[发明专利]具有氟代烃基化合物添加剂的膜电极组件

说明书

膜电极组件包括：聚合物电解质，其介于阳极电极与阴极电极之间；阳极电极，其包括与所述聚合物电解质的第一主要表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层；阴极电极，其包括与所述聚合物电解质的第二主要表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层；所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层中的至少一个包含：包含贵金属的第一催化剂成分；以及包含金属氧化物的第二成分；其中所述第二成分已经用氟代膦酸化合物进行处理。

背景

技术领域

本公开内容涉及用于PEM燃料电池的具有疏水性添加剂的膜电极组件，并且涉及催化剂涂覆的膜和包含所述疏水性添加剂的燃料电池。

相关技术的描述

目前正在开发燃料电池系统以用作许多应用(例如汽车和固定的发电站)中的电源。此类系统有望经济地递送电力，并且使其具有环保以及其他益处。然而，为了在商业上具有可行性，即使当燃料电池承受其优选的工作范围之外的条件下时，燃料电池系统也应该表现出足够的运行可靠性。

燃料电池转变反应物(即燃料和氧化剂)以产生电能和反应产物。聚合物电解质膜燃料电池(“PEM燃料电池”)采用膜电极组件(“MEA”)，其包括设置在两个电极(即，阴极和阳极)之间的聚合物电解质或离子交换膜。催化剂通常在电极处诱导所期望的电化学反应。用于引导反应物穿过每个电极衬底的一个表面的隔板或流场板设置在MEA的每侧上以形成燃料电池。

在工作中，在负载下的单个燃料电池的输出电压通常低于一伏。因此，为了提供更大的输出电压，通常将多个电池堆叠在一起并且串联连接以产生更高电压的燃料电池堆。(端板组件放置在堆的每个末端处以将堆保持在一起并且将堆部件压缩在一起。压缩力提供各个堆部件之间的密封和足够的电接触。)然后，燃料电池堆还可以串联连接和/或并联组合以形成更大的阵列来递送更高的电压和/或电流。

在实践中，燃料电池需要对于变化的工作条件是耐用的，尤其是在具有大量开关循环和/或需要动态的跟随负载的功率输出的应用中，例如在汽车应用中。例如，燃料电池阳极催化剂还优选地耐受电池电压逆转和一氧化碳中毒；碳载催化剂还优选地在启动和关闭过程期间耐腐蚀。

PEM燃料电池通常采用贵金属催化剂，并且众所周知地，此类催化剂(特别是铂)对一氧化碳中毒非常敏感。对于在重整产品(reformate)上工作的燃料电池的阳极催化剂而言这是一个特别关注的问题，但是对于在氢上工作的燃料电池而言它也是一个关注的问题，因为一氧化碳(CO)有时作为燃料污染物存在于氢供应中。如由例如Niedrach等人在Electrochemical Technology,第5卷，1967，第318页中所描述的，使用包含铂/钌的双金属阳极催化剂而非单金属铂在典型的PEM燃料电池工作温度下显示出降低的CO中毒效应。因此，Pt-Ru催化剂通常用作PEM燃料电池阳极催化剂。

基于钌的燃料电池催化剂对于减轻电压逆转也是有用的。当串联堆的燃料电池不能产生足够的电流以跟上串联堆中的其余电池时，发生电压逆转。若干条件可以导致PEM燃料电池中的电压逆转，例如包括氧化剂不足、燃料不足以及电池部件或构造的某些问题。当一个或多个电池与堆中的其他电池相比经历这些条件中的一个的更极端水平时，通常发生逆转。虽然这些条件中的每个都可能导致负的燃料电池电压，但此类逆转的机制和后果可以根据引起逆转的条件而不同。堆内的电池组也可以经历电压逆转，并且甚至整个堆可以由阵列中的其他堆驱动至电压反转。除了与一个或多个电池进入电压逆转相关的功率损失之外，这种情况造成了可靠性问题。可能发生不期望的电化学反应，这可能对燃料电池部件造成不利影响。部件劣化降低了受影响的燃料电池的可靠性和性能，并且进而降低了与其相关的堆和阵列的可靠性和性能。