隔膜的制备方法、隔膜及碱性电解装置与流程

本公开的实施例属于电解槽，具体涉及一种隔膜的制备方法、隔膜及碱性电解装置。

背景技术：

1、氢能具有来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富等优点，被认为是支撑能源转型变革、构建现代能源体系、实现碳达峰碳中和的重要载体。电解水制氢技术相对于其他氢气制取技术具有绿色低碳、生产工艺较为简单灵活的优势，受到了全球范围内越来越多的重视。现有的电解水制氢技术包括碱性电解水制氢、质子膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢等。其中碱性电解水制氢技术较为成熟，成本较低，是目前唯一能够实现低成本、规模化发展的电解水制氢技术，在国内市场上占据主导地位。

2、虽然碱性电解水制氢技术在20世纪前后已开始实现工业化应用，但制氢性能方面仍存在较大进步空间。特别是碱性电解槽内用于分隔阴极氢气和阳极氧气的隔膜，其性能对氢气产品纯度和制氢能耗具有重要影响。早期碱性电解水制氢隔膜使用的主要为石棉隔膜，但是石棉在碱性电解液中的溶胀性与石棉对人体的伤害使得其逐渐被淘汰。近年来我国开始大量使用pps织物替代石棉隔膜，由于具有耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的特点，pps织物占据了国内碱性隔膜90％以上的市场份额。

3、但是在实际应用中发现，pps隔膜的亲水性差，会造成电解槽内阻过大，制氢能耗居高不下，导致制氢成本难以降低；pps隔膜的编织结构阻气性能差会导致氢气纯度降低，造成安全隐患。

4、碱性电解水制氢在大规模应用情况下，经济性和安全是最重要的考量因素，因此行业亟需开发兼具高亲水性和高阻气性的新型隔膜材料，支撑碱性电解水制氢技术和装备的升级换代。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种隔膜的制备方法、隔膜及碱性电解装置。

2、本公开的第一方面提出了一种隔膜的制备方法，包括以下步骤：

3、将聚合物添加至弱溶剂，获得聚合物溶液；

4、将无机填料添加至所述聚合物溶液，获取铸膜液；

5、将所述铸膜液在支撑基材表面涂覆得到液态膜；

6、将液态膜预蒸发处理后浸入凝固浴液中，得到固态膜；

7、将所述固态膜清洗、干燥，得到隔膜。

8、在本公开的一些实施例中，所述聚合物为聚砜类聚合物、含氟聚合物中的一种或任意几种，优选地，所述聚合物为聚砜类聚合物中的一种或任意几种，基于所述铸膜液的总重量，所述聚合物的质量百分比为6％～25wt％。

9、在本公开的一些实施例中，所述弱溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、2-吡咯烷酮的一种或两种。

10、在本公开的一些实施例中，所述无机填料与所述聚合物溶液采用高速搅拌方式进行混合，所述搅拌速率大于500r/min，搅拌时间范围为1～3天，所述搅拌温度范围为20～120℃，优选为50～100℃。

11、在本公开的一些实施例中，所述无机填料为二氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、硫酸钡中的一种或几种，所述无机填料在所述隔膜中的固含量范围为60％～90％，优选为75％～85％。

12、在本公开的一些实施例中，所述无机填料的粒径范围为20～200nm，优选为50～150nm，

13、在本公开的一些实施例中，所述铸膜液涂覆在所述支撑基材的单侧或双侧，所述铸膜液在所述支撑基材的单侧涂覆厚度为50μm～200μm。

14、在本公开的一些实施例中，所述预蒸发温度范围为25～90℃，优选为25～60％，所述预蒸发时间范围为0～20min，优选为0～10min。

15、在本公开的一些实施例中，所述凝固浴液为水或者水与弱溶剂的混合物，所述凝固浴液的温度范围10～60℃。

16、本公开第二方面提出了一种隔膜，所述隔膜根据权利要求1至9中任一项所述的隔膜制备方法制得，所述隔膜上形成有多个阻气孔，每一所述阻气孔至少与其余所述阻气孔中的一个连通，所述阻气孔的孔径范围为20～150nm，所述阻气孔的孔隙率大于60％。

17、本公开第三方面提出了一种碱性电解装置，所述碱性电解装置包括根据上述任一实施例所述的隔膜。

18、本公开的实施例的隔膜、隔膜的制备方法及具有隔膜的碱性电解装置，首先将聚合物添加至弱溶剂中混合得到铸膜液，然后将无机填料添加至聚合物中，混合得到铸膜液，再将铸膜液在支撑基材表面涂覆得到液态膜，将液态膜预蒸发处理后浸入凝固浴液中使液态膜凝固得到固态膜，再将固态膜经过清洗干燥等步骤得到隔膜。通过在铸膜液中引入对聚合物溶解力较弱的“弱溶剂”，使铸膜液体系粘度增大，铸膜液内扩散速率降低，诱发延时相分离，从而形成具有双连续孔结构的复合隔膜。该隔膜内无指状大孔和水滴状大孔，隔膜内的双连续孔分布均匀且孔径较小，孔径范围20～200nm，该范围的孔径赋予了隔膜较高的阻气性，减少隔膜两侧的气体流通，进而提高电解槽系统的安全性；隔膜具有较高的无机填料分散度，无机填料具有强亲水性，高分散度的无机填料可以进一步提升隔膜亲水性；隔膜的孔隙率较高，孔隙率大于60％，较高的孔隙率和较高的亲水性使得隔膜的面电阻大大降低。另外，本实施例的隔膜制备方法，操作简单，易于工业化生产。

技术特征：

1.一种隔膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚砜类聚合物、含氟聚合物中的一种或任意几种，优选地，所述聚合物为聚砜类聚合物中的一种或任意几种，基于所述铸膜液的总重量，所述聚合物的质量百分比为6％～25wt％。

3.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述弱溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、2-吡咯烷酮的一种或两种。

4.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机填料与所述聚合物溶液采用高速搅拌方式进行混合，所述搅拌速率大于500r/min，搅拌时间范围为1～3天，所述搅拌温度范围为20～120℃，优选为50～100℃。

5.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机填料为二氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、硫酸钡中的一种或几种，所述无机填料在所述隔膜中的固含量范围为60％～90％，优选为75％～85％。

6.根据权利要求5所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机填料的粒径范围为20～200nm，优选为50～150nm。

7.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述铸膜液涂覆在所述支撑基材的单侧或双侧，所述铸膜液在所述支撑基材的单侧涂覆厚度为50μm～200μm。

8.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述预蒸发温度范围为25～90℃，优选为25～60％，所述预蒸发时间范围为0～20min，优选为0～10min。

9.根据权利要求1所述隔膜的制备方法，其特征在于，所述凝固浴液为水或者水与弱溶剂的混合物，所述凝固浴液的温度范围10～60℃。

10.一种隔膜，其特征在于，所述隔膜根据权利要求1至9中任一项所述的隔膜制备方法制得。

11.一种碱性电解装置，其特征在于，所述碱性电解装置包括根据权利要求10所述的隔膜。

技术总结本公开提供一种隔膜的制备方法、隔膜及碱性电解装置，制备方法包括以下步骤：将聚合物添加至弱溶剂，获得聚合物溶液；将无机填料添加至聚合物溶液，获取铸膜液；将铸膜液在支撑基材表面涂覆得到液态膜；将液态膜预蒸发处理后浸入凝固浴液中，得到固态膜；将固态膜清洗、干燥，得到高性能复合隔膜。本公开的实施例的制得的高性能复合隔膜，该隔膜内部孔径较小且分布较窄，孔结构具有高度连通性。较小孔径的存在提高了隔膜的阻气性，减少隔膜两侧的气体发生混合，进而提高电解槽系统的安全性；该隔膜的高分散度的无机填料有效改善了隔膜的亲水性；高度连通性的孔结构赋予了隔膜较高的孔隙率，较高孔隙率和强亲水性使得隔膜具有较低的面电阻。技术研发人员：刘丽萍,王菊,杨冠军,任志博,王金意受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12