[发明专利]通过催化剂对膜的直接涂层

说明书

本发明涉及一种用于利用催化剂对膜涂层的方法、由此制成的膜、包括该膜的电解装置以及该膜的相应的应用、以及适于执行该方法的装置。

本发明涉及一种用于利用催化剂对膜涂层的方法、由此制成的膜、包括该膜的电解装置(或称为电解槽)以及该膜的相应的应用、以及适于执行该方法的装置。

背景技术

在此所述的现有技术基于发明人已知的知识，不一定表示由文献中已知的现有技术，因此以下对现有技术的说明也会包含一些内容，其不仅可以从引用的文献获知，也可能是基于发明人的改进，因此不一定表示一般的现有技术。

从可再生能源，例如风、水和太阳中转换和在更长时间段上储存能量此外在所谓的电转气设施中实现。在这些设施中，从风、太阳或水力获得的绿色电力通过水电化学分解(电解)转化为氢气。氢气是一种能源载体，其与化石燃料不同的是燃烧时不造成有害的二氧化碳排放。此外，氢气可以容易地输入到现有的天然气基础设施中。

在此，电转气设施中的氢气此外通过干式聚合物电解质膜电解(PEM电解)生产。PEM电解由在阴极的析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)和在阳极的析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)构成。

为了在阴极获得纯氢，HER和OER反应在空间上通过膜分开，通常是质子交换膜(PEM)，通常由Nafion制成。由于其特殊的化学结构，这种膜对质子(H原子)是可渗透的，对气体和电解质是不可渗透的。

由于HER和OER反应在动力学上是非常惰性的，这些反应需要有效的电催化剂。催化剂减少了水分解所需的能量，并提高了分解率。最有效的电催化剂是铂族金属(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)和它们的氧化物。

目前要么使用商用的铱催化剂，例如优美科公司的IrO₂/TiO₂(IrO₂支撑在TiO₂上)，阿法埃莎公司的Ir-black，或简单地使用阿法埃莎和Sigma Aldrich公司的IrO₂，或氧化锡锑颗粒(ATO颗粒(Antimon Tin Oxide))，其用IrO₂通过还原无机前驱物/Precursor，例如氯化铱(III)与还原剂硼氢化钠(NaBH₄)，在无水乙醇中掺入惰性气体，或六氯铱酸二氢(IV)水合物(H₂IrCl₆ x H₂O)与还原剂乙二醇，pH为11时在保护气、超声波和加热下在蒸馏水中进行。催化剂颗粒通常与2-丙醇、蒸馏水和大约15-20％的Nafion离子聚合物溶液(作为粘合剂和用于电荷传输到电收集器)处理成墨水。然后，墨水或者直接通过喷涂或刮抹方法施加到聚合物膜上，或间接通过使用转移膜的贴花方法施加到聚合物膜上。

铂族元素在地壳中非常罕见，因此对于能源转换过程中的不断提高的可扩展性来说非常昂贵。因此有利的是，通过特殊的涂层方法将电催化剂点状以非常小的层厚度，例如几纳米，直接施加到膜上。通过特殊的涂层方法应将铂族元素的用量最小化并改善其催化反应性。

发明内容

本发明人发现，通过直接对膜、例如质子交换膜或聚合物交换膜涂层，可以减少膜上的催化剂量，其中，催化剂可以是金属化合物，方式是通过使用前驱物从气相中沉积催化剂并且接着通过应用等离子体形成层。催化剂量的减少在此不通过活性面增大实现，而是通过沉积方法的方式实现。与使用喷墨技术或贴花方法的传统施加方法相比，通过这种技术可以在活性面相同的情况下节省高达99.3重量百分比的催化剂量。

本发明的第一方面涉及一种通过催化剂对膜涂层的方法，包括：

a)在反应器室中提供膜；