CN116053542A - 梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极及制备方法，涉及到以铂碳、氧化铱为催化剂涂层的一种梯度叠层孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备：在膜电极催化层膜侧及近扩散层侧实现不同孔隙的叠层催化结构，通过调整贵金属纳米颗粒和修饰电极全氟磺酸的比例、综合催化剂涂敷膜技术以及催化剂涂敷扩散层技术二者优点，使得膜电极性能显著提高，并呈现梯度孔隙和更好的表面润湿性，不仅大幅度提高膜电极催化层三项界面反应速率，而且操作简便，可连续制备大面积膜电极成品。设计思路同时还可以用于质子交换膜燃料电池的催化层设计，以及阴离子交换膜等催化剂等金属纳米颗粒沉积在膜两侧用于创造三项界面加快反应速率等领域。
Description
技术领域
本发明属于用表面加工、涂层方法生产质子交换膜电解水制氢膜电极的技术领域和催化材料科学领域，特别涉及到以铂碳、氧化铱为催化剂涂层的一种梯度叠层孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法。
背景技术
在“双碳”目标的政策背景下，风-光等波动性电源为代表的可再生能源和间歇式电源发展迅速，氢能被认为是储存波动性电源能量的最佳手段，质子交换膜电解水制氢作为一种重要的制氢方式，以其响应迅速、能量密度高等特点在解决波动性电源发电不连续性的储能问题的同时，为氢能高效清洁制取提供可持续方案。
目前，以铂碳、二氧化铱为催化剂涂层的膜电极的超声喷涂制备方法在催化层的设计中倾向于单一均匀，在催化层孔隙结构及界面控制设计没有明确指引，现有技术，如中国申请专利，其申请号：CN202210623065，公开号：CN114959765A，公开了一种膜电极用胶粘剂及膜电极料浆制备方法、膜电极及质子交换膜水电解池，通过添加纳米微球状氟碳聚合物作为胶粘剂制备膜电极浆料，其制备过程添加较多有机物，工艺复杂，且浆料添加疏水材料，对催化层界面润湿性影响较大进而影响膜电极性能。现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN201780021158，公开号：CN109075348A，公开了一种膜电极组件的制造方法、由其制造的膜电极组件和包括该膜电极组件的燃料电池，通过在干燥催化剂浆料混合物中添加甘油及异丙醇，超声使催化剂浆料组合物再均质化改善离聚物的分散性，但该操作对于膜电极的实际膜表面沉积影响因素并不绝对，且对照组浆料条件过于绝对导致催化剂颗粒沉淀，均匀性不好导致最终膜电极性能差异，应用前景不高。
现有技术没有明确提出通过调控膜电极浆料配比及喷涂参数来调控催化层叠层孔隙结构及界面润湿特性的方法，且现有质子交换膜电解池膜电极的制备方法多倾向于制备均匀的催化剂浆料，仅是制备膜电极的实验基础，是影响膜电极最终性能的参数之一，具有局限性，但是实验室制备高性能膜电极应用到大规模产业化还需要工艺参数支持。因此，明确一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法对质子交换膜电解水制氢膜电极制备技术领域的发展具有重要意义。
发明内容
本发明以阳极IrO2、阴极Pt/C纳米颗粒及Nafion作为催化层主体，公开一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，包括以下步骤：
一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将40%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将超纯水与异丙醇以体积比先后加入，加入超纯水后，冰水浴超声后再次加入异丙醇，并保证所配催化剂浆料固含量2wt%，再次冰水浴超声，使得浆料内各物质均匀混合，将超声后的浆料在冰水浴下连续多次超声破碎，使得催化剂颗粒在溶剂中分散，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液1；
步骤2：将20%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，分别重复步骤1中过程，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液2、阳极IrO2催化剂悬浊液3以及阳极IrO2催化剂悬浊液4；
步骤3：将上述所有制备完成的浆液置于磁力搅拌等待备用；
步骤4：将Nafion115膜裁剪成若干面积的方块，在5wt%过氧化氢溶液中处理后用去离子水冲洗；在1mol/L硫酸溶液中处理后再用去离子水冲洗，使Nafion膜质子导率激活后放入鼓风干燥箱干燥备用，得到预处理后的质子交换膜；
步骤5：将处理后的Nafion115膜置于超声喷涂设备真空吸附加热板上，保持热板温度，确保膜面平整覆盖石英掩膜以确定喷涂中心位置，保证膜电极有效负载面积，设置氮气载气压力、浆料喷涂流量、喷头移动速度、将Pt/C催化剂悬浊液1和IrO2催化剂悬浊液3分别超声喷涂沉积在Nafion115膜两侧，形成Nafion膜两侧的催化层结构；
步骤6：将Toray H60及钛纤维毡分割，经丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗后，放入鼓风干燥备用；
步骤7：设置氮气载气压力表压、浆料喷涂流量、喷头移动速度、将Pt/C催化剂悬浊液2和IrO2催化剂悬浊液4分别超声喷涂在阴极扩散层碳纸以及阳极扩散层钛毡上，形成阴极催化层2及阳极催化层4，制备出质子交换膜电解水的气体扩散电极；
步骤8：将步骤6中所制得膜电极用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装，将步骤6中阴阳极气体扩散电极分别置于步骤5所制备膜电极阴阳极催化层两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度、压力、保压时间，制得质子交换膜电解水梯度孔隙结构膜电极。
本发明还公开一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极结构，其特征在于：其特征表现为在膜电极阴阳极催化层分为两层，在近膜侧和近扩散层侧形成梯度分布以满足反应更加高效发生。
本发明还公开一种膜电极在单电池测试系统，该系统用于测量由权利要求2所述的方法制备的质子交换膜电解池膜电极；其特征为：将去离子水自储蓄罐经由横流蠕动泵作用下进入给水加热器，后通过单电池测试夹具阳极侧发生反应生成氧气，并回流到储蓄罐中，通过PID温控仪控制热电阻对给水加热器以及膜电极测试夹具本体进行加热，经由电化学工作站对膜电极进行电化学测试表征；阳极采用钛板蛇形流场，扩散层科德宝0.25mm厚钛毡；阴极采用石墨板蛇形流场，扩散层东丽H60碳纸，有效面积2.5×2.5cm2，蠕动泵去离子水流量20ml/min，电解池温度80℃，GAMRY电化学工作站测试极化曲线。
目前市面上商业膜电极普遍采用催化剂涂敷膜技术（CCM技术）或催化剂涂敷扩散层制备气体扩散电极（GDE）技术（CCS技术）其中的一种方法，但是各有利弊，CCM技术优点是催化层与膜之间接触电阻小，但是制备过程中膜易溶胀受损，CCS技术则制备简便，但是接触电阻较大。催化剂浆料采用特定比例Nafion含量形成均一的膜电极阳极催化层和阴极催化层，即阳极催化层是一种Nafion含量，阴极催化层是一种Nafion含量。实际中，在膜电极的近Nafion膜端和近扩散层端的催化层内部存在着不同速率的催化反应作用，近膜侧催化层催化剂利用率高。
1、在本发明中因此结合CCM技术和CCS技术的各自优点以及催化层近膜侧和近扩散层侧反应剧烈程度以及对于载量的需求。利用分层喷涂将在Nafion膜侧形成高Nafion聚合物含量的的催化层的催化剂涂敷膜（CCM）结构，达到近膜侧高载量，低孔隙率的催化层底层，在此扩散层的基础上继续喷涂低Nafion聚合物含量的催化剂，形成气体扩散电极（GDE），形成近扩散层侧的高孔隙率，低载量的催化层上层。从而在催化层形成孔隙梯度的催化剂分层分布，不仅满足近膜侧催化层催化剂载量高，利用率高的优点，更在近扩散层侧形成高孔隙界面，有利于气液两相传输。
2、本发明通过改进催化剂浆料悬浊液Nafion和喷涂工艺手段对膜电极催化层进行分层设计，针对近膜侧和近扩散层侧进行催化剂叠层分布，形成近膜侧高载量、低孔径，近扩散层侧低载量、高孔径的叠层结构，既有利于三项界面水汽两相流分布，也改善了催化层表面气液两相传输，从而加快催化反应速率，提高膜电极性能。实现贵金属总载量降低，降低生产制备成本，性能更加良好的膜电极组件。
3、本发明所设计的膜电极催化层叠层结构思路不仅可以用于制备质子交换膜电解池膜电极，同时还可以用于质子交换膜燃料电池的催化层设计，以及阴离子交换膜等催化剂等金属纳米颗粒沉积在膜两侧用于创造三项界面加快反应速率等领域。
附图说明
图1为商业膜电极和实施例3所制备的膜电极纵向切面的结构示意图。其特征表现为在膜电极阴阳极催化层分为两层，在近膜侧和近扩散层侧形成梯度分布以满足反应更加高效发生。
图2为本发明膜电极制备流程图。通过采用超声喷涂机分别对Nafion膜进行近膜侧催化层喷涂和对扩散层就进行近扩散层侧超声喷涂形成扩散层，最后统一热压成型。
图3为实施例膜电极实验测试系统示意图。去离子水自储蓄罐经由横流蠕动泵作用下进入给水加热器，后通过单电池测试夹具阳极侧发生反应生成氧气，并回流到储蓄罐中，通过PID温控仪控制热电阻对给水加热器以及膜电极测试夹具本体进行加热，经由Gamry电化学工作站对膜电极进行电化学测试表征。
图4为单电池夹具结构示意图。
图5为实施例1、2、3膜电极在单电池测试系统中，在电池温度80℃，进水流量20ml/min的测试条件下，所测得的极化曲线测试。
实施方式
为了使测试数据具有可比性，所以在相同的单电池夹具以及相同的测试条件下对不同膜电极进行极化曲线测试，及测试条件统一为：
阳极采用钛板蛇形流场，扩散层科德宝0.25mm厚钛毡；阴极采用石墨板蛇形流场，扩散层东丽H60碳纸，有效面积2.5×2.5cm2，蠕动泵去离子水流量20ml/min，电解池温度80℃，GAMRY电化学工作站测试极化曲线。
实施例1：
步骤1：将40%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比4：1混合，将超纯水与异丙醇以体积比1:10先后加入，加入超纯水后，冰水浴超声10分钟再次加入异丙醇，并保证所配催化剂浆料固含量2wt%，再次冰水浴超声10分钟，使得浆料内各物质均匀混合，将超声后的浆料在冰水浴下连续3次超声破碎10分钟，使得催化剂颗粒在溶剂中良好分散，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液1；
步骤2：将上述所有制备完成的浆液置于磁力搅拌900rpm过夜等待备用；
步骤3：将Nafion115膜裁剪成若干面积为4×4cm2大小的方块，在5wt%过氧化氢溶液中80℃处理60分钟，后用去离子水冲洗，去除表面杂质，再在1mol/L硫酸溶液中80℃处理60分钟，后再用去离子水冲洗，去除表面金属杂质，使Nafion膜质子导率激活，后放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用，得到预处理后的质子交换膜；
步骤4：将处理后的Nafion115膜置于超声喷涂设备真空吸附加热板上方，保持热板温度90℃，确保膜面平整覆盖石英掩膜以确定喷涂中心位置，保证膜电极有效负载面积2.5×2.5cm2，设置氮气载气压力表压100pa，浆料喷涂流量1ml/min，喷头移动速度15mm/s，将Pt/C催化剂悬浊液1和IrO2催化剂悬浊液3分别超声喷涂沉积在Nafion115膜两侧，形成Nafion膜两侧的催化层结构。（即图1中1-阴极催化层-Naifon115-1-阳极催化层）；
步骤5：将Toray H60及钛纤维毡分割为2.6×2.6cm2，经丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗10分钟后，放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用。
步骤6：将步骤4中所制得膜电极用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装5秒，将步骤5中扩散层分别置于步骤5所制备膜电极阴阳极催化层两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度140℃，压力450kg，保压时间10分钟，制得CCM膜电极。
实施例
步骤1：将20%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比8:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比10:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比5：1~10：1混合，分别重复步骤1中过程，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液2、阳极IrO2催化剂悬浊液3以及阳极IrO2催化剂悬浊液4；
步骤2：将上述所有制备完成的浆液置于磁力搅拌900rpm过夜等待备用；
步骤3：将Nafion115膜裁剪成若干面积为4×4cm2大小的方块，在5wt%过氧化氢溶液中80℃处理60分钟，后用去离子水冲洗，去除表面杂质，再在1mol/L硫酸溶液中80℃处理60分钟，后再用去离子水冲洗，去除表面金属杂质，使Nafion膜质子导率激活，后放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用，得到预处理后的质子交换膜；
步骤4：将Toray H60及钛纤维毡分割为2.6×2.6cm2，经丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗10分钟后，放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用。
步骤5：设置氮气载气压力表压100pa，浆料喷涂流量1.5ml/min，喷头移动速度20mm/s，将Pt/C催化剂悬浊液2和IrO2催化剂悬浊液4分别超声喷涂在阴极扩散层碳纸以及阳极扩散层钛毡上，形成图1中阴极催化层2及阳极催化层4，制备出质子交换膜电解水的气体扩散电极（即阳极扩散层-2-阳极催化层，阴极扩散层-2-阴极催化层）；
步骤6：将步骤3中所制得Nafion115用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装5秒，将步骤5中阴阳极气体扩散电极分别置于步骤3所制备Nafion膜两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度140℃，压力450kg，保压时间10分钟，制得气体扩散电极CCS型膜电极。
实施例3：
步骤1：将40%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比4：1混合，将超纯水与异丙醇以体积比1:10先后加入，加入超纯水后，冰水浴超声10分钟再次加入异丙醇，并保证所配催化剂浆料固含量2wt%，再次冰水浴超声10分钟，使得浆料内各物质均匀混合，将超声后的浆料在冰水浴下连续3次超声破碎10分钟，使得催化剂颗粒在溶剂中良好分散，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液1；
步骤2：将20%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比8:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比10:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比5：1~10：1混合，分别重复步骤1中过程，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液2、阳极IrO2催化剂悬浊液3以及阳极IrO2催化剂悬浊液4；
步骤3：将上述所有制备完成的浆液置于磁力搅拌900rpm过夜等待备用，通过搅拌使得催化剂浆料整体保持均匀；
步骤4：将Nafion115膜裁剪成若干面积为4×4cm2大小的方块，在5wt%过氧化氢溶液中80℃处理60分钟，用于去除膜表面杂质，后用去离子水冲洗，去除表面杂质，再在1mol/L硫酸溶液中80℃处理60分钟，用于去除表面金属离子，后再用去离子水冲洗，使Nafion膜质子导率激活，后放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用，得到预处理后的质子交换膜；
步骤5：将处理后的Nafion115膜置于超声喷涂设备真空吸附加热板上方，保持热板温度90℃，确保膜面平整覆盖石英掩膜以确定喷涂中心位置，保证膜电极有效负载面积2.5×2.5cm2，设置氮气载气压力表压100pa，浆料喷涂流量1ml/min，喷头移动速度15mm/s，载气压力有利于使得载量附带催化剂雾化滴液更加分散均匀，喷涂流量和移动速度匹配有利于使得喷涂到膜上的催化剂浆料迅速蒸发掉异丙醇而剩下催化剂负载在膜上。将Pt/C催化剂悬浊液1和IrO2催化剂悬浊液3分别超声喷涂沉积在Nafion115膜两侧，形成Nafion膜两侧的催化层结构。（即图1中1-阴极催化层-Naifon115-1-阳极催化层），；
步骤6：将Toray H60及钛纤维毡分割为2.6×2.6cm2，经丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗10分钟后，放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用。
步骤7：设置氮气载气压力表压100pa，浆料喷涂流量1.5ml/min，喷头移动速度20mm/s，将Pt/C催化剂悬浊液2和IrO2催化剂悬浊液4分别超声喷涂在阴极扩散层碳纸以及阳极扩散层钛毡上，形成图1中阴极催化层2及阳极催化层4，制备出质子交换膜电解水的气体扩散电极（即阳极扩散层-2-阳极催化层，阴极扩散层-2-阴极催化层）；
步骤8：将步骤6中所制得膜电极用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装5秒，将步骤6中阴阳极气体扩散电极分别置于步骤5所制备膜电极阴阳极催化层两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度140℃，压力450kg，保压时间10分钟，热压保证图1所示五层结构膜电极能够接触紧密，降低接触电阻，制得质子交换膜电解水梯度孔隙结构膜电极。（即阳极扩散层-2-阳极催化-1-阳极催化层-质子交换膜-1-阴极催化层-2-阴极催化层-阴极扩散层的结构）。
通过对以上实施例所制得膜电极1、2、3进行的极化曲线结果对比图2可见：实施例3通过步骤7和8在对催化层进行了梯度分层制备的处理方式，形成了在近膜侧载量高、孔隙小，近扩散层侧载量低，孔隙大的结构特点，且在相同电流密度下，电池电压更低，消耗功率更低，电化学性能更好。相比于均相孔隙结构的膜电极催化层，梯度叠层孔隙结构的膜电极表现出更好极化性能。实施例3为最佳实施例。
实施例
如图1所示，与图1左所示传统膜电极结构的阳极扩散层-阳极催化层-质子交换膜-阴极催化层-阴极扩散层的五层结构不同的是，在本发明中根据实际反应过程中对于催化层三相界面的催化剂利用情况，对阳极催化层和阴极催化层进行了更精细化的梯度分层处理，即阳极扩散层-2-阳极催化层-1-阳极催化层-质子交换膜-1-阴极催化层-2-阴极催化层-阴极扩散层的七层结构，在靠近质子交换膜的两侧的催化层，即1-阳极催化层和1-阴极催化层，使用高催化剂含量以及高聚合物含量的催化层进行直接对膜喷涂负载催化剂，能够利用近膜两侧催化剂利用率高的特点，提高整体性能。在靠近扩散层的两层催化层，即2-阳极催化层和2-阴极催化层，采用低聚合物含量、低催化剂负载的催化层对扩散层进行喷涂，利用近扩散层侧三相界面的物料传输特点，创造更大孔隙，更低催化剂负载的催化层，从而降低催化剂载量。同时也综合了直接喷附膜CCM技术和直接喷涂扩散层的CCS技术特点，并最终热压成型，在近膜侧和近扩散层侧形成梯度分布以满足反应更加高效发生。从而综合降低催化层催化剂载量并提高性能。、
实施例
如图2所示，催化剂浆料经由浆料入口，在N2载气的推动下，经由超声喷头进行破碎，分散成极细的催化剂浆料液滴喷出，质子交换膜/扩散层等被喷涂的载体被真空加热板吸附在其上，并进行均匀加热，以保证被喷涂表面平整以及浆料喷洒至表面后，其内部异丙醇溶剂迅速挥发，确保形成的催化层均匀，也防止质子交换膜不均匀吸附溶剂发生肿胀，影响催化层均匀平整性。
实施例
一种膜电极在单电池测试系统，如图3其特征为：去离子水自储蓄罐经由横流蠕动泵作用下进入给水加热器，后通过单电池测试夹具阳极侧发生反应生成氧气，并回流到储蓄罐中，通过PID温控仪控制热电阻对给水加热器以及膜电极测试夹具本体进行加热，经由Gamry电化学工作站对膜电极进行电化学测试表征。电化学测试过程中，采用采用阶梯恒电流法，测试不同电流密度下单电池夹具对应的电池电压后组合成极化曲线。
以及一种单电池测试夹具，如图4所示，由端板、双极板、聚四氟乙烯垫片及热封膜组成，将制备好的膜电极在热封膜进行两侧热缩，并利用聚四氟乙烯垫片配平高度并进行密封后，夹入钛双极板中，利用螺栓进行固定用于但电池测试系统中进行膜电极性能测试。
本发明提出采用超声喷涂法，将贵金属纳米IrO2、Pt/C分别作为阴极和阳极催化层催化剂，通过调整贵金属纳米颗粒和修饰电极全氟磺酸（Nafion）的比例、固含量与分散剂异丙醇的比例、超声破碎时间制备喷涂浆料悬浊液高度分散，并保持纳米尺度，通过控制喷涂过程中加热底板温度、喷嘴移动速度、液体流量、载气压力、喷涂循环周期制备的膜电极催化层，使得膜电极性能显著提高，并呈现梯度孔隙和更好的表面润湿性，不仅可以大幅度提高膜电极催化层三项界面反应速率，而且制备过程操作简便，可连续制备大面积膜电极成品。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极结构，其特征在于：其特征表现为在膜电极阴阳极催化层分为两层，在近膜侧和近扩散层侧形成梯度分布以满足反应更加高效发生。
2.一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，该质子交换膜电解池膜电极的结构为权利要求1所述的梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极结构，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将40%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将超纯水与异丙醇以体积比先后加入，加入超纯水后，冰水浴超声后再次加入异丙醇，并保证所配催化剂浆料固含量2wt%，再次冰水浴超声，使得浆料内各物质均匀混合，将超声后的浆料在冰水浴下连续多次超声破碎，使得催化剂颗粒在溶剂中分散，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液1；
步骤2：将20%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比混合，分别重复步骤1中过程，形成阴极Pt/C催化剂悬浊液2、阳极IrO2催化剂悬浊液3以及阳极IrO2催化剂悬浊液4；
步骤3：将上述所有制备完成的浆液置于磁力搅拌等待备用；
步骤4：将Nafion115膜裁剪成若干面积的方块，在5wt%过氧化氢溶液中处理后用去离子水冲洗；在1mol/L硫酸溶液中处理后再用去离子水冲洗，使Nafion膜质子导率激活后放入鼓风干燥箱干燥备用，得到预处理后的质子交换膜；
步骤5：将处理后的Nafion115膜置于超声喷涂设备真空吸附加热板上，保持热板温度，确保膜面平整覆盖石英掩膜以确定喷涂中心位置，保证膜电极有效负载面积，设置氮气载气压力、浆料喷涂流量、喷头移动速度、将Pt/C催化剂悬浊液1和IrO2催化剂悬浊液3分别超声喷涂沉积在Nafion115膜两侧，形成Nafion膜两侧的催化层结构；
步骤6：将Toray H60及钛纤维毡分割，经丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗后，放入鼓风干燥备用；
步骤7：设置氮气载气压力表压、浆料喷涂流量、喷头移动速度、将Pt/C催化剂悬浊液2和IrO2催化剂悬浊液4分别超声喷涂在阴极扩散层碳纸以及阳极扩散层钛毡上，形成阴极催化层2及阳极催化层4，制备出质子交换膜电解水的气体扩散电极；
步骤8：将步骤6中所制得膜电极用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装，将步骤6中阴阳极气体扩散电极分别置于步骤5所制备膜电极阴阳极催化层两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度、压力、保压时间，制得质子交换膜电解水梯度孔隙结构膜电极。
3.根据权利要求2所述的一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括如下内容：将40%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比4：1混合，将超纯水与异丙醇以体积比1:10先后加入，加入超纯水后，冰水浴超声10分钟再次加入异丙醇，并保证所配催化剂浆料固含量2wt%，再次冰水浴超声10分钟，使得浆料内各物质均匀混合，将超声后的浆料在冰水浴下连续3次超声破碎10分钟，使得催化剂颗粒在溶剂中良好分散。
4.根据权利要求2所述的一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括如下内容：将20%Pt/C与5wt%的Nafion溶液按固体质量比8:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比10:1混合，将IrO2与5wt%的Nafion溶液按固体质量比5：1~10：1混合。
5.根据权利要求2所述的一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括如下内容：将Nafion115膜裁剪成若干面积为4×4cm2大小的方块，在5wt%过氧化氢溶液中80℃处理60分钟，后用去离子水冲洗，去除表面杂质，再在1mol/L硫酸溶液中80℃处理60分钟，后再用去离子水冲洗，去除表面金属杂质，使Nafion膜质子导率激活，后放入鼓风干燥箱50℃干燥1h等待备用。
6.根据权利要求2所述的一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括如下内容：将处理后的Nafion115膜置于超声喷涂设备真空吸附加热板上方，保持热板温度90℃，确保膜面平整覆盖石英掩膜以确定喷涂中心位置，保证膜电极有效负载面积2.5×2.5cm2，设置氮气载气压力表压100pa，浆料喷涂流量1ml/min，喷头移动速度15mm/s。
7.根据权利要求2所述的一种梯度孔隙催化层的质子交换膜电解池膜电极的制备方法，其特征在于，所述步骤8进一步包括如下内容：将步骤6中所制得膜电极用PET薄膜热压塑封处理，膜电极每边热封装5秒，将步骤6中阴阳极气体扩散电极分别置于步骤5所制备膜电极阴阳极催化层两侧，放于金属压板中放入热压机，设置热板温度140℃，压力450kg，保压时间10分钟，制得质子交换膜电解水梯度孔隙结构膜电极。
8.一种膜电极在单电池测试系统，该系统用于测量由权利要求2所述的方法制备的质子交换膜电解池膜电极；其特征为：将去离子水自储蓄罐经由横流蠕动泵作用下进入给水加热器，后通过单电池测试夹具阳极侧发生反应生成氧气，并回流到储蓄罐中，通过PID温控仪控制热电阻对给水加热器以及膜电极测试夹具本体进行加热，经由电化学工作站对膜电极进行电化学测试表征；阳极采用钛板蛇形流场，扩散层科德宝0.25mm厚钛毡；阴极采用石墨板蛇形流场，扩散层东丽H60碳纸，有效面积2.5×2.5cm2，蠕动泵去离子水流量20ml/min，电解池温度80℃，GAMRY电化学工作站测试极化曲线。
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