[发明专利]使用协同缓解策略的改善化学耐受性

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的离子传导膜。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电源。特别建议将燃料电池用在机动车中以取代内燃机。常用的燃料电池设计使用固相聚合物电解质（“SPE”）膜或质子交换膜（“PEM”），以在阳极和阴极之间提供离子迁移。

在质子交换膜燃料电池中，氢提供给所述阳极作为燃料，而氧提供给所述阴极作为氧化剂。所述氧可以为纯净形式的（O₂）或空气（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料电池一般具有膜电极组件（“MEA”）其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂而在背面上具有阴极催化剂。典型PEM燃料电池的阳极和阴极层由多孔的有传导性材料（如织造石墨、石墨化片材或碳纸）形成，以使燃料分散在催化剂层朝向燃料供应电极的表面上。各电极具有精细细化的催化剂颗粒（例如，铂颗粒），其负载于碳颗粒上，以促进氢在阳极处的氧化和氧在阴极处的还原。质子从所述阳极流动经过所述离子传导聚合物膜到达所述阴极，在此其与氧结合以形成水，该水被排出所述电池。一般，所述离子传导聚合物膜包括全氟磺酸（PFSA）离聚物。

MEA夹在一对多孔气体扩散层之间（“GDL”），而所述多孔气体扩散层又夹在一对无孔导电元件或板之间。所述板起阳极和阴极的集电极的作用，并包含形成于其中的适当的通道和开口，用于将燃料电池的气体反应剂分布在相应阳极和阴极催化剂的表面上。为有效产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须薄，化学稳定，可透过质子，不导电并且不透气。在典型应用中，燃料电池提供成许多单个燃料电池组的阵列，以便提供高水平的电功率。

离子传导聚合物膜降解的一个机理是在开路电压（OCV）和高温的干运行条件下发生氟损失（即氟化物散失，fluoride emission）。需要PFSA膜的添加剂改善燃料电池寿命，增强膜耐受性和降低在这些条件下的氟化物散失。

因此，需要一种具有降低的氟化物散失的改善离子传导膜。

发明内容

通过在至少一个实施方案中提供具有改善稳定性的燃料电池膜电极组件，本发明解决了现有技术的一个或多个问题。所述膜电极组件包括阳极，阴极，和插在所述阳极和阴极之间的离子传导膜。其特征在于，所述离子传导膜包括离子传导聚合物，其具有分散在所述离子传导膜的至少一部分之内的铈离子和铂金属。有利的是，在所述离子传导膜中的铈离子与铂的结合展现出比单独存在它们两者中的任何一种时具有更好的化学稳定性。

具体地说，本发明涉及以下内容：

1. 一种用于燃料电池应用的膜电极组件，所述膜电极组件包括:

阳极；

阴极；和

插在所述阳极和阴极之间的离子传导膜，所述离子传导膜包括离子导电聚合物，其具有分散在所述离子传导膜的至少一部分之内的稳定剂和铂或包含铂的化合物或合金。

2. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子传导膜的铂覆盖量为约1-30微克/平方厘米。

3. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子膜的铈离子覆盖量为约0.05-100微克/平方厘米。

4. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子传导膜包括PFSA聚合物。 

5. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子传导膜包括邻近阳极的第一离子传导膜和邻近阴极的第二离子传导膜。

6. 按照第5项所述的膜电极组件，其中在第二离子传导膜中铂的浓度比第一离子传导膜中铂的量更高。

7. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子传导膜包括铂颗粒，所述稳定剂包括铈。

8. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述离子传导膜包括铂纳米颗粒。

9. 按照第1项所述的膜电极组件，其中引入所述膜电极组件的燃料电池比引入不带铈的膜电极组件的同样设计的燃料电池展现出更少劣化。

10. 按照第1项所述的膜电极组件，其中所述稳定剂包括选自以下的化合物：CeO₂、MnO₂、含Ce（III）的化合物、含Ce（IV）的化合物、含Mn（II）的化合物、含Mn（IV）的化合物及其组合。

11. 一种制造膜电极组件的方法，所述方法包括:

a）将第一催化剂层置于离子传导膜的第一面上，使得第一催化剂层接触所述离子传导膜的一部分，第一催化剂层包括稳定剂，该催化剂能扩散进入所述离子传导膜，并且所述离子传导膜包括铂或包含铂的化合物或合金；和