CN102683717B - 膜电极以及采用该膜电极的燃料电池 - Google Patents

膜电极以及采用该膜电极的燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池的膜电极，所述膜电极包括：质子交换膜、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述质子交换膜的两侧表面上。其中第一电极和第二电极均包括气体扩散层和催化剂层，其中的气体扩散层包括具有分支结构的纳米管线互连网络和沉积在该纳米管线互连网络表面上的金属催化剂。具有较低成本、且具有大的比表面积的催化剂结合到由碳纳米管线网络形成的多孔径扩散层中，从而形成复合结构的膜电极，这种膜电极能有效提高反应活性，改善催化剂的利用率，并能大大提高电子的传导效率。

Description

膜电极以及采用该膜电极的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种膜电极，尤其涉及一种用于燃料电池中的膜电极，以及采用该膜电极的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种无污染的有效电源，其是一种将氢等无污染的燃料转化为电能的电化学装置，燃料电池的结构通常为具有多孔的两个电极以及形成在该两个电极之间的电解质组成。氢气或者另外的燃料从燃料电池的外部供应至阳极，通过阳极上的孔达到反应区域，并且氢气通过该电极中的催化剂而变成离解的氢原子。活性氢原子变成质子，另外的两个电子被传输至电极，从而燃料电池产生电流。
膜电极组件是燃料电池的核心部件，其通常包括质子交换膜和分别设置在质子交换膜两侧表面的电极组成。其中电极包括催化剂层和气体扩散层，其中的催化剂层用于将氢气离解为活性氢原子，现有技术中常用的催化剂层的催化剂材料一般为贵金属颗粒，如：铂、金或钌等。气体扩散层用于对外部供应至阳极的氢气进行扩散以进入反应区。扩散层一般主要由碳纤维构成。其中催化剂材料和扩散层材料都会和反应气体进行接触，那么催化剂材料和扩散材料将决定着膜电极组件的性能，包括电阻率、催化剂的利用率等，从而也就决定着燃料电池的性能。且现有技术中常用的催化剂材料也较为昂贵，不利于燃料电池成本的降低。
鉴于此，本发明提供一种具有较高性能的膜电极组件以及采用该膜电极的燃料电池，本发明的膜电极组件在具有较高性能的基础上，还具有较低成本，从而有利于燃料电池成本的降低和市场化。
发明内容
本发明所要解决的是目前膜电极成本较高的问题，本发明的目的是提供一种较高性能的膜电极、以及采用该膜电极的燃料电池。
本发明第一个方面是提供一种用于燃料电池的膜电极，所述膜电极包括：质子交换膜、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述质子交换膜的两侧表面上。其中第一电极和第二电极均包括气体扩散层和催化剂层，其中的气体扩散层包括具有分支结构的纳米管线互连网络和沉积在该纳米管线互连网络表面上的金属催化剂，该纳米管线的分支结构包括多个长度为300-600微米的碳纳米管，直径小于40纳米，其通过范德华力相连而形成碳纳米管线互连网络，所述碳纳米管线互连网络有多个平均孔径10-20微米的网孔。其中的催化剂层由碳化钨和钯合金组成，其中碳化钨重量占75%-90%，且碳化钨中包括有0.15%的无定形碳，并且其中的碳化钨具有约40m2/g以上的比表面积。
优选地，所述碳纳米管线的分支结构包括多个长度为400微米的碳纳米管。
更优选地，所述碳纳米管线的分支结构中的碳纳米管直径为35纳米。
更优选地，所述催化剂中碳化钨重量比为85%。
更优选地，所述无定形碳形成在所述碳化钨的晶格结构外部。
更优选地，所述钯合金中包括选自如下的至少一种金属：镍、金、铱、钴、铁、银和锰。
更优选地，钯合金中钯的重量比为60%以上。
更优选地，催化剂是通过物理或化学沉积方法沉积在碳纳米管线互连网络的表面上。
本发明的第二个方面是提供一种使用上述膜电极的燃料电池，其包括导流板、集流板和膜电极，其中的膜电极采用如上所述的任意膜电极。
本发明的膜电极通过采用优化配比的催化剂材料和优化的气体扩散层材料结构，可以进一步提高膜电极的反应活性，并降低膜电极的成本。
附图说明
图1为本发明的燃料电池的膜电极组件结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
参考附图1，本发明的膜电极100，其包括质子交换膜101，第一电极102，第二电极103，其中第一电极102和第二电极103分别设置在质子交换膜101的两侧表面上。
其中第一电极102和第二电极103均包括催化剂层104和气体扩散层105，其中的气体扩散层包括具有分支结构的纳米管线互连网络和沉积在该纳米管线互连网络表面上的金属催化剂，碳纳米管线互连网络形成在质子交换膜101的表面上，碳纳米管线互连网络由多个碳纳米管线通过范德华力首尾相连而形成，其中的碳纳米管具有300-600微米的长度，直径小于40纳米，这样的碳纳米管形成的互联网络可以使得碳纳米管互联网络具有足够多的孔，以利于反应气体进行有效的扩散；其中碳纳米管网络形成具有平均孔径为10-20微米的多孔结构，并且同时能保持足够的导电性和机械强度。采用这种碳纳米结构，可以有效降低电极的电阻率，有效传导反应所生成的电子，从而有助于改善膜电极的反应活性。
然后将电极催化剂通过物理或化学沉积方法沉积在碳纳米管线互连网络的表面上，使得催化剂分散在碳纳米管互联网络的表面或孔中，其中电极催化剂采用碳化钨和钯合金组成，采用具有较大比表面积的碳化钨材料，使得催化剂和反应气体充分接触，从而能有效提高催化剂的利用率，而同时碳化钨成本相对较低，能节约电池组件的成本。其中碳化钨重量占75%-90%，且碳化钨中包括有0.15%的无定形碳，其中的碳化钨具有40m2/g以上的比表面积。所述的钯合金可以为钯和其他金属的合金，选自镍、金、铱、钴、铁、银和锰。
由此可知，具有较低成本、且具有大的比表面积的催化剂结合到由碳纳米管线网络形成的多孔径扩散层中，从而形成复合结构的膜电极，这种膜电极能有效提高反应活性，改善催化剂的利用率，并能大大提高电子的传导效率。
一种燃料电池，包括导流板，集流板和膜电极，其中的膜电极采用上述膜电极，由于该膜电极能有效提高活性，且具有较低成本，因此采用该膜电极的燃料电池也相应具有好的反应性能，同时也能降低成本，有利于进一步的市场化。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的膜电极，包括：质子交换膜、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别设置在所述质子交换膜的两侧表面上；
其中第一电极和第二电极均包括气体扩散层和催化剂层，其中的气体扩散层包括具有分支结构的纳米管线互连网络和沉积在该纳米管线互连网络表面上的金属催化剂，该纳米管线的分支结构包括多个长度为300-600微米、直径小于40纳米的碳纳米管，碳纳米管通过范德华力相连而形成碳纳米管线互连网络，形成有多个平均孔径10-20微米的网孔；其中的催化剂层由碳化钨和钯合金组成，其中碳化钨重量占75％-90％，且碳化钨中包括有0.15％的无定形碳，并且其中的碳化钨具有40m2/g以上的比表面积。
2.如权利要求1所述的膜电极，所述碳纳米管线的分支结构包括多个长度为400微米的碳纳米管。
3.如权利要求2所述的膜电极，所述碳纳米管线的分支结构中的碳纳米管直径为35纳米。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的膜电极，所述催化剂中碳化钨重量比为85％。
5.如权利要求1所述的膜电极，所述无定形碳形成在所述碳化钨的晶格结构外部。
6.如权利要求1所述的膜电极，所述钯合金中包括选自如下的至少一种金属：镍、金、铱、钴、铁、银和锰。
7.如权利要求6所述的膜电极，所述钯合金中钯的重量比为60％以上。
8.如权利要求1所述的膜电极，所述催化剂是通过物理或化学沉积方法沉积在碳纳米管线互连网络的表面上。
9.一种燃料电池，其包括导流板、集流板和膜电极，其中的膜电极采用如权利要求1所述的膜电极。
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