[发明专利]传质性改善的膜电极及其制备方法

说明书

本发明公开一种传质性改善的膜电极及其制备方法。其中膜电极包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，阳极催化层和阴极催化层分别位于交换膜的两侧，且阳极侧扩散层与阳极催化层的另一侧连接，从而支撑阳极催化层，阴极侧扩散层与阴极催化层的另一侧连接，从而支撑阴极催化层；阳极侧扩散层与阴极侧扩散层具有不同的组成。本发明的膜电极具有优异的透气性和排水性，从而使传质性得到改善。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地涉及一种膜电极及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧直接将燃料的化学能以电化学反应方式变为电能的发电装置,它作为一种能源利用的新技术，具有洁净、高效的特点。其中，低温燃料电池因具有工作温度低，启动快，能量转化率高等特点，是野外电站、电动汽车、便携式电源的理想替代电源，受到广泛重视的低温燃料电池是指80℃的低温下使用质子交换膜工作的燃料电池，包括H₂/O₂质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲酸燃料电池(DFAFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)等。

PEMFC为适用范围最广的燃料电池类型之一，主要包括固定式电源和移动式电源两类。固定式电源PEMFC可以做成任意规模的发电装置，适宜作为分散型电站。移动式电源PEMFC具有工作温度低、启动速度快、功率密度高和体积小等特点，可以用作车用动力源及一些便携小型移动电源。其中，移动式PEMFC电动车被公认为是电动车的未来发展方向。

膜电极是PEMFC中的关键部件之一，膜电极一般情况下包括催化层、扩散层和交换膜层，其中扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多种作用，对于反应气体和产物水在流场和催化层之间的分配中起到极其重要的作用。目前已有大量文献报道了扩散层的结构分析和优化研究，但是这些分析和优化仍然不够充分，仍需要进一步提高扩散层的性能。

发明内容

为了解决至少部分上述问题，本发明的一方面，提供一种传质改善的膜电极，其具有优异的透气性和排水性。本发明的另一方面，提供该膜电极的制备方法，该方法可方便地制备传质性改善的膜电极。具体地，本发明包括以下内容。

本发明的第一方面，提供一种传质性改善的膜电极，其包括阳极催化层、阴极催化层、阳极侧扩散层、阴极侧扩散层和交换膜，其中：

所述阳极催化层和所述阴极催化层分别位于所述交换膜的两侧，且所述阳极侧扩散层与所述阳极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阳极催化层，所述阴极侧扩散层与所述阴极催化层的另一侧连接，从而支撑所述阴极催化层；和所述阳极侧扩散层与所述阴极侧扩散层具有不同的组成。

根据本发明的膜电极，优选地，所述阳极侧扩散层包括基底层，所述基底层为多孔碳层；或者所述阳极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层，和所述微孔层为碳粉层。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述阴极侧扩散层包括基底层和微孔层，所述基底层为多孔碳层，所述微孔层包含多孔配位聚合物，且所述基底层的厚度大于所述微孔层的厚度。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述多孔配位聚合物包括聚二甲基硅氧烷涂层修饰的多孔配位聚合物；和/或烷基化合物或三甲基氯硅烷改性的多孔配位聚合物。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述疏水性多孔配位聚合物的导电率为2-40S/cm。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述多孔配位聚合物为MIL-100和/或MIL-101。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述交换膜选自全氟磺酸质子交换膜、含乙烯基苯类化合物的质子交换膜、含亚芳基醚的质子交换膜和聚酰亚胺基质子交换膜组成的组中的至少一种。

根据本发明的膜电极，优选地，其中所述阴极催化层的催化剂通过包括以下步骤的方法制备得到：