复合催化剂、复合催化剂涂层膜及其制备方法和电解水制氢设备技术

本申请提供一种复合催化剂、复合催化剂涂层膜及其制备方法和电解水制氢设备，涉及电解水制氢领域。复合催化剂的原料包括催化剂、离聚物、粘结剂和溶剂。复合催化剂涂层膜包括：质子交换膜、复合催化剂层、阳极催化剂层、阴极催化剂层，复合催化剂层设置在质子交换膜的正反表面，阳极催化剂层、阴极催化剂层分别设置在复合催化剂层的表面。复合催化剂涂层膜的制备方法包括：将复合催化剂层浆料设置在质子交换膜的表面，干燥；在两侧的复合催化剂层的表面分别设置阳极催化剂层浆料和阴极催化剂层浆料，进行干燥、热压处理。电解水制氢设备，包括复合催化剂涂层膜。本申请提供的复合催化剂涂层膜，结合力强、耐久性好。耐久性好。耐久性好。

【技术实现步骤摘要】
复合催化剂、复合催化剂涂层膜及其制备方法和电解水制氢设备


[0001]本申请涉及电解水制氢领域，尤其涉及一种复合催化剂、复合催化剂涂层膜及其制备方法和电解水制氢设备。

技术介绍

[0002]氢能作为清洁、可再生的绿色能源受到广泛关注。电解水制氢是一种应用越来越广泛的制氢技术，质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)作为固体电解质代替碱性电解液和隔膜，纯水作为电解液，具有效率高、氢气纯度高、不产生有害杂质、装置紧凑等优点。PEM电解槽由端板、双极板、扩散层、催化层和质子交换膜构成，其中由催化层和质子交换膜组成的CCM（catalyst coated membrane）是电解制氢反应发生的主要场所。
[0003]PEM水电解反应时，水在电场作用下，在阳极催化层被分解为氧气和氢离子，氧气通过流道排出，氢离子穿过质子交换膜迁移到阴极，与电子在阴极催化层结合，生成氢气。在阳极侧的反应过程中，水分解产生的初生态氧有很强的氧化作用，且阳极存在过电位，会造成质子交换膜的降解，所以提升质子交换膜固体电解质和催化层的耐久性和机械稳定性至关重要。目前质子交换膜的常用材料是全氟化磺酸聚合物 (PFSA) ，代表产品有Nafion
®
、Flemion
®
膜、Dow
®
膜等。Nafion溶液作为粘结剂将催化剂与PFSA膜结合在一起。在电解槽高温高压的运行条件下，PFSA膜会发生溶胀，同时随着膜的降解，机械稳定性会降低。
[0004]为了提升PEM电解槽的运行效率，通常要求CCM中的质子交换膜具有相对较高的质子电导率和较低的电子传导性、较低的气体渗透性、较好的抗溶胀性能，在PEM水电解槽运行环境下有较好的化学稳定性和机械稳定性。
[0005]综合考虑以上因素，本申请开发了一种基于质子交换膜的复合催化剂，使电解水的阴阳极催化剂能够附着在质子交换膜上，提升膜和催化层的稳定性，减少氢气渗透，有助于提高质子交换膜电解槽的性能，降低成本等。
[0006]但是，基于质子交换膜开发催化剂及其涂层膜，存在阴阳极催化剂层与质子交换膜结合力不强、机械稳定性差、接触电阻大、使用寿命短、氢气渗透、安全性差等问题。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于提供一种复合催化剂、复合催化剂涂层膜及其制备方法和电解水制氢设备，以解决上述问题。
[0008]为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：一种复合催化剂，所述复合催化剂的原料包括第一催化剂、第一离聚物、粘结剂和第一溶剂；所述第一催化剂包括铂黑、PtCo合金、PtRu合金中的任意一种或多种，所述第一离聚物包括全氟磺酸型聚合物，所述粘结剂包括聚乙烯醇和/或聚醋酸乙烯酯，所述第一溶剂包括水、乙醇、异丙醇中的一种或多种；
所述第一催化剂、所述第一离聚物和所述粘结剂的质量比为1：（0.5
‑
2）：（0.1
‑
1）；所述复合催化剂的固含量为1%
‑
10%。
[0009]本申请还提供一种复合催化剂涂层膜，包括：质子交换膜，包括孔填充质子交换膜和全氟磺酸膜中的任一种，所述孔填充质子交换膜包括多孔基膜和填充在所述多孔基膜的孔内的质子传导离聚物；复合催化剂层，所述复合催化剂层的原料包括所述的复合催化剂；阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的原料包括第二催化剂、第二离聚物和第二溶剂；阴极催化剂层，所述阴极催化剂层的原料包括第三催化剂、第三离聚物和第三溶剂；所述复合催化剂层设置在所述质子交换膜的正反表面，所述阳极催化剂层设置在其中一个所述复合催化剂层的表面，所述阴极催化剂层设置在另一个所述复合催化剂层的表面。
[0010]优选地，所述阳极催化剂层的原料满足以下条件中的一个或多个：A.所述第二催化剂包括铱基催化剂，所述铱基催化剂包括氧化铱、铱黑、铱/C中的一种或多种；所述铱基催化剂中铱载量为20
‑
100wt%；B.所述第二离聚物包括全氟磺酸型聚合物；C.所述第二溶剂包括水、乙醇、异丙醇中的一种或多种；D.所述第二离聚物与所述第二催化剂的质量比为（0.5
‑
2）：1，所述阳极催化剂层的原料制得的浆料的固含量为1%
‑
15%。
[0011]优选地，所述阴极催化剂层的原料满足以下条件中的一个或多个：E.所述第三催化剂包括铂基催化剂，所述铂基催化剂包括Pt/C、Pt黑、Pt纳米粉末中的一种或多种；所述铂基催化剂中铂载量为20
‑
100wt%；F.所述第三离聚物包括全氟磺酸型聚合物；G.所述第三溶剂包括水、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或多种；H.所述第三离聚物与所述第三催化剂的质量比为（0.5
‑
2）：1，所述阴极催化剂层的原料制得的浆料的固含量为1%
‑
15%。
[0012]优选地，所述孔填充质子交换膜满足以下条件中的一个或多个：I.所述多孔基膜包括多孔聚乙烯膜、多孔聚酰亚胺膜和多孔聚四氟乙烯膜中的任一种；J.所述质子传导离聚物包括磺酸基化合物；K.所述质子传导离聚物包括2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸、2
‑
丙烯酰胺
‑2‑
甲基丙磺酸钠盐、4
‑
苯乙烯磺酸钠盐、丙烯酰胺
‑
叔丁基磺酸钠盐、乙烯基磺酸钠盐中的一种或多种；L.所述孔填充质子交换膜的制备方法包括：将所述多孔基膜用单体电解质溶液浸渍，然后依次进行光聚合反应和质子化处理，得到所述孔填充质子交换膜；M.所述单体电解质溶液包括单体电解质、交联剂、光引发剂和第四溶剂，所述单体电解质包括含有磺酸基的单体电解质；所述单体电解质溶液中，所述单体电解质、所述交联剂和所述引发剂的摩尔比为（50
‑
200）：（1
‑
5）：1；所述单体电解质溶液的固含量为10wt%
‑
80wt%。
[0013]本申请还提供一种所述的复合催化剂涂层膜的制备方法，包括：将所述复合催化剂层的原料混合得到复合催化剂层浆料，然后将所述复合催化剂层浆料设置在所述质子交换膜的表面，进行第一干燥得到所述复合催化剂层；将所述阳极催化剂层的原料和所述阴极催化剂层的原料分别混合得到阳极催化剂层浆料和阴极催化剂层浆料，然后在两侧的所述复合催化剂层的表面分别设置所述阳极催化剂层浆料和所述阴极催化剂层浆料，进行第二干燥得到所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层；进行热压处理得到所述复合催化剂涂层膜。
[0014]优选地，制备得到所述复合催化剂层浆料、所述阳极催化剂层浆料和所述阴极催化剂层浆料之后，均进行冰水浴超声处理30
‑
90min。
[0015]优选地，所述复合催化剂层中，所述第一催化剂的载量为0.1
‑
0.5mg/cm2；所述阳极催化剂层中，所述第二催化剂的载量为0.4
‑
2 mg/cm2；所述阴极催化剂层中，所述第三催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合催化剂，其特征在于，所述复合催化剂的原料包括第一催化剂、第一离聚物、粘结剂和第一溶剂；所述第一催化剂包括铂黑、PtCo合金、PtRu合金中的任意一种或多种，所述第一离聚物包括全氟磺酸型聚合物，所述粘结剂包括聚乙烯醇和/或聚醋酸乙烯酯，所述第一溶剂包括水、乙醇、异丙醇中的一种或多种；所述第一催化剂、所述第一离聚物和所述粘结剂的质量比为1：（0.5
‑
2）：（0.1
‑
1）；所述复合催化剂的固含量为1%
‑
10%。2.一种复合催化剂涂层膜，其特征在于，包括：质子交换膜，包括孔填充质子交换膜和全氟磺酸膜中的任一种，所述孔填充质子交换膜包括多孔基膜和填充在所述多孔基膜的孔内的质子传导离聚物；复合催化剂层，所述复合催化剂层的原料包括权利要求1所述的复合催化剂；阳极催化剂层，所述阳极催化剂层的原料包括第二催化剂、第二离聚物和第二溶剂；阴极催化剂层，所述阴极催化剂层的原料包括第三催化剂、第三离聚物和第三溶剂；所述复合催化剂层设置在所述质子交换膜的正反表面，所述阳极催化剂层设置在其中一个所述复合催化剂层的表面，所述阴极催化剂层设置在另一个所述复合催化剂层的表面。3.根据权利要求2所述的复合催化剂涂层膜，其特征在于，所述阳极催化剂层的原料满足以下条件中的一个或多个：A.所述第二催化剂包括铱基催化剂，所述铱基催化剂包括氧化铱、铱黑、铱/C中的一种或多种；所述铱基催化剂中铱载量为20
‑
100wt%；B.所述第二离聚物包括全氟磺酸型聚合物；C.所述第二溶剂包括水、乙醇、异丙醇中的一种或多种；D.所述第二离聚物与所述第二催化剂的质量比为（0.5
‑
2）：1，所述阳极催化剂层的原料制得的浆料的固含量为1%
‑
15%。4.根据权利要求2所述的复合催化剂涂层膜，其特征在于，所述阴极催化剂层的原料满足以下条件中的一个或多个：E.所述第三催化剂包括铂基催化剂，所述铂基催化剂包括Pt/C、Pt黑、Pt纳米粉末中的一种或多种；所述铂基催化剂中铂载量为20
‑
100wt%；F.所述第三离聚物包括全氟磺酸型聚合物；G.所述第三溶剂包括水、乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或多种；H.所述第三离聚物与所述第三催化剂的质量比为（0.5
‑
2）：1，所述阴极催化剂层的原料制得的浆料的固含量为1%
‑
15%。5.根据权利要求2
‑
4任一项所述的复合催化剂涂层膜，其特征在于，所述孔填充质子交换膜满足以下条件中的一个或多个：I.所述多孔基膜包括多孔聚乙烯膜、多孔聚酰亚胺膜和多孔聚四氟乙烯膜中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：党士佳，李月娥，徐晓存，王娜，杨溢，杨坤，单加维，
申请(专利权)人：南京氢创能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：