专利名称：燃料电池膜电极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法，尤其涉及一种基于碳纳 米管的燃料电池膜电极及其制备方法。
背景技术：
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。相对于石咸性电池、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。
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
4奐膜少然泮+电；也等(i青参见，Recent advances in fuel cell technology and its application, Journal of Power Sources, 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 电才及(Membrane Electrode Assembly,简称MEA )，导流4反(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。
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(Proton Exchange Membrane ) 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 (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)。气体扩散层主要由经过处 理的碳布或碳纸构成。
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H2 —2H++2e。反应生成的氩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。
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。该碳纤维纸中碳纤维杂乱分布。 一方面，传统的碳纤维 纸中，碳纤维分布不均匀，导致碳纤维纸中孔隙结构不够合理，而且比表面 积小。该结构缺点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。而且，传统的碳纤维纸柔韧性差，不利于加工。
有鉴于此，确有必要提供一种具有更好反应活性的，且易于加工的燃料 电池膜电极及其制备方法。
发明内容
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 膜两表面的电极，其中电极由气体扩散层和催化层组成，且催化层设置于质 子交换膜与气体扩散层之间，其中，所述的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜 结构，该碳纳米管薄膜结构包括至少一个碳纳米管层，且该碳纳米管层中的 碳纳米管沿同 一方向择优取向排列。
一种燃料电池膜电极的制备方法，其具体包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；从上述碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜；采用上述碳 纳米管薄膜制备一碳纳米管薄膜结构，从而得到一气体扩散层；在上述气体 扩散层表面形成一催化层，得到一电极；以及提供一质子交换膜，将两个上 述电极分别设置在该质子交换膜两表面，且催化层设置于质子交换膜与气体 扩散层之间，从而得到一燃料电池膜电极。
相较于现有技术，所述的燃料电池膜电极中，气体扩散层包括一碳纳米 管薄膜结构，具有以下优点。第一，该碳纳米管薄膜结构包括多个碳纳米管 薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且择优取向排列的碳纳米管束，相 邻碳纳米管薄膜中的碳纳米管束交叉排列，使得碳纳米管薄膜结构中形成大 量的均匀且规则分布的微孔结构，且该碳纳米管薄膜结构具有极大的比表面 积。这种结构可以有效且均匀的扩散燃料气体和氧化剂气体。第二，由于碳 纳米管本身的电阻率要低于碳纤维的电阻率，所以该碳纳米管薄膜电阻率 低，可以有效的传导反应所必需的电子和反应生成的电子。所以，该燃料电 池气体扩散层可改善燃料电池膜电极的反应活性。第三，由于碳纳米管阵列 中碳纳米管生长均匀，因而所制备的碳纳米管薄膜中的碳纳米管分散均匀， 使得该碳纳米管薄膜结构具有较好的机械强度和韧性，易于加工。
图1是本技术方案实施例的燃料电池膜电极结构示意图。
图2是本技术方案实施例的燃料电池膜电极的制备方法的流程示意图。
图3是本技术方案实施例的燃料电池结构示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图l，本技术方案实施例提供一种燃料电池膜电极10,其包括
一质子交换膜12和两个电极14，其中电极14由气体扩散层16和催化层18
组成。两个电极14分别设置在该质子交换膜12两表面，且催化层18位于
质子交换膜12与气体扩散层16之间。
气体扩散层16包括一碳纳米管薄膜结构。所述碳纳米管薄膜结构包括
一碳纳米管层或至少两个平行且重叠铺设的石灰纳米管层，且相邻两个碳纳米管层之间通过范德华力紧密连接。每个碳纳米管层包括一碳纳米管薄膜或至 少两个平行且无间隙排列的碳纳米管薄膜，且相邻两个碳纳米管薄膜之间通 过范德华力紧密连接。碳纳米管薄膜结构的面积与厚度不限，可根据实际需 求制备。可以理解，通过将多个碳纳米管薄膜平行且无间隙铺设或/和重叠铺 设，可以制备不同面积与厚度的碳纳米管薄膜结构。可以理解，碳纳米管薄 膜结构的面积取决于每层碳纳米管层中碳纳米管薄膜的个数，而厚度取决于 碳纳米管薄膜结构中碳纳米管层的层数。所述碳纳米管薄膜包括多个首尾相 连且择优取向排列的碳纳米管束。碳纳米管薄膜中的碳纳米管束的长度基本 相同，所述碳纳米管束包括多个具有相同长度且相互平行排列的碳纳米管， 碳纳米管束之间通过范德华力紧密连接。所述碳纳米管薄膜中的碳纳米管具 有相同的排列方向。可以理解，在由多个碳纳米管层组成的碳纳米管薄膜结
构中，相邻两个碳纳米管层中的碳纳米管的排列方向有一夹角a， JL0°SaS 90°,相邻两个碳纳米管层中的碳纳米管束之间存在多个微孔结构，该微孔 结构均匀且规则分布于碳纳米管薄膜结构中，其中微孔直径为1纳米 0.5微 米。该微孔结构可以用于扩散气体。
所述碳纳米管薄膜的厚度为0.01-100微米。该碳纳米管薄膜中的碳纳 米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种。该碳纳米管 的长度为200 400微米。当该碳纳米管薄膜中的碳纳米管为单壁碳纳米管时， 该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米。当该碳纳米管薄膜中的碳纳米 管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~50纳米。当该碳 纳米管薄膜中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径为1.5 纳米~50纳米。
催化层18包括贵金属颗粒及碳颗粒。贵金属颗粒为铂、金、钌中的一 种或几种的混合物，优选地为拍。碳颗粒为石墨颗粒、炭黑颗粒、碳纤维或 碳纳米管中的一种或几种的混合物，优选为碳纳米管。贵金属颗粒分散于碳 颗粒中，形成催化层18。作为催化材料的贵金属颗粒担载量低于0.5mg/cm2。 质子交换膜12的材料为全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚 搭树脂磺酸或碳氢化合物等。
请参阅图2，本技术方案实施例还进一步提供一种燃料电池膜电极10 的制备方法，具体包括以下步骤步骤一提供一碳纳米管阵列。
本实施例中，所述碳纳米管阵列为一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳 纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括提供一平整 基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本 实施例优选为采用4英寸的硅基底；在基底表面均匀形成一催化剂层，该催 化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一； 将上述形成有催化剂层的基底在700 900'C的空气中退火约30分钟 90分 钟；将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500 740°C, 然后通入碳源气体反应约5 30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高 度为200~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生 长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳 纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该 碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化 合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施 例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法。本实施 例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳 米管阵列中的一种。
步骤二，从上述碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜。
该碳纳米管薄膜的制备具体包括以下步骤从上述碳纳米管阵列中选定 一定宽度的多个碳纳米管束片断，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带 接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管束片断；以一定速度沿基 本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管束片断，以形成一连续 的碳纳米管薄膜。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束片断在拉力作用下沿拉伸方向逐 渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管束片断分别 与其他碳纳米管片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜。 该碳纳米管薄膜为择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一 定宽度的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜中碳纳米管束之间相互平行，碳纳
9米管束的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向。
本实施例中，该碳纳米管薄膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺 寸有关，该碳纳米管薄膜的长度不限，可根据实际需求制得。该碳纳米管薄
膜的厚度为0.01~100微米。当该碳纳米管薄膜中的碳纳米管为单壁碳纳米 管时，该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~50纳米。当该碳纳米管薄膜中的 碳纳米管为双壁碳纳米管时，该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米 50纳米。 当该碳纳米管薄膜中的碳纳米管为多壁碳纳米管时，该多壁碳纳米管的直径 为1.5纟内米~50纳米。
步骤三，采用上述碳纳米管薄膜制备一碳纳米管薄膜结构，从而得到一 气体扩散层16。
该碳纳米管薄膜结构的制备方法具体包括以下步骤提供一基板；将至 少一个碳纳米管薄膜粘附于基板表面；去除基板外多余的碳纳米管薄膜；去 除基板，形成一碳纳米管薄膜结构。可以理解，本实施例中还可以将至少两 个碳纳米管薄膜平行且无间隙或/和重叠铺设于基板表面，形成一碳纳米管薄 膜结构。所述碳纳米管薄膜结构包括一碳纳米管层或至少两个平行且重叠铺 设的碳纳米管层，且相邻的碳纳米管层中的碳纳米管排列方向形成一夹角 a,且0。^xS90。。本实施例中，相邻的石友纳米管层中的石友纳米管排列方向 的夹角a优选为90。。
本实施例中，该基板的大小可依据实际需求确定。上述基板也可选用一 框架结构，上述碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于固定框架，使 碳纳米管薄膜的四周通过固定框架固定，该碳纳米管薄膜的中间部分悬空。
纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管薄膜本身具有较强的粘性， 该碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于基板或框架上。碳纳米管薄 膜黏附在基板或框架上，基板或框架外多余的碳纳米管薄膜部分可以用小刀 刮去。去除基板或框架后可获得一碳纳米管薄膜结构作为气体扩散层16。
本实施例中，进一步包括用有机溶剂处理碳纳米管薄膜结构的步骤，该 有机溶剂为挥发性有机溶剂，可选用乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中 一种或者几种的混合，本实施例中的有机溶剂采用乙醇。该使用有机溶剂处 理的步骤可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜结构表面浸润整个碳
10纳米管薄膜结构，或者，也可将上述形成有碳纳米管薄膜结构的基板或固定 框架整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。待溶剂渗透至基板表面后，将碳 纳米管薄膜结构的一端用小刀翘起，从而可以将整个碳纳米管薄膜结构从基 板或固定框架表面取下。所述的碳纳米管薄膜结构经有机溶剂浸润处理后， 在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜中平行的碳纳米管片 断会部分聚集成碳纳米管束。因此，该碳纳米管薄膜结构表面体积比小，无 粘性，且具有良好的机械强度及韧性。
步骤四在上述气体扩散层16—表面形成一催化层18，从而得到一电极14。
其中，形成催化层18的方法具体包括以下步骤
首先，提供一贵金属颗粒与碳颗粒的混合物，并将其投入到一分散液中， 再加入水和表面活性剂，分散后形成一催化剂浆料。
作为催化剂材料的贵金属颗粒选自粕、金、钌中的一种或几种的混合物， 作为载体的碳颗粒选自石墨颗粒、炭黑颗粒、碳纤维或碳纳米管中的一种或
几种的混合物。贵金属颗粒担载于碳颗粒载体表面，形成分散的颗粒。贵金 属颗粒担载量低于0.5mg/cm2。碳颗粒具有高导电、高比表面积，耐腐蚀性。 所述的分散液为将CHF1000树脂溶解到二曱基乙酰胺中得到的，其中，分散 液中树脂浓度为5wt。/。。所述的表面活性剂为异丙醇等，可以抑制碳颗粒的凝 聚。进一步，制备催化剂浆料前，可以用球磨机对碳颗粒进行长时间球磨， 尽可能减小碳颗粒的粒径，来提高碳颗粒在催化剂浆料中的分散性。分散可 通过采用超声波分散处理或高强度搅拌等方法实现。
其次，将上述催化剂浆料涂覆在气体扩散层16—表面，并干燥形成一催 化层18。
涂覆催化剂浆料可以采用喷射法、浸渍法或丝网印刷法等。涂覆催化剂 浆料要尽可能使涂覆的催化剂浆料致密，均勻。干燥可以通过烘干或烧结的 方法，尽可能在低温条件下进行，以便减少催化层18内裂紋和空隙的产生。
步骤五提供一质子交换膜12,将两个上述电极14分别设置在该质子 交换膜12两个表面，且催化层设置于质子交换膜与气体扩散层之间，从而 得到一燃料电池膜电极10。
通过热压的方法，将两个电极14分别与质子交换膜12的两个表面结合，
ii且电极14的催化层18紧贴质子交换膜12的表面，置于气体扩散层16与质 子交换膜12之间。质子交换膜12材料为全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟 苯乙烯磺酸、酚醛树脂磺酸、碳氢化合物等。
本技术方案实施例中，采用施压装置直接施加压力于碳纳米管阵列的方 式制备碳纳米管薄膜，从而获得气体扩散层16，方法简单。而且，依据施加 压力方式的不同可使碳纳米管薄膜中碳纳米管为各向同性或沿一个方向择 优取向或多个方向择优取向排列。
请参阅图3，本技术方案实施例还进一步提供一燃料电池600，其包括 一膜电才及618，两个导流斧反610,两个集流4反612以及相关的辅助部件614。其 中，膜电极618包括一质子交换膜602和两个电极604，而每个电极604又包括 一气体扩散层606和一催化层608。两个电极604分别设置在质子交换膜602两 表面，且催化层608位于质子交换膜602与气体扩散层606之间。导流板610设 置在电极604远离质子交换膜602的表面，用于传导燃料气体、氧化剂气体以 及反应产物水。导流板610采用金属或导电碳材料制作，在导流板610的一表 面具有一条或多条导流槽616。该导流槽616与气体扩散层606接触，用于导引 燃料气体、氧化剂气体和反应产物水。集流板612采用导电材料制作，设置于 导流板610的远离质子交换膜602的表面，用于收集和传导反应产生的电子。 气体扩散层606为本技术方案实施例制备的碳纳米管薄膜。催化层608包括贵 金属颗粒及碳颗粒。贵金属颗粒为铂、金、钌等，优选地为柏。碳颗粒为石 墨、炭黑、碳纤维或碳纳米管等，优选地为碳纳米管。质子交换膜602材料为 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。 质子交换膜602用来传导质子，分割燃料气体和氧化剂气体。辅助部件614包 括鼓风机、管路、呵门等(图中未标示)。鼓风机通过管路与导流板610相连， 用来向燃料电池600提供燃料气体和氧化剂气体。本实施例中，燃料气体为氬 气，氧化剂气体为纯氧气或含氧的空气。其中，燃料电池600中靠近氧化剂气 体输入端的电极604称为阴极，靠近燃料气体输入端的电极604称为阳极。
上述燃料电池600工作时，利用其辅助部件614通过导流板610分别向 膜电极618中质子交换膜602两表面的电极604通入燃料气体(氬气)及氧 化剂气体(纯氧气或含氧的空气)。其中，氪气通过导流槽616到达阳极， 氧化剂气体通过导流槽616到达阴极。在燃料电池600的一端，氢气进入阳极后，通过气体扩散层606与催化层608接触。由于本技术方案实施例中采 用碳纳米管薄膜结构作为气体扩散层606,该碳纳米管薄膜结构包括多个重 叠设置的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且择优取向排列 的碳纳米管束，相邻碳纳米管薄膜中的碳纳米管束交叉排列，使得碳纳米管 薄膜结构中形成大量的均匀且规则分布的微孔结构，且该碳纳米管薄膜结构 具有极大的比表面积。这种结构可以有效且均匀的扩散氢气，使氢气与催化 层608中的贵金属颗粒均匀接触，可以有效的利用催化层608中的贵金属颗 粒对氢气进行催化反应。在催化剂材料作用下， 一个氢分子发生如下反应 H2 —2H++2e。反应生成的氢离子穿过质子交换膜602到达阴极。反应生成的 电子则进入外电路。
在燃料电池600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。由于本技术方案实施例中采用的碳纳米管薄膜中含有大量的均匀且 规则分布的微孔结构，且该碳纳米管薄膜具有极大的比表面积，因此使得氧 气均匀扩散，在催化剂作用下与氢离子以及电子反应，提高了反应活性。另 一方面，碳纳米管薄膜优良的导电性使得反应所必需的电子和反应生成的电 子通过气体扩散层606迅速传导。而反应生成的水则通过气体扩散层606以 及导流板610排出。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。
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。
权利要求
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两表面的电极，其中电极由气体扩散层和催化层组成，且催化层设置于质子交换膜与气体扩散层之间，其特征在于，所述的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构包括至少一个碳纳米管层，且该碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。
2. 如权利要求l所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构包括至少两个重叠设置的碳纳米管层，相邻两个^友纳米管层之间通过范德华力紧密连接，且相邻两个碳纳米管层中的碳纳米管的排列方向形成一夹角a, 0°^x^90°。
3. 如权利要求l所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳纳米管层包括一碳纳米管薄膜或至少两个平行且无间隙排列的碳纳米管薄膜，且相邻两个碳纳米管薄膜之间通过范德华力紧密连接。
4. 如权利要求3所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度为0.01 100微米。
5. 如权利要求3所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜包括多个首尾相连且择优取向排列的碳纳米管束，且所述的碳纳米管束之间通过范德华力紧密连接。
6. 如权利要求5所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管束包括多个具有相同长度且相互平行排列的碳纳米管。
7. 如权利要求6所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种。
8. 如权利要求6所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管的长度为200 400微米，直径小于50纳米。
9. 如权利要求l所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳纳米管薄膜结构中包括均匀且规则分布的微孔结构，且该微孔孔径小于l微米。
10. 如权利要求l所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的质子交换膜材料为全氟磺酸、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。
11. 如权利要求l所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的催化层包括贵金属颗粒和碳颗粒。
12. 如权利要求ll所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的贵金属颗粒材料为铂、金或钌中的一种或几种的混合物。
13. 如权利要求ll所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述的碳颗粒为石墨颗粒、炭黑颗粒、碳纤维或碳纳米管中的一种或几种的混合物。
14. 一种如权利要求l所述的燃料电池膜电极的制备方法，其包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；从上述碳纳米管阵列中拉取获得至少 一碳纳米管薄膜；采用上述碳纳米管薄膜制备一碳纳米管薄膜结构，从而得到一气体扩散层；在上述气体扩散层表面形成一催化层，得到一电极；以及提供一质子交换膜，将两个上述电极分别设置在该质子交换膜两表面，且催化层设置于质子交换膜与气体扩散层之间，从而得到一燃料电池膜电极。
15. 如权利要求14所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管阵列为超顺排碳纳米管阵列。
16. 如权利要求14所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述的拉取获得碳纳米管薄膜的步骤包括从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断；沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管片断获得一连续的碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向平行于上述拉伸的方向。
17. 如权利要求14所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述采用碳纳米管薄膜制备碳纳米管薄膜结构的步骤具体包括以下步骤提供一基板或框架；将至少一个碳纳米管薄膜粘附于基板表面或框架上；去除基板或框架外多余的碳纳米管薄膜，并使用有机溶剂处理该碳纳米管薄膜结构；去除基板或框架，形成一碳纳米管薄膜结构。
18. 如权利要求17所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述采用碳纳米管薄膜制备碳纳米管薄膜结构的步骤进一步包括将至少两个碳纳米管层平行且无间隙叠铺或/和重叠铺设于基板上。
19. 如权利要求17所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、曱醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合。
20. 如权利要求17所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述使用有机溶剂处理碳纳米管薄膜结构的方法为通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜结构表面浸润整个碳纳米管薄膜结构，或者将整个碳纳米管 薄膜结构浸到盛有有机溶剂的容器中浸润。
21. 如权利要求17所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述采 用碳纳米管薄膜制备碳纳米管薄膜结构的步骤进一步包括将该碳纳米管 薄膜结构切割成预定的尺寸和形状，形成一预定尺寸和形状的燃料电池气 体扩散层。
22. 如权利要求14所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述的 在气体扩散层表面形成催化层的方法包括喷涂法、浸渍法或丝网印刷法。
23. 如权利要求14所述的燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述将 两个电极分别设置在质子交换膜两表面的方法为热压法。
全文摘要
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两表面的电极，其中电极由气体扩散层和催化层组成，其中，所述的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜结构，该碳纳米管薄膜结构包括至少一个碳纳米管层，且该碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。一种燃料电池膜电极的制备方法，其具体包括以下步骤提供一碳纳米管阵列；从上述碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管薄膜；采用上述碳纳米管薄膜制备一气体扩散层；在上述气体扩散层表面形成一催化层，得到一电极；以及提供一质子交换膜，将两个上述电极分别设置在该质子交换膜两表面，从而得到一燃料电池膜电极。
文档编号H01M8/02GK101465434SQ20071012526
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者姜开利, 张丽娜, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司