[发明专利]膜电极及采用该膜电极的燃料电池

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

燃料电池是一种将燃料及氧化剂气体转化为电能的电化学发电装置，被广泛应用于军事国防及民用的电力、汽车、通信等领域（请参见，Recent advances in fuel cell technology and its application, Journal of Power Sources, V100, P60-66（2001））。

通常，一个燃料电池主要包括膜电极（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。

膜电极（MEA）是燃料电池单元的核心部件，其通常是由一质子交换膜（Proton Exchange Membrane）和分别设置在质子交换膜两表面的电极组成。其中，电极又包括催化层（Catalyst Layer）和气体扩散层（Gas Diffusion Layer，简称GDL），且催化层设置在气体扩散层与质子交换膜之间。质子交换膜材料选自全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛树脂磺酸或碳氢化合物。催化层包含有催化剂材料（一般为贵金属颗粒，如：铂、金或钌等）及其载体（一般为碳颗粒，如：石墨、炭黑、碳纤维或碳纳米管）。气体扩散层主要由碳纤维纸构成。

然而，现有技术中的燃料电池的膜电极存在以下不足：第一，由于气体扩散层主要由碳纤维纸构成，一方面，该碳纤维纸中含有大量杂乱分布的碳纤维，导致碳纤维纸中孔隙结构分布不均匀，而且比表面积小，从而影响了反应气体扩散的均匀性；另一方面，碳纤维纸电阻率大，制约了反应所必需的电子和反应生成的电子的传输，从而直接影响了膜电极的反应活性。第二，由于每个电极包括一气体扩散层和一形成于气体扩散层表面的催化层，一方面，该结构使得膜电极具有较大的厚度，且增大了膜电极气体扩散层与催化

层之间的接触电阻，不利于电子传导；另一方面，催化层中的催化剂与反应气体的接触面积小，限制了催化剂的利用率。

有鉴于此，确有必要提供一种具有较高的反应活性，且可以提高催化剂的利用率的膜电极以及采用该膜电极的燃料电池。

发明内容

一种膜电极，其包括：一质子交换膜，一第一电极及一第二电极，所述第一电极与第二电极分别设置于该质子交换膜的两个相对的表面，其中，所述第一电极与第二电极中的至少一个电极包括至少一个碳纳米管长线复合结构，且该碳纳米管长线复合结构包括碳纳米管长线及催化剂，催化剂分布于该碳纳米管长线中，所述碳纳米管长线包括多个首尾相连且沿该碳纳米管长线长度方向择优取向排列的碳纳米管。

一种燃料电池，其包括：一质子交换膜；一第一电极及一第二电极，所述第一电极与第二电极分别设置于该质子交换膜的两个相对的表面；一第一导流板及一第二导流板分别设置于第一电极及第二电极远离质子交换膜的表面；以及一第一供气和抽气装置及一第二供气和抽气装置分别与第一导流板及第二导流板相连通，其特征在于，所述第一电极与第二电极中的至少一个电极包括至少一个碳纳米管长线复合结构，且该碳纳米管长线复合结构包括碳纳米管长线及催化剂，催化剂分布于该碳纳米管长线中，所述碳纳米管长线包括多个首尾相连且沿该碳纳米管长线长度方向择优取向排列的碳纳米管。

相较于现有技术，所述膜电极具有以下优点：第一，所述第一电极与第二电极中的至少一个电极采用碳纳米管长线与催化剂的复合结构，所以避免了现有技术中扩散层与催化剂层之间的接触电阻，有利于反应所必需的电子和反应生成的电子的传导。第二，碳纳米管长线具有极大的比表面积，故，采用该碳纳米管长线可以有效且均匀的担载催化剂，使催化剂与氢燃料或氧化剂气体具有较大的接触面积，提高了催化剂的利用率。第三，由于碳纳米管本身的电阻率要低于碳纤维的电阻率，所以采用该碳纳米管长线与催化剂的复合结构的电极的电阻率低，可以有效的传导反应所必需的电子和反应生成的电子，有助于改善膜电极的反应活性。

附图说明

图1为本技术方案实施例的膜电极的结构示意图。

图2为本技术方案实施例提供的表面蒸镀有铂层后的碳纳米管薄膜的局部扫描电镜照片。

图3为本技术方案实施例的燃料电池的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。