CN112786937A - 一种燃料电池膜电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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，所述阴极催化层和阳极催化层由催化剂、质子导体聚合物、溶剂以及调节物制备得到，所述调节物包括亲水调节物或疏水调节物。本发明制备的催化层，由于在添加了亲/疏水调节物，使得全氟磺酸树脂分散度增加，降低了全氟磺酸树脂薄膜对氧气传输的阻碍，提升了膜电极性能。

Description

一种燃料电池膜电极及其制备方法
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
膜电极(membrane electrode assembly，MEA)是质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)的核心部件，为PEMFC提供了多相物质传递的微通道和电化学反应场所。为了实现燃料电池商业化目标，需要制备高功率密度、低Pt载量、耐久性好的MEA。PEMFC的基本组成部分包括：催化层、质子交换膜、气体扩散层和双极板等。其中，催化剂层是质子交换膜燃料电池的核心部件，它是氧化还原反应的场所和多相物质(反应气体、电子、质子、液态反应产物)传输的区域，它决定着燃料电池的效率、寿命、成本等，其必须同时具备导气相、导电相、导质子相反应才能顺利发生。催化层的性能不仅依赖于催化剂本身的活性，还与催化层中各组分的配比、催化层结构的孔隙率、孔径分布密切相关。
有研究发现，当膜电极Pt载量继续降低时，常常伴随出现极化损失，其主要是由于Pt表面全氟磺酸树脂薄膜的氧气传输阻力引起，使得其在运行过程中常常出现水淹、低温性能和干态性能下降的问题。
因此，本领域急需一种性能更好的燃料电池膜电极及其制备方法。
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燃料电池膜电极。
本申请之目的还在于提供上述膜电极的制备方法。
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，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，所述阴极催化层和阳极催化层由催化剂、质子导体聚合物、溶剂以及调节物制备得到，所述调节物包括亲水调节物或疏水调节物。由于在催化层中添加了亲/疏水调节物，使得全氟磺酸树脂分散度增加，降低了全氟磺酸树脂薄膜对氧气传输的阻碍，提升了膜电极性能。
在第一方面的一种实施方式中，当所述催化剂的载体为疏水性载体时，所述调节物为亲水调节物；在大电流密度下，生成的水迅速随尾气排出，导致膜电极内部湿度不够，形成干性状态，输出电压减小；这时加入一定量的亲水调节剂，截留部分水提升膜电极湿度，实现自增湿，进而减缓膜电极性能损失。
在第一方面的一种实施方式中，当所述催化剂的载体为亲水性载体时，所述调节物为疏水调节物；当采用亲水载体时，在大电流密度下，生成的水难以及时排出，易导致水淹现象的发生，大量水的存在覆盖了部分铂活性位，影响三相界面传质，进而降低输出电压；这时加入一定量的疏水调节剂，使得部分水快速随气流排出，避免水淹现象的发生，提升膜电极性能。
在第一方面的一种实施方式中，所述亲水调节物为CeO2或者碳载CeO2中的一种，所述碳载CeO2中CeO2的质量分数为3％～20％。CeO2是一种良好的亲水氧化物，价格低廉，制备工艺简单；此外，其具有良好的抗酸腐蚀性能，在酸性条件下能够长期温度存在；最后，CeO2是一种良好的自由基猝灭剂，在燃料电池运行中，能够减缓自由基对质子交换膜的腐蚀作用，提升质子交换膜的耐久性。
在第一方面的一种实施方式中，所述疏水调节物包括石墨粉或石墨粉/PTFE复合粉，所述石墨粉/PTFE复合粉中石墨粉的质量分数为3％～20％。PTFE是一种良好的疏水剂，但PTFE是一种不导电物质，过多的添加会影响膜电极内部电子传输，进而影响膜电极性能；采用石墨化后的疏水碳与之结合，在保证其疏水特性的同时，增加其导电性能，进而减缓膜电极性能的损失。
在第一方面的一种实施方式中，所述CeO2通过如下步骤制备得到：将硝酸铈和柠檬酸混合并加水研磨，得到混合浆料，然后加入水充分溶解，然后依次进行烘干、焙烧，即得所述CeO2。
在第一方面的一种实施方式中，所述碳载CeO2通过如下步骤制备得到：将硝酸铈、乙醇和碳粉混合，经超声分散后进行搅拌，并在搅拌过程中滴加碳酸钠，然后依次进行抽滤、洗涤、干燥、研磨、焙烧，即得所述碳载CeO2。
在第一方面的一种实施方式中，所述石墨粉/PTFE复合粉通过如下步骤制备得到：将碳粉、乙醇混合，经超声分散后加入PTFE溶液，搅拌均匀后加热蒸干，然后烘干，既得所述石墨粉/PTFE复合粉。
在第一方面的一种实施方式中，所述催化剂为碳载铂催化剂，其中，催化剂中的铂的质量分数为20％-70％；所述调节物与催化剂中铂的质量比为1:(1-20)。
在第一方面的一种实施方式中，所述质子导体聚合物为5％-20％的Nafion溶液。
在第一方面的一种实施方式中，所述溶剂为有机溶剂和水的混合物，其中，所述有机溶剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇的一种或多种，所述有机溶剂和水的质量比为(1-5):1。
在第二方面，本申请还提供一种如上所述膜电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将催化剂、质子导体聚合物和溶剂、调节物混合并分散均匀，形成催化剂墨水；
(2)采用喷涂法在质子交换膜的两侧分别喷涂阳极催化剂墨水和阴极催化剂墨水，形成阴极催化层和阳极催化层；
(3)通过热压在阴极催化层和阳极催化层外侧覆盖扩散层，得到所述膜电极。
在第二方面的一种实施方式中，步骤(1)中，所述分散依次采用超声分散、高速均质和磁力搅拌；其中，超声分散时间为10-30min，超声频率为20-40KHz；所述高速均质分散时间为10-30min，转速为5000-10000rpm。磁力搅拌时间为10-30min。
在第二方面的一种实施方式中，步骤(2)中，所述喷涂法的工艺参数如下：喷涂流量6～15mL/min，吸盘加热温度80～130℃，喷头高度距离吸盘高度为20～40cm。
在第二方面的一种实施方式中，步骤(3)中，所述热压温度为120～200℃，热压时间为10～300s，热压压力为0.2～5MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的催化层，由于在添加了亲/疏水调节物，使得全氟磺酸树脂分散度增加，降低了全氟磺酸树脂薄膜对氧气传输的阻碍，提升了膜电极性能；
(2)本发明所采用的制备方法无序特殊处理，操作简单、快捷，易于实现批量化生产。
附图说明
图1为实施例1-5制备的催化层在膜电极上的极化曲线；
图2为对比例1制备的催化层在膜电极上的极化曲线；
图3为对比例2、3制备的催化层在膜电极上的极化曲线；
图4为实施例4制备的催化剂膜电极加速老化实验前后电化学面积。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
本发明的目的是针对现有燃料电池膜电极催化层中全氟磺酸树脂薄膜对氧传输阻力阻碍，催化层水淹、干态下性能下降这一缺点，提出一种新的燃料电池用催化层的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
在第一方面，本发明所述的燃料电池用催化层可由以下方法制备得到：一种燃料电池用催化层，由催化剂墨水涂覆在质子交换膜表面后形成，所述催化剂墨水包括催化剂、质子导体聚合物、溶剂、亲/疏水调节物等。
在第一方面的一种优选方案中，所述催化剂为碳载铂催化剂，其中，催化剂中的铂质量分数为20％-70％。
在第一方面的一种优选方案中，所述的质子导体聚合物为5％-20％的Nafion溶液。
在第一方面的一种优选方案中，所述溶剂为有机溶剂和水的混合物，其中，有机溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇的一种或多种。所述有机溶剂和水的质量比为(1-5):1；有机溶剂和Pt/C的质量比为(50-200):1。
在第一方面的一种优选方案中，所述亲水调节物为CeO2、3％-20％CeO2-C，疏水调节物为石墨粉、石墨粉/PTFE复合粉；其中，CeO2、CeO2-C的添加量与Pt的质量比为1:(1-20)，石墨粉、C/PTFE复合粉添加量与Pt的质量比为1:(1-20)。
在第一方面的一种优选方案中，所述亲水调节物CeO2采用煅烧法制备，主要步骤包括：秤取一定量的硝酸铈和柠檬酸(物质的量之比为0.5-1.7：1)，打磨后，得到混合均匀的浆料状物体。用10-50mL去离子水溶解研磨好的物料，溶解充分后搅拌一定时间，放入烘箱中，80-128℃干燥2-4h；得到淡黄色泡沫状物料；放到马弗炉中煅烧；升温速率为5-20℃/min到300-400℃，保持2-4h；研磨充分后备用。
在第一方面的一种优选方案中，所述亲水调节物CeO2-C的一种，采用共沉淀法制备，主要步骤包括(下述数据仅做示例作用，可在范围内浮动)：称取0.1g硝酸铈、20g乙醇、0.5g碳粉于烧杯中，超声30min分散；将溶液转移至磁力搅拌器上，25℃下磁力搅拌的同时，滴加2g 10％质量分数的碳酸钠；混合溶液磁力搅拌3h后，进行抽滤、洗涤，然后将载体置于空气烘箱中烘干；将烘干的载体研磨，然后置于450℃管式炉中，氮气气氛下焙烧2h，得到所需亲水调节物。
在第一方面的一种优选方案中，所述疏水调节物石墨粉/PTFE采用旋转蒸发法制备，主要步骤包括(下述数据仅做示例作用，可在范围内浮动)：秤取0.2g碳粉，50g乙醇置于烧杯中，超声30min分散；加入1g30％PTFE溶液，转移至磁力搅拌器上搅拌30min，然后将溶液置于旋转蒸发仪中，设置水浴锅80℃，转数500rpm/min，直至溶液蒸干；将烧瓶置于100℃烘箱烘干，打磨备用；
在第二方面，本发明还提供了一种该催化层的制备方法：将催化剂、质子导体聚合物和溶剂、亲/疏水调节物按比例混合并分散均匀，形成催化剂墨水，然后将墨水使用喷涂机喷涂至质子交换膜两侧，形成催化层；
在第二方面的一种优选方案中，所述分散依次采用超声分散、高速均质和磁力搅拌；其中，超声分散时间为10-30min，超声频率为20-40KHz；所述高速均质分散时间为10-30min，转速为5000-10000rpm。磁力搅拌时间为10-30min。
在第二方面的一种优选方案中，所述的喷涂工艺参数为：喷涂流量6-15mL/min，吸盘加热温度80-130℃，喷头高度距离吸盘高度为20-40cm。
在第二方面的一种优选方案中，所述催化层采用的质子交换膜为Nafion膜，厚度为10-25um。
在第二方面的一种优选方案中，所述催化层阴极铂载量为0.3-0.5mg/cm2，阳极铂载量为0.05-0.1mg/cm2。
实施例
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在下述实施例中，碳载铂催化剂为自行制备得到，具体方法为(以50％Pt/C为例，当载铂量不同，仅需调节铂的添加量即可)：取0.5g碳载体完全浸没于22g 6％质量分散氯铂酸水溶液中，加入100g乙二醇，转移至烧杯中，然后将溶液至于室温下超声20min。然后将混合液转移至三口玻璃瓶中，加入5g碳酸钠粉末与2g甲酸，在氮气气氛下室温搅拌20min。将搅拌后的溶液转移至水浴锅中，在通入氮气的条件下，90℃下继续搅拌反应5小时。将反应后的催化剂用蒸馏水多次洗涤，然后置于干燥箱中80℃下干燥4小时，最后得到所需50％Pt/C催化剂。
亲水调节物CeO2采用煅烧法制备，主要步骤包括：秤取一定量的硝酸铈和柠檬酸(物质的量之比为1.7：1)，打磨后，得到混合均匀的浆料状物体。用10mL去离子水溶解研磨好的物料，溶解充分后搅拌一定时间，放入烘箱中，80℃干燥4h；得到淡黄色泡沫状物料；放到马弗炉中煅烧；升温速率为5℃/min到300℃，保持2h；研磨充分后备用。
亲水调节物CeO2-C的一种，采用共沉淀法制备，主要步骤包括：称取0.1g硝酸铈、20g乙醇、0.5g碳粉于烧杯中，超声30min分散；将溶液转移至磁力搅拌器上，25℃下磁力搅拌的同时，滴加2g 10％质量分数的碳酸钠；混合溶液磁力搅拌3h后，进行抽滤、洗涤，然后将载体置于空气烘箱中烘干；将烘干的载体研磨，然后置于450℃管式炉中，氮气气氛下焙烧2h，得到所需亲水调节物。
疏水调节物石墨粉/PTFE采用旋转蒸发法制备，主要步骤包括：秤取0.2g碳粉，50g乙醇置于烧杯中，超声30min分散；加入1g30％PTFE溶液，转移至磁力搅拌器上搅拌30min，然后将溶液置于旋转蒸发仪中，设置水浴锅80℃，转数500rpm/min，直至溶液蒸干；将烧瓶置于100℃烘箱烘干，打磨备用。
实施例1
秤取50％Pt/C催化剂50mg，CeO2粉末5mg，置于50mL烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10mL/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
实施例2
秤取50％Pt/C催化剂50mg，10％CeO2-C粉末20mg，置于50mL烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10mL/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
实施例3
秤取50％Pt/C催化剂50mg，石墨粉/PTFE粉末10mg，置于50mL烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10mL/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
实施例4
秤取50％Pt/C催化剂50mg，10％CeO2-C粉末40mg，置于50mL烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10mL/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
实施例5
秤取50％Pt/C催化剂50mg，20％CeO2-C粉末20mg，置于50mL烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10mL/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
对比例1
秤取50％Pt/C催化剂(载体为疏水型碳)50mg置于50ml烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10ml/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
对比例2
秤取50％Pt/C催化剂(载体为亲水型碳)50mg置于50ml烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10ml/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
对比例3
秤取50％Pt/C催化剂50mg置于50ml烧杯中，然后移取2g去离子水润湿催化剂，再加入7g异丙醇，27mg30％PTFE溶液将混合物超声分散20min，然后按照质子导体聚合物与催化剂质量比为2的比例，加入2g 5wt％的Nafion溶液，继续超声10min；结束后将混合物通过分散乳化均质机处理20min，得到混合均匀的催化层墨水。
利用直接喷涂法，将上述分散均匀的催化剂浆料直接喷涂到18um的质子膜表面，形成覆在膜上的薄层阴、阳极催化层，通过称重控制Pt纳米粒子的上料量。所述喷涂工艺参数设置为：喷头流量10ml/min，吸盘加热温度为80摄氏度，喷涂距离加热吸盘的高度为40cm。阴极催化层铂载量为0.4mg/cm2、阳极催化层铂载量为0.05mg/cm2。
将实施例1-5和对比例1～3所制备的燃料电池膜电极组装成单电池，在相同条件下进行i-V极化曲线性能测试，其结果如图1、图2和图3所示，测试条件如下：单电池温度80摄氏度，阴阳极反应气体Air/H2，计量比为2/1.5；进气湿度为40％/50％，气体入口压力分别为150Kpa/150Kpa。
将实施例4所制备的燃料电池膜电极组装成单电池，进行加速老化实验，其结果如图4所示，实验条件为：按要求在高温状态下测试单电池阴极电化学ECSAbefore。然后将温控仪连接单电池，设置温度80℃；单电池阴极通加湿氮气，流量200mL/min，阳极通入制氢机产生的加湿氢气，流量为75mL/min；采用Wavedriver电化学工作站，设置工作电压，0.6V维持3s，0.95V维持3s，1个周期6s，老化圈数30000圈，测试高温下阴极电化学，标记为ECSAafter；按照公式计算催化剂耐久性ECSA残存率％＝(ECSAbefore-ECSAafter)/ECSAbefore*100％。
由图1和图2测试结果可知，相比于未添加亲水调节剂的对比例1膜电极，添加一定含量的CeO2 CeO2-C的实施例1、2、4和5膜电极性能均有所提升，特别是在大电流密度下，膜电极电压提升明显，在2A/cm2时，对比例1电压为0.55V，实施例1 2 4 5膜电极电压则分别为：0.575V、0.605V、0.62V和0.592V。这说明亲水调节物的添加，能够实现膜电极的自增湿效应，在一定程度上减弱干态性能下降。
由图1中测试结果中可知，相比于纯CeO2的添加，通过制备CeO2-C复合氧化物，效果更加明显，这可能是由于制备的单质CeO2颗粒较大；由实施例2、4、5测试结果可知，添加4mgCeO2膜电极性能优于2mg；当CeO2添加量相同时，，10％CeO2-C复合氧化物要优于20％CeO2-C，该结果同样说明，颗粒小的CeO2的添加更有利于膜电极性能的提升。
由图1中的实施例3和图3测试结果可知，对于亲水型载体，一定量疏水剂的添加，高电流密度下，膜电极性能有着一定的提升；在2A/cm2电流密度下，未未添加疏水剂的输出电压为0.54V，水淹现象明显，实施例3和对比例3的电压则为0.587V和0.56V，添加石墨粉/PTFE疏水剂的膜电极性能较好，这主要是由于疏水剂有利于高电流密度下反应过程中催化层中水的排出，避免水淹现象的发生，并有利于氧的传输。
由图4测试结果可知，实施例4膜电极阴极在经过30000圈加速老化后，膜电极电化学面积衰减了25.4％，小于DOE40％的标准，这说明一定含量CeO2-C的添加，不但能够提升膜电极性能，对膜电极耐久性也没有明显影响。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜电极，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，其特征在于，所述阴极催化层和阳极催化层由催化剂、质子导体聚合物、溶剂以及调节物制备得到，所述调节物包括亲水调节物或疏水调节物。
2.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，当所述催化剂的载体为疏水性载体时，所述调节物为亲水调节物；
当所述催化剂的载体为亲水性载体时，所述调节物为疏水调节物。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述亲水调节物为CeO2或者碳载CeO2中的一种，所述碳载CeO2中CeO2的质量分数为3％～20％；
所述疏水调节物包括石墨粉或石墨粉/PTFE复合粉，所述石墨粉/PTFE复合粉中石墨粉的质量分数为3％～20％。
4.如权利要求3所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述CeO2通过如下步骤制备得到：
将硝酸铈和柠檬酸混合并加水研磨，得到混合浆料，然后加入水充分溶解，然后依次进行烘干、焙烧，即得所述CeO2。
5.如权利要求3所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述碳载CeO2通过如下步骤制备得到：
将硝酸铈、乙醇和碳粉混合，经超声分散后进行搅拌，并在搅拌过程中滴加碳酸钠，然后依次进行抽滤、洗涤、干燥、研磨、焙烧，即得所述碳载CeO2。
6.如权利要求3所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述石墨粉/PTFE复合粉通过如下步骤制备得到：
将碳粉、乙醇混合，经超声分散后加入PTFE溶液，搅拌均匀后加热蒸干，然后烘干，既得所述石墨粉/PTFE复合粉。
7.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述催化剂为碳载铂催化剂，其中，催化剂中的铂的质量分数为20％-70％；所述调节物与催化剂中铂的质量比为1:(1-20)。
8.如权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述质子导体聚合物为5％-20％的Nafion溶液；
所述溶剂为有机溶剂和水的混合物，其中，所述有机溶剂包括乙醇、正丙醇、异丙醇的一种或多种，所述有机溶剂和水的质量比为(1-5):1。
9.一种如权利要求1～8任一所述膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将催化剂、质子导体聚合物和溶剂、调节物混合并分散均匀，形成催化剂墨水；
(2)采用喷涂法在质子交换膜的两侧分别喷涂阳极催化剂墨水和阴极催化剂墨水，形成阴极催化层和阳极催化层；
(3)通过热压在阴极催化层和阳极催化层外侧覆盖扩散层，得到所述膜电极。
10.如权利要求9所述的膜电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分散依次采用超声分散、高速均质和磁力搅拌；其中，超声分散时间为10-30min，超声频率为20-40KHz；所述高速均质分散时间为10-30min，转速为5000-10000rpm。磁力搅拌时间为10-30min；
步骤(2)中，所述喷涂法的工艺参数如下：喷涂流量6～15mL/min，吸盘加热温度80～130℃，喷头高度距离吸盘高度为20～40cm；
步骤(3)中，所述热压温度为120～200℃，热压时间为10～300s，热压压力为0.2～5MPa。
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