具有改进的电极的膜电极组件制造技术

膜电极组件包括插置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，阳极电极包括与聚合物电解质的第一主表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层，阴极电极包括与聚合物电解质的第二主表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层，阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少一个包括：包含贵金属的第一催化剂成分和包含金属氧化物的第二成分，其中，第二成分已经通过氟代膦酸化合物进行处理。

Membrane electrode assembly with improved electrodes

The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte inserted between the anode electrode and the cathode electrode, an anode electrode including at least a portion of the anode catalyst layer adjacent to the first main surface of the polymer electrolyte, a cathode electrode including at least a portion of the cathode catalyst layer adjacent to the second main surface of the polymer electrolyte, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer at least. One includes the first catalyst component containing noble metals and the second component containing metal oxides, in which the second component has been treated by fluorophosphonic acid compounds.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的电极的膜电极组件
本专利技术涉及在PEM燃料电池中使用的具有改进电极的膜电极组件，并且涉及催化剂涂覆膜和包含改进电极的燃料电池。
技术介绍
目前正在开发燃料电池系统以用作许多应用(例如汽车和固定动力设备)中的电源。这类系统使得低成本且环境友好地提供电力成为可能，且还具有其他益处。然而，为了在商业上具有可行性，燃料电池系统应该在操作中表现出足够的可靠性，即使当燃料电池经受超出其优选工作范围的条件时也能表现出足够的可靠性。燃料电池转变反应物(即燃料和氧化剂)以产生电能和反应产物。聚合物电解质膜燃料电池(“PEM燃料电池”)采用膜电极组件(“MEA”)，膜电极组件包括设置在两个电极(即，阴极和阳极)之间的聚合物电解质或离子交换膜。催化剂通常在电极处诱导所期望的电化学反应。用于引导反应物穿过每个电极衬底的一个表面的隔板或流场板设置在MEA的每侧上。在工作时，在负载下的单个燃料电池的输出电压通常低于一伏。因此，为了提供更大的输出电压，通常将多个电池堆叠在一起并串联连接以形成更高电压的燃料电池堆。(端板组件放置在堆的每个端处以将堆保持在一起并将堆叠部件压缩在一起。压缩力提供各个堆叠部件之间的密封和足够的电接触。)然后，燃料电池堆还可以串联连接和/或并联组合以形成更大的阵列以提供更高的电压和/或电流。在实践中，燃料电池需要对变化的工作条件具有鲁棒性，尤其是在具有大量开关循环和/或需要动态的负载跟随功率输出的应用中，例如，在汽车应用中。例如，燃料电池阳极催化剂还优选地耐受电池电压逆转和一氧化碳中毒，碳载催化剂还优选地在启动和关闭过程期间耐腐蚀。PEM燃料电池通常使用贵金属催化剂，众所周知，这种催化剂(具体地，铂)对一氧化碳中毒非常敏感。对于在重整油上工作的燃料电池的阳极催化剂而言这是一个特别关注的问题，但是对于在氢上工作的燃料电池也是一个问题，因为在氢供应中有时存在作为燃料污染物的一氧化碳(CO)。如由Niedrach等人在电化学技术，卷5，1967，第318页(ElectrochemicalTechnology,Vol.5,1967,p.318)中所描述的，使用包含铂/钌而非单金属铂的双金属阳极催化剂在典型的PEM燃料电池工作温度下表现出降低的CO中毒影响。因此，Pt-Ru催化剂通常用作PEM燃料电池阳极催化剂。钌基燃料电池催化剂对于减轻电压逆转也是有用的。当串联堆叠的燃料电池不能产生足够的电流以跟上串联堆叠中的其余电池时，发生电压逆转。若干条件可以导致PEM燃料电池中的电压逆转，例如包括氧化剂不足、燃料不足以及电池部件或构造的某些问题。当一个或多个电池与堆叠中的其他电池相比经历这些条件中的一个的更极端水平时，通常发生逆转。虽然这些条件中的每个都可以导致负燃料电池电压，但是这种逆转的机制和后果可根据导致逆转的条件而不同。堆叠内的电池组也可以经历电压逆转，并且甚至整个堆叠可以由阵列中的其他堆叠驱动至电压反转。除了与一个或多个电池进入电压逆转相关的功率损失之外，这种情况造成了可靠性问题。可能发生不期望的电化学反应，这可能对燃料电池部件造成不利影响。部件劣化降低了受影响的燃料电池的可靠性和性能，进而降低了与其相关的堆叠和阵列的可靠性和性能。如第6,936,370号美国专利中所描述的，还可以通过促进阳极处的阳极成分氧化之上的水电解来使燃料电池更耐受电池逆转。这可以通过在阳极处掺入另外的催化剂成分以促进水电解反应来实现。因此，在电压逆转期间被迫通过燃料电池的更多电流可以在水的电解中被消耗，而不是在阳极成分的氧化中被消耗。在所公开的催化剂成分中有Pt-Ru合金、RuO2和其他金属氧化物混合物和/或包括Ru的固溶体。第2004/0013935号美国专利申请还描述了通过使用在可选的耐腐蚀载体上采用较高催化剂负载(至少60wt％催化剂)并掺入某些未负载的催化剂成分的阳极来促进水电解反应以改善电池电压逆转耐受性的方法。所公开的优选成分包括由化学式RuOx和IrOx表征的氧化物，其中x大于1，具体地，x约为2，并且其中，Ru与Ir的原子比大于约70:30，并且具体地为约90:10。然而，在某些燃料电池工作条件下，钌已被证明是不稳定的。例如，Piela等人(电化学学报(J.Electrochem.Soc.),151(12),A2053-A2059(2004))描述了异常条件下(例如，在电池逆转导致非常高的阳极电位的条件下)(并且在正常的DMFC工作条件下)在直接甲醇燃料电池(DMFC)和氢/空气燃料中钌从Pt-Ru黑催化剂跨越(crossover)并且在Pt阴极催化剂处再沉积。Piela等人在理论上认为Pt-Ru合金应该在DMFC操作条件下很可能保持稳定，并且钌污染的源头是中性含水RuO2。Taniguchi等人(能源学报(J.PowerSources),130,42-49(2004))观察到由于燃料电池在电池逆转条件下经历的高阳极电位，钌从碳负载(support)的Pt-Ru阳极催化剂溶解。还已经表明，Pt-Ru催化剂在较高的相对湿度操作和阴极碳腐蚀下易于产生钌溶解。例如，P.He等人(ECS事务(ECSTransactions)，33(1)1273-1279(2010))发现相对湿度(RH)显著影响钌溶解和跨越的程度，随后影响电池性能和CO耐受性。测试期间较低的操作RH导致阴极上较少的钌污染以及较低的性能损低。此外，T.Cheng等人(电化学学报(JournalofTheElectrochemicalSociety)，157(5)B714-B718(2010))研究了引起不同程度的钌跨越的具有不同元素组分的阳极催化剂。发现了在阳极加速的应力测试循环之后，发生了钌跨越以及随后在阴极上的沉积，这导致了显著的燃料电池性能损失。为了减轻Pt-Ru基催化剂的钌溶解，第7,608,358号美国专利公开了一种用于燃料电池的电极组件，其包括阳极催化剂层，该阳极催化剂层包含第一催化剂成分、第二催化剂成分和疏水性粘合剂，其中，第一催化剂成分在耐腐蚀载体材料上包含除钌之外的贵金属，第二催化剂成分包括含钌的金属氧化物的单相固溶体，其中，催化剂层中离聚物的贯通平面浓度随距离电解质越远而减小。第7,608,358号美国专利公开了具有这种电极组件的MEA和燃料电池，其在启动/停止循环测试中表现出显著改善的电池逆转耐受性和性能，同时在存在CO的情况下保持基准性能和性能。第7,608,358号美国专利还公开了钌从阳极和阴极跨越的机制，具体地，由于启动/停止循环而跨越。然而，诸如在第7,608,358号美国专利中描述的那些基于氧化钌的催化剂，仍然易于造成钌溶解。因此，存在对于一种膜电极组件和燃料电池的需求，这种膜电极组件和燃料电池对于施加大量开关循环和/或需要动态的负载跟随功率输出的工作条件更具有鲁棒性、容忍电池电压逆转并且在启动和关闭过程中对一氧化碳中毒和腐蚀具有抵抗性。本专利技术解决了这种需求并提供了相关的有益效果。
技术实现思路
简言之，膜电极组件包括插置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，阳极电极包括与聚合物电解质的第一主表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层，阴极电极包括与聚合物电解质的第二主表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层，阳极催化剂层和阴极催本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.膜电极组件，包括：聚合物电解质，插置在阳极电极与阴极电极之间，所述阳极电极包括与所述聚合物电解质的第一表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层，所述阴极电极包括与所述聚合物电解质的第二表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包括：第一催化剂成分，所述第一催化剂成分包括贵金属；以及第二成分，所述第二成分包括金属氧化物，所述第二成分已经经过氟代膦酸化合物处理。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.02 US 62/370,1441.膜电极组件，包括：聚合物电解质，插置在阳极电极与阴极电极之间，所述阳极电极包括与所述聚合物电解质的第一表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层，所述阴极电极包括与所述聚合物电解质的第二表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包括：第一催化剂成分，所述第一催化剂成分包括贵金属；以及第二成分，所述第二成分包括金属氧化物，所述第二成分已经经过氟代膦酸化合物处理。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂成分中的贵金属包括铂或铂合金。3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第一催化剂成分中的贵金属选自由铂、金、钌、铱、锇、钯、银以及它们的化合物、合金、固溶体和混合物组成的组。4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第二成分中的金属氧化物是包含钌的单相固溶体。5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第二成分中的金属氧化物是包含铱的单相固溶体。6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第二成分中的金属氧化物选自由氧化钌、氧化铱、氧化钛、氧化铈及其混合物、固溶体及其复合物组成的组。7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第二成分中的金属氧化物负载在载体材料上。8.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述氟代膦酸化合物是氟代烷基膦酸化合物。9.根据权利要求8所述的膜电极组件，其中，所述氟代膦酸化合物是2-全氟己基乙基膦酸。10.根据权利要求8所述的膜电极组件，其中，所述氟代膦酸化合物是(1H，1H，2H，2H-十七氟癸-1-基)膦酸。11.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述第二成分包括约1.0wt％至约20.0wt％的氟代膦酸化合物。12.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述氟代膦酸化合物具有至少200的分子量。13.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个中，所述第一催化剂成分位于第一离散层中，并且所述第二成分位...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉杰什·巴希姆，贺萍，叶思宇，
申请(专利权)人：百拉得动力系统公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA