一种一体化多孔流场复合极板及其制备工艺的制作方法

本发明涉及pem电解水电堆一体化极板多孔流道，特别涉及一种一体化多孔流场复合极板及其制备工艺。

背景技术：

1、质子交换膜电解水（pemwe）制氢凭借响应速度快、电流密度高、产出气体纯度高等优势，是可再生能源消纳与大规模绿氢制备的核心技术方向。双极板与多孔传输层作为pem 电解电堆的核心构件，直接决定电堆的传质效率、导电性能与运行寿命。当前行业主流采用致密钛双极板搭配独立钛纤维烧结毡多孔传输层的分体式方案：钛双极板经蚀刻或冲压加工出平行流道、蛇形流道等实体沟槽，承担反应介质输送与产物排出功能；钛纤维烧结毡经裁切后作为独立部件，依靠电堆整体压紧力与双极板表面物理贴合，共同构建气液传质与电子传导路径；为抵御阳极侧高电位强氧化环境，通常需在双极板与钛毡阳极表面镀覆铂等贵金属导电涂层。但该分体式结构存在诸多固有缺陷：双极板与钛毡的物理贴合界面存在微米级间隙，多层界面叠加产生较高欧姆损耗，长期温变与启停循环后贴合度下降，接触电阻持续升高，制氢电耗显著增加；单电池单元包含多件独立零件，堆叠定位难度大，钛毡无刚性定位易滑移错位，易引发密封失效与膜电极局部破损，电堆一致性与成品良率偏低；同时钛纤维毡缺乏刚性支撑骨架，在电堆压紧载荷下孔隙易压缩塌陷，造成流体通道堵塞，传质性能快速衰减，难以适配电解槽长期稳定运行的发展需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种一体化多孔流场复合极板及其制备工艺，解决了传统分体式双极板与多孔传输层组合结构界面接触电阻大、装配工序繁琐、多孔层受压易塌陷的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种一体化多孔流场复合极板，包括致密钛基板，还包括单层拉伸钛网和钛粉烧结微孔传输层；所述单层拉伸钛网层复合于所述致密钛基板的单侧或双侧表面，所述钛粉烧结微孔传输层覆于所述单层拉伸钛网层远离致密钛基板的一侧；所述致密钛基板、单层拉伸钛网层与钛粉烧结微孔传输层经真空烧结形成冶金结合的一体化复合结构；所述致密钛基板为致密钛板材，板体设置有贯通的介质分配孔，外围预留密封封边区域；所述单层拉伸钛网层为多孔支撑导流骨架，构成三维流体通道与电子传导网络；所述钛粉烧结微孔传输层用于与膜电极催化层接触，实现反应介质均匀分配与产物气泡脱除。

3、进一步地，所述致密钛基板采用ta1工业纯钛制成，厚度为1.5-1.7mm；所述密封封边区域为致密无孔结构，不覆盖多孔复合层；所述单层拉伸钛网层采用ta1工业纯钛制成，丝径为0.1-0.2mm，菱形网孔的孔径为0.3-0.5mm；所述钛粉烧结微孔传输层由粒径25-75μm的钛粉烧结制成，层厚为0.25-0.40mm，平均孔径为10-25μm；所述复合极板的阳极侧表面镀覆有耐腐蚀导电贵金属涂层，所述贵金属涂层为铂镀层。

4、一种一体化多孔流场复合极板的制备工艺，包括以下步骤：

5、s1料预处理：将致密钛基板、单层拉伸钛网层及钛粉分别置于草酸溶液中酸洗除氧化层，经脱脂清洗后真空干燥；

6、s2钛粉预制体冷压成型：将钛粉填入成型装置中，施加冷压载荷压实，得到钛粉烧结微孔传输层3预制体；

7、s3微孔层与拉伸网预复合烧结：将单层拉伸钛网层与钛粉预制体叠合后置于真空烧结炉中，升温烧结，使钛粉颗粒与拉伸钛网形成初步冶金结合，得到多孔复合层预制件；

8、s4整体一体复合烧结：将致密钛基板与多孔复合层预制件定位叠合，置于真空烧结炉中进行真空烧结，使致密钛基板、单层拉伸钛网层与钛粉烧结微孔传输层形成完全冶金结合的一体化结构，随炉冷却后得到成品复合极板。

9、进一步地，步骤s1中，所述草酸溶液的质量浓度为3wt%，酸洗后钛基板表面氧含量≤0.118wt%，单层拉伸钛网层2表面氧含量≤0.143wt%，钛粉表面氧含量≤0.251wt%；

10、步骤s2中，冷压载荷为12-18t；

11、步骤s3中，真空烧结温度为950-1000℃，保温时间为1.5-2.5h；

12、步骤s4中，真空烧结温度为1130-1170℃，保温时间为1.5-2.5h；烧结完成后随炉缓慢冷却至室温。

13、进一步地，步骤s2中的成型装置包括机座、输入输出机构、冷压成型机构和搅拌缓存机构；所述机座左侧设有输入输出机构，且输入输出机构下侧设有搅拌缓存机构；所述冷压成型机构设在机座右侧内部，所述冷压成型机构左侧入口与输入输出机构右侧出口相连。

14、进一步地，所述输入输出机构包括存料槽、推送导槽、滑座、螺杆、调节电机、推送气缸、导孔、滑块、调节块、凹槽和输送槽；所述存料槽设在机座左上侧内部，所述存料槽下侧设有横向的推送导槽，且推送导槽右侧开口与冷压成型机构左侧开口相连；所述滑座外部呈横向活动连接在推送导槽内部，所述滑座右侧内部设有输送槽，所述滑座左上侧外部固定连接有调节电机，且调节电机为伺服电机；所述推送气缸右下侧外部固定连接在推送导槽左下侧，所述推送气缸右下侧活塞杆端部与滑座左下侧内侧固定连接；所述凹槽开设在输送槽左侧，所述凹槽左侧开设有导孔；所述螺杆右侧活动连接在导孔中央，所述螺杆左侧中心与调节电机输出轴固定连接；所述滑块外部呈横向活动连接在导孔内部，所述滑块中央设置的螺纹孔与螺杆相连接，所述滑块右侧与调节块左侧固定连接，且调节块外部活动连接在凹槽内侧。

15、进一步地，所述冷压成型机构包括导向槽一、抽排气管、油缸一、油缸二、升降座、导向槽二、压头、抽气腔、型腔模具、型腔、推出块、油缸三、密封垫、环形槽和抽排孔；所述导向槽一设在机座右上侧内部，所述导向槽一上面固定连接有数个油缸一，所述导向槽一左侧固定连接有抽排气管；所述升降座外部呈横向活动连接在导向槽一内部，所述升降座顶部与油缸一下侧活塞杆端部固定连接，所述升降座下侧内部设有抽气腔，所述升降座底面边缘处设有密封垫，所述升降座上侧中央固定连接有油缸二，所述升降座左侧内部设有抽排孔，所述升降座下侧内部设有导向槽二；所述抽排气管下侧外部活动连接在抽排孔内部；所述抽气腔下侧边缘处设有环形槽，且环形槽左侧开口与抽排孔下侧内部相连通；所述压头外部呈竖向活动连接在导向槽二内部，所述压头顶部与油缸二下侧活塞杆端部固定连接；所述型腔模具外部固定连接在机座右下侧内部，所述型腔模具底部固定连接有数个油缸三，所述型腔模具上侧内部设有型腔；所述推出块外部呈竖向活动连接在型腔内部，所述推出块底部与油缸三上侧活塞杆端部固定连接。进一步地，所述搅拌缓存机构包括油缸四、搅拌电机、升降块、缓存槽、搅拌杆和旋转块；所述缓存槽开设在存料槽右下侧，所述缓存槽下侧固定连接有数个油缸四；所述升降块外部呈竖向活动连接在缓存槽内部，所述升降块底部中央固定连接有搅拌电机，所述升降块上侧中央活动连接有旋转块，且旋转块下侧中心与搅拌电机上侧输出轴固定连接，所述升降块底部与油缸四上侧活塞杆端部固定连接；所述旋转块外部四周固定连接有数个搅拌杆。

16、本发明的有益效果：（1）本发明采用一体化复合结构设计，取消传统钛双极板的蚀刻或冲压实体流道，通过真空烧结实现基板、拉伸钛网与微孔传输层的冶金结合，彻底消除层间物理贴合间隙，显著降低界面接触电阻，减少欧姆极化损耗，有效降低电解工作电压，提升电解能效与长期运行稳定性。

17、（2）本发明构建宏—微尺度协同传质体系，单层拉伸钛网形成大孔导流通道与刚性支撑骨架，可在电堆高压紧力下维持孔隙结构稳定，避免传统钛毡受压塌陷导致的流道堵塞问题；钛粉烧结微孔层实现反应介质均匀分配与产物气泡高效脱除，二者配合大幅提升气液两相传质效率。

18、（3）本发明集成度高，减少了独立零部件数量，无需单独装配多孔传输层，简化电堆堆叠装配工序，降低零件错位滑移风险；外围致密封边区域可直接适配现有密封组件，有效提升电堆装配一致性与成品良率，降低组装成本。

19、（4）本发明采用分步真空烧结制备工艺，通过预处理活化界面、预复合烧结与整体烧结分步控制，既保证层间充分冶金结合、界面结合强度与导电性能达标，又能稳定维持多孔结构的孔隙参数，工艺参数可控性强、可重复性高，成品性能稳定，满足工业化量产需求。

20、（5）本发明配套的成型装置集成供料、搅拌缓存、冷压成型与自动出料功能，可实现钛粉预制体连续自动化生产；搅拌缓存结构可避免钛粉架桥、结块，保障填料连续均匀；容积可调的送料结构适配不同厚度规格的预制体制备，配合真空冷压成型保障坯体致密均匀，有效提升成型精度与生产效率。