[发明专利]具有层合结构的催化剂涂覆的膜

说明书

公开了一种用于水电解器的催化剂涂覆的膜(CCM)，其具有包含以下的层合结构：包含第一膜组分的第一层，第一膜组分具有位于其第一面上的阴极催化剂层；包含第二膜组分的第二层，第二膜组分具有位于其第一面上的阳极催化剂层；和位于第一和第二层之间的包含第三膜组分的中间层，第三膜组分具有位于其第一面上的重组催化剂层。CCM可用于水电解器中。重组催化剂层减少了与氢气跨越相关的风险和允许使用具有较低阻力的较薄的膜。

技术领域

本发明总体上涉及具有层合结构的催化剂涂覆的膜，特别是它们在水电解器中的用途。

背景技术

将水电解来产生高纯度氢气和氧气，可以在碱性和酸性电解质体系二者中进行，并且使用两种类型电解质体系的实际装置作为商业产品而存在。那些基于酸电解质的电解器通常使用固体质子传导性聚合物电解质膜(PEM)，并且称为聚合物电解质膜水电解器(PEMWE)。催化剂涂覆的膜(CCM)被用于PEMWE的电池中，其包含PEM以及施涂到该PEM任一面上的两种催化剂层(用于阳极和阴极反应)。为了实现电解电池，将通常为金属网的集电器置于该CCM的任一侧。

虽然对于PEMWE的有效运行和最大性能来说，重要的是将跨过CCM的电子和离子阻力保持得尽可能低，但是甚至更重要的是使跨过膜进入氧气流中的任何氢气跨越(crossover)最小化。传统上，使这种离子和电阻力最小化和改进PEMWE性能的手段是尽可能地减小PEM的厚度，但是因为在PEMWE中使用薄膜加剧氢气跨越，因此相当典型地是使用厚度超过100μm且通常接近于200μm的昂贵的膜。在电解器中，阴极也称为氢电极，并且其是产生氢气的电极；阳极也称为氧电极，并且其是产生氧气的电极。氢气的任何过度跨越的结果是分子H₂与分子O₂在阳极处合并，这是一种潜在爆炸性的混合物，由于O₂中5-95％H₂的宽爆炸范围而具有严重的安全危害。

因此，虽然在PEMWE中使用较薄的PEM将获得改进的性能，但是在实践中由于增加的氢气跨越和形成的安全风险，所以是不可能的。传统上，PEMWE中的PEM厚度大于100μm(例如使用Nafion^TM N115(厚度127μm)或Nafion^TM N117(厚度183μm))来降低氢气跨越水平，但是离子阻力中的伴随增加严重限制PEMWE性能。

可以看到需要高性能PEM，这同时限制氢气跨越来降低这些应用中的安全风险。“高性能”表示PEMWE可以在尽可能高的电流密度运行，具有尽可能高的电效率(即低电池电压)。

本发明解决了这个问题，并且由此提供了一种可用于PEM水电解器应用的CCM。

发明内容

本发明的第一方面是一种用于水电解器的催化剂涂覆的膜(CCM)，其具有包含以下的层合结构：

包含第一膜组分的第一层，第一膜组分具有位于其第一面上的阴极催化剂层；

包含第二膜组分的第二层，第二膜组分具有位于其第一面上的阳极催化剂层；和

位于第一和第二层之间的包含第三膜组分的中间层，第三膜组分具有位于其第一面上的重组催化剂层。

这种CCM在水电解器中提供了改进的性能(由于跨过CCM的离子阻力低)以及由于氢气跨越减少而降低的安全危险。另外，CCM具有高品质(即它可以以高再现性和一致性来生产，并且具有最小的缺陷)可以更有效地制造。其原因如下。

在PEM燃料电池内使用包含催化剂(重组催化剂)的层是例如从US2002/0058172A1已知的，该催化剂具有以受控方式使从阳极泄漏的任何过量氢气与来自于阴极的氧气催化反应来形成水。燃料电池中这种层的目的是帮助使膜水合来保持质子传导率。这在某些条件下运行的燃料电池中是必需的，因为输入反应物是气态氢和氧，并且液体水的存在量最小。