專利名稱：一種膜電極三合一組件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜電極用三合一組件的制備方法，所制備的三合一組件適于制作燃料電池用膜電極、電解用膜電極、再生燃料電池用雙效膜電極。
文獻(xiàn)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(zhì)子導(dǎo)體聚合物混合涂敷在金屬網(wǎng)上，形成催化層，然后通過熱壓使催化層轉(zhuǎn)移到離子膜上，形成膜電極三合一。文獻(xiàn)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(zhì)子導(dǎo)體聚合物制成為墨水，然后涂在PTFE膜上，形成催化層，再通過熱壓使催化層轉(zhuǎn)移到離子膜上，重新質(zhì)子化后形成膜電極三合一。文獻(xiàn)3 USP 5415888、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SPE膜上，形成膜電極三合一。墨水成分包括1)催化劑，2)醚、環(huán)氧式酮系列、醇等有機(jī)溶劑，3)質(zhì)子導(dǎo)體聚合物。文獻(xiàn)5USP 5702755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SPE膜上，形成膜電極三合一。墨水成分包括1)催化劑，2)pKα＞18，β＜0.66的有機(jī)溶劑，3)質(zhì)子導(dǎo)體聚合物。上述五篇文獻(xiàn)中不同程度地存在制備技術(shù)復(fù)雜、成本高或產(chǎn)品用途單一的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種膜電極三合一組件的制備方法，其可以根據(jù)不同需要制成多種用途的三合一組件，且制備方法簡便、快速，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明提供了一種膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于將催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物制成的粉末，直接熱壓到質(zhì)子交換膜上，形成三合一組件；其中質(zhì)子導(dǎo)體聚合物選自Nafion，F(xiàn)lemion溶液，催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的質(zhì)量比為5～0.5，制成粉料粒徑小于30μm；熱壓合成的溫度在130～190℃，壓力5～7MPa，時(shí)間60～90秒。本發(fā)明中粉料粒徑最好小于5μm。
本發(fā)明用做燃料電池時(shí)，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(shí)，可選用鉑族金屬Ir、Rh或其氧化物RuO2、IrO2、RhO2等，為提高其導(dǎo)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(shí)，可選用不同比例的鉑族金屬及其氧化物作催化劑，鉑族金屬與其氧化物的重量比為1/3～3。
同文獻(xiàn)1相比較，本發(fā)明可通過將催化劑分散在質(zhì)子交換膜上得到不同孔隙率的網(wǎng)狀的催化層，省掉金屬網(wǎng)的使用，電極制備過程簡便。同文獻(xiàn)1只能制作電解膜電極相比，本發(fā)明不僅可以制作電解用膜電極，而且可以制作燃料電池用膜電極、再生燃料電池用雙效膜電極。同文獻(xiàn)2相比較，本發(fā)明不采用在PTFE膜上涂敷與塑化等方法，亦無須2次轉(zhuǎn)移，而是一次性地將電催化劑層熱壓到質(zhì)子交換膜上。同文獻(xiàn)3、4、5相比較，本發(fā)明不采用將催化劑制成墨水刷印到質(zhì)子交換膜上的方法，而是將催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物制成粉末，直接熱壓到質(zhì)子交換膜上，形成膜電極三合一。同上述五篇文獻(xiàn)制作單一型用途的膜電極相比，本發(fā)明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。
總之本發(fā)明可以一次性地將電催化劑層熱壓到質(zhì)子交換膜上，制備方法簡便，快速；根據(jù)不同需要，可制成多種用途的膜電極三合一組件；如果使用類似復(fù)印機(jī)的裝置，利用靜電復(fù)印原理，將研磨后的粉料作為復(fù)印機(jī)顯影劑中的色粉，置于類似于理光復(fù)印機(jī)裝置的碳粉盒中，采用類似于復(fù)印的方法，可有效地將電催化劑轉(zhuǎn)移至質(zhì)子交換膜上，制成膜電極三合一。可以進(jìn)行大規(guī)模的膜電極組件的生產(chǎn)。
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附

圖1為熱壓膜電極三合一燃料電池性能。
附圖2為高溫?zé)釅耗る姌O三合一燃料電池性能。
附圖3為熱壓膜電極三合一電解性能。
實(shí)施例1采用一級(jí)天平稱取催化劑Pt/C(鉑含量為20％)1克，加入12g 5％的Nafion溶液，在超聲波中振蕩45分鐘，混合均勻后，在真空烘箱中70℃烘干，然后在-10℃下冷凍，研磨，使其顆粒粒徑小于5μm。稱取其中的16mg，將8mg分散于一張5cm2的Nafion 115膜上，上面加一張PTFE膜，再將剩下的8mg分散于質(zhì)子交換膜的背面，上面加一張PTFE膜。在130℃左右、5～9MPa條件下，熱壓1.5min，然后把上部加置的PTFE膜剝離，即制成膜電極三合一組件。擴(kuò)散層采用含PTFE 50wt％的碳紙，與兩塊不銹鋼夾板組裝成電池，在電池溫度為80℃、氫氧壓力為0.3MPa，氫氧氣增濕溫度為90℃的條件下進(jìn)行燃料電池實(shí)驗(yàn)。電池性能見圖1。
實(shí)施例2采用一級(jí)天平稱取催化劑Pt/C(鉑含量為20％)1克，加入12g 5％的Nafion溶液，12g 0.5M的NaOH水溶液，在超聲波中振蕩45分鐘，混合均勻后，在真空烘箱中70℃烘干，然后在-10℃下冷凍研磨，使其顆粒粒徑小于5μm。稱取其中的16mg，將8mg分散于一張5cm2鈉離子化的Nafion 115膜上，上面加一張PTFE膜，然后再將剩下的8mg分散于離子交換膜的背面，上面加一張PTFE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(zhì)子化，制成膜電極三合一組件。擴(kuò)散層采用含PTFE 50wt％的碳紙，與兩塊不銹鋼夾板組裝成電池，在電池溫度為80℃、氫氧壓力為0.3MPa，氫氧氣增濕溫度為90℃的條件下進(jìn)行燃料電池實(shí)驗(yàn)。電池性能見圖2。
實(shí)施例3采用一級(jí)天平稱取催化劑Pt 20mg，IrO220mg，加入1.6g 5％的Nafion溶液，在超聲波中振蕩45分鐘，混合均勻后，在真空烘箱中70℃烘干，然后在-10℃下冷凍研磨，使其顆粒粒徑小于5μm。稱取其中的60mg，分散于一張10cm2的鈉離子化的Nafion 115膜上，上面加一張PTFE膜，然后再將剩下的60mg分散于質(zhì)子交換膜的背面，上面加一張PTFE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(zhì)子化，制成膜電極三合一組件。擴(kuò)散層采用含PTFE 30wt％的碳紙，與兩塊不銹鋼夾板組裝成電解池，在溫度為80℃、氫氧壓力為常壓的條件下進(jìn)行水電解實(shí)驗(yàn)。電池性能見圖3。
權(quán)利要求
1.一種膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于將催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物制成的粉末，直接熱壓到質(zhì)子交換膜上，形成三合一組件；其中質(zhì)子導(dǎo)體聚合物選自Nafion，F(xiàn)lemion溶液，催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的質(zhì)量比為5～0.5，制成粉料粒徑小于30μm；熱壓合成的溫度在130～190℃，壓力5～7MPa，時(shí)間60～90秒。
2.按照權(quán)利要求1所述膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于粉料粒徑小于5μm。
3.按照權(quán)利要求1、2所述膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于三合一組件用做燃料電池時(shí)，催化劑選用Pt、Pd、Ru、Rh、Ir金屬或其碳載催化劑Pt/C、Pd/C、Ru/C、Rh/C。
4.按照權(quán)利要求1、2所述膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于三合一組件用做電解時(shí)，催化劑選用鉑族金屬Ir、Rh或其氧化物RuO2、IrO2、RhO2。
5.按照權(quán)利要求4所述膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于催化劑中加入Pt、Pd。
6.按照權(quán)利要求1、2所述膜電極三合一組件的制備方法，其特征在于三合一組件用作可逆式再生燃料電池雙效膜電極時(shí)，催化劑選用鉑族金屬與氧化物，鉑族金屬與其氧化物的重量比為1/3～3。
全文摘要
一種膜電極三合一組件的制備方法,其特征在于:將催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物制成的粉末,直接熱壓到質(zhì)子交換膜上,形成三合一組件;其中質(zhì)子導(dǎo)體聚合物選自Nafion,Flemion溶液,催化劑與質(zhì)子導(dǎo)體聚合物的質(zhì)量比為5～0.5,制成粉料粒徑小于30μm;熱壓合成的溫度在130～190℃，壓力5～7MPa,時(shí)間60～90秒。本發(fā)明可以根據(jù)不同需要制成多種用途的三合一組件,且制備方法簡便、快速,適于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C25B9/10GK1269428SQ9911282
公開日2000年10月11日 申請日期1999年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月7日
發(fā)明者邵志剛, 衣寶廉, 張恩浚 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所