CN112670522A - 一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法 - Google Patents

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张东
余子涵
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Abstract

一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，采用飞秒激光器对碳纤维布进行加工实现，包括以下步骤：将碳纤维布铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器发射的激光束的夹角；调整飞秒激光器能量设定参数，使得飞秒激光器的输出能量以及作用在碳纤维布表面的焦斑大小保持恒定，将通过步骤得到的碳纤维布表面清净，可在碳纤维布表面形成有序性的微纳结构，提高了燃料电池的输出功率，降低Pt的负载量，克服了现有化学法合成在碳纤维布表面构筑有序化阵列的方式工艺复杂，化学试剂有环境污染问题、且构筑的有序化阵列与碳纤维布的结构强度不足的问题。

Description

一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法
技术领域
本发明涉及领域氢燃料电池膜电极制备，具体为一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法。
背景技术
氢燃料电池是一种新型的能源，由于其高效、绿色的环保型产品已经成为各国科学家研究的重点方向之一。传统的燃料电池膜电极制备方法主要有CCS与CCM法，即将Pt/C催化剂制备成浆料，再将催化剂浆料直接涂敷/喷涂在气体扩散层或者质子交换膜上，组装成膜电极。但这种方式制备的催化剂层，其传质通道呈无序分布，使得传质阻力增大，同时催化层中的Pt不能充分暴露，Pt的利用率较低，电池功率密度提升有限与成本升高。为了提高氢燃料电池的能量输出与降低产品成本，有序化的膜电极被应用到燃料电池领域，有序化的阵列结构，改善了催化层的传质通道，提高传质效率。另一方面Pt基催化剂均匀负载在有序化的阵列上，提高Pt的利用率，实现低Pt载量、高性能和高稳定性。碳纤维布作为燃料电池气体扩散层，在其表面构筑有序化阵列，可以有效的将燃料电池催化层与气体扩散层进行复合，形成气体扩散层-催化剂层的整体，再与质子交换膜组装成有序化的自支撑膜电极。现有在碳纤维布表面构筑有序化阵列的方式一般是化学法合成，这种方法工艺复杂，化学试剂有环境污染问题、且构筑的有序化阵列与碳纤维布的结构强度不足。
发明内容
本发明的主要目的提供一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，可以有效的解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，采用飞秒激光器对碳纤维布进行加工实现，包括以下步骤：
(a)将碳纤维布铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器发射的激光束的夹角。
(b)调整飞秒激光器能量设定参数，使得飞秒激光器的输出能量以及作用在碳纤维布表面的焦斑大小保持恒定。
(c)通过设定飞秒激光器参数，调节位移台的移动速度，确定焦斑在碳纤维布表面的烧蚀路径为“弓”形路径，使得焦斑在碳纤维布表面的移动为平面位移。
与现有技术相比，通过本方法制备有序化氢燃料电池膜电极的方法，无需任何化学过程，且制备的阵列结构稳定性高，同时没有在阵列结构中引入其他元素，提高了燃料电池的输出功率，降低Pt的负载量，克服了现有化学法合成在碳纤维布表面构筑有序化阵列的方式工艺复杂，化学试剂有环境污染问题、且构筑的有序化阵列与碳纤维布的结构强度不足的问题。
附图说明
图1是表示使用本发明一实施方式的制备的燃料电池有序化膜电极载体的微观结构图；
图2是表示使用本发明一实施方式的制备的燃料电池有序化膜电极载体的微观结构图；
图3是表示使用本发明一实施方式的制备的燃料电池有序化膜电极载体的微观结构图；
图4是气体扩散电极(GDE)法超声喷涂Pt/C催化剂在传统气体扩散层下的扫描电子显微镜(SEM)图；
图5是气体扩散电极(GDE)法超声喷涂Pt/C催化剂在传统气体扩散层下的扫描电子显微镜(SEM)图的部分放大示意图；
图6是气体扩散电极(GDE)法超声喷涂Pt/C催化剂在有序化气体扩散层下的扫描电子显微镜(SEM)图；
图7是气体扩散电极(GDE)法超声喷涂Pt/C催化剂在有序化气体扩散层下的扫描电子显微镜(SEM)图的部分放大示意图；
图8是传统气体扩散层下与有序化气体扩散层分别制备燃料电池单电池I-V曲线图；
具体实施方式
下面，基于实施例对本发明进行具体的说明，但本发明不限于这些实施例。
(实施例1)
将碳纤维布平整的铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器光束的夹角，使得碳纤维布平面与光束夹角50°，然后，调节飞秒激光器的参数设置，使得飞秒激光器的输出能量200mJ，光束焦斑直径0.05mm，调节飞秒激光器参数使得两轴位移台在X方向单次位移距离为50mm，移动速度为1mm/s，竖直方向单次移动距离0.1mm,移动速度1mm/s，调节飞秒激光器参数使得位移台位移路径为“弓”行，最后开启飞秒激光器，飞秒激光器发出激光光束烧蚀碳纤维布，制得表面有序化的碳纤维布。其中，图1为本发明实施例制备的膜电极载体的微观结构图；
(实施例2)
将碳纤维布平整的铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器光束的夹角，使得碳纤维布平面与光束夹角70°，然后，调节飞秒激光器的参数设置，使得飞秒激光器的输出能量300mJ，光束焦斑直径0.2mm，调节飞秒激光器参数使得两轴位移台在X方向单次位移距离为50mm，移动速度为1mm/s，竖直方向单次移动距离0.1mm,移动速度1mm/s，调节飞秒激光器参数使得位移台位移路径为“弓”行，最后开启飞秒激光器，飞秒激光器发出激光光束烧蚀碳纤维布，制得表面有序化的碳纤维布。其中，图2为本发明实施例制备的膜电极载体的微观结构图；
(实施例3)
将碳纤维布平整的铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器光束的夹角，使得碳纤维布平面与光束夹角120°，然后，调节飞秒激光器的参数设置，使得飞秒激光器的输出能量700mJ，光束焦斑直径0.7mm，调节飞秒激光器参数使得两轴位移台在X方向单次位移距离为50mm，移动速度为13mm/s，Y方向单次移动距离0.5mm,移动速度16mm/s，调节飞秒激光器参数使得位移台位移路径为“弓”行，最后开启飞秒激光器，飞秒激光器发出激光光束烧蚀碳纤维布，制得表面有序化的碳纤维布。其中，图3为本发明实施例制备的膜电极载体的微观结构图；
通过对比图4-图7所示的气体扩散电极(GDE)法超声喷涂Pt/C催化剂在传统气体扩散层与有序化的气体扩散层的扫描电子显微镜(SEM)图，可以明显的看到传统的气体扩散电极(GDE)超声喷涂法制备的呈块状无序堆垛在碳纤维上，且堆积的厚度较高，而通过本发明记载的技术制备的有序化的气体扩散层表面结构上均匀的负载着Pt/C催化剂且厚度较低，增大Pt暴露位点，可实现低铂负载量，同时提高Pt催化剂的利用效率。
如图8所示，传统气体扩散层下与有序化气体扩散层分别制备燃料电池单电池I-V曲线图，通过实验数据可知本技术制备的单池输出功率明显高于传统GDE法组装单池200mWcm-2,相同的开路电压时，本技术制备单池能达到较大的输出电流，表明本技术制备的膜电极具有较低的阻抗，本技术有序化的膜电极可以提高氢燃料电池单池功率。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“X”指平面坐标系的水平方向、“Y”指水平坐标系的竖直方向、“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (7)

1.一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：采用飞秒激光器对碳纤维布进行加工实现，包括以下步骤：
(a)将碳纤维布铺在两轴位移台上，调整碳纤维布与飞秒激光器发射的激光束的夹角；
(b)调整飞秒激光器能量设定参数，使得飞秒激光器的输出能量以及作用在碳纤维布表面的焦斑大小保持恒定；
(c)通过设定飞秒激光器参数，调节位移台的移动速度，确定焦斑在碳纤维布表面的烧蚀路径为“弓”形路径，使得焦斑在碳纤维布表面的移动为平面位移；
(d)将通过(c)步骤得到的碳纤维布表面清净，可在碳纤维布表面形成有序性的微纳结构。
2.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤(a)中碳纤维布与激光束的夹角取值范围为40°-140°。
3.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤(b)中飞秒激光器的输出能量取值范围为100mJ-1000mJ。
4.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤(b)中飞秒激光器输出焦斑直径的取值范围为0.01mm-0.8mm。
5.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤c)中焦斑在碳纤维布表面X方向位移速度的取值范围为1mm/s-40mm/s。
6.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤c)中焦斑在碳纤维布表面Y方向位移速度的取值范围：1mm/s-20mm/s。
7.如权利要求1所述的一种制备燃料电池有序化膜电极载体的方法，其特征在于：所述步骤c)中焦斑在碳纤维布表面相邻烧蚀路径间距的取值范围为0.1mm-0.8mm。
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