[發明專利]膜電極、其制備方法及燃料電池

在審

• 申請號: 202110891845.4
• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113745613A
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 顏聿聰;李子坤;任建國;賀雪琴
• 申請（專利權）人: 深圳市貝特瑞新能源技術研究院有限公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1006;H01M4/88
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 周宇

本申請提供一種膜電極、其制備方法及燃料電池，屬于燃料電池技術領域。該膜電極包括質子交換膜和兩側催化劑層，兩側催化劑層分別設置在質子交換膜的兩個表面。至少一側催化劑層包括多個催化劑結構單元，每個催化劑結構單元包括第一區域和第二區域。第一區域中單位投影面積的催化劑質量大于第二區域中單位投影面積的催化劑質量。每個催化劑結構單元中的兩個區域之間的單位投影面積的催化劑質量具有差異，單位投影面積質量較小的區域對氣體的傳質阻力相對較小，氣體容易先從厚度方向分布于這些預設的區域然后再擴散至催化劑層的內部，可以使電極反應過程中的氣體傳質效果更好，從而提高了膜電極的電學性能。

技術領域

本申請涉及燃料電池技術領域，具體而言，涉及一種膜電極、其制備方法及燃料電池。

背景技術

聚合物電解質燃料電池因為其無污染、使用條件溫和、能量利用率高、可連續轉換等優點被認為是較為理想的電能來源。膜電極組件(MEA)是聚合物電解質燃料電池中電化學過程發生的場所，對電池性能有著關鍵性的影響。目前，催化劑涂覆膜(CCM)工藝進行膜電極的制備較為廣泛，該工藝采用噴涂、轉印、絲網印刷或模涂等方式將催化劑漿料均勻涂覆到質子交換膜表面，干燥后再與氣體擴散層和雙極板集成。該方法制備得到的膜電極組件傳質效果有限，不足以滿足現有電池對超大電流密度工況的使用需求。

發明內容

本申請提供一種膜電極、其制備方法及燃料電池，有利于氣體的傳質，提高了膜電極的電學性能。

第一方面，本申請提供一種膜電極，包括質子交換膜和兩側催化劑層，兩側催化劑層分別設置在質子交換膜的兩個表面。至少一側催化劑層包括多個催化劑結構單元，每個催化劑結構單元包括第一區域和第二區域，其中，第一區域中單位投影面積的催化劑質量大于第二區域中單位投影面積的催化劑質量。

在一種可行的實施方式中，每個催化劑結構單元還包括連接第一區域和第二區域的過渡區域，沿第一區域至第二區域的方向，過渡區域上的單位投影面積的催化劑質量值逐漸減小。

在一種可行的實施方式中，第一區域、過渡區域和第二區域之間形成波浪形結構，第一區域的催化劑層厚度與第二區域中催化劑層厚度的比值為1.05:1～5:1。

在一種可行的實施方式中，兩側催化劑層均包括多個催化劑結構單元。

在一種可行的實施方式中，第一區域的中心與相鄰的第一區域的中心之間的距離為d₁，第二區域的中心與相鄰的第二區域的中心之間的距離為d₂，多個d₁與多個d₂的平均值為每個催化劑結構單元滿足以下條件a～c中的至少一者：a.d₁與的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：b.至少90％的區域，d₁與d的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：c.的值滿足：1

在一種可行的實施方式中，每個催化劑結構單元中，的值滿足：1

在一種可行的實施方式中，每個催化劑結構單元中，的值滿足：0.5

在一種可行的實施方式中，單側催化劑層中滿足以下條件d～g中的至少一者：d.每個催化劑結構單元為條紋狀，d₁與的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：e.每個催化劑結構單元為條紋狀，d₁與的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：f.每個催化劑結構單元為點陣狀，d₁與的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：0.2d≤d₂≤3d；g.每個催化劑結構單元為點陣狀，d₁與的值滿足的關系是：d₂與的值滿足的關系是：