【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电解水制氢膜电极及其制备方法，尤其是涉及一种具有分层催化层结构的电解水制氢膜电极及其制备方法。
技术介绍
1、质子交换膜电解池是一种重要的电化学设备，将电能转化为化学能，其结构如图1所示，主要由电解水制氢膜电极1、气体扩散层2(如钛多孔扩散层)和双极板3组成，用于电解水制氢等应用。膜电极是质子交换膜电解池的核心组成部分，决定了质子交换膜电解池的能量利用效率和能耗。膜电极的基本结构如图2所示，主要由阳极12、阴极13和质子交换膜11组成，其中阳极和阴极分别位于质子交换膜11的两侧，并与之紧密接触。阳极12和阴极13上通常覆盖着贵金属催化剂层，如铂和铱，以促进水的解离和氢气/氧气的产生。
2、膜电极的催化剂层通常通过热压转印法或喷涂法进行制备。两种方法都是将催化剂和醇类溶剂制备成浆料，并使用热压转印法或喷涂法将浆料沉积在质子交换膜上沉积为催化层。然而，这两种方法制备出的催化层结构都存在一定的缺陷。热压转印法是通过加热和压力，将预先沉积在特氟龙膜上的催化层转移到质子交换膜上。由于热和压力的作用，该方法制得的膜电极的催化层结构更加致密和平整，有利于催化层与钛多孔扩散层的导电接触。但是，该方法也会因为热和压力的作用重新塑造催化层的结构，使催化层表面形成一层不利于内部电解产生的氧气气泡传输出来的致密离聚物层，降低了膜电极性能。喷涂法是将催化剂浆料直接喷涂到质子交换膜上沉积为催化层，制备的催化层结构更加蓬松，表面不易形成致密离聚物层，有利于氧气气泡的传输，但催化剂浆料中的醇类溶剂与质子交换膜的直接接触使质子交换膜
3、专利申请cn115125549a公开了一种电解水制氢低铱膜电极的制备方法，通过使用负载型一维有序阵列低铱膜电极有序化结构，可以降低传质的极化效应，有效传递水分子和电子以及热量，从而增加贵金属催化剂与载体和水的三相接触界面面积，提高贵金属的性能，降低贵金属用量，增加贵金属利用率。其制备过程首先在硬质的钛板上进行催化剂的生长，增加了额外的工序，一方面其成本显著提高，另一方面这种复杂的工序不利于膜电极的批量生产。且该制备方法仍采用热压转印法制备表面催化层，仍会因为表面存在致密的离聚物层，而出现传质极化导致性能下降。
4、专利申请cn116936888a公开了一种非对称式的一体式气体扩散膜电极及其制备方法，该膜电极的制备方法包括以下步骤：在基板上涂覆一层全氟磺酸溶液，然后将气体扩散电极的催化层面覆盖于全氟磺酸溶液上表面，热处理后获得组件a；在组件a的膜侧沉积催化剂制备非对称式的一体式膜电极。该膜电极具备较高的耐久性和稳定性，且制备方法简单方便。但是该膜电极是直接将催化剂沉积在质子交换膜上，这种方式会导致质子传输阻力更大，继而导致膜电极的欧姆极化变大，性能下降。
5、综上所述，现有的膜电极存在以下技术问题：膜电极催化层表面存在的致密离聚物层或者膜电极催化层表面的不均匀结构导致膜电极性能降低，严重限制了膜电极电解制氢的商业化应用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电解水制氢膜电极及其制备方法，降低电极的活化损失、欧姆损失和传输损失。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电解水制氢膜电极的制备方法，该方法先将部分催化剂层浆料通过热压转印在质子交换膜上得到具有致密平整的底部催化层，随后在其上使用喷涂法喷涂剩余催化剂层浆料，得到分层结构膜电极。
3、进一步地，所述的催化剂层浆料包括质量比为：1：(0.1-1)：(40-60)的催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂，催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂的质量比优选1：(0.2-0.4)：(45-55)，进一步优选1：0.3：50。
4、进一步地，所述的催化剂层浆料是将，催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂混合超声分散得到。
5、进一步地，所述的全氟磺酸离聚物为或者其它全氟磺酸离聚物，所述的溶剂为乙醇或者异丙醇。质子交换膜两侧分别设置分层结构的阳极催化剂层和阴极催化剂层，其中阳极催化剂层浆料中采用的催化剂为二氧化铱或者铱黑催化剂，阴极催化剂层浆料中采用的催化剂为铂催化剂。
6、进一步地，所述的热压转印的具体步骤为：将催化剂层浆料采用超声喷涂机或者刮涂的方法，沉积在基底上，制得热压片，然后将所得热压片覆盖在全氟磺酸质子交换膜表面，热压，然后揭除基底，得到具有底层致密催化层的膜电极。
7、进一步地，所述的基底为特氟龙薄膜基底；
8、所述的热压的压力为0.1-1mpa，优选0.4-0.6mpa，进一步优选0.5mpa，热压的温度为100℃-150℃，优选110℃-130℃，进一步优选120℃，热压的时间为1-10min，优选2-4min，进一步优选3min。
9、进一步地，热压的压力和热压的温度用于调控底层致密层的平整程度以及致密程度，底层致密层的平整程度以及致密程度视膜电极的催化剂载量而定。
10、进一步地，所述的催化剂层浆料分为两份，其中一份占催化剂层浆料总重量的40-60％(优选50％)通过热压转印在质子交换膜上，剩余部分通过喷涂法负载在热压转印得到的催化层表面。
11、进一步地，两份催化剂层浆料的用量比决定膜电极底部致密层的厚度，底层致密层的厚度视膜电极的催化剂载量而定。
12、本专利技术还提供一种采用所述的制备方法制得的电解水制氢膜电极。
13、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
14、(1)本专利技术结合了喷涂法和热压转印法，先通过热压转印在质子交换膜上得到具有致密平整的底部催化层，随后在其上使用喷涂法喷涂浆料，如此喷涂时浆料中的醇类溶剂不会直接接触质子交换膜导致膜的形变，就能够得到疏松平整且没有表面致密离聚物层的表面结构。这样的分层膜电极设计规避了热压法和喷涂法两者的缺点，并利用了它们的优点。一方面平整的表面能够增强阳极催化层与钛多孔扩散层的导电接触降低欧姆损失，另一方面多孔蓬松的催化层也能有利于电解过程中阳极催化层中产生的氧气气泡离开催化层降低传输损失，从而提高质子交换膜电解水制氢膜电极的性能，降低电解槽的能耗。
15、(2)本专利技术通过改进催化层的制备过程，使质子交换膜电解槽中核心部件膜电极的催化层形成分层结构，通过增强催化层与扩散层的导电接触，并强化电解水过程中阳极氧气气泡的析出和传输，实现对质子交换膜电解水制氢膜电极性能的强化，提高制氢时的能量利用效率，降低使用该膜电极的电解槽的能耗。解决质子交换膜电解水堆膜电极制备过程中，膜电极的阳极催化层表面会形成不导电且阻碍电解氧气泡传输的致密离聚物层，进而导致膜电极性能下降的问题。
16、(3)本专利技术的膜电极制备方法减少了表面致密离聚物层的形成，方法简单且低成本，仅需简单调整膜电极制备工序，而无需采用新的材料及工艺，且能够显著提高电解水制氢膜电极的性能，提高电解池的电解制氢本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，该方法先将部分催化剂层浆料通过热压转印在质子交换膜上得到具有致密平整的底部催化层，随后在其上使用喷涂法喷涂剩余催化剂层浆料，得到分层结构膜电极。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂层浆料包括质量比为：1：(0.1-1)：(40-60)的催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂。
3.根据权利要求2所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂层浆料是将催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂混合超声分散得到。
4.根据权利要求3所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的全氟磺酸离聚物为或者其它全氟磺酸离聚物，所述的溶剂为乙醇或者异丙醇；
5.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的热压转印的具体步骤为：将催化剂层浆料采用超声喷涂机或者刮涂的方法，沉积在基底上，制得热压片，然后将所得热压片覆盖在质子交换膜表面，热压，然后揭除基底，得到具有底层致密催化层的膜电极。
6.根据权利要求5所述的一种电解
7.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂层浆料分为两份，其中一份占催化剂层浆料总重量的40-60％通过热压转印在质子交换膜上，剩余部分通过喷涂法负载在热压转印得到的催化层表面。
8.一种采用权利要求1-7任一所述的制备方法制得的电解水制氢膜电极。
9.根据权利要求8所述的一种电解水制氢膜电极，其特征在于，包括质子交换膜，及其两侧设置的阳极催化层和阴极催化层，所述的阳极催化层和阴极催化层均为质子交换膜表面依次设置的致密平整的底部催化层和多孔蓬松的表面催化层。
10.根据权利要求9所述的一种电解水制氢膜电极，其特征在于，所述的底部催化层的厚度为7微米，表面催化层厚度为3微米，底部催化层孔隙率为40～60％，表面催化层孔隙率为60～80％。
...【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，该方法先将部分催化剂层浆料通过热压转印在质子交换膜上得到具有致密平整的底部催化层，随后在其上使用喷涂法喷涂剩余催化剂层浆料，得到分层结构膜电极。
2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂层浆料包括质量比为：1：(0.1-1)：(40-60)的催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂。
3.根据权利要求2所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂层浆料是将催化剂、全氟磺酸离聚物和溶剂混合超声分散得到。
4.根据权利要求3所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的全氟磺酸离聚物为或者其它全氟磺酸离聚物，所述的溶剂为乙醇或者异丙醇；
5.根据权利要求1所述的一种电解水制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述的热压转印的具体步骤为：将催化剂层浆料采用超声喷涂机或者刮涂的方法，沉积在基底上，制得热压片，然后将所得热压片覆盖在质子交换膜表面，热压，然后揭除基底，得到具有底层致密催化层的膜电...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫晓晖，袁述，章俊良，殷洁炜，赵聪凡，沈水云，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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