[发明专利]优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法，该膜电极组件包含阴离子交换膜、阴离子交换树脂过渡层、阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层的特定组合。可应用于AEM水电解、RFC或各种电解装置中。

背景技术

近年来，固体聚合物电解质(SPE)水电解技术因其高效、零排放、结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，成为了制氢领域的研究热点，而且其产物高纯度的氧也已用于航天、医疗、分析等领域。然而价格昂贵是制约SPE水电解技术进一步商业化应用的主要原因，因此围绕如何降低成本，提高电解效率是各国研究人员的工作重点。借鉴SPE水电解池的设计，基于零间隙电解槽概念，AEM水电解技术也随之出现。

在这种电解池的结构中，两极与阴离子交换膜的表面密切接触，从而降低了两极之间的电压降。将传统碱性液体水电解与SPE水电解的优点结合起来，有望发展更加廉价高效的固体电解质水电解电解池(AEMWE)，与液体碱性水电解及质子交换膜水电解技术相比，将具有更为广阔的应用前景。分析碱性固体电解质水电解(AEMWE)的电解过程，在水电解池中，电子通过外电路传递到阴极，水在阴极得到电子并析出氢气与氢氧根离子。氢氧根离子通过AEM膜，在阳极失去电子生成氧气和水。膜电极组件是电解反应的发生场所，是电解池的核心部分。其组成包括：为电化学反应发生的催化层，导水、导氢氧根离子的固体聚合物膜(AEM)以及传递水与气体的扩散层。其中，催化层由催化剂和树脂组成。膜电极组件是电解池的核心，直接影响到电解效率、电解能耗、电解成本以及电解池的寿命。

AEMWE水电解池的膜电极制备可以采用气体扩散电极(GDE，gas diffusion electrode)工艺，将催化剂直接涂覆于扩散层上，也可以采用催化剂覆膜电极(CCM，catalyst coated membrane)电极工艺，通过热压法，电化学沉积法，喷涂等方法，将催化剂制备在AEM膜上。采用CCM法制得的膜电极组件由于催化层与阴离子交换膜之间接触更为紧密，因而具有阻抗小的特点，在本发明中我们就采取CCM法来制备膜电极。

发明内容

本发明涉及一种优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法。该膜电极组件是阴离子交换膜、阴离子交换树脂过渡层、阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层的特定组合。将本发明制备的膜电极组件用作碱性固体聚合物电解质(AEM)水电解池时具有较好的性能。本发明在可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。

一种新型的膜电极组件，其基本制备步骤如下：

(1)首先将一定量的催化剂与阴离子交换树脂按照5:1～7:1的质量比混合在一定量的乙醇、异丙醇或正丙醇中，催化剂与乙醇、异丙醇或正丙醇的质量比为1:10～1:40，将混合好的浆料超声混合10～30min。将一定量的阴离子交换树脂与乙醇、异丙醇或正丙醇按照1:10～1:80的比例混合后超声10～30min。

(2)将上述制备的阴离子交换树脂的乙醇、异丙醇或正丙醇溶液喷涂于阴离子交换膜的两侧，再将(1)中混合好的催化剂浆料喷涂在膜的两侧，上述喷涂操作均在热台上进行，热台温度维持恒定在45～65℃。

(3)用两片中空环形封闭材料将(2)中制得的涂覆有催化层的阴离子交换膜夹住，在阴极侧封闭材料放好与封闭材料内框等大的碳纸气体扩散层，在阳极相应区域安放一片符合封闭材料内框大小的聚四氟乙烯薄片。将膜电极用两片大块聚四氟乙烯薄膜夹住，放置于两片金属钛夹板之间，置于45～70℃的油压机之中热压60～90s，热压之后取下钢板、四氟片，在阳极侧放置与阳极侧封闭材料内框等大的阳极扩散层，初步制得膜电极组件。

所述催化剂为负载或未负载在载体上的催化剂，所述催化剂担载量为0.5～3.0mg/cm²。

其催化剂选自Pt、Pd、Ru、Rh、Ir或者Ni、Co、Mo的负载型或未负载的纯金属纳米颗粒中的一种以上。

催化剂与阴离子交换树脂的质量比为5:1～7:1，催化剂与乙醇/异丙醇/正丙醇的质量比为1:20～1:50。

除去气体扩散层之外的膜电极为“七层”夹层结构，包括阴离子交换膜、分别置于膜两侧的阴/阳极树脂过渡层、阴/极催化层、阴/阳极气体扩散层，如图1所示。

所述喷涂方法所用喷枪的气源为氮气、氩气等惰性气体，喷涂操作进行时的减压阀压强控制在0.05～0.2MPa；