CEJ：流延和压延制造均匀可扩展和可堆叠的PTL高效水电解

质子交换膜电解(PEMWE)是最具前景和最环保的直接将可再生能源转化为氢的技术。PEMWE电池中的一个关键元素是多孔传输层(PTL)，通常由Ti构成，以承受严格的水电解条件。在此，我们提出了一种具有成本效益和可行性的Ti-PTL制造工艺，利用带铸造法结合层压辊压延工艺，促进精确的厚度控制。通过对脱粘条件的系统微调，得到了一种具有高连通孔结构的相纯Ti-PTL。通过最先进的三维(3D)重建工艺，对数字孪生Ti-PTL进行了全面分析，揭示了不同厚度Ti-PTL的开放孔隙结构具有显着的均匀性，突出了其相当大的实用潜力。此外，使用我们的Ti-PTL的PEMWE电池的电化学性能超过了基准的商用Ti-PTL，这表明我们的带铸造工艺随后的层压辊压延工艺在实际Ti-PTL制造中具有重要的前景。

Ti-PTL制作工艺示意图。

钛绿带采用含钛粉70%的浆料。(a)铸态钛绿带照片和钛粉的SEM图像。(b)钛绿带横断面XRM图像和表面数字图像。(c)三维光学显微镜下钛绿带的三维表面轮廓。

(a) Ti-PTL绿带脱粘过程示意图。(b) DBP和PVB的TGA曲线，(c) Ti-PTL绿带。(d)不同脱脂工艺和烧结工艺的温度分布。(e)不同脱粘工艺制备的Ti-PTLs的XRD谱图。(f) Ti-PTL样品与DP3(上)和DP4(下)的柔韧性比较。

(a)用于PEM电解槽的实际面积尺寸的烧结Ti-PTLs和(b)通过轧辊压延工艺逐层堆叠的Ti-绿带的照片。分别由(c)基带和(d)两层和(e)三层堆叠带烧结而成的Ti-PTLs的横截面SEM图像。(f)钛绿带和烧结钛带厚度随层压带数量的线性回归曲线。

(a)利用XRM进行三维重建过程的示意图。(b)孔隙结构分析和(c)从三维重建图像导出的扭曲度计算的说明性实例。(d)一层(左)、两层(中)和三层(右)烧结Ti-PTLs的三维重建图像。

Ti-PTLs的孔隙结构和电化学特性。(a)厚度为180、290和510 μm的Ti-PTL的孔径分布，(b)闭孔率和弯曲度。(c)不同压力下Ti-PTL的渗透率及平均渗透率。(d)使用不同厚度的Ti-PTL进行PEM水电解的I-V极化曲线，与基准的商用Ti-PTL进行比较。(e)测试的PEMWE电池在2 A cm−2下的电池电压比较。(f)对比分析PTL (290 μm)和PTL- c (260 μm)的结构和电化学特性的雷达图。

在这项研究中，我们成功地开发了具有精确控制实际面积尺寸厚度的Ti-PTL，利用带式铸造工艺结合层压压延工艺用于PEMWE应用。对Ti-PTL绿带脱粘过程的细致研究表明，保持氩气在480°C的温度下流动并停留时间以去除有机物，对于防止不良的碳化和氧化至关重要。这确保了生产具有高导电性和机械灵活性的相纯Ti-PTL。此外，为了量化内部孔隙结构的形态特征，使用XRM的3D重建过程对Ti-PTL进行了数字孪生。值得注意的是，即使厚度不同(分别为180 μm、290 μm和510 μm)，Ti-PTL也始终保持着高度开放的孔隙结构(封闭孔隙占比小于0.2%)。此外，所有制备的Ti-PTL无论厚度如何，都具有一致的透水性。最后，我们评估了配备Ti-PTL的PEMWE电池的电化学性能，结果表明，即使有效面积达到25 cm2，电池性能也优于基准商用电池。这一结果表明，在实际生产Ti-PTLs的过程中，带状铸造工艺与层压压延工艺相结合具有很高的可行性。

Uniformly scalable and stackable porous transport layer manufactured by tape casting and calendering for efficient water electrolysis - ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148276