具有改善功率输出和抗毒性的燃料电池膜电极组件制造技术

一种在燃料电池中使用的电极－膜合成物提供了改善的功率输出以及抗毒性。对多种实施例进行了描述，在实施例中包括了气相沉积区或层或一种或更多种催化活性金属的使用。气相沉积可以通过，例如，喷镀或物理气相沉积来进行。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2000年6月16日、申请号为“00811793.4”、题为“具有改善功率输出和抗毒能力的燃料电池膜电极组件”的分案申请。
本专利技术通常涉及具有改善功率输出的燃料电池膜电极组件。这些经改进的组件除能在电极中出现的催化活性金属之外，其特色是在膜-电极分界处也有一个或更多的催化活性金属的相对较薄区域。
技术介绍
燃料电池作为传统能源的替代品在整个世界范围中继续显示出其巨大的商业前景。因为能源缺乏日益加剧、环境规则变得更加严格，并且新燃料电池的应用显露，这种商业前景将会持续增长。参照例如“FUEL CELLS”，Encyclopedia ofChemical Technology，4th ED，vol.11，pp1098-1121。许多汽车制造商已经醒目宣布并将继续宣布在不久的将来大规模生产并零售燃料电池动力汽车的计划。虽然燃料电池技术进行了不断的改进，但是在增加功率输出，减少最初成本，改进水管理以及增加工作寿命等方面仍然需要有很长的路要走。最初成本的减少，这是特别重要的问题，可以通过减少燃料电池电极的贵重金属含量来轻易实现。但是这种减少通常会导致功率输出损失，这就阻碍了商业化进程。因此，就需要有新的发现来有解决这些和其他困难的折衷办法。现在有不同类型的燃料电池，但是它们都是依据化学反应来产生电能。一种增加输入的类型，“聚合电解质膜(polymer electrolyte membrane)燃料电池”(PEMFC)，包括膜电极组件(MEA)，该组件通常由在两个导电电极之间夹层的离子导电聚合膜制成。电极除了导电之外还与提供催化的电催化剂层关联。为了商业应用，可以电气连接多个MEA来形成燃料电池的堆(即“叠层式”)。其他与PEMFC关联的部件包括气扩散介质和集电器、后者也可以作为双极分离器和流场元件。PEMFC已经在文献中审阅。参照S.Srinivasan等人：J.Power Source；29(1990)；pp.367-387；和Fuel Cell System，L.J.M.J.Blomen和M.N.Mugerwa(ED.)；Plenum-->Press；1993；Chapter 11。在传统的PEMFC中，燃料例如氢气是在一个电极(阳极)进行电催化氧化。在另一电极(阴极)，氧化剂例如氧气进行电催化还原。当由膜作为介质时，净反应导致在电极之间产生电动势和外部电流。虽然，PEMFC日益重要的优势就是可以在较低温度(例如80℃)中使用，但升高温度可以加速这种反应。燃料电池反应通常是由贵重过渡金属进行催化，一般贵金属例如铂，在阳极和阴极都存在作为电催化层。因为燃料电池经常使用气体反应剂一起工作，所以，典型的电极就是在多孔表面处或其中具有催化活性金属的多孔材料(或更普遍的是反应物扩散材料)。在某些情况中，催化剂可以由允许气体扩散到下面的催化剂的聚合物薄层覆盖。金属可以是不同的形态形式，但通常是粒子或分散形态并且被承载在碳上。燃料电池的性能取决于催化剂的形态。参照Poirier等人；J.electrochemical Society，vol.141，no.2，1994.2，pp.425-430。因为反应被局限在离子导电膜(ionicaily conducting membrane)、气体和被碳承载的催化剂之间的三态界面上，所以，燃料电池系统是复杂的。由于这种局限，向电极添加离子导电材料可导致更好地利用催化剂和改善与膜的界面接触。然而，添加的离子导电体会带来额外费用，特别是当使用全氟化导电体(perfluorinated conductor)时，并且会增加电解水管理的复杂性，这些对商业化都至关重要。因此，需要探索改善离子导体的利用。为了能将昂贵催化金属的加载最小化，一种通用的方法是使用更小的催化剂粒子。然而，为实现具有更低催化剂加载，就很难实现长工作寿命的目标，并且会发生催化剂中毒。催化剂粒子的大小也可能不稳定，并且通过凝聚或烧结会增加其大小。因此，需要探索改进催化剂使用以及催化剂与离子导电体的组合。另一种尝试过但没有成功的普通方法是在膜电极接触面上集中金属。参照例如Ticianelli等人；Journal of Electroanalytical Chemistry and InterfacialElectrochemistry；vol.251，no 2，1988.9.23，pp.275-295。例如，据报道在电极之间夹入离子导电膜之前，500埃单金属催化剂致密层已经喷镀在气体扩散电极上。然而，却没有报道过有薄于500埃厚度的喷镀层，可能是由于在制造均匀更薄的层中存在困难。而且，催化剂集中的方法并不适用于其他类型的电极和沉积技术，并且可能破坏水平衡。进一步，在商业条件下，并不会经常进行检测。在所有的喷镀催化剂金属薄膜的电极其低劣的性能已经被报道过。总之，可以认识到仅仅通过气相沉积将一种据说催化剂薄层喷镀在电极上是不能保证MEA适合商业应用，并且-->通常，实际上，工业并不接受这种方法。例如根据Srinivasan文章中提到的，与湿化学沉积方法相比喷镀是不经济的。例如，在专利文献中描述的附加技术包括：美国专利号3,274,029；3,492,163；3,615,948；3,730,774；4,160,856；4,547,437；4,686,158；4,738,904；4,826,741；4,876,115；4,937,152；5,151,334；5,208,112；5,234,777；5,338,430；5,340,665；5,500,292；5,509,189；5,624,718；5,686,199；和5,795,672。另外，例如，沉积技术在美国专利号4,931,152；5,068,126；5,192,523；和5,296,274中有描述。虽然有许多研究都着眼于燃料电池电极，但涉及燃料电池膜特别明显的改进在美国专利号5,547,551；5,599,614和5,635,041(Bahar等人)中有描述。对于商业应用，应以系统方法将膜设计与电极设计结合来最优化燃料电池的性能。如果不进行这种整体设计方法，对于商业化至关重要的性质结合就不可能实现。最终，所产生并且阻碍商业化的另一问题是催化剂中毒，这是由反应物中的杂质引起例如一氧化碳(CO)。例如，当通过烃重组生成氢燃料时，也会伴同产生CO，而去除CO的花费很大，特别是当氢中的CO水平减少到100ppm之下时。中毒在具有低催化剂加载和使用单金属铂的PEMFC中尤其成问题。就需要探索在不产生其他问题的情况下能解决中毒问题并能提供合适的折衷办法。虽然，已经报道有减轻CO中毒的尝试，但它们通常是不成功的，并且导致功率的减少。某些这些尝试着眼于在电极上沉积之前用其他过渡金属例如钌与铂混合。沉积方法包括，例如，湿墨(wet-ink)和真空方法。然而，墨方法很难精确控制，并且某些真空方法花费很昂贵并且麻烦，特别是对于薄膜沉积。使用过渡金属催化剂混合物的方法在，例如，美国专利号4,430,391；4,487,818；5,296,274；5,395,704；和5,786,026中有描述。另外，Morita等人描述了通过RF喷镀在平滑的碳基上的金-铂双金属模式催本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极－膜合成物，其特征在于，它包括：至少一个多孔导电电极，所述电极包括至少一种第一催化活性金属和至少一种离子导电聚合物；和至少一个与所述电极接触形成电极一膜分界部位的离子导电膜，其中，所述分界部位包括至少一个包括 至少两种不同第二催化活性金属的区域，并且所述区域具有约０．００１ｍｇ金属／ｃｍ↑［２］到约０．７ｍｇ金属／ｃｍ↑［２］的区域加载率。

【技术特征摘要】
US 1999-6-18 09/335,7181.一种电极-膜合成物，其特征在于，它包括：至少一个多孔导电电极，所述电极包括至少一种第一催化活性金属和至少一种离子导电聚合物；和至少一个与所述电极接触形成电极-膜分界部位的离子导电膜，其中，所述分界部位包括至少一个包括至少两种不同第二催化活性金属的区域，并且所述区域具有约0.001mg金属/cm2到约0.7mg金属/cm2的区域加载率。2.一种燃料电池包括如权利要求1所述的合成物，和至少一个与所述膜接触的附加的不同电极，并且所述区域的加载率小于0.4 mg/cm2。3.如权利要求1所述的合成物，其特征在于，所述区域是气相沉积区。4.如权利要求3所述的合成物，其特征在于，所述区域是通过物理气相沉积来进行气相沉积。5.如权利要求3所述的合成物，其特征在于，所述区域是通过电子束物理气相...

【专利技术属性】
技术研发人员：C卡瓦尔卡，JH阿尔普斯，M墨茜，
申请(专利权)人：戈尔企业控股股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[]