[发明专利]基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法

权利要求书

1、一种基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层，其特征在于，它包括多孔质子交换膜、催化剂、或者还有质子交换树脂；催化剂和质子交换树脂位于多孔质子交换膜的微孔内，所述的多孔质子交换膜由含磺酸基团的质子交换树脂单体构成，质子交换树脂为全氟磺酸树脂或是具有质子交换功能的磺化热稳定性聚合物，选自磺化聚醚砜树脂、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、磺化间规聚苯乙烯树脂、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、磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯树脂、脂磺化聚氧亚苯树脂或磺化聚醚醚酮树脂；所述的催化剂为具有高催化活性的负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂，或者为预先氧化处理的负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂：贵金属合金为MxNy或MxNyOz，其中M、N、O分别为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、V、Ga及Mo中的任一金属元素，且M、N、O互不相同，x、y、z为催化剂中各金属质量比，其数值分别为0～100中的自然数，且x+y＝100或x+y+z＝100；贵金属单质为Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os中的任意一种；催化剂的载体是纳米导电碳黑、介孔碳、导电陶瓷、石墨、碳纳米管和纳米碳纤维中的任一种。

2、如权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层，其特征在于，所述的多孔质子交换膜的厚度不大于10μm，孔隙率不小于60％、平均孔径不大于2μm。

3、如权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层，其特征在于，所述的多孔质子交换膜的厚度为5±1μm，孔隙率大于80％，平均孔径为0.5-1μm。

4、如权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层，其特征在于，所述的预先氧化处理的负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂，其氧化处理过程为：将贵金属单质或贵金属合金置于HNO₃、H₂SO₄、H₂O₂、(NH₄)₂S₂O₈、NaClO、HClO₄或H₃PO₄氧化剂中，在室温-100℃下加热回流2-10小时，然后过滤，用去离子水清洗，并在70-90℃条件下真空干燥12-24小时。

5、权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层的制备方法，其特征是，先制备催化剂料浆，然后将多孔质子交换膜浸入到催化剂料浆中，浸渍了催化剂料浆的多孔质子交换膜真空干燥，反复上述过程1-3次，最后热压成型，即制得基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层。

6、权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层的制备方法，其特征是制备步骤包括：

1)将催化剂分散于溶剂中，对于未经氧化处理的催化剂或者加入1-20wt％质子交换树脂，在真空条件下充分分散，制得催化剂料浆，催化剂与溶剂的质量比为1∶5～20，所述的溶剂是水、醇或醇水溶液，醇为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇中的任一种，醇水溶液中水与醇的质量比为1∶1～100，采用的质子交换树脂与制备多孔质子交换膜的质子交换树脂相同；

2)将多孔质子交换膜浸入到催化剂料浆中，之后取出，在70-100℃真空条件下烘干，重复上述过程1-2次，最后在0.5M H₂SO₄溶液中煮沸1-2小时，并用去离水充分浸泡和洗涤，并真空干燥，制得填充催化剂的多孔质子交换膜；

3)将已填充催化剂的多孔质子交换膜进行热压，热压温度为120-200℃，压力为2-5MPa，时间为0.5-2分钟，即制得基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层。