[发明专利]燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

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。相对于碱性电池、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、以及质子交换膜燃料电池等。(请参见，Recent advances in fuel cell technology and itsapplication，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极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，导流板(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。反应生成的氢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：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。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，催化层设置与气体扩散层与质子交换膜之间，其中，所述的气体扩散层包括一碳纳米管薄膜。

所述的碳纳米管薄膜为由多个碳纳米管组成的自支撑结构，且多个碳纳米管平行于碳纳米管薄膜表面。

所述的碳纳米管薄膜中碳纳米管沿各向同性或一固定方向择优取向或不同方向择优取向排列。

所述的碳纳米管薄膜中包括孔径小于1微米的微孔结构。

所述的碳纳米管薄膜厚度为1微米至1毫米。