[发明专利]保护内含PEM的燃料电池部件的组分和方法

说明书

本申请是申请号为CN200580029245.6母案的分案申请。该母案的 申请日为2005年8月2日；发明名称为“保护内含PEM的燃料电池 部件的组分和方法”。

技术领域

本发明涉及燃料电池、膜电极组件(MEA)和质子交换膜，后 者也称为聚合物电解质膜(PEM)。

背景技术

电化学电池对许多应用特别在作为燃料电池操作时很理想。 对于许多应用，包括代替内燃机的电动车辆动力设备在内，已提出用 燃料电池。一种燃料电池设计利用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交 换膜(PEM)来提供阳极与阴极之间的离子交换。在燃料电池内，气态和 液态燃料都可用。实例包括氢和甲醇，优选氢。氢供至燃料电池的阳 极。氧(如空气)是电池氧化剂并供至电池的阴极。电极由多孔导电材料， 如织造石墨、石墨化片材或碳纸形成，使燃料能分散在面朝燃料供应 电极的膜的表面上。典型的燃料电池已描述在U.S.专利No.5,272,017 和U.S.专利No.5,316,871(Swathirajan等)中。

燃料电池部件尤其MEA和PEM的劣化会降低输出功率和 缩短使用寿命。

发明内容

在典型的PEM燃料电池内，聚合物电解质膜(PEM)是非常 重要的部件。目前，PEM燃料电池由全氟化离聚物如杜邦公司的 制成。已经证明，全氟化或烃离聚物在燃料电池操作条件下， 耐久性都不合格(寿命＞5000h)。不愿受任何特定理论的限制，认为下 列内容是适用的。即使尚未完全弄清典型燃料电池内离聚物劣化的精 确机理，一般认为与燃料电池内腐蚀性很强的化学环境有关，尤其是 操作期间产生的自由基对离聚物的侵蚀。本发明提供缓解离聚物劣化 的方法，从而获得更长的燃料电池寿命。在一个发明点中，实现缓解 的方法是在燃料电池内包括如下组分：它通过清除或抵消、减少或对 消引起劣化最重要物质的作用而阻止、停止或防止这种劣化过程。缓 解的优选机理利用氢醌。本文给出用耐久烃离聚物防止劣化的优选方 法如下：在聚合物内引进结构部分(如氢醌)。

从下文提供的详述，本发明的其它应用领域将变得显而易 见。应该理解，详述和具体实施例虽然示意了本发明优选实施方案， 但也仅旨在说明而无意限制本发明的范围。

附图说明

从详述和附图，将能更充分地理解本发明，其中：

图1是按照本发明具有膜电极组件(MEA)的未装配电化学燃 料电池的示意图。

图2是按照本发明的MEA的截面示意图。

图3是图2中的MEA加上石墨片的示意图。

图4是示意图2中阴极侧局部放大示意图。

图5示意氧还原和形成污染物过氧化物的机理。

图6示意抵消过氧化物的氢醌醇(羟基)的氧化。也示意所得 醌(Q)羰基重新形成氢醌(HQ)的逆反应。

图7示意HQ作为羟基自由基捕获剂的试验结果。该试验在 下述条件下进行：在24℃下，在0.5M H₂SO₄水溶液(GFS Chemicals) 中，以10mV/s扫描速率，在氩气氛下，以玻璃炭为工作电极；试剂浓 度为0.5mM HQ；2mM FeSO₄；10mM H₂O₂。

图8示意HQ作为羟基自由基捕获剂的试验结果。该试验在 下述条件下进行：在24℃下，在0.5M H₂SO₄水溶液(GFS Chemicals) 中，以50mV/s扫描速率，在氩气氛下，以玻璃炭为工作电极；试剂浓 度为0.5mM HQ；1mM FeSO₄；10mM H₂O₂。在不同时间记录循环 伏安图。

图9示意含主链氢醌和醌的聚合物，X和Y是任意结构。

图10示意含侧链氢醌和醌的聚合物，主链和侧链之间的连 接基R是任意的。

图11示意加进类似于图9和10的聚合物主链或侧链的其它 自由基捕获剂。这类实例包括图11中所示的那些；即11A是1，4-蒽 二醇和11B是1，8-蒽二醇。它们相应的氧化对应物如图9的羟基和羰 基。

具体实施方式

以下对优选实施方案的描述仅是举例性的，决无意限制本发 明、其应用或用途。