[发明专利]一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜及其制备方法，涉及电解水制氢领域；一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜的制备方法，包括阴、阳极催化剂浆料的制备、浆料的涂布及催化层的热压转印；在制备过程中，分别调整阴、阳极催化剂与电解质的比例；阴极催化剂浆料采用珠磨机进行分散，阳极催化剂浆料采用超声波机器进行分散；在热转印时，控制转印的温度、压力及时间，最终得到催化剂涂覆膜；本发明主要通过对涂覆膜中阴阳极催化剂的配方、阴阳极催化剂的分散方式以及转印的条件同时进行了改进，使得最终的催化剂涂覆膜上催化剂不仅载量低、分布均匀、性能稳定且具有良好的性能。

技术领域

本发明涉及电解水制氢领域，更具体地，涉及一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜及其制备方法。

背景技术

随着传统化石能源的日渐消耗以及对于全球气候变暖的担忧，世界各国都在积极推进清洁能源的发展，尤其是风能、水电、太阳能等可再生清洁能源。但这些清洁能源具有间歇性和波动性的缺点，难以持续、稳定的输出能量，很难被利用。因此，需要一个合适的能源载体对能源进行存储。在众多的备选者中，氢能以清洁、高效、无污染、应用广泛，可以进行存储和运输的特点被视为最理想的能源载体。

将可再生清洁能源转化为氢能的最具实用性、最清洁的方法便是电解水。目前，电解水装置主要分为三种，包括碱性电解水装置，质子交换膜电解水装置以及固体氧化物电解水装置。

碱性电解水装置是目前最常用、最成熟的电解水装置，但其效率较低、工作电流密度较低，产生的氢气纯度也较低。固体氧化物电解水装置目前还处于实验室研究阶段，尚不能进行大规模推广。而质子膜电解水装置，比碱性电解水装置更高效，产生的氢气纯度更高，技术上又比固体氧化物电解水装置更成熟，是目前世界各国电解水制氢装置的开发重点。

而在质子交换膜电解水装置中，催化剂涂覆膜(CCM，catalyst coated membrane)作为电解水制氢的反应场所，是电解水装置中的关键部件，其性能决定了电解水装置的最终效能。

催化剂涂覆膜主要是由位于中间的质子交换膜和位于两侧的催化剂层组成。位于质子交换膜一侧的催化剂是阳极催化剂，另一侧为阴极催化剂。其中，阳极催化剂为析氧催化剂，主要成分一般是氧化铱、氧化钌或者氧化铱钌等。阴极催化剂为析氢催化剂，目前常用的催化剂为碳载铂等催化剂。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。而质子交换膜则在电解水过程中进行质子的传导以及氢气和氧气的隔绝。

目前，相较于传统的化石原料和化石能源制氢的方式，电解水制氢成本较高。要推广和发展质子交换膜电解水制氢装置一方面要降低可再生能源和电解水制氢系统的成本，另一方面还要合理设计电解水制氢系统，提高质子交换膜电解水系统的效能。而作为电解水装置的核心部件，催化剂涂覆膜的是研究人员的开发重点。

在现有的电解水制氢技术中，存在诸多的缺陷，例如：

(1)双金属层阳极的膜电极，催化剂载量较低，但整体性能依然不高；

(2)在质子膜的两侧使用了铂颗粒作为催化剂，导致电解水电压远大于理论电压，导致电解水装置效能较低；

(3)在制备过程中使用覆盖有碳粉的碳纸作为催化层基底，虽涂覆膜载量低且性能较高，但电压较高时，碳纸会被逐渐氧化，电解水装置的长期稳定性会受到影响；

(4)采用丝网印刷的方式将催化剂涂覆在质子膜上，阴极中铂载量较低，但阳极铱的载量较高，导致电压较高，整体性能不高。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜及其制备方法。

本发明采取的技术方案是，一种用于电解水制氢装置的催化剂涂覆膜的制备方法，包括如下制备步骤：

S1：催化剂浆料的制备：