[发明专利]一种固体电解质水电解膜电极的制备方法

说明书

本发明公开了一种固体电解质水电解膜电极的制备方法：首先配制阴极和阳极催化剂浆料和粘结剂浆料；其次将阴极催化剂浆料涂布在质子交换膜表面；再将多种阳极催化剂浆料涂布在支撑基膜上，接着继续将粘结剂浆料涂布在复合面，最后将阳极催化剂层和阴极催化剂层两部分辊压复合，得到CCM，并与碳纸、塑料边框热压成型，制备成PEM水电解膜电极；本发明解决水电解运行过程中造成的催化剂脱落和性能衰减并且优化膜电极表面的气泡传输能力，提升膜电极的催化效率。

技术领域

本发明涉及一种固体电解质水电解膜电极的制备方法，属于水电解领域。

背景技术

近年来，固体聚合物电解质(PEM)水电解技术因其高效、零排放、结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，成为了制氢领域的研究热点，而且其产物高纯度的氧也已用于航天、医疗、分析等领域。膜电极作为PEM水电解池核心部件，进行结构上的优化是提高电解效率是各国研究人员的工作重点。

质子交换膜水电解池(PEMWE)的电解过程，在水电解池中，阳极在外加电压作用下失去电子，即水在阳极失去电子并析出氧气，产生氢离子。氢离子通过水合氢离子的形式通过质子交换膜，在阴极得到外电路的电子生成氢气。在这种电解池的结构中，膜电极组件是电解反应的发生场所，是电解池的核心部分。其组成包括：为电化学反应发生的催化层，导水、导氢离子的质子交换膜(PEM)以及传递水与气体的扩散层。其中，催化层由催化剂和Nafion组成。膜电极组件是电解池的核心，直接影响到电解效率、电解能耗、电解成本以及电解池的寿命。传统的膜电极制备工艺是将催化剂涂覆在气体扩散层上，制备气体扩散层电极。但气体扩散层电极与质子交换膜的表面接触并不紧密，从而会在两极之间产生较大的电压降。

将催化剂浆料直接涂布在质子交换膜两侧制备的膜电极更有利于降低催化层与质子交换膜之间接触电阻，此外由于PEM作为电解质的水电解槽和燃料电池工作方式不同，所以适合PEM作为电解质的水电解槽使用的E-MEA与燃料电池膜电极有很大的不同。因为在PEM作为电解质的水电解槽阳极侧反应产生的中间产物和初生态的氧具有很强的氧化性，容易与炭等材料发生反应。此外由于膜电极两侧气体析出导致的气泡过电位是导致电解水能量效率低和膜电极寿命短的关键技术难题之一，尤其在电解水工业生产中，通常需要大的电流，故会在膜电极表面上产生大量气泡，当气泡不能立即脱离膜电极表面时会使电极有效工作面积减小，阻止反应的继续进行，增加反应的过电位。

因此如何快速脱离电极表面的气泡以获得性能更为优异的催化剂涂覆膜电极，使得PEMWE的性能大大提升是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体电解质水电解膜电极的制备方法，一方面解决水电解长期运行过程中造成的催化剂脱落和性能衰减；另一方面，优化膜电极表面的气泡传输能力，提升膜电极的催化效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一方面，本发明提供了一种固体电解质水电解CCM，所述CCM从一侧至另一侧依次包括阴极催化剂层、质子交换膜、粘结剂层、阳极催化剂层一、阳极催化剂层二、阳极催化剂层三；所述阴极催化剂层为多孔结构；各催化剂层均含有催化剂和全氟磺酸树脂；所述阴极催化剂层中催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶0.25-0.3；所述阳极催化剂层一中催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶5-7.5；所述阳极催化剂层二中催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶1-1.5；所述阳极催化剂层三中催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1∶0.25-0.5。

另一方面，本发明提供了一种上述固体电解质水电解CCM的制备方法，步骤如下：

(1)浆料配制：分别配置催化剂浆料1、催化剂浆料2、催化剂浆料3、催化剂浆料4和粘结剂浆料；