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TWI382581B - 膜電極及採用該膜電極的燃料電池 - Google Patents

膜電極及採用該膜電極的燃料電池 Download PDF

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TWI382581B
TWI382581B TW097130298A TW97130298A TWI382581B TW I382581 B TWI382581 B TW I382581B TW 097130298 A TW097130298 A TW 097130298A TW 97130298 A TW97130298 A TW 97130298A TW I382581 B TWI382581 B TW I382581B
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Kai-Li Jiang
Shou-Shan Fan
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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。
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、聚苯乙烯磺酸、聚三氟苯乙烯磺酸、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：鉑、金或釕等)及其載體(一般為碳顆粒 ，如：石墨、炭黑、碳纖維或奈米碳管)。氣體擴散層主要由碳纖維紙構成。
然而，先前技術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維紙構成，一方面，該碳纖維紙中含有大量雜亂分佈的碳纖維，導致碳纖維紙中孔隙結構分佈不均勻，而且比表面積小，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的反應活性。第二，由於每個電極包括一氣體擴散層及一形成於氣體擴散層表面的催化層，一方面，該結構使得膜電極具有較大的厚度，且可增大膜電極氣體擴散層與催化層之間的接觸電阻，不利於電子傳導；另一方面，催化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。
有鑒於此，提供一種具有較高的反應活性，且可提高催化劑的利用率的膜電極及採用該膜電極的燃料電池實為必要。
一種膜電極，其包括：一質子交換膜，一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜的兩個相對的表面，其中，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管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管長線中。
一種燃料電池，其包括：一質子交換膜；一第一電極及 一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜的兩個相對的表面；一第一導流板及一第二導流板分別設置於第一電極及第二電極遠離質子交換膜的表面；及一第一供氣和抽氣裝置及一第二供氣和抽氣裝置分別與第一導流板及第二導流板相連通，其中，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管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管長線中。
相較於先前技術，所述膜電極具有以下優點：第一，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極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。
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200，其包括：一質子交換膜202，一第一電極204，一第二電極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的兩相對的表面。所述第一電極204與第二電極206中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管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管長線中。
所述奈米碳管長線包括複數個首尾相連且沿該奈米碳管長線軸向/長度方向擇優取向排列的奈米碳管。具體地，該奈米碳管長線中奈米碳管沿該奈米碳管長線軸向/長度方向平行排列或呈螺旋狀排列。該奈米碳管長線中奈米碳管長度基本相同，且相鄰的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。所述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。該奈米碳管的長度大於100微米。本實施例中，優選地，奈米碳管的長度為200~900微米。
所述奈米碳管長線可通過拉伸一奈米碳管陣列獲得一奈米碳管薄膜後，經機械外力收縮處理(有機溶劑揮發的表面張力作用)；扭轉紡紗處理或捲曲而獲得。所述奈米碳管長線的直徑為1微米~1毫米，其長度不限，可根據實際需求製得。於將拉取的奈米碳管薄膜製備成奈米碳管長線前，先將催化劑通過物理或化學方法沈積到奈米碳管薄膜表面，再經機械外力收縮處理(有機溶劑揮發的表面張力作用)；扭轉紡紗處理或捲曲可獲得奈米碳管長線與催化劑的複合結構。請參閱圖2，催化劑均勻分佈於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，催化劑均勻分佈於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、釕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0.5mg/cm2，且均勻分佈於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膜202的表面。當所述電極包括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叉設置於質子交換膜202的表面，且奈米碳管長線複合結構之間可無間隙設置或間隔設置。當複數個奈米碳管長線複合結構交叉且間隔設置時，所述奈米碳管長線複合結構之間形成複數個均勻且規則分佈的微孔，且該微孔孔徑小於1微米。
可以理解，當所述第一電極204與第二電極206中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構時，另一個電極的結構不限，可包括一擴散層及一催化劑層設置於該擴散層上，且該催化劑層設置於質子交換膜與擴散層之間。所述擴散層可為一碳纖維紙或奈米碳管層。該催化劑層包含有貴金屬催化劑材料及其載體(一般為碳顆粒，如：石墨、炭黑、碳纖維或奈米碳管)。本實施例中，優選地，所述第一電極204與第二電極206均包括複數個奈米碳管長線複合結構。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。
所述質子交換膜202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。本實施例中，質子交換膜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206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。第四，所述第一電極204與第二電極206均採用奈米碳管長線與催化劑的複合結構，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。
請參閱圖3，本技術方案實施例還進一步提供一燃料電池20，其包括：一膜電極200，一第一導流板208a及一第二導流板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210a及一第二供氣和抽氣裝置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206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分別設置於第一電極204與第二電極206遠離質子交換膜202的表面。於第一導流板208a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208a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208a及第二導流板208b的遠離質子交換膜202的表面，用於收集及傳導反應產生的電子。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210b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208b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電極206稱為陰極，靠近燃料氣體輸入端的第一電極204稱為陽極。
上述燃料電池20工作時，利用其供氣和抽氣裝置210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，氫氣通過導流槽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202到達陰極，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：1/2O2+2H++2e→H2O。反應生成的水則通過第二電極206及導流板208排出燃料電池20。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。
20‧‧‧燃料電池
200‧‧‧膜電極
202‧‧‧質子交換膜
204‧‧‧第一電極
206‧‧‧第二電極
208a‧‧‧第一導流板
208b‧‧‧第二導流板
210a‧‧‧第一供氣和抽氣裝置
210b‧‧‧第二供氣和抽氣裝置
212‧‧‧導流槽
214‧‧‧負載
216a‧‧‧第一集流板
216b‧‧‧第二集流板
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。
200‧‧‧膜電極
202‧‧‧質子交換膜
204‧‧‧第一電極
206‧‧‧第二電極

Claims (20)

  1. 一種膜電極，其包括：一質子交換膜，一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜的兩個相對的表面，其改良在於，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管長線複合結構包括一由複數個奈米碳管組成的奈米碳管長線及催化劑分佈於該奈米碳管長線中的該複數個奈米碳管表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極包括複數個奈米碳管長線複合結構平行排列或交叉設置於該質子交換膜的表面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管長線複合結構的直徑為1微米~1毫米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管首尾相連且擇優取向排列。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管沿奈米碳管長線複合結構的軸向平行排列。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管沿奈米碳管長線複合結構的軸向螺旋排列。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，相鄰的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述奈米碳管的長度為200~900微米，直徑小於50奈米。
  9. 如申請專利範圍第4項所述的膜電極，其中，所述催化劑均勻分佈於該奈米碳管長線中的奈米碳管表面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述催化劑為貴金屬顆粒。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的膜電極，其中，所述貴金屬材料為鉑、金或釕中的一種或其任意組合的混合物。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的膜電極，其中，所述第一電極與第二電極均包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管長線複合結構包括一由複數個奈米碳管組成的奈米碳管長線及貴金屬顆粒催化劑均勻分佈於該奈米碳管長線中的該複數個奈米碳管表面。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的膜電極，其中，所述貴金屬材料為鉑、金或釕中的一種或其任意組合的混合物。
  14. 一種燃料電池，其包括：一質子交換膜；一第一電極及一第二電極，所述第一電極與第二電極分別設置於該質子交換膜的兩個相對的表面；一第一導流板及一第二導流板分別設置於第一電極及第二電極遠離質子交換膜的表面；及一第一供氣和抽氣裝置及一第二供氣和抽氣裝置分別與第一導流板及第二導流板相連通，其改良在於，所述第一電極與第二電極中的至少一個電極包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管長線複合結構包括一由複數個奈米碳管組成的奈米碳管長線及催化劑分佈於該奈米碳管長線中的該複數個奈米碳管表面。
  15. 如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所述奈米碳管首尾相連且擇優取向排列，所述催化劑均勻分佈於該奈米碳表面。
  16. 如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所述催化劑為貴金屬顆粒。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的燃料電池，其中，所述貴金屬材料為鉑、金或釕中的一種或其任意組合的混合物。
  18. 如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所述第一電極與第二電極均包括至少一個奈米碳管長線複合結構，且該奈米碳管長線複合結構包括一由複數個奈米碳管組成的奈米碳管長線及貴金屬顆粒催化劑均勻分佈於該奈米碳管長線中的該複數個奈米碳管表面。
  19. 如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，所述第一導流板及第二導流板的靠近質子交換膜的表面具有一條或多條導流槽。
  20. 如申請專利範圍第14項述的燃料電池，其中，進一步包括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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI425696B (zh) * 2010-05-07 2014-02-01 Chun-Chieh Chang 高耐久性鋰離子電池
CN108987647B (zh) * 2017-06-05 2020-07-10 清华大学 锂硫电池隔膜的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020049134A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-25 Minehisa Imazato Process for producing gas diffusion electrode and electrochemical device
US20060116284A1 (en) * 2004-11-04 2006-06-01 Pak Chan-Ho Mesoporous carbon composite containing carbon nanotube

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020049134A1 (en) * 2000-09-29 2002-04-25 Minehisa Imazato Process for producing gas diffusion electrode and electrochemical device
US20060116284A1 (en) * 2004-11-04 2006-06-01 Pak Chan-Ho Mesoporous carbon composite containing carbon nanotube

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