[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过发生电化学反应而产生电能的一种发电装置。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 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。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，膜电极通常由一质子交换膜和分别设置在该质子交换膜两表面的电极组成。通常，电极又包括催化剂层和气体扩散层，且催化剂层设置在气体扩散层与质子交换膜之间。所述催化剂层的主要成份包括催化剂、催化剂载体、质子导体及粘结剂，所述催化剂载体通常为碳颗粒，所述催化剂为高度分散在该催化剂载体中的纳米贵金属颗粒。催化剂层是燃料电池发生电化学催化反应的重要场所，因此，其催化效率的高低很大程度上决定了燃料电池的性能。提高催化剂层催化效率的关键是要增加纳米贵金属催化剂颗粒表面与反应气体、质子及电子的三相反应界面。具体地，氢气等反应气体通过气体通道到达贵金属催化剂颗粒表面，经催化反应，产生质子和电子。产生的质子需要通过催化剂层中的质子导体网络构建的质子通道向质子交换膜方向传递，而电子则由催化剂载体构建的导电网络导向气体扩散层。如果有一个通道不通畅，则燃料电池电化学反应就会受阻。

然而，目前燃料电池的催化剂层是通过刷涂、喷涂、印刷等各种工艺手段将催化剂浆料制备到气体扩散层或质子交换膜的表面，通过该方法形成的催化剂层是一种由很多团聚体构成的无序堆积结构，很多贵金属催化剂颗粒深埋在团聚体内部，很难起到催化作用，因此，这种无序堆积结构势必会造成局部质子传导、电子传导或气体传导的死区,使得催化剂的利用率很低。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种燃料电池，该燃料电池的膜电极具有较高的催化剂利用率。

一种燃料电池，其包括：至少一燃料电池单体，该燃料电池单体包括：一膜电极，该膜电极包括：一质子交换膜和分别设置在该质子交换膜相对的两个表面的阴极电极和阳极电极，所述阴极电极和阳极电极均包括一催化层；一第一导流板，该第一导流板设置于所述阳极电极远离所述质子交换膜的表面；一第二导流板，该第二导流板设置于所述阴极电极远离所述质子交换膜的表面；其中，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁的多个催化剂颗粒及填充于该多个管状载体内的质子导体，该多个管状载体共同定义了多个反应气体通道，使反应气体直接扩散至催化剂颗粒表面，该多个管状载体具有电子导电性，该多个管状载体的一端均与所述质子交换膜相连以使填充于该多个管状载体内的质子导体与所述质子交换膜相接触。

一种燃料电池，其包括：至少一燃料电池单体，该燃料电池单体包括一质子交换膜层叠设置于两个导流板之间，该质子交换膜与两个导流板之间分别进一步设置有一催化层，其中，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁的多个催化剂颗粒及填充于该多个管状载体内的质子导体，该多个管状载体作为导电粒子和质子的通道连接导流板与质子交换膜。

一种燃料电池，其包括多个相互串联的燃料电池单体，该每个燃料电池单体包括：一膜电极，该膜电极包括：一质子交换膜和分别设置在该质子交换膜相对的两个表面的阴极电极和阳极电极，所述阴极电极和阳极电极均包括一催化层；一第一导流板，该第一导流板设置于所述阳极电极远离所述质子交换膜的表面；一第二导流板，该第二导流板设置于所述阴极电极远离所述质子交换膜的表面；该每个燃料电池单体的阳极电极与另一个燃料电池的阴极电极电连接；其中，该催化层包括多个管状载体、均匀吸附在该多个管状载体内壁的多个催化剂颗粒及填充于该多个管状载体内的质子导体，该多个管状载体共同定义了多个反应气体通道，使反应气体直接扩散至催化剂颗粒表面，该多个管状载体具有电子导电性，该多个管状载体的一端均与所述质子交换膜相连以使填充于该多个管状载体内的质子导体与所述质子交换膜相接触。