一种PEM电解水制氢用复合传输层的制作方法

本发明属于pem电解水制氢，更具体地说，是涉及一种pem电解水制氢用复合传输层。

背景技术：

1、多孔传输层(ptl)是pem电解槽主要的部件之一，具有传输气体和水，以及导电、导热等作用，同时也为膜电极等重要部件提供一定的机械支撑。目前pem电解槽阳极多孔材传输层的主流材料为钛纤维毡，它是由ta1钛经过切削或拉拔形成钛纤维丝，再经无纺铺制、叠配和真空烧结而成，具有高孔隙率、制备工艺简单等特点。然而，钛纤维毡作为丝状纤维结构，与膜电极的接触性质为线接触，因此接触不充分会引起接触电阻升高，导致电解槽电解效率降低；同时，钛毡的纤维间隙约为50-60μm(以丝径25μm，孔隙率60％为例)，而催化剂团聚体尺寸仅为200nm-5μm，因此钛毡的纤维间隙与催化剂尺度不匹配会导致有效电解面积减少。

2、中国专利申请cn 115646071 a公开提供了一种水电解槽用梯度化多孔金属毡，在金属纤维毡的外表面上附着至少一层采用等离子喷涂而成的球状金属颗粒层，依赖金属颗粒间的间隙形成小间隙复合层，既能解决金属颗粒入侵金属纤维层的影响，降低金属毡的平均孔隙直径及接触电阻。然而，利用真空等离子喷涂的方式进行制备难以精准控制多孔传输层的孔隙率以及孔径范围；同时，高温熔融的金属颗粒相互粘接，极易堵塞孔隙，降低传质效率。

3、中国专利申请cn 117646236 a提供了一种水电解制氢装置用气体扩散层的制备方法，包括制备前体纤维网步骤、制备固结纤维网步骤、高温碳化步骤和疏水处理步骤。相比于非织造干法成网工艺制备出的碳纤维基材及气体扩散层，此发明的水电解制氢装置用气体扩散层还具备高均匀性等特点。然而，制备前驱体以及高温阶段碳化等步骤所需工艺繁琐，不仅工艺制备周期长、高温碳化能耗高，且该工艺很难实现大规模量产制备。

4、钛纤维毡与膜电极的微观接触表现为钛丝与催化剂表面的线接触，因此钛纤维毡与膜电极的接触并不充分，三相交界的电化学反应位点较少，两者接触电阻较大，导致电解槽电解效率较低。

5、膜电极平面横向电阻值远大于钛毡镀铂后的金属阻值，因此电子传输行为发生在钛毡的钛纤维丝之间。以钛纤维丝丝径25μm、孔隙率60％为例，该规格表面钛纤维丝的间隙约为50-60μm之间，而催化剂团聚体的单位尺寸仅为200nm-5μm之间，因此钛纤维丝间隙与催化剂团聚体的尺度不匹配，没有有效覆盖各个催化剂团聚体，导致活性区域的电子传输通道较少，影响pem电解槽的电解效率。

6、双极板与钛纤维毡两个部件由于电解槽装配扭矩作用，受到较强的相互作用力。因此钛毡会在双极板流道凹槽区域向内塌陷，钛毡背面与膜电极的接触则会不充分，造成整体钛毡与膜电极接触不均匀。该现象的发生，会使钛毡产生一定形变，无法为膜电极提供有效机械支撑，甚至造成部件受损以及电解槽电解效率降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单，改善钛毡与膜电极接触效果，降低传输层与膜电极接触电阻，匹配不同单位尺寸催化剂团聚体，构建高效电子传输通道，提升传质能力，提升pem电解槽电解效率的pem电解水制氢用复合传输层。

2、要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

3、本发明为一种pem电解水制氢用复合传输层，包括微孔传输层mpl、钛纤维毡、多孔加强板，微孔传输层mpl正面与膜电极贴合，微孔传输层mpl背面与钛纤维毡正面连结，钛纤维毡背面与多孔加强板连结，多孔加强板背面与钛金属双极板贴合；微孔传输层mpl的孔径范围为5-10μm，钛纤维毡102的孔径范围为50-60μm，多孔加强板的孔径范围为0.5-1mm，微孔传输层mpl、钛纤维毡、多孔加强板梯度孔径结构。

4、所述的微孔传输层mpl、钛纤维毡、多孔加强板连结时，微孔传输层mpl和钛纤维毡的贴合接触部位，以及钛纤维毡和多孔加强板贴合接触部位分别通过高温烧结的方式熔融为一体，实现高温熔融连结。

5、所述的微孔传输层mpl材料选定工业纯钛ta1，微孔传输层mpl材料厚度在20-50μm范围。

6、所述的微孔传输层mpl加工孔时选择在薄钛片上进行加工打孔成型，打孔方式包括但不限于飞秒激光、光刻工艺方式。

7、所述的微孔传输层mpl在确定孔距的情况下，孔隙率计算公式为：

8、

9、其中：—mpl孔隙率％；

10、r—圆孔半径mm；

11、n-圆孔数量；

12、l—mpl长边长度mm；

13、d—mpl短边长度mm。

14、所述的多孔加强板材料选定为工业纯钛ta1，多孔加强板的厚度在0.3-0.5mm。

15、所述的多孔加强板加工孔时的加工方式为在钛板上打孔，包括但不限于皮秒激光、cnc机加以及化学蚀刻方式，孔径范围0.5-2mm。

16、所述的多孔加强板设置为能够向钛纤维毡和微孔扩散层mpl提供均匀压力，防止传输层向双极板流道凹槽区域内塌陷的结构。

17、所述的多孔加强板的材料选用ta1。

18、所述的微孔传输层mpl的材料选用ta1。

19、采用本发明的技术方案，工作原理及有益效果如下所述：

20、本发明所述的pem电解水制氢用复合传输层，(1)创新性地在薄钛片上进行飞秒激光、光刻打孔(孔径5-10μm)，构建微孔传输层mpl，由传统钛毡的线接触转变为面接触，改善传统钛毡与膜电极的接触效果，降低传输层与膜电极的接触电阻。(2)利用飞秒激光、光刻打孔等方式，能够灵活精准调节孔径和孔间距大小，有效匹配不同单位尺寸的催化剂团聚体，构建高效的电子传输通道，保证pem电解槽的电解效率。(3)创新性地提出多孔加强板，能够更好向钛纤维毡和微孔扩散层mpl提供均匀的压力，防止传输层向双极板流道凹槽区域内塌陷，持续保证与膜电极紧密贴合，确保pem电解槽高效的电解效率。(4)整个复合多孔扩散层由高温烧结的方式熔融为一体，三层扩散层形成梯度孔径，提升整个扩散层的传质效率。

技术特征：

1.一种pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：包括微孔传输层mpl(101)、钛纤维毡(102)、多孔加强板(103)，微孔传输层mpl(101)正面与膜电极贴合，微孔传输层mpl(101)背面与钛纤维毡(102)正面连结，钛纤维毡(102)背面与多孔加强板(103)正面连结，多孔加强板(103)背面与钛金属双极板贴合；微孔传输层mpl(101)的孔径范围为5-10μm，钛纤维毡(102)的孔径范围为50-60μm，多孔加强板(103)的孔径范围为0.5-1mm，微孔传输层mpl(101)、钛纤维毡(102)、多孔加强板(103)梯度孔径结构。

2.根据权利要求1所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的微孔传输层mpl(101)、钛纤维毡(102)、多孔加强板(103)连结时，微孔传输层mpl(101)和钛纤维毡(102)的贴合接触部位，以及钛纤维毡(102)和多孔加强板(103)贴合接触部位分别通过高温烧结的方式熔融为一体，实现高温熔融连结。

3.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的微孔传输层mpl(101)材料选定工业纯钛ta1，微孔传输层mpl(101)材料厚度在20-50μm范围。

4.根据权利要求3所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的微孔传输层mpl(101)加工孔时选择在薄钛片上进行加工打孔成型，打孔方式包括但不限于飞秒激光、光刻工艺方式。

5.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的微孔传输层mpl(101)在确定孔距(101a)的情况下，孔隙率计算公式为：

6.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的多孔加强板(103)材料选定为工业纯钛ta1，多孔加强板(103)的厚度在0.3-0.5mm。

7.根据权利要求6所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的多孔加强板(103)加工孔时的加工方式为在钛板上打孔，包括但不限于皮秒激光、cnc机加以及化学蚀刻方式，孔径范围0.5-2mm。

8.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的多孔加强板(103)设置为能够向钛纤维毡(102)和mpl微孔扩散层(101)提供均匀压力，防止传输层向双极板流道凹槽区域内塌陷的结构。

9.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的多孔加强板(103)的材料选用ta1。

10.根据权利要求1或2所述的pem电解水制氢用复合传输层，其特征在于：所述的微孔传输层mpl(101)的材料选用ta1。

技术总结本发明属于PEM电解水制氢技术领域的PEM电解水制氢用复合传输层。微孔传输层MPL(101)正面与膜电极贴合，微孔传输层MPL(101)背面与钛纤维毡(102)正面连结，钛纤维毡(102)背面与多孔加强板(103)正面连结，多孔加强板(103)背面与钛金属双极板贴合；微孔传输层MPL(101)的孔径范围为5‑10μm，钛纤维毡(102)的孔径范围为50‑60μm，多孔加强板(103)的孔径范围为0.5‑1mm，微孔传输层MPL(101)、钛纤维毡(102)、多孔加强板(103)梯度孔径结构。本发明所述的PEM电解水制氢用复合传输层，结构简单，能够有效改善钛毡与膜电极接触效果，降低传输层与膜电极接触电阻，匹配不同单位尺寸催化剂团聚体，构建高效电子传输通道，提升传质能力，提高PEM电解槽电解效率。技术研发人员：纪东骅,崔国亮,骆泽威,袁金燕,吴琼,范礼,李后良,丁万龙,姜倩受保护的技术使用者：杰锋汽车动力系统股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/18