[发明专利]用于防止电极降解的四甲氧基苯基卟啉钴(II) (CoTMPP)离聚物稳定化

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池应用的离子传导膜和电极。

背景技术

燃料电池在许多应用中用作电源。尤其，燃料电池被建议用于汽车以替代内燃机。通常使用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)，以提供在阳极和阴极之间的离子输送。

在质子交换膜型燃料电池中，氢作为燃料供应给阳极，而氧作为氧化剂供应给阴极。该氧可以为纯形式(O₂)或空气(O₂和N₂的混合物)。PEM燃料电池典型地具有膜电极组件(“MEA”)，其中固态聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂，并且在相反的面上具有阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层由多孔导电性材料如织造石墨、石墨化的片材、或碳纸形成，以便能使燃料分散膜的在面对燃料供应电极的表面上。每一电极具有担载于碳颗粒上的磨碎的催化剂颗粒(例如铂颗粒)，以促进氢在阳极的氧化和氧在阴极的还原。质子从阳极通过该离子传导聚合物膜流入到阴极，在阴极处，它们与氧结合形成水，该水从电池中排出。典型地，该离子传导聚合物膜包括全氟化磺酸(“PFSA”)离聚物。

该MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，该多孔气体扩散层进而夹在一对无孔的导电性元件或板之间。该板起阳极和阴极的集电器的作用，并且含有在其中形成的适当的通道和开口，用于将燃料电池的气体反应剂分配到各阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地产生电能，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的，化学上稳定的，质子透过的，非导电性和不透气的。在典型的应用中，燃料电池以多个独立的燃料电池堆的阵列提供，以便提供高水平的电功率。

离子传导聚合物膜降解的一种机制是经由在升高的温度下在开路电压（OCV）和干燥操作条件下的氟的损失（即氟化物放出）。需要PFSA膜中的添加剂来改进燃料电池寿命，增加膜耐久性和减少在这些条件下的氟化物放出。

因此，对于具有减少的氟化物放出的改进离子传导膜存在着需求。

发明内容

本发明通过在至少一个实施方案中提供用于燃料电池应用的离子传导膜/电极组合而解决一个或多个现有技术的问题。该离子导电膜/电极组件包括离子传导膜、第一电极和第二电极。第一电极设置在离子传导膜的第一个面上，而第二电极设置在离子导电膜的第二个面上。该离子传导膜包括离子导电聚合物和足以减少膜中的氟化物放出的量的、至少部分地分散在离子导电聚合物中的含卟啉的化合物。类似地，第一电极和第二电极的一个或两者包括离子导电聚合物和足以减少膜中的氟化物放出的量的、至少部分地分散在离子导电聚合物中的含卟啉的化合物。而且，引入含卟啉的化合物有利地提高了膜和电极寿命，同时减低了在95℃和50%相对湿度下在开路条件下运行的燃料电池中的电极电压退化。

本发明进一步体现在如下方面：

1. 一种用于燃料电池应用的膜/电极组件，该膜/电极组件包括：

离子传导膜，其包括离子传导聚合物和含卟啉的化合物；

第一电极，其设置在所述离子传导膜的第一个面上；和

第二电极，其设置在所述离子传导膜的第二个面上，第一电极和第二电极的至少一个包括含卟啉的化合物。

2. 根据方面1所述的膜/电极组件，其中该含卟啉的化合物包括具有式1的部分：

            1

其中：

R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂ 彼此独立地是氢、烷基或芳基。

3. 根据方面2所述的膜/电极组件，其中R₁、R₂、R₃、R₄彼此独立地是取代或未被取代的烷基或苯基。

4. 根据方面2所述的膜/电极组件，其中R₁、R₂、R₃、R₄各自是苯基甲氧基。