[发明专利]具有铈盐添加剂的高耐久性燃料电池元件

说明书

本发明是根据能源部(DOE)授予的合作协议DE-FC36-02AL67621在政府的支持下进行的。政府对本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明涉及证明具有增强的耐久性的燃料电池膜电极组件和燃料电池聚合物电解质膜及其制备方法，所述膜包含结合的阴离子官能团和多价铈阳离子。

背景技术

US 6,335,112(Asukabe)据称公开了一种包括含有分解过氧化物的催化剂的烃基固体聚合物电解质的聚合物电解质膜。该参考文献提出了众多用于催化剂的元件。

US 2003/0008196(Wessel)据称公开了一种包含分解过氧化物的催化剂的燃料电池电极。该参考文献提出了无数用于催化剂的元件。

US 2002/0093008和US 2004/0251450(Kerres)据称公开了一种包括用于质子传导的非常小的粒子的渗透陶瓷纳米粒子网的复合膜。

四氟乙烯(TFE)与根据化学式FSO₂-CF₂-CF₂-O-CF(CF₃)-CF₂-O-CF＝CF₂的共聚单体的共聚物是已知的并且以商品名由DuPont Chemical Company，Wilmington，Delaware以磺酸形式(即其中的FSO₂-端基被水解为HSO₃-)销售。被普遍用于制造可用于燃料电池的聚合物电解质膜。

四氟乙烯(TFE)与根据化学式FSO₂-CF₂-CF₂-O-CF＝CF₂的共聚单体的共聚物是已知的，并且在制造用于燃料电池的聚合物电解质膜时以磺酸形式(即其中的FSO₂-端基被水解为HSO₃-)使用。

其公开内容以引用方式并入本文的提交于2002年12月19日的美国专利申请No.10/325,278公开了一种具有90微米或更小的厚度并且包含一种聚合物的聚合物电解质膜，所述聚合物含有根据如下化学式的高度氟化的主链和重复侧基：

YOSO₂-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-O-[聚合物主链]，

其中Y为H⁺或诸如碱金属阳离子的单价阳离子。通常所述膜为铸膜。通常所述聚合物具有大22,000的水合产物。通常所述聚合物具有800至1200的当量。

发明内容

简而言之，本发明提供了一种包括含有聚合物的聚合物电解质膜的燃料电池膜电极组件，所述聚合物包含结合的阴离子官能团，其中所述聚合物电解质膜另外包含铈阳离子。通常铈阳离子的存在量，基于聚合物电解质中存在的阴离子官能团的摩尔量，介于0.001和0.5，更典型地介于0.005和0.2，更典型地介于0.01和0.1，并且更典型地介于0.02和0.05电荷当量之间。通常，铈阳离子在整个聚合物电解质膜厚度上的分布是均匀的。通常，阳离子为Ce³⁺阳离子或Ge⁴⁺阳离子。所述聚合物可具有1200或更小、更典型地1000或更小、并且在一些实施例中为900或更小或者800或更小的当量。所述聚合物可高度氟化或全氟化，并且可具有根据如下化学式的侧基：-O-CF₂-CF₂-CF₂-CF₂-SO₃H或化学式：-O-CF₂-CF(CF₃)-O-CF₂-CF₂-SO₃H。