[發(fā)明專利]用于制作膜-電極組合件的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410107869.6
• 申請日: 2014-03-21
• 公開（公告）號: CN104064780A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 雷米·文森特;埃里克·梅耶斯;丹尼斯·特朗布萊
• 申請（專利權(quán)）人: 原子能和替代能源委員會
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 北京柏杉松知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11413
• 代理人: 王慶艷;劉繼富

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通過電解制備氣體，特別是用于使用質(zhì)子交換膜實施水的低溫電解來制備氫氣的裝置。

背景技術(shù)

預(yù)期燃料電池作為未來大規(guī)模生產(chǎn)的機動車輛的電源系統(tǒng)，并用于大量的應(yīng)用。燃料電池為將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。氫氣用作燃料電池的燃料。氫氣在電池的一個電極上被氧化，空氣中的氧氣在電池的另一個電極上被還原。該化學(xué)反應(yīng)生成水。燃料電池的一大優(yōu)點在于在發(fā)電的地方避免大氣污染化合物的排放。

開發(fā)這類燃料電池的主要困難之一在于氫氣的合成和獲取。在陸地上，氫僅與氧(以水的形式)、與硫(硫化氫)、與氮(氨)或與碳(天然氣或油類的化石燃料)結(jié)合大量存在。因此，氫氣的制備需要消耗化石燃料，或者利用大量的低成本能源通過熱手段或電化學(xué)手段由水的分解獲得氫氣。

最普遍使用的由水制備氫氣的方法從而在于利用電解原理。為了實施這類方法，利用質(zhì)子交換膜(PEM)制作的電解槽是已知的。在這類電解槽中，陽極和陰極固定在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，并且與水接觸地放置。在陽極和陰極之間施加電勢差。因此，通過水的氧化在陽極處生成氧。在陽極處的氧化還生成H⁺離子，其穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子通過電源返回到陰極。在陰極處，還原H⁺離子以生成氫氣。

H⁺/H₂對的標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的電勢(在100kPa和298.15K)等于0V。O₂/H₂O對的標(biāo)準(zhǔn)電勢SHE等于1.23V SHE。在本說明書中，電勢相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電勢表達(dá)，并表示為“V SHE”。因此，陽極材料必須耐受高電勢(一般>1.5V SHE)。貴材料通常用于此，例如陰極上的鉑或陽極上的銥。

電解槽的性能水平表現(xiàn)出在一定程度上與用于制作膜-電極組合件的方法有關(guān)的限制。

在已知的制作方法中，基于直接在膜上沉積并干燥電催化墨的第一類方法和基于在面對電極放置的電流分配器的材料上沉積并干燥墨的方法之間有區(qū)別。

通過在膜的兩個相反面上沉積兩個電催化層來制作膜/電極組合件(AME)可以根據(jù)大量不同的變化方案來實施。

根據(jù)第一變化方案，陽極墨和陰極墨獨立地沉積在外部支撐體上。然后，這些沉積物在熱壓期間轉(zhuǎn)移到膜。該變化方案提供能夠控制催化劑在電極中的載量的優(yōu)點。在另一方面，轉(zhuǎn)移有時是困難的，特別是在兩種沉積物同時轉(zhuǎn)移時更是如此。兩種沉積物的同時轉(zhuǎn)移避免進行兩次熱壓，熱壓會造成熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，從而可能使膜在其未來使用中變脆。然而，該變化方案確實存在相當(dāng)高水平的不可逆廢物。實際上，即使兩種轉(zhuǎn)移物中只有一種損壞，這也會造成兩個電極和膜報廢。

根據(jù)第二變化方案，例如在專利申請WO2012/044273A1(UTC POWER CORPORATION)中所描述的，電催化墨直接沉積在質(zhì)子交換膜上。該沉積最初使膜膨脹，然后在干燥時以相當(dāng)明顯的幅度收縮，這是因為膜幾乎沒有支撐。這些變形在沉積物中產(chǎn)生會引起電極中發(fā)絲裂縫的機械應(yīng)力。這類發(fā)絲裂縫的直接后果是降低電極的電子滲流，并由此降低其導(dǎo)電性。此外，發(fā)絲裂縫會影響電極/膜親合性。

在操作中，膜完全浸入到水中。該浸入使其膨脹率最大，這加重在電極-膜界面處存在的機械應(yīng)力。該AME的變性降低電解槽的能量效率及其使用壽命。

與該變化方案有關(guān)的另一問題源于由電催化墨中存在的溶劑，例如乙醇、異丙醇等造成的膜的損壞。該損壞增加膜的滲透性，這降低電解槽的使用壽命。另外，由電解槽制備的氣體于是為較不純凈的，這可以證明對電解槽的使用是有害的。

此外，在已經(jīng)在膜上沉積第一電極之后，該膜不再是完全平坦的以繼續(xù)沉積第二電極。對于第二電極，前述應(yīng)力和不均一性的問題于是被放大。

基于在電流分配器上沉積電催化墨的方法呈現(xiàn)出一些缺點，主要在陽極上。實際上，水的電氧化需要的過電壓是高的。因此，PEM電解槽的陽極電勢通常是非常高的(>1.6V SHE)，使得不能使用在陰極側(cè)上或在具有質(zhì)子交換膜的燃料電池中常用的碳質(zhì)材料以及特別是碳的擴散層(氈制品、紙、織物)。因此，用作陽極的電流分配器通常為燒結(jié)的多孔鈦或鈦格柵。電催化層的直接沉積具有堵塞分配器的主要缺陷，從而限制水傳輸?shù)酱呋瘎４送猓?dāng)電催化層沉積在分配器上時，一部分催化劑容納在分配器的孔隙內(nèi)部，并且不參與操作。另外，電極/膜界面是總體上不令人滿意的。這些缺點體現(xiàn)在對電解槽的性能水平的明顯限制。