[發明專利]燃料電池膜電極

有效

• 申請號: 201110223768.1
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102916198A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 劉志祥;王誠;毛宗強
• 申請（專利權）人: 清華大學;鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種燃料電池膜電極。

背景技術

燃料電池是通過發生電化學反應而產生電能的一種發電裝置。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，Recent?advances?in?fuel?cell?technology?and?its?application,?Journal?of?Power?Sources,?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。

膜電極是質子交換膜燃料電池的核心部件，膜電極通常由一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜兩表面的電極組成。通常，電極又包括催化劑層和氣體擴散層，且催化劑層設置在氣體擴散層與質子交換膜之間。所述催化劑層的主要成份包括催化劑、催化劑載體、質子導體及粘結劑，所述催化劑載體通常為碳顆粒，所述催化劑為高度分散在該催化劑載體中的納米貴金屬顆粒。催化劑層是燃料電池發生電化學催化反應的重要場所，因此，其催化效率的高低很大程度上決定了燃料電池的性能。提高催化劑層催化效率的關鍵是要增加納米貴金屬催化劑顆粒表面與反應氣體、質子及電子的三相反應界面。具體地，氫氣等反應氣體通過氣體通道到達貴金屬催化劑顆粒表面，經催化反應，產生質子和電子。產生的質子需要通過催化劑層中的質子導體網絡構建的質子通道向質子交換膜方向傳遞，而電子則由催化劑載體構建的導電網絡導向氣體擴散層。如果有一個通道不通暢，則燃料電池電化學反應就會受阻。

然而，目前燃料電池的催化劑層是通過刷涂、噴涂、印刷等各種工藝手段將催化劑漿料制備到氣體擴散層或質子交換膜的表面，通過該方法形成的催化劑層是一種由很多團聚體構成的無序堆積結構，很多貴金屬催化劑顆粒深埋在團聚體內部，很難起到催化作用，因此，這種無序堆積結構勢必會造成局部質子傳導、電子傳導或氣體傳導的死區,使得催化劑的利用率很低。

發明內容

有鑒于此，確有必要提供一種具有較高催化劑利用率的膜電極。

一種燃料電池膜電極，其包括：一質子交換膜和分別設置在該質子交換膜相對的兩個表面的電極，所述每個電極均包括一催化層，其中，該催化層包括多個管狀載體、均勻吸附在該多個管狀載體內壁的多個催化劑顆粒及填充于該多個管狀載體內的質子導體，該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使反應氣體直接擴散至催化劑顆粒表面，該多個管狀載體具有電子導電性，該多個管狀載體的一端均與所述質子交換膜相連以使填充于該多個管狀載體內的質子導體與所述質子交換膜相接觸。

相較于現有技術，本發明提供的燃料電池膜電極中的催化劑顆粒均勻吸附在具有電子導電性的多個管狀載體的內壁上，且該多個管狀載體共同定義了多個反應氣體通道，使得該燃料電池膜電極在工作的過程中：反應氣體可通過該多個反應氣體通道到達所述管狀載體的管壁，進而透過所述管狀載體的管壁充分與所述催化劑顆粒接觸；由于該管狀載體內填充的質子導體不僅直接與質子交換膜接觸，還與管狀載體管壁上的催化劑顆粒直接接觸，從而使所述通過質子交換膜或質子導體傳導的質子可充分與催化劑顆粒接觸，且由于該質子導體位于管狀載體管內，使得該質子導體不會阻擋所述反應氣體充分到達所述催化劑顆粒；由于管狀載體自身具有電子導電性，從而使得管狀載體傳導的電子也可直接與催化劑顆粒接觸，因此，該燃料電池膜電極中的催化劑顆?？沙浞峙c反應氣體、質子和電子接觸，提高了該燃料電池的利用率。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的具有相互交叉形成網狀結構的多個管狀載體的燃料電池膜電極的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的具有多個不同形狀的管狀載體的燃料電池膜電極的結構示意圖。

圖3為本發明實施例提供的具有多個相互平行且間隔設置的管狀載體的燃料電池膜電極的結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的燃料電池膜電極的制備工藝流程圖。

圖5為本發明實施例提供的燃料電池膜電極的制備過程流程圖。

主要元件符號說明