本發(fā)明屬于膜電極，具體涉及一種膜電極及其制備方法、電解水制氫裝置。

背景技術：

1、質(zhì)子交換膜(pem)電解水技術的電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載，是電解水制氫的適宜方案。

2、在質(zhì)子交換膜電解槽中，膜電極是發(fā)生電化學反應的場所，在膜電極上將水通過電化學反應分解為氫氣和氧氣，其中陽極催化層是質(zhì)子交換膜電解水膜電極的關鍵，而目前工業(yè)上陽極的催化劑主要是含有貴金屬ir的催化劑，貴金屬ir的載量在1.0mgir/cm2左右，由于貴金屬ir的稀缺性，目前的研究致力于降低陽極催化層金屬ir的載量，但是當ir的載量降低到一定程度時，就會出現(xiàn)催化層面內(nèi)電子導電率降低、性能衰減嚴重等現(xiàn)象，阻礙了pem電解槽膜電極的進一步發(fā)展。與此同時，ir擔載量降低導致陽極催化層厚度變薄，pem電解槽運行過程中陰極的氫氣更容易通過擴散及壓差作用穿過質(zhì)子交換膜進入到陽極生成的氧氣中，使得氧中氫含量變高，不利于pem電解槽的安全運行，膜電極的結構對于氧中氫的含量有較為關鍵的影響。

技術實現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明提供了一種膜電極及其制備方法、電解水制氫裝置，本發(fā)明能夠在降低ir載量的情況下，保證膜電極的電化學性能、降低氧中氫的數(shù)值，降低pem電解槽的成本。

2、為此，本發(fā)明提供了以下技術方案。

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種膜電極，包括依次設置的陰極催化層、質(zhì)子交換膜、功能層和陽極催化層；

4、所述功能層包括第一含鉑物質(zhì)；

5、所述陽極催化層包括含銥物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)。

6、在一種可能的實施方式中，所述功能層的鉑載量為0.2～0.4mgpt/cm2。

7、在一種可能的實施方式中，所述陽極催化層的銥載量為0.05～0.15mgir/cm2；銥載量指的是銥元素的載量；

8、和/或

9、所述陽極催化層的鉑載量為1.2～1.5mgpt/cm2。

10、在一種可能的實施方式中，所述第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)分別獨立的選自鉑納米線或鉑納米顆粒；

11、優(yōu)選地，所述第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)均為鉑納米線。

12、在一種可能的實施方式中，所述鉑納米線的直徑為20～50nm，長度為1～3μm。

13、在一種可能的實施方式中，第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)為尺寸相同的鉑納米線。

14、在一種可能的實施方式中，含銥物質(zhì)包括銥的氧化物、銥單質(zhì)和含銥的混合金屬氧化物中的至少一種。

15、第二方面，本發(fā)明提供了一種所述膜電極的制備方法，包括：

16、在所述質(zhì)子交換膜的第一表面形成所述陰極催化層；

17、在所述質(zhì)子交換膜的第二表面形成所述功能層；

18、在所述功能層的表面形成所述陽極催化層。

19、在一種可能的實施方式中，在所述質(zhì)子交換膜的第一表面噴涂或轉印陰極催化層漿料形成所述陰極催化層；

20、和/或

21、在所述質(zhì)子交換膜的第二表面噴涂功能層漿料形成所述功能層；

22、和/或

23、在所述功能層的表面轉印陽極催化層漿料形成所述陽極催化層。

24、第三方面，本發(fā)明提供了一種電解水制氫裝置，包括所述的膜電極或根據(jù)所述方法制得的膜電極。

25、在一種可能的實施方式中，功能層的制備中，將第一含鉑物質(zhì)、全氟磺酸樹脂溶液(5～20wt％)、正丙醇、水以1：(1-1.5)：(15-29)：(15-29)的質(zhì)量比配置成功能層漿料，將功能層漿料涂覆在質(zhì)子交換膜一側，得到功能層。

26、在一種可能的實施方式中，陰極催化層的制備過程中，將鉑碳催化劑、全氟磺酸樹脂溶液(5～20wt％)、正丙醇、水以1：(1-2.5)：(10-16)：(1-4)的質(zhì)量比配置成陰極催化層漿料。

27、可選的，陰極催化層的鉑載量為0.2-0.4mgpt/cm2。

28、示例性的，含銥的混合金屬氧化物可以是銥鈦氧化物、銥釕氧化物。

29、本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)點：

30、1.本發(fā)明膜電極包括依次設置的陰極催化層、質(zhì)子交換膜、功能層和陽極催化層；所述功能層包括第一含鉑物質(zhì)；所述陽極催化層包括含銥物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)。

31、本發(fā)明在膜電極的陽極側構筑包括第一含鉑物質(zhì)的功能層，單獨設置一層由含鉑物質(zhì)構筑的功能層可大幅度提高滲透過來的氫氣與金屬鉑直接接觸的活性位點的數(shù)量，使?jié)B透氫氣與鉑充分接觸不，實現(xiàn)滲透氫氣的有效消除，降低氧中氫的含量，提高pem電解槽的安全性。

32、在陽極催化層中加入導電介質(zhì)第二含鉑物質(zhì)，可提高陽極催化層的電子電導率，使從陽極擴散層傳遞來的電子能夠快速到達催化劑表面的反應活性位點。

33、本發(fā)明能夠在降低ir載量的情況下，保證膜電極的電化學性能、降低氧中氫的數(shù)值，降低pem電解槽的成本。

34、2.第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)為鉑納米線。

35、鉑納米線的加入能夠起到將含銥物質(zhì)分散的作用，通過空間位阻效應使含銥物質(zhì)在陽極催化層中分散的更加均勻，即使在較低的銥載量下，也能暴露出足夠數(shù)量的活性位點，展現(xiàn)出良好的電化學性能。

36、功能層與陽極催化層是兩個相互獨立的層，互相接觸的兩層不可避免地出現(xiàn)接觸阻抗的問題。本發(fā)明第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)均采用鉑納米線，兩層的鉑納米線之間可相互連接形成網(wǎng)狀結構，能夠提供更多供氫氣氧化的位點，同時有效降低功能層與陽極催化層之間的接觸電阻。

37、優(yōu)選的，鉑納米線的直徑為20～50nm，長度為1～3μm。通過對添加的鉑納米線的尺寸優(yōu)化，在鉑載量一定的情況下暴露更多的活性面積；可以進一步降低功能層與陽極催化層之間的接觸阻抗，降低膜電極的歐姆阻抗，進而優(yōu)化膜電極的電化學性能。

38、進一步的，功能層與陽極催化層中同時使用相同的鉑納米線，鉑納米線之間的相互連接形成的網(wǎng)絡結構可提供更多的接觸位點，有效降低催化層與功能層之間的接觸阻抗。

技術特征：

1.一種膜電極，其特征在于，包括依次設置的陰極催化層、質(zhì)子交換膜、功能層和陽極催化層；

2.根據(jù)權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述功能層的鉑載量為0.2～0.4mgpt/cm2。

3.根據(jù)權利要求2所述的膜電極，其特征在于，所述陽極催化層的銥載量為0.05～0.15mgir/cm2；

4.根據(jù)權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)分別獨立的選自鉑納米線或鉑納米顆粒；

5.根據(jù)權利要求4所述的膜電極，其特征在于，所述鉑納米線的直徑為20～50nm，長度為1～3μm。

6.根據(jù)權利要求5所述的膜電極，其特征在于，第一含鉑物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)為尺寸相同的鉑納米線。

7.根據(jù)權利要求1-5任一項所述的膜電極，其特征在于，含銥物質(zhì)包括銥的氧化物、銥單質(zhì)和含銥的混合金屬氧化物中的至少一種。

8.一種權利要求1-7任一項所述的膜電極的制備方法，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述質(zhì)子交換膜的第一表面噴涂或轉印陰極催化層漿料形成所述陰極催化層；

10.一種電解水制氫裝置，其特征在于，包括如權利要求1-7任一項所述的膜電極或根據(jù)權利要求8或9所述制備方法制得的膜電極。

技術總結
一種膜電極及其制備方法、電解水制氫裝置，屬于膜電極技術領域。本發(fā)明膜電極包括依次設置的陰極催化層、質(zhì)子交換膜、功能層和陽極催化層；所述功能層包括第一含鉑物質(zhì)；所述陽極催化層包括含銥物質(zhì)和第二含鉑物質(zhì)。本發(fā)明能夠在降低Ir載量的情況下，保證膜電極的電化學性能、降低氧中氫的數(shù)值，降低PEM電解槽的成本。

技術研發(fā)人員：于子龍,張紀堯,馮偉民,閆立松,王祖云
受保護的技術使用者：蘇州曼恩斯特氫能源科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15