[发明专利]PEM水电解用质子膜与CCM一体化制备方法及装置

说明书

本发明公开了PEM水电解用质子膜与CCM一体化制备方法及装置，装置采用多喷头和狭缝式涂布头组合式，多喷头可以将催化层多组份复合浆料不同组分各自独立在超短时间内实现喷涂，精确控制不同组分喷涂速率及雾化程度，解决催化剂浆料中不同催化剂、粘结剂在同种溶液中分散性差的问题；制备方法是在基底上依次完成基膜预处理层、催化层1、功能层1、复合增强膜、功能层2、催化层2等多层复合，实现PEM水电解复合增强膜与CCM催化层一体化制备；最终使PEM膜电极具有较低面电阻，较高的电导率、传质速率及化学耐久性，进而降低PEM电解水的成本，提升寿命。

技术领域

本发明涉及质子交换膜水电解领域，尤其涉及一种PEM水电解用质子膜与CCM一体化制备方法及装置。

背景技术

氢能以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视作最理想的能源载体。电解水制氢是目前获得纯氢最简单的方法，如果将其与可再生资源发电技术相结合，电解水可以作为大规模制氢技术，对环境的污染小、温室气体排放少、经济性较好，具有良好的应用前景。质子交换膜电解水技术是通过电解水生成氧气和氢气，水流入通道、经过扩散层扩散到质子交换膜阳极侧，在催化剂作用下电解产生氧气和氢离子，氧气随着未参加电解的去离子水通过含氧去离子水通道流出电解槽，而氢离子则穿过质子交换膜到阴极侧，然后生成氢气，并通过阴极扩散层流入氢气排出通道。

由于PEM水电解为高电位、强析气、富氧环境，因此膜电极材料需要具有良好的化学稳定性，同时也需要有足够好的电子电导性和导热性，因此选择同时具有高化学稳定性和高导电导热性的材料成为PEM水电解膜电极材料的关键。在研究中，质子交换膜的降解主要包括机械降解、热降解以及化学降解，其中化学降解是长期运行中质子交换膜的主要降解方式。对于PEM的化学降解，在燃料电池操作中，反应气体的渗透，催化剂铂的溶解与再沉积，过渡金属离子杂质以及自由基的生成等许多因素都会造成膜的化学降解；而在水电解条件下，常常伴随H₂O₂的产生，当过渡金属离子与H₂O₂共存时，H₂O₂易分解HO·HOO·等自由基，进攻质子交换膜。目前普遍认为化学降解主要是自由基(HO·HOO·)攻击聚合物膜的主链或侧链所致。因此，提高质子交换膜的化学稳定性成为一个十分重要的课题。

此外，在PEM水电解膜电极制备过程，由于阴阳极所选贵金属催化剂材料的不同，导致催化剂浆料的分散也具有不同的难度，浆料中各组分在不同溶剂中的分散度有较大差异，导致混合浆料制备的催化层均匀性欠佳，进而影响膜电极的电化学特性及适用寿命，因此优化膜电极制备工艺仍是目前急需解决的问题。并且，膜电极在运行过程中，所涉及的质子传导及机械强度仍是考察膜电极电化学性能及耐久性的重要指标。

发明内容

本发明的目的是提供一种PEM水电解用质子膜与CCM一体化制备方法及装置，旨在解决催化剂层各组分不均匀以及质子交换膜传导性差、机械强度低等问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一方面，本发明提供了一种PEM水电解用CCM制备方法，包括以下步骤：

(1)配置浆料：所述浆料包括预处理浆料、催化剂浆料I、催化剂浆料II、粘结剂浆料I、功能纳米粘结剂浆料、粘结剂浆料II；

所述预处理浆料包括碳粉；所述粘结剂浆料I的溶质为短侧链全氟磺酸树脂，质量浓度为0.1-2％；所述功能纳米粘结剂浆料包括短侧链全氟磺酸树脂和功能纳米粒子，其中，短侧链全氟磺酸树脂的质量浓度为2-10％；