【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体为一种pem电解水膜电极及其制备方法。
技术介绍
1、pem（质子交换膜）水电解技术是制备绿氢的一种重要途径，其优势包括工作电流密度高、氢气纯度高、响应速度快，且能够适应可再生能源发电的波动性，因此被认为是最具潜力的氢气制备方式之一。pem水电解槽的核心部件是膜电极（mea），通常由阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层组成。有时，还会包括一些功能性层，如消氢层、离聚物过渡层等。膜电极的催化层是电解水过程中发生电化学反应的核心部分，其中阳极催化层进行析氧反应，阴极催化层进行析氢反应，电解槽两极间施加一定电压（通常约2.0v）以驱动反应。
2、作为一种电化学装置，pem水电解槽的能效和耐久性与其内阻密切相关。较低的内阻不仅能降低电解槽工作电压，减少能量消耗，还能减少因高电压带来的材料腐蚀，因此要求膜电极层间的界面连接尽可能紧密，以减少接触电阻。传统的pem电解槽通常采用烧结钛板、钛毡等材料作为多孔传输层，这些材料在电解过程中发挥着重要作用。然而，现有的多孔传输层材料与催化层之间的界面连接并不理想，主要受到材料的导电性、表面氧化层以及材料结构的限制。
3、首先，金属钛的导电性相对较差，且表面容易形成氧化层，进一步降低其导电性能。其次，钛材质的多孔传输层与催化层之间的孔隙结构差异较大。以钛毡为例，其孔隙尺寸通常为几百微米，而催化层的孔隙则只有几微米，二者之间的孔隙尺度相差两个数量级，这导致膜电极层间界面接触不紧密，电子传导路径不足，接触电阻较大。此外，电解槽催化层常常存在孔径小、孔隙率低
4、因此，现有技术中存在着膜电极层间连接不紧密、催化层导电性和传质能力较差的问题，显著影响了pem电解槽的性能和稳定性。因此，开发一种新的膜电极设计，增强膜电极层间的连接、降低界面接触电阻、提高水气传输效率，成为提高pem电解水技术性能和延长其使用寿命的关键。
技术实现思路
1、基于此，有必要提供一种能增强膜电极层间的连接、降低界面接触电阻、提高水气传输效率的pem电解水膜电极及其制备方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种技术方案：
3、一种pem电解水膜电极，其特征在于，所述pem电解水膜电极由上到下依次包括：阳极多孔传输层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔传输层；
4、其中，阳极催化层包括第一阳极催化层和第二阳极催化层，所述第二阳极催化层位于阳极多孔传输层和所述第一阳极催化层之间；
5、所述第二阳极催化层将析氧催化剂、pfsa分散液和导电聚合物通过静电纺丝工艺制备而成。其中，所述析氧催化剂包括铱黑、氧化铱、铱基负载型和合金型催化剂中的至少一种。
6、进一步地，所述导电聚合物包括聚噻吩、聚吡咯和聚乙炔中的至少一种。
7、进一步地，阳极多孔传输层的孔径为100μm~1000μm，第一阳极催化层的孔径为0.1μm~10μm，第二阳极催化层的孔径为50μm~200μm。
8、进一步地，第二阳极催化层厚度为5μm ~20μm。
9、进一步地，pfsa分散液和导电聚合物重量比为3:1~1:3。
10、本专利技术还提供一种pem电解水膜电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：
11、阳极多孔传输层、第二阳极催化层、第一阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔传输层依次通过转印堆叠在一起，即得所述pem电解水膜电极。
12、pem电解水膜电极的具体制备步骤如下：
13、s100、制备第一阳极催化层
14、向全氟磺酸(pfsa)分散液中加入醇和去离子水，通过超声细胞破碎仪对pfsa进行初步分散，而后加入析氧催化剂，转移到装有球磨珠的球磨罐中密封，通过球磨机再次分散，即得第一阳极催化剂浆料。所述析氧催化剂包括铱黑、氧化铱、铱基负载型和合金型催化剂中的至少一种。
15、其中，阳极催化剂浆料固含量15~30%，醇的含量25%~75%，超声功率100~500w，料球比1:1~1:4，转速50~500rpm，温度-5~60℃，时间8~72h;
16、使用桌面涂布机将第一阳极催化剂浆料均匀涂覆在基膜表面，加热干燥，得到第一阳极催化层。
17、其中，涂布机的底板温度25~80℃，涂布湿膜厚度50~150μm，涂布杆线速度为0.1~0.5m/min，干燥时间为1~20min，第一阳极催化层厚度5~15μm，铱载量0.3~2.0 mg/cm2;
18、s200、制备阴极催化层
19、向pfsa分散液中加入醇和去离子水，通过超声细胞破碎仪对pfsa进行初步分散，而后加入析氢催化剂，转移到装有球磨珠的球磨罐中密封，通过球磨机再次分散，即得阴极催化剂浆料的。所述析氢催化剂包括铂黑、铂碳、铂基负载型催化剂和铂基合金型催化剂中的至少一种。
20、其中，阴极催化剂浆料固含量7~13%，醇含量25%~75%，超声功率100~500w，料球比1:1~1:4，转速50~500rpm，温度-5~60℃，时间8~72h;
21、使用桌面涂布机将阴极催化剂浆料均匀涂覆在基膜表面，加热干燥，得到阴极催化层。涂布机底板温度25~80℃，涂布湿膜厚度50~150μm，涂布杆线速度为0.1~0.5m/min，干燥时间为1~20min，阴极催化层厚度5~15μm，铂载量0.1~0.4 mg/cm2;
22、s300、制备第二阳极催化层
23、将析氧催化剂、pfsa分散液和导电聚合物溶液混合，超声搅拌均匀后形成前驱体溶液；所述析氧催化剂包括铱黑、氧化铱、铱基负载型和合金型催化剂中的至少一种。第一阳极催化层和第二阳极催化层中的析氧催化剂可以相同也可以不同。
24、将所述前驱体溶液吸入注射器中，注射器与推进器相连，将纺丝喷头固定在所述推进器上，在纺丝收集器上覆盖一层基膜，调节参数进行静电纺丝，完成后放入烘箱，烘干得到第二阳极催化层。
25、其中，静电纺丝的电压为1kv ~30kv，静电纺丝的温度为20℃~80℃，静电纺丝的湿度为20%~80%，静电纺丝的时间为0.5h ~12h。
26、推进器的推送速度为0.3ml/h ~3ml/h，收集器与注射器的针头距离为5cm ~25cm。
27、s400、制备pem电解水膜电极
28、将第一阳极催化层、质子交换膜和阴极催化层裁切为合适尺寸并堆叠在一起，通过转印机，将第一阳极催化层和阴极催化层转印到质子交换膜两侧，得到第一膜电极，转印机的转印温度为80℃~180℃，转印压强为2mpa ~5mpa，转印时间为2min ~10min。
29、将第二阳极催化层裁切成合适大小，叠放在前述制备的第一膜电极的第一阳极催化层表面，通过转印机，将第二阳极催化层转印到第一阳极催化层表面，得到第二膜电极，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种PEM电解水膜电极，其特征在于，所述PEM电解水膜电极由上到下依次包括：阳极多孔传输层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔传输层；
2.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，所述导电聚合物包括聚噻吩、聚吡咯和聚乙炔中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，阳极多孔传输层的孔径为100μm~1000μm，第一阳极催化层的孔径为0.1μm~10μm，第二阳极催化层的孔径为50μm~200μm。
4.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，第二阳极催化层厚度为5μm ~20μm。
5.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，PFSA分散液和导电聚合物重量比为3:1~1:3。
6.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，所述第二阳极催化层的制备步骤包括：
7.根据权利要求6所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，静电纺丝的电压为1KV ~30KV，静电纺丝的温度为20℃~80℃，静电纺丝的湿度为20%~80%，静电纺丝的时
8.根据权利要求6所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，推进器的推送速度为0.3ml/h~3ml/h，收集器与注射器的针头距离为5cm ~25cm。
9.根据权利要求1所述的PEM电解水膜电极，其特征在于，所述析氧催化剂包括铱黑、氧化铱、铱基负载型和合金型催化剂中的至少一种。
10.一种如权利要求1~9中任意一项权利要求所述的PEM电解水膜电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种pem电解水膜电极，其特征在于，所述pem电解水膜电极由上到下依次包括：阳极多孔传输层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔传输层；
2.根据权利要求1所述的pem电解水膜电极，其特征在于，所述导电聚合物包括聚噻吩、聚吡咯和聚乙炔中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的pem电解水膜电极，其特征在于，阳极多孔传输层的孔径为100μm~1000μm，第一阳极催化层的孔径为0.1μm~10μm，第二阳极催化层的孔径为50μm~200μm。
4.根据权利要求1所述的pem电解水膜电极，其特征在于，第二阳极催化层厚度为5μm ~20μm。
5.根据权利要求1所述的pem电解水膜电极，其特征在于，pfsa分散液和导电聚合物重量比为3:1~1:3。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：肖维，吴波，
申请(专利权)人：氢辉能源深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：
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