[发明专利]一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用

说明书

本发明属于水电解槽、水电解膜电极技术领域，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。具体包括一种较薄的全氟磺酸树脂膜为内膜，在其两侧表面通过静电纺丝技术涂覆含有两种纤维的纳米纤维薄层，其中一种纳米纤维起到加强膜强度的作用，另一种纤维起到电催化作用，两种纳米纤维可以同步或者交替纺丝到质子交换膜内膜表面。此多功能增强膜可以降低质子交换膜电解水制氢系统的固态电解质膜厚度，提高质子传导率，同时可以降低气体的渗透率；采用此多功能复合膜制备的膜电极可有助于提高质子交换膜水电解制氢的效率。

技术领域

本发明属于电解水和固态电解质膜技术领域，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。

背景技术

质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水电解槽（PEM WaterElectrolyzer，PEMWE）具有电流密度大、产氢速率高、气体纯度高、系统紧凑、可直接生产高压氢气等优点，其对外部电压变动响应迅速，电压操作范围广，可与波动性较大的可再生能源（风电、光电、水电等）兼容联用，用于生产绿氢，具有广阔的应用前景，是几年来产氢行业的研发热点。

在PEMWE系统中，膜电极组件（membrane-electrode assembly，MEA）是整个系统的核心部件，其性能和成本决定着整个系统的性能、寿命、成本及应用场景。MEA一般由三部分组成，包括：用于传导质子和分隔阴阳极的质子交换膜、用于析氧反应的阳极催化层及其多孔传输扩散层、和用于析氢反应的阴极电催化层及其扩散层，其中阳极催化层和阴极催化层分别处于质子交换膜的两侧。水电解膜电极中的电极催化剂层一般应具有合理的孔结构和孔分布以便于反应物（水）和产物（氢气和氧气）的传输，同时催化层与质子交换膜之间应结合紧密良好以降低接触电阻；质子交换膜具有较高质子传导率和低气体渗透率，尤其是氢气的渗透率应较低，以阻止氢气自阴极渗透至阳极，与阳极产生的氧气发生反应。氢气渗透至阳极将带来一系列严重的问题，包括：1）氢气与氧气混合带来安全隐患；2）氢气与阳极催化剂层中的铱基催化剂尤其是氧化铱发生反应，降低其耐久性；3）降低阳极氧气产物的纯度；4）渗透至阳极的氢气与氧气在阳极直接发生化学反应生成水，或发生电化学反应，构成寄生电流，降低电解效率。

为减少阴极产生的氢气向阳极扩散，目前水电解膜电极倾向于采用较厚的质子交换膜（100微米以上）。较厚的质子交换膜虽然能有效降低氢气的渗透，但由于较厚的质子膜质子传导阻率较高，必然会导致电解槽电压效率的降低。目前的水电解膜电极中阳极一侧仍然使用较多的铱基电催化剂（1.0~2.5 mg_Ir/cm²）以保证电解槽的性能和稳定性，而Ir资源的储量有限，价格昂贵，这是PEMWE成本较高的原因之一，成为水电解制氢大规模发展的瓶颈之一。采用更薄的质子交换膜将有助于克服上述困难，提高PEMWE的效率，是水电解膜电极发展的方向，但如何解决高压氢气渗透又是一个难题，同时厚度较低的质子交换膜的强度也是影响PEMWE稳定性和寿命的一个重要因素。

公告号为CN 112176361 A的发明专利公开了一种用于质子交换膜电解水的膜电极制备方法，主要是通过在铂基或铱基等电催化剂浆料制备过程中添加全氟丁基磺酸钾等含氟的磺酸类有机分子来构筑了有机-无机复合界面，用以改善氧气或氢气等电极生成气体在催化层的表面张力，加速气体脱离，减少传质过电位，提升电能到氢能的能量效率，改善电催化剂的电化学环境，增加催化层的寿命，从而提升膜电极整体性能，但未对所采用的质子交换膜性质做任何改进。

公告号为CN 113235120 A的发明专利公开了一种水电解制氢的膜电极及其制备方法，其中的质子传导固态电解质膜为一种含有两层质子交换膜和置于其间的催化剂夹层的三层复合结构，所述催化剂夹层为含铂或含铱的催化剂，此催化剂夹层有助于抑制渗氢量，提高产氢压力，降低风险。但该方法工艺略显复杂。

发明内容