[發明專利]一種有序化納米纖維膜電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201710438811.3
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107359355B
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 張劍波;周紅茹;司德春;李哲;黃俊
• 申請（專利權）人: 清華大學;上海汽車集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M4/92;H01M8/1004;H01M8/1018;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明涉及一種有序化納米纖維膜電極及其制備方法，該膜電極是由離子交換膜以及位于該離子交換膜兩側的催化層組成；位于離子交換膜兩側的催化層均為有序化納米纖維催化層或者一側為傳統催化層、另一側為有序化納米纖維催化層。該膜電極的制備方法包括：先通過靜電紡絲制備含催化劑、離子聚合物以及高分子有機物的納米纖維；然后通過高速取向收集裝置收集納米纖維，制備得到分層有序化納米纖維催化層；最后利用制得的催化層進行膜電極的組裝。本發明涉及到的膜電極在催化劑載量較低情況下，具有較高性能；且催化層纖維形貌可控，在面內均勻分布，氣體傳輸阻力小。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及一種可用于聚合物電解質膜燃料電池的有序納米纖維膜電極以及該有序化納米纖維膜電極的制備方法。

背景技術

燃料電池能夠將燃料和氧化劑的化學能轉換為電能，其能量轉換效率不受卡諾熱機循環理論效率的限制，具有高效、環境友好、安靜、可靠性高等優點，在眾多領域具有廣闊的發展前景。燃料電池可以分為固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)、聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)及直接甲醇燃料電池(DMFC)等。其中聚合物電解質膜燃料電池因其操作溫度低，功率密度高，啟動快，對負載變化響應快，成為交通運輸領域能源重要發展方向。然而居高不下的成本是聚合物電解質膜燃料電池大規模商業化的最大瓶頸。

聚合物電解質膜燃料電池主要由膜電極、雙極板和集流板等組件構成，其中膜電極包括離子交換膜和分別位于該離子交換膜兩側的陰、陽極催化層。催化層作為電化學反應的發生場所，決定著燃料電池的成本、性能與壽命。傳統催化層采用催化劑漿料噴涂來進行制備，催化層為無序結構，具有鉑利用率低、三相傳輸損失大，耐久性差等不足。因此從結構上使催化層有序化，并在尺度上實現納米化，能夠有效提高催化劑利用率，降低三相傳輸損失。

靜電紡絲法通過將催化劑、離子聚合物等形成納米纖維來制備催化層，其納米纖維結構增大了催化層的孔隙率，同時優化了三相界面，這方面工作最早由范德堡大學提出，但其公開制備得到的催化層為無序結構，其掃描電子顯微鏡(SEM)觀測圖如圖1所示(非專利文獻1，Zhang WA.2010.Electrospinning Pt/C Catalysts into a Nanofiber FuelCell Cathode.The Electrochemical Society Interface.19(4):51.)。

由中國科學院大連化學物理研究所申請的專利中也是采用靜電紡絲技術來制備納米纖維催化層，其制備得到的催化層的SEM觀測圖如圖2所示，其制備過程包括：(1)制備催化劑漿料；(2)靜電紡絲技術制備催化層；(3)將制備得到的催化層采用熱壓法轉印到Nafion膜，制備得到膜電極(專利文獻1，公開號CN105633421A)。

但是，目前采用靜電紡絲技術制備得到的納米纖維均是無序：納米纖維在微觀上交錯無序排列，且纖維在面內分布不均，其形貌也不可控；另外，制備的納米纖維性質單一，催化層的親疏水性、導電性不能夠根據使用工況進行調節。

發明內容

本發明目的在于為克服傳統靜電紡絲方法中的不足，提供一種有序化納米纖維膜電極及其制備方法。本發明的有序化納米纖維膜電極的催化層是由靜電紡絲形成的納米纖維組成，通過有序化收集方法制備得到分層有序的納米纖維催化層。催化層的親疏水性、導電性和纖維強度可根據使用工況進行調節。一方面，該膜電極具有催化劑利用率高，耐久性高等優點，在催化劑載量低情況下具有較好的性能。另一方面，該催化層制備方法成本低、簡單易操作，可望大規模商業化。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：