膜电极及采用该膜电极的燃料电池制造技术

本发明专利技术公开一种膜电极及采用该膜电极的燃料电池。一种膜电极，其包括：一质子交换膜；一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括碳纳米管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种膜电极及采用该膜电极的燃料电池，尤其涉及一种基于碳纳米管的膜电极及采用该膜电极的燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种电化学发电装置，其将燃料及氧化剂气体转化为电能并产生反应 产物。相对于碱性电池、锂电池等其它电池系统，燃料电池具有能量转换效率高、对环境污 染小、适用范围广、无噪音以及可连续工作等优点，被广泛应用于军事国防及民用的电力、 汽车、通信等领域。 燃料电池通常可分为碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池、以及质子交换膜燃料 电池等。其中，质子交换膜燃料电池近年来发展迅速，越来越受到重视。通常，一个燃料电 池堆包括多个单独的燃料电池单元，一个单独的燃料电池单元主要包括膜电极(Membrane Electrode Assembly,简称MEA)，导流板(Flow Field Plate,简称FFP)，集流板(Current Collector Plate，简称CCP)以及相关的辅助部件，如鼓风机、阀门、管路等。 请参阅图1，为2007年3月21日公告的，公告号为CN1306638C的中国大陆专利 (申请人松下电器产业株式会社；专利技术人吉田昭彦等)揭示的一种膜电极结合体10。在 该膜电极结合体10中，在一选择性输送氢离子的高分子电解质膜11的两相对的表面形成 含有使碳粉末担载电极催化剂(例如铂系的金属催化剂)而得到的催化体、和具有氢离子 传导性的高分子电解质的催化层12。在催化层12的外面形成扩散层13。所述扩散层13采 用导电碳纤维布或毡制作。通过组合该催化层12和扩散层13，构成电极(阳极或阴极)14。 使用上述膜电极的燃料电池工作时，利用其辅助部件通过导流板分别向膜电极中 质子交换膜两表面的电极通入一燃料气体(如氢气)及氧化剂气体(如纯氧气或含氧的 空气)。其中，通入燃料气体的电极为阳极，通入氧化剂气体的电极为阴极。以氢气与氧 气为例，在燃料电池一端，氢气进入阳极后，在催化剂作用下，一个氢分子发生如下反应 H2 —2H++2e。反应生成的氢离子穿过质子交换膜到达阴极。在燃料电池另一端，氧气进入 阴极，同时，电子则通过外电路到达阴极。在催化剂作用下，氧气与氢离子以及电子发生如 下反应l/202+2H++2e — H20。在此电化学反应过程中，电子在外电路连接下形成电流，通过 适当的连接可以向负载输出电能。而反应生成的水则通过扩散层以及导流板排出。由此可 见，扩散层材料的选择和制备方法对质子交换膜燃料电池性能有着十分重要的影响。 一方 面，燃料气体和氧化剂气体由扩散层扩散到达催化剂层。另一方面，反应所必需的电子和反 应生成的电子通过扩散层与外电路连接传导。 然而，上述的膜电极的扩散层中主要使用碳纤维布或毡，具有以下不足第一，传 统的碳纤维布或毡中，碳纤维分布不均匀，导致碳纤维布或毡中孔隙结构不够合理，而且比 表面积小。该结构缺点制约了扩散层均匀扩散反应气体的功能。第二，传统的碳纤维布或 毡电阻率大，制约了扩散层传导反应所必需的电子和反应生成的电子的功能。这些缺点直 接影响了膜电极的反应活性等电化学性能。第三，碳纤维布或毡纸柔韧性差，不利于加工。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种具有更好反应活性的，且易于加工的膜电极及采用 该膜电极的燃料电池。 —种膜电极，其包括一质子交换膜；一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层 和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第 一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一扩散层与第二 扩散层中的至少一个包括碳纳米管。 —种膜电极，其包括一质子交换膜；一第一电极；以及一第二电极，所述第一电 极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一电极与第二电极中 的至少一个包括一碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散 于该碳纳米管结构中的催化剂。 —种燃料电池，其包括一膜电极以及一第一导流板和一第二导流板，所述膜电极 设置于第一导流板与第二导流板之间；所述膜电极包括一质子交换膜，以及两个电极，所述 质子交换膜设置于两个电极之间，所述电极包括一扩散层和一催化剂，其中，所述两个电极 中的至少一个包括碳纳米管。 相较于现有技术，所述的膜电极及采用该膜电极的燃料电池具有以下优点第一， 该碳纳米管均匀分布，碳纳米管之间形成多个均匀且规则分布的微孔结构。这种结构可以 有效且均匀的扩散燃料气体和氧化剂气体。第二，由于碳纳米管本身的电阻率要低于碳纤 维的电阻率，所以该扩散层电阻率低，可以有效的传导反应所必需的电子和反应生成的电 子。所以，该燃料电池扩散层可改善膜电极的反应活性。第三，该碳纳米管柔韧性好，易于 加工。附图说明 图1为现有技术的膜电极的结构示意图。 图2为本专利技术第一实施例提供的膜电极的结构示意图。 图3为本专利技术第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管拉膜的扫描电 镜照片。 图4为图3中的碳纳米管片段的结构示意图。 图5为本专利技术第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的非扭转的碳纳米管线的 扫描电镜照片。 图6为本专利技术第-描电镜照片。 图7为本专利技术第-电镜照片。 图8为本专利技术第-电镜照片。 图9为本专利技术第-米管拉膜的扫描电镜照片。-实施例提供的作为膜电极的扩散层的扭转的碳纳米管线的扫 -实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管碾压膜的扫描 -实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管絮化膜的扫描 -实施例提供的作为膜电极的扩散层的沉积有铂催化剂的碳纳 图10为本专利技术第二实施例提供的膜电极的结构示意图。 图11为本专利技术第三实施例提供的膜电极的结构示意图。 图12为本专利技术第四实施例的燃料电池的结构示意图。具体实施例方式以下将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。 请参阅图2，本专利技术第一实施例提供一种膜电极100，其包括一质子交换膜102、 一第一电极104以及一第二电极106。所述第一电极104与第二电极106分别设置在该质 子交换膜102相对的两表面。其中第一电极104包括一第一扩散层104a和第一催化剂层 104b，第二电极106包括一第二扩散层106a和第二催化剂层106b。所述催化剂层设置于扩 散层的至少一表面，本实施例中，催化剂层位于质子交换膜102与扩散层之间。 所述第一扩散层104a与第二扩散层106a中的至少一个包括一碳纳米管结构。本 实施例中，第一扩散层104a包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的 碳纳米管。该碳纳米管结构中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管结构中的碳纳 米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米 管的直径为0. 5纳米 10纳米，双壁碳纳米管的直径为1. 0纳米 15纳米，多壁碳纳米管 的直径为1. 5纳米 50纳米。所述碳纳米管的长度大于50微米。本实施例中，该碳纳米 管的长度优选为200 900微米。当碳纳米管结构包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管 相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一 个方向或者多个方向择优取向排列。 具体地，所述碳纳米管结构包括至少一层碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构 或其组合。当碳纳米管结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜电极，其包括：一质子交换膜；一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其特征在于，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括碳纳米管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽娜，姜开利，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]