[發明專利]一種質子交換膜燃料電池納米纖維電極的制備方法與應用

有效

• 申請號: 201910399664.2
• 申請日: 2019-05-14
• 公開（公告）號: CN111952599B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 侯明;齊滿滿;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

1.一種質子交換膜燃料電池納米纖維電極的制備方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

（1）將催化劑、全氟磺酸樹脂溶液超聲分散于溶劑中，然后加入兩種高分子聚合物，攪拌12-48 h得到催化劑漿料；

（2）采用靜電紡絲技術，對所述催化劑漿料進行紡絲，得到催化劑層前體；

（3）將所述催化劑層前體于80℃-200℃，加熱處理30 min～300 min，得到催化劑層；

（4）將所述催化劑層采用熱壓法轉印到質子交換膜的單側或雙側，得到所述質子交換膜燃料電池納米纖維電極；所述熱壓溫度為130℃～145℃，熱壓壓力為0.1 MPa～2 MPa，熱壓時間為100 s～300 s；

其中，步驟（3）的加熱處理過程中，兩種高分子聚合物之間發生反應，所述反應包括酯化反應、縮醛反應、中和反應、玻璃化中的一種。

2.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：步驟（3）的加熱處理過程中，兩種高分子聚合物之間發生的反應包括含有羥基的高分子聚合物與含有羧酸基的高分子聚合物發生的酯化反應、含有羥基的高分子聚合物與含有醛基的高分子聚合物發生的縮醛反應、含有羥基的高分子聚合物與含有醚鍵的高分子聚合物形成絡合物中的一種。

3.根據權利要求2所述的電極的制備方法，其特征在于：所述含有羥基的高分子聚合物為聚乙烯醇（PVA）或環糊精；所述含有羧酸基的高分子聚合物為聚丙烯酸（PAA）；所述含有醛基的高分子聚合物為戊二醛；所述含有醚鍵的高分子聚合物為環氧乙烷。

4.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：步驟（3）所述加熱處理的氣氛為空氣、氮氣、氬氣中的一種。

5.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：步驟（1）所述催化劑為Pt/C、PtPd/C、PtFe/C、PtCo/C、PtNi/C、PtCu/C中的一種或兩種；所述催化劑中，Pt質量分數為10wt.%～70 wt.%；所述全氟磺酸樹脂溶液的質量分數為5 wt.%～15 wt.%；所述催化劑、全氟磺酸樹脂溶液中的全氟磺酸樹脂、高分子聚合物質量比為50:25:25～68:23:9；所述催化劑漿料的粘度為50 cp-200 cp。

6.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：步驟（1）所述的超聲分散的時間為1-4h；步驟（1）中所述催化劑與溶劑的質量比為1:2-5，所述溶劑為水和異丙醇的混合液；所述混合液中，水和異丙醇的質量比為1:3-10。

7.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：步驟（2）所述靜電紡絲的環境參數為：溫度10℃-30℃，相對濕度10%-50%RH；控制參數為：催化劑漿料進料速率為0.3 mL/h-1.2 mL/h，電壓為8 kV-20 kV，轉鼓接收器的轉速為100 rpm/min-300 rpm/min，針頭直徑為10G-25G，針頭與接收器的距離為8 cm-15 cm。

8.根據權利要求1所述的電極的制備方法，其特征在于：所述催化劑層厚度為1μm-5μm。

9.一種權利要求1-8任意一項所述的電極的制備方法制備得到的質子交換膜燃料電池納米纖維電極，其特征在于：所述納米纖維電極的催化劑層為納米纖維結構；所述納米纖維的直徑為200 nm-800 nm，納米纖維電極的催化劑層孔隙率為25 %-75 %。

10.根據權利要求9所述的納米纖維電極，其特征在于，所述催化劑層為：催化劑均勻包覆在納米纖維骨架的外側形成。

11.一種權利要求9所述的質子交換膜燃料電池納米纖維電極在質子交換膜燃料電池膜電極中的應用。