碱性电解水复合隔膜、制备方法及装置与流程

本发明是关于电化学电解制氢技术，特别是关于一种碱性电解水复合隔膜、制备方法及装置。

背景技术：

1、隔膜在碱性电解槽中起到了离子导通以及隔绝阴极和阳极分别产生的氢气和氧气的重要作用。在碱性电解水过程中，不可避免的会存在由于电流分布不均匀等问题导致局部热点的现象，无论是传统的pps隔膜还是当前方兴未艾的复合隔膜，由于构建隔膜材料本身的局限性，因此在导热方面的表现均不如意。而局部热点带来的风险性在20wt％～30wt％的氢氧化钾溶液和70～80℃的操作温度下将会被进一步的放大。因此制备导热性能良好的隔膜来缓解可能存在的局部热点的影响，使得隔膜在工况温度下具有更好的性能对于碱性电解槽而言尤为重要。

2、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碱性电解水复合隔膜、制备方法及装置，本发明通过优化隔膜的结构和组成，有效改善了产品的导热性能，在保证隔膜的导离子性能的同时，实现了高质量的热量均匀传递，有效避免了电解过程中热集聚的问题。

2、为实现上述目的，本发明的实施例提供了碱性电解水复合隔膜，包括多孔支撑层，多孔导热亲水层，形成于多孔支撑层，其原料包括，以质量分数计：高分子聚合物，占多孔导热亲水层的含量为10-35％(优选为18-32％)；无机亲水颗粒和/或亲水导热颗粒，无机亲水颗粒和亲水导热颗粒的总量占多孔导热亲水层的含量为65-90％(优选为68％-82％)；导热性颗粒，余量。

3、本发明的复合隔膜的厚度为100-1000μm，优选为300-700μm。复合隔膜的孔隙为30-90％，优选为45-75％。复合隔膜的导热率不小于0.3w/mk，优选为大于0.4w/mk。

4、在本发明的一个或多个实施方式中，多孔支撑层为层状多孔结构。优选为多孔织物。多孔结构的原料选自聚丙烯(pp)、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和间芳族聚酰胺(m-aramide)、聚乙烯(pe)、聚砜(ps)、聚苯硫醚(pps)、聚酰胺/尼龙(pa)、聚醚砜(pes)、聚苯砜(pps)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚醚醚酮(peek)、磺化聚醚醚酮(s-peek)、聚三氟氯乙烯(pctfe)、乙烯与四氟乙烯(etfe)的共聚物、乙烯与三氟氯乙烯(ectfe)的共聚物。优选的，多孔支撑层由聚苯硫醚(pps)制备。多孔支撑层的孔隙率优选为20％-80％；更优选为40％-70％。

5、在本发明的一个或多个实施方式中，高分子聚合物选自选自聚砜、聚醚砜、聚苯砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯及其一种或者几种的共混物。优选为聚砜、聚醚砜和聚苯砜。聚合物的重均分子量(mw)优选介于10000-500000之间，更优选介于25000-250000之间。

6、在本发明的一个或多个实施方式中，无机亲水颗粒选自硫酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、水滑石。水滑石优选为mgal-ldh。优选的，无机亲水颗粒的尺寸为1nm-1μm。进一步优选为，无机亲水颗粒尺寸大小在5nm-500nm之间。进一步优选为，无机亲水颗粒尺寸大小在5nm-200nm之间。

7、在本发明的一个或多个实施方式中，亲水导颗粒选自硫酸钡、氧化锆、二氧化钛、氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化镍。亲水导热颗粒的尺寸为1nm-1μm。进一步优选为，亲水导热颗粒尺寸大小在5nm-500nm之间。进一步优选为，亲水导热颗粒尺寸大小在5nm-200nm之间。优选的，亲水颗粒占亲水颗粒与亲水导热颗粒总质量的比例为0-100％。进一步优选：亲水颗粒占亲水颗粒与亲水导热颗粒总质量的比例为0-50％。

8、在本发明的一个或多个实施方式中，导热性颗粒选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氮化硼、二硼化钛、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化镁、碳化硼。优选的，导热性颗粒的尺寸为1nm-1μm。进一步优选为，导热性颗粒尺寸大小在5nm-500nm之间。进一步优选为，导热性颗粒尺寸大小在5nm-200nm之间。

9、在本发明的一个或多个实施方式中，当选用亲水颗粒和亲水导热颗粒时，导热性颗粒占多孔导热亲水层总质量的含量为0-25％，优选0-10％，优选为0-5％。

10、在本发明的一个或多个实施方式中，碱性电解水复合隔膜的制备方法，包括如下步骤：将所多孔导热亲水层的原料与有机溶剂混合形成浆料，其中有机溶剂含量为浆料总质量的30-70％，所述浆料经脱泡后即为铸膜液；在预备的多孔支撑层至少一侧，以所述铸膜液形成铸膜液层，经固化即可。优选的，有机溶剂选自dmf、dmac、dmso、nmp、nbp、nep、dnmp(1,5-二甲基-2-吡咯烷酮)。优选的，固化为形成铸膜液层后快速浸入凝固浴，进行相转化。优选的，凝固浴可以是水或者水的混合液，水的混合液为dmf、dmac、dmso、nmp、nbp、nep、dnmp中的至少一种和水形成的混合溶液。

11、优选的，将高分子聚合物、无机亲水颗粒、导热性颗粒以及有机溶剂混合搅拌均匀。真空脱除气泡，得到的铸膜液。先使用迈耶棒或刮刀涂膜器将铸膜液均匀的涂敷玻璃基底上，再附至少一层多孔支撑层，最后再涂布一层铸膜液，使多孔层处于浆料的中间。将其快速的浸入凝固浴中，进行相转化。后从凝固浴中取出后浸泡入水中以完全除去残留的溶剂。

12、在本发明的一个或多个实施方式中，多孔支撑层的厚度范围满足：50-400μm。优选地，多孔支撑层的厚度为100-300μm。

13、在本发明的一个或多个实施方式中，装置，包括机体以及设置到机体上的如前述的碱性电解水复合隔膜。

14、与现有技术相比，根据本发明实施方式的碱性电解水复合隔膜及装置，通过优化复合隔膜的结构和组成，以厚度与材质优化选择的多孔支撑层进行作为骨架结果，以选择性地分布有无机亲水颗粒、亲水导热颗粒、导热性颗粒的多孔导热亲水层来实现对隔膜导热性能和导电性能的优化。其中，无机亲水颗粒选择的是具有亲水性能的无机颗粒，利用其亲水性能在隔膜中起到加速水的透过性，促进了离子导率的提升；亲水导热颗粒在兼顾亲水性能的同时能够部分提升隔膜的导热能力；导热颗粒的引入有效的提升了隔膜的导热性能。

技术特征：

1.一种碱性电解水复合隔膜，其组成包括

2.如权利要求1所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于导热率不小于0.3w/mk。

3.如权利要求1所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述高分子聚合物选自选自聚砜、聚醚砜、聚苯砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯及其一种或者几种的共混物，所述高分子聚合物的重均分子量为25000-250000。

4.如权利要求1所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述无机亲水颗粒选自硫酸钙、氢氧化钙、水滑石、碳酸镁。

5.如权利要求4所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述无机亲水颗粒的尺寸为5nm-500nm。

6.如权利要求1所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述亲水导热颗粒选自硫酸钡、氧化锆、二氧化钛、氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化镍。

7.如权利要求6所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述亲水导热颗粒的尺寸为5nm-500nm。

8.如权利要求1所述的碱性电解水复合隔膜，其特征在于，所述导热性颗粒选自石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、氮化硼、二硼化钛、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化镁、碳化硼。

9.如权利要求1-8任一所述的碱性电解水复合隔膜的制备方法，包括如下步骤：

10.装置，包括机体以及设置到机体上的如权利要求1-8任一所述的碱性电解水复合隔膜。

技术总结
本发明公开了碱性电解水复合隔膜、制备方法及装置，其中碱性电解水复合隔膜包括多孔支撑层，多孔导热亲水层，形成于多孔支撑层，其原料包括，以质量分数计：高分子聚合物，占多孔导热亲水层的含量为10‑35％；无机亲水颗粒和/或亲水导热颗粒，无机亲水颗粒和亲水导热颗粒的总量占多孔导热亲水层的含量为65‑90％；导热性颗粒，余量。本发明通过优化隔膜的结构和组成，在保证隔膜原有的导离子性能的同时，有效改善了产品的导热性能，实现了高质量的热量均匀传递。

技术研发人员：陈安琪
受保护的技术使用者：固碳新能源科技（苏州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15