[發(fā)明專(zhuān)利]具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片、膜電極及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310380085.6
• 申請(qǐng)日: 2013-08-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103413950A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 木士春;張建;蘇昊;陳旭;張瀟;龔雪
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/90;H01M4/86;H01M4/88;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專(zhuān)利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

1.具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，包括有質(zhì)子交換膜，其特征在于：在質(zhì)子交換膜兩側(cè)具有多孔聚合物納米纖維薄膜，所述的多孔聚合物納米纖維薄膜的納米纖維表面均勻沉積一層具有催化活性的金屬納米粒子，形成多孔聚合物納米纖維薄膜催化層的燃料電池芯片，所述的多孔聚合物納米纖維的成分為可以電紡的純高分子聚合物或者共紡高分子聚合物。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的質(zhì)子交換膜材料包括具有長(zhǎng)短鏈的全氟磺酸樹(shù)脂、全氟磺酸樹(shù)脂填充的多孔聚四氟乙烯增強(qiáng)復(fù)合膜、部分氟化的質(zhì)子交換樹(shù)脂BAM3G及非氟化的質(zhì)子交換樹(shù)脂。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的非氟化的質(zhì)子交換樹(shù)脂為磺化聚砜類(lèi)樹(shù)脂、磺化聚苯硫醚樹(shù)脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈、磺化聚酰亞胺樹(shù)脂、磺化聚苯乙烯樹(shù)脂或磺化聚醚醚酮樹(shù)脂。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的純高分子聚合物為聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚氨酯。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的共紡高分子聚合物為聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯/聚氨酯、聚偏二氟乙烯/六氟丙烯、聚苯胺/聚苯乙烯、聚苯胺/聚環(huán)氧乙烷、聚苯胺/聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion/聚偏氟乙烯、Nafion/聚四氟乙烯、Nafion/聚環(huán)氧乙烷、Nafion/聚乙烯醇。

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的純高分子聚合物或共紡高分子聚合物納米纖維直徑小于500nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的純高分子聚合物以及共紡高分子聚合物納米纖維直徑優(yōu)選為50～250nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的多孔聚合物納米纖維薄膜厚度小于12μm。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片，其特征在于：所述的多孔聚合物納米纖維薄膜厚度優(yōu)選為2～8μm。

10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的具有納米結(jié)構(gòu)薄膜催化層的燃料電池芯片的制備方法，包括有如下步驟：

1）稱(chēng)取純高分子聚合物或共紡高分子聚合物粉體，加入溶劑進(jìn)行稀釋攪拌，配制成混合均勻的電紡聚合物液體；

2）在靜電紡絲裝置的接收板上固定好質(zhì)子交換膜材料，用注射器取步驟1）所述的電紡聚合物液體，固定在微量注射泵上，注射器針頭端口磨成平口，與高壓電源的輸出端相連，將所述的質(zhì)子交換膜固定在接地的鋁箔上作為接受屏，啟動(dòng)注射泵，調(diào)節(jié)注射器推進(jìn)速度，針頭有液滴時(shí)，打開(kāi)高壓電源，調(diào)節(jié)工作電壓，控制電紡時(shí)間，在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)得到多孔聚合物納米纖維電紡膜；

3）將兩側(cè)都沉積有步驟2）所述的多孔聚合物纖維膜的質(zhì)子交換膜放入60～120℃的烘箱中，常壓烘干30min，得到兩側(cè)具有多孔聚合物納米纖維薄膜的質(zhì)子交換膜；

4）將活性金屬靶材放入磁控濺射儀器中，將兩側(cè)具有多孔聚合物納米纖維薄膜的質(zhì)子交換膜放入磁控濺射樣品室，對(duì)著靶材，密封濺射室，抽真空到小于5×10^-4Pa后，通過(guò)控制濺射時(shí)間，在質(zhì)子交換膜兩側(cè)的多孔聚合物納米纖維薄膜表面分別均勻?yàn)R射上具有催化活性的金屬納米粒子，形成燃料電池芯片；

或者，將活性金屬靶材放入真空蒸鍍儀器中，將兩側(cè)具有多孔聚合物納米纖維薄膜的質(zhì)子交換膜放入真空蒸鍍樣品室，多孔聚合物納米纖維薄膜的膜面朝上放置，對(duì)著靶材，密封真空室，抽真空到小于5×10^-4Pa后，使電子束電流為10～40A內(nèi)，控制蒸鍍時(shí)間，在質(zhì)子交換膜兩側(cè)的多孔聚合物納米纖維薄膜表面分別均勻蒸鍍上具有催化活性的金屬納米粒子，形成燃料電池芯片。

或者，將具有催化活性的金屬納米粒子制成料漿直接噴涂在質(zhì)子交換膜兩側(cè)的多孔聚合物納米纖維薄膜表面形成燃料電池芯片，所述的料漿的組成成分的按質(zhì)量比計(jì)為金屬納米粒子：全氟磺酸樹(shù)脂：溶劑=5～1：1：5～30，其中，所述的溶劑為乙醇、異丙醇、乙二醇或丙三醇。