一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用技术

本发明专利技术属于水电解槽、水电解膜电极技术领域，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。具体包括一种较薄的全氟磺酸树脂膜为内膜，在其两侧表面通过静电纺丝技术涂覆含有两种纤维的纳米纤维薄层，其中一种纳米纤维起到加强膜强度的作用，另一种纤维起到电催化作用，两种纳米纤维可以同步或者交替纺丝到质子交换膜内膜表面。此多功能增强膜可以降低质子交换膜电解水制氢系统的固态电解质膜厚度，提高质子传导率，同时可以降低气体的渗透率；采用此多功能复合膜制备的膜电极可有助于提高质子交换膜水电解制氢的效率。率。率。

Proton exchange composite reinforced membrane, preparation method, hydrolysis membrane electrode and Application

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用


[0001]本专利技术属于电解水和固态电解质膜
，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)水电解槽(PEM Water Electrolyzer，PEMWE)具有电流密度大、产氢速率高、气体纯度高、系统紧凑、可直接生产高压氢气等优点，其对外部电压变动响应迅速，电压操作范围广，可与波动性较大的可再生能源(风电、光电、水电等)兼容联用，用于生产绿氢，具有广阔的应用前景，是几年来产氢行业的研发热点。
[0003]在PEMWE系统中，膜电极组件(membrane
‑
electrode assembly，MEA)是整个系统的核心部件，其性能和成本决定着整个系统的性能、寿命、成本及应用场景。MEA一般由三部分组成，包括：用于传导质子和分隔阴阳极的质子交换膜、用于析氧反应的阳极催化层及其多孔传输扩散层、和用于析氢反应的阴极电催化层及其扩散层，其中阳极催化层和阴极催化层分别处于质子交换膜的两侧。水电解膜电极中的电极催化剂层一般应具有合理的孔结构和孔分布以便于反应物(水)和产物(氢气和氧气)的传输，同时催化层与质子交换膜之间应结合紧密良好以降低接触电阻；质子交换膜具有较高质子传导率和低气体渗透率，尤其是氢气的渗透率应较低，以阻止氢气自阴极渗透至阳极，与阳极产生的氧气发生反应。氢气渗透至阳极将带来一系列严重的问题，包括：1)氢气与氧气混合带来安全隐患；2)氢气与阳极催化剂层中的铱基催化剂尤其是氧化铱发生反应，降低其耐久性；3)降低阳极氧气产物的纯度；4)渗透至阳极的氢气与氧气在阳极直接发生化学反应生成水，或发生电化学反应，构成寄生电流，降低电解效率。
[0004]为减少阴极产生的氢气向阳极扩散，目前水电解膜电极倾向于采用较厚的质子交换膜(100微米以上)。较厚的质子交换膜虽然能有效降低氢气的渗透，但由于较厚的质子膜质子传导阻率较高，必然会导致电解槽电压效率的降低。目前的水电解膜电极中阳极一侧仍然使用较多的铱基电催化剂(1.0～2.5mg
Ir
/cm2)以保证电解槽的性能和稳定性，而Ir资源的储量有限，价格昂贵，这是PEMWE成本较高的原因之一，成为水电解制氢大规模发展的瓶颈之一。采用更薄的质子交换膜将有助于克服上述困难，提高PEMWE的效率，是水电解膜电极发展的方向，但如何解决高压氢气渗透又是一个难题，同时厚度较低的质子交换膜的强度也是影响PEMWE稳定性和寿命的一个重要因素。
[0005]公告号为CN 112176361 A的专利技术专利公开了一种用于质子交换膜电解水的膜电极制备方法，主要是通过在铂基或铱基等电催化剂浆料制备过程中添加全氟丁基磺酸钾等含氟的磺酸类有机分子来构筑了有机
‑
无机复合界面，用以改善氧气或氢气等电极生成气体在催化层的表面张力，加速气体脱离，减少传质过电位，提升电能到氢能的能量效率，改善电催化剂的电化学环境，增加催化层的寿命，从而提升膜电极整体性能，但未对所采用的质子交换膜性质做任何改进。
[0006]公告号为CN 113235120 A的专利技术专利公开了一种水电解制氢的膜电极及其制备方法，其中的质子传导固态电解质膜为一种含有两层质子交换膜和置于其间的催化剂夹层的三层复合结构，所述催化剂夹层为含铂或含铱的催化剂，此催化剂夹层有助于抑制渗氢量，提高产氢压力，降低风险。但该方法工艺略显复杂。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的质子交换膜改进的过程中，厚度较大的质子交换膜会降低电解槽电压效率以及通过改进质子交换膜来抑制渗氢量的过程中，方法比较复杂的技术缺陷，提供一种质子交换复合增强膜、水电解膜电极、制备方法及应用。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种质子交换复合增强膜，包括内膜和分别设置于内膜两侧的纳米纤维层，所述内膜包括全氟磺酸树脂，所述纳米纤维层包括全氟磺酸树脂、贵金属基催化剂和聚芳醚砜，所述聚芳醚砜以纳米纤维形式存在。
[0010]本专利技术提供了一种复合的多功能的质子交换膜，即将现在质子交换膜水电解用的较厚的质子交换膜替换成多个薄层复合的质子交换膜，以全氟磺酸树脂膜为内膜，内膜两侧形成有纳米纤维薄层，纳米纤维材料及结构增强了质子交换膜的强度，在降低内膜厚度的情况下，不会降低整体质子交换膜的性能，降低了厚度的质子交换膜有助于提高质子传导的电导率，这既可以降低质子交换膜水电解槽的能耗，又可以提高质子交换膜水电解槽的耐久性。内膜两侧的薄层中含有两类纳米纤维，一类是聚芳醚砜纤维，起到结构增强和骨架作用；另一类是由铂基催化剂和全氟磺酸树脂及纺丝材料构成的纳米纤维，这些纳米纤维构成了有序的连续的质子和电子传输通道，提高了析氢反应和氢气氧化反应的速率以及电化学反应效率。
[0011]作为本专利技术的优选方案，所述内膜厚度不超过150μm。
[0012]进一步优选的，所述内膜的厚度不超过100μm；
[0013]更进一步优选的，所述内膜的厚度不超过50μm。
[0014]所述内膜包括但不限于全氟磺酸树脂膜及以全氟磺酸树脂为质子传导媒介的各种复合膜，构成内膜的全氟磺酸树脂的化学当量(equivalent weight，EW)范围为750～1250。
[0015]作为本专利技术的优选方案，所述纳米纤维层中所使用的全氟磺酸树脂的EW值范围为750～1250，纳米纤维层中树脂固态含量为10.0～95.0wt％。
[0016]具体的，位于质子交换膜阳极一侧的纳米纤维层为第一薄层，位于质子交换膜阴极一侧的纳米纤维层为第二薄层；
[0017]优选地，第一薄层中的树脂质量含量范围为30.0～95.0wt％；
[0018]第二薄层中的树脂质量含量范围为5.0～50.0wt％。
[0019]作为本专利技术的优选方案，第一薄层中贵金属的使用量为0.01～0.15mg/cm2。，所述第二薄层中，贵金属的使用量为0.05～0.5mg/cm2。
[0020]作为本专利技术的优选方案，所述纳米纤维层中，铂基催化剂包括铂黑、碳载铂催化剂、铂基二元或多元金属催化剂(铂基二元或多元包括铂基和其他贵金属的合金，例如PtRu基，PtRuIr基)、铂基核壳二元或铂基核壳多元催化剂或其他贵金属催化剂中的一种或多种
的任意组合。
[0021]作为本专利技术的优选方案，所述纳米纤维层中，聚芳醚砜的使用量范围为0.05～0.35mg/cm2；具体指内膜每一侧的所述聚芳醚砜的使用量范围。
[0022]作为本专利技术的优选方案，所述纳米纤维层的厚度为1
‑
20μm，优选的，所述纳米纤维层的厚度不超过15μm。
[0023]一种质子交换复合增强膜制备方法，所述纳米纤维层通过静电纺丝法制备，具体包括如下制备步骤：
[0024]S101：准备纺丝液，所述纺丝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换复合增强膜，其特征在于，包括内膜和分别设置于内膜两侧的纳米纤维层，所述内膜为全氟磺酸树脂膜，所述纳米纤维层中包括全氟磺酸树脂、贵金属基催化剂和聚芳醚砜，所述聚芳醚砜以纳米纤维形式存在。2.根据权利要求1所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述内膜厚度不超过150μm；优选的，所述内膜的厚度不超过100μm。3.根据权利要求2所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层包括第一薄层和第二薄层，所述第一薄层和所述第二包层分别设置于所述内膜的两侧；所述第一薄层中树脂质量含量范围为30wt％～95wt％；所述第一薄层中贵金属的使用量为0.01～0.15mg/cm2；所述第二薄层中树脂质量含量范围为5wt％～50wt％；所述第二薄层中，贵金属的使用量为0.05～0.5mg/cm2。4.根据权利要求1所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层中，所述贵金属基催化剂包括铂基催化剂或其他贵金属基催化剂中的一种或多种的组合；所述铂基催化剂包括铂黑、碳载铂催化剂、铂基二元金属催化剂、铂基多元金属催化剂、铂基核壳二元催化剂或铂基核壳多元催化剂中的一种或多种的组合。5.根据权利要求4所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层中，聚芳醚砜的使用量范围为0.05～0.5mg/cm2。6.根据权利要求4所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层的厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：周卫江，唐琪雯，陈罗倩雯，陈孟杰，杨航，舒正龙，王云，陈翠容，李云，陈启章，
申请(专利权)人：中自环保科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：