[发明专利]用于制作膜-电极组合件的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

H⁺/H₂对的标准氢电极(SHE)的电势(在100kPa和298.15K)等于0V。O₂/H₂O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，例如阴极上的铂或阳极上的铱。

电解槽的性能水平表现出在一定程度上与用于制作膜-电极组合件的方法有关的限制。

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(AME)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WO2012/044273A1(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AME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，前述应力和不均一性的问题于是被放大。

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，PEM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。此外，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。