[发明专利]燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将(H₂、甲醇等)燃料和氧化剂的化学能直接转换为电能的转换装置，其能量转换效率高、对环境污染小、可靠性和维护性好等诸多优点，被誉为继水力、火力和核能之后的第四代发电装置，是最符合可持续发展的新型能源。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel Cell，PEMFC)是其中适用范围最广，最具应用前景的一种。膜电极又是质子交换膜燃料电池的核心部件，由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，在PEMFC中起催化两极反应和传导质子和电子等作用，对PEMFC的性能非常关键。

目前，商业化的质子交换膜主要为美国Dupont公司生产的Nafion系列全氟型磺酸膜，膜厚一般为25～180μm。催化层，包括阴极催化层和阳极催化层，由全氟型磺酸质子导体和电催化剂(如商业化Pt／C催化剂)构成，是电池反应的主要场所。阴极催化层作用是对O₂进行还原，通常催化剂的用量较大。阳极催化层作用是对H₂进行氧化，由于室温下Pt对氢有氧化具有较高的交换电流密度，因此催化剂用量较少。气体扩散层通常为经聚四氟乙烯(PTFE)疏水处理的多孔碳纸或碳布，主要起到加快气、液传输、电子集电体及对催化层与质子交换膜起到支撑作用。由于贵金属催化剂是稀缺资源，价格昂贵，所以膜电极很大一部分研究集中于降低贵金属催化剂用量。为此，人们提出了薄层催化层膜电极和有序化膜电极以降低Pt等贵金属的用量。中国专利ZL99112826.5采用水和乙二醇配置碳担载铂和Nafion形成质子导体聚合物墨汁，采用喷涂方法制备了均匀的薄层催化剂；美国专利US5211984也采用了薄层亲水的催化层膜电极。在此基础上，又提出了超薄催化层电极。例如，武汉理工大学木士春等采用转移法(Decal method)制备了超薄的膜／催化层组件(CCM，catalyst coated membrane)(ZL200410012744.1)；美国3M公司采用纳米碳须为载体，在其表面采用磁控溅射制备了一层超薄铂及其铂合金催化剂，担载量0.02～0.2mg／cm²(S.Chalk，J.Milliken，et al.Fuel cells for transportation program contractor’s annual progress report，November1998：38)。同时，武汉理工大学木士春等(CN102738478A：CN102738477A：CN102760899A：CN102723509A：CN102723500A)采用模板法合成了有序化膜电极，有效降低了催化层厚度，减少了贵金属Pt的用量。但要实现膜电极的规模化制备，上述方法有一定难度。新近，木士春等人(中国发明专利，申请号201310041096.1)又进一步报导了一种具有纳米三明治结构的燃料电池非贵金属有序化膜电极，但非Pt催化剂的催化活性还需要进一步提高。

静电纺丝技术是将聚合物或无机物前躯体溶液注入注射器中，使注射器针头与高压电源的一个电极相连形成高压电场。在高压电场的作用下，由于电荷密度增加，静电斥力增加导致弯曲不稳定射流或鞭动不稳定射流从而得到超细纤维。最后，静电纺丝形成的带电超细纤维随机沉积在接收器上，得到薄膜状、薄纸状或毡状的无纺布。在中国专利CN201210037019.4中介绍了静电纺丝技术制备锂离子电池隔膜的聚偏氟乙烯纳米纤维的制备方法；在中国专利CN200710122897.5采用静电纺丝技术制备了一种纳米纤维离子交换膜，具有孔隙率高、在水中不变形、耐高温等优良性能。范德堡大学将Pt／C催化剂和Nafion混合并利用静电纺丝技术制备了多孔结构阴极催化层(Wenjing Zhang，Electrospinning Pt-C Catalysts into a Nanofiber Fuel Cell Cathode，Winter2010：51)。Michael W.Cason(2010)也利用静电纺丝技术将Nafion溶液电纺，制备出具有多孔纳米纤维结构的质子交换膜。