用于电化学氢泵的膜电极组件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于电化学氢泵的膜电极组件及其制备方法，其中膜电极组件包括阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和沿质子的运动方向依次夹设在所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层之间的阳极多孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔层；其中，所述阳极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构,且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性；和/或所述阴极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构，且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性。本发明专利技术的膜电极组件性能稳定、高效，可长时间运行，且易于装配。且易于装配。且易于装配。

【技术实现步骤摘要】
用于电化学氢泵的膜电极组件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学氢泵电解槽
，尤其涉及一种用于电化学氢泵的膜电极组件及其制备方法。

技术介绍

[0002]电化学氢泵(Electrochemical hydrogen pump)或电化学氢压缩机(Electrochemical hydrogen compressor/concentrator)是在质子交换膜燃料电池基础上发展起来的，是一种效率高、成本低、性能可靠以及可以形成规模生产的氢气分离、提纯以及压缩的新技术。
[0003]根据现有电化学氢泵的反应原理图，当含有氢气的混合气流进入电化学氢泵的阳极室后，氢气分子会经过气体扩散层到达催化层，在反应气体、催化剂和电解质膜的三相界面上发生氧化反应，使氢气分子氧化为质子和电子，随后质子在外加电压的作用下通过电解质膜往阴极传递，电子通过催化层和多孔扩散层以及导电的双极板传导到外电路。阳极电极反应式如下：H2(Anode)
→
2H++2e
‑
；在阴极室，由阳极通过电解质传递过来的质子以及通过外电路传递过来的电子结合，重新组合变为氢分子。阴极电极反应式如下：2H++2e
‑→
H2(Cathode)；阴、阳极反应的净效果为：氢分子从氢气含量较低的阳极气体中被抽到阴极，成为含氢量较高的阴极气体。电化学氢泵的总反应式为：H2(Anode)
→
H2(Cathode)。
[0004]膜电极组件是是电化学氢泵的核心部件，它是由质子交换膜、电催化剂以及气体扩散电极构成。因为电化学反应过程中的阴极反应、阳极反应以及电子传导、离子传导都在膜电极上发生，所以膜电极的制备方法和水平直接决定着质子交换膜电化学氢泵的性能好坏。
[0005]目前影响电化学氢泵的性能和寿命的因素之一是氢泵电解槽内水的管理技术，而如何进行有效的水管理，与膜电极组件有很大关系，尤其是其气体扩散层的设计，对水的传递起到关键作用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于电化学氢泵的膜电极组件及其制备方法，用以解决现有质子交换膜电化学氢泵性能差的问题。
[0007]本专利技术的上述目的可采用下列技术方案来实现：
[0008]本专利技术提供了一种用于电化学氢泵的膜电极组件，包括阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和沿质子的运动方向依次夹设在所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层之间的阳极多孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔层；
[0009]其中，所述阳极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构,且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性；和/或
[0010]所述阴极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构，且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性。
[0011]优选的，其中，所述阳极气体扩散层的多孔层喷涂有催化剂；和/或
[0012]所述阴极气体扩散层的多孔层喷涂有催化剂。
[0013]优选的，其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层中催化剂为铂系催化剂，且铂系催化剂中铂含量为20％～100％；和/或
[0014]所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层中多孔层喷涂的催化剂为铂系催化剂，且铂系催化剂中铂含量为20％～100％。
[0015]优选的，其中，所述阳极气体扩散层的多孔层中催化剂的铂载量为0.01mg/cm2～0.2mg/cm2；和/或
[0016]所述阴极气体扩散层的多孔层中催化剂的铂载量为0.01mg/cm2～0.2mg/cm2。
[0017]优选的，其中，所述阳极催化层中催化剂的铂载量为0.02mg/cm2～0.4mg/cm2；和/或
[0018]所述阴极催化层中催化剂的铂载量为0.02mg/cm2～0.4mg/cm2。
[0019]优选的，其中，所述阳极气体扩散层与所述阳极催化层热压成型；和/或
[0020]所述阴极气体扩散层与所述阴极催化层热压成型。
[0021]优选的，其中，所述质子交换膜为全氟磺酸型，且其厚度为80μm～280μm。
[0022]优选的，其中，所述阳极催化层和所述阴极催化层中催化剂中含有全氟磺酸树脂的溶液，该溶液浓度为5％，其与催化剂的重量比为1/3～1/4；和/或
[0023]所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层中多孔层喷涂的催化剂中含有全氟磺酸树脂的溶液，该溶液浓度为5％，其与催化剂的重量比为1/3～1/4。
[0024]优选的，其中，所述质子交换膜在组装之前经过氧化处理、酸化处理、纯水处理和烘干处理；和/或
[0025]所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层经过PTFE疏水处理。
[0026]本专利技术还提供了一种用于电化学氢泵的膜电极组件的制备方法，用于制备任一项前述的用于电化学氢泵的膜电极组件，包括如下步骤：
[0027]将所述质子交换膜放入5％～10％的双氧水溶液中，80℃～90℃保持40min～80min；利用纯水冲净后将所述质子交换膜放入10％～15％的硫酸溶液中，80℃～90℃保持40min～80min；利用纯水冲净后将所述质子交换膜放入纯水中煮沸5min～30min，并循环至少两次；将所述质子交换膜用真空吸附加热平台吸平，真空度0.1MPa～0.3MPa，温度40℃～70℃，加热60min～120min后烘干备用；
[0028]将铂含量为20％～100％的铂系催化剂、浓度5％的全氟磺酸树脂的溶液、纯水、乙醇或异丙醇配制成悬浊液，将所述悬浊液在超声波清洗机或者均质机中振荡以形成分散均匀的催化剂墨水；
[0029]打开超声喷涂机的喷涂程序，设定超声喷涂的流量、喷头移速、喷头的超声功率；用注射器抽取所述催化剂墨水，按照程序喷涂在所述质子交换膜和多孔层上；喷涂过程中温度保持在50℃～75℃之间；
[0030]将喷涂好的所述质子交换膜、所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层按照预设顺序放好并将其固定在压板组件中，调节压机分两个阶段进行压制，压制过程温度控制在120℃～145℃之间，第一阶段压力控制在2.0MPa～4.0MPa，时间为3min～6min；第二阶段压力控制在4.5MPa～6.0MPa，时间1min～3min。
[0031]本专利技术至少具有以下特点及优点：
[0032]1.阴、阳极气体扩散层是基于碳纤维纸涂布多孔层的结构，且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性，从而有利于将多余的水及时的排出，防止催化剂发生水淹。
[0033]2.质子交换膜选用厚度在80μm～220μm之间的全氟磺酸型质子交换膜，既控制了氢气渗透率，又能保证膜电极组件的内阻，有利于提高反应的电流密度。
[0034]3.催化剂选用铂系催化剂，催化剂、溶剂、膜溶液按比例配制成墨水样溶液，既保证了催化剂的分散性和活性，又能控制喷涂溶液的总量，缩短膜电极组件的制备时间。
[0035]4.质子交换膜和气体扩散层按一定载量喷涂铂系催化剂墨水，后续经过压机的压制，质子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，包括阳极气体扩散层、阴极气体扩散层和沿质子的运动方向依次夹设在所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层之间的阳极多孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极多孔层；其中，所述阳极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构,且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性；和/或所述阴极气体扩散层为基于碳纤维纸涂布多孔层的结构，且多孔层的疏水性强于碳纤维纸的疏水性。2.根据权利要求1所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极气体扩散层的多孔层喷涂有催化剂；和/或所述阴极气体扩散层的多孔层喷涂有催化剂。3.根据权利要求2所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极催化层和所述阴极催化层中催化剂为铂系催化剂，且铂系催化剂中铂含量为20％～100％；和/或所述阳极气体扩散层和所述阴极气体扩散层中多孔层喷涂的催化剂为铂系催化剂，且铂系催化剂中铂含量为20％～100％。4.根据权利要求3所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极气体扩散层的多孔层中催化剂的铂载量为0.01mg/cm2～0.2mg/cm2；和/或所述阴极气体扩散层的多孔层中催化剂的铂载量为0.01mg/cm2～0.2mg/cm2。5.根据权利要求4所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极催化层中催化剂的铂载量为0.02mg/cm2～0.4mg/cm2；和/或所述阴极催化层中催化剂的铂载量为0.02mg/cm2～0.4mg/cm2。6.根据权利要求5所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极气体扩散层与所述阳极催化层热压成型；和/或所述阴极气体扩散层与所述阴极催化层热压成型。7.根据权利要求6所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸型，且其厚度为80μm～280μm。8.根据权利要求7所述的用于电化学氢泵的膜电极组件，其特征在于，所述阳极催化层和所述阴极催化层中催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海兴，马强，吴笑雨，王桂洲，宋金磊，张跃兴，张楠，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一八研究所，
类型：发明
国别省市：