[發明專利]減輕燃料電池電極非理想操作腐蝕的層設計

在審

• 申請號: 201410858149.3
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104868140A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: A·孔卡南德
• 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
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;徐厚才

相關申請的交叉參考

本申請是要求2013年12月12日提交的美國臨時申請序列號61/915,178的優先權的2014年10月20日提交的美國序列號14/518,455的部分繼續申請，其公開內容在此引入作為參考。

技術領域

至少在一個方面，本發明涉及減輕電極腐蝕的燃料電池設計。

背景技術

在很多應用中使用燃料電池作為電源。尤其是，提議將燃料電池用于汽車中以代替內燃機。常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”)來提供陽極和陰極之間的離子傳輸。

在質子交換膜型燃料電池中，給陽極提供氫作為燃料，并且給陰極提供氧作為氧化劑。氧或者是純凈的形式(O₂)或者是空氣(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料電池典型地具有膜電極組件(“MEA”)，其中固體聚合物膜在一面上具有陽極催化劑，在相反的一面上具有陰極催化劑。典型的PEM燃料電池的陽極和陰極層由多孔導電材料諸如織造石墨、石墨化片、或碳紙形成，以使燃料和氧化劑能夠分別分散在面對提供燃料和提供氧化劑的電極的膜表面上。每一個電極具有碳粒子負載的極細的催化劑粒子(例如鉑粒子)以促進陽極處氫的氧化和陰極處氧的還原。質子從陽極穿過離子傳導性聚合物膜流到陰極，在陰極處質子與氧結合形成水，水從電池中排出。MEA夾在一對多孔的氣體擴散層(“GDL”)之間，氣體擴散層依次夾在一對非多孔的、導電的元件或板之間。該板起到陽極和陰極集流體的作用，并且包含形成在其中的適當的通道或開口用來將燃料電池的氣態反應物分布到每個陽極和陰極催化劑的表面上。為了高效率地發電，PEM燃料電池的聚合物電解質膜必須薄、化學穩定、能傳送質子、不導電并且可透過氣體。在典型的應用中，為了提供高水平電能，以設置成堆疊體的很多單個燃料電池的陣列的形式提供燃料電池。

當空氣侵入到陽極通道中并且產生H₂/空氣鋒線(局部H₂不足)時，會在燃料電池電極上發生不希望的碳腐蝕。圖1圖示了這種情況。在圖1中描繪了具有夾在陽極14和陰極16之間的質子交換膜12的現有技術燃料電池10。在存在氫的區域中，由于空氣被陽極14和陰極16之間的感應電壓所驅動，所以在陽極14上發生下面的電化學反應：

O₂+4H⁺+4e-→2H₂O

這個反應與陰極側上的如下反應相結合，導致了陰極側上碳的降解和隨之產生的燃料電池性能損失：

C+2H₂O→4H⁺+4e-+CO₂

2H₂O→4H⁺+4e-+O₂

陽極側雙極板/擴散介質18和陰極側雙極板/擴散介質20也在圖1中示出。圖2描繪了陽極14和陰極16用短路電阻器22短接以通過將感應電壓調零來最小化電化學反應的現有技術解決方案。在啟動期間，氫(H2)在濕端30處引入，然后流到干端32。氫以稍不同的速率填充每一個電池的填充了空氣的陽極通道(整體氫不足)。陽極14、陰極16、質子交換膜12、和短路電阻器28也在圖3中示出。這種類型的電極降解也可以通過在吹掃(purging)步驟36期間通過吹掃陽極集流管36來最小化。通常，這些現有技術解決方案使系統控制復雜并且損失效率。

因此，需要最小化電極處碳腐蝕的改進的燃料電池設計。

發明內容