本申請涉及燃料電池領域，具體而言，涉及一種膜電極及燃料電池。

背景技術：

1、聚合物電解質膜燃料電池(pemfc)通常由夾在兩個催化劑層之間的質子交換膜、兩個多孔氣體擴散層和兩個帶有流道的雙極板組成。陽極催化層中氫氧化反應產生的質子和電子分別流過質子交換膜和外部電路，并參與陰極催化層中的氧還原反應，產生水和廢熱。

2、盡管已經在整體電池性能方面取得了相當大的進步，但關鍵的性能和耐久性限制集中在pemfc的水管理上，即產物水(液體和蒸汽)的輸送以及由此導致的組成部件的干燥和/或水淹。太少的水會導致膜電極干燥，這會增加離子電阻，并加劇由于歐姆損失導致的電壓降。過多的水會導致水淹溢流，堵塞催化層和氣體擴散層的孔隙，從而降低反應氣體向催化劑位點的傳輸速率。不適當的濕度條件不僅會降低燃料電池的性能和效率，甚至會導致催化劑或膜等內部組件的不可逆退化。例如，較干的條件下，質子膜更易受自由基的攻擊，從而受化學腐蝕出現損壞。而較濕的條件下，pt催化劑容易產生移動流失的問題，易出現pt帶等問題。同時，過濕狀態還容易導致陽極局部欠氣發生反極等問題，對電堆的長耐久造成嚴重影響。因此，水管理是質子交換膜燃料電池的一個關鍵問題。

技術實現思路

1、本申請提供了一種膜電極及燃料電池，其能夠緩解整體或局部欠氣問題，提升燃料電池的不同濕度的敏感性、壽命及安全性。

2、本申請的實施例是這樣實現的：

3、在第一方面，本申請示例提供了一種燃料電池用膜電極，燃料電池具有氫氣出口以及氫氣進口，膜電極包括依次疊置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層，膜電極具有沿氫氣流動方向依次布置的第一區域以及第二區域，第一區域對應氫氣進口，第二區域對應氫氣出口；

4、陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于其在第一區域的接觸角；

5、陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于陰極擴散層的接觸角，陰極催化劑層在第一區域的接觸角小于陰極擴散層的接觸角。

6、本申請提供的膜電極，通過陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于其在第一區域的接觸角，有利于水分在陰極催化劑的第二區域向第一區域轉移，此時控制陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于陰極擴散層的接觸角，可以提高陰極催化劑層在第二區域的排水，減小第二區域的陰極水向陽極催化劑層的擴散，避免位于第二區域的陽極催化劑層被水淹，同時控制陰極催化劑層在第一區域的接觸角小于陰極擴散層的接觸角，可以增加陰極催化劑層在第一區域的保水性，從而綜合作用，實現整個陰極催化劑層和陽極催化劑層水分布的均勻性，提升燃料電池的不同濕度的敏感性，緩解發生水淹導致的整體或局部欠氣問題，提升燃料電池的壽命和安全性。

7、在一些可選地實施例中，以陰極催化劑層的面積作為膜電極的催化活性區域面積計，第一區域在催化活性區域面積的面積占比為40％-60％，第二區域在催化活性區域面積的面積占比為40％-60％。

8、在一些可選地實施例中，陽極催化劑層在第二區域的接觸角大于陽極擴散層的接觸角，陽極催化劑層在第一區域的接觸角小于陽極擴散層的接觸角。

9、在一些可選地實施例中，陰極催化劑層在第二區域的接觸角與陰極擴散層的接觸角之差為5°-10°。

10、在一些可選地實施例中，陰極催化劑層在第一區域的接觸角與陰極擴散層的接觸角之差為5°-10°。

11、在一些可選地實施例中，陰極催化劑層在第二區域的接觸角小于陽極催化劑層在第二區域的接觸角。

12、在一些可選地實施例中，陰極催化劑層在第一區域的接觸角大于陽極催化劑層在第一區域的接觸角。

13、在一些可選地實施例中，陰極催化劑層在第二區域的接觸角為140°-150°，陰極催化劑層在第一區域的接觸角為120°-130°。

14、在一些可選地實施例中，陽極催化劑層在第二區域的接觸角為140°-150°，陽極催化劑層在第一區域的接觸角為120°-130°。

15、在一些可選地實施例中，陰極擴散層和/或陽極擴散層的接觸角分別為130°-140°；

16、可選地，陰極擴散層和陽極擴散層分別為碳紙層。

17、在第二方面，本申請示例提供了一種燃料電池，燃料電池包括至少一個如本申請第一方面提供的膜電極。

技術特征：

1.一種燃料電池用膜電極，所述燃料電池具有氫氣出口以及氫氣進口，所述膜電極包括依次疊置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層，其特征在于，所述膜電極具有沿氫氣流動方向依次布置的第一區域以及第二區域，所述第一區域對應氫氣進口，所述第二區域對應氫氣出口；

2.根據權利要求1所述的膜電極，其特征在于，以所述陰極催化劑層的面積作為所述膜電極的催化活性區域面積計，所述第一區域在所述催化活性區域面積的面積占比為40％-60％，所述第二區域在催化活性區域面積的面積占比為40％-60％。

3.根據權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述陽極催化劑層在所述第二區域的接觸角大于所述陽極擴散層的接觸角，所述陽極催化劑層在所述第一區域的接觸角小于所述陽極擴散層的接觸角。

4.根據權利要求1所述的膜電極，其特征在于，所述陰極催化劑層在所述第二區域的接觸角與所述陰極擴散層的接觸角之差為5°-10°；和/或，

5.根據權利要求1-4任一項所述的膜電極，其特征在于，所述陰極催化劑層在所述第二區域的接觸角小于所述陽極催化劑層在所述第二區域的接觸角。

6.根據權利要求1-4任意一項所述的膜電極，其特征在于，所述陰極催化劑層在所述第一區域的接觸角大于所述陽極催化劑層在所述第一區域的接觸角。

7.根據權利要求1-4任意一項所述的膜電極，其特征在于，所述陰極催化劑層在所述第二區域的接觸角為140°-150°，所述陰極催化劑層在所述第一區域的接觸角為120°-130°。

8.根據權利要求1-4任意一項所述的膜電極，其特征在于，所述陽極催化劑層在所述第二區域的接觸角為140°-150°，所述陽極催化劑層在所述第一區域的接觸角為120°-130°。

9.根據權利要求1-4任意一項所述的膜電極，其特征在于，所述陰極擴散層和/或所述陽極擴散層的接觸角分別為130°-140°；

10.一種燃料電池，其特征在于，所述燃料電池包括至少一個如權利要求1-9任一項所述的膜電極。

技術總結
一種膜電極及燃料電池，屬于燃料電池領域，燃料電池用膜電極，膜電極包括依次疊置的陰極擴散層、陰極催化劑層、質子交換膜、陽極催化劑層和陽極擴散層，膜電極具有沿氫氣流動方向依次布置的第一區域以及第二區域，陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于其在第一區域的接觸角；陰極催化劑層在第二區域的接觸角大于陰極擴散層的接觸角，陰極催化劑層在第一區域的接觸角小于陰極擴散層的接觸角。通過上述設置，不僅可以提高陰極催化劑層在第二區域的排水，減小第二區域的陰極水向陽極催化劑層的擴散，避免位于第二區域的陽極催化劑層被水淹，同時增加陰極催化劑層在第一區域的保水性，實現整個陰極催化劑層和陽極催化劑層水分布的均勻性。

技術研發人員：徐冰妍,閆冰雁,劉聲楚,王秀
受保護的技術使用者：蘇州擎動動力科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28