CN103328204B - 纳米纤维电极及其制备方法 - Google Patents

纳米纤维电极及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103328204B
CN103328204B CN201180062942.7A CN201180062942A CN103328204B CN 103328204 B CN103328204 B CN 103328204B CN 201180062942 A CN201180062942 A CN 201180062942A CN 103328204 B CN103328204 B CN 103328204B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thin film
catalyst
platinum
particle
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201180062942.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103328204A (zh
Inventor
彼得·N·宾陶罗
张文静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vanderbilt University
Original Assignee
Vanderbilt University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vanderbilt University filed Critical Vanderbilt University
Publication of CN103328204A publication Critical patent/CN103328204A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103328204B publication Critical patent/CN103328204B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
    • B29C48/05—Filamentary, e.g. strands
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B13/00—Layered products comprising a a layer of water-setting substance, e.g. concrete, plaster, asbestos cement, or like builders' material
    • B32B13/02—Layered products comprising a a layer of water-setting substance, e.g. concrete, plaster, asbestos cement, or like builders' material with fibres or particles being present as additives in the layer
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007—Electro-spinning
    • D01D5/0015—Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • D01D5/003—Electro-spinning characterised by the initial state of the material the material being a polymer solution or dispersion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8853—Electrodeposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8864—Extrusion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明揭露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。混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以形成溶液，并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与针头尖端相隔一距离的收集基板之间，并且将溶液以一流动速率推出针头尖端以产生电纺纤维以及使得所产生的电纺纤维沉积于收集基板上以形成具有多孔网状的纤维的栅网。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薄膜上。

Description

纳米纤维电极及其制备方法
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 exchangemembrane，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（polyacrylicacid，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。
再一方面，本发明是关于一种用于一电化学装置的薄膜电极组件（membrane-electrode-assembly，MEA）。在一个实施例中，薄膜电极组件包含具有相对的第一表面以及第二表面的薄膜、设置于薄膜的第一表面的阳极以及设置于薄膜的第二表面的阴极。阴极是以下列步骤制备：混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及可选择性的第三数量的第二聚合物以形成溶液；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纳米纤维沉积于收集基板上以形成包含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；将栅网压在薄膜上。所形成的纳米纤维的平均粒径约为470纳米。
在一个实施例中，催化剂包含碳材担载铂（Pt/C）以及包含纳菲薄膜的离子聚合物。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。其中第二聚合物包含聚丙烯酸（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。
在一个实施例中，收集基板包含设置在旋转干燥桶上的碳纸（carbonpaper）或碳布（carbon cloth）气体扩散层（GDL），并且收集基板与针头尖端之间的距离约为10厘米。约为7.0千伏（kV）的电压被施加于针头尖端与收集基板之间。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，所形成的阴极具有铂的负载量介于约0.025至约0.4毫克/平方厘米的范围以及一电化学表面积约为114平方米/每克铂。
在一个实施例中，薄膜是离子导通（ionically conductive）的。在一个实施例中，导通的薄膜是质子导通（proton conductive）的。在一个实施例中，质子导通的薄膜包含一纳菲薄膜的一全氟磺酸（perfluorosulfonic acid，PFSA）。在一个实施例中，薄膜是一纳米纤维组成的薄膜。
在一个实施例中，催化剂包含铂粒子、铂合金粒子、碳粒子担载铂、稀有金属粒子（precious metal particle）、碳粒子担载稀有金属、稀有金属基底合金（precious metal based alloy）、碳粒子担载稀有金属基底合金、银粒子、镍粒子、银合金粒子、镍合金粒子、铁粒子、铁合金粒子、钯粒子、钯合金粒子、芯壳催化剂粒子（core-shell catalyst particle）、非铂族金属（non-platinum group metal，PGM）燃料电池催化剂的至少其中之一或其组合。
又一方面，本发明是关于一种用于一电化学装置的薄膜电极组件（MEA）。在一实施例中，薄膜电极组件包含具有相对的第一表面以及第二表面的薄膜与设置于薄膜的第一表面的阳极。阳极是以下列步骤制备：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；将溶液以流动速率推出针头尖端以产生电纺纳米纤维以及使得所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上以形成包含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；将栅网压在薄膜的第一表面上。薄膜电极组件还包含设置于薄膜的第二表面的阴极。
在一个实施例中，在形成溶液的步骤中更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。
又一方面，本发明是关于一种燃料电池。在一个实施例中，燃料电池包含薄膜电极组件（MEA）。薄膜电极组件包含具有相对的第一表面以及第二表面的薄膜与设置于薄膜的第一表面的阳极。燃料电池还包含设置于薄膜的第二表面的阴极。阳极与阴极的至少其中之一是以下列步骤制备：混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物以形成溶液，并且使得溶液进入具有一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与收集基板之间，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得所产生的电纺纳米纤维沉积在收集基板上以形成包含多孔网状的纳米纤维的栅网。此种方法更包含将栅网压在薄膜上的步骤。所制备的栅网的每一电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于电纺纤维。燃料电池还包含第一流场极板与第二流场极板，第一流场极板具有可将一燃料导引至阳极的通道，第二流场极板具有可将一氧化剂导引至阴极的通道。
在一个实施例中，第一流场极板可将氢气导引至阳极，而第二流场极板可将氧气导引至阴极。
在一个实施例中，催化剂包含碳材担载铂（Pt/C）。
在一个实施例中，离子聚合物包含纳菲薄膜
在一个实施例中，形成溶液的步骤更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。
在一个实施例中，第二聚合物包含聚丙烯酸（PAA）。
在一个实施例中，催化剂、离子聚合物与第二聚合物的重量比例约为15：3：2。
在一个实施例中，收集基板包含碳纸（carbon paper）或碳布（carboncloth）气体扩散层（GDL）。
在一个实施例中，收集基板设置于旋转干燥桶（rotating drum）上。
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。
在一个实施例中，阴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。
在一个实施例中，阴极制备完成时具有的一电化学表面积约为114平方米/每克铂。
在一个实施例中，薄膜为纳米纤维组成的薄膜。
在一个实施例中，薄膜是离子导通的，更详细来说，薄膜是质子导通的。质子导通的薄膜包含全氟磺酸，并且全氟磺酸薄膜包含纳菲薄膜
在一个实施例中，催化剂包含铂粒子、铂合金粒子、碳粒子担载铂、稀有金属粒子、碳粒子担载稀有金属、稀有金属基底合金、碳粒子担载稀有金属基底合金、银粒子、镍粒子、银合金粒子、镍合金粒子、铁粒子、铁合金粒子、钯粒子、钯合金粒子、芯壳催化剂粒子与非铂族金属（PGM）燃料电池催化剂的至少其中之一或其组合。
自结合以下图式与较佳实施例的叙述中，本发明会更为明了，然在不脱离揭露内容的精神和范围下，当可作其变化和修改。
附图说明
下列图式说明本发明一种或多种实施例，并且配合说明书来解释本发明的原理。尽可能地，图式中相同的参考符号是关于实施例中相同或相似的组件，其中：
图1表示根据本发明一实施例所制备的薄膜电极组件（MEA）；
图2表示根据本发明一实施例中用来电纺溶液以产生纳米纤维并且将纳米纤维沉积在收集基板的系统；
图3表示根据本发明另一实施例中用来电纺溶液以产生纳米纤维并且将纳米纤维沉积在位于旋转干燥桶上的收集基板的系统；
图4表示根据本发明一个或多个实施例中制备用于电化学装置的电极的方法的流程图；
图5是根据本发明一个或多个实施例中电纺碳材担载铂/纳菲薄膜/聚丙烯酸（PAA）纳米纤维的扫描式电子显微镜（scanning electronmicroscope，SEM）图谱：(a)在热压及退火前；(b)在热压及退火后；(c)与(d)为碳材担载铂催化剂粒子均匀分布在纳米纤维的表面；
图6为根据本发明一或多个实施例中四种不同的阴极催化剂结构的氢气/空气燃料电池的极化曲线；
图7为根据本发明一或多个实施例中电纺阴极与薄膜电极组件的氢气/空气燃料电池的极化曲线；以及
图8为根据本发明一或多个实施例中两种不同的阴极催化剂结构的氢气/空气燃料电池的极化曲线。
具体实施方式
本发明更具体地描述下列实施例仅是作为示例说明，因为对于本领域的技术人员来说，其中的许多修改和变化是明显的。现在将对本发明的各种实施例进行详细说明。关于图式，相似的符号代表相似的部分。在说明书及权利要求中，“一”、“一个”、“该”除非上下文清楚地指出，否则包括多个参考的意义。并且，在说明书及权利要求中，所使用的“之中”，除非上下文清楚地指出，否则包含“之中”、“之上”的意思。进一步来说，标题或副标题可以用在说明书中以方便读者，且并不影响本发明的范围。此外，一些说明书中所使用的词汇会特别在稍后的段落中来定义。
定义
本说明书所使用的词汇在所属技术领域中一般具有其固有的意义，在本发明的上下文中，每个词汇是用在特定的上下文。
在描述本发明时所使用的特定词汇如下所述，或者在说明书中的其它地方，以提供习知技艺者在描述本发明的装置及方法以及如何制造、如何使用时进一步的指引。为了方便起见，特定的词汇会被强调，例如会使用斜体及/或引号。强调对于词汇的范围及意义并无影响；在相同的上下文中，词汇无论是否被强调，其范围及意义是相同的。可以理解的是，相同的事物可以多种方式来描述。因此，替换的语言以及同义字可以用来描述一个或多个项目，而无论是否阐明或描述，词汇所放置的位置也不具有任何的特殊意义。对于特定项目会提供其同义字。使用一个或多个同义字，并不排除使用其它同义字。说明书中所使用的实例，包含所述及的实例的任何项目，仅是用来说明，而非用来限制本发明或其它任何举例说明的范围或意义。相同地，本发明并不限定于说明书中的不同实施例。进一步来说，副标题可以帮助说明书的读者阅读说明书，然而副标题的使用并不影响本发明的范围。
于此，所使用的“复数”，代表二个或多于二个。
于此，所使用的“包含”、“具有”、“带有”、“有”、“包括”、“含有”及其相似词汇是被理解为开放式的语汇。举例来说，代表具有但不限于此。
于此，所使用的“约略”、“大约”、“接近”应代表在给定数值或范围的百分之二十以内，较佳地，在百分之十以内，更佳地，在百分之五以内。给定的数字的量是接近的，“约略”、“大约”、“接近”的词汇在未明确指出的情况下代表是可以被推断的。
于此，所使用的“纳米尺度”、“纳米的”、“纳米尺寸”、“纳米大小”、“纳米组成”、“纳米粒子”中，“纳米”的前缀，一般是关于组件或物品，较佳地具有小于约1微米（μm）的尺寸。在所有实施例中，特定的宽度可以是一最小宽度（例如：指定的宽度在其位置上，物品可以在不同尺度下具有更大的宽度），或是一最大宽度（例如：指定的宽度在其位置上，物品的宽度不大于所指定的宽度，然可以具有一较大的宽度可以在不同尺度下具有较大的宽度）。
本发明综述
在以下段落中，将结合图式1-8描述本发明的实施例。
虽然本发明所揭露的不同示例实施例是对燃料电池进行说明，然而应理解的是，本发明的揭露内容并不限于用来与一种特殊类型的燃料电池（例如：质子交换薄膜（PEM）燃料电池）结合来使用，在不偏离本发明所揭露的范围下，还可以跟其它类型的燃料电池或其它类型的电化学装置（例如：电容（capacitor）及/或电池）结合使用。
请参阅图1，图1表示根据本发明一个实施例的用于电化学装置的薄膜电极组件（MEA）。根据图1所示的实施例的一薄膜电极组件，可以加入一电化学装置，例如质子交换薄膜（proton exchange membrane，PEM）燃料电池。本领域的技术人员可以理解，在一个典型的质子交换薄膜燃料电池中，一薄膜电极组件包含二个电极，阳极与阴极。每一电极的一侧涂布有一薄的催化剂层，并且阳极与阴极被一质子交换薄膜（PEM）隔开。薄膜电极组件设置在二个流场极板之间，并且可藉由形成在流场极板中的通道来将氢气及空气或其它燃料及氧化剂提供至薄膜电极组件的电极。更详细来说，一个流场极板可将氢气导引至阳极，而另一个流场极板可将空气中的氧气导引至阴极。在阳极，一催化剂层有利于将氢气分解成质子与电子。阳极产生的自由电子在一外部电路流通而为可用的电流。在阴极，氢气产生的质子穿过质子交换薄膜（PEM）而与空气中的氧气以及从外部电路返回的电子结合，而产生水与热。
在图1所示的实施例中，薄膜电极组件100包含一薄膜114，具有相对的第一表面114a以及第二表面114b。阳极113包含气体扩散电极110，气体扩散电极110涂布有催化剂层112并且设置于薄膜114的第一表面114a，而阴极119包含气体扩散电极118，气体扩散电极118涂布有催化剂层116并且设置于薄膜114的第二表面114b。
请参阅图2及图3，图2表示根据本发明一个实施例中用来电纺溶液以产生纳米纤维并且将纳米纤维沉积在收集基板的系统200，而图3表示根据本发明另一个实施例中用来电纺溶液以产生纳米纤维并且将纳米纤维沉积在收集基板的系统300。本领域的技术人员将可以理解，电纺制程通常涉及对包含有聚合物溶液或聚合物熔体（polymer melt）的纺嘴针头（spinneret needle）施加一高电压电场。溶液表面上的电荷相互排斥，而克服了表面张力，进而产生并且自纺嘴针头的尖端喷出稀薄溶液喷流。当带电溶液的喷流向具有相异电位的收集器时，表面电荷的静电排斥力会导致喷流的直径缩小。喷流会进入一搅打模式，并因为电场的不稳定性而被拉伸并且进一步缩小。当喷流干燥并且纤维累积在收集器而形成一非织品后，即产生了固体纤维。
如图2所示，在根据本发明一个实施例的系统200的操作中，溶液212自注射器210传送至一具有针头尖端214a的一金属针头214。在一个实施例中，溶液212是参考下述图4的流程图的方法来制备。一高压产生器216所产生的一电压被施加于金属针头214，而使得针头尖端214a与一收集基板222之间产生一电位差。如图所示，收集基板222是设置在一接地的旋转干燥桶224（rotating drum）。收集基板222与针头尖端214a相隔一预定距离d1。溶液产生的一稀薄液体喷流218以一流动速率自金属针头214的针头尖端214a喷出，而产生电纺纳米纤维220，并且沉积所产生的电纺纳米纤维220在收集基板222上而形成一包含多孔网状的纳米纤维的栅网（见图5）。
如图3所示，在根据本发明另一实施例的系统300的操作中，溶液312自一注射器310传送至具有针头尖端314a的金属针头314。在一个实施例中，溶液312是参考下述图4的流程图的方法来制备。一高压产生器316所产生的一电压施加于金属针头314，而使得针头尖端314a与接地的收集基板302之间产生一电位差。收集基板302与针头尖端314a相隔一预定距离d2。溶液产生的一稀薄液体喷流318以一流动速率自金属针头314的针头尖端314a喷出，而产生电纺纳米纤维320，并且沉积所产生的电纺纳米纤维320在收集基板302上而形成一包含多孔网状的纳米纤维的栅网（见图5）。
请参阅图4，图4表示根据本发明一个或多个实施例中用于电化学装置的电极的制备方法400的流程图。方法由步骤401开始，并且在步骤403中，包含混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物以形成溶液。在步骤405中，使得溶液进入具有针头尖端的金属针头。接着，在步骤407中，一电压施加在针头尖端与收集基板之间，收集基板与针头尖端相隔一距离。在步骤407之后的步骤409，溶液以一流动速率被推出针头尖端以产生一电纺纳米纤维并且所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上，而形成包含多孔网状的纳米纤维的一栅网。在步骤409之后的步骤411，栅网被施压在一薄膜上，而本方法则结束在步骤413。
本发明的实例及实施
在未限制本发明范围的情形下，根据本发明实施例的示例的装置及其使用的相关结果如下所述。某些理论可讨论及揭露于其中，然而无论正确与否，均不应该限制本发明的范围。
实例1
本实例一方面或多方面说明，以电纺方式制备的三维纳米纤维燃料电池的型态。在一个示例的实施例中，电纺纳米纤维栅网是由一约略75wt%的碳材担载铂（Pt/C）、15wt%的纳菲薄膜与10wt%的聚丙烯酸（PAA）的溶液在异丙醇/水的溶剂中制备而成。纳米纤维被沉积在一碳纸气体扩散层（GDL）基板上，并且固定于一旋转干燥收集桶（rotating drum collector）。金属纺嘴针头（metallic spinneret needle）与干燥收集桶之（drumcollector）间的电位差约为7.0千伏，并且纺嘴到收集器之间的距离约为10厘米，而流动速率约为每小时1毫升。在自上而下的扫描式电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）图谱中，所得到的电纺催化剂栅网510如图5(a)所示，纳米纤维512的表面因为碳材担载铂（Pt/C）催化剂粒子而变为粗糙。在图5(c)与图5(d)中，可看出纳米纤维530、540的表面具有均匀分布的碳材担载铂催化剂纳米粒子（Pt/C catalyst nanoparticles），并且纳米纤维的平均粒径约为470纳米。在退火与将纳米纤维电极热压在纳菲212薄膜上以后，纳米纤维（总标为520）的型态被维持，并且纤维的体积密度增加，如图5(b)中所示纳米纤维522的扫描电子显微镜图谱。
为了评价根据本发明实施例的纳米纤维催化剂结构的性能，薄膜电极组件（MEA）是使用一纳菲212薄膜、一贴花制程（decal-processed）的阳极（铂的负载量约为0.4毫克/平方厘米）与一电纺纳米纤维阴极来制造。其中，铂阴极的负载量约为0.4毫克/平方厘米（在后面的图式中标示为ES04）、或约为0.2毫克/平方厘米（标示为ES02）、或约为0.1毫克/平方厘米（标示为ES01）。为了相比较，制备了阳极与阴极均为印花（decal）制程的一第三薄膜电极组件（MEA），其中每一电极的铂负载量均约为0.4毫克/平方厘米(标示为Decal04)。表1是关于阴极催化剂层在0.4毫克/平方厘米的印花（decal）电极薄膜电极组件（MEA）与0.1毫克/平方厘米电纺阴极薄膜电极组件（MEA）的铂负载量以及电化学表面积（electrochemical surface area，ECSA）。由表1可知，在燃料电池测试装置中，在80°C以及将氢气与氮气充分加湿的条件下，由原位（in-situ）循环伏安法（cyclic voltammetry）所得到的纳米纤维电极的电化学表面积（ECSA）远比印花制程（decal-processed）的阴极的还大。四种薄膜电极组件（5平方厘米的薄膜电极组件）均在一氢气/空气燃料电池中，以80°C、100%相对湿度（RH%）且无回压（back pressure）的条件下进行评估。图6为四种不同的阴极催化剂结构的氢气/空气燃料电池的极化曲线的图谱600。电池温度为80°C，并且氢气流速为125标准状态毫升每分（standard-state cubic centimeter per minute，sccm），而空气流速为500标准状态毫升每分（回压为0磅每平方英寸（psi））。如图所示，ES04在0.6伏特下（V）传送1080毫安/平方厘米（mA/cm2），并具有一约为705毫瓦/平方厘米（mW/cm2）的最大功率密度。在与印花（decal）的阳极与阴极的薄膜电极组件相比之下，燃料电池在性能上呈现出28%的改善结果。当藉由使用一较薄的纳米纤维催化剂栅网，以将纳米纤维阴极的铂负载量减少至0.2毫克/平方厘米（mg/cm2）时，功率输出的表现仍然比Decal04好。当电纺阴极的铂负载量进一步减少至0.1毫克/平方厘米（mg/cm2）时，0.6伏特时的功率密度（524毫瓦/平方厘米）实质上相当于印花（decal）阴极在高许多的铂负载量（0.4毫克/平方厘米）下的性能（519毫瓦/平方厘米）。结果显示，根据本发明一个或多个实施例中所揭露的电纺纳米纤维电极，其型态可在质子交换薄膜（PEM）燃料电池中，比传统的印花制程（decal-processed）电极产生更高的功率。根据不同铂负载量所进行的实验，可以发现本应用可与具有铂负载量介于约0.025至0.4毫克/平方厘米的范围的纳米纤维电极来实施。
表1
实例2
本实例一方面或多方面说明，铂负载量为0.05毫克/平方厘米（标示为ES005）的三维电纺纳米纤维燃料电池阴极时，薄膜电极组件（MEA）的性能。在一示例的实施例中，电纺纳米纤维栅网是由一约略75wt%的碳材担载铂（Pt/C）、15wt%的纳菲薄膜）与10wt%的聚丙烯酸（PAA）的溶液制备而成。纳米纤维设置于一碳纸气体扩散层（GDL）基板，碳纸气体扩散层基板固设于一旋转干燥收集桶（rotating drum collector）。金属纺嘴针头（metallic spinneret needle）与干燥收集桶（drum collector）之间的电位差约为7.0千伏，而纺嘴与收集器之间的距离约为10厘米，而溶液的流动速率约为1毫升/小时。以ES005的薄膜电极组件（MEA）来说，一铂负载量为0.05毫克/平方厘米的电纺纳米纤维催化剂层被使用在阴极。纳米纤维阴极在140°C及16MPa的条件下，被加热压在一纳菲212膜薄上。在热压（hot-pressing）程序前，电纺纳米纤维栅网在150°C的真空环境下退火2小时。纳米纤维栅网的铂负载量可以藉由电纺的期间来调整，并且由电纺栅网的总重与制备所用的碳材担载铂（Pt/C）催化剂的重量比来计算。在将纳米纤维电极加热压在纳菲212薄膜上之后，纳米纤维的型态被维持，并且纤维的体积密度增加。
纳米纤维阴极与薄膜电极组件在铂负载量为0.05毫克/平方厘米的时的性能数据是在氢气/空气燃料电池（5平方厘米薄膜电极组件）中，以80°C、相对湿度100RH%、氢气流速为125标准状态毫升每分、空气流速为500标准状态毫升每分（回压为0磅每平方英寸（psi））的条件下收集。图7为铂负载量为0.05毫克/平方厘米的电纺阴极与铂负载量为0.1毫克/平方厘米的的薄膜电极组件的氢气/空气燃料电池的极化曲线的图谱700。如图所示，ES005在0.6伏下传送约620毫安/平方厘米（A/cm2），并且最大功率密度约为401毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。结果显示，根据本发明所揭露的一个或多个实施例的电纺纳米纤维电极型态，其可在质子交换薄膜（PEM）燃料电池中以超低铂负载量来发电。（于此，超低铂负载量是指铂的负载量小于0.10毫克/平方厘米）。
实例3
本实施例一方面或多方面说明，铂负载量为0.025毫克/平方厘米（标示为ES0025）的三维电纺纳米纤维燃料电池阴极时，薄膜电极组件（MEA）的性能。在一示例的实施例中，电纺纳米纤维栅网是由一约略75wt%的碳材担载铂（Pt/C）、15wt%的纳菲薄膜与10wt%的聚丙烯酸（PAA）的溶液制备而成。纳米纤维设置于一碳纸气体扩散层（GDL）基板，碳纸气体扩散层基板固设于一旋转干燥收集桶（rotating drum collector）。金属纺嘴针头（metallic spinneret needle）与干燥收集桶（drum collector）之间的电位差约为7.0千伏，而纺嘴与收集器之间的距离约为10厘米，而溶液的流动速率约为1毫升/小时。以ES0025的薄膜电极组件（MEA）来说，一铂负载量为0.025毫克/平方厘米的电纺纳米纤维催化剂层被使用在阴极（纳米纤维阴极在140°C与16MPa的条件下被热压在纳菲212）。在热压（hot-pressing）程序前，电纺纳米纤维栅网在150°C的真空环境下退火2小时。纳米纤维栅网的铂负载量可以藉由电纺的期间来调整，并且由电纺栅网的总重与制备所用的碳材担载铂（Pt/C）催化剂的重量比来计算。在将纳米纤维电极热压在纳菲212薄膜上之后，纳米纤维的型态被维持，并且纤维的体积密度增加。
电纺铂负载量为0.025毫克/平方厘米的阴极的薄膜电极组件的氢气/空气燃料电池的性能数据如图8。薄膜电极组件是在氢气/空气燃料电池（5平方厘米薄膜电极组件）中，以80°C、相对湿度100RH%、无回压下氢气流速为125标准状态毫升每分、空气流速为500标准状态毫升每分（回压为0磅每平方英寸（psi））的条件下评估。图8为两种相异阴极催化剂结构的氢气/空气燃料电池的极化曲线的图谱800。如图所示，ES0025在0.6瓦下传送约为235毫安/平方厘米（A/cm2），并且最大功率密度约为302毫瓦/平方厘米（mW/cm2）。本实例还进一步显示，根据本发明所揭露的一个或多个实施例，电纺纳米纤维的电极型态可以被制造并且在薄膜电极组件燃料电池中使用，而在一质子交换薄膜（PEM）燃料电池中以超低铂负载量来产生电能。
关于上述所揭露的实例1-3，虽然铂的负载量在不同的电极结构中变化，然而电纺的条件，例如：电压、流动速率以及针头-纺嘴与收集器之间的距离是维持不变。并且，可以理解的是，具有0.4、0.2、0.1、0.05、0.025毫克/平方厘米铂负载量的电极的差异在于，其制造相对应的纳米纤维栅网的电纺时间。与具有铂负载量为0.4毫克/平方厘米的电极比较，铂附载量为0.1毫克/平方厘米的电极需要少四倍的时间来制备图3中的实施例的单一针头装置。相似地，与具有铂附载量为0.1毫克/平方厘米的阴极比较，具有铂附载量为0.025毫克/平方厘米的阴极需要少四倍的时间来制备。
请再次参阅图1-5，一方面来说，本发明是关于一种用于电化学装置的电极的制备方法400。在一个实施例中，在步骤403中，此种方法包含混合第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物与第三数量的第二聚合物以形成溶液。在步骤405中，此种方法还包含使得所形成的溶液进入一金属针头。在步骤407中，一电压被施加在针头尖端与收集基板之间。并且在步骤409中，溶液以一流动速率被推出针头尖端以产生一电纺纳米纤维，以及使得所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上以形成包含多孔网状的纳米纤维的一栅网，其中每一电纺纤维具有催化剂的粒子，分布于电纺纤维。在步骤411，此种方法还包含将栅网压在一薄膜上。
在一个实施例中，催化剂包含碳材担载铂（Pt/C），离子聚合物包含纳菲薄膜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（PAA），并且催化剂、离子聚合物、第二聚合物的重量比例约为15：3：2。收集基板包含碳纸或碳布气体扩散层，并且设置于一旋转干燥桶上，其中收集基板与针头尖端相隔约10厘米的距离。一约为7.0千伏的电压施加于针头尖端与收集基板之间。溶液以约1毫升/小时的流动速率推出针头尖端。
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，并且具有的一电化学表面积约为114平方米铂/每克铂。
另一方面，本发明是关于一种以包含下列步骤的方法所制成的纳米纤维电极：混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物以形成溶液，溶液由图2的组件212所示及图3的组件312所示；使溶液进入金属针头，金属针头由图2的组件214所示及图三的组件314所示，并且金属针头具有相对应的针头尖端，针头尖端如图2的组件214a所示及图3的组件314a所示；施加电压于针头尖端与收集基板之间，收集基板如图2的组件222所示及图3的组件302所示；收集基板与针头尖端相隔一距离，分别如图2的d1所示及图3的组件d2所示；将溶液以一流动速率推出针头以产生电纺纳米纤维，电纺纳米纤维如图2所示的组件220及图3所示的组件320；并且使得所产生的电纺纳米纤维沉积在收集基板上以形成一包含多孔网状的纳米纤维的栅网510，如图5的组件512所示，其中每一电纺纤维具有催化剂的粒子，分布于电纺纤维；将栅网压在一薄膜上，如图1的组件114所示。
再一方面，本发明是关于一种用于电化学装置的薄膜电极组件100（MEA）。在一个实施例中，薄膜电极组件100（MEA）包含具有相对的第一表面114a与第二表面114b的薄膜114、设置于薄膜114的第一表面114a的阳极113，以及设置于薄膜114的第二表面114b的阴极119。阴极119按照以下步骤制备：混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物以形成一溶液；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与收集基板之间，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溶液以产生电纺纳米纤维以及使得所产生的电纺纳米纤维沉积在收集基板上以形成包含多孔网状的纳米纤维的栅网，其中每一电纺纤维具有催化剂的粒子，分布于电纺纤维；将栅网压在薄膜的第二表面上。
在一个实施例中，所形成的电纺纤维的平均粒径约为470纳米，并且催化剂包含碳材担载铂（Pt/C），而离子聚合物包含纳菲薄膜形成溶液的步骤更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，其中第二预合物包含全氟磺酸（PAA），而催化剂、离子聚合物、第二聚合物的重量比例约为15：3：2。
在一个实施例中，收集基板包含碳纸或碳布气体扩散层，设置在旋转干燥桶上，并且收集基板与针头尖端之间的距离约为10厘米。约为7.0千伏的电压被施加在针头尖端与收集基板之间。溶液以约1毫升/小时的流动速率被推出针头尖端。
在一个实施例中，阴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平方米铂/每克铂。
在一个实施例中，薄膜是离子导通的。在一个实施例中，离子导通的薄膜是质子导通的。在一个实施例中，质子导通的薄膜包含全氟磺酸，而全氟磺酸包含纳菲薄膜在一个实施例中，薄膜是纳米纤维组成的薄膜。
在一个实施例中，催化剂包含铂粒子、铂合金粒子、碳粒子担载铂、稀有金属粒子、碳粒子担载稀有金属、稀有金属基底合金、碳粒子担载稀有金属基底合金、银粒子、镍粒子、银合金粒子、镍合金粒子、铁粒子、铁合金粒子、钯粒子、钯合金粒子、芯壳催化剂粒子与非铂族金属燃料电池催化剂的至少其中之一或其组合。
又一方面，本发明是关于一种用于一电化学装置的一薄膜电极组件100（MEA）。在一个实施例中，薄膜电极组件100（MEA）包含具有相对的第一表面114a与第二表面114b的薄膜114以及设置于薄膜114的第一表面114a的阳极113。阳极113按照以下步骤制备：混合至少第一数量的催化剂与第二数量的离子聚合物以形成溶液；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与收集基板之间，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得所产生的电纺纳米纤维沉积于收集基板上以形成包含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；将栅网压在薄膜114的第一表面114a上。薄膜电极组件还包含设置在薄膜114的第二表面114b的阴极119。
在一个实施例中，形成溶液的步骤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。
前述本发明示例的实施例的叙述仅是用来说明及描述，而非详述或是用来将本发明限定在所揭露的精确态样。根据上述教示，许多的修改及变化是有可能的。
所选择及描述的实施例是用来解释本发明的原理及其实际应用，以使其它本领域的技术人员可以实施本发明、实施例与各种为了符合预期的特定用途的修改。在不脱离本发明的精神和范围内，对于本领域的技术人员来说替换的实施例是明显的。据此，本发明的范围是以权利要求的范围为准，而非限于上述说明书及示例的实施例。

Claims (40)

1.一种用于电化学装置的电极的制备方法，包含以下步骤：
(a)混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及第三数量的第二聚合物以形成溶液；
(b)使得所述溶液进入具有针头尖端的金属针头；
(c)施加电压于所述针头尖端以及收集基板之间，所述收集基板与所述针头尖端相隔一距离；
(d)将所述溶液以一流动速率推出所述针头尖端以产生电纺纤维以及使得所产生的所述电纺纤维沉积于所述收集基板上以形成包含多孔网状的纤维的栅网，其中每一所述电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于每一该电纺纤维；以及
(e)将所述栅网压在薄膜上；
其中，所述催化剂包含碳材担载铂(Pt/C)，所述第一数量的催化剂、所述第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及所述第三数量的第二聚合物的重量比例为15∶3∶2，所述电极制备完成时铂的负载量介于0.025至0.4毫克/平方厘米的范围。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述离子聚合物或所述未带电的聚合物包含纳菲薄膜
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述第二聚合物包含聚丙烯酸(PAA)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述收集基板包含碳纸或碳布气体扩散层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述收集基板设置于旋转干燥收集桶上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述收集基板与所述针头尖端的距离为10厘米。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中施加于所述针头尖端以及所述收集基板之间的所述电压为7.0千伏。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述流动速率为1毫升/小时。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中所形成的所述电纺纤维的平均粒径为470纳米。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述电极制备完成时具有的电化学表面积为114平方米/每克铂。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述薄膜包含聚合物薄膜。
12.一种根据权利要求1所述的用于电化学装置的电极的制备方法所制成的电极。
13.一种用于电化学装置的薄膜电极组件，所述薄膜电极组件包含：
(a)薄膜，具有相对的第一表面以及第二表面；
(b)阳极，设置于所述薄膜的所述第一表面；以及
(c)阴极，设置于所述薄膜的所述第二表面，所述阴极以下列步骤制成：
(i)混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及第三数量的第二聚合物以形成溶液；
(ii)使得所述溶液进入具有针头尖端的金属针头；
(iii)施加电压于所述针头尖端以及收集基板之间，所述收集基板与所述针头尖端相隔一距离；
(iv)将所述溶液以一流动速率推出所述针头尖端以产生电纺纤维以及使得所产生的所述电纺纤维沉积于所述收集基板上以形成包含多孔网状的纤维的栅网，其中每一所述电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于每一所述电纺纤维；以及
(v)将所述栅网压在所述薄膜的所述第二表面上；
其中，所述催化剂包含碳材担载铂(Pt/C)，所述第一数量的催化剂、所述第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及所述第三数量的第二聚合物的重量比例为15∶3∶2，所述电极制备完成时铂的负载量介于0.025至0.4毫克/平方厘米的范围。
14.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述离子聚合物或所述未带电的聚合物包含纳菲薄膜
15.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述第二聚合物包含聚丙烯酸(PAA)。
16.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述收集基板包含碳纸或碳布气体扩散层。
17.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述收集基板设置于旋转干燥桶上。
18.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所形成的所述电纺纤维的平均粒径为470纳米。
19.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述阴极制备完成时具有的一电化学表面积为114平方米/每克铂。
20.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述薄膜是离子导通的。
21.根据权利要求20所述的薄膜电极组件，其中所述薄膜是质子导通的。
22.根据权利要求21所述的薄膜电极组件，其中所述质子导通的薄膜包含全氟磺酸。
23.根据权利要求22所述的薄膜电极组件，其中所述全氟磺酸薄膜包含纳菲薄膜。
24.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述薄膜是纳米纤维组成的薄膜。
25.根据权利要求13所述的薄膜电极组件，其中所述催化剂包含铂粒子、铂合金粒子、碳粒子担载铂、稀有金属粒子、碳粒子担载稀有金属、稀有金属基底合金、碳粒子担载稀有金属基底合金、银粒子、镍粒子、银合金粒子、镍合金粒子、铁粒子、铁合金粒子、钯粒子、钯合金粒子、芯壳催化剂粒子、非铂族金属燃料电池催化剂、或其组合。
26.一种用于电化学装置的薄膜电极组件，所述薄膜电极组件包含：
(a)薄膜，具有相对的第一表面以及第二表面；
(b)阳极，设置于所述薄膜的所述第一表面，所述阳极以下列步骤制成：
(i)混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电以及第三数量的第二聚合物的聚合物以形成溶液；
(ii)使得所述溶液进入具有针头尖端的金属针头；
(iii)施加电压于所述针头尖端以及收集基板之间，所述收集基板与所述针头尖端相隔一距离；
(iv)将所述溶液以一流动速率推出所述针头尖端以产生电纺纤维以及使得所产生的所述电纺纤维沉积于所述收集基板上以形成包含多孔网状的纤维的栅网，其中每一所述电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于每一所述电纺纤维；以及
(v)将所述栅网压在所述薄膜的所述第一表面上；以及
(c)阴极，设置于所述薄膜的所述第二表面；
其中，所述催化剂包含碳材担载铂(Pt/C)，所述第一数量的催化剂、所述第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及所述第三数量的第二聚合物的重量比例为15∶3∶2，所述电极制备完成时铂的负载量介于0.025至0.4毫克/平方厘米的范围。
27.一种质子交换薄膜燃料电池，包含：
(a)薄膜电极组件，包含：
(i)薄膜，具有相对的第一表面以及第二表面；
(ii)阳极，设置于所述薄膜的所述第一表面；以及
(iii)阴极，设置于所述薄膜的所述第二表面；
(b)第一流场极板，具有可将燃料导引至所述阳极的通道；以及
(c)第二流场极板，具有可将氧化剂导引至所述阴极的通道，
其中所述阳极与所述阴极的至少其中之一是以下列步骤制成：
混合至少第一数量的催化剂、第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及第三数量的第二聚合物以形成溶液；
使所述溶液进入具有针头尖端的金属针头；
施加电压于所述针头尖端以及收集基板之间，所述收集基板与所述针头尖端相隔一距离；
将所述溶液以一流动速率推出所述针头尖端以产生一电纺纤维以及使得所产生的所述电纺纤维沉积于所述收集基板上以形成包含多孔网状的纤维的栅网，其中每一所述电纺纤维具有复数个催化剂的粒子，分布于每一所述电纺纤维；以及
将所述栅网压在所述薄膜上；
其中，所述催化剂包含碳材担载铂(Pt/C)，所述第一数量的催化剂、所述第二数量的离子聚合物或未带电的聚合物以及所述第三数量的第二聚合物的重量比例为15∶3∶2，所述电极制备完成时铂的负载量介于0.025至0.4毫克/平方厘米的范围。
28.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述第一流场极板可将氢气导引至所述阳极，而所述第二流场极板可将氧气导引至所述阴极。
29.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述离子聚合物包含纳菲薄膜
30.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述第二聚合物包含聚丙烯酸(PAA)。
31.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述收集基板包含碳纸或碳布气体扩散层。
32.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述收集基板设置于旋转干燥桶上。
33.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所形成的所述电纺纤维的平均粒径为470纳米。
34.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述阴极制备完成时具有的电化学表面积为114平方米/每克铂。
35.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述薄膜是离子导通的。
36.根据权利要求35所述的燃料电池，其中所述薄膜是质子导通的。
37.根据权利要求36所述的燃料电池，其中所述质子导通的薄膜包含全氟磺酸。
38.根据权利要求37所述的燃料电池，其中所述全氟磺酸薄膜包含纳菲薄膜
39.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述薄膜为纳米纤维组成的薄膜。
40.根据权利要求27所述的燃料电池，其中所述催化剂包含铂粒子、铂合金粒子、碳粒子担载铂、稀有金属粒子、碳粒子担载稀有金属、稀有金属基底合金、碳粒子担载稀有金属基底合金、银粒子、镍粒子、银合金粒子、镍合金粒子、铁粒子、铁合金粒子、钯粒子、钯合金粒子、芯壳催化剂粒子、非铂族金属燃料电池催化剂、或其组合。
CN201180062942.7A 2010-10-27 2011-10-27 纳米纤维电极及其制备方法 Active CN103328204B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US40733210P 2010-10-27 2010-10-27
US61/407,332 2010-10-27
PCT/US2011/058088 WO2012058425A2 (en) 2010-10-27 2011-10-27 Nanofiber electrode and method of forming same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103328204A CN103328204A (zh) 2013-09-25
CN103328204B true CN103328204B (zh) 2016-10-26

Family

ID=45994756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180062942.7A Active CN103328204B (zh) 2010-10-27 2011-10-27 纳米纤维电极及其制备方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9905870B2 (zh)
EP (1) EP2633581B1 (zh)
JP (1) JP5964846B2 (zh)
KR (1) KR20140000700A (zh)
CN (1) CN103328204B (zh)
CA (1) CA2815254A1 (zh)
WO (1) WO2012058425A2 (zh)

Families Citing this family (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ303780B6 (cs) 2012-07-27 2013-05-02 Contipro Biotech S.R.O. Zvláknovací tryska pro výrobu nano a mikrovlákenných materiálu slozených z vláken s koaxiální strukturou
US20140051013A1 (en) 2012-08-14 2014-02-20 Yossef A. Elabd Ion conducting nanofiber fuel cell electrodes
TWI507244B (zh) * 2013-05-23 2015-11-11 Gunitech Corp 製造纖維觸媒的方法及其纖維觸媒
US9531025B2 (en) 2013-06-04 2016-12-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Membrane-electrode assembly, manufacture method thereof, and solid polymer fuel cell
WO2015060655A1 (ko) * 2013-10-23 2015-04-30 주식회사 아모그린텍 이온교환막을 구비한 탈염용 복합전극, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 탈염 장치
US9979028B2 (en) * 2013-12-13 2018-05-22 GM Global Technology Operations LLC Conformal thin film of precious metal on a support
WO2015124251A1 (en) * 2014-02-20 2015-08-27 Merck Patent Gmbh Method for the preparation of fibers from a catalyst solution, and articles comprising such fibers
CN107408705A (zh) * 2014-09-24 2017-11-28 美国范德堡大学 聚合物溶液、纤维垫和具有所述纤维垫的纳米纤维膜电极组件以及其制造方法
EP3238300A1 (en) * 2014-12-24 2017-11-01 3M Innovative Properties Company Porous adhesive networks in electrochemical devices
US20180269507A1 (en) * 2015-10-02 2018-09-20 Vanderbilt University Nanofiber mats, making methods and applications of same
KR102664893B1 (ko) 2016-12-13 2024-05-08 한양대학교 산학협력단 코일-주름 구조를 갖는 복합 섬유, 이를 포함하는 슈퍼 커패시터 및 그 제조 방법.
KR101972580B1 (ko) * 2017-08-23 2019-04-29 (주)엘켐텍 웹구조의 전극촉매층을 갖는 전기화학 셀용 막전극접합체의 제조방법
KR101972581B1 (ko) * 2017-08-23 2019-04-29 (주)엘켐텍 나노섬유층을 갖는 기체확산층을 구비한 수전해 막전극접합체 및 그 제조방법
EP3711108A4 (en) 2017-11-16 2021-09-01 Vanderbilt University NANOFIBER ELECTRODES, METHODS OF MANUFACTURING AND APPLICATIONS THEREOF
CN109930227A (zh) * 2017-12-18 2019-06-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种具有纤维结构的电极材料及制备和应用
CN109913971A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 中国科学院大连化学物理研究所 一种多孔复合纳米纤维及其制备方法和应用
JP7069982B2 (ja) * 2018-04-02 2022-05-18 株式会社豊田中央研究所 不織布
JP2019204700A (ja) * 2018-05-24 2019-11-28 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ 燃料電池の製造方法
US20210301305A1 (en) 2018-06-13 2021-09-30 Voyager Therapeutics, Inc. Engineered untranslated regions (utr) for aav production
CN112770812A (zh) 2018-07-24 2021-05-07 沃雅戈治疗公司 产生基因治疗制剂的系统和方法
WO2020072849A1 (en) 2018-10-04 2020-04-09 Voyager Therapeutics, Inc. Methods for measuring the titer and potency of viral vector particles
WO2020072844A1 (en) 2018-10-05 2020-04-09 Voyager Therapeutics, Inc. Engineered nucleic acid constructs encoding aav production proteins
EP3867389A1 (en) 2018-10-15 2021-08-25 Voyager Therapeutics, Inc. Expression vectors for large-scale production of raav in the baculovirus/sf9 system
WO2020096086A1 (ko) * 2018-11-08 2020-05-14 (주)엘켐텍 나노섬유층을 갖는 기체확산층과 이를 구비한 수전해 막전극접합체 및 그 제조방법
EP3911410A1 (en) 2019-01-18 2021-11-24 Voyager Therapeutics, Inc. Methods and systems for producing aav particles
EP3962536A1 (en) 2019-04-29 2022-03-09 Voyager Therapeutics, Inc. Systems and methods for producing baculoviral infected insect cells (biics) in bioreactors
CN110071313B (zh) * 2019-05-05 2022-04-01 吉林大学 聚苯并咪唑基多组分纳米高温质子交换复合膜、制备方法及其应用
WO2020231628A1 (en) * 2019-05-13 2020-11-19 Nikola Corporation Catalyst layers of membrane-electrode assemblies and methods of making same
EP4010465A1 (en) 2019-08-09 2022-06-15 Voyager Therapeutics, Inc. Cell culture medium for use in producing gene therapy products in bioreactors
WO2021041485A1 (en) 2019-08-26 2021-03-04 Voyager Therapeutics, Inc. Controlled expression of viral proteins
JP7184011B2 (ja) * 2019-10-25 2022-12-06 株式会社豊田中央研究所 触媒層
CN110777424B (zh) * 2019-11-14 2023-07-18 南京工业职业技术学院 一种纳米针尖批量生产装置及制备方法
US20220246945A1 (en) * 2019-12-10 2022-08-04 Dalian Institute Of Chemical Physics, Chinese Academy Of Sciences Fibrous Electrode Material, Preparation and Application Thereof
JP7365885B2 (ja) 2019-12-13 2023-10-20 日本バイリーン株式会社 繊維シートおよびその製造方法
WO2022032153A1 (en) 2020-08-06 2022-02-10 Voyager Therapeutics, Inc. Cell culture medium for use in producing gene therapy products in bioreactors
US20240141377A1 (en) 2021-03-03 2024-05-02 Voyager Therapeutics, Inc. Controlled expression of viral proteins
WO2022187548A1 (en) 2021-03-03 2022-09-09 Voyager Therapeutics, Inc. Controlled expression of viral proteins
CN113106629A (zh) * 2021-04-07 2021-07-13 中国人民解放军国防科技大学 一种有序纳米纤维质子交换膜及其制备方法与应用
KR20230108545A (ko) 2022-01-11 2023-07-18 주식회사 네이션스 알칼라인 수전해 전지
WO2023243449A1 (ja) * 2022-06-14 2023-12-21 Ｔｏｐｐａｎホールディングス株式会社 水電解装置用積層体、水電解装置用膜電極接合体及び水電解装置
WO2024054983A1 (en) 2022-09-08 2024-03-14 Voyager Therapeutics, Inc. Controlled expression of viral proteins

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1873064A (zh) * 2006-06-30 2006-12-06 北京化工大学 定向磁性电纺纳米纤维及其制备方法和所用设备
CN101665232A (zh) * 2009-09-17 2010-03-10 中国科学院长春应用化学研究所 钯纳米颗粒/碳纳米纤维复合物、制法及其在电催化的应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1829147A2 (en) * 2004-11-16 2007-09-05 Battelle Memorial Institute Solution based enhancements of fuel cell components and other electrochemical systems and devices
WO2006061993A1 (ja) 2004-12-07 2006-06-15 Toray Industries, Inc. 膜電極複合体およびその製造方法、ならびに燃料電池
JP4719015B2 (ja) * 2006-01-20 2011-07-06 株式会社東芝 電解質膜、膜電極複合体及び燃料電池
JP2007319839A (ja) * 2006-06-05 2007-12-13 Mitsubishi Chemicals Corp 繊維状金属酸化物触媒
US20080305377A1 (en) * 2007-03-15 2008-12-11 University Of Rochester Long metallic nanowires, methods of making, and use thereof in proton exchange membrane fuel cell
JP2008243777A (ja) * 2007-03-29 2008-10-09 Electric Power Dev Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池およびその膜電極接合体
WO2009075357A1 (ja) 2007-12-13 2009-06-18 Asahi Glass Company, Limited 固体高分子形燃料電池用電極、膜電極接合体および触媒層の製造方法
JP5375022B2 (ja) * 2008-10-17 2013-12-25 旭硝子株式会社 繊維の製造方法および触媒層の製造方法
FI20086154A0 (fi) * 2008-12-02 2008-12-02 Valtion Teknillinen Katalyyttirakenne

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1873064A (zh) * 2006-06-30 2006-12-06 北京化工大学 定向磁性电纺纳米纤维及其制备方法和所用设备
CN101665232A (zh) * 2009-09-17 2010-03-10 中国科学院长春应用化学研究所 钯纳米颗粒/碳纳米纤维复合物、制法及其在电催化的应用

Also Published As

Publication number Publication date
EP2633581B1 (en) 2018-12-19
JP5964846B2 (ja) 2016-08-03
WO2012058425A2 (en) 2012-05-03
KR20140000700A (ko) 2014-01-03
WO2012058425A3 (en) 2012-06-14
EP2633581A4 (en) 2017-03-15
CA2815254A1 (en) 2012-05-03
US20130209913A1 (en) 2013-08-15
US9905870B2 (en) 2018-02-27
CN103328204A (zh) 2013-09-25
JP2014504424A (ja) 2014-02-20
EP2633581A2 (en) 2013-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103328204B (zh) 纳米纤维电极及其制备方法
Brodt et al. Fabrication, in-situ performance, and durability of nanofiber fuel cell electrodes
Du et al. The effect of Nafion ionomer loading coated on gas diffusion electrodes with in-situ grown Pt nanowires and their durability in proton exchange membrane fuel cells
JP2014504424A5 (zh)
US20200350593A1 (en) Ion conducting nanofiber fuel cell electrodes
Taghiabadi et al. Effect of MEA activation method on the long-term performance of PEM fuel cell
US20210384493A1 (en) Composite fiber electrodes and applications of same
US20190245233A1 (en) Inks for nanofiber fuel cell electrode and membrane-electrode-assemblies, and methods of ink formulations
CN100559641C (zh) 膜电极复合体及其制造方法、和燃料电池
Si et al. Electrochemical Characterization of Pre‐conditioning Process of Electrospun Nanofiber Electrodes in Polymer Electrolyte Fuel Cells
Wang et al. An ordered structured cathode based on vertically aligned Pt nanotubes for ultra-low Pt loading passive direct methanol fuel cells
US20180269507A1 (en) Nanofiber mats, making methods and applications of same
CN107408705A (zh) 聚合物溶液、纤维垫和具有所述纤维垫的纳米纤维膜电极组件以及其制造方法
Gao et al. Low-platinum dissymmetric membrane electrode assemblies for fuel cells suitable for a variety of external humidification conditions
Chai et al. Fabrication of nano-network structure anode by zinc oxide nanorods template for passive direct methanol fuel cells
Waldrop et al. Electrospun particle/polymer fiber electrodes with a neat nafion binder for hydrogen/air fuel cells
Pintauro Fuel Cell Membrane Electrode Assemblies with Ultra-Low Pt Nanofiber Electrodes
Zhang et al. Preparation and characterization of nanofiber catalyst layer for proton exchange membrane fuel cells
US20180138519A1 (en) Nanofiber electrode and method of forming same
Slack et al. Electrospun nanofiber fuel cell MEA cathodes with PtCo/C catalyst
US20220246945A1 (en) Fibrous Electrode Material, Preparation and Application Thereof
Yang et al. 3D patterned electrodes for ultra-low platinum fuel cells
Sightler et al. Application of Electrospinning Technique in the Fabrication of Catalyst Layer of Membrane Electrode Assemblies
Fujigaya et al. Design of highly durable electrocatalyst for high-temperature polymer electrolyte fuel cell
JP2013206543A (ja) 燃料電池用触媒層構造体、膜電極接合体、燃料電池、燃料電池用触媒層構造体の作製法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant