CN103762372A - 催化剂层水淹的解决方法和超薄催化剂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的催化剂层水淹的解决方法和超薄催化剂层及其制备方法；燃料电池的催化剂层为多孔结构时控制其厚度不超过20nm，催化剂层的孔隙被传导质子的离子聚合物填充时控制其厚度不超过5nm。当使用本发明所述超薄催化剂层时水淹不仅不会影响催化剂层的正常工作，而且敞开的气体扩散通道不是必须的，催化剂层中不必添加任何电解质，催化剂层不必是多孔的。因为水淹对本发明所述的超薄催化剂层的性能没有任何影响，水淹所带来的一切问题也就不存在了。因此本发明一改传统的尽量避免水淹发生的解决思路，而是通过控制催化剂层的厚度实现控制水层的厚度足够薄，在该水层内氧气的扩散量能够满足燃料电池产生1.5A/cm²的电流密度的要求。

Description

催化剂层水淹的解决方法和超薄催化剂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是水淹是严重问题的质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池和磷酸燃料电池。

背景技术

鉴于其可以快速响应及进行频繁的启动和关闭，质子交换膜燃料电池是最理想的备用电源、车用动力电源和便携式电源。在过去30多年中经过世界各国科技人员的努力，质子交换膜燃料电池技术取得了显著的进展。目前影响其耐久性和寿命的最大问题仍然是其所用电极的水淹问题。水淹不仅降低燃料电池性能而且可以导致电极表面局部燃料匮乏，而一旦燃料匮乏发生，阳极就可能在几秒钟被损坏。

燃料电池中在阳极发生的燃料氧化反应和在阴极发生的氧化剂还原反应是在催化剂的催化作用下发生的。质子交换膜燃料电池中最广泛应用的催化剂是碳载Pt（即Pt/C）。为了增加总的催化表面积，催化剂一般被制备在一个三维的薄层结构中，即催化剂层。催化剂层是多孔的，可以让反应物和产物进出。质子交换膜燃料电池的核心部件膜电极（MEA）三合一组件通常由气体扩散层（GDM）、催化剂层和质子交换膜通过热压工艺制备而成；气体扩散层由导电的多孔材料构成，起到支撑催化剂层、收集电流、传导气体和排出水的作用；有时在气体扩散层和催化剂层之间还加一微孔扩散层。催化剂层的厚度从几个微米到约30微米。较厚的催化剂层在单位几何电极面积上会有较大的催化总表面积，有利于提高电极性能；但同时对电子、质子、反应物和产物迁移的阻力也较大，又不利于电极在较大电流密度下工作。

催化剂层中需要加一种粘合剂把催化剂如Pt/C颗粒粘合在一起以便形成一个三维结构。一种粘合剂是聚四氟乙烯（PTFE），它除了粘合Pt/C颗粒外还可以增加催化剂层的疏水性能，有利于气体反应物的传输。早期的催化剂层都是用PTFE做为粘合剂。由于这类粘合剂不能传导质子，绝大多数催化剂颗粒由于不能满足三相界面的要求都被浪费掉了，致使催化剂用量至少在4mg/cm²

另外一种粘合剂是能够传导质子的离子聚合物，如DuPont公司生产的Nafion。除了把Pt/C颗粒粘合在一起外，Nafion还可以使整个催化剂层传导质子，大大提高催化剂的利用率。自从1997年以来大多数催化剂层都是用能够传导质子的离子聚合物做为粘合剂，并使催化剂层中催化剂的用量降低到了0.4mg/cm²左右。

然而，使用离子聚合物做为粘合剂的催化剂层具有较低的疏水性能，电极中的微孔倾向被液态水充满，因而整个电极很容易被燃料电池自身产生的水淹没。人们一般是通过精密控制和不断地调整反应气的加湿度和流量来应对水淹。如果燃料电池阴极所产生的水不被排出的话，即使在100mA/cm²这么小的电流密度下，水层的厚度在1分钟内就可以超过20μm厚的催化剂层，迫使燃料电池停机，因为气体反应物如氢气和空气在水中的溶解度和扩散系数都很小，不能提供反应所需反应物的量。本发明人发现在一个孔隙率为30%的催化剂层中当液体水层的厚度达到0.27微米时，质子交换膜燃料电池已经不能维持100mA/cm²这么小的电流密度。美国的3M公司创造性地开发出了0.25到1微米厚的纳米薄层（nanostructured thinfilm，NSTF）催化剂层。然而即使这么薄的催化剂层在其彻底被水淹没后也不能产生足够大的电流密度。另外，由于3M公司的NSTF催化剂层很薄，燃料电池运行过程中控制稍有偏差，它很容易就会被燃料电池自身产生的水彻底淹没。因此，水淹对3M公司类的NSTF催化剂层是个更加致命的问题。这也许就是这类催化剂层至今没有能够商业化的一个主要原因。

目前，燃料电池领域的研究人员对催化层水淹的危险性有了充分的认识，因为水的存在阻碍反应物的传递，为了保持催化剂层中的疏水和亲水通道畅通以便让气体（如氢气和空气）和产物水（一部分会以液态形式存在）分别在其中传递，世界各地科技工作者进行了大量的工作，其解决思路都是从如何避免水淹着手，但结果仍不令人满意。质子交换膜燃料电池催化剂层的水淹基本上是很难被彻底避免的，因此水淹对燃料电池性能和寿命的影响成为制约燃料电池发展的一个重要因素，且是科技工作者一直致力于解决而又未能成功解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术中燃料电池催化剂层水淹带来的性能和寿命问题，本发明提供一种与现有解决方案和思路完全不同的解决方法，不仅颠覆了人们对解决水淹问题的传统模式，也很好地解决了燃料电池催化剂层水淹所带来的性能和寿命问题。本发明揭示，当催化剂层足够薄时，水淹不会影响催化剂层的正常工作，敞开的气体扩散通道不是必须的，催化剂层中不必添加任何电解质，而且催化剂层不必是多孔的。

一种燃料电池催化剂层水淹的解决方法，其特征在于燃料电池的催化剂层为多孔结构时采用厚度不超过20nm的催化剂层，催化剂层的孔隙被传导质子的离子聚合物填充时采用厚度不超过5nm的催化剂层。

本发明还提供了一种水淹对其性能没有不良影响的燃料电池用超薄催化剂层，其特征是催化剂层为多孔结构时采用厚度不超过20nm的催化剂层，催化剂层的孔隙被传导质子的离子聚合物填充时采用厚度不超过5nm的催化剂层。

物质的扩散量可以用Fick第一扩散定律，J=-D dc/dx来计算，其中J、D和dc/dx分别是扩散物质的扩散量、扩散系数和浓度梯度。假如是线性扩散，且物质扩散到一个介质对面后的浓度为0，上述公式可简化为J=-DC/L，其中C是物质在扩散起始端介质中的浓度，L为介质的厚度。如果想把扩散量换算成电流密度，公式就变为j=-nFDC/L，其中n为每个分子释放或接受的电子数，F是法拉第常数，为98450库伦每摩尔电子。在多孔介质中，D需要用孔隙率ε进行修饰以便得到有效扩散系数：D_有效=Dε^1.5，为此，j=-nFDε^1.5C/L。

常规多孔催化剂层被液态水淹没后，该层中原有的为传导气态反应物的微孔被水占据，反应物如空气中的氧气必须扩散通过充满水的微孔才能到达催化剂表面进行反应。60℃常压下空气中的氧气在水中的浓度和扩散系数分别为8.84×10^-7mol/cm³和4.8x10^-5cm²/s，因此，利用上述公式就可以计算出不同电流密度和孔隙率情况下扩散层的最大允许厚度。结果见表1。

表1不同电流密度和孔隙率情况下扩散层的最大允许厚度

质子交换膜燃料电池用电极的孔隙率一般在30%左右，因此，若想取得1.5A/cm²的电流密度，扩散层的厚度需要在0.02μm之内，即20nm之内。换句话说，如果水层的厚度在20nm之内，就会有足够的氧气扩散进来，产生1.5A/cm²的电流密度，所以水淹对20nm之内的超薄电极没有影响。换句话说，如果有30%孔隙率的催化剂层的厚度在20nm之内，即使它的所有微孔都被水淹没也可以产生足够大的电流密度，使得燃料电池正常工作。

同理，如果电极原本的30%的孔隙率全部被传导质子的离子聚合物如Nafion充满而变成非多孔催化剂层（non-porous catalyst layer，NPCL），根据氧气在Nafion中的溶解度和扩散系数，当整个电极的厚度在5nm之内时，该电极也能在每cm²的Pt表面上产生1.5A/cm²的电流密度。常规厚度在μm级的膜电极中Nafion含量不能超过35%wt.、孔隙率必须在30%以上，否则电极会被严重水淹。而在本发明所揭示的非多孔超薄催化剂层中，Nafion含量可远超50%wt，且孔隙率可以为0%，即催化剂颗粒之间的空隙可以完全被Nafion充满。

本发明的根本点之一是在燃料电池中使用厚度在20nm之内的超薄催化剂层（ultra thincatalyst layer，UTCL）。本发明的另一个根本点是不在超薄催化剂层中加入任何电解质，而是利用超薄催化剂层微孔中的水来传导质子，而且这个水可由燃料电池自身产生。本发明的再一个根本点是把常规多孔电极中的微孔全部用传导质子的离子聚合物填充满而制备出非多孔、厚度在5nm之内的超薄催化剂层。这里所述的每一个根本点都没有在公开的发明或方法中提到过。

超薄催化剂层中，催化剂是沉积在一个纳米载体上的单原子层或多原子层。

在上述超薄催化剂层中，催化剂和其载体有电子协同效应或几何协同效应进而大大提高催化剂对反应的催化活性。

由于本发明涉及的超薄催化剂层非常薄，如何增加催化剂总表面积以便使其拥有足够好的反应动力学就很关键。在上述超薄催化剂层中，纳米载体可以是有序排列的纳米柱或中空的纳米管。在燃料电池运行过程中纳米柱之间的空隙将会被燃料电池自身产生的水彻底充满。采用这种方式的单原子Pt催化剂层，Pt的担载量不低于0.04mg/cm²即可满足燃料电池的需求。

在上述非多孔超薄催化剂层中，填充微孔的离子聚合物可以是Nafion或其它全氟、非全氟、或非氟的磺酸高分子，或其它传导质子的离子聚合物。因为氧气在Nafion中的透过量是在水中透过量的1/4，氧气可以扩散通过5nm厚的Nafion层而产生1.5A/cm²的电流密度。

在上述非多孔超薄催化剂层中，填充微孔的材料除离子聚合物外，还可以有一些能够保水的纳米颗粒。

上述超薄催化剂层可以制备在一个常规气体层如碳纸或碳布上，也可以制备在一个转印薄膜上。

进一步地，中空的纳米柱的内部和外部都可以承载催化剂，这样就可以进一步提高电极单位几何面积上催化剂的总表面积。

采用纳米柱时，纳米柱相对于与支撑它们的基体可以成任意角度排列；当以垂直方式排列时，空隙为直孔，有利于物质传递。

在不影响氧气扩散的情况下可以使每个纳米柱之间的距离尽量短，以便使单位电极几何面积上的催化剂总表面积达到最大。

本发明还公开了超薄催化剂层的制备方法，一种方法是将载有催化剂的球形纳米载体颗粒涂覆在一个基体上，如气体扩散层或转印薄膜上，控制涂覆厚度在20nm之内。进一步，还可用导质子的离子聚合物的溶液浸润厚度在5nm之内催化剂层，把球形纳米载体颗粒之间的空隙由导质子的离子聚合物溶液充满，然后干燥。

另一种方法为：将载有催化剂的球形纳米载体颗粒和导质子的离子聚合物溶液首先混均，然后把其涂覆在一个基体上，控制其厚度在5nm之内，然后干燥。

当采用纳米柱或纳米管时，一种制备方法为：在一个支撑体上制备出高度在不超过20纳米的纳米柱或纳米管，然后把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱或纳米管的表面上。另一种制备方法为：在一个支撑体上制备出高度不超过5纳米的纳米柱或纳米管，然后把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱或纳米管的表面上，用导质子的离子聚合物的溶液浸润催化剂层，把纳米柱或纳米管之间的空隙由导质子的离子聚合物溶液充满，然后干燥。

进一步地，在所述的导质子的离子聚合物溶液中还可以含有保水的纳米颗粒。

发明人经过长期研究发现，当催化剂层厚度不超过20nm时水淹不仅不会影响催化剂层的正常工作，而且敞开的气体扩散通道不是必须的。因为水淹对本发明所述的超薄催化剂层的性能没有任何影响，水淹所带来的一切问题也就不存在了。因此本发明一改传统的尽量避免水淹发生的思路，而是通过控制催化剂层的厚度实现控制水层的厚度足够薄，在该水层内氧气的扩散量能够满足燃料电池产生1.5A/cm²的电流密度的要求。

附图说明

图1为由载有催化剂的纳米柱组成的超薄催化剂层（ultra thin catalyst layer，UTCL）的侧视图；

图2是由载有催化剂的纳米柱组成的超薄催化剂层的正视图；

图3是由载有催化剂的纳米柱组成的非多孔超薄催化剂层的侧视图；

图4是内外表面都载有催化剂的空心纳米管的正视图；

图5是由载有催化剂的球形纳米颗粒组成的超薄催化剂层的侧视图。

在附图中，和一个物质相连的箭头代表该物质的移动方向。其它符号所代表的意思如下：

h–纳米柱高度

d–纳米柱之间距离

r–纳米柱半径

D–催化剂原子层厚度

t-由球形纳米载体颗粒组成的催化剂层的厚度

1–纳米柱

2–催化剂原子层

3–质子交换膜

4–气体扩散层

5–基体

6–液态水

7–离子聚合物

8–中空纳米管

9–中空纳米管的空心

10–球形纳米载体颗粒。

具体实施方式

下面再结合附图对本发明的内容作详细说明，以有利于帮助理解本发明。

本发明通过控制催化剂层的厚度能够解决燃料电池催化剂层被水淹没带来的不良影响的原理已经如前所述。由于本发明涉及的超薄催化剂层非常薄，如何增加层中催化剂总表面积以使其拥有足够好的反应动力学就很关键。下面的实施例中，水淹不会对催化剂层产生任何不良影响，且催化剂层拥有较大的催化剂总表面积和接近100%的催化剂利用率。

如图1所示，是为氧气的还原反应制备的一个超薄催化剂层的结构示意图的侧视图，即半个MEA的剖切视图，以体现三合一膜电极结构和反应物扩散过程和原理。该实施例中，膜电极MEA三合一组件由质子交换膜3、气体扩散层4和催化剂层组成，其中催化剂层中具有一定排列次序、导电或不导电的纳米柱1，它们的表面载有一个紧密排列的催化剂粒子如Pt粒子构成的催化剂原子层2。

纳米柱1的材料最好能通过众所周知的电子或几何作用而与催化剂原子如Pt原子产生协同效应而增强催化剂对氧气的还原能力，例如沉积在Ru或Co表面上的Pt与Ru或Co有电子协调效应和几何协同效应，使Pt对氧的还原反应的催化能力提高若干倍。

在燃料电池运行过程中纳米柱1之间的空隙将会被燃料电池自身产生的水6彻底充满。电子e-的传导是通过催化剂原子层2和气体扩散层（GDM）4之间的接触来实现的。如果纳米柱1本身是导电材料如碳纳米导线、金属纳米导线、或金属氧化物半导体导线（如TiO₂），纳米柱1也会参与电子的传导过程。如果需要增加纳米柱1和GDM4在接触部位的导电能力，可以通过若干种常规办法来实现，如使催化剂原子层在该接触处为多层，或在该接触处镀一层额外的电子导体。

因为在该纳米空间的水6有足够好的传导质子的能力，来自于质子交换膜（PEM）3的质子通过液态水6迁移到催化剂原子层2的表面参与反应。在该表面生成的水一部分通过液体水6迁移到PEM3，而后迁移到阳极催化剂层（图中未示出）；另一部分水迁移到阴极的GDM4，而后以蒸汽的方式被反应尾气带出。由于该超薄催化剂层的厚度（也即纳米柱1的高度h）在20nm之内，足够的氧气会通过纳米柱1之间微孔中的水6扩散到每个催化剂原子层2的表面。为此，这样一个超薄的催化剂层能够满足质子、电子、反应物和产物的同时传导，并使催化剂表面的利用率达到大体100%。

采用带有微孔的催化剂层，催化剂层厚度即纳米柱1的高度h不超过20nm，这样由于催化剂层是复合在气体扩散层4与质子交换膜层3之间，即使带有微孔的催化剂层完全被水淹没，微孔内水膜的厚度也最多与催化剂层厚度一致。O₂通过气体扩散层4进入液体水6中并扩散到催化剂表面参与反应，O₂的最大扩散距离为h；同样，通过质子交换膜3的质子H⁺在水中扩散到催化剂表面的最大扩散距离以及反应后产生的水分子向外扩散的距离也不超过h。本发明人发现氧气可以扩散通过由大约20纳米厚的液态水淹没的、原本有30%孔隙率的电极而在每cm²的催化剂表面上产生1.5A/cm²的电流密度。换句话说，如果有30%孔隙率的电极的厚度在20纳米之内，即使它全部被水淹没也可以产生足够大的电流密度。

在不影响氧气扩散的情况下可以使每个纳米柱1之间的距离d尽量短，以便使单位电极几何面积上的催化剂总表面积达到最大。

图2是涂有催化剂原子层2的纳米柱1垂直排列在1cm乘以1cm的几何面积基体5上的正视图。在该1cm²几何面积上催化剂的总表面积取决于催化剂颗粒的大小（即图1中催化剂原子层的厚度D）、每个纳米柱的半径r、纳米柱之间的距离d和纳米柱的高度h。表2逐步列出了计算步骤和结果。当催化剂粒子的半径为0.15nm(即图1中D的一半)、纳米柱1的半径r为5nm、纳米柱之间的距离d为10nm，纳米柱的高度h为20nm时，在1cm²基体5几何面积上可以排列2500亿个纳米柱1，使催化剂的总表面积高达5480cm²。对于半径为0.15nm的催化剂Pt原子，其单位质量的表面积为9324009cm²/g,所以这样一个超薄催化剂层单位几何面积上Pt的担载量是0.59mg/cm²。常规催化剂层一般由平均半径为1.5nm的Pt颗粒组成，电极单位几何面积上Pt的担载量在0.4mg/cm²时才能对氧气的还原反应有足够好的催化活性。由于半径为1.5nm的Pt颗粒的单位质量表面积是半径为0.15nm Pt原子的1/10，所以，当使用本发明所述超薄催化剂层时，Pt的担载量在0.04mg/cm²时即可满足燃料电池需求。这个担载量约为表2中所示超薄催化剂层中Pt担载量的1/15。也就是说，把表2所述纳米柱的高度从20nm减到2nm后超薄催化剂层中总的Pt表面积仍能满足燃料电池需求。对于这么薄的一个催化剂层，水淹根本就不是问题，因为扩散通过这么薄的一个水层的氧气量完全可以满足燃料电池的需求；同时，在这么薄的一个催化剂层中总的催化剂Pt用量远远低于美国能源部所定的0.1g/kW的理想指标。

表2图2所示超薄催化剂层中催化剂总表面积计算

在燃料电池运行过程中，图1所示纳米柱1之间的空隙会自动被燃料电池产生的液态水6充满。在纳米范围的空间内水可以提供足够高的质子导电性，因此，在这样一个超薄催化剂层中传导质子的离子聚合物是不需要的。完全通过液体水来实现质子传导是没有先例的，而且在常规微米级厚度电极中也是不可能实现的。

上述厚度不超过20纳米的超薄催化剂层的制备方法简单。在一个基体5上制备出高度在20纳米之内的纳米柱1，然后把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱1的表面上即可。如果所述基体是燃料电池用GDM，完成上述两个步骤后制得的就是一个电极。把两个电极热压在质子交换膜的两面，一个带有气体扩散层的膜电极（membrane electrode assembly，MEA）就制备好了。如果所述基体是一个转印体，如PTFE薄膜，把完成上述两个步骤后制得的物件热压在质子交换膜的两面后，一个不含有气体扩散层的膜电极（catalyst-coated membrane，CCM）就制备好了。

图3示出了本发明的另一种燃料电池用超薄催化剂层结构，是一种非多孔超薄催化剂结构。与图1的实施方式不同的是纳米柱1之间的空隙用固态的传导质子的离子聚合物7（如Nafion或其它全氟、非全氟或非氟的磺酸高分子）填充而形成非多孔催化剂层（NPCL）。因为氧气在离子聚合物7中的扩散透过量是在水中扩散透过量的1/4左右，氧气可以扩散通过5nm厚的Nafion层而产生1.5A/cm²的电流密度。由前所述，纳米柱1的高度h在2nm时催化剂的担载量就可以满足燃料电池需求。在这种由导质子的离子聚合物7填充的非多孔超薄催化剂层中，氧气、质子和水的传导是在导质子的离子聚合物7中进行的，同样使催化剂的利用率达到接近100%。在这种非多孔催化剂层中也可以加入具有良好保水能力的纳米颗粒如SiO₂，TiO₂,ZrO₂,Al₂O₃,WO₃,Zr(HPO₄)和杂多酸(如磷钨酸)等以提高该催化剂层在反应气具有较低相对湿度情况下传导质子的能力。当然，所述非多孔超薄催化剂层没有必要要求其孔隙率必须为零，因为任何没有填充的空隙都会被液态水充满，而氧气在水中的扩散量是在聚合物7中的4倍，更有利于氧气的扩散。

图3中上述厚度不超过5纳米的非多孔催化剂层的制备方法简单。参照图2所示在一个基体5上制备出高度在5纳米之内的纳米柱1，把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱1的表面上，然后把纳米柱1之间的空隙由传导质子的离子聚合物7充满，干燥即可。随后，膜电极的制备与前述相同。

图4示出了另一种催化剂载体，是一种用中空的纳米管8作为催化剂载体的实施方式。由于中空的纳米管8的内部和外部都可以承载催化剂原子层2，这样就可以进一步提高电极单位几何面积上催化剂的总表面积，因此，即使把纳米管8的高度减到1nm由其形成的超薄催化剂层也能提供足够的催化剂总表面积。

如果中空纳米管8的空心9的内径非常小（如小于几个纳米），离子聚合物7难以进入其中，但液态水6仍可以进入来传导质子，因此，所有催化剂的表面仍然都可以被利用。采用纳米管的超薄催化剂层制备方法与纳米柱的方法相同。

图1和图2、图3、图4是以纳米柱3、纳米管8与支撑它们的基体例如图2中的基体5垂直排列的方式构成催化剂层。当然纳米柱和纳米管与支撑它们的基体也可以成一个大于0°的任意角度，例如纳米柱或纳米管与支撑它们的基体成一个大于45°的角度。还可以采用不定向的零乱排列的方式。

纳米柱和纳米管上的催化剂原子层可以为单层，也可以为多层。

超薄催化剂层可以用任何形状的载有催化剂的颗粒来制备。图1-图4中采用的是比表面积较大的纳米柱或纳米管作为载体。图5所示为球形纳米载体颗粒10。催化剂原子层2沉积在导电或不导电的球形纳米载体颗粒10上。同理，作为载体的球形纳米载体颗粒10的材料最好能够和催化剂如Pt有电子或几何协同效应而增加后者的催化能力。常规的方法就可以用来制备这种超薄催化剂层。一种方法简述如下：

载有催化剂的球形纳米载体颗粒10首先被涂覆在作为基体的气体扩散层4上，控制其厚度在5nm之内。气体扩散层4上最好事先涂覆一层微孔扩散层。由于纳米颗粒之间及纳米颗粒和气体扩散层之间有直接的接触，电子传导不成问题。随后，用导质子的离子聚合物7的溶液浸润这个催化剂层，把纳米颗粒之间的空隙由导质子的离子聚合物7溶液充满。干燥以后，超薄催化剂层就制备好了。图5中所示球形纳米颗粒可以排列得比图1和图3中的纳米柱和纳米管更致密，因此，单位电极几何面积上催化剂的总面积可以更高，催化剂层的厚度可以更薄。

另一种简单方法是：把载有催化剂的球形纳米载体颗粒10和导质子的离子聚合物溶液（如Nafion溶液）首先混均（该混合物中也可以加入一些保水的纳米颗粒），然后把其涂覆在一个基体上，控制其厚度在5nm之内。干燥以后，超薄催化剂层就制备好了。

因为水淹对本发明所述的超薄催化剂层的性能没有任何影响，水淹所带来的一切问题也就不存在了，为此可以大大提高燃料电池的寿命。同时，超薄催化剂层中催化剂的用量也比常规催化剂层中催化剂的用量降低了10倍左右。

气体的扩散量与其压力成正比。如果在燃料电池运行时使用的反应气压力超过一个大气压，超薄催化剂层的厚度可以按比例减小；这样，即使纳米载体上的催化剂不是单原子层而是多原子层（如2-5层）时，催化剂层的厚度也可以控制在5或20纳米之内。

在碱性燃料电池中离子聚合物是传导氢氧根OH^-的物质。

由于磷酸燃料电池的工作温度一般高于水的沸点，催化剂层中不存在液态水，但存在液态磷酸，同样对气体的传导有严重影响。所以“水淹”应广义理解为“液体淹没”，而液体包括水、水溶液、酸、醇、熔融盐等。

本发明中所举例子仅仅是帮助理解而非仅限于此。任何在本发明宗旨之内的改动都被本发明所覆盖。

Claims (16)

1.一种燃料电池催化剂层水淹的解决方法，其特征在于燃料电池的催化剂层为多孔结构时采用厚度不超过20nm的催化剂层，催化剂层的孔隙被传导质子的离子聚合物填充时采用厚度不超过5nm的催化剂层。

2.一种燃料电池用超薄催化剂层，其特征在于：催化剂层为多孔结构时采用厚度不超过20nm的催化剂层，催化剂层的孔隙被传导质子的离子聚合物填充时采用厚度不超过5nm的催化剂层。

3.如权利要求2所述的燃料电池用超薄催化剂层，其特征在于：催化剂层中含有保水的纳米颗粒。

4.如权利要求2所述的超薄催化剂层，其特征在于：所述超薄催化剂层用表面载有催化剂的纳米颗粒制备。

5.如权利要求4所述的超薄催化剂层，其特征在于：所述催化剂沉积在导电或不导电的载体上。

6.如权利要求5所述的超薄催化剂层，其特征在于：所述载体能够和催化剂原子有电子或几何协同效应。

7.如权利要求5至6中之一所述的超薄催化剂层，其特征在于：所述载体为纳米柱或中空的纳米管或球形纳米颗粒，载体上的催化剂形成一层或多层的原子层。

8.如权利要求7所述的超薄催化剂层，其特征在于：纳米柱或纳米管相对于支撑它们的基体以任意角度排列。

9.如权利要求8所述的超薄催化剂层，其特征在于：纳米柱或纳米管相对于支撑它们的基体垂直排列。

10.一种权利要求2所述超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：将载有催化剂的球形纳米颗粒涂覆在一个基体上，控制涂覆厚度在20nm之内。

11.如权利要求10所述的超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：在基体上事先涂覆一层微孔扩散层。

12.如权利要求10所述的超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：用导质子的离子聚合物的溶液浸润厚度在5nm之内的催化剂层，把球形纳米载体颗粒之间的空隙由导质子的离子聚合物溶液充满，然后干燥。

13.一种权利要求2所述超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：将载有催化剂的球形纳米载体颗粒和导质子的离子聚合物溶液首先混均，然后把其涂覆在一个基体上，控制其厚度在5nm之内，然后干燥。

14.一种权利要求2所述超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：在一个支撑体上制备出高度在不超过20纳米的纳米柱或纳米管，然后把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱或纳米管的表面上。

15.一种权利要求2所述超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：在一个支撑体上制备出高度不超过5纳米的纳米柱或纳米管，然后把催化剂纳米颗粒沉积在上述纳米柱或纳米管的表面上，用导质子的离子聚合物的溶液浸润催化剂层，把纳米柱或纳米管之间的空隙由导质子的离子聚合物溶液充满，然后干燥。

16.如权利要求12或13或15所述超薄催化剂层的制备方法，其特征在于：所述的导质子的离子聚合物溶液中还含有保水的纳米颗粒。

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