[发明专利]具有通过功能化和稳定化的金属氧化物改进的电池反转耐受性的电极

说明书

一种用于制造功能化的金属氧化物产物的方法(100)，所述功能化的金属氧化物产物被配置为用于燃料电池的阳极催化剂层，所述方法可以包括：形成催化剂溶液，其可以包括将金属氧化物混入水中(102)。可以通过将脂肪酸混入水中来形成储备溶液(106)。可以将所述储备溶液添加到所述催化剂溶液中以形成固体部分和液体部分(108)。可以将所述固体部分从所述液体部分(110)中移出。可以洗涤并干燥所述固体部分，从而形成所述功能化的金属氧化物产物(112)。所述功能化的金属氧化物产物被配置为改进所述燃料电池的电池反转耐受性。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年9月28日提交的美国临时申请序列号63/084,177的优先权。上述申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本技术涉及燃料电池催化剂，更具体地，涉及具有改进的电池反转耐受性的燃料电池催化剂。

背景技术

本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

目前正在开发燃料电池系统以用作在诸如车辆和固定发电厂的许多应用中的电源。这样的系统有望经济地传送电力，并具有环境的及其他的效益。然而，为了在商业上可行，即使当燃料电池处于其优选运行范围之外的条件下时，燃料电池系统仍应该表现出充足的运行可靠性。

燃料电池转化反应物(即燃料和氧化剂)以产生电能和反应产物。聚合物电解质膜燃料电池(Polymer electrolyte membrane fuel cells，PEM燃料电池)采用膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)，其包括设置在两个电极(即阴极和阳极)之间的聚合物电解质膜或离子交换膜。催化剂通常会在所述电极处引发所需的电化学反应。分隔板或双极板(包括提供流场的板，用于引导反应物穿过每个电极基板的表面)设置在所述MEA的每一侧。

在运行中，单个燃料电池在负载下的输出电压可以低于1伏。因此，为了提供更大的输出电压，可以将多个电池堆叠在一起并串联连接以创建更高电压的燃料电池堆。端板组件可以放置在所述堆的每一端以将所述堆保持在一起并将堆部件压在一起。压缩力可以在各种堆部件之间提供密封和充分的电接触。燃料电池堆然后可以进一步串联和/或并联组合以形成更大的阵列，以用于传送更高的电压和/或电流。

在实务中，燃料电池对于变化的操作条件需要是稳健的，尤其是在施加大量开关循环和/或需要动态的负载跟踪功率输出的应用中，例如在车辆应用中发现的那些。例如，燃料电池阳极催化剂优选地应耐受电池电压反转和一氧化碳中毒，而碳负载的催化剂优选地应在启动和关闭过程中耐腐蚀。

电池反转耐受性通常是在反应物缺乏，尤其是氢缺乏期间，用于改进燃料电池堆稳健性的超规格要求。当串联堆中的一个燃料电池无法产生足够的电流以跟上串联堆中的其余电池时，会发生电压反转。若干条件会导致PEM燃料电池中的电压反转，包括例如氧化剂不足、燃料不足及电池部件或结构的某些问题。与电池堆中的其他电池相比，当一个或多个电池经历这些条件之一的更极端水平时，通常会发生电压反转。虽然这些条件中的每一个都可能导致负的燃料电池电压，但这种反转的机制和后果可能因引起反转的条件而不同。

一个堆内的电池组也可以经历电压反转，甚至整个堆可以被阵列中的其他堆驱动至电压反转。除了与一个或多个电池进入电压反转相关的功率损失外，这种情况还会引起操作和性能问题。可能发生不期望的电化学反应，这可能对燃料电池部件产生不利影响。部件劣化会降低受影响的燃料电池的可靠性和性能，进而降低与其相关的堆和阵列的可靠性和性能。例如，在冷启动期间或由于多种问题，可能发生氢气不足。氢气缺乏会导致一个堆内的一个或多个电池的电池反转，并增加阳极电位(例如，超过1.4V)，这会导致催化剂和其他MEA部件的氧化/腐蚀，其中快速氧化事件甚至会损坏PEM燃料电池的膜。