[发明专利]一种固体电解质膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明为一种固体电解质膜电极的制备方法，涉及到电化学工业中固体电解质膜电极多层结构、制备工艺等内容。该膜电极制备方法适合于质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以及电解水制氢装置和再生燃料电池(RFC)等电化学装置的膜电极制备。

背景技术

燃料电池作为一种将化学能通过电化学反应的方式直接转化为电能的高效、环境友好的发电装置，在中小型电站、电动车和便携式电源等方面具有广阔的应用前景。同时燃料电池的逆过程电解水制氢装置能非常便利地从水中制备不含一氧化碳、硫化物和氮化物的高纯氢气，正广泛地应用于化工、能源、电子、冶金、食品、机械等民用行业和航天、核工业等国防工业领域。燃料电池发电装置和电解水制氢装置均需要高性能的、稳定的和长寿命的核心部件——膜电极，为避免液体电解质流失和强的腐蚀性等缺点，以固体电解质膜为核心的固体电解质膜电极启动速度快，稳定性好，寿命长等优点，具有很好的应用前景。使用固体电解质的发电装置或电解装置的性能好坏关键在于核心部件膜电极的微观结构和成份组成，而膜电极的微观结构和成份组成取决于制作工艺，膜电极的制备方法很大程度地决定了膜电极的性能。目前，关于固体电解质膜电极制备方法和工艺主要集中在提高贵金属催化剂利用率，降低催化剂载量，提高膜电极的输出功率密度和延长工作寿命。

在膜电极制备方法方面有诸多文献给出了具体的制备工艺。专利CN1269428A介绍了一种膜电极三合一组件的制备方法，其采用一定比例的催化剂和质子导体聚合物的粉末直接热压在质子交换膜上形成三合一组件；专利US5415888介绍了一种燃料电池用膜电极的制备方法，其将组成为催化剂、质子导体聚合物溶液、醇类有机溶剂按一定比例配成墨水状溶液涂刷在固体聚合物电解质膜上形成三合一膜电极；专利US521198介绍了一种转印法制备膜电极的方法，其制作工艺先将催化剂与钠化的质子导体聚合物溶液制成墨水，然后涂敷在聚四氟乙烯(PTFE)薄膜上形成催化层，再通过热压法使催化层转印到质子交换膜上，之后将膜电极重新质子化形成膜电极三合一组件；专利CN1966777介绍了一种采用热压法将扩散层、催化层以及质子交换膜热压在一起形成三合一固体膜电解质(SPE)电解纯水的膜电极组件；专利CN1402372A介绍了一种固体氧化物燃料电池阳极催化剂负载的方法，其采用涂刷法将镧锶镓镁(LSGM)超细粉体浆料涂敷在多孔电解膜上，之后经高温焙烧形成LSGM电解质薄膜。以上几种制备方法存在催化剂利用率不高，膜电极电性能低，稳定性差，寿命短等问题。

本发明克服了传统燃料电池、电解池和可再生燃料电池的固体电解质膜电极的制作工艺中催化层结构单一，催化剂利用率不高等问题，通过在膜电极的固体电解质膜与催化层之间界面喷涂一定载量的固体电解质材料浆料或溶液，提高了固体电解质膜和催化剂之间的结合力，同时可控制催化剂载量沿着电解质方向有一定递减梯度，而固体电解质材料有一定递增梯度，这样可以拓展电极的电化学立体化结构，有利于降低离子、电子、反应物质和产物的传质阻力，有效地增大了催化层与固体电解质膜之间的最佳电化学反应区，提高了催化剂的利用率。通过该方法所制得的固定电解质膜电极可使反应燃料、氧化剂、水、催化剂和电子的多相界面加大，从而捕获更多的电子和活性离子，提高了单位电极活性面积的电性能，同时喷涂一定载量的固体电解质材料覆盖因固体电解质制备过程中出现的结构微孔，可使固体电解质的燃料透过率大大降低，提高了燃料的使用效率(发电)或产率(电解)，同时也有利于提升电池工作的开路电压，或增加电解的电流效率。另外，因本发明的固体电解质膜电极可使催化剂与电解质膜之间产生牢固的结合力，因此还具有优良的稳定性和长寿命等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服用于燃料电池、电解装置或可再生燃料电池的传统热压法和转移法制备膜电极时存在的催化剂利用率低、燃料扩散流失、稳定性差和寿命短等问题，使电极结构更为优化，催化剂和膜结合更为紧密，达到增大催化剂利用率，增加膜电极组件的结合强度，实现提升膜电极电化学性能的目的。

本发明的技术方案如下：

一种固体电解质膜电极的制备方法，其特征在于该方法按如下步骤制备：

1)制备固体电解质材料的溶液或混合物：将固体电解质材料和分散剂混合配制成质量百分含量为0.1％-70％混合物或溶液，其中分散剂为水、乙醇或异丙醇；