[发明专利]一种膜电极组件及制备方法

权利要求书

1.一种质子交换膜电解水膜电极组件，其特征在于：所述组件包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层；

所述阴极催化剂层由阴极第一活性组分和阴极第二活性组分组成，以所述阴极催化剂的总质量为100%计，所述阴极第一活性组分的质量分数为30~100%，不包括100%；所述阴极第二活性组分的质量分数为0~70%，不包括0；所述阴极第一活性组分为Pt、Pd、Ru、Ni、Fe、Co、Mo、Ag、Re或Os；或所述阴极第一活性组分为Pt、Pd、Ru、Ni、Fe、Co、Mo、Ag、Re和Os中两种以上元素形成的合金；或所述阴极第一活性组分为负载有Pt、Pd、Ru、Ni、Fe、Co、Mo、Ag、Re和Os中的一种以上的负载型催化剂；所述阴极第二活性组分为Pt、Pd、Ru、Ir、Ag、Au、Mn、Co、Ni、Fe、Mo、Ag、Re、Os或Cu的氧化物；或所述阴极第二活性组分为Pt、Pd、Ru、Ir、Ag、Au、Mn、Co、Ni、Fe、Mo、Ag、Re、Os和Cu的两种元素以上的多元氧化物；或所述阴极第二活性组分为负载有Pt、Pd、Ru、Ir、Ag、Au、Mn、Co、Ni、Fe、Mo、Ag、Re、Os和Cu中两种以上的负载型催化剂，且当阴极第一活性组分为负载型催化剂时，阴极第一活性组分和阴极第二活性组分不同；

所述阳极催化剂层由阳极第一活性组分和阳极第二活性组分组成，以所述阳极催化剂的总质量为100%计，所述阳极第一活性组分的质量分数为30~90%，所述阳极第二活性组分的质量分数为10~70%；所述阳极第一活性组分为Ir、Rh、Ru、Pt、Pd、Ag或Au的氧化物；或所述阳极第一活性组分为Ir、Rh、Ru、Pt、Pd、Ag和Au的两种元素以上的多元氧化物；所述阳极第二活性组分为Ir、Ru、Pd、Ag、Pt、Au、Ti、Sn、Co、Ni、V、Sr、Zr、Nb、Mo、Tc、Sb、Mn、Hf、Ta、W、Ge或Bi，或所述阳极第二活性组分为Ir、Ru、Pd、Ag、Pt、Au、Ti、Sn、Co、Ni、V、Sr、Zr、Nb、Mo、Tc、Sb、Mn、Hf、Ta、W、Ge和Bi中两种以上元素形成的合金，或所述阳极第二活性组分为Ir、Ru、Pd、Ag、Pt、Au、Ti、Sn、Co、Ni、V、Sr、Zr、Nb、Mo、Tc、Sb、Mn、Hf、Ta、W、Ge和Bi中两种以上元素且至少包含一种贱金属元素的多元氧化物；

所述质子交换膜电解水膜电极组件通过以下方法制备得到，所述方法步骤如下：

（1）质子交换膜的预处理：将质子交换膜依次用H₂O₂溶液、H₂SO₄溶液在50~120℃温度下进行热处理，然后放入真空吸附加热平台上50~100℃下烘干0.5~2h，得到预溶胀的质子交换膜；

（2）催化剂浆料的制备：将所述阴极催化剂和阳极催化剂分别与粘结剂、分散剂、添加剂混合均匀，在150~1000W功率下超声震荡0.5~1h，形成均匀分散的阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料；

所述粘结剂为全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯胺、环糊精串接聚苯胺预聚体、聚苯胺聚氧化乙烯和聚苯胺/聚丙烯酸中的一种以上；

所述分散剂为电阻率大于等于10MΩ·cm的水、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿和丙酮中的一种以上；

所述添加剂为聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯二胺、聚邻苯二胺、聚间苯二胺、果胶、树胶、乙酸乙酯、甲基纤维素和羟甲基纤维素中的一种以上；

所述阴极催化剂或阳极催化剂与粘结剂、分散剂、添加剂的质量比为1：0.1~0.8：1~200：0~1；

（3）CCM膜电极的制备：将所述预溶胀的质子交换膜放入真空吸附加热平台上，加热台温度恒定在50~90℃，吸附压力恒定在0.2~0.8MPa；将所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料分别喷涂到所述预溶胀的质子交换膜两侧，烘干5~30min，得到CCM膜电极；其中，真空吸附加热平台与质子交换膜接触的部分附有多孔介质；

（4）膜电极组件的制备：在所述CCM膜电极的两侧分别放置聚四氟乙烯薄片或聚偏氟乙烯薄片，然后放置于两块金属板之间，进行三阶段热压：第一阶段在50~130℃、0.1~3MPa下压制1~60min；第二阶段在温度大于130℃小于等于150℃，且第二阶段与第一阶段温差为10~30℃，压力大于3MPa小于等于7MPa下，压制0.5~10min；第三阶段在温度大于130℃小于等于150℃，压力大于7MPa小于等于15MPa下，且第三阶段与第二阶段压差大于等于0.5MPa，压制0.1~5min；压制结束后冷却至室温，揭下聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯薄片，得到一种膜电极组件。