CN115090879A - 一种pem水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：先将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；而后将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；最后将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。本发明采用颗粒均匀分布的金属钛粉以及不同的流延处理方法，能够制备得到具有梯度孔结构的PEM水电解池阳极多孔扩散层。

Description

一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水电解池材料技术领域，具体涉及一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，氢气被广泛应用在合成氨、食品加工、电子技术以及生物医学等领域，其具有重要的应用前景。然而，面对日益严峻的能源短缺问题，开发氢能源被认为是一种能够解决能源危机的有效途径之一。氢气作为一种绿色能源，其氧化产物为水，具有对环境无污染的优势；同时，水又能够分解并制备得到氢气，因此能够循环利用，是目前亟需开发的清洁能源之一。
固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)电解水制氢是一种新兴的电解水技术，其具有制氢压力高、氢气纯度高、占地面积小、启动速度快以及与可再生能源能够良好地耦合等优点。
通常，一个PEM水电解单池包括以下组件：膜电极组件(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)、集流板、流场板、密封圈、绝缘板、端板和紧固件等。膜电极组件是电化学反应的主要场所，因此是电解池的核心组成部分，并对电解池的性能起着至关重要的作用。MEA的结构通常包括五部分，具体分别为阳极多孔扩散层(PTL)、阳极催化层、电解质膜、阴极催化层和阴极多孔扩散层。阳极多孔扩散层通常独立地作为电解池的组件之一，但是阳极多孔扩散层的材料种类选择有限，主要是由于电化学反应过程中的高氧化电位和酸性环境，此外阳极多孔扩散层还需具备较高的机械强度来负载催化层，现有技术中通常采用有经过钝化处理的多孔材料。
传统的多孔材料用作气体扩散层存在以下问题：一是内部孔隙结构比较复杂且孔道无序，导致气体和水在其内部存在较大的阻力，流体通过性较差，进而影响了整个电解反应的效率；二是多孔材料表面的孔隙形状不规则，导致其在与催化层接触时多为线接触状态，使得接触效率低和活性位点少，降低了析氧反应的速度，同时也造成了界面之间的接触电阻较大，进一步增加了电解池的能耗；三是多孔材料表面的孔隙较大且孔径大小不一，为了防止质子交换膜在阴极和阳极的高压差作用下产生剪切力而造成破坏，通常需要使用比孔径更大的质子交换膜，从而增加了内阻和系统能耗；四是多孔材料的孔隙度过大，不适用于进行较大活性面积的电解反应。
因此，基于以上考虑，在本领域中，亟需开发一种阳极多孔扩散层材料，其不仅具有有序且适宜的孔径结构，同时还与膜电极接触时具有较小的电阻，并且制备得到的电解池具有较高的反应效率以及较低的能耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法和应用。本发明采用颗粒均匀分布的金属钛粉，金属钛粉在烧结后形成的金属钛层具备有良好的耐腐蚀性和较高的电子传导性。同时本发明采用不同的流延处理方法，并加入造孔剂进行复合，能够制备得到具有梯度孔结构的PEM水电解池阳极多孔扩散层。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：
(1)将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；
(2)将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
本发明通过采用颗粒均匀分布的金属钛粉，金属钛粉在烧结后形成的金属钛层具备有良好的耐腐蚀性和较高的电子传导性。另外，还可以在金属钛粉浆料中加入造孔剂，并经过流延处理和相转化固化处理来制备具有不同孔径的PEM水电解池阳极多孔扩散层。此外，本发明中不加入造孔剂浆料能够得到具有基底层、多孔层和表层三层结构的阳极多孔扩散层，并进一步通过采用双层流延和相转化固化处理，即表层或基底层加入造孔剂浆料，而其余两侧均采用金属钛粉流延浆料，由于造孔剂在后续的高温煅烧过程中能够被去除，从而获得具有两层结构的阳极扩散层。
优选地，所述造孔剂浆料的制备方法如下：
将粘接剂和分散剂与溶剂进行混合，并加入造孔剂进行球磨，得到所述造孔剂浆料。
优选地，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(3wt％-20wt％):(0.1wt％-5wt％):(21wt％-71wt％):(15wt％-45wt％)，优选为(6wt％-15wt％):(0.8wt％-3wt％):(50wt％-70wt％):(25wt％-35wt％)，例如可以为3wt％:5wt％:71wt％:21wt％、5wt％:3wt％:65wt％:27wt％、6wt％:3wt％:65wt％:26wt％、8wt％:2wt％:60wt％:30wt％、11.4wt％:1.6wt％:57wt％:30wt％、15wt％:1wt％:50wt％:34wt％、20wt％:1wt％:35wt％:44wt％。
在本发明中，通过调整所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比，使得形成更加均匀的浆料，造孔剂占比过低则形成的孔较少，不利于反应物的传输，造孔剂占比过高则会造成形成的孔较多，整体机械强度降低。
优选地，所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂。
优选地，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯。
优选地，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，所述造孔剂包括石墨或淀粉。
优选地，所述球磨的时间为24-72h，例如可以为24h、28h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、72h。
优选地，步骤(1)中所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂。
优选地，步骤(1)中所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯。
优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为50-150μm，优选为75-100μm，例如可以为50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm。
在本发明中，通过调整步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径，使得形成更加均匀的浆料，粒径过小在煅烧过程中会形成更加致密的表层，从而导致孔较为致密，不利于物质传输；粒径过大则会造成浆料不均匀，形成的生坯表面粗糙，煅烧后形成的表层凹凸不平，容易割伤膜电极。
优选地，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为(3wt％-15wt％):(0.1wt％-2wt％):(21wt％-45wt％):(43wt％-65wt％)，优选为(3wt％-6wt％):(0.8wt％-2wt％):(30wt％-40wt％):(55wt％-65wt％)，例如可以为3wt％:2wt％:45wt％:50wt％、3wt％:2wt％:40wt％:55wt％、4.7wt％:1.3wt％:34wt％:60wt％、5wt％:1wt％:35wt％:59wt％、6wt％:1wt％:30wt％:63wt％、8wt％:2wt％:30wt％:60wt％、10wt％:1wt％:45wt％:44wt％、15wt％:1wt％:40wt％:44wt％。
在本发明中，通过调整步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比，使得形成更加均匀的浆料，金属钛粉质量占比较高则会导致浆料不均匀，在此种情况下形成的表层孔不致密且多孔层内孔生长呈现出非均一化的情况，不利于反应物的传输。
优选地，步骤(1)中所述球磨的时间为24-72h，例如可以为24h、28h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、72h。
优选地，步骤(1)结束后还包括除气处理。
优选地，所述除气处理的时间为5-40min，例如可以为5min、8min、10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min。
优选地，步骤(2)中所述流延处理的温度为10-40℃，例如可以为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。
优选地，步骤(2)中所述相转化固化处理的温度为10-40℃，例如可以为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。
优选地，步骤(2)中所述相转化固化处理的时间为12-48h，例如可以为12h、16h、18h、20h、22h、24h、28h、35h、40h、42h、45h、48h。
优选地，步骤(2)中所述干燥的温度为10-60℃，例如可以为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃。
优选地，步骤(3)中所述煅烧为阶梯式梯度升温煅烧法。
优选地，所述阶梯式梯度升温煅烧法为以2-5℃/min的升温速率升温至250-300℃，保温0.5-1h，而后以1-3℃/min的升温速率升温至600-800℃，保温1-2h，而后以2-5℃/min升温速率升温至900-1200℃，保温2-4h，最后自然冷却至室温。
在本发明中，所述阶梯式梯度升温煅烧法为以2-5℃/min(例如可以为2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min)的升温速率升温至250-300℃(例如可以为250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃)，保温0.5-1h(例如可以为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h)，而后以1-3℃/min(例如可以为1℃/min、2℃/min、3℃/min)的升温速率升温至600-800℃(例如可以为600℃、620℃、650℃、680℃、700℃、720℃、750℃、780℃、800℃)，保温1-2h(例如可以为1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2h)，而后以2-5℃/min(例如可以为2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min)升温速率升温至900-1200℃(例如可以为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃)，保温2-4h(例如可以为2h、2.4h、3h、3.4h、4h)，最后自然冷却至室温。
在本发明中，阶梯式梯度升温煅烧法在煅烧过程中在不同温度下，更有利于不同尺寸孔径的形成。
第二方面，本发明提供了一种PEM水电解池阳极多孔扩散层，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层是由根据第一方面所述的方法制备得到。
优选地，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括任选的基底层、多孔层和任选的表层。
在本发明中，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层具有良好的机械强度，能够对膜电极组件起到较好的物理支撑和保护作用，也具备良好的透水性和透气性，有利于原料水的传输和生成的气体能够顺利排出，并且其具有良好的导热性能，有利于水电解池内部的热分布，以便延长水电解池的使用寿命。
PEM水电解池阳极多孔扩散层的表层或基底层在膜电极组件的组装过程中，其与膜电极组件形成面接触，降低了两者之间的接触电阻，同时也降低了水电解池系统的能耗，并能起到保护膜电极组件的作用；多孔层由于具有直通的指状孔且指状孔的孔隙率较大，有利于原料水的传输，降低了水向催化反应界面扩散的阻力，能够减少电化学反应过程中浓差极化的现象，使水电解池能在更大的电流密度下运行。
优选地，所述任选的基底层的厚度为30-100μm，平均孔径为0.6-0.9μm。
在本发明中，基底层的厚度为30-100μm，例如可以为30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm；平均孔径为0.6-0.9μm，例如可以为0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm。
在本发明中，通过调整基底层的厚度以及平均孔径，使得基底层较为均匀致密在于膜电极接触的表面形成面接触，降低接触电阻。
优选地，所述多孔层的厚度为500-1000μm，平均孔径为20-200μm。
在本发明中，所述多孔层的厚度为500-1000μm，例如可以为500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm；平均孔径为20-200μm，例如可以为20μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、140μm、160μm、180μm、200μm。
在本发明中，通过调整多孔层的厚度以及平均孔径，使得制备的阳极多孔扩散层能容纳更多的反应物，进一步降低反应物扩散至催化界面的阻力。
优选地，所述任选的表层的厚度为5-20μm，平均孔径为0.6-0.9μm。
在本发明中，所述任选的表层的厚度为5-20μm，例如可以为5μm、8μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm；平均孔径为0.6-0.9μm，例如可以为0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm。
在本发明中，通过调整表层的厚度以及平均孔径，使得所制备的阳极多孔扩散层的表层更加均匀，更有利于物质传输和降低接触电阻。
第三方面，本发明提供了一种PEM水电解池，所述PEM水电解池包括根据第二方面所述的PEM水电解池阳极多孔扩散层。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种PEM水电解池阳极多孔扩散层及其制备方法，采用颗粒均匀分布的金属钛粉，金属钛粉在烧结后形成的金属钛层具备有良好的耐腐蚀性和较高的电子传导性。同时本发明采用不同的流延处理方法，并加入造孔剂进行复合，能够制备得到具有梯度孔结构的PEM水电解池阳极多孔扩散层。
此外，PEM水电解池阳极多孔扩散层的表层或基底层在膜电极组件的组装过程中，其与膜电极组件形成面接触，降低了两者之间的接触电阻，同时也降低了水电解池系统的能耗，并能起到保护膜电极组件的作用；多孔层由于具有直通的指状孔且指状孔的孔隙率较大，能够减少电化学反应过程中浓差极化的现象，使水电解池能在更大的电流密度下运行。
附图说明
图1为实施例1在制备过程中使用的流延装置图；
图2为实施例2在制备过程中使用的流延装置图；
图3为实施例3在制备过程中使用的流延装置图；
图4为实施例1至实施例5以及对比例1提供的PEM水电解池的稳态极化曲线。
具体实施方式
下面通过结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的基底层(厚度为50μm，平均孔径为0.6μm)、多孔层(厚度为500μm，平均孔径为20μm)和表层(厚度为5μm，平均孔径为0.6μm)，所述方法包括以下步骤，如图1所示：
(1)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入平均粒径为50μm金属钛粉进行球磨72h，得到浆料，其中浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和金属钛粉的质量比为6.5wt％:1.5wt％:28wt％:64wt％，而后将浆料除气15min；
(2)将步骤(1)得到的浆料在25℃下进行流延处理，如图1所示，而后在30℃下进行相转化固化处理24h，在40℃下干燥后得到生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯进行阶梯式梯度升温煅烧，是以3℃/min的升温速率升温至250℃，保温1h，而后以2℃/min的升温速率升温至600℃，保温1h，而后以2℃/min升温速率升温至1050℃，保温2h，最后自然冷却至室温，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
实施例2
本实施例提供了一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的基底层(厚度为70μm，平均孔径为0.8μm..)和多孔层(厚度为600μm，平均孔径为50μm)，所述方法包括以下步骤，如图2所示：
(1)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入平均粒径为75μm金属钛粉进行球磨48h，得到浆料，其中浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和金属钛粉的质量比为5wt％:1.3wt％:32wt％:61.7wt％，制备得到金属钛粉浆料，而后将浆料除气20min；
(2)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入石墨进行球磨72h，得到石墨浆料，其中石墨浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和石墨的质量比为13.5wt％:1.8wt％:56.4wt％:28.3wt％，而后将浆料除气20min；
(3)将步骤(1)得到的浆料和步骤(2)得到的淀粉浆料进行混合，而后在30.℃下进行流延处理，如图2所示，而后在35.℃下进行相转化固化处理24h，在45.℃下干燥后得到生坯；
(4)将步骤(2)得到的生坯进行阶梯式梯度升温煅烧，是以5℃/min的升温速率升温至275℃，保温1h，而后以1℃/min的升温速率升温至750℃，保温2h，而后以2℃/min升温速率升温至1050℃，保温3h，最后自然冷却至室温，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
实施例3
本实施例提供了一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的表层(厚度为10μm，平均孔径为10μm)和多孔层(厚度为700μm，平均孔径为100μm)，所述方法包括以下步骤，如图3所示：
(1)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入平均粒径为100μm金属钛粉进行球磨48h，得到浆料，其中浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和金属钛粉的质量比为6wt％:0.9wt％:30.8wt％:62.3wt％，制备得到金属钛粉浆料，而后将浆料除气10min；
(2)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入淀粉进行球磨48h，得到淀粉浆料，其中淀粉浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和淀粉的质量比为11.3wt％:1.5wt％:58wt％:29.2wt％，而后将浆料除气10min；
(3)将步骤(1)得到的浆料和步骤(2)得到的淀粉浆料进行混合，而后在25.℃下进行流延处理，如图3所示，而后在30℃下进行相转化固化处理12h，在50.℃下干燥后得到生坯；
(4)将步骤(2)得到的生坯进行阶梯式梯度升温煅烧，是以4℃/min的升温速率升温至275℃，保温1h，而后以3℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h，而后以2℃/min升温速率升温至1050℃，保温3h，最后自然冷却至室温，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
实施例4
本实施例提供了一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的基底层(厚度为30μm，平均孔径为0.6μm)和多孔层(厚度为500μm，平均孔径为20μm)，所述方法包括以下步骤：
(1)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入平均粒径为50μm金属钛粉进行球磨24h，得到浆料，其中浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和金属钛粉的质量比为3wt％:2wt％:45wt％:50wt％，制备得到金属钛粉浆料，而后将浆料除气20min；
(2)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入石墨进行球磨24h，得到石墨浆料，其中石墨浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和石墨的质量比为3wt％:5wt％:71wt％:21wt％，而后将浆料除气20min；
(3)将步骤(1)得到的浆料和步骤(2)得到的淀粉浆料进行混合，而后在10℃下进行流延处理，而后在10℃下进行相转化固化处理48h，在10℃下干燥后得到生坯；
(4)将步骤(2)得到的生坯进行阶梯式梯度升温煅烧，是以2℃/min的升温速率升温至250℃，保温1h，而后以1℃/min的升温速率升温至600℃，保温2h，而后以2℃/min升温速率升温至900℃，保温4h，最后自然冷却至室温，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
实施例5
本实施例提供了一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的表层(厚度为5μm，平均孔径为0.6μm)和多孔层(厚度为1000μm，平均孔径为200μm)，所述方法包括以下步骤：
(1)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入平均粒径为150μm金属钛粉进行球磨72h，得到浆料，其中浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和金属钛粉的质量比为15wt％:1wt％:40wt％:44wt％，制备得到金属钛粉浆料，而后将浆料除气40min；
(2)将聚醚砜粘接剂和聚乙烯吡咯烷酮K30分散剂与N-甲基吡咯烷酮进行混合，并加入淀粉进行球磨72h，得到淀粉浆料，其中淀粉浆料中粘接剂、分散剂、N-甲基吡咯烷酮和淀粉的质量比为20wt％:1wt％:35wt％:44wt％，而后将浆料除气40min；
(3)将步骤(1)得到的浆料和步骤(2)得到的淀粉浆料进行混合，而后在40℃下进行流延处理，而后在40℃下进行相转化固化处理12h，在60℃下干燥后得到生坯；
(4)将步骤(2)得到的生坯进行阶梯式梯度升温煅烧，是以5℃/min的升温速率升温至300℃，保温0.5h，而后以3℃/min的升温速率升温至800℃，保温1h，而后以5℃/min升温速率升温至1200℃，保温2h，最后自然冷却至室温，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
实施例6
本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为1wt％:8wt％:61wt％:30wt％，其他均与实施例1相同。此配方在样品制备过程中发现，由于溶剂量过大而粘结剂和钛粉占比过低，形成的浆料过于稀薄，在流延步骤中发现无法形成成型的生坯，无法进行干燥和焙烧等后处理，无法制备完整的样品。
实施例7
本实施例与实施例1的区别之处在于，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为20wt％:0.05wt％:9.95wt％:70wt％，其他均与实施例1相同。此配方中在样品制备过程中发现，由于其溶剂占比太少而钛粉占比较大，造成溶剂无法完全溶解钛粉，进而无法形成流延浆料，无法进行流延处理，无法制备完整的样品。
对比例1
本发明提供了一种商用阳极气体扩散层。
将实施例1至实施例7以及对比例1提供的PEM水电解池阳极多孔扩散层制备得到PEM水电解池，制备方法如下：
组装5cm2电解池进行稳态极化曲线测试，阳极催化剂为2mg/cm2 Ir黑，阴极催化剂为1mg Pt/cm2，质子交换膜为Nafion 115膜，测试温度80℃。
测试条件
将实施例1至实施例7以及对比例1提供的PEM水电解池进行性能测试，测试方法如下：
将制备的阳极扩散层与商用的阳极扩散层分别安装一个电解槽内，采用相同的MEA进行性能评价试验，具体实验结果的稳态极化曲线如下所示：
由图4的数据可以看出，实施例1-5均较对比例1商业用的阳极多孔扩散层性能较好，通过改变配比制备的实施例1-5在性能上也有区别，但性能差别不大。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (17)

1.一种制备PEM水电解池阳极多孔扩散层的方法，其特征在于，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括依次层叠的任选的基底层、多孔层和任选的表层，所述方法包括以下步骤：
(1)将粘接剂和分散剂与有机溶剂进行混合，并加入金属钛粉进行球磨，而后加入任选的造孔剂浆料，得到浆料；
(2)将步骤(1)得到的浆料进行流延处理，而后进行相转化固化处理，干燥后得到生坯；
(3)将步骤(2)得到的生坯进行煅烧，而后得到所述PEM水电解池阳极多孔扩散层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料的制备方法如下：
将粘接剂和分散剂与溶剂进行混合，并加入造孔剂进行球磨，得到所述造孔剂浆料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(3wt％-20wt％):(0.1wt％-5wt％):(21wt％-71wt％):(15wt％-45wt％)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述造孔剂浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和造孔剂的质量比为(6wt％-15wt％):(0.8wt％-3wt％):(50wt％-70wt％):(25wt％-35wt％)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂；所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯；所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮；所述造孔剂包括石墨或淀粉；所述球磨的时间为24-72h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述粘接剂包括聚醚砜、聚丙烯酰胺或丙烯酸树脂；所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮或聚偏氟乙烯；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为50-150μm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属钛粉的平均粒径为为75-100μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为(3wt％-15wt％):(0.1wt％-2wt％):(21wt％-45wt％):(43wt％-65wt％)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述浆料中粘接剂、分散剂、溶剂和金属钛粉的质量比为(3wt％-6wt％):(0.8wt％-2wt％):(30wt％-40wt％):(55wt％-65wt％)。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述球磨的时间为24-72h。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)结束后还包括除气处理；所述除气处理的时间为5-40min。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述流延处理的温度为10-40℃；步骤(2)中所述相转化固化处理的温度为10-40℃；所述相转化固化处理的时间为12-48h；所述干燥的温度为10-60℃。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述煅烧为阶梯式梯度升温煅烧法；所述阶梯式梯度升温煅烧法为以2-5℃/min的升温速率升温至250-300℃，保温0.5-1h，而后以1-3℃/min的升温速率升温至600-800℃，保温1-2h，而后以2-5℃/min升温速率升温至900-1200℃，保温2-4h，最后自然冷却至室温。
15.一种PEM水电解池阳极多孔扩散层，其特征在于，所述PEM水电解池阳极多孔扩散层是由根据权利要求1-14中任一项所述的方法制备得到；所述PEM水电解池阳极多孔扩散层包括任选的基底层、多孔层和任选的表层。
16.根据权利要求15所述的PEM水电解池阳极多孔扩散层，其特征在于，所述任选的基底层的厚度为30-100μm，平均孔径为0.6-0.9μm；所述多孔层的厚度为500-1000μm，平均孔径为20-200μm；所述任选的表层的厚度为5-20μm，平均孔径为0.6-0.9μm。
17.一种PEM水电解池，其特征在于，所述PEM水电解池包括根据权利要求15或16所述的PEM水电解池阳极多孔扩散层。
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