【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種用于生產用于電化學裝置(諸如水電解槽或燃料電池)的離子導電膜的方法，并且涉及適用于制造此類離子導電膜的設備。
技術介紹
1、可以在堿性電解質體系和酸性電解質體系兩者中進行水的電解以產生高純度的氫和氧。采用固體質子導電聚合物膜或質子交換膜(pem)的那些電解槽被稱為質子交換膜水電解槽(pemwe)。利用固體陰離子導電聚合物膜或陰離子交換膜(aem)的那些電解槽被稱為陰離子交換膜水電解槽(aemwe)。
2、離子導電膜(諸如pem和aem)也用于燃料電池中。在質子交換膜燃料電池(pemfc)中，該膜是質子導電的，并且將在陽極處產生的質子橫跨該膜傳送至陰極，其中它們與氧組合以形成水。
3、催化劑涂布膜(ccm)可以在電化學裝置(諸如電解槽和燃料電池)內使用。此類ccm包括離子導電膜(諸如pem或aem)，其中陽極催化劑層和陰極催化劑層中的至少一者施加到該膜的面上。
4、對于水電解槽應用，在此類陰極催化劑層中使用析氫反應(her)催化劑，例如包含鉑(諸如在碳載體上的鉑)的her催化劑。析氧反應(oer)催化劑用于電解槽陽極催化劑層中。對于pemwe應用，合適的oer催化劑包括銥或氧化銥(irox)，或者含有銥和釕兩者的氧化物。對于aemwe應用，也可以使用非鉑族金屬oer催化劑，諸如鎳、鈷、鐵和銅的合金和氧化物。
5、對于燃料電池應用，氧還原反應(orr)催化劑用于陰極催化劑層中，并且氫氧化反應(hor)催化劑用于陽極催化劑層中。對于pemfc應用，合適的陰極催化劑材料和
6、通常由非離子導電聚合物形成的單獨的膜層可以圍繞ccm的邊緣區域定位，例如定位在離子導電膜的不存在電催化劑的暴露表面上(但也將常常重疊在電催化劑層的邊緣上)，以提供密封以防止反應物和產物氣體逸出，以加強和強化ccm的邊緣，并且提供用于支撐后續部件(諸如副墊圈或彈性墊圈)的合適表面。粘合劑層可以存在于密封膜層的一個或兩個表面上。
7、ccm可以結合到膜電極組件(mea)中，該膜電極組件(mea)基本上由五層組成。中間層為聚合物離子導電膜。在離子導電膜的任一側上存在電催化劑層，該電催化劑層包含設計用于特定電解反應的電催化劑。最后，與每個電催化劑層相鄰的是氣體擴散層或多孔傳輸層，這取決于最終的mea應用和疊堆配置。此類層允許反應物到達電催化劑層并且允許產物離開。
8、離子導電膜(諸如pem和aem)是電化學裝置(諸如燃料電池和電解槽)的關鍵部件。然而，它們在操作過程中經受顯著的可能導致膜降解的化學應力和機械應力，這可能對燃料電池和電解槽疊堆的性能和維護成本具有不利影響。
9、向離子導電膜中添加含鈰化合物是已知的。此類添加劑充當可能引起膜降解的反應性氧物質(ros)的清除劑。
10、wo2007120190(3m創新知識產權公司(3m?innovative?properties?company))描述了將氧化鈰化合物添加到燃料電池膜中，并且示例示出了以0.25重量％至1重量％的量結合氧化鈰可能引起膜壽命的提高和氟離子析出的減少(和以及膜降解的指示)。
11、摻雜的含鈰化合物的使用是已知的。例如，在baker,a.m.等人在2017年7月的《材料化學雜志a(journal?of?materials?chemistry?a)》5(29)中描述了ce0.85zr0.15o2表現出優異的自由基清除活性。在venkateshkumar?prabhakaran和vijay?ramani?2014《電化學學會雜志(j.electrochem.soc.)》161f1中描述了氮摻雜的ceo2具有高ros清除活性。
12、由于含鈰化合物在形成的膜中的不均勻分布和/或由于在膜制造的過程中含鈰化合物顆粒的沉淀，含鈰化合物的加入可能在離子導電膜的制造過程(特別是實現用于燃料電池和電解槽應用中的離子導電膜所需的高質量控制標準)中帶來很大的困難。
13、仍然需要進一步增強和開發用于生產用于燃料電池和電解槽的離子導電電解膜的方法，以及有利于用于電化學裝置的高質量膜和ccm的可重復生產的設備。
技術實現思路
1、本專利技術人已經認識到，包含含鈰化合物和離子導電聚合物的液體料流的在線混合可以有利地在燃料電池和電解槽的離子導電膜的生產期間使用，并且這提供了對一個或多個前述問題的解決方案。
2、因此，在本專利技術的第一方面，提供了一種用于生產用于水電解槽或燃料電池的離子導電膜(諸如pem或aem)的方法，該離子導電膜包括至少一個膜層，該方法包括以下步驟：
3、a)在線混合包含離子導電聚合物的第一液體料流和包含含鈰化合物的第二液體料流，以形成涂料組合物；以及
4、b)將該涂料組合物沉積到基材上以形成膜層。
5、在線混合的使用提供了所生產的膜的可重現質量的改進，并且減少了與制造過程中含鈰化合物的結晶顆粒的形成相關聯的質量控制問題。
6、如本文所述的方法可以具有用于生產催化劑涂布膜的特定效用。因此，在根據本專利技術的第二方面，提供了一種制造催化劑涂布膜的方法，該方法包括以下步驟：
7、(i)提供使用根據第一方面的方法生產的離子導電膜，該膜包括第一面和第二面；以及
8、(ii)在該膜的該第一面和/或該第二面上形成催化劑層。
9、有利地，通過第一方面的方法生產的該膜和通過第二方面的方法生產的該催化劑涂布膜適用于水電解槽或燃料電池中。
10、在本專利技術的第三方面，提供了一種用于生產用于水電解槽或燃料電池(諸如pem或aem)的離子導電膜的設備，所述設備包括：
11、(i)第一源，該第一源用于提供包含離子導電聚合物的第一液體料流；
12、(ii)第二源，該第二源用于提供包含含鈰化合物的第二液體料流；
13、(iii)在線混合裝置，該在線混合裝置與該第一源和該第二源流體連通，該在線混合裝置被配置為混合該第一液體料流和該第二液體料流以形成涂料組合物；
14、(iv)涂布設備，該涂布設備被配置為從該在線混合裝置接收該涂料組合物并且利用該涂料組合物涂布基材以形成離子導電膜層。
15、此類設備的使用提供了可重現膜質量方面的改進，并且可以用于有利于膜生產線的操作，特別是使得此類生產線能夠容易地停止和啟動，而不造成膜質量控制問題，并且因此減少浪費。
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1.一種用于生產用于水電解槽或燃料電池的離子導電膜的方法，所述離子導電膜包括至少一個膜層，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一液體料流包含離子導電聚合物在水和除水以外的極性溶劑的混合物中的分散體。
3.根據權利要求1至2中任一項所述的方法，其中所述第二液體料流包含呈膠體溶膠形式的所述含鈰化合物。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述含鈰化合物是摻雜或未摻雜的鈰氧化物。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述基材選自背襯片材、第二膜層或背襯片材上的催化劑層。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其中使用靜態混合器進行步驟(a)中的所述在線混合。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述第一液體料流的流速與所述第二液體料流的流速的比率在7:1至15:1的范圍內并且包括7:1和15:1。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，所述方法還包括步驟(c)干燥所述膜層。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，所述方法還
10.根據權利要求9所述的方法，其中將步驟(d)和(e)重復1至6次。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述離子導電膜是質子交換膜。
12.一種制造催化劑涂布膜的方法，所述方法包括以下步驟：
13.根據權利要求12所述的方法，所述方法還包括將密封材料施加到所述催化劑涂布膜的所述第一面和/或所述第二面的步驟。
14.根據權利要求12或權利要求13所述的方法，所述方法還包括將氣體擴散層和/或多孔傳輸層施加到所述催化劑涂布膜的所述第一面和/或所述第二面上的步驟。
15.一種用于生產燃料電池或電解槽的離子導電膜的設備，所述設備包括：
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述在線混合裝置是靜態混合器。
17.根據權利要求15或權利要求16所述的設備，其中所述涂布設備是狹縫式模具涂布機、棒式涂布機、噴墨印刷機或凹版印刷機。
18.根據權利要求14至17中任一項所述的設備，所述設備還包括分析裝置，所述分析裝置用于在生產所述膜層時分析所述膜層中的鈰含量。
19.根據權利要求18所述的設備，其中所述設備被配置為使得基于通過所述分析裝置在所述膜層中檢測到的所述鈰含量來自動地調節所述第二液體料流的流速。
20.根據權利要求15至19中任一項所述的設備，其中所述設備被配置為使得所述涂料組合物在所述在線混合裝置的出口與所述涂布設備的入口之間的通過時間小于60秒，諸如小于30秒或小于10秒。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于生產用于水電解槽或燃料電池的離子導電膜的方法，所述離子導電膜包括至少一個膜層，所述方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一液體料流包含離子導電聚合物在水和除水以外的極性溶劑的混合物中的分散體。
3.根據權利要求1至2中任一項所述的方法，其中所述第二液體料流包含呈膠體溶膠形式的所述含鈰化合物。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述含鈰化合物是摻雜或未摻雜的鈰氧化物。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述基材選自背襯片材、第二膜層或背襯片材上的催化劑層。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其中使用靜態混合器進行步驟(a)中的所述在線混合。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述第一液體料流的流速與所述第二液體料流的流速的比率在7:1至15:1的范圍內并且包括7:1和15:1。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，所述方法還包括步驟(c)干燥所述膜層。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，所述方法還包括以下步驟：
10.根據權利要求9所述的方法，其中將步驟(d)和(e)重復1至6次。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述離子導電膜是質...
【專利技術屬性】
技術研發人員：A·迪金森，C·海，J·豪威爾斯，S·麥克爾羅伊，E·內斯林，
申請(專利權)人：莊信萬豐氫能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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