[发明专利]一种膜电极组件及制备方法

说明书

本发明涉及一种膜电极组件及制备方法，属于电化学技术领域。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层和阳极催化层；通过在催化剂层中添加多种活性组分，有助于降低活化过电势，大大提升催化析氢和析氧的活性；阴极第二活性组分和阳极第二活性组分可分别对阴极第一活性组分和阳极第一活性组分起到稀释作用，增加阴极第一活性组分和阳极第一活性组分的分散度和稳定性，防止阴极第一活性组分和阳极第一活性组分的迁移、团聚和流失，从而可大大减少贵金属的使用量；还可消除或减缓金属阳离子欠电位沉积和气体交叉‑渗透尤其是在高压、高温操作条件下对膜电极的损害，同时提高产品气的纯度。

技术领域

本发明涉及一种膜电极组件及制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

氢能源是一种能量密度高并且无污染的理想清洁能源和能源载体，利用可再生能源发电和电解水制氢被认为是未来大规模能源存储的最佳解决方案之一。在已成熟或逐渐商业化的电解水制氢技术中，质子交换膜水电解(PEMWE)相比碱性水电解(AWE)不使用腐蚀性电解质，具有更加高效、安全、清洁、结构紧凑等优点，其对输入的快速动态响应特性、大的电流密度工作范围、高效率以及可在高压差下工作等特性非常适合与可再生能源联用，为氢储能提供了最理想的前景。但是PEMWE成为商业上可行的大规模制氢解决方案仍然面临重大挑战，如：催化剂和质子交换膜的耐久性不足，铂族金属基催化剂的使用成本高，集电器的腐蚀以及兆瓦级功率的制氢设备国产化进程慢等。

PEMWE使用固体聚合物电解质膜(或质子交换膜)作为离子导体，在阳极处将水氧化产生氧气，在阴极处产生氢。作为PEMWE最关键的核心部件，膜电极组件(MEA)是进行电化学反应和多相物质传输的场所，对PEM电解制氢装置的能耗、寿命、成本至关重要。与质子交换膜燃料电池(PEMFC)类似，用于PEMWE的MEA也具有类似三明治的结构，即包括阴/阳极催化层和质子交换膜的三层MEA，也可拓展到包含阴/阳极气体扩散层和密封边框的五层和七层MEA。高性能MEA制备技术一直是电化学领域的核心技术，除要获得最佳的电解或发电性能外，还必须考虑质子交换膜、催化剂、气体扩散层等材料的耐久性以及气体交叉渗透等实际工程应用问题。因此，研究高活性、低成本、长寿命的MEA及其制备工艺对于加快PEMWE商业化进程具有十分重要的意义。

目前，用于PEMWE和PEMFC的膜电极制备工艺大多数是通过喷涂法或直接涂布法将催化剂直接涂覆在质子交换膜的两侧，制得催化剂涂层膜(catalyst coated membrane，CCM)膜电极。虽然采用上述方法可以提高质子交换膜和催化层之间的粘附性，但是制备膜电极时会因催化剂浆料中溶剂的使用而导致质子交换膜溶胀起皱，从而影响其表面平整性，且在另一面涂覆催化剂层时更加困难；同时，在大析气量场合及水气的持续剧烈冲刷下，尤其是在高压、高温操作条件下，上述方法难以保证催化层和质子交换膜的紧密贴合，导致催化层的剥离、脱落、流失等情况，从而导致膜电极内阻增加和性能下降。这些对提高膜电极性能、降低制造成本以及规模化生产极为不利。因此，在获得高的电解效率的同时，设法保证膜电极组件的长期运行寿命，降低膜电极组件成本，提高批量化制备效率对于PEM电解制氢尤其是MW级大规模PEM制氢的市场推广意义重大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种膜电极组件及制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种膜电极组件，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；