本发明涉及电解池，尤其涉及一体化流场-多孔传输层及其制备方法和应用、一种pem电解槽。
背景技术：
1、氢能源作为实现脱碳经济的关键能源载体，目前正在快速发展。质子交换膜（pem）电解槽制氢是如今主流的制氢技术之一，具有响应速度快、能量密度和效率高等优点，并且易于扩大和缩小规模，以及具有使用可再生能源的能力。通常，pem电解槽单电池一般由催化层、双极板、多孔传输层、质子交换膜、密封垫、集流板等组件装配而成，组件种类数量繁多。而商业pem电解槽电堆中零件更是成百上千，显著增加了制造生产成本和后期维护成本。特别是，pem电解槽中双极板和多孔传输层所占成本比重较高，约为70%，可针对性地对其进行进一步优化。
2、目前，针对pem电解槽中双极板和多孔传输层制造成本较高的问题，大部分解决方法都是对双极板的制造工艺进行改进从而进行成本控制，包括使用成本更低的材料，或者是减少双极板表面贵金属涂层的用量等方法来降低成本。如公开号为cn116083936a的中国专利公开了一种pem水电解用双极板结构，该结构以工程塑料为双极板本体，同时设置若干导电柱，从而降低双极板的成本；公开号为cn115710713a的中国专利公开了一种了非贵金属复合涂层，有效降低贵金属的使用，从而降低了双极板的制造成本。
3、但是，上述降低成本的方法都是以双极板为单独的研究主体，主要为对双极板的材料进行改进，而制备方式、流道布置位置和结构并未发生改变，双极板流道依然是在极板上进行加工而成，加工方法主要包括蚀刻、机加工和冲压。而流道的尺寸普遍较小，加工的难度和成本较大，故该过程仍然有进一步优化的空间。而对于同样占据电解槽电堆一定成本的多孔传输层，钛基材料应用最为广泛，因其具有耐腐蚀性、优良的导电性、强度高等优点，目前为pem电解槽多孔传输层的最佳材料之一。关于钛基多孔传输层的制备，普遍都是将钛纤维毡进行压制并烧结成多孔片，该方式工序复杂、成本较高。若能将双极板和多孔传输层的制造成本进一步优化，则pem电解槽电堆大规模商用化更有优势。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一体化流场-多孔传输层及其制备方法和应用、一种pem电解槽。本发明提供的一体化流场-多孔传输层兼具双极板流道及多孔传输层的功能，且制备方法简单，成本较低，有利于促进pem电解槽的大规模商用化。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
3、一种一体化流场-多孔传输层，包括多孔传输层和设置在所述多孔传输层单侧表面的流场；所述流场包括间隔设置的多道流场凹槽，相邻两道所述流场凹槽之间为流场凸脊；所述多孔传输层和流场为一体化结构；所述一体化流场-多孔传输层的材质为金属或金属-非金属复合材料。
4、本发明还提供了上述方案所述一体化流场-多孔传输层的制备方法（记为方法一），包括以下步骤：
5、将基材粉末、溶剂、粘结剂和增塑剂混合，得到浆料；
6、将所述浆料进行流延成型，得到生胚；所述流延成型采用的基底为流场模板；所述生胚的表面具有流场；
7、将所述生胚依次进行干燥、去胶处理和烧结，得到所述一体化流场-多孔传输层。
8、优选的，所述基材粉末包括金属粉末或非金属-金属复合粉末；所述金属粉末包括钛粉、铁粉、镍粉、铝粉或合金粉；所述溶剂包括水、异丙醇、乙醇、甲乙酮和三氯乙烯中的一种或多种；所述粘结剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚碳酸丙烯酸酯中的一种或多种；所述增塑剂包括醇类增塑剂和酯类增塑剂中的一种或多种；所述醇类增塑剂包括聚亚烷基乙二醇、聚乙二醇和三甘醇中的一种或多种；所述酯类增塑剂包括邻苯二甲酸酯、酞酸二异癸酯和二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；
9、以质量分数计，所述浆料中各成分的含量为：基材粉末50%~80%，溶剂15%~40%，粘结剂0.5%~10%，增塑剂0.5%~10%。
10、优选的，所述将基材粉末、溶剂、粘结剂和增塑剂混合包括：将基材粉末、溶剂和粘结剂进行第一混合，得到混合料；将所述混合料和增塑剂进行第二混合，得到浆料；所述第一混合的时间为0.1~48h；所述第二混合的时间为0.1~48h。
11、优选的，所述流延成型的方法包括：将所述流场模板加热至15~150℃，保持流场模板的加热温度，将浆料倒在流场模板上并用涂布器进行涂布；
12、所述去胶处理的温度为100~800℃，时间为0.1~24h；所述烧结的温度为400~1800℃，时间为0.1~24h。
13、本发明还提供了另一种上述方案所述一体化流场-多孔传输层的制备方法（记为方法二），包括以下步骤：
14、将基材粉末、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，得到混合料；
15、将所述混合料装填到模具中进行压制成型，之后脱模，得到生胚；所述生胚的表面具有流场；
16、将所述生胚依次进行干燥、去胶和烧结，得到所述一体化流场-多孔传输层。
17、优选的，所述基材粉末包括金属粉末或非金属-金属复合粉末；所述金属粉末包括钛粉、铁粉、镍粉、铝粉或合金粉；所述溶剂包括水、异丙醇、乙醇、甲乙酮和三氯乙烯中的一种或多种；所述粘结剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚碳酸丙烯酸酯中的一种或多种；所述增塑剂包括醇类增塑剂和酯类增塑剂中的一种或多种；所述醇类增塑剂包括聚亚烷基乙二醇、聚乙二醇和三甘醇中的一种或多种；所述酯类增塑剂包括邻苯二甲酸酯、酞酸二异癸酯和二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；
18、以质量分数计，所述混合料中各组分的含量为：基材粉末50~99%，粘结剂0.25~10%，增塑剂0.25~10%，溶剂0.5~30%；
19、所述去胶处理的温度为100~800℃，时间为0.1~24h；所述烧结的温度为400~1800℃，时间为0.1~24h。
20、本发明还提供了另一种上述方案所述一体化流场-多孔传输层的制备方法（记为方法三），包括以下步骤：
21、采用三维建模软件建立一体化流场-多孔传输层的模型，采用打印材料，按照所述模型进行3d打印，得到所述一体化流场-多孔传输层。
22、本发明还提供了上述方案所述的一体化流场-多孔传输层或上述方案所述制备方法制备的一体化流场-多孔传输层在pem电解槽中的应用。
23、本发明还提供了一种pem电解槽，包括若干个电解池组件，单个所述电解池组件包括依次设置的双极板、阳极传输层、催化剂涂覆膜和阴极传输层；所述阳极传输层和阴极传输层至少一个为上述方案所述的一体化流场-多孔传输层；与所述一体化流场-多孔传输层相邻的双极板的表面为平面。
24、优选的，与所述一体化流场-多孔传输层相邻的双极板的厚度＜2mm。
25、本发明提供了一种一体化流场-多孔传输层，包括多孔传输层和设置在所述多孔传输层单侧表面的流场；所述流场包括间隔设置的多道流场凹槽，相邻两道所述流场凹槽之间为流场凸脊；所述多孔传输层和流场为一体化结构；所述一体化流场-多孔传输层的材质为金属或金属-非金属复合材料。本发明提供的一体化流场-多孔传输层将pem电解槽内部流场和多孔传输层合二为一，兼具双极板流道和多孔传输层的功能，后续可以与超薄极板进行装配，从而极大减小pem电解槽中零部件的厚度，减小电解槽电堆的体积，提高单位体积的产氢率；并且，本发明将流场与多孔传输层合二为一，还能降低流场与多孔传输层表面接触电阻，而且流场的凸脊与多孔传输层融为一体，机械强度高，避免了传统双极板流场的凸脊部分压缩多孔传输层，从而造成压缩部分气液传输较差的问题。综上所述，本发明提供的一体化流场-多孔传输层在pem电解槽商业化和规模化生产方面具有很好的应用前景。
26、本发明还提供了三种上述方案所述一体化流场-多孔传输层的制备方法，分别为流延成型法（方法一）、粉末压制成型法（方法二）和3d打印法（方法三）；在流延成型法中，本发明先采用流场模板进行流延成型，使所得生胚表面形成流场凹槽，再通过去胶处理和烧结得到一体化流场-多孔传输层；在粉末压制成型法中，本发明先采用模具进行压制成型，得到表面具有流场凹槽的生胚，然后再通过去胶处理和烧结得到目标产品；在3d打印法中，则先构建目标产品的三维模型，然后采用打印材料进行3d打印，得到目标产品。本发明采用的流延成型技术、粉末压制成型技术以及3d打印技术成熟可靠，能够实现一次性成型，成本较低，可适用于大规模生产，能够显著提高pem电解槽零部件的生产效率；并且，本发明降低了pem电解槽极板和多孔传输层的加工难度，极大地简化了工业应用的制造工艺，从而降低了pem电解槽零部件的制造成本。
1.一种一体化流场-多孔传输层，其特征在于，包括多孔传输层和设置在所述多孔传输层单侧表面的流场；所述流场包括间隔设置的多道流场凹槽，相邻两道所述流场凹槽之间为流场凸脊；所述多孔传输层和流场为一体化结构；所述一体化流场-多孔传输层的材质为金属或金属-非金属复合材料。
2.权利要求1所述一体化流场-多孔传输层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基材粉末包括金属粉末或非金属-金属复合粉末；所述金属粉末包括钛粉、铁粉、镍粉、铝粉或合金粉；所述溶剂包括水、异丙醇、乙醇、甲乙酮和三氯乙烯中的一种或多种；所述粘结剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚碳酸丙烯酸酯中的一种或多种；所述增塑剂包括醇类增塑剂和酯类增塑剂中的一种或多种；所述醇类增塑剂包括聚亚烷基乙二醇、聚乙二醇和三甘醇中的一种或多种；所述酯类增塑剂包括邻苯二甲酸酯、酞酸二异癸酯和二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将基材粉末、溶剂、粘结剂和增塑剂混合包括：将基材粉末、溶剂和粘结剂进行第一混合，得到混合料；将所述混合料和增塑剂进行第二混合，得到浆料；所述第一混合的时间为0.1~48h；所述第二混合的时间为0.1~48h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述流延成型的方法包括：将所述流场模板加热至15~150℃，保持流场模板的加热温度，将浆料倒在流场模板上并用涂布器进行涂布；
6.权利要求1所述一体化流场-多孔传输层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述基材粉末包括金属粉末或非金属-金属复合粉末；所述金属粉末包括钛粉、铁粉、镍粉、铝粉或合金粉；所述溶剂包括水、异丙醇、乙醇、甲乙酮和三氯乙烯中的一种或多种；所述粘结剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛和聚碳酸丙烯酸酯中的一种或多种；所述增塑剂包括醇类增塑剂和酯类增塑剂中的一种或多种；所述醇类增塑剂包括聚亚烷基乙二醇、聚乙二醇和三甘醇中的一种或多种；所述酯类增塑剂包括邻苯二甲酸酯、酞酸二异癸酯和二丙二醇二苯甲酸酯中的一种或多种；
8.权利要求1所述一体化流场-多孔传输层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.权利要求1所述的一体化流场-多孔传输层或权利要求2~8任意一项所述制备方法制备的一体化流场-多孔传输层在pem电解槽中的应用。
10.一种pem电解槽，包括若干个电解池组件，其特征在于，单个所述电解池组件包括依次设置的双极板、阳极传输层、催化剂涂覆膜和阴极传输层；所述阳极传输层和阴极传输层至少一个为一体化流场-多孔传输层；与所述一体化流场-多孔传输层相邻的双极板的表面为平面；所述一体化流场-多孔传输层为权利要求1所述的一体化流场-多孔传输层或权利要求2~8任意一项所述制备方法制备的一体化流场-多孔传输层。
11.根据权利要求10所述的pem电解槽，其特征在于，与所述一体化流场-多孔传输层相邻的双极板的厚度＜2mm。
