[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池納米纖維電極的制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910399664.2
• 申請日: 2019-05-14
• 公開（公告）號: CN111952599B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 侯明;齊滿滿;邵志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)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(zé)任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明公開了一種高穩(wěn)定性質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)納米纖維電極的制備方法，首先將催化劑漿料靜電紡絲制備納米纖維結(jié)構(gòu)催化層，然后對納米纖維催化層熱處理以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最后將納米纖維催化層通過熱壓的方式轉(zhuǎn)印至質(zhì)子交換膜的一側(cè)或兩側(cè)制備成納米纖維電極。本發(fā)明制備的電極纖維骨架具備傳導(dǎo)質(zhì)子能力，高活性的催化劑暴露在纖維骨架的外側(cè)，保證了質(zhì)子和電子的傳輸通路，較大的孔隙率有利于反應(yīng)物質(zhì)的傳遞。本發(fā)明制備的電極具有催化劑用量低，催化劑利用率高，使用壽命長，易于放大等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種通過靜電紡絲技術(shù)制備高穩(wěn)定性納米纖維電極的方法與其制備的高穩(wěn)定性納米纖維電極在燃料電池膜電極部件中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著人類對化石能源的過渡開采和使用，由此帶來的能源短缺與環(huán)境污染問題日益突出，清潔能源成為人類的終極訴求。氫能化學(xué)熱量高、燃燒產(chǎn)物只有水和熱，是世界上最干凈的能源。燃料電池是一種電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)。燃料電池的類型根據(jù)電解質(zhì)類型的不同可分為多種，其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）以其低溫快速啟動、能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)勢在固定電站、公共交通運(yùn)輸、航空航天及水下潛艇領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，質(zhì)子交換膜燃料電池要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其壽命和成本兩大瓶頸問題亟需解決。根據(jù)美國能源部的解決策略，一方面是要降低Pt基催化劑的用量，另一方面是提高膜電極（MEA）部件的活性。MEA是PEMFC的核心部件，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，其材料以及微觀結(jié)構(gòu)直接影響PEMFC的成本和壽命。傳統(tǒng)制備MEA的方式主要?dú)怏w擴(kuò)散電極（GDE型）和薄層覆膜電極（CCM型），前者是將催化劑擔(dān)載在氣體擴(kuò)散層上，后者是將催化劑擔(dān)載在質(zhì)子交換膜上，但都存在催化劑擔(dān)載量高，催化劑利用率低等問題。

靜電紡絲技術(shù)是一種可批量制備具有大比表面積納米纖維的方法；靜電紡絲過程中，聚合物或熔體在高壓靜電作用下在噴嘴尖端形成Taylor錐，當(dāng)靜電斥力克服表面張力時形成射流，最終在接收器上固化成納米纖維。范德堡大學(xué)Zhang等人首次提出將Pt/C催化劑和Nafion溶液混合并利用靜電紡絲技術(shù)制備了多孔結(jié)構(gòu)陰極催化層(Wenjing Zhang，ElectrospinningPt-C Catalysts into a Nanofiber Fuel Cell Cathode，Winter2010：51)。中國發(fā)明專利申請201410624103.5同樣提出用Pt/C催化劑和Nafion溶液混合通過靜電紡絲制備超低Pt載量陰極催化層的制備方法，在陰極催化層的Pt擔(dān)載量為0.056mg cm^-2時，氫空條件下的最大功率密度仍具有561 mW cm^-2。這說明納米纖維電極的結(jié)構(gòu)對于降低催化劑載量，提高催化劑利用率有重要作用。然而通過靜電紡絲制備催化層均需要添加高分子聚合物以增強(qiáng)催化劑漿料的可紡性，但高分子聚合物在PEMFC工況條件下易被水解，從而導(dǎo)致納米纖維電極結(jié)構(gòu)的坍塌，進(jìn)而使MEA活性降低，達(dá)不到PEMFC長時間運(yùn)行的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是針對傳統(tǒng)MEA催化劑載量高、催化劑利用率低等問題，提出通過靜電紡絲制備納米纖維電極，纖維骨架具備傳導(dǎo)質(zhì)子能力，高活性的催化劑暴露在纖維骨架的外側(cè)，保證了質(zhì)子和電子傳輸通路，較大的孔隙率有利于反應(yīng)物質(zhì)的傳遞，這對構(gòu)建穩(wěn)定的三相反應(yīng)界面提供了基礎(chǔ)。同時針對納米纖維電極結(jié)構(gòu)在PEMFC工況下結(jié)構(gòu)易坍塌的問題，提出在催化劑漿料中添加至少一種高分子聚合物并采用加熱的方法使催化層中的聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一方面提供一種高穩(wěn)定性納米纖維電極的制備方法，將催化劑、Nafion溶液和高分子聚合物超聲分散于溶劑中，攪拌得到催化劑漿料；將配制好的催化劑漿料通過靜電紡絲技術(shù)制備成多孔的具有納米纖維結(jié)構(gòu)的催化層；將催化層加熱處理以提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用熱壓的方法轉(zhuǎn)印到質(zhì)子交換膜的一側(cè)或兩側(cè)。

具體步驟如下：