CN102956898B - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池，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；一第二导流板；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。
Description
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，Recentadvancesinfuelcelltechnologyanditsapplication,JournalofPowerSources,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。
一种燃料电池，其包括多个相互并联的燃料电池单体，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；该多个燃料电池单体的阳极电极或与该阳极电极电连接的第一导流板相互电连接，该多个燃料电池单体的阴极电极或与该阴极电极电连接的第二导流板相互电连接；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。
相较于现有技术，通过本发明提供的燃料电池中的膜电极中的催化剂颗粒均匀吸附在具有电子导电性的多个管状载体的内壁上，且该多个管状载体共同定义了多个反应气体通道，使得该燃料电池在工作的过程中：反应气体可通过该多个反应气体通道到达所述管状载体的管壁，进而透过所述管状载体的管壁充分与所述催化剂颗粒接触；由于该管状载体内填充的质子导体不仅直接与质子交换膜接触，还与管状载体管壁上的催化剂颗粒直接接触，从而使所述通过质子交换膜或质子导体传导的质子可充分与催化剂颗粒接触，且由于该质子导体位于管状载体管内，使得该质子导体不会阻挡所述反应气体充分到达所述催化剂颗粒；由于管状载体自身具有电子导电性，从而使得管状载体传导的电子也可直接与催化剂颗粒接触，因此，该燃料电池的膜电极中的催化剂颗粒可充分与反应气体、质子和电子接触，提高了该催化剂的利用率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的燃料电池结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的具有相互交叉形成网状结构的多个管状载体的燃料电池膜电极的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的具有多个不同形状的管状载体的燃料电池膜电极的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的具有多个相互平行且间隔设置的管状载体的燃料电池膜电极的结构示意图。
图5为本发明第二实施例提供的燃料电池结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的燃料电池结构示意图。
图7为本发明实施例提供的燃料电池膜电极的制备工艺流程图。
图8为本发明实施例提供的燃料电池膜电极的制备过程流程图。
主要元件符号说明
| 燃料电池单体 | 100 |
| 膜电极 | 10 |
| 质子交换膜 | 12 |
| 阳极电极 | 13 |
| 阴极电极 | 14 |
| 催化层 | 16 |
| 管状载体 | 162 |
| 催化剂颗粒 | 164 |
| 质子导体 | 166 |
| 气体扩散层 | 18 |
| 多孔模板 | 20 |
| 第一导流板 | 22 |
| 导流槽 | 220 |
| 第二导流板 | 24 |
| 第一集流板 | 26 |
| 第二集流板 | 28 |
| 第一供气和抽气装置 | 30 |
| 第二供气和抽气装置 | 32 |
| 燃料电池 | 200，300，400 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明实施例提供的燃料电池作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种燃料电池200，该燃料电池200包括至少一个燃料电池单体100，该燃料电池单体100包括一膜电极10，一第一导流板22及一第二导流板24。
请参阅图2至图4，所述膜电极10包括：一质子交换膜12、一阳极电极13及一阴极电极14。所述阳极电极13和阴极电极14分别设置在该质子交换膜12相对的两表面。所述阳极电极13和阴极电极14均包括一催化层16。所述催化层16设置于所述质子交换膜12的表面。该催化层16包括多个管状载体162、均匀吸附在该管状载体162内壁的多个催化剂颗粒164及填充于该管状载体162内的质子导体166。所述多个管状载体162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164表面。该管状载体162可以为多孔的具有电子导电性的管状体。该多个管状载体162的一端与所述质子交换膜12相连以使填充于该管状载体162内的质子导体166与所述质子交换膜12相接触。
所述质子交换膜12为质子的迁移和输送提供通道，使得质子可通过该质子交换膜12在所述阳极电极13和所述阴极电极14之间传输，同时也可阻隔所述阳极电极13和阴极电极14，避免该阳极电极13和阴极电极14直接接触。该质子交换膜12可以由含磺酸基团的质子交换树脂构成。该质子交换树脂可为全氟磺酸树脂或是具有质子交换功能和较好热稳定性的磺化聚合物。该磺化聚合物选自磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、和磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂中的一种或几种。所述质子交换膜12的厚度可以为10微米至200微米，优选为18~50微米。本实施例中，该质子交换膜12的材料为全氟磺酸，厚度为25微米。
所述催化层16中的多个管状载体162可作为导电粒子和质子的通道连接所述第一导流板22或第二导流板24与质子交换膜12。具体地，该多个管状载体162可杂乱地无序排列，也可有序定向排列，仅需该多个管状载体162共同定义多个气体通道，并且每个管状载体162的一端与所述质子交换膜12相连以使填充于该管状载体162中的质子导体与该质子交换膜12接触即可。所述共同定义多个反应气体通道是指该多个管状载体162相互之间具有多个间隙，且该管状载体162的管壁具有多个孔，以使气体可通过该间隙和管壁的孔直接扩散至所述管状载体162的管壁处，并通过管壁的孔进入所述管状载体162内部与该管状载体162管壁吸附的催化剂颗粒164处。如该多个管状载体162相互间隔设置从而使相邻的管状载体162之间具有气体通道，或该多个管状载体162相互交叉设置形成一具有多个孔的网状结构。该每个管状载体162在该催化层16中设置的形状不限，可以为直线形、曲线形（如“v”字形）、或“y”字形等。请参阅图2，该图2为膜电极10中的多个管状载体162相互交叉形成网状结构的结构示意图。请参阅图3，该图3为膜电极10中间隔设置且具有不同形状的多个管状载体162的结构示意图。本实施例中，请参阅图4，该多个管状载体162为直线形且基本垂直于所述质子交换膜12的表面，该多个管状载体162均匀分布且相互平行且间隔设置。
该管状载体162的直径可以为10纳米~10微米。该管状载体162的直径优选为50纳米至300纳米。此时，单位体积的催化层16中负载的催化剂颗粒164量较多，且填充于管状载体162中的质子导体166的横截面会较大，从而使质子导体166的阻抗较小，进而该质子导体166的质子传导性较好。该管状载体162可为碳纳米管、二氧化钛纳米管、氧化锌纳米管、氧化钴纳米管或五氧化二钒纳米管等。当该管状载体162为碳纳米管时，该碳纳米管可包括多壁碳纳米管、双壁碳纳米管或单壁碳纳米管。该管状载体162的壁厚可为1纳米~50纳米。考虑所述管壁厚度对该膜电极10性能的进一步改善，该管状载体162的管壁厚度优选为2纳米~15纳米，一方面，可使管状载体162具有较好的电子导电性，另一方面又使反应气体穿入该管状载体162的路径较短。该催化层16的厚度可为1微米~100微米。该管状载体162的长度不限，当该管状载体162为直线形且垂直于该质子交换膜12时，该管状载体162的长度与所述催化层16的厚度基本相同。该多个管状载体162之间的间隙尺寸不限。当该多个管状载体162相互平行且间隔设置时，该相邻的管状载体162之间的距离可小于50微米。本实施例中，该管状载体162为由无定形碳层组成的碳纳米管，该碳纳米管的长度为7微米，直径为100纳米，壁厚为3纳米，且相邻的碳纳米管之间间距为100纳米。
所述催化剂颗粒164可为具有高催化活性的贵金属颗粒，如铂、钯、金或钌等，优选为铂。该催化剂颗粒164的粒径优选为1纳米至8纳米。该催化剂颗粒164均匀地附着于所述管状载体162的内壁，该催化剂颗粒164在所述每个催化层16中的附着量优选为小于等于0.5mg·cm-2。另外，由于管状载体162的直径较小，且管壁具有一定的吸附性，使得该多个催化剂颗粒164可均匀稳定地附着于所述管状载体162的内管壁上，而不容易发生迁移。本实施例中，该催化剂颗粒164的附着量为0.1mg·cm-2，且粒径为大约3纳米。
所述质子导体166用于传输质子且填充于所述管状载体的管内。该质子导体由含磺酸基团的质子交换树脂构成，该质子交换树脂为全氟磺酸树脂或具有质子交换功能和较好热稳定性的磺化聚合物。该磺化聚合物选自磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂及磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂中的一种或者几种。该质子导体166的材料可以与所述质子交换膜12的材料相同或不同。
可见，在该整个催化层16中，所述管状载体162的管壁具有电子导电性，在所述管状载体162中为具有质子传导性的质子导体166，在所述质子导体166和管状载体162的管壁之间是由纳米催化剂颗粒164构成的催化活性层。所述质子交换膜12直接与所述管状载体162中的质子导体166相连，且所述有电子导电性的管状载体162的管壁也与所述质子交换膜12直接相连，而管状载体162之间的空隙则构成了气体传输的通道。由于所述质子导体166位于所述管状载体162的管内，则该质子导体166不会阻挡反应气体到达吸附在所述管状载体162管壁上的催化剂颗粒164表面。
进一步地，所述阳极电极13或阴极电极14均可包括一气体扩散层18设置于所述催化层16远离所述质子交换膜12的一端，该气体扩散层18与所述催化层16中的管状载体162的管壁电接触。该燃料电池膜电极10可包括两个气体扩散层18，所述质子交换膜12及两个催化层16设置于该两个气体扩散层18之间，该每个催化层16分别设置于该一个气体扩散层18及质子交换膜12之间。所述气体扩散层18可以由导电的多孔材料组成，该气体扩散层18主要起支撑催化层16、收集电流、传输气体和排出水等作用。该气体扩散层18可为碳纤维纸或由多个碳纳米管组成的碳纳米管薄膜。该气体扩散层的厚度可为100微米~500微米。可以理解，由于该催化层16中的管状载体162具有电子导电性，且该管状载体162也共同定义了多个反应气体通道，因此，该阳极电极13或阴极电极14可仅包括该催化层16而无需所述气体扩散层18。
所述第一导流板22及第二导流板24分别设置于所述阳极电极13与所述阴极电极14远离质子交换膜12的表面。当该阳极电极13或阴极电极14包括气体扩散层18时，该第一导流板22及第二导流板24分别设置在所述气体扩散层18的表面。该第一导流板22及第二导流板24在该燃料电池200中主要起传导流体及电流的作用。具体地，该第一导流板22及第二导流板24可导入反应气体并导出反应产物水及电子。在该第一导流板22及第二导流板24的靠近质子交换膜12的表面可具有一条或多条导流槽220，用于传导反应气体以及反应产物水，以使通过该导流槽220传导的反应气体及反应产物水可通过该导流槽220直接传输至所述阳极电极13和所述阴极电极14。该导流槽220的形状不限，仅需该导流槽220分别与所述阳极电极13和阴极电极14直接连通。本实施例中，该导流槽220为一矩形槽。此外，该第一导流板22和第二导流板24靠近质子交换膜12的表面，除有导流槽220的部分外，其他部分与所述阳极电极13和阴极电极14电接触以使整个膜电极10产生的电子可通过该第一导流板22和第二导流板24传输给外电路。该第一导流板22及第二导流板24的材料为导电材料，该导电材料可为金属或导电碳材料。所述金属材料可为铝、铜或铁等。
进一步地，所述燃料电池200可包括一第一供气和抽气装置30及一第二供气和抽气装置32，所述第一供气和抽气装置30和第二供气和抽气装置32分别与所述第一导流板22及第二导流板24的导流槽220相连通。
所述第一供气和抽气装置30及第二供气和抽气装置32包括鼓风机、管路、阀门等(图未示)。鼓风机通过管路分别与第一导流板22及第二导流板24的导流槽220相连，用来向燃料电池100提供反应气体。所述反应气体可包括燃料气体和氧化剂气体。本实施例中，所述燃料气体为氢气，所述氧化剂气体为纯氧气或含氧的空气。其中，燃料电池100中靠近氧化剂气体输入端的为阴极电极14，靠近燃料气体输入端的为阳极电极13。
进一步地，该燃料电池100包括一第一集流板26及一第二集流板28分别设置于所述第一导流板22及第二导流板24的远离质子交换膜12的表面且分别与第一导流板22及第二导流板24电接触。所述第一集流板26及第二集流板28用于收集和传导反应产生的电子。该第一集流板26及一第二集流板28采用导电材料制作，可为金属材料或导电碳材料。所述金属材料可为铝、铜或铁等。
上述燃料电池200工作时，利用第一供气和抽气装置30通过第一导流板22的导流槽220向膜电极10的阳极电极13通入燃料气体，如氢气。具体为，以该膜电极10中的管状载体162为碳纳米管为例，在膜电极10的一端，氢气进入阳极后，通过气体扩散层18与催化层16接触。在该催化层16中，所述氢气通过由碳纳米管定义的多个反应气体通道扩散至所述碳纳米管内壁上的催化剂颗粒164处。具体地，由于本发明催化层16中的多个碳纳米管定义了多个间隙，从而使所述氢气可通过所述间隙充分扩散至所述碳纳米管处，由于所述碳纳米管由多孔的无定形碳组成，从而所述氢气可进一步迅速通过该无定形碳的多个孔进入所述碳纳米管管内，而碳纳米管的管壁内表面又均匀附着有催化剂颗粒164，从而可使所述氢气可充分与所述催化剂颗粒164接触。在该催化剂颗粒164作用下，一个氢分子发生如下反应：H2→2H++2e。反应生成的氢离子由于直接与所述碳纳米管管内的质子导体166相接触，而该质子导体166又与所述质子交换膜12直接接触。从而使得该氢离子可通过该质子导体166传输至质子交换膜12，并通过该质子交换膜12传输至与该质子交换膜12的另一表面相接触的阴极电极14。另外，由于碳纳米管由具有电子导电性的无定形碳组成，因此上述反应生成的电子则通过碳纳米管的管壁传导至所述第一导流板22，并通过该第一导流板22传输至所述第一集流板26并被所述第一集流板26收集后传输至外电路。所述外电路指实现第一导流板22或所述第一集流板26与所述第二导流板24或所述第二集流板28电连接的电路，从而使所述阳极电极13产生的电子可传输至所述阴极电极14。
在燃料电池200的另一端，利用第二供气和抽气装置32通过第二导流板24的导流槽220向膜电极10的阴极电极14通入氧化剂气体，如氧气。所述氧气通过所述气体扩散层18进入阴极电极14，上述在阳极电极13反应生成的电子则通过外电路到达第二集流板28，并通过所述第二导流板24传输至所述阴极电极14。具体为，相似于上述氢气到达催化剂颗粒164表面的过程，所述氧气通过所述气体扩散层18扩散至所述催化层16，由于所述催化层16具有由所述多个碳纳米管定义的多个间隙，使所述氧气可迅速通过该间隙扩散至所述碳纳米管处，而碳纳米管由多孔的无定形碳组成，进而使得所述氧气可通过该多个孔进入所述碳纳米管内并与吸附在碳纳米管的管壁内表面的催化剂颗粒164接触。所述电子则通过所述碳纳米管的管壁的无定形碳层传输至所述催化剂颗粒164的表面，从而使得所述氧气、氢离子及电子在该催化剂颗粒164所在位置处相遇，并在该催化剂颗粒164的作用下发生反应：1/2O2+2H++2e→H2O。经过该反应产生的水则透过所述碳纳米管的管壁进入相邻碳纳米管之间的间隙，之后扩散至所述气体扩散层18并通过所述第二导流板24的导流槽220流出所述燃料电池100。在此过程中，所述阳极电极13与阴极电极14之间会形成一定的电势差，当外电路接入一负载时，将会形成电流。
从上述燃料电池200工作的整个过程可以发现，在所述阴极电极14和阳极电极13的催化层16中，由于所述催化剂颗粒164均匀、稳定地附着于所述碳纳米管的管壁内，且所述质子导体166填充于所述碳纳米管的管内，使得该质子导体166不会阻挡反应气体到达所述催化剂颗粒的表面，因此，所述氢离子、氧气及电子可充分与所述催化剂颗粒164接触，使得所述催化剂颗粒164的利用率能接近或达到100%。
请参阅图5，本发明第二实施例提供一种燃料电池300，该燃料电池300包括多个相互串联的上述燃料电池单体100，该每个燃料电池单体100的阳极电极13与另一燃料电池单体100的阴极电极14电连接。具体地，在一个实施例中，该每个燃料电池单体100的第一导流板22可通过一导线与另一燃料电池单体100的第二导流板24电接触，从而实现了该多个燃料电池单体100相互串联。在另一实施例中，所述多个燃料电池单体100相互层叠设置，且每个燃料电池单体100的第一导流板22与另一个燃料电池单体100的第二导流板24直接接触设置。
本实施例中，所述多个燃料电池单体100相互层叠设置时，相邻两个燃料电池单体100共用一个第一导流板22或第二导流板24，即在一个燃料电池单体100的阳极电极13与另一个燃料电池单体100的阴极电极14之间设置一第三导流板。该第三导流板的相对两个表面（即与该两个相邻的燃料电池单体100分别接触的两个表面）均具有导流槽220，从而使该两个表面的导流槽220分别与相邻两个燃料电池单体100的一个燃料电池单体的阴极电极14和相邻的另一个燃料电池单体100的阳极电极13相连通。该两个表面的导流槽220可分别与所述第一供气和抽气装置30和所述第二供气和抽气装置32相连通，从而通过该一个导流板即可向燃料电池单体100的阳极电极13输入燃料气体，又可同时向相邻的燃料电池单体100输入氧化剂气体。
当该多个燃料电池单体100相互串联时，所述燃料电池300的输出电压为各个燃料电池单体100输出电压的整数倍。
请参阅图6，本发明第三实施例提供一燃料电池400，该燃料电池400包括多个相互并联的上述燃料电池单体100，该多个燃料电池单体100的阳极电极13或与该阳极电极13电连接的第一导流板22或第一集流板26相互电连接，该多个燃料电池单体100的阴极电极14或与该阴极电极14电连接的第二导流板24或第二集流板28相互电连接。本实施例中，该多个燃料电池单体100的第一集流板26通过导线相互电连接，该多个燃料电池单体100的第二集流板28通过导线相互电连接。当该燃料电池400工作时，所述燃料电池400的输出电压为单个燃料电池单体100的输出电压，而其输出电流为该多个燃料电池单体100的输出电流之和。
请参阅图7及图8，上述燃料电池的膜电极10的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，提供一多孔模板20；
步骤二，在该多孔模板20的孔洞内形成具有电子导电性的管状载体162；
步骤三，在所述管状载体162的内壁中均匀附着多个催化剂颗粒164；
步骤四，在所述附着有多个催化剂颗粒164的管状载体162内注入质子导体166；
步骤五，提供一质子交换膜，并将该质子交换膜夹持在上述两个多孔模板20间以形成一层叠结构，热压该层叠结构；
步骤六，去除所述经过热压的层叠结构中的多孔模板20，仅留下所述被质子导体166填充且管壁附着有催化剂颗粒164的管状载体162，该管状载体162的一端与所述质子交换膜相连以使所述质子导体166与所述质子交换膜相接触，从而获得所述膜电极。
以下将对上述各步骤进行详细说明。
在步骤一中，所述多孔模板20的材料不限，仅需可形成管状载体162即可。该多孔模板可以为氧化铝模板或二氧化硅模板。本实施例中，该多孔模板20为氧化铝模板。该多孔模板20的孔洞仅需使形成的多个管状载体162能定义多个反应气体通道即可。具体为，该多孔模板20的孔洞形貌可根据实际需要形成的管状载体162的形状、直径以及多个管状载体162之间的位置关系设定。如当需要形成的多个管状载体162均匀分布、相互平行且间隔设置时，所述多孔模板20中的多个孔洞也可均匀分布，相互平行且间隔设置，当需要形成的多个管状载体162为无序分布时，该多孔模板20的孔洞也无序分布。该多孔模板20具有相对的两个表面，且所述多孔模板20的多个孔洞至少在该多孔模板的一个表面具有开口。优选为，该多个孔洞贯穿所述多孔模板20的相对的两个表面。该多孔模板20的孔洞直径可以为10纳米~10微米，优选为50纳米至300纳米。该孔洞优选为均匀分布、平行且间隔设置的直线型通孔，且相邻的孔洞的距离为10纳米至50微米。所述多孔模板20的厚度可为1微米~100微米。本实施例中，所述多孔模板20孔的直径为100纳米，相邻的孔之间的距离为100纳米，该多孔模板20的厚度为7微米。
在步骤二中，所述管状载体162可以为碳纳米管、二氧化钛纳米管、氧化锌纳米管、氧化钴纳米管或五氧化二钒纳米管。在多孔模板20的孔洞内形成列举的所述几种管状载体162的方法可以是蒸镀、化学气相沉积、溶胶凝胶法或浸渍法等。
以下将以采用浸渍法制备碳纳米管为例详述该制备过程：该浸渍法具体包括：S11，提供一碳源化合物溶液，将所述多孔模板20浸渍于所述碳源化合物溶液中；S12，从所述碳源化合物溶液中取出所述多孔模板20，并退火处理所述经过浸渍的多孔模板20从而在所述多孔模板20的孔内形成碳纳米管。
在所述步骤S11中，所述碳源化合物溶液为一碳源化合物溶于一溶剂中获得。所述碳源化合物优选为可溶于水或挥发性有机溶剂。所述水优选为蒸馏水或去离子水。所述挥发性有机溶剂可为乙醇、丙醇或丙酮等。该碳源化合物均可通过退火步骤分解成碳，优选为可分解成无定形碳。该碳源化合物可为草酸、蔗糖、葡萄糖、酚醛树脂、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚乙二醇或聚乙烯醇等。该碳源化合物溶液的浓度不宜太大，太大则使碳源化合物溶液不能充分浸润到所述氧化铝模板的孔内。该碳源化合物溶液的浓度也不宜太小，太小则该碳源化合物溶液的粘度太小，使碳源化合物在步骤S12中裂解后不能充分形成碳纳米管。另外，该碳源化合物溶液的浓度也会影响最终形成的管状载体162的孔隙度，当浓度较小时，形成的管状载体162的孔隙度较大，当浓度较大时，形成的孔隙度较小。该碳源化合物溶液的浓度优选为0.05g/mL~1g/mL。所述氧化铝模板可在常压下浸没于所述碳源化合物溶液5分钟~5小时，从而使所述碳源化合物溶液可充分浸渍到所述氧化铝模板的孔内。本实施例中，所述氧化铝模板浸入0.2g/mL的草酸溶液中1小时。另外，也可通过对该碳源化合物溶液加压的方式缩短所述浸没时间。
在所述步骤S12中，将所述经过碳源化合物浸润的多孔模板20取出后，可进一步采用挥发性有机溶剂和水洗涤所述多孔模板20，并将所述洗涤后的多孔模板20干燥处理，具体为，可将洗涤后的多孔模板20在60℃~100℃的温度下真空加热30分钟~6小时。本实施例中，所述洗涤后的多孔模板20在80℃的温度下加热3小时。所述退火处理所述多孔模板20的具体过程为：将所述多孔模板20置于一有保护气氛的加热炉中，并在一定温度下进行煅烧一定时间，直至所述碳源化合物被分解成无定形碳层，从而形成由该无定形碳层组成的碳纳米管。该具体的煅烧温度和煅烧时间根据碳源化合物的种类选择。本实施例中，所述碳源化合物为草酸，退火处理该多孔模板20时，该多孔模板20以1~5?C/分钟的加热速度加热至100℃~150℃，之后保温1小时至3小时，然后以相同的加热速度加热至400~600?C，保温2~8小时，然后降至室温。
在所述步骤三中，所述催化剂颗粒164可为具有高催化活性的贵金属颗粒，如铂、金、钯或钌等，优选为铂。该催化剂颗粒164可通过以下步骤获得：将所述形成有管状载体162的多孔模板20浸入一含催化剂离子的溶液中；还原所述催化剂离子，从而在所述管状载体162的内壁上均匀吸附经过还原所述催化剂离子而形成的催化剂颗粒。以制备铂催化剂颗粒为例，所述步骤二可进一步包括以下步骤：S21，提供一氯铂酸(H2PtCl6)溶液，将具有所述管状载体162的多孔模板20浸入该氯铂酸溶液中，并调节氯铂酸溶液的PH值至碱性；S22，向所述氯铂酸溶液中加入一还原性物质以获得一混合物，加热该混合物以使所述氯铂酸和该还原性物质发生氧化还原反应，从而在所述多孔模板20的管状载体162内形成铂催化剂颗粒。
在所述步骤S21中，所述氯铂酸(H2PtCl6)溶液为将氯铂酸溶于一蒸馏水和挥发性有机溶剂中获得。该氯铂酸溶液的浓度可根据实际所需要的催化剂颗粒164附着量加以确定，优选为，所述氯铂酸溶液的摩尔浓度为0.01mol/L～0.1mol/L。本实施例中，所述氯铂酸溶液的摩尔浓度为0.05mol/L。所述调节溶液的PH值的具体过程为向所述氯铂酸溶液中加入一碱性化合物。该碱性化合物可为碳酸钠（Na2CO3）、NaOH或KOH等。所述PH值优选被调节至8~9。在所述步骤S22中，所述还原性物质可为甲醛（HCHO）、甲酸（HCOOH）或硼氢化钾（KBH4），所述还原性物质的加入量可使所述氯铂酸中的铂离子完全还原成金属铂单质即可。所述加热温度为50℃~70℃。进一步地，在该加热过程中，可进一步通入保护气体，该保护气体可为氮气或氩气等。在该步骤中，所获得的催化剂颗粒164的粒径为1纳米～8纳米。此外，待形成催化剂颗粒164之后，取出所述多孔模板20，并进一步采用挥发性有机溶剂或水洗涤残留在所述多孔模板20表面的副产物，并烘干该多孔模板20。
在所述步骤四中，在所述质子导体166在注入所述多孔模板20的孔中之前，可首先将所述质子导体166熔融成液态，或者将所述质子导体166溶于一溶剂中以形成一质子导体溶液。所述将质子导体166注入所述多孔模板20的孔的过程可以通过以下两种方式进行：方式一，将所述多孔模板20平放至所述熔融的质子导体166上或者所述质子导体溶液上，以使所述多孔模板20的有孔的一表面与所述质子导体166直接接触，所述熔融的质子导体166或者所述质子导体溶液在毛细浸润的作用下逐渐浸满所述多孔模板20孔中管状载体162的管内；方式二，将所述多孔模板20置于一漏斗上，所述熔融的质子导体166或者所述质子导体溶液被倾倒在所述多孔模板20上并逐渐浸满所述多孔模板20的孔内，之后，用蒸馏水或去离子水清洗该多孔模板20，并真空干燥，在倾倒所述熔融的质子导体166或者所述质子导体溶液的过程中，可进一步采用真空泵抽吸所述质子导体166或者所述质子导体溶液，使得所述熔融的质子导体166或者所述质子导体溶液在一抽吸力的作用下快速进入所述孔洞。待所述质子导体166浸满所述管状载体162中之后，固化所述质子导体166。该固化所述质子导体166的方式可具体根据所述质子导体166的材料加以选择，如当注入的为熔融态的质子导体166，则可通过静置或者低温加热一定时间使其固化；如当注入的为质子导体溶液，可首先将所述质子导体溶液中的溶剂抽滤出，之后静置或者低温加热一定时间使质子导体166固化在所述多孔模板20的孔内。
本实施例中，所述质子导体166为全氟磺酸树脂。在将该全氟磺酸树脂注入所述管状载体162的管内之前，首先加热所述全氟磺酸树脂直至其熔融。
在所述步骤五中，经过热压该层叠结构，可使该层叠结构成为一体或不会分离，该管状载体162中的质子导体166与该质子交换膜连接。
在所述步骤六中，该去除所述多孔模板20的方式可根据所述多孔模板20的材料而定，如可用腐蚀工艺去除。本实施例中，所述多孔模板20为氧化铝模板，可以通过溶解氧化铝的方式去除所述氧化铝模板。具体可以用氢氧化钠(NaOH)水溶液或磷酸(H3PO4)水溶液浸渍所述层叠结构以腐蚀掉所述氧化铝模板。优选为，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.5mol/L～4mol/L，所述磷酸水溶液的质量百分比浓度为3%～15%。在腐蚀掉所述氧化铝模板之后，形成多个定向排列的管状载体162设置在所述质子交换膜的相对两个表面。
进一步地，在该步骤六之前或之后，可进一步在所述间隔设置的多个管状载体162远离质子交换膜的一端形成所述气体扩散层。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (30)
1.一种燃料电池，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；
其特征在于，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁整个表面的多个催化剂颗粒及填满该多个管状载体的质子导体，该多个管状载体之间具有多个间隙，且该管状载体的管壁具有多个孔，使反应气体通过该多个间隙及多个孔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。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，该多个管状载体无序排列。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述每个管状载体在催化层中设置的形状为直线形、曲线形或Y字形。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述多个管状载体相互间隔设置。
5.如权利要求4.所述的燃料电池，其特征在于，所述多个管状载体相互平行且垂直于所述质子交换膜的表面。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述相邻两个管状载体之间的距离小于50微米。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述管状载体的高度为1微米～100微米。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述管状载体为碳纳米管、二氧化钛纳米管、氧化锌纳米管、氧化钴纳米管或五氧化二钒纳米管。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述管状载体为由无定形碳组成的碳纳米管。
10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述管状载体的直径为10纳米至10微米。
11.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述管状载体的壁厚为2nm～15nm。
12.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述催化剂颗粒为铂颗粒、金颗粒、钯颗粒或钌颗粒。
13.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述催化剂颗粒的粒径为1纳米～8纳米。
14.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，该催化剂颗粒在所述催化层中的附着量为小于等于0.5mg·cm-2。
15.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述质子导体为全氟磺酸树脂或磺化聚合物。
16.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，进一步包括气体扩散层设置于所述催化层远离所述质子交换膜的一侧，该气体扩散层与多个管状载体的管壁电接触。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，所述气体扩散层由导电的多孔材料组成。
18.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，该气体扩散层为碳纤维纸或由多个碳纳米管组成的碳纳米管薄膜。
19.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第一导流板和第二导流板的靠近质子交换膜的表面具有一条或多条导流槽。
20.如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池单体进一步包括一第一供气和抽气装置和一第二供气和抽气装置，该第一供气和抽气装置与所述第一导流板连通，用于通过所述第一导流板向所述阳极电极输入一反应气体，该第二供气和抽气装置与所述第二导流板连通，用于通过所述第二导流板向所述阴极电极输入一反应气体。
21.如权利要求20所述的燃料电池，其特征在于，所述第一供气和抽气装置与所述第一导流板的导流槽连通，所述第二供气和抽气装置与所述第二导流板的导流槽连通。
22.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池进一步包括一用于收集和传导电子的第一集流板和第二集流板，所述第一集流板与所述第一导流板电接触，所述第二集流板与所述第二导流板电接触。
23.一种燃料电池，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，其特征在于，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁整个表面的多个催化剂颗粒及填满该多个管状载体的质子导体，该多个管状载体之间具有多个间隙，且该管状载体的管壁具有多个孔，使反应气体通过该多个间隙及多个孔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。
24.如权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述催化层与所述导流板之间进一步设置有一气体扩散层。
25.一种燃料电池，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；
其特征在于，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁整个表面的多个催化剂颗粒及填满该多个管状载体的质子导体，该多个管状载体之间具有多个间隙，且该管状载体的管壁具有多个孔，使反应气体通过该多个间隙及多个孔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。
26.如权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述每个燃料电池单体的阳极电极或设置于该阳极电极的第一导流板通过一导线与另一个燃料电池单体的阴极电极或设置于该阴极电极的第二导流板电连接。
27.如权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述多个燃料电池单体相互层叠设置，且所述每个燃料电池单体的第一导流板与相邻的一个燃料电池单体的第二导流板相互电接触。
28.如权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述多个燃料电池单体相互层叠设置，且相邻的两个燃料电池单体共用一个第一导流板或第二导流板，所述被共用的第一导流板或第二导流板的两个相对表面均设有导流槽，该两个表面的导流槽分别与所述相邻两个燃料电池单体的一个燃料电池单体的阴极电极和相邻的另一个燃料电池单体的阳极电极相连通。
29.如权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池单体进一步包括一第一供气和抽气装置和一第二供气和抽气装置，该第一供气和抽气装置与所述第一导流板连通，用于通过所述第一导流板向所述阳极电极输入一反应气体，该第二供气和抽气装置与所述第二导流板连通，用于通过所述第二导流板向所述阴极电极输入一反应气体。
30.一种燃料电池，其包括多个相互并联的燃料电池单体，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；
该多个燃料电池单体的阳极电极或与该阳极电极电连接的第一导流板相互电连接，该多个燃料电池单体的阴极电极或与该阴极电极电连接的第二导流板相互电连接；
其特征在于，该催化层包括多个管状载体、吸附在该多个管状载体内壁整个表面的多个催化剂颗粒及填满该多个管状载体的质子导体，该多个管状载体之间具有多个间隙，且该管状载体的管壁具有多个孔，使反应气体通过该多个间隙及多个孔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。
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