[发明专利]一种用于PEM水电解池的钛纤维毡阳极扩散层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种用于PEM水电解的阳极扩散层的防氧化导电催化涂层的制备工艺，采用浓盐酸刻蚀法、刷涂涂敷液—焙烧还原法在钛纤维毡扩散层的纤维表面制备贵金属氧化物涂层。本发明的设备要求低，工艺简单，在PEM水电解槽中具有优良的导电、催化、抗氧化性能，可以满足PEM水电解的长寿命运行要求，对于降低PEM水电解池成本，提高性能具有很好的作用。

技术领域

本发明属于PEM水电解技术领域，具体涉及一种用于PEM水电解池的钛纤维毡阳极扩散层及其制备方法与应用。

背景技术

随着国际社会对清洁能源认识不断提高，国内对氢能源政策扶持力度加大，氢气需求会越来越多，PEM水电解技术可以利用风、光等可再生能源过剩电量电解制氢，同时缓解电网压力。PEM水电解制氢具有众多优势，制氢过程中仅需水做原料，产物氢气氧气纯度高，相互渗透情况轻微。电解过程高效、安全、无毒无害，设备结构紧凑，可以实现就地制氢，不需要考虑氢气运输的问题。

阳极扩散层时PEM水电解技术中的关键技术之一，其在PEM水电解池中起着导电，分隔水流与气泡，支撑等作用。因此对阳极扩散层材料的机械性能、导电性能、化学稳定性、成本等方面同时具有很高的要求，其成本在PEM电堆各部件中占很大一部分，对低成本、高化学稳定性、高电导性的阳极扩散层的研究至关重要。

PEM电解池阳极扩散层常用钛材料，有烧结钛板、钛纤维毡、钛网。烧结钛板价格低廉，孔隙率一般低于50％，厚度一般大于0.5mm，既增加电解池电阻又不满足气体液体传质需要。钛纤维毡孔隙率70％以上，厚度最低0.2mm，机械性能可满足电解池需要，价格较昂贵。钛网价格低廉，孔隙率较高但孔过大，厚度大于1mm，基本无法满足传质需要，用于电解池实际性能最差。出于电解池性能考虑，选择钛纤维毡做扩散层最为适合。

PEM水电解池内环境为酸性，外加电压一般高于1.5V，阳极产生大量氧气，这种工作环境对阳极扩散层的稳定性要求极高。钛材料耐化学腐蚀，但表面极易氧化生成导电性极差的二氧化钛，因此需对阳极扩散层进行表面处理。常规处理方法是在阳极扩散层表面电镀铂层，而电镀铂层与扩散层结合力较差，较易脱落。开发高导电性，与金属基底结合力好的涂层对提高PEM水电解池的性能有较大帮助。

目前已有一系列针对贵金属钛阳极的研究，中国专利CN201910181241.3公布了一种农药清除用钛阳极，去除钛电极表面氧化层后电镀制备一层铱钌混合氧化物涂层，在电解过程中将农药分子中H+离子还原为氢气破坏分子结构，起到无毒害处理的作用。该电极结构粗糙，无法用于PEM水电解池，且电镀法制备涂层可能存在涂层生长不均，结合力较弱等问题，专利中未公开强化电解寿命等重要数据。中国专利CN201711247614.X公布了一种类似工艺制备的海水电解制氯钛阳极，该发明在涂层中添加石墨烯以提高涂层与基底结合力，且钛片基底经过酸洗、喷砂等处理大幅提高了粗糙度。而该涂层中除铱、钌氧化物外，还掺有在PEM电解池阳极将被迅速腐蚀的石墨烯，易脱落污染质子交换膜的氧化锡。且传统草酸、硝酸、盐酸刻蚀法酸浓度较低，刻蚀时间较长，长时间低浓度酸刻蚀将造成钛纤维毡中纤维断裂机械强度大幅下降，或表面粗糙度过低，钛纤维毡的精细结构无法使用喷砂法进行刻蚀，喷砂法造成的粗糙表面在组装电解池时将割破质子交换膜，造成膜电极失效。表面刻蚀方法不当、钛基底选择不当、涂层组成及制备方法不当为目前传统贵金属钛阳极无法适用于PEM电解池的主要原因。

发明内容

针对现有PEM水电解扩散层导电性差、易氧化、涂层易脱落等问题选择扩散层结构及涂层组成，在提高电解性能的同时降低成本并简化工艺流程，对于减缓PEM水电解阳极扩散层的氧化问题和减少电解池贵金属总用量具有很好的效果。

本发明提供一种PEM水电解扩散层预处理及制备导电、催化涂层的制备方法，本发明的创新之处在于针对钛纤维毡进行表面刻蚀处理，并有针对性的制备适用于PEM水电解的贵金属氧化物涂层，并按照PEM水电解的性质对涂层进行了强化，提高涂层催化效果及寿命。

本发明的技术方案为：