[發明專利]一種電解用膜電極催化層微觀結構的優化方法

在審

• 申請號: 201710333235.6
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN108878930A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 俞紅梅;遲軍;高學強;賈佳;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: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88;C25B1/04;C25B11/06;C25B11/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種電解用膜電極催化層微觀結構優化方法。本發明通過優化催化層中Nafion與催化劑之間的比例可以調整催化層的微觀孔結構，改善催化層催化劑顆粒的團聚程度，從而改善電解池的運行性能和穩定性。將通過本方法優化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。

技術領域

本發明涉及一種電解用膜電極催化層微觀結構優化方法。本發明通過優化催化層中Nafion與催化劑之間的比例可以調整催化層的微觀孔結構，改善催化層催化劑顆粒的團聚程度，從而改善電解池的運行性能和穩定性。將通過本方法優化的膜電極組件用作質子交換膜(PEM)水電解池、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。

背景技術

在眾多的新能源中，氫能是一種理想的二次能源，可由地球上豐富的水資源獲取。氫燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，且燃燒產物為水，是最潔凈的能源，而且生成的水又可以由電解水繼續制氫。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和穩定性是各國研究人員的工作重點。

陰陽極催化層催化劑的團聚或流失引起膜電極性能降低SPE水電解池性能衰減的主要原因之一。在PEM水電解池結構中，膜電極組件是電解池的核心，兩極催化層與質子交換膜的表面密切接觸，從而降低了兩極之間的電壓降。其中，催化層由催化劑和Nafion組成。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催化層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。

催化劑覆膜電極(CCM，catalyst coated membrane)可通過熱壓法，電化學沉積法，噴涂等方法將催化劑制備在質子交換膜上。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，通過優化催化層中Nafion與催化劑之間的比例可以改善催化層催化劑顆粒的團聚程度，改善催化層孔結構，從而改善電解池的運行性能和穩定性。

發明內容

本發明通過優化催化層中Nafion與催化劑之間的比例可以調整催化層的微觀孔結構，改善催化層催化劑顆粒的團聚程度，從而改善電解池的運行性能和穩定性。將通過本方法優化的膜電極組件用作質子交換膜(PEM)水電解池、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

一種優化的微觀孔結構的新型的膜電極組件，其催化層基本制備步驟和特征如下：

(1)首先將一定量的催化劑與Nafion按照5:1～8:1的質量比混合在一定量的乙醇/異丙醇/正丙醇中，催化劑與乙醇/異丙醇/正丙醇的質量比為1:10～1:40，將混合好的漿料超聲混合10～30min。

(2)將(1)中混合好的催化劑漿料噴涂在膜的兩側，上述噴涂操作均在熱臺上進行，熱臺溫度維持恒定在55～85℃。