[发明专利]膜电极、其制备方法及燃料电池

说明书

本申请提供一种膜电极、其制备方法及燃料电池，属于燃料电池技术领域。该膜电极包括质子交换膜和两侧催化剂层，两侧催化剂层分别设置在质子交换膜的两个表面。至少一侧催化剂层包括多个催化剂结构单元，每个催化剂结构单元包括第一区域和第二区域。第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域中单位投影面积的催化剂质量。每个催化剂结构单元中的两个区域之间的单位投影面积的催化剂质量具有差异，单位投影面积质量较小的区域对气体的传质阻力相对较小，气体容易先从厚度方向分布于这些预设的区域然后再扩散至催化剂层的内部，可以使电极反应过程中的气体传质效果更好，从而提高了膜电极的电学性能。

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种膜电极、其制备方法及燃料电池。

背景技术

聚合物电解质燃料电池因为其无污染、使用条件温和、能量利用率高、可连续转换等优点被认为是较为理想的电能来源。膜电极组件(MEA)是聚合物电解质燃料电池中电化学过程发生的场所，对电池性能有着关键性的影响。目前，催化剂涂覆膜(CCM)工艺进行膜电极的制备较为广泛，该工艺采用喷涂、转印、丝网印刷或模涂等方式将催化剂浆料均匀涂覆到质子交换膜表面，干燥后再与气体扩散层和双极板集成。该方法制备得到的膜电极组件传质效果有限，不足以满足现有电池对超大电流密度工况的使用需求。

发明内容

本申请提供一种膜电极、其制备方法及燃料电池，有利于气体的传质，提高了膜电极的电学性能。

第一方面，本申请提供一种膜电极，包括质子交换膜和两侧催化剂层，两侧催化剂层分别设置在质子交换膜的两个表面。至少一侧催化剂层包括多个催化剂结构单元，每个催化剂结构单元包括第一区域和第二区域，其中，第一区域中单位投影面积的催化剂质量大于第二区域中单位投影面积的催化剂质量。

在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元还包括连接第一区域和第二区域的过渡区域，沿第一区域至第二区域的方向，过渡区域上的单位投影面积的催化剂质量值逐渐减小。

在一种可行的实施方式中，第一区域、过渡区域和第二区域之间形成波浪形结构，第一区域的催化剂层厚度与第二区域中催化剂层厚度的比值为1.05:1～5:1。

在一种可行的实施方式中，两侧催化剂层均包括多个催化剂结构单元。

在一种可行的实施方式中，第一区域的中心与相邻的第一区域的中心之间的距离为d₁，第二区域的中心与相邻的第二区域的中心之间的距离为d₂，多个d₁与多个d₂的平均值为每个催化剂结构单元满足以下条件a～c中的至少一者：a.d₁与的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：b.至少90％的区域，d₁与d的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：c.的值满足：1

在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元中，的值满足：1

在一种可行的实施方式中，每个催化剂结构单元中，的值满足：0.5

在一种可行的实施方式中，单侧催化剂层中满足以下条件d～g中的至少一者：d.每个催化剂结构单元为条纹状，d₁与的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：e.每个催化剂结构单元为条纹状，d₁与的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：f.每个催化剂结构单元为点阵状，d₁与的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：0.2d≤d₂≤3d；g.每个催化剂结构单元为点阵状，d₁与的值满足的关系是：d₂与的值满足的关系是：