專利名稱：膜電極及采用該膜電極的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜電極及采用該膜電極的燃料電池，尤其涉及一種基于碳納米管的膜電極及采用該膜電極的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料及氧化劑氣體轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置，被廣泛應(yīng)用于軍事國防及民用的電力、汽車、通信等領(lǐng)域(請(qǐng)參見，Recent advances in fuel cell technology and its application, Journal of Power Sources, V100, P60_66(2001))o通常，一個(gè)燃料電池主要包括膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)， 導(dǎo)流板(Flow Field Plate，簡稱 FFP)，集流板(Current Collector Plate，簡稱 CCP)以及相關(guān)的輔助部件，如鼓風(fēng)機(jī)、閥門、管路等。膜電極(MEA)是燃料電池單元的核心部件，其通常是由一質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane)和分別設(shè)置在質(zhì)子交換膜兩表面的電極組成。其中，電極又包括催化層(Catalyst Layer)和氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer，簡稱⑶L)，且催化層設(shè)置在氣體擴(kuò)散層與質(zhì)子交換膜之間。質(zhì)子交換膜材料選自全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳?xì)浠衔铩４呋瘜影写呋瘎┎牧?一般為貴金屬顆粒，如鉬、 金或釕等)及其載體(一般為碳顆粒，如石墨、炭黑、碳纖維或碳納米管)。氣體擴(kuò)散層主要由碳纖維紙構(gòu)成。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的燃料電池的膜電極存在以下不足第一，由于氣體擴(kuò)散層主要由碳纖維紙構(gòu)成，一方面，該碳纖維紙中含有大量雜亂分布的碳纖維，導(dǎo)致碳纖維紙中孔隙結(jié)構(gòu)分布不均勻，而且比表面積小，從而影響了反應(yīng)氣體擴(kuò)散的均勻性；另一方面，碳纖維紙電阻率大，制約了反應(yīng)所必需的電子和反應(yīng)生成的電子的傳輸，從而直接影響了膜電極的反應(yīng)活性。第二，由于每個(gè)電極包括一氣體擴(kuò)散層和一形成于氣體擴(kuò)散層表面的催化層， 一方面，該結(jié)構(gòu)使得膜電極具有較大的厚度，且增大了膜電極氣體擴(kuò)散層與催化
層之間的接觸電阻，不利于電子傳導(dǎo)；另一方面，催化層中的催化劑與反應(yīng)氣體的接觸面積小，限制了催化劑的利用率。有鑒于此，確有必要提供一種具有較高的反應(yīng)活性，且可以提高催化劑的利用率的膜電極以及采用該膜電極的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
—種膜電極，其包括一質(zhì)子交換膜，一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩個(gè)相對(duì)的表面，其中，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中，所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。一種燃料電池，其包括一質(zhì)子交換膜；一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩個(gè)相對(duì)的表面；一第一導(dǎo)流板及一第二導(dǎo)流板分別設(shè)置于第一電極及第二電極遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的表面；以及一第一供氣和抽氣裝置及一第二供氣和抽氣裝置分別與第一導(dǎo)流板及第二導(dǎo)流板相連通，其特征在于，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中，所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述膜電極具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極采用碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所以避免了現(xiàn)有技術(shù)中擴(kuò)散層與催化劑層之間的接觸電阻，有利于反應(yīng)所必需的電子和反應(yīng)生成的電子的傳導(dǎo)。第二，碳納米管長線具有極大的比表面積，故，采用該碳納米管長線可以有效且均勻的擔(dān)載催化劑，使催化劑與氫燃料或氧化劑氣體具有較大的接觸面積，提高了催化劑的利用率。第三，由于碳納米管本身的電阻率要低于碳纖維的電阻率，所以采用該碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)的電極的電阻率低，可以有效的傳導(dǎo)反應(yīng)所必需的電子和反應(yīng)生成的電子，有助于改善膜電極的反應(yīng)活性。


圖1為本技術(shù)方案實(shí)施例的膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本技術(shù)方案實(shí)施例提供的表面蒸鍍有鉬層后的碳納米管薄膜的局部掃描電鏡照片。圖3為本技術(shù)方案實(shí)施例的燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參閱圖1，本技術(shù)方案實(shí)施例提供一種膜電極200，其包括一質(zhì)子交換膜202， 一第一電極204，一第二電極206。所述第一電極204與第二電極206分別設(shè)置在該質(zhì)子交換膜202的兩相對(duì)的表面。所述第一電極204與第二電極206中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中。所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線軸向/長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。具體地，該碳納米管長線中碳納米管沿該碳納米管長線軸向/長度方向平行排列或呈螺旋狀排列。該碳納米管長線中碳納米管長度基本相同，且相鄰的碳納米管之間通過范德華力緊密結(jié)合。所述碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或多種。所述單壁碳納米管的直徑為0. 5納米 10納米，雙壁碳納米管的直徑為1. 0納米 15納米，多壁碳納米管的直徑為1. 5納米 50納米。該碳納米管的長度大于100微米。本實(shí)施例中，優(yōu)選地，碳納米管的長度為200、00微米。所述碳納米管長線可通過拉伸一碳納米管陣列獲得一碳納米管薄膜后，經(jīng)機(jī)械外力收縮處理(有機(jī)溶劑揮發(fā)的表面張力作用)；扭轉(zhuǎn)紡紗處理或卷曲而獲得。所述碳納米管長線的直徑為1微米毫米，其長度不限，可根據(jù)實(shí)際需求制得。在將拉取的碳納米管薄膜制備成碳納米管長線前，先將催化劑通過物理或化學(xué)方法沉積到碳納米管薄膜表面，再經(jīng)機(jī)械外力收縮處理(有機(jī)溶劑揮發(fā)的表面張力作用)；扭轉(zhuǎn)紡紗處理或卷曲可以獲得碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖2，催化劑均勻分布于碳納米管薄膜的碳納米管表面。所以，該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)中，催化劑均勻分布于碳納米管長線中的碳納米管表所述催化劑的材料不限，可以為貴金屬顆粒，如鉬、金、釕中的一種或其任意組合的混合物。該金屬顆粒的直徑尺寸為廣10納米。所述貴金屬催化劑的擔(dān)載量低于0.5mg/ cm2，且均勻分布于碳納米管長線的碳納米管表面。本實(shí)施例中，貴金屬催化劑為鉬。所述碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)通過自身的粘性、粘結(jié)劑或熱壓的方法固定于質(zhì)子交換膜202的表面。當(dāng)所述電極包括多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)可以平行排列或交叉設(shè)置于質(zhì)子交換膜202的表面，且碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)之間可以無間隙設(shè)置或間隔設(shè)置。當(dāng)多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)交叉且間隔設(shè)置時(shí)，所述碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)之間形成多個(gè)均勻且規(guī)則分布的微孔，且該微孔孔徑小于1微米。可以理解，當(dāng)所述第一電極204與第二電極206中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，另一個(gè)電極的結(jié)構(gòu)不限，可以包括一擴(kuò)散層及一催化劑層設(shè)置于該擴(kuò)散層上，且該催化劑層設(shè)置于質(zhì)子交換膜與擴(kuò)散層之間。所述擴(kuò)散層可為一碳纖維紙或碳納米管層。該催化劑層包含有貴金屬催化劑材料及其載體(一般為碳顆粒，如石墨、 炭黑、碳纖維或碳納米管)。本實(shí)施例中，優(yōu)選地，所述第一電極204與第二電極206均包括多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)。且，該多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)平行無間隙設(shè)置于質(zhì)子交換膜202的兩個(gè)相對(duì)的表面。所述質(zhì)子交換膜202的材料為全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳?xì)浠衔?。本?shí)施例中，質(zhì)子交換膜202材料為全氟磺酸。 所述膜電極200具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，所述第一電極204與第二電極206均采用碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所以避免了現(xiàn)有技術(shù)中擴(kuò)散層與催化劑層之間的接觸電阻，有利于反應(yīng)所必需的電子和反應(yīng)生成的電子的傳導(dǎo)。第二，碳納米管長線具有極大的比表面積，故，采用該碳納米管長線可以有效且均勻的擔(dān)載催化劑，使催化劑與氫燃料或氧化劑氣體具有較大的接觸面積，提高了催化劑的利用率。第三，由于碳納米管本身的電阻率要低于碳纖維的電阻率，所以采用該碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)的電極的電阻率低， 可以有效的傳導(dǎo)反應(yīng)所必需的電子和反應(yīng)生成的電子，有助于改善膜電極的反應(yīng)活性。第四，所述第一電極204與第二電極206均采用碳納米管長線與催化劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該碳納米管長線同時(shí)具有收集電流和擔(dān)載催化劑以及擴(kuò)散氫燃料或氧化劑氣體的作用，結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便。請(qǐng)參閱圖3，本技術(shù)方案實(shí)施例還進(jìn)一步提供一燃料電池20，其包括一膜電極 200，一第一導(dǎo)流板208a及一第二導(dǎo)流板20 ，一第一集流板216a及一第二集流板216b， 以及一第一供氣和抽氣裝置210a及一第二供氣和抽氣裝置210b。所述膜電極200的結(jié)構(gòu)如前所述。即，所述第一電極204與第二電極206均包括多個(gè)碳納米管長線與貴金屬催化劑顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)。且，該多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)平行無間隙設(shè)置于質(zhì)子交換膜202的兩個(gè)相對(duì)的表面。所述第一導(dǎo)流板208a及第二導(dǎo)流板208b分別設(shè)置于第一電極204與第二電極 206遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜202的表面。在第一導(dǎo)流板208a及第二導(dǎo)流板208b的靠近質(zhì)子交換膜202的表面具有一條或多條導(dǎo)流槽212，用于傳導(dǎo)燃料氣體、氧化劑氣體以及反應(yīng)產(chǎn)物水。該第一導(dǎo)流板208a及第二導(dǎo)流板208b采用金屬或?qū)щ娞疾牧现谱?。所述第一集流?16a及第二集流板216b采用導(dǎo)電材料制作，分別設(shè)置于第一導(dǎo)流板208a及第二導(dǎo)流板208b的遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜202的表面，用于收集和傳導(dǎo)反應(yīng)產(chǎn)生的電子?？梢岳斫?，本實(shí)施例中，由于碳納米管長線本身具有良好的導(dǎo)電性，可以用來收集電流，所以該第一集流板216a及第二集流板216b為一可選擇結(jié)構(gòu)。所述第一供氣和抽氣裝置210a及第二供氣和抽氣裝置210b包括鼓風(fēng)機(jī)、管路、閥門等(圖中未標(biāo)示)。鼓風(fēng)機(jī)通過管路分別與第一導(dǎo)流板208a及第二導(dǎo)流板208b相連，用來向燃料電池20提供燃料氣體和氧化劑氣體。本實(shí)施例中，燃料氣體為氫氣，氧化劑氣體為純氧氣或含氧的空氣。其中，燃料電池20中靠近氧化劑氣體輸入端的第二電極206稱為陰極，靠近燃料氣體輸入端的第一電極204稱為陽極。上述燃料電池20工作時(shí)，利用其供氣和抽氣裝置210通過導(dǎo)流板208分別向膜電極200通入燃料氣體(氫氣)及氧化劑氣體(純氧氣或含氧的空氣)。其中，氫氣通過導(dǎo)流槽 212到達(dá)陽極。在催化劑的作用下，氫氣發(fā)生如下反應(yīng)H2 —2H++2e。反應(yīng)生成的質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜202到達(dá)陰極，反應(yīng)生成的電子則通過外電路到達(dá)陰極。在燃料電池20另一端，氧氣進(jìn)入陰極，同時(shí)，電子則通過外電路到達(dá)陰極。在催化劑的作用下，氧氣與質(zhì)子以及電子發(fā)生如下反應(yīng)1/202+2H++& — H2O0反應(yīng)生成的水則通過第二電極206以及導(dǎo)流板208排出燃料電池20。在此過程中，第一電極204與第二電極 206之間會(huì)形成一定的電勢(shì)差，當(dāng)外電路接入一負(fù)載214時(shí)，將會(huì)形成電流。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膜電極，其包括一質(zhì)子交換膜，一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩個(gè)相對(duì)的表面，其特征在于，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中，所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括多個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)平行排列或交叉設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的表面。
3.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)的直徑為1微米 1毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)中相鄰的碳納米管之間通過范德華力緊密結(jié)合。
5.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述碳納米管的長度為200、00微米，直徑小于50納米。
6.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述催化劑均勻分布于該碳納米管長線中的碳納米管表面。
7.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述催化劑為貴金屬顆粒，其材料為鉬、 金或釕中的一種或其任意組合的混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一電極與第二電極均包括所述至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述第一電極與第二電極均由所述碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)組成。
10.一種燃料電池，其包括一質(zhì)子交換膜；一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩個(gè)相對(duì)的表面；一第一導(dǎo)流板及一第二導(dǎo)流板分別設(shè)置于第一電極及第二電極遠(yuǎn)離質(zhì)子交換膜的表面；以及一第一供氣和抽氣裝置及一第二供氣和抽氣裝置分別與第一導(dǎo)流板及第二導(dǎo)流板相連通，其特征在于，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中，所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池，其特征在于，所述第一電極與第二電極均包括所述至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)。
12.一種燃料電池，其包括如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的膜電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種膜電極，其包括一質(zhì)子交換膜，一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設(shè)置于該質(zhì)子交換膜的兩個(gè)相對(duì)的表面，其中，所述第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括至少一個(gè)碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)，且該碳納米管長線復(fù)合結(jié)構(gòu)包括碳納米管長線及催化劑，催化劑分布于該碳納米管長線中，所述碳納米管長線包括多個(gè)首尾相連且沿該碳納米管長線長度方向擇優(yōu)取向排列的碳納米管。本發(fā)明還提供采用上述膜電極的燃料電池。本發(fā)明膜電極及燃料電池具有較高的反應(yīng)活性，且可以提高催化劑的利用率。
文檔編號(hào)H01M4/86GK102394306SQ201110367950
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者姜開利, 張麗娜, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司