[发明专利]一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法

说明书

本发明公开了固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，用于进一步强化膜电极性能。首先使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，随后将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的密闭容器内，在所述内胆中加入纯水并密封，通过提升水的蒸汽压来抑制聚合物玻璃态转变温度下水的蒸发，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后保存于纯水中。本发明使用本方法处理后的膜电极比传统热处理法性能更优，且适合大面积膜电极的热处理。

技术领域：

本发明属于固态聚合物水电解器膜电极技术领域，具体涉及一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法。

背景技术：

固态聚合物膜水电解器是一种将电能转化为化学能的装置，它基于固态聚合物离子导电膜可以实现纯水的电解。采用全氟磺酸型质子交换膜的水电解器具有电解效率高，寿命长、体积小的优点，可用于高纯氢、高纯氧的快速制备以及可再生能源系统的储能。

固态聚合物膜水电解器的性能取决于膜电极，当前水电解器中主要采用的是CCM(catalyst coated membrane)膜电极，其制备方法是由固态聚合物膜燃料电池中发展而来。为了强化膜电极性能，一般在膜电极制备完毕后会伴随一个热处理过程，即在聚合物膜的玻璃态转变温度附近对膜电极进行加热处理，这一过程可增加质子交换膜及催化层中质子导电聚合物的结晶度，在一定程度上提高膜本体以及催化层内的质子传导能力，并且还可增加催化层与膜的结合强度，如Wang等人(X.Y.Wang,et al.A cocrystallizedcatalyst-coated membrane with high performance for solid polymer electrolytewater electrolysis.Journal of Power Sources 240(2013)525-529)将CCM膜电极在120℃下进行热处理后，催化层中的质子导电聚合物与溶液再铸法制备的膜共同结晶，因而提升了催化层与质子交换膜的结合力强化了电性能，但研究发现使用传统热处理方法后，质子导电聚合物往往会变的更加致密，自由质子载体的可进入量减少，因而制约了质子交换膜本身以及催化层内质子传导能力的进一步提升。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法用于增强膜电极性能。此方法将膜电极进行整体热处理，并在热处理过程中引入溶剂水分子，使用密闭容器抑制热处理过程中水的蒸发，在聚合物玻璃态转变温度附近进行处理。本方法在保留传统热处理方法对膜电极界面的强化效果的基础上提升了膜电极中质子导电聚合物的质子传导能力，进一步降低膜电阻与催化层的反应电阻，可获得比传统热处理法更优的电极性能。此外，这一热处理过程中膜电极始终处于完全吸水状态，与实际电解中的完全被水浸润的环境更为接近，不会出现传统热处理过程中因膜电极加热失水而引起的尺寸收缩，因而有利于膜电极反应界面的稳定。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的不锈钢密闭容器内，随后在所述密闭容器加入纯水进行热处理，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后保存于纯水中。在本发明中，密闭容器加入纯水后在固态聚合物的玻璃态转变温度附近进行热处理。

由于质子导电聚合物的玻璃态转变温度高于常压下水的沸点，因此本发明的热处理方法利用密闭容器来抑制液态水的蒸发，使膜电极在聚合物玻璃态转变温度下仍处于被水浸润的状态，处理过程中能提高聚合物内自由质子载体即水的进入量，降低膜电阻提升膜电极性能。在本发明中，溶剂纯水为液态。

优选地，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～140℃下加热2～4h。