[发明专利]一种可控表面屈曲燃料电池膜电极制备方法

权利要求书

1.一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，包括步骤：

1）采用质子交换膜作为基底，利用定应变的拉伸方法，对质子交换膜进行预拉伸并保持拉伸应变；

2）利用涂层沉积技术在质子交换膜表面沉积，形成纳米厚度的硬质贵金属层，作为燃料电池的催化层；涂层沉积材料包括铂、钯、铑、铱、锇、钌、镓、铟中的一种或几种；

3）释放经过所述步骤2）的质子交换膜的预应变，通过质子交换膜的回弹和质子交换膜-催化层的刚度差异实现表面屈曲，得到具有纳米结构屈曲的高比表面积纳米催化层，以此作为反应气体及气态水传输通道；

4）对步骤3）得到的表面屈曲催化层进行二次拉伸，二次拉伸方向不平行于预拉伸方向，形成不可恢复的硬质催化层裂纹，作为水与质子的传输通道；

5）根据催化层厚度与裂纹宽度之间的比值，对步骤4）得到的带裂纹的屈曲催化层进行全氟磺酸树脂离聚物溶液的涂覆，填充表面裂纹并烘干，形成水与质子的传输通道，实现可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备。

2.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤1）中质子交换膜基底的厚度为100nm-200μm。

3.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤1）中质子交换膜基底表面进行预处理，预处理方法包括离子刻蚀，图案化热压，选择性涂覆中的一种或其组合。

4.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述的定应变的拉伸方法是指采用夹具固定基底，并沿预拉伸方向进行拉伸，预拉伸应变区间不小于1%。

5.根据权利要求4所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，所述的预拉伸应变区间为1%~15%。

6.根据权利要求4所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，所述的预拉伸方向包括单向、双向或三向；

预拉伸方向为双向或三向时，各个方向的夹角大于0°且小于90°。

7.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述的涂层沉积技术包括CVD或者PVD技术；

涂层沉积过程中保持质子交换膜温度为20℃~100℃；

沉积的涂层厚度为1 nm~20μm。

8.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤4）中所述的二次拉伸方向为不平行于预拉伸方向的任意1个或多个方向；

二次拉伸应变区间为塑性区间，应变区间不小于1%；

二次拉伸过程中保持质子交换膜温度为20℃~100℃。

9.根据权利要求8所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，所述的二次拉伸应变区间为5%~15%。

10.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤5）所述全氟磺酸树脂离聚物溶液的涂覆方法包括旋涂、提拉、遮挡涂布或其组合工艺方法；

全氟磺酸树脂离聚物溶液的烘干温度为80℃~120℃，烘干时间为10s~5min；

全氟磺酸树脂离聚物溶液涂覆后的干膜厚度为1-100nm。

11.根据权利要求1所述的一种可控表面屈曲燃料电池膜电极催化层的制备方法，其特征在于，步骤5）得到的燃料电池催化层还进行后处理，后处理方法包括离子刻蚀，化学气相沉积或电子刻蚀。

12.一种可控表面屈曲燃料电池膜电极，其特征在于，该膜电极包括Nafion电解质膜，在电解质膜两侧设有权利要求1-9任一所述方法形成的催化层，催化层外侧还依次设有微孔层和碳纸层。