新型多孔传输层及其制备方法及质子交换膜电解槽与流程

本发明涉及质子交换膜水电解，特别涉及一种新型多孔传输层及其制备方法及质子交换膜电解槽。

背景技术：

1、质子交换膜电解水技术是制取绿氢的关键技术之一，凭借其高效、绿色、响应快等优点而得到高度重视和发展。质子交换膜（pem）电解槽是质子交换膜电解水技术的核心设备，通常由端板，双极板、多孔传输层（ptl）和膜电极等核心部件组成，多孔传输层在pem电解槽中主要承担着气液传输、电流分配、导热以及机械支撑的作用，其结构的优化对提高电解槽性能具有重要的意义。

2、由于阳极ptl工作在高电位、强酸环境下，因此其需要具有良好的耐腐蚀性，同时还应满足良好的导电、导热性能。在材料选择上，通常选择钛金属。为满足气（h2/o2）液（水）交换的要求，需要具有较好的渗透性，因此通常做成具有一定孔隙率的多孔结构。目前常用的ptl有钛毡、钛网、烧结钛板、碳纸等。

3、碳纸具有较高的孔隙率和良好的导电性，但其在高电位下容易氧化腐蚀，因此不适合用作阳极ptl，同时其机械性能较差，在电解槽组装过程中，如果组装压力过大，容易造成其纤维折断，导致结构被破坏。钛网具有较高的孔隙和良好的机械性能，但其孔隙太大，导致 ptl和催化剂层（cl）的接触面积减小，进而使反应位点减少，降低了反应效率。烧结钛板是由钛粉颗粒烧结而成，其具有优越的导电性，但是其孔隙率一般较小，只有20%-40%，在高电流密度环境下，由于气体产量较大，反应水需求量较高，较低的孔隙率容易出现传质问题。钛毡具有较好的导电性和较高的孔隙率，一般由钛纤维编织而成，因此很难定向控制其孔隙位置，其孔隙通道弯曲度一般较大，增加了气液传输路径的复杂程度。

4、因此，对于ptl结构的优化，一方面要有较高的孔隙率，保证其良好的气液传输性能，另一方面也要保证其与催化剂层较大的接触面积以及良好的导电性和机械性能，需要两者结合进行综合优化。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种新型多孔传输层及其制备方法及质子交换膜电解槽，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、首先本发明提供一种新型多孔传输层，包括：依次复合连接的纤维钛毡层、多层钛网层，所述纤维钛毡层和钛网层分别均布有微孔，所述纤维钛毡层、多层钛网层的孔隙率和孔径均呈依次递增设置。

4、本发明的新型多孔传输层有益效果是：通过孔隙率和孔径均从催化剂层到流道界面方向依次递增的设置，有利于液体通过微孔渗入至膜电极的催化剂层进行反应，同时在液体沿着流道流动时，可形成流动的负压推动气泡沿朝向流道界面的方向流动，使得小气泡快速成核并且生长，小气泡在较大的微孔中快速融合变成体积较大的大气泡后，跟随液体往外流动，融合后体积较大的大气泡会往里推动液体渗入至膜电极的催化剂层，相比与单独的钛毡，即增大了孔隙率，又适应了产物气泡成核、生长、融合变大的体积变化过程，更有利于高电流密度下的气液传输，与催化剂层接触一面采用超细钛纤维编织而成的纤维钛毡层，降低了表面粗糙度，增加了与催化剂层的接触面积，提高了反应效率，由于钛网层具有较高的耐压缩性能，比传统的钛毡具有更好的耐压缩性能，在电解槽组装过程中不易变形和损坏。

5、作为上述技术方案的进一步改进，所述纤维钛毡层的孔径小于。

6、作为上述技术方案的进一步改进，所述纤维钛毡层、多层钛网层的孔隙率呈阶梯递增。

7、作为上述技术方案的进一步改进，所述钛网层包括依次叠合于设于所述纤维钛毡层一侧面的第一钛网层和第二钛网层。

8、作为上述技术方案的进一步改进，所述纤维钛毡层的孔隙率在50%-60%之间。

9、作为上述技术方案的进一步改进，所述第一钛网层的孔隙率在60%-70%之间。

10、作为上述技术方案的进一步改进，所述第二钛网层的孔隙率在70%-80%之间。

11、作为上述技术方案的进一步改进，所述第一钛网层与第二钛网层上的微孔呈交错连通。

12、本发明还提供一种新型多孔传输层的制备方法，包括：将所述纤维钛毡层与多层钛网层一体化烧结在一起。

13、本发明还提供一种质子交换膜电解槽，包括通过上述制备方法制备的新型多孔传输层。

技术特征：

1.一种新型多孔传输层，其特征在于，包括：依次复合连接的纤维钛毡层（100）、多层钛网层，所述纤维钛毡层（100）和钛网层分别均布有微孔，所述纤维钛毡层（100）、多层钛网层的孔隙率和孔径均呈依次递增设置。

2.根据权利要求1所述的新型多孔传输层，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的新型多孔传输层，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的新型多孔传输层，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的新型多孔传输层，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的新型多孔传输层，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的新型多孔传输层，其特征在于：

8.根据权利要求4至7任一项所述的新型多孔传输层，其特征在于：

9.一种如权利要求1至8任一项所述的新型多孔传输层的制备方法，其特征在于：包括：

10.一种质子交换膜电解槽，其特征在于：包括通过权利要求9所述的制备方法制备的新型多孔传输层。

技术总结本发明公开了一种新型多孔传输层及其制备方法及质子交换膜电解槽，包括：依次复合连接的纤维钛毡层、多层钛网层，所述纤维钛毡层和钛网层均均布有微孔，所述纤维钛毡层、多层钛网层的孔隙率和孔径均呈依次递增设置。相比与单独的钛毡，即增大了孔隙率，又适应了产物气泡成核、生长、融合变大的体积变化过程，更有利于高电流密度下的气液传输，增加了与催化剂层的接触面积，提高了反应效率，比传统的钛毡具有更好的耐压缩性能，在电解槽组装过程中不易变形和损坏。技术研发人员：李鹏,赵升勇,赵志勇,罗葵,丁晨希,晏应霜,刘子龙,黄思源,张清杰受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室技术研发日：技术公布日：2024/7/18