[發明專利]一種電解池用膜電極的制備及膜電極和應用

在審

• 申請號: 201610861729.7
• 申請日: 2016-09-29
• 公開（公告）號: CN107881528A
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 俞紅梅;遲軍;賈佳;高學強;覃博文;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B11/02
• 分類號: C25B11/02;C25B11/06;C25B1/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種優化的電解池的制備方法，該膜電極組件包含質子交換膜陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散層的特定組合?？蓱糜赑EM水電解、RFC或各種電解裝置中。

背景技術

近年來，固體聚合物電解質(PEM)水電解技術因其高效、零排放、結構緊湊、環境友好，產物純度高等優點，成為了制氫領域的研究熱點，而且其產物高純度的氧也已用于航天、醫療、分析等領域。膜電極作為PEM水電解池核心部件，進行結構上的優化是提高電解效率是各國研究人員的工作重點。

分析質子交換膜水電解池(PEMWE)的電解過程，在水電解池中，陽極再外加電壓作用下失去電子，即水在陽極失去電子并析出氧氣，產生氫離子。氫離子通過水合氫離子的形式通過質子交換膜膜，在陰極得到外電路的電子生成氫氣。在這種電解池的結構中，膜電極組件是電解反應的發生場所，是電解池的核心部分。其組成包括：為電化學反應發生的催化層，導水、導氫離子的質子交換膜(PEM)以及傳遞水與氣體的擴散層。其中，催化層由催化劑和Nafion組成。膜電極組件是電解池的核心，直接影響到電解效率、電解能耗、電解成本以及電解池的壽命。傳統的膜電極制備工藝是將催化劑涂覆在氣體擴散層上，制備氣體擴散層電極。但氣體擴散層電極與質子交換膜的表面接觸并不緊密，從而會在兩極之間產生較大的電壓降。因此更有利于降低催化層與質子交換膜之間接觸電阻的催化劑覆膜電極得到人們的廣泛關注。然而該催化劑覆膜電極中Nafion與催化劑的比例直接影響電極自身的微觀結構以及電極本身的孔隙率，優化催化層中Nafion與催化劑的質量比，獲得更為性能更為優異的催化劑覆膜電極，將具有廣闊的應用前景。

PEMWE水電解池的膜電極制備可以采用氣體擴散電極(GDE，gas diffusion electrode)工藝，將催化劑直接涂覆于擴散層上，也可以采用催化劑覆膜電極(CCM，catalyst coated membrane)電極工藝，通過熱壓法，電化學沉積法，噴涂等方法，將催化劑制備在PEM膜上。采用CCM法制得的膜電極組件由于催化層與質子交換膜之間接觸更為緊密，因而具有阻抗小的特點，在本發明中我們就采取CCM法來制備膜電極。

發明內容

本發明涉及一種優化的電解用的制備方法。該膜電極組件是質子交換膜陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散層的特定組合。將本發明制備的膜電極組件用作質子交換膜(PEM)水電解池時具有較好的性能。本發明在可再生燃料電池(RFC)、光電催化、電解氫氣發生器裝置中有廣泛的利用價值。

一種電解池用膜電極的制備方法，所述膜電極為“五層”的夾層結構，包括依次層疊的陰極氣體擴散層、陰極催化層、質子交換膜、陽極催化層、以及陽極氣體擴散層；所述膜電極的制備遵循以下步驟：

(1)首先分別稱取所需陰極催化劑、陽極催化劑，再按照催化劑與Nafion按照4:1～7:1的質量比分別混合在分散劑中，催化劑與分散劑的質量比為1:10～1:40，將混合好的漿料超聲混合10～30min，分別噴涂于質子交換膜的兩側，在膜兩側獲得催化劑覆膜電極；分散劑為乙醇、異丙醇、正丙醇中的一種或二種以上，分散劑將催化劑顆粒與Nafion均勻混合在一起；

(2)用中空的、環形的兩片封閉材料將步驟(1)中制得的催化劑覆膜電極的四周邊緣夾住，使步驟(1)中制得的催化劑覆膜電極處于兩片封閉材料之間，且催化劑覆膜電極的四周邊緣均被兩片封閉材料夾持固定，并在封閉材料陰極催化層一側的中空部位的陰極催化層上放置碳紙氣體擴散層，碳紙氣體擴散層與封閉材料的中空環形區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致；在封閉材料陽極催化層一側的中空部位的陽極催化層上放置一片與封閉材料中空區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致的聚四氟乙烯薄片；

(3)將被兩片封閉材料夾持的催化劑覆膜電極用兩片聚四氟乙烯薄膜夾住，使兩片封閉材料及它們中的催化劑覆膜電極均處于兩片聚四氟乙烯薄膜之間，并將夾住催化劑覆膜電極的兩片聚四氟乙烯薄膜放置于兩片金屬夾板之間；將金屬夾板置于40～100℃的油壓機之中熱壓0.5～5min；熱壓完畢后取下金屬夾板、聚四氟乙烯薄片、聚四氟乙烯薄膜，在封閉材料陽極催化層一側的中空部位的陽極催化層上放置與封閉材料中空區域厚度相同、面積相等、形狀相同、即規格一致的多孔鈦板，即可獲得膜電極組件。

制備的膜電極分為“五層”夾層結構，包括質子交換膜、位于膜兩側的陰/陽極催化層，以及位于陰/陽極催化層外表面的陰/陽極氣體擴散層。

步驟(1)所述的噴涂操作均在熱臺上進行，熱臺溫度維持恒定在40～80℃。