[發明專利]一種膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法

在審

• 申請號: 201710089091.4
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106848355A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 顧軍;孟貴平;楊德龍;張嚴;蘇明星
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88;B05D1/04;D04H1/4282;D04H1/728
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙)32273
• 代理人: 張學彪

技術領域

本發明涉及一種膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法。

背景技術

燃料電池高效環保，可直接將燃料的化學能轉化為電能，且轉化過程不存在熱機做功，沒有卡諾循環的限制，因此能量轉化效率高(40％～60％)。其中質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一種零排放、高效率與高功率密度的發電裝置，特別是在新能源交通動力應用方面具有極其誘人的前景。膜電極(membrane electrode assembly，MEA)是多相物質傳輸和電化學反應場所，決定著PEMFC的性能、壽命及成本。MEA是由膜/催化劑三合一組件CCM(catalyst coated membrane)以及熱壓到其上的碳紙組成的五合一組件。

目前，商業化的質子交換膜主要是美國Dupont公司生產的Nafion系列的全氟磺酸膜和增強膜，目前最新系列為Nafion212。商用的催化劑主要是由Pt分散在高表面積碳(如Vulcan XC72R)上的Pt/C催化劑，但是其他種類的催化劑，通常是貴金屬和它們的合金也會在不同的情況下使用。

美國3M公司采用3M-S質子交換膜、納米結構薄膜(NSTF)電極與2979氣體擴散層制備的新一代膜電極是目前性能最好的膜電極。

目前，商業化的制備膜電極方式是將催化劑直接制備在質子交換膜表面上。制備方法包括噴涂、轉印、化學沉積法、電化學沉積法、物理濺射沉積法、干粉噴射法、打印法等。而這些方法制備的膜電極CCM最主要的問題在于鉑催化劑載量高，成本降不下來，催化劑利用效率低，催化劑層沒有有序化，導致傳質阻力大，缺乏有效的三相反應界面(王誠,趙波,張劍波.質子交換膜燃料電池膜電極的關鍵技術[J].科技導報,2016,34(6):62-68)。

靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝，聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲。靜電紡絲的工藝和設備比較簡單，主要包括高壓電源、液體供給裝置(包括注射器、注射泵等)和纖維收集裝置，將電紡溶液注入到前端帶有針頭的注射器中，聚合物溶液或熔體的液滴在高壓作用下帶電，從而使液滴相互之間產生了一個排斥力。當處于合適電壓時，液滴間的排斥力最終克服了其自身的表面張力，在針頭尖端聚集成液滴，以纖維狀噴射在帶電的接收板上。待溶劑揮發后，即得到固體納米纖維。

靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負電的涂料微粒沿著電場相反的方向定向運動，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。靜電噴涂設備由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。因此，需要一種新的膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法以解決上述問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的問題，提供一種膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法。

為實現上述發明目的，本發明的膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法采用如下技術方案：

一種膜電極CCM的靜電紡絲和靜電噴涂制備方法，包括以下步驟：

1)、稱取Nafion溶液、聚丙烯酸、異丙醇和去離子水，并混合攪拌得到混合均勻的電紡溶液，其中，Nafion和聚丙烯酸的質量比為4:1～20:1，電紡溶液的濃度為2wt％～5wt％；

2)、通過靜電紡絲利用步驟1)得到的電紡溶液制備得到聚合物納米纖維膜；

3)、將步驟3)得到的聚合物納米纖維膜熱壓在質子交換膜的兩面，得到復合膜；

4)、稱取Pt/C催化劑、Nafion溶液、異丙醇和去離子水，其中，Pt/C催化劑和Nafion的質量比為4:1～8:1，得到濃度為3wt％～8wt％混合溶液；

5)、選取靜電噴涂的接收器并接地，將步驟3)得到的復合膜放置在所述接收器上，利用靜電噴涂方法將步驟4)得到的混合溶液噴涂在所述復合膜的兩面，得到膜電極CCM。

更進一步的，步驟2)中通過電紡利用步驟1)得到的電紡溶液制備得到聚合物納米纖維膜包括以下步驟：

一、在靜電紡絲的收集滾筒上，固定好鋁箔，利用注射器取步驟1)的電紡溶液并將注射器固定在注射泵上，將注射器的針頭與高壓電源正極連接，滾筒接地，調節針頭與滾筒的距離為8～10cm；

二、打開注射泵，當針頭出現液滴時，打開高壓電源，調節電壓為9KV-12KV，調節滾筒轉速至50-250rpm；

三、開始電紡，電紡時間為10min～60min，得到聚合物納米纖維膜。

更進一步的，步驟2)中聚合物納米纖維膜的孔隙率大于60％。