CN114561654A - 一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，该隔膜包括涂层浆料以及用于浆料涂布的支撑网，其中涂层浆料由10～20％的聚醚砜树脂、20～40％的氧化锆粉末、5～15％的硫酸钡粉末、1～5％的离子导电树脂、0.1～5％的氯化锂、30～60％的有机溶剂、1～5％的增韧剂组成，上述各组分质量百分数之和为100％。所述支撑网为高分子网布的支撑网，所述高分子网布的支撑网可以选用聚苯硫醚编织网、聚丙烯编织网、尼龙编织网中的一种。本发明涂层式碱性电解水制氢气隔膜，表面不存在大孔，能完好地阻隔电解槽正负极产生的气体，配方可调性范围大，可根据需要调整涂层比例有效解决电流效率，大幅度提升电解槽性能，涂层采用多种惰性材料使用寿命有保障。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢气技术领域，尤其是涉及一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜。
背景技术
目前市场上所消费的氢气大部分都是以分解水来制取，主要有电解水(纯水、碱液、海水)、高温水蒸气分解等，其中又以隔膜法碱水电解制氢应用最为广泛。隔膜在电解槽中占有很重要的位置，它置于阳极和阴极之间，阻止阳极气体和阴极气体的混合，以保证气体纯度。
目前我国主要以石棉布和磺化聚苯硫醚编织布做碱性电解水制氢气隔膜，其中石棉布致癌现已被禁止使用，且石棉布和磺化聚苯硫醚这两种隔膜都是编织布形态，编织布上分布很多大孔，其孔径大于7个微米，故阻隔电解槽正负极产生的气体的效果不佳。磺化聚苯硫醚编织布作为隔膜使用时若想提升电流效率还必须进行磺化工艺处理，但是磺化只能在一定条件下进行，不磺化电阻大，磺化太过则会脆化缩短隔膜寿命。市场反应在用磺化聚苯硫醚编织布做碱性电解水制氢气隔膜在使用过程中还存在外漏电解液的现象，因此大大限制了电解槽的性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，涂层式成膜表面不存在大孔能完好地阻隔电解槽正负极产生的气体，涂层式成膜配方可调性范围大，可根据需要调整涂层比例有效解决电流效率，大幅度提升电解槽性能，涂层采用多种惰性材料使用寿命有保障。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，包括涂层浆料以及用于浆料涂布的支撑网，所述涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
上述各组分质量百分数之和为100％。
本发明中所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜的涂层浆料，优选以下重量百分比的组分：
本发明中，所述支撑网为高分子网布的支撑网，所述高分子网布的支撑网可以选用聚苯硫醚编织网、聚丙烯编织网、尼龙编织网中的一种。
本发明中，所述支撑网的孔径为30～60目。
本发明中，所述离子导电树脂为磺化聚醚砜树脂，阳离子交换树脂、阴离子交换树脂中的任意一种，进一步地优选磺化聚醚砜树脂；所述离子导电树脂的粒径小于50nm。
本发明中，所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基甲酰(DMF)、二氧六环其中的一种或任意几种，进一步地优选二甲基乙酰胺(DMAC)。
本发明中，所述的增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯，改性聚丁二烯橡胶，氯化聚丙烯中的任意一种，进一步地优选邻苯二甲酸二辛酯。
本发明中，所述氧化锆粉末的粒径为20～50nm；所述硫酸钡粉末的粒径为20～50nm。
本发明中，所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜的制备方法，包括以下步骤：
第一步：在真空加热搅拌机中加入有机溶剂，氯化锂，常温常压下，以1500～3000r/min的速度搅拌至完全溶解；
第二步：加入聚醚砜树脂，离子导电树脂，增韧剂，80～100℃常压下，转速3000～5000r/min搅拌至完全混合溶解，所述最优搅拌时间为1h；
第三步：加入氧化锆粉末，硫酸钡粉末，保持温度80～100℃，4500～5500r/min搅拌至混合完成后抽真空冷却至常温，所述最优搅拌时间为2h；
第四步：配置好的浆料倒入涂布机料槽，均匀涂布在高分子网布上，再通过水槽制得厚度0.45～0.50mm的涂层式碱性电解水制氢气隔膜。
本发明中，氯化锂及离子导电树脂的加入有利于电流效率的提升和加工性能的流畅度，纳米氧化锆和纳米硫酸钡的加入有利于提升亲水性及缩小隔膜表面微孔直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明配比和工艺制造出的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，能完好的阻止电解槽阴阳极产生的气体；涂层式碱性电解水制氢气隔膜使用过程中可以根据使用需求对配方进行调整而达到不同的电流效率；涂层式碱性电解水制氢气隔膜中的骨架中聚醚砜树脂(PES)、氧化锆粉末、硫酸钡粉末为惰性材料，其性能更稳定；涂层式碱性电解水制氢气隔膜更加紧实不存在外漏电解液的情况，适合大批量生产，且成本比目前市场上使用的隔膜布的成本更低。
附图说明
图1为一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜的成膜示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
实施例1
本实施例1的一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，包括涂层浆料以及用于浆料涂布的支撑网，其中涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
支撑网采用50目尼龙编织网。
所述涂层式碱性电解水制氢气隔膜的制备方法包括以下步骤：
第一步：在真空加热搅拌机中加入二甲基乙酰胺(DMAC)，氯化锂，常温常压下，以1500～3000r/min的速度搅拌至完全溶解；
第二步：加入聚醚砜树脂(PES)，磺化聚醚砜树脂，邻苯二甲酸二辛酯，80～100℃、常压下，转速3000～5000r/min搅拌1h，至完全混合溶解；
第三步：加入氧化锆粉末，硫酸钡粉末，保持温度80～100℃，4500～5500r/min搅拌2h至混合完成后抽真空冷却至常温；
第四步：如图1所示，将配置好的浆料倒入涂布机料槽，均匀涂布在支撑网上通过三个水槽制得厚度0.45～0.50mm的涂层式碱性电解水制氢气隔膜。
实施例2
本实施例2的一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，包括涂层浆料以及用于浆料涂布的支撑网，其中涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
支撑网采用50目聚丙烯编织网。
本实施例2的制备步骤，除第一步加入的有机溶剂为N-甲基比咯烷酮，第二步加入的离子导电树脂为50目阴离子交换树脂，第四步使用的支撑网为50目聚丙烯编织网以外，其余制备步骤均与实施例1相同。
实施例3
本实施例3的一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，包括涂层浆料以及用于涂层浆料涂布的支撑网，其中涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
支撑网采用50目聚苯硫醚编织网。
本实施例3的制备步骤，除了第一步加入的有机溶剂为二甲基甲酰(DMF)，第二步加入的离子导电树脂为50目阳离子交换树脂，第四步使用的支撑网为50目聚苯硫醚编织网以外，其余制备步骤均与实施例1相同。
性能测试
1)孔径测试
将实施例1～3制备的涂层式碱性电解水制氢气隔膜与市购的3种磺化聚苯硫醚编织布(分别用对比例1、2、3表示)进行孔径数据测试，其测试条件和测试结果如表1所示：
表1实施例与对比例的孔径测试数据
根据表1数据可知，实施例1～3的涂层式碱性电解水制氢气隔膜相比于对比例1～3的磺化聚苯硫醚编织布，孔体积占比、中位孔径、平均孔径都更小，表观密度更大，表面孔隙率更小，因此更能有效阻隔电解槽正负极产生的气体。
2)电流效率测试
将实施例1制备的涂层式碱性电解水制氢气隔膜与对比例1的磺化聚苯硫醚编织布在30％氢氧化钾电解液，装入直径为380mm的电解槽中进行电流效率数据测试，改变测试条件，不同温度条件下测试出的隔膜的电压数据如表2所示。
表2电流效率数据测试结果：
| 测试条件 | 实施例1 | 磺化聚苯硫醚编织布 |
| 30℃/170A | 1.95V | 2.15V |
| 40℃/300A | 1.91V | 2.10V |
| 50℃/350A | 1.88V | 2.07V |
| 60℃/400A | 1.86V | 2.08V |
| 70℃/450A | 1.88V | 2.08V |
根据表2中数据可知，实施例1制备的涂层式碱性电解水制氢气隔膜相比于对比例1的磺化聚苯硫醚编织布，在不同温度和电流的测试条件下，其电压更小，其电流效率更高，而且本实施例制得的隔膜其厚度比市购的磺化聚苯硫醚编织布薄50％，厚度的减少也有利于电流效率的提升。
Claims (10)
1.一种涂层式碱性电解水制氢气隔膜，包括涂层浆料以及用于浆料涂布的支撑网，其特征在于，所述涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
上述各组分质量百分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于所述涂层浆料包含以下重量百分比的组分：
3.根据权利要求1或2所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述支撑网为高分子网布的支撑网。
4.根据权利要求3所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述高分子网布的支撑网可以选用聚苯硫醚编织网、聚丙烯编织网、尼龙编织网中的一种。
5.根据权利要求4所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述支撑网的孔径为30～60目。
6.根据权利要求1或2所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述离子导电树脂为磺化聚醚砜树脂，阳离子交换树脂、阴离子交换树脂中的任意一种；所述离子导电树脂的粒径小于50nm。
7.根据权利要求6所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述离子导电树脂为磺化聚醚砜树脂。
8.根据权利要求1或2所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰、二氧六环其中的一种或任意几种。
9.根据权利要求1或2所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜，其特征在于：所述的增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯，改性聚丁二烯橡胶，氯化聚丙烯中的任意一种。
10.一种权利要求1至9中任一项所述的涂层式碱性电解水制氢气隔膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：在真空加热搅拌机中加入有机溶剂，氯化锂，常温常压下，以1500～3000r/min的速度搅拌至完全溶解；
第二步：加入聚醚砜树脂，离子导电树脂，增韧剂，80～100℃常压下，转速3000～5000r/min搅拌至完全混合溶解；
第三步：加入氧化锆粉末，硫酸钡粉末，保持温度80～100℃，4500～5500r/min搅拌至混合完成后抽真空冷却至常温；
第四步：配置好的浆料倒入涂布机料槽，均匀涂布在高分子网布上，再通过水槽制得厚度0.45～0.50mm的涂层式碱性电解水制氢气隔膜。
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