CN1853295B - 通过控制膜电极组催化剂层交叠来处理一种膜电极组失效模式 - Google Patents

通过控制膜电极组催化剂层交叠来处理一种膜电极组失效模式 Download PDF

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Abstract

一种通过控制MEA(9)催化剂层(10，11)交叠来处理一种MEA(9)失效模式的方法，以及进而形成的装置是所希望的。本发明可处理膜电极组(MEA)(9)结构的特征，此结构与由于电解质(4)边缘上离聚物损耗导致的场失效有关。为了处理离聚物降解，本发明提出了一种MEA(9)设计，就是阴极催化剂(11)边缘较阳极催化剂(10)边缘更靠近电解质(4)的边缘。

Description

通过控制膜电极组催化剂层交叠来处理一种膜电极组失效模式
技术领域
本发明大体上涉及质子交换膜(PEM)燃料电池，具体地涉及一种通过控制膜电极组(MEA)催化剂层交叠来处理一种MEA失效模式的方法，以及进而形成的装置。
背景技术
质子交换膜(PEM)燃料电池系统正在研发之中，它作为电源有许多应用，包括运输设备、输电及便携式电源，以及联合发电装置。这种系统可提供具有环保以及其它好处的且可经济地输送电力的前景。通常，要想使PEM燃料电池系统成功地投入商业运作，不仅需要提供足够的运行可靠性，而且还需要在多年运行中保持耐用的系统性能。
部件降解会降低燃料电池的可靠性和性能。一种对整个燃料电池系统的耐用性产生反作用的膜电极组(MEA)失效模式是离聚物降解(Ionomer degradation)(膜材料损耗)。除动力损耗外，也与一个或多个电池的电压泄漏有关，这种情况会造成可靠性问题。因此，本发明人认为在MEA的设计上需要改进，目的是为了给PEM系统提供改良的耐用力。
发明内容
本发明通过提供一种膜电极组(MEA)设计来满足上述的需求，通过对MEA中的催化剂层交叠的控制来消除离聚物的降解。本发明人发现在催化剂层边缘的离聚物降解仅发生在MEA中阳极催化剂超出阴极催化剂的部分。本发明消除离聚物降解是通过设计一种MEA，它使阴极催化剂边缘较阳极催化剂边缘更靠近流场板边缘。实际上，这即指阴极催化剂的面积大于阳极催化剂的面积。
虽然本发明并没有局限于特定的优势或功能上，但可以知道，提供一种阴极催化剂面积大于阳极催化剂面积的MEA可消除由于离聚物损耗导致的局部膜失效。
在一个实施例中，该发明为燃料电池提供一种可以处理离聚物降解的膜电极组(MEA)。该MEA包括：具有第一组边缘的阴极催化剂层，具有第二组边缘的阳极催化剂层，以及设置在阴极和阳极催化剂层之间的固态高分子电解质。固态高分子具有离聚物和第三组边缘。阴极催化剂层的第一组边缘较阳极催化剂层的第二组边缘更靠近电解质的第三组边缘。还设置有第一和第二扩散层，与所述离聚物接触的所述阴极和阳极催化剂层的表面积的大小根据设在所述电解质和所述第一和第二扩散层之间的第一和第二垫圈来定制。
在另一实施例中，本发明为燃料电池提供一种可以处理离聚物降解的膜电极组(MEA)。该MEA包括具有第一组边缘的阴极催化剂层，具有第二组边缘的阳极催化剂层，以及设置在阴极和阳极催化剂层之间的固态高分子电解质。固态高分子具有离聚物和第三组边缘。阳极催化剂层与离聚物的接触表面积小于阴极催化剂层与离聚物的接触表面积。阴极催化剂层的第一组边缘较阳极催化剂层的第二组边缘更靠近电解质的第三组边缘。
在另一个实施例中，该发明提供一种燃料电池，其包括：第一导电扩散层，提供到第一扩散层上的阴极催化剂层，第二导电扩散层，提供到第二扩散层上的阳极催化剂层，以及具有设置在催化剂层之间的离聚物的固态高分子电解质。阴极催化剂层的第一组边缘较阳极催化剂层的第二组边缘更靠近电解质的第三组边缘，并且阳极催化剂层接触所述固态高分子电解质的表面积少于阴极催催化剂层接触所述固态高分子电解质的表面积。燃料电池还包括一对导电的流场板，在它们之间夹有扩散层，催化剂层和固态高分子电解质。
在另一实施例中，该发明提供一种预备用于处理离聚物降解的电化学燃料电池的膜电极组的方法。该方法包括提供具有离聚物和第一及第二个表面的固态高分子电解质，提供阴极催化剂层到电解质的第一表面上，以及提供阳极催化剂层到电解质的第二个表面上，使得阴极催化剂层的第一组边缘较阳极催化剂层的第二组边缘更靠近电解质的第三组边缘。
在另一实施例中，该发明提供一种燃料电池系统，其包括供应含氢燃料的燃料存储系统，驱动系统，容纳并调节由燃料电池系统产生的电流以控制驱动系统的能量转化器，用于存储所产生的电流的可选的临时能量存储器，以及用燃料向驱动系统提供动力的燃料电池。燃料电池包括具有第一组边缘的阴极催化剂层，具有第二组边缘的阳极催化剂层，以及在阴极催化剂层和阳极催化剂层之间设置的固态高分子电解质。固态高分子电解质具有离聚物和第三组边缘，并且阴极催化剂层的第一组边缘较阳极催化剂层的第二组边缘更靠近电解质的第三组边缘。
本发明还提出了一种预备膜电极组的方法，包括：提供具有离聚物的固态高分子电解质，所述固态高分子电解质带有第一和第二表面；将阴极催化剂层提供到所述电解质的第一表面上；以及将阳极催化剂层提供到所述电解质的第二表面上，使得所述阴极催化剂层的第一组边缘较所述阳极催化剂层的第二组边缘更靠近所述电解质的第三组边缘；提供第一和第二扩散层；将第一和第二垫圈设在所述电解质和第一和第二扩散层之间。
通过对优选实施例的介绍并参考附图，可更充分地理解本发明的这些以及其它特征和优点。应该指出，权利要求书的范围由对其的叙述予以确定，而不是由对当前说明书中所提供的特征和优点的具体描述所确定。
附图说明
通过下面的附图能够更清楚地理解接下来关于本发明实施例的详细描述，在图中相同的结构用同样的引用数字说明，在图中：
图1是根据本发明一个实施例的固态高分子燃料电池的示意性截面图；
图2是根据本发明另一实施例的固态高分子燃料电池的示意性截面图；和
图3是根据本发明实施例的PEM燃料电池系统的示意性描述。
技术人员可意识到，为了简单清晰而将元件显示在图中，但不必按比例绘制。例如，图中有些元件的尺寸相对于其它元件可以夸张一点，这样有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
所有类型的燃料电池在它们使用过程中都会经历性能损耗或衰减。性能损耗是指电池电压在固定的电流密度下的降解，或者相反地，在固定的电压下电流密度的降解。这种性能损耗可以是多种因素造成的，包括运行环境，部件设计，操作和维修程序以及所使用的各种材料。离聚物降解是一个导致性能损耗甚至可能是早期的膜失效的因素。在现有技术的膜电极组(MEA)中，离聚物降解已经高度局部化了。
本发明通过在MEA中控制催化剂层交叠来处理离聚物降解，以帮助满足燃料电池的预期寿命、一个用于商业化成功的关键因素。图1显示了根据本发明的引用标号大致为1的质子交换膜(PEM)燃料电池(FC)的截面图。PEMFC 1也被称为固态高分子燃料电池(SPFC)，固态高分子电解质燃料电池(SPEFC)，或者离子交换膜燃料电池(IEMFC)。该PEMFC 1可转化反应物、也就是燃料和氧化剂，以产生电流和反应产物。
PEMFC 1包括两个多孔的导电基片，也就是阳极2和阴极3。在阳极2和阴极3之间放有固态高分子膜的电解质4。在一个实施例中，固态高分子膜包括全氟磺酸(PFSA)离聚物，如
Figure G2004800266048D00041
(DuPont)，Flemion(Asahi Glass Co.)，或者Dow XUS(Dow Chemical)。多孔的阳极2和阴极3基片可作为气体扩散层，以用于向电解质4供应氢和氧，以及用于水蒸汽副产品的排出。
燃料流在燃料入口5处供应，氧化剂在氧化剂入口6处供应。反应物流分别在燃料出口7和氧化剂出口8处消耗掉。在PEMFC 1中可使用广泛范围的反应物。如，燃料流可以是相当纯的氢气，含有重整流的气态氢，或者是直接式甲醇燃料电池中的甲醇。氧化剂例如可以是，相当纯的氧气或者稀释氧气流如空气。
在一个实施例中，阳极2，阴极3和电解质4集成在一起形成单个的组合结构，被称为膜电极组(MEA)9。阳极2和阴极3都使用了支撑于碳粉上的催化剂，碳粉又安装在含碳基片如纸张或织物上。如图所示，阳极2和阴极3均具有较薄的催化剂层10和11，其分别位于与电解质4的界面处。亚表层(图未示)可选择地用于修改电极的某些特性，如处于催化剂层和基片之间的界面电阻。
催化剂10和11可以是黑色合金(Metal Black)，合金或者被支撑的金属催化剂。在一个实施例中，阳极2的催化剂10是以碳做载体的的Pt-Ru，而阴极3的催化剂11是以碳做载体的的Pt。催化剂10和11还可以包括离聚物，如重量可达30％的商标为的全氟磺酸基离聚物。催化剂层还可以包含粘合剂，如聚四氟乙烯。
可通过为阳极2和阴极3施加相配的基片即催化剂层来预备MEA9。如果需要，亚表层可以首先施加在基片上，然后将催化剂层施加在亚表层之上。这些层以膏剂或者油墨的形式施加，它包括微粒和混在适当液体载体中的溶解固体。然后液体载体蒸发剩下微粒和分散的固体的层。于是电极2和3可以通过施加热和/或压力或者其它方法被粘合到电解质4的相对侧。或者，催化剂层可先施加到电解质4上，其后，再结合入可选的亚表层和基片，要么在催化过的膜上，要么在电极基片上。
然后，将MEA 9设在阳极流场板12和阴极流场板13之间，以用于引导反应物穿过位于MEA 9两侧的每个电极基片的一个表面。阳极流场板12具有形成于其面向阳极2的表面中的至少一个燃料流通道14，而阴极流场板13具有形成于其面向阴极3的表面中的至少一个氧化流通道15。当靠着电极基片2和3的协同操作表面组装时，通道14和15就相应地形成用于燃料和氧化剂的反应物流场通路。流场板12和13还可用于采集和传送由MEA 9产生的电流。因此，流场板12和13可以使用任何合适的材料，其中，该材料可引导氢气和空气通过电池，可将水副产品移出电池，并可传导电流，例如但不受限于石墨双极板、碳复合双极板、由金属箔支撑的金属筛等。
在PEMFC 1的正常操作过程中，燃料在阳极催化剂10被电化学氧化，通常生成质子，电子，或者其它核素，这取决于所采用的燃料。质子从产生它们的反应处开始传导，经过电解质4，以与阴极催化剂11处的氧化剂发生电化学反应。所发生的电化学反应如下：
在阳极处：H2→2H++2e-；
在阴极处：1/2O2+2H++2e-→H2O；
综合：H2+1/2O2→H2O。
每个PEMFC 1在负载下的电压输出通常在1伏特以下。因此，为了提供更大的电压输出，大量的电池经常被叠加在一起，串联后就可以制造出更高电压的燃料电池组。端板组件(图未示)放在组的各端，以将其夹持起来并将组部件压缩在一起。需要很大的压力以用于在各种组部件之间实现密封并形成足够的电接触。然后，燃料电池组可以进一步地串联和/或并联组合，以形成更大的排列以输送更高的电压和/或电流。
为了简单化，电池或者电池组的其它部分，如冷却层，反应物流通道，或者用于运输燃料和氧化剂到催化剂层以及用于允许水适当地移动遍及整个电池的阳极和阴极的其它特征都未示出，因为它们的结构和操作在本技术领域中已经众所周知，并且不是本发明的一部分。另外，燃料电池系统可包括控制器(图未示)，以用于控制和监测系统，如用于控制由负载需求确定的反应流的速率。此外，为了清楚下面描述的本发明实施例，用矩形来表示，然而，可有利地采用其它多边形来表示本发明。
现在接着讨论实施例怎样处理离聚物降解。如图所示，电解质4边缘和阴极催化剂层11边缘之间的距离用符号“a”标示。阳极催化剂层10边缘和电解质4边缘之间的距离用符号“b”标示。根据本发明，催化剂层10和11边缘相对于电解质4边缘之间的这些距离的关系是|a|＜|b|。在制造过程中，控制催化剂层10和11的施加，使得阴极催化剂层的边缘较阳极催化剂层的边缘更靠近流场板的边缘来维持上面提到的边缘或者交叠距离，这可消除离聚物的降解。实际上，这意指阴极催化剂层11的表面积大于阳极催化剂层10的表面积。在一个实施例中，阴极催化剂层11的表面积是803.25cm2，而阳极催化剂层10的表面积是768.69cm2。然而，只要阴极催化剂层11绕整个周边延伸超过阳极催化剂层10，其它的催化剂面积都是可接受的。例如但不仅限于此，其它的已经达到燃料电池耐用性所要求的改进的面积是：阴极734.85cm2而阳极701.73cm2；和阴极765cm2而阳极731.46cm2。因此，在一个实施例中，阴极催化剂面积范围可以从约730cm2到约805cm2，而阳极催化剂面积范围可以从约700cm2到约770cm2，其中阴极表面积比阳极表面积大大约32cm2到约36cm2。
催化剂层和MEA 9的厚度也可以变化。在一个实施例中，催化剂层10和11的厚度范围为约8到约10微米，而MEA 9的厚度范围为约34到约41微米。然而，本领域技术人员能看出其它明显的厚度范围。这种情况与从催化剂层边缘到电解质4边缘的距离a和b是相同的。在一个实施例中，在非冲切的MEA 9上的距离a和b的范围是大约47mm到约58mm。
图2是根据本发明另外一个实施例的PEMFC的示意性截面图，其被大致标示为符号“20”。与图1中相同的引用数字代表相同的部件。如图所示，在这种备选配置中，在阳极2和电解质4之间设有第一垫圈16。第一垫圈16的窗口面积17的大小适合于阳极催化剂层10与电解质4接触的表面积，同时形成了绕催化剂10周边的自流场板12边缘的距离间隔b。可选择地类似地设第二垫圈18，并通过第二窗口面积19来定制阴极催化剂层17的表面积大小，并提供间隔距离a，其中在垫圈16和18之间有a＜b的关系。应当理解，阴极催化剂层11接触电解质4的表面积，不管有或没有垫圈18，都大于阳极催化剂层10接触电解质4的表面积。然而，应当理解垫圈16和18的大小不必完全适合催化剂层的边缘。实际上，每个催化剂的边缘和它们各自的垫圈之间的距离可变动数毫米。
根据本发明，上述的MEA 9可采用常规的阴极和常规的
Figure G2004800266048D00081
牌号的固态高分子膜，该阴极具有施加到多孔碳化纤维纸基片(来自Toray的TGP-090等级)中的以碳做载体的铂催化剂。阳极也可是施加到多孔碳化纤维纸基片(来自Toray的TGP-090等级)中的常规的以碳做载体的铂钌催化剂(基于碳黑的重量比率20/10的Pt/Ru合金)。本发明还可以使用不同的、更具吸水性的离聚物，诸如三氟苯乙烯(trifluorostyrene)基组合物、疏水性聚四氟乙烯(PTFE)，及其组合。
参考图3，根据本发明，PEMFC可以有利地用在燃料电池系统40中，如用于用符号“50”表示的汽车中。在所示实施例中，燃料电池系统40包括燃料供应系统60，能量转化器62，可选的临时能量存储器64，转化与控制部件66，以及驱动系统68。燃料供应系统60可以是简单的容纳压缩氢气和压力控制器的缸体。液态氢或者金属氢化物的使用让该系统少了些简单，因为必须向罐供热。如果将碳氢化合物而不是氢用作燃料，燃料供应系统将变得更复杂。在这种情况下，在能量转化器62中需要燃料处理器(燃料重整炉和气体净化器)70以提供用于PEM燃料电池72的氢。
由燃料电池72产生的电能可经由DC连接件74直接供给到处于转化与控制部件66中的电动机变换器76。然后变换器76的输出可驱动驱动系统中的电动机78。在某些情况中，使用缓冲系统80如电池，超级电容器或者飞轮是有利的。缓冲系统80可提供峰值功率。这在启动期间，或加速过程中可能会需要。缓冲系统80也可用于在再生制动过程中吸收能量。
虽然已经通过参考优选实施例描述了本发明，但是应该理解，在所描述的创造性概念的精神和范围之内可进行许多变化。因此，本发明不局限于所公开的实施例，而是在所附权利要求的语意所允许的全部范围之内。

Claims (17)

1.一种包括膜电极组的装置，其中，所述膜电极组包括：
具有第一组边缘的阴极催化剂层；
具有第二组边缘的阳极催化剂层；
设置在所述阴极和阳极催化剂层之间的固态高分子电解质，所述固态高分子电解质具有离聚物和第三组边缘，其中，所述阳极催化剂层与所述离聚物的接触表面积小于所述阴极催化剂层与所述离聚物的接触表面积，并且所述阴极催化剂层的所述第一组边缘较所述阳极催化剂层的所述第二组边缘更靠近所述电解质的所述第三组边缘；以及
第一和第二扩散层，在所述电解质和所述第一和第二扩散层之间设置有第一和第二垫圈，其中与所述离聚物接触的所述阴极和阳极催化剂层的表面积的大小由第一和第二垫圈来定制。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极催化剂层的总计表面积小于所述阴极催化剂层的总计表面积。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层被提供到第一扩散层上，而所述阳极催化剂层被提供到第二扩散层上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层的表面积范围是730cm2到805cm2，而所述阳极催化剂层的表面积范围是700cm2到770cm2。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层的表面积大于所述阳极催化剂层的表面积，所述阴极和阳极催化剂层表面积的差额范围是32cm2到36cm2。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层的所述第一组边缘和所述阳极催化剂层的所述第二组边缘与所述电解质的所述第三组边缘的间隔范围是47mm到58mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极和阳极催化剂层的厚度在8到10微米范围内。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜电极组的厚度在34到41微米范围内。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜电极组结合入燃料电池中，所述燃料电池包括：
一对导电流场板，它们之间夹有所述第一和所述第二扩散层，所述阴极和阳极催化剂层和所述固态高分子电解质。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层的表面积范围是730cm2到805cm2，而所述阳极催化剂层的表面积范围是700cm2到770cm2。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阴极催化剂层的表面积大于所述阳极催化剂层的表面积，所述阴极和阳极催化剂层表面积的差额范围是32cm2到36cm2。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述燃料电池结合入燃料电池系统中，所述燃料电池系统包括：
供应包括氢的燃料的燃料存储系统；
驱动系统；
容纳并调节由所述燃料电池系统产生的电流以控制所述驱动系统的能量转化器；以及
用于存储所产生的电流的可选的临时能量存储器。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述燃料电池系统还包括燃料处理器，其用来将所述燃料转化成用于所述燃料电池的富氢流。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置是汽车。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述阳极催化剂层接触所述固态高分子电解质的表面积小于所述阴极催化剂层接触所述固态高分子电解质的表面积，其中所述阴极催化剂层表面积范围是730cm2到805cm2，而所述阳极催化剂层表面积范围是700cm2到770cm2，并且
所述阴极催化剂层的表面积大于所述阳极催化剂层的表面积，其中所述阴极和阳极催化剂层表面积的差额范围是32cm2到36cm2。
16.一种预备膜电极组的方法，包括：
提供具有离聚物的固态高分子电解质，所述固态高分子电解质带有第一和第二表面；
将阴极催化剂层提供到所述电解质的第一表面上；以及
将阳极催化剂层提供到所述电解质的第二表面上，使得所述阴极催化剂层的第一组边缘较所述阳极催化剂层的第二组边缘更靠近所述电解质的第三组边缘；
提供第一和第二扩散层；
将第一和第二垫圈设在所述电解质和第一和第二扩散层之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，提供所述阳极催化剂层而导致：所述阳极催化剂层与所述电解质的所述第二表面接触的表面积小于所述阴极催化剂层与所述电解质的所述第一表面接触的表面积。
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