膜电极及采用该膜电极的燃料电池

摘要

一种膜电极，其包括：一质子交换膜；一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括碳纳米管。

权利要求

1.一种膜电极，其包括：

一质子交换膜；

一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其特征在于，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括一碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于碳纳米管结构中的填充材料，该填充材料包括金属、陶瓷以及玻璃中的一种或多种，且该碳纳米管复合结构具有多个微孔。

2.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一扩散层与第二扩散层均包括该碳纳米管复合结构。

3.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述填充材料为金属。

4.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述填充材料为陶瓷。

5.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。

6.如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多个均匀分布的碳纳米管，该多个碳纳米管有序排列或无序排列。

7.如权利要求6所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管膜中的多个碳纳米管首尾相连且沿同一方向择优取向排列。

8.如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少两个重叠设置的碳纳米管膜，相邻两个碳纳米管膜之间通过范德华力紧密连接。

9.如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括一个碳纳米管线状结构折叠或缠绕成层状结构。

10.如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管线状结构相互平行设置，交叉设置或编织成网状结构。

11.如权利要求5所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括至少一非扭转的碳纳米管线、至少一扭转的碳纳米管线或其组合。

12.如权利要求11所述的膜电极，其特征在于，所述非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管沿该非扭转的碳纳米管线长度方向平行排列，所述扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管沿该扭转的碳纳米管线长度方向呈螺旋状排列。

13.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的微孔，该微孔孔径为1纳米～0.5微米。

14.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述填充材料为玻璃。

15.如权利要求1所述的膜电极，其特征在于，所述第一催化剂设置于第一扩散层与质子交换膜之间，第二催化剂设置于第二扩散层与质子交换膜之间。

16.一种膜电极，其包括：

一质子交换膜；

一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其特征在于，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括一碳纳米管复合结构，且该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以定义多个微孔以及分散于该碳纳米管结构中的金属填充材料。

17.一种燃料电池，其包括：

一膜电极以及一第一导流板和一第二导流板，所述膜电极设置于第一导流板与第二导流板之间；

所述膜电极包括一质子交换膜，以及两个电极，所述质子交换膜设置于两个电极之间，所述电极包括一扩散层和一催化剂，其特征在于，所述扩散层中的至少一个包括碳纳米管，且所述催化剂分散于碳纳米管表面从而形成一碳纳米管复合结构。

说明书

膜电极及采用该膜电极的燃料电池

技术领域

[0001] 本发明涉及一种膜电极及采用该膜电极的燃料电池，尤其涉及一种基于碳纳米管的膜电极及采用该膜电极的燃料电池。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。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膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，导流板(Flow Field Plate，简称FFP)，集流板(Current Collector Plate，简称CCP)以及相关的辅助部件，如：鼓风机、阀门、管路等。

[0004] 请参阅图1，为2007年3月21日公告的，公告号为CN1306638C的中国大陆专利(申请人：松下电器产业株式会社；发明人：吉田昭彦等)揭示的一种膜电极结合体10。在该膜电极结合体10中，在一选择性输送氢离子的高分子电解质膜11的两相对的表面形成含有使碳粉末担载电极催化剂(例如铂系的金属催化剂)而得到的催化体、和具有氢离子传导性的高分子电解质的催化层12。在催化层12的外面形成扩散层13。所述扩散层13采用导电碳纤维布或毡制作。通过组合该催化层12和扩散层13，构成电极(阳极或阴极)14。

[0005] 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(如氢气)及氧化剂气体(如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。以氢气与氧气为例，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扩散层以及导流板排出。由此可见，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扩散层扩散到达催化剂层。另一方面，反应所必需的电子和反应生成的电子通过扩散层与外电路连接传导。

[0006] 然而，上述的膜电极的扩散层中主要使用碳纤维布或毡，具有以下不足：第一，传统的碳纤维布或毡中，碳纤维分布不均匀，导致碳纤维布或毡中孔隙结构不够合理，而且比表面积小。该结构缺点制约了扩散层均匀扩散反应气体的功能。第二，传统的碳纤维布或毡电阻率大，制约了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膜电极的反应活性等电化学性能。第三，碳纤维布或毡纸柔韧性差，不利于加工。

发明内容

[0007] 有鉴于此，确有必要提供一种具有更好反应活性的，且易于加工的膜电极及采用该膜电极的燃料电池。

[0008] 一种膜电极，其包括：一质子交换膜；一第一电极，该第一电极包括一第一扩散层和一第一催化剂；以及一第二电极，该第二电极包括一第二扩散层和一第二催化剂，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一扩散层与第二扩散层中的至少一个包括碳纳米管。

[0009] 一种膜电极，其包括：一质子交换膜；一第一电极；以及一第二电极，所述第一电极与第二电极分别设置在该质子交换膜相对的两表面，其中，所述第一电极与第二电极中的至少一个包括一碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于该碳纳米管结构中的催化剂。

[0010] 一种燃料电池，其包括：一膜电极以及一第一导流板和一第二导流板，所述膜电极设置于第一导流板与第二导流板之间；所述膜电极包括一质子交换膜，以及两个电极，所述质子交换膜设置于两个电极之间，所述电极包括一扩散层和一催化剂，其中，所述两个电极中的至少一个包括碳纳米管。

[0011] 相较于现有技术，所述的膜电极及采用该膜电极的燃料电池具有以下优点：第一，该碳纳米管均匀分布，碳纳米管之间形成多个均匀且规则分布的微孔结构。这种结构可以有效且均匀的扩散燃料气体和氧化剂气体。第二，由于碳纳米管本身的电阻率要低于碳纤维的电阻率，所以该扩散层电阻率低，可以有效的传导反应所必需的电子和反应生成的电子。所以，该燃料电池扩散层可改善膜电极的反应活性。第三，该碳纳米管柔韧性好，易于加工。

附图说明

[0012] 图1为现有技术的膜电极的结构示意图。

[0013] 图2为本发明第一实施例提供的膜电极的结构示意图。

[0014] 图3为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

[0015] 图4为图3中的碳纳米管片段的结构示意图。

[0016] 图5为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

[0017] 图6为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

[0018] 图7为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管碾压膜的扫描电镜照片。

[0019] 图8为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的碳纳米管絮化膜的扫描电镜照片。

[0020] 图9为本发明第一实施例提供的作为膜电极的扩散层的沉积有铂催化剂的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

[0021] 图10为本发明第二实施例提供的膜电极的结构示意图。

[0022] 图11为本发明第三实施例提供的膜电极的结构示意图。

[0023] 图12为本发明第四实施例的燃料电池的结构示意图。

[0024] 具体实施方式

[0025] 以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

[0026] 请参阅图2，本发明第一实施例提供一种膜电极100，其包括：一质子交换膜102、一第一电极104以及一第二电极106。所述第一电极104与第二电极106分别设置在该质子交换膜102相对的两表面。其中第一电极104包括一第一扩散层104a和第一催化剂层104b，第二电极106包括一第二扩散层106a和第二催化剂层106b。所述催化剂层设置于扩散层的至少一表面，本实施例中，催化剂层位于质子交换膜102与扩散层之间。

[0027] 所述第一扩散层104a与第二扩散层106a中的至少一个包括一碳纳米管结构。本实施例中，第一扩散层104a包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管结构中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管结构中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管的长度大于50微米。本实施例中，该碳纳米管的长度优选为200～900微米。当碳纳米管结构包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。

[0028] 具体地，所述碳纳米管结构包括至少一层碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。当碳纳米管结构仅包括一个碳纳米管线状结构时，该碳纳米管线状结构多次折叠或缠绕成一层状碳纳米管结构。当碳纳米管结构包括多个碳纳米管线状结构时，多个碳纳米管线状结构可以相互平行设置，交叉设置或编织设置。当碳纳米管结构同时包括碳纳米管膜和碳纳米管线状结构时，所述碳纳米管线状结构设置于碳纳米管膜的至少一表面。所述碳纳米管膜包括多个均匀分布的碳纳米管，具体地，该多个均匀分布的碳纳米管有序排列或无序排列，碳纳米管之间通过范德华力连接。该碳纳米管膜为碳纳米管絮化膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管拉膜。

[0029] 所述碳纳米管拉膜的厚度为0.01～100微米。所述碳纳米管拉膜通过拉取一碳纳米管阵列直接获得。可以理解，通过将多个碳纳米管拉膜平行且无间隙铺设或/和重叠铺设，可以制备不同面积与厚度的碳纳米管结构。每一碳纳米管拉膜包括多个择优取向排列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华力首尾相连。请参阅图3及图4，具体地，每一碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的宽度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向排列。可以理解，在由多个碳纳米管拉膜组成的碳纳米管结构中，相邻两个碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排列方向有一夹角α，且0°≤α≤90°，从而使相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管相互交叉组成一网状结构，该网状结构包括多个微孔，该多个微孔均匀且规则分布于碳纳米管结构中，其中微孔直径为1纳米～0.5微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米管拉膜结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管薄膜结构及其制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

[0030] 所述碳纳米管线状结构包括至少一非扭转的碳纳米管线、至少一扭转的碳纳米管线或其组合。所述碳纳米管线状结构包括多根非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线时，该非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线可以相互平行呈一束状结构，或相互扭转呈一绞线结构。

[0031] 请参阅图5，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

[0032] 所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国大陆公告专利(一种碳纳米管绳及其制造方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)，以及于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开的第CN1982209A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管丝及其制作方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

[0033] 所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图6，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

[0034] 所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管各向同性，沿同一方向或不同方向择优取向排列。请参阅图7，本实施例中，碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿不同方向择优取向排列。优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于碳纳米管碾压膜的表面。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互交叠，且通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管碾压膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构，可无需基底支撑，自支撑存在。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的基底的表面形成一夹角α，其中，α大于等于0度且小于等于15度(0≤α≤15°)，该夹角α与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小。所述碳纳米管碾压膜的长度和宽度不限。所述碾压膜包括多个微孔结构，该微孔结构均匀且规则分布于碳纳米管碾压膜中，其中微孔直径为1纳米～0.5微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米管碾压膜及其制备方法请参见范守善等人于2007年6月1日申请的第200710074027.5号中国大陆专利申请(碳纳米管薄膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

[0035] 所述碳纳米管絮化膜的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择。本发明提供的碳纳米管絮化膜的长度为1～10厘米，宽度为1～10厘米，厚度为1微米～2毫米。请参阅图8，所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕的碳纳米管，CNT长度大于10微米。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜各向同性，其中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的微孔结构，微孔孔径为1纳米～0.5微米。该微孔结构可以用于扩散气体。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法请参见范守善等人于2007年4月13日申请的第200710074699.6号中国大陆专利申请(碳纳米管薄膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。

[0036] 所述催化剂层104b，106b包括催化剂及碳颗粒载体。所述催化剂包括贵金属颗粒。所述贵金属颗粒为铂、金及钌中的一种或几种的混合物，优选地为铂。所述碳颗粒为石墨颗粒、炭黑颗粒、碳纤维及碳纳米管中的一种或几种的混合物，优选为碳纳米管。本实施例中，贵金属颗粒分散于碳颗粒中，形成催化剂层104b，106b，且作为催化剂的贵金属颗粒2
担载量低于0.5mg/cm。

[0037] 本实施例中，所述包括碳纳米管结构的第一电极104的制备方法为：首先，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。其次，将上述催化剂浆料涂覆在碳纳米管结构的一表面，并干燥形成第一电极104。

[0038] 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。

[0039] 当所述第一扩散层104a包括一碳纳米管结构时，第二扩散层106a可以采用碳纤维纸。本实施例中，优选地，所述第一扩散层104a与第二扩散层106a均包括一碳纳米管结构，且该碳纳米管结构包括多个交叉设置的碳纳米管线状结构。

[0040] 请参阅图9，本发明第二实施例提供一种膜电极200，其包括：一质子交换膜202、一第一电极204以及一第二电极206。所述第一电极204与第二电极206分别设置在该质子交换膜202相对的两表面。所述膜电极200与本发明第一实施例提供的膜电极100结构基本相同。其区别在于，所述第一电极204包括一第一扩散层204a以及分散于该第一扩散层204a中的第一催化剂204b，第二电极206包括一第二扩散层206a以及分散于该第二扩散层206a中的第二催化剂206b。

[0041] 所述第一扩散层204a与第二扩散层206a的结构与本发明第一实施例提供的扩散层的结构相同。优选地，所述第一扩散层204a与第二扩散层206a中的至少一个包括一碳纳米管结构。所述催化剂分散于碳纳米管结构中的碳纳米管表面，并与碳纳米管结构形成一复合结构。本实施例中，第一扩散层204a包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构为多个重叠且交叉设置的碳纳米管拉膜。所述第一催化剂204b为贵金属颗粒。该贵金属颗粒均匀分布于该碳纳米管拉膜中的碳纳米管表面，与碳纳米管拉膜形成一复合结构。

[0042] 本实施例中，所述第一电极204通过以下方法制备：首先，制备至少一碳纳米管拉膜。其次，在每个碳纳米管拉膜表面形成一催化剂层。本实施例中，通过物理或化学方法于碳纳米管拉膜表面沉积一层铂催化剂。请参阅图10，铂催化剂均匀分布于碳纳米管拉膜的碳纳米管表面。最后，将多个形成有催化剂层的碳纳米管拉膜叠加得到一碳纳米管复合结构作为第一电极204。

[0043] 可以理解，当所述第一电极204为一碳纳米管复合结构时，第二电极206可以采用本发明第一实施例提供的电极结构或与第一电极204相同的结构。本实施例中，所述第一电极204与第二电极206均采用碳纳米管复合结构。

[0044] 请参阅图11，本发明第三实施例提供一种膜电极300，其包括：一质子交换膜302、一第一电极304以及一第二电极306。所述第一电极304与第二电极306分别设置在该质子交换膜302相对的两表面。该第一电极304包括一扩散层310和一催化剂层308。所述催化剂层308设置于扩散层310的至少一表面，本实施例中，催化剂层308位于质子交换膜302与扩散层310之间。

[0045] 所述扩散层310包括一碳纳米管复合结构。所述碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及分散于碳纳米管结构中的填充材料。所述填充材料均匀分散于碳纳米管结构中。所述填充材料包括金属、陶瓷、玻璃以及纤维中的一种或多种。可以理解，当碳纳米管结构中分散有金属时，可以增强该碳纳米管结构的导电性。当碳纳米管结构中分散有填充材料时，需确保碳纳米管结构的微孔不被堵塞，以便扩散燃料或氧化剂。可选择地，所述碳纳米管复合结构包括一碳纤维布或毡以及分散于该碳纤维布或毡中的碳纳米管。将该碳纤维布或毡中添加碳纳米管，可以提高其导电性与柔韧性，并增加碳纤维布或毡中小尺寸孔隙的数量，从而提高碳纤维布或毡的扩散均匀性。所述碳纤维布或毡中碳纳米管的添加量不限。优选地，所述碳纤维布或毡中碳纳米管的添加量为1～15％。

[0046] 所述第二电极306的结构可以为本发明第一实施例或第二实施例提供的电极结构。本实施例中，所述第二电极306为本发明第一实施例提供的电极结构。

[0047] 本发明第四实施例提供一种燃料电池，其包括：一膜电极以及一第一导流板和一第二导流板，所述膜电极设置于第一导流板与第二导流板之间；所述膜电极包括一质子交换膜，以及两个电极，所述质子交换膜设置于两个电极之间，所述电极包括一扩散层和一催化剂。所述扩散层中的至少一个包括一碳纳米管结构。

[0048] 请参阅图12，具体地，本实施例提供一种燃料电池1，其包括：一膜电极100，一第一导流板108a和一第二导流板108b，一第一集流板110a和一第二集流板110b，以及相关的第一辅助部件112a和第二辅助部件112b。其中，膜电极100包括：一质子交换膜102、一第一电极104以及一第二电极106。所述第一电极104与第二电极106分别设置在该质子交换膜102相对的两表面。其中第一电极104包括一第一扩散层104a和第一催化剂层104b，第二电极106包括一第二扩散层106a和第二催化剂层106b。所述催化剂层位于质子交换膜102与扩散层之间。可以理解，所述膜电极还可以为本发明第二实施例提供的膜电极200或第三实施例提供的膜电极300。

[0049] 所述第一导流板108a和第二导流板108b分别设置在第一电极104和第二电极106远离质子交换膜102的表面，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108a和第二导流板108b采用金属或导电碳材料制作，在第一导流板108a和第二导流板108b的一表面具有一条或多条导流槽114。该导流槽114与扩散层接触，用于导引燃料气体、氧化剂气体和反应产物水。

[0050] 所述第一集流板110a和第二集流板110b分别设置于第一导流板108a和第二导流板108b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。所述第一集流板110a和第二集流板110b均采用导电材料制作。由于所述膜电极100的扩散层包括一碳纳米管结构，碳纳米管结构具有良好的导电性，所以该第一集流板110a和第二集流板110b为一可选结构。

[0051] 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、酚醛树脂磺酸或碳氢化合物。质子交换膜102用来传导质子，分割燃料气体和氧化剂气体。

[0052] 所述第一辅助部件112a和第二辅助部件112b均包括鼓风机、管路、阀门等(图中未标示)。鼓风机通过管路与导流板相连，用来向燃料电池1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1中靠近氧化剂气体输入端的第一电极104称为阴极，靠近燃料气体输入端的第二电极106称为阳极。由于气体可以直接向该燃料电池1扩散，所以该第一辅助部件112a和第二辅助部件
112b为可选结构。

[0053] 上述燃料电池1工作时，利用其辅助部件通过导流板108a，108b分别向膜电极100中质子交换膜102两表面的第二电极106通入一燃料气体(氢气)，向第一电极104通入一氧化剂气体(纯氧气或含氧的空气)。其中，氢气通过导流槽114到达阳极，氧化剂气体通过导流槽114到达阴极。氢气进入阳极后，通过第二扩散层106a与第二催化剂层106b接触。由于本发明实施例中采用碳纳米管结构作为扩散层，碳纳米管结构中包括大量的均匀分布的微孔结构。这种结构可以有效且均匀的扩散氢气，使氢气与第二催化剂层106b中的贵金属颗粒均匀接触，可以有效的利用第二催化剂层106b中的贵金属颗粒对氢气进行催+化反应。在催化剂材料作用下，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102到达阴极。反应生成的电子则进入外电路。

[0054] 在燃料电池1第一电极104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。由于本发明实施例中采用的碳纳米管结构中含有大量的均匀分布的微孔结构，因此使得氧气均匀扩散，在催化剂作用下与氢离子以及电子反应，提高了反应活性。另一方面，碳纳米管结构优良的导电性使得反应所必需的电子和反应生成的电子通过第二扩散层106a迅速传导。而反应生成的水则通过第一扩散层104a以及第一导流板108a排出。在此过程中，在第一电极104与第一电极106之间会形成一定的电势差，当外电路接入一负载120时，将会形成电流。

[0055] 所述的膜电极中，扩散层包括一碳纳米管结构，具有以下优点：第一，该碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管结构中的碳纳米管有序排列或无序排列，使得碳纳米管结构中形成大量的均匀且规则分布的微孔结构。这种结构可以有效且均匀的扩散燃料气体和氧化剂气体。第二，由于碳纳米管本身的电阻率要低于碳纤维的电阻率，所以该碳纳米管结构电阻率低，可以有效的传导反应所必需的电子和反应生成的电子。所以，该燃料电池扩散层可改善膜电极的反应活性。第三，由于碳纳米管阵列中碳纳米管生长均匀，因而所制备的碳纳米管薄膜中的碳纳米管分散均匀，使得该碳纳米管薄膜结构具有较好的机械强度和韧性，易于加工。第四，当采用碳纳米管复合结构制备膜电极的电极时，还可以避免催化层与扩散层之间的接触电阻，进一步提高膜电极的反应活性。

[0056] 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。