物等。
[0053] 请参见图6,本发明第一实施例还进一步提供一燃料电池200,其包括：一膜电极 100, 一第一导流板210a及一第二导流板210b，一第一集流板220a及一第二集流板220b， 以及一第一供气和抽气装置230a及一第二供气和抽气装置230b。
[0054] 所述膜电极100的结构如前所述。
[0055] 所述第一导流板210a及第二导流板210b分别设置于所述第一电极104a和第二 电极104b远离质子交换膜102的表面。在第一导流板210a及第二导流板210b的靠近质 子交换膜102的表面具有一条或多条导流槽212,用于传导燃料气体、氧化剂气体以及反应 产物水。该第一导流板210a及第二导流板210b采用金属或导电碳材料制作。
[0056] 所述第一集流板220a及第二集流板220b采用导电材料制作，分别设置于第一导 流板210a及第二导流板210b的远离质子交换膜102的表面，用于收集和传导反应产生的 电子。可以理解，本实施例中，由于碳纤维膜50本身具有良好的导电性，可以用来收集电 流，所以该第一集流板220a及第二集流板220b为一可选择结构。
[0057] 所述第一供气和抽气装置230a及第二供气和抽气装置230b包括鼓风机、管路、阀 门等（图中未标示）。鼓风机通过管路分别与第一导流板210a及第二导流板210b相连，用 来向燃料电池200提供燃料气体和氧化剂气体。本实施例中，燃料气体为氢气，氧化剂气体 为纯氧气或含氧的空气。其中，燃料电池200中靠近氧化剂气体输入端的第二电极104b称 为阴极，靠近燃料气体输入端的第一电极l〇4a称为阳极。
[0058] 上述燃料电池200工作时，利用其供气和抽气装置230通过导流板210分别向膜 电极100通入燃料气体(氢气）及氧化剂气体(纯氧气或含氧的空气)。其中，氢气通过导流 槽212到达阳极。在催化剂的作用下，氢气发生如下反应：H2 - 2H++2e。反应生成的质子穿 过质子交换膜102到达阴极，反应生成的电子则通过外电路到达阴极。
[0059] 在燃料电池200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 化剂的作用下，氧气与质子以及电子发生如下反应：l/202+2H++2e-H20。反应生成的水则 通过第二电极104b以及导流板210排出燃料电池200。在此过程中，第一电极104a与第二 电极104b之间会形成一定的电势差，当外电路接入一负载240时，将会形成电流。
[0060] 请参见图7,本发明第二实施例进一步提供一种燃料电池膜电极300,其包括：一 质子交换膜102和两个电极104,其中电极104由一气体扩散层106和多个催化剂颗粒110 组成，两个电极104分别设置在该质子交换膜102相对的两个表面，所述多个催化剂颗粒 110分布于气体扩散层106中。
[0061] 本实施例与第一实施例的区别是：第一实施例中，电极104由气体扩散层106和催 化层108组成，催化层108位于质子交换膜102与气体扩散层106之间；本实施例中，电极 104由气体扩散层106和多个催化剂颗粒110组成，该多个催化剂颗粒110分布于气体扩散 层106中。
[0062]本实施例中，可以将贵金属颗粒及碳颗粒利用物理或化学等方法沉积到作为气体 扩散层106的碳纤维膜50中，由于碳纤维膜50中相邻碳纤维54之间具有间隙，且石墨片 58与碳纳米管56呈一角度连接，因此石墨片58及碳纳米管56的表面均沉积有催化剂颗粒 110。即，催化剂颗粒110分散于碳纤维膜50的表面及内部。
[0063]本发明提供的燃料电池膜电极具有如下优点：第一、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；第二、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；第三、所述碳纤维膜中，多个石墨片包围每一根碳纳米管且通过共价键与该碳纳米 管连接，提高了首尾相连的碳纳米管之间的"节点"处的机械强度，从而提高了该气体扩散 层的机械强度，延长了所述燃料电池膜电极的使用寿命。
[0064]另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
【主权项】
1. 一种燃料电池膜电极，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，其特征在于，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。2. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述石墨片仅部分边缘通过共 价键与碳纳米管的外壁连接。3. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述多个碳纳米管平行于所述 碳纤维膜的表面。4. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述角度大于0度且小于90度。5. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳纤维膜包括至少两层交 叉重叠设置的碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向之间形成一夹角 α，0彡α彡90度。6. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，分布在同一碳纳米管外壁的多 个所述石墨片相互间隔。7. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述多个石墨片的长度为50纳 米至10微米，宽度为10纳米至20纳米。8. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂为一层状的催化层， 该催化层设置于质子交换膜与气体扩散层之间。9. 如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂为多个催化剂颗粒， 该多个催化剂颗粒分散于所述气体扩散层中。10. -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，其特征在于，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。
【专利摘要】本发明涉及一种燃料电池膜电极，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，该碳纤维膜包括多个碳纳米管和多个石墨片，该多个碳纳米管首尾相连且沿同一方向延伸形成一膜状，每一根碳纳米管被所述多个石墨片包围，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。本发明还涉及所述燃料电池膜电极的制备方法。
【IPC分类】H01M4/96
【公开号】CN105280931
【申请号】CN201410358042
【发明人】姜开利, 王佳平, 范守善, 林晓阳, 柳鹏, 罗姝
【申请人】清华大学, 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2014年7月25日
【公告号】US20160028097