CN109935841A - 一种燃料电池催化层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池催化层，于电解质膜或气体扩散层表面附着有催化层，所述催化层由粘结剂复合催化剂制备而成；所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50‑100nm。所述催化层的平均孔径为100‑700nm；厚度为20‑100um。所述催化层中复合催化剂的载量0.5‑5.0mg/cm2；所述催化层中同时存在亲液孔和憎液孔。基于复合催化剂制备的催化层，可实现催化剂颗粒与粘结剂分子微纳尺度上的均匀分布避免了因催化层内电极组分团聚引起的“液淹”，强化空气传质，从而提高高温质子膜燃料电池的放电性能及运行稳定性。

Description

一种燃料电池催化层及其制备方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种高温磷酸质子膜燃料电池的膜电极的结构及制备方法。
背景技术
由于具有能量转换效率高、比功率和比能量密度高、环境友好等优点，燃料电池车用动力电源已成为众多汽车企业和研究机构的主要研究课题和方向之一。其中以全氟磺酸型质子交换膜(如Nafion膜)氢氧燃料电池的研究最为广泛，如通用公司开发的第一辆“氢动1号”燃料电池轿车，以及丰田公司2016年推出的Miriam氢氧燃料电池车等。受限于Nafion膜实际工作时需以液态水为质子传导介质，基于Nafion膜的氢氧燃料电池的实际工作温度一般需低于100℃，否则膜内水分流失会造成质子传导能力的急剧下降，电池性能急剧衰降；低温操作的氢氧燃料电池的电催化剂易发生毒化，且电池系统水热管理复杂，严重影响电池放电性能和运行稳定性，限制了其应用。有鉴于Nafion膜基氢氧燃料电池和磷酸高温燃料电池技术的优缺点，通过采用一种可在高温下传导质子的离子交换膜，如磷酸-聚苯并咪唑(H3PO4/PBI膜)，不但可将燃料电池的工作温度至160-200℃，加快质子交换膜燃料电池的电极反应速度，提高催化剂的耐CO中毒性，而且阳极可直接采用甲醇或乙醇重整气替代纯氢气进料，提高电池比能量密度；其次，高温运行时生成的水主要以蒸气形态排出，可避免电极的水淹现象，简化水热管理系统，提高电池性能和可靠性；第三，由于电池温度与环境的温差大，可大幅提高燃料电池的余热利用效率。综上，高温质子交换膜燃料电池的特有优势使得其在分散式电站及热电联用设备及车用动力电源具有广阔的应用前景，许多国家及地区已相继开展该类燃料电池的研究。
同其它质子交换膜燃料电池一样，膜电极(MEA)是高温质子膜燃料电池的“心脏”部位，其组成及结构对燃料电池的放电性能、运行寿命及系统可靠性有着重要的影响。高温质子膜燃料电池膜电极一般由阳极气体扩散电极、质子交换膜、阴极气体扩散电极组成。其中扩散层主要由碳粉与粘结剂组成，催化层则由电催化剂与粘结剂组成。现有高温质子膜燃料电池膜电极催化层制备工艺多为将固体催化剂粉末与粘结剂溶液分散在水或醇溶液中、室温机械搅拌混合。如哈尔滨工业大学的刘晓为等公开了一种高温质子膜燃料电池膜电极的制备方法，就是通过将催化剂粉末、适量石墨烯气溶胶及PTFE溶液在水和异丙醇溶液中超声振荡、磁力搅拌形成催化剂浆料，然后涂布到扩散层上(刘晓为等，高温质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法，CN105024084A)。大连化学物理研究所的景粉宁等人尝试通过控制浆液的粘度和固含量来调控催化剂浆液的性质和催化层的结构(景粉宁等，一种燃料电池催化剂浆液及其应用，CN104716342A)。然而由于电催化剂粉末与粘结剂自身性质及两者在溶剂中的分散状态的差异，仅靠机械搅拌或超声很难实现催化剂与粘结剂在微纳尺度上均匀混合，催化剂或粘结剂的局部团聚会导致电极催化层中亲、憎液的孔结构分布不合理，三相反应界面区域受限，导致催化剂利用率低，反应气传递阻力大，高电流密度区浓差极化损失大，电池输出性能差。
为克服上述问题，本发明通过催化剂制备过程中引入粘结剂形成电催化剂- 粘结剂复合物的方法，实现催化剂与粘结剂在微、纳尺度上均匀混合。通过改善催化剂与粘结剂在催化层的均匀状态，可调节催化层内亲、憎液孔的结构分布，改善气体传输及磷酸分布状态，扩大三相反应界面区域，提高电池输出性能及运行稳定性。
发明内容
针对现有技术的不足及缺点，本发明提出一种燃料电池催化层及其制备方法，将微、纳尺度上均匀混合的复合催化剂制备成催化层，实现具有合适的亲憎水孔比例，及孔隙率的气体扩散电极。
一种燃料电池催化层，于电解质膜或气体扩散层表面附着有催化层，所述催化层由粘结剂复合催化剂制备而成；所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50-100nm。
所述催化层的平均孔径为100-700nm；厚度为20-100um。
所述催化层中复合催化剂的载量为0.5-5mg/cm2；所述催化层中同时存在亲液孔和憎液孔；所述亲液孔的孔隙率为30-40％；所述憎液孔的孔隙率为30-40％。所述复合催化剂中金属活性组分为Pt、Pt及Co、Pd、Ni、Fe、Ru、Au、Sn、Cu中的一种或两种以上混合；所述粘结剂为聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中一种或两种以上的混合物。
所述复合催化剂还包括碳载体，所述碳载体于所述复合催化剂中的质量含量为0-80％。
所述燃料电池催化层的制备方法，包括以下步骤，
(1)将复合电催化剂分散于醇/水混合溶液中，并使其分散均匀得催化剂分散液；
(2)于电解质膜或气体扩散层表面涂覆步骤(1)所得催化剂分散液，得以电解质膜或气体扩散层为基底的预制备的催化层；
(3)对步骤(3)所得催化层于惰性气氛下进行热处理，得电解质膜或气体扩散层为基底的催化层；
步骤(1)所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50-100 nm，所述复合催化剂中可能还包括碳载体。
步骤(1)中催化剂分散液中复合催化剂与溶剂的质量比为1:5-1:20。
步骤(2)中预制备的催化层中催化剂的担载量为0.5-5mg/cm2；所述涂覆的方法为刷涂、喷涂、刮涂、丝网印刷、辊压中的一种。
步骤(3)所述惰性气氛为Ar、N2、H2中的一种或两种以上的混合气；所述热处理温度为250-350℃，热处理时间不小于10分钟。
将气体扩散层与以电解质膜为基底的催化层层叠/压合后组成；或以气体扩散层为基底的催化层与电解质膜压合后组成。
所述复合催化剂中金属活性组分的粒径为3-20nm。
所述金属活性组分为Pt、Pt及Co、Pd、Ni、Fe、Ru、Au、Sn、Cu中的一种或两种以上混合。
所述粘结剂为聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中一种或两种以上的混合物。
所述复合催化剂还包括碳载体，所述碳载体于所述复合催化剂中的质量含量为20％-80％。
所述复合催化剂的制备方法，包括以下步骤，
(1)配制金属活性组分前驱体盐溶液，并使其分散均匀，通常可采用超声的方法进行分散，超声的时间为3-60min；
(2)配制粘结剂的分散液，并将其加入步骤(1)所述金属活性组分前驱体盐溶液中，超声分散均匀的混合溶液；
(3)于步骤(2)所得混合溶液中加入还原剂，控制反应在25-90℃之间进行；反应过程中优选为同时进行机械搅拌，搅拌速度为600-2000rpm；
(4)使其反应均匀，反应时间为60-180min；
(5)对步骤(3)所得反应后的混合液进行过滤、洗涤得复合催化剂；
所述步骤(2)中前驱体盐中金属与粘结剂的质量比为20:40～65:5。
步骤(1)所述前驱体盐溶液制备过程中还加入碳载体，所述碳载体与金属的质量比为2:8～8:2。
步骤(1)所述金属活性组分前驱体盐为Pt前驱体盐、Co前驱体盐、Pd前驱体盐、Ni前驱体盐、Fe前驱体盐、Ru前驱体盐、Au前驱体盐、Sn前驱体盐、Cu 前驱体盐中的一种或两种以上；
所述金属活性组分前驱体盐溶液的浓度为20-100mM/L；溶剂为水、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上的混合溶剂。
步骤(2)所述粘结剂的分散液中粘结剂为聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中任意一种或两种个以上的混合物；溶剂为水、DMAC、NMP中一种或两种以上的混合溶剂；分散液的浓度为0.1-1wt％。
步骤(3)所述还原剂为NaBH4、KBH4、抗坏血酸、氢气、甲酸钠、乙二醇中的一种或两种以上。
基于复合催化剂制备的膜电极的催化层中高分子粘结剂的平均粒径为 50-100nm，电极平均孔径为100-700nm，其中亲液孔隙率和憎液孔隙率由粘结剂与催化剂相对质量进行调控，调控后的最优比例分别为30-40％。基于该电催化剂-粘结剂复合物浆液制备的高温质子膜燃料电池的膜电极放电性能高，运行稳定性好。
所述催化层中亲液孔的平均孔径为50-100nm；所述催化层中憎液孔的平均孔径为100-700nm；所述电解质膜为吸附有磷酸的PBI膜；其中PBI膜中磷酸优选吸附量为350-550wt％；所述压合压力为2000-5000LB；压合时间为3-10min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过催化剂制备过程中直接引入粘结剂形成电催化剂-粘结剂的复合物的方法，实现催化剂与粘结剂在微纳尺度上均匀混合；
(2)改善了催化剂与粘结剂在催化层的均匀状态，进而调节催化层内亲、憎液孔的结构分布，改善气体传输及磷酸分布状态，扩大三相反应界面区域，提高电池输出性能及运行稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例1基于Pt/C-PTFE复合物浆液的催化层扫描电镜图片；
图2是本发明实施例1基于Pt/C-PTFE复合物和PtCo/C-PTFE复合物高温质子膜燃料电池的电流密度-功率密度放电曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，以更好的理解本发明。
对比例：
传统电催化剂浆液制备：准确称取100mg电催化剂粉末，加入1-5ml水将其润湿防止与醇燃烧，然后按20mg每ml乙醇的量加入5ml乙醇，冰浴中超声分散10min后，加入PTFE的水溶液(60wt％)，使得PTFE与电催化剂的质量比为2:8，继续超声分散10min后，将所得到的浆液进行动力学粒径分析后(图1中红线)。。分布以Pt/C和PtCo/C为阳、阴极电催化剂制备浆液并利用超声喷涂的方法沉积到气体扩散电极上，形成阳、阴极催化层，其中阳、阴极Pt载量分别为1.0mgPt/cm2 和1.5mgPt/cm2；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理60分钟活化处理，得到阳、阴极气体扩散电极。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有450wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为 20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热5min，燃后于2500磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极。
将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.4升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。所测得高温质子膜燃料电池在200mA/cm2时放电电压为650mV，最大功率密度可达350mW/cm2。
实施例1
阳极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备：将60毫克Vulcan XC-72R 碳粉和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入10毫升氯亚铂酸钾水溶液，其中氯亚铂酸钾的浓度为20毫摩尔每升，超声混合30分钟，其粒径分布曲线见图1所示，由此可见通过电催化剂制备过程中引入粘结剂可明显提高粘结剂的分散性，其动力学粒径最小可低至100nm左右，接近单个活性碳颗粒的直径 (50nm)，表明催化剂与粘结剂形成复合物，两者为微纳尺度上均匀分布。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为 10wt％，机械搅拌120分钟，转速为1000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的抗坏血酸水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂-粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟，利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阳极催化层，其断面扫描SEM如图2所示，由此可见催化剂颗粒与粘结剂的尺寸均为50-100nm，两者分布均匀，无明显团聚；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理60分钟活化，得到阳极气体扩散电极,Pt载量约为1.0mgPt/cm2。
阴极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备：将60毫克Vulcan XC-72R碳粉和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入11.6毫升氯亚铂酸钾和硝酸钴的混合水溶液，其中氯亚铂酸钾和硝酸钴在该混合溶液中的浓度分别为15 毫摩尔每升和5毫摩尔每升，超声混合30分钟。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为10wt％，，机械搅拌120分钟，转速为1000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的硼氢化钠碱性水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂-粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟得催化剂浆液。利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阴极催化层；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理60分钟活化，得到阴极气体扩散电极，Pt载量约为1.5mgPt/cm2。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有450wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为 20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热5min，燃后于2500磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极。将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.2升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。测试结果如图2所示。从图中可以看出电池在200mA/cm2时放电电压为745mV，最大功率密度可达 468mW/cm2。
实施例2
阳极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备同实施例1，阴极电催化剂 -粘结剂复合物及气体扩散电极制备如下：将60毫克碳纳米管和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入10毫升氯亚铂酸钾和硝酸镍的混合水溶液，其中氯亚铂酸钾和硝酸镍在该混合溶液中的浓度分别为15毫摩尔每升和5毫摩尔每升，超声混合30分钟。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为20wt％，，机械搅拌120分钟，转速为2000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的硼氢化钠碱性水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂-粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟得催化剂浆液。利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阴极催化层；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理30分钟活化，得到阴极气体扩散电极。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有500wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热 5min，然后于2000磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极，其中阳、阴极Pt载量分别为0.5mgPt/cm2和1.2mgPt/cm2。将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.2升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。所测得高温质子膜燃料电池在200mA/cm2时放电电压为710mV，最大功率密度可达450mW/cm2。
实施例3
阳极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备同实施例1，阴极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备如下：将60毫克活性碳和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入10毫升氯亚铂酸钾和氯化钯的混合水溶液，其中氯亚铂酸钾和氯化钯在该混合溶液中的浓度分别为15毫摩尔每升和5毫摩尔每升，超声混合30分钟。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为5wt％，，机械搅拌120分钟，转速为2000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的硼氢化钠碱性水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂- 粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10 倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟得催化剂浆液。利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阴极催化层；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理30 分钟活化，得到阴极气体扩散电极。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有500wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热 5min，然后于2000磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极，，其中阳、阴极Pt载量分别为0.2mgPt/cm2和1.0mgPt/cm2。将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.2升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。所测得高温质子膜燃料电池在200mA/cm2时放电电压为700mV，最大功率密度可达440mW/cm2。
实施例4
阳极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备同实施例1，阴极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备如下：将60毫克活性碳和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入10毫升氯亚铂酸钾和氯化钯的混合水溶液，其中氯亚铂酸钾和氯化钯在该混合溶液中的浓度分别为15毫摩尔每升和5毫摩尔每升，超声混合30分钟。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为40wt％，机械搅拌120分钟，转速为2000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的硼氢化钠碱性水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂- 粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10 倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟得催化剂浆液。利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阴极催化层；将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理30 分钟活化，得到阴极气体扩散电极。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有500wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热 5min，然后于2000磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极，，其中阳、阴极Pt载量分别为0.2mgPt/cm2和1.0mgPt/cm2。将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.2升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。所测得高温质子膜燃料电池在200mA/cm2时放电电压为708mV，最大功率密度可达460mW/cm2。
实施例4
阴极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备同实施例1，阳极电催化剂-粘结剂复合物及气体扩散电极制备：将60毫克Vulcan XC-72R碳粉和60毫升水混合超声分散均匀后，向上述反应体系中加入10毫升氯亚铂酸钾水溶液，其中氯亚铂酸钾的浓度为20毫摩尔每升，超声混合30分钟。将一定量稀释过的PTFE分散液加入使得催化剂-粘结剂复合物中粘结剂质量分数为40wt％，机械搅拌120分钟，转速为1000转每分钟。保持机械搅拌转速不变，加入10毫升的150毫摩尔每升的抗坏血酸水溶液，室温下搅拌反应3个小时。反应完成后，利用2升去离子水抽滤、洗涤得催化剂-粘结剂复合物湿滤饼；室温下将催化剂-粘结剂复合物滤饼晾干过夜，使得其固含量不低于30％。将晾干后的催化剂-粘结剂复合物置于烧杯中，按质量比加入10倍的乙醇/水混合溶液，室温下超声30分钟，利用超声喷涂装置将催化剂-粘结剂复合物分散液中喷涂至包含有碳纸和碳粉的扩散层上，形成阳极催化层。将附有催化层的气体扩散电极置于氮气烘箱中，升温至300℃热处理20 分钟活化，得到阳极气体扩散电极,Pt载量约为1.0mgPt/cm2。
膜电极的制备及单池组装测试：将上述阳极气体扩散电极和阴极气体扩散电极分别置于吸附有500wt％的高温质子膜PBI两侧，然后将叠合好的有效面积为20cm2的膜电极置于膜电极热压模具间，并将所述模具置于油压机中150℃下先预热 5min，然后于2000磅下热压10min，冷却至室温后即得高温质子膜燃料电池的膜电极，，其中阳、阴极Pt载量分别为0.2mgPt/cm2和1.0mgPt/cm2。将所得膜电极组装成单电池后进行测试，测试条件为：常压，160℃，阳极通入0.2升/分钟的氢气，阴极通入0.8升/分钟的空气。所测得高温质子膜燃料电池在200mA/cm2时放电电压为710mV，最大功率密度可达450mW/cm2。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池催化层，于电解质膜或气体扩散层表面附着有催化层，其特征在于：所述催化层由粘结剂复合催化剂制备而成；所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50-100nm。
2.如权利要求1所述燃料电池催化层，其特征在于：所述催化层的平均孔径为100-700nm；厚度为20-100um。
3.如权利要求1所述燃料电池催化层，其特征在于：所述催化层中复合催化剂的载量为0.5-3.0mg/cm2；所述催化层中同时存在亲液孔和憎液孔；所述亲液孔的孔隙率为30-40％；所述憎液孔的孔隙率为30-40％。
4.如权利要求1所述燃料电池催化层，其特征在于：所述复合催化剂中金属活性组分为Pt、Pt及Co、Pd、Ni、Fe、Ru、Au、Sn、Cu中的一种或两种以上混合；所述粘结剂为聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯中一种或两种以上的混合物。
5.如权利要求1所述燃料电池催化层，其特征在于：所述复合催化剂还包括碳载体，所述碳载体于所述复合催化剂中的质量含量为20％-80％。
6.一种权利要求1-5任一所述燃料电池催化层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)将复合电催化剂分散于醇/水混合溶液中，并使其分散均匀得催化剂分散液；
(2)于电解质膜或气体扩散层表面涂覆步骤(1)所得催化剂分散液，得以电解质膜或气体扩散层为基底的预制备的催化层；
(3)对步骤(3)所得催化层于惰性气氛下进行热处理，得电解质膜或气体扩散层为基底的催化层；
步骤(1)所述复合催化剂包括金属活性组分和粘结剂，所述粘结剂于复合催化剂中的质量含量不低于5％，且不高于40％；所述粘结剂的平均粒径为50-100nm，所述复合催化剂中可能还包括碳载体。
7.如权利要求6所述催化层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中催化剂分散液中复合催化剂与溶剂的质量比为1:5-1:20。
8.如权利要求6所述催化层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中预制备的催化层中催化剂的担载量为0.5-5mg/cm2；所述涂覆的方法为刷涂、喷涂、刮涂、丝网印刷、辊压中的一种。
9.如权利要求6所述催化层的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述惰性气氛为Ar、N2、H2中的一种或两种以上的混合气；所述热处理温度为250-350℃，热处理时间不小于10分钟。
10.一种由权利要求1-5任一所述催化层组装的膜电极，其特征在于：将气体扩散层与以电解质膜为基底的催化层层叠/压合后组成；或以气体扩散层为基底的催化层与电解质膜压合后组成。
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