CN101237060B - 基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于多孔质子交换膜基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法。其催化剂层包括多孔质子交换膜、催化剂、或者还有质子交换树脂；多孔质子交换膜由含磺酸基团的质子交换树脂单体构成；催化剂为负载型贵金属单质或贵金属合金催化剂。催化剂层的制备是，将多孔质子交换膜浸催化剂料浆后干燥热压成型。膜电极的制备是，将催化剂层置于一涂有微孔层或水管理层的碳纸表面，热压，然后将一质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间，膜与催化剂层接触，再热压制得，或按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列，然后热压制得。

Description

基于多孔基体的燃料电池催化剂层、膜电极及制备方法 

技术领域

本发明涉及一种以多孔质子交换膜为基体的新型燃料电池催化剂层，通过将这种催化剂层与扩散电极和质子交换膜复合组装成燃料电池膜电极(membrane electrode assembly，MEA)，可获得高性能的燃料电池。 

背景技术

当前，燃料电池催化剂层的最基本成份主要是催化剂、质子导体及粘结剂等，催化剂通常为Pt/C催化剂，质子导体为全氟磺酸树脂(如Nafion等)，粘结剂可为全氟磺酸树脂，也可以是聚四氟乙烯(PTFE)疏水剂等。燃料电池催化剂层是燃料电池发生电化学催化与反应的重要场所，因此其催化效率的高低很大程度上决定了燃料电池的性能。提高催化剂层催化效率的关键是要增加纳米贵金属催化剂颗粒表面由反应气体、质子与电子的三相反应界面或催化剂层的三相反应通道。具体对阳极而言，氢气等反应气体通过气体通道到达贵金属催化剂微粒表面，经催化反应，产生质子与电子。产生的质子需要通过催化剂中的质子导体网络构建的质子通道向质子交换膜方向传递，而且电子则由催化剂的载体(如导电碳黑)构建的导电网络导向气体扩散层。如果有任何一个通道不通畅，则燃料电池的性能就会受到影响。而如果缺失任何一个通道，则燃料电池电化学反应就会受阻。 

研究表明，上述的气体通道主要是由催化剂载体碳颗堆积产生的微孔构成。传统的膜电极MEA(membrane electrode assembly)，催化剂层涂敷于多孔电极表面，其缺点是催化剂利用率低。这是因为在催化料浆的涂敷过程中，会很大一部催化剂嵌入到多孔电极表层，而这部分催化剂是不能被利用的。因此，需要提高催化剂的用量加以补偿，这就是为什么MEA催化剂层的厚度通常较厚的原因(一般大于10μm，通常15-20μm)。但增加催化剂层的厚度无疑将会增大反应气体扩散的行程，同时再加上反应水及加湿水的阻挡，对气体的扩散极为不利。在高电流密度下，随着浓差扩散的增大，就会造成水淹电极。为此，通常需要在催化剂层中添加PTFE等疏水剂，以提高催化剂层中疏水孔的比例，增加或扩展反应气体通道。但添加疏水剂也带来不少问题，如阻隔质子与电子的通道，同时增大催化剂颗粒的团聚度，造成催化剂的非均匀性分布，这些都会降低催化剂的利用率。而且催化剂颗粒的非均匀性分布决定催化剂层内气体通道分布也是非均匀的，这无疑会引起膜电极局部的热点问题，影响电池的寿命。 

发明内容

本发明提供一种基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层及其制备方法。与背景技术不同，本发明的催化剂层，催化剂位于多孔质子交换膜的微孔内。此外，本发明还提供基于所述催化剂层的燃料电池膜电极及制备方法。 

本发明的一种基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层，它包括多孔质子交换膜，催化剂，质子交换树脂；催化剂和质子交换树脂均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，质子交换树脂为具有质子交换功能的磺化热稳定性聚合物，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；多孔质子交换膜的厚度不大于10μm，一般为5±1μm，孔隙率不小于60％，一般大于80％，平均孔径不大于2μm，一般为0.5-1μm。 

本发明所述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，或者为预先进行氧化处理过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(如XC-72)、介孔碳、导电陶瓷、石墨、碳纳米管和纳米碳纤维中的任一种。 

本发明所述的催化剂或者预先进行氧化处理，以增加载体表面的活性基团，提高催化剂润湿性及质子导电率。其制备过程为：将催化剂置于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。 

本发明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是：先制备催化剂料浆，将多孔质子交换膜浸入到催化剂料浆中，然后取出真空干燥，反复1-3次，最后热压成型。具体制备步骤包括： 

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所使用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，时间为5-30分钟，之后取出，在70-100℃真空条件下烘干，时间为1-2小时，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。 

利用本发明的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层制备燃料电池膜电极的方法如下： 

1)将制备的基于多孔质子交换膜的催化剂层置于一涂有微孔层或水管理层的碳纸表面，在120～200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，制得气体扩散层电极，其中，碳纸经聚四氟乙烯疏水剂浸渍处理，并经340-350℃下煅烧20-30分钟，聚四氟乙烯疏水剂的含量20-40wt％；水管理层由聚四氟乙烯和导电碳黑颗粒复合而成，经340-350℃下煅烧20-30分钟后成型； 

2)将一张质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间，其中质子交换膜与气体扩散层电极的催化剂层侧相接触，之后，在120-200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，即制得膜电极。 

为了简化膜电极的制备工艺，本发明燃料电池膜电极的制备方法或者为：按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列，做成5合一叠件，然后将5合一叠件在110～200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，制得燃料电池膜电极。 

燃料电池性能测试：将制备的膜电极、石墨集流板、镀金端板及聚四氟乙烯密封圈等组件组装成单电池。单电池操作条件为：对于H2/Air燃料电池(PEMFC)，空气背压为常压，阴、阳极均加湿，加湿度为50％～100％，电池工作温度为70-120℃。对于直接甲醇燃料电池(DMFC)，只对空气加湿，加湿度为50％～100％。 

与传统的、将催化剂涂敷于气体扩散层上制备膜电极MEA背景技术不同的是，本发明的基于多孔质子交换膜的催化剂层是一个独立的结构单元，即其与膜电极其它组成一样的是可分离和单独存放的，从而实现了燃料电池膜电极的模块化配制；此外，本发明催化剂层采用多孔质子交换膜基体为导质子网络，起到质子通道的作用，而填充的催化剂主要是起到电子通道及气体通道的作用，从而实现了三相通道的有序化及定向分布，使催化剂的 利用率得到提高。在Pt载量低于为0.6mg/cm²条件下，获得了较好的燃料电池性能。 

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明。 

实施例1 

基于多孔全氟磺酸膜催化剂层的制备： 

1、将1克Pt/C(40wt％)催化剂分散于50毫升10％的异丙醇水溶液中，在真空条件下采用高速搅拌机分散(1万转/分钟)10分钟，制得催化剂料浆； 

2、全氟磺酸多孔膜的制备 

将浓度为5％的400毫升全氟磺酸树脂溶液(溶剂为30％乙醇，70％异丙醇)倒入长、宽、高分别为10cm、10cm、5cm的玻璃器皿内，然后在温度为80℃条件下真空干燥12小时，得浇铸膜；将浇铸膜从玻璃表面揭起并热压，热压温度为120±10℃，压力为2MPa。将热压后的膜裁剪成5cm宽的条带，之后在130±10℃温度下将宽带纵向拉伸，然后自然却到室温；最后将上述的纵向拉伸膜在120±10℃温度下横向拉伸，拉伸速度为5m/s，拉伸倍率为10倍；将拉伸后形成的微孔膜置于120±10℃下热定型5分钟，即制得全氟磺酸亲水多孔膜； 

3、取多孔全氟磺酸膜，其厚度为4.5μm、孔隙率大于80％，平均孔径为0.5-1μm，将多孔全氟磺酸膜浸入到催化剂料浆中，在真空条件下浸渍5分钟后，取出真空干燥。重复上述浸渍-干燥过程一次；将膜在0.5M H₂SO₄溶液中煮沸1小时，经去离水充分浸泡、洗涤后真空干燥；最后，热压已填充催化剂的多孔全氟磺酸膜，热压温度为130±10℃，压力为3MPa，时间为60秒钟，制得基于多孔全氟磺酸膜催化剂层。 

本发明燃料电池膜电极的制备：将制备的基于多孔全氟磺酸膜的催化剂层置于一碳纸的水管理层表面，在120℃、压力2MPa条件下热压70秒钟，制得气体扩散层电极，其中，碳纸经聚四氟乙烯疏水剂(PTFE)浸渍处理，并经340-350℃下煅烧处理25分钟，PTFE疏水剂的含量25wt％；水管理层由PTFE和导电碳黑颗粒复合而成，经340-350℃下煅烧20分钟后成型；将一张质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间，其中质子交换膜与基于多孔全氟磺酸膜的催化剂层测相接触；之后，在120℃、压力2MPa条件下热压90秒钟，制得燃料电池膜电极。 

单电池性能测试：将制备的膜电极(MEA，Pt载量为0.38mg/cm²，通过增重法计算获得)、石墨集流板、镀金端板及聚四氟乙烯密封圈等组件组装成单电池。单电池操作条件为：H₂/Air，空气背压为常压，阴、阳极均加湿，加湿度为100％，电池工作温度为70℃。在 电流密度为200mA/cm²、600mA/cm²、1000mA/cm²时，燃料电池的电势分别为0.794V、0.704V和0.611V，而采用背景技术的膜电极的燃料电池(Pt载量为0.78mg/cm²，使用与本发明相同的质子交换膜和催化剂)，其对应性电势分别为0.780V、0.695V和0.589V。可见，与传统的膜电极相比，本发明的膜电极具有较好的综合性能优势。 

实施例2 

基于多孔全氟磺酸膜催化剂层的制备： 

1、将1克Pt/CNT(CNT为碳纳米管简称，Pt载量40wt％)催化剂、将10毫升5wt％全氟磺酸树脂溶液(Nafion

溶液，杜邦公司生产)分散于60毫升5％的异丙醇水溶液中，在真空条件下采用高速搅拌机分散(1万转/分钟)10分钟，制得催化剂料浆； 

2、采用实施例1相类似方法制得多孔质子交换膜、填充催化剂的多孔质子交换膜燃料电池膜极及燃料电池的测试方法与实施例1相类似。膜电极的Pt载量为0.35mg/cm²。在电流密度为200mA/cm²、600mA/cm²、1000mA/cm²时，燃料电池的电势分别为0.801V、0.709V和0.618V，而采用背景技术的膜电极的燃料电池(Pt载量为0.74mg/cm²，使用与本发明相同的质子交换膜和催化剂)，其对应性电势分别为0.778V、0.690V和0.582V。可见，与传统的膜电极相比，本发明的膜电极具有较好的综合性能优势。 

实施例3 

基于多孔磺化聚醚醚酮膜催化剂层的制备： 

1、将PtRu/C(Pt载量40wt％)催化剂与71％的HNO₃氧化剂混合，在85℃下加热回流3小时，然后过滤，用去离子水清洗，然后在70℃条件下真空干燥24小时；取经氧化处理的催化剂2克，分散于60毫升5％的乙醇水溶液中，在真空条件下采用高速搅拌机分散(1万转/分钟)10分钟，制得催化剂料浆； 

2、磺化聚醚醚酮亲水多孔膜的制备 

将磺化度为65％、浓度为20％的600毫升磺化聚醚醚酮溶液(溶剂为丙醇)倒入与实施例1相同的大小的玻璃容器内，然后在温度为90℃条件下真空干燥24小时，得浇铸膜；将浇铸膜从玻璃表面揭起并热压，热压温度为160±10℃，压力为8Mpa；将热压后的膜裁剪成4.5cm宽的条带，之后在170±10℃温度下将条带纵向拉伸，然后自然冷却到室温；最后将所述的纵向拉伸膜在160±10℃温度下横向拉伸，拉伸速度为5m/s，拉伸倍率为40倍；将拉伸后形成的微孔膜置于170±10℃下热定型15分钟，即制得磺化聚醚醚酮亲水多孔膜； 

3、取多孔磺化聚醚醚酮膜，该膜的厚度为4μm、孔隙率大于80％，平均孔径为0.5-1μm； 将该膜浸入到催化剂料浆中，在真空条件下浸渍5分钟后，取出进行真空干燥；重复上述浸渍-干燥过程两次；然后，将膜在0.5M H₂SO₄溶液中煮沸1.5小时，经去离水浸泡、洗涤后再进行真空干燥；最后，热压已填充催化剂的多孔质子交换膜，热压温度为170±10℃，压力为4MPa，时间为90秒钟，即得基于多孔磺化聚醚醚酮膜催化剂层。 

本发明燃料电池膜电极的制备：按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列，做成5合一叠件，然后将5合一叠件在180±10℃、压力6MPa条件下热压100秒钟，其中质子交换膜为磺化聚醚醚酮质子交换膜(厚度为75μm)，碳纸处理方式与实施例1相同，聚四氟乙烯疏水剂的用量为30wt％，所述水管理层由聚四氟乙烯和导电碳黑颗粒复合而成，经340-350℃下煅烧30分钟后成型，制得燃料电池膜电极。 

单电池性能测试：将制备的燃料电池膜电极(MEA，Pt载量为0.55mg/cm²，通过增重法计算获得)、石墨集流板、镀金端板及聚四氟乙烯密封圈等组件组装成单电池。单电池操作条件为：CH3OH/Air，空气背压为常压，电池工作温度为80℃，空气100％加湿。在电流密度为200mA/cm²、400mA/cm²、600mA/cm²时，燃料电池的电势分别为0.745V、0.677V和0.626V，而采用背景技术的膜电极的燃料电池(Pt载量为0.98mg/cm²，使用与本发明相同的质子交换膜和催化剂)，其对应性电势分别为0.747V、0.685V和0.622V。可见，与传统的膜电极相比，如果考虑贵金属Pt的用量，本发明的基于多孔质子交换膜的催化剂层制备的膜电极具有较好的综合性能优势。 

实施例4 

基于多孔磺化聚苯并咪唑膜的催化剂层的制备： 

1、取PtCr/C(Pt载量40wt％)催化剂1克，分散于40ml1％的甲醇水溶液中，在真空条件下采用高速搅拌机分散(1万转/分钟)20分钟，制得催化剂料浆； 

2、磺化聚苯并咪唑多孔膜的制备 

将磺化度为10％、浓度为15％的400毫升磺化聚苯并咪唑溶液(溶剂为乙醇)倒入与实施例1相同的大小的玻璃容器内，然后在温度为85±5℃条件下真空干燥18小时，得浇铸膜；将浇铸膜从玻璃表面揭起并热压，热压温度为170±10℃，压力为8MPa。将热压后的膜裁剪成5cm宽的条带，之后在180±10℃温度下将条带纵向拉伸，然后自然冷却到室温；之后，将所述的纵向拉伸膜在170±10℃温度下横向拉伸，拉伸速度为10m/s，拉伸倍率为20倍；最后，将拉伸后形成的微孔膜置于180±10℃下热定型15分钟，即制得磺化聚苯并咪唑亲水多孔膜。 

3、取一多孔磺化聚苯并咪唑膜，其厚度为6μm、孔隙率大于85％，平均孔径为1.2-2.0μm，将该膜浸入到催化剂料浆中，在真空条件下浸渍10分钟，取出真空干燥；重复上述浸渍-干燥过程一次；然后，将膜在0.5M H₂SO₄溶液中煮沸1.5小时，经去离水浸泡、洗涤后真空干燥；最后，热压已填充催化剂的多孔质子交换膜，热压温度为180±10℃，压力为3MPa，时间为50秒钟，即得基于多孔磺化聚苯并咪唑膜的催化剂层。 

本发明燃料电池膜电极的制备：按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列，做成5合一叠件，然后将5合一叠件在190±10℃、压力5MPa条件下热压90秒钟。其中的质子交换膜为厚度50μm的磺化聚苯并咪唑质子交换膜，气体扩散层已进行疏水处理，聚四氟乙烯疏水剂的用量为30wt％，所述水管理层由PTFE和导电碳黑颗粒复合而成，经340-350℃下煅烧20分钟后成型，制得燃料电池膜电极。 

单电池性能测试：将制备的MEA(Pt载量为0.35mg/cm²，通过增重法计算获得)、石墨集流板、镀金端板及聚四氟乙烯密封圈等组件组装成单电池。单电池操作条件为：H₂/Air，空气背压为常压，阴、阳极均增湿，湿度为100％，电池工作温度为100℃。在电流密度为200mA/cm²、400mA/cm²、1000mA/cm²时，燃料电池的电势分别为0.776V、0.724V和0.586V，而采用背景技术的膜电极的燃料电池(Pt载量为0.42mg/cm²，使用与本发明相同的质子交换膜和催化剂)，其对应电势分别为0.767V、0.715V和0.572V。可见，本发明的膜电极的性能要优于传统膜电极。 

实施例5 

基于多孔磺磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯膜的催化剂层的制备： 

1、取PtRuSn/C(Pt载量为45wt％)催化剂3克，与71％HClO₄氧化剂混合，在室温下回流4小时，然后过滤，用去离子水清洗干净，并在80℃条件下真空干燥15小时。取氧化处理后的催化剂2克，分散于去离子水中，在真空条件下采用高速搅拌机分散(1万转/分钟)30分钟，制得催化剂料浆。 

2、采用实施例4相类似方法制得磺磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯多孔膜，其中所使用的磺化聚苯乙烯-聚乙烯/丁烯-聚苯乙烯树脂的磺化度为35％、树脂溶液浓度为40％，用量为800毫升。微孔膜的厚度为4μm、孔隙率大于85％，平均孔径为0.5-0.8μm。将该膜浸入到催化剂料浆中，在真空条件下浸渍20分钟后，取出，真空干燥。重复上述浸渍-干燥过程一次。然后，将膜在0.5M H₂SO₄溶液中煮沸1小时，经去离水浸泡、洗涤后真空干燥。膜的热压成型工艺与实施例4相同。 

本发明燃料电池膜电极的制备工艺与实施例4相同，单电池性能测试方法与实施例3 相同，其中膜电极Pt载量为0.58mg/cm²。经测定，在电流密度为200mA/cm²、400mA/cm²、600mA/cm²时，燃料电池的电势分别为0.765V、0.680V和0.633V，而采用背景技术的膜电极的燃料电池(Pt载量为0.80mg/cm²，使用与本发明相同的质子交换膜和催化剂)，其对应性电势分别为0.759V、0.687V和0.625V。可见，与传统的膜电极相比，如果考虑贵金属Pt的用量，本发明的膜电极具有较好的综合性能优势。 

Claims (8)

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、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，质子交换树脂为具有质子交换功能的磺化热稳定性聚合物，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；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：将负载型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.制备如权利要求1所述的基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层的方法，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.如权利要求5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，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。

7.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应用，其特征是用于制备燃料电池膜电极，制备步骤包括：

1)将基于多孔质子交换膜的燃料电池催化剂层置于一涂有微孔层或水管理层的碳纸表面，在120～200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，制得气体扩散层电极，其中，碳纸经聚四氟乙烯疏水剂浸渍处理，并经340-350℃下煅烧处理25分钟，聚四氟乙烯疏水剂的含量25wt％，水管理层由聚四氟乙烯和导电碳黑颗粒复合而成，经340-350℃下煅烧20-30分钟后成型；

2)将一张质子交换膜置于两个相同的气体扩散层电极之间，其中质子交换膜与气体扩散层电极的催化剂层侧相接触，之后，在120-200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，即制得燃料电池膜电极。

8.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应用，其特征是用于制备燃料电池膜电极，制备工艺为：按碳纸-催化剂层-质子交换膜-催化剂层-碳纸的顺序排列，做成5合一叠件，然后将5合一叠件在100～200℃、压力2～3MPa条件下热压70～100秒钟，即制得燃料电池膜电极。