一种PEM制氢膜电极的制备方法与流程

本发明属于氢能源，涉及一种pem制氢膜电极的制备方法。

背景技术：

1、膜电极为电解池的核心部件，现有的膜电极组件从结构上又称三合一组件(即ccm，catalyst coating membrane)，主要由催化层、聚合物电解质膜、催化层构成，膜电极是氢离子还原氧离子氧化的电催化反应场所，同时也是质子、电子、气体、水传递的场所。目前主流的商业化制备方法为ccm膜电极制备工艺，包括喷涂法、刮涂法、转印法等。其中喷涂法在实验室测试和小批量试制过程中最容易实现，因此被广泛采用。

2、喷涂法制备电解水膜电极时，通常需要进行坐标定位，催化剂浆料根据定位后的尺寸和形状以涂覆线的方式进行双向交替填充形成面喷涂，经过多层喷涂达到需要的催化剂载量和厚度，喷涂过程中在加热台的作用下溶剂快速挥发，保证膜不会溶胀变形。但是这种传统的喷涂方式会造成在催化层边缘区域处催化剂浆料挥发速度相较于中心区域更慢，催化层厚度偏高，且电解水所用质子膜厚度较高，会导致溶剂不能及时挥发而引起质子膜溶胀。

3、目前，已有相关的对喷涂工艺的研究，比如，公开号cn116264284a的专利申请公开了一种催化剂浆料的喷涂工艺及燃料电池ccm的制备方法。喷涂路径包括交指的蛇形路径i和蛇形路径ii，所述蛇形路径i和蛇形路径ii均包括直线路径和转弯路径。该专利申请通过控制催化层喷涂过程的喷涂速度和浆料流速，采用交指的蛇形路径进行喷涂，以及分区控制烘干平台的温度，使转弯路径喷涂的速度比直线路径喷涂的速度快1.1-2倍，转弯路径喷涂的流速是直线路径喷涂流速的0.1-0.9倍，依次喷涂的两条直线路径中间留有空白区，以避免转弯路径喷涂时的浆料累积现象，解决避免传统匀速/匀流速喷涂时带来的催化层边缘催化层厚度偏高的问题。

4、以及授权号cn112599793b的发明专利公开了一种用保护背膜实现抗溶胀的ccm涂布工艺，将催化剂浆料涂布在质子交换膜的第一面，干燥后形成第一催化剂层；制备具有柔性载体层的保护膜，在含有第一催化剂层的质子交换膜第一面上贴合一层设有柔性载体层的保护膜，并将其和质子交换膜压合；将催化剂浆料涂布于质子交换膜的第二面，干燥形成第二催化剂层，得到带有临时保护膜的膜电极；最后将带有临时保护膜的膜电极经过热处理或紫外光(uv)照射，剥离临时保护层，得膜电极；若选择热处理处理时，在第一催化层干燥之前需在第一催化层表面喷涂纳米氧化物溶液。该发明制备膜电极过程中有效避免了质子交换膜的溶胀。

5、因此，还需要更多的喷涂工艺适应更多的膜电极的加工工艺。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了通过延长喷涂路径对质子膜进行单向分段喷涂，同时分别控制喷涂开始时间及喷涂结束距离的方法来解决边缘处浆料聚集，涂层过厚的问题，以达到提高催化层的均匀性，避免质子膜溶胀的目的。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种催化剂浆料的喷涂方法，将催化剂浆料喷涂在质子交换膜上，将催化剂浆料以直线路径喷涂到质子交换膜的两侧，喷涂路径采用单方向的直线路径进行分段喷涂，所述喷涂方法包括以下步骤：

4、(1)先延长喷涂的路径，将喷涂起始点沿喷涂路径向前延长，喷涂终点沿喷涂路径向后延长，延长距离分别为1-40mm，延长后的喷涂起始点和延长后的喷涂终点分别记为s1，s2；

5、(2)在喷涂催化剂浆料时，从s1处延迟0.01-2s开始喷涂，在距离s2处1-50mm时停止喷涂催化剂浆料，依次重复上述喷涂方式。

6、因为贵金属催化剂成本高，在本发明实施例只展示部分数值范围下的喷涂工艺效果，以便更好地理解本发明，根据现有技术喷涂设备可设置的参数，在可设置的参数范围内都具有可实施性。

7、优选的，步骤(1)中，将喷涂起始点沿喷涂路径向前延长7-10mm，喷涂终点沿喷涂路径向后延长7-10mm；

8、步骤(2)中，从s1处延迟0.01-0.05s开始喷涂，在距离s2处10-20mm时停止喷涂催化剂浆料。

9、优选的，所述分段喷涂的间隔为4-25mm。所述喷涂的流量为0.5-10ml/min，喷涂的速度10-400mm/s。

10、本发明还提供了一种pem制氢膜电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：

11、s1：制备催化剂浆料；

12、s2：采用所述的喷涂方法将催化剂浆料喷涂到质子交换膜两侧；

13、s3：采用热压固化法，得到pem制氢膜电极。

14、具体的，所述步骤s1中催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：

15、将催化剂用水进行润湿，加入分散剂，混匀；再加入全氟磺酸树脂，分散均匀后，得到催化剂浆料。

16、其中，水与催化剂的质量比为5-25∶1；

17、分散剂与催化剂的质量比为25-60∶1；

18、全氟磺酸树脂与催化剂的质量比为0.1-0.4∶1；

19、所述分散为先进行超声分散，再使用高速匀质机剪切。

20、具体的，所述步骤s3为热压固化法，热压参数：热压温度100-140℃，热压时间1-30min，热压压力为10-40kn。

21、其中，催化剂为铱基催化剂，可为金属铱催化剂、氧化铱催化剂、带载体的金属铱催化剂、带载体的氧化铱催化剂中任意一种或多种混合。所述分散剂为乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇中的至少一种。

22、本发明的有益效果：

23、本发明通过延长喷涂路径对质子膜进行单向分段喷涂，同时分别控制喷涂开始时间及喷涂结束距离的方法提高了催化层的均匀性，解决避免传统匀速/匀流速喷涂时带来的边缘催化层厚度偏高的问题。

技术特征：

1.一种催化剂浆料的喷涂方法，将催化剂浆料喷涂在质子交换膜上，其特征在于，将催化剂浆料以直线路径喷涂到质子交换膜的两侧，喷涂路径采用单方向的直线路径进行分段喷涂，所述喷涂方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述催化剂浆料的喷涂方法，其特征在于，步骤(1)中，将喷涂起始点沿喷涂路径向前延长7-10mm，喷涂终点沿喷涂路径向后延长7-10mm；

3.根据权利要求1所述催化剂浆料的喷涂方法，其特征在于，所述分段喷涂的间隔为4-25mm。

4.根据权利要求1所述催化剂浆料的喷涂方法，其特征在于，所述喷涂的流量为0.5-10ml/min，喷涂的速度10-400mm/s。

5.一种pem制氢膜电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中催化剂浆料的制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，水与催化剂的质量比为5-25∶1；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中热压固化参数：热压温度100-140℃，热压时间1-30min，热压压力为10-40kn。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，催化剂为铱基催化剂。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇中的至少一种。

技术总结本发明公开了一种PEM制氢膜电极的制备方法，属于氢能源技术领域。本发明通过延长喷涂路径对质子膜进行单向分段喷涂，同时分别控制喷涂开始时间及喷涂结束距离的方法提高了催化层的均匀性，解决避免传统匀速/匀流速喷涂时带来的催化层边缘催化层厚度偏高的问题。技术研发人员：韩一帆,范峰强,张本树邦,宁星杰受保护的技术使用者：天能电池集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2