本发明提供的质子交换膜，属于燃料电池技术领域，包括基膜和涂覆在所述基膜上的催化剂层；所述催化剂层呈疏松结构。本发明提供一种质子交换膜及其制备方法，通过采用丝网印刷工艺及精密控制技术，形成错位堆叠的疏松结构的催化剂反应层，可以相对于现有技术中同等面积的质子交换膜提升数倍的反应接触面，从而提升反应效率。
1.一种质子交换膜，包括基膜和涂覆在所述基膜上的催化剂层；其特征在于，所述催化剂层呈疏松结构。
2.如权利要求1所述的质子交换膜，其特征在于，所述疏松结构由若干层催化剂颗粒层堆叠而成；所述催化剂颗粒层包括若干颗催化剂颗粒。
3.如权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，所述催化剂颗粒层中相邻的所述催化剂颗粒之间存在间隙。
4.如权利要求2所述的质子交换膜，其特征在于，相邻两层的所述催化剂颗粒层中远离所述基膜的所述催化剂颗粒层为上催化剂颗粒层，靠近所述基膜的所述催化剂颗粒层为下催化剂颗粒层；所述上催化剂颗粒层中的一个所述催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的多个所述催化剂颗粒。
5.如权利要求4所述的质子交换膜，其特征在于，一层所述催化剂颗粒层中位于边缘位置的催化剂颗粒为边缘催化剂颗粒，除所述边缘催化剂颗粒外的其他催化剂颗粒为中间催化剂颗粒；所述上催化剂颗粒层的一个所述中间催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的相邻的四个所述催化剂颗粒。
6.如权利要求1～4中任意一项所述的质子交换膜，其特征在于，所述催化剂颗粒内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料。
偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层；
重复若干次“偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层”，形成堆叠在一起的若干层催化剂颗粒层。
8.如权利要求7所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，丝网上的丝网孔与其相邻的丝网孔可以形成三个方向，三个方向包括横向、与横向垂直的纵向及位于横向与纵向之间的斜向；
丝网在横向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，横向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔横向相邻的丝网孔间隔处；
或者，丝网在纵向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，纵向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔纵向相邻的丝网孔间隔处。
9.如权利要求7所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，多次偏移丝网印刷的丝网还包括：间隔一次的偏移丝网印刷的丝网位于同一位置。
10.如权利要求8所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，丝网在横向、纵向、斜向上的相邻丝网孔之间的最短距离均小于丝网孔的直径；
斜向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔斜向相邻的丝网孔间隔处。
11.如权利要求7所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，相邻两层的所述催化剂颗粒层中远离所述基膜的所述催化剂颗粒层为上催化剂颗粒层，靠近所述基膜的所述催化剂颗粒层为下催化剂颗粒层；所述上催化剂颗粒层中的一个所述催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的多个所述催化剂颗粒。
12.如权利要求11所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，一层所述催化剂颗粒层中位于边缘位置的催化剂颗粒为边缘催化剂颗粒，除所述边缘催化剂颗粒外的其他催化剂颗粒为中间催化剂颗粒；所述上催化剂颗粒层的一个所述中间催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的相邻的四个所述催化剂颗粒。
13.如权利要求7～12中任意一项所述的质子交换膜的制备方法，其特征在于，该催化剂颗粒层中的催化剂颗粒内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料。
质子交换膜及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜及其制备方法。
背景技术
[0002] 燃料电池中的质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、能够实现零排放、运行噪音低、可靠性高、维护方便、发电效率、受负荷变化影响很小等优点。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。
[0003] 公知技术中，质子交换膜主要包括基膜及覆盖在基膜上的催化剂层。催化剂层一般由碳粉、铂金粉及黏合剂形成的一层致密的板状层，起到催化作用的主要是催化剂层的表面。为了提高反应效率，公知技术中主要从两个角度进行探索，一方面是寻找新的催化剂材料来进行替代，目前该方向进展不大，效率提升不明显；另一方面提升催化剂层的表面积，以增加反应面积，提高反应效率，但是也导致燃料电池体积的增大，不符合现有条件下轻量化、便携化需求。
发明内容
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种质子交换膜及其制备方法，可以相对于现有技术中同等面积的质子交换膜提升数倍的氢气与催化剂接触面积。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0006] 本发明提供的质子交换膜，包括基膜和涂覆在所述基膜上的催化剂层；其特征在于，所述催化剂层呈疏松结构。
[0007] 本发明提供的质子交换膜，优选地，所述疏松结构由若干层催化剂颗粒层堆叠而成；所述催化剂颗粒层包括若干颗催化剂颗粒。
[0008] 本发明提供的质子交换膜，优选地，所述催化剂颗粒层中相邻的所述催化剂颗粒之间存在间隙。
[0009] 本发明提供的质子交换膜，优选地，相邻两层的所述催化剂颗粒层中远离所述基膜的所述催化剂颗粒层为上催化剂颗粒层，靠近所述基膜的所述催化剂颗粒层为下催化剂颗粒层；所述上催化剂颗粒层中的一个所述催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的多个所述催化剂颗粒。
[0010] 本发明提供的质子交换膜，优选地，一层所述催化剂颗粒层中位于边缘位置的催化剂颗粒为边缘催化剂颗粒，除所述边缘催化剂颗粒外的其他催化剂颗粒为中间催化剂颗粒；所述上催化剂颗粒层的一个所述中间催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的相邻的四个所述催化剂颗粒。
[0011] 本发明提供的质子交换膜，优选地，所述催化剂颗粒内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料。
[0012] 本发明提供一种质子交换膜的制备方法，包括：
[0013] 固定基膜，该基膜具有用于涂覆催化剂层的第一表面；
[0014] 用丝网印刷的方式在第一表面形成一层催化剂颗粒层；
[0015] 偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层；
[0016] 重复若干次“偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层”，形成堆叠在一起的若干层催化剂颗粒层。
[0017] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，丝网上的丝网孔可以在三个方向上与其相邻的丝网孔成排，三个方向包括横向、与横向垂直的纵向及位于横向与纵向之间的斜向；
[0018] 偏移丝网印刷的丝网具体为：
[0019] 丝网在横向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，横向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔横向相邻的丝网孔间隔处；
[0020] 丝网在纵向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，纵向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔纵向相邻的丝网孔间隔处。
[0021] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，多次偏移丝网印刷的丝网还包括：间隔一次的偏移丝网印刷的丝网位于同一位置。
[0022] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，丝网在横向、纵向、斜向上的相邻丝网孔之间的最短距离均小于丝网孔的直径；
[0023] 偏移丝网印刷的丝网具体为：
[0024] 斜向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔斜向相邻的丝网孔间隔处。
[0025] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，相邻两层的所述催化剂颗粒层中远离所述基膜的所述催化剂颗粒层为上催化剂颗粒层，靠近所述基膜的所述催化剂颗粒层为下催化剂颗粒层；所述上催化剂颗粒层中的一个所述催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的多个所述催化剂颗粒。
[0026] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，一层所述催化剂颗粒层中位于边缘位置的催化剂颗粒为边缘催化剂颗粒，除所述边缘催化剂颗粒外的其他催化剂颗粒为中间催化剂颗粒；所述上催化剂颗粒层的一个所述中间催化剂颗粒黏附于所述下催化剂颗粒层中的相邻的四个所述催化剂颗粒。
[0027] 本发明提供的质子交换膜的制备方法，优选地，该催化剂颗粒层中的催化剂颗粒内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料。
[0028] 上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
[0029] 本发明提供一种质子交换膜及其制备方法，通过采用丝网印刷工艺，形成疏松结构的催化剂反应层，可以相对于现有技术中同等面积的质子交换膜提升数倍的反应接触面，从而提升反应效率。
附图说明
[0030] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0031] 图1是本发明实施例1提供的质子交换膜的结构示意图；
[0032] 图2是本发明实施例1提供的质子交换膜的又一视角的结构示意图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
[0034] 实施例1：
[0035] 如图1～2所示，一种质子交换膜，包括基膜1和涂覆在基膜1上的催化剂层2，催化剂层2呈疏松结构。催化剂层2呈疏松结构，使得反应的接触面并不仅限于催化剂层2的表面，催化剂层2的内部同样能够与氢气/氧气等燃料气体进行接触，从而在同等面积的情况下，大大增加了催化剂层2能够催化反应的接触面积。
[0036] 如图1～2所示，疏松结构2由若干层催化剂颗粒层21堆叠而成；催化剂颗粒层21包括若干颗催化剂颗粒211；催化剂颗粒211内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料；催化剂颗粒层211中相邻的催化剂颗粒211之间存在间隙212。催化剂颗粒211可以是由催化剂材料及黏合胶水构成，催化剂材料可以是碳粉与铂金粉，催化剂材料在黏合胶水的作用下，透过丝网印刷的丝网形成一颗颗的催化剂颗粒211；每一层催化剂颗粒层21相当于现有技术中的质子交换膜催化剂层上，且每一层催化剂颗粒层21的比表面积是现有技术中的质子交换膜催化剂层的数倍；并且疏松结构2包括多层催化剂颗粒层21，其所能提供的反应接触面远远大于现有技术中质子交换膜催化剂层能够提供的反应接触面，提升了反应效率。
[0037] 如图1～2所示，本实施例提供的质子交换膜的一个优选结构，相邻两层的催化剂颗粒层21中远离基膜1的催化剂颗粒层为上催化剂颗粒层，靠近基膜1的催化剂颗粒层21为下催化剂颗粒层；上催化剂颗粒层中的一个催化剂颗粒211黏附于下催化剂颗粒层中的多个催化剂颗粒211。方便利用现有技术中的采用丝网印刷的方式进行印刷，而无需采用更加复杂的工艺来实现该质子交换膜的制备，具体的工艺步骤件实施例2。
[0038] 如图1～2所示，本实施例提供的质子交换膜的一个优选结构，一层催化剂颗粒层21中位于边缘位置的催化剂颗粒211为边缘催化剂颗粒，除边缘催化剂颗粒外的其他催化剂颗粒211为中间催化剂颗粒；上催化剂颗粒层的中间催化剂颗粒黏附于下催化剂颗粒层中的相邻的四个催化剂颗粒211。通过精密移动设备控制丝网印刷过程中丝网的偏移距离，使得催化剂颗粒层中的催化剂颗粒位置可控，且一个中间的催化剂颗粒能够得到最多的催化剂颗粒的支撑，从而形成稳定的堆叠结构。
[0039] 为了制备本发明实施例提供的质子交换膜，其制备方法包括：
[0040] S101：固定基膜，该基膜具有用于涂覆催化剂层的第一表面；
[0041] S102：用丝网印刷的方式在第一表面形成一层催化剂颗粒层；
[0042] S103：偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层；
[0043] S104：重复若干次“偏移丝网印刷的丝网，用丝网印刷的方式形成一层催化剂颗粒层”，形成堆叠在一起的若干层催化剂颗粒层。
[0044] 在精密移动设备的控制下多次移动丝网，通过丝网印刷工艺在基膜的表面形成多层催化剂颗粒层，多层催化剂颗粒层形成一种疏松结构，提升催化剂颗粒层的反应接触面，提升反应率。
[0045] 为了能够形成疏松结构，避免上催化剂颗粒层的催化剂颗粒填堵下催化剂颗粒层的催化剂颗粒之间间隙，保证催化剂颗粒的直径大于催化剂颗粒之间的间隙，丝网上的丝网孔与其相邻的丝网孔形成3个方向，三个方向包括横向、与横向垂直的纵向及位于横向与纵向之间的斜向；偏移丝网印刷的丝网具体为：丝网在横向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，横向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔横向相邻的丝网孔间隔处；或者丝网在纵向上的相邻丝网孔之间的最短距离小于丝网孔的直径，纵向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔纵向相邻的丝网孔间隔处。
[0046] 为了形成稳定的疏松结构，且便于精密移动设备偏移丝网，多次偏移丝网印刷的丝网还包括：间隔一次的偏移丝网印刷的丝网位于同一位置。
[0047] 为了进步提升疏松结构的稳定性，让每一颗中间催化剂颗粒得到最多的催化剂颗粒的支撑，丝网在横向、纵向、斜向上的相邻丝网孔之间的最短距离均小于丝网孔的直径；偏移丝网印刷的丝网具体为：斜向偏移丝网使得丝网孔位于与该丝网孔斜向相邻的丝网孔间隔处。通过斜向偏移丝网，使得每一个位于上催化剂颗粒层中的中间催化剂颗粒能够得到下催化剂颗粒层中的四个催化剂颗粒的支撑，提升疏松结构的稳定性。当然，斜向偏移指的可以是直接沿斜向偏移，也可以是先横向后纵向的偏移方式及其他能够实现与斜向偏移相同技术效果的移动方式。
[0048] 为了形成疏松结构，使得催化剂颗粒中的催化剂材料黏合形成催化剂颗粒及催化剂颗粒之间相互黏合，该催化剂颗粒层中的催化剂颗粒内包括用于黏合的黏合材料和多种催化剂材料。
[0049] 以上对本发明的较佳实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，并不影响本发明的实质内容。因此，凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
