一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法技术

本发明专利技术涉及质子交换膜水电解制氢技术领域，尤其涉及一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法。将阳极催化剂分散在去离子水和有机溶剂中，加入离子交换树脂，混合均匀分别制得阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B，将阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B分别涂布在阳极集流体扩散层钛毡表面和质子交换膜表面；所述阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B的催化剂总含量与目标膜电极阳极催化剂载量相同。本发明专利技术通过将阳极催化剂分别涂在钛毡表面和质子交换膜表面，增强催化层与钛毡的结合力，增大两相界面间的接触面积，有效改善水电解膜电极集流体扩散层与催化层间的界面接触电阻，提升膜电极性能，有利于构建低贵金属载量膜电极。载量膜电极。载量膜电极。

【技术实现步骤摘要】
一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法


[0001]本专利技术涉及质子交换膜(PEM)水电解制氢
，尤其涉及一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法。

技术介绍

[0002]PEM水电解槽阳极常采用钛毡作为集流体扩散层，钛毡由钛纤维或钛粉烧结而成，孔隙率较大，表面粗糙度大，导致其与催化层接触面积小，造成界面接触电阻增加。一方面会影响电子传输速率，致使电解槽产热量增加，膜电极性能下降，电解效率降低，容易形成局部热点导致膜电极耐久性下降。另一方面当降低催化剂载量，催化层厚度减薄，界面接触问题更为凸显，不利于低贵金属载量膜电极的制备。现有技术常采用以下几种技术路线解决上述问题：(1)在钛纤维烧结型钛毡表面使用钛粉烧制微孔层结构(MPL)；(2)钛毡正反面使用不同纤维直径的钛纤维，来控制正反两面的孔结构，形成过渡孔结构。方法(1)和(2)均能在结构上构建梯度孔结构提升传质，增大与催化层表面的接触面积。但由于在工作电压和酸性条件下，钛毡表面易形成氧化层，增大组件间的界面接触电阻。因此，均需要采取在钛毡表面镀贵金属(如：铂、铱、金等贵金属)涂层处理的方法来防止钛毡表面氧化的发生，降低集流体扩散层与催化层间的界面接触电阻。然而，钛毡表面做贵金属涂层处理会导致其成本急剧增加至无贵金属涂层基材的2～3倍，高昂的材料成本无疑是PEM水电解制氢技术路线商业发展所面临的巨大挑战。
[0003]专利CN115646071 A公布了“一种水电解槽用梯度化多孔金属毡及制备方法”，该专利技术专利采用等离子喷涂的方法将直径由大到小的球状金属颗粒梯度喷涂在金属纤维毡表面，在其表面形成一层均匀可控的孔结构过渡层，从而解决现有技术中孔隙分布不均，表面层孔径较大等问题，有效的提升了集流体扩散层钛毡与催化层间界面接触面积，减小界面阻抗，但仍需镀贵金属涂层以提升传质，增加了材料的成本。专利CN 116136024 A公布了“一种制备改性多孔钛基集电器的方法”，该专利提出将集流体钛毡表面做氮化处理，钛毡表面形成氮化钛层来替代贵金属涂层，防止钛毡表面氧化的发生，虽然降低了钛毡的生产成本，但在钛毡表面镀非贵金属涂层的技术并不成熟，无法进行工业化生产，并且非贵金属涂层会导致界面阻抗增加。

技术实现思路

[0004]针对上述问题本专利技术提出一种将阳极催化剂浆料分配式涂布的创新性膜电极制备方法，在使用无贵金属涂层集流体扩散层钛毡的条件下，该工艺能够增强钛毡表面与催化层的结合力防止钛毡表面氧化的发生，增大钛毡与催化层的接触面积，有效的降低钛毡与催化层间的界面接触电阻，提升膜电极性能，解决了现有技术存在的贵金属涂层集流体扩散层钛毡成本高，使用无贵金属涂层钛毡材料时由于表面易氧化，孔隙不均匀，表面孔径大造成的界面接触电阻增大，产热量增加，膜电极性能下降，局部热点导致膜电极寿命下降等问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术一方面提供一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法，所述方法包括以下步骤：将阳极催化剂分散在去离子水和有机溶剂中，加入离子交换树脂，混合均匀分别制得阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B，将阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B分别涂布在阳极集流体扩散层钛毡表面和质子交换膜表面；所述阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B的催化剂总含量与目标膜电极阳极催化剂载量相同；所述阳极催化层由涂布在钛毡表面的阳极催化剂浆料A形成的催化剂A催化层和涂布在质子交换膜表面的阳极催化剂浆料B形成的催化剂B催化层组成，其结构示意图如图3所示。
[0007]上述技术方案中，进一步地，所述目标膜电极阳极催化剂载量为0.1～3mg
Ir
/cm2。
[0008]上述技术方案中，进一步地，所述的阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B分别为铱基或钌基催化剂，包括铱黑、氧化铱、铱基金属合金、负载型氧化铱、钌黑、氧化钌、负载型氧化钌、铱钌合金中的一种或多种。
[0009]上述技术方案中，进一步地，所述阳极催化剂浆料A涂布在钛毡表面的制备工艺为喷涂，喷涂工艺有助于提升雾化的催化剂浆料在钛毡表面覆盖的致密度，提升催化层与钛毡表面的结合强度，有效防止钛毡表面氧化现象的发生，增大催化剂与钛毡间的相界面接触面积，达到降低相界面接触电阻的目的，阳极催化剂浆料B涂布在质子膜表面的涂布工艺为喷涂、刮涂、热压转印、狭缝涂布中的一种。
[0010]上述技术方案中，进一步地，所述阳极催化剂浆料A中离子交换树脂干重占浆料总干重的5wt％～25wt％，固含量为1wt％～15wt％，阳极催化剂浆料B中离子交换树脂干重占浆料总干重的10wt％～40wt％，固含量为15wt％～30wt％，且阳极催化剂浆料A中离子交换树脂含量占比低于阳极催化剂浆料B中离子交换树脂含量占比。
[0011]上述技术方案中，进一步地，所述阳极催化剂浆料A中催化剂含量占目标阳极催化剂载量的1wt％～30wt％，阳极催化剂浆料B中催化剂含量占目标阳极催化剂载量催化的70wt％～99wt％。
[0012]上述技术方案中，进一步地，制备阳极催化剂浆料A所使用的离子交换树脂的浓度为5wt％～20wt％，制备阳极催化剂浆料B所使用的离子交换树脂浓度为10wt％～30wt％。
[0013]上述技术方案中，进一步地，所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、正丙醇、三甘醇、乙二醇中的一种或多种混合物。
[0014]本专利技术另一方面提供一种低界面阻抗PEM水电解膜电极，所述膜电极包括依次层叠的阳极集流体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极集流体扩散层组成；所述阳极催化层由上述制备方法制备得到。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]1、本专利技术方法提出一种在不增加原有材料成本的条件下，使用无贵金属涂层钛毡材料，通过将阳极催化剂分别涂在钛毡表面和质子交换膜表面的水电解膜电极制备工艺路线，增强催化层与钛毡的结合力，增大两相界面间的接触面积，有效改善水电解膜电极集流体扩散层与催化层间的界面接触电阻，提升膜电极性能。
[0017]2、本专利技术方法提升了膜电极的催化活性，对无贵金属涂层钛毡材料在水电解槽中的应用以及制备低贵金属载量的膜电极具有显著增益效果，对PEM水电解槽成本的降低具有重要意义。
附图说明
[0018]图1为实施例1和对比例1中单电池水电解测试极化曲线对比；
[0019]图2为实施例1和对比例1中单电池水电解交流阻抗谱对比；
[0020]图3本专利技术膜电极结构示意图；
[0021]图中：1、阳极集流体扩散层钛毡，2、阳极催化剂A催化层，3、阳极催化剂B催化层，4、质子交换膜，5、阴极催化层，6、阴极集流体扩散层。
具体实施方式
[0022]以下实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。
[0023]如无特别说明，本专利技术的实施例中所用的材料均可通过商业途径得到或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备即可。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低界面阻抗PEM水电解膜电极阳极催化层制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将阳极催化剂分散在去离子水和有机溶剂中，加入离子交换树脂，混合均匀分别制得阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B，将阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B分别涂布在阳极集流体扩散层钛毡表面和质子交换膜表面；所述阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B的催化剂总含量与目标膜电极阳极催化剂载量相同；所述阳极催化层由涂布在钛毡表面的阳极催化剂浆料A形成的催化剂A催化层和涂布在质子交换膜表面的阳极催化剂浆料B形成的催化剂B催化层组成。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述目标膜电极阳极催化剂载量为0.1～3mg
Ir
/cm2。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的阳极催化剂浆料A和阳极催化剂浆料B分别为铱基或钌基催化剂，包括铱黑、氧化铱、铱基金属合金、负载型氧化铱、钌黑、氧化钌、负载型氧化钌、铱钌合金中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳极催化剂浆料A涂布在钛毡表面的制备工艺为喷涂，阳极催化剂浆料B涂布在质子膜表面的涂布工艺为喷涂、刮涂、热压转印、狭缝涂布中的一种。5.根据权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会兵，陈桂银，张晨，邢丹敏，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：