一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法及其应用

本发明涉及膜电极制备，具体涉及一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法及其应用。

背景技术：

1、作为质子交换膜电解槽/燃料电池的关键部件，质子交换膜是质子交换膜电解槽/燃料电池的成本和性能的决定因素之一，其作用是传导质子和阴阳极的分隔屏障。质子交换膜的关键性指标包括质子电导率、气体渗透性、尺寸稳定性以及化学稳定性等。目前质子交换膜一般为光滑表面，当质子交换膜与催化层进行复合形成膜电极后，催化层/质子交换膜反应界面少，能参与电化学反应的催化剂利用率低，导致质子交换膜电解槽/燃料电池整体效率较低，增加了设备的运行成本。此外，由于设备运行所需的催化剂均为贵金属催化剂，这使得原料和折旧成本被进一步扩大，降低了效益。

2、质子交换膜微结构的有序化是一种增加催化层中反应界面和改善反应过程中物质传输的方法，通过质子交换膜有序结构化设计，能够有效促进电子、质子、反应物和生成物的反应与传输，并能以更小的附加损耗获得更高的效率。常用的质子交换膜微结构的有序化的制备方法包括光刻模版热压法等，但利用光刻模版热压法制备膜电极的制造成本高，且难以制作大面积膜电极；而采用等离子蚀刻虽然可使质子交换膜表面粗糙化，具有制备速度快的优点，但该方法难以实现膜电极微结构的有序化。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法及其应用，能够以较低的制造成本实现质子交换膜微结构的有序化，进而实现电极或大面积膜电极催化层的有序结构化，从而以更小的电损耗获得质子交换膜燃料电池和电解水更高的效率。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法，将质子交换膜放置于含金属阳离子的水溶液中浸泡，进行离子交换处理。

3、进一步地，将质子交换膜放置于金属阳离子浓度为0.01-1m的水溶液中浸泡，使质子交换膜进行离子交换，随后清洗烘干。

4、一种膜电极的制备方法，包括以下步骤：

5、s1，采用权利要求1或2所述的一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法得到的质子交换膜，在质子交换膜的表面加工微结构；

6、s2，将质子交换膜质子化；

7、s3，在质子交换膜的表面涂覆催化剂。

8、进一步地，所述步骤s1具体为：

9、使用激光加工处理的方式对质子交换膜的表面进行加工，获得表面具有有序微结构的质子交换膜。

10、进一步地，所述步骤s2具体为：

11、将质子交换膜放置在h2o2溶液中浸泡，完成处理后使用去离子水冲洗质子交换膜残余的h2o2；将质子交换膜放置在h2so4溶液中浸泡，完成处理后使用去离子水冲洗质子交换膜残余的h2so4，并重复多次。

12、进一步地，所述步骤s3具体为：

13、在质子交换膜的两侧表面分别涂覆阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料，形成阴极催化层和阳极催化层，干燥后得到膜电极组件；所述阴极催化剂浆料和阳极催化剂浆料均包括催化剂、离聚物溶液、有机分散溶剂和水。

14、进一步地，步骤s3中的阴极催化剂浆料，催化剂为pt/c粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阴极催化剂浆料均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

15、进一步地，步骤s3中的阳极催化剂浆料，催化剂为iro2粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阳极催化剂浆料均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

16、进一步地，步骤s3中的阳极催化剂浆料，催化剂为pt/c粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阳极催化剂浆料均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

17、采用上述一种膜电极的制备方法得到的膜电极，应用于质子交换膜电解水制氢或燃料电池。

18、上述一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法及其应用的有益效果是：

19、(1)通过对质子交换膜进行离子交换，解决了常态下的质子交换膜无法吸收激光，不能够直接进行激光加工的问题，能够实现对激光的响应，从而实现以激光精细加工的方式在质子交换膜的表面构建微结构，大大提高加工效率的同时，降低了加工成本，且还能用于大面积膜电极的加工制作。

20、(2)通过激光加工在质子交换膜的表面构建宽度1～500微米、深度1～10微米的微结构，能够降低质子交换膜的质子传导阻力和增加催化层/质子交换膜界面，提高催化层内贵金属有效使用率，从而降低了质子交换膜电解水制氢和燃料电池运行过程的运行成本。

21、(3)通过激光加工处理质子交换膜，具有可随意加工任意图形、热影响区域小、加工效率高、加工成本低以及质量可靠等优点。

技术特征：

1.一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法，其特征在于，将质子交换膜放置于含金属阳离子的水溶液中浸泡，进行离子交换处理。

2.根据权利要求1所述的一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法，其特征在于，将质子交换膜放置于金属阳离子浓度为0.01-1m的水溶液中浸泡，使质子交换膜进行离子交换，随后清洗烘干。

3.一种膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：

5.根据权利要求3所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：

6.根据权利要求3所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：

7.根据权利要求6所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s3中的阴极催化剂浆料，催化剂为pt/c粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阴极催化剂浆料就均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

8.根据权利要求6所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s3中的阳极催化剂浆料，催化剂为iro2粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阳极催化剂浆料均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

9.根据权利要求6所述的一种膜电极的制备方法，其特征在于，步骤s3中的阳极催化剂浆料，催化剂为pt/c粉末，离聚物溶液为全氟磺酸树脂溶液，有机分散溶剂为正丙醇，水为去离子水，阳极催化剂浆料均匀混合后喷涂在质子交换膜表面。

10.采用权利要求3-9任一所述的一种膜电极的制备方法得到的膜电极，应用于质子交换膜电解水制氢或燃料电池。

技术总结
本发明公开了一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法及其应用，包括以下步骤：将质子交换膜放置于含金属阳离子的水溶液中浸泡，使质子交换膜进行离子交换。S1，在质子交换膜的表面加工微结构；S2，将质子交换膜质子化；S3，在质子交换膜的表面涂覆催化剂。使用一种表面具有有序微结构的质子交换膜制备方法，具有热影响区域小、加工效率高、加工成本低以及质量可靠等优点，得到的质子交换膜相比于现有的质子交换膜，能够提升质子交换膜的质子传导效率和催化层中催化剂利用效率，降低其在电解水制氢或燃料电池应用中的能耗，从而降低了系统成本，提升了电解水制氢或燃料电池的效益。

技术研发人员：李俊,廖强,杨朋林,黄健,张亮,叶丁丁,朱恂
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15