[发明专利]一种固体聚合物电解质电解槽用膜电极组件及制备方法

说明书

本发明提供了一种固体聚合物电解质电解槽用膜电极组件及制备方法，包括固体聚合物电解质膜、在固体聚合物电解质膜两侧的阴极和阳极催化剂涂覆层，阴极和阳极催化剂涂覆层两侧处分别设有阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，通过一定工艺组合在一起成为膜电极组件；其中，所述的阳极催化剂为内部为氧化钌、外部为氧化铱的核壳结构催化剂；所述的阳极气体扩散层为多孔钛板或泡沫钛并含有所述的核壳结构催化剂；所述的一定工艺组合为热压工艺形成组件；本发明提供的膜电极组件可实现低成本、高活性、长寿命的SPE电解槽应用。

技术领域

本发明属于电解水制氢技术领域，具体涉及SPE电解槽用膜电极组件及制备方法。

背景技术

利用可再生能源制氢将水转化为清洁氢，不仅制备得到高纯度的氢(高达99.999％)，无需二次提纯，直接可以供氢燃料电池使用，还可以降低了制氢成本，对于规模化发展氢燃料电池汽车进行了有力支撑。固体聚合物电解质(SPE)电解技术是一种新兴的电解水技术，SPE电解槽具有结构紧凑，电流密度高，耐压力大，制氢纯度高等优点，引起了大量的关注。

固体聚合物电解质电解槽结构中，由固体聚合物电解质膜和分别置于电解质膜两侧的阴极和阳极催化剂涂覆膜和分别位置于阴极和阳极催化剂涂覆膜两侧的阴极和阳极扩散层组成的组件称为膜电极组件。电解槽水解原理为水(H₂O)在阳极催化剂涂覆膜侧失去电子生成氧气(O₂)和氢离子(H⁺)，H⁺通过电解质膜到达阴极侧，在阴极催化剂的催化作用下生成氢气(H₂)。生成的O₂和H₂分别通过阳极和阴极气体扩散层(GDL)排出电解槽。可见，膜电极组件对电解槽的经济成本、水解效率、运行寿命和功率能耗等方面有着关键性影响。然而，目前，膜电极组件中存在着催化剂的高成本，阳极侧反应动力学缓慢引起的较大的过电势，大电流密度下较低的传质效率引起水解效率不足，运行寿命有待提升等问题因此，在一定程度上抑制了固体聚合物电解质电解槽的规模化发展。

针对上述问题，研究者们分别采用了不同的改性和优化手段来降低膜电极组件成本，提升其水解效率和运行寿命。Faustini团队通过蒸发自组装机制，采用喷雾干燥法制备了高于商业IrO₂的高度多孔Ir_0.7Ru_0.3O₂的阳极低铱含量的混合氧化物，并利用转印法制备了膜电极组件，降低了膜电极组件的成本(Advanced Energy Materials,2018,1802136)。JANG等人采用电沉积将阳极催化剂IrO₂沉积在钛纸(网)气体扩散层上，以便增加电极和电解液的接触界面，提高阳极催化剂利用率，降低膜电极组件用阳极催化剂的成本，提高电解水效率(美国专利US 20190071786A1)。俞红梅课题组通过优化膜电极组装时的加热稳定和不同组装压力来降低接触界面阻抗，提高电解水效率及运行寿命(中国专利CN201610861749)。然而，以往的优化或改性手段很少有做到在降低膜电极组件催化剂成本的同时能够保持高的水解效率和长期的运行寿命，这对进一步提高固体聚合物电解槽规模化推广是不利的。

发明内容

本发明基于上述技术存在的不足，提供一种SPE电解槽用膜电极组件及制备方法。

基于上述技术存在的不足，本发明采用以下技术方式来实现：

一种SPE电解槽用膜电极组件及制备方法，包括固体聚合物电解质膜、在固体聚合物电解质膜两侧的阴极和阳极催化剂涂覆层，阴极和阳极催化剂涂覆层两侧处分别设有阴极气体扩散层和阳极气体扩散层，通过一定工艺组合在一起成为膜电极组件；其中，所述的阳极催化剂为内部为氧化钌、外部为氧化铱的核壳结构催化剂；所述的阳极气体扩散层为多孔钛板，泡沫钛或钛网并含有所述的核壳结构催化剂；所述的一定工艺组合为热压工艺形成组件；

较佳地，所述的阳极催化剂为非晶氧化铱自组装生长在氧化钌的表面(RuO₂@IrO_x)的核壳催化剂；