一种PEM水电解膜电极的设置方法技术

一种PEM水电解膜电极的设置方法，将混合后的含有粒度设置为小于等于200nm的纳米石墨粉的阳极浆料和阴极浆料进行超声波混合后通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极；在催化剂覆膜电极的两侧的表面分别固定设置一具有中空部的密封件，其中两密封件的边缘分别与催化剂覆膜电极的边缘相适应，在阴极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阴极气体扩散层材料，同时在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阳极气体扩散层材料。本申请解决了当前膜电极的两极之间产生较大的电压降，导致膜电极组件工作效率低且要求膜电极在高电密条件下有较高气体传输和液体排出阻力问题。液体排出阻力问题。液体排出阻力问题。

【技术实现步骤摘要】
一种PEM水电解膜电极的设置方法


[0001]本申请涉及PEM电解水制氢领域，具体涉及一种PEM水电解膜电极的设置方法。

技术介绍

[0002]近些年来车载燃料电池汽车发展迅速，氢气以其高效、清洁、可储存运输等优点，被视为最理想的能源载体，质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)水电解技术受到越来越多的关注，PEM水电解技术因其高效、零排放、结构紧凑、环境友好，产物纯度高等优点，成为了制氢领域的研究热点，需要对于这种技术中的关键材料和相关部件开展研究，实现高性能，长寿命以及低成本制造的要求。
[0003]在水电解池中，阳极再外加电压作用下失去电子，即水在阳极失去电子并析出氧气，产生氢离子。氢离子通过水合氢离子的形式通过质子交换膜，在阴极得到外电路的电子生成氢气。在这种电解池的结构中，膜电极组件是电解反应的发生场所，是电解池的核心部分。其组成包括：为电化学反应发生的催化层，导水、导氢离子的质子交换膜(PEM)以及传递水与气体的扩散层。其中，催化层由催化剂和Nafion组成。膜电极组件是电解池的核心，直接影响到电解效率、电解能耗、电解成本以及电解池的寿命。
[0004]当前膜电极制备工艺是将催化剂涂覆在气体扩散层上，制备气体扩散层电极，由于催化剂层与质子交换膜的表面接触并不紧密，从而会在两极之间产生较大的电压降，导致膜电极组件的工作效率降低。而且要求膜电极在高电密条件下有较高的气体传输和液体排出阻力。因此，当前需要提供一种新的PEM水电解膜电极的设置的技术方案以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种PEM水电解膜电极的设置方法，以解决当前膜电极制备工艺是将催化剂涂覆在气体扩散层上，制备气体扩散层电极，由于催化剂层与质子交换膜的表面接触并不紧密，从而会在两极之间产生较大的电压降，导致膜电极组件的工作效率降低；且要求膜电极在高电密条件下有较高的气体传输和液体排出阻力的问题。
[0006]为了解决上述问题，本申请提供了一种PEM水电解膜电极的设置方法，包括：
[0007]将含有阳极催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阳极浆料，将含有阴极催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阴极浆料，将混合后的阳极浆料和阴极浆料在温度设置为50摄氏度至65摄氏度的条件下进行超声波混合5至8分钟，其中，纳米石墨粉的粒度设置为小于等于200nm；
[0008]将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极；
[0009]在催化剂覆膜电极的两侧的表面分别固定设置一具有中空部的密封件，其中两密封件的边缘分别与催化剂覆膜电极的边缘相适应，在阴极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阴极气体扩散层材料，同时在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一聚醚
醚酮片材后，通过两片聚醚醚酮薄膜将填充后的催化剂覆膜电极的两侧夹紧，并将夹紧催化剂覆膜电极的两片聚醚醚酮薄膜放置于两片铜板之间后，通过热压压紧方式将夹住设置有两片聚醚醚酮薄膜的催化剂覆膜电极的两片铜板热压完成后，将两片铜板、两片聚醚醚酮薄膜和聚醚醚酮片材清除，在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阳极气体扩散层材料，生成包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层的PEM膜电极组件。
[0010]进一步地，上述设置方法还可包括：所述阳极催化剂包括：3R
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IrO2催化剂或IrO2催化剂；所述阴极催化剂包括：铂黑催化剂。
[0011]进一步地，上述设置方法还可包括：所述将含有3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阳极浆料，将含有铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阴极浆料的步骤，包括：
[0012]所述3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的质量比为3：2：1或4：2：1，3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂的质量比为1:45，3R
‑
IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂均匀混合生成阳极浆料；所述铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的质量比为3：2：1或4：2：1，铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂的质量比为1:45，铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂均匀混合生成阴极浆料，其中分散剂为乙醇和丙酮的混合液，乙醇和丙酮的质量比为3：2。
[0013]进一步地，上述设置方法还可包括：所述将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极的步骤，包括：
[0014]设置喷枪气源为氮气或氩气，设置质子交换膜的表面温度为50摄氏度至60摄氏度，设置喷涂压强为0.1MPa至0.3MPa，将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极。
[0015]进一步地，上述设置方法还可包括：所述在催化剂覆膜电极的两侧的表面分别固定设置一具有中空部的密封件的步骤，包括：
[0016]所述密封件的材料包括：聚氨酯或橡胶，两个密封件通过耐高温UV固化胶在紫外线照射大于等于20秒后，固定设置在催化剂覆膜电极的两侧。
[0017]进一步地，上述设置方法还可包括：所述耐高温UV固化胶的成分包括：丙烯酸酯改性聚硅氧烷：60质量份、异十三烷基丙烯酸酯：20质量份、聚醚改性聚二甲基硅氧烷：10质量份、1
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羟基环己基苯基甲酮：3质量份、γ
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缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷：1质量份和纳米石墨粉：1质量份，其中纳米石墨粉的粒径小于等于200纳米。
[0018]进一步地，上述设置方法还可包括：所述在阴极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阴极气体扩散层材料为碳化硅石墨复合片材，并在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阳极气体扩散层为多孔钛板。
[0019]进一步地，上述设置方法还可包括：所述碳化硅石墨复合片材的厚度为0.2mm至0.3mm，其中碳化硅石墨复合片材包括碳化硅55质量份、纳米石墨粉：40质量份和硅：10质量份；所述多孔钛板的厚度为0.5mm至0.8mm。
[0020]进一步地，上述设置方法还可包括：所述在阴极催化剂层的密封件的中空部内填
充设置一碳化硅石墨复合片材，同时在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一聚醚醚酮片材后，通过两片聚醚醚酮薄膜将填充后的催化剂覆膜电极的两侧夹紧，并将夹紧催化剂覆膜电极的两片聚醚醚酮薄膜放置于两片铜板之间后，通过热压压紧方式将夹住设置有两片聚醚醚酮薄膜的催化剂覆膜电极的两片铜板热压完成后，将两片铜板、两片聚醚醚酮薄膜和聚醚醚酮片材清除，在阳极催化剂层的密封件的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEM水电解膜电极的设置方法，其特征在于，包括：将含有阳极催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阳极浆料，将含有阴极催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阴极浆料，将混合后的阳极浆料和阴极浆料在温度设置为50摄氏度至65摄氏度的条件下进行超声波混合5至8分钟，其中，纳米石墨粉的粒度设置为小于等于200nm；将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极；在催化剂覆膜电极的两侧的表面分别固定设置一具有中空部的密封件，其中两密封件的边缘分别与催化剂覆膜电极的边缘相适应，在阴极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阴极气体扩散层材料，同时在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一聚醚醚酮片材后，通过两片聚醚醚酮薄膜将填充后的催化剂覆膜电极的两侧夹紧，并将夹紧催化剂覆膜电极的两片聚醚醚酮薄膜放置于两片铜板之间后，通过热压压紧方式将夹住设置有两片聚醚醚酮薄膜的催化剂覆膜电极的两片铜板热压完成后，将两片铜板、两片聚醚醚酮薄膜和聚醚醚酮片材清除，在阳极催化剂层的密封件的中空部内填充设置一阳极气体扩散层材料，生成包括依次层叠的阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层的PEM膜电极组件。2.根据权利要求1所述的设置方法，其特征在于，所述阳极催化剂包括：3R
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IrO2催化剂或IrO2催化剂；所述阴极催化剂包括：铂黑催化剂。3.根据权利要求2所述的设置方法，其特征在于，所述将含有3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阳极浆料，将含有铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion混合在分散剂中生成阴极浆料的步骤，包括：所述3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的质量比为3：2：1或4：2：1，3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂的质量比为1:45，3R
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IrO2催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂均匀混合生成阳极浆料；所述铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的质量比为3：2：1或4：2：1，铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂的质量比为1:45，铂黑催化剂、纳米石墨粉和Nafion的混合物与分散剂均匀混合生成阴极浆料，其中分散剂为乙醇和丙酮的混合液，乙醇和丙酮的质量比为3：2。4.根据权利要求3所述的设置方法，其特征在于，所述将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极的步骤，包括：设置喷枪气源为氮气或氩气，设置质子交换膜的表面温度为50摄氏度至60摄氏度，设置喷涂压强为0.1MPa至0.3MPa，将超声波混合后的阳极浆料和阴极浆料通过加热喷涂方式分别喷涂至质子交换膜的两侧，生成设置有阳极催化剂层和阴极催化剂层的催化剂覆膜电极。5.根据权利要求4所述的设置方法，其特征在于，所述在催化剂覆膜电极的两侧的表面分别固定设置一具有中空部的密封件的步骤，包括：所述密封件的材料包...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆森，
申请(专利权)人：星辉达新能源科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：