[发明专利]一种电解用膜电极催化层微观结构的优化方法

说明书

本发明涉及一种电解用膜电极催化层微观结构优化方法。本发明通过优化催化层中Nafion与催化剂之间的比例可以调整催化层的微观孔结构，改善催化层催化剂颗粒的团聚程度，从而改善电解池的运行性能和稳定性。将通过本方法优化的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池时具有较好的性能。本发明在可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。

技术领域

本发明涉及一种电解用膜电极催化层微观结构优化方法。本发明通过优化催化层中Nafion与催化剂之间的比例可以调整催化层的微观孔结构，改善催化层催化剂颗粒的团聚程度，从而改善电解池的运行性能和稳定性。将通过本方法优化的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池、可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。

背景技术

在众多的新能源中，氢能是一种理想的二次能源，可由地球上丰富的水资源获取。氢燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，且燃烧产物为水，是最洁净的能源，而且生成的水又可以由电解水继续制氢。近年来，固体聚合物电解质(PEM)水电解技术因其高效、零排放、结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，成为了制氢领域的研究热点，而且其产物高纯度的氧也已用于航天、医疗、分析等领域。膜电极作为PEM水电解池核心部件，进行结构上的优化是提高电解效率和稳定性是各国研究人员的工作重点。

阴阳极催化层催化剂的团聚或流失引起膜电极性能降低SPE水电解池性能衰减的主要原因之一。在PEM水电解池结构中，膜电极组件是电解池的核心，两极催化层与质子交换膜的表面密切接触，从而降低了两极之间的电压降。其中，催化层由催化剂和Nafion组成。直接影响到电解效率、电解能耗、电解成本以及电解池的寿命。传统的膜电极制备工艺是将催化剂涂覆在气体扩散层上，制备气体扩散层电极。但气体扩散层电极与质子交换膜的表面接触并不紧密，从而会在两极之间产生较大的电压降。因此更有利于降低催化层与质子交换膜之间接触电阻的催化剂覆膜电极得到人们的广泛关注。然而该催化剂覆膜电极中Nafion与催化剂的比例直接影响催化层自身的微观结构以及电极本身的孔隙率，优化催化层中Nafion与催化剂的质量比，获得更为性能更为优异的催化剂覆膜电极，将具有广阔的应用前景。

催化剂覆膜电极(CCM，catalyst coated membrane)可通过热压法，电化学沉积法，喷涂等方法将催化剂制备在质子交换膜上。采用CCM法制得的膜电极组件由于催化层与质子交换膜之间接触更为紧密，因而具有阻抗小的特点，在本发明中我们就采取CCM法来制备膜电极，通过优化催化层中Nafion与催化剂之间的比例可以改善催化层催化剂颗粒的团聚程度，改善催化层孔结构，从而改善电解池的运行性能和稳定性。

发明内容

本发明通过优化催化层中Nafion与催化剂之间的比例可以调整催化层的微观孔结构，改善催化层催化剂颗粒的团聚程度，从而改善电解池的运行性能和稳定性。将通过本方法优化的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池、可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值

一种优化的微观孔结构的新型的膜电极组件，其催化层基本制备步骤和特征如下：

(1)首先将一定量的催化剂与Nafion按照5:1～8:1的质量比混合在一定量的乙醇/异丙醇/正丙醇中，催化剂与乙醇/异丙醇/正丙醇的质量比为1:10～1:40，将混合好的浆料超声混合10～30min。

(2)将(1)中混合好的催化剂浆料喷涂在膜的两侧，上述喷涂操作均在热台上进行，热台温度维持恒定在55～85℃。