CN107604379A - 一种spe膜电极及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SPE膜电极，安装于包括有所述膜电极、双极板、端板、密封垫的SPE电解池内，所述膜电极包括质子交换膜，嵌入所述质子交换膜的催化剂，包围所述外表边缘并负责与所述双极板连接的聚酯边框。本发明还公开了一种SPE膜电极制备工艺，包括催化剂喷涂准备、催化剂喷涂、质子交换膜剪裁、热压准备、热压、后处理。本发明结构简单，制作方便，成本低廉,不仅显著提高质子交换膜利用率，减少质子交换膜的使用量，也降低了膜电极成本，并保证并提高了膜电极与双极板的连接强度，大大提高了催化剂的喷涂效率和膜电极的制作效率，充分释放SPE电解池的产能潜力。
Description
技术领域
本发明涉及SPE电解水制氢领域，特别涉及一种SPE膜电极及其制备工艺。
背景技术
氢能是未来最理想的能源。电解水制氢有着广泛的发展前景，SPE电解水制氢，即Solid Polymer Electrolyte电解水制氢，全称为固体聚合物电解质电解水制氢技术，该技术的核心是固体聚合物电解质电解池，如附图5所示，SPE电解池一般由包括膜电极100、双极板200、端板300和密封垫400等组成，膜电极100的左右两侧均设置有双极板200，膜电极100与双极板200通过紧固件等方式固定连接，其中，膜电极100是SPE电解池的核心部件之一，决定着SPE电解池的性能。
膜电极100就是在固体聚合物电解质膜两侧嵌入活性电极，使膜与电极成为一个整体，水的电化学反应就在其中进行，相当于隔膜和电极的作用。固体聚合物电解质膜，通常是质子交换膜，其全称为全氟磺酸质子交换膜，是一种坚韧、柔软的全氟化磺酸基聚合物薄片，对氢离子有高导通性；活性电极即固体催化剂，一般为铂系金属及其氧化物，且质子交换膜的相对面上分别嵌入阴极氧化剂和阳极氧化剂，阴极氧化剂和阳极氧化剂的成分不同。膜电极100的典型结构如图6所示，包括质子交换膜10，催化剂20；催化剂20被制作调配成悬浊液，通过机械手等设备直接喷涂在质子交换膜中部，催化剂20所在区域形成催化有效区11、质子交换膜10上未覆盖催化剂的区域形成留白区12，留白区12的外周形状和大小与双极板200相适应，外周向内延伸，使留白区12具有一定的宽度，从而在其上布置紧固件，与双极板200进行连接。如上所述的膜电极100在制作过程中至少有以下缺点：
1. 质子交换膜在制作成膜电极组件时，只有中间部分成为有效催化区，质子交换膜的利用率较低，用量大；
2. 为保证留白区的面积，催化剂在喷涂过程中，需要小心翼翼，特别是在留白区与有效催化区的交界处，喷涂工时长，容错率低，制作效率低；
3. 因催化剂是调配的悬浊液，且单张质子交换膜的用量不大，而因为缺点2的原因导致喷涂时间太长，若催化剂调配太多，未使用部分容易产生沉降，不适合进行大容量的催化剂制备，只能逐张逐面调配，费时费力；
4. 膜电极生产效率低，产量低，严重制约了SPE电解池的整体产出效率，成为SPE电解池制作的一大痛点和瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种SPE电解水技术膜电极，能够克服现有技术的不足之处，不仅显著提高质子交换膜利用率，减少质子交换膜的使用量，也降低了膜电极成本，并保证并提高了膜电极与双极板的连接强度。
本发明的另一个目的是提供一种SPE电解水技术膜电极制备工艺，能够克服现有技术的不足之处，大大提高了催化剂的喷涂效率和膜电极的制作效率，充分释放SPE电解池的产能潜力。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种SPE膜电极，安装于包括有所述膜电极、双极板、端板、密封垫的SPE电解池内，所述膜电极包括质子交换膜，嵌入所述质子交换膜的催化剂，包围所述外表边缘并负责与所述双极板连接的聚酯边框。
质子交换膜在外侧边缘仅留白很窄一部分，用于与聚酯边框的结合，使得质子交换膜的绝大部分面积都用于嵌入催化剂，单个膜电极中质子交换膜的使用面积大大减小，利用率大大提高，而将膜电极与双极板的连接任务交给更廉价，硬度更高的聚酯边框，而不是在昂贵的质子交换膜上留出大片区域用于机械连接，从而在保证催化剂有效面积相同的情况下大大降低了膜电极的制作成本，并且连接强度更高。
作为优选，所述质子交换膜包括用于嵌入所述催化剂的上料区，位于所述上料区边缘的用于与所述聚酯边框进行连接的未上料区。
上料区用于嵌入催化剂，作为催化有效区域，未上料区未嵌入催化剂，作为留白用于与聚酯边框结合，结合方式可以是热压。
作为优选，所述聚酯边框包括边缘与所述双极板的形状和尺寸相适应的聚酯边框基体，开于所述聚酯边框基体中部的用于放置所述质子交换膜的内框，开于所述内框中部的用于使所述催化剂裸露在外的通腔。
内框的深度与所述未上料区的厚度的一半相适应，使两片聚酯边框贴合在一起后的内框形成完整的适应未上料区厚度容纳区域，内框中未开所述通腔的区域用于与未上料区进行物理接触，其宽度与未上料区的形状、大小一致。
作为优选，所述聚酯边框的数量为两个，两片所述聚酯边框镜像对称的贴合在一起，并将所述质子交换膜容纳在内。
两片酯边框贴合在一起时，各自的内框也相互接合形成容纳完整质子交换膜的空间。
作为优选，所述催化剂外表面与所述质子交换膜中心的距离小于贴合在一起后的相同侧的所述聚酯边框的外表面与所述质子交换膜中心的距离。
由此，在聚酯边框与质子交换膜结合后，膜电极最厚的地方是聚酯边框区域，催化有效区域的表面在聚酯边框内，从而，在进行后期处理，包装，部件安装的时候更好的保护催化有效区域的表面。
作为优选，所述质子交换膜与所述聚酯边框的结合部分的宽度为5mm。
使质子交换膜中的留白部分远远小于现有技术中用于连接双极板的留白部分，大大提高质子交换膜利用率。
作为优选，所述聚酯边框的端面高出所述催化剂的高度为0.05mm。
一种SPE膜电极制备工艺，包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除所述质子交换膜上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
质子交换膜边缘的胶带的宽度不小于质子交换膜与聚酯边框的结合部分的宽度，质子膜边缘之外的部分的胶带的宽度不小于质子交换膜与聚酯边框的结合部分的宽度的两倍，从而使得催化剂喷涂完成，剪裁成单个质子交换膜时，胶带覆盖的区域可顺利剪裁成用于与聚酯边框结合的宽度，胶带的粘黏可通过制作专用的粘黏工装实现，方便快捷，且胶带上喷涂的催化剂可回收再利用。
B）催化剂喷涂：调配好所述催化剂，使用喷涂设备将所述催化剂均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
未上料区通过胶带遮盖，使得催化剂在喷涂时完全没有存在未喷涂区域时的顾虑，喷涂过程简单化，时间大大缩短；整张质子交换膜同时喷涂，大大减少了单张质子交换膜喷涂时进行的准备工作的次数，喷涂效率大大提高，催化剂也可以大量调配，一起使用，催化剂的准备时间也大大缩短，避免出现单张质子交换膜喷涂催化剂时必须现配现用的窘境。
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
从而一次喷涂制得多张具有符合要求的催化有效面积的面积更小的质子交换膜，质子交换膜利用率大幅提升，材料浪费少。
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片所述聚酯边框之间，催化有效区域完整裸露在所述聚酯边框的表面覆盖区域之外，两片所述聚酯边框相接合的区域均匀涂有热压胶；
高温胶带可以是聚酰亚胺胶带，质子交换膜通过聚酰亚胺胶带固定在两片聚酯边框之间，连接位置稳定，防止松动；热压胶在高温热压下熔化，再在两片聚酯边框施加一定压力压合一段时间，聚酯边框就粘合在一起。
E）热压：经步骤D处理的所述膜电极包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
柔性石墨板作为压力缓冲件，使膜电极受到的热压压力更加均匀，防止膜电极形变。
F）后处理：从油压机中取出所述膜电极，静置冷却，去除步骤E中包覆在所述膜电极上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
作为优选，所述质子交换膜与所述聚酯边框的结合部分的宽度为2～7mm。
作为优选，步骤A中所述质子交换膜边缘的胶带的宽度不小于所述质子交换膜与所述聚酯边框的结合部分的宽度，所述质子交换膜边缘之外的部分的胶带的宽度不小于所述质子交换膜与所述聚酯边框的结合部分的宽度的两倍。
作为优选，所述步骤E中的热压时间为6～15分钟，热压温度为110℃～130℃，热压压力为15～25MPa。
作为优选，所述步骤E中，膜电极表面还包覆有PTFE板。
柔性石墨板、PTFE板依次包覆，形成更好的压力缓冲。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
一种SPE膜电极，将嵌入有催化剂的质子交换膜通过聚酯边框进行封边连接，即使用聚酯边框代替现有技术中大片的质子交换膜上的留白区域，来连接电解池中的双极板，聚酯边框强度大，价格低，质子交换膜上的留白部分极大的缩小，在保证膜电极整体尺寸和原有催化有效面积的前提下，大大减小了单块膜电极中价格昂贵的质子交换膜的用量，显著提高了质子交换膜的利用率，并且使膜电极与双极板的连接更坚固牢靠，从而大大降低了膜电极的生产成本。
一种SPE膜电极制备工艺，采用大块质子交换膜整面同时进行喷涂催化剂，再裁剪出需要尺寸的单个的质子交换膜，并留出与聚酯边框相接触的宽度的极窄的区域，大大提高了催化剂喷涂的效率，减少了做喷涂准备工作的次数，大大增加了催化剂的一次喷涂使用量，减少了催化剂的调配次数，大大提高了膜电极的制作效率，解开了电解池制作中膜电极产量低，制造时间长的瓶颈，大大释放产能。
附图说明
图1为本发明SPE膜电极的结构示意图；
图2为本发明质子交换膜的结构示意图；
图3为聚酯边框的结构示意图；
图4为整块质子交换膜喷涂催化剂后的结构示意图；
图5为电解池的结构示意图；
图6为现有技术中膜电极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及优选的方案对本发明做进一步详细的说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1：如图1-3所示，一种SPE膜电极，安装于包括有膜电极100、双极板200、端板300、密封垫400的SPE电解池内，膜电极100包括质子交换膜10，嵌入质子交换膜10的催化剂20，包围外表边缘并负责与双极板200连接的聚酯边框30。
质子交换膜10包括用于嵌入催化剂20的上料区13，位于上料区13边缘的用于与聚酯边框30进行连接的未上料区14。
聚酯边框30包括边缘与双极板200的形状和尺寸相适应的聚酯边框基体31，开于聚酯边框基体31中部的用于放置质子交换膜10的内框32，开于内框32中部的用于使催化剂20裸露在外的通腔33。
聚酯边框30的数量为两个，两片聚酯边框30镜像对称的贴合在一起，并将质子交换膜10容纳在内。
催化剂20外表面与质子交换膜10中心的距离小于贴合在一起后的相同侧的聚酯边框30的外表面与质子交换膜10中心的距离。
所述质子交换膜与所述聚酯边框的结合部分的宽度为5mm。
所述聚酯边框的端面高出所述催化剂的高度为0.05mm。
所述质子交换膜的尺寸为73mmX73mm。
所述SPE膜电极的尺寸为110mmX110mm。
实施例2：如图1、4所示，一种SPE膜电极制备工艺，包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除质子交换膜10上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
B）催化剂喷涂：调配好催化剂20，使用喷涂设备将催化剂20均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片聚酯边框30之间，催化有效区域完整裸露在聚酯边框30的表面覆盖区域之外，两片聚酯边框30相接合的区域均匀涂有热压胶；
E）热压：经步骤D处理的膜电极100包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
F）后处理：从油压机中取出膜电极100，静置冷却，去除步骤E中包覆在膜电极100上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度为5mm。
步骤A中质子交换膜10边缘的胶带的宽度与质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度一致，质子交换膜10边缘之外的部分的胶带的宽度与质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度的两倍一致。
步骤E中的热压时间为10分钟，热压温度为115℃，热压压力为20MPa。
实施例3：如图1、4所示，一种SPE膜电极制备工艺，包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除质子交换膜10上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
B）催化剂喷涂：调配好催化剂20，使用喷涂设备将催化剂20均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片聚酯边框30之间，催化有效区域完整裸露在聚酯边框30的表面覆盖区域之外，两片聚酯边框30相接合的区域均匀涂有热压胶；
E）热压：经步骤D处理的膜电极100包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
F）后处理：从油压机中取出膜电极100，静置冷却，去除步骤E中包覆在膜电极100上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度为5mm。
步骤A中质子交换膜10边缘的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度，质子交换膜10边缘之外的部分的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度的两倍。
步骤E中的热压时间为10分钟，热压温度为120℃，热压压力为20MPa。
膜电极表面还包覆有PTFE板。
实施例4：如图1、4所示，一种SPE膜电极制备工艺，包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除质子交换膜10上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
B）催化剂喷涂：调配好催化剂20，使用喷涂设备将催化剂20均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片聚酯边框30之间，催化有效区域完整裸露在聚酯边框30的表面覆盖区域之外，两片聚酯边框30相接合的区域均匀涂有热压胶；
E）热压：经步骤D处理的膜电极100包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
F）后处理：从油压机中取出膜电极100，静置冷却，去除步骤E中包覆在膜电极100上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度为7mm。
步骤A中质子交换膜10边缘的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度，质子交换膜10边缘之外的部分的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度的两倍。
步骤E中的热压时间为6分钟，热压温度为110℃，热压压力为15MPa。
步骤E中，膜电极表面还包覆有PTFE板。
实施例5：如图1、4所示，一种SPE膜电极制备工艺，包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除质子交换膜10上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
B）催化剂喷涂：调配好催化剂20，使用喷涂设备将催化剂20均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片聚酯边框30之间，催化有效区域完整裸露在聚酯边框30的表面覆盖区域之外，两片聚酯边框30相接合的区域均匀涂有热压胶；
E）热压：经步骤D处理的膜电极100包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
F）后处理：从油压机中取出膜电极100，静置冷却，去除步骤E中包覆在膜电极100上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度为2mm。
步骤A中质子交换膜10边缘的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度，质子交换膜10边缘之外的部分的胶带的宽度等于质子交换膜10与聚酯边框30的结合部分的宽度的两倍。
步骤E中的热压时间为15分钟，热压温度为130℃，热压压力为25MPa。
步骤E中，膜电极表面还包覆有PTFE板。
Claims (10)
1.一种SPE膜电极，安装于包括有所述膜电极（100）、双极板（200）、端板（300）、密封垫（400）的SPE电解池内，其特征在于：所述膜电极（100）包括质子交换膜（10），嵌入所述质子交换膜（10）的催化剂（20），包围所述外表边缘并负责与所述双极板（200）连接的聚酯边框（30）。
2.根据权利要求1所述的一种SPE膜电极，其特征在于：所述质子交换膜（10）包括用于嵌入所述催化剂（20）的上料区（13），位于所述上料区（13）边缘的用于与所述聚酯边框（30）进行连接的未上料区（14）。
3.根据权利要求1所述的一种SPE膜电极，其特征在于：所述聚酯边框（30）包括边缘与所述双极板（200）的形状和尺寸相适应的聚酯边框基体（31），开于所述聚酯边框基体（31）中部的用于放置所述质子交换膜（10）的内框（32），开于所述内框（32）中部的用于使所述催化剂（20）裸露在外的通腔（33）。
4.根据权利要求1所述的一种SPE膜电极，其特征在于：所述聚酯边框（30）的数量为两个，两片所述聚酯边框（30）镜像对称的贴合在一起，并将所述质子交换膜（10）容纳在内。
5.根据权利要求1所述的一种SPE膜电极，其特征在于：所述催化剂（20）外表面与所述质子交换膜（10）中心的距离小于贴合在一起后的相同侧的所述聚酯边框（30）的外表面与所述质子交换膜（10）中心的距离。
6.根据权利要求1所述的一种SPE膜电极制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
A）催化剂喷涂准备：清除所述质子交换膜（10）上的有机和无机杂质后，将整块质子交换膜固定装夹在喷涂工位上，通过粘黏胶带等方式将整张质子交换膜分隔为具有整数个单张质子交换膜中的催化有效面积的质子交换膜；
B）催化剂喷涂：调配好所述催化剂（20），使用喷涂设备将所述催化剂（20）均匀喷涂至整张质子交换膜上，喷涂完成后静置干燥；
C）质子交换膜剪裁：撕除步骤A中使用的胶带，将经步骤B处理后的整张质子交换膜以未被喷涂的区域为基准，剪裁成多个单张的质子交换膜；
D）热压准备：用高温胶带将步骤C处理之后的单张质子交换膜居中放于两片所述聚酯边框（30）之间，催化有效区域完整裸露在所述聚酯边框（30）的表面覆盖区域之外，两片所述聚酯边框（30）相接合的区域均匀涂有热压胶；
E）热压：经步骤D处理的所述膜电极（100）包覆柔性石墨板，再置于油压机两块加热板中，在设定的压力值和温度下热压设定的时间，之后取出膜电极，静置冷却；
F）后处理：从油压机中取出所述膜电极（100），静置冷却，去除步骤E中包覆在所述膜电极（100）上的柔性石墨板和步骤D中的高温胶带。
7.根据权利要求6所述的一种SPE膜电极制备工艺，其特征在于：所述质子交换膜（10）与所述聚酯边框（30）的结合部分的宽度为2～7mm。
8.根据权利要求6所述的一种SPE膜电极制备工艺，其特征在于：步骤A中所述质子交换膜（10）边缘的胶带的宽度不小于所述质子交换膜（10）与所述聚酯边框（30）的结合部分的宽度，所述质子交换膜（10）边缘之外的部分的胶带的宽度不小于所述质子交换膜（10）与所述聚酯边框（30）的结合部分的宽度的两倍。
9.根据权利要求6所述的一种SPE膜电极制备工艺，其特征在于：所述步骤E中的热压时间为6～15分钟，热压温度为110℃～130℃，热压压力为15～25MPa。
10.根据权利要求6所述的一种SPE膜电极制备工艺，其特征在于：所述步骤E中，膜电极表面还包覆有PTFE板。
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