[發明專利]具有氟代烴基化合物添加劑的膜電極組件

在審

• 申請號: 201880047983.0
• 申請日: 2018-07-17
• 公開（公告）號: CN110945697A
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 拉杰什·巴希姆;賀萍;葉思宇
• 申請（專利權）人: 百拉得動力系統公司
• 主分類號: H01M8/1004
• 分類號: H01M8/1004;H01M8/1018
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;洪欣

膜電極組件包括：聚合物電解質，其介于陽極電極與陰極電極之間；陽極電極，其包括與所述聚合物電解質的第一主要表面的至少一部分相鄰的陽極催化劑層；陰極電極，其包括與所述聚合物電解質的第二主要表面的至少一部分相鄰的陰極催化劑層；所述陽極催化劑層和所述陰極催化劑層中的至少一個包含：包含貴金屬的第一催化劑成分；以及包含金屬氧化物的第二成分；其中所述第二成分已經用氟代膦酸化合物進行處理。

背景

技術領域

本公開內容涉及用于PEM燃料電池的具有疏水性添加劑的膜電極組件，并且涉及催化劑涂覆的膜和包含所述疏水性添加劑的燃料電池。

相關技術的描述

目前正在開發燃料電池系統以用作許多應用(例如汽車和固定的發電站)中的電源。此類系統有望經濟地遞送電力，并且使其具有環保以及其他益處。然而，為了在商業上具有可行性，即使當燃料電池承受其優選的工作范圍之外的條件下時，燃料電池系統也應該表現出足夠的運行可靠性。

燃料電池轉變反應物(即燃料和氧化劑)以產生電能和反應產物。聚合物電解質膜燃料電池(“PEM燃料電池”)采用膜電極組件(“MEA”)，其包括設置在兩個電極(即，陰極和陽極)之間的聚合物電解質或離子交換膜。催化劑通常在電極處誘導所期望的電化學反應。用于引導反應物穿過每個電極襯底的一個表面的隔板或流場板設置在MEA的每側上以形成燃料電池。

在工作中，在負載下的單個燃料電池的輸出電壓通常低于一伏。因此，為了提供更大的輸出電壓，通常將多個電池堆疊在一起并且串聯連接以產生更高電壓的燃料電池堆。(端板組件放置在堆的每個末端處以將堆保持在一起并且將堆部件壓縮在一起。壓縮力提供各個堆部件之間的密封和足夠的電接觸。)然后，燃料電池堆還可以串聯連接和/或并聯組合以形成更大的陣列來遞送更高的電壓和/或電流。

在實踐中，燃料電池需要對于變化的工作條件是耐用的，尤其是在具有大量開關循環和/或需要動態的跟隨負載的功率輸出的應用中，例如在汽車應用中。例如，燃料電池陽極催化劑還優選地耐受電池電壓逆轉和一氧化碳中毒；碳載催化劑還優選地在啟動和關閉過程期間耐腐蝕。

PEM燃料電池通常采用貴金屬催化劑，并且眾所周知地，此類催化劑(特別是鉑)對一氧化碳中毒非常敏感。對于在重整產品(reformate)上工作的燃料電池的陽極催化劑而言這是一個特別關注的問題，但是對于在氫上工作的燃料電池而言它也是一個關注的問題，因為一氧化碳(CO)有時作為燃料污染物存在于氫供應中。如由例如Niedrach等人在Electrochemical Technology,第5卷，1967，第318頁中所描述的，使用包含鉑/釕的雙金屬陽極催化劑而非單金屬鉑在典型的PEM燃料電池工作溫度下顯示出降低的CO中毒效應。因此，Pt-Ru催化劑通常用作PEM燃料電池陽極催化劑。

基于釕的燃料電池催化劑對于減輕電壓逆轉也是有用的。當串聯堆的燃料電池不能產生足夠的電流以跟上串聯堆中的其余電池時，發生電壓逆轉。若干條件可以導致PEM燃料電池中的電壓逆轉，例如包括氧化劑不足、燃料不足以及電池部件或構造的某些問題。當一個或多個電池與堆中的其他電池相比經歷這些條件中的一個的更極端水平時，通常發生逆轉。雖然這些條件中的每個都可能導致負的燃料電池電壓，但此類逆轉的機制和后果可以根據引起逆轉的條件而不同。堆內的電池組也可以經歷電壓逆轉，并且甚至整個堆可以由陣列中的其他堆驅動至電壓反轉。除了與一個或多個電池進入電壓逆轉相關的功率損失之外，這種情況造成了可靠性問題。可能發生不期望的電化學反應，這可能對燃料電池部件造成不利影響。部件劣化降低了受影響的燃料電池的可靠性和性能，并且進而降低了與其相關的堆和陣列的可靠性和性能。