一种基于拉拔纤维的PEM电解槽扩散层及其制备方法与流程

本发明属于电解水制氢，具体涉及一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层及其制备方法。

背景技术：

1、氢气是一种清洁、高效的绿色能源，随着氢燃料电池、氢储能、氢冶金等氢能产业应用的日渐成熟，人们对于绿氢的需求将持续增加。质子交换膜电解水(pemwe)制氢技术由于具有与风、光电等可再生能源适配度高，制氢过程高效、无污染等优势而被视为最有前景的绿氢制取技术。扩散层是pem电解水槽的关键组件，其具有导电、传输水/气体、机械支撑质子交换膜的作用。由于pem阳极具有高腐蚀电位以及强酸性环境，这对阳极扩散层材料的耐蚀性和化学稳定性提出了更高的要求，因此具有高耐蚀性的钛成为目前阳极扩散层的主要制备材料。

2、市场上使用的钛扩散层材料主要有两种：钛粉烧结多孔材料和钛纤维烧结多孔材料。相比于钛粉烧结多孔材料，钛纤维烧结多孔材料可以实现更薄的厚度、更高的孔隙率，同时保持扩散层高的抗弯强度和柔韧性。这使得钛纤维烧结多孔材料更容易实现更高电流密度和更高电解效率，同时也能够在高压pem电解槽中保持更优的综合力学性能。

3、然而传统的钛纤维烧结多孔扩散层主要采用切削钛纤维，存在以下问题：

4、1、切削纤维丝径均匀性差，导致切削纤维多孔扩散层的孔径分布不均匀，可能存在部分远超平均孔径的孔隙。因而在使用过程中质子膜会在气压下陷入孔隙中形成大的鼓泡，严重时会导致质子膜的破裂，引发安全事故；

5、2、切削纤维形状不规则。部分纤维具有尖锐的棱角，这些尖角处会形成应力集中和电荷集中，从而降低膜的使用寿命。

6、3、切削纤维的丝径较粗。目前切削方法制备的钛纤维丝径都在20μm以上，这使得切削纤维扩散层的平均孔隙较大。

7、因此，亟需开发一种更加均匀高效的纤维烧结多孔扩散层。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层及其制备方法，制备得到的扩散层具有高均匀性、更光滑的微观表面，以及高孔隙率下的更小孔径。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的第一个方面，提供一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，将拉拔钛纤维进行无纺铺制后进行烧结，然后进行平整、裁切，得到钛多孔纤维扩散层产品。

4、进一步地，

5、无纺铺制过程中铺制克重控制在400～1000g/m2。

6、进一步地，

7、烧结过程中烧结温度为900～1300℃，时间为4h～8h，真空度在2×10-2pa以内。

8、进一步地，

9、所述拉拔钛纤维的制备方法如下：

10、步骤1：将纯钛丝经过预处理得到镀铜钛丝；

11、步骤2：将镀铜钛丝进行集束复合；

12、步骤3：对集束复合后的复合体进行集束拉伸并退火，直至拉伸到需求的纤维尺寸；

13、步骤4：将集束拉拔后的纤维复合体依次进行酸洗、超声清洗、烘干，得到拉拔钛纤维。

14、进一步地，

15、步骤1中将纯钛丝经过预处理得到镀铜钛丝，具体操作包括：

16、将纯钛丝依次经过超声清洗、酸洗、表面镀铜得到镀铜钛丝。

17、进一步地，

18、酸洗是将超声清洗后的纯钛丝浸泡在第一酸洗液中浸泡20～60s，去除表面的氧化层并进行活化；

19、第一酸洗液为硝酸和氢氟酸组成的混合物，且混合物中硝酸的体积浓度为15～30％，氢氟酸的体积浓度为2～10％。

20、进一步地，

21、表面镀铜是将酸洗后的纯钛丝放在镀液中浸泡直至镀层厚度得到0.2～1μm为止，其中镀液为浓度为140g/l的无水硫酸铜。

22、进一步地，

23、步骤3中对集束复合后的复合体进行集束拉伸并退火，直至拉伸到需求的纤维尺寸，具体操作包括：

24、将集束复合后的复合体拉伸3-7道次后退火，其中单道次拉伸率30％～60％，退火温度500～800℃，时间5～40min，重复该过程直至纤维丝径为12～28μm为止。

25、进一步地，

26、步骤4中酸洗是将纤维复合体放入第二酸洗液中浸泡2～8h，洗去纤维表面铜镀层；

27、第二酸洗液为硝酸和盐酸组成的混合物，其中硝酸浓度为10～50ml/l，盐酸浓度为40～100ml/l。

28、本发明的第二个方面，提供一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层，采用如上述所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法制备得到的pem电解槽扩散层。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、本发明采用拉拔钛纤维替代了常用的切削钛纤维，极大提高了纤维烧结扩散层的均匀性，提高了产品质量。更重要的，拉拔纤维可以生产更细丝径的钛纤维，使得扩散层的孔隙分布更加均匀细小，这种扩散层结构提升了pem电解槽催化剂的催化效率，使得电解效率得以提高。

技术特征：

1.一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，将拉拔钛纤维进行无纺铺制后进行烧结，然后进行平整、裁切，得到钛多孔纤维扩散层产品。

2.根据权利要求1所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，无纺铺制过程中铺制克重控制在400～1000g/m2。

3.根据权利要求1所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，烧结过程中烧结温度为900～1300℃，时间为4h～8h，真空度在2×10-2pa以内。

4.根据权利要求1所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，所述拉拔钛纤维的制备方法如下：

5.根据权利要求4所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，步骤1中将纯钛丝经过预处理得到镀铜钛丝，具体操作包括：

6.根据权利要求5所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，酸洗是将超声清洗后的纯钛丝浸泡在第一酸洗液中浸泡20～60s，去除表面的氧化层并进行活化；

7.根据权利要求5所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，表面镀铜是将酸洗后的纯钛丝放在镀液中浸泡直至镀层厚度得到0.2～1μm为止，其中镀液为浓度为140g/l的无水硫酸铜。

8.根据权利要求4所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，步骤3中对集束复合后的复合体进行集束拉伸并退火，直至拉伸到需求的纤维尺寸，具体操作包括：

9.根据权利要求4所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法，其特征在于，步骤4中酸洗是将纤维复合体放入第二酸洗液中浸泡2～8h，洗去纤维表面铜镀层；

10.一种基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的基于拉拔纤维的pem电解槽扩散层制备方法制备得到的pem电解槽扩散层。

技术总结本发明提供了一种基于拉拔纤维的PEM电解槽扩散层及其制备方法，属于电解水制氢技术领域。所述制备方法为：将拉拔钛纤维进行无纺铺制后进行烧结，然后进行平整、裁切，得到钛多孔纤维扩散层产品。本发明采用拉拔钛纤维替代了常用的切削钛纤维，极大提高了纤维烧结扩散层的均匀性，提高了产品质量。更重要的，拉拔纤维可以生产更细丝径的钛纤维，使得扩散层的孔隙分布更加均匀细小，这种扩散层结构提升了PEM电解槽催化剂的催化效率，使得电解效率得以提高。技术研发人员：孙鹏,聂志宇,钟凯,姜飞龙,侯力强,郭文龙,宋彦博,苏娜,李秀波受保护的技术使用者：西安菲尔特金属过滤材料股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/10