燃料電池膜電極的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種燃料電池膜電極，尤其涉及一種基于碳納米管的燃料電池膜電 極。
【背景技術】
[0002] 燃料電池是一種電化學發電裝置，其將燃料及氧化劑氣體轉化為電能并產生反應 產物。相對于堿性電池、鋰電池等其它電池系統，燃料電池具有能量轉換效率高、對環境污 染小、適用范圍廣、無噪音以及可連續工作等優點，被廣泛應用于軍事國防及民用的電力、 汽車、通信等領域。
[0003] 燃料電池通常可分為堿性燃料電池、固態氧化物燃料電池、以及質子交換膜燃料 電池等。（請參見，Recentadvancesinfuelcelltechnologyanditsapplication, JournalofPowerSources,V100,P60-66 (2001))。其中，質子交換膜燃料電池近年來 發展迅速，越來越受到重視。通常，一個燃料電池堆包括多個單獨的燃料電池單元，一個單 獨的燃料電池單元主要包括燃料電池膜電極（MembraneElectrodeAssembly,簡稱MEA)， 導流板（FlowFieldPlate，簡稱FFP)，集流板（CurrentCollectorPlate，簡稱CCP)以及 相關的輔助部件，如：鼓風機、閥門、管路等。
[0004] 燃料電池膜電極（MEA)亦稱燃料電池膜電極組，是電池單元的核心部件。燃料 電池膜電極通常是由一質子交換膜（ProtonExchangeMembrane)和分別設置在質子交 換膜兩表面的電極組成。通常，電極又包括催化層（CatalystLayer)和氣體擴散層（Gas DiffusionLayer，簡稱⑶L)，且催化層設置在氣體擴散層與質子交換膜之間。質子交換膜 材料選自全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳氫化合物。催化 層包含有催化劑材料(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)。氣體擴散層主要由經過處理的碳布或碳紙構成。
[0005] 使用上述膜電極的燃料電池工作時，利用其輔助部件通過導流板分別向膜電極中 質子交換膜兩表面的電極通入一燃料氣體(氫氣)及氧化劑氣體(純氧氣或含氧的空氣)。其 中，通入燃料氣體的電極為陽極，通入氧化劑氣體的電極為陰極。在燃料電池一端，氫氣進 入陽極后，在催化劑作用下，一個氫分子發生如下反應：? - 2H++2e。反應生成的氫離子穿 過質子交換膜到達陰極。在燃料電池另一端，氧氣進入陰極，同時，電子則通過外電路到達 陰極。在催化劑作用下，氧氣與氫離子以及電子發生如下反應：l/202+2H++2e-H20。在此 電化學反應過程中，電子在外電路連接下形成電流，通過適當的連接可以向負載輸出電能。 而反應生成的水則通過氣體擴散層以及導流板排出。由此可見，氣體擴散層材料的選擇和 制備方法對質子交換膜燃料電池性能有著十分重要的影響。一方面，燃料氣體和氧化劑氣 體由氣體擴散層擴散到達催化層。另一方面，反應所必需的電子和反應生成的電子通過氣 體擴散層與外電路連接傳導。
[0006] 然而，目前的燃料電池膜電極中使用的氣體擴散層主要是碳纖維紙。傳統的碳纖 維紙由碳纖維、木漿、纖維素纖維等可碳化纖維相混合，制成紙漿，然后制成碳纖維紙。一方 面，傳統的碳纖維紙中，碳纖維分布不均勻，比表面積小，制約了氣體擴散層均勻擴散反應 氣體的功能。另一方面，傳統的碳纖維紙電阻率大，制約了氣體擴散層傳導反應所必需的電 子和反應生成的電子的功能。這些缺點直接影響了燃料電池膜電極的反應活性等電化學性 能。

【發明內容】

[0007] 有鑒于此，確有必要提供一種具有良好反應活性的燃料電池膜電極。
[0008] -種燃料電池膜電極，其包括：一質子交換膜及分別設置在該質子交換膜相對兩 表面的電極，該電極由氣體擴散層和催化劑組成，所述氣體擴散層包括一碳纖維膜，該碳纖 維膜由至少一碳納米管膜和石墨片構成，該至少一碳納米管膜包括多個碳納米管通過范德 華力相互連接形成一膜狀，該多個碳納米管沿同一方向延伸且在該延伸方向上相鄰的碳納 米管首尾相連，每一碳納米管的外壁分布有多個所述石墨片，且每一石墨片與碳納米管的 外壁之間形成一角度。
[0009] -種燃料電池膜電極，其包括：一質子交換膜及分別設置在該質子交換膜相對兩 表面的電極，該電極由氣體擴散層和催化劑組成，所述氣體擴散層包括一碳纖維膜，該碳纖 維膜包括至少一碳納米管膜和一石墨層設置于所述至少一碳納米管膜的表面，該碳納米管 膜包括多個沿同一方向延伸的碳納米管，該石墨層包括多個石墨片，每一碳納米管的外壁 分布有多個所述石墨片，每一石墨片傾斜地連接在所述碳納米管的外壁且向遠離碳納米管 的方向延伸，每一石墨片延伸的長度是碳納米管直徑的2. 5倍至100倍。
[0010] 相較于現有技術，本發明所提供的燃料電池膜電極中采用一碳纖維膜作為氣體擴 散層，所述碳纖維膜中碳纖維分布均勻，石墨片與碳納米管的外壁呈一角度，增大了碳纖維 膜的比表面積，提高了氣體擴散層均勻擴散反應氣體的能力。而且所述碳纖維膜的電阻率 較小，提高了氣體擴散層傳導電子的能力，進一步提高了所述燃料電池膜電極的反應活性 等電化學性能。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發明第一實施例提供的燃料電池膜電極的結構示意圖。
[0012] 圖2是本發明第一實施例提供的燃料電池膜電極中碳纖維膜的結構示意圖。
[0013] 圖3是圖2碳纖維膜中碳纖維的立體結構示意圖。
[0014] 圖4是本發明第一實施例提供的燃料電池膜電極中碳纖維膜的制備方法的結構 示意圖。
[0015] 圖5是本發明第一實施例提供的碳納米管膜的掃描電鏡照片。
[0016] 圖6是本發明第一實施例提供的燃料電池的結構示意圖。
[0017] 圖7是本發明第二實施例提供的燃料電池膜電極的結構示意圖。
[0018] 主要元件符號說明

如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本發明。
【具體實施方式】
[0019] 下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的燃料電池膜電極及其制備方法作 進一步的詳細說明。
[0020] 請參見圖1，本發明第一實施例提供一種燃料電池膜電極100,其包括：一質子交 換膜102, 一第一電極104a和一第二電極104b，所述第一電極104a和第二電極104b均由 氣體擴散層106和催化層108組成。所述質子交換膜102具有相對的第一表面1022和第 二表面1024,所述第一電極104a設置在該質子交換膜102的第一表面1022,所述第二電極 104b設置在該質子交換膜102的第二表面1024,且催化層108位于質子交換膜102與氣體 擴散層106之間。
[0021] 所述氣體擴散層106包括一碳纖維膜50,本實施例中，所述氣體擴散層106由一 碳纖維膜50組成。請參見圖2及圖3,該碳纖維膜50包括多個碳納米管56和多個石墨片 58,該多個碳納米管56通過范德華力首尾相連并沿同一方向延伸且形成一膜狀，每一根碳 納米管56被多個石墨片58包圍，每一石墨片58通過共價鍵與碳納米管56連接，且每一石 墨片58與碳納米管56的外壁之間有一角度。進一步，所述石墨片58僅部分邊緣通過共價 鍵與碳納米管56的外壁連接。所述多個石墨片58間隔分布在每一碳納米管56外壁表面。 分布在同一碳納米管56外壁的多個所述石墨片58相互間隔。所述石墨片的長度遠大于碳 納米管的直徑，為50納米至10微米，石墨片