[发明专利]一种固体电解质水电解膜电极及其制备方法

说明书

本发明属于一种电解水制氢装置，涉及一种固体电解质膜电极及其制备方法，本发明通过调节水电解膜电极阳极粘结剂和催化剂的分布，制备双催化层阳极结构，低粘结剂含量的催化层有利于气体扩散与物质传输，而高粘结剂含量的催化层结构有利于质子的传质和增加质子透过率，本发明结合这两种优点，制备了双催化层结构，并将其用于固体电解质水电解膜电极，提升电解水的制氢效率。

技术领域

本发明属于电解水领域，具体涉及一种固体电解质水电解膜电极及其制备方法。

背景技术

固体聚合物电解质水电解技术作为碱性水电解制氢的一种可行的替代品，特别是在可再生能源中得到了广泛的关注。与水-碱电解槽相比，固体电解质水电解槽的主要优点在于其简单性、可持续循环运行能力、安全性和低维护性。然而，对于该技术的实际应用和推广，仍有许多问题有待解决，例如如何降低系统成本，如何提高系统的性能和耐久性等。

膜电极是固体电解质水电解槽的关键部件，电化学反应只发生在“三相界面”，在这里反应物、电解质和电子聚集在一起。高性能的固体电解质水电解应具有以下特点：(1)催化剂与膜结合良好；(2)反应材料、电解液和电传导催化剂接触的三相边界充足；(3)催化层与膜之间的电阻率最小；(4)结构简单，便于水的输送以及气体进出催化活性区；(5)一定的渗滤路径以获得层的高电导率；(6)容易释放气泡。因此，膜电极的制备对于固体电解质电解槽的性能改进至关重要。

目前，用于固体电解质水电解的膜电极的制备与质子交换膜燃料电池的制备相似，并且大多数是通过喷涂方法制备膜电极，通过该方法将催化剂直接喷射到膜上或集流体衬底上。采用催化剂喷涂/涂覆膜法制备了固体电解质水电解用膜电极，该方法得到了较低的催化剂负载，提高了聚合物电解质与催化层之间的粘附性，从而提高了固体电解质水电解膜电极的性能。然而，在液体乙醇或异丙醇存在下，当催化剂油墨在膜上扩散或喷涂时，全氟磺酸膜的膨胀和变形已证明其在应用上尚存在问题。为了避免这一问题，研究人员为高温下的固体电解质水电解准备了方法，全氟磺酸膜通常在喷涂前转化为钠离子，以提高其强度，防止变形和收缩。这些方法虽然取得了较好的效果，但由于成本昂贵，需要进行复杂的预处理和后处理，在实际应用中难以实现。

申请号为201810284792.8的专利申请公开了一种用于固体电解质水电解膜电极催化剂浆料的制备方法，将催化剂浆料用球磨机快速磨10~30分钟。通过这一方法能够有效降低催化剂颗粒的团聚、提高催化剂的分散性，同时该举措有利于浆料中各种溶剂分子和质子导体的均匀分散。然而，催化剂浆料在不同的容器中转移会造成一定的损失，且超声分散已经可以使得催化剂浆料分撒得足够均匀，因此如果再增加球磨步骤会增加催化剂浆料制备过程中的损失，增加成本。

申请号为201810523201.8的专利提出了一种可用于贵电解质水电解的有序膜电极，在固体聚合物膜两侧制备背部开孔的氮氧化钛纳米管阵列。这一方法类似于氢氧燃料电池中的原位生长有序化膜电极，但氢氧燃料电池的反应物为气体，因此在操作过程中有序化阵列不容易被破坏，而水电解时会在阳极通入液态水，大量的液态水在传输过程中容易破坏有序化电极。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷与不足，本发明提出一种固体电解质水电解膜电极及其制备方法。

该发明所提出的解决相应技术问题的技术方案为：

一种固体电解质水电解膜电极，其特征在于：所述膜电极包含固体电解质膜，阳极基底层、阴极基底层分别设置于所述固体电解质膜的两侧，在所述固体电解质膜与所述阳极基底层之间设置有阳极双催化层，在所述固体电解质膜与所述阴极基底层之间设置有阴极催化层，其中，所述阳极双催化层包括靠近所述阳极基底层设置的第一阳极催化层和靠近所述固体电解质膜设置的第二阳极催化层。