用于阴极的多孔传输层和包含其的水电解槽的制作方法

本发明涉及用于阴极(cathode)的多孔传输层和包含该多孔传输层的水电解槽(water electrolysis cell)。

背景技术：

1、聚合物电解质膜(polymer electrolyte membrane，pem)水电解系统可以包括电化学转化装置，该装置利用电力将水(h2o)分解成氢气(h2)和氧气(o2)。pem水电解系统可以在高电流密度下运行，可以产生高纯度的氢气和氧气(例如，由于经由固体电解质膜的气体渗透率低)，并且可以具有高稳定性。这种pem水电解系统可以包括(例如，由以下组成)pem水电解堆和用于驱动该pem水电解堆的外围设备，并且pem水电解堆可以包括(例如，由以下组成)多个pem水电解槽。

2、此外，pem水电解系统可以具有类似于燃料电池的结构，但可能需要更高的紧固力(fastening force)，以确保在30巴(barg)的操作压力下的气密性，并防止内部接触电阻的增加。阴极侧上的多孔传输层可以应用高密度碳纤维结构，以防止结构变形并承受这种紧固力和内部压力。此外，阴极侧上的多孔传输层可以不具有单独的隔膜流道(flow path)，使得碳纤维结构用作排出阴极产生的氢气和水汽(moisture)的通道。

3、提供本背景技术部分的描述以增强对本发明背景的理解，并且可能包括除本技术所属领域的普通技术人员已知的现有技术之外的描述。

技术实现思路

1、以下概要给出了某些特征的简化概述。该概要不是泛泛的概述，也不旨在确定关键(key)要素或重要(critical)要素。

2、本发明的一个方面提供了用于阴极的多孔传输层和包括该多孔传输层的水电解槽，该多孔传输层包括至少两个具有不同平均密度的下衬底层，以使水易于排出，从而防止隔膜(separator)的腐蚀。

3、本发明所要解决的技术问题并不限于上述问题，本发明所属领域的技术人员将从以下描述中清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。

4、多孔传输层可以包括：包含碳纤维和聚合物树脂的下衬底层；设置在该下衬底层上并包括碳纤维的中间衬底层；和设置在该中间衬底层上的微孔层，其中该下衬底层包括：第一下衬底层；和设置在该第一下衬底层上的第二下衬底层，该第二下衬底层的平均密度低于第一下衬底层的平均密度，其中中间衬底层设置在该第二下衬底层上。

5、包含在该中间衬底层中的碳纤维可以包括以下至少一种：碳布、碳纸(carbonpaper)、碳毡(carbon felt)或碳片(carbon sheet)。

6、第一下衬底层的平均密度可以在0.46g/cm3至0.65g/cm3的范围内，并且第二下衬底层的平均密度可以在0.30g/cm3至0.45g/cm3的范围内。

7、下衬底层可还包括第三下衬底层，其平均密度低于第一下衬底层的平均密度且高于第二下衬底层的平均密度，且第三下衬底层可设置在第一下衬底层和第二下衬底层之间。

8、下衬底层可以还包括平均密度在0.46g/cm3至0.65g/cm3范围内的第三下衬底层，并且第三下衬底层可以设置在第一下衬底层之下。

9、第一下衬底层和第三下衬底层可以具有相同的平均密度。

10、下衬底层可以还包括平均密度在0.30g/cm3至0.45g/cm3范围内的第三下衬底层，并且第三下衬底层可以设置在第二下衬底层之上。

11、第二下衬底层和第三下衬底层可以具有相同的平均密度。

12、下衬底层的平均厚度可以在200μm至1500μm的范围内。

13、聚合物树脂可以包括酚类聚合物(phenolic polymer)。

14、下衬底层可以进一步包含防水剂(water repellent)。

15、防水剂可以包括以下至少一种：聚四氟乙烯(ptfe)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(pfa)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(fep)、聚氯三氟乙烯(pctfe)、四氟乙烯-乙烯共聚物(etfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)。

16、防水剂可以包含在下衬底层中，并且基于下衬底层的总重量，防水剂的含量可以在0.5重量％至10重量％的范围内。

17、第一下衬底层和第二下衬底层可以各自包含防水剂，并且第一下衬底层中包含的防水剂含量可以大于第二下衬底层中包含的防水剂含量。

18、包含在第一下衬底层中的防水剂的含量可以为包含在下衬底层中的防水剂总量的51重量％至95重量％，并且包含在第二下衬底层中的防水剂的含量可以为包含在下衬底层中的防水剂总量的5重量％至49重量％。

19、第一下衬底层和第二下衬底层的厚度比可以在1:0.5至1:1.5的范围内。

20、水电解槽可以包括：第一层；和用于该第一层的多孔传输层，其中该多孔传输层包括：包含碳纤维和聚合物树脂的下衬底层；设置在该下衬底层上并包括碳纤维的中间衬底层；和设置在该中间衬底层上的微孔层，其中该下衬底层包括：第一下衬底层；和设置在该第一下衬底层上的第二下衬底层，该第二下衬底层的平均密度低于第一下衬底层的平均密度，并且其中中间衬底层设置在第二下衬底层上。

21、水电解槽还可以包括设置在该多孔传输层的微孔层上的阴极，其中第一层包括阴极；和用于阴极的隔膜，其中多孔传输层的下衬底层设置在用于阴极的隔膜上。

22、多孔传输层可以包括至少两个具有不同平均密度的下衬底层，以使水易于排出，从而防止隔膜的腐蚀。

23、根据本发明的一个方面，提供了一种用于阴极的多孔传输层，其包括含有碳纤维和聚合物树脂的下衬底层、设置在下衬底层上并含有碳纤维的中间衬底层和设置在中间衬底层上的微孔层。

24、下衬底层可以包括第一下衬底层和设置在该第一下衬底层上的第二下衬底层，并且第二下衬底层的平均密度低于第一下衬底层的平均密度。

25、中间衬底层可以设置在第二下衬底层上。

26、根据本发明的另一方面，提供了一种水电解槽，其包括用于阴极的多孔传输层。

27、下文对这些及其他特征和优点进行了更详细的描述。

技术特征：

1.一种用于阴极的多孔传输层，其包括：

2.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述包含在所述中间衬底层中的碳纤维包括以下中的至少一种：碳布、碳纸、碳毡或碳片。

3.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述第一下衬底层的平均密度在0.46g/cm3至0.65g/cm3的范围内，并且其中所述第二下衬底层的平均密度在0.30g/cm3至0.45g/cm3的范围内。

4.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述下衬底层还包括第三下衬底层，所述第三下衬底层的平均密度低于所述第一下衬底层的平均密度，并且高于所述第二下衬底层的平均密度，并且

5.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述下衬底层还包括平均密度在0.46g/cm3至0.65g/cm3的范围内的第三下衬底层，并且

6.根据权利要求5所述的多孔传输层，其中所述第一下衬底层和所述第三下衬底层具有相同的平均密度。

7.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述下衬底层还包括平均密度在0.30g/cm3至0.45g/cm3的范围内的第三下衬底层，并且

8.根据权利要求7所述的多孔传输层，其中所述第二下衬底层和所述第三下衬底层具有相同的平均密度。

9.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述下衬底层的平均厚度在200-1500μm的范围内。

10.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述聚合物树脂包括酚类聚合物。

11.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述下衬底层还包含防水剂。

12.根据权利要求11所述的多孔传输层，其中所述防水剂包括以下中的至少一种：聚四氟乙烯(ptfe)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(pfa)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(fep)、聚氯三氟乙烯(pctfe)、四氟乙烯-乙烯共聚物(etfe)或聚偏氟乙烯(pvdf)。

13.根据权利要求11所述的多孔传输层，其中所述防水剂包含在所述下衬底层中，并且

14.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述第一下衬底层和所述第二下衬底层各自包含防水剂，并且

15.根据权利要求14所述的多孔传输层，其中包含在所述第一下衬底层中的所述防水剂的含量为包含在所述下衬底层中的所述防水剂总量的51-95重量％，并且

16.根据权利要求1所述的多孔传输层，其中所述第一下衬底层和所述第二下衬底层的厚度比在1:0.5至1:1.5的范围内。

17.一种水电解槽，其包括：

18.根据权利要求17所述的水电解槽，其还包括：

技术总结
本发明涉及包括碳纤维和聚合物树脂的用于阴极的多孔传输层、设置在下衬底层上并含有碳纤维的中间衬底层、以及设置在中间衬底层上的微孔层。下衬底层可以包括第一下衬底层和设置在第一下衬底层上的第二下衬底层，第二下衬底层的平均密度低于第一下衬底层的平均密度。中间衬底层可以设置在第二下衬底层上。一种水电解槽可以包括该多孔传输层和该阴极。

技术研发人员：李智汉,韩孝庚
受保护的技术使用者：现代自动车株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18