用于ＰＥＭ燃料电池的保护层和沉淀层制造技术

提供了膜电极组件，其包括阳极、阴极、在该阳极和该阴极之间的膜、和在该膜和该阳极与该阴极中的至少一个电极之间的保护层，该保护层具有包含催化剂的离聚物材料的层，该层具有０～１０％的孔隙率、５０～８０体积％的离聚物含量、１０～５０体积％的催化剂含量和３５～７５％的催化颗粒之间的电连接率。还提供了使用沉淀层以防止催化剂离子迁移的构造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于PEM燃料电池的保护层和沉淀层
技术介绍
本公开涉及燃料电池，更特别地涉及PEM燃料电池和降低在例如其膜及电极中离 聚物的降解。在PEM燃料电池中，少量氧气从阴极通过该膜扩散到阳极，能够通过与氢离子在 该阳极催化剂膜界面处的低电势下反应生成过氧化物。此外，添加到该燃料中用于一氧化 碳耐受性(carbon monoxidetolerance)的氧气能够在该阳极中生成过氧化物。该过氧化 物能够离解成高活性的自由基。自由基也可以直接由该膜内或电极处的催化剂表面处的跨 越气体(crossover gas)形成。这些自由基能够使该膜和电极中的离聚物快速降解。对于固定型PEM燃料电池和运输型PEM燃料电池需要分别实现40000 70000小 时和5000 10000小时的寿命。离聚物的自由基降解严重干扰了为达到这些目标所进行 的努力。尽管氧气、氢气和/或过氧化物的多种来源都能有助于这一问题，但从阳极跨越 的氢气、从阴极跨越的氧气、燃料物流中的氧气、和由其产生的过氧化氢和/或自由基都是 待解决的问题。本公开的一个目的是使由活性自由基的这些来源造成的降解最小化。本专利技术的另一个目的是使该膜中的催化剂离子的沉淀最小化。这种催化剂可以在 该膜内形成用于自由基产生的位点。另一个目的是提供由于跨越气体的这种减少、增强的过氧化物和/或自由基分 解、以及由产生的过氧化物和/或自由基导致的降解的降低而具有延长的寿命的膜电极组 件。本文下面将呈现其他目的和优点。
技术实现思路
依照本公开，容易地实现了前述目的。提供了膜电极组件，其包括阳极、阴极、在该阳极和该阴极之间的膜、在该膜和该 阳极与该阴极中的至少一个电极之间的保护层，该保护层包括包含催化剂的离聚物材料的 层，该层具有0 10%的孔隙率、50 80体积％的离聚物含量、10 50体积％的催化剂含 量和35 75%的催化颗粒之间的电连接率(electrical connectivity)。还提供了膜电极组件，其包括具有催化剂的阳极；阴极；在该阳极和该阴极之间 的膜；和在该膜和该阳极与该阴极中的至少一个电极之间的沉淀层。附图说明以下是参照附图对优选实施方案的详细描述，其中图1描述了在该阳极和该膜之间具有保护层的膜电极组件；图2描述了在该阴极和该膜之间具有保护层的膜电极组件；图3描述了在该阳极和该膜之间以及在该阴极和该膜之间具有保护层的膜电极组件；图4描述了基准膜的氟化物排放速率，以及具有阴极侧保护层的膜电极组件的预 测模型和实际测试结果；图5描述了基准膜和具有阳极侧保护层的膜电极组件的氟化物排放速率；图6描述了基准膜和具有阳极侧保护层和阴极侧保护层的膜电极组件的氟化物 排放速率；图7显示了对于不同的下层孔隙率，对跨越O2的阻挡分数作为电池电流密度的函 数的模型计算；图8描述了具有特定的催化剂层结构的实施方案；图9是图8的放大部分；图10描述了依照本专利技术的实施方案的复合阴极结构，特别是在该密封区域中的；图IOa描述了仅在该MEA的选定区域上使用保护层的本专利技术的实施方案；图11显示了具有沉淀层和气体渗透层的MEA ；和图12显示了仅具有沉淀层的MEA。具体实施例方式本公开涉及燃料电池，特别涉及聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，更特别地涉及 通过在该膜与该阳极和阴极其中之一或两者之间设置保护层来减少分别从该阴极和阳极 的氧气跨越和氢气跨越，所述保护层在这些气体跨越该膜之前消耗掉这些气体并由此避免 过氧化氢和/或自由基的产生。本公开还涉及用于将离子态催化剂金属转化为金属态以防止这类离子移动到该 膜中的沉淀层。依照本专利技术，保护层位于该膜电极组件的该膜与阳极或阴极至少之一之间。该保 护层有利地用于防止氧气和/或氢气的跨越，降低过氧化物和/或自由基形成的可能性，和 /或提供过氧化物和/或自由基的良性分解，所有这些都通过防止过氧化物产生的自由基 攻击该膜和电极的离聚物而提高该膜电极组件的使用寿命。在共同未决且共同拥有的2002年9月4日提交的美国专利申请序列号 10/235，074(现在的美国专利US7112386(B2))(通过引用结合进来)中公开了膜电极组件， 例如本专利技术主题的那些。已经发现保护层能够位于该膜和电极之一或两者之间以降低该氧气和/或氢气 的跨越并分解生成的任何过氧化物，由此防止攻击该膜和电极的离聚物。这种对该离聚物 材料的攻击下文称作对该膜的攻击，应当认识到表示对该膜材料或离聚物以及对在该电极 中存在的该离聚物的攻击。该保护层能够是分散在或嵌入在离子交换聚合物材料中的催化 剂颗粒层，下文将对其进一步讨论。转向图1，显示了依照本专利技术的膜电极组件10，其包括膜12、阴极14和阳极16。膜 12位于阴极14和阳极16之间，用于提供燃料电池电解质的功能并以本领域普通技术人员 公知的那样将氧气与氢气相分离。在该操作的过程中，氢气扩散通过阳极16进入并通过膜 12，氧气扩散通过阴极14并进入和通过膜12，这些组分能够形成过氧化物，主要在阳极处。 也可以直接由在该膜内的催化剂表面处或在电极处的跨越气体形成自由基。以电流密度表6示的该氢气和氧气通量基本上与跨越电流(crossover current)相同，其取决于膜的厚度 典型地为2 4mA/cm2。仍参照图1，在该实施方案中，保护层以位于膜12和阳极16之间的层17的形式提 供。层17是嵌入包含离子交换或离子传导材料的基质内的颗粒催化剂材料层。适用于保护层的催化剂颗粒包括Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、&、Al、 Hf、Ta、Nb、Ce、Ni、Co颗粒及其组合的层，包括氧化物，更优选地为Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、 RiuTi及其组合，包括氧化物(在可应用的情况下)。该组合包括核壳结构，例如其中有Co 核和顶部的钼单层。这些组合能够包括选择的催化剂材料的二元和三元合金。这类催化剂进一步优选提供在载体上，该载体可以有利地选自由以下构成的组 Ru、Sn、Si、Ti、&、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物以及沸石、碳及其混合物。特别优选的是钼 的颗粒、钼负载在碳上、碳本身、钼合金(例如钼-钴合金、钼-镍合金等)。除合金之外，在 本专利技术的宽范围内，也能够使用各种相偏析的金属和在载体上的金属。该催化剂经选择以 对氢的氧化和氧的还原反应具有活性，其能够用于保护膜12不受过氧化物和/或自由基的 攻击。该催化剂也能够典型地与位于该保护层相邻的各个电极中的催化剂相同。在一些情 况中，以使该延伸的催化层具有亲水性的方式选择或改性上述催化剂颗粒可能是合意的。已经发现在层17中具有催化剂颗粒是有利的，所述催化剂颗粒包括与阳极电连 接的第一部分和不与阳极电连接的第二部分。由于与其电连接，所述颗粒的第一部分与阳 极16具有接近相同的电势。这些电连接的颗粒非常适用于分解从阳极16跨越进入层17 中的氢气，由此防止了该氢气到达该膜和/或扩散通过该膜的氧气。不与阳极16电连接的 第二部分颗粒具有随着层17中H2浓度的降低和O2浓度的升高而升高的电势。因此，该电 势在接近阳极16和层17之间的界面处低于接近层17和膜12之间的界面处。处于所述适 当电势的催化剂颗粒对过氧化物和/或自由基的良性分解具有活性。在层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
膜电极组件，包括：阳极；阴极；在所述阳极和所述阴极之间的膜；和在所述膜与所述阳极和所述阴极中的至少一个电极之间的保护层，所述保护层包括包含催化剂的离聚物材料的层，所述层具有０～１０％的孔隙率、５０～８０体积％的离聚物含量、１０～５０体积％的催化剂含量、和３５～７５％的催化剂颗粒之间的电连接率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：SF伯拉特斯基，NE奇波利尼，DA康迪，TH马登，S莫图帕利，LV普罗特塞罗，TW帕特森，L陈，M古马拉，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]