CN105280931A - 燃料电池膜电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及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相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜包括多个碳纳米管和多个石墨片，该多个碳纳米管首尾相连且沿同一方向延伸形成一膜状，每一根碳纳米管被所述多个石墨片包围，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。本发明还涉及所述燃料电池膜电极的制备方法。

Description

燃料电池膜电极
技术领域
本发明涉及一种燃料电池膜电极，尤其涉及一种基于碳纳米管的燃料电池膜电极。
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，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。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（MembraneElectrodeAssembly，简称MEA），导流板（FlowFieldPlate，简称FFP），集流板（CurrentCollectorPlate，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（ProtonExchangeMembrane）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（CatalystLayer）和气体扩散层（GasDiffusionLayer，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。一方面，传统的碳纤维纸中，碳纤维分布不均匀，比表面积小，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。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有良好反应活性的燃料电池膜电极。
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相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜由至少一碳纳米管膜和石墨片构成，该至少一碳纳米管膜包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成一膜状，该多个碳纳米管沿同一方向延伸且在该延伸方向上相邻的碳纳米管首尾相连，每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。
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相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜包括至少一碳纳米管膜和一石墨层设置于所述至少一碳纳米管膜的表面，该碳纳米管膜包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管，该石墨层包括多个石墨片，每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片，每一石墨片倾斜地连接在所述碳纳米管的外壁且向远离碳纳米管的方向延伸，每一石墨片延伸的长度是碳纳米管直径的2.5倍至100倍。
相较于现有技术，本发明所提供的燃料电池膜电极中采用一碳纤维膜作为气体扩散层，所述碳纤维膜中碳纤维分布均匀，石墨片与碳纳米管的外壁呈一角度，增大了碳纤维膜的比表面积，提高了气体扩散层均匀扩散反应气体的能力。而且所述碳纤维膜的电阻率较小，提高了气体扩散层传导电子的能力，进一步提高了所述燃料电池膜电极的反应活性等电化学性能。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极的结构示意图。
图2是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极中碳纤维膜的结构示意图。
图3是图2碳纤维膜中碳纤维的立体结构示意图。
图4是本发明第一实施例提供的燃料电池膜电极中碳纤维膜的制备方法的结构示意图。
图5是本发明第一实施例提供的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图6是本发明第一实施例提供的燃料电池的结构示意图。
图7是本发明第二实施例提供的燃料电池膜电极的结构示意图。
主要元件符号说明
碳纳米管阵列 10
生长基底 12
碳纳米管膜 20
第一反应室 30
第一进口 32
第一出口 34
第二反应室 40
第二进口 42
第二出口 44
碳纤维膜 50
碳层 52
碳纤维 54
碳纳米管 56
石墨片 58
支撑轴 60
加热器 70
燃料电池膜电极 100，300
质子交换膜 102
第一表面 1022
第二表面 1024
第一电极 104a
第二电极 104b
气体扩散层 106
催化层 108
催化剂颗粒 110
燃料电池 200
第一导流板 210a
第二导流板 210b
导流槽 212
第一集流板 220a
第二集流板 220b
第一供气和抽气装置 230a
第二供气和抽气装置 230b
负载 240
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
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的燃料电池膜电极及其制备方法作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种燃料电池膜电极100，其包括：一质子交换膜102，一第一电极104a和一第二电极104b，所述第一电极104a和第二电极104b均由气体扩散层106和催化层108组成。所述质子交换膜102具有相对的第一表面1022和第二表面1024，所述第一电极104a设置在该质子交换膜102的第一表面1022，所述第二电极104b设置在该质子交换膜102的第二表面1024，且催化层108位于质子交换膜102与气体扩散层106之间。
所述气体扩散层106包括一碳纤维膜50，本实施例中，所述气体扩散层106由一碳纤维膜50组成。请参见图2及图3，该碳纤维膜50包括多个碳纳米管56和多个石墨片58，该多个碳纳米管56通过范德华力首尾相连并沿同一方向延伸且形成一膜状，每一根碳纳米管56被多个石墨片58包围，每一石墨片58通过共价键与碳纳米管56连接，且每一石墨片58与碳纳米管56的外壁之间有一角度。进一步，所述石墨片58仅部分边缘通过共价键与碳纳米管56的外壁连接。所述多个石墨片58间隔分布在每一碳纳米管56外壁表面。分布在同一碳纳米管56外壁的多个所述石墨片58相互间隔。所述石墨片的长度远大于碳纳米管的直径，为50纳米至10微米，石墨片的宽度接近碳纳米管的直径，为10纳米至20纳米。每一石墨片58延伸的长度是碳纳米管56直径的2.5倍至100倍。
也就是说，所述碳纤维膜50包括多个首尾相连且沿同一方向延伸的碳纤维54，每一根碳纤维54包括一根碳纳米管56和多个石墨片58，该多个石墨片58形成一石墨层，该碳纳米管56被多个石墨片58包围，每一石墨片58通过共价键与碳纳米管56的外壁连接，且每一石墨片58与碳纳米管56的外壁之间有一角度。相邻碳纤维54之间通过范德华力连接。
所述碳纳米管56均匀分布，且平行于碳纤维膜表面。由于相邻碳纳米管56之间通过范德华力连接，因此该碳纤维膜具有一定的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，且具有良好的自支撑性能及韧性。
每一石墨片58与碳纳米管56之间的角度的范围为大于0度且小于90度，优选地，每一石墨片58与碳纳米管56之间的角度大于等于30度且小于等于60度。多个石墨片58与碳纳米管56之间的角度可以相等也可以不相等，即，多个石墨片58可以无序地随机“斜插”或分布在碳纳米管56的外壁上，也可以有序地“斜插”或分布在碳纳米管56的外壁上。本实施例中，所述碳纤维膜50中多个石墨片58与碳纳米管56之间的角度相等，均等于45度，如图2所示。每一根碳纤维54的直径与所述碳层的厚度有关，所述碳纤维54的直径为450纳米至100微米。本实施例中，所述碳纤维54的直径为500纳米。
进一步，所述碳纤维膜50还可以包括至少两层交叉重叠设置的碳纳米管膜，相邻碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合。相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管56的延伸方向之间形成一夹角α，0≤α≤90度，具体可依据实际需求而进行调整，每一碳纳米管56的外壁分布有多个石墨片58。所述至少两层碳纳米管膜交叉重叠设置时，可以提高所述碳纤维膜50的机械强度。本实施例中，所述碳纤维膜50包括两层交叉重叠设置的碳纳米管膜，且该两层碳纳米管膜中碳纳米管56的延伸方向之间交叉的角度为90度。
所述碳纤维膜50具有良好的导电性能，其方块电阻小于等于100欧姆。并且，由于石墨片58包围每一根碳纳米管56且通过共价键与该碳纳米管56连接，因此首尾相连的两个碳纳米管56之间的“节点”处也有石墨片58连接，即首尾相连的两个碳纳米管56之间的“节点”处，石墨片58通过共价键同时与所述两个碳纳米管56相连，因此，首尾相连的碳纳米管56之间的“节点”处的机械强度大幅提高，从而提高了所述碳纤维膜50的整体机械性能。
相对于传统的碳纤维纸，所述碳纤维膜50中碳纤维54分布均匀，石墨片58与碳纳米管56的外壁呈一角度，增大了碳纤维膜50的比表面积，提高了气体扩散层106均匀扩散反应气体的能力。另一方面，所述碳纤维膜50的电阻率较小，提高了气体扩散层106传导电子的能力，进一步提高了所述燃料电池膜电极100的反应活性等电化学性能。
所述催化层108包括贵金属颗粒及碳颗粒。贵金属颗粒为铂、金、钌等，优选地为铂。碳颗粒为石墨、炭黑、碳纤维或碳纳米管等，优选为碳纳米管。贵金属颗粒分散于碳颗粒中，形成催化层108。作为催化材料的贵金属颗粒担载量低于0.5mg/cm2。
所述质子交换膜102的材料为全氟磺酸、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等。
本发明第一实施例进一步提供一种所述燃料电池膜电极100的制备方法，具体包括以下步骤：
S10，制备一碳纤维膜50作为气体扩散层106；
S11，在上述气体扩散层106一表面形成一催化层108，从而得到第一电极104a和第二电极104b；
S12，提供一质子交换膜102，将第一电极104a和第二电极104b分别设置在该质子交换膜102相对的两个表面，从而得到一燃料电池膜电极100。
请参见图4，步骤S10中，该碳纤维膜50的制备方法具体包括以下步骤：
S101，提供一碳纳米管阵列10；
S102，从所述碳纳米管阵列10中拉取获得一碳纳米管膜20，将该碳纳米管膜20依次穿过一第一反应室30和一第二反应室40；
S103，向第一反应室30内通入载气和碳源气体，并控制温度，使第一反应室30内的碳纳米管膜20上形成一碳层52，获得一碳纳米管复合膜；
S104，将所述碳纳米管复合膜导入所述第二反应室40内，控制温度，使第二反应室40内的碳纳米管膜20上的碳层52石墨化，获得一碳纤维膜50。
步骤S101中，所述碳纳米管阵列10优选为超顺排碳纳米管阵列10，该超顺排的碳纳米管阵列10的制备方法采用化学气相沉积法，其具体包括以下步骤：（a）提供一平整生长基底12，该生长基底12可选用P型或N型硅生长基底12，或选用形成有氧化层的硅生长基底12，本实施例优选为采用4英寸的硅生长基底12；（b）在生长基底12表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一，本实施例中，催化剂层材料由铁形成；（c）将上述形成有催化剂层的生长基底12在700℃~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟，本实施例中，形成有催化剂层的生长基底12在800℃的空气中退火60分钟；（d）将处理过的生长基底12置于一反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃~740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟~30分钟，生长得到碳纳米管阵列10。碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。本实施例中，处理过的生长基底12在反应炉中氮气环境下加热到600℃，通入乙炔反应20分钟，得到所述碳纳米管阵列10。该碳纳米管阵列10为多个彼此平行且垂直于生长基底12生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列10。通过上述控制生长条件，该定向排列的碳纳米管阵列10中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。
步骤S102中，采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列10中拉取碳纳米管获得一碳纳米管膜20，其具体包括以下步骤：（a）从所述碳纳米管阵列10中选定一个或多个碳纳米管，优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列10以选定一个或多个碳纳米管，本实施例中优选镊子来选定多个碳纳米管；（b）以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜20。该拉伸方向沿基本垂直于碳纳米管阵列10的生长方向。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长基底12的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜20，如图5所示。所述碳纳米管膜20为一自支撑结构。所述自支撑为碳纳米管膜20不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身层状状态。
所述第一反应室30具有相对设置的一第一进口32和一第一出口34，所述第二反应室40具有相对设置的一第二进口42和一第二出口44。将所述碳纳米管膜20利用拉伸工具依次穿过第一反应室30和第二反应室40，并固定于一支撑轴60上。可以理解，所述碳纳米管膜20的一端固定于所述支撑轴60，另一端连接于所述碳纳米管阵列10，且该碳纳米管膜20穿过整个第一反应室30和第二反应室40，如图4所示。所述支撑轴60具有一轴心，支撑轴60可绕其轴心自转，该支撑轴60转动可以将碳纳米管膜20卷绕在该支撑轴60上。可以理解，所述支撑轴60也可以和一电机连接，以便所述支撑轴60实现自动转动。
步骤S103中，第一反应室30内的碳纳米管膜20上生长一碳层52的具体过程为：向第一反应室30内通入载气和碳源气体，加热所述第一反应室30，使该第一反应室30内的温度达到800℃~1000℃，所述碳源气体发生裂解形成碳，并沉积在所述碳纳米管膜20上形成碳层52。
所述载气的作用是净化第一反应室30，使第一反应室30具有一个纯净的环境。所述载气包括氮气、氨气或惰性气体，比如氩气等。所述载气的体积流量为50sccm（标况毫升每分）~100sccm。本实施例中，载气选用氩气，该氩气的体积流量为85sccm。所述碳源气体为碳氢化合物，比如烃、炔等，所述碳源气体的体积流量为20sccm~100sccm。本实施例中，所述碳源气体优选为乙炔，且乙炔的体积流量为70sccm。
所述第一反应室30的周围设置一加热器70，该加热器70使第一反应室30内的温度达到800℃~1000℃。在碳源气体不断通入第一反应室30内的情况下，碳层52的厚度与使第一反应室30内的温度保持800℃~1000℃的保温时间和碳源气体的通入时间及体积流量有关。所述保温时间越长，碳层52的厚度越厚。优选地，所述保温时间为30分钟至60分钟，所述碳层52的厚度为5纳米至10微米。为了使碳层52能够均匀覆盖所述碳纳米管膜20，甚至包覆碳纳米管膜20中的每一根碳纳米管，该碳层52的厚度大于等于5纳米，此时碳纳米管膜20生长碳层52后的厚度大于等于30纳米。本实施例中，第一反应室30内的温度为900℃，所述保温时间为45分钟，碳层52的厚度为1微米。
在生成碳层52的整个过程中，所述第一反应室30为常压或低压状态，所述低压的压强为50帕至1000帕。由于第一反应室30内通有惰性载气，另外第一反应室30也可以为低压，因此碳纳米管膜20不会在800℃~1000℃下烧坏。
所述载气也可以与碳源气体同时通入第一反应室30内，即将碳源气体和载气的混合气体通入第一反应室30内。此时，载气的体积流量为10sccm~50sccm。本实施例中，载气与碳源气体同时通入第一反应室30内，并且载气的体积流量为25sccm，所述碳源气体的体积流量为50sccm。
由于碳纳米管膜20所包含的多个碳纳米管之间具有多个间隙，因此，当所述碳源气体裂解形成无定型碳时，该无定型碳不仅沉积在碳纳米管膜20中多个碳纳米管的表面，也沉积在相邻碳纳米管之间的间隙中，即，所述碳纳米管膜20上形成一碳层52，该碳层52包覆每一根碳纳米管。所述碳纳米管膜20和所述碳层52形成所述碳纳米管复合膜。
步骤S104中，转动所述支撑轴60，同时从所述碳纳米管阵列10继续拉取碳纳米管膜20，使处于第一反应室30内的碳纳米管复合膜穿过第一反应室30的第一出口34和第二反应室40的第二进口42进入第二反应室40。
所述第二反应室40为真空状态，其压强为50帕至1000帕。所述第二反应室40的周围设置一加热器70，该加热器70使第二反应室40内的温度达到2000℃~3000℃，所述碳纳米管膜20上的碳层52石墨化。真空下碳层52石墨化指的是碳层52从无定形态转变为共价键SP2杂化形态。由于第二反应室40为真空，因此所述碳纳米管膜20在2000℃~3000℃不会破坏，且碳纳米管膜20中的碳纳米管本身已经是SP2杂化的石墨层结构，因此真空下加热或退火可以修复碳纳米管原有的结构缺陷。本实施例中，第二反应室40内的温度为2500℃。
当碳层52的厚度远大于碳纳米管的直径时，例如碳层52的厚度大于等于100纳米时，在碳层52石墨化形成石墨片时，由于完美的圆筒状石墨片是直的，这种情况下，所述石墨片平行于碳纳米管的延伸方向延伸变得很困难，不容易得到平行于碳纳米管延伸方向的外延石墨片，此时，所述石墨片会与碳纳米管延伸方向形成一定夹角。所述石墨片的长度远大于碳纳米管的直径，为50纳米至10微米，石墨片的宽度接近碳纳米管的直径，为10纳米至20纳米。
第二反应室40内的温度保持为2000℃~3000℃的保温时间与碳层52的厚度有关，碳层52的厚度越厚，第二反应室40内的保温时间越长。优选地，碳层52的厚度为100纳米至10微米，所述第二反应室40内的保温时间为20分钟至60分钟。本实施例中，所述碳层52的厚度为1微米，第二反应室40内的保温时间为45分钟。
所述碳纳米管膜20由多个碳纳米管组成，该碳纳米管由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。因此，所述碳纳米管膜20本身已经是石墨化的结构。碳纳米管膜20上的碳层52石墨化后依附在本身已经是石墨化结构的碳纳米管膜20上，形成碳纤维膜50。该碳纤维膜50是由多根碳纤维54形成的膜状结构。
可以理解，形成碳层52和所述碳层52石墨化的过程中，碳纳米管膜20始终悬空设置，该碳纳米管膜20的一端固定于所述支撑轴60，另一端连接于所述碳纳米管阵列10。
本技术领域技术人员应明白，本实施例中，该碳纤维膜50还可根据实际需要，切割成任意形状或尺寸，可应用于微型燃料电池中的气体扩散层106，有利于扩大其应用范围。
步骤S11中，形成催化层108的方法具体包括以下步骤：
S110，提供一贵金属颗粒与碳颗粒的混合物，并将其投入到一分散液中，再加入水和表面活性剂，分散后形成一催化剂浆料；
S111，将上述催化剂浆料涂覆在气体扩散层106一表面，并干燥形成一催化层108。
步骤S110中，作为催化剂材料的贵金属颗粒选自铂、金、钌等，作为载体的碳颗粒选自石墨、炭黑、碳纤维或碳纳米管等。贵金属颗粒担载于碳颗粒载体表面，形成分散的颗粒。贵金属颗粒担载量低于0.5mg/cm2。碳颗粒具有高导电、高比表面积，耐腐蚀性。所述的分散液为将CHF1000树脂溶解到二甲基乙酰胺中得到的，其中，分散液中树脂浓度为5wt%。所述表面活性剂为异丙醇等，可以抑制碳颗粒的凝聚。进一步，制备催化剂浆料前，可以用球磨机对碳颗粒进行长时间球磨，尽可能减小碳颗粒的粒径，来提高碳颗粒在催化剂浆料中的分散性。分散可通过采用超声波分散处理或高强度搅拌等方法实现。
步骤S111中，涂覆催化剂浆料可以采用喷射法、浸渍法或丝网印刷法等。涂覆催化剂浆料要尽可能使涂覆的催化剂浆料致密，均匀。干燥可以通过烘干或烧结的方法，尽可能在低温条件下进行，以便减少催化层108内裂纹和空隙的产生。本实施例中，将催化剂浆料喷射在碳纤维膜50的表面，碳纤维膜50中石墨片58与碳纳米管56被催化剂浆料覆盖，使得碳纤维膜50与催化层108紧密贴合，提高了气体扩散层106的工作效率。
步骤S12中，将所述第一电极104a和第二电极104b分别与质子交换膜102相对的两个表面通过导电胶粘剂结合，且第一电极104a和第二电极104b的催化层108紧贴质子交换膜102的表面，置于气体扩散层106与质子交换膜102之间。质子交换膜102材料为全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛树脂磺酸、碳氢化合物等。
请参见图6，本发明第一实施例还进一步提供一燃料电池200，其包括：一膜电极100，一第一导流板210a及一第二导流板210b，一第一集流板220a及一第二集流板220b，以及一第一供气和抽气装置230a及一第二供气和抽气装置230b。
所述膜电极100的结构如前所述。
所述第一导流板210a及第二导流板210b分别设置于所述第一电极104a和第二电极104b远离质子交换膜102的表面。在第一导流板210a及第二导流板210b的靠近质子交换膜102的表面具有一条或多条导流槽212，用于传导燃料气体、氧化剂气体以及反应产物水。该第一导流板210a及第二导流板210b采用金属或导电碳材料制作。
所述第一集流板220a及第二集流板220b采用导电材料制作，分别设置于第一导流板210a及第二导流板210b的远离质子交换膜102的表面，用于收集和传导反应产生的电子。可以理解，本实施例中，由于碳纤维膜50本身具有良好的导电性，可以用来收集电流，所以该第一集流板220a及第二集流板220b为一可选择结构。
所述第一供气和抽气装置230a及第二供气和抽气装置230b包括鼓风机、管路、阀门等(图中未标示)。鼓风机通过管路分别与第一导流板210a及第二导流板210b相连，用来向燃料电池200提供燃料气体和氧化剂气体。本实施例中，燃料气体为氢气，氧化剂气体为纯氧气或含氧的空气。其中，燃料电池200中靠近氧化剂气体输入端的第二电极104b称为阴极，靠近燃料气体输入端的第一电极104a称为阳极。
上述燃料电池200工作时，利用其供气和抽气装置230通过导流板210分别向膜电极100通入燃料气体（氢气）及氧化剂气体（纯氧气或含氧的空气）。其中，氢气通过导流槽212到达阳极。在催化剂的作用下，氢气发生如下反应：H2→2H++2e。反应生成的质子穿过质子交换膜102到达阴极，反应生成的电子则通过外电路到达阴极。
在燃料电池200另一端，氧气进入阴极，同时，电子则通过外电路到达阴极。在催化剂的作用下，氧气与质子以及电子发生如下反应：1/2O2+2H++2e→H2O。反应生成的水则通过第二电极104b以及导流板210排出燃料电池200。在此过程中，第一电极104a与第二电极104b之间会形成一定的电势差，当外电路接入一负载240时，将会形成电流。
请参见图7，本发明第二实施例进一步提供一种燃料电池膜电极300，其包括：一质子交换膜102和两个电极104，其中电极104由一气体扩散层106和多个催化剂颗粒110组成，两个电极104分别设置在该质子交换膜102相对的两个表面，所述多个催化剂颗粒110分布于气体扩散层106中。
本实施例与第一实施例的区别是：第一实施例中，电极104由气体扩散层106和催化层108组成，催化层108位于质子交换膜102与气体扩散层106之间；本实施例中，电极104由气体扩散层106和多个催化剂颗粒110组成，该多个催化剂颗粒110分布于气体扩散层106中。
本实施例中，可以将贵金属颗粒及碳颗粒利用物理或化学等方法沉积到作为气体扩散层106的碳纤维膜50中，由于碳纤维膜50中相邻碳纤维54之间具有间隙，且石墨片58与碳纳米管56呈一角度连接，因此石墨片58及碳纳米管56的表面均沉积有催化剂颗粒110。即，催化剂颗粒110分散于碳纤维膜50的表面及内部。
本发明提供的燃料电池膜电极具有如下优点：第一、碳纤维膜作为气体扩散层，所述碳纤维膜中碳纤维分布均匀，石墨片与碳纳米管的外壁呈一角度，增大了碳纤维膜的比表面积，提高了气体扩散层均匀扩散反应气体的能力；第二、所述碳纤维膜的电阻率较小，提高了气体扩散层传导电子的能力，进一步提高了所述燃料电池膜电极的反应活性等电化学性能；第三、所述碳纤维膜中，多个石墨片包围每一根碳纳米管且通过共价键与该碳纳米管连接，提高了首尾相连的碳纳米管之间的“节点”处的机械强度，从而提高了该气体扩散层的机械强度，延长了所述燃料电池膜电极的使用寿命。
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 (10)

1.一种燃料电池膜电极，其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，其特征在于，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜由至少一碳纳米管膜和石墨片构成，该至少一碳纳米管膜包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成一膜状，该多个碳纳米管沿同一方向延伸且在该延伸方向上相邻的碳纳米管首尾相连，每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片，且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。
2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述石墨片仅部分边缘通过共价键与碳纳米管的外壁连接。
3.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述多个碳纳米管平行于所述碳纤维膜的表面。
4.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述角度大于0度且小于90度。
5.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳纤维膜包括至少两层交叉重叠设置的碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向之间形成一夹角α，0≤α≤90度。
6.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，分布在同一碳纳米管外壁的多个所述石墨片相互间隔。
7.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述多个石墨片的长度为50纳米至10微米，宽度为10纳米至20纳米。
8.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂为一层状的催化层，该催化层设置于质子交换膜与气体扩散层之间。
9.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂为多个催化剂颗粒，该多个催化剂颗粒分散于所述气体扩散层中。
10.一种燃料电池膜电极，其包括：一质子交换膜及分别设置在该质子交换膜相对两表面的电极，该电极由气体扩散层和催化剂组成，其特征在于，所述气体扩散层包括一碳纤维膜，该碳纤维膜包括至少一碳纳米管膜和一石墨层设置于所述至少一碳纳米管膜的表面，该碳纳米管膜包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管，该石墨层包括多个石墨片，每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片，每一石墨片倾斜地连接在所述碳纳米管的外壁且向远离碳纳米管的方向延伸，每一石墨片延伸的长度是碳纳米管直径的2.5倍至100倍。
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