[发明专利]一种氧阴极膜电极中催化层制备和装载一体化的工艺

说明书

本发明公开了一种氧阴极膜电极中催化层制备和装载一体化的工艺，将混合均匀的催化层原料置于静电纺丝设备，气体扩散层固定于接收体上，设置好相应的运行参数，进行一定时间的静电纺丝，纺丝完毕后，将气体扩散层连同装载其上的催化层从接收体上分离，一并进行热处理，降温后即得到催化层制备和装载一体化的氧阴极膜电极。本发明利用静电纺丝技术装置的特点，将导电的气体扩散层固定于接收体上，在不影响高压静电场的情况下可进行催化层前驱体的接收、热处理，实现了催化层从制备到装载的一体化过程，精简了工艺流程。选用低Pt或非贵金属催化剂在保证膜电极性能的同时大幅降低膜电极的制造成本，利用静电纺丝批量制造特点，该工艺具有产业化前景。

技术领域

本发明属于静电纺丝和新能源电池膜电极制造领域，具体涉及一种静电纺丝法实现氧阴极膜电极中催化层制备和装载一体化的工艺。

背景技术

质子交换膜燃料电池与金属空气电池作为新能源电池的代表，具有功率密度高、环境友好、应用领域广泛等优点。两者共同核心组件氧阴极膜电极的主要结构组成是气体扩散层和催化层。其中，催化层是具有一定的催化氧气分子进行四电子还原反应活性的结构。气体扩散层的作用是将较高流量的氧气施以一定的缓冲作用，并使之均匀地与催化层进行充分接触，同时阻隔电解液以防渗透到气体流道及保证燃料电池产生的水气顺利导出。

目前，商业氧阴极膜电极中催化层通过添加四倍于阳极负载量的贵金属铂(Pt)，用以推进惰性的氧还原反应高效进行。过高的贵金属Pt负载带来的高昂成本是阻碍质子交换膜燃料电池和金属空气电池实现大规模商业化应用的最大屏障。此外，Pt催化剂具有较弱的抗甲醇毒性，这需要大幅提高工业上甲醇制氢等工艺中氢气的纯度，同时限制了此类膜电极在甲醇燃料电池等其他新能源电池中的发展。

氧阴极膜电极双层组件现有成熟的制造方式是将调配好的催化剂浆料均匀涂敷在气体扩散层上。待溶剂挥发后再与电池阳极等其他结构进行热压完成装配。催化层与气体扩散层分别制备再装载的传统模式虽然能够精化两结构的产品性能控制，但无疑对氧阴极膜电极的生产加工带来过多的工艺流程。因此，在保证电池性能的前提下，尽可能减少贵金属催化剂的负载，或用具有抗甲醇毒性的非贵过渡金属氮碳材料进行取代是降低氧阴极膜电极的生产成本重要手段之一。另外实现双层组件从制备到装载一体化的工艺能够大大精简工艺路线。

静电纺丝技术在制备大批量的形貌均一、尺寸均匀的非贵金属氮碳催化剂前驱体具有卓越的优势。将前驱体纤维静电纺在气体扩散层上，其后一并进行热处理，可实现催化层的制备和双层组件装载一体化的工艺。有别于机械热压装载，这种静电纺丝装载法可大大减小催化层和气体扩散层间的间隔电阻，减少了能量损耗的同时，增强了电池内部物质运输与电子传导。

发明内容

本发明为一种氧阴极膜电极中催化层制备和装载一体化的工艺，所使用的核心技术为静电纺丝，其主要工艺流程包括催化层原料的混合，前驱体的电纺，热处理。通过溶剂分散法、粉碎搅拌法等实现催化层原料的均匀混合，将气体扩散层作为接收体，再利用静电纺丝技术使得前驱体纤维加载于气体扩散层上，热处理过程需要根据所使用的聚合物材料进行相应的煅烧气氛、升温速率、保温平台等参数设置。本发明相较于成熟的制备工艺与已公开的发明工艺提出创新的改造思路：1.直接在气体扩散层上进行静电纺丝制备与装载前驱体。2.将前驱体与气体扩散层一并进行热处理，实现催化层的制备与在气体扩散层上装载的一体化流程。

针对目前的膜电极制造工艺，催化层的制备与装载通常是将利用水浴法、晶体生长法等得到的纳米催化剂配以墨水的形式进行分散并涂覆在气体扩散层上，待溶剂挥发得到双层组件。传统的控制纳米结构生长法在工业上大规模进行条件控制具有极大的难度。本工艺采取静电纺丝技术可以实现催化剂纳米纤维的大规模生产，并利用其接收装置的特点，在前驱体热处理转变成活性催化剂同时装载于气体扩散层上，最终形成氧阴极膜电极。