[發明專利]一種低銥載量的質子交換膜電解質水電解膜電極的制備方法

在審

• 申請號: 201811297422.4
• 申請日: 2018-11-01
• 公開（公告）號: CN111118538A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 俞紅梅;姜廣;秦曉平;高學強;姚德偉;孫昕野;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: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B11/06;C25B1/04;C25B9/10;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明涉及一種低銥載量的質子交換膜電解質水電解膜電極的制備方法。該膜電極用于質子交換膜水電解(PEMWE)制氫，具有銥擔載量低、貴金屬質量比活性高、可高電流密度穩定運行的特點。具體在于：采用噴涂法制備的膜電極的陽極采用非貴金屬摻雜的銥基催化劑，其中銥的擔載量為0.3～0.9mg·cm^?2，電極的銥的質量比活性為5000～7000mA·mg_Ir^?1@1.9V。所制備的膜電極具有制備方法簡單、電極結構均勻的特點，可實現PEM水電解池的低成本、高效穩定運行。此外，本發明在可再生燃料電池(RFC)、電解氫氣發生器裝置中也有一定的利用價值。

技術領域

本發明涉及一種高效的低銥載量的質子交換膜電解質水電解(PEMWE)的膜電極的制備方法。該膜電極陽極采用非貴金屬摻雜的銥基催化劑，通過噴涂制備而成，將本發明制備的銥基膜電極用作PEM水電解過程，可以實現電解池低成本、高效穩定的運行。此外，本發明在可再生燃料電池(RFC)、電解氫氣發生器裝置中具有廣泛的利用價值。

背景技術

質子交換膜電解質水電解技術由通用電氣公司于1964年提出，相比傳統的堿水電解制氫氣，此技術運行穩定、壽命長、產品氫氣純度高、可以實現高電流密度下的運行。PEM水電解提供了一條從水到氫氣的清潔的轉化路線。如采用可再生能源生產電能用以電解水，便可真正地實現CO₂的零排放。通過這種方式獲得的氫氣純度非常高，可達99.9％以上，對于要求使用高純氫氣的燃料電池以及精密電子器件的制造行業來說，這是一種理想的原料氣體來源。

膜電極作為關鍵部件，降低膜電極的成本是解決PEM水電解走向商業化應用的關鍵因素。當前，貴金屬載量高、成本高是膜電極的主要問題。商業化PEM水電解陽極析氧催化劑一般為貴金屬銥、釕或者二者的混合物，提升貴金屬質量比活性受到制約。此外，貴金屬擔載量為1.5～4.0mg·cm^-2，這也嚴重制約電極成本的降低。從性能方面考慮，當前膜電極的普遍結構均采用催化層與電解質層直接結合的方式，這樣不僅不利于催化層與電解質層之間的物質傳遞也不利于二者之間結合力的改善。當前。離子濺射等一些新興制備技術的出現表面上是能有效降低貴金屬的擔載量，但與此同時也伴隨著生產設備和操作的高成本的出現，這并不能真正降低電解的生產成本問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種低銥載量的質子交換膜電解質水電解的膜電極。膜電極中銥的擔載量為0.3～0.9mg·cm^-2，電流密度為2000mA·cm^-2時，電池電壓為1.89～1.91V，并且在此高電流密度下可以穩定運行。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：采用噴涂法制備成類似三明治的具有五層結構的膜電極。在固體電解質質子交換膜兩側依次有過渡層，兩側過渡層向外側有催化層。過渡層為非晶化的Nafion層，采用Nafion溶液噴涂在質子交換膜表面的非晶化的聚合物層，在膜與催化層之間起過渡和粘結的作用。催化層為催化劑和粘結劑混合的多孔結構，陽極析氧催化劑采用非貴金屬摻雜的銥基催化劑，包括Ir_xSn_1-xO₂(0x1)、Ir_xRu_1-xO₂(0x1)、Ir_xCo_1-xO₂(0x1)中的一種或兩種以上；陰極催化劑采用商業化Pt/C；粘結劑為5wt％的Nafion溶液。

一種質子交換膜電解質水電解膜電極，所述膜電極包括陽極催化層，所述陽極催化層包括析氧催化劑，其特征在于：所述析氧催化劑采用非貴金屬摻雜的銥基催化劑。