用于水电解的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于水电解的膜电极及其制备方法。所述膜电极按以下顺序包括：阴极多孔支撑层；阴极催化层，所述阴极催化层包含非贵金属阴极析氢催化剂和碱性聚合物电解质；碱性聚合物电解质膜；阳极催化层，所述阳极催化层包含非贵金属阳极析氧催化剂和碱性聚合物电解质；和阳极多孔支撑层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
氢，以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。目前 各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统。 电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术。向浸在溶液中 的两个电极(阴极和阳极)通直流电时，水就会被分解并且在阴极和阳极分别产生氢气和 氧气。这个过程就是电解水。再在两个电极之间再加上一层隔膜，对氢气和氧气进行分离 的装置则为电解槽。最早的电解水现象在1789年被观测到之后，电解水技术得到了较快的 发展。目前市场上的电解槽可以分为三种(l)碱性电解槽(Alkaline Electrolyzer) 、 (2) 固体聚合物电解槽(Solid Polymer Electrolyzer， SPE)和(3)固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)。 碱性电解槽是最早商业化的电解槽技术，虽然其效率是三种电解槽中最低的，但 由于其设备价格低廉，目前仍然被广泛使用，尤其是在大规模制氢工业中。碱性电解槽的缺 点是效率较低、腐蚀较严重和使用石棉作为隔膜。目前碱性电解槽的槽电压偏高，电流密度 较小，导致其效率较低。由于使用了具有强烈腐蚀性的K0H溶液作为电解液，K0H的渗漏和 用后的处理会造成环境的污染，并且目前的碱性电解槽多采用石棉作为隔膜，石棉具有致 癌性，会对人构成严重的危害。很多国家已经提出要禁止石棉在碱性电解槽中的使用。 固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术。这 种电解槽的优点是反应温度较高，使得电化学反应中部分电能被热能代替，从而效率较高， 尤其是当余热被汽轮机，制冷系统等回收利用时，系统效率可达90%。缺点是在高温工作， 给材料的选择带来了一定限制。目前主要处于研究阶段，研究的重点是寻找在高温下具有 对氧离子良好导电性的电解质材料和适当降低电解槽的工作温度。 SPE电解槽中使用质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)作为电解质，无 须隔膜。SPE的优点是转换效率很高、体积小和无污染。这些优势使之成为很有发展前景的 制氢装置。由于采用很薄的聚合物质子交换膜，具有很好的机械强度和化学稳定性，并且欧 姆损失较小。但是SPE电解槽的缺点是价格昂贵。目前，常用的PEM是杜邦公司的Nafion 系列，这种膜的造价较高，而且在催化剂选择上，由于质子交换膜浸水后具有很强的酸性， 这就使催化剂金属的选择几乎完全限制在铂、钌、铱等贵金属及其合金和氧化物上，而且由 这类催化剂制造的电解槽必须使用超纯水体系，以减少催化剂的中毒。这些都严重制约了 它的广泛使用。
技术实现思路
技术问题 本专利技术的一个目的是提供一种具有高电流密度和催化剂抗中毒性、无污染并且成本低的膜电极。本专利技术的另一个目的是提供该膜电极的制备方法。 技术方案 本专利技术人经过研究，得到了一种适用于水电解的新型膜电极及其制备方法。 本专利技术提供一种用于水电解的膜电极，所述膜电极按以下顺序包括 阴极多孔支撑层； 阴极催化层，所述阴极催化层包含非贵金属阴极析氢催化剂和碱性聚合物电解 质； 碱性聚合物电解质膜； 阳极催化层，所述阳极催化层包含非贵金属阳极析氧催化剂和碱性聚合物电解 质；和 阳极多孔支撑层。 在本专利技术的膜电极中，所述非贵金属阴极析氢催化剂包含Ni ，并且包含选自Fe、 Co、Mo、Cr、Ti、 Sn和Mn中的一种或多种。 在本专利技术的膜电极中，所述非贵金属阳极析氧催化剂包含选自Ni、Fe、Co、Mo、Cr、 Ti、Sn、Mn的氧化物或氢氧化物中的两种以上。 在本专利技术的膜电极中，所述碱性聚合物电解质选自季铵化的聚醚醚酮、聚醚砜、聚 砜和聚芳砜中的一种。 在本专利技术的膜电极中，所述阴极催化层和所述阳极催化层还包含粘结剂。 在本专利技术的膜电极中，所述粘结剂选自聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯、聚乙二醇、聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯_醋酸乙烯酯和聚叔碳酸乙烯酯中的一种。 在本专利技术的膜电极中，所述阴极多孔支撑层和所述阳极多孔支撑层为碳纤维基多孔支撑层或金属基多孔支撑层。 本专利技术还提供一种用于水电解的膜电极的制备方法，所述方法包括以下步骤 a.制备阴极析氢催化剂料浆，所述阴极析氢催化剂料浆包含非贵金属阴极析氢催 化剂和碱性聚合物电解质； b.使用所述阴极析氢催化剂料浆在所述阴极多孔支撑层上形成阴极催化层； c.制备阳极析氧催化剂料浆，所述阳极析氧催化剂料浆包含非贵金属阳极析氧催 化剂和碱性聚合物电解质； d.使用所述阳极析氧催化剂料浆在所述阳极多孔支撑层上形成阳极催化层； e.将所述阴极催化层和所述阳极催化层分别层叠在碱性聚合物电解质膜两侧，以 制备膜电极。 在本专利技术的方法中，所述非贵金属阴极析氢催化剂包含Ni，并且包含Fe、 Co、 Mo、 Cr、Ti、Sn和Mn中的一种或多种。 在本专利技术的方法中，所述非贵金属阳极析氧催化剂包含选自Ni、Fe、Co、Mo、Cr、Ti、 Sn、Mn的氧化物或氢氧化物中的两种以上。 在本专利技术的方法中，所述碱性聚合物电解质选自季铵化的聚醚醚酮、聚醚砜、聚砜 和聚芳砜中的一种。 在本专利技术的方法中，所述阴极析氢催化剂料浆和所述阳极析氧催化剂料浆还包含 粘结剂。 在本专利技术的方法中，所述粘结剂选自聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯、聚乙二醇、聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯_醋酸乙烯酯和聚叔碳酸乙烯酯中的一种。 在本专利技术的方法中，所述阴极多孔支撑层和所述阳极多孔支撑层为碳纤维基多孔支撑层或金属基多孔支撑层。 在本专利技术的方法中，所述步骤e通过热压进行。 在本专利技术的方法中，热压温度为40-16(TC并且热压压力为0. 5-15Mpa。 有益效果 在本专利技术中，将碱性聚合物电解质阴离子交换膜与非贵金属阴极析氢催化剂和非 贵金属阳极析氧催化剂结合使用，极大地降低了膜电极的成本。本专利技术的膜电极中的阴极 和阳极催化层均不含贵金属元素，极大地降低了电解槽的成本，例如本专利技术中的催化剂成 本很低，所使用的催化剂如Ni、 Fe、 Co等的成本目前仅为几元人民币/克，而贵金属催化剂 如Pt、 Ir、 Ru等的价格在几百元人民币/克，相差10到100多倍。本专利技术中的膜为工程塑 料型膜，价格也在100元人民币/平方米以内，比质子交换膜便宜很多。 本专利技术与碱性电解槽相比，不使用氢氧化钾等强碱作为电解质，更避免使用具有 致癌作用的石棉作为隔膜，因此无污染，并且电流密度高于碱性电解槽的电流密度。使用本 专利技术的膜电极进行水电解，并且以去离子水作为电解质时，1. 8V电压下可以达到200mA/cm2 的电流密度，且体积小，成本低。 本专利技术与质子交换膜制氢电解槽相比，以碱性聚合物电解质阴离子交换膜替代了 SPE中的PEM，大大降低了电解槽的成本，而且本专利技术中的碱性条件降低了对电解槽极极的 要求，可以使用不锈钢或其他耐碱腐蚀的导电材料来代替必须耐酸腐蚀的钛、镀金钛、镀铱 钛、镀铂钛等材料，也有助于降低电解槽的成本。因此采用本专利技术的膜电极的碱性固体聚 合物电解槽克服了碱性电解槽和质子交换膜电解槽的缺点，同时具有无污染和成本低的优 点。 而且，由于本专利技术的膜电极不含贵金属元素，在催化剂的抗中毒方面有了很大的 提升，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于水电解的膜电极，所述膜电极按以下顺序包括：　　阴极多孔支撑层；　　阴极催化层，所述阴极催化层包含非贵金属阴极析氢催化剂和碱性聚合物电解质；　　碱性聚合物电解质膜；　　阳极催化层，所述阳极催化层包含非贵金属阳极析氧催化剂和碱性聚合物电解质；和　　阳极多孔支撑层。

【技术特征摘要】
一种用于水电解的膜电极，所述膜电极按以下顺序包括阴极多孔支撑层；阴极催化层，所述阴极催化层包含非贵金属阴极析氢催化剂和碱性聚合物电解质；碱性聚合物电解质膜；阳极催化层，所述阳极催化层包含非贵金属阳极析氧催化剂和碱性聚合物电解质；和阳极多孔支撑层。2. 根据权利要求1所述的膜电极，其中所述非贵金属阴极析氢催化剂包含Ni，并且包 含选自Fe、Co、Mo、Cr、Ti、Sn和Mn中的一种或多种。3. 根据权利要求l所述的膜电极，其中所述非贵金属阳极析氧催化剂包含选自Ni、Fe、 Co、 Mo、 Cr、 Ti、 Sn、 Mn的氧化物或氢氧化物中的两种以上。4. 根据权利要求1所述的膜电极，其中所述碱性聚合物电解质选自季铵化的聚醚醚 酮、聚醚砜、聚砜和聚芳砜中的一种。5. 根据权利要求1所述的膜电极，其中所述阴极催化层和所述阳极催化层还包含粘结剂。6. 根据权利要求5所述的膜电极，其中所述粘结剂选自聚乙烯醇縮丁醛、聚氨酯、聚乙 二醇、聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯_醋酸乙烯酯和聚叔碳酸乙烯酯中的一种。7. 根据权利要求1所述的膜电极，其中所述阴极多孔支撑层和所述阳极多孔支撑层为 碳纤维基多孔支撑层或金属基多孔支撑层。8. —种用于水电解的膜电极的制备方法，所述方法包括以下步骤a. 制备阴极析氢催化剂料浆，所述阴极析氢催化剂料浆包含非贵金属阴极析氢催化剂 和碱性聚合物电解质；b. 使用所述阴极析氢催化剂料浆在所述阴极多孔支撑层上形...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，闫永臣，曹萌，王雁，丁哲波，
申请(专利权)人：新奥科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]