CN117476952A - 催化膜及其制备方法、膜电极、燃料电池 - Google Patents

催化膜及其制备方法、膜电极、燃料电池 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种催化膜，所述催化膜包括质子交换膜、以及设置在所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，其中，所述质子交换膜包括第一离聚物，所述阴极催化层包括第一离聚物、第二离聚物和阴极催化剂、所述阳极催化层包括第一离聚物、第三离聚物和阳极催化剂，且所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。本申请提供的催化膜在阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层之间形成离子交换当量的梯度分布，有利于形成催化层质子导通网络，提高电导率，相比单一离聚物组成，性能更优。

Description

催化膜及其制备方法、膜电极、燃料电池
技术领域
本申请涉及新能源领域，尤其涉及燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池可直接将化学能转化为电能，是氢能利用的重要途径，具有环境友好，能量转化效率高，运行条件温和等优点。燃料电池关键部件包括膜电极、双极板、集流板等，其中膜电极是质子交换膜燃料电池的发生电化学反应的核心部件，主要由质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层及边框组成。在燃料电池运行期间，氢气通过燃料电池双极板阳极侧流场输送到达膜电极阳极侧，氢气发生电化学氧化产生质子并释放电子。通过质子交换膜实现质子从阳极催化层至阴极催化层，电子通过外电路引导到阴极。空气作为阴极工作介质输送到阴极，以使得空气中的氧气发生还原反应产生水。
膜电极是电化学反应的场所，电化学反应过程主要发生在膜电极催化层中的三相界面，催化反应的性能高低取决于催化层的结构和组成。通常催化层组成包含贵金属催化剂、载体及离聚物。离聚物是质子导体，其可以与膜中的离聚物相同或不同。本领域的许多不同的离聚物以各种组成和交换当量(EW)存在。现有的催化层的离聚物组成单一，分布较无序，对燃料电池温度、湿度及压力等操作条件的波动适应性差，
发明内容
本申请实施例提供了一种膜电极及其制备方法、燃料电池，以解决现有的催化层对燃料电池温度、湿度及压力等操作条件的波动适应性差的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种催化膜，所述催化膜包括质子交换膜、以及设置在所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，其中，所述质子交换膜包括第一离聚物，所述阴极催化层包括第一离聚物、第二离聚物和阴极催化剂、所述阳极催化层包括第一离聚物、第三离聚物和阳极催化剂，且所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
在本申请的一些实施例中，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
在本申请的一些实施例中，所述阳极催化层中的铂载量为0.02~0.2mg/cm2；和/或，
所述阴极催化层中的铂载量为0.1~0.4mg/cm2。
在本申请的一些实施例中，所述碳载铂基催化剂中的碳载体为石墨化碳或高比表面碳中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
第二方面，本申请实施例提供一种催化膜的制备方法，所述催化层的制备方法包括如下步骤：
提供包括第一离聚物的质子交换膜；
以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层；
以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，形成所述催化膜，
其中，所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
在本申请的一些实施例中，所述以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层，包括如下步骤：
将第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、溶剂混合，得到阴极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
将所述阴极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阴极催化层；
和/或，
所述以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，包括如下步骤：
将第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、溶剂混合，得到阳极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
将所述阳极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阳极催化层。
在本申请的一些实施例中，所述溶剂占所述阴极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述溶剂占所述阳极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述去离子水占所述溶剂的重量比为10%~50%；和/或，
所述醇类溶剂占所述溶剂的重量比为50~90%。
在本申请的一些实施例中，所述醇类溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙二醇、甲醇中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
在本申请的一些实施例中，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
第三方面，本申请实施例提供一种膜电极，所述膜电极包括：
催化膜，所述催化膜为第一方面任一实施例所述的催化膜，或者第二方面任一实施例制备得到的催化膜；
设置于所述催化膜两侧的气体扩散层。
第四方面，本申请实施例提供一种燃料电池，所述燃料电池包括第三方面任一实施例所述的膜电极。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的催化膜，通过在催化层中添加不同组成和结构的第二离聚物、第三离聚物，并且第一离聚物采用与质子交换膜相同的离聚物，在阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层之间形成离子交换当量的梯度分布，有利于形成催化层质子导通网络，提高电导率，相比单一离聚物组成，性能更优。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种催化膜的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
现有的催化层存在对燃料电池温度、湿度及压力等操作条件的波动适应性差的技术问题。
本申请实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
第一方面，本申请实施例提供一种催化膜，所述催化膜包括质子交换膜、以及设置在所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，其中，所述质子交换膜包括第一离聚物，所述阴极催化层包括第一离聚物、第二离聚物和阴极催化剂、所述阳极催化层包括第一离聚物、第三离聚物和阳极催化剂，且所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
本申请所述的第一离聚物、第二离聚物、第三离聚物为质子交换膜燃料电池领域常用的利于质子传导的离聚物。
本申请所述的阴极催化剂为质子交换膜燃料电池领域常用的阴极催化剂，本申请所述的阳极催化剂为质子交换膜燃料电池领域常用的阳极催化剂。
本申请通过在催化层中添加不同组成和结构的第二离聚物、第三离聚物，并且第一离聚物采用与质子交换膜相同的离聚物，在阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层之间形成离子交换当量的梯度分布，有利于形成催化层质子导通网络，提高电导率，相比单一离聚物组成，性能更优。
本申请直接在阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层之间形成离子交换当量的梯度分布，而避免在单一阴极催化层或阳极催化层内形成离子交换当量的梯度分布，这样在制备工艺上可以避免单一阴极催化层或阳极催化层需要通过多层涂布工艺制备，有利于降低工艺成本。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
第一离聚物、第二离聚物、第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol的有益效果是兼顾离子树脂的质子电导性能和机械性能，既能保证高的质子传导能力、且有利于离子树脂成膜机械强度。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
上述材料均为质子交换膜燃料电池领域常用的利于质子传导的离聚物。
在本申请的一些实施例中，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
容易理解，碳载铂基催化剂是质子交换膜燃料电池领域通常采用的催化剂材料，本申请也可以采用铂合金催化剂、非铂催化剂等其它催化剂。
在本申请的一些实施例中，所述阳极催化层中的铂载量为0.02~0.2mg/cm2；和/或，
所述阴极催化层中的铂载量为0.1~0.4mg/cm2。
上述铂载量是质子交换膜燃料电池领域的常规设置。需要说明，通常阴极催化层中的铂载量一般高于阳极催化层，这是因为阴极催化层发生的氧还原反应速率通常低于阳极催化层发生的氢氧化反应。
在本申请的一些实施例中，所述碳载铂基催化剂中的碳载体为石墨化碳或高比表面碳中的至少一种。
容易理解，石墨化碳或高比表面碳是质子交换膜燃料电池领域常用的催化剂碳载体。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物的有益效果是，离聚物含量适中，既能保证高的质子传导能力、且有利于阴极催化剂的充分分散，也不容易导致纳米形态的阴极催化剂团聚。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
阴极催化层中第一离聚物和第二离聚物为上述含量的有益效果是充分形成催化层质子导通网络，相比单一离聚物组成，性能更优。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物的有益效果是，离聚物含量适中，既能保证高的质子传导能力、且有利于阳极催化剂的充分分散，也不容易导致纳米形态的阳极催化剂团聚。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
阳极催化层中第一离聚物和第二离聚物为上述含量的有益效果是充分形成催化层质子导通网络，相比单一离聚物组成，性能更优。
第二方面，本申请实施例提供一种催化膜的制备方法，请参考图1，所述催化层的制备方法包括如下步骤：
S1：提供包括第一离聚物的质子交换膜；
S2：以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层；
S3：以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，形成所述催化膜，
其中，所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
本领域技术人员可以从市场上得到包括第一离聚物的质子交换膜，或者以第一离聚物和其他常规原料为材料和常规制备方法制备质子交换膜。
步骤S2所述的在所述质子交换膜上制备阴极催化层，一般可通过以下两种方式中任意一种进行，其一是制备阴极催化剂浆料后直接喷涂在质子交换膜上；其二是制备阴极催化剂浆料后涂于载体上形成阴极催化层，再将形成的阴极催化层转移到所述质子交换膜上。
步骤S3所述的在所述质子交换膜上制备阳极催化层，一般可通过以下两种方式中任意一种进行，其一是制备阳极催化剂浆料后直接喷涂在质子交换膜上；其二是制备阳极催化剂浆料后涂于载体上形成阳极催化层，再将形成的阳极催化层转移到所述质子交换膜上。
容易理解，本申请所述的方法可用于制备第一方面所述的催化膜。因此本申请所述的方法具有第一方面所具有的一切有益效果，在此不再赘述。
在本申请的一些实施例中，所述以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层，包括如下步骤：
S21：将第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、溶剂混合，得到阴极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
S22：将所述阴极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阴极催化层；
和/或，
S31：所述以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，包括如下步骤：
S32：将第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、溶剂混合，得到阳极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
S33：将所述阳极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阳极催化层。
转印法是本领域的常用方法。本领域技术人员可以根据本领域的公知技术选择合适的转印载体。
本申请通过转印法制备阴极催化层和阳极催化层的有益效果是阴阳极催化层结合力高，有利于不同层中的离子树脂充分结合。
在本申请的一些实施例中，所述溶剂占所述阴极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述溶剂占所述阳极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述去离子水占所述溶剂的重量比为10%~50%；和/或，
所述醇类溶剂占所述溶剂的重量比为50~90%。
溶剂占所述阴极催化剂浆料或阳极催化剂浆料的总重量为为75%~95%的有益效果是，既能保证浆料粘性，有利于涂布工艺的进行，又能使阴极催化剂或阳极催化剂充分分散。
在本申请的一些实施例中，所述醇类溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙二醇、甲醇中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
在本申请的一些实施例中，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
在本申请的一些实施例中，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
在本申请的一些实施例中，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
第三方面，本申请实施例提供一种膜电极，所述膜电极包括：
催化膜，所述催化膜为第一方面任一实施例所述的催化膜，或者第二方面任一实施例制备得到的催化膜；
设置于所述催化膜两侧的气体扩散层。
该膜电极是基于第一方面所述的催化膜，或第二方面所述的催化膜的制备方法来实现，所述膜电极的具体实施方式可参照第一方面或第二方面的实施例，以及本领域的公知常识，由于所述膜电极采用了第一方面或第二方面的实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有第一方面或第二方面的实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
第四方面，本申请实施例提供一种燃料电池，所述燃料电池包括第三方面任一实施例所述的膜电极。
该膜电极是基于第三方面所述的膜电极来实现，所述燃料电池的具体实施方式可参照第三方面的实施例，以及本领域的公知常识，由于所述燃料电池采用了第三方面的实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有第三方面的实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。
实施例1
本实施例提供一种膜电极，所述膜电极通过如下方式制备：
取50%的商业Pt/c催化剂0.65g，用1.13g去离子水润湿，加入固含量为20%、离子交换当量为960的全氟磺酸离子树脂溶液0.96g，固含量20%、离子交换当量为1100的全氟磺酸离子树脂溶液0.79g及3.13g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阴极催化剂浆料。
取50%的商业Pt/c催化剂0.5g，用0.87g去离子水润湿，加入固含量为20%、离子交换当量为960的第一离子树脂溶液0.74g，固含量20%、离子交换当量为825的全氟磺酸离子树脂溶液0.60g及2.41g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阳极催化剂浆料。
将阴阳极催化剂浆料通过刮涂方式涂布到PTFE转印基材上，阴极铂载量为0.35mg/cm2，阳极铂载量为0.1mg/cm2，90℃下干燥，得到阴阳极转印膜，通过转印机将阴阳极转印膜转移到EW为960的质子交换膜上，转印温度为160℃，得到催化膜。
将上述转印得到的催化膜匹配250um气体扩散层及聚酯边框，制备得到活性面积50cm2的膜电极样品。
实施例2
本实施例提供一种膜电极，所述膜电极通过如下方式制备：
取50%的商业Pt/c催化剂0.65g，用0.92g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为960的全氟磺酸离子树脂溶液0.65g，固含量20%、EW为1100的全氟磺酸离子树脂溶液0.16g及3.03g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阴极催化剂浆料。
取50%的商业Pt/c催化剂0.5g，用0.71g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为960的全氟磺酸离子树脂溶液0.5g，固含量20%、EW为825的全氟磺酸离子树脂溶液0.125g及2.33g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阳极催化剂浆料。
将阴阳极催化剂浆料通过刮涂方式涂布到PTFE转印基材上，阴极铂载量为0.35mg/cm2，阳极铂载量为0.1mg/cm2，90℃下干燥，得到阴阳极转印膜，通过转印机将阴阳极转印膜转移到EW为960的质子交换膜上，转印温度为160℃。
将上述转印得到的催化膜匹配250um气体扩散层及聚酯边框，制备得到活性面积50cm2的膜电极样品。
实施例3
本实施例提供一种膜电极，所述膜电极通过如下方式制备：
取50%的商业Pt/c催化剂0.65g，用1.02g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为850的全氟磺酸离子树脂溶液0.38g，固含量20%、EW为750的全氟磺酸离子树脂溶液0.88g及3.08g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阴极催化剂浆料。
取50%的商业Pt/c催化剂0.5g，用0.81g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为850的第一离子树脂溶液0.5g，固含量20%、EW为960的全氟磺酸离子树脂溶液0.75g及2.38g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阳极催化剂浆料。
将阴阳极催化剂浆料通过刮涂方式涂布到PTFE转印基材上,阴极铂载量为0.35mg/cm2，阳极铂载量为0.1mg/cm2，90℃下干燥，得到阴阳极转印膜，通过转印机将阴阳极转印膜转移到EW为850的质子交换膜上，转印温度为160℃。
将上述转印得到的催化膜匹配250um气体扩散层及聚酯边框，制备得到活性面积50cm2的膜电极样品。
对比例1
本实施例提供一种膜电极，所述膜电极通过如下方式制备：
取50%的商业Pt/c催化剂0.65g，用1.02g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为960的全氟磺酸离子树脂溶液1.75g及3.13g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阴极催化剂浆料。
取50%的商业Pt/c催化剂0.5g，用0.81g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为960的全氟磺酸离子树脂溶液1.35g及2.41g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阳极催化剂浆料。
将阴阳极催化剂浆料通过刮涂方式涂布到PTFE转印基材上,阴极铂载量为0.35mg/cm2，阳极铂载量为0.1mg/cm2，90℃下干燥，得到阴阳极转印膜，通过转印机将阴阳极转印膜转移到EW为960的质子交换膜上，转印温度为160℃。
将上述转印得到的催化膜匹配250um气体扩散层及聚酯边框，制备得到活性面积50cm2的膜电极样品。
对比例2
本实施例提供一种膜电极，所述膜电极通过如下方式制备：
取50%的商业Pt/c催化剂0.65g，用1.02g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为750的全氟磺酸离子树脂溶液1.26g及3.08g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阴极催化剂浆料。
取50%的商业Pt/c催化剂0.5g，用0.81g去离子水润湿，加入固含量为20%、EW为850的全氟磺酸离子树脂溶液1.07g及2.38g的正丙醇，通过高速分散4h，得到阳极催化剂浆料。
将阴阳极催化剂浆料通过刮涂方式涂布到PTFE转印基材上,阴极铂载量为0.35mg/cm2，阳极铂载量为0.1mg/cm2，90℃下干燥，得到阴阳极转印膜，通过转印机将阴阳极转印膜转移到EW为850的质子交换膜上，转印温度为160℃。
将上述转印得到的催化膜匹配250um气体扩散层及聚酯边框，制备得到活性面积50cm2的膜电极样品。
相关实验及效果数据：
对实施例1~3、对比例1~2得到的膜电极进行单电池测试，测试条件为：阴极、阳极分别通入相对湿度RH为100％或50%的空气和氢气，计量比分别2.0及1.6。进气压力均为120KPa，电池温度80℃，测试不同电池性能。结果如表1。
表1
通过实施例1与对比例1,2结果可知，催化层中包含两种不同离聚物，并且阴阳极催化层离聚物EW形成有序梯度，相比单一离聚物组成性能更优，在不同湿度条件下，性能波动小。
通过实施例1和实施例2,3结果可知，催化层中催化剂不同EW的离聚物比例对性能有影响，其中实施例3整体状况最佳。
本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。对于用“和/或”描述的三项以上的关联对象的关联关系，表示这三个关联对象可以单独存在任意一项，或者其中任意至少两项同时存在，例如，对于A，和/或B，和/或C，可以表示单独存在A、B、C中的任意一项，或者同时存在其中的任意两项，或者同时存在其中三项。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a,b,或c中的至少一项（个）”，或，“a,b,和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a, b, c, a-b（即a和b）, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (23)

1.一种催化膜，其特征在于，所述催化膜包括质子交换膜、以及设置在所述质子交换膜两侧的阴极催化层和阳极催化层，其中，所述质子交换膜包括第一离聚物，所述阴极催化层包括第一离聚物、第二离聚物和阴极催化剂、所述阳极催化层包括第一离聚物、第三离聚物和阳极催化剂，且所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
2.根据权利要求1所述的催化膜，其特征在于，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
3.根据权利要求1所述的催化膜，其特征在于，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的催化膜，其特征在于，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
5.根据权利要求4所述的催化膜，其特征在于，所述阳极催化层中的铂载量为0.02~0.2mg/cm2；和/或，
所述阴极催化层中的铂载量为0.1~0.4mg/cm2。
6.根据权利要求4所述的催化膜，其特征在于，所述碳载铂基催化剂中的碳载体为石墨化碳或高比表面碳中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的催化膜，其特征在于，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
8.根据权利要求7所述的催化膜，其特征在于，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
9.根据权利要求1所述的催化膜，其特征在于，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
10.根据权利要求9所述的催化膜，其特征在于，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
11.一种催化膜的制备方法，其特征在于，所述催化层的制备方法包括如下步骤：
提供包括第一离聚物的质子交换膜；
以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层；
以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，形成所述催化膜，
其中，所述第二离聚物和所述第三离聚物的离子交换当量不同，所述第一离聚物的离子交换当量介于所述第二离聚物和所述第三离聚物之间。
12.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述以第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阴极催化层，包括如下步骤：
将第一离聚物、第二离聚物、阴极催化剂、溶剂混合，得到阴极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
将所述阴极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阴极催化层；
和/或，
所述以第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、去离子水为原料，在所述质子交换膜上制备阳极催化层，包括如下步骤：
将第一离聚物、第三离聚物、阳极催化剂、溶剂混合，得到阳极催化剂浆料，其中所述溶剂包括去离子水和醇类溶剂；
将所述阳极催化剂浆料涂布到转印载体上，去除所述溶剂后得到阳极催化层。
13.根据权利要求12所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂占所述阴极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述溶剂占所述阳极催化剂浆料的总重量为为75%~95%；和/或，
所述去离子水占所述溶剂的重量比为10%~50%；和/或，
所述醇类溶剂占所述溶剂的重量比为50~90%。
14.根据权利要求12所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙二醇、甲醇中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述第一离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第二离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol；和/或，
所述第三离聚物的离子交换当量为800-1200g/mol。
16.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述第一离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第二离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种；和/或，
所述第三离聚物选自全氟磺酸树脂、磺化聚醚砜树脂、磺化聚苯硫醚树脂、磺化聚苯并咪唑树脂、磺化聚磷腈树脂、磺化聚酰亚胺树脂、磺化聚苯乙烯树脂、磺化三氟苯乙烯树脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷树脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物树脂或磺化聚醚醚酮树脂中的一种。
17.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，所述阴极催化剂为碳载铂基催化剂；和/或，
所述阳极催化剂为碳载铂基催化剂。
18.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
19.根据权利要求18所述的催化膜的制备方法，其特征在于，以所述阴极催化层的重量百分比计，所述阴极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
20.根据权利要求11所述的催化膜的制备方法，其特征在于，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括15%wt~40%wt的离聚物。
21.根据权利要求20所述的催化膜的制备方法，其特征在于，以所述阳极催化层的重量百分比计，所述阳极催化层包括5%wt~38%wt的第一离聚物，所述阴极催化层包括2%wt~35%wt的第二离聚物。
22.一种膜电极，其特征在于，所述膜电极包括：
催化膜，所述催化膜为权利要求1~10中任意一项所述的催化膜，或者权利要求11~21中任意一项所述的催化膜的制备方法制备得到的催化膜；
设置于所述催化膜两侧的气体扩散层。
23.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求22所述的膜电极。
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