一种复合隔膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于碱性电解水制氢，具体涉及一种复合隔膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碱性水电解是绿氢制备的关键技术之一，在koh溶液中电解水，能够稳定制取高纯度氢气和氧气。其中，碱性水电解采用的装置中隔膜作为核心组件，主要承担‌物理隔离‌与‌离子传导‌双重功能，直接决定制氢的安全性、气体纯度及能耗水平。

2、但是，现有的碱性电解水隔膜无法兼顾低面电阻和高机械强度，影响制氢效果；并且在碱性水电解过程中，电极表面会持续生成氢气和氧气气泡。在小电流密度条件下，气泡可迅速脱离逸出；而在大电流密度下，气泡生成速率急剧上升，大量气泡附着并覆盖于电极与隔膜表面。

3、然而，气泡的屏蔽效应（即前述大量气泡附着并覆盖于电极与隔膜表面）不仅会阻塞离子传输通道，大幅降低隔膜的有效工作面积，而且由于气泡本身为绝缘体，在电解液中形成“气垫”层，增加离子在电极间传输的路径与阻力，导致碱性电解水制氢槽（简称电解槽）电压升高。

4、因此，开发一种具有低面电阻、高机械强度且能够解决高电流密度下电解槽电压升高问题的隔膜，是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种复合隔膜及其制备方法和应用。所述复合隔膜具有低面电阻、高机械强度、优异的循环稳定性，以及具有较大的有效工作面积（离子传输面积），气泡在其表面停留时间短，还可以解决现有技术中碱性电解水制氢槽在高电流密度下因气泡屏蔽效应导致的电压升高问题。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种复合隔膜，所述复合隔膜包括第一聚合物、无机材料和基底，所述第一聚合物、无机材料和基底的质量比为(40~75):(120~175):1；且所述复合隔膜具有相对设置的第一表面和第二表面；所述第一表面的粗糙度ra为0.5~15μm。

4、本发明中，通过控制所述复合隔膜中第一聚合物、无机材料和基底的质量比在特定范围内，能够使得所述复合隔膜兼顾低面电阻、高机械强度和优异的循环稳定性；同时，所述复合隔膜采用特定的结构设计，即控制第一表面的粗糙度在特定范围内，应用时，第一表面靠近阳极，有助于气泡迅速脱离，第二表面靠近阴极，保证电解液的浸润性，进一步降低界面电阻，避免了在高电流密度下因气泡屏蔽效应导致的电解槽电压升高问题，提高了复合隔膜的有效工作面积，同时也能够改善复合隔膜的循环稳定性。

5、第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的复合隔膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

6、（1）提供基底，并将所述基底平铺固定在聚二甲基硅氧烷模板的一侧；

7、（2）制备涂覆浆料，并将所述涂覆浆料涂覆至基底远离聚二甲基硅氧烷模板的一个表面，然后依次经预蒸发、相转化、剥离聚二甲基硅氧烷模板，得到所述复合隔膜。

8、第三方面，本发明提供一种碱性电解水装置，所述碱性电解水装置包括以下至少一者：

9、（1）第一方面所述的复合隔膜；

10、（2）第二方面所述的制备方法制得的复合隔膜。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

12、本发明提供的复合隔膜，通过控制所述复合隔膜中第一聚合物、无机材料和基底的质量比在特定范围内，能够使得所述复合隔膜兼顾低面电阻、高机械强度和优异的循环稳定性；同时，所述复合隔膜采用特定的结构设计，即控制第一表面的粗糙度在特定范围内，应用时，第一表面靠近阳极，第二表面靠近阴极，提高了复合隔膜有效工作面积，气泡在其表面停留时间短，解决了现有技术中碱性电解水制氢槽在高电流密度下因气泡屏蔽效应导致的电压升高问题，同时也有利于降低面电阻，提高复合隔膜的循环稳定性。

1.一种复合隔膜，其特征在于，所述复合隔膜包括第一聚合物、无机材料和基底，所述第一聚合物、无机材料和基底的质量比为(40~75):(120~175):1；且所述复合隔膜具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面的粗糙度ra为0.5~15μm。

2.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述第一表面的粗糙度ra为3~8μm；

3.根据权利要求1或2所述的复合隔膜，其特征在于，所述第一表面满足以下至少一者：

4.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述基底为磺化基底，所述磺化基底的磺化度为5~15%。

5.根据权利要求1~4任一项所述的复合隔膜，其特征在于，所述基底的密度为1.3~1.36g/cm3；

6.根据权利要求1~5任一项所述的复合隔膜，其特征在于，所述第一聚合物包括聚砜、聚醚砜、聚亚苯基砜、聚醚醚酮中的至少一种；

7.一种根据权利要求1~6任一项所述的复合隔膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述涂覆浆料包括5~15%第一聚合物、20~40%无机材料、0.5~2%第二聚合物和45~70%有机溶剂；

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）还包括将基底进行磺化处理的步骤；

10.一种碱性电解水装置，其特征在于，所述碱性电解水装置包括以下至少一者：