一种用于燃料电池的组件，包括： 具有一个主表面的离子传导膜； 一个邻近于所述主表面并具有与所述主表面基本相同的外围区域的电极，所述电极包括一个中心区和一个外围区； 所述中心区含有粘结剂和第一组颗粒，所述外围区含有粘结剂和第二组颗粒；和 其中，所述第一组颗粒是被催化的，所述第二组颗粒是未催化的或具有的催化剂含量低于所述第一组颗粒的催化剂含量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提高PEM燃料电池中MEA持久性的催化剂层边缘保护 专利
本专利技术涉及燃料电池，特别地涉及用于燃料电池的膜电极组件。 专利技术背景燃料电池业已被提出用作电动装置和其它应用的电源。一类燃料是PEM(即质子交换膜)燃料电池，它包括一种所谓“膜-电极-组件”(MEA)，其含有一种薄的固体聚合物膜-电解质，在该膜-电解质的对面具有一对电极(即阳极和阴极)。MEA是夹于平面气体分配元件之间。与膜电解质相比，电极通常具有较小的表面积，使得该膜电解质的边缘从该电极向外突出。在这些膜电解质边缘上，布置有垫圈或密封圈以圆周地框住电极。由于制造能力的限制，密封圈、MEA和气体分配元件都不能充分地紧密对齐。因此，需要改善对这些元件的排列。 专利技术概述本专利技术提供一种含有离子传导构件和电极的膜电极组件，其中，所述电极是相对平滑连续层，它基本完全覆盖并支撑所述离子传导构件。所述电极包括一个中心区和一个外围区，其中，在该中心区与该外围区之间存在着电化学活性物质的梯度，使得在该中心区中该电化学活性物质的含量大于在该外围区中的含量。在一种实施方式中，所述活性区含有聚合的离子交联聚合物和催化的碳颗粒；所述外围区含有聚合的离子交联聚合物和未催化的碳颗粒。在一种优选实施方式中，所述各个中心区和外围区含有的各自物质具有至少一种大致相同的性质，即以下性质中的至少一个：相似的张力强度、相似的非标准模量、相似的断裂延伸率(elongation to break)、相似的比重、相似的水吸收和相似的线性膨胀。在一种优选的制造方法中，含活性区成分的第一墨水被沉积到膜上，接着，在第一墨水固化或干燥之前，沉积含外围区成分的第二墨水。这样，由于这两种墨水相互混合或者颗粒在其间迁移，形成一个中间区，其催化剂含量介于所述活性区和-->外围区的含量之间。由此可见，这样形成的电极在膜的整个表面上是连续的。这样，由现有技术密封圈或垫圈导致的应力就可得到避免。可应用本专利技术的其它领域将由此后提供的详细说明变得清楚明了。应该理解，表示本专利技术优选实施方式的详细说明和具体实例，是用于例证说明目的，不应理解为限制本专利技术范围。 附图简要说明本专利技术将由下述详细说明和附图得到完全理解，其中：图1是本专利技术第一实施方式的膜电极组件的截面图；图2是现有技术膜电极组件的截面图；图3a是本专利技术第一和第二实施方式的膜电极组件的截面图，其中的阳极和阴极是设置在离子传导构件之上；图3b是本专利技术第一和第二实施方式的膜电极组件的截面图，其中的阳极和阴极是设置在气体扩散介质之上；图4是本专利技术第一和第二实施方式的膜电极组件的分解透视图；图5a是本专利技术第三实施方式的膜电极组件的截面图，其中的阳极和阴极是设置在离子传导构件之上；图5b是本专利技术第三实施方式的膜电极组件的截面图，其中，树脂也可用来覆盖所述扩散介质的边缘；和图6是比较现有技术MEA与第一实施方式MEA的平均电池电势相对运行时间的图。 优选实施方式的详细说明下述对优选实施方式的说明实际上仅是示范性的，决不能理解为是对本专利技术、其应用或用途的限制。图1是本专利技术一种膜电极组件(MEA)的截面图。如图1，MEA 2包括一个由阳极6和阴极8夹在中间的离子传导构件4。该MEA 2进一步被一对电子传导构件10和12、或气体扩散介质10和12夹在中间。该气体扩散介质10和12周围被框架形垫圈14和16所包围。垫圈14和16和扩散介质10和12可以或不必被层压到离子传导构件4和/或电极6和8之上。离子传导构件4优选是一种固体聚合物膜电解质，优选为PEM。构-->件4在此也被称作膜。优选地，该离子传导构件4的厚度是在约10-100μm范围之内，优选厚度约为25μm。适用于这类膜电解质的聚合物是本领域公知的，它们公开在US5272017和US3134697和其它的专利和非专利文献之中。但是，要说明的是，该离子传导构件4的组成可含有任意常规用于现有技术中的质子传导聚合物。优选地，使用全氟磺酸聚合物如NAFION。而且，该聚合物可为所述膜的唯一成分、含有另一种材料的机械支撑原纤、或散布有颗粒(如二氧化硅、沸石或其它相似的颗粒)。一种替代方案是，该聚合物或离子交联聚合物可被携带于另一种材料的孔隙之中。在本专利技术的燃料电池中，离子传导构件4是一种阳离子可渗透的质子传导膜，以H+离子作为移动离子；该燃料气体是氢(或重整产品)，氧化剂是氧或空气。总电池反应是氢氧化生成水，在阳极和阴极的各自反应是(阳极)和(阴极)。阳极6和阴极8的组成优选含有分散在聚合物粘结剂中的电化学活性材料，该聚合物粘结剂象离子传导构件4一样，是一种质子传导材料如NAFION。该电化学活性材料优选含有催化剂涂敷的碳或石墨颗粒。阳极6和阴极8优选地含有铂-钌、铂、或其它Pt/过渡金属合金作为所述催化剂。虽然附图中所示阳极6和阴极8的尺寸是相等的，但是，要说明的是，阳极6和阴极8是不同尺寸(即阴极大于阳极或相反)的情形也不超出本专利技术范围。阳极和阴极的优选厚度范围为约2-30μm，最优选为约10μm。所述气体扩散介质10和12和垫圈14和16可为本领域已知的任何气体扩散介质或垫圈。优选地，气体扩散介质10和12是厚度范围为约50-300μm的碳纸、碳布、或碳泡沫材料。垫圈14和16通常本身是弹性的，但也可包括如聚酯和PTFE之类的材料。但是，垫圈14和16可为任意足以密封膜电极组件2的材料。垫圈14和16的优选厚度为气体扩散介质10和12厚度的约1/2-约11/2。按照图1所示本专利技术第一实施方式，阳极6和阴极8是设置在离子传导构件4的两个相对表面之上，以全部覆盖离子传导构件4。设置电极6和8以全部覆盖离子传导构件4能为离子传导构件4提供保护，使之免于被多孔气体扩散介质10和12的纤维刺穿。而且，设置电极6和8以全部覆盖离子传导构件4能在遍及离子传导构件4的整个表面-->提供机械支撑。在对本专利技术作进一步说明之前，了解清楚现有技术设计中确认的问题是有用的。由图2可以看出，现有技术MEA 24含有电极26和28，与膜电解质30相比它们具有小得多的表面积，从而使得该膜电解质30的边缘32从电极26和28伸出。在膜电解质30的这些边缘32之上，放置着辅垫圈34和36，它们是设置用来包围电极26和28。气体扩散介质38和40位于辅垫圈34和36之上。垫圈42和44包围气体扩散介质38和40。由于在制造紧密公差(tight tolerance)时存在困难，在电极26和辅垫圈34之间存在着间隙50。在电极28和辅垫圈36之间存在着相似的间隙52。这类间隙50、52起着活动合叶作用，能允许膜32挠曲(flex)。这类合叶作用会产生应力、裂口、裂缝或小洞。由于高度的差异，这类合叶作用还会使作用于膜32上的应力如压缩力不同。例如，如果辅垫圈34或36高于电极26或28，则作用于辅垫圈34或36上的压缩力将太高，如果辅垫圈34或36短于电极26或28，则作用于电极26或28上的压力将会太高。因此，现有技术的这种常用设计会在辅垫圈34和36与电极2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】1.一种用于燃料电池的组件，包括：具有一个主表面的离子传导膜；一个邻近于所述主表面并具有与所述主表面基本相同的外围区域的电极，所述电极包括一个中心区和一个外围区；所述中心区含有粘结剂和第一组颗粒，所述外围区含有粘结剂和第二组颗粒；和其中，所述第一组颗粒是被催化的，所述第二组颗粒是未催化的或具有的催化剂含量低于所述第一组颗粒的催化剂含量。2.权利要求1所述组件，其中，所述催化的颗粒是催化的碳颗粒，所述中心区和外围区的所述粘结剂是相同的。3.权利要求2所述组件，其中，所述碳颗粒的颗粒尺寸等于或小于15μm。4.权利要求2所述组件，其中，所述催化剂选自铂、钯、钛、钌、铑、钨、锡、钼和其合金。5.权利要求1所述组件，其中，所述中心区和所述外围区各为离子传导构件提供基本相似的机械支撑，从而使所述膜的挠曲最小化。6.权利要求1所述组件，它还包括一个邻近于所述电极的电传导构件，所述电传导构件是选自碳布、碳泡沫材料和碳纸的气体扩散介质。7.权利要求1所述组件，其中，所述外围区是热传导的。8.权利要求1所述组件，其中，所述电极是呈连续层的形式，且所述外围区包围所述中心区。9.权利要求5所述组件，其中，所述外围区使所述电传导构件与所述膜之间的接触最小化。10.权利要求1所述组件，其中，所述外围区是电传导的。11.权利要求2所述组件，其中，所述膜含有一种聚合离子交联聚合物，其与所述中心和外围区的所述粘结剂相同。12.一种膜电极组件，包括：具有一个主表面的离子传导膜；在所述主表面的电极，所述电极限定一个连续层并包括一个中心区和一个外围区，该层支撑所述膜；和-->其中，在所述中心区和所述外围区之间存在着一个电化学活性材料的梯度，从而使得所述电化学活性材料的含量在所述中心区大于所述外围区。13.权利要求12所述膜电极组件，其中，所述电极限制所述膜的移动。14.权利要求12所述膜电极组件，其中，所述电极层还包括一个位于所述外围区外部的密封区，其中，所述中心区、外围区和密封区共同形成所述连续层，并为该膜提供连续一致的机械支撑，从而使所述膜的挠曲最小化。15.权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：B·索姆帕利，H·加斯泰格，B·A·利特尔，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：
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