CN107887625A - 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用 - Google Patents

固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN107887625A
CN107887625A CN201610861749.4A CN201610861749A CN107887625A CN 107887625 A CN107887625 A CN 107887625A CN 201610861749 A CN201610861749 A CN 201610861749A CN 107887625 A CN107887625 A CN 107887625A
Authority
CN
China
Prior art keywords
membrane electrode
hot pressing
catalyst
closed material
panels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610861749.4A
Other languages
English (en)
Inventor
俞红梅
迟军
贾佳
高学强
覃博文
邵志刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201610861749.4A priority Critical patent/CN107887625A/zh
Publication of CN107887625A publication Critical patent/CN107887625A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

本发明涉及一种优化的固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装方法。膜电极由催化剂层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜等部件热压组装而成,该方法旨在优化膜电极组装时的加热温度以及组装压力。将本发明制备的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池时具有较好的性能。本发明在可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。

Description

固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用
技术领域
本发明涉及一种优化的固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装方法。膜电极由催化剂层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜等部件热压组装而成,该方法旨在优化膜电极组装时的加热温度以及组装压力。将本发明制备的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池时具有较好的性能。本发明在可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。
背景技术
近年来,固体聚合物电解质(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,而且其产物高纯度的氧也已用于航天、医疗、分析等领域。膜电极作为PEM水电解池核心部件,进行结构上的优化是提高电解效率是各国研究人员的工作重点。
分析质子交换膜水电解池(PEMWE)的电解过程,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。传统的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。但气体扩散层电极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。因此更有利于降低催化层与质子交换膜之间接触电阻的催化剂覆膜电极得到人们的广泛关注。然而该催化剂覆膜电极中Nafion与催化剂的比例直接影响电极自身的微观结构以及电极本身的孔隙率,优化催化层中Nafion与催化剂的质量比,获得更为性能更为优异的催化剂覆膜电极,将具有广阔的应用前景。
PEMWE水电解池的膜电极制备可以采用气体扩散电极(GDE,gas diffusionelectrode)工艺,将催化剂直接涂覆于扩散层上,也可以采用催化剂覆膜电极(CCM,catalyst coated membrane)电极工艺,通过热压法,电化学沉积法,喷涂等方法,将催化剂制备在PEM膜上。采用CCM法制得的膜电极组件由于催化层与质子交换膜之间接触更为紧密,因而具有阻抗小的特点,在本发明中我们就采取CCM法来制备膜电极。
发明内容
本发明涉及一种优化的固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装方法。膜电极由催化剂层、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层、质子交换膜等 部件热压组装而成,该方法旨在优化膜电极组装时的加热温度以及组装压力。将本发明制备的膜电极组件用作质子交换膜(PEM)水电解池时具有较好的性能。本发明在可再生燃料电池(RFC)、光电催化、电解氢气发生器装置中有广泛的利用价值。
经优化后的固体电解质(SPE)电解用膜电极,其基本制备步骤及优化条件如下:
(1)首先将一定量的催化剂与Nafion按照5:1~7:1的质量比混合在一定量的分散剂中,催化剂与分散剂的质量比为1:10~1:40,将混合好的浆料超声混合10~30min。分散剂为乙醇、异丙醇、正丙醇中的一种或二种以上,分散剂将催化剂颗粒与Nafion均匀混合在一起;
将上述混合好的催化剂浆料喷涂在膜的两侧,上述喷涂操作均在热台上进行,热台温度维持恒定在45~65℃。
(2)用两片中空环形封闭材料将(2)中制得的涂覆有催化层的质子交换膜夹住,在阴极侧封闭材料放好与封闭材料内框等大的碳纸气体扩散层,在阳极相应区域安放一片符合封闭材料内框大小的聚四氟乙烯薄片。
(3)将膜电极用两片大块聚四氟乙烯薄膜夹住,放置于两片金属钛夹板之间,置于100~140℃的油压机之中热压0.5~3min,热压之后取下钢板、四氟片,在阳极侧放置与阳极侧封闭材料内框等大的阳极扩散层,初步制得膜电极组件。
选用的封闭材料可以是聚酯框、橡胶框等密封材料;
选用的质子交换膜是以Nafion膜为代表的质子交换膜,如Nafion 117,Nafion211等;
所选用的阴极气体扩散层为厚度0.2~0.3mm的增水化处理的碳纸;阳极气体扩散层为厚度0.7~0.8mm的镀铂多孔钛板。
所述的夹层结构固体电解质(SPE)电解用膜电极的热压组装的油压过程所使用的压强为0.1~0.5MPa,热压温度为45~75℃,热压时间为0.5~5min。
所述膜电极应用于RFC、光电催化、APE水电解池或碱性水电解氢气发生器中。
本发明较好的实施条件是:
1、与PEM水电解技术中的气体扩散层电极相比,催化剂覆膜电极能够在很大程度上降低电解池两极的欧姆降,从而提高电解池的性能。
2、MEA在该方法所述的组装顺序进行方能得到良好的密闭性,实现透水阻气。
3、MEA在经过优化的热压条件下经过热压能够更加平整,完成MEA电极一体化的制作。
本发明的优点:
1、采用优化后的催化剂覆膜电极热压组装条件,与优化之前相比,能 够在更大程度上保证MEA的透水阻气性,获得更为耐用的MEA,在保证电解效率的同时,保证了电极的耐用性。
本发明方法简单易控,经济合理,产物制备效率高。
附图说明
图1.固体电解质(SPE)电解用膜电极的结构图。
图2.实际运行电解池结构示意图。
图中:1-气体扩散层;2-阴极/阳极聚酯框;3-阴极/阳极催化剂层;4-阴离子交换膜;5-金属钛端板;6-流场;7-密封垫;8膜电极组件。
图3.以去离子水为电解液的PEM水电解池的极化曲线,阳极催化剂担载量1.5mg/cm2,催化层中催化剂与Nafion质量比为4:1,膜两侧的Nafion层的担载量为0.6mg/cm2,阴极70wt.%Pt/C,Pt担载量0.7mg/cm2,NAFION 117膜,电极面积5cm2,电极热压温度为120℃,热压压力为0.5MPa,热压时间为1min,测试温度80℃。
图4.以去离子水为电解液的PEM水电解池的极化曲线,阳极催化剂担载量1.5mg/cm2,催化层中催化剂与Nafion质量比为4:1,膜两侧的Nafion层的担载量为0.6mg/cm2,阴极70wt.%Pt/C,Pt担载量0.7mg/cm2,NAFION 117膜,电极面积5cm2,电极热压温度为120℃,热压压力为2MPa,热压时间为1min,测试温度80℃。
图5.以去离子水为电解液的PEM水电解池的极化曲线,阳极催化剂担载量1.5mg/cm2,催化层中催化剂与Nafion质量比为4:1,膜两侧的Nafion层的担载量为0.6mg/cm2,阴极70wt.%Pt/C,Pt担载量0.7mg/cm2,NAFION 117膜,电极面积5cm2,电极热压温度为60℃,热压压力为0.5MPa,热压时间为1min,测试温度80℃。
具体实施方式
实施例1
(1)催化剂浆料的制备:首先称取93mg Ir黑、62mg 70wt.%的Pt/C,再按照催化剂与Nafion按照4:1的质量比分别混合在一定量的乙醇中,催化剂与乙醇/异丙醇/正丙醇的质量比为1:40,将混合好的浆料超声混合20min。
(2)催化剂浆料的喷涂:将(1)中超声均匀的催化剂浆料喷涂在膜的两侧,上述喷涂操作均在热台上进行,热台温度维持恒定在60℃。
(3)割取封闭材料:所述封闭材料共分两片,阴极侧的封闭材料内框长3.0cm,宽2.5cm,阳极侧封闭材料内框长2.5cm,宽2.0cm,封闭材料内框大小不同是为了避免在油压机上进行热压时封闭材料内框边缘产生过大的剪切应力将膜撕裂。
(4)膜电极组件的压制:封闭材料将(2)中制得的喷涂有催化层的质子交换膜边缘夹住,在阴极封闭材料中空内框放置与内框等大的碳纸作为阴极气体扩散层,在阳极相应区域安放一片符合封闭材料内框大小的聚四氟乙烯薄片。将膜电极用聚四氟乙烯薄膜夹住,放置于两片金属钛夹板之间,置 于120℃,2MPa的油压机之中热压60s,热压完毕取下钢板、聚四氟薄片,在MEA阳极侧放置多孔钛板作为阳极扩散层,初步制得膜电极组件,MEA的最终结构如图1所示。
本发明对膜电极组件在实际电解池中进行了考察,装置结构如图2所示:在全电池中,采用镀铂多孔钛板作为阳极气体扩散层,去离子水作为电解液,电解液以60mL/min的流量由阳极通入电解池,电解池运行温度为80℃,相关测试结果如图3所示。通过对膜电极组件各部件材料,以及催化层各步骤各组分配比的探索,得到较好的电解池的整体性能,使电解池的电解电压降低到1.777V@1000mA/cm2
实施例2
在实验过程中发现热压条件对电极性能有很大影响,通过对MEA热压制备过程中各不同条件的调节,置于120℃,0.5MPa的油压机之中热压60s,电解池性能有所。图4为在与实例1相同测试条件下的全电池稳态极化曲线。此时该电解池的电解电压降低到了1.797V@1000mA/cm2
实施例3
在实验过程中发现热压条件对电极性能有很大影响,通过对MEA热压制备过程中各不同条件的调节,置于120℃,0.5MPa的油压机之中热压60s,电解池性能有所。图4为在与实例1相同测试条件下的全电池稳态极化曲线。此时该电解池的电解电压降低到了1.832V@1000mA/cm2
实施例4
在实验进行过程中发现,采用该发明说明书中所述的固定以及密封方法进行电极组装,方能得到透水阻气性能良好的膜电极。否则无法有效确定电极的有效面积,或者实现可靠电解池的组装。

Claims (7)

1.一种固体电解质电解用膜电极的热压组装方法,其特征在于:该热压组装方法将夹层结构的膜电极置于油压机下热压;
夹层结构的膜电极包括依次层叠的阴极气体扩散层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、以及阳极气体扩散层;
所述膜电极的热压组装方法制备遵循以下步骤:
(1)将含有阴极催化剂和Nafion的阴极催化剂浆料、含有阳极催化剂和Nafion的阳极催化剂浆料分别喷涂于质子交换膜两侧制得催化剂覆膜电极;
(2)用中空的、环形的两片封闭材料将步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极的四周边缘夹住,使步骤(1)中制得的催化剂覆膜电极处于两片封闭材料之间,且催化剂覆膜电极的四周边缘均被两片封闭材料夹持固定,并在封闭材料阴极催化层一侧的中空部位的阴极催化层上放置碳纸气体扩散层,碳纸气体扩散层与封闭材料的中空环形区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致;在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置一片与封闭材料中空区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致的聚四氟乙烯薄片;
(3)将被两片封闭材料夹持的催化剂覆膜电极用两片聚四氟乙烯薄膜夹住,使两片封闭材料及它们中的催化剂覆膜电极处于两片聚四氟乙烯薄膜之间,并将夹住催化剂覆膜电极的两片聚四氟乙烯薄膜放置于两片金属夹板之间;将金属夹板置于100~140℃的油压机之中热压0.5~5min;热压完毕后取下金属夹板、聚四氟乙烯薄片、聚四氟乙烯薄膜,在封闭材料阳极催化层一侧的中空部位的阳极催化层上放置与封闭材料中空区域厚度相同、面积相等、形状相同、即规格一致的多孔钛板,即可获得膜电极组件。
2.按照权利要求1所述的膜电极制备方法,其特征在于:制备的夹层结构膜电极包括质子交换膜、阴/阳极催化层,以及位于膜两侧的阴/阳极气体扩散层。
3.按照权利要求1所述的膜电极制备方法,其特征在于:步骤(2)中两片封闭材料中空区域内框大小和/或形状不同,其是为了避免在油压机上进行热压时封闭材料内框边缘产生过大的剪切应力将膜撕裂。
4.按照权利要求1所述的膜电极制备方法,其特征在于:
选用的封闭材料可以是聚酯框或橡胶框等密封材料;
选用的质子交换膜是以Nafion膜为代表的质子交换膜,如Nafion 117或Nafion 211等;
所选用的阴极气体扩散层为厚度0.2~0.3mm的增水化处理的碳纸;阳极气体扩散层为厚度0.7~0.8mm的镀铂多孔钛板。
5.按照权利要求1所述的膜电极制备方法,其特征在于:步骤(3)所述热压过程使用的压强为0.1~0.5MPa,热压温度为100~140℃,热压时间为0.5~3min。
6.一种权利要求1-5任一所述制备方法制备的膜电极。
7.一种权利要求6所述膜电极的应用,,其特征在于:制备得到的所述膜电极可应用于RFC、光电催化、PEM水电解池或酸性水电解氢气发生器中。
CN201610861749.4A 2016-09-29 2016-09-29 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用 Pending CN107887625A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610861749.4A CN107887625A (zh) 2016-09-29 2016-09-29 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610861749.4A CN107887625A (zh) 2016-09-29 2016-09-29 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107887625A true CN107887625A (zh) 2018-04-06

Family

ID=61768996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610861749.4A Pending CN107887625A (zh) 2016-09-29 2016-09-29 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107887625A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109440124A (zh) * 2018-10-22 2019-03-08 北京汇龙昌海科贸有限公司 一种电解水用膜电极的制备方法
CN112599824A (zh) * 2020-12-14 2021-04-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池用复合膜的制备工艺
CN112838253A (zh) * 2019-11-22 2021-05-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温燃料电池膜组件的制备方法
CN113235120A (zh) * 2021-03-30 2021-08-10 清华大学 膜电极组件与水电解装置
CN113871628A (zh) * 2021-09-15 2021-12-31 天津大学 一种阴离子交换膜电解池膜电极制备与组装方法
CN114665131A (zh) * 2022-02-24 2022-06-24 南京工业大学 一种表征氧电极材料的h3o+传输性的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101942672A (zh) * 2010-09-16 2011-01-12 清华大学 一种聚合物电解质膜电极的制备方法
CN105369288A (zh) * 2014-08-22 2016-03-02 中国科学院大连化学物理研究所 优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101942672A (zh) * 2010-09-16 2011-01-12 清华大学 一种聚合物电解质膜电极的制备方法
CN105369288A (zh) * 2014-08-22 2016-03-02 中国科学院大连化学物理研究所 优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109440124A (zh) * 2018-10-22 2019-03-08 北京汇龙昌海科贸有限公司 一种电解水用膜电极的制备方法
CN112838253A (zh) * 2019-11-22 2021-05-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温燃料电池膜组件的制备方法
CN112838253B (zh) * 2019-11-22 2022-05-06 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温燃料电池膜组件的制备方法
CN112599824A (zh) * 2020-12-14 2021-04-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池用复合膜的制备工艺
CN113235120A (zh) * 2021-03-30 2021-08-10 清华大学 膜电极组件与水电解装置
CN113871628A (zh) * 2021-09-15 2021-12-31 天津大学 一种阴离子交换膜电解池膜电极制备与组装方法
CN114665131A (zh) * 2022-02-24 2022-06-24 南京工业大学 一种表征氧电极材料的h3o+传输性的方法
CN114665131B (zh) * 2022-02-24 2024-01-16 南京工业大学 一种表征氧电极材料的h3o+传输性的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105369288B (zh) 优化的电解用含阴离子交换树脂过渡层的膜电极的制备方法
CN107881528A (zh) 一种电解池用膜电极的制备及膜电极和应用
CN107887625A (zh) 固体电解质电解用膜电极的热压组装方法及膜电极和应用
CA2532945C (en) Membrane-electrode assembly for the electrolysis of water
US7993499B2 (en) Membrane electrode unit for the electrolysis of water
CN101463487B (zh) 用于电解水的质子交换膜电极制备方法
CN103178283B (zh) 一种氢溴储能电池结构
CN100495780C (zh) 用于燃料电池或电解的膜电极的制备方法
CN101942672A (zh) 一种聚合物电解质膜电极的制备方法
CN108878930A (zh) 一种电解用膜电极催化层微观结构的优化方法
CN101752570B (zh) 质子交换膜燃料电池电极制备方法
CN102522570A (zh) 一种增强型质子交换膜燃料电池膜电极制备方法
JP2000299119A (ja) 触媒層の製造方法
CN102074715A (zh) 用于一体式可再生燃料电池的双效膜电极及其制备方法
CN108767297A (zh) 一种燃料电池膜电极的制备方法
CN114737211B (zh) 一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用
CN115786950A (zh) 一种水电解用膜电极及其制备方法与水电解池
CN102456903A (zh) 一种利用甲酸电解制取氢气的方法
Suo et al. A novel MEA architecture for improving the performance of a DMFC
CN213570766U (zh) 一种基于铅网的水分解制氢装置
CN113981479B (zh) 一种水电解装置
CN105702991B (zh) 一种燃料电池用双极膜及其制备方法
CN211578890U (zh) 一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置
CN103367775B (zh) 一种直接液体燃料电池膜电极的制备方法
CN201956423U (zh) 一种质子交换膜燃料电池膜电极喷涂加热真空吸盘

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20190329

Address after: 116023 No. 457-41 Zhongshan Road, Shahekou District, Dalian City, Liaoning Province

Applicant after: Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences

Applicant after: Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd.

Applicant after: State Grid Corporation of China

Address before: 116023 No. 457-41 Zhongshan Road, Shahekou District, Dalian City, Liaoning Province

Applicant before: Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences

TA01 Transfer of patent application right
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180406

RJ01 Rejection of invention patent application after publication