[發(fā)明專利]一種電紡構(gòu)建中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111419136.2
• 申請日: 2021-11-26
• 公開（公告）號: CN114204084A
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳雪梅;賀高紅;崔福軍;陳婉婷;焉曉明;李甜甜;姜曉濱;李祥村;肖武;阮雪華;代巖
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué);大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1069;H01M4/88;D04H1/728
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21102
• 代理人: 苗青

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電紡構(gòu)建中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池的方法，采用靜電紡絲法，以中空多孔金屬支撐微管作為接收滾輪，依次電紡纖維化的陽極催化層、質(zhì)子交換聚合物纖維層，經(jīng)熱壓形成致密的質(zhì)子交換纖維膜層后，再繼續(xù)電紡纖維化的陰極催化層和憎水層，制備電紡中空纖維式質(zhì)子交換膜電極。然后分別在金屬支撐微管和憎水層上配置集流導(dǎo)體和電極引線，封裝后制備中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池。本發(fā)明采用電紡設(shè)計中空纖維燃料電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效構(gòu)建三維立體化的三相反應(yīng)界面，提高電池性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電紡構(gòu)建中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池的方法。

背景技術(shù)

高效應(yīng)用氫能，實現(xiàn)雙碳目標(biāo)是國家的重大需求。我國將在2050年之前投放近千萬輛氫能源汽車，對氫能源汽車的心臟—燃料電池提出了高比功率要求。商業(yè)化質(zhì)子交換膜燃料電池均是平板式結(jié)構(gòu)，單電池的關(guān)鍵部件是膜電極和雙極板。雖然其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵材料的成熟度極高，但平板式結(jié)構(gòu)成為商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。如板式電池結(jié)構(gòu)很難有高的比表面積、耐壓性和密封性；平板式膜電極的自支撐厚度要求使氣體、質(zhì)子、電子及產(chǎn)物水的反應(yīng)-傳質(zhì)阻力很難進(jìn)一步減小；雙極板材料重量大(約占電池總重60-80％)但在平板式電池中集電流、分布?xì)怏w、阻隔陰陽極氣體不可或缺，使燃料電池難以輕量化。因此，提高燃料電池的比功率密度(體積和重量比功率)成為國際研究前沿的熱點和難點。

國內(nèi)外開展了單管式燃料電池研究，比平板式結(jié)構(gòu)的比表面積有所增加，但膜電極結(jié)構(gòu)難以優(yōu)化，電池性能受限。如提出將平板式膜電極與隔層卷成圓筒(CN01126123.4)或單管(Int.J.Hydrogen Energy,2016,41,22305)的概念設(shè)計，但在卷制扭力下平板膜電極容易分層使界面電阻增加，不透氣隔層使其難以進(jìn)行電堆設(shè)計；現(xiàn)有的在支撐層上設(shè)計膜電極結(jié)構(gòu)的方法，如碳纖維支撐層強(qiáng)度差(CN101465438A)、彈簧管支撐層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定(CN03217133.1)、基于透析器組件的中空纖維薄膜質(zhì)子傳導(dǎo)率低(CN105659421A)、以管狀膜做支撐層難以設(shè)計膜管內(nèi)側(cè)電極的精細(xì)結(jié)構(gòu)。上述方法均采用噴涂、浸涂或澆鑄法制備催化層和質(zhì)子交換膜，使膜電極界面及傳質(zhì)電阻大，造成電池功率密度均低于100mW/cm²。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在解決上述技術(shù)問題，提出一種電紡構(gòu)建中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種電紡構(gòu)建中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池的方法，采用靜電紡絲法，以中空多孔金屬支撐微管作為接收滾輪，依次電紡纖維化的陽極催化層、質(zhì)子交換聚合物纖維層，經(jīng)熱壓形成致密的質(zhì)子交換聚合物纖維層后，再繼續(xù)電紡纖維化的陰極催化層和憎水層，制備電紡中空纖維式質(zhì)子交換膜電極。然后均在中空多孔金屬支撐微管和憎水層上配置集流導(dǎo)體和電極引線，封裝后制備電紡中空纖維式質(zhì)子交換膜燃料電池。

所述的中空纖維式是指中空多孔金屬支撐微管的外直徑不大于1mm，管壁孔徑為5-400μm；

所述的電紡纖維化的陽極催化層和陰極催化層，是指催化劑、質(zhì)子導(dǎo)體聚合物、憎水聚合物粘結(jié)劑按照重量比為10-150:1-15:0.1-1.5的范圍配制成紡絲漿料，分別電紡在中空多孔金屬支撐微管和質(zhì)子交換聚合物纖維層外表面，形成厚度為5-20μm的催化劑纖維層；

所述的質(zhì)子交換聚合物纖維層，是指將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-30％的質(zhì)子導(dǎo)體聚合物紡絲液，電紡在陽極催化層外表面，形成質(zhì)子交換聚合物纖維層，然后在1-5MPa、100-170℃下熱壓形成厚度為5-30μm的致密質(zhì)子交換聚合物纖維層；

所述的電紡纖維化的憎水層，是指碳納米管、碳粉、憎水聚合物粘結(jié)劑按照重量比為1-10:10-100:1-10的范圍配置成紡絲漿料，電紡在陰極催化層外表面，形成厚度為10-50μm的憎水層；

所述的配置集流導(dǎo)體和電極引線，是指在中空多孔金屬支撐微管和憎水層分別焊接、纏繞或印刷集流導(dǎo)體，并引出電極引線；