减少燃料电池退化的方法技术

本发明专利技术是减少膜电极组件燃料电池的阴极中催化剂溶解的方法，所述方法包括以下步骤：(a)制备膜电极组件，该组件包括阳极、阴极和位于所述阳极与所述阴极之间的聚合物电解质膜；(b)使用所述膜电极组件组装燃料电池；(c)向所述膜电极组件的所述阴极提供包含氧化剂的流体；(d)向所述膜电极组件的所述阳极提供包含燃料的流体；(e)向所述阴极提供足量的还原剂，以将所述阴极的平均开路电压保持在小于约0.98伏。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种减少燃料电池退化，以提高燃料电池的耐久性和寿命，从而提高其有用性的方法。
技术介绍
燃料电池是将含有燃料如氢和氧化物质(如氧或空气)的流体物流转化为电流、 热能和反应产物的装置。这类装置包括阳极，向此处提供燃料；阴极，向此处提供氧化物质；分隔阳极与阴极的电解质。燃料和/或氧化剂通常是液体或气态物质。电解质是分离燃料和氧化剂的电子绝缘体。电解质提供离子在阳极与阴极之间移动的离子通道，其中离子通过燃料的反应在阳极产生，在阴极生成产物。在形成离子的过程中产生的电子用于外电路，从而产生电流。如文中所述，燃料电池可包括单个电池，它只包括一个阳极、一个阴极和位于阳极与阴极之间的电解质；或多个组装成堆的电池。在后一种情况中，存在多个单独的阳极和阴极区域，各阳极和阴极区域被电解质隔开。分别向这种电池堆中的各阳极和阴极区域内加入燃料和氧化剂，可以串联或并联的任何组合的形式与外电路连接，以提供电力。单个燃料电池或燃料电池堆中的其它部件可任选地包括将反应物分布在整个阳极和阴极上的装置，包括，但不限于多孔气体扩散介质和/或所谓的双极板，双极板是具有分布反应物的通道的板。另外，还可以任选地包括除去电池中热量的装置，例如具有冷却流体可以在其中流动的分离通道的装置。聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)是一类电解质为聚合物电解质的燃料电池。其它类型的燃料电池包括固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)等。对于利用流体反应物运行的任何电化学装置来说，唯一的挑战是同时实现高性能和长运行时间。为了实现高性能，必须降低装置中部件的电阻和离子阻抗(ionic resistance) 0近来聚合物电解质膜的发展明显地提高了 PEMFC的功率密度。其它各个方面也已经取得了稳定的进步，包括在不同的运行条件下降低Pt负载量、延长膜寿命和实现高性能。但是，许多技术挑战仍然存在。其中之一是膜电极组件(MEA)需符合各种潜在应用在寿命方面的要求。所述要求从针对便携式用品的几百小时到针对汽车用品的5000小时或5000小时以上，再到固定用品中的40000小时或40000小时以上。在所有情况中，膜一定不能失效，并且一定不能出现严重的电极退化。本领域中众所周知，聚合物电解质膜厚度的减小可以减小膜的离子阻抗，从而增大燃料电池的功率密度。在本申请中，功率密度定义为电压和外电路电流的乘积再除以阴极活性区的几何面积所得的值。活性区是阴极中催化剂接触阴极电极中氧化剂的区域。但是，减小膜的物理厚度会使它更容易受到来自其它装置部件的损害，结果缩短电池寿命。已经作出了各种改进以缓解这一问题。例如，授予Bahar等人的美国专利RE37307中显示，用全浸渍的微孔膜强化的聚合物电解质膜具有良好的机械性质。尽管该方法在改进电池性能和提高电池寿命方面取得了成功，但是人们需要电池具有更长的寿命。在燃料电池或燃料电池堆正常运行的过程中，功率密度通常随着运行时间的增加而下降。不同的人将这种下降描述为电压衰减、燃料电池的耐久性或燃料电池的稳定性下降。这种下降是不利的，因为在使用过程中随着电池的老化，得到的有用功变小。最终，电池或电池堆产生的功率太小，以至于根本无法再用。功率随时间损失的原因还没有得到完全理解，但据认为它是由于燃料电池中存在的物质发生各种形式的退化造成的。例如，考虑电极性质的退化。这种电极退化的机理可包括，但不限于由于颗粒烧结或团聚造成的有效区域的减小而导致催化剂活性下降；电极中催化剂、催化剂载体或离子传导部件出现物理损失；电极和相邻部件之间的界面退化；或者电极中存在的多相之间的界面退化。这些机理之一是电极催化剂出现物理损失，它与本申请特别相关。在燃料电池中的特定条件下，Pt金属是热力学不稳定的，在电极中会发生腐蚀。。腐蚀的程度取决于许多因素，包括但不限于电池中Pt附近的局部条件、溶解反应的动力学以及温度。尽管Pt在燃料电池中会腐蚀的事实在本领域中被了解已有一段时间，但是腐蚀的程度以及减缓这种腐蚀的方法和技术此前还没有相关描述。燃料电池运行中的另一个关键变量是电池的温度。尽管该变量随系统的类型而变，对于PEMFC来说，运行温度小于约150°C，PEMFC更常在40°C至80°C之间运行，因为在该温度范围内，功率输出高到令人满意，电压随时间的衰减低到令人满意。在较高的温度下， 衰减速率往往加快，电池耐久性因而下降。然而，人们非常希望电池在较高的温度(例如约 90°C至150°C之间的温度)下运行。在较高的温度下运行时，潜在毒物(例如一氧化碳)的影响会降低。此外，在100°C以上运行时，水的溢流和其它不利影响也减弱。然而，就目前的材料和运行条件而言，在这些高温下运行，电池的寿命会非常短，令人无法接受。而目前限制燃料电池被广泛接受的另一个因素是其成本。一部分是由于在电极中存在相当多的贵金属催化剂即Pt。历史上，代表最新技术发展水平的燃料电池的电极中Pt 的浓度从30年以前约5-10毫克/厘米2的Pt负载量降低到今天的约1毫克/厘米2。然而，为了应对大规模运输对成本目标的严格要求，Pt的负载量必须再下降一个数量级。这样低的负载量要求在电池运行过程中电极的退化非常低，因为在那种情况下，电极中不会像在现有负载水平下那样存在“储备”Pt。例如，在电极中Pt的初始负载量为0. 4毫克/厘米2的电池中，如果在燃料电池运行的过程中有0. 1毫克/厘米2失去活性或损失掉，仍然还有0. 3毫克/厘米2的“活性” Pt催化剂可利用。另一方面，在初始Pt负载量为0. 1毫克/厘米2的电池中，Pt失去相同的活性会导致电池完全失效，因为几乎没有或完全没有可利用的Pt来催化反应。因此，减少或消除燃料电池中会导致钼失去催化活性的电极退化变得日益重要。尽管在提高燃料电池寿命方面已经对燃料电池作了许多改进，但是大部分还是集中在使用改善的材料。很少有人关注运行燃料电池的具体方法或装置，通过它们来使燃料电池的寿命或耐久性最大化。专利技术概述本专利技术是减少膜电极组件燃料电池中阴极的催化剂溶解的方法，该方法包括以下步骤(a)制备一种膜电极组件，其包括阳极、阴极和位于阳极与阴极之间的聚合物电解质膜；(b)使用所述膜电极组件组装燃料电池；(c)向膜电极组件的阴极提供包含氧化剂的流体；(d)向膜电极组件的阳极提供包含燃料的流体；(e)向阴极提供足量的还原剂，以使阴极的平均开路电压维持在小于约0. 98伏。本专利技术的其它实施方式是保持开路电压小于约 0. 95伏，或小于约0. 90伏。在本专利技术的其它实施方式中，可使用上述方法，其中燃料电池在约85°C至150°C、 或约90°C、约100°C、约110°C或约120°C的温度下运行。本专利技术的另一个实施方式是上述方法，其中向阴极提供的足量还原剂包含氢气。 或者，提供给阴极的足量还原剂被提供给包含氧化剂的流体；由外部来源提供；或者由内部来源提供。内部来源可包括由向阳极提供的包含燃料的流体透过来的气体。本专利技术的另一个实施方式是上述方法，其中聚合物电解质膜包含全氟磺酸和任选的膨胀的聚四氟乙烯。本专利技术的另一个实施方式是一种燃料电池，它包含阳极，阴极，位于阳极与阴极之间的聚合物电解质膜，用于将包含氧化剂的流体提供给阴极的装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种从膜电极组件中除去电极的方法，所述方法包括：ａ．将ＭＥＡ在溶剂中浸渍短于５分钟的一段时间；ｂ．在所述溶剂中，轻轻搅拌，并且任选地轻轻摩擦所述ＭＥＡ，以从所述ＭＥＡ的电解质上除去电极；ｃ．从所述溶剂中移出所述电解质，干燥。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：W·刘，W·B·约翰逊，R·里德，S·J·C·克莱格霍恩，
申请(专利权)人：戈尔企业控股股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US