TWI387151B - 膜電極及採用該膜電極的燃料電池 - Google Patents

Description

膜電極及採用該膜電極的燃料電池

本發明涉及一種膜電極及採用該膜電極的燃料電池，尤其涉及一種基於奈米碳管的膜電極及採用該膜電極的燃料電池。

燃料電池係一種電化學發電裝置，其將燃料及氧化劑氣體轉化為電能並產生反應產物。相對於鹼性電池、鋰電池等其他電池系統，燃料電池具有能量轉換效率高、對環境污染小、適用範圍廣、無噪音及可連續工作等優點，被廣泛應用於軍事國防及民用的電力、汽車、通信等領域。

燃料電池通常可分為鹼性燃料電池、固態氧化物燃料電池、及質子交換膜燃料電池等。其中，質子交換膜燃料電池近年來發展迅速，越來越受到重視。通常，一個燃料電池堆包括複數個單獨的燃料電池單元，一個單獨的燃料電池單元主要包括膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，導流板(Flow Field Plate，簡稱FFP)，集流板(Current Collector Plate，簡稱CCP)及相關的輔助部件，如：鼓風機、閥門、管路等。

請參閱圖1，為2007年3月21日公告的，公告號為CN1306638C的中國大陸專利(申請人：松下電器產業株式會社；發明人：吉田昭彥等)揭示的一種膜電極結合體10。於該膜電極結合體10中，於一選擇性輸送氫離子 的高分子電解質膜11的兩相對的表面形成含有使碳粉末擔載電極催化劑(例如鉑系的金屬催化劑)而得到的催化體、和具有氫離子傳導性的高分子電解質的催化劑層12。於催化劑層12的外面形成擴散層13。所述擴散層13採用導電碳纖維布或碳纖維毯製作。通過組合該催化劑層12和擴散層13，構成電極(陽極或陰極)14。

使用上述膜電極的燃料電池工作時，利用其輔助部件通過導流板分別向膜電極中質子交換膜兩表面的電極通入一燃料氣體(如氫氣)及氧化劑氣體(如純氧氣或含氧的空氣)。其中，通入燃料氣體的電極為陽極，通入氧化劑氣體的電極為陰極。以氫氣與氧氣為例，燃料電池一端，氫氣進入陽極後，催化劑作用下，一個氫分子發生如下反應：H₂→2H⁺+2e。反應生成的氫離子穿過質子交換膜到達陰極。燃料電池另一端，氧氣進入陰極，同時，電子則通過外電路到達陰極。在催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發生如下反應：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。此電化學反應過程中，電子於外電路連接下形成電流，通過適當的連接可向負載輸出電能。而反應生成的水則通過擴散層及導流板排出。由此可見，擴散層材料的選擇和製備方法對質子交換膜燃料電池性能有著十分重要的影響。一方面，燃料氣體和氧化劑氣體由擴散層擴散到達催化劑層。另一方面，反應所必需的電子和反應生成的電子通過擴散層與外電路連接傳導。

然而，上述的膜電極的擴散層中主要使用碳纖維布或碳纖維毯，具有以下不足：第一，先前的碳纖維布或碳纖 維毯中，碳纖維分佈不均勻，導致碳纖維布或碳纖維毯中孔隙結構不夠合理，而且比表面積小。該結構缺點制約擴散層均勻擴散反應氣體的功能。第二，先前的碳纖維布或碳纖維毯電阻率大，制約擴散層傳導反應所必需的電子和反應生成的電子的功能。這些缺點直接影響膜電極的反應活性等電化學性能。第三，碳纖維布或碳纖維毯柔韌性差，不利於加工。

有鑒於此，確有必要提供一種具有更好反應活性的，且易於加工的膜電極及採用該膜電極的燃料電池。

一種膜電極，其包括：一質子交換膜；一第一電極，該第一電極包括一第一擴散層和一第一催化劑；及一第二電極，該第二電極包括一第二擴散層和一第二催化劑，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜相對的兩表面，其中，所述第一擴散層與第二擴散層中的至少一個包括一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及均勻分散於該奈米碳管結構中的催化劑。

一種燃料電池，其包括：一膜電極及一第一導流板和一第二導流板，所述膜電極設置於第一導流板與第二導流板之間；所述膜電極包括一質子交換膜，及兩個電極，所述質子交換膜設置於兩個電極之間，所述電極包括一擴散層和一催化劑，其中，所述兩個電極中的至少一個電極的擴散層包括一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及均勻分散於該奈米碳管 結構中的催化劑。

相較於先前技術，所述的膜電極及採用該膜電極的燃料電池具有以下優點：第一，該奈米碳管均勻分佈，奈米碳管之間形成複數個均勻且規則分佈的微孔結構。這種結構可有效且均勻的擴散燃料氣體和氧化劑氣體。第二，由於奈米碳管本身的電阻率要低於碳纖維的電阻率，故，該擴散層電阻率低，可有效的傳導反應所必需的電子和反應生成的電子。故，該燃料電池擴散層可改善膜電極的反應活性。第三，該奈米碳管柔韌性好，易於加工。

以下將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。

請參閱圖2，本發明第一實施例提供一種膜電極100，其包括：一質子交換膜102、一第一電極104及一第二電極106。所述第一電極104與第二電極106分別設置於該質子交換膜102相對的兩表面。其中第一電極104包括一第一擴散層104a和第一催化劑層104b，第二電極106包括一第二擴散層106a和第二催化劑層106b。所述催化劑層設置於擴散層的至少一表面，本實施例中，催化劑層位於質子交換膜102與擴散層之間。

所述第一擴散層104a與第二擴散層106a中的至少一個包括一奈米碳管結構。本實施例中，第一擴散層104a包括一奈米碳管結構。所述奈米碳管結構包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管結構中的奈米碳管有序排列或無序排列。該奈米碳管結構中的奈米碳管包括單壁奈 米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或多種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~10奈米，雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~15奈米，多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度大於50微米。本實施例中，該奈米碳管的長度優選為200~900微米。當奈米碳管結構包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管結構包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數個方向擇優取向排列。

具體地，所述奈米碳管結構包括至少一層奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。當奈米碳管結構僅包括一個奈米碳管線狀結構時，該奈米碳管線狀結構多次折疊或纏繞成一層狀奈米碳管結構。當奈米碳管結構包括複數個奈米碳管線狀結構時，複數個奈米碳管線狀結構可相互平行設置，交叉設置或編織設置。當奈米碳管結構同時包括奈米碳管膜和奈米碳管線狀結構時，所述奈米碳管線狀結構設置於奈米碳管膜的至少一表面。所述奈米碳管膜包括複數個均勻分佈的奈米碳管，具體地，該複數個均勻分佈的奈米碳管有序排列或無序排列，奈米碳管之間通過凡德瓦爾力連接。該奈米碳管膜為奈米碳管絮化膜、奈米碳管碾壓膜或奈米碳管拉膜。

所述奈米碳管拉膜的厚度為0.01~100微米。所述奈米碳管拉膜通過拉取一奈米碳管陣列直接獲得。可以理解，通過將複數個奈米碳管拉膜平行且無間隙鋪設或/和重疊鋪設，可製備不同面積與厚度的奈米碳管結構。每一奈 米碳管拉膜包括複數個擇優取向排列的奈米碳管。所述奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連。請參閱圖3及圖4，具體地，每一奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列的奈米碳管片段143。該複數個奈米碳管片段143通過凡德瓦爾力首尾相連。每一奈米碳管片段143包括複數個相互平行的奈米碳管145，該複數個相互平行的奈米碳管145通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段143具有任意的寬度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管145沿同一方向擇優取向排列。可以理解，由複數個奈米碳管拉膜組成的奈米碳管結構中，相鄰兩個奈米碳管拉膜中的奈米碳管的排列方向有一夾角α，且0°≦α≦90°，從而使相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管相互交叉組成一網狀結構，該網狀結構包括複數個微孔，該複數個微孔均勻且規則分佈於奈米碳管結構中，其中微孔直徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管拉膜結構及其製備方法請參見范守善等人於2007年2月9日申請的，於2008年8月13公開的第CN101239712A號中國大陸公開專利申請“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。

所述奈米碳管線狀結構包括至少一非扭轉的奈米碳管線、至少一扭轉的奈米碳管線或其組合。所述奈米碳管線狀結構包括多根非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線時，該非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線可相互平行呈一束狀結構，或相互扭轉呈一絞線結構。

請參閱圖5，該非扭轉的奈米碳管線包括複數個沿該非扭轉的奈米碳管線長度方向排列的奈米碳管。具體地，該非扭轉的奈米碳管線包括複數個奈米碳管片段，該複數個奈米碳管片段通過凡德瓦爾力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數個相互平行並通過凡德瓦爾力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管拉膜的整個表面，於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管拉膜中的相互平行的複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合，從而使奈米碳管拉膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小，黏性降低。

所述奈米碳管線狀結構及其製備方法請參見范守善等人於2002年9月16日申請的，於2008年8月20日公告的第CN100411979C號中國大陸公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司，及於2005年12月16日申請的，於2007年6月20日公開的第CN1982209A號中國大陸公開專利申請“奈米碳管絲及其製作方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。

所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖6，該扭轉的奈米碳管線包括複數個繞該扭轉的奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管。具體地，該扭轉的奈米碳管線包括複數個奈米碳管片段，該複數個奈米碳管片段通過凡德瓦爾力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數個相互平行並通過凡德瓦爾力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。於揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡德瓦爾力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管各向同性，沿同一方向或不同方向擇優取向排列。請參閱圖7，本實施例中，奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。優選地，所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於奈米碳管碾壓膜的表面。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互交疊，且通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管碾壓膜具有很好的柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐的結構，可無需基底支撐，自支撐存在。所述奈米碳管碾壓膜可 通過碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的基底的表面形成一夾角α，其中，α大於等於0度且小於等於15度(0≦α≦15°)，該夾角α與施加於奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小。所述奈米碳管碾壓膜的長度和寬度不限。所述碾壓膜包括複數個微孔結構，該微孔結構均勻且規則分佈於奈米碳管碾壓膜中，其中微孔直徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法請參見范守善等人於2007年6月1日申請的第200710074027.5號中國大陸專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。

所述奈米碳管絮化膜的長度、寬度和厚度不限，可根據實際需要選擇。本發明提供的奈米碳管絮化膜的長度為1~10厘米，寬度為1~10厘米，厚度為1微米~2毫米。請參閱圖8，所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞的奈米碳管，CNT長度大於10微米。所述奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。所述奈米碳管絮化膜各向同性，其中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量的微孔結構，微孔孔徑為1奈米~0.5微米。該微孔結構可用於擴散氣體。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法請參見范守善等人於2007年4月13日申請的第200710074699.6號中國大陸專利申請“奈米碳管薄膜的製備方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司。

所述催化劑層104b，106b包括催化劑及碳顆粒載體。所述催化劑包括貴金屬顆粒。所述貴金屬顆粒為鉑、金及釘中的一種或幾種的混合物，優選地，所述貴金屬顆粒為鉑。所述碳顆粒為石墨顆粒、炭黑顆粒、碳纖維及奈米碳管中的一種或幾種的混合物，優選為奈米碳管。本實施例中，貴金屬顆粒分散於碳顆粒中，形成催化劑層104b，106b，且作為催化劑的貴金屬顆粒擔載量低於0.5mg/cm²。

本實施例中，所述包括奈米碳管結構的第一電極104的製備方法為：首先，提供一貴金屬顆粒與碳顆粒的混合物，並將其投入到一分散液中，再加入水和表面活性劑，分散後形成一催化劑漿料。其次，將上述催化劑漿料塗覆於奈米碳管結構的一表面，並乾燥形成第一電極104。

所述質子交換膜102的材料為全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳氫化合物等。

當所述第一擴散層104a包括一奈米碳管結構時，第二擴散層106a可採用碳纖維紙。本實施例中，優選地，所述第一擴散層104a與第二擴散層106a均包括一奈米碳管結構，且該奈米碳管結構包括複數個交叉設置的奈米碳管線狀結構。

請參閱圖9，本發明第二實施例提供一種膜電極200，其包括：一質子交換膜202、一第一電極204及一第二電極206。所述第一電極204與第二電極206分別設置於該質子交換膜202相對的兩表面。所述膜電極200與本發明第 一實施例提供的膜電極100結構基本相同。其區別在於，所述第一電極204包括一第一擴散層204a及分散於該第一擴散層204a中的第一催化劑204b，第二電極206包括一第二擴散層206a及分散於該第二擴散層206a中的第二催化劑206b。

所述第一擴散層204a與第二擴散層206a的結構與本發明第一實施例提供的擴散層的結構相同。優選地，所述第一擴散層204a與第二擴散層206a中的至少一個擴散層包括一奈米碳管結構。所述催化劑分散於奈米碳管結構中的奈米碳管表面，並與奈米碳管結構形成一複合結構。本實施例中，第一擴散層204a包括一奈米碳管結構。所述奈米碳管結構為複數個重疊且交叉設置的奈米碳管拉膜。所述第一催化劑204b為貴金屬顆粒。該貴金屬顆粒均勻分佈於該奈米碳管拉膜中的奈米碳管表面，與奈米碳管拉膜形成一複合結構。

本實施例中，所述第一電極204通過以下方法製備：首先，製備至少一奈米碳管拉膜。其次，於每個奈米碳管拉膜表面形成一催化劑層。本實施例中，通過物理或化學方法於奈米碳管拉膜表面沈積一層鉑催化劑。請參閱圖10，鉑催化劑均勻分佈於奈米碳管拉膜的奈米碳管表面。最後，將複數個形成有催化劑層的奈米碳管拉膜疊加得到一奈米碳管複合結構作為第一電極204。

可以理解，當所述第一電極204為一奈米碳管複合結構時，第二電極206可採用本發明第一實施例提供的電極結構或與第一電極204相同的結構。本實施例中，所述第一電 極204與第二電極206均採用奈米碳管複合結構。

請參閱圖11，本發明第三實施例提供一種膜電極300，其包括：一質子交換膜302、一第一電極304及一第二電極306。所述第一電極304與第二電極306分別設置於該質子交換膜302相對的兩表面。該第一電極304包括一擴散層310和一催化劑層308。所述催化劑層308設置於擴散層310的至少一表面，本實施例中，催化劑層308位於質子交換膜302與擴散層310之間。

所述擴散層310包括一奈米碳管複合結構。所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及分散於奈米碳管結構中的填充材料。所述填充材料均勻分散於奈米碳管結構中。所述填充材料包括金屬、陶瓷、玻璃及纖維中的一種或多種。可以理解，當奈米碳管結構中分散有金屬時，可增強該奈米碳管結構的導電性。當奈米碳管結構中分散有填充材料時，需確保奈米碳管結構的微孔不被堵塞，以便擴散燃料或氧化劑。可選擇地，所述奈米碳管複合結構包括一碳纖維布或碳纖維毯及分散於該碳纖維布或碳纖維毯中的奈米碳管。將該碳纖維布或碳纖維毯中添加奈米碳管，可提高其導電性與柔韌性，並增加碳纖維布或碳纖維毯中小尺寸孔隙的數量，從而提高碳纖維布或碳纖維毯的擴散均勻性。所述碳纖維布或碳纖維毯中奈米碳管的添加量不限。優選地，所述碳纖維布或碳纖維毯中奈米碳管的添加量為1~15%。

所述第二電極306的結構可為本發明第一實施例或第二實施例提供的電極結構。本實施例中，所述第二電極306為 本發明第一實施例提供的電極結構。

本發明第四實施例提供一種燃料電池，其包括：一膜電極及一第一導流板和一第二導流板，所述膜電極設置於第一導流板與第二導流板之間；所述膜電極包括一質子交換膜，及兩個電極，所述質子交換膜設置於兩個電極之間，所述電極包括一擴散層和一催化劑。所述擴散層中的至少一個包括一奈米碳管結構。

請參閱圖12，具體地，本實施例提供一種燃料電池1，其包括：一膜電極100，一第一導流板108a和一第二導流板108b，一第一集流板110a和一第二集流板110b，及相關的第一輔助部件112a和第二輔助部件112b。其中，膜電極100包括：一質子交換膜102、一第一電極104及一第二電極106。所述第一電極104與第二電極106分別設置於該質子交換膜102相對的兩表面。其中第一電極104包括一第一擴散層104a和第一催化劑層104b，第二電極106包括一第二擴散層106a和第二催化劑層106b。所述催化劑層位於質子交換膜102與擴散層之間。可以理解，所述膜電極還可為本發明第二實施例提供的膜電極200或第三實施例提供的膜電極300。

所述第一導流板108a和第二導流板108b分別設置於第一電極104和第二電極106遠離質子交換膜102的表面，用於傳導燃料氣體、氧化劑氣體及反應產物水。該第一導流板108a和第二導流板108b採用金屬或導電碳材料製作，於第一導流板108a和第二導流板108b的一表面具有一條或多條導流槽114。該導流槽114與擴散層接觸，用於 導引燃料氣體、氧化劑氣體和反應產物水。

所述第一集流板110a和第二集流板110b分別設置於第一導流板108a和第二導流板108b的遠離質子交換膜102的表面，用於收集和傳導反應產生的電子。所述第一集流板110a和第二集流板110b均採用導電材料製作。由於所述膜電極100的擴散層包括一奈米碳管結構，奈米碳管結構具有良好的導電性，故，該第一集流板110a和第二集流板110b為一可選結構。

質子交換膜102材料為全氟磺酸、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳氫化合物。質子交換膜102用來傳導質子，分割燃料氣體和氧化劑氣體。

所述第一輔助部件112a和第二輔助部件112b均包括鼓風機、管路、閥門等(圖中未標示)。鼓風機通過管路與導流板相連，用來向燃料電池1提供燃料氣體和氧化劑氣體。本實施例中，燃料氣體為氫氣，氧化劑氣體為純氧氣或含氧的空氣。其中，燃料電池1中靠近氧化劑氣體輸入端的第一電極104稱為陰極，靠近燃料氣體輸入端的第二電極106稱為陽極。由於氣體可直接向該燃料電池1擴散，故，該第一輔助部件112a和第二輔助部件112b為可選結構。

上述燃料電池1工作時，利用其輔助部件通過導流板108a，108b分別向膜電極100中質子交換膜102兩表面的第二電極106通入一燃料氣體(氫氣)，向第一電極104通入一氧化劑氣體(純氧氣或含氧的空氣)。其中，氫氣通 過導流槽114到達陽極，氧化劑氣體通過導流槽114到達陰極。氫氣進入陽極後，通過第二擴散層106a與第二催化劑層106b接觸。由於本發明實施例中採用奈米碳管結構作為擴散層，奈米碳管結構中包括大量的均勻分佈的微孔結構。這種結構可有效且均勻的擴散氫氣，使氫氣與第二催化劑層106b中的貴金屬顆粒均勻接觸，可有效的利用第二催化劑層106b中的貴金屬顆粒對氫氣進行催化反應。於催化劑材料作用下，一個氫分子發生如下反應：H₂→2H⁺+2e。反應生成的氫離子穿過質子交換膜102到達陰極。反應生成的電子則進入外電路。

燃料電池1第一電極104端，氧氣進入陰極，同時，電子則通過外電路到達陰極。催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發生如下反應：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。由於本發明實施例中採用的奈米碳管結構中含有大量的均勻分佈的微孔結構，故，使得氧氣均勻擴散，於催化劑作用下與氫離子及電子反應，提高反應活性。另一方面，奈米碳管結構優良的導電性使得反應所必需的電子和反應生成的電子通過第二擴散層106a迅速傳導。而反應生成的水則通過第一擴散層104a及第一導流板108a排出。此過程中，於第一電極104與第一電極106之間會形成一定的電勢差，當外電路接入一負載120時，將會形成電流。

所述的膜電極中，擴散層包括一奈米碳管結構，具有以下優點：第一，該奈米碳管結構包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管結構中的奈米碳管有序排列或無序排列，使得奈米碳管結構中形成大量的均勻且規則分 佈的微孔結構。這種結構可有效且均勻的擴散燃料氣體和氧化劑氣體。第二，由於奈米碳管本身的電阻率要低於碳纖維的電阻率，故，該奈米碳管結構電阻率低，可有效的傳導反應所必需的電子和反應生成的電子。故，該燃料電池擴散層可改善膜電極的反應活性。第三，由於奈米碳管陣列中奈米碳管生長均勻，因而所製備的奈米碳管薄膜中的奈米碳管分散均勻，使得該奈米碳管薄膜結構具有較好的機械強度和韌性，易於加工。第四，當採用奈米碳管複合結構製備膜電極的電極時，還可避免催化劑層與擴散層之間的接觸電阻，進一步提高膜電極的反應活性。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧膜電極結合體

11‧‧‧電解質膜

12,308‧‧‧催化劑層

13,300‧‧‧擴散層

14‧‧‧電極

143‧‧‧奈米碳管片段

145‧‧‧奈米碳管

1‧‧‧生物燃料電池

100,200,300‧‧‧膜電極

102,202,302‧‧‧質子交換膜

104,204,304‧‧‧第一電極

104a‧‧‧第一擴散層

104b‧‧‧第一催化劑層

106,206,306‧‧‧第二電極

106a‧‧‧第二擴散層

106b‧‧‧第二催化劑層

108a‧‧‧第一導流板

108b‧‧‧第二導流板

110a‧‧‧第一集流板

110b‧‧‧第二集流板

112a‧‧‧第一輔助部件

112b‧‧‧第二輔助部件

114‧‧‧導流槽

120‧‧‧負載

204b‧‧‧第一催化劑

206b‧‧‧第二催化劑

圖1為先前技術的膜電極的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施例提供的膜電極的結構示意圖。

圖3為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖4為圖3中的奈米碳管片段的結構示意圖。

圖5為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖6為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖7為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管碾壓膜的掃描電鏡照片。

圖8為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的奈米碳管絮化膜的掃描電鏡照片。

圖9為本發明第一實施例提供的作為膜電極的擴散層的沈積有鉑催化劑的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖10為本發明第二實施例提供的膜電極的結構示意圖。

圖11為本發明第三實施例提供的膜電極的結構示意圖。

圖12為本發明第四實施例的燃料電池的結構示意圖。

100‧‧‧膜電極

102‧‧‧質子交換膜

104‧‧‧第一電極

104a‧‧‧第一擴散層

104b‧‧‧第一催化劑層

106‧‧‧第二電極

106a‧‧‧第二擴散層

106b‧‧‧第二催化劑層

Claims (17)

1. 一種膜電極，其包括：一質子交換膜；一第一電極，該第一電極包括一第一擴散層和一第一催化劑；及一第二電極，該第二電極包括一第二擴散層和一第二催化劑，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜相對的兩表面，其改良在於，所述第一擴散層與第二擴散層中的至少一個擴散層包括一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及均勻分散於該奈米碳管結構中的催化劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。
3. 如申請專利範圍第2項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜包括複數個均勻分佈的奈米碳管，該複數個奈米碳管有序排列。
4. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜中的複數個奈米碳管首尾相連且沿同一方向擇優取向排列。
5. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括至少兩個重疊設置的奈米碳管膜。
6. 如申請專利範圍第5項所述的膜電極，其中，所述相鄰兩個奈米碳管膜之間通過凡德瓦爾力緊密連接。
7. 如申請專利範圍第3項所述的膜電極，其中，所述奈米碳 管膜中的複數個奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。
8. 如申請專利範圍第2項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜包括複數個均勻分佈的奈米碳管，該複數個奈米碳管無序排列。
9. 如申請專利範圍第8項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管膜中的複數個奈米碳管相互纏繞。
10. 如申請專利範圍第2項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括一個奈米碳管線狀結構折疊或纏繞成層狀結構。
11. 如申請專利範圍第2項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括複數個奈米碳管線狀結構相互平行設置，交叉設置或編織成網狀結構。
12. 如申請專利範圍第2項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管線狀結構包括至少一非扭轉的奈米碳管線、至少一扭轉的奈米碳管線或其組合。
13. 如申請專利範圍第12項所述的膜電極，其中，所述非扭轉的奈米碳管線包括複數個奈米碳管沿該非扭轉的奈米碳管線長度方向平行排列，所述扭轉的奈米碳管線包括複數個奈米碳管沿該扭轉的奈米碳管線長度方向呈螺旋狀排列。
14. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管結構包括複數個均勻分佈的微孔，該微孔直徑為1奈米~0.5微米。
15. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管複合結構同時起到分散催化劑和擴散氣體的作用。
16. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳 管結構包括複數個奈米碳管，所述催化劑均勻複合於奈米碳管結構中的奈米碳管表面。
17. 一種燃料電池，其包括：一膜電極及一第一導流板和一第二導流板，所述膜電極設置於第一導流板與第二導流板之間；所述膜電極包括一質子交換膜，及兩個電極，所述質子交換膜設置於兩個電極之間，所述電極包括一擴散層和一催化劑，其改良在於，所述兩個電極中的至少一個電極的擴散層包括一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管結構及均勻分散於該奈米碳管結構中的催化劑。