本發(fā)明涉及膜電極，具體涉及一種基于多尺度碳納米管的燃料電池膜電極的制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，燃料電池作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，受到了廣泛關(guān)注。燃料電池膜電極(membrane?e?l?ectrode?assemb?l?y,mea)是燃料電池的核心組件，其性能直接影響到燃料電池的整體性能。在mea中，催化層是電化學(xué)反應(yīng)的主要場(chǎng)所，因此，催化層的性能對(duì)燃料電池的性能至關(guān)重要。

2、燃料電池催化層作為電化學(xué)反應(yīng)的活性區(qū)域，需要有效地傳遞電子和離子，以確保電化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行。如果催化層的導(dǎo)電性不佳，會(huì)導(dǎo)致電荷傳輸受阻，進(jìn)而影響電化學(xué)反應(yīng)的速率和效率，降低燃料電池的輸出功率。

3、碳納米管作為一種具有優(yōu)異導(dǎo)電性和機(jī)械性能的一維納米材料，具有更高的導(dǎo)電性和更大的比表面積，可以有效地提高催化層的導(dǎo)電性和反應(yīng)活性。通過(guò)將碳納米管添加到燃料電池催化層中，可以與pt/c催化劑共同使用，形成更加高效的電化學(xué)反應(yīng)界面，確保電子在催化層中的快速傳輸，減少電荷傳輸?shù)淖枇?。同時(shí)，碳納米管的大比表面積可以增加催化層與反應(yīng)氣體的接觸面積，提高反應(yīng)活性，進(jìn)一步提升燃料電池的性能。

4、例如，在現(xiàn)有技術(shù)中，公開(kāi)號(hào)為cn103401000b的專利文件中提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池用催化劑層的制備方法，通過(guò)將第一材料(活性炭)、第二材料(碳納米管)和第三材料(螺旋狀碳納米管)噴涂在電極上，形成催化劑層。公開(kāi)號(hào)為cn108878898b的專利文件公開(kāi)了具有分離的電解質(zhì)分布的燃料電池及其制造方法，通過(guò)使用碳納米管與離聚物的組合，并結(jié)合特定的制造步驟，實(shí)現(xiàn)了燃料電池中具有分離的電解質(zhì)分布的結(jié)構(gòu)，有助于提高燃料電池的性能和效率，同時(shí)也可能改善其穩(wěn)定性和耐久性。公開(kāi)號(hào)為cn113078338b的專利文件提供了一種優(yōu)化的燃料電池膜電極及其制備方法，通過(guò)精準(zhǔn)地混合pt/c催化劑、石墨化多壁碳納米管和全氟磺酸樹(shù)脂溶液，制備出優(yōu)化的陰極催化層漿料，有效改善了催化劑載體脫落和鉑的遷移問(wèn)題，提高了燃料電池的耐久性和穩(wěn)定性。

5、但是，現(xiàn)有技術(shù)中并沒(méi)有對(duì)碳納米管的長(zhǎng)徑比進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)只使用單一長(zhǎng)徑比的碳納米管與pt/c催化劑混合時(shí)，催化層中的導(dǎo)電通路往往不夠連續(xù)和均勻，這會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)的局部集中，降低催化層的利用率和穩(wěn)定性，此外，單一長(zhǎng)徑比的碳納米管還容易在催化層中形成團(tuán)聚，進(jìn)一步降低催化層的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于多尺度碳納米管的燃料電池膜電極的制備方法，解決以下技術(shù)問(wèn)題：

2、如何提升燃料電池膜電極中催化層的性能？

3、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、一種基于多尺度碳納米管的燃料電池膜電極的制備方法，包括以下制備步驟：

5、s1:將大長(zhǎng)徑比碳納米管(l-cnts)溶液在水浴條件下進(jìn)行超聲處理，得到l-cnts漿料；將小長(zhǎng)徑比碳納米管(s-cnts)溶液置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨處理，得到s-cnts漿料；對(duì)pt/c催化劑溶液進(jìn)行剪切、分散、冷卻，得到pt/c催化劑漿料。

6、s2：將l-cnts漿料、s-cnts漿料、pt/c催化劑漿料、穩(wěn)定劑混合，得到混合漿料；l-cnts漿料與s-cnts漿料的質(zhì)量總和與pt/c催化劑漿料的質(zhì)量比為(1-4):10，其中，l-cnts漿料與s-cnts漿料的質(zhì)量比為1:(1-5)；

7、優(yōu)選的，所述穩(wěn)定劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％-6％的naf?i?on溶液；

8、更優(yōu)選的，naf?i?on溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％。

9、s3：對(duì)混合漿料進(jìn)行超聲噴涂，調(diào)整噴頭移動(dòng)速度和出料速度，控制陽(yáng)極鉑載量為0.05-0.15mg/cm2，陰極鉑載量為0.3-0.4mg/cm2，得到陽(yáng)極催化層和陰極催化層。

10、s4：在陽(yáng)極催化層和陰極催化層分別疊附氣體擴(kuò)散層，然后進(jìn)行熱壓，最終得到基于多尺度碳納米管的燃料電池膜電極。

11、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s1中，將l-cnts溶液在水浴條件下進(jìn)行超聲處理的方法為：將l-cnts溶于定量去離子水中混合均勻，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％-2.5％的l-cnts溶液，將l-cnts溶液在8-12℃的水浴溫度下進(jìn)行超聲處理，超聲功率從500w逐漸降低至100w，超聲處理時(shí)間為45-75min；

12、其中，l-cnts的直徑為10-20nm、長(zhǎng)度為5-30um；

13、優(yōu)選的，l-cnts溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％；

14、優(yōu)選的，水浴溫度為10℃；

15、優(yōu)選的，超聲處理時(shí)間為60min。

16、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：超聲功率從500w逐漸降低至100w的具體步驟為:先在500w下超聲處理15-25min,再在250-350w下超聲處理15-25min，最后在100w下超聲處理15-25min；

17、優(yōu)選的，每次超聲處理的時(shí)間均為20min。

18、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s1中，將小長(zhǎng)徑比碳納米管(s-cnts)溶液置于球磨機(jī)中進(jìn)行球磨處理的方法為：將s-cnts溶于定量去離子水中混合均勻，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％-2.5％的s-cnts溶液；將s-cnts溶液置于球磨罐中,球磨罐中的球磨介質(zhì)為粒徑在1.0-1.2mm之間的zro2,且球料比為(15-20):1；在8-12℃下以200-300r/min球磨110-130min；

19、其中，s-cnts的直徑為10-20nm、長(zhǎng)度為1-5um；

20、優(yōu)選的，s-cnts溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％；

21、優(yōu)選的，球料比為18:1；

22、優(yōu)選的，球磨溫度為10℃；

23、優(yōu)選的，球磨速率為250r/min，球磨時(shí)間為120min。

24、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s1中，對(duì)pt/c催化劑溶液進(jìn)行剪切、分散、冷卻的方法為：將pt/c催化劑溶于定量去離子水中混合均勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％-2.5％的pt/c催化劑溶液；將pt/c催化劑在8-12℃下以4500-5500rpm剪切25-35min，再轉(zhuǎn)移至高壓均質(zhì)機(jī)中進(jìn)行分散；

25、其中，pt/c催化劑中的鉑含量為20％-60％；

26、優(yōu)選的，pt/c催化劑中的鉑含量為40％

27、優(yōu)選的，pt/c催化劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2％；

28、優(yōu)選的，剪切溫度為10％；

29、優(yōu)選的，剪切速率為5000rpm，剪切時(shí)間為30min；

30、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：轉(zhuǎn)移至高壓均質(zhì)機(jī)中進(jìn)行分散的具體步驟為：

31、先在45-55mpa下均質(zhì)兩個(gè)流程，再升壓至65-75mpa均質(zhì)一個(gè)流程，最后降壓至35-45mpa均質(zhì)一個(gè)流程；高壓均質(zhì)機(jī)的閥體溫度為8-12℃；

32、優(yōu)選的，先在50mpa下均質(zhì)兩個(gè)流程，再升壓至70mpa均質(zhì)一個(gè)流程，最后降壓至40mpa均質(zhì)一個(gè)流程；

33、優(yōu)選的，高壓均質(zhì)機(jī)的閥體溫度通過(guò)循環(huán)冷卻水控制為10℃。

34、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s2中，所述穩(wěn)定劑干重質(zhì)量與l-cnts、s-cnts、pt/c催化劑三者總質(zhì)量(碳物質(zhì)總干重)之比為(0.7-0.9):1；

35、優(yōu)選的，穩(wěn)定劑干重質(zhì)量與碳物質(zhì)總干重之比為0.8:1。

36、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s2中，將l-cnts漿料、s-cnts漿料、pt/c催化劑漿料、穩(wěn)定劑混合的具體方法為：在8-12℃下將四者以150-250w超聲混合10-20min,再以4500-5500rpm剪切25-35min；

37、優(yōu)選的，超聲混合的溫度為10min；

38、優(yōu)選的，超聲混合的功率為200w，超聲混合的時(shí)間為15min；

39、優(yōu)選的，剪切速率為5000rpm，剪切時(shí)間為30min。

40、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s3中，承載質(zhì)子膜的載臺(tái)溫度為80-90℃；

41、優(yōu)選的，載臺(tái)溫度為85℃。

42、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s4中，氣體擴(kuò)散層的厚度為215-225um；

43、優(yōu)選的，氣體擴(kuò)散層的厚度為220um；

44、在本發(fā)明更進(jìn)一步的方案中：在步驟s4中，進(jìn)行熱壓的方法為：將疊附氣體擴(kuò)散層后的陰極催化層和陽(yáng)極催化層裝入熱壓機(jī)的模具中，在130-150℃、2-4mpa壓力下熱壓成型1.5-2.5min；

45、優(yōu)選的，熱壓溫度為140℃；

46、優(yōu)選的，熱壓壓力為3mpa；

47、優(yōu)選的，熱壓時(shí)間為2min。

48、本發(fā)明的有益效果：

49、本發(fā)明的基于多尺度碳納米管的燃料電池膜電極的制備方法中，通過(guò)分別分散大長(zhǎng)徑比碳納米管、小長(zhǎng)徑比碳納米管和pt/c催化劑漿料，再將它們混合，以實(shí)現(xiàn)催化層漿料中各組分的均勻分散，充分利用不同長(zhǎng)徑比碳納米管的優(yōu)點(diǎn)，形成連續(xù)、均勻的導(dǎo)電通路，從而提高催化層的導(dǎo)電性和利用率；分別分散和混合三種漿料的方法，可以優(yōu)化催化層中各組分的分散性，避免團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，提高催化層的穩(wěn)定性和耐久性；同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單、易行，且不同長(zhǎng)徑比的多壁碳納米管可以直接通過(guò)商業(yè)途徑獲得，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。