[发明专利]一种膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种膜电极及其制备方法，该膜电极，包括：依次分布的第一气体扩散层、第一催化层、质子交换膜、第二催化层、第二气体扩散层；沿所述质子交换膜延展方向，至少一个所述催化层划分为至少一个第一催化区和至少一个第二催化区，且所述第一催化区的催化程度和所述第二催化区的催化程度不同，可以较低的成本实现催化层的水气传输性能的改善，从而提高燃料电池性能，而且工艺简单。

技术领域

本发明涉及一种膜电极，特别涉及一种用于燃料电池的膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将氢气和空气中氧气的化学能通过电化学反应转化为电能和热能的一次电池。燃料电池电堆主要由膜电极和双极板组成。其中，膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是质子交换膜燃料电池的心脏，其性能好坏将直接影响质子交换膜燃料电池电堆的性能好坏。

膜电极是由质子交换膜、催化层以及气体扩散层组成。催化层是电极反应的场所，同时也是质子、电子、水的传输通道。催化层的结构与催化剂浆料组成、催化层的制备工艺等因素有关。其中模电级结构CCM(catalyst coated membrane)由阴/阳两层催化层和夹在中间的质子交换膜组成，更是膜电极的核心结构。

目前主流的燃料电池的阴阳催化层由均一稳定的催化剂浆料和工艺制备得到。而主要通过燃料电池双极板的流场设计，来解决气相和液相在电池中的传质、传热等过程中出现的各种问题，改善催化层的反应效率和电极反应均一性，以求实现高效合理的反应状态，从而实现质子交换膜燃料电池的高功率、高效率放电以及可应用的寿命。但常见的流场结构都有各自的优缺点，难以兼顾多方面的、有些甚至是相矛盾的要求。

在质子交换膜燃料电池中，燃料电池膜电极的工作环境较为复杂，尤其对于电堆中活性面积较大的膜电极，同一片电池不同区域的外部气体流动状态可能不同，需要不同的催化层结构来优化该区域的电极反应从而使得该区域的燃料利用达到最佳状态。

通常情况下，电堆中接近气体进口区域的气体流速较快，该区域的气体供应的化学计量比较大，同时较快的气体流速会导致该区域质子交换膜以及催化层中全氟磺酸树脂的脱水，从而增加该区域电池内阻，降低放电电流密度，影响电池寿命；通常情况下，电堆中接近气体出口区域，由于反应气体本身的消耗气体流速会降低，同时尤其在阴极会积聚液态水，造成阴极催化层水淹，降低反应气体空气的透过性，降低该区域放电电流密度；或者在该区域阳极发生水的积聚，降低反应气体氢气的透过性，降低该区域放电电流密度，严重情况下引起异常高电位造成电堆相关部件烧坏。

在现有的商业化传统燃料电池膜电极中，在平面方向上鲜有针对膜电极催化层进行不同催化能力处理，在电堆中难以实现膜电极的合理的电极反应，从而提高膜电极性能、寿命和成本。

发明内容

本发明公开了一种膜电极及其膜电极结构的制备方法，用于改善膜电极的催化层的水气传输性能。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种膜电极，包括：依次分布的第一气体扩散层、第一催化层、质子交换膜、第二催化层、第二气体扩散层；沿所述质子交换膜延展方向，所述第一催化层和/或所述第二催化层被划分为至少一个第一催化区和至少一个第二催化区，且所述第一催化区的催化程度和所述第二催化区的催化程度不同。

进一步地，所述第一催化区的催化剂和所述第二催化区的催化剂具有不同的配方和/或质量。

进一步地，所述第一催化区的催化剂质量大于所述第二催化区的催化剂质量，第一催化区形成富氢区域，第二催化区形成燃料饥饿区域。

进一步地，所述第一催化区和所述第二催化区均为一个。

进一步地，所述第一催化区和所述第二催化区均为多个，且所述第一催化区与所述第二催化区间隔交错排列。