本发明专利技术提供一种用于固态聚合物水电解器中膜电极的制备方法，在固态聚合物电解质膜的两面各形成一个催化层，其中至少一个催化层通过以下方法形成：将固态聚合物电解质膜的一侧与50～95℃的纯水接触，利用水温对固态聚合物电解质膜进行均匀加热，在膜保持溶胀状态下，在没有与水接触的一面负载催化剂墨水，形成催化层。通过本发明专利技术方法制作的膜电极具有良好的均一性，且比传统CCM法性能更优。本发明专利技术还提供一种用于实施上述方法的装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水电解器领域，具体涉及一种用于固态聚合物水电解器中膜电极的制备方法，以及实施这种方法的装置。
技术介绍
固态聚合物水电解器是一种基于固态聚合物膜的水电解装置，它具有电解效率高、寿命长、安全性好、快速启停的优势，可用于大规模制氢、制氧及可再生能源发电系统的储能。膜电极是水电解器的核心组件，目前主流的薄层膜电极的制备方法主要有转印法与CCM(Catalyst Coated Membrane)法。转印法是将催化层制作在转印介质表面，随后通过热压与膜结合形成膜电极。CCM法则是直接将催化层制作于膜表面，这一过程中可以不使用热压。转印法中的热压过程不仅会造成膜电极的收缩，减少催化层中的孔道，而且其制作工艺也较复杂。CCM法回避了热压步骤，操作比转印法简单，但其制作过程是大多在膜干态下进行的，如中国专利CN 101463487 B采用真空吸附的方法，将质子交换膜吸附在真空加热板表面，随后在膜的两面涂覆催化层得到膜电极。当将此类膜电极用于水电解器时，水的进入会使固态聚合物膜发生显著溶胀，但此时催化层的溶胀程度较小，因此会增加膜与催化层间的应力影响膜电极寿命。另外，由于现行的催化剂墨水中均存在有机溶剂，因此当其与膜接触的过程中膜会因溶胀而发生扭曲变形进而影响性能。尤其在制作大面积电极的过程中，墨水与膜的接触是由较小的面积开始的，因此接触墨水的这部分膜会胀大，而未接触的则保持平整，由此导致膜催化剂负载均匀性很差。为缓解这一问题，研究人员大多通过对膜进行加热烘干溶剂的方式来减少膜的形变。传统的电极制作方法有很多，例如通过红外灯照射，加热盘加热以及真空吸附加热盘加热的方式将膜表面的溶剂迅速烘干，然而对于使用加热盘对膜进行加热的方法，需要膜与加热板紧密接触才能保证膜的温度，这在实际操作过程中很难保证。红外灯加热法则需要在对膜进行持续照射的情况下负载墨水，人工操作环境不佳，需要使用机械负载设备。真空吸附加热法也需要特制真空吸盘及真空栗等设备。
技术实现思路
本专利技术开发了一种在固态聚合物水电解器膜电极的新型的制备方法。此方法通过将固态聚合物电解质膜与一定温度的纯水保持接触，利用热水对固态聚合膜进行加热，同时实现了在固态聚合物电解质膜处于自发溶胀状态下负载催化层，此过程中水与膜紧密接触，因此膜的溶胀态得以保持，且受热更为均匀，更利于膜表面催化剂墨水中有机溶剂的挥发；该方法制作的膜电极具有良好的均一性，且比传统CCM法性能更优。为了达到上述目的，本专利技术具体采用以下技术方案。在制备用于固态聚合物水电解器中膜电极的过程中，包括在固态聚合物电解质膜的两面各形成催化层这个步骤。本专利技术中，其中至少一个催化层通过以下方法制备:将固态聚合物电解质膜的其中一个表面与50?95°C的纯水接触(比如，可以通过固定于如下文所述的装置中)，利用水温对固态聚合物电解质膜进行均匀加热，在膜保持溶胀的情况下，在没有与水接触的另一表面负载催化剂墨水，形成催化层。其他溶剂或混合溶剂也能使膜溶胀，但考虑到膜电极是置于纯水中电解的，采用相同的溶剂能够使膜达到相同的溶胀度，减少纯水电解时催化层与膜之间的应力，且有机溶剂的使用还会对膜本身造成污染，需要增加双氧水氧化这一后处理步骤，因此采用纯水溶胀则能简化膜电极的制作工艺。由于采用了纯水对膜进行加热，因此使用的水浴温度低于100°C。此外还可根据墨水中使用的有机溶剂的沸点来设定水浴温度，达到调节溶剂的挥发速度的目的。比如墨水中的主要溶剂异丙醇沸点为82°c左右，这种情况下水浴可以选择80°C左右。膜的充分溶胀可以发生在“其一面与水接触”之前(即预先溶胀处理)，即首先浸泡于与负载催化剂过程同温度的纯水中溶胀，取出后再将膜的一侧与同温度的纯水接触(可以通过固定于如下文所述的装置中实现)即可保持相同的溶胀态，然后进行其后的操作；也可以在干态下直接使膜的一侧与水接触直至溶胀(一般需要15分钟)后再进行其后的操作。制备膜电极前，所使用的固态聚合物电解质膜一般需要先进行前处理。以购买的固态聚合物电解质膜Naf 1n质子交换膜为例，干态的膜裁剪后置于10%的双氧水中，80°C下水浴加热1小时去除有机杂质，随后纯水洗净置于0.5M的硫酸中80°C下水浴加热1小时做离子交换，冷却后浸于纯水中保存。以上为前处理步骤，属于本领域中的公知范畴。膜电极两侧的催化层均可以使用本专利技术制备。当两侧的催化层均使用本专利技术方法制备时，本专利技术方法对催化层的负载顺序没有限制，可以先负载阳极催化剂再负载阴极催化剂，反之亦可。这种情况下，具体可以采用以下方法:将经过上述前处理和预先溶胀处理的固态聚合物膜的一个表面与纯水接触，在膜的另一表面负载阳极催化剂(或阴极催化剂)墨水，形成催化层；负载完毕后，可马上把膜翻转，已形成催化层的表面与纯水接触，再在没有催化层的表面负载阴极催化剂(或阳极催化剂)墨水形成催化层。膜电极还可以采用本专利技术方法在其中一侧单独负载某一极的催化剂，另一侧无催化剂或采用其他方法负载催化剂。如，可在膜的一侧负载阳极催化剂，阴极催化剂则负载于碳纸表面，随后将碳纸有阴极催化剂的一侧朝向未负载催化剂的膜一侧组装得到膜电极。也可将阴极催化剂负载于膜的一侧，阳极催化剂负载于多孔钛板上，随后进行组装得到膜电极。在采用本专利技术方法负载催化剂时，负载完某一极催化剂后，可不对其做任何处理直接翻转负载另一极的催化剂。在完成催化剂的负载后，可以将膜电极置于纯水中保存直至组装水电解器，其中应避免干燥步骤，以免造成膜电极的收缩。其后的水电解器组装过程采用现有技术。负载催化剂墨水的方法可以是各种现有的常规方法，比如喷涂、涂覆、涂刮或丝网印刷法。本专利技术制备方法适用于各种固态聚合物电解质膜，如质子交换膜、钠离子交换膜或阴离子交换膜。本专利技术制备方法也适用于各种催化剂的负载，包括阳极催化剂或阴极催化剂；阳极催化剂可以是铂、铱、钌、铅、钴、锰的金属、合金或氧化物中的一种或多种；阴极催化剂可以是铂、钯、镍的金属、合金中的一种或多种，或以碳材料为载体的铂、钯、镍金属、合金中的一种或多种。上述制备方法可以通过以下装置实施；所述装置由水循环室、上端板和密封圈组成；水循环室设有进水口和出水口，并且在顶部设有顶部开口 ；顶部开口上放置有密封圈，密封圈开口的面积与顶部开口相同；纯水可以从进水口通入水循环室并从出水口流出实现水循环(通过水循环控制水的温度)；先将固态聚合物电解质膜(可以是已经经过上述前处理步骤的膜)置于另一个容器的纯水中，其中纯水的温度与水循环室中纯水的温度相同；浸渍至固态聚合物电解质膜充分溶胀(一般用时15分钟)后迅速将其平铺于水循环室的顶部的密封圈上，并完全覆盖顶部开口，固态聚合物电解质膜上再放置另一个相同的密封圈，再覆盖上端板，利用紧固件和密封圈实现水循环室、固态聚合物电解质膜、上端板三者之间的固定和密封；上端板设有端当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于固态聚合物水电解器中膜电极的制备方法，在固态聚合物电解质膜的两个表面各形成一个催化层，其特征在于，其中至少一个催化层通过以下方法形成：将固态聚合物电解质膜的一个表面与50～95℃的纯水接触，并利用水温对固态聚合物电解质膜进行加热，在膜保持溶胀的情况下，在没有与水接触的另一表面负载催化剂墨水，形成催化层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：史言，阎常峰，郭常青，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44
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