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(polyphenylene sulfide，聚苯硫醚)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，所述隔膜的制备方法包括以下步骤：

3、将非溶剂添加剂溶解于有机溶剂得到混合溶液，将聚合物溶解于所述混合溶液得到聚合物溶液；

4、将无机填料与有机溶剂混合得到预混合液；

5、将所述聚合物溶液与所述预混合液混合，得到铸膜液；

6、将所述铸膜液在玻璃基材上进行刮膜得到液态膜；

7、将所述液态膜预蒸发后浸没在含有非溶剂的凝胶槽中，得到固态膜；

8、将所述固态膜清洗、干燥得到隔膜。

9、在本公开的一些实施例中，所述非溶剂添加剂为水，基于所述混合溶液中有机溶剂的总重量，所述非溶剂添加剂的质量百分比为0.1％～10wt％，优选为0.2％～5wt％。

10、在本公开的一些实施例中，所述有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、2-吡咯烷酮中的一种或任意几种。

11、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5％～20wt％。

12、在本公开的一些实施例中，所述无机填料为优选二氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、硫酸钡中的一种或任意几种，基于所述预混合液的总重量，所述无机填料的质量百分比为20％～98wt％，所述无机填料的粒径范围为20～200nm，优选为30～100nm。

13、在本公开的一些实施例中，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％。

14、在本公开的一些实施例中，所述凝胶槽内的非溶剂的温度为10～60℃，所述非溶剂为水。

15、在本公开的一些实施例中，所述预蒸发的温度范围为25～80℃，所述预蒸发时间范围为5～120s，优选为5～60s。

16、在本公开的一些实施例中，所述聚合物溶解于所述混合溶液的溶解温度为25～90℃，优选为50～80℃，所述聚合物溶液与所述预混合液的混合温度为25～90℃，优选为50～80℃。

17、本公开的第二方面提供了一种隔膜，所述隔膜根据上述任一实施例所述隔膜的制备方法制得。

18、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。

19、本公开的实施例的隔膜的制备方法、隔膜及碱性电解装置，首先将非溶剂添加剂、有机溶剂和聚合物溶解得到聚合物溶液，然后再将无机填料与有机溶液混合得到预混合溶液，即将无机填料引入到聚合物溶液中形成铸膜液，最后采用溶液浸没相转化法制备得到隔膜。本实施例的隔膜的制备方法，通过在铸膜液中引入具有非溶剂特征的水作为非溶剂添加剂，减缓了相转化动力学速率，诱导发生延时相分离，有效抑制了大孔熟化，进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大孔，隔膜内的双连续孔的分布较为均匀且孔径较小，孔径范围为20～300nm，较小的孔径可以提高隔膜的阻气性，减少隔膜两侧的气体的流通，进而提高电解槽的安全性；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提高隔膜的亲水性；隔膜的孔隙率较高，孔隙率大于70％，较高的孔隙率和较高的亲水性有效降低了隔膜的电阻。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所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述非溶剂添加剂为水，基于所述混合溶液中有机溶剂的总重量，所述非溶剂添加剂的质量百分比为0.1％～10wt％，优选为0.2％～5wt％。

3.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、2-吡咯烷酮中的一种或任意几种。

4.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，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5％～20wt％。

5.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机填料为优选二氧化锆、二氧化铈、二氧化钛、硫酸钡中的一种或任意几种，基于所述预混合液的总重量，所述无机填料的质量百分比为20％～98wt％，所述无机填料的粒径范围为20～200nm，优选为30～100nm。

6.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，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％。

7.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述凝胶槽内的非溶剂的温度为10～60℃，所述非溶剂为水。

8.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述预蒸发的温度范围为25～80℃，所述预蒸发时间范围为5～120s，优选为5～60s。

9.根据权利要求1所述的隔膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物溶解于所述混合溶液的溶解温度为25～90℃，优选为50～80℃，所述聚合物溶液与所述预混合液的混合温度为25～90℃，优选为50～80℃。

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

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：将非溶剂添加剂溶解于有机溶剂得到混合溶液，将聚合物溶解于所述混合溶液得到聚合物溶液；将无机填料与有机溶剂混合得到预混合液；将所述聚合物溶液与所述预混合液混合，得到铸膜液；将所述铸膜液在玻璃基材上进行刮膜得到液态膜；将所述液态膜预蒸发后浸没在含有非溶剂的凝胶槽中，得到固态膜；将所述固态膜清洗、干燥得到隔膜。本公开的的隔膜的制备方法制得的隔膜的孔径小于PPS隔膜的孔径，可以提高隔膜的阻气能力。同时，在聚合物溶液中进入具有强亲水性的无机填料可以提高隔膜的亲水性，同时促进电解液在阴阳两极中的传导，以减小隔膜的电阻。技术研发人员：刘丽萍,王金意,任志博,闫旭鹏,郭伟琦,王伟,王凡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：2024/5/16