[发明专利]一种具有润湿功能和高传质的膜电极和电池

说明书

本发明提供了一种具有润湿功能和高传质的膜电极和电池，膜电极包括依次设置的质子交换膜；阴极润湿层；阴极催化层；所述阴极润湿层中包括质量比为0.7～1.3:1的树脂和多孔载体；阴极润湿层为传输质子的亲水多孔介质；所述阴极润湿层的亲水性大于阴极催化层。上述膜电极通过设置阴极润湿层，其亲水性大于阴极催化层，能够拖拽阴极催化层生成的部分液态水形成“保水区”，“保水区”的存在为膜和电解质提供更好的润湿，同时建立的液压梯度能够促进水由阴极向阳极的反扩散，减缓阳极的缺水状态；而阴极电极其余区域保留的液态水相比传统膜电极结构有一定程度下降，能够为氧气传输提供更小的阻力，从而使得膜电极具有较高效的气态传质功能。

技术领域

本发明属于膜电极技术领域，尤其涉及一种具有润湿功能和高传质的膜电极和电池。

背景技术

近些年质子交换膜燃料电池以其功率密度高、启动迅速和排放低等特点受到了广泛关注，有望作为车用动力源实现汽车工业期盼的零尾气排放和能源独立性目标。随着质子交换膜燃料电池技术步入应用阶段，研究方向从开始的材料开发逐渐转为系统和结构设计(包括电极和电池结构设计)等方面。

质子交换膜燃料电池内部的传输过程主要包括反应气体与水在流道和多孔电极内的传输、水的相变、膜对水的吸收和释放、质子和电子的传导等传质现象，以及物质熵变、电化学反应、欧姆电阻、相变等产热吸热所导致的传热现象，这些多尺度结构下的传热传质过程相互耦合，导致这方面问题的研究十分复杂。从上世纪90年代开始，就有研究人员指出了水热传输优化对提高电池功率密度与耐久性并降低成本的重要性，其中心思想是：从基本的传热传质机理出发，通过优化燃料电池内的多组分多相传输过程，在保证膜加湿(减小电阻)的前提下，加快反应气体输送与液态水排出(提高电化学反应速率)，从而提高性能。

随着新一代高功率密度电堆的开发，产业化和基础理论研究均对燃料电池水热管理提出了新的要求。一方面，无外增湿技术开发、冷启动策略优化和动态工况影响研究等工作亟需进一步开展来满足日益增长的发展需求；另一方面，电流密度的持续提升使得反应气体、温度和液态水分布特别是沿流道方向的不均匀性大大增加，可能出现阴极入口区域电解质润湿不足，而出口区域出现电极或流道水淹现象，导致局部供气不足，影响电池的性能和寿命。膜电极结构设计的矛盾点在于：膜需要电极保留足够的水润湿以提升质子电导率，而反应气体传输需要畅通的孔道以支撑高电流密度下的电极反应，两者对于水的需求冲突是膜电极在水热管理方面进行设计优化的难点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有润湿功能和高传质的膜电极和电池，该膜电极具有较高效的气态传质功能。

本发明提供了一种具有润湿功能和高传质的膜电极，包括依次设置的质子交换膜；

阴极润湿层；

阴极催化层；

阴极润湿层中包括质量比为0.7～1.3:1的树脂和多孔载体；阴极润湿层为传输质子的亲水多孔介质；

阴极润湿层的亲水性大于阴极催化层。

优选地，阴极润湿层的厚度为1～10μm。

优选地，树脂为全氟磺酸树脂。

优选地，述树脂的EW值为600～1200g/mol。

优选地，载体为碳载体。

优选地，阴极催化层的厚度为9～11μm。

膜电极还包括设置在阴极催化层另一侧的微孔层和气体扩散层，以及质子交换膜另一侧的阳极催化层、阳极微孔层和阳极气体扩散层；

优选地，阳极催化层的厚度为2～3μm；阳极微孔层和阴极微孔层的厚度均分别为25～32μm；阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的厚度均分别为120～160μm。

优选地，阴极润湿层中无催化剂。