层、第二梯度层内填充的金属颗粒与扩散层基材的材质相同。

14、在上述技术方案基础上，所述扩散层基材采用钛纤维毡，所述金属颗粒采用钛金属颗粒。

15、优选的，本技术中采用钛金属颗粒，对于pem电解槽来说，使用性能较好。采用铁、铜等金属颗粒，比较容易被腐蚀，导致金属离子出现在水中，对膜电极会造成毒化，使得电解堆性能衰减加剧。

16、另一方面，本发明还提供了一种差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层的制备方法，包括以下步骤：

17、步骤一，在扩散层基材的一侧覆盖一层粒径为50-60nm的金属颗粒，形成孔隙率为50％-60％的第二颗粒层；

18、步骤二：在步骤一中得到的第二颗粒层的表面，利用聚苯乙烯做模板剂，涂覆一层粒径为20-50nm的金属颗粒，形成孔隙率为30％-40％的第一颗粒层；在扩散层基材的一侧完成第一梯度层的制备；

19、步骤三：将步骤二中得到的结构在200-300℃下煅烧1h，再在500-600℃下煅烧1h，将步骤二中的模板去除。

20、步骤四：在扩散层基材的另一侧涂覆一层粒径为200-500nm的金属颗粒，形成孔隙率为70％-80％的第三颗粒层；在扩散层基材的另一侧完成第二梯度层的制备；得到梯度化孔隙的扩散层结构。

21、本发明还提供了上述扩散层的制备方法，在制备梯度化孔隙结构的过程中，采用模板剂作为控制孔隙的方式，制备出梯度化孔隙的钛纤维毡，对于孔隙的控制更加精准，尤其适用于差压式pem电解槽，起到保护膜电极的作用。相应的，根据第一梯度层、第二梯度层内设置的颗粒层的层数进行依次制备得到。

22、在上述技术方案基础上，还包括步骤五，在第二梯度层的外侧烧结一张膨胀钛网，得到最终的梯度化孔隙与无流场化扩散层结构。

23、优选的，在第二梯度层的外侧通过烧结的方式设置有膨胀钛网，可以形成一种无需流场的钛纤维毡，流体分布更加均匀，改善水汽扩散效果和效率，同时可以增强极板对于膜电极的支撑作用，防止膜电极发生较大的形变。

24、本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：

25、1、本发明提供了一种差压式pem电解槽用梯度化孔隙与无流场化扩散层，采用梯度化孔隙结构的方式，改善了传输层与双极板之间的接触结构，可以在膜电极阴极和阳极形成的压差作用下提供有效支撑，有效解决了膜电极的溶胀会导致膜进入到钛纤维毡的问题，在保证汽水传输的同时增加膜电极与钛纤维毡表面的接触面积，减少膜电极侵入钛纤维毡的面积，阻止膜电极形变严重甚至造成损坏。

26、2、通过在第二梯度层的外侧烧结一层膨胀钛网，得到一种无需流道的多孔扩散层结构即去流场化，可以使得流体分布更加均匀，使膜电极在差压的作用下受力更加均匀，增强极板对于膜电极的支撑作用，避免膜电极在使用过程中产生较大的形变，造成损坏影响正常运行。

27、3、本发明还提供了上述扩散层的制备方法，在制备梯度化孔隙结构的过程中，采用模板剂作为控制孔隙的方式，制备出梯度化孔隙的钛纤维毡，对于孔隙的控制更加精准，尤其适用于差压式pem电解槽，起到保护膜电极的作用。