[发明专利]一种静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的方法

说明书

本发明公开了一种静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的方法。具体公开了采用静电纺丝法将催化剂浆料均匀地纺制在膜电极底膜上，纺制出的催化剂层蓬松多孔，为反应物水顺利地传递到催化剂颗粒的反应位点处提供通道，从而大幅提高膜电极的性能；纺制的催化剂层中含有大量的‑OH、‑NH₂等基团，这些基团形成的亲水区域可加速质子的传导，提高膜电极的性能；本发明采用静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的工艺线路简单，原料便宜易得，可实现连续化生产，该技术是未来PEM电解水制氢用膜电极的发展方向。

技术领域

本发明涉及膜电极制备领域，特别涉及一种静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的方法。

背景技术

随着社会的发展，能源危机已经成为全球关注的焦点。因此当务之急是发展一种新型的能源，但由于风能、太阳能和核能的运输和储存非常不易，需要寻找一种可再生、环境友好的新型能源，氢能由于效率高、无污染和可简单制取等特点被认为是将来最理想、最有潜力的能源载体。氢的制备方法有甲醇分解制取氢、氨分解制氢、生物制氢、太阳能制氢、化石燃料制氢和电解水制氢。其中，电解水制氢由于简单、污染小、效率高等优点成为研究的重点。

电解水制氢的技术发展至今，产生了3种不同类型的电解槽：碱性电解槽、固体聚合物电解槽和固体氧化物电解槽。其中，固体聚合物电解槽（PEM）以其高效、无污染、安全等优点，已经成为各国科学家研究的重点。

PEM主要是由集流板、垫片和膜电极组成。膜电极是PEM水电解槽的核心部件，是PEM水电解槽发生反应的场所。其通常是通过将阴、阳极催化剂涂覆在质子交换膜两侧而制得。而由催化剂形成的催化层是PEM水电解槽膜电极中发生反应的真正场所，即电化学反应发生在催化剂表面。因此，研究膜电极的制备方法，特别是催化剂浆料如何合理地负载到质子交换膜上，将直接影响最终膜电极的性能。

传统地催化层制备方法有喷涂法、卷对卷涂覆法、转印法。喷涂法是利用喷枪的高压将液体催化剂浆料打散成雾状之后喷涂在质子交换膜上。具有喷涂的液量易于控制，重复性好等优点，但其产量低，成本高。卷对卷涂覆法可通过大幅度提高产量来降低膜电极的生产成本，还可在其生产线上配备连续质量监测系统，节省离线质量检测所需的时间和成本。但采用该种方法涂覆时，质子交换膜会发生一定程度的溶胀，可能对张力和卷筒控制带来一定的挑战。转印法是将催化剂浆料置于衬底之上，然后通过热压将催化剂从衬底转移到质子交换膜上。使用该法制备的膜电极能够使得催化层与质子交换膜接触更加紧密，降低接触电阻；且由于转印过程中需要一定的机械压力，使得层与层相对变得更薄，降低气体和液体在催化层中的传质阻力等。但是该法需要借助转印衬底，增加了膜电极的制备成本。

静电纺丝法是一种操作简便、可以一步成型，能够直接、连续地制备比表面积大、均一性好并且粗细可调节的纳米纤维的加工工艺。其可以通过纳米纤维的粗细来调控纤维间的孔隙达到应用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有膜电极制备技术的不足，提供一种静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的方法，该方法对设备要求低，工艺简单，易于实现工业化生产。

为了达到上述目的，本发明的一种静电纺丝法制备PEM电解水制氢用膜电极的方法，包括以下步骤：

S1 制备阴极催化剂浆料：将铂含量为20%～60% Pt/C粉末与溶剂混合，在超声下分散均匀成溶液；向该溶液中加入助纺剂，并在超声下分散均匀而制得阴极催化剂浆料；

S2制备阳极催化剂浆料：将二氧化铱粉末或二氧化铱/炭黑混合物与溶剂混合，在超声下分散均匀成溶液；向该溶液中加入助纺剂，并在超声下分散均匀而制得阳极催化剂浆料；

S3 将商业Nafion膜或质子交换膜预处理制得膜电极的底膜，并将所述底膜平整地固定在静电纺丝装置的收集板上；

S4 将所述阴极催化剂浆料吸入注射器针管后安装在静电纺丝装置上；开启静电纺丝装置电源，将所述阴极催化剂浆料均匀地纺制在所述底膜上；