專利名稱：膜電極以及采用該膜電極的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
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(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，燃料電池的結(jié)構(gòu)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(zhì)組成。氫氣或者另外的燃料從燃料電池的外部供應(yīng)至陽極，通過陽極上的孔達(dá)到反應(yīng)區(qū)域，并且氫氣通過該電極中的催化劑而變成離解的氫原子?；钚詺湓幼兂少|(zhì)子，另外的兩個電子被傳輸至電極，從而燃料電池產(chǎn)生電流。膜電極組件是燃料電池的核心部件，其通常包括質(zhì)子交換膜和分別設(shè)置在質(zhì)子交 換膜兩側(cè)表面的電極組成。其中電極包括催化劑層和氣體擴(kuò)散層，其中的催化劑層用于將氫氣離解為活性氫原子，現(xiàn)有技術(shù)中常用的催化劑層的催化劑材料一般為貴金屬顆粒，如鉬、金或釕等。氣體擴(kuò)散層用于對外部供應(yīng)至陽極的氫氣進(jìn)行擴(kuò)散以進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。擴(kuò)散層一般主要由碳纖維構(gòu)成。其中催化劑材料和擴(kuò)散層材料都會和反應(yīng)氣體進(jìn)行接觸，那么催化劑材料和擴(kuò)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(xiàn)有技術(shù)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(fā)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(fā)明的膜電極組件在具有較高性能的基礎(chǔ)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的是目前膜電極成本較高的問題，本發(fā)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(fā)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(zhì)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(shè)置在所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)表面上。其中第一電極和第二電極均包括氣體擴(kuò)散層和催化劑層，其中的氣體擴(kuò)散層包括具有分支結(jié)構(gòu)的納米管線互連網(wǎng)絡(luò)和沉積在該納米管線互連網(wǎng)絡(luò)表面上的金屬催化齊U，該納米管線的分支結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)，所述碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)有多個平均孔徑10-20微米的網(wǎng)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(yōu)選地，所述碳納米管線的分支結(jié)構(gòu)包括多個長度為400微米的碳納米管。更優(yōu)選地，所述碳納米管線的分支結(jié)構(gòu)中的碳納米管直徑為35納米。更優(yōu)選地，所述催化劑中碳化鎢重量比為85%。
更優(yōu)選地，所述無定形碳形成在所述碳化鎢的晶格結(jié)構(gòu)外部。更優(yōu)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、銀和猛。更優(yōu)選地，鈀合金中鈀的重量比為60%以上。更優(yōu)選地，催化劑是通過物理或化學(xué)沉積方法沉積在碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)的表面上。本發(fā)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(dǎo)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(fā)明的膜電極通過采用優(yōu)化配比的催化劑材料和優(yōu)化的氣體擴(kuò)散層材料結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高膜電極的反應(yīng)活性，并降低膜電極的成本。


圖I為本發(fā)明的燃料電池的膜電極組件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參考附圖1，本發(fā)明的膜電極100，其包括質(zhì)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(shè)置在質(zhì)子交換膜101的兩側(cè)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(kuò)散層105，其中的氣體擴(kuò)散層包括具有分支結(jié)構(gòu)的納米管線互連網(wǎng)絡(luò)和沉積在該納米管線互連網(wǎng)絡(luò)表面上的金屬催化劑，碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)形成在質(zhì)子交換膜101的表面上，碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)絡(luò)可以使得碳納米管互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有足夠多的孔，以利于反應(yīng)氣體進(jìn)行有效的擴(kuò)散；其中碳納米管網(wǎng)絡(luò)形成具有平均孔徑為10-20微米的多孔結(jié)構(gòu)，并且同時能保持足夠的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。采用這種碳納米結(jié)構(gòu)，可以有效降低電極的電阻率，有效傳導(dǎo)反應(yīng)所生成的電子，從而有助于改善膜電極的反應(yīng)活性。然后將電極催化劑通過物理或化學(xué)沉積方法沉積在碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)的表面上，使得催化劑分散在碳納米管互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的表面或孔中，其中電極催化劑采用碳化鎢和鈀合金組成，采用具有較大比表面積的碳化鎢材料，使得催化劑和反應(yīng)氣體充分接觸，從而能有效提高催化劑的利用率，而同時碳化鎢成本相對較低，能節(jié)約電池組件的成本。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，其中的碳化鎢具有40m2/g以上的比表面積。所述的鈀合金可以為鈀和其他金屬的合金，選自鎳、金、銥、鈷、鐵、銀和錳。由此可知，具有較低成本、且具有大的比表面積的催化劑結(jié)合到由碳納米管線網(wǎng)絡(luò)形成的多孔徑擴(kuò)散層中，從而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜電極，這種膜電極能有效提高反應(yīng)活性，改善催化劑的利用率，并能大大提高電子的傳導(dǎo)效率。一種燃料電池，包括導(dǎo)流板，集流板和膜電極，其中的膜電極采用上述膜電極，由于該膜電極能有效提高活性，且具有較低成本，因此采用該膜電極的燃料電池也相應(yīng)具有好的反應(yīng)性能，同時也能降低成本，有利于進(jìn)一步的市場化。
以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和 替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的膜電極，包括質(zhì)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(shè)置在所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)表面上。
2.其中第一電極和第二電極均包括氣體擴(kuò)散層和催化劑層，其中的氣體擴(kuò)散層包括具有分支結(jié)構(gòu)的納米管線互連網(wǎng)絡(luò)和沉積在該納米管線互連網(wǎng)絡(luò)表面上的金屬催化劑，該納米管線的分支結(jié)構(gòu)包括多個長度為300-600微米、直徑小于40納米的碳納米管，碳納米管通過范德華力相連而形成碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)，形成有多個平均孔徑10-20微米的網(wǎng)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。
3.如權(quán)利要求I所述的膜電極，所述碳納米管線的分支結(jié)構(gòu)包括多個長度為400微米的碳納米管。
4.如權(quán)利要求2所述的膜電極，所述碳納米管線的分支結(jié)構(gòu)中的碳納米管直徑為35納米。
5.如權(quán)利要求1-3中任意一項所述的膜電極，所述催化劑中碳化鎢重量比為85%。
6.如權(quán)利要求I所述的膜電極，所述無定形碳形成在所述碳化鎢的晶格結(jié)構(gòu)外部。
7.如權(quán)利要求I所述的膜電極，所述鈀合金中包括選自如下的至少一種金屬鎳、金、依、鉆、鐵、銀和猛。
8.如權(quán)利要求6所述的膜電極，所述鈀合金中鈀的重量比為60%以上。
9.如權(quán)利要求I所述的膜電極，所述催化劑是通過物理或化學(xué)沉積方法沉積在碳納米管線互連網(wǎng)絡(luò)的表面上。
10.一種燃料電池，其包括導(dǎo)流板、集流板和膜電極，其中的膜電極采用如權(quán)利要求I所述的膜電極。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于燃料電池的膜電極，所述膜電極包括質(zhì)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(shè)置在所述質(zhì)子交換膜的兩側(cè)表面上。其中第一電極和第二電極均包括氣體擴(kuò)散層和催化劑層，其中的氣體擴(kuò)散層包括具有分支結(jié)構(gòu)的納米管線互連網(wǎng)絡(luò)和沉積在該納米管線互連網(wǎng)絡(luò)表面上的金屬催化劑。具有較低成本、且具有大的比表面積的催化劑結(jié)合到由碳納米管線網(wǎng)絡(luò)形成的多孔徑擴(kuò)散層中，從而形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜電極，這種膜電極能有效提高反應(yīng)活性，改善催化劑的利用率，并能大大提高電子的傳導(dǎo)效率。
文檔編號H01M4/86GK102683717SQ20121013613
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者姜波 申請人:上海錦眾信息科技有限公司