本發(fā)明屬于電解水制氫，涉及一種用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜及制備方法和堿性電解水制氫裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著風(fēng)光等可再生能源在我國西北地區(qū)的快速發(fā)展，大量的風(fēng)光能源得以開發(fā)利用。然而，由于西北地區(qū)用電量較少且電網(wǎng)輸出存在困難，導(dǎo)致富裕的風(fēng)光可再生電力無法有效輸送到高需求地區(qū)。為了將這些可再生電力充分利用并避免資源浪費(fèi)，一個(gè)有效的策略是通過水電解將這些電力轉(zhuǎn)換為氫能。

2、堿性電解水技術(shù)為目前最為成熟的電解水制氫的技術(shù)路線。在堿性電解槽中，隔膜的作用至關(guān)重要，除了需要具備良好的阻氣性用來防止氫氣和氧氣相互擴(kuò)散，還要允許氫氧根離子和水的滲透，以及優(yōu)異的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。但是傳統(tǒng)的堿性電解槽隔膜在電解過程中顯示出高能耗、低效率、低產(chǎn)氫純度等問題，無法滿足對高效率、低能耗和高純度的迫切需求。如聚苯硫醚pps具有較強(qiáng)的硬度、高耐腐蝕性以及高玻璃轉(zhuǎn)變溫度的特定，被廣泛應(yīng)用在隔膜中，但其隔氣性差、電阻偏高、耗能偏大等缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著電解水制氫的發(fā)展。因此，隨著對高效能、低能耗以及高產(chǎn)氫純度的需求不斷增加，開發(fā)一種新的高效能、低能耗多層復(fù)合隔膜顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提供一種用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜及制備方法和堿性電解水制氫裝置，在基底層的一側(cè)定向涂覆無機(jī)陶瓷層、無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層和有機(jī)聚合物層，提高了系統(tǒng)整體性能，解決了電解效率低、能耗高和氫氣純度不足的行業(yè)痛點(diǎn)，在堿性電解水制氫領(lǐng)域具有重要價(jià)值。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜，包括：

4、基膜；

5、設(shè)置在所述基膜一側(cè)的無機(jī)陶瓷層；

6、設(shè)置在所述無機(jī)陶瓷層上的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層；

7、設(shè)置在所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層上的聚合物層。

8、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述無機(jī)陶瓷層的厚度為8～30μm。

9、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為5～15μm。

10、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述聚合物層的厚度為3～10μm。

11、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述基膜為聚苯基硫醚多孔膜或聚四氟乙烯多孔膜。

12、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述無機(jī)陶瓷層中的氧化物選自氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯或氧化硅中的一種。

13、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層中的固態(tài)電解質(zhì)選自磷酸鈦鋁鋰li1+xalxti2-x(po4)3、磷酸鍺鋁鋰li1+yalyge2-y(po4)3、鋰鑭鈦氧lizla2/3-z/3tio3、鋰鑭鋯氧li7la3zr2o12、li10gep2s12、li10snp2s12中的一種，其中0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1.5。

14、在一個(gè)技術(shù)方案中，所述聚合物層中的聚合物選自聚苯基硫醚、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚碳酸酯、聚酰亞胺或聚四氟乙烯。

15、第二方面，本發(fā)明提供上述用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜的制備方法，包括以下步驟：

16、1)無機(jī)陶瓷混合漿料均勻涂覆在基膜的一側(cè)，在70～90℃下烘干40min，固化形成無機(jī)陶瓷層；

17、2)在無機(jī)陶瓷層上均勻涂覆無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)混合漿料，在90～120℃下烘干30min，固化形成無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層；

18、3)在無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層上均勻涂覆聚合物混合漿料，在110～140℃下烘干20min，形成最外層的聚合物保護(hù)層。

19、值得說明的是，涂覆的方法包括但不限于浸漬涂布、凹版印刷、噴霧涂布、擠壓涂布、靜電紡絲和轉(zhuǎn)移涂布。

20、第三方面，本發(fā)明提供一種堿性電解水制氫裝置，包括：陰極；堿性電解槽；上述用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜；電解液；陽極。

21、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

22、本發(fā)明在基底層的一側(cè)(使用時(shí)涂層側(cè)朝向陰極)定向涂覆無機(jī)陶瓷層、無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層和有機(jī)聚合物層，改善了陰極界面的性能，促進(jìn)了氫氧根離子(oh-)向陽極的高效傳輸，顯著增強(qiáng)了電解過程的速率和效率。與現(xiàn)有技術(shù)中非定向或非專門針對堿性電解槽的設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)優(yōu)化了電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，減少了能耗，提高了系統(tǒng)整體性能。

23、本發(fā)明在涂層制備時(shí)通過控制涂層厚度以及退火溫度，實(shí)現(xiàn)了各涂層間的高度協(xié)同作用，不僅增強(qiáng)了隔膜的整體機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，還極大提升了離子選擇透過性。這有效避免了氫氣和氧氣的相互滲透，確保了氣體分離的高效性，解決了氫中氧濃度過高的安全隱患。

24、本發(fā)明電解水裝置相較于現(xiàn)有技術(shù)，電解電壓降低了10～20％，電解效率提高了5～10％，能耗降低了15～25％，并且產(chǎn)氫純度提升了3～8％，這些顯著的進(jìn)步歸功于定向涂層設(shè)計(jì)對界面?zhèn)鬏斝实奶嵘约岸鄬咏Y(jié)構(gòu)對整體性能的優(yōu)化，解決了電解效率低、能耗高和氫氣純度不足的行業(yè)痛點(diǎn)，在堿性電解水制氫領(lǐng)域具有重要價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述無機(jī)陶瓷層的厚度為8~30μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層的厚度為5~15?μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述聚合物層的厚度為3~10?μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述基膜為聚苯基硫醚多孔膜或聚四氟乙烯多孔膜。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述無機(jī)陶瓷層中的氧化物選自氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯或氧化硅中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層中的固態(tài)電解質(zhì)選自磷酸鈦鋁鋰li1+xalxti2-x(po4)3、磷酸鍺鋁鋰li1+yalyge2-y(po4)3、鋰鑭鈦氧lizla2/3-z/3tio3、鋰鑭鋯氧li7la3zr2o12、li10gep2s12、li10snp2s12中的一種，其中0＜x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1.5。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多涂層復(fù)合隔膜，其特征在于，所述聚合物層中的聚合物選自聚苯基硫醚、聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚碳酸酯、聚酰亞胺或聚四氟乙烯。

9.權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

10.一種堿性電解水制氫裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于堿性電解槽的多涂層復(fù)合隔膜，包括：基膜；設(shè)置在所述基膜一側(cè)的無機(jī)陶瓷層；設(shè)置在所述無機(jī)陶瓷層上的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層；設(shè)置在所述無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層上的聚合物層。本發(fā)明在基底層的一側(cè)定向涂覆無機(jī)陶瓷層、無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)層和有機(jī)聚合物層，改善了陰極界面的性能，促進(jìn)了氫氧根離子向陽極的高效傳輸，顯著增強(qiáng)了電解過程的速率和效率，減少了能耗，提高了產(chǎn)氫純度。

技術(shù)研發(fā)人員：李治學(xué),楊智文,孟春建,吳新朋,高帥,王永超,安福新,鄭越超,崔偉康
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華電曹妃甸重工裝備有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9