[发明专利]一种电解池用膜电极的制备及膜电极和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种优化的电解池的制备方法，该膜电极组件包含质子交换膜阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层的特定组合。可应用于PEM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(PEM)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。膜电极作为PEM水电解池核心部件，进行结构上的优化是提高电解效率是各国研究人员的工作重点。

分析质子交换膜水电解池(PEMWE)的电解过程，在水电解池中，阳极再外加电压作用下失去电子，即水在阳极失去电子并析出氧气，产生氢离子。氢离子通过水合氢离子的形式通过质子交换膜膜，在阴极得到外电路的电子生成氢气。在这种电解池的结构中，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、导氢离子的质子交换膜(PEM)以及传递水与气体的扩散层。其中，催化层由催化剂和Nafion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。传统的膜电极制备工艺是将催化剂涂覆在气体扩散层上，制备气体扩散层电极。但气体扩散层电极与质子交换膜的表面接触并不紧密，从而会在两极之间产生较大的电压降。因此更有利于降低催化层与质子交换膜之间接触电阻的催化剂覆膜电极得到人们的广泛关注。然而该催化剂覆膜电极中Nafion与催化剂的比例直接影响电极自身的微观结构以及电极本身的孔隙率，优化催化层中Nafion与催化剂的质量比，获得更为性能更为优异的催化剂覆膜电极，将具有广阔的应用前景。

PEMWE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PEM膜上。采用CCM法制得的膜电极组件由于催化层与质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的制备方法。该膜电极组件是质子交换膜阴/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质子交换膜(PEM)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。

一种电解池用膜电极的制备方法，所述膜电极为“五层”的夹层结构，包括依次层叠的阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、以及阳极气体扩散层；所述膜电极的制备遵循以下步骤：

(1)首先分别称取所需阴极催化剂、阳极催化剂，再按照催化剂与Nafion按照4:1～7:1的质量比分别混合在分散剂中，催化剂与分散剂的质量比为1:10～1:40，将混合好的浆料超声混合10～30min，分别喷涂于质子交换膜的两侧，在膜两侧获得催化剂覆膜电极；分散剂为乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或二种以上，分散剂将催化剂颗粒与Nafion均匀混合在一起；

(2)用中空的、环形的两片封闭材料将步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极的四周边缘夹住，使步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极处于两片封闭材料之间，且催化剂覆膜电极的四周边缘均被两片封闭材料夹持固定，并在封闭材料阴极催化层一侧的中空部位的阴极催化层上放置碳纸气体扩散层，碳纸气体扩散层与封闭材料的中空环形区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致；在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置一片与封闭材料中空区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致的聚四氟乙烯薄片；

(3)将被两片封闭材料夹持的催化剂覆膜电极用两片聚四氟乙烯薄膜夹住，使两片封闭材料及它们中的催化剂覆膜电极均处于两片聚四氟乙烯薄膜之间，并将夹住催化剂覆膜电极的两片聚四氟乙烯薄膜放置于两片金属夹板之间；将金属夹板置于40～100℃的油压机之中热压0.5～5min；热压完毕后取下金属夹板、聚四氟乙烯薄片、聚四氟乙烯薄膜，在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置与封闭材料中空区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致的多孔钛板，即可获得膜电极组件。

制备的膜电极分为“五层”夹层结构，包括质子交换膜、位于膜两侧的阴/阳极催化层，以及位于阴/阳极催化层外表面的阴/阳极气体扩散层。

步骤(1)所述的喷涂操作均在热台上进行，热台温度维持恒定在40～80℃。