[发明专利]具有改善的耐久性的燃料电池

说明书

固体聚合物电解质燃料电池包括膜电极组件，其包括设置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，所述阳极电极和阴极电极各自包括催化剂、中心区域和外围区域，其中阴极电极的外围区域包括阴极边缘阻挡层；流体不可渗透的密封件，其与所述阳极外围区域和所述阴极外围区域以及所述阴极边缘阻挡层的至少一部分接触；阳极流场板，其邻近阳极电极；以及阴极流场板，其邻近阴极电极，其中所述阴极流场隔板包括阴极外围流动通道和至少一个阴极中心流动通道；其中所述阴极边缘阻挡层的至少一部分穿过阴极外围流动通道的至少一部分。

背景

发明领域

本发明涉及PEM燃料电池，并且涉及具有改善的耐久性的膜电极组件。

相关技术的描述

电化学燃料电池转化反应物，即燃料和氧化剂流，以产生电能和反应产物。电化学燃料电池通常使用设置在两个电极(即，阴极和阳极)之间的电解质。需要电催化剂以在电极处诱导期望的电化学反应。除了电催化剂之外，电极还可包括导电基板，电催化剂沉积在所述导电基板上。电催化剂可以是金属黑(即，基本上纯的、未负载的、精细分开的金属或金属粉末)、合金或负载型金属催化剂，例如碳颗粒上的铂。

质子交换膜(PEM)燃料电池是一种类型的采用膜电极组件(“MEA”)的电化学燃料电池。MEA包括设置在阴极与阳极之间的固体聚合物电解质或离子交换膜。特别感兴趣的离子交换膜是由含氟聚合物制备的并且含有侧链磺酸官能团和/或羧酸官能团的那些。典型的全氟磺酸/PTFE共聚物膜可以按商品名从DuPont Inc获得。

每个电极通常含有催化剂层，所述催化剂层包含紧邻固体聚合物电解质的合适催化剂。催化剂通常是贵金属组合物(例如，铂金属黑或其合金)，并且可以设置在合适的载体上(例如，负载在炭黑载体上的细铂颗粒)。催化剂层也可含有离聚物。电极还可包含多孔导电基板，其可用于机械支撑、导电和/或反应物分布的目的，因此用作流体扩散层。MEA可以通过例如在施加热和压力下将阳极流体扩散电极、离子交换膜和阴极流体扩散电极粘合在一起来制造。另一种方法包括将催化剂层直接涂覆在离子交换膜上以形成催化剂涂覆的膜，然后在其上粘合流体扩散层。

在MEA的每一侧上设置用于引导反应物穿过每个电极或电极基板的一个表面的流场。在操作中，负载下的单个燃料电池的输出电压通常低于一伏特。因此，为了提供较大的输出电压，通常将许多电池堆叠在一起并且串联连接以产生较高电压的燃料电池堆。

在PEM燃料电池的正常操作期间，燃料在阳极催化剂处被电化学氧化，通常导致质子、电子和可能的其它物质的产生，这取决于所用的燃料。质子从产生它们的反应位点传导，穿过离子交换膜与阴极排气处的氧化剂发生电化学反应。电子穿过提供可用功率的外部电路，然后与阴极催化剂处的质子和氧化剂反应以产生水反应产物。

宽范围的反应物可用于PEM燃料电池中，并且可以以气态或液态形式供应。例如，氧化剂流可以是基本上纯的氧气或稀的氧气流，例如空气。燃料可以是例如基本上纯的氢气、含气态氢的重整流，或在直接甲醇燃料电池中的含水液体甲醇混合物。

对于将在静态或运输应用中商业使用的PEM燃料电池，需要足够的寿命。例如，可能经常需要5,000小时或更长时间的操作。

如第6,057,054号美国专利中公开的，用于密封MEA的密封剂材料可以是可流动加工的弹性体，例如，热固性液体可注射成型化合物(例如，硅酮、含氟弹性体、氟硅酮、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)和天然橡胶)。