[发明专利]碳纳米纤维、扩散层、膜电极、燃料电池及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纳米纤维、扩散层、膜电极、燃料电池及其制备方法和应用。该碳纳米纤维的制备方法包括以下步骤：S1、将纺丝溶液进行静电纺丝后干燥；其中，所述纺丝溶液包括聚合物和溶剂，所述聚合物在所述纺丝溶液中的质量分数为6～10％，所述聚合物包括含氮聚合物，所述含氮聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酰亚胺和聚苯胺中的一种或多种；所述干燥的温度为60～80℃；S2、高温碳化，所述碳化的温度为750～950℃。由该碳纳米纤维制备的扩散层的孔体积大，物质扩散自由程小，物质传输能力强。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米纤维、扩散层、膜电极、燃料电池及其制备方法和应用。

背景技术

水管理在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中扮演着重要角色，因为在PEMFC阴极面，H⁺和O₂发生反应生成水，通过催化层向扩散层中扩散。如果阴极生成的水不能及时的排出，过量的水会堆积在扩散层中，严重者会导致催化层水淹，覆盖活性位点，增加活化极化；同时大量水的存在阻碍气体有效扩散，增加浓差极化；也会导致反应气体在各反应单元分布不均，反应界面上的气体不足，降低电池整体性能。

传统地，在碳纸上涂覆一层由导电碳黑和疏水性聚四氟乙烯(PTFE)组成的微孔层，它的多孔性和微孔的毛细作用能够为电池反应提供稳定的气体通道和水通道，减轻水淹问题，从而改善水、气的传输，提高燃料电池性能。但是，由导电碳黑和疏水性聚四氟乙烯(PTFE)组成的微孔层，孔体积小，物质扩散自由程大，物质传输能力弱。

发明内容

本发明为了解决现有技术中质子交换膜燃料电池的扩散层存在的孔体积小、物质扩散自由程大、物质传输能力弱的缺陷，从而提供了一种碳纳米纤维、扩散层、膜电极、燃料电池及其制备方法和应用。本发明的扩散层的孔体积大，物质扩散自由程小，物质传输能力强。

本发明旨在构建催化层中三相反应界面局域高效质子传输通道以及水分子传导通道，从而提高大电流密度下质子、O₂反应物充分，并抑制催化层水淹现象，解决活性位点失活问题，从而实现燃料电池膜电极性能提升。为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种碳纳米纤维的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将纺丝溶液进行静电纺丝后干燥；其中，

所述纺丝溶液包括聚合物和溶剂，所述聚合物在所述纺丝溶液中的质量分数为6～10％，

所述聚合物包括含氮聚合物，所述含氮聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酰亚胺(PEI)和聚苯胺(PANI)中的一种或多种；

所述干燥的温度为60～80℃；

S2、高温碳化，所述碳化的温度为750～950℃。

本发明中，步骤S1中，所述含氮聚合物较佳地为聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混物，或聚丙烯腈(PAN)和聚乙酰亚胺(PEI)共混物，或聚丙烯腈(PAN)和聚苯胺(PANI)共混物，或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙酰亚胺(PEI)共混物，或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚苯胺(PANI)共混物，或聚乙酰亚胺(PEI)和聚苯胺(PANI)共混物。

本发明中，步骤S1中，所述含氮聚合物较佳地为聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙酰亚胺(PEI)共混物，或聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚苯胺(PANI)共混物，或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酰亚胺(PEI)和聚苯胺(PANI)共混物，或聚丙烯腈(PAN)、聚乙酰亚胺(PEI)和聚苯胺(PANI)共混物。

本发明中，步骤S1中，所述含氮聚合物较佳地为聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙酰亚胺(PEI)和聚苯胺(PANI)共混物。