【技术实现步骤摘要】
本申请涉及膜电极，尤其涉及一种用于电解水制氢的膜电极、其制备方法及电解水设备。
技术介绍
1、因社会的快速发展使人类对能源的需求不断增加以及全球能源转型，氢能作为一种能量密度高、无污染的清洁能源和能量载体而被广泛关注。pem电解水制氢技术可以很好的耦合可再生能源制氢而成为氢能的研究热点。pem电解水膜电极主要由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层组合而成。其中，pem电解水制氢技术受到质子交换膜和贵金属催化剂等关键材料的限制，在电解水催化反应中，当前仍然是采用铂等贵金属作为催化剂，生产成本较高。同时催化层在制作过程中存在催化剂颗粒团聚，随着使用时间的增加存在催化剂层发生裂纹和脱落等问题，导致催化剂的利用率降低和催化效率低下。当前制备催化剂层时，多直接采用质子交换膜作为催化剂层的支撑层，将催化剂材料附着在质子交换膜的两侧形成催化剂涂层膜，但是制备过程中催化剂涂层膜中的极性溶剂容易与质子交换膜接触，容易引起质子交换膜的溶胀问题，进而影响催化剂涂层膜的结构稳定性，影响电解效率。电解水过程中因电解槽内析氢侧和析氧侧的压力差，氢气容易向析氧侧进行扩散，氢气和氧气的混合浓度到达一定程度，容易带来爆炸的危险。随着氢气电解槽的使用，容易在阴极催化层上形成水垢，影响析氢反应的进行。
技术实现思路
1、为此，本申请的实施例提供了一种用于电解水制氢的膜电极，实现了提高制氢效率和产率。
2、第一方面，本申请提供一种用于电解水制氢的膜电极。
3、本申请是通过以下技术方案得以实现的：p>
4、一种用于电解水制氢的膜电极，所述膜电极包括：
5、质子交换膜，设置在质子交换膜两侧的阳极催化层和阴极催化层以及阳极改性层；
6、所述阳极催化层中的阳极催化剂的含量由靠近质子交换膜的一侧向远离质子交换膜的方向升高；
7、所述阴极催化层中的阴极催化剂的含量由靠近质子交换膜的一侧向远离质子交换膜的方向升高；
8、阳极改性层，设置在阳极催化层和质子交换膜中间，所述阳极改性层中包含用于催化氢气发生氧化反应的钼基催化剂。
9、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述阳极改性层中的钼基催化剂包括mos2/c复合材料、moo2/c复合材料中的至少一种。
10、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述膜电极还包括阴极改性层；所述阴极改性层设置在阴极催化层的外侧，用于吸附电解水中的成垢离子。
11、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述阴极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阴极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阴极催化层；所述第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量大于第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量。
12、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.5mg/cm2～2.0mg/cm2，第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.0mg/cm2～1.5mg/cm2。
13、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述第一阴极催化层和第二阴极催化层均由阴极催化浆料制备而成；
14、所述阴极催化浆料包含阴极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂；所述阴极催化剂为pt/cnt复合材料。
15、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，以pt/cnt复合材料的质量为基准，pt的含量为25％～35％；pt的平均粒径为5nm～20nm。
16、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述阴极催化层的总厚度为5.0μm～10.0μm。
17、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述阳极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阳极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阳极催化层；所述第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量高于第二阳极催化层中阳极催化剂的负载量。
18、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量为2.5～3.5mg/cm2；第二阳极催化剂的负载量为2.0～2.5mg/cm2。
19、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述第一阳极催化层和第二阳极催化层均由阳极催化浆料制备而成；所述阳极催化浆料包括阳极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂；所述阳极催化剂包括ir、iro2、ru、ruo2、irruox中的一种或多种。
20、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述阳极催化层的总厚度为10μm～20μm。
21、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，所述质子交换膜选自全氟磺酸质子交换膜、有机/无机纳米复合质子交换膜、无氟质子交换膜中的至少一种。
22、第二方面，本申请提供一种用于电解水制氢的膜电极的制备方法。
23、本申请是通过以下技术方案得以实现的：
24、一种用于电解水制氢的膜电极的制备方法，所述制备方法用于制备上述第一方面所述的膜电极，所述制备方法包括：
25、制备阳极催化浆料：将阳极催化剂与离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂进行混合，进行超声分散得到均匀的第一阳极催化浆料和第二阳极催化浆料；
26、制备阴极催化浆料：将阴极催化剂与离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂混合，置于行星球磨机中进行搅拌分散，得到第一阴极催化浆料和第二阴极催化浆料；
27、制备阳极改性层浆料：将钼基催化剂、多孔碳材料、粘结剂和粘度调节剂进行混合形成阳极改性层浆料；
28、将阳极改性层浆料涂布在质子交换膜的一个表面，经烘干得到附着与质子交换膜上的阳极改性层；
29、将第一阳极催化浆料通过转印法涂覆在阳极改性层的表面上，并置于真空吸附加热板上进行加热，形成第一阳极催化层；将第二阳极催化浆料通过转印法涂覆在第一阳极催化层的表面上，并置于真空吸附加热板上进行加热，形成第二阳极催化层；
30、将第一阴极催化剂浆料通过转印法涂覆在质子交换膜的另一个表面上，并置于真空吸附加热板上进行加热，形成第一阴极催化层；将第二阴极催化剂浆料通过转印法涂覆在质子交换膜的另一个表面上，并置于真空吸附加热板上进行加热，形成第二阴极催化层。
31、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，在第二阴极催化层的表面安装可拆卸的阴极改性层。
32、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，在制备阳极催化浆料的步骤包括：阳极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂的质量比为(20％～30％)：(3％～8％)：(30％～50％)：(20％～45％)：(1％～2％)进行混合，进行超声分散得到均匀的第一阳极催化浆料。
33、在本申请一较佳的示例中可以进一步设置为，在制备阳极催化浆料的步骤包括：在制备阳极催化浆料的步骤包括：
34、阳极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂的质量比(15％～20％)：(3％～8％)：(30％～45％)：(25％～45％)：(1％～本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述膜电极包括：
2.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阳极改性层中的钼基催化剂包括MoS2/C复合材料、MoO2/C复合材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述膜电极还包括阴极改性层；
4.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阴极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阴极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阴极催化层；所述第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量大于第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量。
5.根据权利要求4所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.5mg/cm2～2.0mg/cm2，第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.0mg/cm2～1.5mg/cm2。
6.根据权利要求4所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述第一阴极催化层和第二阴极催化层均由阴极催化浆料制备而成；
7.根据权利要求6所述的用于电解水制氢的膜电极
8.根据权利要求4至7任一项所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阴极催化层的总厚度为5.0μm～10.0μm。
9.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阳极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阳极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阳极催化层；所述第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量高于第二阳极催化层中阳极催化剂的负载量。
10.根据权利要求9所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量为2.5～3.5mg/cm2；第二阳极催化剂的负载量为2.0～2.5mg/cm2。
11.根据权利要求9所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述第一阳极催化层和第二阳极催化层均由阳极催化浆料制备而成；所述阳极催化浆料包括阳极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂；所述阳极催化剂包括Ir、IrO2、Ru、RuO2、IrRuOx中的一种或多种。
12.根据权利要求9至11任一项所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阳极催化层的总厚度为10μm～20μm。
13.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述质子交换膜选自全氟磺酸质子交换膜、有机/无机纳米复合质子交换膜、无氟质子交换膜中的一种。
14.一种用于电解水制氢的膜电极的制备方法，所述制备方法用于制备权利要求1至13所述的膜电极，其特征在于，所述制备方法包括：
15.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，在第二阴极催化层的表面安装可拆卸的阴极改性层。
16.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，在制备阳极催化浆料的步骤包括：
17.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，在制备阳极催化浆料的步骤包括：
18.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，在制备阴极催化浆料的步骤包括：
19.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，将阴极催化剂、离子聚合物、溶剂、去离子水和分散剂的质量比为(10％～15％)：(3％～8％)：(30％～50％)：(25％～45％)：(1％～2％)进行混合，置于行星球磨机中进行搅拌分散，得到第二阴极催化浆料。
20.根据权利要求14所述的用于电解水制氢的膜电极的制备方法，其特征在于，阳极改性层的厚度为0.5μm～1.0μm。
21.一种电解水设备，包括电解槽，其特征在于，所述电解槽包括权利要求1至13任一项所述的用于电解水制氢的膜电极。
...【技术特征摘要】
1.一种用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述膜电极包括：
2.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阳极改性层中的钼基催化剂包括mos2/c复合材料、moo2/c复合材料中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述膜电极还包括阴极改性层；
4.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阴极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阴极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阴极催化层；所述第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量大于第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量。
5.根据权利要求4所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，第一阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.5mg/cm2～2.0mg/cm2，第二阴极催化层中阴极催化剂的负载量为1.0mg/cm2～1.5mg/cm2。
6.根据权利要求4所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述第一阴极催化层和第二阴极催化层均由阴极催化浆料制备而成；
7.根据权利要求6所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，以pt/cnt复合材料的质量为基准，pt的含量为25％～35％；pt的平均粒径为5nm～20nm。
8.根据权利要求4至7任一项所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阴极催化层的总厚度为5.0μm～10.0μm。
9.根据权利要求1所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，所述阳极催化层包括位于靠近质子交换膜一侧的第一阳极催化层和位于远离质子交换膜一侧的第二阳极催化层；所述第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量高于第二阳极催化层中阳极催化剂的负载量。
10.根据权利要求9所述的用于电解水制氢的膜电极，其特征在于，第一阳极催化层中阳极催化剂的负载量为2.5～3.5mg/cm2；第二阳极催化剂的负载量为2.0～2.5mg/cm2。
11.根据权利要求9所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：许练，梁照华，任小春，
申请(专利权)人：广州奥科维电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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