CN103413947A - 燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法 - Google Patents

燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法 Download PDF

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Abstract

燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法，通过静电纺丝技术将聚合物纳米纤维沉积在气体扩散材料一侧，再用磁控溅射和真空蒸镀方法将具有催化活性的金属纳米粒子沉积在聚合物纳米纤维表面，或直接将催化剂料浆喷涂在纳米纤维薄膜一侧形成多孔单电极，再将两个单电极和一层质子交换膜组合成三合一膜电极。本发明的有益效果在于：静电纺丝制备的高孔隙率与高比表面积的纳米纤维层替代了传统的微孔层，增大了催化活性面积，有利于三相反应界面和传质；磁控溅射和真空蒸镀的活性金属催化层附着性好，镀层均匀，厚度可控，不但减少了活性金属催化剂的用量，而且还极大提高了催化剂利用率。

Description

燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极、膜电极及制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将(H2、甲醇等)燃料和氧化剂的化学能直接转换为电能的转换装置，其能量转换效率高、对环境污染小、可靠性和维护性好等诸多优点，被誉为继水力、火力和核能之后的第四代发电装置，是最符合可持续发展的新型能源。质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel Cell，PEMFC)是其中适用范围最广，最具应用前景的一种。膜电极又是质子交换膜燃料电池的核心部件，由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，在PEMFC中起催化两极反应和传导质子和电子等作用，对PEMFC的性能非常关键。
目前，商业化的质子交换膜主要为美国Dupont公司生产的Nafion系列全氟型磺酸膜，膜厚一般为25～180μm。催化层，包括阴极催化层和阳极催化层，由全氟型磺酸质子导体和电催化剂(如商业化Pt／C催化剂)构成，是电池反应的主要场所。阴极催化层作用是对O2进行还原，通常催化剂的用量较大。阳极催化层作用是对H2进行氧化，由于室温下Pt对氢有氧化具有较高的交换电流密度，因此催化剂用量较少。气体扩散层通常为经聚四氟乙烯(PTFE)疏水处理的多孔碳纸或碳布，主要起到加快气、液传输、电子集电体及对催化层与质子交换膜起到支撑作用。由于贵金属催化剂是稀缺资源，价格昂贵，所以膜电极很大一部分研究集中于降低贵金属催化剂用量。为此，人们提出了薄层催化层膜电极和有序化膜电极以降低Pt等贵金属的用量。中国专利ZL99112826.5采用水和乙二醇配置碳担载铂和Nafion形成质子导体聚合物墨汁，采用喷涂方法制备了均匀的薄层催化剂；美国专利US5211984也采用了薄层亲水的催化层膜电极。在此基础上，又提出了超薄催化层电极。例如，武汉理工大学木士春等采用转移法(Decal method)制备了超薄的膜／催化层组件(CCM，catalyst coatedmembrane)(ZL200410012744.1)；美国3M公司采用纳米碳须为载体，在其表面采用磁控溅射制备了一层超薄铂及其铂合金催化剂，担载量0.02～0.2mg／cm2(S.Chalk，J.Milliken，et al.Fuelcells for transportation program contractor’s annual progress report，November1998：38)。同时，武汉理工大学木士春等(CN102738478A：CN102738477A：CN102760899A：CN102723509A：CN102723500A)采用模板法合成了有序化膜电极，有效降低了催化层厚度，减少了贵金属Pt的用量。但要实现膜电极的规模化制备，上述方法有一定难度。新近，木士春等人(中国发明专利，申请号201310041096.1)又进一步报导了一种具有纳米三明治结构的燃料电池非贵金属有序化膜电极，但非Pt催化剂的催化活性还需要进一步提高。
静电纺丝技术是将聚合物或无机物前躯体溶液注入注射器中，使注射器针头与高压电源的一个电极相连形成高压电场。在高压电场的作用下，由于电荷密度增加，静电斥力增加导致弯曲不稳定射流或鞭动不稳定射流从而得到超细纤维。最后，静电纺丝形成的带电超细纤维随机沉积在接收器上，得到薄膜状、薄纸状或毡状的无纺布。在中国专利CN201210037019.4中介绍了静电纺丝技术制备锂离子电池隔膜的聚偏氟乙烯纳米纤维的制备方法；在中国专利CN200710122897.5采用静电纺丝技术制备了一种纳米纤维离子交换膜，具有孔隙率高、在水中不变形、耐高温等优良性能。范德堡大学将Pt／C催化剂和Nafion混合并利用静电纺丝技术制备了多孔结构阴极催化层(Wenjing Zhang，Electrospinning Pt-C Catalysts into a NanofiberFuel Cell Cathode，Winter2010：51)。Michael W.Cason(2010)也利用静电纺丝技术将Nafion溶液电纺，制备出具有多孔纳米纤维结构的质子交换膜。
磁控溅射是电子在高压电场作用下与氩原子碰撞，使其电离出Ar正离子，Ar离子在电场作用下高速撞击靶材，使靶材溅射出的原子沉积在待镀材料上；真空蒸镀是将金属置于真空中进行蒸发，使金属蒸汽从真空室转移到低温待镀样品上凝结成膜。磁控溅射和真空蒸镀法的厚度可控，镀层薄且均匀，成本低、生产过程简单和成膜附着性好，对贵金属催化剂有很高的利用率，在提高性能同时还能减少活性金属尤其是贵金属的用量。近年来，磁控溅射和真空蒸镀法被广泛应用于燃料电池领域。Huang Shihua等(Surface and CoatingsTechnology，2009，204：558)利用磁控溅射方法制备了不同厚度的(Ge／Si)纳米多层膜，研究了生长条件对薄膜结构和性质的影响。意大利布林迪西研究中心Alvisi研究员(Surface andCoatings Technology，2005，200：1325)采用磁控溅射沉积2-5nm纳米铂簇对甲醇的催化活性是商业催化剂活性的14倍。韩国能源系统工程部S.Y.Cha(Journal of the Electrochemical Society，1999，146f11)：4055-4060)采用真空蒸镀方法制备出0.043mg Pt／cm2超薄的铂基催化层，大大增加了铂的利用率，相比于传统的铂利用率提高了10倍。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极。该单电极有序多孔纳米纤维薄膜替代了现有的微孔层，不但有同样疏水效果，而且有序化的结构更有利于三相界面的反应和气体均匀的扩散，提高质子交换膜的寿命。
本发明的另外一个目的是提供了由该燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极得到的膜电极及制备方法，其贵金属催化剂用量和效率上都明显优于传统质子交换膜燃料膜电极。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，包括有气体扩散层，其特征在于：在气体扩散层材料一侧沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜，所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜的纳米纤维表面均匀沉积一层具有催化活性的金属纳米粒子，形成多孔单电极，所述的多孔聚合物纳米纤维的成分为可以电纺的纯高分子聚合物或者共纺高分子聚合物。
按上述方案，所述的气体扩散层材料为亲水的碳纸或碳布，或是经聚四氟乙烯疏水处理的碳纸或碳布。
按上述方案，经聚四氟乙烯疏水处理的碳纸或碳布的具体制备步骤如下：将碳纸浸入到聚四氟乙烯疏水剂中，时间为5～10分钟，并在340～350℃下煅烧20～30分钟，其中聚四氟乙烯疏水剂的固含量为10wt％～30wt％。
按上述方案，气体扩散层一侧预先涂覆由聚四氟乙烯和导电纳米碳黑混合而成的微孔层，聚四氟乙烯含量为10～30wt％，经350℃下煅烧20～30min后成型。
按上述方案，所述的纯高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚氨酯。
按上述方案，所述的共纺高分子聚合物为聚偏氟乙烯／聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯／聚氨酯、聚偏二氟乙烯／六氟丙烯、聚苯胺／聚苯乙烯、聚苯胺／聚环氧乙烷、聚苯胺／聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion／聚偏氟乙烯、Nafion／聚四氟乙烯、Nafion／聚环氧乙烷、Nafion／聚乙烯醇。
按上述方案，所述的纯高分子聚合物或共纺高分子聚合物纳米纤维直径小于500nm。按
上述方案，所述的纯高分子聚合物或者共纺高分子聚合物纳米纤维直径50～250nm。
按上述方案，所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜厚度小于20μm。
按上述方案，所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜厚度1～10μm。
所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)称取纯高分子聚合物或共纺高分子聚合物粉体，加入溶剂进行稀释搅拌，配制成混合均匀的电纺聚合物液体；
2)在静电纺丝装置的接收板上固定好气体扩散层材料，用注射器取步骤1)所述的电纺聚合物液体，固定在微量注射泵上，注射器针头端口磨成平口，与高压电源的输出端相连，将所述的气体扩散层材料固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节注射器推进速度，针头有液滴时，打开高压电源，调节到工作电压，控制电纺时间，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜；
3)将沉积有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的气体扩散层材料置于真空干燥箱中干燥，使溶剂挥发，得到沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的气体扩散层材料；
4)将活性金属靶材放入磁控溅射仪器中，将一侧沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的气体扩散层材料放入磁控溅射样品室，将多孔聚合物纳米纤维薄膜的膜面朝上放置，对着靶材；密封溅射室，抽真空到小于5×10-4Pa后，通过控制溅射时间，在多孔聚合物纳米纤维薄膜上均匀溅射一层具有催化活性的金属纳米粒子，即得到多孔单电极；
或者，将活性金属靶材放入真空蒸镀仪器中，将一侧沉积有多孔聚合物纤维薄膜的气体扩散层材料放入真空蒸镀样品室，多孔聚合物纳米纤维薄膜的膜面向上，对着靶材；密封真空室，抽真空到小于5×10-4Pa后，控制电子束电流和蒸镀时间在多孔聚合物纳米纤维薄膜上均匀蒸镀一层具有催化活性的金属纳米粒子，得到多孔单电极；
或者，将具有催化活性的金属纳米粒子制成料浆喷涂在沉积有多孔聚合物纤维薄膜的气体扩散层材料的一侧，得到多孔单电极，所述的料浆的组成成分的按质量比计为金属催化剂：全氟磺酸树脂：溶剂=5-1：1：5-30，其中，所述的溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇或丙三醇。
具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极，其特征在于：在质子交换膜两侧分别紧贴具有权利要求1-10任一项所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极。
所述的具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：取所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，将质子交换膜放在两个燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极中间，并使沉积有具有催化活性的金属纳米粒子的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极的一侧贴在质子交换膜两侧，经过热压获得膜电极，热压的压力1～4MPa，温度90～140℃，时间60～120秒。
本发明所述的质子交换膜材料包括具有磺酸基团的全氟磺酸树脂(美国DuPont公司的Nafion，包括各种长短链的Nafion)、部分氟化的质子交换树脂BAM3G(Ballard公司生产的BAM3G)及非氟化的质子交换树脂。
按上述方案，所述的非氟化的质子交换树脂为磺化聚砜类树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑、磺化聚磷腈、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂或磺化聚醚醚酮树脂。
本发明采用静电纺丝技术将高孔隙率的多孔聚合物纳米纤维沉积在气体扩散层材料一侧，相对于传统的气体扩散层材料，高比表面积的纳米纤维层担载的活性金属纳米粒子催化剂，增大了催化活性面积，提高了贵金属催化剂的利用率。多孔聚合物纳米纤维薄膜替代了传统的微孔层结构，不但可以起到传统微孔层的疏水效果，而且这种多孔的三维结构更加有利于三相界面反应和粒子传质。磁控溅射和真空蒸镀沉积的具有催化活性的金属纳米粒子与多孔聚合物纳米纤维薄膜镀层薄且均匀，不但减少贵金属催化剂用量，也缩短了粒子传输距离。本发明的质子交换膜燃料电池膜电极无论从贵金属催化剂用量和效率上都明显优于传统质子交换膜燃料膜电极，多孔聚合物纳米纤维薄的耐腐蚀性能更有利于提高膜电极的寿命。
本发明的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，以气体扩散层材料为基体，利用静电纺丝技术将多孔聚合物纳米纤维沉积在气体扩散层一侧，然后通过磁控溅射和真空蒸镀技术在具有多孔聚合物纳米纤维膜一侧上均匀镀有一层纳米活性金属催化剂，或将催化剂料浆喷涂在多孔聚合物纳米纤维薄膜一侧形成单电极，其活性金属催化剂载量为0.05～0.30mg／cm2。
本发明的具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极，分别由中间的质子交换膜(如商业化的
Figure BDA0000372725760000051
膜)和两侧的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极构成，充当气体扩散层材料的碳纸或碳布一侧沉积一层多孔聚合物纳米纤维薄膜，并在有多孔聚合物纳米纤维的薄膜表面及膜内均匀沉积具有催化活性的金属纳米粒子的超薄催化层。
本发明所述的活性金属催化剂为担载或无担载贵金属单质或贵金属合金催化剂，所述贵金属合金为MxNy，或MxNy，Oz，其中M、N、O分别为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、v、Ga及Mo中的任一金属元素，M、N、O三者互不相同，但至少有一种为贵金属铂，x、v和z为催化剂中各金属质量比，其数值分别为大于0至100，且x+y=100或x+y+z=100，所述的贵金属单质为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir和Os中的任意一种；本发明所述的担载型催化剂的担载材料包括纳米导电炭黑、碳纳米管、石墨烯以及导电纳米陶瓷等。
将制备的具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极组装成单电池，进行电性能测试过程如下：
单电池组装及测试：将具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极、集流板、端板及密封材料组装成单电池，单电池操作条件为：
直接氢燃料电池(PEMFC)：H2／空气，空气压力为0.1MPa；阳极增湿，增湿度为0～100％；单电池工作温度为60～100℃。
通过静电纺丝技术将聚合物纳米纤维沉积在气体扩散层材料一侧，再采用磁控溅射、蒸镀和喷涂等方法将活性金属催化剂沉积在聚合物纳米纤维表面，形成多孔单电极，再将两个多孔单电极和一层质子交换膜组合成三合一膜电极。
本发明不但可以通过静电纺丝技术控制多孔聚合物纳米纤维薄膜的厚度，而且通过磁控溅射和真空蒸镀技术使催化剂层的厚度也可控，从而实现膜电极活性贵金属催化剂载量的精确控制。获得的膜电极特点是质子交换膜两侧具有多孔(孔隙率可高达60％以上)的高比表面积的多孔聚合物纳米纤维薄膜，并以多孔聚合物纳米纤维薄膜作为载体担载具有催化活性的纳米金属粒子，形成燃料电池膜电极的活性催化中心。同时，多孔纳米纤维层也可取代传统膜电极中的微孔层(micropore layer，MPL)，起到加快水、气分离的作用。通过磁控溅射和真空蒸镀技术使活性金属纳米粒子沉积到聚合物纤维表面，此活性金属催化层有很好的均匀性和附着性，极大地增加了催化层面积及三相反应界面(Triple phase boundary，TPD)，提高了贵金属或其合金催化剂的催化性能，并减少了贵金属催化剂的用量；此外，也可直接将催化剂料浆直接喷涂在纳米纤维薄膜形成多孔单电极；这种具有多孔纳米纤维的膜电极不仅能加快反应物及反应产物的传输，而且有利于提高催化剂的催化效率。
与现有的背景技术相比，本发明的膜电极具有以下的优点：
1、采用聚合物纳米纤维沉积在气体扩散层材料表面形成多孔纳米纤维层替代传统的微孔层和催化层，有利于提高三相反应界面和传质。
2、高孔隙率与高比表面积的纳米纤维层极大地增加了催化活性面积，提高了活性金属催化剂的利用率。
3、通过磁控溅射和真空蒸镀等技术，将活性金属粒子沉积到多孔聚合物纳米纤维薄膜上，形成的活性金属粒子镀层均匀性好，镀层与被镀材料的附着力强，可以提高膜电极的寿命。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。实施例中所述的多孔纳米纤维膜电极是按上述方法制备。
实施例1
称取0.55g烘干后的聚偏氟乙烯(PVDF)粉末，2.4g二甲基二酰胺(DMF)，1.6g丙酮混合于烧杯中，用磁力搅拌器在50℃下搅拌0.5h，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体。在静电纺丝装置的接收板上固定好气体扩散层材料，用聚四氟乙烯处理过的疏水碳纸：将碳纸浸入到聚四氟乙烯疏水剂中，时间为10分钟，并在350℃下煅烧30分钟，其中聚四氟乙烯疏水剂的固含量为10wt％～30wt％。用规格为5ml或10ml的注射器取2ml的电纺丝聚合物液体，固定在微量注射泵上。注射器针头端口磨成平口，与高压电源的输出端相连。将疏水碳纸固定在接地的铝箔上作为接受屏。启动注射泵，调节注射器推进速度，针头有液滴时，打开高压电源，调节到工作电压为15kv，电纺时间为10min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。将粘附有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸置于真空干燥箱中，保持温度60℃干燥，使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维薄膜。其中纳米纤维直径约为250nm，膜厚为5μm。多孔聚合物纳米纤维薄膜孔隙率大于80％。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，将沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的疏水碳纸放入磁控溅射样品室，多孔聚合物纳米纤维薄膜面向上，对着靶材，密封溅射室，用机械泵抽真空，待溅射室真空度小于5Pa后，改用分子泵抽到小于5×10-4Pa后，在1.8W的反射功率下溅射3min，得到Pt载量为0.1mg／cm2的多孔单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg／cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔聚合物纳米纤维膜单电极中间，并使溅射有活性金属催化剂的多孔聚合物纤维薄膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度110℃，时间80s。阳极Pt载量为0.1mg／cm2；阴极Pt载量为0.2mg／cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2／空气，空气压力为0.1MPa：阴极、阳极100％增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流(毫安／厘米2) 200 600 1000
电压(伏特) 0.801 0.728 0.680
实施例2
称取0.65g烘干后的PVDF粉末，2.8g二甲基二酰胺(DMF)，1.8g丙酮混合于烧杯中，用磁力搅拌器在50℃下搅拌0.5h，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。调节到工作电压为15kv，电纺时间15～16min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。将粘附有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸置于真空干燥箱中，保持温度60℃干燥，使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维薄膜。其中多孔聚合物纳米纤维直径约为200nm，膜厚约为8μm。多孔纳米纤维膜孔隙率大于90％。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余具体操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射1.5min，即得到Pt载量为0.05mg／cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg／cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔聚合物纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力3MPa，温度100℃，时间80s。阳极Pt载量为0.05mg／cm2：阴极Pt载量为0.2mg／cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2／空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100％增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流(毫安／厘米2) 200 600 1000
电压(伏特) 0.791 0.719 0.671
实施例3
称取0.75g烘干后的PVDF粉末，3.0g二甲基二酰胺(DMF)，2.0g丙酮混合于烧杯中，用磁力搅拌器在50℃下搅拌0.5h，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。调节到工作电压为13kv，电纺时间20min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。将沉积有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的碳纸置于真空干燥箱中，保持温度60℃干燥，使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维薄膜。其中纳米纤维直径约为200nm，膜厚为10μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80％。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余具体操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射1.5min，即得到Pt载量为0.05mg／cm2的单电极。
用同样的方法溅射7.5min，制备另一个Pt载量为0.25mg／cm2的单电极。
将美国DuPont公司公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度130℃，时间70s。阳极Pt载量为0.05mg／cm2：阴极Pt载量为0.25mg／cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2／空气，空气压力为0.1MPa：阴极、阳极100％增湿；单电池工作温度为95℃。
测试结果如下：
电流(毫安／厘米2) 200 600 1000
电压(伏特) 0.793 0.723 0.672
实施例4
称取0.80g烘干后的PVDF粉末，3.2g二甲基二酰胺(DMF)，2.2g丙酮混合于烧杯中，用磁力搅拌器在50℃下搅拌0.5h，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。调节到工作电压为15kv，电纺时间8～9min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。将沉积有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸置于真空干燥箱中，保持温度60℃干燥，使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维膜。其中纳米纤维直径约为500nm，膜厚约为10μm微米。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于60％。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余具体操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射1.5min，即得到Pt载量为0.05mg／cm2的单电极。
用同样的方法溅射4.5min，制备另一个Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射有活性金属催化剂的多孔纤维一侧贴住质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度120℃，时间90s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.15mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.711 0.638 0.605
实施例5
称取0.90g烘干后的PVDF粉末，3.8g二甲基二酰胺（DMF），2.6g丙酮混合于烧杯中，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。调节到工作电压15kv，电纺时间30min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。将粘附有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的疏水碳纸置于真空干燥箱中，保持温度60℃干燥，使溶剂挥发，得到多孔纳米纤维膜。其中纳米纤维直径约为180纳米，膜厚约为15μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于70%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射3min，即得到Pt载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射4.5min，制备另一个Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力1MPa，温度140℃，时间60s。阳极Pt载量为0.1mg/cm2；阴极Pt载量为0.15mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极70%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.776 0.703 0.621
实施例6
称取0.50g聚苯乙烯粉末，3ml氯仿，1ml四氢呋喃于烧杯中，用磁力搅拌器在90℃下水浴搅拌直至聚苯乙烯全部溶解，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体。将其电纺在疏水碳纸一侧，其余操作同实例1。在15kv电压下电纺20min，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜。常温干燥使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维膜。其中纳米纤维直径约为170nm，膜厚为10μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于75%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射3min，即得到Pt载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射7.5min，制备另一个Pt载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度120℃，时间80s。阳极Pt载量为0.1mg/cm2；阴极Pt载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1MPa；阴极、阳极50%增湿；单电池工作温度为75℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.785 0.691 0.602
实施例7
称取0.50g聚丙烯腈粉末，3ml二甲基甲酰胺于烧杯中，用磁力搅拌器在90℃下水浴搅拌直至聚苯聚丙烯腈全部溶解，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体。将其电纺在疏水碳纸一侧，其余操作同实例1。在15kv电压下电纺25min，得到电纺膜。常温干燥使溶剂挥发，得到多孔纳米纤维膜。其中纤维直径约为190nm，膜厚为12μm。多孔纳米纤维膜孔隙率大于70%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射4.5min，即得到Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力3MPa，温度90℃，时间120s。阳极Pt载量为0.15mg/cm2；阴极Pt载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1MPa；阴极、阳极90%增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.802 0.715 0.651
实施例8
称取0.50g聚甲基丙烯酸甲酯粉末，3ml氯仿，2ml四氢呋喃于烧杯中，用磁力搅拌器在80℃下水浴搅拌直至聚苯聚丙烯腈全部溶解，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体。将其电纺在疏水碳纸一侧，其余操作同实例1。在15kv电压下电纺18min，得到电纺膜。常温干燥使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维膜。其中多孔纳米纤维直径约为210nm，膜厚为9μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射4.5min，即得到Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射7.5min，制备另一个Pt载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度130℃，时间100s。阳极Pt载量为0.15mg/cm2；阴极Pt载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为100℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.805 0.723 0.667
实施例9
称取0.50g聚氨酯粉末，3ml二甲基甲酰胺于烧杯中，用磁力搅拌器在90℃下水浴搅拌直至聚聚氨酯全部溶解，配成混合均匀的电纺丝聚合物液体。将其电纺在疏水碳纸一侧，其余操作同实例1。在15kv电压下电纺10min，得到电纺膜。常温干燥使溶剂挥发，得到多孔聚合物纳米纤维膜。其中多孔纳米纤维直径约为180nm，膜厚约为5μm。多孔纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射1.5min，即得到Pt载量为0.05mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度130℃，时间90s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气背压为0.1MPa；阴极、阳极85%增湿；单电池工作温度为70℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.765 0.672 0.577
实施例10
将聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯按照3:1的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺多孔聚合物纳米纤维直径约为200nm，膜厚约为8μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射3min，即得到Pt载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion212质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion212质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度140℃，时间70s。阳极Pt载量为0.1mg/cm2；阴极Pt载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.802 0.723 0.678
实施例11
将聚偏氟乙烯和聚氨酯按照4：1的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺15min，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纤维直径约为100nm，膜厚约为9μm。多孔纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶材放入真空蒸镀仪器中，将沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的气体扩散层材料放入真空蒸镀样品室，多孔纳米纤维膜面向上，对着靶材，密封真空室，用机械泵抽真空，待蒸镀室真空度小于5Pa后，改用分子泵抽到小于5×10-4Pa后，使电子束电流为27A，控制蒸镀时间为10min，在纳米纤维表面均匀蒸镀上一层活性金属纳米粒子，即得到Pt载量为0.05mg/cm2的单电极。
用同样的方法蒸镀50min，制备另一个Pt载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个蒸镀有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使有活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度130℃，时间90s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极80%增湿；单电池工作温度为90℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.796 0.712 0.659
实施例12
将聚偏二氟乙烯和六氟丙烯按照2:1的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺15min，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为150nm，膜厚约为9μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶材放入真空蒸镀仪器中，其余操作同实例11。在27A的电子束电流下蒸镀10min，即得到Pt载量为0.05mg/cm2的单电极。
用同样的方法蒸镀30min，制备另一个Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个蒸镀有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使有活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度130℃，时间80s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.15mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为95℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.806 0.718 0.659
实施例13
将聚苯胺和聚苯乙烯按照1:2的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纤维直径约为50nm，膜厚约为5μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于90%。
将铂金属靶材放入真空蒸镀仪器中，其余操作同实例11。在27A的电子束电流下蒸镀20min，即得到Pt载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法蒸镀30min，制备另一个Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion211质子交换膜放在两个蒸镀有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使有活性金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力1MPa，温度140℃，时间70s。阳极Pt载量为0.1mg/cm2；阴极Pt载量为0.15mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.821 0.724 0.662
实施例14
将聚苯胺和聚环氧乙烷按照5:1的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺20min，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为150nm，膜厚约为10μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于75%。
将铂和钴金属靶材放入真空蒸镀仪器中，其余操作同实例11。在27A的电子束电流下蒸镀20min，即得到一层PtCo合金催化剂，其中Pt载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法蒸镀50min，制备另一个合金催化剂载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的长链Nafion212质子交换膜放在两个蒸镀有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使有贵金属合金催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion212质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力3MPa，温度120℃，时间100s。阳极Pt载量为0.1mg/cm2；阴极Pt载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极95%增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.818 0.719 0.676
实施例15
将聚苯胺和聚甲基丙烯酸甲酯按照3:2的比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，将其电纺在疏水碳纸一侧，在15kv电压下电纺10～12min，其余操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为170nm，膜厚约为6μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于85%。
将铂和钴金属靶材放入真空蒸镀仪器中其余操作同实例11。在27A的电子束电流下蒸镀30min，即得到一层PtNi合金催化剂，其中Pt载量为0.15mg/cm2的单电极。
用同样的方法蒸镀40min，制备另一个合金催化剂载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的Nafion217质子交换膜放在两个蒸镀有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使有贵金属合金催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion217质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度110℃，时间120s。阳极Pt载量为0.15mg/cm2；阴极Pt载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为85℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.812 0.710 0.653
实施例16
将5%浓度的Nafion溶液和聚偏氟乙烯按照9:1的质量比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺15～17min，将其电纺在疏水碳布一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为150nm，膜厚约为8μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶和镍金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1，并且将铂和镍按照原子比例控制为Pt:Ni=3:7，在1.8W的反射功率下溅射4.5min，得到合金催化剂，金属载量为0.15mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射7.5min，制备另一个合金催化剂载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的长链Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射合金金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力3MPa，温度110℃，时间80s。阳极合金载量为0.15mg/cm2；阴极合金载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为75℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.812 0.709 0.656
实施例17
将5%浓度的Nafion溶液和聚四氟乙烯按照9:1的质量比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺19～21min，将其电纺在亲水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为160nm，膜厚约为10μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶和钴金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1，并且将铂和钴按照原子比例控制为Pt:Co=7:3，在1.8W的反射功率下溅射3min，得到合金催化剂，金属载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个合金催化剂载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的长链Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射合金金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度130℃，时间60s。阳极合金载量为0.1mg/cm2；阴极合金载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为75℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.820 0.721 0.679
实施例18
将5%浓度的Nafion溶液和聚环氧乙烷按照95:5的质量比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺14min，将其电纺在亲水碳布一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为120nm，膜厚约为7μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于80%。
将铂金属靶和钯金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1，并且将铂和钯按照原子比例控制为Pt:Pd=5:5，在1.8W的反射功率下溅射3min，得到合金催化剂，载量为0.1mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射7.5min，制备另一个合金催化剂载量为0.25mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的长链Nafion211质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射合金金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力4MPa，温度120℃，时间80s。阳极合金载量为0.1mg/cm2；阴极合金载量为0.25mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极85%增湿；单电池工作温度为75℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.826 0.729 0.688
实施例19
将5%浓度的Nafion溶液和聚乙烯醇按照2:1的质量比例配成混合均匀的电纺丝聚合物液体，在15kv电压下电纺12min，将其电纺在疏水碳纸一侧，其余具体操作同实例1。其中共纺聚合物纳米纤维直径约为80nm，膜厚约为6μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于90%。而且预先在碳纸一侧涂敷一层由聚四氟乙烯和导电碳黑颗粒（XC-72）组成的微孔层，其中聚四氟乙烯含量为30wt%，经350℃下煅烧30min后成型。
将铂金属靶材放入磁控溅射仪器中，其余操作同实例1。在1.8W的反射功率下溅射1.5min，即得到Pt载量为0.05mg/cm2的单电极。
用同样的方法溅射6min，制备另一个Pt载量为0.2mg/cm2的单电极。
将美国DuPont公司的长链Nafion212质子交换膜放在两个溅射有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使溅射贵金属催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion212质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力1.5MPa，温度120℃，时间120s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.2mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.811 0.708 0.667
实施例20
如同实例1，在15kv电压下电纺4min，在将其电纺在疏水碳纸一侧沉积一层多孔纳米纤维膜，其中多孔聚合物纳米纤维直径约为60nm，薄膜厚度为2μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于90%。
将商业的碳载铂催化剂（铂的质量含量为60%）、5%Nafion溶液及乙二醇按质量比4:1:30混合制成料浆，并采用获得的催化剂料浆喷涂在多孔纤维膜一侧，铂载量为0.05mg/cm2。
用同样的方法在另一个多孔纳米纤维膜喷涂上述催化剂料浆，铂载量为0.15mg/cm2。
将美国DuPont公司的长链Nafion212膜放在两个担载有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使喷涂有催化剂的多孔纳米纤维膜一侧贴住Nafion212质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力2MPa，温度100℃，时间110s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.15mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极100%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.780 0.728 0.616
实施例21
如同实例1，在15kv电压下电纺2min，在带有微孔层的疏水碳纸（由聚四氟乙烯和导电纳米碳黑混合而成的微孔层，聚四氟乙烯含量为10～30wt%，经350℃下煅烧20～30min后成型）一侧沉积一层多孔聚合物纳米纤维膜，其中多孔聚合物纳米纤维直径约为70nm，薄膜厚度为1μm。多孔聚合物纳米纤维膜孔隙率大于90%。
将商业的碳载铂催化剂（铂的质量含量为60%）、5%Nafion溶液及异丙醇按质量比3:1:20混合制成料浆，并采用获得的催化剂料浆喷涂在多孔纤维膜一侧，铂载量为0.05mg/cm2。
用同样的方法在另一个多孔聚合物纳米纤维膜喷涂上述催化剂料浆，铂载量为0.1mg/cm2。
将美国DuPont公司的长链Nafion212质子交换膜放在两个担载有活性金属纳米粒子催化剂的多孔纳米纤维膜单电极中间，并使喷涂有催化剂的多孔纤维膜一侧贴住Nafion211质子交换膜，经过热压获得燃料电池膜电极，热压的压力3MPa，温度120℃，时间100s。阳极Pt载量为0.05mg/cm2；阴极Pt载量为0.1mg/cm2。
将制备的膜电极组装成单电池。
单电池操作条件为：H2/空气，空气压力为0.1MPa；阴极、阳极95%增湿；单电池工作温度为80℃。
测试结果如下：
电流（毫安/厘米2） 200 600 1000
电压（伏特） 0.772 0.712 0.601

Claims (13)

1.燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，包括有气体扩散层，其特征在于：在气体扩散层材料一侧沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜，所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜的纳米纤维表面均匀沉积一层具有催化活性的金属纳米粒子，形成多孔单电极，所述的多孔聚合物纳米纤维的成分为可以电纺的纯高分子聚合物或者共纺高分子聚合物。
2.根据权利要求1所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的气体扩散层材料为亲水的碳纸或碳布，或是经聚四氟乙烯疏水处理的碳纸或碳布。
3.根据权利要求2所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于经聚四氟乙烯疏水处理的碳纸或碳布的具体制备步骤如下：将碳纸浸入到聚四氟乙烯疏水剂中，时间为5～10分钟，并在340～350℃下煅烧20～30分钟，其中聚四氟乙烯疏水剂的固含量为10wt％～30wt％。
4.根据权利要求3所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于气体扩散层一侧预先涂覆由聚四氟乙烯和导电纳米碳黑混合而成的微孔层，聚四氟乙烯含量为10～30wt％，经350℃下煅烧20～30min后成型。
5.根据权利要求1所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的纯高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚氨酯。
6.根据权利要求1所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的共纺高分子聚合物为聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯/聚氨酯、聚偏二氟乙烯/六氟丙烯、聚苯胺/聚苯乙烯、聚苯胺/聚环氧乙烷、聚苯胺/聚甲基丙烯酸甲酯、Nafion/聚偏氟乙烯、Nafion/聚四氟乙烯、Nafion／聚环氧乙烷、Nafion／聚乙烯醇。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的纯高分子聚合物或共纺高分子聚合物纳米纤维直径小于500nm。
8.根据权利要求7所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的纯高分子聚合物或者共纺高分子聚合物纳米纤维直径50～250nm。
9.根据权利要求1所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜厚度小于20μm。
10.根据权利要求9所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，其特征在于：所述的多孔聚合物纳米纤维薄膜厚度1～10μm。
11.权利要求1-10任一项所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：
1)称取纯高分子聚合物或共纺高分子聚合物粉体，加入溶剂进行稀释搅拌，配制成混合均匀的电纺聚合物液体；
2)在静电纺丝装置的接收板上固定好气体扩散层材料，用注射器取步骤1)所述的电纺聚合物液体，固定在微量注射泵上，注射器针头端口磨成平口，与高压电源的输出端相连，将所述的气体扩散层材料固定在接地的铝箔上作为接受屏，启动注射泵，调节注射器推进速度，针头有液滴时，打开高压电源，调节到工作电压，控制电纺时间，得到多孔聚合物纳米纤维电纺膜；
3)将沉积有多孔聚合物纳米纤维电纺膜的气体扩散层材料置于真空干燥箱中干燥，使溶剂挥发，得到沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的气体扩散层材料；
4)将活性金属靶材放入磁控溅射仪器中，将一侧沉积有多孔聚合物纳米纤维薄膜的气体扩散层材料放入磁控溅射样品室，将多孔聚合物纳米纤维薄膜的膜面朝上放置，对着靶材；密封溅射室，抽真空到小于5×10-4Pa后，通过控制溅射时间，在多孔聚合物纳米纤维薄膜上均匀溅射一层具有催化活性的金属纳米粒子，即得到多孔单电极；
或者，将活性金属靶材放入真空蒸镀仪器中，将一侧沉积有多孔聚合物纤维薄膜的气体扩散层材料放入真空蒸镀样品室，多孔聚合物纳米纤维薄膜的膜面向上，对着靶材；密封真空室，抽真空到小于5×10-4Pa后，控制电子束电流和蒸镀时间在多孔聚合物纳米纤维薄膜上均匀蒸镀一层具有催化活性的金属纳米粒子，得到多孔单电极；
或者，将具有催化活性的金属纳米粒子制成料浆喷涂在沉积有多孔聚合物纤维薄膜的气体扩散层材料的一侧，得到多孔单电极，所述的料浆的组成成分的按质量比计为金属催化剂：全氟磺酸树脂：溶剂=5～1：1：5～30，其中，所述的溶剂为乙醇、异丙醇、乙二醇或丙三醇。
12.具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极，其特征在于：在质子交换膜两侧分别紧贴具有权利要求1-10任一项所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极。
13.权利要求12所述的具有多孔聚合物纳米纤维结构的膜电极的制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：取所述的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极，将质子交换膜放在两个燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极中间，并使沉积有具有催化活性的金属纳米粒子的燃料电池有序化多孔纳米纤维单电极的一侧贴在质子交换膜两侧，经过热压获得膜电极，热压的压力1～4MPa，温度90～140℃，时间60～120秒。
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Assignee: ANHUI YINENG NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Wuhan University of Technology

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Denomination of invention: Fuel cell ordered porous nano-fiber single electrode, membrane electrode and preparation method

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