[发明专利]一种燃料电池膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法，所述膜电极包括质子交换膜、分别涂敷在质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层、覆盖在所述阴极催化层和阳极催化层外侧的扩散层，其中，所述阴极催化层和阳极催化层包括催化剂以及全氟磺酸树脂，所述全氟磺酸树脂包括长侧链树脂、中长侧链树脂和短侧链树脂，且所述阴极催化层和阳极催化层所用的全氟磺酸树脂的种类不同。本发明制备的燃料电池膜电极，通过在阴阳极催化层采用不同类型全氟磺酸树脂，搭配合适的气体扩散层，提高了燃料电池水管理能力，降低系统匹配难度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池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不需要经过卡诺循环高效的能量转化装置，直接将氢氧反应的化学能通过电化学方式转换为电能，具有绿色环保、低温快速启动和高平稳运行的特点。在汽车、便携式电源、分布式发电、航天等领域具有广阔的应用前景，被认为是21世纪新型高效环保的新能源。

膜电极(MEA)由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，是燃料电池内部多相物质传输和电化学反应的核心场所，其质量直接决定着质子交换膜燃料电池的性能、寿命和成本。目前采用的质子交换膜以全氟磺酸质子交换膜为主，全氟磺酸的质子传导率严重依赖膜的水合状态，当膜电极失水时，其质子传导率会明显下降，导致欧姆极化增大，而水含量过高，反应气体传输阻力增大，影响电池性能。因此，质子交换膜燃料电池膜电极是否可以稳定、高性能、长寿命运行与电极内部水管理密切相关。

全氟磺酸离子聚合物在燃料电池膜电极中主要起到粘结剂和传到质子的作用，但关于其对燃料电池水管理研究却很少。因此，本领域需要一种通过调节全氟磺酸离子聚合物种类并搭配扩散层，改变电极内部水管理的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种宽操作区间燃料电池膜电极。

本申请之目的还在于提供上述燃料电池膜电极的制备方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种燃料电池膜电极，其包括质子交换膜、分别涂敷在质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层、覆盖在所述阴极催化层和阳极催化层外侧的扩散层，其中，所述阴极催化层和阳极催化层包括催化剂以及全氟磺酸树脂，所述全氟磺酸树脂包括长侧链树脂、中长侧链树脂和短侧链树脂，且所述阴极催化层和阳极催化层所用的全氟磺酸树脂的种类不同。

在第一方面的一种实施方式中，所述长侧链树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF(CF₃)OCF₂CF₂SO₃H；

所述中长侧链树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF₂CF₂CF₂SO₃H；

所述短侧链树脂的侧链分子结构为-OCF₂CF₂SO₃H。

在第一方面的一种实施方式中，当燃料电池运行时的进气相对湿度小于30％时，所述阴极催化层中的全氟磺酸树脂为短侧链树脂或中长侧链树脂，所述阳极催化层中的全氟磺酸树脂为中长侧链树脂或长侧链树脂；且阴极催化层和阳极催化层中的全氟磺酸树脂种类不同。

在第一方面的一种实施方式中，当燃料电池运行时的相对湿度为30％～70％时，所述阴极催化层中的全氟磺酸树脂为短侧链树脂或中长侧链树脂或长侧链树脂，所述阳极催化层中的全氟磺酸树脂为短侧链树脂或中长侧链树脂或长侧链树脂；且阴极催化层和阳极催化层中的全氟磺酸树脂种类不同。