用于制作膜-电极组合件的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于制作具有质子交换膜的膜-电极组合件的方法，其包括：-提供(100)质子交换膜；-在第一气体扩散层的第一面上沉积(102)阴极电催化墨；-组装(104)所述质子交换膜与所述第一气体扩散层，包括将所述气体扩散层的第一面与所述质子交换膜的第一面固定；-然后，在所述质子交换膜与所述第一面相反的第二面上沉积(106)阳极电催化墨；-然后，组装(108)第二气体扩散层与所述膜，包括将所述膜的第二面与所述第二气体扩散层的第一面固定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过电解制备气体，特别是用于使用质子交换膜实施水的低温电解来 制备氢气的装置。
技术介绍
预期燃料电池作为未来大规模生产的机动车辆的电源系统，并用于大量的应用。 燃料电池为将化学能直接转化为电能的电化学装置。氢气用作燃料电池的燃料。氢气在电 池的一个电极上被氧化，空气中的氧气在电池的另一个电极上被还原。该化学反应生成水。 燃料电池的一大优点在于在发电的地方避免大气污染化合物的排放。 开发这类燃料电池的主要困难之一在于氢气的合成和获取。在陆地上，氢仅与氧 (以水的形式）、与硫（硫化氢）、与氮（氨）或与碳（天然气或油类的化石燃料）结合大量 存在。因此，氢气的制备需要消耗化石燃料，或者利用大量的低成本能源通过热手段或电化 学手段由水的分解获得氢气。 最普遍使用的由水制备氢气的方法从而在于利用电解原理。为了实施这类方法， 利用质子交换膜（PEM)制作的电解槽是已知的。在这类电解槽中，阳极和阴极固定在质子 交换膜的两侧，并且与水接触地放置。在阳极和阴极之间施加电势差。因此，通过水的氧化 在阳极处生成氧。在阳极处的氧化还生成H+离子，其穿过质子交换膜到达阴极，而电子通 过电源返回到阴极。在阴极处，还原H+离子以生成氢气。 H7H2对的标准氢电极（SHE)的电势（在lOOkPa和298. 15K)等于0V。02/H20对 的标准电势SHE等于1. 23V SHE。在本说明书中，电势相对于标准氢电极的电势表达，并表 示为V SHE。因此，阳极材料必须耐受高电势（一般>1.5V SHE)。贵材料通常用于此，例 如阴极上的钼或阳极上的铱。 电解槽的性能水平表现出在一定程度上与有关 的限制。 在已知的制作方法中，基于直接在膜上沉积并干燥电催化墨的第一类方法和基于 在面对电极放置的电流分配器的材料上沉积并干燥墨的方法之间有区别。 通过在膜的两个相反面上沉积两个电催化层来制作膜/电极组合件（ΑΜΕ)可以根 据大量不同的变化方案来实施。 根据第一变化方案，阳极墨和阴极墨独立地沉积在外部支撑体上。然后，这些沉积 物在热压期间转移到膜。该变化方案提供能够控制催化剂在电极中的载量的优点。在另一 方面，转移有时是困难的，特别是在两种沉积物同时转移时更是如此。两种沉积物的同时转 移避免进行两次热压，热压会造成热应力和机械应力，从而可能使膜在其未来使用中变脆。 然而，该变化方案确实存在相当高水平的不可逆废物。实际上，即使两种转移物中只有一种 损坏，这也会造成两个电极和膜报废。 根据第二变化方案，例如在专利申请 W02012/044273A1 (UTC POWER CORPORATION) 中所描述的，电催化墨直接沉积在质子交换膜上。该沉积最初使膜膨胀，然后在干燥时以相 当明显的幅度收缩，这是因为膜几乎没有支撑。这些变形在沉积物中产生会引起电极中发 丝裂缝的机械应力。这类发丝裂缝的直接后果是降低电极的电子渗流，并由此降低其导电 性。此外，发丝裂缝会影响电极/膜亲合性。 在操作中，膜完全浸入到水中。该浸入使其膨胀率最大，这加重在电极-膜界面处 存在的机械应力。该ΑΜΕ的变性降低电解槽的能量效率及其使用寿命。 与该变化方案有关的另一问题源于由电催化墨中存在的溶剂，例如乙醇、异丙醇 等造成的膜的损坏。该损坏增加膜的渗透性，这降低电解槽的使用寿命。另外，由电解槽制 备的气体于是为较不纯净的，这可以证明对电解槽的使用是有害的。 此外，在已经在膜上沉积第一电极之后，该膜不再是完全平坦的以继续沉积第二 电极。对于第二电极，前述应力和不均一'丨生的问题于是被放大。 基于在电流分配器上沉积电催化墨的方法呈现出一些缺点，主要在阳极上。实际 上，水的电氧化需要的过电压是高的。因此，ΡΕΜ电解槽的阳极电势通常是非常高的（>1.6V SHE)，使得不能使用在阴极侧上或在具有质子交换膜的燃料电池中常用的碳质材料以及特 别是碳的扩散层（毡制品、纸、织物）。因此，用作阳极的电流分配器通常为烧结的多孔钛或 钛格栅。电催化层的直接沉积具有堵塞分配器的主要缺陷，从而限制水传输到催化剂。此 夕卜，当电催化层沉积在分配器上时，一部分催化剂容纳在分配器的孔隙内部，并且不参与操 作。另外，电极/膜界面是总体上不令人满意的。这些缺点体现在对电解槽的性能水平的 明显限制。 此外，在分配器上沉积使电解槽难以重复利用，这是因为在电流分配器的间隙中 存在的贵金属的分离变得更困难。此外，常用的分配器，例如烧结的多孔钛需要昂贵的机械 加工，这在经济方面限制使用烧结材料用于每种膜/电极组合件的可能性。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决一个或更多个这些缺陷。因此，本专利技术涉及一种用于制作具 有质子交换膜的膜-电极组合件的方法，如所附的权利要求中所限定的。 【附图说明】 参照附图，根据以表述和非限制性实例给出的以下说明，本专利技术的其他特征和优 点会清楚地显现，其中： -图1为一种示例性的包含膜-电极组合件的电解装置的示意性横截面图； -图2为一种用于制作图1的膜-电极组合件的方法的流程图； -图3到7图示了在图2方法的不同步骤中制作图1的膜-电极组合件。 【具体实施方式】 本专利技术提出一种用于制作具有质子交换膜的膜-电极组合件的方法。在制作阳极 之前，在气体扩散层上制作阴极，然后将该气体扩散层与质子交换膜组装，这降低了制作阳 极期间该质子交换膜损坏的风险。 图1表示电解装置1。该装置1适合于当在该装置1的阳极和阴极之间施加电势 差时通过电解水（H 20)来制备氢气（H2)。这种通过电解水制备氢气包括以下化学反应同时 进打：2H20 - 4H++4e +02 和 2H++2e - H2。 为此，装置1包括电化学池2和电源3。 电化学池2包括： -膜电极组合件（ΑΜΕ) 4， -两个密封件201和202， -由导电材料制成的两个电源板203和204,和 -两个气体扩散层（也被称为多孔电流分配器）205和206。 组合件4包含质子交换膜410以及阴极403和阳极404。 膜410的功能为在水电解期间被来自于阳极404的质子穿过到达阴极403,同时阻 挡电子和由水电解生成的氧气（〇 2)和氢气。质子交换膜的氢气透过性比其氧气透过性大。 在该实例中，膜410为氟化聚合物材料层，例如由DuPont公司以商品名Nafion销售的材 料。此处，膜410为平坦形式的。 阴极403和阳极404紧固在该膜410的两侧，在该膜410的相反面上。阴极403 固定到膜410的第一面上。阳极404固定到膜410与第一面相反的第二面上。阴极403和 阳极404中的每一个都包含配置以有利于电解化学反应的催化剂材料。该催化剂材料一般 为贵金属。例如，阴极403的催化剂材料为钼。 在本说明书中，阴极403和阳极404通过沉积电催化墨层来制作。在本说明书中， 阴极电催化墨会用来表示形成阴极403的墨层，且阳极电催化墨会用来表示形成阳极 404的墨层。在下文中会更详细地说明用于制作该阴极403和该阳极404的方法，特别是参 照图2。 在该实例中，在沉积之前，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制作具有质子交换膜的膜‑电极组合件的方法，其特征在于所述方法包括：‑提供(100)质子交换膜(410)；‑在第一气体扩散层(205)的第一面(205A)上沉积(102)阴极电催化墨；‑组装(104)所述质子交换膜与所述第一气体扩散层，包括将所述第一气体扩散层的所述第一面与所述质子交换膜的第一面(410A)固定；‑然后，在所述质子交换膜的与所述第一面相反的第二面(410B)上沉积(106)阳极电催化墨；‑然后，组装(108)第二气体扩散层与所述膜，包括将所述膜的所述第二面与所述第二气体扩散层(206)的第一面固定。

【技术特征摘要】
2013.03.22 FR 13525791. 一种用于制作具有质子交换膜的膜-电极组合件的方法，其特征在于所述方法包 括： -提供（100)质子交换膜（410); -在第一气体扩散层（205)的第一面（205A)上沉积（102)阴极电催化墨； -组装（104)所述质子交换膜与所述第一气体扩散层，包括将所述第一气体扩散层的 所述第一面与所述质子交换膜的第一面（410A)固定； -然后，在所述质子交换膜的与所述第一面相反的第二面（410B)上沉积（106)阳极电 催化墨； -然后，组装（108)第二气体扩散层与所述膜，包括将所述膜的所述第二面与所述第二 气体扩散层（206)的第一面固定。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所沉积的阳极电催化墨包括以下组分的混合物： -悬浮在含水溶剂中的催化剂； -悬浮在有机溶剂中的包含聚合物的黏合剂。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述阳极电催化墨的混合物包含重量浓度小于5% 的醇。4. 根据权利要求2或3所述的方法，其中所述阳极电催化墨的催化剂包含氧化铱。5. 根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其中所述阳极电催化墨的干提取物表现 出小于10%的催化剂重量浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷米·文森特，埃里克·梅耶斯，丹尼斯·特朗布莱，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR