[发明专利]一种质子交换膜燃料电池纳米纤维电极的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高稳定性质子交换膜燃料电池(PEMFC)纳米纤维电极的制备方法，首先将催化剂浆料静电纺丝制备纳米纤维结构催化层，然后对纳米纤维催化层热处理以提高其结构稳定性，最后将纳米纤维催化层通过热压的方式转印至质子交换膜的一侧或两侧制备成纳米纤维电极。本发明制备的电极纤维骨架具备传导质子能力，高活性的催化剂暴露在纤维骨架的外侧，保证了质子和电子的传输通路，较大的孔隙率有利于反应物质的传递。本发明制备的电极具有催化剂用量低，催化剂利用率高，使用寿命长，易于放大等特点。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种通过静电纺丝技术制备高稳定性纳米纤维电极的方法与其制备的高稳定性纳米纤维电极在燃料电池膜电极部件中的应用。

背景技术

随着人类对化石能源的过渡开采和使用，由此带来的能源短缺与环境污染问题日益突出，清洁能源成为人类的终极诉求。氢能化学热量高、燃烧产物只有水和热，是世界上最干净的能源。燃料电池是一种电化学转换装置，具有能量转换效率高、环境友好等特点。燃料电池的类型根据电解质类型的不同可分为多种，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其低温快速启动、能量密度高、环境友好等优势在固定电站、公共交通运输、航空航天及水下潜艇领域具有广泛的应用前景。然而，质子交换膜燃料电池要实现商业化，其寿命和成本两大瓶颈问题亟需解决。根据美国能源部的解决策略，一方面是要降低Pt基催化剂的用量，另一方面是提高膜电极（MEA）部件的活性。MEA是PEMFC的核心部件，是电化学反应发生的场所，其材料以及微观结构直接影响PEMFC的成本和寿命。传统制备MEA的方式主要气体扩散电极（GDE型）和薄层覆膜电极（CCM型），前者是将催化剂担载在气体扩散层上，后者是将催化剂担载在质子交换膜上，但都存在催化剂担载量高，催化剂利用率低等问题。

静电纺丝技术是一种可批量制备具有大比表面积纳米纤维的方法；静电纺丝过程中，聚合物或熔体在高压静电作用下在喷嘴尖端形成Taylor锥，当静电斥力克服表面张力时形成射流，最终在接收器上固化成纳米纤维。范德堡大学Zhang等人首次提出将Pt/C催化剂和Nafion溶液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，ElectrospinningPt-C Catalysts into a Nanofiber Fuel Cell Cathode，Winter2010：51)。中国发明专利申请201410624103.5同样提出用Pt/C催化剂和Nafion溶液混合通过静电纺丝制备超低Pt载量阴极催化层的制备方法，在阴极催化层的Pt担载量为0.056mg cm^-2时，氢空条件下的最大功率密度仍具有561 mW cm^-2。这说明纳米纤维电极的结构对于降低催化剂载量，提高催化剂利用率有重要作用。然而通过静电纺丝制备催化层均需要添加高分子聚合物以增强催化剂浆料的可纺性，但高分子聚合物在PEMFC工况条件下易被水解，从而导致纳米纤维电极结构的坍塌，进而使MEA活性降低，达不到PEMFC长时间运行的要求。

发明内容

本发明目的是针对传统MEA催化剂载量高、催化剂利用率低等问题，提出通过静电纺丝制备纳米纤维电极，纤维骨架具备传导质子能力，高活性的催化剂暴露在纤维骨架的外侧，保证了质子和电子传输通路，较大的孔隙率有利于反应物质的传递，这对构建稳定的三相反应界面提供了基础。同时针对纳米纤维电极结构在PEMFC工况下结构易坍塌的问题，提出在催化剂浆料中添加至少一种高分子聚合物并采用加热的方法使催化层中的聚合物发生化学反应增强其结构的稳定性。为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种高稳定性纳米纤维电极的制备方法，将催化剂、Nafion溶液和高分子聚合物超声分散于溶剂中，搅拌得到催化剂浆料；将配制好的催化剂浆料通过静电纺丝技术制备成多孔的具有纳米纤维结构的催化层；将催化层加热处理以提高其结构稳定性，采用热压的方法转印到质子交换膜的一侧或两侧。

具体步骤如下：