[发明专利]纳米纤维电极及其制备方法

说明书

联邦政府资助的研究的声明

本发明在美国能源部授予的计划编号DE-FG36-06GO16030下，以美国政府的赞助进行。美国政府在本发明中拥有一定的权利。

相关专利申请案的交叉引用

本PCT申请案依据美国专利法第35号法典第119(e)条主张于2010年10月27日提出之申请，序号为61/407,332，标题为「纳米纤维燃料电池电极及其制备方法」，并且由宾陶罗彼得N.及张文静所完成的美国临时专利申请案之利益，其揭露内容在此完整地并入本案以为参考资料。

本发明的叙述中，引用及讨论了一些参考文献，可包含专利案、专利申请案及各种出版物。所引用及/或所讨论的这些参考文献仅是用来说明本发明的描述，而非承认这些参考文献是本发明的“现有技术”。所有在说明书中所引用及讨论的参考文献在此完整地并入本案以为参考资料，并且在相同程度下，如同每一参考文献单独并入作为参考资料。

技术领域

本发明一般是关于一种例如燃料电池的电化学装置。特别地，本发明是关于一种以电纺制程所制备的纳米纤维电极型态。

背景技术

在过去二十年来，有相当多关于使用在质子交换薄膜(proton exchange membrane，PEM)燃料电池的新催化剂的研究。研究的动机通常是为了提升催化剂的活性，特别是关于氢气/空气燃料电池（hydrogen/air fuel cell）中的阴极。大部分燃料电池中的电极是以印花（decal）或是将催化剂油印在碳纸（catalyst-ink on a carbon paper）气体扩散层（gas diffusion layer，GDL）的方法来制备。铂催化剂在这些结构中的运作效率并不如预期的高。关于改善电极的结构以及制备具有改善的催化剂利用率的燃料电池薄膜-电极-组成（fuel cell membrane-electrode-assemblies）的研究则较少。

因此，在此技术领域中即存在需求来解决前述的缺陷及不足之处。

发明内容

在一方面，本发明是关于一种用于电化学装置的电极的制备方法。在一个实施例中，此种方法包含以下步骤：混合第一数量的催化剂与第二数量的离子化合物以形成溶液，并且使得溶液进入具有针头尖端的金属针头。此种方法还包含施加电压于针头尖端以及收集基板之间，而收集基板与针头尖端相隔一距离，并且将溶液以一流动速率推出针头尖端以产生电纺纳米纤维且使所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上以形成具有多孔网状的纳米纤维的栅网，其中每一电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于电纺纤维。此种方法还包含将栅网压在一聚合物薄膜（polymer membrane）上的步骤。

在一个实施例中，催化剂包含碳材担载铂（Pt/C），离子聚合物包含如纳菲薄膜的全氟磺酸聚合物（perfluorsulfonic acid polymer），并且在形成溶液的步骤中还包含将第三数量的第二聚合物与第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物混合。第二聚合物包含聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA），并且催化剂、离子聚合物以及第二聚合物的重量比例约为15：3：2。收集基板包含设置于旋转干燥桶上的碳纸或碳布气体扩散层，其中收集基板与针头尖端相隔约10厘米的距离。约为7.0千伏的电压被施加在针头尖端以及收集基板之间，并且溶液以约为1毫升/小时的流动速率被推出针头尖端。

在一个实施例中，所形成的纳米纤维的平均粒径约为470纳米。纳米纤维电极制备完成时铂的负载量介于约0.025至约0.4毫克/平方厘米的范围，并且具有的电化学表面积约为114平方米/每克铂。

另一方面，本发明是关于以包含下述步骤的方法所制成的一种纳米纤维电极：混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以形成溶液；使得溶液进入具有针头尖端的金属针头；施加电压于针头尖端以及收集基板之间，收集基板与针头尖端相隔一距离；将溶液以一流动速率推出针头尖端以产生电纺纳米纤维以及使所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上以形成具有多孔网状的纳米纤维的栅网，其中每一电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于电纺纤维；将栅网压在一薄膜上。