燃料电池膜电极的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃料电池膜电极，尤其涉及一种基于碳纳米管的燃料电池膜电 极。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。（请参见，Recentadvancesinfuelcelltechnologyanditsapplication, JournalofPowerSources,V100,P60-66 (2001))。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燃料电池膜电极（MembraneElectrodeAssembly,简称MEA)， 导流板（FlowFieldPlate，简称FFP)，集流板（CurrentCollectorPlate，简称CCP)以及 相关的辅助部件，如：鼓风机、阀门、管路等。
[0004] 燃料电池膜电极（MEA)亦称燃料电池膜电极组，是电池单元的核心部件。燃料 电池膜电极通常是由一质子交换膜（ProtonExchangeMembrane)和分别设置在质子交 换膜两表面的电极组成。通常，电极又包括催化层（CatalystLayer)和气体扩散层（Gas DiffusionLayer，简称⑶L)，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：钼、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)。气体扩散层主要由经过处理的碳布或碳纸构成。
[0005] 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(氢气)及氧化剂气体(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。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：? - 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气体扩散层以及导流板排出。由此可见，气体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 体由气体扩散层扩散到达催化层。另一方面，反应所必需的电子和反应生成的电子通过气 体扩散层与外电路连接传导。
[0006] 然而，目前的燃料电池膜电极中使用的气体扩散层主要是碳纤维纸。传统的碳纤 维纸由碳纤维、木浆、纤维素纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纤维纸。一方 面，传统的碳纤维纸中，碳纤维分布不均匀，比表面积小，制约了气体扩散层均匀扩散反应 气体的功能。另一方面，传统的碳纤维纸电阻率大，制约了气体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燃料电池膜电极的反应活性等电化学性 能。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，确有必要提供一种具有良好反应活性的燃料电池膜电极。
[0008] -种燃料电池膜电极，其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜相对两 表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤 维膜由至少一碳纳米管膜和石墨片构成，该至少一碳纳米管膜包括多个碳纳米管通过范德 华力相互连接形成一膜状，该多个碳纳米管沿同一方向延伸且在该延伸方向上相邻的碳纳 米管首尾相连，每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片，且每一石墨片与碳纳米管的 外壁之间形成一角度。
[0009] -种燃料电池膜电极，其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜相对两 表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤 维膜包括至少一碳纳米管膜和一石墨层设置于所述至少一碳纳米管膜的表面，该碳纳米管 膜包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管，该石墨层包括多个石墨片，每一碳纳米管的外壁 分布有多个所述石墨片，每一石墨片倾斜地连接在所述碳纳米管的外壁且向远离碳纳米管 的方向延伸，每一石墨片延伸的长度是碳纳米管直径的2. 5倍至100倍。
[0010] 相较于现有技术，本发明所提供的燃料电池膜电极中采用一碳纤维膜作为气体扩 散层，所述碳纤维膜中碳纤维分布均匀，石墨片与碳纳米管的外壁呈一角度，增大了碳纤维 膜的比表面积，提高了气体扩散层均匀扩散反应气体的能力。而且所述碳纤维膜的电阻率 较小，提高了气体扩散层传导电子的能力，进一步提高了所述燃料电池膜电极的反应活性 等电化学性能。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极的结构示意图。
[0012] 图2是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极中碳纤维膜的结构示意图。
[0013] 图3是图2碳纤维膜中碳纤维的立体结构示意图。
[0014] 图4是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极中碳纤维膜的制备方法的结构 示意图。
[0015] 图5是本发明第一实施例提供的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
[0016] 图6是本发明第一实施例提供的燃料电池的结构示意图。
[0017] 图7是本发明第二实施例提供的燃料电池膜电极的结构示意图。
[0018] 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的燃料电池膜电极及其制备方法作 进一步的详细说明。
[0020] 请参见图1，本发明第一实施例提供一种燃料电池膜电极100,其包括：一质子交 换膜102, 一第一电极104a和一第二电极104b，所述第一电极104a和第二电极104b均由 气体扩散层106和催化层108组成。所述质子交换膜102具有相对的第一表面1022和第 二表面1024,所述第一电极104a设置在该质子交换膜102的第一表面1022,所述第二电极 104b设置在该质子交换膜102的第二表面1024,且催化层108位于质子交换膜102与气体 扩散层106之间。
[0021] 所述气体扩散层106包括一碳纤维膜50,本实施例中，所述气体扩散层106由一 碳纤维膜50组成。请参见图2及图3,该碳纤维膜50包括多个碳纳米管56和多个石墨片 58,该多个碳纳米管56通过范德华力首尾相连并沿同一方向延伸且形成一膜状，每一根碳 纳米管56被多个石墨片58包围，每一石墨片58通过共价键与碳纳米管56连接，且每一石 墨片58与碳纳米管56的外壁之间有一角度。进一步，所述石墨片58仅部分边缘通过共价 键与碳纳米管56的外壁连接。所述多个石墨片58间隔分布在每一碳纳米管56外壁表面。 分布在同一碳纳米管56外壁的多个所述石墨片58相互间隔。所述石墨片的长度远大于碳 纳米管的直径，为50纳米至10微米，石墨片