[发明专利]用于燃料电池的催化剂结构体，其制备方法，膜电极组件和燃料电池

权利要求书

1.用于燃料电池的催化剂结构体，其特征在于包含：

(i)附聚结构，在该附聚结构中，各自通过负载催化剂的碳的集聚而形成的附聚体已聚集，从而形成孔，在所述负载催化剂的碳中，催化剂负载在碳载体的表面上；和

(ii)质子传导性聚合物，其进入所述附聚结构中附聚体之间的孔内；

其中存在于孔中的质子传导性聚合物的平均厚度设为3至50nm，且

其中附着有质子传导性聚合物的孔的平均孔径设为40至350nm。

2.根据权利要求1的催化剂结构体，其中附着有质子传导性聚合物的孔的平均孔径设为50至200nm。

3.根据权利要求1或2的催化剂结构体，其中所述质子传导性聚合物的平均厚度设为具有关系t＝D/2β，其中t是以纳米计的平均厚度，D是所述孔的以纳米计的平均孔径，β是1至12的数值。

4.根据权利要求1或2的催化剂结构体，其中所述质子传导性聚合物的平均厚度由(质子传导性聚合物的体积)/(碳载体总表面积×α)表示，其中α是附着系数，表示附着有所述附着的质子传导性聚合物的碳载体的表面区域相对于碳载体全部表面区域的比率。

5.根据权利要求4的催化剂结构体，其中附着系数α设为0.2至0.7。

6.根据权利要求1或2的催化剂结构体，其中如果负载催化剂的碳的质量被定义为100％，则负载催化剂的碳中的被负载催化剂的浓度设为18至72质量％。

7.膜电极组件(3)，其通过在厚度方向上依次堆叠燃料扩散元件(30)、燃料催化剂层(31)、质子传导性聚合物膜(32)、氧化剂催化剂层(33)和氧化剂扩散元件(34)而形成，其中燃料催化剂层(31)和氧化剂催化剂层(33)中至少之一包含根据权利要求1或2的催化剂结构体。

8.根据权利要求7的膜电极组件(3)，其中燃料催化剂层(31)和氧化剂催化剂层(33)中至少之一的每单位面积的催化剂量设为0.01至0.45mg/cm²。

9.根据权利要求8的膜电极组件(3)，其中每单位面积的催化剂量设为0.08至0.18mg/cm²。

10.根据权利要求7的膜电极组件(3)，其中设置Da＜Dc，其中Da是燃料催化剂层(31)中催化剂结构体的平均孔径，Dc是氧化剂催化剂层(33)中催化剂结构体的平均孔径。

11.根据权利要求7的膜电极组件(3)，其中设置ta＜tc，其中ta是燃料催化剂层(31)中质子传导性聚合物的平均厚度，tc是氧化剂催化剂层(33)中质子传导性聚合物的平均厚度。

12.燃料电池，其特征在于包含：

(i)膜电极组件(3)，其通过在平均厚度方向上依次堆叠燃料扩散元件(30)、燃料催化剂层(31)、由具有质子传导性的聚合物形成的膜(32)、氧化剂催化剂层(33)和氧化剂扩散元件(34)形成；

(ii)燃料分配元件(40)，其被设置为朝向膜电极组件(3)的燃料扩散元件(30)；以及

(iii)氧化剂分配元件(42)，其被设置为朝向膜电极组件(3)的氧化剂扩散元件(34)；

其中燃料催化剂层(31)和氧化剂催化剂层(33)中至少之一包含根据权利要求1或2的催化剂结构体。

13.制备根据权利要求1至6任一项所述的用于燃料电池的催化剂结构体的方法，其特征在于包括：

形成其主成分是负载催化剂的碳、质子传导性聚合物和液体材料的混合物，所述负载催化剂的碳中，催化剂负载在碳载体的表面上；以及

进行下述各操作：对混合物施加超声振动的超声操作，将混合物冷却的冷却操作，以及搅拌混合物的搅拌操作，各操作分别进行至少一次，

其中包括超声操作、冷却操作和搅拌操作的操作循环进行2至100次。

14.根据权利要求13的制备方法，其中所述操作循环进行2至7次。

15.根据权利要求13的制备方法，其中所述操作循环进行25至35次。

16.根据权利要求13至15任一项的制备用于燃料电池的催化剂结构体的方法，其中在超声操作中超声波的频率为5kHz至200kHz。