CN114737211B - 一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电解槽、水电解膜电极技术领域，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。具体包括一种较薄的全氟磺酸树脂膜为内膜，在其两侧表面通过静电纺丝技术涂覆含有两种纤维的纳米纤维薄层，其中一种纳米纤维起到加强膜强度的作用，另一种纤维起到电催化作用，两种纳米纤维可以同步或者交替纺丝到质子交换膜内膜表面。此多功能增强膜可以降低质子交换膜电解水制氢系统的固态电解质膜厚度，提高质子传导率，同时可以降低气体的渗透率；采用此多功能复合膜制备的膜电极可有助于提高质子交换膜水电解制氢的效率。

Description

一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用

技术领域

本发明属于电解水和固态电解质膜技术领域，特别涉及一种质子交换复合增强膜、制备方法、水电解膜电极及应用。

背景技术

质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）水电解槽（PEM WaterElectrolyzer，PEMWE）具有电流密度大、产氢速率高、气体纯度高、系统紧凑、可直接生产高压氢气等优点，其对外部电压变动响应迅速，电压操作范围广，可与波动性较大的可再生能源（风电、光电、水电等）兼容联用，用于生产绿氢，具有广阔的应用前景，是几年来产氢行业的研发热点。

在PEMWE系统中，膜电极组件（membrane-electrode assembly，MEA）是整个系统的核心部件，其性能和成本决定着整个系统的性能、寿命、成本及应用场景。MEA一般由三部分组成，包括：用于传导质子和分隔阴阳极的质子交换膜、用于析氧反应的阳极催化层及其多孔传输扩散层、和用于析氢反应的阴极电催化层及其扩散层，其中阳极催化层和阴极催化层分别处于质子交换膜的两侧。水电解膜电极中的电极催化剂层一般应具有合理的孔结构和孔分布以便于反应物（水）和产物（氢气和氧气）的传输，同时催化层与质子交换膜之间应结合紧密良好以降低接触电阻；质子交换膜具有较高质子传导率和低气体渗透率，尤其是氢气的渗透率应较低，以阻止氢气自阴极渗透至阳极，与阳极产生的氧气发生反应。氢气渗透至阳极将带来一系列严重的问题，包括：1）氢气与氧气混合带来安全隐患；2）氢气与阳极催化剂层中的铱基催化剂尤其是氧化铱发生反应，降低其耐久性；3）降低阳极氧气产物的纯度；4）渗透至阳极的氢气与氧气在阳极直接发生化学反应生成水，或发生电化学反应，构成寄生电流，降低电解效率。

为减少阴极产生的氢气向阳极扩散，目前水电解膜电极倾向于采用较厚的质子交换膜（100微米以上）。较厚的质子交换膜虽然能有效降低氢气的渗透，但由于较厚的质子膜质子传导阻率较高，必然会导致电解槽电压效率的降低。目前的水电解膜电极中阳极一侧仍然使用较多的铱基电催化剂（1.0~2.5 mg_Ir/cm²）以保证电解槽的性能和稳定性，而Ir资源的储量有限，价格昂贵，这是PEMWE成本较高的原因之一，成为水电解制氢大规模发展的瓶颈之一。采用更薄的质子交换膜将有助于克服上述困难，提高PEMWE的效率，是水电解膜电极发展的方向，但如何解决高压氢气渗透又是一个难题，同时厚度较低的质子交换膜的强度也是影响PEMWE稳定性和寿命的一个重要因素。

公告号为CN 112176361 A的发明专利公开了一种用于质子交换膜电解水的膜电极制备方法，主要是通过在铂基或铱基等电催化剂浆料制备过程中添加全氟丁基磺酸钾等含氟的磺酸类有机分子来构筑了有机-无机复合界面，用以改善氧气或氢气等电极生成气体在催化层的表面张力，加速气体脱离，减少传质过电位，提升电能到氢能的能量效率，改善电催化剂的电化学环境，增加催化层的寿命，从而提升膜电极整体性能，但未对所采用的质子交换膜性质做任何改进。

公告号为CN 113235120 A的发明专利公开了一种水电解制氢的膜电极及其制备方法，其中的质子传导固态电解质膜为一种含有两层质子交换膜和置于其间的催化剂夹层的三层复合结构，所述催化剂夹层为含铂或含铱的催化剂，此催化剂夹层有助于抑制渗氢量，提高产氢压力，降低风险。但该方法工艺略显复杂。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的质子交换膜改进的过程中，厚度较大的质子交换膜会降低电解槽电压效率以及通过改进质子交换膜来抑制渗氢量的过程中，方法比较复杂的技术缺陷，提供一种质子交换复合增强膜、水电解膜电极、制备方法及应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种质子交换复合增强膜，包括内膜和分别设置于内膜两侧的纳米纤维层，所述内膜包括全氟磺酸树脂，所述纳米纤维层包括全氟磺酸树脂、贵金属基催化剂和聚芳醚砜，所述聚芳醚砜以纳米纤维形式存在。

本发明提供了一种复合的多功能的质子交换膜，即将现在质子交换膜水电解用的较厚的质子交换膜替换成多个薄层复合的质子交换膜，以全氟磺酸树脂膜为内膜，内膜两侧形成有纳米纤维薄层，纳米纤维材料及结构增强了质子交换膜的强度，在降低内膜厚度的情况下，不会降低整体质子交换膜的性能，降低了厚度的质子交换膜有助于提高质子传导的电导率，这既可以降低质子交换膜水电解槽的能耗，又可以提高质子交换膜水电解槽的耐久性。内膜两侧的薄层中含有两类纳米纤维，一类是聚芳醚砜纤维，起到结构增强和骨架作用；另一类是由铂基催化剂和全氟磺酸树脂及纺丝材料构成的纳米纤维，这些纳米纤维构成了有序的连续的质子和电子传输通道，提高了析氢反应和氢气氧化反应的速率以及电化学反应效率。

作为本发明的优选方案，所述内膜厚度不超过150μm。

进一步优选的，所述内膜的厚度不超过100μm；

更进一步优选的，所述内膜的厚度不超过50μm。

所述内膜包括但不限于全氟磺酸树脂膜及以全氟磺酸树脂为质子传导媒介的各种复合膜，构成内膜的全氟磺酸树脂的化学当量（equivalent weight，EW）范围为750~1250。

作为本发明的优选方案，所述纳米纤维层中所使用的全氟磺酸树脂的EW值范围为750~1250，纳米纤维层中树脂固态含量为10.0~95.0 wt%。

具体的，位于质子交换膜阳极一侧的纳米纤维层为第一薄层，位于质子交换膜阴极一侧的纳米纤维层为第二薄层；

优选地，第一薄层中的树脂质量含量范围为30.0~95.0 wt%；

第二薄层中的树脂质量含量范围为5.0~50.0 wt%。

作为本发明的优选方案，第一薄层中贵金属的使用量为0.01~0.15mg/cm²。，所述第二薄层中，贵金属的使用量为0.05~0.5 mg/cm²。

作为本发明的优选方案，所述纳米纤维层中，铂基催化剂包括铂黑、碳载铂催化剂、铂基二元或多元金属催化剂（铂基二元或多元包括铂基和其他贵金属的合金，例如PtRu基，PtRuIr基）、铂基核壳二元或铂基核壳多元催化剂或其他贵金属催化剂中的一种或多种的任意组合。

作为本发明的优选方案，所述纳米纤维层中，聚芳醚砜的使用量范围为0.05~0.35mg/cm²；具体指内膜每一侧的所述聚芳醚砜的使用量范围。

作为本发明的优选方案，所述纳米纤维层的厚度为1-20 μm，优选的，所述纳米纤维层的厚度不超过15 μm。

一种质子交换复合增强膜制备方法，所述纳米纤维层通过静电纺丝法制备，具体包括如下制备步骤：

S101：准备纺丝液，所述纺丝液包括第一纺丝液和第二纺丝液，所述第一纺丝液中包括聚芳醚砜、二氯甲烷和二甲基甲酰胺；所述第二纺丝液包括铂基催化剂、全氟磺酸树脂、纺丝助剂及溶剂；第二纺丝液可根据需要而调整其中催化剂或全氟磺酸树脂的含量或两者之比例。

S102：将所述第一纺丝液和第二纺丝液以交替或同步的方式分别在内膜的两侧进行表面纺丝形成多层纳米纤维薄层构成的纳米纤维层结构。

优选的，将配制好的两种纺丝液直接在质子交换膜内膜表面纺丝，形成纳米纤维薄层；一侧纺丝结束并经干燥以挥发溶剂后，再在质子交换膜另一侧表面纺丝，制备另一侧的纳米纤维薄层；形成质子交换复合增强膜；

进一步优选的，还包括步骤S103：将质子交换复合增强膜置于一定温度下干燥，使溶剂挥发完全，得到成品的质子交换复合增强膜。优选的，根据需要将上述纳米纤维增强膜置于加热板中进行热压，使三层结合更加紧密。

优选的，所述纺丝助剂包括聚丙烯酸、聚环氧乙烷、聚乙烯醇中的任意一种；所述溶剂包括DMF、低碳醇、水中的任意一种或几种的任意组合。其中，低碳醇主要指分子式中碳的个数不超过6的一元醇或多元醇。

一种水电解用膜电极，包括质子交换复合增强膜，位于质子交换复合增强膜的一侧设置有阳极催化剂层和阳极多孔传输层；位于质子交换复合增强膜的另一侧设置有阴极气体扩散层。

作为本发明的优选技术方案，所述阳极催化剂层中包含铱基催化剂和全氟磺酸树脂。

优选的，所述铱基催化剂包括铱黑、氧化铱、铂铱合金、铱钌合金、铱钌氧化物及含有上述材料的负载型催化剂中的一种或多种的组合。

进一步优选的，所述阳极催化剂层中，金属铱的载量为0.1~2.6 mg/cm²；所述全氟磺酸树脂的用量（固态质量）范围为2.0%~30.0%，全氟磺酸树脂的EW值为750~1250。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明设计的质子交换复合增强膜与现有技术的质子交换膜相比，其厚度大幅度的降低，将其应用于水电解膜电极中后，极大的降低了质子传导的阻力，提高PEMWE的效率。

2、本发明设计的质子交换复合增强膜中，内膜两侧的纳米纤维薄层中的聚芳醚砜纤维可以明显提高所制备的质子传导树脂复合膜的强度，从而提升所制备的CCM（catalyst-coated membrane，催化剂涂层膜）或MEA的强度、耐久性和寿命。

3、本发明设计的质子交换复合增强膜中，其中一侧的含铂纳米纤维薄层在水电解反应中可以起到催化析氢反应的作用，另一侧的含铂纳米纤维薄层同时可以将渗透过来的氢气氧化掉，阻止氢气渗透至阳极的析氧通道中与氧气混合。

4、本发明设计的质子交换复合增强膜中，内膜的两侧分别包含两类纳米纤维，一类是聚芳醚砜纤维，起到结构增强和骨架作用；另一类是由铂基催化剂和全氟磺酸树脂及纺丝材料构成的纳米纤维，这类纳米纤维构成了有序的连续的质子和电子传输通道，提高了析氢反应和氢气氧化反应的速率以及电化学反应效率。

附图说明

图1是本发明中制备纳米纤维增强膜的静电纺丝装置示意图，其中301为注射器支架，302与303为注射器，分别用于注射纺丝液A和B或C，303为滚筒收集器。

图2是为本发明的制备基于PEM的水电解用CCM流程示意图；

图3本发明的基于PEM的水电解用CCM极结构的结构示意图。（其中401为用作内膜的质子交换膜；402为纳米纤维薄层，一般是指铂使用量略高的一侧；403为另一侧的纳米纤维薄层；401、402、403为组成纳米纤维增强膜的三部分；404为含有铱基电催化剂的PEMWE阳极催化剂层。）

图4为本发明的基于PEM的水电解用膜电极结构示意图。（其中501为用作内膜的质子交换膜；502为纳米纤维薄层，一般是指铂使用量略高的一侧；503为另一侧的纳米纤维薄层；504为含有铱基电催化剂的PEMWE阳极催化剂层；505为阳极多孔传输层；506为阴极碳纸扩散层。）

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种质子交换多功能复合增强膜的制备方法，参考图1-2，具体包括以下步骤：

S101、纺丝液的制备：

其中，包括第一纺丝液和第二纺丝液，具体的，第一纺丝液中包括聚芳醚砜、二氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液，聚芳醚砜含量为15wt%，二氯甲烷和二甲基甲酰胺的体积比例为3：2；标记为纺丝液A；

所述第二纺丝液包括铂基催化剂、全氟磺酸树脂、纺丝助剂及溶剂；

配制含铂基催化剂的两种墨水，溶剂为去离子水和正丙醇，两种墨水的体积比为1：3；纺丝助剂为PAA（平均分子量450000）；铂基催化剂为碳载铂催化剂，其中铂含量为50wt%；

第二纺丝液包括纺丝液B和纺丝液C；

第二纺丝液由铂基催化剂、全氟磺酸树脂、纺丝助剂及溶剂构成的催化剂墨水；墨水中PAA含量5wt%，固体含量为10wt%（固体包括铂碳催化剂、全氟磺酸树脂及PAA），其中一种墨水中铂碳催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为4：1（纺丝液B），另一种墨水中铂碳催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1：4（纺丝液C）。

S102、纳米纤维薄层的制备：

选用科慕全树脂膜（Nafion™ NE1035，厚度89μm）为内膜，将其置于静电纺丝滚筒收集器上，将配制好的纺丝液A和纺丝液B分别置于滚筒收集器上方两侧的注射器内，直接在质子交换膜表面纺丝，正电压设置为15千伏，负电压设置为5千伏 ，距离10厘米，纺丝液推进速度0.8毫升每小时，滚筒转速100rpm，形成混丝纳米纤维薄层（标记为D面）。

一侧纺丝结束后，将带有一侧纳米纤维薄层的质子交换膜取下，60度干燥一小时后翻转，再固定于滚筒收集器上，在质子交换膜另一侧表面用纺丝液A和纺丝液C纺丝，形成另一侧的混丝纳米纤维薄层（标记为E面）。

通过纺丝液B或C的消耗量，计算D面和E面的铂的使用量，分别为0.3 mg/cm²和0.05 mg/cm²。两侧的纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量均为0.35 mg/cm²。

S103、后处理：纺丝结束后，将复合膜置于60度烘箱中干燥三小时。再将上述复合膜置于热压机中，140度热压2分钟。即得质子交换多功能复合增强膜成品。

实施例2

CCM制备：以实施例1中制备的质子交换复合增强膜作为PEMWE用质子交换膜制备PEMWE用CCM；

具体包括以下步骤：

S201、催化剂浆料配制：将IrO₂催化剂、Nafion树脂溶液（树脂含量20wt.%）和溶剂混合均匀得到阳极催化层浆料，其中IrO₂催化剂和树脂（固态）含量的质量比为9：1。

S202、CCM制备：将配制好的阳极催化层浆料通过超声喷涂的方式涂敷于步骤S103复合膜E面，经80℃干燥后形成阳极催化层，其中Ir使用量为0.5 mg/cm²。此时得到纳米纤维增强膜/氧化铱催化层的水电解用CCM结构。CCM结构参考图3；

CCM测试：将钛毡、经步骤S202得到的水电解CCM及气体扩散层（带微孔层的碳纸）及密封垫（参考图4所示）依次叠放于单蛇形流场的测试夹具中，逐渐施加5N·m的力将夹具锁紧即得到单电池。使用直流电源进行性能测试，水温和电池温度均保持为80℃，阴极背压为1 MPa。

实施例3

本实施例提供一种质子交换复合增强膜，该质子交换复合增强膜按照实施例1的制备方法制备得到。

区别在于：使用Nafion™ 212（膜厚50.8μm）作为纳米纤维增强膜的内膜，其他步骤同实施例1，纳米纤维增强膜D面和E面的铂的使用量分别为0.35 mg/cm²和0.05 mg/cm²。两侧的纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量均为0.35mg/cm²。

按照实施例2制备膜电极并进行测试。

实施例4

本实施例提供一种质子交换复合增强膜，该质子交换复合增强膜按照实施例3的制备方法制备得到。

其中，内膜同实施例3，纺丝液C（铂碳催化剂墨水）中铂碳催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1：5，纳米纤维增强膜D面和E面的铂的使用量分别为0.35 mg/cm²和0.05 mg/cm²。两侧的纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量均为0.35mg/cm²。

按照实施例2制备膜电极并进行测试。

实施例5

本实施例提供一种质子交换复合增强膜，该质子交换复合增强膜按照实施例1的制备方法制备得到。

其区别在于：使用Nafion™ 211（膜厚25.4μm）作为纳米纤维增强膜的内膜，其他步骤同实施例4，纺丝液C（铂碳催化剂墨水）中铂碳催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1：9，纳米纤维增强膜D面和E面的铂的使用量分别为0.4 mg/cm²和0.1 mg/cm²，两侧的纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量均为0.35mg/cm²。

按照实施例2制备膜电极并进行测试。

实施例6

本实施例提供一种质子交换复合增强膜，该质子交换复合增强膜按照实施例4的制备方法制备得到，使用Nafion™ 212（膜厚50.8μm）作为纳米纤维增强膜的内膜，其他步骤同实施例4，纺丝液C（铂碳催化剂墨水）中铂碳催化剂与全氟磺酸树脂的质量比为1：9，纳米纤维增强膜D面和E面的铂的使用量分别为0.35 mg/cm²和0.05 mg/cm²，但两侧的纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量均为0.45mg/cm²。并按照同样的步骤依次制备另外两种质子交换复合增强膜，其纳米纤维薄层中聚芳醚砜的载量分别为0.25mg/cm²、0.15mg/cm²、0.05mg/cm²。对实施例4及实施例6所制备的质子交换复合增强膜进行机械强度测试，测试方法如文献【Fuqiang Liu et al., Journal of Membrane Science 212 (2003) 213–223.】所述。按照实施例2制备膜电极并进行测试。

对比例1

质子交换复合增强膜的内膜选用科慕全树脂膜（Nafion™ NE1035，厚度89μm）为PEMWE用质子交换膜。

配制铂碳催化剂浆料固体含量为3wt%（固体包括铂碳催化剂及全氟磺酸树脂及PAA），铂碳催化剂（铂含量为50wt%）与全氟磺酸树脂的质量比为4：1，溶剂为去离子水和正丙醇，两者体积比为1：3。该浆料用于制备PEMWE阴极催化剂层。

配制铱基催化剂浆料，将IrO₂催化剂、Nafion树脂溶液（树脂含量20wt.%）和溶剂混合均匀得到阳极催化层浆料，其中IrO₂催化剂和树脂含量的质量比为9：1。该浆料用于制备PEMWE阳极催化剂层。

将上述两种催化剂浆料分别超声喷涂于Nafion™ NE1035膜两侧形成PEMWE阳极及阴极催化剂层，制备PEMWE用CCM，其中阳极催化剂层中铱的使用量为为0.5mg/cm²，阴极催化剂层中铂的使用量为0.5 mg/cm²。

将钛毡、经上述步骤得到的水电解CCM及气体扩散层（带微孔层的碳纸）依次叠放于单蛇形流场的测试夹具中，逐渐施加5N·m的力将夹具锁紧即得到单电池。使用直流电源进行性能测试，水温和电池温度均保持为80℃，阴极背压为1 MPa。

对比例2

采用Nafion™ 115（膜厚127μm）为PEMWE电解质膜；其他与对比例1相同，其中阳极催化剂层中铱的使用量为为1.5 mg/cm²，阴极催化剂层中铂的使用量为0.5 mg/cm²。

对比例3

采用Nafion™ 117（膜厚183μm）为PEMWE电解质膜；其他与对比例1相同，其中阳极催化剂层中铱的使用量为1.5 mg/cm²，阴极催化剂层中铂的使用量为0.5 mg/cm²。

表1为实施例2-6以及对比例1-3中所制备的膜电极的基本信息

表2. 纳米纤维多功能增强膜的强度测试结果

表2中对比了聚芳醚砜纳米纤维在质子交换内膜两侧的薄膜中的含量对复合多功能膜的强度的影响，从中可以看出，即使两侧的聚芳醚砜纳米纤维含量仅为0.05毫克每平方厘米，相对于原始膜，其增强效果也较为明显；随着聚芳醚砜纳米纤维含量的增加，多功能增强膜的强度得到明显提升，当两侧的聚芳醚砜纳米纤维含量分别为0.35毫克每平方厘米时，多功能增强膜的强度甚至超过了183毫米厚度的全树脂膜，而后者是目前质子交换膜水电解制氢用的电解池中常用的一种全树脂膜。由此可见，通过在质子交换膜的结构中，添加一定比例的聚芳醚砜纤维，有效的提高了质子交换膜的强度。

表3为实施例2-6以及对比例1-3中所制备的膜电极的性能数据统计表

表3为实施例2-6和对比例1-3所制备膜电极的性能数据。质子交换膜的厚度对PEMWE膜电极的性能影响较为明显，操作电位在1.75V时电流密度随着膜厚度的降低有较为明显的增加，即使采用同样的膜厚度（实施例2与对比例1），由于纳米纤维薄层的存在，提高了质子传导率，减少了气体渗透，也导致电流密度有一定改善，说明纳米纤维薄层的存在能明显改善膜电极的水电解性能。从实施例2到实施例5的对比可以看出，降低质子交换膜的厚度有助于提升PEMWE的性能。

表4 实施例2-6和对比例1-3中采用不同膜电极产生的气体纯度对比

	阳极侧氧气纯度	阴极侧氢气纯度
			实施例2	100%	100%
实施例3	100%	99.95%
			实施例4（0.35）	99.95%	99.87%
实施例5	99.44%	99.62%
			实施例6 （0.45）	100%	100%
对比例1	98.79%	98.32%
			对比例2	99.03%	98.82%
对比例3	99.31%	99.94%

表4为采用实施例2-6和对比例1-3所制备膜电极的电解槽所生产的阴阳极气体的纯度比较，其工作电流密度为2安培每平方厘米。通过实施例2和对比例1的气体纯度对比可以看出，纳米纤维增强膜对抑制气体渗透的作用非常明显，不仅仅是因为纳米纤维薄层中的致密的纳米纤维层有助于抑制气体的相互渗透，纳米纤维薄层中的铂基催化剂也有助于消解微量的氢气，使之无法渗透到氧气侧。同时可以看出，即使内膜厚度较薄时，如实施例5，纳米纤维增强膜也能有效地抑制气体的渗透，电解槽所产生的气体的纯度甚至与采用175微米的厚膜的电解槽相当，充分证明了纳米纤维薄层、纳米纤维增强膜以及本发明所公开的膜电极结构的有效性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种质子交换复合增强膜，其特征在于，包括内膜和分别设置于内膜两侧的纳米纤维层，所述内膜为全氟磺酸树脂膜，所述内膜厚度不超过150μm；所述纳米纤维层中包括全氟磺酸树脂、贵金属基催化剂和聚芳醚砜，所述聚芳醚砜以纳米纤维形式存在；聚芳醚砜的使用量范围为0.05~0.5 mg/cm²，所述纳米纤维层的厚度为1-20 μm，所述纳米纤维层包括第一薄层和第二薄层，所述第一薄层和所述第二薄层分别设置于所述内膜的两侧；所述第一薄层中树脂质量含量范围为30wt%~95 wt%；所述第一薄层中贵金属的使用量为0.01~0.15mg/cm²；所述第二薄层中树脂质量含量范围为5wt%~50 wt%；所述第二薄层中，贵金属的使用量为0.05~0.5 mg/cm²；

所述质子交换复合增强膜按照如下方式制备：

S101：准备纺丝液，所述纺丝液包括第一纺丝液和第二纺丝液，所述第一纺丝液中包括聚芳醚砜、二氯甲烷和二甲基甲酰胺；所述第二纺丝液包括铂基催化剂、全氟磺酸树脂、纺丝助剂及溶剂；

S102：将所述第一纺丝液和第二纺丝液以交替或同步的方式分别在内膜的两侧进行表面纺丝形成多层纳米纤维薄层构成的纳米纤维层结构，得到质子交换复合增强膜半成品；

S103：将质子交换复合增强膜半成品进行干燥或热压处理，得到质子交换复合增强膜成品。

2.根据权利要求1所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述内膜的厚度不超过100μm。

3.根据权利要求1所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层中，所述贵金属基催化剂包括铂基催化剂或其他贵金属基催化剂中的一种或多种的组合；

所述铂基催化剂包括铂黑、碳载铂催化剂、铂基二元金属催化剂、铂基多元金属催化剂、铂基核壳二元催化剂或铂基核壳多元催化剂中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的质子交换复合增强膜，其特征在于，所述纳米纤维层的厚度不超过15μm。

5.一种水电解膜电极，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的质子交换复合增强膜，在所述质子交换复合增强膜的第一薄层一侧设置有，阳极催化剂层和阳极多孔传输层，在所述质子交换复合增强膜的第二薄层一侧设置有阴极气体扩散层。

6.根据权利要求5所述的水电解膜电极，其特征在于，所述阳极催化剂层中包含铱基催化剂和全氟磺酸树脂；所述铱基催化剂包括铱黑、氧化铱、铂铱合金、铱钌合金、铱钌氧化物及含有上述材料的负载型催化剂中的一种或多种的组合。

7.权利要求5-6中任一项所述的水电解膜电极在水电解槽中的应用。

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