电解水用的多孔传输层及其制备方法和应用

本发明属于电解水制氢，具体涉及一种用于提高电解水性能和缓解氢渗透的多孔传输层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜电解水制氢技术将电能转化为化学能的形式储存，被认为是最有效的可再生能源储能方法。质子交换膜电解水技术具有结构紧凑、占地面积小、反应条件温和、响应能力快速等特点。利用弃光弃风的电力，采用质子交换膜电解水技术将电能转化为氢能储存起来，得到的氢气既可以作为燃料进行发电或供热，也可以为氢燃料电池汽车提供能源，同时还可以应用在工业合成、医疗、消碳减排、天然气掺氢等领域，使得可再生能源利用率最大化。

2、目前质子交换膜水电解槽(以下简述为pemwe)的电化学性能是影响质子交换膜电解水制氢技术发展的主要原因，在一定程度上受限于电解槽内过大的欧姆电阻以及物质传输阻力。同时，质子交换膜电解槽中氢渗透，也是pemwe的关键性指标，它会引起的安全性问题，使法拉第效率降低。在传统pem电解槽中，碳纸常被作为阴极多孔传输层，其碳纤维之间的微孔结构，使传输层与催化层之间界面接触差，界面接触电阻较大，不利于电子传输。同时，碳纸的疏水特性会使水传输受阻，不利于溶解氢排出。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种电解水用的多孔传输层，旨在解决现有质子交换膜电解槽部件之间界面接触电阻较大，电子传输能力低，氢渗透现象引起的安全性问题。本发明还提供了该电解水用的多孔传输层的制备方法和应用。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，一种电解水用的多孔传输层，所述多孔传输层包括碳纸，所述碳纸表面负载有亲水微孔层，且所述亲水微孔层的孔径为20-60nm。

4、其中所述亲水微孔层包括导电碳颗粒和亲水粘结剂，所述导电碳颗粒为导电炭黑；且所述导电碳颗粒与亲水粘接剂的质量比为(2-8):1。

5、在某些具体的实施例中，所述亲水粘接剂为质量分数为5wt％的nafion溶液；所述导电碳颗粒为导电炭黑、科琴黑和乙炔黑中的一种或者多种。

6、在某些具体的实施例中，所述亲水微孔层中导电碳颗粒的负载量为0.5-5mg/cm2。

7、第二方面，一种前述电解水用的多孔传输层的制备方法，包括如下步骤：

8、1)浆料配制：将导电碳颗粒加入含有去离子水和有机溶剂的分散介质中，搅拌分散均匀后，再加入亲水粘结剂，搅拌均匀，得到浆料；

9、具体的，在浆料的制备过程中，先将导电炭黑和分散介质混合搅拌，再超声分散，每次时间不小于20min；然后再添加亲水粘结剂，搅拌后再超声，每次时间不小于20min，搅拌次数至少三次，超声次数至少三次。

10、2)将浆料喷涂在碳纸表面，得到负载有浆料的碳纸；

11、3)将负载有浆料的碳纸进行干燥后，即得多孔传输层样品。

12、在某些具体的实施例中，所述分散介质为去离子水和有机溶剂的混合物，且所述去离子水与有机溶剂的体积比为(1-3)：1。

13、进一步，所述有机溶剂为异丙醇、正丙醇以及乙醇中的一种或者多种。

14、在某些具体的实施例中，所述导电碳颗粒的质量与分散介质的体积比为0.5-5:1。

15、第三方面，一种前述电解水用的多孔传输层在电解水制氢领域的应用。

16、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

17、1)本发明中的电解水用的多孔传输层，该多孔传输层具有微纳结构和亲疏水特性；具体使用时，将该多孔传输层设置于pem电解槽阴极催化层的表面，且该多孔传输层负载有亲水微孔层的一侧靠近pem电解槽阴极催化层，该多孔传输层能够降低与阴极催化层之间的界面接触电阻，同时调控水气传输降低氢渗透，进而提高电解水制氢的技术效益；

18、2)本发明所提供的电解水用的多孔传输层的制备方法，原材料易得，工艺简单，重复稳定性高，适合工业化推广应用。

技术特征：

1.一种电解水用的多孔传输层，其特征在于，所述多孔传输层包括碳纸，所述碳纸表面负载有亲水微孔层，且所述亲水微孔层的孔径为20-60nm。

2.根据权利要求1所述的电解水用的多孔传输层，其特征在于，所述亲水微孔层包括导电碳颗粒和亲水粘结剂，所述导电碳颗粒与亲水粘接剂的质量比为(2-8):1。

3.根据权利要求1所述的电解水用的多孔传输层，其特征在于，所述亲水粘接剂为质量分数为5wt％的nafion溶液；所述导电碳颗粒为导电炭黑、科琴黑和乙炔黑中的一种或者多种。

4.根据权利要求1所述的电解水用的多孔传输层，其特征在于，所述亲水微孔层中导电碳颗粒的负载量为0.5-5mg/cm2。

5.一种根据权利要求1或2中的电解水用的多孔传输层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述的电解水用的多孔传输层的制备方法，其特征在于，所述分散介质为去离子水和有机溶剂的混合物，且所述去离子水与有机溶剂的体积比为(1-3)：1。

7.根据权利要求1所述的电解水用的多孔传输层的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为异丙醇、正丙醇以及乙醇中的一种或者多种。

8.根据权利要求4所述的电解水用的多孔传输层的制备方法，其特征在于，所述导电碳颗粒的质量与分散介质的体积比为0.5-5:1。

9.一种如权利要求1-4任一项所述的多孔传输层在电解水制氢领域的应用。

技术总结本发明公开了一种电解水用的多孔传输层，所述多孔传输层包括碳纸，所述碳纸表面负载有亲水微孔层，且所述亲水微孔层中纳米孔孔径为20‑60nm。本发明还公开了电解水用的多孔传输层的制备方法和应用。本发明中的电解水用的多孔传输层，该多孔传输层具有微纳结构和亲水特性；具体使用时，将该多孔输送层设置于PEM电解槽阴极催化层的表面，且该多孔传输层负载有亲水微孔层的一侧靠近PEM电解槽阴极催化层，该多孔传输层能够降低与阴极催化层之间的界面接触电阻，同时调控水气传输降低氢渗透，进而提高电解水制氢的技术效益。技术研发人员：李俊,王俊杰,黄健,张亮,叶丁丁,朱恂,廖强受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8