一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法技术

本发明专利技术公开了固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，用于进一步强化膜电极性能。首先使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，随后将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的密闭容器内，在所述内胆中加入纯水并密封，通过提升水的蒸汽压来抑制聚合物玻璃态转变温度下水的蒸发，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后保存于纯水中。本发明专利技术使用本方法处理后的膜电极比传统热处理法性能更优，且适合大面积膜电极的热处理。

Heat treatment method of CCM film electrode of solid polymer membrane water electrolysis device

The invention discloses a heat treatment method of a CCM film electrode of a solid polymer membrane water electrolysis device, which is used for further strengthening the performance of the membrane electrode. The first to use CCM prepared by solid polymer membrane electrolyser CCM membrane electrode, then the solid polymer CCM film electrode of the whole is placed in a sealed container liner of tetrafluoroethylene within add pure water in the liner and seal, lift the water pressure through steam to suppress the polymer glass transition temperature of water evaporation, the the heat treatment conditions for the closed container will join the water 90 to 100 DEG C under preheating after 0.5 ~ 2H, 120 ~ 160 DEG C under heating of 2 ~ 4h, until the natural cooling to room temperature preservation in pure water. The membrane electrode treated by the method has better performance than the traditional heat treatment method, and is suitable for the heat treatment of large area membrane electrodes.

【技术实现步骤摘要】
一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法
：本专利技术属于固态聚合物水电解器膜电极
，具体涉及一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法。
技术介绍
：固态聚合物膜水电解器是一种将电能转化为化学能的装置，它基于固态聚合物离子导电膜可以实现纯水的电解。采用全氟磺酸型质子交换膜的水电解器具有电解效率高，寿命长、体积小的优点，可用于高纯氢、高纯氧的快速制备以及可再生能源系统的储能。固态聚合物膜水电解器的性能取决于膜电极，当前水电解器中主要采用的是CCM(catalystcoatedmembrane)膜电极，其制备方法是由固态聚合物膜燃料电池中发展而来。为了强化膜电极性能，一般在膜电极制备完毕后会伴随一个热处理过程，即在聚合物膜的玻璃态转变温度附近对膜电极进行加热处理，这一过程可增加质子交换膜及催化层中质子导电聚合物的结晶度，在一定程度上提高膜本体以及催化层内的质子传导能力，并且还可增加催化层与膜的结合强度，如Wang等人(X.Y.Wang,etal.Acocrystallizedcatalyst-coatedmembranewithhighperformanceforsolidpolymerelectrolytewaterelectrolysis.JournalofPowerSources240(2013)525-529)将CCM膜电极在120℃下进行热处理后，催化层中的质子导电聚合物与溶液再铸法制备的膜共同结晶，因而提升了催化层与质子交换膜的结合力强化了电性能，但研究发现使用传统热处理方法后，质子导电聚合物往往会变的更加致密，自由质子载体的可进入量减少，因而制约了质子交换膜本身以及催化层内质子传导能力的进一步提升。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法用于增强膜电极性能。此方法将膜电极进行整体热处理，并在热处理过程中引入溶剂水分子，使用密闭容器抑制热处理过程中水的蒸发，在聚合物玻璃态转变温度附近进行处理。本方法在保留传统热处理方法对膜电极界面的强化效果的基础上提升了膜电极中质子导电聚合物的质子传导能力，进一步降低膜电阻与催化层的反应电阻，可获得比传统热处理法更优的电极性能。此外，这一热处理过程中膜电极始终处于完全吸水状态，与实际电解中的完全被水浸润的环境更为接近，不会出现传统热处理过程中因膜电极加热失水而引起的尺寸收缩，因而有利于膜电极反应界面的稳定。为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的不锈钢密闭容器内，随后在所述密闭容器加入纯水进行热处理，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后保存于纯水中。在本专利技术中，密闭容器加入纯水后在固态聚合物的玻璃态转变温度附近进行热处理。由于质子导电聚合物的玻璃态转变温度高于常压下水的沸点，因此本专利技术的热处理方法利用密闭容器来抑制液态水的蒸发，使膜电极在聚合物玻璃态转变温度下仍处于被水浸润的状态，处理过程中能提高聚合物内自由质子载体即水的进入量，降低膜电阻提升膜电极性能。在本专利技术中，溶剂纯水为液态。优选地，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～140℃下加热2～4h。优选地，所述的固态聚合物膜为全氟磺酸型质子交换膜。全氟磺酸质子交换膜的热处理温度为120℃～140℃，全氟磺酸型质子交换膜的玻璃化转变温度为140℃左右。优选地，所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极包含位于膜表面的阴极催化层和/或阳极催化层。优选地，所述固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的制备方法，包括如下步骤：(1)使用Nafion膜做为固态聚合物膜，将Nafion膜使用双氧水80℃下处理，随后纯水洗净，转移至0.5M的硫酸中处理，纯水洗净，得到质子化的Nafion膜；(2)取阳极催化剂加入纯水、异丙醇和质量浓度为5％的全氟磺酸树脂溶液后，配制成阳极催化剂墨水，在60℃下采用喷涂或涂覆法负载于Nafion膜一侧；(3)取阴极催化剂加入纯水、异丙醇、质量浓度为5％的全氟磺酸树脂溶液和质量浓度为60％的聚四氟乙烯乳液配制成阴极催化剂墨水，在60℃下采用喷涂或涂覆法在负载有阳极催化层的固态聚合物膜的另一侧制作阴极催化层得到固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，并将固态聚合物膜水电解器CCM膜电极保存于纯水中。步骤(2)和(3)中加热条件为水浴加热，或其他能实现喷涂或涂覆法使阴阳极催化剂墨水可以负载于Nafion膜上的加热方式均可以。制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极前，所使用的固态聚合物电解质膜一般需要先进行前处理。以Nafion质子交换膜为例，干态的膜裁剪后置于质量浓度为5％的的双氧水中，80℃下水浴加热1h去除有机杂质，随后纯水洗净置于0.5M的硫酸中80℃下水浴加热1小时做离子交换，冷却后浸于纯水中保存，以上为前处理步骤。本专利技术提出的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极还可以采用本专利技术方法在其中一侧单独负载某一极的催化层，另一侧无催化层或将另一极催化层负载于气体扩散层上，随后再与膜电极结合。如，可在膜的一侧负载阳极催化剂，阴极催化剂则负载于碳纸表面，随后将碳纸有阴极催化剂的一侧朝向未负载催化剂的膜一侧组装得到膜电极。也可将阴极催化剂负载于膜的一侧，阳极催化剂负载于多孔钛板上，随后进行组装得到膜电极。进一步的，所述的阳极催化剂选自铂、铱、钌、铅的金属、合金或氧化物中的一种或多种；所述的阴极催化剂选自铂、钯、钌的金属、合金或以碳材料为载体的铂、钯、钌金属、合金中的一种或多种。优选地，所述热处理的条件为将引入溶剂纯水的密闭容器95℃下预热1h后，此预热过程的目的是缓慢蒸发容器中的水，用于增加密闭容器内水的蒸汽压提升水的沸点，而直接升温易导致容器中水的剧烈沸腾，产生的气泡则会引起膜电极表面部分催化层的脱落。预热完毕后则可进入热处理步骤在140℃下加热2h，待自然冷却至室温后取出保存于纯水中。优选地，所述固态聚合物膜水电解器CCM膜电极在所述密闭容器中的放置方式为完全浸没于纯水中。本专利技术的有益效果是：1、密闭容器的采用可抑制水在较高的聚合物热处理温度下的蒸发，而热处理过程中水的加入则不仅能保留传统热处理对膜电极界面的强化效果，还可增强质子导电聚合物的质子传导能力，进一步降低膜电阻与电化学反应电阻，因而增强了膜电极的性能；2、采用本方法热处理后膜电极面积有了一定的增大，因此在制作膜电极前可减少固态聚合物膜的用量，有助于降低膜电极的制造成本。附图说明：图1为本专利技术实施例1与对比例1方法热处理后的膜电极组装水电解器后的电化学阻抗谱；图2为本专利技术实施例1处理方法的膜电极的稳定性测试曲线；图3为本专利技术实施例2与对比例2方法处理后的膜电极的极化曲线。具体实施方式：以下实施例是对本专利技术的进一步说明，而不是对本专利技术的限制。除特别说明，本专利技术中的实验材料和试剂均为本
常规市购产品。实施例1一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，包括如下步骤：(1)取4×4cm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于，使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的不锈钢密闭容器内，随后在所述密闭容器加入纯水进行热处理，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后取出膜电极保存于纯水中。

【技术特征摘要】
1.一种固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于，使用CCM法制备固态聚合物膜水电解器CCM膜电极，将所述的固态聚合物CCM膜电极整体置于带有四氟乙烯内胆的不锈钢密闭容器内，随后在所述密闭容器加入纯水进行热处理，所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～160℃下加热2～4h，待自然冷却至室温后取出膜电极保存于纯水中。2.根据权利要求1所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于：所述热处理的条件为将加入纯水的密闭容器90℃～100℃下预热0.5～2h后，120℃～140℃下加热2～4h。3.根据权利要求1所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于：所述的固态聚合物膜为全氟磺酸型质子交换膜。4.根据权利要求1或2所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于：所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极包含位于膜表面的阴极催化层和/或阳极催化层。5.根据权利要求1或3所述的固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的热处理方法，其特征在于，所述固态聚合物膜水电解器CCM膜电极的制备方法，包括如下步骤：(1)使用Nafion膜做为固态聚合物膜，将Nafion膜使用双氧水80℃下处理，随后纯水洗净，转移至0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：史言，闫常峰，郭常青，王志达，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44