具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜及其制备方法和电解水设备技术

本申请提供一种具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜及其制备方法和电解水设备，涉及质子交换膜电解水领域。具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜包括功能层、质子交换膜和阴极催化剂层；功能层包括用于催化生成氧气的阳极催化剂和用于催化氢气反应的催化剂，阴极催化剂层包括用于催化生成氢气的阴极催化剂；功能层和所述阴极催化剂层分别设置在质子交换膜的两侧。制备方法包括：将阳极催化剂、用于催化氢气反应的催化剂和阴极催化剂各自独立的与全氟磺酸树脂和溶剂混合得到催化剂浆料，然后通过涂覆法或转印法在质子交换膜的表面制备得到。本申请提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，减少在电解水过程中氢气渗透通量，提高安全系数。提高安全系数。提高安全系数。

【技术实现步骤摘要】
具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜及其制备方法和电解水设备


[0001]本申请涉及质子交换膜电解水领域，尤其涉及一种具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜及其制备方法和电解水设备。

技术介绍

[0002]质子交换膜（PEM）电解槽的核心部件是膜电极（CCM），其性能和成本制约着PEM电解槽的市场应用。传统的CCM由中间的质子交换膜及两侧的阳极和阴极催化剂层组成。PEM电解水常用的阳极催化剂为Ir基和Ru及催化剂，阴极催化剂为Pt基催化剂。
[0003]目前CCM的制备工艺主要有直接涂布法和转印法等。直接涂布法是将催化剂浆料直接涂布到质子交换膜上，包括喷涂法和狭缝涂布法。转印法是先经催化剂浆料先涂布到其它基膜上，再将基膜和质子交换膜贴合，在一定温度和压力下将催化剂浆料由基膜转印至质子交换膜上。
[0004]将CCM、多孔扩散层、双极板、集流板、端板等的堆叠组装可得到PEM电解槽。给PEM电解槽通水并通电，水发生电解，于阳极侧产生O2，阴极侧产生H2。由于电解槽在高压下（>3 MPa）运行，在阴极侧产生的H2会穿过质子交换膜渗透到阳极侧，与阳极侧O2混合有爆炸的危险。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜及其制备方法和电解水设备，以解决上述问题。
[0006]为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：一种具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，包括功能层、质子交换膜和阴极催化剂层；所述功能层包括用于催化生成氧气的阳极催化剂和用于催化氢气反应的催化剂，所述阴极催化剂层包括用于催化生成氢气的阴极催化剂；所述功能层和所述阴极催化剂层分别设置在所述质子交换膜的两侧。
[0007]优选地，所述功能层为混合催化剂层，所述混合催化剂层的催化剂由所述用于催化生成氧气的阳极催化剂和所述用于催化氢气反应的催化剂组成。
[0008]优选地，所述功能层包括第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一催化剂层内的催化剂为所述阳极催化剂，所述第二催化剂层内的催化剂为所述用于催化氢气反应的催化剂；所述第二催化剂层设置在所述第一催化剂层和所述质子交换膜之间。
[0009]优选地，所述功能层包括第三催化剂层、辅助质子交换膜和第四催化剂层，所述第三催化剂层的催化剂为所述阳极催化剂，所述第四催化剂层内的催化剂为所述用于催化氢气反应的催化剂；
所述第四催化剂层设置在所述质子交换膜和所述辅助质子交换膜之间，所述辅助质子交换膜设置在所述第三催化剂层和所述第四催化剂层之间。
[0010]辅助质子交换膜用于将第三催化层固定在质子交换膜和辅助质子交换膜之间，可以有效的让H2在两层膜之间生成水，能阻挡大部分的H2穿透到阳极侧。
[0011]所述质子交换膜和所述辅助质子交换膜的厚度各自独立的为10
‑
200μm。
[0012]各个催化剂层的厚度各自独立的为1
‑
50μm。
[0013]优选地，所述阳极催化剂包括Ir基催化剂、Ru基催化剂和IrRu混合物催化剂中的一种或多种。
[0014]优选地，所述阳极催化剂包括Ir、IrO
x
、Ru、RuO
x
、IrRuO
x
、IrY合金、RuY合金、IrRuY合金以及相应的带有载体的催化剂，其中，Y选自Au、Pd、Co、Fe、Cu、Ni、Pt中的一种或多种；所述载体包括C和/或二氧化钛。
[0015]优选地，所述阴极催化剂和所述用于催化氢气反应的催化剂各自独立的包括Pt基催化剂；所述Pt基催化剂包括Pt/C、Pt、PtM合金中的一种或多种，其中，M选自Ir、Ru、Au、Pd、Co、Fe、Cu、Ni中的一种或多种。
[0016]本申请还提供一种所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜的制备方法，包括：将所述阳极催化剂、所述用于催化氢气反应的催化剂和所述阴极催化剂各自独立的与全氟磺酸树脂和溶剂混合得到相应的催化剂浆料，然后通过涂覆法或转印法在所述质子交换膜的表面制备得到所述功能层和所述阴极催化剂层。
[0017]优选地，通过所述转印法制备时，所使用的基膜包括PTFE膜、PFA膜、FEP膜、PI膜、PEN膜、PET膜和PPS膜中的任一种；使用的全服磺酸树脂为Nafion溶液或其它的离聚物溶液中的任一种。
[0018]溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇中的一种或多种。
[0019]催化剂浆料的制备方法是将催化剂、全氟磺酸树脂、溶剂通过超声、搅拌等方法将催化剂和全氟磺酸树脂均匀的分散在溶剂中，即得到催化剂浆料。
[0020]催化剂和全氟磺酸树脂的质量比为1:1~1000，催化剂和溶剂的质量比为1:10
‑
1000。
[0021]本申请还提供一种电解水设备，包括电解槽，所述电解槽包括所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜。
[0022]与现有技术相比，本申请的有益效果包括：本申请提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，通过在质子交换膜的一侧设置功能层，并在功能层内设置用于催化氢气反应的催化剂，用于催化通过质子交换膜渗透过来的H2，反应生成H2O，从而有效地降低氧气侧氢气的浓度，减少电解水过程中氢气渗透通量，降低爆炸的危险，提高安全系数。
[0023]本申请提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜的制备方法，可以通过涂覆法和转印法制备具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，操作简单。
[0024]本申请提供的电解水设备，安全系数高。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
[0026]图1为实施例1、实施例2和实施例3提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜的结构示意图；图2为实施例4提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜的结构示意图；图3为实施例5、实施例6提供的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜的结构示意图。
[0027]附图标记：1
‑
质子交换膜；2
‑
阴极催化剂层；3
‑
混合催化剂层；4
‑
阳极催化剂层；5
‑
用于催化氢气反应的催化剂层；6
‑
辅助质子交换膜。
具体实施方式
[0028]如本文所用之术语：“由
……
制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
[0029]连接词“由
……
组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，包括功能层、质子交换膜和阴极催化剂层；所述功能层包括用于催化生成氧气的阳极催化剂和用于催化氢气反应的催化剂，所述阴极催化剂层包括用于催化生成氢气的阴极催化剂；所述功能层和所述阴极催化剂层分别设置在所述质子交换膜的两侧。2.根据权利要求1所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，所述功能层为混合催化剂层，所述混合催化剂层的催化剂由所述用于催化生成氧气的阳极催化剂和所述用于催化氢气反应的催化剂组成。3.根据权利要求1所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，所述功能层包括第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一催化剂层内的催化剂为所述阳极催化剂，所述第二催化剂层内的催化剂为所述用于催化氢气反应的催化剂；所述第二催化剂层设置在所述第一催化剂层和所述质子交换膜之间。4.根据权利要求1所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，所述功能层包括第三催化剂层、辅助质子交换膜和第四催化剂层，所述第三催化剂层的催化剂为所述阳极催化剂，所述第四催化剂层内的催化剂为所述用于催化氢气反应的催化剂；所述第四催化剂层设置在所述质子交换膜和所述辅助质子交换膜之间，所述辅助质子交换膜设置在所述第三催化剂层和所述第四催化剂层之间。5.根据权利要求1所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，所述阳极催化剂包括Ir基催化剂、Ru基催化剂和IrRu混合物催化剂中的一种或多种。6.根据权利要求5所述的具有复合催化层结构的催化剂涂层质子膜，其特征在于，所述阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓存，党士佳，李月娥，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：