[發明專利]具有電極邊緣保護的低水平鈰遷移

無效

• 申請號: 201110131838.0
• 申請日: 2011-05-20
• 公開（公告）號: CN102255095A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: F.孔斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M4/94;H01M4/88
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 曹小剛;李連濤

技術領域

本發明涉及具有改進的化學降解抗性的燃料電池組裝件，尤其涉及具有減少的氟損失的燃料電池組裝件。

背景技術

燃料電池在許多應用中用作電源。尤其，燃料電池被建議用于汽車以替代內燃機。通常使用的燃料電池設計使用固體聚合物電解質(“SPE”)膜或質子交換膜(“PEM”)，以提供在陽極和陰極之間的離子傳輸。

在質子交換膜型燃料電池中，氫作為燃料供應給陽極，而氧作為氧化劑供應給陰極。該氧可以為純形式(O₂)或空氣(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料電池典型地具有膜電極組裝件(“MEA”)，其中固態聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑，并且在相反的面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極層和陰極層由多孔導電性材料如織造石墨、石墨化的片材、或碳紙形成，以便能使燃料分散在燃料供應電極的催化劑的表面上。每一電極具有擔載于碳顆粒上的細碎的催化劑顆粒(例如鉑顆粒)，以促進氫在陽極的氧化和氧在陰極的還原。質子從陽極通過該離子傳導聚合物膜流入到陰極，在陰極處，它們與氧結合形成水，該水從電池中排出。典型地，該離子傳導聚合物膜包括全氟化磺酸(PFSA)離聚物。

該MEA夾在一對多孔氣體擴散層（“GDL”）之間，其進而夾在一對無孔的導電性元件或板之間。該板起陽極和陰極的集電器的作用，并且含有在其中形成的適當的通道和開口，用于將燃料電池的氣體反應劑分布到各陽極催化劑和陰極催化劑的表面上。為了有效地產生電能，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須是薄的，化學上穩定的，質子透過的，非導電性和不透氣的。在典型的應用中，燃料電池以多個獨立的燃料電池堆的陣列提供，以便提供高水平的電功率。

離子傳導聚合物降解的一種機理是通過在升高的溫度在開路電壓（OCV）和干操作條件下氟的損失（即氟離子釋放）。需要在PFSA膜中添加添加劑以提高燃料電池壽命、提高膜耐久性并降低在這些條件下的氟離子釋放。

因此，需要具有減少的氟離子釋放的改進的離子傳導膜。

發明內容

本發明通過提供具有改進的氟離子保持的燃料電池解決了現有技術的一個或多個問題。該實施方案的燃料電池包括具有第一側和第二側的離子傳導膜。特征在于，該離子傳導膜具有在與除了沒有鈰離子之外具有相同構造的離子傳導膜相比時足以抑制氟離子從該離子傳導膜中的損失的量的穩定劑（例如含鈰化合物）。該MEA還包括設置在該離子傳導層的該第一側上的第一催化劑層，和設置在該離子傳導層的該第二側上的第二催化劑層。第一墊圈沿該第二側的周邊設置在該第一催化劑層和該離子傳導膜的該第一側之間。類似地，第二墊圈沿該第二側的周邊插入該第二催化劑層和該離子傳導膜的該第二側之間。

在本發明的另一實施方案中，提供了制備上述MEA的方法。

本發明進一步體現在如下方面：

1.?燃料電池，包括：

具有第一側和第二側的離子傳導膜，該離子傳導膜具有有效量的鈰離子以抑制氟離子從該離子傳導膜中的損失；

設置在該離子傳導層的該第一側上的第一催化劑層；

插在該第一催化劑層和該離子傳導膜的該第一側之間的第一墊圈；

設置在該離子傳導膜的該第二側上的第二催化劑層；和

插在該第二催化劑層和該離子傳導膜的該第二側之間的第二墊圈。

2.?方面1的燃料電池，其中該第一墊圈和第二墊圈各自獨立地包括聚合物。

3.?方面1的燃料電池，其中該第一墊圈和第二墊圈各自獨立地包括選自由聚酰亞胺、聚酯及其組合構成的組的聚合物。

4.?方面1的燃料電池，其中該第一催化劑層和該第二催化劑層各自獨立地粘附到該離子傳導膜上。

5.?方面1的燃料電池，進一步包括設置在該第一催化劑層上的第一氣體擴散層和設置在該第二催化劑層上的第二氣體擴散層。

6.?方面5的燃料電池，其中該第一催化劑層粘附到該第一擴散層上，且該第二催化劑層粘附到該第二氣體擴散層上。

7.?方面2的燃料電池，其中在95℃和50%相對濕度在開路條件下的氟離子釋放速率小于約1x10^-7?gF/cm²·h。

8.?方面2的燃料電池，其中在95℃和50%相對濕度在開路條件下的氟離子釋放速率為約1x10^-6?gF/cm²·h－約1x10^-5?gF/cm²·h。