[发明专利]一种膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法。

背景技术

燃料电池高效环保，可直接将燃料的化学能转化为电能，且转化过程不存在热机做功，没有卡诺循环的限制，因此能量转化效率高(40％～60％)。其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种零排放、高效率与高功率密度的发电装置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前景。膜电极(membrane electrode assembly，MEA)是多相物质传输和电化学反应场所，决定着PEMFC的性能、寿命及成本。MEA是由膜/催化剂三合一组件CCM(catalyst coated membrane)以及热压到其上的碳纸组成的五合一组件。

目前，商业化的质子交换膜主要是美国Dupont公司生产的Nafion系列的全氟磺酸膜和增强膜，目前最新系列为Nafion212。商用的催化剂主要是由Pt分散在高表面积碳(如Vulcan XC72R)上的Pt/C催化剂，但是其他种类的催化剂，通常是贵金属和它们的合金也会在不同的情况下使用。

美国3M公司采用3M-S质子交换膜、纳米结构薄膜(NSTF)电极与2979气体扩散层制备的新一代膜电极是目前性能最好的膜电极。

目前，商业化的制备膜电极方式是将催化剂直接制备在质子交换膜表面上。制备方法包括喷涂、转印、化学沉积法、电化学沉积法、物理溅射沉积法、干粉喷射法、打印法等。而这些方法制备的膜电极CCM最主要的问题在于铂催化剂载量高，成本降不下来，催化剂利用效率低，催化剂层没有有序化，导致传质阻力大，缺乏有效的三相反应界面(王诚,赵波,张剑波.质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术[J].科技导报,2016,34(6):62-68)。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。静电纺丝的工艺和设备比较简单，主要包括高压电源、液体供给装置(包括注射器、注射泵等)和纤维收集装置，将电纺溶液注入到前端带有针头的注射器中，聚合物溶液或熔体的液滴在高压作用下带电，从而使液滴相互之间产生了一个排斥力。当处于合适电压时，液滴间的排斥力最终克服了其自身的表面张力，在针头尖端聚集成液滴，以纤维状喷射在带电的接收板上。待溶剂挥发后，即得到固体纳米纤维。

静电喷涂是利用高压静电电场使带负电的涂料微粒沿着电场相反的方向定向运动，并将涂料微粒吸附在工件表面的一种喷涂方法。静电喷涂设备由喷枪、喷杯以及静电喷涂高压电源等组成。因此，需要一种新的膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法采用如下技术方案：

一种膜电极CCM的静电纺丝和静电喷涂制备方法，包括以下步骤：

1)、称取Nafion溶液、聚丙烯酸、异丙醇和去离子水，并混合搅拌得到混合均匀的电纺溶液，其中，Nafion和聚丙烯酸的质量比为4:1～20:1，电纺溶液的浓度为2wt％～5wt％；

2)、通过静电纺丝利用步骤1)得到的电纺溶液制备得到聚合物纳米纤维膜；

3)、将步骤3)得到的聚合物纳米纤维膜热压在质子交换膜的两面，得到复合膜；

4)、称取Pt/C催化剂、Nafion溶液、异丙醇和去离子水，其中，Pt/C催化剂和Nafion的质量比为4:1～8:1，得到浓度为3wt％～8wt％混合溶液；

5)、选取静电喷涂的接收器并接地，将步骤3)得到的复合膜放置在所述接收器上，利用静电喷涂方法将步骤4)得到的混合溶液喷涂在所述复合膜的两面，得到膜电极CCM。

更进一步的，步骤2)中通过电纺利用步骤1)得到的电纺溶液制备得到聚合物纳米纤维膜包括以下步骤：

一、在静电纺丝的收集滚筒上，固定好铝箔，利用注射器取步骤1)的电纺溶液并将注射器固定在注射泵上，将注射器的针头与高压电源正极连接，滚筒接地，调节针头与滚筒的距离为8～10cm；

二、打开注射泵，当针头出现液滴时，打开高压电源，调节电压为9KV-12KV，调节滚筒转速至50-250rpm；

三、开始电纺，电纺时间为10min～60min，得到聚合物纳米纤维膜。

更进一步的，步骤2)中聚合物纳米纤维膜的孔隙率大于60％。