[发明专利]一种中空纳米槽型膜电极的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种中空纳米槽型膜电极的制备方法及其应用，具体包括纳米纤维的制备，在纳米纤维表面担载催化剂及膜电极的组装。首先通过静电纺丝制备纳米纤维模板剂，通过物理气相沉积或化学还原法在模板剂表面担载催化剂活性组分，再通过溶剂浸渍或煅烧的方式去除模板剂得到中空纳米槽结构，最后将中空纳米槽结构热压至离子交换膜制得膜电极。所制备的膜电极可用于质子交换膜燃料电池，固体聚合物电解质水电解和一体式可再生燃料电池。本发明所制备的膜电极具有催化剂无载体，催化剂利用率高，催化剂层薄，催化剂层稳定，制备工艺简单，可大面积制备等优点。

技术领域

本发明属于燃料电池、固体聚合物电解质水电解技术领域，具体涉及一种中空纳米槽型膜电极的制备方法及其应用。

背景技术

氢能是理想的二次能源，其燃烧产物是水，水又可以通过电解或光解的方式制得氢，所形成的氢循环体系清洁环保。固体聚合物电解质(PEM)水电解技术因其高效，环境友好，产品纯度高等优势成为制氢领域的研究热点。

燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置，可有效地将存储于化学物质中的化学能转化为电能，在公共交通，航空航天等领域取得了长足进展。其中，以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池以其功率密度高、低温启动速度快、环境友好等优点受到广泛关注。

可再生燃料电池可在同一部件上实现燃料电池和水电解的双重功效，具有储容量大，比能量高，环境污染小等特点，其在军事电源，空间领域应用潜力巨大。

膜电极组件(MEA)是电化学反应的场所，同时是PEM水电解和燃料电池的核心部件之一。它由位于离子交换膜两侧的催化层和气体扩散层以五合一的形式组成。目前，膜电极主要分为气体扩散电极(GDE)、薄层覆膜电极(CCM)和尚处在研究阶段的有序化电极(ordered MEAs)。GDE通常采用喷涂、丝网印刷等工艺，将催化剂、憎水剂(一般为PTFE乳液)和有机溶剂超声分散形成的催化剂浆料涂敷到气体扩散层上，高温处理后再在催化剂层喷涂Nafion溶液。CCM通常采用喷涂、转印工艺，其催化剂浆料由催化剂、离子导体树脂和有机溶剂超声分散制得。CCM工艺可将催化剂浆料直接喷涂在膜上，或先喷涂在其他载体上(铝箔等)再转印至膜上形成膜电极。GDE和CCM工艺成熟，可实现批量化制备，但存在催化层厚度大，催化剂用量高、利用率低，稳定性差等问题。为解决燃料电池催化剂用量高、催化剂利用率低的问题，3M公司研发的有序薄层电极(NSTF electrode)，具有微观有序、催化剂担载量低等特点，可有效降低传质阻力并提高催化剂的利用率。

中国专利CN 109904469A介绍了一种优化阴极催化层结构的膜电极的制备方法，具体为通过在催化剂层浆料中添加PS微球作为造孔剂，后续去除造孔剂以丰富催化剂层孔结构。该发明的制备的膜电极催化剂层，具有孔结构和孔隙率大的特点，但由于造孔剂的加入会增加催化剂层的厚度，一定程度上会增加传质阻力，不利于电池性能的进一步提升。制备高活性高稳定性的催化剂层，是提高燃料电池或PEM水电解的性能与寿命的关键。

发明内容

针对传统膜电极(GDE和CCM)的催化层厚度大，催化剂用量高、利用率低，稳定性差等问题，本发明的目的是提供一种可用于燃料电池或PEM水电解的中空纳米槽型膜电极的制备方法，中空纳米槽三维相互连接的结构有利于增大三相反应界面区域，提高催化剂利用率，增强催化剂层的稳定性，提高燃料电池或PEM水电解的使用寿命。

本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面提供一种膜电极，包括膜和催化剂层，组成所述催化剂层的形貌为中空纳米槽型；催化剂层中无离子聚合物；所述催化剂为Pt或Ir，或所述催化剂为Pt与Pd、Co、Ir、Fe、Ni、Cu、Mn、Au、Ag、Ru中的一种的构成多元合金，所述膜电极中，催化剂无载体，催化剂的载量为0.01-50mg cm^-2。