作电压为20kv，电纺时间为7min，得到多 孔聚合物纳米纤维电纺膜。将粘附有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸放在真空干燥 箱中，80°C下保温6h，使溶剂挥发，得到沉积有纳米碳掺杂多孔纤维膜的气体扩散层材料。 其中纳米纤维直径约为150nm，膜厚度约为5 μ m，多孔聚合物纳米纤维薄膜的孔隙率约为 90%〇
[0125] 将商业的铂碳催化剂（铂的质量含量为60% )，5% Nafion溶液及丙三醇按质 量比4:1:30混合制成料浆，并采用获得的催化剂料浆喷涂在多孔纤维膜一侧，铂载量为 0. 15mg/cm2〇
[0126] 用同样的方法在另外一个多孔纳米纤维膜喷涂上述催化剂浆料，铂载量为0. 2mg/ cm2〇
[0127] 将美国DuPont公司的Mafion?2:l.l质子交换膜放在两个喷有催化剂的多孔聚合 物纤维膜单电极中间，并使喷涂有催化剂的多孔聚合物纤维薄膜一侧贴住质子交换膜，经 过热压获得燃料电池膜电极，热压压力为2MPa，温度120°C，时间为90s。阳极铂载量为 0· 15mg/cm2,阴极钼载量为 0· 2mg/cm2。
[0128] 将制备的膜电极组装成单电池。
[0129] 单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1 MPa，阴极、阳极100%增湿，单电池 工作温度90°C。测试结果如下：
[0131] 比较实施例1
[0132] 燃料电池商用膜电极制备方法：取带有微孔层的疏水碳纸（由聚四氟乙烯和导电 纳米炭黑混合而成的微孔层，聚四氟乙稀含量为10~30wt%，经330°C下煅烧20~30min 后成型），将商业碳载铂催化剂（铂的质量含量为60% )，5% Nafion溶液及异丙醇按质 量比3:1:20混合制成料浆，并采用获得的催化剂料浆喷涂在带有微孔层的一侧，铂载量为 0. 4mg/cm2。用同样的方法在另外一个带有微孔层的疏水碳纸上喷涂上述催化剂浆料，铂载 量为 0· 2mg/cm2。
[0133] 将美国DuPont公司的1质子交换膜放在两个喷有催化剂的微孔层单电 极中间，并使喷涂有催化剂的一侧贴住质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压压 力为2MPa，温度110°C，时间为80s。阳极铂载量为0· 2mg/cm2,阴极铂载量为0· 4mg/cm2。
[0134] 将制备的膜电极组装成单电池。
[0135] 单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1 MPa，阴极、阳极100%增湿，单电池 工作温度70°C。测试结果如下：
[0137] 比较实施例2
[0138] 称取0. 5g聚丙烯腈（PAN)粉末，10g N，N-二甲基甲酰胺（DMF)，混合于烧杯中，用 磁力搅拌器在60°C下搅拌直到其完全溶解，且少量多次地加入0. 5g聚偏氟乙烯（PVDF)粉 末，最后得到混合均匀共纺聚合物溶液。将其电纺在疏水碳纸一侧，其他具体步骤如实施例 1。打开高压电源调节工作电压为l〇kv，电纺时间为3min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺 膜。将粘附有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸放在真空干燥箱中，60°C下保温6h，使 溶剂挥发，得到沉积有多孔纤维膜的气体扩散层材料。其中纳米纤维直径约为250nm，如图 4所示，膜厚度约为3~5 μπι，多孔聚合物纳米纤维薄膜的孔隙率约为90%。
[0139] 将商业的铂碳催化剂（铂的质量含量为60% )，5% Nafion溶液及异丙醇按质 量比3:1:30混合制成料浆，并采用获得的催化剂料浆喷涂在多孔纤维膜一侧，铂载量为 0· lmg/cm2〇
[0140] 用同样的方法在另外一个多孔纳米纤维膜喷涂上述催化剂浆料，铂载量为0. 2mg/ cm2〇
[0141] 将美国DuPont公司的MafioniSll质子交换膜放在两个喷有催化剂的多孔聚合物 纤维膜单电极中间，并使喷涂有催化剂的多孔聚合物纤维薄膜一侧贴住质子交换膜，经过 热压获得燃料电池膜电极，热压压力为2MPa，温度110°C，时间为80s。阳极铂载量为0. lmg/ cm2,阴极钼载量为0· 2mg/cm2。
[0142] 将制备的膜电极组装成单电池。
[0143] 单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1 MPa，阴极、阳极100%增湿，单电池 工作温度70°C。测试结果如下：
【主权项】
1. 一种采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，包括气体扩散层和金属纳米粒子催化层， 其特征在于：气体扩散层材料一侧沉积有半有序多孔纳米纤维薄膜，半有序多孔纳米纤维 薄膜的纳米纤维表面均匀沉积一层具有催化活性的金属纳米粒子催化层，形成采用纳米碳 掺杂的多孔纤维单电极，其中：所述的半有序多孔纳米纤维薄膜由表面附着纳米碳材料的 共纺高分子聚合物纳米带电超细纤维组成，成分为掺入纳米碳材料的共纺高分子聚合物。2. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述半有 序多孔纳米纤维薄膜中纳米碳材料和共纺高分子聚合物纳米带电超细纤维的质量比为1 : 2-9 〇3. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述半有 序多孔纳米纤维薄膜是将均匀分散有纳米碳材料的共纺高分子聚合物溶液体系通过静电 纺丝的方法在高压电场下形成表面附着纳米碳材料的共纺高分子聚合物纳米带电超细纤 维，并沉积在气体扩散层上而成。4. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述的气 体扩散层材料为经聚四氟乙烯疏水处理的碳纸。5. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述的纳 米碳材料为高比表面积的碳黑材料，碳纳米管，石墨稀，氧化石墨稀，还原氧化石墨稀。6. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述的共 纺高分子聚合物为：聚偏氟乙烯/聚丙烯腈、聚偏氟乙烯/聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈/聚 苯乙稀、聚丙稀腈/聚醋酸乙稀酯、聚丙稀腈/聚苯胺、Nafion/聚苯乙稀、Nafion/聚丙稀 臆。7. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述的共 纺高分子聚合物带电超细纤维直径为小于或等于500nm。8. 根据权利要求1所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其特征在于：所述的半 有序多孔纳米纤维薄膜的厚度小于或等于20μm。9. 权利要求1所述的纳米碳掺杂的多孔纳米纤维单电极的制备方法，其特征在于：包 括以下步骤： (一） 将纳米碳材料加入含有有利于纳米碳材料溶解的高分子聚合物的溶液中，然后 根据需要加入另外的高分子聚合物粉体，搅拌分散，得到均匀分散有纳米碳材料的共纺高 分子聚合物溶液； (二） 在静电纺丝装置的接收滚筒上固定好气体扩散层材料，滚筒与高压电源负极相 连，将步骤（一）中所配的均匀分散有纳米碳材料的共纺高分子聚合物溶液装入注射器中， 固定在微量注射栗上，注射器针头与高压电源的正极相连，设置好注射栗的推进速度，启动 注射栗，当针头有液滴出来时，打开高压电源，将电压调节到工作电压电纺得到纳米碳掺杂 多孔聚合物纳米纤维膜； (三） 将沉积有纳米碳掺杂多孔纤维膜的气体扩散层放入真空干燥箱中，60~80°C下 保温4~8h，使溶剂挥发，得到沉积有纳米碳掺杂多孔纤维膜的气体扩散层材料； (四） 将具有催化活性的金属纳米粒子制成浆料喷涂在沉积有多孔聚合物纤维薄膜的 气体扩散层材料一侧，得到多孔单电极。10. 根据权利要求9所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极的制备方法，其特征在 于：静电纺丝中工作电压为5~20kV，电纺时间为3~lOmin。11. 根据权利要求9所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极的制备方法，其特征在 于：所述浆料的组成成分按质量比为金属催化剂：全氟磺酸树脂：溶剂=2~4:1:5~30， 其中溶剂为异丙醇、乙二醇或乙醇。12. 根据权利要求9所述的采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极的制备方法，其特征在 于：所述的纳米碳材料为氧化石墨烯时，在步骤（三）完成后将沉积有纳米碳掺杂多孔纤维 膜的气体扩散层材料于还原气氛中进行还原将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。13. -种权利要求1所述的纳米碳掺杂的多孔纤维单电极组成的膜电极，其特征在于： 包括质子交换膜和贴合在质子交换膜两侧的纳米碳掺杂的多孔纤维单电极组成，纳米碳掺 杂多孔纳米纤维单电极中沉积有具有催化活性的金属纳米粒子的一侧与质子交换膜贴合。14. 权利要求13所述的纳米碳掺杂的多孔纳米纤维膜电极的制备方法，其特征在于： 包括以下步骤：将质子交换膜放在两个上述纳米碳掺杂的多孔纤维单电极中间，并使纳米 碳掺杂多孔纳米纤维单电极中沉积有具有催化活性的金属纳米粒子的一侧与质子交换膜 贴合，然后经过热压获得膜电极，热压的压力为1~4MPa，温度为90~160°C，时间为20~ 120s〇
【专利摘要】本发明涉及纳米碳掺杂多孔纤维单电极、膜电极及制备方法。纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，在气体扩散层材料一侧沉积半有序多孔纳米纤维薄膜，然后在半有序多孔纳米纤维薄膜的纳米纤维表面均匀沉积一层具有催化活性的金属纳米粒子，形成采用纳米碳掺杂的多孔纤维单电极，其中：所述的半有序多孔纳米纤维薄膜由表面附着纳米碳材料的共纺高分子聚合物纳米带电超细纤维组成，成分为掺入纳米碳材料的共纺高分子聚合物。本发明首次将纳米碳材料和高分子聚合物溶液通过静电纺丝共纺形成半有序化多孔纳米纤维层，再将催化剂喷涂到这层多孔纳米纤维层上，将微孔层和催化层合二为一，大幅提升了其制备的单电池性能和寿命。
【IPC分类】B82Y30/00, H01M4/86, H01M4/88, H01M4/90
【公开号】CN105261767
【申请号】CN201510566788
【发明人】木士春, 魏孟, 张建, 蒋敏
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月7日