[发明专利]具有保护性阻挡层的膜电极装置

说明书

发明背景

[0001]本公开涉及燃料电池，更特别是涉及PEM燃料电池及其膜 的降解的减少。

[0002]在PEM燃料电池中，各种机制可以引起过氧化物在膜的附 近形成或存在。该过氧化物可以分离成高活性的自由基。这些自由基 可以快速地降解该膜。

[0003]期望固定的和运输PEM燃料电池的寿命分别达 40,000-70,000小时和5,000-10,000小时。离聚物的自由基降解严重妨碍 达到这些目标的努力。

[0004]因此，本公开的主要目的为提供解决这些问题的膜电极装 置。

[0005]本公开的进一步目的为提供进一步解决这些问题的燃料电 池操作方法。

[0006]其它目的和优点见本文。

发明概述

[0007]按照本公开，已达到上述目的和优点。

[0008]按照本公开，提供膜电极装置，该装置包含阳极；阴极； 阳极和阴极之间的膜；和膜与阳极和阴极中至少一个电极之间的保护 性阻挡层，该保护性阻挡层适合限制氧和氢中至少一种从至少一个电 极迁移至膜。在阴极侧至少部分地消除氧，可在膜的外面保持阳极和 阴极之间的电位变化平面。在阳极侧上至少部分地消除氢，将使氢保 持在膜的外面。这将使远离Xo形成的Pt岛的量最小化。

附图简述

[0009]下面结合附图详细地描述本公开的优选实施方案，其中：

[0010]图1图示按照本公开的膜电极装置，该装置包括阴极侧保护 性阻挡层；

[0011]图2图示由于本公开的保护性阻挡层，而通过装置一部分的 电位；

[0012]图3图示在电位循环之后，与烃相比，Nafion-基离聚物的 ECA损失；

[0013]图4显示PFSA-基离聚物与烃(HC)离聚物膜相比的透氧率 测量值比较；和

[0014]图5显示本公开的实施方案，其中将保护性阻挡层置于膜和 阳极之间。

详述

[0015]本公开涉及燃料电池，更特别是涉及聚合物电解质膜(PEM) 燃料电池，和涉及此类燃料电池减轻的衰减或降解。

[0016]图1图示按照本公开的膜电极装置(MEA)10。如所示，装置 10包括膜12、阴极14、阳极16和气体扩散层18、20。按照本公开，在 该实施方案中，在膜12和阴极14之间也提供保护性阻挡层22。在下文 进一步描述阻挡层22。

[0017]如所示，将阴极14和阳极16置于膜12的任一侧，将气体扩 散层18、20置于电极(阴极14和阳极16)的任一侧。

[0018]通过将某种形式的氧通过气体扩散层18传送至阴极14，和 通过将某种形式的氢通过气体扩散层20传送至阳极16，来操作膜电极 装置10。如所期望的，这些反应物支持跨过膜12的离子电流产生。

[0019]阴极14为含有合适的阴极催化剂的多孔层，其孔隙率典型 地为至少约30％。阳极16类似的为含有合适的阳极催化剂的多孔层， 其孔隙率也典型地为至少约30％。

[0020]在MEA 10的操作期间，通常存在于电极内，即在阴极14 和/或阳极16内的催化剂材料可以溶解，然后沉淀于装置的其它地方。 该沉淀分两类。第一类，不连接的催化剂颗粒例如铂颗粒始终沉积在 膜上。这是膜中溶解的Pt与跨越(crossover)氢反应的结果。通过跨越氧 的催化反应产生侵袭膜结构的活性自由基，这些沉淀的Pt颗粒可以对 膜产生有害的影响。

[0021]第二类，在电极之间有极化电荷或急剧的电位变化的平面， 且在本文中将该平面称为电位变化平面和/或称为Xo，如图1和2中参 考数字23所示。在Xo 23，反应电位突然从低值移到高值。Xo 23的位 置主要取决于Xo 23的任一侧位置的氧化剂和还原剂气体浓度。如果 在Xo 23上存在电分离的催化剂颗粒，那么这是过氧化物形成和/或自 由基产生非常可能的位置，该过氧化物形成和/或自由基产生可对膜12 和装置10内存在的其它离聚物有有害的影响。