专利名称：一种电解水的复合膜电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电解水的复合膜电极制造方法，属于电化学技术领域。
在本发明之前，采用复合膜电极的专利有CN86108792A、86108928、97122126。专利CN86108792A所描述的固体聚合物电解质结构，该结构包含一块膜片、许多导电颗粒及一块导电性透水基体结构，其中导电颗粒和导电基体以物理和化学方式互相接触并嵌入膜片中或与膜片结合在一起。专利CN86108792A形成复合膜电极的方法为(1)形成一种由粘合剂和许多催化活性导电颗粒组成的混合物；(2)将该混合物制成含颗粒的薄膜；(3)使薄膜与处于热塑状态的碳氟化合物膜片相接触；(4)使含颗粒的薄膜与导电透水基体相接触，以此形成一种层压体，其中膜片在一侧，基体在另一侧，许多催化活性颗粒在中间；(5)在膜片处于热塑状态下对层压体施加足够大的压力，使基体至少有一部分嵌入膜片中。专利申请86108928所述的复合膜电极形成方法为(1)形成一种由催化活性导电颗粒和一种液体组成的悬浊液；(2)将悬浊液涂在化合物膜片的表面上；(3)除去液体使颗粒留在膜片上；(4)将至少一部分颗粒压入膜片中；(5)使处理过的膜片与一种导电透水基体相接触。专利申请97122126所述方法为(1)使用粘合剂聚四氟乙烯乳液与催化剂颗粒制成混合物；(2)将混合物搅拌、擀压制成膜；(3)将阳极基体涂敷含铂、锡、锑溶液进行热分解形成保护膜；(4)将各层以物理接触方式直接装配而成。上述专利CN86108792A、专利申请86108928中复合膜电极结构中导电透水基体未做表面处理，发生电解反应时，对导电透水基体腐蚀大；专利申请86108928的涂层细微内孔少，反应表面积小，效率较低，涂层后质子交换膜易变形，工艺控制较难。专利申请97122126所述的方法中阳极基体处理方法不够完善，寿命较短；对电极的组装操作要求高，难以保证稳定的性能。以上各专利均有接触电阻大，复合膜电极寿命短，且工作电压高、能耗大、发热大等缺点。
本发明的目的在于改进上述已有复合膜电极结构的不足，提供一种复合膜电极制造方法。该电极具有长寿命、小接触电阻、高效率、性能稳定、低能耗。
实现本发明目的所采取的技术措施是本发明的复合膜电极由质子交换膜、导电颗粒组成的催化层、导电透水基体组成，其制造方法包括(1)在一种耐腐导电透水基体表面涂敷含有铂、钯、钌、钽和锡等可热分解的化合物的溶液，在空气中热分解多次，形成第一层；将形成第一层的导电透水基体作阳极，在含有铅离子的酸浴液中电解，在导电透水基体内孔及一侧外表面和四周形成β-二氧化铅电沉积层，制成阳极耐腐基体；(2)将β-二氧化铅导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液或膏状物；(3)将β-二氧化铅悬浊液或膏状物均匀涂敷或碾压在电沉积有β-二氧化铅阳极耐腐基体的一侧，烘干形成阳极；(4)用富勒烯(Fulerene)/铂/钯或铂黑导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液或膏状物；(5)将富勒烯(Fulerene)/铂/钯或铂黑悬浊液或膏状物均匀喷涂或碾压在阴极导电透水基体的一侧，烘干形成阴极；
(6)在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，均匀喷涂或浸润一层全氟离子交换聚合物溶液并烘干，将阴极喷或浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的一侧相接触，将阳极喷或浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的另一侧相接触，形成组合件；(7)使该组合件在加热及压力作用下，导电催化颗粒嵌入导电透水基体的微孔内，同时嵌入质子交换膜中，形成复合膜电极。
由于采用以上技术措施，按照本发明方法制造的电解水的复合膜电极、导电透水基体与导电催化颗粒接触面积大，阳极导电催化颗粒与β-二氧化铅阳极电沉积层相接触，接触电阻小、寿命长、能耗降低，阳极烧结第一层、阴极导电催化颗粒铂含量低，降低了成本。由于导电颗粒组成的催化层嵌入导电透水基体，电解反应界面接近导电透水基体外表面，电解产物能够迅速逸出，同时减小了对导电透水基体与导电颗粒组成的催化层的接触面的腐蚀，延长了固体聚合物电解质复合膜电极的寿命。由于阴极采用了富勒烯(Fulerene)，铂及钯原子簇嵌入富勒烯(Fulerene)分子之间形成的立方体结构中，增大了有效反应面积，并且铂及钯原子簇无法自由迁移，延长了电极寿命。由于加入了离子聚合物溶液，增加了质子通道，增大了电极活性面积，提高了催化剂利用率。
下面结合示意图和实施例对本发明进一步阐述
图1为本发明结构示意图，其中1-β-二氧化铅电沉积层，2-阳极导电透水基体，3-β-二氧化铅导电催化颗粒，4-全氟离子交换聚合物涂层，5-质子交换膜，6-铂黑导电催化颗粒，7-阴极导电透水基体。
实施例1采用1毫米厚的多孔钛板作为导电透水基体，用沸腾的25％盐酸水溶液清洗3分钟。然后以该多孔钛板为基质，把氯铂酸和五氯化钽溶解于5％的盐酸溶液中作为涂敷层，在45摄氏度下干燥，570摄氏度加热10分钟，重复4次，以形成第一层。将该多孔钛板在30％硝酸铅的酸性溶液中作电解，在60到70摄氏度用45mA/cm2的电流密度电解2.5分钟，得到阳极耐腐基体。将β-二氧化铅导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液，其中耐氧化粘接剂PTFE占催化剂重量的0.9％，将β-二氧化铅悬浊液均匀涂敷在电沉积有β-二氧化铅阳极的一侧，60摄氏度烘干形成阳极，其中离子交换活性聚合物含量为1mg/cm2；将富勒烯(Fulerene)/铂导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液；其中耐氧化粘接剂PTFE占催化剂重量的16％，将富勒烯(Fulerene)/铂悬浊液均匀喷涂在阴极导电透水基体的一侧，50摄氏度烘干形成阴极，其中离子交换活性聚合物含量为1mg/cm2；在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，均匀喷涂一层全氟离子交换聚合物溶液(0.5mg/cm2)，将阴极喷有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的一侧相接触，将阳极喷有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的另一侧相接触，形成组合件；使该组合件在加热60摄氏度及30kg/cm2压力下作用1分钟，导电催化颗粒部分嵌入导电透水基体的微孔内，同时导电催化颗粒也部分嵌入质子交换膜中，形成复合膜电极。
实施例2
采用1毫米厚的多孔钛板作为导电透水基体，用沸腾的20％盐酸水溶液清洗3.5分钟。然后以该多孔钛板为基质，把氯铂酸和氯化钯、氯化锡溶解于含5％的盐酸的正丁醇溶液中作为涂敷层，在130摄氏度下干燥，540摄氏度加热15分钟，重复4次，并将该制件在500摄氏度烧结固化一小时，以形成第一层。将该多孔钛板在35％硝酸铅的酸性溶液中作电解，在60到70摄氏度用40mA/cm2的电流密度电解3分钟，得到阳极极板。将β-二氧化铅导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂在水中制成膏状物，其中耐氧化粘接剂PTFE占催化剂重量的0.8％，将β-二氧化铅膏状物均匀碾压在电沉积有β-二氧化铅阳极的一侧，60摄氏度烘干形成阳极，其中离子交换活性聚合物含量为0.8mg/cm2；将铂黑导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成膏状物；其中耐氧化粘接剂PTFE占催化剂重量的18％，将铂黑膏状物均匀碾压在阴极导电透水基体的一侧，60摄氏度烘干形成阴极，其中离子交换活性聚合物含量为0.8mg/cm2；在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，均匀浸润一层全氟离子交换聚合物溶液(0.6mg/cm2)，将阴极浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的一侧相接触，将阳极浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的另一侧相接触，形成组合件；使该组合件在加热70摄氏度及35kg/cm2压力下作用0.5分钟，导电催化颗粒嵌入导电透水基体的微孔内，同时嵌入质子交换膜中，形成复合膜电极。本发明制造的电解水的复合膜电极，接触电阻小、寿命长、能耗降低。
权利要求
1.一种电解水的复合膜电极，由质子交换膜、导电颗粒组成的催化层、导电透水基体组成，其制造方法包括(1)在一种耐腐导电透水基体表面涂敷含有铂、钯、钌、钽和锡等可热分解的化合物的溶液，在空气中热分解多次，形成第一层；将形成第一层的导电透水基体作阳极，在含有铅离子的酸浴液中电解，在导电透水基体内孔及一侧外表面和四周形成β-二氧化铅电沉积层，制成阳极耐腐基体；(2)将β-二氧化铅导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液或膏状物；(3)将β-二氧化铅悬浊液或膏状物均匀涂敷或碾压在电沉积有β-二氧化铅阳极耐腐基体的一侧，烘干形成阳极；(4)用富勒烯(Fulerene)/铂/钯或铂黑导电催化颗粒与全氟离子交换聚合物溶液和耐氧化粘接剂制成悬浊液或膏状物；(5)将富勒烯(Fulerene)/铂/钯或铂黑悬浊液或膏状物均匀喷涂或碾压在阴极导电透水基体的一侧，烘干形成阴极；(6)在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，均匀喷涂或浸润一层全氟离子交换聚合物溶液并烘干，将阴极喷或浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的一侧相接触，将阳极喷或浸有全氟离子交换聚合物溶液的一侧与质子交换膜的另一侧相接触，形成组合件；(7)使该组合件在加热及压力作用下，导电催化颗粒嵌入导电透水基体的微孔内，同时嵌入质子交换膜中，形成复合膜电极。
2.按权利要求1所述的一种电解水的复合膜电极的制造方法，其特征在于所述悬浊液或膏状物，其中催化剂5～80％、离子交换活性聚合物0.1～15％、耐氧化粘接剂0.1～1％、水及溶剂5～90％(重量比)，
3.按权利要求1所述的一种电解水的复合膜电极的制造方法，其特征在于一种耐腐导电透水基体选自于金属丝网，多孔金属板，厚度为0.5～2mm，
4.按权利要求1所述的一种电解水的复合膜电极的制造方法，其特征在于阳极导电催化颗粒含有1～20％的α-二氧化铅。
5.按权利要求1所述的一种电解水的复合膜电极的制造方法，其特征在于催化层中含有离子交换活性聚合物，离子交换活性聚合物含量为0.2～2毫克/平方厘米。
6.按权利要求1所述的一种电解水的复合膜电极的制造方法，其特征在于在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，均匀喷涂或浸润一层全氟离子交换聚合物溶液，全氟离子交换聚合物含量为0.2～2毫克/平方厘米。
全文摘要
本发明涉及一种电解水的复合膜电极的制造方法，属于电化学技术领域，该方法包括(1)在基体表面涂敷化合物溶液，形成第一层，并电沉积制成阳极耐腐基体；(2)将阴、阳极导电催化颗粒与离子聚合物溶液和粘接剂等制成悬浊液或膏状物；(3)将阳极导电催化颗粒悬浊液涂敷在电沉积一侧，形成阳极；(4)将阴极导电催化颗粒悬浊液涂敷在阴极基体的一侧，形成阴极；(5)在阴极、阳极涂有导电催化颗粒的一侧，喷或浸离子聚合物溶液，分别将阴、阳极有离子聚合物溶液的一侧与质子交换膜的一侧接触；(6)将该组合件热压，使导电催化颗粒嵌入导电透水基体、质子交换膜中，形成复合膜电极。本发明的优点是接触电阻小、寿命长、成本低。
文档编号C25B11/08GK1432664SQ02110569
公开日2003年7月30日 申请日期2002年1月17日 优先权日2002年1月17日
发明者胡晨辉 申请人:上海世竞净化科技有限公司