[發(fā)明專利]一種固體聚合物電解質(zhì)電解槽用膜電極組件及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010073221.7
• 申請日: 2020-01-22
• 公開（公告）號: CN111139497B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂洪;王森;周偉;張存滿;沈亞皓
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: C25B11/073
• 分類號: C25B11/073;C25B11/093;C25B11/052;C25B1/04
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

本發(fā)明提供了一種固體聚合物電解質(zhì)電解槽用膜電極組件及制備方法，包括固體聚合物電解質(zhì)膜、在固體聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)的陰極和陽極催化劑涂覆層，陰極和陽極催化劑涂覆層兩側(cè)處分別設(shè)有陰極氣體擴(kuò)散層和陽極氣體擴(kuò)散層，通過一定工藝組合在一起成為膜電極組件；其中，所述的陽極催化劑為內(nèi)部為氧化釕、外部為氧化銥的核殼結(jié)構(gòu)催化劑；所述的陽極氣體擴(kuò)散層為多孔鈦板或泡沫鈦并含有所述的核殼結(jié)構(gòu)催化劑；所述的一定工藝組合為熱壓工藝形成組件；本發(fā)明提供的膜電極組件可實(shí)現(xiàn)低成本、高活性、長壽命的SPE電解槽應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及SPE電解槽用膜電極組件及制備方法。

背景技術(shù)

利用可再生能源制氫將水轉(zhuǎn)化為清潔氫，不僅制備得到高純度的氫(高達(dá)99.999％)，無需二次提純，直接可以供氫燃料電池使用，還可以降低了制氫成本，對于規(guī)模化發(fā)展氫燃料電池汽車進(jìn)行了有力支撐。固體聚合物電解質(zhì)(SPE)電解技術(shù)是一種新興的電解水技術(shù)，SPE電解槽具有結(jié)構(gòu)緊湊，電流密度高，耐壓力大，制氫純度高等優(yōu)點(diǎn)，引起了大量的關(guān)注。

固體聚合物電解質(zhì)電解槽結(jié)構(gòu)中，由固體聚合物電解質(zhì)膜和分別置于電解質(zhì)膜兩側(cè)的陰極和陽極催化劑涂覆膜和分別位置于陰極和陽極催化劑涂覆膜兩側(cè)的陰極和陽極擴(kuò)散層組成的組件稱為膜電極組件。電解槽水解原理為水(H₂O)在陽極催化劑涂覆膜側(cè)失去電子生成氧氣(O₂)和氫離子(H⁺)，H⁺通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極側(cè)，在陰極催化劑的催化作用下生成氫氣(H₂)。生成的O₂和H₂分別通過陽極和陰極氣體擴(kuò)散層(GDL)排出電解槽。可見，膜電極組件對電解槽的經(jīng)濟(jì)成本、水解效率、運(yùn)行壽命和功率能耗等方面有著關(guān)鍵性影響。然而，目前，膜電極組件中存在著催化劑的高成本，陽極側(cè)反應(yīng)動力學(xué)緩慢引起的較大的過電勢，大電流密度下較低的傳質(zhì)效率引起水解效率不足，運(yùn)行壽命有待提升等問題因此，在一定程度上抑制了固體聚合物電解質(zhì)電解槽的規(guī)模化發(fā)展。

針對上述問題，研究者們分別采用了不同的改性和優(yōu)化手段來降低膜電極組件成本，提升其水解效率和運(yùn)行壽命。Faustini團(tuán)隊(duì)通過蒸發(fā)自組裝機(jī)制，采用噴霧干燥法制備了高于商業(yè)IrO₂的高度多孔Ir_0.7Ru_0.3O₂的陽極低銥含量的混合氧化物，并利用轉(zhuǎn)印法制備了膜電極組件，降低了膜電極組件的成本(Advanced Energy Materials,2018,1802136)。JANG等人采用電沉積將陽極催化劑IrO₂沉積在鈦紙(網(wǎng))氣體擴(kuò)散層上，以便增加電極和電解液的接觸界面，提高陽極催化劑利用率，降低膜電極組件用陽極催化劑的成本，提高電解水效率(美國專利US 20190071786A1)。俞紅梅課題組通過優(yōu)化膜電極組裝時的加熱穩(wěn)定和不同組裝壓力來降低接觸界面阻抗，提高電解水效率及運(yùn)行壽命(中國專利CN201610861749)。然而，以往的優(yōu)化或改性手段很少有做到在降低膜電極組件催化劑成本的同時能夠保持高的水解效率和長期的運(yùn)行壽命，這對進(jìn)一步提高固體聚合物電解槽規(guī)模化推廣是不利的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于上述技術(shù)存在的不足，提供一種SPE電解槽用膜電極組件及制備方法。

基于上述技術(shù)存在的不足，本發(fā)明采用以下技術(shù)方式來實(shí)現(xiàn)：

一種SPE電解槽用膜電極組件及制備方法，包括固體聚合物電解質(zhì)膜、在固體聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)的陰極和陽極催化劑涂覆層，陰極和陽極催化劑涂覆層兩側(cè)處分別設(shè)有陰極氣體擴(kuò)散層和陽極氣體擴(kuò)散層，通過一定工藝組合在一起成為膜電極組件；其中，所述的陽極催化劑為內(nèi)部為氧化釕、外部為氧化銥的核殼結(jié)構(gòu)催化劑；所述的陽極氣體擴(kuò)散層為多孔鈦板，泡沫鈦或鈦網(wǎng)并含有所述的核殼結(jié)構(gòu)催化劑；所述的一定工藝組合為熱壓工藝形成組件；

較佳地，所述的陽極催化劑為非晶氧化銥自組裝生長在氧化釕的表面(RuO₂@IrO_x)的核殼催化劑；