CN101189750A - 含有催化层的mea密封结构 - Google Patents

Abstract

一种薄膜电极组件包括阳极，阴极，位于阳极和阴极之间的薄膜，在包括阴极与薄膜之间和阳极与薄膜之间的组中选择的至少一个位置上的催化层，沿薄膜电极组件的一个边缘设置的边缘封装，其中薄膜和催化层延伸入边缘封装。

Description

含有催化层的MEA密封结构

发明背景

本发明涉及燃料电池，更具体的，涉及PEM燃料电池以及减少其薄膜的退化。

在PEM燃料电池中，少量的氧穿过薄膜从阴极扩散到阳极并能在阳极催化剂表面和低电势下通过与氢反应形成过氧化物。这种过氧化物可以分离成高反应性自由基。这些自由基可以使薄膜迅速退化。

虽然许多氧、氢和/或过氧化物的来源会导致这个问题，从阴极穿越的氧和在阴极产生的过氧化氢才是本发明考虑的重点。

本发明的一个首要目标是尽可能的降低由这些自由基的源产生的退化。

本发明的另一个目标是提供一个具有更长寿命的薄膜电极组件，该寿命的延长是由于减少了氧穿越以及由此导致的退化。

本发明的其他目标和优势将在下文呈现。

发明概要

依照本发明，前述的目标和优势可以容易的实现。

根据本发明，提供一种薄膜电极组件，其包括阳极、阴极、布置在阳极和阴极之间的薄膜、在阴极和薄膜间和/或阳极和薄膜间的催化层、和沿着薄膜电极组件边缘设置的边缘封装，其中薄膜和催化层都延伸入边缘封装。

电极优选的也至少部分的延伸入边缘封装。

附图说明

本发明优选的实施方式的具体说明参照附图给出，其中：

图1示例的示出了根据发明包括边缘封装和MEA组件的UEA的边缘部分；

图2示出了只有催化层延伸入边缘封装的一可选的实施方式；及

图3示出了电极部分的延伸入边缘封装的另一实施方式。

具体实施方式

本发明涉及燃料电池，尤其涉及PEM燃料电池，更具体的涉及通过设置延伸或催化层来减少反应物的穿越，该延伸催化层消耗了剩余的反应物并由此避免产生过氧化氢。

本发明还具体涉及薄膜电极组件的封装部分中薄膜的保护，否则在薄膜电极组件中会发生过氧化物导致的分解(peroxide-mediated decomposition)。

图1示出了一个包含薄膜电极组件(MEA)50的单位电极组件10(UEA)，薄膜电极组件(50)具有薄膜52，位于薄膜52一侧的阳极54，在薄膜52另一边的阴极56，以及分别位于薄膜52和阳极54之间和薄膜52与阴极56之间的催化层58、60。正如本领域普通技术人员熟知的那样，气体扩散层62、64位于电极54、56的外部，并且用于引入氢和氧，如图所示。

同样，正如本领域普通技术人员熟知的那样，设置封装66于薄膜封装组件50的边缘68以使密封的UEA10与反应物隔离。

依照本发明，现已发现，如果不针对含有过氧化物导致的薄膜侵蚀进行保护，封装或非活性区中的薄膜52将会发生快速分解。

依照本发明，通过将催化层58、60沿薄膜52一起延伸入边缘封装66可以防止这种过氧化物侵蚀。以此方式，扩散入边缘封装区域内的氧和/或氢以及任何得到的过氧化物被层58、60所消耗从而阻止了薄膜52的分解。

依照图1显示的实施方式，电极54、56也延伸入边缘封装66。这从制造观点来说是有利的。

图2显示了本发明的一个备选的实施方式，其中类似的数字代表类似的部分。然而，在此实施方式中，电极54、56并不延伸入边缘封装66的区域内。这样，边缘封装66直接顶着催化层58、60密封。在除此之外的所有其他方面，本实施方式的功能相同，催化层58、60用于有利的消耗氢、氧和/或分解过氧化氢，正如上面所讲的那样。

现在参考图3，示出了本发明另一可选的实施方式。在这个实施方式中，正如图2所示的实施方式那样，相同的数字代表类似的部分。本实施方式中，电极54、56延伸入边缘封装66，但与催化层58、60延伸的程度不同。这样，本实施方式中，催化层延伸到薄膜52的边缘，而阳极54和阴极56延伸入边缘封装66但在到达薄膜52和催化层58、60的边缘之前就停止了。在本实施方式中，使用比图1的实施方式中更小的电极，因而需要材料更少。

根据本发明，通过催化层有利的消耗掉和/或良性的分解掉了扩散入封装区域的任何氢、氧和过氧化物，这种分解由催化层与相应电极的电连接促进。

图1-3示出了薄膜的活性和非活性区域。这些区域之间的过渡是“入口干区域”，这些区域对催化层的出现也是相当重要的。同样，这个区域通常也会被过氧化物分解所侵蚀，但依据本发明可以被催化层58、60有利的保护。

应当注意，在图1-3显示的实施方式中，薄膜52，催化层58、60，以及延伸入边缘封装66的电极54、56的任何部分在边缘封装中被有利地闭封包封。有利的提供了结构的密封部分的稳固构造，并且，正如上面陈述的，有利的阻止氧穿越以确保不会产生过氧化物。

依据本发明的不同实施方式可以以不同的形态提供催化层58、60。依照本发明的一个优选的实施方式，层58、60包含一部分催化剂，例如在载体碳上的铂颗粒，它的气孔充满了聚合物电解质。其他的适合的催化剂包括碳自身，铂合金，优选铂钴、铂镍、铂铱、铂铱钴、铂铬钴及其组合，这些合金可以是颗粒形态和/或负载于碳上。

在催化层58、60中提供的较高电势下，主要完成了氧的四个电子还原以产生水而不是过氧化物。

应当注意，本发明的主题可以有利的与多种薄膜结合，包括但不局限于增强型薄膜。增强型薄膜可以是具有机械加固物的薄膜，其例子见于但不局限于美国专利号5795668、6485856和6613203。

催化层58、60可以有利的提供为多孔的，电连接的(即，与相应的电极电连通或接触)和离子导电的结构，具有在约0％和约30％之间的孔隙率。催化剂的量为层体积的约5％和约50％之间，离子交联聚合物的量也在层体积的约5％和约50％之间。

在上述的每个实施方式中，层或底层(underlayer)58、60位于薄膜和一个或两个电极之间。这些底层也被称作延伸的催化层。该层与通常邻接的电极和薄膜在几个方面有区别。

一个重要的区别就是孔隙率。电极催化剂层典型的具有至少约30％的孔隙率，通常大于约35％并且典型的大于60％。相反的，层或底层(图1中的58，60)优选具有小于电极催化层的孔隙率，优选小于约20％，更优选的，层或底层基本上无孔(孔隙率＜5％)。

电极催化剂层还在体积上和在重量上具有比底层少的离子交联聚合物含量。

催化剂颗粒之间的电连接性是另一个方面，与底层相比电极催化剂层具有更大的值。

就薄膜电解质与催化剂颗粒的的离子接触而言，电极催化剂层通常比底层具有更低的值。

最后，电极催化剂层优选是疏水的同时，底层优选尽可能的亲水以保持水来水化离子交联聚合物和抑制气体扩散。

应当注意，依照本发明提供了根据需要设置的延伸入边缘封装的催化层形式来解决在单位电极组件的边缘封装中反应物穿越问题的技术方案。它因穿越的反应物被消耗和除去同时没有形成导致薄膜退化的过氧化物而格外有利。

显然，依照本发明提供了一种在其中的反应物穿越被最小化的薄膜电极组件。这完全满足了先前提出的目标，手段和优点。虽然在具体实施例的内容中描述了本发明，其他的替换，修改和变换对那些已阅读了前面介绍的本领域技术人员来说也是很显然的。因此，本发明意在包括落在附带的权利要求书种宽泛范围内的那些替换，修正和变换。

Claims (18)

1.一种薄膜电极组件，包括：

阳极；

阴极；

位于阳极和阴极之间的薄膜；

在选自阴极与薄膜之间和阳极与薄膜之间至少一个位置上的催化层；

沿薄膜电极组件的边缘设置的边缘封装，其中薄膜和催化层延伸入边缘封装。

2.如权利要求1所述的组件，其中阳极和阴极的至少一个延伸入边缘封装。

3.如权利要求1所述的组件，其中阳极和阴极延伸入边缘封装。

4.如权利要求1所述的组件，其中催化层延伸到薄膜的边缘。

5.如权利要求4所述的组件，其中阳极和阴极延伸入边缘封装并在薄膜的边缘前终止。

6.如权利要求4所述的组件，其中阳极和阴极延伸入边缘封装并延伸到薄膜的边缘。

7.如权利要求1所述的组件，其中所述边缘封装密封地包封所述薄膜的边缘。

8.如权利要求1所述的组件，其中催化层包括选自由碳颗粒、铂颗粒、铂合金颗粒及其组合组成的组的颗粒。

9.如权利要求8所述的组件，其中颗粒负载于碳上。

10.如权利要求8所述的组件，其中颗粒是选自由铂钴、铂镍、铂铱、铂铱钴、铂铬钴及其组合组成的组的铂合金。

11.如权利要求1所述的组件，其中催化层与相应的电极电连通。

12.如权利要求11所述的组件，其中催化层与相应的电极通过载体材料进行电连通。

13.如权利要求12所述的组件，其中载体材料是碳。

14.如权利要求1所述的组件，其中催化层有小于约20％的孔隙率。

15.如权利要求14所述的组件，其中催化层基本上无孔。

16.如权利要求1所述的组件，其中在薄膜和阴极之间的催化层的氧还原率基本上等于或大于阴极的氧还原率。

17.如权利要求1所述的组件，其中催化层是具有在约0％和约20％之间的孔隙率的电连接和离子导电的结构，其中催化剂的量在层体积的约5％和50％之间，离子交联聚合物的量在层体积的约30％和约95％之间。

18.如权利要求1所述的组件，其中薄膜是增强的薄膜。

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