[发明专利]一种电解池用膜电极的制备及膜电极和应用

权利要求书

1.一种电解池用膜电极的制备方法，其特征在于：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。

2.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：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。

3.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：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℃。

4.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(1)所述阴/阳极催化剂选自贵金属Pt、Pd、Ru、Rh、Ir中的一种或二种以上的负载型或未负载的纯金属纳米颗粒中的一种或二种以上，所述催化剂担载量为0.5～3.0mg/cm²。

5.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(2)中两片封闭材料中空区域内框大小和/或形状不同，其是为了避免在油压机上进行热压时封闭材料内框边缘产生过大的剪切应力将膜撕裂。

6.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：

选用的封闭材料可以是聚酯框或橡胶框等密封材料；

选用的质子交换膜是以Nafion膜为代表的质子交换膜，如Nafion 117或Nafion 211等；

所选用的阴极气体扩散层为厚度0.2～0.3mm的增水化处理的碳纸；阳极气体扩散层为厚度0.7～0.8mm的镀铂多孔钛板。

7.按照权利要求1所述的膜电极制备方法，其特征在于：步骤(3)所述热压过程使用的压强为0.1～0.5MPa，热压温度为100～140℃，热压时间为60～90s。

8.按照权利要求1所述的喷涂操作，其特征在于：步骤(1)所述喷涂操作所用喷枪气源为惰性气体，如氮气和/或氩气，喷涂压强控制在0.05～0.2MPa。

9.一种权利要求1-8任一所述制备方法制备的膜电极。

10.一种权利要求9所述膜电极的应用，其特征在于：制备得到的所述膜电极可应用于RFC、光电催化、PEM水电解池或酸性水电解氢气发生器中。