CN114420944A - 一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池 - 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与燃料电池。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和密封部件；所述阳极催化层包括阳极第一催化层和阳极第二催化层；所述阳极第一催化层和阴极催化层分别设置在质子膜的两侧；所述阳极第一催化层与阳极气体扩散层之间设置有阳极第二催化层；所述阴极气体扩散层设置于阴极催化层远离质子膜的一侧；所述密封部件用于固定阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层。本发明通过设置阳极第一催化层和阴极催化层，并采用密封部件将其与质子膜固定，保证了燃料电池的反应活性；通过设置阳极第二催化层，提高了燃料电池膜电极的抗反极能力和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池膜电极，尤其涉及一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池。
背景技术
氢燃料电池，利用氢气和氧气发生反应，将化学能直接转化为电能。由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、功率密度大、应用成熟等特点，在汽车上得到广泛应用。目前我国商用车保有量虽只占汽车保有量的12％左右，却制造了道路交通CO2排放的56％，因此，氢燃料电池将是商用车达成“碳达峰”和“碳中和”的有效解决方案。目前商用车燃料电池寿命为10000-15000h，还达不到与内燃机相媲美的寿命要求，因此提升寿命是商用车燃料电池推广应用的最重要问题之一。
但燃料电池汽车在实际运行过程中的供排气故障、恶劣工况、操作失误、低温冷启动、流场问题等引起的阳极欠气是加速燃料电池衰减的重要因素，燃料电池阳极缺氢时，阳极无法进行HOR反应以提供质子和电子，电堆中串联的其他单电池会提供能量对氢饥饿的单电池进行电容性充电，阳极电位升高，阴极电位保持不变，单电池电压反转，单电池的电压为负，即发生所谓的“反极”。此时为了维持电荷平衡，在阳极高电位下，发生水解而生成质子和电子，一段时间后，水电解反应无法维持电荷平衡时，阳极电位继续升高，此时膜电极催化层内的碳载体甚至气体扩散层会发生氧化反应，继续提供质子和电子，严重影响电池的性能和耐久性。
CN 111082078A公开了一种高性能且抗电压反转的膜电极组件的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将催化剂、抗反极的电解水催化材料和适量nafion溶液依次加入到烧杯中，搅拌10分钟，再加入分散剂，分散均匀，获得阳极浆料；步骤二、将阳极浆料喷涂在质子交换膜的阳极侧；步骤三、将催化剂和适量nafion溶液加入到烧杯中，搅拌10分钟，再加入分散剂，分散均匀，获得阴极浆料；步骤四、将阴极浆料喷涂在质子交换膜的阴极侧，获得所需的CCM；步骤五、将制备好的CCM与气体扩散层、聚酯边框通过油压机施加70kg/cm2的力热压得到MEA；步骤六、将制备的MEA组装成单电池，进行性能测试及抗反极测试。
CN 110534780A公开了一种质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，在质子膜的两面分别涂覆上Pt/C催化层制得CCM膜半成品，对CCM膜半成品阳极面的四周边缘均涂覆上抗反极浆料层达到抗反极的目的。
CN 111900420A公开了一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池提供一种阳极催化剂浆料、阳极催化剂层、膜电极及燃料电池。主要采用的技术方案为一种阳极催化剂浆料，用于制备燃料电池的阳极催化剂层，其中，阳极催化剂浆料包括催化剂浆料本体和电解水催化剂。催化剂浆料本体中含有碳载贵金属催化剂；其中，碳载贵金属催化剂包括碳载体和负载于碳载体上的贵金属。电解水催化剂用于催化电解水反应；其中，电解水催化剂的质量是贵金属质量的20-100％。阳极催化剂层是将上述的阳极催化剂浆料涂设在质子交换膜上，干燥后得到。
上述技术方案中抗反极浆液与阳极浆液共混制备阳极催化层，虽然可以改善电池得抗反极性能，但是严重降低阳极催化层HOR反应活性，进而降低电池整体性能；将抗反极浆液单独制备到阳极催化层得四周，阳极HOR活性虽然可以保证，但仅能改善边缘膜穿孔现象，进而导致对于膜电极中心区域产生的反极现象无法进行抵抗。
如何提高燃料电池中的膜电极的抗反极性能，解决由于阳极燃料供应不足而引起电压反极导致的膜电极损伤问题，是氢燃料电池亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池膜电极及其制备方法与燃料电池，通过设置阳极第一催化层和阴极催化层，保证了燃料电池的总反应活性，避免了阳极浆液中抗反极浆液的存在降低HOR反应进程。通过在阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层，提高了燃料电池的抗反极能力，提升了膜电极的性能和耐久性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种燃料电池膜电极，所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和密封部件；
所述阳极催化层包括阳极第一催化层和阳极第二催化层；
所述阳极第一催化层和阴极催化层分别设置在质子膜的两侧；
所述阳极第一催化层与阳极气体扩散层之间设置有阳极第二催化层；
所述阴极气体扩散层设置于阴极催化层远离质子膜的一侧；
所述密封部件用于固定阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层。
本发明提供的燃料电池膜电极，通过设置阳极第一催化层和阴极催化层在质子膜两侧，设置密封部件将阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层固定组装，保证了燃料电池的总反应活性和电性能；通过在阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层，保证了燃料电池反应活性的同时，提高了燃料电池膜电极抗反极能力，进而提升了燃料电池膜电极的性能和耐久性。
优选地，所述阳极气体扩散层的厚度为200-280μm，例如可以是200μm、220μm、240μm、260μm或280μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阳极第一催化层的厚度为1.5-4μm，例如可以是1.5μm、2μm、2.5μm、3μm或4μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阳极第二催化层的厚度为0.5-1μm，例如可以是0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述质子膜的厚度为8-18μm，例如可以是8μm、10μm、12μm、14μm、16μm或18μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阴极催化层的厚度为6-15μm，例如可以是6μm、8μm、10μm、12μm或15μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阴极气体扩散层的厚度为160-250μm，例如可以是160μm、180μm、200μm、220μm或250μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阳极第一催化层的铂载量为0.05-0.1mg/cm2，例如可以是0.05mg/cm2、0.06mg/cm2、0.07mg/cm2、0.08mg/cm2、0.09mg/cm2或0.1mg/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阳极第二催化层的催化剂包括金属单质、金属氧化物或碳负载金属中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括金属单质和金属氧化物的组合，金属氧化物和碳负载金属的组合，金属单质和碳负载金属的组合，或金属单质、金属氧化物和碳负载金属的组合。
优选地，所述金属包括铱和/或钌。
常规膜电极将抗反极浆液与阳极浆液共混制备阳极催化层，或者将抗反极浆液单独制备到阳极催化层的四周，而本发明提供的燃料电池膜电极将阳极催化层分层设置为阳极第一催化层和阳极第二催化层。阳极第一催化层中的主要成分为阳极浆液，通过与质子膜和阴极催化层密封固定，保证了燃料电池的反应活性，避免了抗反极浆液中抗反极催化剂对铂的屏蔽效应，提高了阳极催化层中HOR反应活性，进而提高了电池整体性能。阳极第二催化层中的主要成分为抗反极浆液，当阳极发生气体欠气时，阳极第二催化层中发生水电解，保护了膜电极中的碳不被氧化，从而在保证膜电极性能的同时，提高了膜电极自身的抗反极能力，进而提升了膜电极的性能和耐久性。
优选地，所述阴极催化层的铂载量为0.1-0.35mg/cm2，例如可以是0.1mg/cm2、0.15mg/cm2、0.2mg/cm2、0.25mg/cm2、0.3mg/cm2或0.35mg/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述质子膜包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架包括PTFE和/或PBI；所述膜材料包括磺酸膜。
优选地，所述密封部件包括设置于阴极催化层和阴极气体扩散层之间的阴极密封层，以及设置于阳极第一催化层和阳极第二催化层之间的阳极密封层。
优选地，所述阴极密封层的厚度为50-90μm，例如可以是50μm、60μm、70μm、80μm或90μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述阳极密封层的厚度为50-90μm，例如可以是50μm、60μm、70μm、80μm或90μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述燃料电池膜电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，干燥，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层与阴极催化层；
(2)设置密封部件；
(3)阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层浆液，干燥，形成阳极第二催化层；
(4)设置阳极气体扩散层于阳极第二催化层外侧，阴极气体扩散层于阴极催化层外侧，得到所述燃料电池膜电极。
优选地，步骤(1)所述阳极第一催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂。
优选地，所述催化剂包括碳负载铂催化剂。
优选地，所述碳负载铂催化剂包括Pt/C、Pt-Co/C或Pt-Ni/C中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括Pt/C与Pt-Co/C的组合，Pt-Co/C与Pt-Ni/C的组合，Pt/C与Pt-Ni/C的组合，或Pt/C、Pt-Co/C与Pt-Ni/C的组合。
优选地，所述催化剂中铂的质量为20-60wt％，例如可以是20wt％、30wt％、40wt％、50wt％或60wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述催化剂为本领域常规方法制备得到的催化剂，区别仅在于铂的负载量不同，本发明在此不对具体型号进行限定。
优选地，所述离子聚合物的当量值为850-1000g/eq，例如可以是850g/eq、870g/eq、900g/eq、950g/eq或1000g/eq，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:(0.73-1.13)，例如可以是1:0.73、1:0.8、1:0.83、1:0.9、1:0.93、1:1、1:1.03或1:1.13，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:(30-152)，例如可以是1:30、1:33、1:53、1:61、1:83、1:93、1:100、1:120、1:133或1:152，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合包括水与甲醇的组合，甲醇与乙醇的组合，乙醇与异丙醇的组合，异丙醇与正丙醇的组合，正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇与乙醇的组合，甲醇、乙醇与异丙醇的组合，乙醇、异丙醇与正丙醇的组合，异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇、乙醇与异丙醇的组合，或甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合。
优选地，步骤(1)所述阴极催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂。
优选地，所述催化剂包括碳负载铂催化剂。
本发明所述催化剂为本领域常规方法制备得到的催化剂，区别仅在于铂的负载量不同，本发明在此不对具体型号进行限定。
优选地，所述碳负载铂催化剂包括Pt/C、Pt-Co/C或Pt-Ni/C中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括Pt/C与Pt-Co/C的组合，Pt-Co/C与Pt-Ni/C的组合，Pt/C与Pt-Ni/C的组合，或Pt/C、Pt-Co/C与Pt-Ni/C的组合。
优选地，所述催化剂中铂的质量为40-60wt％，例如可以是40wt％、45wt％、50wt％、55wt％或60wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述离子聚合物的当量值为700-860g/eq，例如可以是700g/eq、740g/eq、760g/eq、800g/eq或860g/eq，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:(0.78-1.11)，例如可以是1:0.78、1:0.8、1:0.83、1:0.9、1:0.93、1:1、1:1.05或1:1.11，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:(30-152)，例如可以是1:30、1:33、1:53、1:61、1:83、1:93、1:100、1:120、1:133或1:152，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合包括水与甲醇的组合，甲醇与乙醇的组合，乙醇与异丙醇的组合，异丙醇与正丙醇的组合，正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇与乙醇的组合，甲醇、乙醇与异丙醇的组合，乙醇、异丙醇与正丙醇的组合，异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇、乙醇与异丙醇的组合，或甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合。
优选地，步骤(2)所述密封部件的材质包括聚萘二甲酸乙二醇酯和/或聚酰亚胺。
优选地，步骤(3)所述阳极第二催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂。
优选地，所述催化剂、离子聚合物和溶剂的质量比为1:(0.1-0.6):(200-500)，例如可以是1:0.11:200、1:0.2:300、1:0.3:400、1:0.5:450或1:0.6:500，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述催化剂包括金属单质、金属氧化物或碳负载金属中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括金属单质和金属氧化物的组合，金属氧化物和碳负载金属的组合，金属单质和碳负载金属的组合，或金属单质、金属氧化物和碳负载金属的组合。
优选地，所述金属包括铱和/或钌。
优选地，所述离子聚合物的当量值为700-860g/eq，例如可以是700g/eq、740g/eq、760g/eq、800g/eq或860g/eq，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述溶剂包括水、异丙醇、正丙醇或乙醇中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的组合包括水与甲醇的组合，甲醇与乙醇的组合，乙醇与异丙醇的组合，异丙醇与正丙醇的组合，正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇与乙醇的组合，甲醇、乙醇与异丙醇的组合，乙醇、异丙醇与正丙醇的组合，异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合，水、甲醇、乙醇与异丙醇的组合，或甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇与乙二醇的组合。
优选地，步骤(4)所述设置包括加压贴合。
优选地，所述加压贴合的压力为80-120kg/cm2，例如可以是80kg/cm2、90kg/cm2、100kg/cm2、110kg/cm2或120kg/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述加压贴合的时间为5-10s，例如可以是5s、6s、7s、8s、9s或10s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池含有如第一方面所述的燃料电池膜电极。
由以上技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明提供的燃料电池膜电极，通过设置阳极第一催化层和阴极催化层在质子膜两侧，设置密封部件将阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层固定组装，保证了燃料电池的总反应活性和电性能；通过在阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层，保证了燃料电池反应活性的同时，提高了燃料电池膜电极抗反极能力，进而提升了燃料电池膜电极的性能和耐久性。
附图说明
图1是本发明提供的燃料电池膜电极的结构示意图。
其中，1-质子膜，2-阳极第一催化层，3-阳极第二催化层，4-阴极催化层，5-阴极气体扩散层，6-阳极气体扩散层，7-密封部件。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围。
为了便于说明本发明提供的技术方案，本发明具体实施方式中所用催化剂为按照相同方法制备得到的催化剂，区别仅在于铂的负载量不同。
实施例1
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述阳极气体扩散层6的厚度为240μm，阳极第一催化层2的厚度为2μm，阳极第二催化层3的厚度为0.8μm，质子膜1的厚度为13μm，阴极催化层4的厚度为10μm，阴极气体扩散层5的厚度为200μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.08mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为氧化铱，所述阴极催化层4的铂载量为0.22mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件7包括设置于阴极催化层4和阴极气体扩散层5之间的阴极密封层，还包括设置于阳极第一催化层2和阳极第二催化层3之间的阳极密封层，所述密封层的厚度为70μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜1的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，60℃干燥7min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层2与阴极催化层4；
(2)设置密封部件7，所述密封部件7的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯(群翌，HB260)；
(3)阳极第一催化层2外侧设置阳极第二催化层浆液，60℃干燥7min，形成阳极第二催化层3；
(4)以100kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层6于阳极第二催化层3外侧8s，以100kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层5于阴极催化层4外侧8s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为40％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为900g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为50％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，Pt/C催化剂与离子聚合物的质量比为1:1，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阳极第二催化层浆液由质量比为1:0.3:350的氧化铱、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
实施例2
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述阳极气体扩散层6的厚度为220μm，阳极第一催化层2的厚度为2μm，阳极第二催化层3的厚度为0.6μm，质子膜1的厚度为10μm，阴极催化层4的厚度为8μm，阴极气体扩散层5的厚度为180μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.07mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为铱黑，所述阴极催化层4的铂载量为0.15mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PBI(德国Fumatech，AM-40)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件7包括设置于阴极催化层4和阴极气体扩散层5之间的阴极密封层，还包括设置于阳极第一催化层2和阳极第二催化层3之间的阳极密封层，所述密封层的厚度为60μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜1的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，50℃干燥8min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层2与阴极催化层4；
(2)设置密封部件7，所述密封部件7的材质为聚酰亚胺(上海广备科技有限公司，Armor3766)；
(3)阳极第一催化层2外侧设置阳极第二催化层浆液，50℃干燥8min，形成阳极第二催化层3；
(4)以90kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层6于阳极第二催化层3外侧9s，以90kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层4于阴极催化层3外侧9s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt-Co/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt-Co/C催化剂中铂的质量为30％，所述Pt-Co/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1.05，所述Pt-Co/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:99，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为880g/eq，所述溶剂为质量比1:4的水和乙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt-Co/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt-Co/C催化剂中铂的质量为45％，所述Pt-Co/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1.05，所述Pt-Co/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:99，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为750g/eq，所述溶剂为质量比1:4的水和乙醇。
所述阳极第二催化层浆液由质量比为1:0.2:300的铱黑、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为750g/eq，所述溶剂为质量比1:4的水和乙醇。
实施例3
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述阳极气体扩散层6的厚度为260μm，阳极第一催化层2的厚度为3.5μm，阳极第二催化层3的厚度为0.9μm，质子膜1的厚度为16μm，阴极催化层4的厚度为12μm，阴极气体扩散层5的厚度为220μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.09mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为钌，所述阴极催化层4的铂载量为0.3mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PBI(美国杜邦，4645)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件7包括设置于阴极催化层4和阴极气体扩散层5之间的阴极密封层，还包括设置于阳极第一催化层2和阳极第二催化层3之间的阳极密封层，所述密封层的厚度为80μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜1的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，70℃干燥6min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层2与阴极催化层4；
(2)设置密封部件7，所述密封部件7的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯(群翌，HB260)；
(3)阳极第一催化层2外侧设置阳极第二催化层浆液，70℃干燥6min，形成阳极第二催化层3；
(4)以110kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层6于阳极第二催化层3外侧6s，以110kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层5于阴极催化层4外侧6s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt-Ni/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt-Ni/C催化剂中铂的质量为50％，所述Pt-Ni/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:0.85，所述Pt-Ni/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:53，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为950g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和乙二醇。
所述阴极催化层浆液由Pt-Ni/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt-Ni/C催化剂中铂的质量为55％，所述Pt-Ni/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:0.85，所述Pt-Ni/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:53，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为820g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和乙二醇。
所述阳极第二催化层浆液由质量比为1:0.4:400的钌、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为820g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和乙二醇。
实施例4
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述阳极气体扩散层6的厚度为200μm，阳极第一催化层2的厚度为1.5μm，阳极第二催化层3的厚度为0.5μm，质子膜1的厚度为8μm，阴极催化层4的厚度为6μm，阴极气体扩散层5的厚度为160μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.05mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为氧化钌，所述阴极催化层4的铂载量为0.1mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件7包括设置于阴极催化层4和阴极气体扩散层5之间的阴极密封层，还包括设置于阳极第一催化层2和阳极第二催化层3之间的阳极密封层，所述密封层的厚度为50μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜1的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，40℃干燥10min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层2与阴极催化层4；
(2)设置密封部件7，所述密封部件7的材质为聚酰亚胺(上海广备科技有限公司，Armor3766)；
(3)阳极第一催化层2外侧设置阳极第二催化层浆液，40℃干燥10min，形成阳极第二催化层3；
(4)以80kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层6于阳极第二催化层3外侧11s，以80kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层5于阴极催化层4外侧11s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为20％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:0.73，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:33，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为850g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和甲醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为40％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:0.78，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:33，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为700g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和甲醇。
所述阳极第二催化层浆液由质量比为1:0.1:200的氧化钌、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为700g/eq，所述溶剂为质量比1:1的水和甲醇。
实施例5
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述阳极气体扩散层6的厚度为280μm，阳极第一催化层2的厚度为4μm，阳极第二催化层3的厚度为1μm，质子膜1的厚度为18μm，阴极催化层4的厚度为15μm，阴极气体扩散层5的厚度为250μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.1mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为碳负载铱催化剂，所述阴极催化层4的铂载量为0.35mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件7包括设置于阴极催化层4和阴极气体扩散层5之间的阴极密封层，还包括设置于阳极第一催化层2和阳极第二催化层3之间的阳极密封层，所述密封层的厚度为90μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜1的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，80℃干燥5min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层2与阴极催化层3；
(2)设置密封部件7，所述密封部件7的材质为聚酰亚胺(上海广备科技有限公司，Armor3766)；
(3)阳极第一催化层2外侧设置阳极第二催化层浆液，80℃干燥5min，形成阳极第二催化层3；
(4)以80kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层6于阳极第二催化层3外侧11s，以80kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层5于阴极催化层4外侧11s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为60％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1.13，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:152，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为1000g/eq，所述溶剂为乙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为60％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1.11，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:152，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为860g/eq，所述溶剂为乙醇。
所述阳极第二催化层浆液由质量比为1:0.6:500的碳负载铱催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为860g/eq，所述溶剂为乙醇。
实施例6
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(1)所述阳极第一催化层浆液中Pt/C催化剂的铂的质量为15％外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(1)所述阳极第一催化层浆液中Pt/C催化剂的铂的质量为65％外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(1)所述阳极第一催化层浆液中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为0.7外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(1)所述阳极第一催化层浆液中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1.2外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(4)所述加压贴合的压力为70kg/cm2外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(4)所述加压贴合的压力为130kg/cm2外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例12
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(4)所述加压贴合的时间为3s外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例13
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层6、阳极第一催化层2、阳极第二催化层3、质子膜1、阴极催化层4、阴极气体扩散层5和密封部件7。
所述燃料电池膜电极除制备方法中步骤(4)所述加压贴合的时间为12s外，其余工艺步骤与实施例1相同。
实施例14
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。除密封部件中密封层的厚度为40μm外，其余结构组分与实施例1相同。
实施例15
本实施例提供了一种燃料电池膜电极，结构示意图如图1所示。除密封部件中密封层的厚度为100μm外，其余结构组分与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种燃料电池膜电极，所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和密封部件。
所述阳极气体扩散层的厚度为240μm，阳极催化层的厚度为2.8μm，质子膜的厚度为13μm，阴极催化层的厚度为10μm，阴极气体扩散层的厚度为200μm。
所述阳极催化层的铂载量为0.08mg/cm2，所述阴极催化层的铂载量为0.22mg/cm2。
所述质子膜包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件包括设置于阴极催化层和阴极气体扩散层之间的阴极密封层，还包括设置于阳极催化层和阳极气体扩散层之间的阳极密封层；所述密封层的厚度为70μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜的两侧分别设置阳极催化层浆液与阴极催化层浆液，60℃干燥7min，在质子膜两侧分别形成阳极催化层与阴极催化层；
(2)设置密封部件，所述密封部件的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯(群翌，HB260)；
(3)以100kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层于阳极催化层外侧8s，以100kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层于阴极催化层外侧8s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为40％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为900g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为50％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
对比例2
本对比例提供了一种燃料电池膜电极，所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和密封部件。
所述阳极气体扩散层的厚度为240μm，阳极催化层的厚度为2.8μm，质子膜的厚度为13μm，阴极催化层的厚度为10μm，阴极气体扩散层的厚度为200μm。
所述阳极催化层的铂载量为0.08mg/cm2，所述阴极催化层的铂载量为0.22mg/cm2。
所述质子膜包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。所述密封部件包括设置于阴极催化层和阴极气体扩散层之间的阴极密封层，还包括设置于阳极催化层和阳极气体扩散层之间的阳极密封层；所述密封层的厚度为70μm。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜的两侧分别设置阳极催化层浆液与阴极催化层浆液，60℃干燥7min，在质子膜两侧分别形成阳极催化层与阴极催化层；
(2)设置密封部件，所述密封部件的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯(群翌，HB260)；
(3)以100kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层于阳极催化层外侧8s，以100kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层于阴极催化层外侧8s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为40％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为900g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、氧化铱、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为50％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
对比例3
本对比例提供了一种燃料电池膜电极，所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极第一催化层、阳极第二催化层、质子膜、阴极催化层和阴极气体扩散层和密封部件。但阳极密封将第一、二催化层一同密封进去。
所述阳极气体扩散层的厚度为240μm，阳极第一催化层的厚度为2μm，阳极第二催化层的厚度为0.8μm，质子膜的厚度为13μm，阴极催化层的厚度为10μm，阴极气体扩散层的厚度为200μm。
所述阳极第一催化层2的铂载量为0.08mg/cm2，所述阳极第二催化层3的催化剂为氧化铱；所述阴极催化4层的铂载量为0.22mg/cm2。
所述质子膜1包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架为PTFE(上海三爱富，F201)；所述膜材料为磺酸膜(东岳，DMR100)。
所述燃料电池膜电极的制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，60℃干燥7min，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层与阴极催化层；
(2)阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层浆液，60℃干燥7min，形成阳极第二催化层；
(3)以100kg/cm2的压力加压贴合阳极气体扩散层于阳极第二催化层外侧8s，以100kg/cm2的压力加压贴合阴极气体扩散层于阴极催化层外侧8s，得到所述燃料电池膜电极。
其中，所述阳极第一催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为40％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为900g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阴极催化层浆液由Pt/C催化剂、离子聚合物和溶剂组成，所述Pt/C催化剂中铂的质量为50％，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:1，所述Pt/C催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:61，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
所述阳极第二催化层由质量比为1:0.3:350的氧化铱、离子聚合物和溶剂组成，所述离子聚合物为质量分数为5％的Nafion，所述离子聚合物的EW值为800g/eq，所述溶剂为质量比1:3的水和正丙醇。
将实施例1-15和对比例1-3制备的燃料电池膜电极按照GB/T 29838-2013组装成有效面积为25cm2的单电池。单电池的测试条件如下：电池温度75℃、氢气/空气化学计量比为1.5/2.0、湿度为RH60％，背压为100kPa。
将单电池进行抗反极测试，测试条件如下：阳极为氮气，阴极为空气，湿度RH60％，阴阳极均为背压，气体流量均为1L/min，电池温度75℃。给电池加0.2A/cm2的电流载荷，待电池电压稳定后将阳极由氢气切换为氮气进入模拟反极工况，电池电压迅速下降到0V以下，当电池电压到达截止电压-1.5V时恒流源施加电流自动切断，模拟反极测试停止。记录从阳极切换至氮气到自动停止的时间即为停机反极连续运行时间，测试结果如表1所示。
表1
从表1中的数据可以得出如下结论：
(1)由实施例1-5的结果可知，本发明通过设置阳极第一催化层和阴极催化层在质子膜两侧，设置密封部件将阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层固定组装，保证了燃料电池的总反应活性和电性能；通过在阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层，保证了燃料电池反应活性的同时，提高了燃料电池膜电极抗反极能力，进而提升了燃料电池膜电极的性能和耐久性。
(2)由实施例6、7与实施例1的比较可知，当阳极第一催化层浆液中的铂的质量超过20-60％时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，这表明本发明提供的阳极第一催化层浆液中的铂的质量有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。因为小于20％时载体过多，活性铂较少导致催化效果不佳，同时在高电位条件下载体过多铂过少更易被腐蚀，因此抗反极性能较差；当大于60％时，载体过少，活性铂电化学表面积减少，催化效果不佳，同时在高电位条件下，载体过少因此抵御腐蚀能力较差。
(3)由实施例8、9与实施例1的比较可知，当阳极第一催化层浆液中的负载碳的质量与离子聚合物的质量比超过0.73-1.13的范围时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，比值过低铂碳催化剂电子传导受到抑制、与抗反极催化剂的结合力较差，比值过高质子传导受到抑制、对抗反极催化剂的活性产生抑制，影响催化反应效果，这表明本发明提供的阳极第一催化层浆液中负载碳的质量与离子聚合物的质量有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。
(4)由实施例10、11与实施例1的比较可知，当燃料电池膜电极的制备方法中步骤(4)所述加压贴合的压力超过80-120kg/cm2的范围时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，这表明本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法中步骤(4)所述加压贴合的压力有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。压力过大导致气体扩散层空隙过密，阻碍气体通过和水排出，影响膜电极功率密度和抗反极能力，压力过小导致催化层与气体扩散层接触电阻、第一催化层和第二催化层阻抗增加，影响膜电极功率密度和抗反极能力。
(5)由实施例12、13与实施例1的比较可知，当燃料电池膜电极的制备方法中步骤(4)所述加压贴合的时间超过5-10s的范围时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，这表明本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法中步骤(4)所述加压贴合的时间有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。时间过长导致气体扩散层空隙过密，阻碍气体通过和水排出，影响膜电极功率密度和抗反极能力，时间过短导致催化层与气体扩散层接触电阻、第一催化层和第二催化层阻抗增加，影响膜电极功率密度和抗反极能力。
(6)由实施例14、15与实施例1的比较可知，当燃料电池膜电极的密封层的厚度超过50-90μm时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，这表明燃料电池膜电极的密封层的厚度有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。密封厚度过厚，导致催化层与气体扩散层接触电阻、第一催化层和第二催化层电阻增加，影响膜电极功率密度和抗反极能力，气体密封厚度过薄对质子膜支撑作用不够导致质子膜易产生形变，影响膜电极功率密度和抗反极能力。
(7)由对比例1与实施例1的比较可知，当不设置阳极第二催化层时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，因为第二催化层起到抗反极的作用，同时对铂催化起到协同效果，本发明提供的燃料电池膜电极中设置阳极第二催化层有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。
(8)由对比例2与实施例1的比较可知，当将阳极第一催化层和阳极第二催化层的材料混合成一层阳极催化层时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，因为抗反极催化剂与铂存在遮蔽效应，因为变成一层时反应活性降低、抗反极能力减弱，本发明提供的燃料电池膜电极中分层设置阳极催化层的结构有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。
(9)由对比例3与实施例1的比较可知，当密封部件设置在阳极第二催化层里时，燃料电池膜电极的性能差、且抗反极能力低，因为阳极第二催化层易对第一催化层铂催化起遮蔽作用，将其密封在第一催化层外面，起到一定的隔离作用，不仅降低了第二催化层对第一催化层铂催化的遮蔽效应，中间的空隙可以存留更多的水，延长了抗反极时间。本发明提供的密封部件有利于制备得到具有反应活性高且抗反极能力强的燃料电池膜电极。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池膜电极，其特征在于，所述燃料电池膜电极包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子膜、阴极催化层、阴极气体扩散层和密封部件；
所述阳极催化层包括阳极第一催化层和阳极第二催化层；
所述阳极第一催化层和阴极催化层分别设置在质子膜的两侧；
所述阳极第一催化层与阳极气体扩散层之间设置有阳极第二催化层；
所述阴极气体扩散层设置于阴极催化层远离质子膜的一侧；
所述密封部件用于固定阳极第一催化层、质子膜和阴极催化层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述阳极气体扩散层的厚度为200-280μm；
优选地，所述阳极第一催化层的厚度为1.5-4μm；
优选地，所述阳极第二催化层的厚度为0.5-1μm；
优选地，所述质子膜的厚度为8-18μm；
优选地，所述阴极催化层的厚度为6-15μm；
优选地，所述阴极气体扩散层的厚度为160-250μm。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述阳极第一催化层的铂载量为0.05-0.1mg/cm2；
优选地，所述阳极第二催化层的催化剂包括金属单质、金属氧化物或碳负载金属中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属包括铱和/或钌；
优选地，所述阴极催化层的铂载量为0.1-0.35mg/cm2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池膜电极，其特征在于，所述质子膜包括膜骨架和涂敷于膜骨架上的膜材料；所述膜骨架包括PTFE和/或PBI；所述膜材料包括磺酸膜；
优选地，所述密封部件包括设置于阴极催化层和阴极气体扩散层之间的阴极密封层，以及设置于阳极第一催化层和阳极第二催化层之间的阳极密封层；
优选地，所述阴极密封层的厚度为50-90μm；
优选地，所述阳极密封层的厚度为50-90μm。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)质子膜的两侧分别设置阳极第一催化层浆液与阴极催化层浆液，干燥，在质子膜两侧分别形成阳极第一催化层与阴极催化层；
(2)设置密封部件；
(3)阳极第一催化层外侧设置阳极第二催化层浆液，干燥，形成阳极第二催化层；
(4)设置阳极气体扩散层于阳极第二催化层外侧，阴极气体扩散层于阴极催化层外侧，得到所述燃料电池膜电极。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述阳极第一催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂；
优选地，所述催化剂包括碳负载铂催化剂；
优选地，所述碳负载铂催化剂包括Pt/C、Pt-Co/C或Pt-Ni/C中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述催化剂中铂的质量为20-60wt％；
优选地，所述离子聚合物的当量值为850-1000g/eq；
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:(0.73-1.13)；
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:(30-152)；
优选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述阴极催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂；
优选地，所述催化剂包括碳负载铂催化剂；
优选地，所述碳负载铂催化剂包括Pt/C、Pt-Co/C或Pt-Ni/C中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述催化剂中铂的质量为40-60wt％；
优选地，所述离子聚合物的当量值为700-860g/eq；
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与离子聚合物的质量比为1:(0.78-1.11)；
优选地，所述催化剂中负载碳的质量与溶剂的质量比为1:(30-152)。
优选地，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇或乙二醇中的任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述密封部件的材质包括聚萘二甲酸乙二醇酯和/或聚酰亚胺；
优选地，步骤(3)所述阳极第二催化层浆液包括催化剂、离子聚合物和溶剂；
优选地，所述催化剂、离子聚合物和溶剂的质量比为1:(0.1-0.6):(200-500)；
优选地，所述催化剂包括金属单质、金属氧化物或碳负载金属中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属包括铱和/或钌；
优选地，所述离子聚合物的当量值为700-860g/eq；
优选地，所述溶剂包括水、异丙醇、正丙醇或乙醇中的任意一种或至少两种的组合。
9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述设置包括加压贴合；
优选地，所述加压贴合的压力为80-120kg/cm2；
优选地，所述加压贴合的时间为5-10s。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池含有根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池膜电极。
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