【技术实现步骤摘要】
本申请涉及质子交换膜电解水制氢，尤其是涉及一种质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜及其制备方法和膜电极。
技术介绍
1、氢气是一种清洁、高效的能源载体，具有来源丰富以及可再生等特点。将可再生能源通过电解水的方式转换为氢能可以有效减少温室气体和有害气体的排放。在多种电解水方案中，质子交换膜电解水装置产氢更高效、氢气纯度更高，对具有波动性和间歇性的可再生清洁能源有很好的适应性。
2、在质子交换膜电解水装置中，催化剂涂覆质子膜(ccm)是电解水装置的核心部件，主要由位于最中间的质子膜，位于质子膜两侧与质子膜紧密接触的阴、阳催化层组成。在电解水装置工作时，水在阳极催化剂的催化下产生并释放氧气，在阴极催化剂的催化下产生并释放氢气。在电解水装置工作的过程中，绝大部分产生的氢气会排出电解槽，但仍会有少量的氢气会透过质子交换膜传递至阳极。而氢气与阳极侧氧气混合会有爆炸的危险。尤其是实际操作中为了提高电解槽的效率，会倾向于使用厚度较薄的质子膜。还会将电解槽阴极侧的气压升高以便于氢气的存储。这些都会进一步促进氢气由阴极向阳极侧的渗透，增加电解槽的运行风险。
3、为了降低风险，研究人员通过在质子交换膜内、阳极催化层内或者质子交换膜靠近阳极侧的表面添加一层含铂基消氢催化剂的消氢层来催化氢气的氧化，降低阳极侧氧气中的氢气含量。但这种方法制备工艺复杂，同时也使用了价格昂贵、储量稀少的铂金属，提高了电解水装置的成本，限制了质子交换膜电解槽的大规模应用。
技术实现思路
1、本申请的目的在于克服
2、为实现上述目的，本申请采取的技术方案为：
3、本申请提供了一种质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜包括质子交换膜、位于质子交换膜两侧的阳、阴极催化层；
4、所述阳极催化层包括离子聚合物树脂、阳极催化剂和消氢添加剂；所述消氢添加剂的添加量为阳极催化剂质量的1％～10％；
5、所述阴极催化层包括离子聚合物树脂和阴极催化剂。
6、本申请专利技术人经过大量研究及试验发现，在阳极催化层中添加消氢添加剂，优化了阳极催化层的结构，可以显著降低氢渗；并且，采用上述添加量的消氢添加剂制备质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，相比广泛使用的铂基消氢催化剂，具有更低的成本，在提高电解槽运行安全性的同时，降低了质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的制备成本。
7、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述消氢添加剂为金属氧化物；
8、所述金属氧化物包括氧化铌、氧化钽、氧化钨、氧化钇、氧化锶和氧化钒中的至少一种。
9、本申请的消氢添加剂采用金属氧化物，金属氧化物是用于催化氢气氧化为水的催化剂，消氢添加剂过低的含量会导致消氢效果较差；消氢添加剂过高的含量会导致阳极催化层的性能有所降低。
10、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.1～0.5)：1。
11、本申请的阳极催化层中离子聚合物树脂和阳极催化剂采用以上质量比，可以确保阳极催化层具有高质子传输能力、传质能力以及良好的机械强度，使质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜具有良好的电解水性能的同时还可以降低质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的氢渗。
12、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.2～0.4)：1。
13、离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比优选为上述比例，可以使得阳极催化层具有更好的质子传输能力、传质能力以及更好的机械强度，进而使得质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜具有更佳的电解水性能，氢渗显著降低。
14、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述阴极催化层中，离子聚合物树脂和阴极催化剂中碳载体的质量比为(0.6～0.9):1。
15、阴极催化层中离子聚合物树脂和阴极催化剂中碳载体采用以上质量比时，可以确保阴极催化层具有良好的机械强度，保证质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的电解水性能和稳定性。
16、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述阳极催化剂包括含铱催化剂，阳极催化层中的铱含量为50～2000μg/cm2；
17、所述阴性催化剂包括碳负载铂催化剂，阴极催化层中的铂含量在100～1000μg/cm2。
18、过高的铱含量会导致成本升高，且对提高电解槽的性能提升不显著；过低的载量会导致电解槽性能不足以及稳定性差，寿命不足。
19、过高的铂含量会导致成本升高，且对提高电解槽的性能和寿命没有明显提升作用。过低的载量会导致ccm的性能和寿命受到限制。
20、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述含铱催化剂为iro2、irruox、iro2/tio2、金属铱中的至少一种。
21、优选地，离子聚合物树脂为含氟磺酸树脂，例如全氟磺酸树脂，包括科慕的d2020，d2021，3m ionomer 725&800ew，agc的ic154和ic100，syensqo的d72，d79，d87，d98等。
22、作为本申请所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的优选实施方式，所述质子交换膜为厚度在10μm～200μm的均质质子交换膜或厚度在10μm～200μm的增强型质子交换膜。
23、本申请还提供了上述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的制备方法，包括以下步骤：
24、s1、将阳极催化剂、消氢添加剂、溶剂和离子聚合物树脂混合，得到含有消氢添加剂的阳极催化剂浆料，在质子交换膜的表面涂覆阳极催化剂浆料制备出阳极催化层；
25、s2、将阴极催化剂、溶剂、离子聚合物树脂混合，得到阴极催化剂浆料，在质子交换膜的另一面涂覆阴极催化剂浆料制备成质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜；或者，将阴极催化剂浆料涂布于离型膜表面制备成阴极催化层，通过热压转印的方式将阴极催化层转印至阳极催化层的质子膜的另一侧制备成质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜。
26、优选地，所述溶剂为水和醇，所述醇包括但不限于正丙醇、异丙醇、丁醇、乙醇、乙二醇和乙二醇单甲醚等。
27、本申请还提供了上述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜制备的膜电极。
28、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
29、本申请提供了一种质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜及其制备方法和膜电极，本申请在阳极催化层中添加一定量的消氢添加剂，优化了阳极催化层的结构，可以显著降低氢渗；并且，采用上述添加量的消氢添加剂制备质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，相比广泛使用的铂基消氢本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜包括质子交换膜、位于质子交换膜两侧的阳、阴极催化层；
2.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述消氢添加剂为金属氧化物；
3.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.1～0.5)：1。
4.如权利要求3所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.2～0.4)：1。
5.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阴极催化层中，离子聚合物树脂和阴极催化剂中的碳载体的质量比为(0.6～0.9):1。
6.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阳极催化剂包括含铱催化剂，阳极催化层中的铱含量为50～2000μg/cm2；
7.如权利要求6所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述含铱
8.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述质子交换膜为厚度在10μm～200μm的均质质子交换膜或厚度在10μm～200μm的增强型质子交换膜。
9.如权利要求1～8任一项所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.如权利要求1～8任一项所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜制备的膜电极。
...【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜包括质子交换膜、位于质子交换膜两侧的阳、阴极催化层；
2.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述消氢添加剂为金属氧化物；
3.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.1～0.5)：1。
4.如权利要求3所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阳极催化层中，离子聚合物树脂和阳极催化剂的质量比为(0.2～0.4)：1。
5.如权利要求1所述的质子交换膜电解水催化剂涂覆质子膜，其特征在于，所述阴极催化层中，离子聚合物树脂和阴极催化剂中的碳载体的质量比为(0.6～0....
【专利技术属性】
技术研发人员：敖洪亮，董准，孙昭红，詹博云，李清影，杨云松，邹渝泉，唐军柯，叶思宇，吴力杰，孙宁，
申请(专利权)人：鸿基创能科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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