薄層疏水催化層電極、膜電極三合一組件的制備方法技術

一種薄層疏水催化層電極、膜電極三合一組件的制備方法，系將催化劑制成墨水直接或間接刷印到質子膜上形成膜電極三合一，墨水成分包括：（１）催化劑；（２）由水和有機溶劑混合而成的溶劑，水與有機溶劑的體積比為１∶１～１０；（３）Ｎａｆｉｏｎ或Ｆｌｅｍｉｏｎ質子導體聚合物；（４）常用的容易揮發的造孔劑或常用的可溶性造孔劑；（５）疏水劑如ＰＴＦＥ；上述物質的重量比例關系為催化劑∶溶劑∶質子導體聚合物∶造孔劑∶疏水劑＝１０∶１００～５００∶１～１０∶１０～５０∶１～１０。本發明專利技術電極制備過程簡單，結合牢固，電極性能好，壽命長且成本較低。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及膜電極三合一組件的制備技術。文獻1 USP 4738741介紹了一種電解用途的膜電極的制作方法，首先將催化劑與質子導體聚合物混合涂敷在金屬網上，形成催化層，然后通過熱壓使催化層轉移到離子膜上，形成膜電極三合一。文獻2 USP 5211984介紹了一種燃料電池用膜電極的制備方法，將催化劑與鈉型化的質子導體聚合物混合涂在聚四氟乙烯(PTFE)膜上，形成催化層，再通過熱壓使催化層轉移到Nafion等質子膜上，重新質子化后形成膜電極三合一。文獻3 USP 5415888、文獻4 USP 5547911介紹了一種燃料電池用膜電極的制備方法，將催化劑制成墨水刷印到Nafion等質子膜上，形成膜電極三合一，墨水成分包括1)催化劑，2)醚、環氧式酮系列、醇等有機溶劑，3)質子導體聚合物。文獻5 USP 5712755也介紹了一種燃料電池用膜電極的制備方法，將催化劑制成墨水刷印到Nafion等質子膜上，形成膜電極三合一，墨水成分包括1)催化劑，2)pKa＞18，β＜0.66的有機溶劑，3)質子導體聚合物。本專利技術的目的在于提供一種，其電極制備過程簡單，結合牢固，電極性能好，壽命長且成本較低。本專利技術提供了一種，系將催化劑制成墨水直接或間接刷印到質子膜上形成膜電極三合一，其特征在于墨水成分包括(1)催化劑；(2)由水和有機溶劑混合而成的溶劑，其中有機溶劑選自乙腈、醚、環氧式酮系列、醇之一種或多種，水與有機溶劑的體積比為1∶1～10；(3)Nafion或Flemion質子導體聚合物；(4)常用的容易揮發的造孔劑如碳酸氫銨、草酸銨或常用的可溶性造孔劑如氯化鈉、氯化鉀、碳酸鋰；(5)疏水劑如PTFE；上述物質的重量比例關系為催化劑∶溶劑∶質子導體聚合物∶造孔劑∶疏水劑＝10∶100～500∶1～10∶10～50∶1～10。本專利技術用做燃料電池時，可選用Pt、Pd、Ru、Rh、Ir等金屬或其碳載催化劑Pt/C、Pd/C、Ru/C、Rh/C等；用作電解時，可選用鉑族金屬Ir、Rh或其氧化物RuO2、IrO2、RhO2等，為提高其導電性，可加入一定比例的Pt、Pd等金屬；用作可逆式再生燃料電池雙效膜電極時，可選用不同比例的鉑族金屬及其氧化物催化劑。用作可逆式再生燃料電池雙效膜電極時，鉑族金屬及其氧化物的重量比為1/3～3。采用含PTFE等疏水劑處理的碳紙或碳布作為電解電極、雙效電極的擴散層。用作電解時，PTFE的含量為5％～30％；用作可逆式再生燃料電池膜電極時，PTFE的含量為10％～30％。本專利技術具有下述特點1.膜電極制備中加入造孔劑，有利于催化層中微孔的形成，可增加催化層的孔隙率，有利于氣體的擴散。用作電解電極時，在催化劑活性位上產生的氣體可以很快地擴散出去，防止催化層從膜上脫落；用作燃料電池電極時，外面的反應氣體可以順利擴散到催化劑活性位上，提高電極性能。2.膜電極制備中加入PTFE等疏水劑，有利于在電極催化層中形成氣體通道，有利于反應氣體或產物氣體在催化層中的擴散，從而使電極催化層可制得較厚，催化層厚度可遠遠大于普通親水電極催化層厚度(10μm)。3.選用不同催化劑，可制成不同用途的膜電極。與前面文獻所述單一用途的膜電極不同，本專利技術方法可以制作多種用途的膜電極。4.為了能夠制得催化劑均勻分布的墨水，有利于造孔劑的溶解，本專利技術使用有機溶劑與水的混合物作為溶劑，使所制墨水更接近于膠體。為了能夠同時溶解疏水劑和親水劑如Nafion與PTFE，本專利技術采用一種新的有機溶劑—乙腈。它對質子導體聚合物Nafion，疏水劑PTFE都能形成膠體。5.根據膜電極的不同用途，使用不同的擴散層。本專利技術同文獻1相比較使用造孔劑、PTFE等疏水劑，省掉金屬網的使用，電極制備過程簡單，熱壓溫度、壓力可以增大，膜電極結合更加牢固。同文獻2相比較，本專利技術使用造孔劑、PTFE等疏水劑，可制得薄層疏水催化層電極。由于按照文獻2制備的電極是親水催化層電極，催化層中沒有氣體通道，不利于反應氣體的擴散，催化層的厚度不能大于10μm。本專利技術由于在催化層中引入氣體通道，有利于氣體在催化層中的擴散，催化劑利用率提高，電極性能提高。電極的催化層厚度可以大于10μm，電極不易失效，壽命增長。與文獻3、4、5相比，本專利技術采用水和有機溶劑做溶劑，制得的催化層更均勻，而且能夠降低有機溶劑使用量，有利于降低電極制造成本。本專利技術使用造孔劑、PTFE等疏水劑，在催化層中引入氣體通道，有利于氣體在催化層中的擴散，增加了催化劑的利用率，電極性能得以提高。并且與文獻1、2、3、4、5相比，本專利技術不僅可以制作燃料電池用膜電極，而且可以制作電解用膜電極、再生燃料電池用雙效膜電極?？傊?，本專利技術具有下述優點1.膜電極制備中加入造孔劑，可以增加電極催化層的孔隙率，省掉金屬網的使用，電極制備過程簡單，熱壓溫度、壓力可以增大，膜電極結合更加牢固。2.膜電極制備中加入PTFE等疏水劑，可以增加電極催化層中的氣體通道，有利于氣體在催化層中的擴散，增加了催化劑的利用率，提高電極性能。3.根據不同需要，可制成多種用途的膜電極三合一組件。4.本專利技術可制得催化層厚度大于10μm的電極，與薄層親水電極相比，電極不易失效，壽命延長。5.采用水和有機溶劑做溶劑，制得的催化層更均勻，而且能夠降低有機溶劑使用量，有利于降低電極制造成本。6.采用PTFE等疏水劑處理過的多孔碳紙或碳布電解作為電極擴散層，比使用多孔燒結鈦等金屬成本更低。下面通過實施例詳述本專利技術。附附圖說明圖1為電極制備中加入PTFE對電解性能影響，Nafion 115膜，80℃。附圖2為電極制備中加入造孔劑的電池性能比較，0.08mg/cm2Pt/C，S＝5cm2，Nafion 115，PH2＝PO2＝0.3MPa，80℃。附圖3為膜電極制備中加入PTFE對催化劑利用率的影響。附圖4為可逆式再生燃料電池雙效電極性能，燃料電池模式PO2＝0.3MPa，PH2＝0.3MPa，80℃，Nafion 115；電解模式常壓，80℃，Nafion 115；循環次數1，2，3，4。實施例1a首先用一級天平稱取0.1克XC-72碳粉，加入20wt％的PTFE，再加入30ml乙醇，在超聲波中振蕩30分鐘，混合均勻后，在真空烘箱中70℃烘干，然后在340℃烘燒20min，冷卻后碾磨待用。用一級天平稱取催化劑Pt 1.76毫克，IrO22.50毫克，上述制備好的含20wt％的PTFE XC-72碳粉5毫克，加入水和乙腈的混合物(體積比1∶1)，超聲波中振蕩15分鐘，然后加入80mg 5％的Nafion溶液，5mg(NH4)2C2O4，300mg 0.5M的NaOH溶液，在超聲波中振蕩45分鐘，混合均勻后，涂于10cm2的PTFE膜上，在真空烘箱中70℃烘干，然后分割成兩張5cm2的PTFE膜，在它們之間夾入一張鈉離子化的Nafion 115膜，催化層面向質子膜，在180℃左右、5～9MPa條件下，熱壓1.5min，然后把PTFE膜剝離，在0.5M的硫酸中重新使膜和催化層質子化，制成膜電極三合一組件。擴散層采用含PTFE 20wt％的碳紙，與兩塊不銹鋼夾板組裝成電解池，在80℃、常壓下進行電解水實驗。電解性能見圖1。實施例1b制作方法同例1a，唯一不同的是制備過本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種薄層疏水催化層電極、膜電極三合一組件的制備方法，系將催化劑制成墨水直接或間接刷印到質子膜上形成膜電極三合一，其特征在于墨水成分包括： （１）催化劑； （２）由水和有機溶劑混合而成的溶劑，其中有機溶劑選自乙腈、醚、環氧式酮系列、醇之一種或多種，水與有機溶劑的體積比為１∶１～１０； （３）Ｎａｆｉｏｎ或Ｆｌｅｍｉｏｎ質子導體聚合物； （４）常用的容易揮發的造孔劑如碳酸氫銨、草酸銨或常用的可溶性造孔劑如氯化鈉、氯化鉀、碳酸鋰； （５）疏水劑如ＰＴＦＥ； 上述物質的重量比例關系為催化劑∶溶劑∶質子導體聚合物∶造孔劑∶疏水劑＝１０∶１００～５００∶１～１０∶１０～５０∶１～１０。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵志剛，衣寶廉，韓明，
申請(專利權)人：大連新源動力股份有限公司，
類型：發明
國別省市：91[中國|大連]