[发明专利]一种电纺构建中空纤维式质子交换膜燃料电池的方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种电纺构建中空纤维式质子交换膜燃料电池的方法，采用静电纺丝法，以中空多孔金属支撑微管作为接收滚轮，依次电纺纤维化的阳极催化层、质子交换聚合物纤维层，经热压形成致密的质子交换纤维膜层后，再继续电纺纤维化的阴极催化层和憎水层，制备电纺中空纤维式质子交换膜电极。然后分别在金属支撑微管和憎水层上配置集流导体和电极引线，封装后制备中空纤维式质子交换膜燃料电池。本发明采用电纺设计中空纤维燃料电池的拓扑结构，可以有效构建三维立体化的三相反应界面，提高电池性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种电纺构建中空纤维式质子交换膜燃料电池的方法。

背景技术

高效应用氢能，实现双碳目标是国家的重大需求。我国将在2050年之前投放近千万辆氢能源汽车，对氢能源汽车的心脏—燃料电池提出了高比功率要求。商业化质子交换膜燃料电池均是平板式结构，单电池的关键部件是膜电极和双极板。虽然其结构和关键材料的成熟度极高，但平板式结构成为商业化应用的瓶颈。如板式电池结构很难有高的比表面积、耐压性和密封性；平板式膜电极的自支撑厚度要求使气体、质子、电子及产物水的反应-传质阻力很难进一步减小；双极板材料重量大(约占电池总重60-80％)但在平板式电池中集电流、分布气体、阻隔阴阳极气体不可或缺，使燃料电池难以轻量化。因此，提高燃料电池的比功率密度(体积和重量比功率)成为国际研究前沿的热点和难点。

国内外开展了单管式燃料电池研究，比平板式结构的比表面积有所增加，但膜电极结构难以优化，电池性能受限。如提出将平板式膜电极与隔层卷成圆筒(CN01126123.4)或单管(Int.J.Hydrogen Energy,2016,41,22305)的概念设计，但在卷制扭力下平板膜电极容易分层使界面电阻增加，不透气隔层使其难以进行电堆设计；现有的在支撑层上设计膜电极结构的方法，如碳纤维支撑层强度差(CN101465438A)、弹簧管支撑层结构不稳定(CN03217133.1)、基于透析器组件的中空纤维薄膜质子传导率低(CN105659421A)、以管状膜做支撑层难以设计膜管内侧电极的精细结构。上述方法均采用喷涂、浸涂或浇铸法制备催化层和质子交换膜，使膜电极界面及传质电阻大，造成电池功率密度均低于100mW/cm²。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提出一种电纺构建中空纤维式质子交换膜燃料电池的方法。

本发明的技术方案为：

一种电纺构建中空纤维式质子交换膜燃料电池的方法，采用静电纺丝法，以中空多孔金属支撑微管作为接收滚轮，依次电纺纤维化的阳极催化层、质子交换聚合物纤维层，经热压形成致密的质子交换聚合物纤维层后，再继续电纺纤维化的阴极催化层和憎水层，制备电纺中空纤维式质子交换膜电极。然后均在中空多孔金属支撑微管和憎水层上配置集流导体和电极引线，封装后制备电纺中空纤维式质子交换膜燃料电池。

所述的中空纤维式是指中空多孔金属支撑微管的外直径不大于1mm，管壁孔径为5-400μm；

所述的电纺纤维化的阳极催化层和阴极催化层，是指催化剂、质子导体聚合物、憎水聚合物粘结剂按照重量比为10-150:1-15:0.1-1.5的范围配制成纺丝浆料，分别电纺在中空多孔金属支撑微管和质子交换聚合物纤维层外表面，形成厚度为5-20μm的催化剂纤维层；

所述的质子交换聚合物纤维层，是指将质量分数为5-30％的质子导体聚合物纺丝液，电纺在阳极催化层外表面，形成质子交换聚合物纤维层，然后在1-5MPa、100-170℃下热压形成厚度为5-30μm的致密质子交换聚合物纤维层；

所述的电纺纤维化的憎水层，是指碳纳米管、碳粉、憎水聚合物粘结剂按照重量比为1-10:10-100:1-10的范围配置成纺丝浆料，电纺在阴极催化层外表面，形成厚度为10-50μm的憎水层；

所述的配置集流导体和电极引线，是指在中空多孔金属支撑微管和憎水层分别焊接、缠绕或印刷集流导体，并引出电极引线；