具有改善的耐久性的燃料电池制造技术

固体聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件，其包括设置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，所述阳极电极和阴极电极各自包括催化剂、中心区域和外围区域，其中阴极电极的外围区域包括阴极边缘阻挡层；流体不可渗透的密封件，其与所述阳极外围区域和所述阴极外围区域以及所述阴极边缘阻挡层的至少一部分接触；阳极流场板，其邻近阳极电极；以及阴极流场板，其邻近阴极电极，其中所述阴极流场隔板包括阴极外围流动通道和至少一个阴极中心流动通道；其中所述阴极边缘阻挡层的至少一部分穿过阴极外围流动通道的至少一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改善的耐久性的燃料电池背景专利
本专利技术涉及PEM燃料电池，并且涉及具有改善的耐久性的膜电极组件。相关技术的描述电化学燃料电池转化反应物，即燃料和氧化剂流，以产生电能和反应产物。电化学燃料电池通常使用设置在两个电极(即，阴极和阳极)之间的电解质。需要电催化剂以在电极处诱导期望的电化学反应。除了电催化剂之外，电极还可包括导电基板，电催化剂沉积在所述导电基板上。电催化剂可以是金属黑(即，基本上纯的、未负载的、精细分开的金属或金属粉末)、合金或负载型金属催化剂，例如碳颗粒上的铂。质子交换膜(PEM)燃料电池是一种类型的采用膜电极组件(“MEA”)的电化学燃料电池。MEA包括设置在阴极与阳极之间的固体聚合物电解质或离子交换膜。特别感兴趣的离子交换膜是由含氟聚合物制备的并且含有侧链磺酸官能团和/或羧酸官能团的那些。典型的全氟磺酸/PTFE共聚物膜可以按商品名从DuPontInc获得。每个电极通常含有催化剂层，所述催化剂层包含紧邻固体聚合物电解质的合适催化剂。催化剂通常是贵金属组合物(例如，铂金属黑或其合金)，并且可以设置在合适的载体上(例如，负载在炭黑载体上的细铂颗粒)。催化剂层也可含有离聚物。电极还可包含多孔导电基板，其可用于机械支撑、导电和/或反应物分布的目的，因此用作流体扩散层。MEA可以通过例如在施加热和压力下将阳极流体扩散电极、离子交换膜和阴极流体扩散电极粘合在一起来制造。另一种方法包括将催化剂层直接涂覆在离子交换膜上以形成催化剂涂覆的膜，然后在其上粘合流体扩散层。在MEA的每一侧上设置用于引导反应物穿过每个电极或电极基板的一个表面的流场。在操作中，负载下的单个燃料电池的输出电压通常低于一伏特。因此，为了提供较大的输出电压，通常将许多电池堆叠在一起并且串联连接以产生较高电压的燃料电池堆。在PEM燃料电池的正常操作期间，燃料在阳极催化剂处被电化学氧化，通常导致质子、电子和可能的其它物质的产生，这取决于所用的燃料。质子从产生它们的反应位点传导，穿过离子交换膜与阴极排气处的氧化剂发生电化学反应。电子穿过提供可用功率的外部电路，然后与阴极催化剂处的质子和氧化剂反应以产生水反应产物。宽范围的反应物可用于PEM燃料电池中，并且可以以气态或液态形式供应。例如，氧化剂流可以是基本上纯的氧气或稀的氧气流，例如空气。燃料可以是例如基本上纯的氢气、含气态氢的重整流，或在直接甲醇燃料电池中的含水液体甲醇混合物。对于将在静态或运输应用中商业使用的PEM燃料电池，需要足够的寿命。例如，可能经常需要5,000小时或更长时间的操作。如第6,057,054号美国专利中公开的，用于密封MEA的密封剂材料可以是可流动加工的弹性体，例如，热固性液体可注射成型化合物(例如，硅酮、含氟弹性体、氟硅酮、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)和天然橡胶)。然而，如在第2005/0089746号美国专利申请公开中公开的，密封剂材料在燃料电池中发现的酸性、氧化和还原环境中可能不是化学稳定的，特别是在燃料电池寿命期间。具体地，当使用硅酮作为密封剂材料时，可移动的硅氧烷可迁移进入膜中，然后其可在其中被化学氧化以形成二氧化硅衍生物。这种污染可能随后导致膜内的内部破裂和燃料电池的最终失效。不受理论束缚，可迁移的硅氧烷的来源可包括可浸出低聚物、挥发性低分子量硅氧烷和/或来自硅酮水解的降解产物。特别地，降解似乎发生在MEA区域内，其中密封剂材料紧邻MEA的活性区域。为了减少或消除膜的污染，‘746公开了在离子交换膜与浸渍进入MEA中的密封剂材料之间插入阻挡膜，或者将阻挡塞浸渍进入随后与浸渍进入MEA中的密封剂材料相邻的流体扩散中。然而，由于存在水和气体焊剂或者将水和气体焊剂从流动通道向下移动至催化剂，硅氧烷仍然可以在阻挡膜或塞周围迁移，导致膜降解。因此，本领域仍需要开发进一步改善以减轻或消除这种降解。本专利技术有助于满足这种需要并提供进一步的相关优点。简要概述在一个实施方案中，固体聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件，所述膜电极组件包括设置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，阳极电极和阴极电极各自包含催化剂、中心区域和外围区域，其中阴极电极的外围区域包括阴极边缘阻挡层；流体不可渗透的密封件，其与阳极和阴极外围区域以及阴极边缘阻挡层的至少一部分接触；阳极流场板，其邻近阳极电极；以及阴极流场板，其邻近阴极电极，其中阴极流场隔板包括阴极外围流动通道和至少一个阴极中心流动通道；其中阴极边缘阻挡层的至少一部分穿过阴极外围流动通道的至少一部分。在一些实施方案中，阴极外围流动通道在横截面的宽度和高度中的至少一个方面不同于至少一个阴极中心流动通道。在另外的实施方案中，阳极流场板包括阳极外围流动通道和至少一个阳极中心流动通道；其中阳极边缘阻挡层的至少一部分穿过阳极外围流动通道的至少一部分。参考附图和以下详细描述，本专利技术的这些和其它方面是显而易见的。附图简述图1是根据本专利技术的一个实施方案的示例性燃料电池的入口区域的横截面图。图2是根据本专利技术的另一个实施方案的示例性燃料电池的入口区域的横截面图。图3是根据本专利技术的又一个实施方案的示例性燃料电池的入口区域的横截面图。详述在以下描述中，阐述了某些具体细节以提供对本专利技术的各种实施方案的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践本专利技术。在其它情况下，没有详细示出或描述与燃料电池、燃料电池堆、蓄电池和燃料电池系统相关的公知结构，以避免不必要地模糊本专利技术实施方案的描述。除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，词语“包括(comprise)”及其变体，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应以开放式、包含性的含义来解释，即“包括但不限于”。参考图1，燃料电池2包括设置在阳极流场板6与阴极流场板8之间的膜电极组件4。膜电极组件4包括阳极电极10和阴极电极12(其间设置有聚合物电解质膜14)以及包围MEA4并且浸渍阳极电极10和阴极电极12的至少一部分的流体不可渗透的密封件16以密封其边缘。阴极电极12在其邻近膜14的外围区域中包括阴极边缘阻挡层18。阳极电极10和阴极电极12包括用于进行电化学反应(阳极上的氢氧化、阴极上的氧还原)以产生电和产物水的催化剂。在一个实施方案中，阴极边缘阻挡层18位于阴极电极12的其外围区域中的至少一部分中。在另一个实施方案中，阴极边缘阻挡层18在阴极电极12与膜14之间。在任一实施方案中，阴极边缘阻挡层通过基本上消除反应物进入阴极外围区域而使阴极电极的外围区域电化学失活(即，在阴极的外围区域中基本上不产生水)。阳极隔板6和阴极隔板8包括分别穿过或重叠阳极电极10和阴极电极12的中心区域的中心流动通道22、24。阴极边缘阻挡层18延伸至或者至少部分地穿过或重叠阴极外围流动通道26。在一些实施方案中，阴极边缘阻挡层穿过阴极外围流动通道的至少约5％至阴极外围流动通道的至少约95％。在具体的实施方案中，阴极边缘阻挡层穿过阴极外围流动通道的至少约10％到至少约90％。在另外的实施方案中，阴极边缘阻挡层穿过阴极外围流动通道的至少约25％至阴极外围流动通道的至少约75％。在另外的实施方案中，阴极边缘阻挡层穿过阴极外围流动通道的至少约50％。在另外的实施方案中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.固体聚合物电解质燃料电池，包括：膜电极组件，其包括设置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，所述阳极电极和阴极电极各自包括催化剂、中心区域和外围区域，其中所述阴极电极的外围区域包括阴极边缘阻挡层；流体不可渗透的密封件，其与所述阳极外围区域和阴极外围区域以及所述阴极边缘阻挡层的至少一部分接触；阳极流场板，其邻近所述阳极电极；以及阴极流场板，其邻近所述阴极电极，其中所述阴极流场隔板包括阴极外围流动通道和至少一个阴极中心流动通道；其中所述阴极边缘阻挡层的至少一部分穿过所述阴极外围流动通道的至少一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.26 US 62/380,2971.固体聚合物电解质燃料电池，包括：膜电极组件，其包括设置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，所述阳极电极和阴极电极各自包括催化剂、中心区域和外围区域，其中所述阴极电极的外围区域包括阴极边缘阻挡层；流体不可渗透的密封件，其与所述阳极外围区域和阴极外围区域以及所述阴极边缘阻挡层的至少一部分接触；阳极流场板，其邻近所述阳极电极；以及阴极流场板，其邻近所述阴极电极，其中所述阴极流场隔板包括阴极外围流动通道和至少一个阴极中心流动通道；其中所述阴极边缘阻挡层的至少一部分穿过所述阴极外围流动通道的至少一部分。2.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极边缘阻挡层使所述阴极的外围区域是电化学惰性的。3.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极边缘阻挡层位于所述阴极电极的至少一部分中。4.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极边缘阻挡层在所述阴极电极与所述聚合物电解质之间。5.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极边缘阻挡层是基本上流体不可渗透的。6.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极边缘阻挡层的材料选自聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚四氟乙烯、聚芳基醚、聚醚醚酮、聚砜、聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨酯、腈、丁基和热塑性弹性体。7.如权利要求1所述的固体聚合物电解质燃料电池，其中所述阴极的外围区域包含比所述阴极的中心区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼纽尔·施奈特，
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