[发明专利]亲水性水传输板在固体聚合物电解质水电解池中的应用

说明书

本发明公开了一种固体聚合物电解质水电解池用水传输板及其制备方法，该方法是先将纳米碳材料亲水化处理，再将亲水化处理后的纳米碳材料、导电添加剂、增强碳纤维与树脂粘结剂混合均匀后在模具中热压成形，即得亲水性水传输板，其中亲水纳米碳材料起到促进水传输的作用。本发明的水传输板将其作为固体聚合物电解质水电解池双极板具有良好的透水特性，不仅可以直接利用电解池冷却水实现静态供水，而且可以降低阳极浓差极化现象，提升高电密下的电解性能，降低电解池系统能耗。

技术领域

本发明涉及水电解池技术领域，属于水电解池亲水多孔双极板的制备方法，具体为一种固体聚合物电解质水电解池用水传输板及其制备方法。

背景技术

聚合物电解质(SPE)水电解制氢技术具有产氢效率高、产氢纯度高、操作简单、维护方便、无污染等独特优点。按照供水方式的不同，SPE水电解池可以分为动态供水式和静态供水式。动态供水式的典型特征是水由泵动态输送至阳极腔室或阴极腔室。阳极动态供水的优点为阳极析氧水氧化反应不易受浓差极化的影响，电解池可以在大电流密度条件下运行；其缺点为产生的氢气和氧气都是水蒸汽饱和状态，给后续的水气分离和存储带来技术难度，并增加了寄生能耗和系统复杂度。阴极动态供水的优点为由阴极腔室扩散到阳极的水通量有限，产生的氧气携带水量少，简化了水氧分离系统；缺点为有限的水通量导致大电流密度工作条件下浓差极化增加，影响水电解性能。传统的静态供水是在水腔与阳极腔室(或阴极腔室)之间放置透水阻气膜，水由透水阻气膜渗透输入至阳极腔室(或阴极腔室)，无需泵动态输入。与动态供水相比，静态供水无泵移动部件，寄生能耗低，而且氢氧产气携带水量少，后续水气分离简单，电解系统整体简化。

CN 102181878A提出了一种静态供水质子交换膜电解水装置。该装置采用质子交换膜为透水阻气膜，直接将低压水电解成高压的氢气和氧气，节省了气体增压装置；并且电解产生的氢气和氧气含水量较低，节省了复杂的水气分离装置。但是质子交换膜的水通量有限，极大地限制了高电流密度条件下的电解池性能。

UTC公司申请的“水传输板及其使用方法”发明专利【CN 11794280】将导电石墨粉，增强碳纤维，纤维质纤维(软木浆)，热固性树脂和溶剂混合均匀后喷涂在筛网上，经真空干燥去筛网，滚压卷曲，多层叠压，高温石墨化，孔内亲水化处理等过程得到多孔碳水传输板。这种方法制备所得的水传输板虽然具有良好的气泡压力、透水性、平面电阻率和抗压屈服强度，但是制备过程需要进行高温碳化，碳化后石墨板质地较脆，不利于电池组装，且此方法制备过程繁琐复杂。

Institute of Gas Technology申请的发明专利【US 5942347】将导电石墨粉，粘结剂树脂和亲水氧化物等混合热压得到水传输板。该技术中的亲水剂选自材料如Ti,Al和Si的氧化物及其混合物。但是因为该氧化物是电介的(dielectric)，使用所述此类型的亲水剂或润湿剂会增加这种分离板的电阻，从而影响了电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备固体聚合物电解质水电解池用水传输板的方法，保证组装后的固体聚合物电解质水电解池不仅可以直接利用冷却水实现静态供水，而且可以降低阳极浓差极化现象，提高高电密下的电解性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)将碳材料置于浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中搅拌处理使其亲水化，其中浓硫酸的质量分数为70％-98％，浓硝酸的质量分数为65％-98％，浓硫酸和浓硝酸的体积比为1-5，亲水处理时间为1-24h，处理温度为20-50℃。

2)亲水性水传输板由亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结性树脂混合均匀后用模具热压而成，其中亲水碳材料、导电添加剂、增强纤维和粘结剂树脂的比例为5-40wt％:40-80wt％:5-15wt％:10-20wt％，热压压力为1-10MPa,温度为100-250℃，时间为10-60min。