[發明專利]膜電極以及采用該膜電極的燃料電池

有效

• 申請號: 201210136133.2
• 申請日: 2012-05-04
• 公開（公告）號: CN102683717A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 姜波
• 申請（專利權）人: 上海錦眾信息科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/96;H01M4/90;H01M8/02
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 劉懿

技術領域

本發明涉及一種膜電極，尤其涉及一種用于燃料電池中的膜電極，以及采用該膜電極的燃料電池。

背景技術

燃料電池是一種無污染的有效電源，其是一種將氫等無污染的燃料轉化為電能的電化學裝置，燃料電池的結構通常為具有多孔的兩個電極以及形成在該兩個電極之間的電解質組成。氫氣或者另外的燃料從燃料電池的外部供應至陽極，通過陽極上的孔達到反應區域，并且氫氣通過該電極中的催化劑而變成離解的氫原子。活性氫原子變成質子，另外的兩個電子被傳輸至電極，從而燃料電池產生電流。

膜電極組件是燃料電池的核心部件，其通常包括質子交換膜和分別設置在質子交換膜兩側表面的電極組成。其中電極包括催化劑層和氣體擴散層，其中的催化劑層用于將氫氣離解為活性氫原子，現有技術中常用的催化劑層的催化劑材料一般為貴金屬顆粒，如：鉑、金或釕等。氣體擴散層用于對外部供應至陽極的氫氣進行擴散以進入反應區。擴散層一般主要由碳纖維構成。其中催化劑材料和擴散層材料都會和反應氣體進行接觸，那么催化劑材料和擴散材料將決定著膜電極組件的性能，包括電阻率、催化劑的利用率等，從而也就決定著燃料電池的性能。且現有技術中常用的催化劑材料也較為昂貴，不利于燃料電池成本的降低。

鑒于此，本發明提供一種具有較高性能的膜電極組件以及采用該膜電極的燃料電池，本發明的膜電極組件在具有較高性能的基礎上，還具有較低成本，從而有利于燃料電池成本的降低和市場化。

發明內容

本發明所要解決的是目前膜電極成本較高的問題，本發明的目的是提供一種較高性能的膜電極、以及采用該膜電極的燃料電池。

本發明第一個方面是提供一種用于燃料電池的膜電極，所述膜電極包括：質子交換膜、第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極分別設置在所述質子交換膜的兩側表面上。其中第一電極和第二電極均包括氣體擴散層和催化劑層，其中的氣體擴散層包括具有分支結構的納米管線互連網絡和沉積在該納米管線互連網絡表面上的金屬催化劑，該納米管線的分支結構包括多個長度為300-600微米的碳納米管，直徑小于40納米，其通過范德華力相連而形成碳納米管線互連網絡，所述碳納米管線互連網絡有多個平均孔徑10-20微米的網孔。其中的催化劑層由碳化鎢和鈀合金組成，其中碳化鎢重量占75%-90%，且碳化鎢中包括有0.15%的無定形碳，并且其中的碳化鎢具有約40m²/g以上的比表面積。

優選地，所述碳納米管線的分支結構包括多個長度為400微米的碳納米管。

更優選地，所述碳納米管線的分支結構中的碳納米管直徑為35納米。

更優選地，所述催化劑中碳化鎢重量比為85%。

更優選地，所述無定形碳形成在所述碳化鎢的晶格結構外部。

更優選地，所述鈀合金中包括選自如下的至少一種金屬：鎳、金、銥、鈷、鐵、銀和錳。

更優選地，鈀合金中鈀的重量比為60%以上。

更優選地，催化劑是通過物理或化學沉積方法沉積在碳納米管線互連網絡的表面上。

本發明的第二個方面是提供一種使用上述膜電極的燃料電池，其包括導流板、集流板和膜電極，其中的膜電極采用如上所述的任意膜電極。

本發明的膜電極通過采用優化配比的催化劑材料和優化的氣體擴散層材料結構，可以進一步提高膜電極的反應活性，并降低膜電極的成本。

附圖說明

圖1為本發明的燃料電池的膜電極組件結構示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明的技術方案作進一步的詳細說明。

參考附圖1，本發明的膜電極100，其包括質子交換膜101，第一電極102，第二電極103，其中第一電極102和第二電極103分別設置在質子交換膜101的兩側表面上。

其中第一電極102和第二電極103均包括催化劑層104和氣體擴散層105，其中的氣體擴散層包括具有分支結構的納米管線互連網絡和沉積在該納米管線互連網絡表面上的金屬催化劑，碳納米管線互連網絡形成在質子交換膜101的表面上，碳納米管線互連網絡由多個碳納米管線通過范德華力首尾相連而形成，其中的碳納米管具有300-600微米的長度，直徑小于40納米，這樣的碳納米管形成的互聯網絡可以使得碳納米管互聯網絡具有足夠多的孔，以利于反應氣體進行有效的擴散；其中碳納米管網絡形成具有平均孔徑為10-20微米的多孔結構，并且同時能保持足夠的導電性和機械強度。采用這種碳納米結構，可以有效降低電極的電阻率，有效傳導反應所生成的電子，從而有助于改善膜電極的反應活性。?