[发明专利]用于水电解的膜电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于水电解的膜电极及其制备方法。

背景技术

氢，以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的 能源载体。目前各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统。

电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术。向 浸在溶液中的两个电极(阴极和阳极)通直流电时，水就会被分解并且在 阴极和阳极分别产生氢气和氧气。这个过程就是电解水。再在两个电极之 间再加上一层隔膜，对氢气和氧气进行分离的装置则为电解槽。最早的电 解水现象在1789年被观测到之后，电解水技术得到了较快的发展。目前市 场上的电解槽可以分为三种：(1)碱性电解槽(Alkaline Electrolyzer)、 (2)固体聚合物电解槽(Solid Polymer Electrolyzer，SPE)和(3)固体 氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)。

碱性电解槽是最早商业化的电解槽技术，虽然其效率是三种电解槽中 最低的，但由于其设备价格低廉，目前仍然被广泛使用，尤其是在大规模 制氢工业中。碱性电解槽的缺点是效率较低、腐蚀较严重和使用石棉作为 隔膜。目前碱性电解槽的槽电压偏高，电流密度较小，导致其效率较低。 由于使用了具有强烈腐蚀性的KOH溶液作为电解液，KOH的渗漏和用后的 处理会造成环境的污染，并且目前的碱性电解槽多采用石棉作为隔膜，石 棉具有致癌性，会对人构成严重的危害。很多国家已经提出要禁止石棉在 碱性电解槽中的使用。

固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽 技术。这种电解槽的优点是反应温度较高，使得电化学反应中部分电能被 热能代替，从而效率较高，尤其是当余热被汽轮机，制冷系统等回收利用 时，系统效率可达90％。缺点是在高温工作，给材料的选择带来了一定限 制。目前主要处于研究阶段，研究的重点是寻找在高温下具有对氧离子良 好导电性的电解质材料和适当降低电解槽的工作温度。

SPE电解槽中使用质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM) 作为电解质，无须隔膜。SPE的优点是转换效率很高、体积小和无污染。 这些优势使之成为很有发展前景的制氢装置。由于采用很薄的聚合物质子 交换膜，具有很好的机械强度和化学稳定性，并且欧姆损失较小。但是SPE 电解槽的缺点是价格昂贵。目前，常用的PEM是杜邦公司的Nafion系列， 这种膜的造价较高，而且在催化剂选择上，由于质子交换膜浸水后具有很 强的酸性，这就使催化剂金属的选择几乎完全限制在铂、钌、铱等贵金属 及其合金和氧化物上，而且由这类催化剂制造的电解槽必须使用超纯水体 系，以减少催化剂的中毒。这些都严重制约了它的广泛使用。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一种具有高电流密度和催化剂抗中毒性、无 污染并且成本低的膜电极。本发明的另一个目的是提供该膜电极的制备方 法。

技术方案

本发明人经过研究，得到了一种适用于水电解的新型膜电极及其制备 方法。

本发明提供一种用于水电解的膜电极，所述膜电极按以下顺序包括：

阴极多孔支撑层；

阴极催化层，所述阴极催化层包含非贵金属阴极析氢催化剂和碱性聚 合物电解质；

碱性聚合物电解质膜；

阳极催化层，所述阳极催化层包含非贵金属阳极析氧催化剂和碱性聚 合物电解质；和

阳极多孔支撑层。

在本发明的膜电极中，所述非贵金属阴极析氢催化剂包含Ni，并且包 含选自Fe、Co、Mo、Cr、Ti、Sn和Mn中的一种或多种。

在本发明的膜电极中，所述非贵金属阳极析氧催化剂包含选自Ni、Fe、 Co、Mo、Cr、Ti、Sn、Mn的氧化物或氢氧化物中的两种以上。

在本发明的膜电极中，所述碱性聚合物电解质选自季铵化的聚醚醚 酮、聚醚砜、聚砜和聚芳砜中的一种。

在本发明的膜电极中，所述阴极催化层和所述阳极催化层还包含粘结 剂。

在本发明的膜电极中，所述粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯、聚 乙二醇、聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯-醋酸乙烯酯和聚叔碳酸 乙烯酯中的一种。