[发明专利]固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种优化的固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装方法。膜电极由催化剂层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜等部件热压组装而成，该方法旨在优化膜电极组装时的加热温度以及组装压力。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。

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固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装方法。膜电极由催化剂层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜等 部件热压组装而成，该方法旨在优化膜电极组装时的加热温度以及组装压力。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。

经优化后的固体电解质(SPE)电解用膜电极，其基本制备步骤及优化条件如下：

(1)首先将一定量的催化剂与Nafion按照5:1～7:1的质量比混合在一定量的分散剂中，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；

将上述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℃。

(2)用两片中空环形封闭材料将(2)中制得的涂覆有催化层的质子交换膜夹住，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。

(3)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100～140℃的油压机之中热压0.5～3min，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。

选用的封闭材料可以是聚酯框、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，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。

所述的夹层结构固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装的油压过程所使用的压强为0.1～0.5MPa，热压温度为45～75℃，热压时间为0.5～5min。