一种PEM电解水制氢膜电极及其制备方法技术

技术编号:37880012 阅读:21 留言:0更新日期:2023-06-15 21:08
本发明专利技术公开一种PEM电解水制氢膜电极及其制备方法。该方法为:先分别在质子交换膜阴阳极两侧增加三维界面增强层;再在阴阳极三维界面增强层表面设置阴极催化层和阳极催化层;最后分别在阴阳极催化层上设置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层,得到膜电极。本发明专利技术对质子交换膜阴阳极两侧进行接触界面增强处理,不仅能起到增强质子交换膜强度的作用,减少质子交换膜的溶胀和形变问题;同时能形成三维接触界面,提高催化层和质子交换膜之间的接触,提高质子在催化层和质子交换膜之间的传递,有效提升膜电极的性能和稳定性。本发明专利技术膜电极能有效增强质子交换膜的强度、提高质子在催化层和质子交换膜接触界面的传导速率,提升膜电极的性能和稳定性。能和稳定性。能和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种PEM电解水制氢膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及PEM电解水制氢
,特别涉及一种PEM电解水制氢膜电极的制备方法。

技术介绍

[0002]氢气来源广泛、燃烧热值高、燃烧产物只有水,是一种可再生的清洁能源,将成为未来能源的重要组成部分,对于能源发展具有举足轻重的作用。
[0003]氢气的制取方式多样,主要有化石能源重整制氢、工业副产气制氢和电解水制氢,而电解水制氢是一种绿色制取氢气的方式,也将是未来制氢的主要方式。其中质子交换膜(PEM)电解水制氢技术具有工作电流密度更高、电解效率高、产氢纯度高、产氢压力大及能快速响应等优势,被认为是最具发展前景的制氢技术。目前在风光电可再生能源电解水制氢、加氢站站内制氢、氢储能等领域正在逐步推广。在PEM电解水装置中,膜电极是电解槽的核心部件,是发生水电化学分解反应的场所,直接决定PEM电解槽的性能和寿命。
[0004]PEM电解水膜电极主要由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极扩散层、阴极扩散层组合而成。膜电极的制备方法及工艺对电解水的性能有很大的影响,目前常用的方法是将阴阳极催化层浆料通过涂覆、转印或喷涂的方法直接覆于质子交换膜两侧,该方法工序比较简单,容易完成膜电极的制备,但是容易产生质子交换膜的溶胀及形变问题,使膜的强度受到一定的损伤,同时催化层与质子交换膜直接的接触界面阻抗较大,导致质子的传递阻力大,严重影响膜电极的电解性能和稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提出一种PEM电解水制氢膜电极的制备方法。旨在解决现有的膜电极制备过程以及电解水过程中质子交换膜容易出现溶胀、变形的问题,同时解决制备得的膜电极催化层与质子交换膜之间接触阻抗大、质子传导阻力大的问题。本专利技术提供的制备方法得到的PEM电解水制氢膜电极能有效增强质子交换膜的强度、提高质子在催化层和质子交换膜接触界面的传导速率,提升膜电极的性能和稳定性。
[0006]为实现上述目的,本专利技术提出一种PEM电解水制氢膜电极的制备方法,所述制备方法包括:a. 先分别在质子交换膜阴阳极两侧增加三维界面增强层;b. 再在所述质子交换膜的阴阳极三维界面增强层表面设置阴极催化层和阳极催化层;c. 最后在所述阴阳极催化层上设置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层,并进行热压处理,得到PEM电解水制氢膜电极;其中,所述三维界面增强层包含碳材料和离聚物。
[0007]进一步优选的,所述碳材料包括碳粉、纳米管、石墨烯和碳纳米球中的一种或多种。
[0008]进一步优选的,所述离聚物包含Nafion
®
、3MPFSA、SPEEK、SPES中的一种或多种。
[0009]上述方法中,步骤a包括:将三维界面增强层浆料分别喷涂到质子交换膜阴阳极两侧,得到界面增强的质子交换膜;其中,所述三维界面增强层包含碳材料和离聚物。
[0010]进一步优选的,所述三维界面增强层碳材料和离聚物的载量为0.1—1.0mg/cm2。
[0011]进一步优选的,所述三维界面增强层碳材料和离聚物的比例为0.2—0.8。
[0012]上述方法中,步骤b包括:在所述质子交换膜的阴阳极三维界面增强层表面分别喷涂阴极催化层浆料和阳极催化层浆料,干燥,得到设置在含有阴阳极界面增强层的质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层;其中,所述阴极催化层浆料包括阴极催化剂、粘结剂和分散剂,所述阳极催化层浆料包括阳极催化剂、粘结剂和分散剂。
[0013]进一步可选地,所述阴极催化剂浆料中:所述阴极催化剂包括Pt/C、Pt黑中的一种或多种;所述粘结剂包括全氟磺酸树脂溶液;所述分散剂包括去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
[0014]进一步可选地,所述阳极催化剂浆料中:所述阳极催化剂包括IrO2、RuO2、Pt黑中的一种或多种;所述粘结剂包括全氟磺酸树脂溶液;所述分散剂包括去离子水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
[0015]进一步可选地,所述阴极催化层中的Pt载量为0.3—1.0mg/cm2;所述阳极催化层中的阳极催化剂载量为0.5—3.0mg/cm2。
[0016]上述方法中,步骤c包括:在所述阴阳极催化层上设置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层,所述阴极气体扩散层和阳极气体扩散层为烧结钛毡、钛网、泡沫钛、碳布、碳纸中的一种;然后通过热压处理,即得到PEM电解水制氢膜电极。
[0017]本专利技术中,所述膜电极的结构为:在质子交换膜阴阳极两侧设置有三维界面增强层,所述三维界面增强层的表面设置有阴极催化层和阳极催化层;阴极催化层和阳极催化层上分别设置有阴极气体扩散层和阳极气体扩散层(如图3所示);所述三维界面增强层均匀地分散在质子交换膜的表面,所述膜电极的稳定性具有明显的提升,其中当电压1.9V时,电流密度提升了17.3%;而经过50小时稳定性测试后,电压变化仅为6.67%,降低了21.33%。
[0018]与现有技术相比,本专利技术的优势在于:本专利技术提供的技术方案中,采用构筑三维界面增强层的方法对质子交换膜两侧进行增强处理,在此过程中,三维界面增强层能很好地嵌入到质子交换膜表层,能有效增强质子交换膜的强度,预防膜电极制备过程及电解水过程中膜的溶胀和变形问题。同时通过在质子交换膜两侧增加三维界面增强层,能增强催化层和质子交换膜的接触界面,减少接触阻抗,提升质子在催化层和质子交换膜之间的传递速率,从而提高膜电极的性能及稳定性,提升膜电极的一致性。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1制得的PEM电解水制氢膜电极的横截面扫描电镜图;图2为本专利技术实施例1制得的PEM电解水制氢膜电极的三维界面增强层的表面扫描电镜图;
图3为具有三维界面增强层的PEM电解水制氢膜电极示意图;其中1为质子交换膜,2为阳极三维界面增强层,3为阳极催化层,4为阳极扩散层,5为阴极三维界面增强层,6为阴极催化层,7为阴极扩散层;图4为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1制得的PEM电解水制氢膜电极的性能测试结果;图5为本专利技术实施例1、实施例2和对比例1制得的PEM电解水制氢膜电极的稳定性测试结果。
[0020]具体实施方式
[0021]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0022]需要说明的是,本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列材料,没有限定于已列出的材料,而是可选地还包括没有列出的材料,或可选地还包括对于这些材料固有的其它材料。
[0023] PEM电解水膜电极主要由质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极扩散层、阴极扩散层组合而成。膜电极的制备方法及工艺对电解水的性能有很大的影响,目前常用的方法是将阴阳极催化层浆料通过涂覆、转印或喷涂的方法直接覆于质子交换膜两侧,本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:a.分别在质子交换膜阴阳极两侧增加三维界面增强层;b.在质子交换膜的阴阳极三维界面增强层表面设置阴极催化层和阳极催化层;c.在所述阴极催化层和阳极催化层上设置阴极气体扩散层和阳极气体扩散层,并进行热压处理,得到PEM电解水制氢膜电极;其中,所述三维界面增强层包含碳材料和离聚物。2.如权利要求1所述的PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,所述碳材料包括碳粉、碳纳米管、石墨烯和碳纳米球中的一种以上。3.如权利要求1所述的PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,所述离聚物包括Nafion
®
、3M PFSA、SPEEK中的一种以上。4.如权利要求1所述PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,步骤a包括:将三维界面增强层浆料分别喷涂到质子交换膜阴阳极两侧,得到界面增强的质子交换膜;其中,所述三维界面增强层包含碳材料和离聚物。5.如权利要求4所述PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,所述三维界面增强层碳材料和离聚物的总载量为0.1—1.0mg/cm2。6.如权利要求4所述PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,所述三维界面增强层碳材料和离聚物的质量比例为1:2—2:1。7.如权利要求1所述PEM电解水制氢膜电极的制备方法,其特征在于,步骤b包括:在所述质子交换膜的阴阳极三维界面增强层表面分别喷涂阴极催化层浆料和阳极催化层浆料,干燥,得到设置在含有阴阳极三维界面增强层的质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层;其中,所述阴极催化层浆料包括...

【专利技术属性】
技术研发人员:池滨陈兴威安璐曹加鹏温红丽余林
申请(专利权)人:广东工业大学
类型:发明
国别省市:

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