[发明专利]用于PEM燃料电池的阳极材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于减弱在使用质子交换膜(PEM)的耗氢燃料电池中氢不足的影响的阳极材料的选择。更特别地，本发明涉及混合有阳极催化剂材料的含有钨化合物的氢溢出材料(hydrogen spillovermaterial)用于延缓在临时氢不足过程中阴极性能降低开始的用途。

发明背景

质子交换膜(PEM)燃料电池在很大程度上被认为尤其是便携式和汽车运输应用的主要燃料电池技术候选。典型的PEM燃料电池总的来讲包括膜电极组件(MEA)、与MEA各侧面相邻设置的一对气体扩散背衬层、和与各背衬层相邻设置的一对电流收集流板。进一步由在其一面上具有阳极且在另一面上具有阴极的固体聚合物电解质膜构成的MEA是PEM燃料电池中电化学活性的主要来源，在此处产生从阳极流动到阴极的可用电流，并将间歇用于驱动外部装置。这种电化学活性是在将燃料供给到MEA的阳极侧并将氧化剂供给到阴极侧时发生的催化剂驱动氧化和还原反应的结果。在很多情况下，可以将大量PEM燃料电池串联组装以形成所谓的燃料电池堆以产生更大的电流输出。例如，PEM燃料电池的堆设置能够产生累积的电流输出，其能够驱动汽车装置，例如电动机和某些辅助燃料电池堆设备。颁发给General MotorsCorporation的美国专利号5,763,113中描述了多个电池在电池堆中的典型排列。

MEA的固体聚合物电解质膜可以由质子传导且电绝缘的聚合物材料制成。因此该膜能够在阳极和阴极之间提供离子传递的传导通道，能够将电流引导通过外部装置以使该电流从阳极传送到阴极并由此完成该电化学电池，并将供给到阳极和阴极的反应物气体分离。用于制备PEM燃料电池的固体聚合物电解质膜的常见聚合物材料是全氟磺酸离聚物，例如由DuPont制备并以市售名销售的那些。MEA的其余两种主要部件(即阳极和阴极)各自典型地是由混合有通常负载在较大碳颗粒上的细碎的催化剂颗粒的具有离子传导性和电传导性的粘结剂材料制成的。这些催化剂颗粒通常是贵金属颗粒，例如铂和钌的那些，催化分别在阳极和阴极处发生的氧化半反应和还原半反应。

很多种PEM燃料电池的操作包括将氢气供给燃料电池阳极和将以空气或纯氧气形式的氧气供给燃料电池阴极。阳极用于将进入的氢气分子离解为质子和电子。对这些新生成的各种带电粒子，在MEA内电化学梯度的存在使其朝向阴极移动，虽然通过不同的路径。质子如前提到的那样，从阳极移动通过该固体聚合物电解质膜到达阴极。然而，该膜的电绝缘性质并不一定能传送电子并因此驱动电子流动通过外部电路以到达阴极。阴极的目的是然后便于到达的质子和电子与供给的氧气反应生成水。但保持MEA在延长的时间周期内以这种方式高效操作有些依赖于在该膜中保持一定水合程度(所述水合程度用于获得优化的质子传导性而同时不使阳极和阴极淹没)。事实上，很多PEM燃料电池水管理控制试图通过平衡阴极处生成水、从阳极和阴极去除水和供给的反应物气流的相对湿度而达到MEA的最佳水合。

一种能够影响MEA性能的特别水管理问题是氢不足(hydrogen starvation)。氢不足通常发生在通向阳极的氢气流被阳极处或阳极侧流板处的水累积堵塞时。这种过量水的累积能够通过氢反应物流的外部加湿和/或通过水从阴极到阳极的反扩散而造成。氢不足的发生是存在问题的，因为其能够引发在阳极附近处局部阴极电池的形成。在不存在氢气的情况下，作为氧从阳极横越到阴极以及由于固体聚合物电解质膜的各向异性电性质而缺乏横向质子传送的结果，形成了这些局部电池。现在这些富氧局部阴极电池最可能获得的质子源碰巧是通过阴极中碳材料的氧化和/或催化剂上水的氧化(氧释放反应)。因此，氢不足的现象促进了由于碳腐蚀而造成的阴极性能降低。

缓解氢不足问题的可能方案包括(i)阳极室的频繁冲洗以除去任何累积的氮气和/或水，(ii)使用降低用于阴极中碳氧化的部分电流的氧释放催化剂，和(iii)在阴极中使用非碳催化剂载体。但不幸的是，所有这些选择方式都具有显著的操作或实践缺点。因此合意地是设计用于解决该氢不足问题的可替代机制。

发明内容

PEM燃料电池的各膜电极组件可以包括质子交换膜，阳极和阴极与该膜的相反两侧紧密接触。如前所述，该阳极可以包括负载用于有助于氢气离解的非常小的催化剂颗粒(例如铂、钯、钌及其合金)的碳载体颗粒。该阳极也可以包括含钨的氢溢出材料，以通过帮助在燃料电池阳极附近形成氢储存器而帮助减弱氢不足的影响。这种氢储存器在氢不足的临时时期过程中能够补偿任意局部质子缺乏，并因此延缓在阳极附近氧驱动阴极电池的开始。