【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本說明書涉及用于產(chǎn)生綠色氫的水電解槽的催化劑涂覆的質(zhì)子交換膜，包括其部件和制造方法。
技術(shù)介紹
1、在水水解期間，氫在電化學(xué)電池的陰極產(chǎn)生，而氧在陽極產(chǎn)生。如果電化學(xué)電池由可再生的電力供應(yīng)提供動力，則以這種方式產(chǎn)生的氫被稱為綠色氫。
2、在實踐中，有幾種不同類型的電解槽構(gòu)型可用于產(chǎn)生綠色氫。產(chǎn)生高純度氫和氧的水的電解可在堿性和酸性兩者電解質(zhì)系統(tǒng)中進行，并且使用這兩種類型的電解質(zhì)系統(tǒng)的實際設(shè)備作為商業(yè)產(chǎn)品存在。那些基于酸性電解液的電解槽通常利用固體質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)膜或質(zhì)子交換膜(pem)，并且被稱為聚合物電解質(zhì)膜水電解槽或質(zhì)子交換膜水電解槽(pemwe)。催化劑涂覆的膜(ccm)可用于pemwe的電池內(nèi)，其包括在一側(cè)涂覆用于催化析氫反應(yīng)的陰極催化劑和在另一側(cè)涂覆用于催化析氧反應(yīng)的陽極催化劑的質(zhì)子交換。通常，對于pemwe，陰極催化劑材料包括鉑。陽極催化劑通常包括銥或氧化銥(irox)材料或含有銥和釕兩者的氧化物。
3、在ccm的任一側(cè)添加附加層以制造組件，有時稱為膜電極組件(mea)。這些附加層可包括ccm的陽極側(cè)上的多孔傳輸層(ptl)和陰極側(cè)上的氣體擴散層(gdl)。這些層可以或可以不直接附接到ccm。其他部件可包括雙極板和集電器板。此類組件的堆疊構(gòu)成包括電力和控制系統(tǒng)的pemwe系統(tǒng)。制造包括電池框架、密封件和壓板的堆疊需要其他硬件。多個堆疊構(gòu)成pemwe系統(tǒng)，其還包括熱和流體管理、系統(tǒng)控制、電源供應(yīng)和氫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
4、電極需要貴金屬，諸如pt和ir，這些金屬用于制造電極催化劑。構(gòu)成催
5、現(xiàn)有的水電解槽系統(tǒng)的一個問題是銥是其制造中的關(guān)鍵組分，然而在世界上能夠獲得的銥的量有限并且昂貴。銥，或更具體地講氧化銥材料(irox)用作產(chǎn)生氫的pem水電解槽中的陽極催化劑。氧化銥材料就以下方面而言是特別有利的：具有足夠的活性以催化所需的析氧反應(yīng)，還具有足夠的穩(wěn)定性以經(jīng)受住它們在pem水電解槽中所經(jīng)受的苛刻的酸性和氧化性環(huán)境。然而，由于銥的稀缺性，需要開發(fā)提供千兆瓦(gw)功率/千克(kg)銥的顯著增加(或相反地每單位功率-kgir/gw的銥的量的降低)的質(zhì)子交換膜水電解槽系統(tǒng)。因此，需要改進電解槽系統(tǒng)，并且特別是此類系統(tǒng)的催化劑涂覆的膜。
6、在電解槽中，陰極也稱為氫電極，并且是在此生成氫的電極。陽極也稱為氧電極，并且是在此生成氧的電極。氫的任何過量交換的結(jié)果是在陽極側(cè)的分子h2與分子o2的組合，由于o2中5％至95％?h2的寬爆炸范圍，其是呈現(xiàn)顯著安全隱患的潛在爆炸混合物。因此，盡管為了pemwe的有效操作和最大性能，保持ccm內(nèi)的電子和離子電阻盡可能低是重要的，但是最小化穿過膜進入氧流的任何氫交換也是重要的。傳統(tǒng)上，膜為125微米或更厚，因為需要限制此類氫交換。然而，使用更厚的膜增加了ccm內(nèi)的電子和離子電阻。由于通過在pemwe中使用更薄的膜加劇了氫交換，因此非常典型的是利用具有超過125μm，并且典型地接近200μm或更厚的厚度的膜。
7、因此，盡管通過在pemwe使用更薄的pem將獲得改進的性能，但因為增加的氫交換和產(chǎn)生的安全風(fēng)險，實際上這是不可能的。傳統(tǒng)上，pemwe中的pem厚度為125μm或更大以降低氫交換的水平，但離子電阻的伴隨增加會嚴(yán)重限制pemwe性能。目前使用的膜的示例包括nafiontmn115(厚度125μm)和nafiontmn117(厚度175μm)。
8、因此，需要一種高性能pem，其限制氫交換以降低產(chǎn)生氫的水電解槽應(yīng)用中的安全風(fēng)險，其還具有更低的離子電阻，例如具有比常規(guī)的、當(dāng)前使用的膜更低的厚度或更高的傳導(dǎo)性。“高性能”是指pemwe可在盡可能高的電流密度下操作，具有盡可能高的電效率(即，低電池電壓)。
9、johnson?matthey先前提交了針對解決上述需要的專利申請(公開為wo2018/115821)。wo2018/115821描述了通過將三個膜層壓在一起來制造用于pem水電解槽的ccm：涂覆有陰極催化劑層(析氫反應(yīng)或her催化劑，諸如離聚物的分散體中的鉑黑)的第一膜；涂覆有陽極催化劑層(析氧反應(yīng)或oer催化劑，諸如離聚物的分散體中的iro2黑)的第二膜；以及涂覆有復(fù)合催化劑(諸如在離聚物的溶液中負載在碳黑上的鈀)以降低氫交換的第三膜，該第三膜夾在第一和第二膜之間。
10、wo2018/115821中描述的層壓方法的優(yōu)點是它可以利用非常薄的膜部件并且所得的ccm也是薄的。
11、在wo2018/115821中公開的示例中，三個膜中的每一個膜都是17μm厚的膜并且包括來自旭硝子集團(asahi?glass?group)的具有ptfe強化劑的900ew?flemiontm離聚物。將二氧化鈰過氧化氫清除劑催化劑涂覆在三個膜中的每一個膜的一側(cè)上。將在離聚物的分散體中包括pt黑的陰極催化劑層涂覆在二氧化鈰層上的膜部件中的一個膜部件上，將在離聚物的溶液中包括iro2黑的陽極催化劑層涂覆在二氧化鈰層上的膜部件中的另一個膜部件上，并且將在離聚物的溶液中包括負載在碳黑上的pd的復(fù)合催化劑沉積在二氧化鈰層上的最終膜組部上。然后布置三個催化劑涂覆的膜部件，其中具有復(fù)合催化劑層的膜部件在中間，夾在其他兩個膜部件之間，使陽極和陰極催化劑層面向外。中心膜部件被取向為使得復(fù)合催化劑層面向承載陽極催化劑層的膜部件。然后將這三層層壓以形成ccm。
12、雖然wo2018/115821中描述的層壓方法可產(chǎn)生與常規(guī)層壓方法相比具有低水平缺陷的ccm，但是該方法仍產(chǎn)生在聚合物膜之間具有兩個層壓界面的ccm，并且不能完全避免與層壓相關(guān)聯(lián)的問題。
13、仍然需要替代的、改進的膜和對應(yīng)的ccm，其滿足以下特性中的一種或多種，優(yōu)選地全部：
14、強度和高傳導(dǎo)性之間的良好平衡；
15、低的或至少可接受的h2交換水平；以及
16、沒有或者至少基本上沒有界面缺陷。
17、還需要：
18、選擇或開發(fā)用于此類ccm的合適的催化劑材料；
19、開發(fā)改進的催化劑油墨配方和用以制造改進的催化劑層的沉積方法；以及
20、提供優(yōu)化的水平和其他添加劑諸如自由基清除劑的分布。
21、本說明書旨在解決這些需要。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、如本說明書中所述的用于水電解槽的催化劑涂覆的膜(ccm)通過一種方法制造，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種用于水電解槽的催化劑涂覆的膜，所述催化劑涂覆的膜包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜是由以下形成的多層結(jié)構(gòu)：至少3個、5個或7個離聚物層；不超過15個、12個或10個離聚物層；或者在由上述下限和上限的任意組合限定的范圍內(nèi)的數(shù)目的離聚物層，并且其中所述離聚物層中的至少一個所述離聚物層，并且任選地至少兩個所述離聚物層除了所述離聚物之外包括強化劑材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物層中的僅一個所述離聚物層包括強化劑材料，并且所述層比所述陰極催化劑層更接近所述陽極催化劑層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物層中的兩個所述離聚物層包括強化劑材料，并且所述兩個離聚物層之間的中間點比所述陰極催化劑層更接近所述陽極催化劑層。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述強化劑材料包括用離聚物浸漬的多孔聚合物層，所述強化劑材料任選地為膨體聚四氟乙烯(ePTFE)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜還包括自由基還原添加
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層包括含銥催化劑材料，任選地含氧化銥催化劑材料。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陰極催化劑層包括碳載鉑催化劑材料。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層中的一者或兩者包括催化劑材料和離聚物材料兩者。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層中的一者或兩者中的所述離聚物不同于所述離聚物膜中的所述離聚物。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜的所述第一表面具有比所述離聚物膜的所述第二表面更少的缺陷。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層包括設(shè)置在離聚物中的含銥催化劑材料，并且其中所述陽極催化劑層中的所述離聚物與所述膜中的所述離聚物的不同之處在于，其具有以下中的一種或多種：比所述膜離聚物更高的當(dāng)量質(zhì)量和/或比所述膜離聚物更長的側(cè)鏈。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層包括設(shè)置在離聚物中的含銥催化劑材料，并且其中所述陽極催化劑層中的所述離聚物具有以下的當(dāng)量質(zhì)量：不小于900EW、950EW、1000EW或1050EW；不超過1300EW、1200EW或1150EW；
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述膜離聚物具有大于750EW并且小于850EW的當(dāng)量質(zhì)量。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陰極催化劑層包括設(shè)置在離聚物中的碳載鉑催化劑材料，并且其中所述陰極催化劑層具有由所述碳載鉑催化劑材料提供的小于1mgPt?cm-2，諸如小于0.5mgPt?cm-2和大于0.01mgPt?cm-2的鉑負載量。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陰極催化劑層包括設(shè)置在離聚物中的碳載鉑催化劑材料，并且所述陰極催化劑層具有介于0.6與1.0之間的離聚物/碳重量比。
17.一種制造用于根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的水電解槽的催化劑涂覆的膜的方法，所述方法包括：
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中通過將離聚物在液體載體中的分散體沉積到固體背襯層上并至少部分地干燥以形成第一離聚物層來形成所述離聚物膜；
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在從所述固體背襯層去除所述離聚物膜之后，在所述第一離聚物層的外表面上形成所述陽極催化劑層。
20.一種水電解槽，所述水電解槽包括根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的催化劑涂覆的膜。
...【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
1.一種用于水電解槽的催化劑涂覆的膜，所述催化劑涂覆的膜包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜是由以下形成的多層結(jié)構(gòu)：至少3個、5個或7個離聚物層；不超過15個、12個或10個離聚物層；或者在由上述下限和上限的任意組合限定的范圍內(nèi)的數(shù)目的離聚物層，并且其中所述離聚物層中的至少一個所述離聚物層，并且任選地至少兩個所述離聚物層除了所述離聚物之外包括強化劑材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物層中的僅一個所述離聚物層包括強化劑材料，并且所述層比所述陰極催化劑層更接近所述陽極催化劑層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物層中的兩個所述離聚物層包括強化劑材料，并且所述兩個離聚物層之間的中間點比所述陰極催化劑層更接近所述陽極催化劑層。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述強化劑材料包括用離聚物浸漬的多孔聚合物層，所述強化劑材料任選地為膨體聚四氟乙烯(eptfe)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜還包括自由基還原添加劑，任選地二氧化鈰。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層包括含銥催化劑材料，任選地含氧化銥催化劑材料。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陰極催化劑層包括碳載鉑催化劑材料。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層中的一者或兩者包括催化劑材料和離聚物材料兩者。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的催化劑涂覆的膜，其中所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層中的一者或兩者中的所述離聚物不同于所述離聚物膜中的所述離聚物。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的催化劑涂覆的膜，其中所述離聚物膜的所述第一表面具有比所述離聚物膜的所述第二表面...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M·岡薩雷斯赫雷拉，C·扎立提斯，
申請(專利權(quán))人：莊信萬豐氫能科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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