TW201008011A - Membrane electrode assembly and fuel cell using the same - Google Patents

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201008011 '九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 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。 【先前技術】 燃料電池係一種將燃料及氧化劑氣體轉化為電能的電 化學發電裝置，被廣泛應用於軍事國防及民用的電力、汽 ⑩車、通信等領域（請參見，Recent advances in fuel cell technology and its application, Journal of Power Sources, V100, P60-66 ( 2001)) ° 通常，一個燃料電池主要包括膜電極（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。 0 膜電極（MEA)係燃料電池單元的核心部件，其通常 係由一質子交換膜（Proton Exchange Membrane)及分別 .設置於質子交換膜兩表面的電極組成。其中，電極又包括 催化層（Catalyst Layer)及氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，簡稱GDL)，且催化層設置於氣體擴散層與質子交 換膜之間。質子交換膜材料選自全氟磺酸、聚苯乙稀磺酸、 聚三氟笨乙烯磺酸、酚醛樹脂磺酸或碳氫化合物。催化層 包含有催化劑材料（一般為貴金屬顆粒，如：銘、金或釕 等）及其載體（一般為碳顆粒，如：石墨、炭黑、碳纖維 201008011 •或奈米碳管）。氣體擴散層主要由碳纖維紙構成。 然而，先前技街中的燃料電池的膜電極存在以下不 足··第一，由於氣體擴散層主要由碳纖维紙構成，一方面， 該碳纖維紙中含有大量雜亂分佈的碳纖維，導致碳纖雉紙 ^孔隙結構分佈不均勻，^比表面積小，從而影響反應 氣體擴散的均勻性；另一方面，碳纖維紙電阻率大，制約 反應所必需的電子及反應生成的電子的傳輸，從而直接影 響膜電極較総性。第：，由於每㈣極包括—氣體擴 散層^一形成於氣體擴散層表面的催化層，一方面，該結 仟膜電極具有較大的厚度，且可增大膜電極氣體擴散 曰、催化層之間的接觸電阻，不利於電子傳導；另一方面， 層中的催化劑與反應氣體的接觸面積小，限制催化劑 的利用率。 似卜御；此提供種具有較高的反應活性’且可提高 =劑的利用率的膜電極及採用該膜電極的燃料電池實為 【發明内容】 種膜電極，其包括：一暂工^_认 -第二電極，所述第-電極4=膜，一第一電極及 交換膜的兩個相對的表面，別設置於該質子 極中的至少-個電極包括至少電極舆第二電 劑分佈於該奈米碳構包括奈米破管長線及催化 種燃料電池 其包括：—質子交換膜；-第 電極 201008011 弟電才圣，芦。4+、键 子交換膜的兩個相的表面極別设置於該質 板分別設置於第—Lt —第—㈣板及—第二導流 面；及一第一也> 電極及第二電極遠離質子交換膜的表 別與第一導流板3抽氣裝置及—第二供氣和抽氣裝置分 極盘第二電：中的二導流板相連通，其中’所述第-電 線複人社槿，少—個電極包括至少一個奈米碳管長 ❹1、口 ’且該奈米碳管長線複合結構包括奈米碳管長 參 線及催化劑分佈於該奈米碳管長線卜 ^長 …相較于先前技術’所述膜電極具有以下優點：第一， 極與第二電極中的至少一個電極採用奈米碳管 長線與摧化劑的趨人纟士描_ ,, 她… 可避免先前技術中擴散層 、1層之間的接觸電阻，有利於反應所必需的電子及 反應生成的電子的傳導。第二，奈米碳管長線具有極大的 比表面積，故，採用該奈米碳管長線可有效且均句的擔載 催化劑，使催化劑與氫燃料或氧化劑氣體具有較大的接觸 面積，可提高催化劑的利用率。第三’由於奈米碳管本身 的電阻率要低於碳纖維的電阻率，故，採用該奈米碳管長 線與催化劑的複合結構的電極的電阻率低，可有效的傳導 反應所必需的電子及反應生成的電子，有助於改善膜電極 的反應活性。 【實施方式】 以下將結合附圖對本技術方案作進一步的詳細說明。 請參閱圖1，本技術方案實施例提供一種膜電極2〇〇， 其包括：一質子交換膜202, 一第一電極204, 一第二電極 201008011 ‘ 2,所述第—電極綱肖第二電極咖分職置於該質子 父換膜2〇2的兩相對的表面。所述第-電極204與第二電 .電極包括至少一個奈米碳管長線複合 、、口 ^ '丁、只奴官長線複合結構包括奈米碳管長線及催 化劑分佈於該奈米碳f長線巾。 ㈣及催 所述奈米碳管長線包括複數個首尾相連且沿該 魯 抽向/長度方向擇優取向排列的奈米碳管。具：地， 该不米碳管長線中奈㈣管沿該奈米碳管長線轴向/長度 =向千灯排列或呈螺旋狀排列。該奈米碳管長線中夺米碳 ίΪίί本：同’且相鄰的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力 。所述奈米碳管包括單壁奈求碳管、雙壁奈米碳 官及多壁奈米碳管中的一種或多種。太*入 直，0.5奈米〜10奈米，雙壁奈米碳管的直徑; 直:r奈米，奈米。該奈 碳管的長度為〜_微；:本實施财，優選地，奈米 太所述奈米碳管長線可通過拉伸一奈米礙管陣列獲得一 :未碳管薄膜後，經機械外力收縮處理（有機溶劑ς發的 表面張力作用）；扭轉纺紗處理或捲曲而獲得 : 管長線的直徑為1微米〜i毫米， U厌 :求:得崔於將拉取的奈米碳管薄膜“成 作用），扭轉纺紗處理或捲曲可獲得奈米碳管長線與催= 9 201008011 的複合結構。請參閱圖2,催化劑均勻分佈于奈米碳管薄 膜的奈米碳管表面。故，該奈米碳管長線複合結構中，催 化劑均勻分佈于奈米碳管長線中的奈米碳管表面。 • 所述催化劑的材料不限’可為貴金屬顆粒，如：鉑、 金舒中的一種或其任意組合的混合物。該金屬顆粒的直 徑尺寸為1〜10奈米。所述貴金屬催化劑的擔載量低於 〇.5mg/cm2’且均勻分佈于奈米碳管長線的奈米碳管表面。 ©本實施例中，貴金屬催化劑為鉑。 所述奈米碳管長線複合結構通過自身的黏性、黏結劑 或熱壓的方法固定於質子交換臈2〇2的表面。當所述電極 包=複數個奈米碳管長線複合結構時，複數個奈米碳管長 線複合結構可平行排列或交又設置於質子交換膜逝的表 面且不米碳管長線複合結構之間可無間隙設置或間隔設 田複數個奈米碳管長線複合結構交又且間隔設置時， 所述奈米碳管長線複合結構之間形成複數個均句且規則分 φ佈的微孔，且該微孔孔徑小於1微米。 可乂理解’虽所述第一電極2〇4與第二電極遍中的 f少-個電極包括至少—個奈米碳管長線複合結構時另 -個電極的結構不限，可包括—擴散層及 二且該催化劑層設置於質子交換膜= ^卜所述擴散層可為-碳纖維紙或奈米碳管層。娜化 Γ ㈣料及其載體（―般為碳顆粒， 地，所：第厌碳纖維或奈米碳管)。本實施例中，優選 所述第-電極204與第二電極2〇6均包括複數個奈米 201008011 ’碳管長線複合結構H複數個奈㈣管聽複合 平行無間隙設置於質子交換獏202的兩個相對的表面。 —戶斤述質子交換膜观的材料為全貌續酸、聚苯乙稀續 酸、聚二氣苯乙稀石黃酸、_樹脂石黃酸或碳氣化合物。本 實施例中，質子交換臈202材料為全氟磺酸。 所述膜電極200具有以下優點：第一，所述第一電極 204與第二電極施均採用奈米碳管長線與催化劑的複合 結構’故，可避免先前技術中擴散層與催化劑層之間的接 觸電阻，有利於反應所必需的電子及反應生成的電子的傳 導。第二，奈米碳管長線具有極大的比表面積，故，採用 該奈米碳管長線可有效且均勻的擔載催化劑，使催化劑盘 氣燃料或氧化劑氣體具有較大的接觸面積，可提高催化劑 的利用率。第三，由於奈米碳管本身的電阻率要低於碳纖 維的電阻率，故，採用該奈米碳管長線與催化劑的複合结 構的電極的電阻率低，可有效的傳導反應所必需的電子及 ❹反應生成的電子’有助於改善膜電極的反應活性。第四， 所述第-電極204與第二電極2〇6均採用奈米碳管長線與 摧化劑的複合結構’該奈米碳管長線同時具有收集電流及 擔載催化劑及擴散氫燃料或氧化劑氣體的作用，結構簡 單，使用方便。 明參閱圖3，本技術方案實施例還進一步提供一燃料 電池20 ’其包括：—膜電極200, -第-導流板208a及-第一導流板208b，一第一集流板216a及一第二集流板 216b，及一第一供氣和抽氣裝置21〇&及一第二供氣和抽氣 11 201008011 ’裝置210b。 所述膜電極200的結構如前所述。即，所述第一電極 204與第二電極2〇6均包括複數個奈米碳管長線與貴金屬 催化劑顆粒的複合結構。且，該複數個奈米碳管長線複合 結構平行無間隙設置於質子交換膜202的兩個相對的表 面。 所述第一導流板208a及第二導流板208b分別設置於 ❹第一電極204與第二電極2〇6遠離質子交換膜2〇2的表 面。於第一導流板2〇8a及第二導流板208b的靠近質子交 換膜202的表面具有一條或多條導流槽212，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2〇8& 及第二導流板208b採用金屬或導電碳材料製作。 所述第一集流板216a及第二集流板216b採用導電材 料製作，分別設置於第一導流板2〇8a及第二導流板2〇肋 的遠離質子交換膜202的表面，用於收集及傳導反應產生 Φ的電子。可以理解，本實施例中，由於奈米碳管長線本身 具有良好的導電性，可用來收集電流，故，該第一集流板 216a及第二集流板216b為一可選擇結構。 所述第一供氣和抽氣裝置210a及第二供氣和抽氣裝 置21〇b包括鼓風機、管路、閥門等（圖中未標示）。鼓風機 通過管路分別與第一導流板208a及第二導流板2〇訃相 連，用來向燃料電池20提供燃料氣體及氧化劑氣體。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20中靠近氧化劑氣體輸入端的第二 12 201008011 電極206稱為陰極，靠近燃料氣體輸入端的第—電極2〇4 稱為陽極。 . 上述燃料電池2〇工作時，利用其供氣和抽氣裝置21〇 通過導流板208分別向膜電極200通入燃料氣體（氫氣） 及氧化劑氣體（純氧氣或含氧的空氣）。其中，氫氣==導 流槽212到達陽極。於催化劑的作用下，氫氣發生如下反 應·· H2—2H++2e。反應生成的質子穿過質子交換膜2〇2到 ⑩達陰極，反應生成的電子則通過外電路到達陰極。 於燃料電池20另一端，氧氣進入陰極，同時，電子則 通過外電路到達陰極。於催化劑的作用下，氧氣與質子及 電子發生如下反應：1/2〇2+2H++2e—4〇。反應^成的水 則通過第二電極206及導流板208排出燃料電池2〇。於此 過程中，第一電極204與第二電極206之間會形成一定的 電勢差，當外電路接入一負載214時，將會形成電流。 綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法 ❿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内。 ^ 【圖式簡單說明】 圖1為本技術方案實施例的膜電極的結構示意圖。 圖2為本技術方案實施例提供的表面蒸鍍有鉑層後的 奈米碳管薄膜的局部掃描電鏡照片。 圖3為本技術方案實施例的燃料電池的結構示意圖。 13 20 201008011 ’【主要元件符號說明】 燃料電池 _膜電極 質子交換膜 第一電極 第二電極 第一導流板 第二導流板 ®第一供氣和抽氣裝置 第二供氣和抽氣裝置 導流槽 負載 第一集流板 笫二集流板 200 202 204 206 208a 208b 210a 210b 212 214 216a 216b

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Claims (1)

1. 201008011 申請專利範園 一種膜電極，其包括：-質子交換膜 第二電極，所述第一電極帛電極及 •交換膜的兩個相對的表面別設置於該質子 與第二電極中的至少—個電;二於 ==該奈米碳管長線複合結構包括綱管 長線及催化劑分佈於該奈米碳管長線中。 參2·=申請專利範㈣1項所述的膜電極，其中，所述第一 長極中的至少一個電極包括複數個奈米碳管 =線複“。構平行排列或交又設置於該質子交換膜的表 第1項所述的膜電極，其中，所述奈米 厌5長線複合結構的直經為1微米〜i毫米。 ❹ US利；圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米 :二合結構包括複數個首尾相連的奈米碳管擇優 5 =2利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米 :吕沿不米碳管長線複合結構的軸向平行 6.如申請專利範圍第4項所述的膜 =沿奈米碳管長線複合結構的軸向螺旋排列/'丁… 所述的臈電極，其中，所述奈米 力緊=“構中相鄰的奈米碳管之間通過凡德瓦爾 8.如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米 15 201008011 碳管的長度為200〜9〇〇微 9.如申請專利範圍第 到、於50奈米。 劑均勾分佈於該奈米碳管電極’其中’所述㈣ 瓜如申請專利範圍第i項所;？的奈米碳管表面' 劑為貴金屬顆粒。 相膜電極，其卜所述催化 11. 如申請專利範圍第1() 金屬材料為銘、金或釕中的= 的膜電極’其中，所述貝 12. 如申請專利範圍第i 或其任意組合的滿合物。 電極與第二電極均包括至=膜電極，其中，所述第一 構’且該奈米碳管長線複合V包奈括 金屬顆粒催化劑均勻分佈於該奈米碳長線、 金屬二 =:第12項所述的臈電極，其中，所述責 :-種釕中的—種或其任意組合的混合物。 -第電:= 包括質子交換膜;-第-電極及 ❹ + 電極與第二電極分別設置於該質 個相對的表面；-第-導流板及-第二導 表面1極及第二電極遠離f子交換膜的 i:別r/:供:氣和抽氣裝置及-第二供氣和減 於，所述第-電極與第i—JVl 通’其改良在 少-個夺中的至少—個電極包括至 -構tit 結構，且該奈米碳管長線複合 ;構包括奈米碳管長線及催化劑分佈於該奈米碳管長線 15.如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所述奈 16 201008011 複合結構包括複數個首尾相 :申勻分佈於該奈米碳表面。 :化:;貴:r 17主如申請專利範圍第16項所述的燃料電池，其中，所述 二金屬材料為翻、金或財的-種或其任意組合的混合 ❹ 队如_請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所 一電極與第二電極均包括至少__ 個奈未奴官長線複合結 麗“不米碳管長線複合結構包括奈米碳管長線及貴 屬顆粒催化劑均勻分佈於該奈米碳管長線中。 19.如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所 Ζ導流板及第二導流板的#近質子交換膜的表面 條或多條導流槽。 ❹ 匕栝一第一集流板及一第二集流板分別設置於第一導流 板及第二導流板的遠離質子交換膜的表面。 A 17