[发明专利]一种多功能气液传输层及其制备方法及能源转换装置

说明书

本申请提供了一种多功能气液传输层及其制备方法及能源转换装置，包括：所述方法包括：将具有电化学能量转换性质的金属箔作为金属基底，所述金属箔的厚度为1～200μm；根据设定的孔洞参数在所述金属基底上进行打孔操作，获得多功能气液传输层；其中，所述孔洞参数包括孔径和孔隙率，所述孔径5～1000μm，所述孔隙率为20～85％，本申请提供的多功能气液传输层能够大幅降低厚度，同时能够大幅度提高电解池整体性能，降低内部损失，提升催化剂利用率和质量活性，将会对电解水制氢器件的发展起到了重要的作用。

技术领域

本申请涉及电化学技术领域，尤其涉及一种多功能气液传输层及其制备方法及能源转换装置。

背景技术

质子交换膜水电解池(PEMWE)技术因具有效率高、结构紧凑、功率自适应性强、产物纯度高、易于和可再生能源整合等优点。而限制PEMWE技术的主要因素是其较高的生产成本，包括贵金属基，如铂、铱、钌的催化剂、昂贵的质子交换膜(PEM)、复杂的多孔气液两相传输层(PTL)和较高的膜电极组件(MEA)加工成本等。MEA作为PEMWE的核心部件，包含了质子交换膜，催化剂层及复杂的PTL。PTL作为水电解池器件中直接与催化剂层接触的部件之一，主要作用包含了多个方面：(1)将水由双极板流道输送至催化剂层提供充足的反应物及保证膜的质子传导性；(2)为产物气体提供有效的扩散路径；(3)提供优良的导电性及热传导性；(4)为质子交换膜和催化剂层提供物理支撑和保护。

目前主要研究的PTL包括：碳纸(Carbon Paper)，钛毡(Ti Felt)，钛颗粒板(Sintered Ti Particles/Plates)等，其中碳纸广泛应用于燃料电池和水电解池的阴极。然而，由于质子交换膜水电解池阳极的富氧/水、高电势的工作环境，碳纸只能够用于短期性能评估测试，而不能用于完整的水电解池性能及寿命测试与分析。为了在降低水电解池成本的同时，保持其高性能，高效率，及长寿命的要求，广大的科研人员已经针对水电解池的PTL进行了广泛而深入的研究，但是性能和寿命仍然不能满足，现有PTL还存在着厚度大、参数不可精确调控、可重复性低、加工过程复杂、成本较高等问题。

发明内容

本申请提供了一种多功能气液传输层及其制备方法及能源转换装置，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种多功能气液传输层的制备方法，所述方法包括：将具有电化学能量转换性质的金属箔作为金属基底，所述金属箔的厚度为1～200μm；根据设定的孔洞参数在所述金属基底上进行打孔操作，获得多功能气液传输层；其中，所述孔洞参数包括孔径和孔隙率，所述孔径为5～1000μm，所述孔隙率为20～85％。

在一可实施方式中，所述方法还包括：对所述多功能气液传输层进行微纳米镀层处理，以在所述多功能气液传输层表面形成微纳米镀层；所述微纳米镀层的厚度为0.5-20000nm，所述微纳米镀层的镀层元素包括金、银、铂、铱、钌、镍、钛、铬、钨、氮中的至少一种。

在一可实施方式中，所述金属箔为单质金属箔或合金金属箔；其中，所述单质金属箔为钛金属箔、金金属箔、铂金属箔、镍金属箔、铜金属箔中的任一种；所述合金金属箔为不锈钢金属箔、钛合金金属箔、铝合金金属箔中的任一种。

在一可实施方式中，所述孔洞参数还包括孔洞形状、孔洞分布和孔洞结构；所述孔洞形状为规则形状、不规则形状的至少一种；所述孔洞分布为均匀分布、非均匀分布、特定区域分布的至少一种；所述孔洞结构为单层通孔、多层通孔的至少一种。

在一可实施方式中，所述在所述金属基底上进行打孔操作，包括：通过化学刻蚀法、物理刻蚀法、激光打孔、聚焦离子束、光刻法中的任一种方法在所述金属基底上进行打孔操作。