质子交换膜水电解器膜电极组件制造技术

形成膜电极组件的方法，包括，例如，提供第一层膜、第二层膜、阳极电极和阴极电极。第一层膜具有第一厚度，第二层膜具有小于第一厚度的厚度，并且第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量。第一层膜、第二层膜、阳极电极和阴极电极形成了膜电极组件(MEA)，其包括在第一层膜和第二层膜之间具有界面的交换膜。在一些实施方案中，可以包括第一层压法和第二层压法、单个层压法、卷对卷法和/或浇铸法。卷对卷法和/或浇铸法。卷对卷法和/或浇铸法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】质子交换膜水电解器膜电极组件
[0001]要求优先权
[0002]本申请要求于2021年2月2日提交的申请号为63/144,539、名称为“质子交换膜水电解器膜电极组件”的美国临时专利申请的优先权，该美国临时申请在此通过引用全部并入本申请。


[0003]本申请整体上涉及质子交换膜水电解器膜电极组件(MEA)，更具体涉及用于水电解器膜电极组件(MEA)的膜的制备方法。

技术介绍

[0004]利用可再生能源推动了对水电解
的大量投入。据估计，在未来二十年内，水电解市场能够增加到300GW，并且在未来十年内，对于原位电解系统而言，将电力转化为天然气的市场价值将达到数十亿美元。
[0005]质子交换膜(PEM)电解电池是一种通过直流(DC)电来电化学分解水产生氢气和氧气的装置。PEM电池包括“活性区域”，在此区域内存在催化剂使得发生反应。在电解电池中，水进入阳极被分解为质子、电子和氧气，质子通过膜传导，电子通过电路传导。在阴极，质子和电子重新结合形成氢气。电解半反应如下所示：
[0006]2H2O
→
4H
+
+4e
–
+O2[0007]4H
+
+4e
–→
2H2[0008]图1示出了用于制备质子交换膜水电解器膜电极组件的湿膜的现有技术湿法工艺10。在该湿法工艺中，在步骤12，获得了离聚物膜(例如，Nafion N115)，在步骤14，将离聚物膜煮沸一小时以进行水合反应。在步骤16，将得到的水合膜经过多步镀铂处理，以达到减缓逸出(crossover)的目的，这个过程总共需要大约五天。在步骤18，膜镀铂之后，将膜交换回H
+
的形式；在步骤20，在去离子水中进行漂洗和煮沸。一旦该膜被处理，其在电池组装过程中必须保持湿润。
[0009]Klose等人研发了一种8毫米(mil)的三层膜，使用含Pt的喷涂层在NR212膜和N115膜之间形成中间层。C.Klose等人2018,Membrane Interlayer with Pt Recombination Particles for Reduction of the Anodic Hydrogen Content in PEM Water Electrolysis,J.Electrochem.Soc.165F1271。

技术实现思路

[0010]通过提供一种形成膜电极组件的方法，克服了现有技术的缺点并增加了额外的优点，该方法包括，例如，提供第一层膜、第二层膜、阳极电极和阴极电极。第一层膜具有第一厚度；第二层膜具有小于第一厚度的厚度，并且第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量。第一层膜、第二层膜、阳极电极和阴极电极形成膜电极组件(MEA)，该膜电极组件包括在第一层膜和第二层膜之间具有界面的交换膜。
[0011]在一些实施方案中，该方法可以包括，例如，将第一层膜第一层压到第二层膜上以形成交换膜；和将阳极电极第二层压到交换膜的第一侧，将阴极电极第二层压到交换膜的第二侧，以形成所述膜电极组件(MEA)。
[0012]在一些实施方案中，该方法可以包括，提供具有第一层膜、第一层膜上的用以限定第一层膜和第二层膜之间界面的第二层膜、设置在第一层膜外侧的阴极电极和第二层膜外侧的阳极电极的叠层，并层压阴极电极、第一层膜、第二层膜和阳极层的叠层以形成具有双层膜的膜电极组件(MEA)。
[0013]在另一个实施方案中，方法包括，例如，提供具有第一厚度的第一层膜；提供厚度小于第一厚度的第二层膜，且第二层膜含有催化剂，第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量；并将第一层膜和第二层膜形成为在第一层膜和第二层膜之间具有界面的交换膜。
[0014]在另一个实施方案中，电解水的方法可以包括，例如，提供上述膜电极组件(MEA)，并在阴极电极和阳极电极之间施加电压以产生氢气。
[0015]在另一个实施方案中，电解水的方法可以包括，例如，提供具有交换膜的膜电极组件(MEA)，所述交换膜具有第一厚度的第一层膜，厚度小于第一厚度的第二层膜，第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量，第一层膜和第二层膜之间的界面；阳极电极和阴极电极；并在阴极电极和阳极电极之间施加电压以产生氢气。
附图说明
[0016]在说明书的结论部分特别指出并明确要求保护的内容被视为本申请的主要内容。然而，通过参考以下对各实施方案和附图的详细描述可以更好地理解本申请，其中：
[0017]图1为形成用于膜电极组件的催化剂膜的现有技术湿法工艺流程图；
[0018]图2为根据本公开一个实施方案的使用交换膜的膜电极组件；
[0019]图3为根据本公开一个实施方案的形成交换膜的流程图；
[0020]图4为根据本公开一个实施方案的在基材上形成含催化剂的层膜的方法示意图；
[0021]图5为根据本公开一个实施方案的在基材上形成含催化剂的层膜的卷对卷法示意图；
[0022]图6为根据本公开一个实施方案的形成双层膜层压的卷对卷法示意图；
[0023]图7为根据本公开一个实施方案的采用两步层压法形成膜电极组件的卷对卷法示意图；
[0024]图8为根据本公开一个实施方案的采用双层膜层压法形成膜电极组件的流程图；
[0025]图9为根据本公开一个实施方案的采用一步层压法形成膜电极组件的流程图；
[0026]图10为根据本公开一个实施方案的形成复合层涂覆的阳极贴花的流程图；
[0027]图11为根据本公开一个实施方案的采用一步层压法形成含有双层膜的膜电极组件的卷对卷法示意图；
[0028]图12为根据本公开一个实施方案采用一步层压法形成含有双层膜的膜电极组件的流程图；
[0029]图13为传统湿法工艺和两步干法工艺制备的膜电极组件的极化曲线图；
[0030]图14为现有技术中的不同氢气背压下复合层最佳厚度的理论计算图；
[0031]图15为现有技术中的PEM电解器系统成本的饼状图；
[0032]图16为现有技术中的PEM电解器的效率根据电流密度、操作温度和膜厚度变化的图。
具体实施方式
[0033]本公开涉及一种交换膜和采用这种交换膜的膜电极组件(MEA)。例如，交换膜可以为用于水电解器膜电极组件(MEA)的双层电解器膜，其中复合催化剂(如铂(Pt))有利地沉积在交换膜结构的一侧，如仅沉积在一侧，优选沉积在靠近电解器低压侧的电极上。应当理解，交换膜可以仅包括双层交换膜或具有其它膜层的双层膜。例如，在具有高压氢和低压氧的电解器中，氢会更快地扩散，因此优选将铂(Pt)复合催化剂设置在氧电极附近。类似地，在高压氧电解装置中，优选将Pt/离聚物层设置在靠近膜电极组件的氢(阴极)侧。本申请还公开了制备交换膜和膜电极组件(MEA)结构的方法。
[0034]根据本申请说明书的记载，例如本申请公开的形成双层膜的技术证明了，与湿法工艺相比，制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，包括：提供具有第一厚度的第一层膜；提供厚度小于所述第一厚度的第二层膜，并且所述第二层膜中含有催化剂，所述第二层膜中的催化剂含量大于所述第一层膜中的催化剂含量；提供阳极电极；提供阴极电极；和将所述第一层膜、所述第二层膜、所述阳极电极和所述阴极电极形成膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括在所述第一层膜和所述第二层膜之间具有界面的交换膜。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供第一层膜包括提供不含催化剂的第一层膜。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述交换膜包括双层交换膜。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极电极直接设置在所述第二层膜上。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成包括：将所述第一层膜第一层压到所述第二层膜上以形成所述交换膜；和将所述阳极电极第二层压到所述交换膜的第一侧，将所述阴极电极第二层压到所述交换膜的第二侧，以形成所述膜电极组件(MEA)。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供和沉积包括提供所述第二层膜的卷对卷法，所述卷对卷法包括将浆料沉积在移动的基材上。7.根据权利要求6所述的方法，其中：第一层压包括将所述第一层膜层压到所述第二层膜上的卷对卷法；和第二层压包括将所述阳极电极和阴极电极层压到所述交换膜上的卷对卷法。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成包括：提供叠层，所述叠层包括：所述第一层膜；所述第一层膜上的用以限定第一层膜和第二层膜之间界面的所述第二层膜；设置在所述第一层膜外侧的所述阴极电极；设置在所述第二层膜外侧的所述阳极电极；和层压所述阴极电极、第一层膜、第二层膜和阳极电极的叠层以形成膜电极组件(MEA)。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述提供包括提供所述第二层膜的卷对卷法，所述卷对卷法包括在移动的基材上沉积浆料。10.根据权利要求9所述的方法，其中：所述层压包括叠层的单个卷对卷层压法。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供第二层包括：将催化剂分散体浇铸在基材上。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述浇铸包括0.01
‑
0.5mgPt/cm2的铂族金属。13.根据权利要求11所述的方法，其中：所述提供第二层膜，包括：提供催化剂分散体；在基材上形成催化剂分散体的第一涂层；和
在所述第一涂层上形成连续涂层，直到第一层膜达到预定厚度。14.根据权利要求11所述的方法，其中所述提供催化剂分散体包括：提供包含铂(Pt)黑、氢氧化铈和NAFION离聚物的催化剂分散体。15.根据权利要求11所述的方法，其中所述提供催化剂分散体包括：将铂(Pt)黑、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，雷超，亚瑟，
申请(专利权)人：普拉格能源公司，
类型：发明
国别省市：