[發明專利]具有高效質子傳輸網絡的膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202110872344.1
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113745612A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 朱鳳鵑;王超;韓愛娣;陳偉;王立平
• 申請（專利權）人: 上海唐鋒能源科技有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M4/88;H01M4/90;H01M4/92
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發明公開了一種具有高效質子傳輸網絡的膜電極，所述膜電極包括陽極催化層、質子交換膜和陰極催化層；在陰極催化層中具有磺化碳納米纖維，其中磺化碳納米纖維的質量與鉑碳催化劑的質量比為0.1?0.4:1，質子在所述磺化碳納米纖維進行質子傳輸。本發明對碳納米纖維進行了磺酸基修飾，使其自身具有質子傳導的功能；修飾后的納米纖維同時具有親水性，易于吸附離子樹脂，使離子樹脂沿纖維分布，增強其有序性，提高質子傳質效率。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，具體涉及具有高效質子傳輸網絡的膜電極及其制備方法。

背景技術

由陰極、陽極以及質子交換膜組成的膜電極是質子交換膜燃料電池的重要組成部分。陰極催化層由離子樹脂與催化劑構成，氫氣在陽極形成質子，通過質子膜傳輸至陰極，并在陰極的離子樹脂中傳輸至鉑表面發生反應。因此，提升質子在陰極催化層中的傳輸效率，可降低離子樹脂的用量，提升電池性能，降低生產成本。目前，質子交換膜燃料電池催化層的制備通常使用離子樹脂與催化劑機械混合的方式，離子樹脂吸附在催化劑表面形成質子傳輸網絡。首先，離子樹脂在催化劑表面無序化隨機吸附，質子傳導效率不具備可調性；其次，離子樹脂在部分活性中心堆積嚴重，影響氧氣傳輸。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的缺陷，提供一種具有高效質子傳輸網絡的膜電極及其制備方法，在催化層中引入磺化碳納米纖維，形成有序化的質子傳輸網絡，具有高效質子傳輸效率。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的第一方面提供一種具有高效質子傳輸網絡的膜電極，所述膜電極包括陽極催化層、質子交換膜和陰極催化層；在陰極催化層中具有磺化碳納米纖維，其中磺化碳納米纖維的質量與鉑碳催化劑的質量比為0.1-0.4:1，質子在所述磺化碳納米纖維進行質子傳輸。

進一步地，所述磺化碳納米纖維是通過碳納米纖維與濃硫酸、濃硝酸反應后在碳表面修飾磺酸基及其它親水基團制備而得。

本發明的第二方面提供上述具有有序質子傳輸通道的膜電極的制備方法，所述方法包括如下步驟：

S1、制備磺化碳納米纖維：將碳納米纖維與濃硫酸、濃硝酸進行反應，對碳表面修飾磺酸基制備得到具有質子傳輸能力的磺化碳納米纖維；

S2、將離子樹脂溶液與鉑碳催化劑加入到溶劑中，并添加步驟S1得到的磺化碳納米纖維，攪拌24h后，得陰極催化層漿料；

S3、將離子樹脂溶液與鉑碳催化劑加入到溶劑中，攪拌后得陽極催化層漿料；

S4、采用靜電噴涂法在質子交換膜的一面噴涂步驟S2得到的陰極催化層漿料，在另一面噴涂步驟S3得到的陽極催化層漿料，烘干，即得具有有序質子傳輸通道的膜電極膜電極。優選的，質子交換膜為Nafion質子膜。

進一步地，步驟S1中，碳納米纖維的質量分數為10-20％，濃硫酸的質量分數為40-60％，余量為濃硝酸，優選的，碳納米纖維、濃硫酸、濃硝酸的質量比為1:3:3。

進一步地，步驟S1中，反應溫度為70-90℃，反應時間為24-48h。

進一步地，步驟S2中，磺化碳納米纖維與鉑碳催化劑的質量比為0.1-0.4:1；所得陰極催化層漿料中，步驟S2中，離子樹脂與鉑碳催化劑的質量比為0.2-0.3:1。具體的，一定比例的全氟磺酸樹脂分散液(20％by wt.)與鉑碳催化劑加入到溶劑中，加入后溶劑內的離子樹脂與鉑碳催化劑質量比為0.2-0.3:1之間。并且，由于加入過少的磺化碳纖維增益效果不明顯，而加入過多則會使催化層加厚，體相傳質阻力增加，因此添加的磺化碳纖維的質量與所述負電荷修飾的鉑碳催化劑的質量比需在0.1-0.4之間。

進一步地，步驟S2中，所述離子樹脂溶液為質量百分數為20％的全氟磺酸樹脂分散液。