一种具有纺丝型CNT扩散层的燃料电池膜电极及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极。

背景技术：

1、气体扩散层(gdl)是燃料电池膜电极的重要组成部分，在电化学反应过程中发挥重要的作用，通过气体扩散层将氢/氧输送到反应区域并且从电极中排出水。为了增强导电性，气体扩散层的一侧通常涂有微孔层(mpl)。传统的微孔层通常包括碳粉以及作为疏水剂的聚四氟乙烯(ptfe)，但在燃料电池酸性条件以及耐久工况下，微孔层易与催化层发生渗透，使pt催化剂无法暴露出活性晶面，碳粉在高电位的情况下易腐蚀会发生微孔层结构坍塌。

技术实现思路

1、本发明针对气体扩散层上的微孔层易与催化层发生渗透的技术问题，提出一种具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极及其制备方法，该扩散层具有较强的机械结构与高导电性，能够有效提升膜电极的耐久性与导电性。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)按照质量比(95～99):(0.2～0.5):(0.1～0.5):(0.1～3)称取小分子有机碳液体、过渡金属催化剂、促进剂及表面活性剂配置成溶液，并磁力搅拌0.5～1h，使溶液混合均匀，其中促进剂为噻吩或二硫化碳；

5、(2)将碳纸置于加热板上，通过喷涂机将步骤(1)所得溶液喷涂至碳纸上并将碳纸及时烘干；

6、(3)将烘干后的碳纸浸没于盛有有机小分子碳液体的容器中，并在持续通入氢气的条件下加热，加热温度为500～1200℃，反应时间0.5～1h，反应生成碳纳米管；

7、(4)冷却至室温后，取出碳纸并洗去杂质，此后在真空环境中180-220℃下将碳纸烘干；

8、(5)裁剪烘干后的碳纸得到阴极扩散层和阳极扩散层，依次放置阳极扩散层、催化剂负载膜和阴极扩散层，其中阴极扩散层和阳极扩散层具有碳纳米管的一面朝向催化剂负载膜，热压得到具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极。

9、作为优选，所述小分子有机碳液体、过渡金属催化剂、噻吩/二硫化碳与表面活性剂的质量比为(95～96):(0.4～0.5):(0.3～0.5):(0.95～3)。

10、作为优选，所述有机小分子碳液体为乙醇、丙醇、丁醇和丙酮的一种或几种。

11、作为优选，所述过渡金属催化剂为二茂铁、硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴的一种或几种。

12、作为优选，所述表面活性剂包括木质素磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和聚山梨醇酯中的一种或几种。

13、作为优选，步骤(2)中喷涂顺序为从上到下沿碳纸依次喷涂，喷涂速度为10～20mm/s，加热板的温度为100～200℃。

14、作为优选，步骤(5)中热压时间为90～120s，热压温度为90～120℃，热压压力为90～120mpa。

15、还本发明还提出一种具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极，通过上述的制备方法制备而成。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、本发明利用小分子有机碳化合物液体作为碳源，过渡金属有机物作为催化剂，噻吩或二硫化碳作为促进剂，在表面活性剂的协同作用下，有机碳源在升温与氢气还原作用下，在碳纸上生长出互相缠绕的类似纺丝型cnt，通过过滤洗去过渡金属有机物，得到在碳纸上生长的纺丝型cnt扩散层，该扩散层具有较强的机械结构与高导电性，能够有效提升膜电极的耐久性与导电性。采用纺丝型cnt扩散层制备的膜电极可以大大降低活化时间，可以建立良好的三相反应界面，具有较高的商业价值与应用前景。

技术特征：

1.一种具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述小分子有机碳液体、过渡金属催化剂、噻吩/二硫化碳与表面活性剂的质量比为(95～96):(0.4～0.5):(0.3～0.5):(0.95～3)。

3.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述有机小分子碳液体为乙醇、丙醇、丁醇和丙酮的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述过渡金属催化剂为二茂铁、硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂包括木质素磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和聚山梨醇酯中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中喷涂顺序为从上到下沿碳纸依次喷涂，喷涂速度为10～20mm/s，加热板的温度为100～200℃。

7.根据权利要求1所述的具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于：步骤(5)中热压时间为90～120s，热压温度为90～120℃，热压压力为90～120mpa。

8.具有纺丝型cnt扩散层的燃料电池膜电极，其特征在于：通过权利要求1-7任一项所述的制备方法制备而成。

技术总结
本发明提出一种具有纺丝型CNT扩散层的燃料电池膜电极及其制备方法，包括如下步骤：(1)按照质量比配置溶液；(2)将碳纸置于加热板上，喷涂溶液至碳纸上并及时烘干；(3)将烘干后的碳纸浸没于盛有有机小分子碳液体的容器中，并在持续通入氢气的条件下加热反应生成碳纳米管；(4)将碳纸烘干；(5)制备膜电极。本发明利用有机碳源在升温与氢气还原作用下，在碳纸上生长出互相缠绕的类似纺丝型CNT，得到CNT扩散层，该扩散层具有较强的机械结构与高导电性，能够有效提升膜电极的耐久性与导电性，制备的膜电极可以大大降低活化时间，可以建立良好的三相反应界面，具有较高的商业价值与应用前景。

技术研发人员：朱维,谢佳平,田昌伟,姜伟峰,尚子奇,沈军
受保护的技术使用者：海卓动力（青岛）能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21