專利名稱：含有催化層的mea密封結(jié)構(gòu)的制作方法
含有催化層的MEA密封結(jié)構(gòu)
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體的，涉及PEM燃料電池以及減少其薄膜的 退化。
在PEM燃料電池中，少量的氧穿過薄膜從陰極擴(kuò)散到陽極并能在陽極催 化劑表面和低電勢(shì)下通過與氫反應(yīng)形成過氧化物。這種過氧化物可以分離成高
反應(yīng)性自由基。這些自由基可以使薄膜miim化。
雖然許多氧、氫和/或過氧化物的來源會(huì)導(dǎo)致這個(gè)問題，從陰極穿越的氧 和在陰極產(chǎn)生的過氧化S^是本發(fā)明考慮的重點(diǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)首要目標(biāo)^可能的降低由這些自由基的源產(chǎn)生的退化。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一個(gè)具有更長壽命的薄膜電極組件，該壽命的 延長是由于減少了氧穿越以及由此導(dǎo)致的退化。
本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)將在下文呈現(xiàn)。 發(fā)明概要
^M本發(fā)明，前述的目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)可以容易的實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種薄膜電極組件，其包括陽極、陰極、布置在陽極和 陰極之間的薄膜、在陰極和薄膜間和/或陽極和薄膜間的催化層、和沿著薄膜電 極組件邊緣設(shè)置的邊緣封裝，其中薄膜和催化層都延伸Aii^^寸裝。
電極 的也至少部分的延伸>0^封裝。


本發(fā)明4繼的實(shí)驗(yàn)式的具體說明參照附圖給出，其中-
圖1示例的示出了根據(jù)發(fā)明包^ 封裝和MEA組件的UEA的，部
分；
圖2示出了只有催化層延伸入ii^^寸裝的一可選的實(shí)施方式；及 圖3示出了電極部分的延伸Aii^封裝的另一實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及燃料電池，尤微及PEM燃料電池，更具體的涉及Mil設(shè)置
延伸或催化層來減少反應(yīng)物的穿越，該延伸催化層消耗了剩余的反應(yīng)物并由此 避免產(chǎn)生過氧化氫。
本發(fā)明還具#^及薄膜電極組件的封裝部分中薄膜的保護(hù)，否則在薄膜電
極組件中會(huì)發(fā)生過氧化物導(dǎo)致的，軍(peroxide-mediated decomposition)。
圖1示出了一個(gè)包含薄膜電極組件(MEA) 50的單位電極組件10 (UEA)， 薄膜電極組辨50)具有薄膜52,位于薄膜52—側(cè)的陽極54，在薄膜52另一邊 的陰極56，以及分別位于薄膜52和陽極54之間和薄膜52與陰極56之間的催 化層58、 60。正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的那樣，氣體擴(kuò)鶴62、 64位于 電極54、 56的外部，并且用于引入氫和氧，如圖所示。
同樣，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的那樣，設(shè)置封裝66于薄膜封裝組 件50的邊緣68以使密封的UEA10與反應(yīng)物隔離。
依照本發(fā)明，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，如果不針對(duì)含有過氧化物導(dǎo)致的薄膜侵WS行保 護(hù)，封裝或非活性區(qū)中的薄膜52將會(huì)發(fā)生快速分解。
依照本發(fā)明，通過將催化層58、 60沿薄膜52 —起延伸Aii緣封裝66可 以防止這種過氧化物侵蝕。以此方式，擴(kuò)tt^,封裝區(qū)域內(nèi)的氧和/或氫以及 任何得至啲過氧化物被層58、 60所消耗從而阻止了薄膜52的，。
依照?qǐng)Dl顯示的實(shí)船式，電極54、 56也延伸Aii^^寸裝66。這從制造 觀點(diǎn)來說是有利的。
圖2顯示了本發(fā)明的一個(gè)備選的實(shí)施方式，其中類似的數(shù)字{ 類似的部 分。然而，在此實(shí)M"式中，電極54、 56并不延伸Aii^^"裝66的區(qū)域內(nèi)。 這樣，邊緣封裝66直接頂著催化層58、 60密封。在除ifet外的所有其他方面， 本實(shí)施方式的功能相同，催化層58、 60用于有利的消耗氫、氧和/或懶早過氧 化氫，正如上面戶斥i井的那樣。
現(xiàn)在參考圖3，示出了本發(fā)明另一可選的實(shí)驗(yàn)式。在這個(gè)實(shí)臟式中， 正如圖2所示的實(shí)施方幼,，相同的數(shù)割t表類似的部分。本實(shí)敲式中， 電極54、 56延伸入邊緣封裝66，但與催化層58、 60延伸的程度不同。這樣， 本實(shí)施方式中，催化層延伸到薄膜52的纖，而陽極54和陰極56延伸Aii 緣封裝66但在到達(dá)薄膜52和催化層58、 60的邊緣之前就停止了。在本實(shí)施 方式中，使用比圖l的實(shí)施方式中更小的電極，因而需要材料更少。
根據(jù)本發(fā)明，通過催化層有利的消耗掉和/或良性的分解掉了擴(kuò)散入封裝
區(qū)域的任何氫、氧和過氧化物，這種，軍由催化層與相應(yīng)電極的電連接促進(jìn)。
圖l一3示出了薄膜的活性和非活性區(qū)域。這些區(qū)域之間的過渡是"入口 干區(qū)域"，這些區(qū)域?qū)Υ呋瘜拥某霈F(xiàn)也是相當(dāng)重要的。同樣，這個(gè)區(qū)域通常也
會(huì)被過氧化物分解所侵蝕，但依據(jù)本發(fā)明可以被催化層58、 60有利的保護(hù)。
應(yīng)當(dāng)注意，在圖l一3顯示的實(shí)施方式中，薄膜52,催化層58、 60，以及 延伸Aii^^寸裝66的電極54、 56的任何部分在皿封裝中被有利地閉封包封。 有禾啲提供了結(jié)構(gòu)的密封部分的穩(wěn)固構(gòu)造，并且，正如上面陳述的，有利的阻 止氧穿越以確保不會(huì)產(chǎn)生過氧化物。
依據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施方式可以以不同的形態(tài)提供催化層58、 60。依照 本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，層58、 60包含一部分催化劑，例如在載體碳 上的鉑顆粒，它的氣孔充滿了聚合物電解質(zhì)。其他的適合的催化劑包括碳自身， 鈾合金，4腿鈾鈷、鉑鎳、鉑銥、鉑銥鈷、鉑鉻鈷及其組合，這些合金可以是 顆粒形態(tài)和域負(fù)載于碳上。
在催化層58、 60中提供的較高電勢(shì)下，主要完成了氧的四個(gè)電子還原以 產(chǎn)生水而不是過氧化物。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的主題可以有利的與多種薄膜結(jié)合，包括但不局限于增 強(qiáng)型薄膜。增強(qiáng)型薄膜可以是具有機(jī)械加固物的薄膜，其例子見于但不局限于 美國專利號(hào)5795668、 6485856和6613203。
催化層58、 60可以有利的提供為多孔的，電連接的(即，與相應(yīng)的電極 電3iM^接觸)和離子導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)，具有在約0%和約30%之間的孔隙率。催 化劑的量為層體積的約5%和約50%之間，離子交聯(lián)聚合物的量也在層體積的 約5%和約50%之間。
在上述的每個(gè)實(shí)施方式中，層鵬層(underlayer) 58、 60位于薄膜和一 個(gè)或兩個(gè)電極之間。這些底層也被稱作延伸的催化層。該層與通常鄰接的電極 和薄膜在幾個(gè)方面有區(qū)別。
一個(gè)重要的區(qū)別就是 L隙率。電極催化劑層典型的具有至少約30%的孔 隙率，通常大于約35%并且典型的大于60%。相反的，層或底層(圖l中的58， 60) im具有小于電極催化層的孔隙率， 小于約20%，更雌的，層鵬 層基本上無 L (孔隙率<5%)。
電極催化劑層還在體積上和在重量上具有比底層少的離子交聯(lián)聚合物含
催化劑顆粒之間的電連接性是另一個(gè)方面，與底層相比電極催化劑層具有 更大的值。
就薄膜電解質(zhì)與催化劑顆粒的的離子接觸而言，電極催化劑層通常比底層 具有更低的值。
最后，電極催化劑層im是參K的同時(shí)，底層^^可能的親水以保持水 彩K化離子交聯(lián)聚合物和抑制氣體擴(kuò)散。
應(yīng)當(dāng)注意，^m本發(fā)明提供了根據(jù)需要設(shè)置的延伸入ii^^裝的催化層形 式來解決在單位電極組件的邊緣封裝中反應(yīng)物穿越問題的技術(shù)方案。它因穿越 的反應(yīng)物被消耗和除去同時(shí)沒有形成導(dǎo)致薄膜退化的過氧化物而格外有利。
顯然，依照本發(fā)明提供了一種在其中的反應(yīng)物穿越被最小化的薄膜電極組 件。這完全滿足了先前提出的目標(biāo)，手段和優(yōu)點(diǎn)。雖然在具體實(shí)施例的內(nèi)容中 描述了本發(fā)明，其他的替換，修改和變換對(duì)那些己閱讀了前面介紹的本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說也是很顯然的。因此，本發(fā)明意在包括落在附帶的權(quán)利要求書種寬 泛范圍內(nèi)的那些替換，修正和變換。
權(quán)利要求
1、一種薄膜電極組件，包括陽極；陰極；位于陽極和陰極之間的薄膜；在選自陰極與薄膜之間和陽極與薄膜之間至少一個(gè)位置上的催化層；沿薄膜電極組件的邊緣設(shè)置的邊緣封裝，其中薄膜和催化層延伸入邊緣封裝。
2、 如權(quán)利要求1所述的組件，其中陽極禾卩陰極的至少一個(gè)延伸Aii緣封裝。
3、 如禾又利要求1所述的組件，其中陽極禾卩陰極延伸Aii^it裝。
4、 如權(quán)利要求1所述的組件，其中催化層延伸到薄膜的職。
5、 如權(quán)利要求4所述的組件，其中陽極禾順極延伸Aii^^裝并在薄膜 的邊緣前終止。
6、 如權(quán)利要求4所述的組件，其中陽極和陰極延伸Aii緣封裝并延伸到 薄膜的邊緣。
7、 如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述邊緣封裝密封地包封所述薄膜的 鵬。
8、 如豐又利要求1所述的組件，其中催化層包括選自由碳顆粒、鉑顆粒、 鉑合，粒及其組合組成的組的顆粒。
9、 如權(quán)利要求8所述的組件，其中顆粒負(fù)載于碳上。
10、 如權(quán)利要求8所述的組件，其中顆粒魏自由鉑鈷、鉑鎳、鉑銥、鉑 銥鈷、鉑鉻鈷及其組合組成的組的鉑合金。
11、 如權(quán)利要求l所述的組件，其中催化層與相應(yīng)的電極電M。
12、 如權(quán)利要求11所述的組件，其中催化層與相應(yīng)的電極i!31載體材料 進(jìn)行電魏。
13、 如權(quán)利要求12所述的組件，其中載##料是碳。
14、 如權(quán)利要求l所述的組件，其中催化層有小于約20%的孔隙率。
15、 如權(quán)禾腰求14所述的組件，其中催化層基本上無孔。
16、 如權(quán)禾腰求1所述的組件，其中在薄膜禾,&t間的催化層的氧還原 率基本上等于或大于陰極的氧還原率。
17、 如權(quán)禾腰求1所述的組件，其中催化層是具有在約0%和約20%之間 的孔隙率的電連接和離子導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)，其中催化劑的量在層^f只的約5%和50 %之間，離子交麟合物的量在層體積的約30%和約95%之間。
18、 如權(quán)禾腰求1所述的組件，其中薄膜是增強(qiáng)的薄膜。
全文摘要
一種薄膜電極組件包括陽極，陰極，位于陽極和陰極之間的薄膜，在包括陰極與薄膜之間和陽極與薄膜之間的組中選擇的至少一個(gè)位置上的催化層，沿薄膜電極組件的一個(gè)邊緣設(shè)置的邊緣封裝，其中薄膜和催化層延伸入邊緣封裝。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101189750SQ200480044751
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者D·A·康迪, N·E·奇波利尼, S·F·伯拉特斯基, T·H·馬登, W·R·施密德特 申請(qǐng)人:Utc燃料電池有限責(zé)任公司