CN102272991B - 用于燃料电池的耐逆向性膜电极组件 - Google Patents

用于燃料电池的耐逆向性膜电极组件 Download PDF

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Abstract

根据预定的图形将钌或钌化合物施加到阳极结构，仅仅阳极活性区域的一部分包含Ru。预期MEA的不包含Ru的部分不遭受由Ru渡越导致的劣化，从而电池的总体劣化将减小。具有较少的贵金属还将导致较低的成本。

Description

用于燃料电池的耐逆向性膜电极组件
技术领域
本发明涉及用于燃料电池(fuel cell)的呈现增强的耐逆向性(reversaltolerant)膜电极组件(MEA)。特别地，本发明提供这样的MEA配置，其中钌层或钌化合物层被设置在阳极上以在燃料电池的逆向期间电解可得的(available)水并使大多数的电流通过，由此防止对MEA的损伤。
背景技术
由于可归因于差的流分享(flow sharing)或低的燃料流的“燃料不足”，可在正常燃料电池操作期间发生燃料电池的“逆向”(其中，电池以再生方式操作，消耗电力并例如电解水而产生氢和氧)。燃料不足还可发生在当用空气净化阳极(以使叠层(stack)处于安全状态或用于冻结启动的准备)并抽取负载以附加地泄放电池电压时的停机(shutdown)事件期间。在起动和停机之间(如果H2没有被从阳极清除)，空气将渗入到阳极中，并由于自阴极的小泄漏和/或渡越(cross-over)而导致消耗H2。一旦导致起动，阳极上的空气与H2的交换和随后的负载将导致电池出口处的燃料不足。
在利用例如基于铂的阳极催化剂而没有任何耐逆向性配备的常规燃料电池中，电池逆向因碳氧化而会造成阳极的损伤。因此，公知要包括附加的措施，该措施为MEA提供某种程度的“耐逆向性”，由此避免对MEA的损伤。
一种用于实现耐逆向性的已知技术例如是在阳极机构的整个表面上提供Pt/Ru合金或混合物(admix)。然而，虽然该MEA配置易于制造，但却具有多个使其欠理想的缺点。这些缺点中的第一个为，在燃料电池的操作期间，施加到阳极的钌会从阳极逐渐迁移到阴极，这随时间的流逝会显著促进燃料电池输出电压的劣化，如在图1中可以看出的。此外，该技术还需要过量的昂贵的贵金属。
发明内容
因此，本发明的一个目的为提供一种MEA结构，其可以实现令人满意的耐逆向性，同时避免了上述缺点。
本发明的另一个目的为提供一种MEA结构，其在实现最优结构的同时可以减小由钌从阳极到阴极的渡越而导致的长期劣化。
本发明的又一目的为提供这样的MEA结构，其减小了实现令人满意的耐逆向性所需要的Ru的量，由此使成本最小化。
通过根据本发明的方法和装置实现了这些和其他目的和优点，在所述方法和装置中，根据预定的图形将钌或钌化合物施加到阳极结构，其中仅仅阳极活性区域的一部分包含Ru。预期MEA的不包含Ru的部分不遭受由Ru渡越导致的劣化，从而电池的总体劣化减小。具有较少的贵金属也将导致较低的成本(给定适宜的制造工艺)。
在逆向期间，Pt/Ru区域电解可得的水并使大部分的电流通过，由此保护仅有Pt的区域免受碳氧化/防止仅有Pt的区域碳氧化。这些部位不需要具有相同的尺寸，或者这些部位可以在电池的其中发生局部燃料不足事件的可能性较大的区域(即，出口区域)中具有较大的尺寸。涂覆有钌的部位应该能够承载在逆向期间通过的电流以防止形成热斑，并且应该间隔不太远以诱导大的面内电流。建议的条带(strip)宽度为2cm，其中间隔5cm(即，Pt条带宽度＝5cm)。
附图说明
图1图示了与钌渡越有关的性能损失；
图2图示了作为在阳极处的钌载荷(loading)的函数的与所要求的耐逆向性的折衷；
图3示出了本发明的斑点设计(spotted design)实施例；
图4示出了涉及钌化合物的条带的本发明的另一设计实施例；
图5为包含涂覆在其最靠近出口的75％的面积上的钌化合物的阳极的示意图；
图6为包含涂覆在其最靠近出口的50％的面积上的钌化合物的阳极的示意图；
图7为包含涂覆在其最靠近出口的25％的面积上的钌化合物的阳极的示意图；
图8为具有钌化合物片(patch)的阳极模式的图；
图9为具有RuIrOx条带及其间的Pt区域的CMM的图；以及
图10为具有棋盘图形的RuIrOx片的阳极的图。
具体实施方式
燃料电池包括膜电极组件，即，阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的电解质膜。为了克服逆向时固有问题(例如，由碳氧化导致的对阳极的损伤)并在减小由钌从阳极到阴极的渡越导致的长期劣化的同时实现耐逆向性，本发明提供了具有氧析出(evolution)反应催化剂的阳极。该催化剂可以为任何合适的金属化合物，但通常为钌化合物。在钌化合物中，优选RuIrOx，其中x可依赖于Ru和Ir的各自的化合价而变化。预期MEA的不包含催化剂的部分不遭受钌渡越的劣化，从而电池的总体劣化将减小。
在逆向期间，Pt/Ru区域电解可得的水并使大部分的电流通过，由此保护仅有Pt的区域免受碳氧化/防止仅有Pt的区域碳氧化，并限制对阳极的总体损伤。包含钌化合物的部位不需要具有相同的尺寸。一些部位可以大于其他部位。在电池的其中发生局部燃料不足事件的可能性较大的区域(例如，阳极的出口区域)中的那些部位优选较大。这些部位还可以处于各种图形，例如，棋盘或条带。涂覆有钌或钌化合物的部位应该能够承载在逆向期间通过的电流以防止形成热斑，并且应该间隔不太远以诱导较大的面内电流。例如，当使用条带时，建议的条带宽度为约2cm，具有最高5cm的间隔，即，Pt条带宽度为约5cm。
可以以两个步骤将图形施加到阳极，通常施加到阳极的气体扩散层。首先，以希望的图形将钌化合物施加到GDL，然后施加Pt催化剂以填充到钌化合物部位之间，或反之亦然。备选地，可以用Pt催化剂涂覆气体扩散层，然后在Pt催化剂层之上以一图形施加钌化合物。
通过采用本发明的耐逆向性阳极，可以限制在逆向期间对阳极的损伤。所使用的有限量的钌化合物还提供了其中由钌渡越导致的对电池的劣化减轻的燃料电池。使用较少的贵金属还导致降低的成本。
现在回到附图，图1示出了常规MEA叠层中与钌从阳极到阴极的渡越相关的性能损失。其对劣化的贡献通过比较使用Pt阳极结构的劣化速率而得到了证明。
图2示出了所要求的耐逆向性的折衷随着在阳极处的Ru载荷的变化。如图所示，为了限制在电池逆向期间由碳氧化导致的损伤，在阳极处的部分钌是必要的。由燃料不足导致的逆向的起因可出现在以差的流分享或低的燃料流进行操作期间。燃料不足还可出现在当用空气净化阳极(以使叠层处于安全状态或用于冻结启动的准备)并抽取负载以附加地泄放电池电压时的停机事件期间。在起动和停机之间(如果H2没有被从阳极清除)，空气将渗入到阳极中，并由于自阴极的小泄漏和/或渡越而导致消耗H2。一旦导致起动，阳极上的空气与H2交换和随后的负载将导致电池出口处的燃料不足。下面的图描述并示出了在使整体Ru最小化以防止阴极处的过度劣化的同时平衡了对耐逆向性的要求的各种阳极概念和原型。
图3示出了斑点设计概念，在其中发生燃料不足的可能性较大的出口区域(右侧)处以较大的面积使各片(patch)适当地间隔。通过假设，与每个片相对地发生Ru向阴极的渡越。如果Ru在面内散布，那么每个阳极片的间隔应大于Ru扩散距离但小于电流在面内分布的距离。
图4示出了其中以条带来设置RuIrOx片的另一概念。
在图5-7中，RuIrOx被局限在易于发生燃料不足的特定部位处。分别以靠近出口的75％、50％和25％的面积涂覆RuIrOx。
图8为用Ru片制成的原型的图。随后的贴花(decal)步骤将在未涂覆的区域填充Pt催化剂，如图6所示。
图9示出了具有RuIrOx条带及其间的Pt区域的催化的CMM的图，图10示出了具有棋盘设计的片中的RuIrOx。
用于制造这些结构的适宜的方法包括：
涂覆转移膜(例如，由PTFE或Kyanr制成)并使用第二或多个贴花转移步骤仔细对准地覆盖整个区域以在将填充铂的区域中进行填充。(参见关于图8的讨论。)根据该方法，通过第一贴花步骤施加Ru化合物片，然后通过第二贴花步骤在剩余的未覆盖的区域中施加Pt催化剂。进一步的贴花步骤是可能的。
使用由不同的储墨器供给的两个头以湿叠盖(wet overlap)涂覆气体扩散层(GDL)的卷或盘卷(roll or coil)。在该情况下，卷宽度要足够宽以容纳整个电池长度以允许左/右涂覆区域中的变动。由此，在该方法中，以经卷起或卷绕的条带的形式提供GDL。优选地，MEA部件(以及由此的例如GDL)为这样的卷或盘卷的形式，以便以连续的处理来层叠和涂覆它们，这用于降低成本。根据该方法，从这样的卷或盘卷展开GDL，然后在连续的处理中使用两个或更多的印刷头在GDL上印刷催化剂区域。
在第一步骤中用Pt催化剂涂覆GDL，随后通过以希望的图形的交织并暴露的窗口(也就是，掩模)将Ru化合物片施加到第一Pt催化剂涂层上。
使用凹版式涂覆头(和抹刀/刮刀)可形成斑点或适宜的方形，该凹版式涂覆头在涂覆头的表面上具有平滑和凹痕的区域。备选地，卷涂覆头可具有以希望的图形适宜地间隔的***的衬垫以产生经涂覆的表面区域。
XY喷墨技术以限定的/希望的图形(方形、条带或斑点)rastor跨过膜或贴片转移。
结合了上述诸如喷涂、气相沉积、电喷、丝网印刷、刀片涂布、迈耶条(meyer bar)等等的其他传统网涂覆技术。
可通过上述所有方法将图形涂覆到GDL和膜，然后通过对准装配/接合到一起。例如，在GDL上的一个图形和在膜上的另一负图形。
虽然参考其示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不受上述实施例或构造的限制。相反，本发明旨在涵盖各种修改和等价设置。采用本发明的概念和教导的不同的实施例将对于本领域的普通技术人员显而易见，并且同样地这些实施例旨在在权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的耐逆向性阳极，其包括设置在所述阳极的选定区域中的氧析出反应催化剂，其中仅仅所述阳极结构的一部分包含所述氧析出反应催化剂，其中与其他部位相比，所述选定区域在所述阳极的出口部位附近具有较大的尺寸，
其中所述氧析出反应催化剂由钌化合物构成。
2.根据权利要求1的阳极，其中所述钌化合物为RuIrOx，其中x依赖于Ru和Ir的各自的化合价而变化。
3.一种包括权利要求1的阳极、阴极以及设置在所述阳极与所述阴极之间的电解质膜的膜电极组件。
4.根据权利要求3的膜电极组件，其中所述钌化合物为RuIrOx，其中x依赖于Ru和Ir的各自的化合价而变化。
5.一种用于制备耐逆向性阳极的方法，包括：
将Ru化合物片施加到所述阳极的选定区域中，以及然后
通过在所述阳极的剩余的未覆盖的部位中进行填充而施加Pt催化剂，使得：与其他部位相比，所述选定区域在所述阳极的出口部位附近具有较大的尺寸。
6.一种用于制备耐逆向性阳极的方法，包括用Pt催化剂涂覆阳极的气体扩散层，随后将Ru化合物以希望的图形施加到所述阳极的选定区域中的所述Pt催化剂涂层上，使得：与其他部位相比，所述选定区域在所述阳极的出口部位附近具有较大的尺寸。
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