一种膜电极的制备方法及膜电极技术

一种膜电极的制备方法及膜电极，属于膜电极技术领域，克服采用现有技术制得的膜电极催化层与聚合物电解质膜易剥离、导致膜电极性能和寿命降低的缺陷。本发明专利技术膜电极的制备方法包括以下步骤：步骤1、将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合，得混合液A，将所述混合液A涂覆在基板上，制备阳极催化层；步骤2、将离子聚合物悬浮液与第二溶剂混合，得混合液B，在所述阳极催化层上原位涂覆混合液B，制得聚合物电解质膜；步骤3、将阴极催化剂、离子聚合物悬浮液、第三溶剂混合混合，得混合液C，将所述混合液C涂覆在所述聚合物电解质膜上，制备阴极催化层。本发明专利技术制得的膜电极阳极催化层与聚合物电解质膜不易剥离。合物电解质膜不易剥离。合物电解质膜不易剥离。

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极的制备方法及膜电极


[0001]本专利技术属于膜电极
，具体涉及一种膜电极的制备方法及膜电极。

技术介绍

[0002]可再生能源的快速发展使其“间歇性”的缺点在大规模应用中成为日益突出的问题。通过电转气技术比如水电解将可再生能源所发的电转化为氢气，可以大大增强电力系统的灵活性从而提高可再生能源的消纳能力。因此电转气技术正成为可再生能源发展和应用的重要方向。固体聚合物电解质水电解制氢技术具备快速启停优势，同时具有环境友好、产氢纯度高、能量效率高、易于维护等优点，能匹配可再生能源发电的波动性，逐步成为电转气制氢主流技术。以聚合物电解质(PEM)电解水制氢为例，目前PEM水电解制氢已迈入10MW级别示范应用阶段，100MW级别的PEM电解槽也正在开发。
[0003]膜电极组件(Membrane Electrode Assembly,MEA)是固体聚合物电解质水电解装置的核心部件，主要由固体聚合物电解质膜(离子交换膜)、催化剂、气体扩散层三个关键材料和边框组成。传统的膜电极组件制备方法可分为两大类：气体扩散电极法(gas diffusion electrode，GDE)和催化剂涂覆膜法(catalyst coated membrane，CCM)。与GDE相比，CCM使用固体聚合物电解质膜的核心材料作为离子传导相，降低了催化层与聚合物电解质膜之间的质子传输阻力，增加了催化剂和聚合物电解质的接触面积，在一定程度上提高了膜电极的性能以及催化剂的利用率和耐久性，因此是当今主流的燃料电池膜电极商业制备方法。r/>[0004]但是，由于CCM的催化层与聚合物电解质膜的溶胀性的差别和水电解特殊的工作环境(长时间在强酸、高电压的水环境下运行，反应产生氢气、氧气等对催化层的冲刷)，易导致催化层与聚合物电解质膜的剥离，从而增加催化层与聚合物电解质膜之间的接触电阻，降低质子传导能力，影响膜电极的寿命。
[0005]若采用较高的热压温度和压力虽然会增强催化层与膜之间的接触界面，但由于离子聚合物较差的耐高温性能和催化层相对较低的结构强度，高温高压会破坏离子聚合物的离子传导性能和催化层的多孔结构，从而降低膜电极的性能和寿命。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服采用现有技术制得的膜电极催化层与聚合物电解质膜易剥离、导致膜电极性能和寿命降低的缺陷，从而提供一种膜电极的制备方法及膜电极。
[0007]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0008]一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合，得混合液A，将所述混合液A涂覆在基板上，制备阳极催化层；
[0010]步骤2、将离子聚合物悬浮液与第二溶剂混合，得混合液B，在所述阳极催化层上原
位涂覆混合液B，制得聚合物电解质膜；
[0011]步骤3、将阴极催化剂、离子聚合物悬浮液、第三溶剂混合混合，得混合液C，将所述混合液C涂覆在所述聚合物电解质膜上，制备阴极催化层。
[0012]进一步的，所述步骤1满足条件(1)
‑
(4)中的至少一项：
[0013](1)所述阳极催化层中，离子聚合物的负载量为阳极催化剂负载量的50％到100％；
[0014](2)所述阳极催化层中，所述阳极催化剂的负载量为0.4～3mg/cm2；
[0015](3)将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合后，进行超声水浴分散，得到混合液A；
[0016]可选地，所述超声水浴分散时间为10～60min；
[0017](4)将所述混合液A涂覆在基板上后，进行干燥，所述干燥温度为0
‑
200℃、时间为1s
‑
48h。
[0018]进一步的，所述步骤2满足以下条件中的至少一项：
[0019](1)制得的聚合物电解质膜的厚度为10
‑
200μm；
[0020](2)涂覆混合液B后，进行干燥；所述干燥温度为0
‑
200℃、时间为1s
‑
48h；
[0021](3)第二溶剂包括异丙醇和水，所述异丙醇与水的质量比例为(2～8):1。
[0022]进一步的，所述步骤3满足以下条件中的至少一项：
[0023](1)阴极催化层中，阴极催化剂的负载量为0.05～3mg/cm2；
[0024](2)涂覆混合液C后，进行干燥，所述干燥温度为0
‑
200℃、时间为1s
‑
48h。
[0025]进一步的，所述阳极催化剂为Ir、Pt、Ru、Pd、Au、Cu、Ni、Sn、Ag中的一种或两种以上的合金，或者其氧化物；和/或
[0026]阴极催化剂为Ir、Pt、Ru、Pd、Au、Cu、Ni、Sn、Ag中的一种或两种以上的合金，或者其氧化物。
[0027]进一步的，所述步骤1～步骤3中的涂覆采用喷涂；
[0028]可选地，为气体雾化喷涂或超声辅助雾化喷涂。
[0029]进一步的，所述基板材料为金属板、聚四氟乙烯、玻璃、聚碳酸酯或云母板。
[0030]进一步的，所述离子聚合物悬浮液中，离子聚合物的质量含量为5％～10％；
[0031]所述离子聚合物为Nafion树脂、阴离子聚合物AS
‑
4或A201。
[0032]离子聚合物的种类视水电解运行的体系而定，阴离子聚合物和者阳离子聚合物分别应用于阴离子交换膜和质子交换膜水电解的膜电极。
[0033]进一步的，第一溶剂包括水、异丙醇、正丙醇、甲醇、乙醇中的一种或多种；
[0034]第二溶剂包括水、异丙醇、正丙醇、甲醇、乙醇中的一种或多种；
[0035]第三溶剂包括水、异丙醇、正丙醇、甲醇、乙醇中的一种或多种。
[0036]根据上述膜电极的制备方法制得的膜电极。
[0037]基板使用前，对其进行清洗去除表面附着物。
[0038]待阴极催化层干燥后，将基板和得到的膜电极整体浸入水中、或者在基板上用水直接浸透膜电极将膜电极从基板上取下，也可不用水浸透，直接将膜电极从基板上直接取下。
[0039]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0040]1.本专利技术提供的膜电极的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合，得混合液A，将所述混合液A涂覆在基板上，制备阳极催化层；步骤2、将离子聚合物悬浮液与第二溶剂混合，得混合液B，在所述阳极催化层上原位涂覆混合液B，制得聚合物电解质膜；步骤3、将阴极催化剂、离子聚合物悬浮液、第三溶剂混合混合，得混合液C，将所述混合液C涂覆在所述聚合物电解质膜上，制备阴极催化层。
[0041]本专利技术先在基板上制备阳极催化层，再在所述阳极催化层上原位涂覆离子聚合物悬浮液制备聚合物电解质膜，在阳极催化层上直接原位铸膜，液相的良好流动性其部分渗透进阳极催化层，这样在铸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合，得混合液A，将所述混合液A涂覆在基板上，制备阳极催化层；步骤2、将离子聚合物悬浮液与第二溶剂混合，得混合液B，在所述阳极催化层上原位涂覆混合液B，制得聚合物电解质膜；步骤3、将阴极催化剂、离子聚合物悬浮液、第三溶剂混合混合，得混合液C，将所述混合液C涂覆在所述聚合物电解质膜上，制备阴极催化层。2.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1满足条件(1)
‑
(4)中的至少一项：(1)所述阳极催化层中，离子聚合物的负载量为阳极催化剂负载量的50％到100％；(2)所述阳极催化层中，所述阳极催化剂的负载量为0.4～3mg/cm2；(3)将阳极催化剂、离子聚合物悬浮液、第一溶剂混合后，进行超声水浴分散，得到混合液A；(4)将所述混合液A涂覆在基板上后，进行干燥，所述干燥温度为0
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200℃、时间为1s
‑
48h。3.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2满足以下条件中的至少一项：(1)制得的聚合物电解质膜的厚度为10
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200μm；(2)涂覆混合液B后，进行干燥；所述干燥温度为0
‑
200℃、时间为1s
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48h；(3)第二溶剂包括异丙醇和水，所述异丙醇与水的质量比例为(2～8):1。4.根据权利要求1所述的膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤3满足以下条件中的至少一项：(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谯耕，杜尚峰，朝木日丽格，滕越，王缔，宋洁，叶青，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院有限公司国网安徽省电力有限公司电力科学研究院国家电网有限公司北京智慧能源研究院，
类型：发明
国别省市：