本發(fā)明屬于膜材料，具體涉及一種嵌入式流體傳輸膜、制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜電解池(pemwe)主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護(hù)片、端板等組成。pem電解池在工作時(shí)需要外接直流電源，陽極代表電解池正極，發(fā)生氧化反應(yīng)(析氧)，陰極代表電解池負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)(析氫)。在質(zhì)子交換膜電解水的電解槽中，氣體擴(kuò)散層(即多孔傳輸膜，流體傳輸膜)通常采用薄片多孔鈦材實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的同時(shí)，保證水和氣體傳輸。多孔鈦傳輸膜目前使用鈦纖維隨機(jī)鋪成氈，然后燒結(jié)制得，將鈦氈一側(cè)表面與催化劑貼合接觸。金屬氈例如鈦氈的孔隙率和透氣性出色，但表面相對(duì)粗糙，從而降低了流體傳輸膜與催化劑的有效接觸面積。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的全部或部分不足，本發(fā)明的目的在于：提供一種嵌入式流體傳輸膜、制備方法及應(yīng)用，在保證透氣性的同時(shí)，可以降低表面粗糙度，從而提高流體傳輸膜與催化劑的有效接觸面積，最終提高電解效率、降低昂貴催化劑的用量。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種嵌入式流體傳輸膜的制備方法，包括以下步驟：

4、步驟一、將金屬漿料從金屬燒結(jié)氈表面滲入，滲入深度小于所述金屬燒結(jié)氈的厚度；

5、步驟二、滲入結(jié)束，將殘留在所述金屬燒結(jié)氈表面的金屬漿料除去，得到坯膜；

6、步驟三、對(duì)所述坯膜進(jìn)行干燥、脫脂和燒結(jié)，得到嵌入式流體傳輸膜。

7、本發(fā)明通過在金屬燒結(jié)氈一側(cè)的孔隙內(nèi)填充金屬漿料，干燥除去溶劑，脫脂除去金屬漿料中的粘結(jié)劑，經(jīng)過燒結(jié)使金屬漿料中的金屬顆粒與金屬燒結(jié)氈燒結(jié)為一體，金屬燒結(jié)氈內(nèi)存在兩種不同的孔隙率。金屬漿料的滲入面與催化劑接觸，在金屬燒結(jié)氈一側(cè)表面嵌入(孔隙內(nèi)填充)金屬顆粒，降低了滲入面的表面粗糙度，增加了流體傳輸膜與催化劑的有效接觸面積，降低了昂貴催化劑的用量。金屬顆粒與金屬燒結(jié)氈形成一種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，保持復(fù)合材料即嵌入一側(cè)的孔隙率在45％以上，但強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)高于同等孔隙率的純粉末產(chǎn)品，因?yàn)榧?xì)長纖維起到加強(qiáng)筋的作用。高孔隙率可以保留良好的透氣性，提高了電解效率。

8、相比于采用一層金屬燒結(jié)氈或復(fù)合多層不同孔隙率/不同孔徑/不同纖維直徑的金屬燒結(jié)氈作為流體傳輸膜，本發(fā)明通過增加與催化劑的有效接觸面積，可以提高催化效率；相比于采用一層金屬粉末燒結(jié)層或復(fù)合多層不同孔隙率的金屬粉末燒結(jié)層作為流體傳輸膜，本發(fā)明通過在金屬燒結(jié)氈一側(cè)表面嵌入金屬粉末，增大了與催化劑接觸的有效表面，在保證有效接觸面積的同時(shí)保留了良好的透氣性，還可以利用金屬燒結(jié)氈對(duì)水和氣體導(dǎo)流。且復(fù)合多層不同孔隙率的金屬燒結(jié)氈/金屬粉末燒結(jié)層，其制備方法較復(fù)雜；為維持流體傳輸膜的較小厚度多層較薄的金屬燒結(jié)氈/金屬粉末燒結(jié)層復(fù)合，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受影響。

9、相比于采用金屬燒結(jié)氈上疊加金屬粉末燒結(jié)層作為復(fù)合層，一方面，若疊加的金屬粉末燒結(jié)層較厚，則會(huì)增大流體傳輸膜的總厚度，影響透氣性，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到影響。另一方面若為了維持流體傳輸膜的較小厚度，疊加的金屬粉末燒結(jié)層較薄，金屬粉末燒結(jié)層在燒結(jié)的過程中會(huì)有部分落入金屬燒結(jié)氈的孔隙中，導(dǎo)致與催化劑的接觸面出現(xiàn)很多坑坑洼洼的孔或洞，有效接觸面積大大降低。若金屬漿料的滲入深度過深甚至到達(dá)金屬燒結(jié)氈的另一側(cè)表面即整個(gè)金屬燒結(jié)氈中均填充金屬粉末，透氣性會(huì)受到影響，且因沒有燒結(jié)氈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而不利于其對(duì)水的導(dǎo)流作用。若僅對(duì)金屬漿料進(jìn)行固化而不進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，其透氣性無法達(dá)到要求。

10、步驟三中，在空氣或保護(hù)氣氛下進(jìn)行干燥，所述干燥溫度為室溫至140度，干燥時(shí)間為2-12h；在惰性氣體或氫氣作為保護(hù)氣氛、壓強(qiáng)為0.5-10mbar下進(jìn)行脫脂，所述脫脂溫度為300-700度，脫脂時(shí)間為2-24h；在真空度為0.001pa-1000pa下，所述燒結(jié)溫度為900-1200度，燒結(jié)時(shí)間為2-12h。脫脂溫度根據(jù)粘結(jié)劑即膠的材料選擇，但通常來說，脫脂溫度不宜過高，以避免金屬氧化。通過燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的設(shè)置，可以將孔隙率確定在合適范圍。

11、進(jìn)一步的，步驟三中，所述干燥條件為室溫空氣干燥8-12小時(shí)；所述脫脂條件中，所述惰性氣體為氦氣、氬氣或氮?dú)猓瑝簭?qiáng)為1-5mbar；所述燒結(jié)溫度為980-1120度。

12、步驟三中，所述坯膜在完成所述燒結(jié)后，進(jìn)行碾壓。所述碾壓后的氈體厚度為0.2-0.6mm。碾壓可以減少嵌入式流體傳輸膜的厚度偏差。

13、步驟一中，所述金屬燒結(jié)氈的制備：將金屬纖維鋪制成氈，進(jìn)行第一燒結(jié)和第一碾壓；在真空度為0.001pa-1000pa下，所述第一燒結(jié)溫度為900-1200度，第一燒結(jié)時(shí)間為2-12h；所述第一碾壓后的氈體厚度為小于或等于0.8mm。第一碾壓可以減小金屬燒結(jié)氈的厚度偏差，減小其表面粗糙度以及縮小孔徑尺寸，可以防止后續(xù)金屬漿料滲入過快而導(dǎo)致金屬粉末分布不均勻。

14、所述金屬纖維包括以下金屬的纖維：鈦、鎳、鐵、鈦合金、鎳合金或鐵合金等金屬，所述鐵合金包括不銹鋼；所述金屬纖維的直徑小于或等于30μm；所述金屬燒結(jié)氈的厚度小于或等于0.6mm，孔隙率大于或等于60％。金屬燒結(jié)氈的孔隙率過小會(huì)影響金屬漿料的滲入。纖維直徑影響孔隙大小和粗糙度，在單位面積纖維的重量已經(jīng)確定并且均勻分布的前提下，面積重量決定投入材料成本，厚度決定孔隙率。所述金屬纖維的長度優(yōu)選為5-30mm。

15、步驟一中，所述金屬漿料的制備：將100重量份溶劑和10-30重量份粘結(jié)劑混合，(在較優(yōu)的實(shí)施方案中還可加入1-10重量份防沉降劑)，加入金屬粉末，攪拌均勻得到漿料；所述金屬粉末與所述漿料的體積比為5％-35％。若金屬粉末在漿料中體積比過大，即金屬顆粒濃度過大，會(huì)導(dǎo)致金屬漿料難以滲入金屬燒結(jié)氈，且不能將表面金屬漿料刮平除去；若金屬顆粒濃度過低，滲入效率過低，且無法保證滲入均勻度。所述溶劑、粘結(jié)劑和防沉降劑的重量比為100：(10-30)：(1-10)，進(jìn)一步優(yōu)選為100：20：5。

16、所述金屬粉末包括以下金屬的粉末：鈦、鎳、鐵、鈦合金、鎳合金或鐵合金等金屬，所述鐵合金包括不銹鋼；所述金屬粉末的粒徑小于或等于55μm。所述溶劑為醇類、丙酮或水，其中醇類優(yōu)選為乙醇、乙二醇等。所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇、聚乙二醇或醋酸乙烯。所述防沉降劑為例如deurheo、阿科瑪防沉降劑產(chǎn)品系列。金屬粉末粒徑過大會(huì)影響金屬漿料的滲入，使金屬粉末難以進(jìn)入金屬燒結(jié)氈的內(nèi)部孔隙；因此，為實(shí)現(xiàn)嵌入，大部分顆粒不能大于氈表面凹陷。而粒徑太小的顆粒價(jià)格昂貴，強(qiáng)活性可以使用較低燒結(jié)溫度，但容易被氧碳污染。

17、步驟一中，采用噴涂的方式將所述金屬漿料滲入所述金屬燒結(jié)氈；所述金屬漿料的滲入深度小于或等于所述金屬燒結(jié)氈厚度的85％。進(jìn)一步的，所述金屬漿料的滲入深度為所述金屬燒結(jié)氈厚度的15％-50％。若滲入深度過深，會(huì)影響透氣性/流通性以及未填充部分對(duì)水、氣體的導(dǎo)流作用。滲入深度過淺可能會(huì)在金屬燒結(jié)氈滲入面出現(xiàn)裂紋等缺陷，不易保證滲入面的表面粗糙度。

18、本發(fā)明還提供一種嵌入式流體傳輸膜，包括復(fù)合的纖維層和嵌入層，所述纖維層包括第一金屬燒結(jié)氈，所述嵌入層包括第二金屬燒結(jié)氈、以及嵌入所述第二金屬燒結(jié)氈遠(yuǎn)離所述第一金屬燒結(jié)氈一側(cè)孔隙的金屬粉末燒結(jié)體。第二金屬燒結(jié)氈一側(cè)表面或其內(nèi)部均嵌有金屬粉末燒結(jié)體，該一側(cè)表面上沒有其他材料層，因此，第二金屬燒結(jié)氈和金屬粉末燒結(jié)體與催化劑直接接觸。金屬顆粒的填充增加了流體傳輸膜與催化劑的有效接觸面積，提高了催化效率。而金屬顆粒與金屬燒結(jié)氈之間的孔隙也可以保留良好的透氣性，提高了電解效率。

19、所述第一金屬燒結(jié)氈和所述第二金屬燒結(jié)氈為一體設(shè)置，為連續(xù)的完整氈體。即第一金屬燒結(jié)氈和第二金屬燒結(jié)氈為同一片金屬燒結(jié)氈，僅為標(biāo)識(shí)嵌入與非嵌入部分而作命名區(qū)分。

20、所述金屬粉末包括以下金屬的粉末：鈦、鎳、鐵、鈦合金、鎳合金或鐵合金等金屬，所述鐵合金包括不銹鋼；所述第一金屬燒結(jié)氈和第二金屬燒結(jié)氈由金屬纖維鋪制成氈，經(jīng)過第一燒結(jié)和第一碾壓制成；所述金屬纖維包括以下金屬的纖維：鈦、鎳、鐵、鈦合金、鎳合金或鐵合金等金屬，所述鐵合金包括不銹鋼。此處的第一燒結(jié)和第一碾壓不同于上述燒結(jié)和碾壓，以作區(qū)分。

21、所述金屬纖維的直徑小于或等于30μm；所述第一金屬燒結(jié)氈和第二金屬燒結(jié)氈的總厚度為0.2-0.6mm。

22、所述第二金屬燒結(jié)氈整體均嵌入有金屬粉末燒結(jié)體。所述第二金屬燒結(jié)氈厚度為所述第一金屬燒結(jié)氈厚度的15-55％。若第二金屬燒結(jié)氈過厚且內(nèi)部均嵌有金屬粉末燒結(jié)體，而第一金屬燒結(jié)氈厚度過小，會(huì)影響透氣性/流通性以及對(duì)水的導(dǎo)流傳輸作用。所述第二金屬燒結(jié)氈的厚度進(jìn)一步優(yōu)選為0.05-0.16mm。

23、所述第二金屬燒結(jié)氈遠(yuǎn)離所述第一金屬燒結(jié)氈的一側(cè)表面粗糙度ra為小于或等于7微米，與催化劑接觸的表面較為光滑。其表面粗糙度小于單純的金屬燒結(jié)氈，而與單純粉末燒結(jié)層的粗糙度接近。

24、本發(fā)明還提供以上技術(shù)方案中的任一種嵌入式流體傳輸膜在離子交換膜電解池中的應(yīng)用。進(jìn)一步的，所述離子交換膜電解池可以選擇為質(zhì)子交換膜電解池。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明通過在金屬燒結(jié)氈一側(cè)的孔隙內(nèi)填充金屬漿料，干燥除去溶劑，脫脂除去金屬漿料中的粘結(jié)劑，經(jīng)過燒結(jié)使金屬漿料中的金屬顆粒與金屬燒結(jié)氈燒結(jié)為一體。金屬漿料的滲入面與催化劑接觸，金屬顆粒的填充增加了流體傳輸膜與催化劑的有效接觸面積，降低了昂貴催化劑的用量。金屬顆粒與金屬燒結(jié)氈形成一種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，保持復(fù)合材料即嵌入一側(cè)的孔隙率在45％以上，但強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)高于同等孔隙率的純粉末產(chǎn)品，因?yàn)榧?xì)長纖維起到加強(qiáng)筋的作用。高孔隙率可以保留良好的透氣性，提高了電解效率。