CN113957470B - 多孔扩散层及其制备方法和质子交换膜电解水制氢装置 - Google Patents

多孔扩散层及其制备方法和质子交换膜电解水制氢装置 Download PDF

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Abstract

多孔扩散层及其制备方法和质子交换膜电解水制氢装置，所述多孔扩散层包括层叠设置的至少两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层、……第N子扩散层，当所述多孔扩散层包括两个子扩散层时，所述第N子扩散层为第二子扩散层；并且沿着从所述第一子扩散层到所述第N子扩散层的方向，所述至少两个子扩散层的孔隙率、孔径和厚度逐渐减小；所述至少两个子扩散层均为亲水性的。本申请的多孔扩散层能够耐受高压，对质子交换膜进行支撑和保护，而且具有亲水性，使水容易通过，可以用于质子交换膜电解水制氢装置中。

Description

多孔扩散层及其制备方法和质子交换膜电解水制氢装置
技术领域
本申请涉及但不限于电解水制氢技术，尤指一种多孔扩散层及其制备方法和质子交换膜电解水制氢装置。
背景技术
质子交换膜电解池(Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell,PEMEC)电解水制氢，因为具有可承受高压、纯度高、能耗低等特点已成为研究热点。高压质子交换膜电解水制氢的原理是，通过提高背压的方式将电解槽阴极腔室内氢气的压力提升至运输所需的压力20MPa，同时将阳极侧氧气的压力维持在常压，在阴阳极之间形成20MPa的压差。为了能够在高压差环境下维持质子交换膜的强度使膜不被撕裂，需要对膜进行支撑和保护。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请提供了一种多孔扩散层，该多孔扩散层能够耐受高压，对质子交换膜进行支撑和保护，而且具有亲水性，使水容易通过，可以用于质子交换膜电解水制氢装置中。
本申请提供了一种多孔扩散层，所述多孔扩散层包括层叠设置的至少两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层、……第N子扩散层，当所述多孔扩散层包括两个子扩散层时，所述第N子扩散层为第二子扩散层；并且沿着从所述第一子扩散层到所述第N子扩散层的方向，所述至少两个子扩散层的孔隙率、孔径和厚度逐渐减小；所述至少两个子扩散层均为亲水性的。
在本申请的实施例中，所述第N子扩散层的孔隙率可以不高于30％，厚度可以不超过整个多孔扩散层厚度的30％。
在本申请的实施例中，所述子扩散层的材料可以为粉末状的钛或纤维状的钛。
在本申请的实施例中，所述多孔扩散层可以包括层叠设置的两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层，其中，
所述第一子扩散层的孔隙率不低于50％，厚度占整个多孔扩散层厚度的70％以上，为亲水性的；
所述第二子扩散层的孔隙率不高于30％，厚度不超过整个多孔扩散层厚度的30％，为亲水性的。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的孔隙率可以为60％至80％。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第二子扩散层的孔隙率可以为20％至30％。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的厚度可以占整个多孔扩散层厚度的70％至90％，所述第二子扩散层的厚度可以占整个多孔扩散层厚度的10％至30％。
在本申请的实施例中，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛；或者，
所述第一子扩散层的材料为纤维状的钛，所述第二子扩散层的材料为纤维状的钛。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛，并且所述第一子扩散层的粉末状的钛的粒径大于所述第二子扩散层的粉末状的钛的粒径。任选地，所述第一子扩散层的粉末状的钛的目数为-150目至+250目，所述第二子扩散层的粉末状的钛的目数为-250目至+500目。
本申请实施例还提供了如上所述的多孔扩散层的制备方法，包括：通过一次烧结形成所述第一子扩散层，通过烧结或喷涂在所述第一子扩散层表面形成所述第二子扩散层，并按照相同的方法形成其他的子扩散层，以及将多个子扩散层进行复合烧结。
在本申请的实施例中，所述多孔扩散层包括层叠设置的两个子扩散层，所述制备方法还可以包括：在所述第一子扩散层上形成所述第二子扩散层之后，以所述第一子扩散层与所述第二子扩散层的分界面为起始向两侧预留出期望的第一子扩散层厚度和第二子扩散层厚度后分别进行切割，得到具有期望厚度的第一子扩散层和第二子扩散层。
本申请实施例还提供一种质子交换膜电解水制氢装置，所述质子交换膜电解水制氢装置包括：阳极气体扩散层、阳极流场板和质子交换膜电极，所述阳极气体扩散层为如上所述的多孔扩散层，并且所述多孔扩散层的第一子扩散层与所述阳极流场板接触，所述多孔扩散层的第N子扩散层与所述质子交换膜电极接触。
在本申请的实施例中，所述质子交换膜电极能够承受两侧的压差至少为20MPa。
本申请的多孔扩散层采用钛形成子扩散层，具有亲水性，使水可以轻易通过，可以用作质子交换膜电解水制氢装置的气体扩散层，不但具有足够的强度而不在高压下塌缩，同时能对质子交换膜进行支撑和保护，而且与质子交换膜的接触阻抗小，具有很好的物质传输功能。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为质子交换膜电解水制氢装置的结构示意图；
图2为采用本申请实施例的多孔扩散层的质子交换膜电解水制氢装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
目前，已有中国专利公开了将质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)中的气体扩散层(GDL)进行双层设计，例如，公开号为CN111009666A、CN101057353A、CN112133931A的中国专利。上述中国专利多针对原本的阳极侧碳纸或碳布的支撑层和微孔层进行改造，例如，将材料改造为不同尺寸的碳颗粒，目的是保证气体能够轻易通过且保证材料的疏水性。然而，气体扩散层在PEMEC中的结构、材料和功能与在PEMFC中均不相同。针对质子交换膜电解水制氢的多孔扩散层的双层设计还未见有报道。
本申请实施例提供了一种多孔扩散层，所述多孔扩散层包括层叠设置的至少两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层、……第N子扩散层，当所述多孔扩散层包括两个子扩散层时，所述第N子扩散层为第二子扩散层；并且沿着从所述第一子扩散层到所述第N子扩散层的方向，所述至少两个子扩散层的孔隙率、孔径和厚度逐渐减小；所述至少两个子扩散层均为亲水性的。
在本申请的实施例中，所述第N子扩散层的孔隙率可以不高于30％，厚度可以不超过整个多孔扩散层厚度的30％。
在本申请的实施例中，所述子扩散层的材料可以为粉末状的钛或纤维状的钛。
在本申请的实施例中，所述多孔扩散层可以包括层叠设置的两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层，其中，
所述第一子扩散层的孔隙率不低于50％，厚度占整个多孔扩散层厚度的70％以上，为亲水性的；
所述第二子扩散层的孔隙率不高于30％，厚度不超过整个多孔扩散层厚度的30％，为亲水性的。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，可以将所述第一子扩散层作为主体层，将第二子扩散层作为致密层。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的孔隙率可以为60％至80％。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第二子扩散层的孔隙率可以为20％至30％。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的厚度可以占整个多孔扩散层厚度的70％至90％，所述第二子扩散层的厚度可以占整个多孔扩散层厚度的10％至30％。
在本申请的实施例中，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛；或者，
所述第一子扩散层的材料为纤维状的钛，所述第二子扩散层的材料为纤维状的钛。
在本申请的实施例中，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛，并且所述第一子扩散层的粉末状的钛的粒径大于所述第二子扩散层的粉末状的钛的粒径。
在本申请的实施例中，当所述多孔扩散层仅包括层叠设置的两个子扩散层时，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛，并且所述第一子扩散层的粉末状的钛的粒径大于所述第二子扩散层的粉末状的钛的粒径，并且所述第一子扩散层的粉末状的钛的目数为-150目至+250目，所述第二子扩散层的粉末状的钛的目数为-250目至+500目。
本申请实施例还提供了如上所述的多孔扩散层的制备方法，包括：通过一次烧结形成所述第一子扩散层，通过烧结或喷涂在所述第一子扩散层表面形成所述第二子扩散层，并按照相同的方法形成其他的子扩散层，以及将多个子扩散层进行复合烧结。
在本申请的实施例中，所述多孔扩散层包括层叠设置的两个子扩散层，所述制备方法可以包括：
通过一次烧结形成所述第一子扩散层，通过烧结或喷涂在所述第一子扩散层上形成所述第二子扩散层；将所述第一子扩散层和所述第二子扩散层进行复合烧结。
以所述第一子扩散层与所述第二子扩散层的分界面为起始向两侧预留出期望的第一子扩散层厚度和第二子扩散层厚度后分别进行切割，得到具有期望厚度的第一子扩散层和第二子扩散层。
图1为质子交换膜电解水制氢装置的结构示意图。如图1所示，质子交换膜电解水制氢装置包括质子交换膜1、设置在质子交换膜1两侧的阴极催化剂层2和阳极催化剂层2’、设置在所述阴极催化剂层2远离所述质子交换膜1一侧的阴极气体扩散层3和设置在所述阳极催化剂层2’远离所述质子交换膜1一侧的阳极气体扩散层3’、设置在所述阴极气体扩散层3远离所述质子交换膜1一侧的阴极流场板4和设置在阳极气体扩散层3’一侧的阳极流场板4’、O形圈5、副衬垫6以及阴极极板7和阳极极板7’等。
采用高压差质子交换膜电解水制氢装置制氢时，将阴极腔室内氢气的压力通过背压的方式提升至20MPa，在该压力作用下，阴极极板7和阳极极板7’承受主要压力，具体地：当阴极压力升高时，阴极腔室被高压气体填充，该压力在电解池径向(即如图1所示的左右方向)被密封圈5限制，在轴向向阴极极板和质子交换膜电极1施压，使质子交换膜电极1被紧紧压在阳极气体扩散层3’上，进而使阳极气体扩散层3’被压在阳极流场板4’和阳极极板上；最终该压力由阴极极板和阳极极板承受。因此，阳极气体扩散层3’一面受到来自质子交换膜电极1的压力，与质子交换膜电极1紧紧贴合，另一面与阳极流场板4’紧紧贴合。
本申请实施例还提供了一种质子交换膜电解水制氢装置，所述质子交换膜电解水制氢装置包括：阳极气体扩散层、阳极流场板和质子交换膜电极，所述质子交换膜电极包括质子交换膜、阴极催化剂层和阳极催化剂层，所述阳极气体扩散层为如上所述的多孔扩散层，并且所述多孔扩散层的第一子扩散层与所述阳极流场板接触，所述多孔扩散层的第N子扩散层与所述质子交换膜电极接触。
图2为采用本申请实施例的多孔扩散层的质子交换膜电解水制氢装置的结构示意图。如图2所示，本申请实施例的质子交换膜电解水制氢装置可以采用双层结构的多孔扩散层作为阳极气体扩散层，该质子交换膜电解水制氢装置包括：阳极气体扩散层3’、阳极流场板4’和质子交换膜电极，所述质子交换膜电极包括质子交换膜1、阴极催化剂层2和阳极催化剂层2’，所述阳极气体扩散层3’为如上所述的多孔扩散层，所述多孔扩散层包括层叠设置的两个子扩散层，依次为第一子扩散层31’和第二子扩散层32’，并且所述第一子扩散层31’与所述阳极流场板4’接触，所述第二子扩散层32’与所述质子交换膜电极接触。
在如图2所示的质子交换膜电解水制氢装置中，孔隙率、厚度、颗粒或纤维直径、刚度相对较小的第二子扩散层作为致密层与质子交换膜电极接触，致密层可以分散质子交换膜电极承受的压力，避免质子交换膜在高压差下被穿透；同时，多孔扩散层不但起支撑质子交换膜的作用，还承担着传输物质的重要作用，由于阳极流场板上流道的宽度和刚度远远大于多孔扩散层的厚度和刚度，因此采用孔隙率、厚度、颗粒或纤维直径、刚度相对较大的第一子扩散层作为主体层与阳极流场板接触，可以避免多孔扩散层被阳极流场板压塌或压迫变形，同时降低传质阻抗。
在本申请的实施例中，所述质子交换膜电极能够承受两侧的压差至少为20MPa。
多孔扩散层的制备实施例
实施例1
本实施例的多孔扩散层包括层叠设置的两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层；其中，
1、第一子扩散层厚度为0.7mm，为亲水性的，使用粒径为150目至250目的钛金属粉末进行松装烧结形成，以控制第一子扩散层的孔隙率不低于50％，烧结温度为1060℃，烧结时间为3h；
2、第二子扩散层厚度为0.3mm，为亲水性的，使用粒径为-500目的钛金属粉末进行松装烧结形成，以控制第二子扩散层的孔隙率不高于30％，烧结温度为980℃，烧结时间为3h；
3、两个子扩散层进行复合烧结，烧结温度为1070℃，烧结时间为3h，得到厚度为1mm的多孔扩散层；
4、外形尺寸加工：复合烧结之后再采用激光切割或物理刀具切割加工成需要的成品尺寸(不可使用线切割)。
实施例2
1、第一子扩散层厚度为0.8mm，为亲水性的，使用粒径为150目至250目的钛金属粉末进行松装烧结形成，以控制第一子扩散层的孔隙率不低于50％，烧结温度为1060℃，烧结时间为3h；
2、第二子扩散层厚度为0.2mm，为亲水性的，使用粒径为-500目的钛金属粉末轧制后进行烧结形成，以控制第二子扩散层的孔隙率不高于30％，烧结温度为950℃，烧结时间为3h；
3、两个子扩散层进行复合烧结，烧结温度为1070℃，烧结时间为3h，得到厚度为1mm的多孔扩散层；
4、外形尺寸加工：复合烧结之后再采用激光切割或物理刀具切割加工成需要的成品尺寸(不可使用线切割)。
实施例3
1、第一子扩散层厚度为0.9mm，为亲水性的；使用粒径为150目至250目的钛金属粉末进行松装烧结形成，以控制第一子扩散层的孔隙率不低于50％，烧结温度为1060℃，烧结时间为3h；
2、第二子扩散层厚度为0.1mm，为亲水性的，使用粒径为-500目的钛金属粉末进行喷涂形成，以控制第二子扩散层的孔隙率不高于30％；
3、两个子扩散层进行复合烧结，烧结温度为1070℃，烧结时间为3h，得到厚度为1mm的多孔扩散层；
4、外形尺寸加工：复合烧结之后再采用激光切割或物理刀具切割加工成需要的成品尺寸(不可使用线切割)。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种多孔扩散层，其特征在于，包括层叠设置的至少两个子扩散层，依次为第一子扩散层、第二子扩散层、……第N子扩散层，当所述多孔扩散层包括两个子扩散层时，所述第N子扩散层为第二子扩散层；并且沿着从所述第一子扩散层到所述第N子扩散层的方向，所述至少两个子扩散层的孔隙率、孔径和厚度逐渐减小；所述至少两个子扩散层均为亲水性的；
其中，所述第一子扩散层的孔隙率不低于50％，厚度占整个多孔扩散层厚度的70％以上；
所述第N子扩散层的孔隙率不高于30％，厚度不超过整个多孔扩散层厚度的30％；
所述子扩散层的材料为粉末状的钛或纤维状的钛。
2.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其中，所述第一子扩散层的孔隙率为60％至80％。
3.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其中，所述第二子扩散层的孔隙率为20％至30％。
4.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其中，所述第一子扩散层的厚度占整个多孔扩散层厚度的70％至90％，所述第二子扩散层的厚度占整个多孔扩散层厚度的10％至30％。
5.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其中，
所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛；或者，
所述第一子扩散层的材料为纤维状的钛，所述第二子扩散层的材料为纤维状的钛。
6.根据权利要求5所述的多孔扩散层，其中，所述第一子扩散层的材料为粉末状的钛，所述第二子扩散层的材料为粉末状的钛，并且所述第一子扩散层的粉末状的钛的粒径大于所述第二子扩散层的粉末状的钛的粒径。
7.根据权利要求6所述的多孔扩散层，其中，所述第一子扩散层的粉末状的钛的目数为-150目至+250目，所述第二子扩散层的粉末状的钛的目数为-250目至+500目。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多孔扩散层的制备方法，包括：通过一次烧结形成所述第一子扩散层，通过烧结或喷涂在所述第一子扩散层表面形成所述第二子扩散层，并按照相同的方法形成其他的子扩散层，以及将多个子扩散层进行复合烧结。
9.根据权利要求8所述的多孔扩散层的制备方法，其中，所述多孔扩散层包括层叠设置的两个子扩散层，所述制备方法还包括：在所述第一子扩散层上形成所述第二子扩散层之后，以所述第一子扩散层与所述第二子扩散层的分界面为起始向两侧预留出期望的第一子扩散层厚度和第二子扩散层厚度后分别进行切割，得到具有期望厚度的第一子扩散层和第二子扩散层。
10.一种质子交换膜电解水制氢装置，其特征在于，包括：阳极气体扩散层、阳极流场板和质子交换膜电极，所述阳极气体扩散层为根据权利要求1至7中任一项所述的多孔扩散层，并且所述多孔扩散层的第一子扩散层与所述阳极流场板接触，所述多孔扩散层的第N子扩散层与所述质子交换膜电极接触。
11.根据权利要求10所述的质子交换膜电解水制氢装置，其中，所述质子交换膜电极能够承受两侧的压差至少为20MPa。
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