[发明专利]具有电极边缘保护的低水平铈迁移

说明书

技术领域

本发明涉及具有改进的化学降解抗性的燃料电池组装件，尤其涉及具有减少的氟损失的燃料电池组装件。

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传输。

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装件(“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，以便能使燃料分散在燃料供应电极的催化剂的表面上。每一电极具有担载于碳颗粒上的细碎的催化剂颗粒(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，其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布到各阳极催化剂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。

离子传导聚合物降解的一种机理是通过在升高的温度在开路电压（OCV）和干操作条件下氟的损失（即氟离子释放）。需要在PFSA膜中添加添加剂以提高燃料电池寿命、提高膜耐久性并降低在这些条件下的氟离子释放。

因此，需要具有减少的氟离子释放的改进的离子传导膜。

发明内容

本发明通过提供具有改进的氟离子保持的燃料电池解决了现有技术的一个或多个问题。该实施方案的燃料电池包括具有第一侧和第二侧的离子传导膜。特征在于，该离子传导膜具有在与除了没有铈离子之外具有相同构造的离子传导膜相比时足以抑制氟离子从该离子传导膜中的损失的量的稳定剂（例如含铈化合物）。该MEA还包括设置在该离子传导层的该第一侧上的第一催化剂层，和设置在该离子传导层的该第二侧上的第二催化剂层。第一垫圈沿该第二侧的周边设置在该第一催化剂层和该离子传导膜的该第一侧之间。类似地，第二垫圈沿该第二侧的周边插入该第二催化剂层和该离子传导膜的该第二侧之间。

在本发明的另一实施方案中，提供了制备上述MEA的方法。

本发明进一步体现在如下方面：

1. 燃料电池，包括：

具有第一侧和第二侧的离子传导膜，该离子传导膜具有有效量的铈离子以抑制氟离子从该离子传导膜中的损失；

设置在该离子传导层的该第一侧上的第一催化剂层；

插在该第一催化剂层和该离子传导膜的该第一侧之间的第一垫圈；

设置在该离子传导膜的该第二侧上的第二催化剂层；和

插在该第二催化剂层和该离子传导膜的该第二侧之间的第二垫圈。

2. 方面1的燃料电池，其中该第一垫圈和第二垫圈各自独立地包括聚合物。

3. 方面1的燃料电池，其中该第一垫圈和第二垫圈各自独立地包括选自由聚酰亚胺、聚酯及其组合构成的组的聚合物。

4. 方面1的燃料电池，其中该第一催化剂层和该第二催化剂层各自独立地粘附到该离子传导膜上。

5. 方面1的燃料电池，进一步包括设置在该第一催化剂层上的第一气体扩散层和设置在该第二催化剂层上的第二气体扩散层。

6. 方面5的燃料电池，其中该第一催化剂层粘附到该第一扩散层上，且该第二催化剂层粘附到该第二气体扩散层上。

7. 方面2的燃料电池，其中在95℃和50%相对湿度在开路条件下的氟离子释放速率小于约1x10^-7 gF/cm²·h。

8. 方面2的燃料电池，其中在95℃和50%相对湿度在开路条件下的氟离子释放速率为约1x10^-6 gF/cm²·h－约1x10^-5 gF/cm²·h。