專利名稱：具有過氧化氫分解催化劑的膜電極組件的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及膜電極組件，更具體涉及用于燃料電池的這樣的組件，特別是用于質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。
PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，此組件一般在膜的兩側(cè)包括一個(gè)陽極和陰極，其中向陽極送入燃料，向陰極送入氧，而由此所引起的反應(yīng)便產(chǎn)生電。
不幸的是，當(dāng)前的膜技術(shù)制造的包括這樣膜的層疊電池，其使用壽命短至大約1,000小時(shí)，這遠(yuǎn)短于最終的目標(biāo)。當(dāng)膜失效時(shí)，損壞是突然發(fā)生的，致使電池的使用壽命結(jié)束，為此必須立即給予干預(yù)。要從疊層中切割下電池予以更換，但是這要求非常小心，不過仍將伴隨著相鄰電池可能的損失。這種更換的方法不是一種可行的現(xiàn)場服務(wù)，很可能一旦膜開始失效，將須要更換一個(gè)疊層。
很明顯，對(duì)于具有更長使用壽命的燃料電池組等用的膜仍然是有需要的。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供具有更長使用壽命的膜電極組件。
其他目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面顯現(xiàn)。
發(fā)明概要按照本發(fā)明，已經(jīng)使上述目的和優(yōu)點(diǎn)容易達(dá)到。
按照本發(fā)明，提供一種膜電極組件，該組件包括包含氫氧化催化劑的陽極、陰極、配置在所述陽極和所述陰極之間的膜以及置于選自所述陽極、所述陰極、所述陽極和所述膜之間的層和所述陰極和所述膜之間的層中至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)過氧化物分解催化劑暴露于過氧化氫時(shí)，所述過氧化物分解催化劑對(duì)由所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性。
按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，提供一種發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含氫氧化催化劑的陽極、陰極、配置在所述陽極和所述陰極之間的膜以及置于選自所述陽極、所述膜、所述陰極、所述陽極和所述膜之間的層和所述陰極和所述膜之間的層中至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)過氧化物分解催化劑暴露于過氧化氫時(shí)，所述過氧化物分解催化劑對(duì)由所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性，而且其中所述過氧化物分解催化劑選自Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合。
在按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，提供一種用來操作燃料電池的方法，該方法包括構(gòu)成包括膜電極組件燃料電池的步驟，該組件包括包含氫氧化催化劑(hydrogen oxidation catalyst)的陽極、陰極、配置在所述陽極和所述陰極之間的膜以及置于選自所述陽極、所述陰極、所述膜、所述陽極和所述膜之間的層和所述陰極和所述膜之間的層中至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)過氧化物分解催化劑暴露于過氧化氫時(shí)，所述過氧化物分解催化劑對(duì)由所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性；還包括在所述陽極中加入含氫的燃料，在所述陰極中加入氧源，以便開動(dòng)所述燃料電池，并在所述過氧化物分解催化劑存在下產(chǎn)生過氧化氫，借此使所述過氧化氫分解為良性產(chǎn)物。
附圖簡述下面參考附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中

圖1說明按照本發(fā)明的膜電極組件的雙層陽極結(jié)構(gòu)；圖2說明按照本發(fā)明的膜電極組件，其中該膜含有催化劑；圖3說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，其中催化劑分散在整個(gè)陽極和陰極中；圖4說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中在膜和陽極之間以及在膜和陰極之間的層中提供催化劑；圖5說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案，其中只在陰極和膜之間的層中提供催化劑；圖6說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，其中在膜和陽極之間的分散層中提供過氧化物分解催化劑；以及圖7示意性地說明按照本發(fā)明的包括膜電極組件的燃料電池在工作過程中發(fā)生的各種反應(yīng)。
詳細(xì)說明本發(fā)明涉及膜電極組件和包含該膜電極組件的PEM燃料電池的操作方法，其中保護(hù)膜免受會(huì)分解或腐蝕電池膜從而縮短電池壽命的過氧化氫分解產(chǎn)物的腐蝕。
按照本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，對(duì)質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池使用壽命的限制經(jīng)常是膜的使用壽命。發(fā)現(xiàn)在這樣的膜的使用壽命之內(nèi)，膜受到腐蝕直至失效。按照本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，此腐蝕是由于在膜表面或內(nèi)部發(fā)生有害的過氧化氫分解，這產(chǎn)生使膜分解的游離基和其他有害的產(chǎn)物。按照本發(fā)明，通過在膜電極組件中加入過氧化物分解催化劑可以避免這種有害的過氧化物分解產(chǎn)物，使含有此催化劑的膜和電池的使用壽命得以延長。
圖1圖解說明一部分包括按照本發(fā)明的膜電極組件(MEA)10的燃料電池。MEA10包括陽極12、陰極14和位于其間的膜16。在燃料電池的正常運(yùn)作中，將含氫的燃料送至陽極12，將氧源送至陰極14，從而發(fā)生反應(yīng)，如所希望的跨越膜16產(chǎn)生電位。
按照本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在陽極12上經(jīng)常由于氧的部分還原而產(chǎn)生過氧化氫。在陽極電位下，置于陽極內(nèi)的典型氫氧化催化劑的表面使得，與在此位置的催化劑相接觸的氧被還原為過氧化氫的機(jī)會(huì)很大。通過氧氣穿過，或者通過意在減緩CO中毒的空氣吸除，或者通過其他機(jī)理可以使氧與陽極催化劑接觸。
過氧化氫可以分解為良性產(chǎn)物，比如水和氧。然而，在某些條件下，過氧化氫分解為對(duì)膜可能有損的產(chǎn)物。比如，過氧化氫可能與雜質(zhì)離子或高表面積的顆粒反應(yīng)，產(chǎn)生·OH游離基，這可能腐蝕膜的聚合物。按照本發(fā)明相信，當(dāng)過氧化氫觸及膜時(shí)就形成這樣的游離基，而這樣的游離基會(huì)對(duì)膜造成化學(xué)腐蝕，即耗損此膜。
按照本發(fā)明，在膜電極組件10中加入過氧化物分解催化劑，并將其有利地放置，就引起過氧化氫良性分解，優(yōu)選地分解為水和氧。按照本發(fā)明，過氧化物分解催化劑可置于一個(gè)或幾個(gè)位置，包括在陽極當(dāng)中、在陰極當(dāng)中、在膜自身當(dāng)中，作為在陽極和膜之間的一個(gè)層、作為在陰極和膜之間的一個(gè)層，以及這些位置的組合。
按照本發(fā)明的過氧化物分解催化劑最好是選擇對(duì)過氧化氫良性分解具有活性的催化劑。良性分解被認(rèn)為是導(dǎo)致對(duì)膜結(jié)構(gòu)無害產(chǎn)物的分解。因此，良性分解包括使過氧化氫分解為水和氧的分解。不被認(rèn)為是良性的，而且加入本發(fā)明的催化劑要防止的特殊的分解是使過氧化氫形成游離基比如·OH和·OOH的分解。
按照本發(fā)明的過氧化物分解催化劑優(yōu)選地是不允許由過氧化氫逸出或產(chǎn)生游離基的催化劑。
按照本發(fā)明，過氧化物分解催化劑可以包括導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料，它們?cè)谌剂想姵氐沫h(huán)境中最好是電化學(xué)穩(wěn)定的。過氧化物分解催化劑優(yōu)選地是一種選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它們的組合，優(yōu)選地是選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素或含有選自上述的元素的組合物。這樣的催化劑最好進(jìn)一步裝在載體上，此載體可有利地選自Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物以及沸石、碳和它們的混合物。
正如在此所使用的，若將催化劑作為一個(gè)層加入電極或膜，或者是使它通過電極或膜分散，或者是此兩者，則便認(rèn)為催化劑是在電極或膜當(dāng)中。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，過氧化物分解催化劑優(yōu)選地位于靠近膜電極組件的陽極和/或陰極之處，以便保證過氧化氫的良性分解。正如在此所使用的，術(shù)語“靠近”包括與電極物理位置上的靠近，以及電聯(lián)系上的靠近。
在圖1所說明的實(shí)施方案中，以位于陽極12面對(duì)膜一側(cè)，即表面13上的層18提供過氧化物分解催化劑。
還參照?qǐng)D1，在此實(shí)施方案中，陽極12包括一般含有氫氧化催化劑的第一層20和含有按照本發(fā)明的過氧化物分解催化劑的層18。在此實(shí)施方案中，層18靠近陽極12的表面13。
在陽極12的層20中的氫氧化催化劑可以是對(duì)所需反應(yīng)具有適當(dāng)?shù)幕钚曰蜻x擇性的任何催化劑。適當(dāng)?shù)臍溲趸呋瘎┑睦影ㄣK催化劑和鉑-釕催化劑，而且可以優(yōu)選地將此催化劑裝載于適當(dāng)?shù)妮d體比如碳上面。
可以把其他催化劑與過氧化物分解催化劑一起加入層18，只要在層18內(nèi)保持足夠的選擇性，達(dá)到過氧化氫所需程度的良性分解即可。
也可以優(yōu)選的是，提供具有高離子交聯(lián)聚合物含量的層18，其含量最好足夠高，使得此層實(shí)質(zhì)上是非多孔的，其孔隙率小于大約20％。形成的層18進(jìn)一步優(yōu)選地比較薄，具有低的催化劑體積含量，以使得由于加入了此層造成的離子電阻達(dá)到最小。
在一個(gè)實(shí)施方案中，最好以電連續(xù)性的方式提供層18、20，與電絕緣的層相比，這些層之間的這種電連續(xù)性可以極大地使制造簡化。進(jìn)一步優(yōu)選地將層18放置得盡可能靠近陽極12，因?yàn)榇藢娱g的界面是過氧化氫最能夠腐蝕膜的地方。
按照?qǐng)D1的實(shí)施方案，當(dāng)膜電極組件10處于使用中時(shí)，在陽極12中，或者在表面13上，或者在陽極12和層18的界面上產(chǎn)生的任何過氧化氫都處于在層18中存在過氧化物分解催化劑的情況下，并如所希望的在進(jìn)入膜16之前就通過良性途徑被分解掉。這就有利地延長了組件10中膜16的使用壽命，由此就按照本發(fā)明的希望延長了產(chǎn)品的壽命。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，圖解說明按照本發(fā)明的膜電極組件22的另一個(gè)實(shí)施方案。圖2顯示出具有陽極24、陰極26和在其中分散著含有所需過氧化物分解催化劑的催化膜28的膜電極組件22。與圖1的層實(shí)施方案相似，此催化劑有利地如所希望的，在過氧化物進(jìn)入膜28之前，便經(jīng)由良性途徑而將過氧化氫分解。
按照?qǐng)D2的實(shí)施方案應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在此配置的催化劑可以是，也可以不是電絕緣的。絕緣層，即非導(dǎo)電層可能來源于催化劑顆粒和/或載體的特性，否則可以導(dǎo)致比表面電阻為大約200～約2,000Ω/cm2的導(dǎo)電層。此范圍的寄生電流是微不足道的，大約為0.5～5mA/cm2。這種催化劑的結(jié)構(gòu)可極大地簡化制造的過程，而且不會(huì)對(duì)電池性能造成明顯的影響。
再按照?qǐng)D2的實(shí)施方案，如在圖2中所示，最好使整個(gè)膜都具有催化性能，包括面對(duì)陽極24的整個(gè)表面30和面對(duì)陰極26的整個(gè)表面32?？梢匀缢f明的，如將催化劑分散在整個(gè)膜28上來做到這一點(diǎn)。這樣就有利地提供膜28，使之免受在陽極24或陰極26上產(chǎn)生的過氧化氫的侵蝕。應(yīng)該注意到，在陰極26上的正常操作條件不導(dǎo)致顯著產(chǎn)生過氧化氫。然而，這樣的過氧化氫，哪怕是極少量，都會(huì)導(dǎo)致膜隨時(shí)間發(fā)生實(shí)質(zhì)上的分解，正如按照本發(fā)明所希望的，按照本實(shí)施方案加入了催化劑的膜就防止在陽極24或陰極26上產(chǎn)生的過氧化氫的侵蝕。
在圖2的實(shí)施方案中，由于在陽極24和陰極26之間允許有弱的電子連接，如果加入了催化劑的膜是電絕緣的，那么在膜中加入催化劑受到比其應(yīng)會(huì)受到的限制更小。
按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案(參見圖3)，提供具有陽極36、陰極38和位于其間的膜40的膜電極組件34。在此實(shí)施方案中，除了在置于陽極36中的氫氧化催化劑和可存在于陰極38中的氧還原催化劑以外，在整個(gè)陽極36和陰極38上也有利地分散著過氧化物分解催化劑。按照本發(fā)明此實(shí)施方案在電極中混合催化劑，能夠有利地使過氧化物分解催化劑位于盡可能靠近其來源，即氫氧化催化劑和/或氧還原催化劑。正如在前面所述的，在陰極38中對(duì)過氧化物分解催化劑的需要一般小于在陽極36中的需要，因?yàn)樵陉帢O38中的操作條件一般不會(huì)導(dǎo)致形成過氧化氫。因此，在陽極中存在的過氧化物分解催化劑的量優(yōu)選地大于在陰極中存在的量。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明此實(shí)施方案對(duì)于保證膜的長壽命是特別有效的，因?yàn)槿缢Ｍ?，在?0的兩側(cè)提供了過氧化氫的良性分解。
當(dāng)然，還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如在圖1、2和3的每一個(gè)中所說明的，過氧化物分解催化劑的位置可以以另外的方式組合。而且，關(guān)于圖1的實(shí)施方案，如果需要和/或必須，如在圖4中所示，過氧化物分解催化劑也可置于膜16和陰極14之間的層中。
圖4說明按照本發(fā)明的又一種膜電極組件42，該組件包括陽極44、陰極46和位于它們之間的膜48。在此實(shí)施方案中，陽極44包括分布在其中的氫氧化催化劑，陰極46包括分布在其中的氧還原催化劑，這對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員都是公知的。再有，在此實(shí)施方案中，陽極44包括一個(gè)含有按照本發(fā)明的過氧化物分解催化劑的層49，而陰極46包括一個(gè)按照本發(fā)明的過氧化物分解催化劑的層50。如上所述，如按照本發(fā)明所希望的，此實(shí)施方案能夠有利地為通過組件42的電極產(chǎn)生的過氧化物提供良性分解，從而延長了膜48的使用壽命。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，進(jìn)一步說明又一個(gè)按照本發(fā)明的膜電極組件52，該組件包括陽極54、陰極56和位于其間的膜58。在此實(shí)施方案中，陰極56包括一個(gè)過氧化物分解催化劑層60，當(dāng)以預(yù)期在陰極56中產(chǎn)生過氧化物的方式操作膜電極組件52時(shí)，希望使用這樣的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6，說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案。在此實(shí)施方案中，過氧化物分解催化劑通過在整個(gè)層上分散而配置在一個(gè)分立的層中。比如，圖6顯示出一個(gè)按照本發(fā)明的膜電極組件62，該組件包括陽極64、陰極66和位于其間的膜68。然而，在此實(shí)施方案中，分立層70以將適合過氧化物分解催化劑分散在整個(gè)適當(dāng)?shù)膶硬牧现械姆绞絹硇纬?。比如，可以通過將膜材料從膜的任一側(cè)或兩側(cè)或者表面浸入所需深度來把這樣的催化劑層配置在膜中。在此實(shí)施方案中，其中并不要求導(dǎo)電性，催化劑的密度可有利地低于其他結(jié)構(gòu)。當(dāng)然應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，圖6顯示出在組件的陽極和膜之間含有分散催化劑層的結(jié)構(gòu)。如果需要，這樣的分散催化劑層同樣可位于陰極和膜之間，單獨(dú)地或者與如在圖6中所示的層相結(jié)合。
為了達(dá)到對(duì)膜最大的保護(hù)或屏蔽而免受過氧化氫的腐蝕，對(duì)于陽極或陰極，或者對(duì)于兩者，可以使含有過氧化物分解催化劑的圖3的混合陽極和陰極與圖1的雙層電極相結(jié)合，以使得所有進(jìn)入膜的潛在過氧化物源都分解。
在按照本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中還有利地發(fā)現(xiàn)，可以開發(fā)使用裝載于氧化物上的過氧化物分解催化劑，以改變陽極和陰極的水傳遞特征，比如使陽極比陰極更加親水。
正如在上面所指出的，各種類型的過氧化物分解催化劑都是需要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)達(dá)到所需的過氧化物分解銀和金的粒子是特別有利的，而當(dāng)沉積在碳上面時(shí)，這種催化劑就尤其有效。碳本身也是很有用的過氧化物分解催化劑。當(dāng)然，許多其他材料也適合于作為如上所述的過氧化物分解催化劑使用。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，過氧化物分解催化劑可以是鉑，而在某些情況下可以與氫氧化催化劑是同樣的。在這些實(shí)施方案中，最好使過氧化物分解催化劑以分散的形式配置。在這種層中Pt粒子間的最佳距離取決于此層在陽極和陰極之間空間中的位置和厚度以及相鄰的膜的厚度，對(duì)其進(jìn)行選擇，使得能夠如所希望的促進(jìn)過氧化物的良性分解。
按照本發(fā)明的另一方面，膜電極組件可以有利地在陽極、膜、陰極、陽極和膜之間的層和/或陰極和膜之間的層中配有過氧化物分解催化劑，當(dāng)過氧化物分解催化劑如此配置時(shí)，特別優(yōu)選的一組過氧化物分解催化劑就包括選自Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce以及它們的組合，優(yōu)選地選自Pd、Tr、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素或含有選自上述的元素的組合物。如在上面所看出的，此催化劑此外可裝載于載體上。
也如在上面所指出的，在此敘述的膜電極組件當(dāng)用于發(fā)電燃料電池系統(tǒng)中時(shí)是特別有利的。按照這樣的結(jié)構(gòu)，電極組件以層疊類似元件的方式配置，向疊層中送入優(yōu)選富含氫的燃料以及氧化劑或氧源。除了產(chǎn)生電能的公知反應(yīng)以外，將各個(gè)組分加入燃料電池也會(huì)形成過氧化氫，按照本發(fā)明這些過氧化氫將要按照良性途徑分解。按照本發(fā)明，過氧化物分解催化劑有利地使此過氧化氫按照良性途徑分解，優(yōu)選地產(chǎn)生水和氧，以保護(hù)膜電極組件的膜不受游離基或其他有害的過氧化物分解產(chǎn)物的腐蝕，延長膜的壽命。
本發(fā)明的電極組件在此指的是膜電極組件。當(dāng)然應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，此術(shù)語也專門用來包括成套電極組件(UEA)。
圖7說明發(fā)生的各種會(huì)導(dǎo)致形成成問題的過氧化氫的反應(yīng)。圖7顯示一部分膜電極組件，包括膜72和含有鉑粒子作為氫氧化催化劑的電極74。圖7進(jìn)一步顯示出各種進(jìn)入陽極的氫和逸出的氧，在鉑粒子存在下它們能產(chǎn)生過氧化氫(H2O2)。在序列A中說明的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)實(shí)際電極材料的腐蝕。但是，實(shí)際上如在圖7的序列B中所說明發(fā)生的反應(yīng)卻壓倒即使不是全部也是大多數(shù)此種反應(yīng)，其中過氧化氫在電極中分解。然而，圖7的序列C和D導(dǎo)致在極接近膜72處產(chǎn)生過氧化氫，這導(dǎo)致按照本發(fā)明要克服的不希望的過氧化物有害分解的可能性。在此兩個(gè)序列中，當(dāng)氫遇到緊靠著膜的鉑粒子和來源于如在序列C中的穿過的氧或如在序列D中所示的逸出形式的氧時(shí)，就形成過氧化氫，并且滲入膜72中，在那里分解為有害的產(chǎn)物，引起膜72的腐蝕或耗損。
按照本發(fā)明促進(jìn)的過氧化氫良性分解，一般發(fā)生在MEA中，按照如下的反應(yīng)進(jìn)行
這些良性反應(yīng)一般是當(dāng)過氧化氫在鉑存在下分別在低電位和高電位分解時(shí)進(jìn)行的。按照本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，一旦過氧化氫進(jìn)入膜，在可能是雜質(zhì)離子或高比表面顆粒X存在下，則就代之發(fā)生如下反應(yīng)
游離基·OH可以腐蝕聚合物，或者可以重新結(jié)合為過氧化氫，并且可以進(jìn)一步與過氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生另外的游離基，比如·OOH。據(jù)信此游離基隨后就腐蝕膜，引起膜耗損或腐蝕。還據(jù)信，在干燥條件下，此過程會(huì)由于機(jī)械應(yīng)力增大而被加速，使得在膜的親水相和疏水相之間的邊界上更容易反應(yīng)。
如在本發(fā)明中所述，放置過氧化物分解催化劑能夠如上面所希望的使這樣的過氧化氫良性分解為氧和水，避免過氧化氫在任何種類膜雜質(zhì)存在下的分解，導(dǎo)致形成游離基和損壞膜。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明保護(hù)膜不受能夠腐蝕膜的過氧化物分解產(chǎn)物的攻擊，如此就減少了對(duì)膜的腐蝕，并如所要求的延長了膜的使用壽命。
應(yīng)該明白，本發(fā)明并不限于在此敘述和顯示的例子，據(jù)認(rèn)為這些僅是對(duì)實(shí)施本發(fā)明最佳模式的說明，可以對(duì)其零件的形狀、尺寸、配置和操作細(xì)節(jié)進(jìn)行變動(dòng)。只要在由權(quán)利要求所定義的精神和范圍之內(nèi)，本發(fā)明將覆蓋所有的變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種膜電極組件，該組件包括含有氫氧化催化劑的陽極；陰極；位于所述陽極和所述陰極之間的膜，以及位于選自所述陽極、所述陰極、在所述陽極和所述膜之間的層以及在所述陰極和所述膜之間的層中的至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)暴露在過氧化氫中時(shí)所述過氧化物分解催化劑對(duì)從所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性。
2.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它們的組合的元素。
3.如權(quán)利要求2的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素。
4.如權(quán)利要求2的組件，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于選自Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物、沸石、碳和它們的組合的載體上。
5.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Ag、Au、C和它們的組合的元素。
6.如權(quán)利要求5的組件，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于碳上。
7.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑是碳。
8.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑作為所述層配置于所述陽極和所述膜之間。
9.如權(quán)利要求8的組件，其中使所述層與所述陽極電連接。
10.如權(quán)利要求8的組件，該組件還包括在所述膜和所述陰極之間的所述過氧化物分解催化劑層。
11.如權(quán)利要求8的組件，其中所述層還包括一部分所述氫氧化催化劑。
12.如權(quán)利要求8的組件，其中所述層的孔隙率小于或等于大約20％。
13.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑被包括在所述膜中。
14.如權(quán)利要求13的組件，其中使所述過氧化物分解催化劑浸漬到所述膜中，從所述膜的表面至進(jìn)入所述膜到所需深度。
15.如權(quán)利要求13的組件，其中所述膜具有陽極表面和陰極表面，而且其中所述過氧化物分解催化劑配置于在所述陽極表面和所述陰極表面上的所述膜中，由此使得在所述陽極或所述陰極上產(chǎn)生的過氧化物在所述過氧化物分解催化劑存在下分解。
16.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑配置在所述陽極和所述陰極中的至少一個(gè)上。
17.如權(quán)利要求16的組件，其中所述過氧化物分解催化劑同時(shí)配置在所述陽極和所述陰極上。
18.如權(quán)利要求17的組件，其中所述陽極含有的所述過氧化物分解催化劑的濃度大于在所述陰極上的濃度。
19.如權(quán)利要求18的組件，其中所述陽極比所述陰極更加親水。
20.如權(quán)利要求17的組件，該組件還包括配置在所述陽極和所述膜之間的所述過氧化物分解催化劑層。
21.如權(quán)利要求1的組件，其中所述過氧化物分解催化劑靠近所述陽極。
22.一種膜電極組件，該組件包括含有氫氧化催化劑的陽極；陰極；位于所述陽極和所述陰極之間的膜，以及位于選自所述陽極、所述膜、所述陰極、在所述陽極和所述膜之間的層以及在所述陰極和所述膜之間的層中的至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)暴露在過氧化氫中時(shí)所述過氧化物分解催化劑對(duì)從所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性，而且其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它們的組合的元素。
23.如權(quán)利要求22的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素。
24.如權(quán)利要求22的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Ag、Au、C和它們的組合的元素。
25.如權(quán)利要求22的組件，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于選自Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物、沸石、碳和它們的組合的載體上。
26.一種發(fā)電燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)排列成燃料電池疊層的燃料電池，其中所述燃料電池包括有如下構(gòu)件的膜電極組件含有氫氧化催化劑的陽極；陰極；位于所述陽極和所述陰極之間的膜，以及位于選自所述陽極、所述膜、所述陰極、在所述陽極和所述膜之間的層以及在所述陰極和所述膜之間的層中的至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)暴露在過氧化氫中時(shí)所述過氧化物分解催化劑對(duì)從所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性。
27.如權(quán)利要求26的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它們的組合的元素。
28.如權(quán)利要求27的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素。
29.如權(quán)利要求27的組件，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于選自Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物、沸石、碳和它們的組合的載體上。
30.如權(quán)利要求26的組件，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Ag、Au、C的元素和它們的組合。
31.如權(quán)利要求30的組件，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于碳上。
32.如權(quán)利要求26的組件，其中所述過氧化物分解催化劑是碳。
33.一種燃料電池的操作方法，該方法包括如下步驟提供包含膜電極組件的燃料電池，該組件包括含有氫氧化催化劑的陽極、陰極、配置在所述陽極和所述陰極之間的膜和位于選自所述陽極、所述陰極、所述膜、在所述陽極和所述膜之間的層和在所述陰極和所述膜之間的層中的至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)暴露于過氧化氫時(shí)所述過氧化物分解催化劑對(duì)由所述過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性；在所述陽極中加入含氫的燃料，在所述陰極中加入氧源，以便開動(dòng)所述燃料電池，并在所述過氧化物分解催化劑存在下產(chǎn)生過氧化氫，借此使所述過氧化氫分解為所述的良性產(chǎn)物。
34.如權(quán)利要求33的方法，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它們的組合的元素。
35.如權(quán)利要求34的方法，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它們的組合的元素。
36.如權(quán)利要求34的方法，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于選自Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物、沸石、碳和它們的組合的載體上。
37.如權(quán)利要求33的方法，其中所述過氧化物分解催化劑包括選自Ag、Au、C的元素和它們的組合。
38.如權(quán)利要求37的方法，其中所述過氧化物分解催化劑裝載于碳上。
39.如權(quán)利要求33的組件，其中所述過氧化物分解催化劑是碳。
全文摘要
膜電極組件(10)包括含有氫氧化催化劑的陽極(12)、陰極(14)、位于陽極(12)和陰極(14)之間的膜(16)以及配置在選自陽極(12)、陰極(14)、在陽極(12)和膜(16)之間的層(18)和在陰極(14)和膜(16)之間的層(60)中的至少一個(gè)位置上的過氧化物分解催化劑，其中當(dāng)暴露在過氧化氫中時(shí)該過氧化物分解催化劑對(duì)從過氧化氫形成良性產(chǎn)物的反應(yīng)具有選擇性。該過氧化物分解催化劑置于膜(16)中。還公開了一種包括這樣的膜電極組件(10)的發(fā)電燃料電池系統(tǒng)和這種燃料電池系統(tǒng)的操作方法。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1703791SQ03824948
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月4日
發(fā)明者N·E·西波利尼, D·A·康迪特, J·B·赫爾茨伯格, T·D·亞維, J·A·萊斯特拉, M·L·佩里 申請(qǐng)人:Utc 燃料電池有限責(zé)任公司