CN116963824A - 质子交换膜水电解器膜电极组件 - Google Patents

质子交换膜水电解器膜电极组件 Download PDF

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Abstract

一种交换膜，包括，如具有第一厚度的第一层膜，厚度小于第一厚度的第二层膜，第二层膜中含有催化剂，第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量，交换膜在第一层膜和第二层膜之间具有界面。在一些实施方案中，膜电极组件(MEA)包括不含催化剂的第一层膜，和/或交换膜包括双层交换膜。

Description

质子交换膜水电解器膜电极组件
要求优先权
本申请要求于2021年2月2日提交的申请号为63/144,539、名称为“质子交换膜水电解器膜电极组件”的美国临时专利申请的优先权，该美国临时申请在此通过引用全部并入本申请。
技术领域
本申请整体上涉及质子交换膜水电解器膜电极组件(MEA)，更具体涉及用于水电解器膜电极组件(MEA)的膜的制备方法。
背景技术
利用可再生能源推动了对水电解技术领域的大量投入。据估计，在未来二十年内，水电解市场能够增加到300GW，并且在未来十年内，对于原位电解系统而言，将电力转化为天然气的市场价值将达到数十亿美元。
质子交换膜(PEM)电解电池是一种通过直流(DC)电来电化学分解水产生氢气和氧气的装置。PEM电池包括“活性区域”，在此区域内存在催化剂使得发生反应。在电解电池中，水进入阳极被分解为质子、电子和氧气，质子通过膜传导，电子通过电路传导。在阴极，质子和电子重新结合形成氢气。电解半反应如下所示：
2H2O→4H++4e–+O2
4H++4e–→2H2
图1示出了用于制备质子交换膜水电解器膜电极组件的湿膜的现有技术湿法工艺10。在该湿法工艺中，在步骤12，获得了离聚物膜(例如，Nafion N115)，在步骤14，将离聚物膜煮沸一小时以进行水合反应。在步骤16，将得到的水合膜经过多步镀铂处理，以达到减缓逸出(crossover)的目的，这个过程总共需要大约五天。在步骤18，膜镀铂之后，将膜交换回H+的形式；在步骤20，在去离子水中进行漂洗和煮沸。一旦该膜被处理，其在电池组装过程中必须保持湿润。
Klose等人研发了一种8毫米(mil)的三层膜，使用含Pt的喷涂层在NR212膜和N115膜之间形成中间层。C.Klose等人2018,Membrane Interlayer with Pt RecombinationParticles for Reduction of the Anodic Hydrogen Content in PEM WaterElectrolysis,J.Electrochem.Soc.165F1271。
发明内容
通过提供一种交换膜克服了现有技术的缺点并增加了额外的优点，该交换膜包括，例如，具有第一厚度的第一层膜，厚度小于第一厚度的第二层膜，第二层膜中含有催化剂，第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量，该交换膜在第一层膜和第二层膜之间具有界面。
在一些实施方案中，具有交换膜的膜电极组件(MEA)包括，例如，具有第一厚度的第一层膜；厚度小于第一厚度的第二层膜，第二层膜中含有催化剂，第二层膜中的催化剂含量大于第一层膜中的催化剂含量，第一层膜和第二层膜限定了交换膜在第一层膜和第二层膜之间具有界面；设置在第二层膜上的阳极电极；和设置在第一层膜上的阴极电极。
在一些实施方案中，第一层膜包括不含催化剂的第一层膜；和/或交换膜包括双层交换膜。
附图说明
在说明书的结论部分特别指出并明确要求保护的内容被视为本申请的主要内容。然而，通过参考以下对各实施方案和附图的详细描述可以更好地理解本申请，其中：
图1为形成用于膜电极组件的催化剂膜的现有技术湿法工艺流程图；
图2为根据本公开一个实施方案的使用交换膜的膜电极组件；
图3为根据本公开一个实施方案的形成交换膜的流程图；
图4为根据本公开一个实施方案的在基材上形成含催化剂的层膜的方法示意图；
图5为根据本公开一个实施方案的在基材上形成含催化剂的层膜的卷对卷法示意图；
图6为根据本公开一个实施方案的形成双层膜层压的卷对卷法示意图；
图7为根据本公开一个实施方案的采用两步层压法形成膜电极组件的卷对卷法示意图；
图8为根据本公开一个实施方案的采用双层膜层压法形成膜电极组件的流程图；
图9为根据本公开一个实施方案的采用一步层压法形成膜电极组件的流程图；
图10为根据本公开一个实施方案的形成复合层涂覆的阳极贴花的流程图；
图11为根据本公开一个实施方案的采用一步层压法形成含有双层膜的膜电极组件的卷对卷法示意图；
图12为根据本公开一个实施方案采用一步层压法形成含有双层膜的膜电极组件的流程图；
图13为传统湿法工艺和两步干法工艺制备的膜电极组件的极化曲线图；
图14为现有技术中的不同氢气背压下复合层最佳厚度的理论计算图；
图15为现有技术中的PEM电解器系统成本的饼状图；
图16为现有技术中的PEM电解器的效率根据电流密度、操作温度和膜厚度变化的图。
具体实施方式
本公开涉及一种交换膜和采用这种交换膜的膜电极组件(MEA)。例如，交换膜可以为用于水电解器膜电极组件(MEA)的双层电解器膜，其中复合催化剂(如铂(Pt))有利地沉积在交换膜结构的一侧，如仅沉积在一侧，优选沉积在靠近电解器低压侧的电极上。应当理解，交换膜可以仅包括双层交换膜或具有其它膜层的双层膜。例如，在具有高压氢和低压氧的电解器中，氢会更快地扩散，因此优选将铂(Pt)复合催化剂设置在氧电极附近。类似地，在高压氧电解装置中，优选将Pt/离聚物层设置在靠近膜电极组件的氢(阴极)侧。本申请还公开了制备交换膜和膜电极组件(MEA)结构的方法。
根据本申请说明书的记载，例如本申请公开的形成双层膜的技术证明了，与湿法工艺相比，制备PEM电解器MEA的干法工艺不会降低其性能。干法工艺通过用简单的减缓层浇铸和干层压法代替费时费力的湿膜镀铂工艺，可以节省PEM电解器的总制备成本。除了劳动力成本，双层膜设计还能节省材料成本。通过在靠近阳极催化剂层的1.5毫米的膜层中施加催化剂，而不是低效率的在整个膜中分布复合催化剂，可以显著降低膜中铂复合催化剂的量。
如下所述，在一些实施方案中，在Nafion膜的顶部层压铂(Pt)纳米颗粒薄层，代替传统的在整个膜中掺杂铂(Pt)。该方法可以减少膜中使用的Pt的量(例如，约1wt.％至约5wt.％)，而且还可以提高PEMWE(质子交换膜水电解)装置的耐久性和可靠性。此外，不采用湿法组装工艺，该工艺可以更容易地整合到用于制备MEA的卷对卷(R2R)法中，可以提高效率并节省劳动力。
图2示出了根据本发明一个实施方案的采用交换膜110的膜电极组件(MEA)100。例如，交换膜110可以包括第一层膜120、第二层膜140、阴极电极130和阴极电极150。第一层膜120具有第一厚度，第二层膜140具有小于第一厚度的厚度，第二层膜140中催化剂含量大于第一层膜120中的催化剂含量。第一层膜120、第二层膜140、阴极电极130和阳极电极1510形成膜电极组件100(MEA)，该膜电极组件100具有交换膜110，在第一层膜120和第二层膜140之间具有界面115。如下所述，交换膜可具有两个不同的层膜，并通过下述制备方法或其它合适的方法形成。应当理解，交换膜可以具有两个以上的不同层，其中这些层中的两个层在具有不同催化剂含量的层之间具有界面，如与具有催化剂或更高催化剂含量的第一层膜相比，第二层膜层具有更少的催化剂或没有催化剂。
应当理解，MEA电解器中当前使用的双层交换膜可以无需使用氢泵，和/或减少H2逸出从而降低安全隐患，并且对于高压大规格水电解电池来说是理想的。氢气一般经过提纯和/或压缩，使其能被储存起来使用。氢泵已经被用于氢气提纯和/或富氢气体的压缩。目前，需要高压储存来提高氢燃料的能量密度。与后续机械压缩相比，直接对电解过程产生的H2进行加压效率更高。然而，由于H2渗透到膜中在阴极与O2结合的可能性增加，造成了电解电池中高压差导致的H2逸出问题。减缓H2逸出的一种常用方法为将复合催化剂(如铂)分散在整个膜中。这种材料用于催化逸出的H2与膜阴极侧表面的O2进行反应。然而，当大规模生产时，膜中使用的铂催化剂的长期加工和材料成本增加了劳动力和材料成本，这阻碍了当前的生产工艺满足1MW(兆瓦)电池堆的供应、成本和时间的需求。
参见图3，图3示出了根据本发明一个实施方案的采用膜层压法的方法200，在此示出的实施方案中，方法200包括，如，在步骤202中，将铂(Pt)黑材料加入到含墨水的离聚物(例如Nafion D2021)中，形成均匀的分散体。在一个实例中，均匀的铂(Pt)掺杂的离子交联聚物分散体可以包括160mg的铂黑、10.1mg的氢氧化铈和80g的NAFION D2021离聚物，将其在塑料容器中使用混合介质进行球磨，在浇铸分散体之前将其混合两天。
在步骤204中，将分散体在载体基材上浇铸成薄膜，形成Pt/离聚物层。例如，可以将分散体采用如下所述的卷对卷法涂覆在基材(如聚酰亚胺(Kapton)膜)上。
在步骤206中，将Pt/离子交联聚物层层压到未掺杂铂(Pt)的膜(如，NAFION 212)上。例如，在320华氏度(华氏温度)的热压机中将Pt/离聚物层贴花与NAFION NR212膜层压3分钟，以形成厚度为约3.5毫米的双层膜。
在步骤208中，将各层膜干法层压到电极上。例如，可以将阴极和阳极电极层压到制备好的双层膜上，以形成膜电极组件(MEA)。例如，可以采用与膜层压法类似的技术，如在320华氏度(华氏温度)的热压机中热压3分钟，将阴极和阳极电极分别层压到双层膜的NAFION NR212侧和Pt/离聚物层侧。
图4示意性地示出了根据本发明一个实施方案的用于将分散体在载体基材上浇铸成薄膜以形成Pt/离聚物层的方法220。例如，沉积器230可以具有可控的流速和可控的间隙，使沉积器(如注射器或挤出机)可以连续地在移动的基材234上沉积浆料层232。浆料320可以包括含有催化剂(如铂(Pt))的离聚物。可以沉积厚度为1-1.5毫米的浆料，基材可以为聚酰亚胺薄膜，如3毫米的Kapton基材或聚酰亚胺。
图5示出了根据本发明一个实施方案的卷对卷法250。在此示例性实施方案中，沉积器260(如注射器或挤出机)可以连续地在移动的第一基材275上沉积浆料催化剂/离聚物层265，此移动的基材通过辊270展开。浆料265可以包括含有催化剂(如铂(Pt))和自由基清除剂(如氢氧化铈)的离聚物，其可以减缓膜的降解。可以沉积厚度为1-1.5毫米的浆料，基材可以为3毫米的Kapton基材。可以将浆料通过干燥步骤(例如通过加热器或炉280)进行固化或部分固化。干燥的催化剂/离聚物层265和基材可以缠绕在辊290上。
图6示意性地示出了根据本发明一个实施方案用于形成层压双层交换膜的方法300。如图6所示，含有催化剂的离聚物层可以通过卷对卷方法形成，双层膜可以通过层压方法形成。例如，沉积器310(如注射器或挤出机)可以连续地在移动基材330上沉积浆料层320。浆料320可以包括含有催化剂(如铂(Pt))的离聚物。可以沉积厚度为约1毫米的浆料，基材可以为3毫米的Kapton基材。
通过例如干燥器炉的方式将浆料固化或部分固化后，可以将离聚物层320和基材330冲切形成冲切结构350，或者采用其他方法得到所需形状或尺寸的冲切结构。例如，可以根据所需制备的膜电极组件(MEA)的尺寸设计冲切结构350的尺寸。在一些实施方案中，冲切结构350的尺寸可以为如50cm2或1200cm2。
第二冲切结构380可以包括膜层360(例如，不含催化剂)和第二基材370。膜层360可以为2毫米的NR212膜，第二基材370可以为NR212衬底，例如3毫米的聚酯薄膜层。可以在热压机中将冲切结构350和冲切结构380层压在一起。
图7示出了根据本发明一个实施方案的形成MEA的卷对卷法400，例如，采用两步层压法。
如图7所示，沉积器410(如注射器或挤出机)，可以在移动的第一基材430上连续沉积浆料催化剂/离聚物层420，此移动的基材通过辊432展开。浆料420可以包括含有催化剂(如铂(Pt))和自由基清除剂(如氢氧化铈)的离聚物。可以沉积厚度为约1毫米的浆料，基材可以为3毫米的Kapton基材。如通过加热器、炉或干燥器415将浆料固化或部分固化后，将膜层440(如不含催化剂且设置在一侧衬底上)通过辊442展开，并沉积在固化或部分固化的浆料层420上。膜层440可以为2毫米的N212膜。
组装这些层，并通过具有如第一加热辊462和第二加热辊464的第一热压机460。将第一基材430移除并缠绕在辊474上，将NR212膜440上的基材移除并缠绕在辊472上。将阳极电极480通过辊482展开，并沉积在催化剂层420上或邻近催化剂层420处。将阴极电极490通过辊492展开，并沉积在膜440上或临近膜440处。将阳极电极480、催化剂层420、不含催化剂的膜层440和阴极电极490通过第二热压机466(如，具有第一加热辊467和第二加热辊468)，以形成层压MEA。
图8示出了根据本发明一个实施方案的形成膜电极组件的方法500。在此示例性实施方案中，方法500包括，如，在510，提供第一层；在520，提供含有催化剂的第二层；在530，提供阳极电极；在540，提供阴极电极；在550，将第一层、含有催化剂的第二层、阳极电极和阴极电极制备为膜电极组件(MEA)，其中形成了第一层和第二层，并且其中第二层中的催化剂含量大于第一层中的催化剂含量。
图9示出了根据本发明一个实施方案的形成减缓层涂覆的阳极的方法600。此示例性方法有利于在膜电极组件(MEA)的制备过程中仅使用一个高温层压步骤。与图4-8中描述和示出的方法相比，这种方法可以简化膜电极组件(MEA)的制备过程，并减少高温层压过程的时间，高温层压过程可能降低膜的机械和化学性能。
在一个示出的实施方案中，如图9所示，方法600包括，在步骤602，制备铂(Pt)掺杂的离聚物分散体，此分散体的制备可以与上文描述的步骤202(图3)中制备铂(Pt)掺杂的离聚物物分散体的方法相同。在步骤604，将制备好的铂(Pt)掺杂的离聚物分散体浇铸成阳极贴花。在此实施方案中，阳极贴花为阳极催化剂层和基材衬底。可以多次重复上述操作，直至得到1.5毫米厚度的膜。1.5毫米层中PGM(铂族金属)的负载量为约0.01-0.5mg(Pt)/cm2。在步骤606，将减缓层涂覆的阳极进行干法层压。例如，可以通过热压机将商业化阴极或催化剂层涂覆的气体扩散介质在320华氏度下热压三分钟以层压到NafionN212膜的两面。在阳极表面涂覆减缓层的方法可以节约NAFION离聚物和复合催化剂潜在产生的额外成本，因为减缓层仅用于活性区域而不是用于整个膜区域，另外这种方法也仅需一个层压步骤。
图10示意性地示出了根据本发明一个实施方案形成复合层涂覆的阳极贴花的方法700。如图10所示，阳极催化剂层720可以通过卷对卷法形成。例如，沉积器710(如注射器或挤出机)可以将阳极催化剂层720连续沉积到移动的基材730上。沉积的阳极催化剂层和基材可以通过干燥器进行干燥。
可以采用卷对卷法形成含有催化剂的离聚物层。例如，沉积器750(如注射器或挤出机)可以将浆料层760连续沉积到设置和负载在基材730上的移动的阳极催化剂层电极720上。浆料760可以包括含有催化剂(如铂(Pt))和自由基清除剂(如氢氧化铈)的离聚物。可以将浆料沉积为大约1-1.5毫米的厚度，基材可以为3毫米的乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，其为一种氟基塑料。沉积的含有催化剂的离聚物可以通过干燥器进行干燥。
可将配置结构770(如，经形成的复合层涂覆的阳极贴花)冲切至所需的尺寸。可以将不含催化剂的膜层和阴极电极(未示出)设置或放置在结构700上。可以通过单一层压法(如热压)制备得到膜电极组件(MEA)。在其他实施方案中，可以通过卷对卷法在结构770上设置膜，膜层可以为2毫米的N212膜。
图11示出了根据本发明一个实施方案的例如采用一步层压法形成膜电极组件(MEA)的卷对卷法800。
如图11所示，沉积器810(如注射器或挤出机)，可以将阳极催化剂层820连续地沉积在移动的基材830上。可以将沉积的阳极催化剂层和基材通过干燥器815进行干燥。沉积器850(如注射器或挤出机)可以将浆料催化剂层860连续地沉积在移动的阴极820和第一基材830上，其中基材分别通过辊832展开。浆料860可以包括含有催化剂(如铂(Pt))和自由基清除剂(如氢氧化铈)的离聚物。可以将浆料沉积为大约1-1.5毫米的厚度，基材830可以为3毫米的ETFE基材。沉积的浆料860可以通过干燥器855进行干燥。在浆料固化或部分固化后，将一侧含有衬底或第二基材的不含催化剂的膜层840通过辊842展开并沉积在固化或部分固化的浆料层860上，将衬底从辊844上移除。膜层840可以为2毫米的N212膜，第二基材或衬底层可以为3毫米的聚酯薄膜层。将阴极电极880通过辊882展开，并沉积在膜840上或膜840附近。将这些层组装并通过热压机865制备得到MEA层压结构，此热压机865包括，如，第一加热辊861和第二加热辊863。
在一些实施方案中，可以将分散体在载体基材上浇铸为薄膜以形成Pt/离聚物层。例如，可以使用刮刀涂膜器将分散体涂覆在如聚酰亚胺(Kapton)膜的基材上。进行多层浇铸直至达到所需厚度，如获得1.5毫米的膜厚度。
图12示出了根据本发明一个实施方案的形成膜电极组件的方法900。在此示例性实施方案中，方法900包括，例如，在910提供第一层，在920提供含有催化剂的第二层，在930提供阳极电极，在940提供阴极电极，在950将第一层、含有催化剂的第二层、阳极电极和阴极电极制备为膜电极组件(MEA)，其中形成了第一层和第二层，并且其中第二层中的催化剂含量大于第一层中的催化剂含量。
图13示出了采用N115膜的传统湿法制备MEA和由两步干法制备的具有厚度为3.5毫米的双层膜的膜电极组件的测试结果。可以看出，采用膜层压法制备的具有双层膜的MEA与传统湿法制备的MEA具有相似的性能，这表明干法制备PEM电解器MEA具有可行性和潜力。
应该理解，本公开的技术克服了Klose等人的喷涂方法的问题。例如，Klose等人的喷涂方法既不容易控制，也不适合大规模生产。此外，喷涂方法也受限于Pt中间层的低Pt利用率。与氧相比，氢分子具有更高的扩散性。在高背压下，氢气在膜中的移动速度将比氧气快得多，因此，氢气和氧气会在膜和阳极催化剂层之间的界面进行重新结合。
文献记载了在不同氢气背压下最优的复合层厚度的理论计算值。图14示出了复合中间层的理想无量纲位置(氢气流量是氧气流量的两倍)与阴极压力之间的关系。对于1巴、6巴、10巴、20巴的阳极压力和平衡压力条件，计算温度为80摄氏度。
在氢气背压较高的情况下，复合层的位置设置在更靠近电解器阳极的表面。在本申请中，在40巴阴极压力和3巴阳极压力的条件下，复合层的厚度可以为阳极侧的整个膜厚度的10％厚度以内。本申请的另一个优点为本申请可以灵活地调节复合的厚度，以更好地适应不同的氢气背压下的操作。可以将复合设置在膜/阳极界面。
图15示出了现有技术PEM电解器系统成本明细，Colella,W.G.,James,B.D.,Moton,J.M.,Saur,G.and Ramsden,T.,2014,February,Techno-economic analysis ofPEM electrolysis for hydrogen production,in Electrolytic hydrogen productionworkshop,NREL,Golden,Colorado(Vol.27)。可以看出，电池堆是PEM电解器系统中总成本的主要组成部分，膜电极组件(MEA)是主要组件之一，占电池堆成本25％以上。
由本公开可知，与湿膜工艺相比，通过减少膜制备时间和劳动力成本的全干膜工艺更为理想。此外，干膜工艺能够在保持膜机械强度的同时消除膜制备过程中的尺寸变化。通过不降低机械强度，从而使采用更薄的膜成为可能。为了仅在发生H2/O2复合反应的区域分布复合催化剂层，一个独立的含有均匀分布的Pt纳米颗粒的复合层可以显著降低H2逸出，从而降低安全隐患。与在整个膜中镀铂的现有技术相比，复合层通过降低膜中Pt的量更加有效和经济。此外，干法制备双层膜保留了湿法制膜的所有优点，在保持膜的机械强度的同时，降低了劳动力成本。此外，随着机械性能的提高，干法工艺可以制备更薄的膜。干法制膜能够使膜在厚度方向上增加，相比于现有技术在70℃和3000mA/cm2使用0.005-0.007英寸(5-7毫米)膜的PEM电解，在95℃下0.003英寸(3毫米)的膜可以在两倍电流密度下电解，从而使电解器电池堆的成本减半，如图16所示。在高昂的电力环境条件下，能够在保持电流密度不变的同时在电池堆级别减少使用12％的能量。
根据本申请说明书可以理解，本公开中的干法工艺优于传统的湿法工艺。如，湿法工艺费时费力，不适于大规模和多兆瓦电解器的制备。一旦变湿，膜必须保持湿润并在湿润下组装。此外，湿法制膜使制备电解器产生大量的劳动力成本。如上所述，采用传统湿法工艺进行膜镀铂通常需要很长时间，这是非常耗时的并且增加了大量的劳动力成本。除了处理时间长和劳动力成本高之外，镀铂过程不加选择地将过量的铂颗粒分散在整个膜厚度方向上，而不是分散在最有效的地方。考虑到H2和O2较高的扩散速率，以及更高的H2压力，认为只有更靠近膜阳极侧的Pt颗粒通过复合减少H2逸出时是有活性的；因此，其他位置的颗粒是不具有活性的，只会增加不必要的成本。此外，复杂的湿法工艺也降低了膜的机械强度，这是PEMWEs中优选采用更厚的膜的另一个原因。因此，由本申请可以看出，通过使用本申请所描述的干法制膜工艺代替传统的湿法制膜，可以降低兆瓦(MW)规模电解器制备的材料和劳动力成本，从而使兆瓦(MW)电解器在可再生能量存储市场中的应用成为可能。
本申请克服了Klose等人研发的8毫米三层膜的缺点，这些缺点包括：1)膜太厚严重影响电解器的效率，2)喷涂和层压制备“三层膜”耗时，对大规模生产不利，3)复合的位置在两层膜中间，不容易调整层的位置。
本申请相比于Klose等人制备的8毫米三层膜的优点包括：1)在一些实施方案中，双层膜包括1毫米的复合层和NR212膜，总厚度为3毫米，可以获得高效的电解器，2)整个过程可在卷对卷的全自动工艺中完成，适合大规模生产，3)本申请中的复合层位于膜的阳极侧。通过调节复合的厚度，可以适应不同的氢背压条件。
本领域普通技术人员根据本申请公开的内容可以理解，在不脱离本申请范围的情况下，可以对本申请的上述描述和其他实施方案进行多种变化和修改。本申请说明书中公开的MEA的部件，包括摘要和附图，可以由可替换的部件或特征代替，例如在其他实施方案中公开的那些部件或特征，其用于本领域技术人员已知的相同、等同或类似的目的，以通过这些可替换的部件或特征获得相同、等同或类似的效果，从而为预期目的提供类似的功能。此外，MEA可以包括比本申请描述和示出的实施方案更多或更少的部件或特征。因此，当前优选实施方案的详细描述是示例性的，而不是对本申请的限制。
本申请使用的术语仅用于描述特定实施方案，并不是对本申请的限制。如单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“该/所述(the)”也包括它们的复数形式，除非上下文明确地指出。还应当理解，术语“包括/包含(comprise)”(包括任何形式的comprise，例如“comprises”和“comprising”)、“具有/含有(have)”(包括任何形式的have，例如“has”和“having”)、“包括/包含(include)”(包括任何形式的include，例如“includes”和“including”)和“包括/包含/含有(contain)”(包括任何形式的contain，例如“contains”和“containing”)为开放式连接动词。因此，方法或装置中“包括/包含”、“具有/含有”、“包括/包含”或“包括/包含/含有”指的是一个或多个步骤或元素具有这些一个或多个步骤或元素，但不限于仅具有这些一个或多个步骤或元素。同样地，方法中的步骤或装置中的元素的“包括/包含”、“具有/含有”、“包括/包含”或“包括/包含/含有”指的是一个或多个特征具有这些一个或多个特征，但不限于仅具有这些一个或多个特征。此外，以特定方式设置的设备或结构至少以该方式设置，但是也可以以未给出的方式设置。
已参照优选实施方案对本申请进行了描述。应理解，本申请中所述的实施方案是提供相同的一般特征、特性和一般系统操作的多种可能设置的示例。在阅读和理解了本申请前面的详细描述后，能够想到的其他的修改和变更。本公开旨在解释为也包括这些修改和变更。

Claims (21)

1.一种交换膜，包括：
具有第一厚度的第一层膜；
厚度小于所述第一厚度的第二层膜，所述第二层膜中含有催化剂，所述第二层膜中的催化剂含量大于所述第一层膜中的催化剂含量；
所述交换膜在所述第一层膜和所述第二层膜之间具有界面。
2.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述第一层膜包括不含催化剂的第一层膜。
3.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述交换膜包括双层交换膜。
4.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述第一层膜包括不含催化剂的第一层膜，所述交换膜包括双层交换膜。
5.根据权利要求1的所述的交换膜，其中所述交换膜包括层压交换膜。
6.根据权利要求1所述的交换膜，还包括设置在基材上的交换膜。
7.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述交换膜包括交换膜卷。
8.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述交换膜包括设置在辊上的层压交换膜。
9.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述第二层膜包括铂(Pt)和NAFION离聚物。
10.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述交换膜包括1重量％的催化剂。
11.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述第一层膜包括NAFION膜，所述第二层膜包括含铂(Pt)催化剂的离聚物层膜。
12.根据权利要求1所述的交换膜，其中所述第一层膜的厚度为至少1.5毫米至2毫米，所述第二层膜的厚度为1毫米至1.5毫米。
13.一种具有交换膜的膜电极组件(MEA)，包括：
具有第一厚度的第一层膜；
厚度小于第一厚度的第二层膜，所述第二层膜中含有催化剂，所述第二层膜中的催化剂含量大于所述第一层膜中的催化剂含量；
所述第一层膜和所述第二层膜限定了所述交换膜在所述第一层膜和所述第二层膜之间具有界面；
设置在所述第二层膜上的阳极电极；和
设置在所述第一层膜上的阴极电极。
14.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述第一层膜包括不含催化剂的第一层膜。
15.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述交换膜包括双层交换膜。
16.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述第一层膜包括不含催化剂的第一层膜，所述交换膜包括双层交换膜。
17.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述交换膜包括层压交换膜。
18.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述第二层膜包括铂(Pt)和NAFION离聚物。
19.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述交换膜包括1重量％的催化剂。
20.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述第一层膜包括NAFION膜，所述第二层膜包括含铂(Pt)催化剂的离聚物层膜。
21.根据权利要求13所述的膜电极组件(MEA)，其中所述第一层膜的厚度为至少1.5毫米至2毫米，所述第二层膜的厚度为1毫米至1.5毫米。
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