一种膜电极组件、其制造设备和质子交换膜电解水制氢装置的制作方法

本申请涉及电解领域，更具体来说涉及一种用于质子交换膜电解水制备氢气的膜电极组件以及使用该膜电极组件的质子交换膜电解水制氢装置。

背景技术：

1、电解水制氢技术包括质子交换膜(pem)电解水制氢技术与碱性电解水制氢技术，二者的主要不同在于pem电解水制氢技术采用了高分子聚合物质子交换膜代替碱性水电解中的隔膜和液态电解质，起到隔离气体和质子传导的作用。相比其他电解水技术，pem能在高电流密度下工作，体积小、效率高，生成的氢气纯度高，被认为是目前最有发展前景的水电解技术。

2、膜电极也称为膜电极组件(mea)，是质子交换膜(pem)电解水制氢装置的重要组成部分，是最主要的反应场所和pem水电解槽的核心部件，其直接影响电解池制氢效率，决定了电解反应的安全及性能稳定。在现有技术中，pem电解水制氢的主要问题包括mea内阻过高，在电解水工作过程中容易发生溶胀，膜内催化剂的稳定性不佳，由此导致pem电解水过程的电解水效率不良，氢气产量容易发生起伏、中断，甚至在严重的情况下可能会导致膜电极组件发生损坏。这些缺陷都对pem电解水制氢工艺的实用和发展构成了极大的障碍。为了解决上述问题，本领域的技术人员投入了大量的成本和精力，对膜电极组件的制备工艺中的配方、步骤设计和工艺参数进行了各种各样的探索，但是取得的成果仍然是极为有限的。迄今为止，人们仍然迫切希望开发一种能够解决上述技术问题的新技术。

技术实现思路

1、针对上述问题，本申请的发明人进行了大量深入的研究，成功地开发出一种膜电极组件及其制备方法，从而有效地解决了现有技术中长久以来急需解决的难题。

2、本申请的第一个方面提供了一种膜电极组件，所述膜电机组件包括底膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和阴极催化剂层分别位于所述底膜的两侧。

3、根据本申请第一个方面的一个实施方式，所述阳极催化剂层的厚度可以为5-15μm，所述阴极催化剂层的厚度可以为10-35μm。

4、根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述阳极催化剂层包含第一粘结剂、氧化铱粉末和任选的碳质材料。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述阴极催化剂层包含第二粘结剂和pt/c。

5、根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别选自以下的一种或多种：全氟磺酸树脂、部分氟化的磺酸树脂、磺化的聚醚、磺化的聚醚醚酮、磺化的聚砜、磺化的聚醚砜、季铵盐类的阴离子交换树脂和咪唑类的阴离子交换树脂。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述碳质材料选自以下的一种或多种：炭黑、超导碳、乙炔黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，以所述pt/c的重量为基准计，其中pt的含量为30-60重量％。

6、根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述阳极催化剂层和阴极催化剂层分别是通过转印施加在所述底膜上的。

7、根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述底膜是全氟磺酸树脂膜并且在步骤(iii)之前依次用双氧水和酸性溶液预处理。

8、本申请的第二个方面提供了一种质子交换膜电解水制氢装置，该装置包括本申请的膜电极组件，还包括设置在所述阳极催化剂层外侧的阳极扩散层，设置在所述阴极催化剂层外侧的阴极扩散层，设置在所述阳极扩散层外侧的阳极电极片，设置在所述阴极扩散层外侧的阴极电极片，以及与所述阳极电极片和阴极电极片相连的电源。

9、根据本申请第二个方面的一个实施方式，所述阳极扩散层和阴极扩散层分别为钛毡或钛网。

10、本申请的第三个方面提供了一种用于制造本申请的膜电极组件的设备，所述设备包括阳极催化剂层施涂装置、阳极催化剂层转印膜、阴极催化剂层施涂装置、阴极催化剂层转印膜、压力施加装置和加热装置。

11、根据本申请第三个方面的一个实施方式，所述阳极催化剂层施涂装置设计成用来在阳极催化剂层转印膜上施涂阳极催化剂层，所述阳极催化剂层转印膜设计成用来将其上施涂的阳极催化剂层热压转印到底膜的一侧上。根据本申请第三个方面的另一个实施方式，所述阴极催化剂层施涂装置设计成用来在阴极催化剂层转印膜上施涂阴极催化剂层，所述阴极催化剂层转印膜设计成用来将其上施涂的阴极催化剂层热压转印到底膜的另一侧上。

技术特征：

1.一种膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件包括底膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和阴极催化剂层分别位于所述底膜的两侧。

2.如权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述阳极催化剂层的厚度可以为5-15μm，所述阴极催化剂层的厚度可以为10-35μm。

3.如权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，

4.如权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，

5.如权利要求3所述的膜电极组件，其特征在于，所述阳极催化剂层和阴极催化剂层分别是通过转印施加在所述底膜上的。

6.一种质子交换膜电解水制氢装置，其特征在于，该装置包括如权利要求1-5中任一项所述的膜电极组件，还包括设置在所述阳极催化剂层外侧的阳极扩散层，设置在所述阴极催化剂层外侧的阴极扩散层，设置在所述阳极扩散层外侧的阳极电极片，设置在所述阴极扩散层外侧的阴极电极片，以及与所述阳极电极片和阴极电极片相连的电源。

7.如权利要求6所述的质子交换膜电解水制氢装置，其特征在于，所述阳极扩散层和阴极扩散层分别为钛毡或钛网。

8.一种设备，其特征在于，所述设备是用于制造如权利要求1-5中任一项所述的膜电极组件的设备，所述设备包括阳极催化剂层施涂装置、阳极催化剂层转印膜、阴极催化剂层施涂装置、阴极催化剂层转印膜、压力施加装置和加热装置。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阳极催化剂层施涂装置设计成用来在阳极催化剂层转印膜上施涂阳极催化剂层，所述阳极催化剂层转印膜设计成用来将其上施涂的阳极催化剂层热压转印到底膜的一侧上；

技术总结本申请提供了一种膜电极组件、其制造设备和质子交换膜电解水制氢装置，其包括底膜以及位于所述底膜的两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层。该膜电极组件在进一步设置阳极扩散层、阴极扩散层和电极片之后可以形成质子交换膜电解水制氢装置。本技术制备的膜电极组件具有内阻低和耐溶胀的优点，其中的催化剂层具有优异的稳定性，并且使用该膜电机组件的质子交换膜电解水装置可以用于制备氢气的工艺，并且实现极佳的工艺性能。技术研发人员：孙荣江,王鑫,李海千,魏宏艳,魏屹东受保护的技术使用者：上海岚泽能源科技有限公司技术研发日：20230829技术公布日：2024/4/17