一种固体电解质电解槽用膜电极制造技术

本发明专利技术提供一种固体电解质电解槽膜电极，膜电极包括优化层，该优化层能够提高电解槽运行效率和安全性，具体通过降低阳极中的氢气含量实现。该优化层结构的制备过程简单易行，通过常见的喷涂、丝网印刷、刮涂等工艺均可实现。优化层的组装位置可位于阳极催化层与膜之间，或者阳极催化层以外、或者混合于阳极催化层中的任何一种或两种。原理是优化层通过化学反应将阳极侧的氢进行淬灭，达到降低氢气含量的效果。通过优化层对膜电极的优化，在不明显增加系统成本与辅助设备的基础上，能够实现电解槽阳极侧的气体纯度与氢浓度在爆炸极限以外，达到效率提升和安全运行的效果。到效率提升和安全运行的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种固体电解质电解槽用膜电极


[0001]本专利技术属于固体电解质电解水领域，具体涉及一种提升固体电解质电解槽运行安全和效率的膜电极。

技术介绍

[0002]利用固体电解质电解槽进行的电解水技术是一项可以直接利用可再生能源发电将纯水电解制备氢气的绿色储能技术，由于电解槽阴、阳两极腔之间通过固体电解质(离子交换膜)隔绝，两侧可以实现高压运行，在线得到高压的产品气体，降低后期气体压缩的成本。然而，由于实际过程中密封效果的偏差或膜的气密性的影响，尤其是当降低膜的厚度或高压操作时，阴极侧的氢气会渗透至阳极侧，当阳极的氧气中氢气含量超过4％时就会达到氢气的爆炸极限，对电解槽的安全运行造成威胁，因此降低阳极氧中氢的含量是提高电解槽安全运行的重要保障。
[0003]文献(CN201711372053.6)介绍了通过设计立体电极结构的空气纯化结构，通过施加电位氧化的方法对空气中的污染物进行净化，解决了现有净化方法催化剂易失活和SO2净化的问题，但其采用电位氧化法对杂质气体的纯化的技术路线需要消耗额外的电能，对电池结构和材料提出的额外的要求，并且对杂质气体的种类具有限制，在电解槽的阳极气体纯化中不具有适用性。文献(Journal of The Electrochemical Society,2021 168114513)报道中采用碳氮化合物作为阴极催化剂，能够同时满足氢析出和氧还原活性的要求，其在降低阴极氢中氧含量中具有明显的效果，其采用的碳氮化合物虽然在阴极能够实现较好的气体纯化效果，但在阳极侧重面临强氧化的环境，碳氮化合物材料极易被腐蚀，因此阳极侧的气体纯化层的材料选择面临较大的挑战。本专利技术采用的贵金属材料具有量化的化学稳定性，在电解槽阳极的强氧化环境中能够保持稳定结构。

技术实现思路

[0004]基于上述
技术介绍
，本专利技术的目的在于解决现有固体电解质水电解槽阳极的安全性和法拉第效率提升的问题，本专利技术通过化学反应在膜电极阳极侧加入具有氢淬灭性能的催化剂，实现化学法对氧中氢的去除，达到降低氢气含量的效果。优化层的加入能够避免增加额外的氧中氢分离装置，达到对氧气的纯化效果，同时提高产气的法拉第效率，同时避免氢气浓度达到爆炸极限，对高压操作或薄膜电极的安全性提升有重要意义。
[0005]为实现以上目的，本专利技术提供一种提升固体电解质电解槽运行安全和效率的膜电极，所述膜电极包括优化层，所述优化层位于阳极催化层和质子交换膜之间，或所述优化层位于阳极催化层外侧，或所述优化层位于阳极催化层中的任何一种或两种；所述的优化层活性组分为具有氢吸附或氢氧化活性的氢淬灭剂。
[0006]基于以上技术方案，优选的，所述活性组分具体种类有Pt、Pd、PtPd合金等贵金属催化剂。
[0007]基于以上技术方案，优选的优化层的制备可以通过喷涂、丝网印刷、刮涂等工艺制
备得到。
[0008]基于以上技术方案，优选的，上述的优化层通过浆料制备，优化层浆料的组成包括活性组分、溶剂和粘结剂，溶剂种类包括：乙醇、异丙醇等具有挥发性的有机溶剂；粘结剂为具有质子传导能力的高分子树脂，例如全氟磺酸树脂等。当优化层位于阳极催化层与质子交换膜之间时，此时所述粘结剂与活性组分的质量比范围为0.45～2:1，优选为0.5～1:1，溶剂与活性组分的质量比为20～100:1，优选为60～80:1；当优化层位于阳极催化层外侧时或掺杂于阳极催化剂中时，此时所述粘结剂与活性组分质量比范围为0.1～0.4:1，优选为0.2～0.4:1，溶剂与活性组分质量比为20～100:1，优选为60～80:1。
[0009]本专利技术所述的优化层组装位置，位于阳极催化层与质子交换膜之间，或者位于阳极催化层外侧，或者混合在阳极催化层中中的任何一种或两种。优化层的位置通过浆料的制备顺序不同得以实现，当优化层位于阳极催化层与质子交换膜之间时，优化层在阳极催化层组装之前进行制备；当优化层位于阳极催化层外侧时，浆料在阳极催化层组装之后进行；当优化层掺杂于阳极催化剂中时，阳极浆料与优化层浆料同时制备于膜表面。
[0010]基于以上技术方案，优选的，所述的膜电极优化层，优化层中的活性组分与阳极催化层中催化剂的质量比为0.05～10:1，优选为0.05～2:1，更优选为0.1～2:1。
[0011]根据上述优化层的位置与浆料，其制备的过程与步骤为：
[0012]1、优化层浆料制备：按照电极面积和优化层负载量称取定量的活性组分，取定量的溶剂与活性组分混合后进行超声10～15min，待活性组分在浆料中分散均匀后加入催化剂质量一定量的粘结剂，继续超声30min，完成浆料的制备过程。
[0013]2、优化层制备：优化层的制备采用喷涂、丝网印刷、刮涂等工艺进行，将用于电极负载的电解质膜置于负压式热台表面，热台温度控制在30～120℃，按照优化层的位置所需组装的顺序，将阴极催化层、阳极催化层和优化层制备于电解质膜表面，结束后电极置于60～80℃下真空干燥完全除去电极中残留的溶剂，完成具有优化层的膜电极的制备。
[0014]有益效果
[0015]1、本申请提供的带优化层的膜电极制备操作简单易行，仅需在传统膜电极制备的过程中增加一步优化层的制备即可完成，制备成本低；优化层的加入能够避免电解槽的附加气体纯化装置的加入，节约系统成本与空间，简化系统操作。
[0016]2、当优化层位于阳极催化层中时，优化层的加入能够实现对阳极催化层的分散作用，提高催化剂的分散度与质量活性，降低阳极催化剂的载量，并且在保证膜电极的极化性能不受影响的情况下实现对阳极侧气体的纯化。
[0017]3、当优化层位于阳极催化层与质子交换膜之间时，优化层中具有较高的粘结剂的含量，能够增强阳极催化层与质子交换膜之间的结合力，促进质子传输，优化层充当粘结与纯化两个功能。一方面避免长期运行中阳极催化层的脱离，缓解优化层的加入对质子传输能力的影响；另一方面，实现电解槽阳极侧的气体纯度与氢浓度在爆炸极限以外，达到效率提升和安全运行的效果；
[0018]4、当优化层位于催化层外侧时，有助于在保证膜电极的极化性能不受影响的情况下实现对阳极侧气体的纯化。同时，还能够对阳极去离子水起到净化的作用，在去离子水到达阳极催化层之前利用优化层自身过滤和吸附的作用去除循环水中的不溶杂质和金属离子等，有助于提高膜电极的性能和寿命；另外，外侧的优化层还能够充当阳极催化层的保护
Nafion溶液(浓度为5wt％)，继续超声30min，完成浆料的制备。
[0035]2、阴极催化层浆料制备：称取57.14mg铂碳催化剂(铂载量为70wt％)，加入4.5g的异丙醇，超声10min，待催化剂在浆料中分散均匀后加入381mg Nafion溶液(浓度为5wt％)，继续超声30min，完成浆料的制备。
[0036]3、阳极催化层浆料制备：称取100mg铱黑催化剂，加入6g的异丙醇，超声10min，待催化剂在浆料中分散均匀后加入667mg Nafion溶液(浓度为5wt％)，继续超声30min，完成浆料的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体电解质电解槽用膜电极，其特征在于，所述膜电极包括优化层；所述优化层位于阳极催化层和质子交换膜之间，或所述优化层位于阳极催化层外侧，或所述优化层位于阳极催化层中的一种或两种；所述优化层的活性组分为具有氢吸附或氢氧化功能的催化剂。2.根据权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述活性组分为Pt、Pd、PtPd合金中的至少一种。3.根据权利要求1
‑
2任意一项所述的膜电极，其特征在于，所述优化层可通过喷涂、丝网印刷或刮涂工艺将活性组分制备在膜电极上。4.根据权利要求3所述的膜电极，其特征在于：所述优化层以浆料的形式制备到膜电极中，所述浆料包含活性组分、粘结剂、溶剂；所述粘结剂为具有质子传导功能的高分子树脂；所述溶剂为具有挥发性的有机溶剂。5.根据权利要求4所述的膜电极，其特征在于，所述粘结剂为全...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，姜广，迟军，宋微，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：