[發明專利]使用協同緩解策略的改善化學耐受性

無效

• 申請號: 201110297468.8
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102447121A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: F.科姆斯;C.吉特爾曼;A.布倫納;R.蔣
• 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: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M2/16;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

技術領域

本發明涉及用于燃料電池的離子傳導膜。

背景技術

燃料電池在許多應用中用作電源。特別建議將燃料電池用在機動車中以取代內燃機。常用的燃料電池設計使用固相聚合物電解質（“SPE”）膜或質子交換膜（“PEM”），以在陽極和陰極之間提供離子遷移。

在質子交換膜燃料電池中，氫提供給所述陽極作為燃料，而氧提供給所述陰極作為氧化劑。所述氧可以為純凈形式的（O₂）或空氣（O₂和N₂的混合物）。PEM燃料電池一般具有膜電極組件（“MEA”）其中固態聚合物膜在一個面上具有陽極催化劑而在背面上具有陰極催化劑。典型PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔的有傳導性材料（如織造石墨、石墨化片材或碳紙）形成，以使燃料分散在催化劑層朝向燃料供應電極的表面上。各電極具有精細細化的催化劑顆粒（例如，鉑顆粒），其負載于碳顆粒上，以促進氫在陽極處的氧化和氧在陰極處的還原。質子從所述陽極流動經過所述離子傳導聚合物膜到達所述陰極，在此其與氧結合以形成水，該水被排出所述電池。一般，所述離子傳導聚合物膜包括全氟磺酸（PFSA）離聚物。

MEA夾在一對多孔氣體擴散層之間（“GDL”），而所述多孔氣體擴散層又夾在一對無孔導電元件或板之間。所述板起陽極和陰極的集電極的作用，并包含形成于其中的適當的通道和開口，用于將燃料電池的氣體反應劑分布在相應陽極和陰極催化劑的表面上。為有效產生電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄，化學穩定，可透過質子，不導電并且不透氣。在典型應用中，燃料電池提供成許多單個燃料電池組的陣列，以便提供高水平的電功率。

離子傳導聚合物膜降解的一個機理是在開路電壓（OCV）和高溫的干運行條件下發生氟損失（即氟化物散失，fluoride?emission）。需要PFSA膜的添加劑改善燃料電池壽命，增強膜耐受性和降低在這些條件下的氟化物散失。

因此，需要一種具有降低的氟化物散失的改善離子傳導膜。

發明內容

通過在至少一個實施方案中提供具有改善穩定性的燃料電池膜電極組件，本發明解決了現有技術的一個或多個問題。所述膜電極組件包括陽極，陰極，和插在所述陽極和陰極之間的離子傳導膜。其特征在于，所述離子傳導膜包括離子傳導聚合物，其具有分散在所述離子傳導膜的至少一部分之內的鈰離子和鉑金屬。有利的是，在所述離子傳導膜中的鈰離子與鉑的結合展現出比單獨存在它們兩者中的任何一種時具有更好的化學穩定性。

具體地說，本發明涉及以下內容：

1.?一種用于燃料電池應用的膜電極組件，所述膜電極組件包括:

陽極；

陰極；和

插在所述陽極和陰極之間的離子傳導膜，所述離子傳導膜包括離子導電聚合物，其具有分散在所述離子傳導膜的至少一部分之內的穩定劑和鉑或包含鉑的化合物或合金。

2.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子傳導膜的鉑覆蓋量為約1-30微克/平方厘米。

3.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子膜的鈰離子覆蓋量為約0.05-100微克/平方厘米。

4.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子傳導膜包括PFSA聚合物。?

5.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子傳導膜包括鄰近陽極的第一離子傳導膜和鄰近陰極的第二離子傳導膜。

6.?按照第5項所述的膜電極組件，其中在第二離子傳導膜中鉑的濃度比第一離子傳導膜中鉑的量更高。

7.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子傳導膜包括鉑顆粒，所述穩定劑包括鈰。

8.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述離子傳導膜包括鉑納米顆粒。

9.?按照第1項所述的膜電極組件，其中引入所述膜電極組件的燃料電池比引入不帶鈰的膜電極組件的同樣設計的燃料電池展現出更少劣化。

10.?按照第1項所述的膜電極組件，其中所述穩定劑包括選自以下的化合物：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）的化合物及其組合。

11.?一種制造膜電極組件的方法，所述方法包括:

a）將第一催化劑層置于離子傳導膜的第一面上，使得第一催化劑層接觸所述離子傳導膜的一部分，第一催化劑層包括穩定劑，該催化劑能擴散進入所述離子傳導膜，并且所述離子傳導膜包括鉑或包含鉑的化合物或合金；和