[發明專利]用于PEM燃料電池的陽極材料

有效

• 申請號: 200910253235.0
• 申請日: 2009-12-11
• 公開（公告）號: CN101794894B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: I·C·哈拉萊;B·梅佐吉;G·C·加拉貝迪安;M·P·巴洛格;S·斯瓦西拉詹
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/92;H01M8/04082;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 段曉玲,韋欣華

技術領域

本發明涉及用于減弱在使用質子交換膜(PEM)的耗氫燃料電池中氫不足的影響的陽極材料的選擇。更特別地，本發明涉及混合有陽極催化劑材料的含有鎢化合物的氫溢出材料(hydrogen spillovermaterial)用于延緩在臨時氫不足過程中陰極性能降低開始的用途。

發明背景

質子交換膜(PEM)燃料電池在很大程度上被認為尤其是便攜式和汽車運輸應用的主要燃料電池技術候選。典型的PEM燃料電池總的來講包括膜電極組件(MEA)、與MEA各側面相鄰設置的一對氣體擴散背襯層、和與各背襯層相鄰設置的一對電流收集流板。進一步由在其一面上具有陽極且在另一面上具有陰極的固體聚合物電解質膜構成的MEA是PEM燃料電池中電化學活性的主要來源，在此處產生從陽極流動到陰極的可用電流，并將間歇用于驅動外部裝置。這種電化學活性是在將燃料供給到MEA的陽極側并將氧化劑供給到陰極側時發生的催化劑驅動氧化和還原反應的結果。在很多情況下，可以將大量PEM燃料電池串聯組裝以形成所謂的燃料電池堆以產生更大的電流輸出。例如，PEM燃料電池的堆設置能夠產生累積的電流輸出，其能夠驅動汽車裝置，例如電動機和某些輔助燃料電池堆設備。頒發給General MotorsCorporation的美國專利號5,763,113中描述了多個電池在電池堆中的典型排列。

MEA的固體聚合物電解質膜可以由質子傳導且電絕緣的聚合物材料制成。因此該膜能夠在陽極和陰極之間提供離子傳遞的傳導通道，能夠將電流引導通過外部裝置以使該電流從陽極傳送到陰極并由此完成該電化學電池，并將供給到陽極和陰極的反應物氣體分離。用于制備PEM燃料電池的固體聚合物電解質膜的常見聚合物材料是全氟磺酸離聚物，例如由DuPont制備并以市售名銷售的那些。MEA的其余兩種主要部件(即陽極和陰極)各自典型地是由混合有通常負載在較大碳顆粒上的細碎的催化劑顆粒的具有離子傳導性和電傳導性的粘結劑材料制成的。這些催化劑顆粒通常是貴金屬顆粒，例如鉑和釕的那些，催化分別在陽極和陰極處發生的氧化半反應和還原半反應。

很多種PEM燃料電池的操作包括將氫氣供給燃料電池陽極和將以空氣或純氧氣形式的氧氣供給燃料電池陰極。陽極用于將進入的氫氣分子離解為質子和電子。對這些新生成的各種帶電粒子，在MEA內電化學梯度的存在使其朝向陰極移動，雖然通過不同的路徑。質子如前提到的那樣，從陽極移動通過該固體聚合物電解質膜到達陰極。然而，該膜的電絕緣性質并不一定能傳送電子并因此驅動電子流動通過外部電路以到達陰極。陰極的目的是然后便于到達的質子和電子與供給的氧氣反應生成水。但保持MEA在延長的時間周期內以這種方式高效操作有些依賴于在該膜中保持一定水合程度(所述水合程度用于獲得優化的質子傳導性而同時不使陽極和陰極淹沒)。事實上，很多PEM燃料電池水管理控制試圖通過平衡陰極處生成水、從陽極和陰極去除水和供給的反應物氣流的相對濕度而達到MEA的最佳水合。

一種能夠影響MEA性能的特別水管理問題是氫不足(hydrogen starvation)。氫不足通常發生在通向陽極的氫氣流被陽極處或陽極側流板處的水累積堵塞時。這種過量水的累積能夠通過氫反應物流的外部加濕和/或通過水從陰極到陽極的反擴散而造成。氫不足的發生是存在問題的，因為其能夠引發在陽極附近處局部陰極電池的形成。在不存在氫氣的情況下，作為氧從陽極橫越到陰極以及由于固體聚合物電解質膜的各向異性電性質而缺乏橫向質子傳送的結果，形成了這些局部電池。現在這些富氧局部陰極電池最可能獲得的質子源碰巧是通過陰極中碳材料的氧化和/或催化劑上水的氧化(氧釋放反應)。因此，氫不足的現象促進了由于碳腐蝕而造成的陰極性能降低。

緩解氫不足問題的可能方案包括(i)陽極室的頻繁沖洗以除去任何累積的氮氣和/或水，(ii)使用降低用于陰極中碳氧化的部分電流的氧釋放催化劑，和(iii)在陰極中使用非碳催化劑載體。但不幸的是，所有這些選擇方式都具有顯著的操作或實踐缺點。因此合意地是設計用于解決該氫不足問題的可替代機制。

發明內容

PEM燃料電池的各膜電極組件可以包括質子交換膜，陽極和陰極與該膜的相反兩側緊密接觸。如前所述，該陽極可以包括負載用于有助于氫氣離解的非常小的催化劑顆粒(例如鉑、鈀、釕及其合金)的碳載體顆粒。該陽極也可以包括含鎢的氫溢出材料，以通過幫助在燃料電池陽極附近形成氫儲存器而幫助減弱氫不足的影響。這種氫儲存器在氫不足的臨時時期過程中能夠補償任意局部質子缺乏，并因此延緩在陽極附近氧驅動陰極電池的開始。