[發(fā)明專利]具有納米結構薄膜催化層的燃料電池芯片、膜電極及制備方法

有效

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

技術領域

本發(fā)明涉及具有納米結構薄膜催化層的燃料電池芯片、膜電極及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種將(H₂、甲醇等)燃料和氧化劑的化學能直接轉換為電能的轉換裝置，其能量轉換效率高、對環(huán)境污染小、安靜、可靠性和維護性好等諸多優(yōu)點，被譽為繼水力、火力和核能之后的第四代發(fā)電裝置，是最符合可持續(xù)發(fā)展的新型能源。質子交換膜燃料電池（proton?exchange?membrane?fuel?Cell，PEMFC）是其中適用范圍最廣，最具應用前景的一種。其中，膜/催化劑三合一組件（CCM，catalyst?coated?membrane）是PEMFC的核心部件，由于燃料電池所有的電化學反應都在其上完成，又被稱為燃料電池芯片（ZL200510018740.9，ZL200510018741.3）。將CCM與氣體擴散層熱壓后形成五合一膜電極（membrane?electrode?assembly，MEA），在PEMFC中起催化兩極反應和傳導質子和電子等作用，是PEMFC最關鍵的部件。

目前，商業(yè)化的質子交換膜主要為美國Dupont公司生產的Nafion系列全氟型磺酸膜和增強膜，膜厚一般為25～180μm。催化層，包括陰極催化層和陽極催化層，通常由全氟型磺酸質子導體和電催化劑（如商業(yè)化Pt/C催化劑）構成，是電池反應的主要場所。陰極催化層作用是對O₂進行還原，通常催化劑的用量較大。陽極催化層作用是對H₂進行氧化，由于室溫下Pt對氫有氧化具有較高的交換電流密度，因此催化劑用量較少。氣體擴散層通常為經聚四氟乙烯（PTFE）疏水處理的多孔碳紙或碳布，主要起到加快氣、液傳輸、電子集電體及對催化層與質子交換膜起到支撐作用。由于貴金屬催化劑是稀缺資源，價格昂貴，所以膜電極很大一部分研究集中于降低貴金屬催化劑用量。為此，人們提出了薄層催化層膜電極和有序化膜電極以降低Pt等貴金屬的用量。中國專利ZL99112826.5采用水和乙二醇配置碳擔載鉑和Nafion形成質子導體聚合物墨汁，采用噴涂方法制備了均勻的薄層催化劑；美國專利US5211984也采用了薄層親水的催化層膜電極。在此基礎上，又提出了超薄催化層電極。例如，武漢理工大學木士春等采用轉移法（Decal?method）制備了超薄的膜/催化層組件（CCM，catalyst?coated?membrane）（ZL200410012744.1）；美國3M公司采用納米碳須為載體，在其表面采用磁控濺射制備了一層超薄鉑及其鉑合金催化劑，擔載量0.02～0.2mg/cm²(S.Chalk，J.Milliken，et?al.Fuel?cells?for?transportation?program?contractor’s?annual?progress?report，November1998:38)。同時，武漢理工大學木士春等（CN102738478A；CN102738477A；CN102760899A；CN102723509A；CN102723500A）采用模板法合成了有序化膜電極，有效降低了催化層厚度，減少了貴金屬Pt的用量。但要實現膜電極的規(guī)模化制備，上述方法有一定難度。最近，木士春等人（中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01310041096.1）又進一步報導了一種具有納米三明治結構的燃料電池非貴金屬有序化膜電極，但非Pt催化劑的催化活性還需要進一步提高。

靜電紡絲技術是將聚合物或無機物前軀體溶液注入注射器中，使注射器針頭與高壓電源的一個電極相連形成高壓電場。在高壓電場的作用下，由于電荷密度增加，靜電斥力增加導致彎曲不穩(wěn)定射流或鞭動不穩(wěn)定射流從而得到超細纖維。最后，靜電紡絲形成的帶電超細纖維隨機沉積在接收器上，得到薄膜狀、薄紙狀或氈狀的無紡布。在中國專利CN201210037019.4中介紹了靜電紡絲技術制備鋰離子電池隔膜的聚偏氟乙烯納米纖維的制備方法；在中國專利CN200710122897.5采用靜電紡絲技術制備了一種納米纖維離子交換膜，具有孔隙率高、在水中不變形、耐高溫等優(yōu)良性能。范德堡大學將Pt/C催化劑和Nafion混合并利用靜電紡絲技術制備了多孔結構陰極催化層（Wenjing?Zhang，Electrospinning?Pt-C?Catalysts?into?a?Nanofiber?Fuel?Cell?Cathode，Winter2010：51）。Michael?W.Cason（2010）也利用靜電紡絲技術將Nafion溶液電紡，制備出具有納米纖維結構的質子交換膜。