[发明专利]一种复合质子交换膜、其制备方法及用途

说明书

公开了一种复合质子交换膜、制备方法及其用于聚合物电解质膜水电解的用途。该复合质子交换膜包括：全氟磺酸膜(PFSA)；基体材料，所述基体材料在全氟磺酸膜中间起增强作用；和气体复合催化剂，所述气体复合催化剂负载在基体材料上。将该复合质子交换膜用于PEM电解水时，单槽电压为1.8V时，电流密度达到2.2A/cm²，阳极氧气中氢气含量低于0.05vol.％。

技术领域

本发明属于氢气制备技术领域，具体涉及一种聚合物电解质膜水电解用复合质子交换膜及其制备方法。

背景技术

在气候变化和能量转换的相关要求的背景下，电解水制氢是一项将电能转换为化学能的重要技术。电解水制氢技术可以分为三类，碱水电解制氢(AWE)、聚合物电解质膜电解制氢(PEMWE)和高温固体氧化物电解制氢。

PEMWE由于具有电解电流密度高、运行中可进行电化学压缩、气体交叉小、对电源波动适应性好等优势而受到关注。然而，PEMWE商用的电解质膜多为杜邦的Nafion系列全氟磺酸膜。Nafion膜还存在一定的气体透过率，特别当温度较高、含水量较大、电流密度较小时这种现象就更加的明显(Zawodzinski TA，Derouin JrC，Radzinski S，etal.J.Electrochem.Soc，1993，140:1041)。

目前关于PEMWE的研究重点一方面在于如何提高电解的电能利用率，即在一定的电解槽电压下获得尽可能高的电流密度，另一方面在于如何降低气体交叉，尤其是降低阳极室氧气中的氢气含量。提高电流密度要求尽可能采用较薄的质子交换膜，但是降低质子交换膜的厚度会导致膜的力学性能下降，同时产生更严重的气体交叉现象。

因此，亟需一种新的聚合物电解质膜水电解用复合质子交换膜及其制备方法来解决上述技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新的聚合物电解质膜水电解用复合质子交换膜及其制备方法。

一种复合质子交换膜，包括：

全氟磺酸膜(PFSA)；

基体材料，所述基体材料在全氟磺酸膜中间起增强作用；和

气体复合催化剂(Gas Recombination Catalyst)，所述气体复合催化剂负载在基体材料上。

其中，所述基体材料的厚度为复合质子交换膜厚度的5-50％。

其中，所述气体复合催化剂的有效成分为Pt纳米颗粒。

其中，所述复合质子交换膜中，所述气体复合催化剂的有效成分含量为0.005-0.5mg/cm²，优选为0.005-0.05mg/cm²。

其中，所述全氟磺酸包括长侧链结构的全氟磺酸(LSC PFSA)、或短侧链结构的全氟磺酸(SSC PFSA)。

其中，所述基体材料包括全氟或部分氟化的微孔结构膜，例如包括ePTFE微孔膜、PVDF微孔膜、ETFE微孔膜中的一种或多种。

本发明还提供了上述复合质子交换膜的制备方法，包括：

(1)对基体材料进行亲水预处理；

(2)在基体材料上负载气体复合催化剂；

(3)将负载有气体复合催化剂的基体材料浸渍在全氟磺酸树脂溶液中，流延成膜。

本发明还提供了将上述复合质子交换膜用于聚合物电解质膜水电解的用途。

本发明还提供了一种聚合物电解质膜水电解器，其包含上述复合质子交换膜。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：