[發明專利]基于多孔基體的燃料電池催化劑層、燃料電池芯片及制備方法

無效

• 申請號: 200810046953.6
• 申請日: 2008-02-28
• 公開（公告）號: CN101237059A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 木士春;程年才;潘牧
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02;C08J5/22;H01M4/90;H01M4/92;H01M4/88
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 張安國

1、一種基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層，其特征在于，它包括多孔質子交換膜、催化劑、或者還有質子交換樹脂，催化劑和質子交換樹脂位于多孔質子交換膜的微孔內，所述的多孔質子交換膜由含磺酸基團的質子交換樹脂單體構成，質子交換樹脂為全氟磺酸樹脂或是具有質子交換功能的磺化熱穩定性聚合物，選自磺化聚醚砜樹脂、磺化聚苯硫醚樹脂、磺化聚苯并咪唑樹脂、磺化聚磷腈樹脂、磺化聚酰亞胺樹脂、磺化聚苯乙烯樹脂、磺化間規聚苯乙烯樹脂、磺化三氟苯乙烯樹脂、聚甲基苯基磺酸硅氧烷樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯共聚物樹脂、磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯樹脂、脂磺化聚氧亞苯樹脂及磺化聚醚醚酮樹脂中的任一種；所述催化劑為具有高催化活性的負載型貴金屬單質或貴金屬合金催化劑，或者為預先經過了氧化處理的負載型貴金屬單質或貴金屬合金：貴金屬合金為MxNy或MxNyOz，其中M、N、O分別為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os、Fe、Cr、Ni、Co、Mn、Cu、Ti、Sn、V、Ga及Mo中的任一金屬元素，且M、N、O互不相同，x、y、z為催化劑中各金屬質量比，其數值分別為0～100中的自然數，且x+y＝100或x+y+z＝100；貴金屬單質為Pt、Ru、Pd、Rh、Ir、Os中的任意一種；催化劑的載體是納米導電碳黑、介孔碳、導電陶瓷、石墨、碳納米管和納米碳纖維中的任一種。

2、如權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層，其特征在于，所述的多孔質子交換膜的厚度不大于10μm，孔隙率不小于60％，平均孔徑不大于2μm。

3、如權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層，其特征在于，所述的多孔質子交換膜的厚度為5±1μm，孔隙率大于80％，平均孔徑為0.5-1μm。

4、如權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層，其特征在于，所述的預先經過了氧化處理的貴金屬單質或貴金屬合金，其氧化處理過程為：將催化劑貴金屬單質或貴金屬合金置于HNO₃、H₂SO₄、H₂O₂、(NH₄)₂S₂O₈、NaClO、HClO₄或H₃PO₄氧化劑中，在室溫-100℃下加熱回流2-10小時，然后過濾，用去離子水清洗，并在70-100℃條件下真空干燥12-24小時。

5、權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層的制備方法，其特征是：先制備催化劑料漿，然后將多孔質子交換膜浸入到催化劑料漿中，浸漬了催化劑料漿的多孔質子交換膜真空干燥，重復上述過程1-3次，最后熱壓成型即得。

6、權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層的制備方法，其特征是制備步驟包括：

1)將催化劑分散于溶劑中，對于未經氧化處理的催化劑，或者加入1-20wt％質子交換樹脂，在真空條件下充分分散，制得催化劑料漿，催化劑與溶劑的質量比為1∶5～20，所述的溶劑是水、醇或醇水溶液，醇為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇中的任一種，醇水溶液中水與醇的質量比為1∶1～100，質子交換樹脂采用與制備多孔質子交換膜的質子交換樹脂相同；

2)將多孔質子交換膜浸入到催化劑料漿中，時間為5-30分鐘，之后取出，在80-90℃真空條件下烘干，時間為1-2小時，重復上述過程1-2次，最后在0.5M?H₂SO₄溶液中煮沸1-2小時，并用去離水充分浸泡和洗滌，并真空干燥，得填充了催化劑的多孔質子交換膜；

3)將已填充了催化劑的多孔質子交換膜進行熱壓，熱壓溫度為120-200℃，壓力為2-5MPa，時間為0.5-2分鐘，即制得基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層。

7、利用權利要求1所述的基于多孔質子交換膜的燃料電池催化劑層制備燃料電池燃料芯片的方法，其特征在于包括：

1)按聚四氟乙烯薄膜-催化劑層-質子交換膜-催化劑層-聚四氟乙烯薄膜的順序排列，做成5合一疊件；

2)將5合一疊件在100～200℃、壓力2～3MPa條件下熱壓70～100秒鐘，冷卻至室溫后，揭去最外側的聚四氟乙烯薄膜，即制得燃料電池芯片。