[发明专利]具有改善功率输出和抗毒性的燃料电池膜电极组件

说明书

本申请是申请日为2000年6月16日、申请号为“00811793.4”、题为“具有改善功率输出和抗毒能力的燃料电池膜电极组件”的分案申请。

技术领域

本发明通常涉及具有改善功率输出的燃料电池膜电极组件。这些经改进的组件除能在电极中出现的催化活性金属之外，其特色是在膜-电极分界处也有一个或更多的催化活性金属的相对较薄区域。

背景技术

燃料电池作为传统能源的替代品在整个世界范围中继续显示出其巨大的商业前景。因为能源缺乏日益加剧、环境规则变得更加严格，并且新燃料电池的应用显露，这种商业前景将会持续增长。参照例如“FUEL CELLS”，Encyclopedia ofChemical Technology，4th ED，vol.11，pp1098-1121。许多汽车制造商已经醒目宣布并将继续宣布在不久的将来大规模生产并零售燃料电池动力汽车的计划。

虽然燃料电池技术进行了不断的改进，但是在增加功率输出，减少最初成本，改进水管理以及增加工作寿命等方面仍然需要有很长的路要走。最初成本的减少，这是特别重要的问题，可以通过减少燃料电池电极的贵重金属含量来轻易实现。但是这种减少通常会导致功率输出损失，这就阻碍了商业化进程。因此，就需要有新的发现来有解决这些和其他困难的折衷办法。

现在有不同类型的燃料电池，但是它们都是依据化学反应来产生电能。一种增加输入的类型，“聚合电解质膜(polymer electrolyte membrane)燃料电池”(PEMFC)，包括膜电极组件(MEA)，该组件通常由在两个导电电极之间夹层的离子导电聚合膜制成。电极除了导电之外还与提供催化的电催化剂层关联。为了商业应用，可以电气连接多个MEA来形成燃料电池的堆(即“叠层式”)。其他与PEMFC关联的部件包括气扩散介质和集电器、后者也可以作为双极分离器和流场元件。PEMFC已经在文献中审阅。参照S.Srinivasan等人：J.Power Source；29(1990)；pp.367-387；和Fuel Cell System，L.J.M.J.Blomen和M.N.Mugerwa(ED.)；PlenumPress；1993；Chapter 11。

在传统的PEMFC中，燃料例如氢气是在一个电极(阳极)进行电催化氧化。在另一电极(阴极)，氧化剂例如氧气进行电催化还原。当由膜作为介质时，净反应导致在电极之间产生电动势和外部电流。虽然，PEMFC日益重要的优势就是可以在较低温度(例如80℃)中使用，但升高温度可以加速这种反应。燃料电池反应通常是由贵重过渡金属进行催化，一般贵金属例如铂，在阳极和阴极都存在作为电催化层。因为燃料电池经常使用气体反应剂一起工作，所以，典型的电极就是在多孔表面处或其中具有催化活性金属的多孔材料(或更普遍的是反应物扩散材料)。在某些情况中，催化剂可以由允许气体扩散到下面的催化剂的聚合物薄层覆盖。金属可以是不同的形态形式，但通常是粒子或分散形态并且被承载在碳上。燃料电池的性能取决于催化剂的形态。参照Poirier等人；J.electrochemical Society，vol.141，no.2，1994.2，pp.425-430。

因为反应被局限在离子导电膜(ionicaily conducting membrane)、气体和被碳承载的催化剂之间的三态界面上，所以，燃料电池系统是复杂的。由于这种局限，向电极添加离子导电材料可导致更好地利用催化剂和改善与膜的界面接触。然而，添加的离子导电体会带来额外费用，特别是当使用全氟化导电体(perfluorinated conductor)时，并且会增加电解水管理的复杂性，这些对商业化都至关重要。因此，需要探索改善离子导体的利用。

为了能将昂贵催化金属的加载最小化，一种通用的方法是使用更小的催化剂粒子。然而，为实现具有更低催化剂加载，就很难实现长工作寿命的目标，并且会发生催化剂中毒。催化剂粒子的大小也可能不稳定，并且通过凝聚或烧结会增加其大小。因此，需要探索改进催化剂使用以及催化剂与离子导电体的组合。