[发明专利]一种膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极，该种膜电极包括依次排列的阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层，所述阴极催化剂层主要由全氟磺酸树脂和催化剂制成，所述阴极催化剂层包括至少两层阴极催化剂子层，其中，靠近质子交换膜的子层全氟磺酸树脂当量小于靠近阴极气体扩散层的子层。该种膜电极既能使阴极催化层具有一定的含水量确保质子的传递，又不至于含水量过多而影响氧气传递。本发明还提供了膜电极的制备方法。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种膜电极及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池使用氢气和氧气作为反应气，膜电极是氢气和氧气发生电化学反应并产生电能、热能和水的场所，是燃料电池的心脏。膜电极由阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层组成。氢气在阳极催化剂层的作用下分解成质子，并释放出电子，电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极催化剂层，与阴极催化剂层中的氧气进行电化学反应，得到电子生成水。在质子通过质子交换膜到达阴极催化剂层的过程中，质子是通过和水分子形成络合物的形式完成的，因此这一过程中水分子不断地从阳极随着质子到达阴极催化剂层，同时氧气先经阴极气体扩散层，再通过阴极催化层中的多孔结构到达催化剂表面，与质子发生电化学反应产生水。虽然质子的传递需要水，但是过多的水一方面会填满孔隙结构，造成水淹；另一方面会造成阴极催化剂层中的全氟磺酸树脂溶胀，影响孔隙结构。上述两个方面都会影响氧气在阴极催化层中的传递，从而降低电池效率。现有技术中公开了一些解决上述问题的方法和膜电极结构，但是这些方法和结构都很难平衡阴极催化剂层的含水量和氧气传递速率。

发明内容

本发明提供一种膜电极，既能使阴极催化层具有一定的含水量确保质子的传递，又不至于含水量过多而影响氧气传递。本发明还提供了膜电极的制备方法。

低当量的全氟磺酸树脂吸水性强、离子交换容量高、质子传递速度快，因此，由低当量全氟磺酸树脂制备的催化剂，质子导电率高，应用于膜电极中能使膜电极在高温低湿的条件下有较好的性能，但是在高湿度或者高电流密度下容易造成膜电极水淹，使得氧气传递过程受阻，以致膜电极性能下降。高当量的全氟磺酸树脂吸水性弱、离子交换容量低、质子传递速度慢，因此由高当量全氟磺酸树脂制备的催化剂，质子导电率低，应用于膜电极中会使膜电极在高温低湿的条件下性能差。这说明现有的全氟磺酸树脂制备的膜电极，很难在任何工况(高温低湿、搞湿度、高电流密度、低电流密度等)下都具有良好的性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种膜电极，包括依次排列的阳极气体扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极气体扩散层，所述阴极催化剂层主要由全氟磺酸树脂和催化剂制成，所述阴极催化剂层包括至少两层阴极催化剂子层，其中，靠近质子交换膜的子层全氟磺酸树脂当量小于靠近阴极气体扩散层的子层。

进一步地，最靠近质子交换膜的子层为内子层，内子层中的全氟磺酸树脂的当量小于800。

进一步地，最靠近阴极气体扩散层的子层为外子层，外子层中的全氟磺酸树脂的当量大于等于770小于1100。

进一步地，子层数量为两层，靠近质子交换膜的一层子层中的全氟磺酸树脂的当量为720，靠近阴极气体扩散层的一层子层中的全氟磺酸树脂的当量为800。

进一步地，最靠近阴极气体扩散层的子层为外子层，外子层的厚度小于阴极催化剂层厚度的一半。

进一步地，外子层的厚度占阴极催化剂层厚度的5％～20％。