[發明專利]親水性水傳輸板在固體聚合物電解質水電解池中的應用

有效

• 申請號: 201410721271.6
• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN105720279B
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 邵志剛;王浚英;郭曉倩;王志強;遲軍;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B15/08
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種固體聚合物電解質水電解池用水傳輸板及其制備方法，該方法是先將納米碳材料親水化處理，再將親水化處理后的納米碳材料、導電添加劑、增強碳纖維與樹脂粘結劑混合均勻后在模具中熱壓成形，即得親水性水傳輸板，其中親水納米碳材料起到促進水傳輸的作用。本發明的水傳輸板將其作為固體聚合物電解質水電解池雙極板具有良好的透水特性，不僅可以直接利用電解池冷卻水實現靜態供水，而且可以降低陽極濃差極化現象，提升高電密下的電解性能，降低電解池系統能耗。

技術領域

本發明涉及水電解池技術領域，屬于水電解池親水多孔雙極板的制備方法，具體為一種固體聚合物電解質水電解池用水傳輸板及其制備方法。

背景技術

聚合物電解質(SPE)水電解制氫技術具有產氫效率高、產氫純度高、操作簡單、維護方便、無污染等獨特優點。按照供水方式的不同，SPE水電解池可以分為動態供水式和靜態供水式。動態供水式的典型特征是水由泵動態輸送至陽極腔室或陰極腔室。陽極動態供水的優點為陽極析氧水氧化反應不易受濃差極化的影響，電解池可以在大電流密度條件下運行；其缺點為產生的氫氣和氧氣都是水蒸汽飽和狀態，給后續的水氣分離和存儲帶來技術難度，并增加了寄生能耗和系統復雜度。陰極動態供水的優點為由陰極腔室擴散到陽極的水通量有限，產生的氧氣攜帶水量少，簡化了水氧分離系統；缺點為有限的水通量導致大電流密度工作條件下濃差極化增加，影響水電解性能。傳統的靜態供水是在水腔與陽極腔室(或陰極腔室)之間放置透水阻氣膜，水由透水阻氣膜滲透輸入至陽極腔室(或陰極腔室)，無需泵動態輸入。與動態供水相比，靜態供水無泵移動部件，寄生能耗低，而且氫氧產氣攜帶水量少，后續水氣分離簡單，電解系統整體簡化。

CN 102181878A提出了一種靜態供水質子交換膜電解水裝置。該裝置采用質子交換膜為透水阻氣膜，直接將低壓水電解成高壓的氫氣和氧氣，節省了氣體增壓裝置；并且電解產生的氫氣和氧氣含水量較低，節省了復雜的水氣分離裝置。但是質子交換膜的水通量有限，極大地限制了高電流密度條件下的電解池性能。

UTC公司申請的“水傳輸板及其使用方法”發明專利【CN 11794280】將導電石墨粉，增強碳纖維，纖維質纖維(軟木漿)，熱固性樹脂和溶劑混合均勻后噴涂在篩網上，經真空干燥去篩網，滾壓卷曲，多層疊壓，高溫石墨化，孔內親水化處理等過程得到多孔碳水傳輸板。這種方法制備所得的水傳輸板雖然具有良好的氣泡壓力、透水性、平面電阻率和抗壓屈服強度，但是制備過程需要進行高溫碳化，碳化后石墨板質地較脆，不利于電池組裝，且此方法制備過程繁瑣復雜。

Institute of Gas Technology申請的發明專利【US 5942347】將導電石墨粉，粘結劑樹脂和親水氧化物等混合熱壓得到水傳輸板。該技術中的親水劑選自材料如Ti,Al和Si的氧化物及其混合物。但是因為該氧化物是電介的(dielectric)，使用所述此類型的親水劑或潤濕劑會增加這種分離板的電阻，從而影響了電池的性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備固體聚合物電解質水電解池用水傳輸板的方法，保證組裝后的固體聚合物電解質水電解池不僅可以直接利用冷卻水實現靜態供水，而且可以降低陽極濃差極化現象，提高高電密下的電解性能。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

1)將碳材料置于濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中攪拌處理使其親水化，其中濃硫酸的質量分數為70％-98％，濃硝酸的質量分數為65％-98％，濃硫酸和濃硝酸的體積比為1-5，親水處理時間為1-24h，處理溫度為20-50℃。

2)親水性水傳輸板由親水碳材料、導電添加劑、增強纖維和粘結性樹脂混合均勻后用模具熱壓而成，其中親水碳材料、導電添加劑、增強纖維和粘結劑樹脂的比例為5-40wt％:40-80wt％:5-15wt％:10-20wt％，熱壓壓力為1-10MPa,溫度為100-250℃，時間為10-60min。