具有使用复合催化剂的增强的一氧化碳耐受性催化剂层的燃料电池制造技术

一种膜电极组件(MEA)(4，6)，包括膜(62)、阴极催化剂层(60)和阳极催化剂层(58)。所述阳极催化剂层(58)包括具有一或多个氢青铜(66)的Pt/C催化剂层(64)。所述氢青铜(66)包括一或多个铌、钼和钨的氧化物。所述阳极催化剂层(58)不包含钌。(58)不包含钌。(58)不包含钌。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有使用复合催化剂的增强的一氧化碳耐受性催化剂层的燃料电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于2020年9月28日提交的63/084,380号美国临时专利案的优先权权益，其全部内容通过引用方式并入本文。


[0003]本公开总体上涉及燃料电池，且更具体地涉及具有包括具有增强的一氧化碳(CO)耐受性的复合催化剂层的膜电极组件的燃料电池。

技术介绍

[0004]本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0005]燃料电池已被提议用于包括制造中心、家庭和电动车辆等应用的各种行业，作为清洁、高效和对环境负责的电源。
[0006]燃料电池的一个例子是质子交换膜(PEM)燃料电池。所述PEM燃料电池包括具有设置在膜的相对面上的阳极层和阴极层(包括催化剂)的薄的固体聚合物膜或复合膜的膜电极组件(MEA)。所述膜可以包括离聚物(ionomer)并且可以是质子可渗透的。所述MEA可设置在一对多孔导电材料之间，所述多孔导电材料也称为气体扩散介质，所述多孔导电材料将如氢气的气态反应物分配到所述阳极层，将氧气或空气分配到阴极层。在阳极引入所述氢反应物，在所述催化剂存在之下发生电化学反应以产生电子和质子。所述电子通过设置在它们之间的电路从阳极传导到阴极，所述电路可以包括如电动机(electric motor)的电负载。同时，所述质子穿过所述膜到达所述阴极，在阴极处，如氧气或空气的氧化剂在所述催化剂存在下发生电化学反应以产生氧阴离子(oxygen anions)。所述氧阴离子与所述质子反应形成水作为反应产物。
[0007]所述PEM燃料电池的所述MEA夹置于一对导电的双极板之间，所述双极板用作所述阳极层和所述阴极层的集电器。所述双极板可以容纳和引导流体进入、进入和离开燃料电池，并且将流体(例如包括氢气和氧气或空气、冷却剂的反应物流体)分配到运行所需的燃料电池区域。此外，所述双极板可为扩散介质、膜、密封件等提供结构支撑。所述双极板的其他功能可包括燃料电池堆中燃料电池之间的密封、传导燃料电池内反应形成的热量及重要的是传导所述燃料电池反应产生的电能。
[0008]虽然燃料电池技术仍在发展，但存在可以改进涉及燃料电池效率、寿命和制造成本等许多燃料电池技术的关键领域。所述膜电极组件的各个方面都会影响燃料电池的整体耐久性和寿命。有助于在阳极和阴极发生氧化和还原反应的催化剂层可在燃料电池的运行效率方面发挥重要作用。已发现的贵金属，尤其是铂，是在低于300℃的温度下运行的燃料电池的有效且稳定的电催化剂。所述铂电催化剂通常作为具有高表面积的非常小颗粒(～2
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5nm)而提供，这些颗粒通常但不总是分布在较大的宏观导电颗粒上并由其负载以提供所需的催化剂的负载量。导电碳颗粒可用于承载所述催化剂。更具体地，对于阳极，某些燃料
电池可以使用介于约0.025mg/cm2的Pt和0.1mg/cm2的Pt之间的铂族金属的负载目标。然而，在低的贵金属负载水平下，一氧化碳(CO)吸收会增加，从而导致所述阳极和所述阴极的腐蚀和降解，并从而导致所述燃料电池的整体寿命缩短。
[0009]另一个问题涉及氢燃料(H2)的纯度，氢燃料中存在的污染物可提供CO吸收源。这对于用于如汽车行业的具有非常特定行业目标和要求的技术的燃料电池来说尤其成为问题。目前已经发现，即使是燃料流或空气流中存在的微量杂质也可能使所述阳极、所述阴极和所述膜中毒，尤其是在低温(例如<100℃)运行时。这些组件中的任何一个中毒都会导致所述MEA的性能下降。
[0010]多种已知的铂基催化剂可以表现出增强的一氧化碳(CO)耐受性。例如，与基于单独沉积在碳上的铂(Pt/C)催化剂相比，基于沉积在碳上的铂和钌(PtRu/C)的催化剂可以具有增强的CO耐受性。然而，基于PtRu/C的催化剂存在相关的某些缺点。例如，钌的溶解和随后从所述阳极到所述阴极的跨界会随着时间的推移对所述燃料电池的耐用性和寿命产生负面影响。
[0011]因此，持续需要具有增强的CO耐受性、经久耐用且具有改进的使用寿命的膜电极组件。期望的是，与膜电极组件相关的技术改进不会导致燃料电池过于复杂或制造成本过高。

技术实现思路

[0012]根据本公开内容，令人惊奇地发现了一种具有增强的CO耐受性的膜电极组件，所述膜电极组件经久耐用，具有改进的使用寿命，并且制造起来不过于复杂或昂贵。
[0013]在一实施例中，提供了一种膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括膜、阴极催化剂层和阳极催化剂层。所述阳极催化剂层包括含有氢青铜的Pt/C催化剂层。所述氢青铜包括一种或多种铌、钼和钨的氧化物。在某些实施例中，所述MEA的阳极催化剂层不包含钌。
[0014]在另一实施例中，提供了一种膜电极组件(MEA)，所述膜电极组件包括膜、阴极催化剂层和阳极催化剂层。所述阳极催化剂层包括Pt/C
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NbO5、Pt/C
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MoO3和Pt/C
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WO3中的至少一种。在某些实施例中，所述阳极催化剂层不包含钌。
[0015]根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0016]本文描述的附图仅用于说明所选实施例的目的，并非所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
[0017]图1示出了一种PEM燃料电池堆的示意分解透视图，为了简单起见仅示出了具有单个双极板组件的两个燃料电池，其中每个燃料电池包括根据本技术构建的膜电极组件；
[0018]图2是图1的燃料电池堆的单个燃料电池的示意性分解透视图，显示了根据本技术构建的MEA的膜和阳极层和阴极层；
[0019]图3是图2的单个燃料电池的示意性局部分解侧剖视图，显示了根据本技术构建的MEA的膜和阳极层和阴极层；以及
[0020]图4是流程图，绘示根据本技术的一种形成MEA的方法。
具体实施方式
[0021]以下技术描述仅是一项或多项专利技术的主题、制造和使用的示例性质，并不旨在限制本申请或其他可能要求优先于本申请的申请，或由此颁发的专利。关于所公开的方法，所呈现的步骤的顺序本质上是示例性的，因此除非另有明确说明，否则在各种实施例中步骤的顺序可以不同，包括某些步骤可以同时执行的情况。此处使用的“一”和“一个”表示存在“至少一个”项目；如果可能，可以存在多个这样的项目。除非另有明确说明，本说明书中的所有数值均应理解为由“大约”一词修饰，所有几何和空间描述符均应理解为在描述本技术的最广泛范围时由“基本上”一词修饰，当应用于数值时，“大约”表示计算或测量允许值中存在一些轻微的不精确性(在某种程度上接近值的精确性；大约或合理地接近该值；将近)。如果出于某种原因，“大约”和/或“基本上”所提供的不精确性在本领域中没有以其他方式理解为具有这种普通含本文档来自技高网...

【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：阴极层；阳极层，所述阳极层包括氢青铜；以及质子交换膜，配置于所述阴极层与所述阳极层之间。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述阳极层不含钌。3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述阳极层包括Pt/C催化剂。4.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括从氧化铌、氧化钼、氧化钨及其组合的组中选择的金属氧化物。5.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括氧化铌。6.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括氧化钼。7.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括氧化钨。8.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括从Pt/C
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Nb2O5、Pt/C
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MoO3、Pt/C
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WO3及其组合的组中选择的组分。9.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括Pt/C
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Nb2O5。10.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括Pt/C
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MoO3。11.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述氢青铜包括Pt/C
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WO3。12.一种燃料电池，包括根据权利要求1所述的膜电极组件。13.一种燃料堆，包括根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉杰什，
申请(专利权)人：海易森汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：