燃料电池膜电极制造技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池膜电极，其包括：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电极，所述每个电极均包括一催化层，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种燃料电池膜电极。
技术介绍
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、以及质子交換膜燃料电池等(请參见，Recentadvances m fuel ceil technology and its application, journal oi Power Sources,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。膜电极是质子交換膜燃料电池的核心部件，膜电极通常由ー质子交換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換膜之间。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換膜方向传递，而电子则由催化剂载体构建的导电网络导向气体扩散层。如果有ー个通道不通畅，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、印刷等各种エ艺手段将催化剂浆料制备到气体扩散层或质子交換膜的表面，通过该方法形成的催化剂层是ー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。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供ー种具有较高催化剂利用率的膜电极。ー种燃料电池膜电极，其包括ー质子交換膜和分别设置在该质子交換膜相対的两个表面的电极，所述每个电极均包括一催化层，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換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換膜相接触。相较于现有技术，本专利技术提供的燃料电池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，使得该燃料电池膜电极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換膜接触，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換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，提高了该燃料电池的利用率。附图说明图I为本专利技术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2为本专利技术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3为本专利技术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4为本专利技术实施例提供的燃料电池膜电极的制备エ艺流程图。图5为本专利技术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膜电极 10 质子交換膜 12 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如下具体实施方式将结合上述附图进ー步说明本专利技术。具体实施例方式以下将结合附图对本专利技术实施例提供的燃料电池膜电极进一歩的详细说明。请參阅图I至图3，本实施例提供ー种燃料电池膜电极10，其包括ー质子交換膜12及两个电极14。所述两个电极14分别设置在该质子交换膜12相对的两表面。所述两个电极14均包括一催化层16。所述催化层16设置于所述质子交換膜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換膜12相连以使填充于该管状载体162内的质子导体166与所述质子交換膜12相接触。在该燃料电池膜电极10中，所述两个电极14分别充当阴极和阳极。所述质子交換膜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換膜12在所述两个电极14之间传输，同时也可阻隔所述两个电极14，避免该两个电极14直接接触。该质子交換膜12可以由含磺酸基团的质子交換树脂构成。该质子交换树脂可为全氟磺酸树脂或是具有质子交換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、和磺化聚苯こ烯-聚こ烯共聚物树脂中的ー种或几种。所述质子交換膜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，该质子交換膜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換膜12相连以使填充于该管状载体162中的质子导体166与该质子交換膜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。请參阅图1，该图I在膜电极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。请參阅图2，该图2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，请參阅图3，该多个管状载体162为直线形且基本垂直于所述质子交換膜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，単位体积的催化层16中负载的催化剂颗粒164量较多，且填充于管状载体162本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池膜电极，其包括：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电极，所述每个电极均包括一催化层，其特征在于，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志祥，王诚，毛宗强，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：