CN211578890U - 一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型设计了一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置。反应装置包括反应板、支撑板及密封盖等，将固体聚合物电解质膜紧固在反应装置中间后，加入反应溶液，盖上密封盖。本实用新型旨在解决目前有序化膜电极制备工艺复杂，损失率高，制备均一性差等问题，本实用新型的反应装置可简易放大，制备均一性优异，可高效低损量产膜电极。

Description

一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置
技术领域
本实用新型属于电化学领域，具体为一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置。所设计的反应装置可用于电解池、燃料电池、传感器、电化学气体压缩膜电极的制备。
背景技术
氢能是一种洁净的二次能源载体，可通过化石燃料重整、核能及与可再生能源结合电解水等多种途径制取，广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。我国风电、光伏、水电和核电的废弃率常高于40％，可利用这些废弃的电能通过电解水制备可再生的清洁能源H2作为燃料电池的燃料，推动燃料电池在航空、航天、航海、轨道交通、电子设备和备用电源等领域的应用，早日实现氢能经济结构。
固体聚合物电解质燃料电池和电解水都具有能量转换效率高、无腐蚀、设备维护简单等优点，其技术的发展是实现氢能可持续发展的关键。膜电极组件是固体聚合物电解质燃料电池和电解水的核心部件，制备工艺决定其微观结构，进而影响其单电池性能。传统的制备方法为将催化剂、离子聚合物树脂、水和醇混合均匀后采用丝网印刷、刮涂和喷涂等方法将浆液涂覆到气体扩散层或固体聚合物电解质膜上，制备得到的电极均一性较差，浆液损失率较高，工艺复杂，同时固体聚合物电解质膜和催化层的膨胀系数不同，在运行过程中电极易发生局部剥离，影响电池寿命(Proton exchange membrane fuel cells:materials properties and performance[M].CRC Press,2009)。为了解决传统电极中存在的问题，自2002年有序化膜电极被首次提出后取得了许多进展。
Morin等采用电子束蒸镀法在多孔铝模板上制备Cu纳米管阵列，后通过欠电位沉积制备得到PtCu纳米管阵列，将其与质子交换膜热压并移除铝模板后应用到质子交换膜燃料电池阴极，其单电池性能相比传统电极提升较大(Fuel Cells,2018,18(6):723-730)。Litster等人以多孔聚碳酸酯为模板，在质子交换膜表面制备了垂直排列的树脂纳米线阵列，然后采用物理气相沉积或化学气相沉积法在其表面沉积Pt薄膜，有效提高了Pt 的利用率(ChemElectroChem,2015,2(11):1752-1759)。Shao等人首先在碳纸上生长TiO2纳米棒阵列，其在甲烷气氛下进行热处理得到碳包覆TiO2 (TiO2-C)的纳米棒阵列，后通过物理气相沉积溅射沉积Pt纳米颗粒得到 Pt-TiO2-C电极。当其作为燃料电池阴极时，Pt载量可降低至28.67μg cm-2，阴极的质量比功率是传统电极的近5倍(Journal of Power Sources,2015, 276:80-88)。Kumta等人采用牺牲模板辅助法首次合成了一维垂直排列(Sn0.8Ir0.2):O2:10F纳米管，一维有序结构促进了电子传输，降低了电荷转移电阻，所制备的电极的固体聚合物电解质水电解性能和稳定性都要优于目前最优的IrO2(Journal ofPower Sources,2018,392:139-149)。
专利ZL102738478B中介绍了一种基于3维质子导体的有序化膜电极及制备方法。首先制备3维纳米纤维阵列质子导体，通过磁控溅射技术在纳米纤维阵列表面复合一层纳米活性金属催化剂，制备了基于质子导体的有序化膜电极。该有序化电极提高了质子传导效率，增加了催化层面积，提高了催化层与基底层的附着力，减少了传质极化损失和催化剂的用量，降低了膜电极的成本。此外，专利CN 108448138A提出一种催化层全有序结构质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，以阳极氧化铝为模板，采用化学气相沉积技术在气体扩散层上原位垂直生长氮掺杂的碳纳米管作为有序载体，再在其表面原位生长Pt或其合金为有序催化剂，最后引入质子导体在其表面均匀吸附。所制备的电极催化层、催化剂载体及离子导体都具有有序化阵列结构，极大地丰富了三相反应界面，降低电极内部的物质传输阻力。
然而，已报道的文章或专利中的膜电极受限于其制备方法，不能有效进行规模放大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种大面积有序化膜电极的反应装置，旨在解决现有制备方法中难以规模放大膜电极的问题。反应装置可用于电解池、燃料电池、传感器、电化学气体压缩膜电极的制备。
为了实现实用新型目的，提供一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置，所述反应装置包括可拆卸地密封扣合的反应板和支撑板；在竖直方向上，支撑板位于反应板的下方；反应板的竖直方向上具有反应通腔，反应通腔的上方设有密封盖。
作为优选，所述反应通腔的上方开口处为阶梯状。
作为优选，所述密封扣合是反应板和支撑板经密封垫扣合。
作为优选，待处理的膜电极经所述密封垫扣合在反应板和支撑板之间。
作为优选，反应通腔的面积范围为1-100cm2，反应通腔的水平面长度为1-10cm，宽度为1-10cm，反应通腔的竖直深度为1-10mm。
作为优选，所述反应板、支撑板和密封垫的材质为聚碳酸酯、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、不锈钢、铝、铜、金、钛、铬、镍、锌、镁中的一种。
作为优选，所述密封垫的材质为氯丁橡胶、天然橡胶、丁氰橡胶、氯磺酰化聚乙烯合成橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种。
作为优选，所述固体聚合物电解质膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜；阴离子交换膜的固定基团为伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基、芳氨基中的一种，高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚乙烯苄基氯、聚醚砜、二乙烯基苯和二甲氨基-丙基-异丁烯酰胺的共聚物、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物中的一种；阳离子交换膜的固定基团为磺酸基(-SO3H)或膦酸基(-PO3H2)中的一种，高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、丁二烯和苯乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚苯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮中的一种。
上述反应装置，可用于制备大面积有序化膜电极，还可用于电解池、燃料电池、传感器、电化学气体压缩膜电极的制备。
制备大面积有序化膜电极的步骤如下：
(1)加工制备反应装置
设计反应板、支撑板和密封盖的尺寸、反应通腔的尺寸和形状，选定一种材质进行加工。反应通腔的形状为矩形，通腔长度为1-10cm，通腔宽度为1-10cm，通腔深度为1-10mm。支撑板的长度和宽度与反应板的一致，在反应板和支撑板周围打孔用于安装螺丝进行紧固。
反应板、支撑板和密封盖的材质为聚碳酸酯、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、不锈钢、铝、铜、金、钛、铬、镍、锌、镁中的一种。
(2)大面积有序化膜电极的制备
所述制备有序化膜电极的面积为1-100cm2。
首先将密封垫和反应板及支撑板紧密贴合，将固体聚合物电解质膜置于支撑板上密封垫的中心处，将反应板和密封板对齐后用螺丝将装置紧固后平放，向反应通腔内加入反应混合溶液，盖上密封盖放置反应。
本实用新型设计的反应装置可通过对反应板和支撑板的尺寸进行规模放大，设计所需面积的反应通腔，制备大面积的有序化膜电极。
本实用新型设计的反应装置结构简单，便于加工，所述反应装置中反应板、支撑板和密封盖的反应面积和体积可简易放大，制备得到的膜电极的均一性较为优异。易于调控膜电极的面积，所制备的膜电极均一性优异，可高效低损量产膜电极，可用于电解池、燃料电池、传感器、电化学气体压缩膜电极的制备、易于工业化。
附图说明
图1是实施方式中反应装置的结构示意图；
图2是实施方式中反应板的结构示意图；
图3是实施例1中膜电极的电池性能图；
图4是实施例2中膜电极的电池性能图；
图中，1反应板；2支撑板；3密封垫；4密封盖；5螺丝；6螺母；7 固体聚合物电解质膜；8反应通腔；9开孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型予以进一步说明，但并不因此而限制本实用新型。
反应装置由反应板1、支撑板2、密封垫3、密封盖4、螺丝5和螺母6组成，反应板1中间阶梯状开口，构成反应通腔8及支撑密封盖4，将反应溶液加入反应通腔8后，盖上密封盖4进行密封；在反应板1、支撑板2和固体聚合物电解质膜7接触的界面贴有密封垫3，防止反应溶液的泄漏损失；将固体聚合物电解质膜7放置于反应板1和支撑板2间的密封垫3中间，螺丝5穿过开孔9后用螺母6将其紧固平放。
实施例1(4cm2有序化膜电极的制备)
设计加工反应装置的各个部件，反应板和支撑板的长度和宽度为6cm，高度为1cm，反应通腔的长度和宽度为2cm，高度为2mm，反应板、支撑板和密封盖的材质选取聚甲基丙烯酸甲酯，密封垫的材质选取硅橡胶，固体聚合物电解质膜选取全氟磺酸质子交换膜，将反应板、支撑板、密封垫和全氟磺酸质子交换膜组合后用螺丝将其紧固，图1为反应装置图。加入反应混合溶液后，放置一段时间后得到4cm2的有序化膜电极。图3为膜电极的电解水性能。
电池测试条件为：去离子水流量为50mL/min，电池温度为25摄氏度，常压下电解。
实施例2(25cm2有序化膜电极的制备)
设计加工反应装置的各个部件，反应板和支撑板的长度和宽度为11cm，高度为2cm，反应通腔的长度和宽度为5cm，高度为2mm，反应板、支撑板和密封盖的材质选取聚对苯二甲酸乙二醇酯，密封垫的材质选取聚四氟乙烯，固体聚合物电解质膜选取Tokuyama A201阴离子交换膜，将反应板、支撑板、密封垫和Tokuyama A201阴离子交换膜组合后用螺丝将其紧固。加入反应混合溶液后，放置一段时间后得到25cm2的有序化膜电极。图4 为膜电极的燃料电池性能。
电池测试条件为：H2/air流量为100/200mL/min，电池温度为60摄氏度，电池背压为0.2MPa。

Claims (8)

1.一种用于在膜电极表面制备催化剂层的反应装置，其特征在于，
所述反应装置包括可拆卸地密封扣合的反应板(1)和支撑板(2)；
在竖直方向上，支撑板(2)位于反应板(1)的下方；
反应板(1)的竖直方向上具有反应通腔(8)，反应通腔(8)的上方设有密封盖(4)。
2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述反应通腔(8)的上方开口处为阶梯状。
3.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封扣合是反应板(1)和支撑板(2)经密封垫(3)扣合。
4.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于，固体聚合物电解质膜(7)经所述密封垫(3)扣合在反应板(1)和支撑板(2)之间。
5.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，反应通腔(8)的面积范围为1-100cm2，反应通腔的水平面长度为1-10cm，宽度为1-10cm，反应通腔的竖直深度为1-10mm。
6.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述反应板(1)和支撑板(2)的材质为聚碳酸酯、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚乙烯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯、不锈钢、铝、铜、金、钛、铬、镍、锌、镁中的一种。
7.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于，所述密封垫(3)的材质为氯丁橡胶、天然橡胶、丁氰橡胶、氯磺酰化聚乙烯合成橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯中的一种。
8.根据权利要求4所述的反应装置，其特征在于，所述固体聚合物电解质膜(7)为阴离子交换膜或阳离子交换膜；
阴离子交换膜的固定基团为伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基、芳氨基中的一种，高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚乙烯苄基氯、聚醚砜、二乙烯基苯和二甲氨基-丙基-异丁烯酰胺的共聚物、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物中的一种；
阳离子交换膜的固定基团为磺酸基(-SO3H)或膦酸基(-PO3H2)中的一种，高分子骨架为苯乙烯和二乙烯苯的共聚物、丁二烯和苯乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚苯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚醚醚酮中的一种。
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