[发明专利]具有改进的电极的膜电极组件

说明书

膜电极组件包括插置在阳极电极与阴极电极之间的聚合物电解质，阳极电极包括与聚合物电解质的第一主表面的至少一部分相邻的阳极催化剂层，阴极电极包括与聚合物电解质的第二主表面的至少一部分相邻的阴极催化剂层，阳极催化剂层和阴极催化剂层中的至少一个包括：包含贵金属的第一催化剂成分和包含金属氧化物的第二成分，其中，第二成分已经通过氟代膦酸化合物进行处理。

技术领域

本发明涉及在PEM燃料电池中使用的具有改进电极的膜电极组件，并且涉及催化剂涂覆膜和包含改进电极的燃料电池。

背景技术

目前正在开发燃料电池系统以用作许多应用(例如汽车和固定动力设备)中的电源。这类系统使得低成本且环境友好地提供电力成为可能，且还具有其他益处。然而，为了在商业上具有可行性，燃料电池系统应该在操作中表现出足够的可靠性，即使当燃料电池经受超出其优选工作范围的条件时也能表现出足够的可靠性。

燃料电池转变反应物(即燃料和氧化剂)以产生电能和反应产物。聚合物电解质膜燃料电池(“PEM燃料电池”)采用膜电极组件(“MEA”)，膜电极组件包括设置在两个电极(即，阴极和阳极)之间的聚合物电解质或离子交换膜。催化剂通常在电极处诱导所期望的电化学反应。用于引导反应物穿过每个电极衬底的一个表面的隔板或流场板设置在MEA的每侧上。

在工作时，在负载下的单个燃料电池的输出电压通常低于一伏。因此，为了提供更大的输出电压，通常将多个电池堆叠在一起并串联连接以形成更高电压的燃料电池堆。(端板组件放置在堆的每个端处以将堆保持在一起并将堆叠部件压缩在一起。压缩力提供各个堆叠部件之间的密封和足够的电接触。)然后，燃料电池堆还可以串联连接和/或并联组合以形成更大的阵列以提供更高的电压和/或电流。

在实践中，燃料电池需要对变化的工作条件具有鲁棒性，尤其是在具有大量开关循环和/或需要动态的负载跟随功率输出的应用中，例如，在汽车应用中。例如，燃料电池阳极催化剂还优选地耐受电池电压逆转和一氧化碳中毒，碳载催化剂还优选地在启动和关闭过程期间耐腐蚀。

PEM燃料电池通常使用贵金属催化剂，众所周知，这种催化剂(具体地，铂)对一氧化碳中毒非常敏感。对于在重整油上工作的燃料电池的阳极催化剂而言这是一个特别关注的问题，但是对于在氢上工作的燃料电池也是一个问题，因为在氢供应中有时存在作为燃料污染物的一氧化碳(CO)。如由Niedrach等人在电化学技术，卷5，1967，第318页(Electrochemical Technology,Vol.5,1967,p.318)中所描述的，使用包含铂/钌而非单金属铂的双金属阳极催化剂在典型的PEM燃料电池工作温度下表现出降低的CO中毒影响。因此，Pt-Ru催化剂通常用作PEM燃料电池阳极催化剂。

钌基燃料电池催化剂对于减轻电压逆转也是有用的。当串联堆叠的燃料电池不能产生足够的电流以跟上串联堆叠中的其余电池时，发生电压逆转。若干条件可以导致PEM燃料电池中的电压逆转，例如包括氧化剂不足、燃料不足以及电池部件或构造的某些问题。当一个或多个电池与堆叠中的其他电池相比经历这些条件中的一个的更极端水平时，通常发生逆转。虽然这些条件中的每个都可以导致负燃料电池电压，但是这种逆转的机制和后果可根据导致逆转的条件而不同。堆叠内的电池组也可以经历电压逆转，并且甚至整个堆叠可以由阵列中的其他堆叠驱动至电压反转。除了与一个或多个电池进入电压逆转相关的功率损失之外，这种情况造成了可靠性问题。可能发生不期望的电化学反应，这可能对燃料电池部件造成不利影响。部件劣化降低了受影响的燃料电池的可靠性和性能，进而降低了与其相关的堆叠和阵列的可靠性和性能。

如第6,936,370号美国专利中所描述的，还可以通过促进阳极处的阳极成分氧化之上的水电解来使燃料电池更耐受电池逆转。这可以通过在阳极处掺入另外的催化剂成分以促进水电解反应来实现。因此，在电压逆转期间被迫通过燃料电池的更多电流可以在水的电解中被消耗，而不是在阳极成分的氧化中被消耗。在所公开的催化剂成分中有Pt-Ru合金、RuO₂和其他金属氧化物混合物和/或包括Ru的固溶体。