用于使穿过的氧气最少并消耗过氧化物的延伸催化层制造技术

一种膜电极组件，包括：阳极；阴极；设置在阳极和阴极之间的隔膜；和设置在阳极和隔膜之间的延伸催化层，所述延伸催化层适于还原氧气和分解过氧化氢以及自由基，从而形成水。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及燃料电池，并且更具体而言，涉及PEM燃料电池和降低此燃料电池隔膜的降解。在PEM燃料电池中，少量氧气从阴极经隔膜扩散到阳极，并且在阳极催化剂表面作用下，在低电位下可以通过与氢气反应而形成过氧化物。该过氧化物可以解离成高度活性的自由基。这些自由基能够迅速降解上述隔膜。虽然许多氧源、氢源和/或过氧化物源对此问题有贡献，但是本专利技术的关注的焦点是从阴极上穿过的氧气和在阴极上产生的过氧化氢。本专利技术的主要目的是将由上述活性自由基源所引起的降解最小化。本专利技术的另一目的是提供膜电极组件，所述膜电极组件由于上述氧气穿过降低以及因而导致的降解降低而具有延长的寿命。本专利技术的其它目的和优点将出现于下文中。专利技术概述根据本专利技术，上述目的和优点已经被容易地达到。根据本专利技术，提供了一种膜电极组件，该膜电极组件包括阳极、阴极、布置在阳极和阴极之间的隔膜；和布置在阳极和隔膜之间的延伸催化层，所述延伸催化层适于消耗氧气以形成水。此外，根据本专利技术，包括与阴极电连接的绝大多数互连的催化剂粒子的延伸催化层，可以有利地嵌入隔膜部分内达到理想的深度，由此，这些粒子可以用来在阴极上可以由氧气形成过氧化物之前消耗氧气并且可以用来消耗在阴极上产生的过氧化氢，从而防止如上所述的可能降解。在本专利技术的另一实施方案中，延伸催化层被设置成位于隔膜内最可能形成过氧化物的适宜距离或者位置上的催化剂层，并且上述催化剂用来防止如上所述过氧化物的形成和分解任何扩散进入该层之内的过氧化物，特别是当保持在期望的氧消耗电位时。-->附图简述在以下部分将参考附图对本专利技术优选的实施方案进行详细说明，其中：图1示意图解说明了根据本专利技术的包含延伸催化层的膜电极组件；图2图解说明了对于氧气、空气和50％氧气气氛，在含有分离的Pt粒子的隔膜内的计算电位与阴极和阳极之间的位置的关系。图3示意图解说明了根据本专利技术另一实施方案的膜电极组件，其中延伸催化剂层以与阴极电连接的隔膜内的催化层的形式被提供。图4图解说明了比如图解于图3中的膜电极组件的相对组成和孔隙度。图5图解说明了本专利技术的另一实施方案；和图6图解说明了测定和预期的基线燃料电池和根据本专利技术优选实施方案的燃料电池的氟放出速率。专利技术详述本专利技术涉及燃料电池，特别是PEM燃料电池，并且更明确而言，涉及通过设置消耗氧气并且由此防止它的两个电子被还原形成过氧化氢的延伸层或催化层来降低氧气从阴极穿过。转向图1，对根据本专利技术的膜电极组件10进行了图解说明，该组件包括隔膜12、阴极14和阳极16。正如本领域普通技术人员所熟知，隔膜12被设置在阴极14和阳极16之间，用于提供燃料电池电解质的功能。在上述组件运行过程中，氢气经阳极16扩散进入和穿过隔膜12，氧气经阴极14扩散进入和穿过隔膜12，这些组分能够主要在阳极形成过氧化物。氢气和氧气的通量基本上与穿过电流相同，一般为约2～4mA/cm2。根据本专利技术，延伸催化层18被设置在隔膜12和阴极14之间，并且当氧气从阴极14扩散进入催化层18时，延伸催化层18可以有利地用来消耗氧气，从而避免在阴极处形成过氧化物的可能。图1表示从阴极14至催化层18的氧气浓度15，并且还表示隔膜12和催化层18中的氢气浓度13。如图所示，根据本专利技术限定了催化层18的中央部分19，其中过氧化物被分解和/或并未产生。-->根据本专利技术的多种实施方案，可以以多种形式设置延伸催化层18。根据本专利技术的优选实施方案，所述延伸催化剂层18包括催化剂部分，例如碳负载的铂粒子，其气孔中充满着聚合物电解质。其它适宜的催化剂包括碳自身以及铂合金，优选铂钴合金和铂镍合金，它们都可以被负载在碳上。当存在于延伸催化层18中的电位较高时，主要实现氧气的四电子还原，从而形成水而非形成过氧化物。在高电位下，延伸催化层用于消耗上述氧气，并且其在延伸催化层18和阴极14之间的界面20处最为活性。延伸催化层18还用于消耗在隔膜12和延伸催化剂层18之间的界面22处的氢气。此外，延伸催化层18还在界面2处和整个催化层18的厚度上提供有利的过氧化物的分解，如果过氧化物在阴极14中产生的话，和如果过氧化物在阳极16中产生，那么在界面22处以及在整个催化层18厚度上提供有利的过氧化物的分解。这些功能可以有利地作为降低对于电池降解显著的因素，并且因此它们可以有利和良好地适用于本专利技术的环境中。为了提供合意的结果，延伸催化层有利地通过导电相(例如，比如碳负载的材料)被电连接到阴极14上，从而确保获得高电位和因此消耗穿过的氧气以形成水。此外，优选延伸催化层18基本不具有孔隙和具有较高的氧还原速率。这将产生氧还原速率对氧扩散速率的最大比例，并且由此使从延伸阴极逸出的氧气最少和使氧气穿过到达阳极的的速率最低。就此而言，延伸催化层18有利地具有小于约30％的孔隙度，并且优选其基本上是无孔的。由于其电连接至阴极上，因此对于延伸催化层18，单位铂表面积的氧还原速率还有利地近似与阴极相等。在运行期间，延伸催化层的任何空隙都应当有利地被充溢，例如被水充溢，以便降低氧气穿过延伸催化层18的扩散速率。设置具有这些功能的延伸催化层18可以有利地在界面20和整个催化层18上产生有效的氧气消耗，由此，同其它类型的膜电极组件相比，具有延长的隔膜寿命。此外，根据本专利技术发现，在膜电极组件的阳极16和阴极14之间存在位置X0，在此位置反应电位由低电位值变为高电位值。如果存在电孤立的催化剂粒子，假定没有采取任何防止氧气和氢气穿过的步-->骤，那么此位置非常可能是形成过氧化物和随后形成自由基的位置。图2表示三种可能的阴极氧气浓度下，在不具有延伸催化剂层的隔膜内这些催化剂粒子的计算的电位曲线。在每种情形中，X0分别为其中由于氢气和氧气在隔膜中催化剂粒子上反应而引起电位急剧突变的点3、2和1。因此，为了使形成过氧化物的可能性最小化，位置X0是用于嵌入互连的催化剂粒子或者与阴极电连接的层(比如本专利技术的延伸催化层)的优良位置。在图1中缺少层18或者图3中缺少层24时，位置X0的确定可以有利地根据以下公式进行：X0=HH2·DH2C0H2HH2·DH2C0H2+2·HO2·DO2·C0O2]]>其中：HH2是氢气由气态进入隔膜的离子聚合物中的亨利常数；DH2是氢气在离子聚合物中的扩散常数；C0H2是在阳极处的氢气浓度；HO2是氧气由气态进入隔膜离子聚合物的亨利常数；和DO2是氧气在离子聚合物中的扩散常数；C0O2是在阴极处的氧气浓度；X0是占从阳极到阴极的隔膜厚度的分数。在其中延伸催化层18从阴极14向隔膜12延伸的本专利技术实施方案中，对延伸催化层18有利地进行定位，以使其延伸超出位置X0。优选延伸催化层具有可以通过下式进行确定的厚度t：t≥3/πRn]]>其中t为层厚度，R为催化剂粒子的半径，和n为催化剂粒子的浓度。设置延伸超过如上所确定的位置X0并且厚度为t的延伸催化层18提供了充分的阴极层，从而可以如期望所述降低氧气，并且还可以在-->最关键点X0处实现上述功能。转向图3，对其中催化剂层24物理上位于阴极14和隔膜12之间的本专利技术另外的实施方案进行了图解说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1、一种膜电极组件，包括：阳极；阴极；设置在阳极和阴极之间的隔膜；和设置在阳极和隔膜之间的延伸催化层，所述延伸催化层适于还原氧气和分解过氧化氢以及自由基，从而形成水。2、权利要求1的组件，其中所述延伸催化层包括催化剂粒子并且其具有如下式所确定的厚度(t)：t≥3/πRn]]>其中，t为层厚度，R为催化剂粒子半径，和n为催化剂粒子的浓度。3、权利要求2的组件，其中所述粒子选自碳粒子、铂粒子和铂合金粒子及其组合。4、权利要求3的组件，其中所述粒子被负载在碳上。5、权利要求3的组件，其中所述粒子为选自铂钴、铂镍及其组合的铂合金。6、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层被电连接至阴极。7、权利要求6的组件，其中通过负载材料将所述延伸催化层电连接至阴极。8、权利要求7的组件，其中所述的负载材料为碳。9、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层具有小于约30％的孔隙度。10、权利要求9的组件，其中所述的延伸催化层基本上是无孔的。11、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层具有被水充溢的孔隙。12、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层的氧还原速率基本上等于或者大于阴极的氧还原速率。13、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层从面向隔膜的阴极边缘延伸进入隔膜中一定的距离t，其中-->t≥3πRn]]>其中R为催化剂粒子的半径，和n为催化剂粒子的浓度。14、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层包括与阴极中存在的催化剂相同的催化剂粒子。15、权利要求1的组件，其中所述的延伸催化层包括催化剂层，该催化剂层被设置在隔膜内并且具有位于介于比氢电位高大约0.3V的低值电位和比开路电压低大约100mV的高值电位之间的氧消耗电位。16、权利要求15的组件，其中所述层位于根据下式确定的位置X0的中心：X0=HH2·DH2·C0H2HH2&C...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·F·布尔拉特斯基，J·B·赫尔茨伯格，N·E·齐波利尼，T·D·亚维，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：