薄层疏水催化层电极、膜电极三合一组件的制备方法技术

一种薄层疏水催化层电极、膜电极三合一组件的制备方法，系将催化剂制成墨水直接或间接刷印到质子膜上形成膜电极三合一，墨水成分包括：（１）催化剂；（２）由水和有机溶剂混合而成的溶剂，水与有机溶剂的体积比为１∶１～１０；（３）Ｎａｆｉｏｎ或Ｆｌｅｍｉｏｎ质子导体聚合物；（４）常用的容易挥发的造孔剂或常用的可溶性造孔剂；（５）疏水剂如ＰＴＦＥ；上述物质的重量比例关系为催化剂∶溶剂∶质子导体聚合物∶造孔剂∶疏水剂＝１０∶１００～５００∶１～１０∶１０～５０∶１～１０。本发明专利技术电极制备过程简单，结合牢固，电极性能好，寿命长且成本较低。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及膜电极三合一组件的制备技术。文献1 USP 4738741介绍了一种电解用途的膜电极的制作方法，首先将催化剂与质子导体聚合物混合涂敷在金属网上，形成催化层，然后通过热压使催化层转移到离子膜上，形成膜电极三合一。文献2 USP 5211984介绍了一种燃料电池用膜电极的制备方法，将催化剂与钠型化的质子导体聚合物混合涂在聚四氟乙烯(PTFE)膜上，形成催化层，再通过热压使催化层转移到Nafion等质子膜上，重新质子化后形成膜电极三合一。文献3 USP 5415888、文献4 USP 5547911介绍了一种燃料电池用膜电极的制备方法，将催化剂制成墨水刷印到Nafion等质子膜上，形成膜电极三合一，墨水成分包括1)催化剂，2)醚、环氧式酮系列、醇等有机溶剂，3)质子导体聚合物。文献5 USP 5712755也介绍了一种燃料电池用膜电极的制备方法，将催化剂制成墨水刷印到Nafion等质子膜上，形成膜电极三合一，墨水成分包括1)催化剂，2)pKa＞18，β＜0.66的有机溶剂，3)质子导体聚合物。本专利技术的目的在于提供一种，其电极制备过程简单，结合牢固，电极性能好，寿命长且成本较低。本专利技术提供了一种，系将催化剂制成墨水直接或间接刷印到质子膜上形成膜电极三合一，其特征在于墨水成分包括(1)催化剂；(2)由水和有机溶剂混合而成的溶剂，其中有机溶剂选自乙腈、醚、环氧式酮系列、醇之一种或多种，水与有机溶剂的体积比为1∶1～10；(3)Nafion或Flemion质子导体聚合物；(4)常用的容易挥发的造孔剂如碳酸氢铵、草酸铵或常用的可溶性造孔剂如氯化钠、氯化钾、碳酸锂；(5)疏水剂如PTFE；上述物质的重量比例关系为催化剂∶溶剂∶质子导体聚合物∶造孔剂∶疏水剂＝10∶100～500∶1～10∶10～50∶1～10。本专利技术用做燃料电池时，可选用Pt、Pd、Ru、Rh、Ir等金属或其碳载催化剂Pt/C、Pd/C、Ru/C、Rh/C等；用作电解时，可选用铂族金属Ir、Rh或其氧化物RuO2、IrO2、RhO2等，为提高其导电性，可加入一定比例的Pt、Pd等金属；用作可逆式再生燃料电池双效膜电极时，可选用不同比例的铂族金属及其氧化物催化剂。用作可逆式再生燃料电池双效膜电极时，铂族金属及其氧化物的重量比为1/3～3。采用含PTFE等疏水剂处理的碳纸或碳布作为电解电极、双效电极的扩散层。用作电解时，PTFE的含量为5％～30％；用作可逆式再生燃料电池膜电极时，PTFE的含量为10％～30％。本专利技术具有下述特点1.膜电极制备中加入造孔剂，有利于催化层中微孔的形成，可增加催化层的孔隙率，有利于气体的扩散。用作电解电极时，在催化剂活性位上产生的气体可以很快地扩散出去，防止催化层从膜上脱落；用作燃料电池电极时，外面的反应气体可以顺利扩散到催化剂活性位上，提高电极性能。2.膜电极制备中加入PTFE等疏水剂，有利于在电极催化层中形成气体通道，有利于反应气体或产物气体在催化层中的扩散，从而使电极催化层可制得较厚，催化层厚度可远远大于普通亲水电极催化层厚度(10μm)。3.选用不同催化剂，可制成不同用途的膜电极。与前面文献所述单一用途的膜电极不同，本专利技术方法可以制作多种用途的膜电极。4.为了能够制得催化剂均匀分布的墨水，有利于造孔剂的溶解，本专利技术使用有机溶剂与水的混合物作为溶剂，使所制墨水更接近于胶体。为了能够同时溶解疏水剂和亲水剂如Nafion与PTFE，本专利技术采用一种新的有机溶剂—乙腈。它对质子导体聚合物Nafion，疏水剂PTFE都能形成胶体。5.根据膜电极的不同用途，使用不同的扩散层。本专利技术同文献1相比较使用造孔剂、PTFE等疏水剂，省掉金属网的使用，电极制备过程简单，热压温度、压力可以增大，膜电极结合更加牢固。同文献2相比较，本专利技术使用造孔剂、PTFE等疏水剂，可制得薄层疏水催化层电极。由于按照文献2制备的电极是亲水催化层电极，催化层中没有气体通道，不利于反应气体的扩散，催化层的厚度不能大于10μm。本专利技术由于在催化层中引入气体通道，有利于气体在催化层中的扩散，催化剂利用率提高，电极性能提高。电极的催化层厚度可以大于10μm，电极不易失效，寿命增长。与文献3、4、5相比，本专利技术采用水和有机溶剂做溶剂，制得的催化层更均匀，而且能够降低有机溶剂使用量，有利于降低电极制造成本。本专利技术使用造孔剂、PTFE等疏水剂，在催化层中引入气体通道，有利于气体在催化层中的扩散，增加了催化剂的利用率，电极性能得以提高。并且与文献1、2、3、4、5相比，本专利技术不仅可以制作燃料电池用膜电极，而且可以制作电解用膜电极、再生燃料电池用双效膜电极。总之，本专利技术具有下述优点1.膜电极制备中加入造孔剂，可以增加电极催化层的孔隙率，省掉金属网的使用，电极制备过程简单，热压温度、压力可以增大，膜电极结合更加牢固。2.膜电极制备中加入PTFE等疏水剂，可以增加电极催化层中的气体通道，有利于气体在催化层中的扩散，增加了催化剂的利用率，提高电极性能。3.根据不同需要，可制成多种用途的膜电极三合一组件。4.本专利技术可制得催化层厚度大于10μm的电极，与薄层亲水电极相比，电极不易失效，寿命延长。5.采用水和有机溶剂做溶剂，制得的催化层更均匀，而且能够降低有机溶剂使用量，有利于降低电极制造成本。6.采用PTFE等疏水剂处理过的多孔碳纸或碳布电解作为电极扩散层，比使用多孔烧结钛等金属成本更低。下面通过实施例详述本专利技术。附附图说明图1为电极制备中加入PTFE对电解性能影响，Nafion 115膜，80℃。附图2为电极制备中加入造孔剂的电池性能比较，0.08mg/cm2Pt/C，S＝5cm2，Nafion 115，PH2＝PO2＝0.3MPa，80℃。附图3为膜电极制备中加入PTFE对催化剂利用率的影响。附图4为可逆式再生燃料电池双效电极性能，燃料电池模式PO2＝0.3MPa，PH2＝0.3MPa，80℃，Nafion 115；电解模式常压，80℃，Nafion 115；循环次数1，2，3，4。实施例1a首先用一级天平称取0.1克XC-72碳粉，加入20wt％的PTFE，再加入30ml乙醇，在超声波中振荡30分钟，混合均匀后，在真空烘箱中70℃烘干，然后在340℃烘烧20min，冷却后碾磨待用。用一级天平称取催化剂Pt 1.76毫克，IrO22.50毫克，上述制备好的含20wt％的PTFE XC-72碳粉5毫克，加入水和乙腈的混合物(体积比1∶1)，超声波中振荡15分钟，然后加入80mg 5％的Nafion溶液，5mg(NH4)2C2O4，300mg 0.5M的NaOH溶液，在超声波中振荡45分钟，混合均匀后，涂于10cm2的PTFE膜上，在真空烘箱中70℃烘干，然后分割成两张5cm2的PTFE膜，在它们之间夹入一张钠离子化的Nafion 115膜，催化层面向质子膜，在180℃左右、5～9MPa条件下，热压1.5min，然后把PTFE膜剥离，在0.5M的硫酸中重新使膜和催化层质子化，制成膜电极三合一组件。扩散层采用含PTFE 20wt％的碳纸，与两块不锈钢夹板组装成电解池，在80℃、常压下进行电解水实验。电解性能见图1。实施例1b制作方法同例1a，唯一不同的是制备过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄层疏水催化层电极、膜电极三合一组件的制备方法，系将催化剂制成墨水直接或间接刷印到质子膜上形成膜电极三合一，其特征在于墨水成分包括： （１）催化剂； （２）由水和有机溶剂混合而成的溶剂，其中有机溶剂选自乙腈、醚、环氧式酮系列、醇之一种或多种，水与有机溶剂的体积比为１∶１～１０； （３）Ｎａｆｉｏｎ或Ｆｌｅｍｉｏｎ质子导体聚合物； （４）常用的容易挥发的造孔剂如碳酸氢铵、草酸铵或常用的可溶性造孔剂如氯化钠、氯化钾、碳酸锂； （５）疏水剂如ＰＴＦＥ； 上述物质的重量比例关系为催化剂∶溶剂∶质子导体聚合物∶造孔剂∶疏水剂＝１０∶１００～５００∶１～１０∶１０～５０∶１～１０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵志刚，衣宝廉，韩明，
申请(专利权)人：大连新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]