[发明专利]带有过氧化氢分解催化剂的膜电极装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2002年9月4日提交的未决美国专利申请No.10/235,074的部分继续申请。

发明背景

本发明涉及膜电极装置，更具体地涉及用于燃料电池，特别是质子交换膜(PEM)燃料电池的这种装置。

PEM燃料电池包括膜电极装置(MEA)，该装置在膜的每一侧典型地包括阳极和阴极，其中燃料投料到阳极，氧气投料到阴极，所得反应产生电。

不幸的是，当前的膜技术制备的包含这种膜的电池堆栈(stack)具有和大约1,000小时一样短的使用寿命，这完全达不到最终目标。当膜失效时，故障突然发生，结束了电池的使用寿命，因此迫使即时干涉。可以从堆栈中把电池取出替换，但是需要非常小心，不过将伴随着邻接电池的电位损失。这种类型的替换方法不是可行的现场维修，很可能的是一旦膜失效开始，就需要堆栈替换。

很清楚仍存在对具有更长使用寿命的燃料电池装置等的膜的需求。

因此本发明的首要目的是提供具有增加使用寿命的膜电极装置。

其它目的和益处将在下文中显示。

发明概要

根据本发明，将会容易获得前述的目的和益处。

根据本发明，提供了一种膜电极装置，它包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性。

根据本发明的另一个实施方案，提供了产生电力的燃料电池系统，其包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极、所述膜、所述阴极、所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性，以及其中所述过氧化物分解催化剂选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组。

进一步根据本发明，提供了一种操作燃料电池的方法，该方法包含步骤：提供包括膜电极装置的燃料电池，该装置包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极、所述膜、所述阴极、所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性；以及把含氢燃料投到所述阳极，把氧气源投到所述阴极，这样操作所述燃料电池，在所述过氧化物分解催化剂的存在下产生过氧化氢，由此使所述过氧化氢分解成所述良性产物。

附图的简要说明

参照附图将详细描述本发明的优选实施方案，其中：

图1阐释了根据本发明的膜电极装置的双层阳极构造；

图2阐释了根据本发明的膜电极装置，其中膜也包含催化剂；

图3阐释了本发明的另一个实施方案，其中催化剂也分散于整个阳极和阴极；

图4阐释了本发明的一个实施方案，其中催化剂设置于膜和阳极之间以及膜和阴极之间的层中；

图5阐释了本发明的另一个实施方案，其中催化剂仅仅设置于阴极和膜之间的层中；

图6阐释了本发明的一个实施方案，其中过氧化物分解催化剂设置于膜和阳极之间的分散层中；以及

图7示意性地阐释了根据本发明的包含膜电极装置的燃料电池操作期间发生的不同反应。

详细说明

本发明涉及膜电极装置及操作包含该膜电极装置的PEM燃料电池的方法，其中膜受保护以免遭能分解或侵蚀电池膜并降低电池寿命的过氧化氢分解产物的侵袭。

根据本发明，已经发现质子交换膜(PEM)燃料电池的使用寿命极限经常是膜的使用寿命。对于这种膜的使用寿命，已经发现膜被侵蚀直至它们失效。根据本发明，已经发现这种侵蚀是由于过氧化氢在膜上或膜内的有害分解造成的，这产生了使膜分解的自由基。根据本发明，通过在膜电极装置中结合过氧化物分解催化剂避免了这种过氧化物分解的有害产物，延长了该膜和包含该膜的电池的使用寿命。

全氟化膜可能是中意的，因为它们对氧化侵袭固有地具有优异的化学耐受性。然而，本发明对于保护其它类型的膜也很有用，例如设计用于高温应用的膜和/或烃膜。