[发明专利]具有组合添加剂的耐久性燃料电池膜电极组件

说明书

相关申请的交叉参考

本专利申请要求2007年12月27日提交的美国临时专利申请No.61/017027的优先权，该专利的公开内容全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及耐久性及性能大幅改善的燃料电池膜电极组件(MEA)。本发明的MEA包括具有一种或多种氧化铈的一个或多个电极和含有一种或多种锰阳离子或锰化合物的聚合物电解质膜(PEM)。

背景技术

美国专利申请公开No.2006/0063054 A1和No.2006/0063055 A1以及美国专利申请No.11/261053、No.11/262268和No.11/962971(律师案卷号No.61757US005)(均以引用的方式并入本文)提出使用铈或锰添加剂来改善聚合物电解质膜(PEM)的耐久性。

发明内容

简言之，本发明提供一种燃料电池膜电极组件，包括：含有第一聚合物电解质和至少一种锰阳离子或锰化合物的聚合物电解质膜；以及包含催化剂和至少一种铈化合物的一个或多个电极层。在一些实施例中，第一聚合物电解质包含结合的阴离子官能团，所述阴离子官能团的至少一部分是酸形式的，所述阴离子官能团的至少一部分被锰阳离子中和。在一些实施例中，锰在整个聚合物电解质膜中的分布是均匀的。在一些实施例中，锰阳离子是Mn²⁺阳离子。一个或多个电极层可另外包含第二聚合物电解质。第一聚合物电解质、第二聚合物电解质或这两者可任选是高度氟化的或全氟化的。第一聚合物电解质和第二聚合物电解质可具有相同或不同的组成。第一聚合物电解质和第二聚合物电解质可具有相同或不同的当量。第一聚合物电解质和第二聚合物电解质可具有相同或不同的分子量。在一些实施例中，基于第一聚合物电解质中存在的阴离子官能团的摩尔量而言，锰阳离子的存在量在0.001至0.5电荷当量之间，而在一些实施例中，该量在0.01至0.1电荷当量之间。在一些实施例中，第一聚合物电解质的当量为1050或更小，在一些实施例中为1000或更小，在一些实施例中为950或更小，在一些实施例中为900或更小，在一些实施例中为850或更小，以及在一些实施例中为800或更小。在一些实施例中，第一聚合物电解质包含根据-O-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-SO₃H式的侧基。在一些实施例中，MEA另外包括多孔载体。在一些实施例中，这一个或多个电极层包含铈化合物，相对于催化剂的重量所述铈化合物的量在0.01重量％至5重量％之间，更典型的是在0.1重量％至1.0重量％之间。在一些实施例中，铈化合物是氧化铈化合物。在一些实施例中，氧化铈化合物是CeO₂。在一些实施例中，氧化铈化合物是Ce₂O₃。

本发明提供了本领域中没有论述过的一种燃料电池膜电极组件，其包含添加剂的特定组合，包括位置及化学形式的特异性，从而提供性能与耐久性崭新和意想不到的组合。

在本申请中：

添加剂在聚合物膜中的“均匀”分布表示添加剂存在量的变化不超过+/-90％，更典型的是不超过+/-50％，以及更典型的是不超过+/-20％；

聚合物的“当量”(EW)表示中和一个当量碱的聚合物重量；

“多价阳离子”表示具有2+或更多电荷的阳离子；

“高度氟化的”表示含氟量是40重量％或更多，典型的是50重量％或更多，更典型的是60重量％或更多；以及

对于阴离子官能团，“酸形式”表示被质子中和的形式。

本发明的优点在于提供一种显示具有高性能和高耐久性的燃料电池膜电极组件。

附图说明

图1是对照性MEA(A、B、C和D)和根据本发明的燃料电池膜组件MEA(E)的燃料电池性能(电压)相对于氟化物释放(耐久性的量度)的曲线图，此将在实例中进一步描述。

具体实施方式

本发明提供特别是在燥热条件(80℃以上和/或75％RH以下)下具有特别高的耐久性的膜电极组件(MEA)。本发明的MEA包括具有一种或多种氧化铈(通常作为分散的颗粒存在)的一个或多个电极和(在一些实施例中)包含一种或多种锰盐的PEM。