一种膜电极组件及制备方法与流程

技术特征：
1.一种膜电极组件，其特征在于：所述组件包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阴极催化剂层和阳极催化剂层；所述阴极催化剂层由阴极第一活性组分和阴极第二活性组分组成，以所述阴极催化剂的总质量为100％计，所述阴极第一活性组分的质量分数为30～100％，所述阴极第二活性组分的质量分数为0～70％；所述阴极第一活性组分为pt、pd、ru、ni、fe、co、mo、ag、re和os中的一种以上；或所述阴极第一活性组分为pt、pd、ru、ni、fe、co、mo、ag、re和os中两种以上元素形成的合金；或所述阴极第一活性组分为负载有pt、pd、ru、ni、fe、co、mo、ag、re和os中的一种以上的负载型催化剂；所述阴极第二活性组分为pt、pd、ru、ir、ag、au、mn、co、ni、fe、mo、ag、re、os或cu的氧化物；或所述阴极第二活性组分为pt、pd、ru、ir、ag、au、mn、co、ni、fe、mo、ag、re、os和cu的两种元素以上的多氧化物；或所述阴极第二组分为负载有pt、pd、ru、ir、ag、au、mn、co、ni、fe、mo、ag、re、os和cu中两种以上的负载型催化剂，且当阴极第一活性组分为负载型催化剂时，阴极第一活性组分和阴极第二活性组分不同；所述阳极催化剂层由阳极第一活性组分和阳极第二活性组分组成，以所述阳极催化剂的总质量为100％计，所述阳极第一活性组分的质量分数为30～90％，所述阳极第二活性组分的质量分数为10～70％；所述阳极第一活性组分为ir、rh、ru、pt、pd、ag或au的氧化物；或所述阳极第一活性组分为ir、rh、ru、pt、pd、ag和au的两种元素以上的多元氧化物；所述阳极第二活性组分为ir、ru、pd、ag、pt、au、ti、sn、co、ni、v、sr、zr、nb、mo、tc、sb、mn、hf、ta、w、ge和bi中的一种以上，或所述阳极第二活活性组分为ir、ru、pd、ag、pt、au、ti、sn、co、ni、v、sr、zr、nb、mo、tc、sb、mn、hf、ta、w、ge和bi中两种以上元素形成的合金，或所述阳极第二活活性组分为ir、ru、pd、ag、pt、au、ti、sn、co、ni、v、sr、zr、nb、mo、tc、sb、mn、hf、ta、w、ge和bi中两种以上元素且至少包含一种贱金属元素的多元氧化物。2.如权利要求1所述的一种膜电极组件，其特征在于：所述负载型催化剂的载体为炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米棒、石墨烯、乙炔黑、科琴黑、tac、tic、tin、mof、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩或过渡金属氧化物。3.如权利要求1所述的一种膜电极组件，其特征在于：所述阴极催化剂层中阴极第一活性组分和阴极第二活性组分均匀混合或第一活性组分和第二活性组分交替叠层分布。4.如权利要求1所述的一种膜电极组件，其特征在于：所述阳极催化剂层中阳极第一活性组分和阳极第二活性组分均匀混合或第一活性组分和第二活性组分交替叠层分布。5.如权利要求1所述的一种膜电极组件，其特征在于：所述质子交换膜为长支链全氟磺酸膜、短支链全氟磺酸膜、复合膜或增强型复合膜，厚度为5
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300微米。6.如权利要求1所述的一种膜电极组件，其特征在于：所述组件还包括分别位于阴极催化层和阳极催化层外的阴极气体扩散层和阳极气体扩散层。7.一种如权利要求1～6任意一项所述的膜电极组件的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)质子交换膜的预处理：将质子交换膜依次用h2o2溶液、h2so4溶液在50～120℃温度下进行热处理，然后放入真空吸附加热平台上50～100℃下烘干0.5～2h，得到预溶胀的质子交换膜；(2)催化剂浆料的制备：将所述阴极催化剂和阳极催化剂分别与粘结剂、分散剂、添加剂混合均匀，在150～1000w功率下超声震荡0.5～1h，形成均匀分散的阴极催化剂浆料和阳
极催化剂浆料；所述粘结剂为全氟磺酸树脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯胺、环糊精串接聚苯胺预聚体、聚苯胺聚氧化乙烯和聚苯胺/聚丙烯酸中的一种以上；所述分散剂为电阻率大于等于10mω.cm的水、乙醇、乙二醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、n,n
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二甲基甲酰胺、氯仿和丙酮中的一种以上。所述添加剂为聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯二胺、聚邻苯二胺、聚间苯二胺、果胶、树胶、乙酸乙酯、甲基纤维素和羟甲基纤维素中的一种以上。所述阴极催化剂或阳极催化剂与粘结剂、分散剂、添加剂的质量比为1：0.1～0.8：1～200：0～1；(3)ccm膜电极的制备：将所述预溶胀的质子交换膜放入真空吸附加热平台上，加热台温度恒定在50～90℃，吸附压力恒定在0.2～0.8mpa；将所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料分别喷涂到所述预溶胀的质子交换膜两侧，烘干5～30min，得到ccm膜电极；其中，真空吸附加热平台与质子交换膜接触的部分附有多孔介质；(4)膜电极组件的制备：在所述ccm膜电极的两侧分别放置聚四氟乙烯薄片或聚偏氟乙烯薄片，然后放置于两块金属板之间，进行三阶段热压：第一阶段在50～130℃、0.1～3mpa下压制1～60min；第二阶段在温度大于130℃小于等于150℃，且第二阶段与第一阶段温差为10～30℃，压力大于3mpa小于等于7mpa下，压制0.5～10min；第三阶段在温度大于130℃小于等于150℃，压力大于7mpa小于等于15mpa下，且第三阶段与第二阶段压差大于等于0.5mpa，压制0.1～5min；压制结束后冷却至室温，揭下聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯薄片，得到一种膜电极组件。8.如权利要求7所述的一种膜电极组件的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为长侧链的nafion树脂或短侧链的aquivion树脂，将树脂加入醇溶液中，树脂含量为2.5wt％～20wt％。9.如权利要求7所述的一种膜电极组件的制备方法，其特征在于：喷涂时采用超声喷涂；超声喷涂时采用辐照光源进行辅助，所述辐照光源为红外线。10.如权利要求7所述的一种膜电极组件的制备方法，其特征在于：所述多孔介质为微孔陶瓷、碳纸、碳毡、钛毡、多孔钛板、钛网或多孔聚四氟乙烯板。

技术总结
本发明涉及一种膜电极组件及制备方法，属于电化学技术领域。所述组件包括质子交换膜以及位于质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层；通过在催化剂层中添加多种活性组分，有助于降低活化过电势，大大提升催化析氢和析氧的活性；阴极第二活性组分和阳极第二活性组分可分别对阴极第一活性组分和阳极第一活性组分起到稀释作用，增加阴极第一活性组分和阳极第一活性组分的分散度和稳定性，防止阴极第一活性组分和阳极第一活性组分的迁移、团聚和流失，从而可大大减少贵金属的使用量；还可消除或减缓金属阳离子欠电位沉积和气体交叉


技术研发人员：任航星 王杰鹏 李黎明 朱艳兵 魏海兴 宋时莉 郝珍 焦文强 袁先明
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一八研究所
技术研发日：2021.04.15
技术公布日：2021/10/18