專利名稱：緩解腐蝕的設計策略的制作方法
背景技術：
發明領域本發明一般性地涉及一種燃料電池系統，更具體地涉及一種新的并改進的燃料電池系統的膜電極組件。
相關技術燃料電池已經被用作許多設備的電源。例如，已經計劃在電動汽車動力裝置中使用燃料電池以取代內部燃料發動機。在PEM型燃料電池中，氫被提供給燃料電池的陽極，并提供氧氣作為用于陰極的氧化劑。PEM燃料電池包括膜電極組件(MEA)，其包括薄的、可傳輸質子的、非導電性固體聚合物電解質膜，在電解質膜的一個面上具有陽極催化劑，并且在相對的面上具有陰極催化劑。MEA被夾在一對，有時被稱為氣體擴散介質組件的導電元件之間，這些導電元件(1)用作陽極和陰極的集流體；(2)包含用于在各自陽極和陰極催化劑的表面上分布燃料電池氣體反應物的合適開口；(3)將產物水蒸氣或液體從電極移除到流場通道；(4)是導熱的，用于散熱；和(5)具有機械強度。根據上下文，該燃料電池通常典型地用來指單個電池或多個電池(例如，堆疊體)。多個單獨的電池通常被捆在一起以形成燃料電池堆疊體，并且通常是串聯設置的。堆疊體中的每個電池包括以上描述的MEA，并且每個這樣的MEA提供它們的電壓增量。
在PEM燃料電池中，氫氣(H2)是陽極反應劑(例如，燃料)，而氧氣是陰極反應劑(例如，氧化劑)。氧氣可以是純形式(O2)或空氣(O2和N2的混合物)。傳導質子的固體聚合物電解質典型地由離子交換樹脂例如基于全氟磺酸(“PFSA”)的離聚物或基于碳氫化合物(非氟化或部分氟化的)的質子傳導性聚合物(例如，磺化的聚醚醚酮(SPEEK))制成。陽極/陰極電極典型地包括細碎的催化劑顆粒，其經常被負載在碳顆粒上，并與質子傳導性樹脂混合。催化劑顆粒典型地是貴重的貴金屬顆粒。制造膜電極組件是相對昂貴的并且需要一定的條件，其包括適當的水處理和加濕，以及對催化劑有毒成分如一氧化碳(CO)的控制以有效地工作。
參照通常轉讓給Witherspoon等人的U.S.專利號3,985,578；Swathirajan等人的5,272,017；Li等人的5,624,769；Neutzler的5,776,624；Swathirajan等人的6,277,513；Woods，lll等人的6,350,539；Fronk等人的6,372,376；Vyas等人的6,521,381；Sompalli等人的6,524,736；Fly等人的6,566,004；Fly等人的6,663,994；Brady等人的6,793,544；Rapaport等人的6,794,068；Blunk等人的6,811,918；Mathias等人的6,824,909；Bhaskar等人的6,861,173；U.S.專利申請公開號Vyas等人的2003/0165731；Sompalli等人的2004/0067407；Vyas等人的2004/0081881；Lee等人的2004/0110058；Brady等人的2004/0151952；Lee等人的2004/0208989；O’Hara的2005/0026012；O’Hara等人的2005/0026018；O’Hara等人的2005/0026523；Budinski等人的2005/0037212；和Goebel等人的2005/0058881可以發現涉及PEM和其它相關類型的燃料電池系統的技術的示例，在此特意合并所有上述專利的全部說明作為參考。
已經遇到了一種涉及包含在MEA中或接近MEA設置的雙極板(特別是金屬雙極板)被侵蝕的問題，其將潛在地削弱燃料電池的功能和/或效率。例如，氧氣從MEA的陰極側滲透通過隔膜(參考作為“氧氣穿越”)，或者，當在MEA的邊緣區域中施加膜保護層(參考作為“副墊圈”)的情況時，氧氣滲透通過隔膜和副墊圈，到達MEA的陽極側。在MEA的陽極側被碳負載的鉑催化劑(Pt/C)催化，在電化學反應中穿越的氧氣與來自傳導質子的聚合物的質子反應，產生一小部分過氧化氫()。這個反應同時通過通常涂覆施加到陽極擴散介質(“DM”)上的高表面面積碳(通常叫做微孔層或“MPL”)來催化，或者，更低效率地，通過DM基底的碳纖維和碳填充物來催化(見圖1)。因此，O2經由以下反應滲透到陽極側可以產生HF()(見圖1)。而且，H2經由以下反應滲透到陰極側也可以產生HF()(見圖1)。
通過在含水酸中旋轉環盤實驗發現，如果采用高表面面積碳催化，與采用碳負載的鉑催化劑相比，在陽極上被電化學還原為H2O2的O2的分數更大(見圖2)。在MEA的邊界區域上，例如那里沒有氣體供應流場通道和/或MEA將取得與周邊密封(通常為彈性體)的接觸，不需要催化劑也不需要MPL，但是根據MEA的設計，Pt/C和/或MPL可以存在于這些區域中。然而，大部分MEA設計，在上述邊界區域中包括副墊圈，參與電化學過程的MEA的區域與不參加有用的電化學過程的區域不同。
在一些實例中，副墊圈由相同的PFSA離聚物構成，該PFSA離聚物被用于MEA的含催化劑區域。這些離聚物相對地顯示出高的氧氣滲透性并且是好的質子導體。一旦氧氣通過副墊圈滲透，其將開始與膜的陽極側的氫氣接觸。通常將產生水，也有少量的過氧化氫。通過適當催化劑的存在或不存在以及電化學電勢來控制水與過氧化物的分支比。
圖2示出了在不同電勢下的催化劑的相應效果。在圖中可以看出，在典型的PEM燃料電池中觀察到，在陽極條件下的高表面面積的碳黑(通常使用的MPL的主要成分)將氧氣和氫氣之間的反應產物的相當部分催化成為過氧化氫。
在文獻中已經報道過，過氧化氫將促進離聚物降解(在膜中并且也在電極中)，特別是在陽離子如鐵的存在下(參見例如A.B.LaConti等人的“燃料電池手冊”(Eds.W.Vielstich等人)Wiley(2003)，vol.3(9)647)。主要的離聚物降解產物是氫氟酸(HF)。在MEA的區域內，活性的反應氣流經由流場氣體通道提供，H2O2(通過氧氣穿越到陽極而形成)和HF(來自膜降解)的濃度保持很低，因為這些物質被反應氣流連續地除去。另一方面，在雙極板區域中，存在沒有活動流體的停滯的流動區域(例如與制造相關的凹面，被稱為“凹痕”)，沿MEA周邊的區域上不再有流道，和/或在燃料電池運行期間雙極板活性區域的區域不允許反應氣體持續流動)，H2O2和HF的濃度能夠充分地增大，因此形成了對金屬雙極板、許多典型的外加覆蓋層(例如金屬氧化物、金屬氮化物等)以及雙極板密封材料的嚴重腐蝕的環境。
在文獻中也描述過，在氫氟酸溶液中不銹鋼的腐蝕會隨氟化物的濃度迅速增大；同樣地，在酸性H2O2和酸性溶液HF/H2O2中不銹鋼的腐蝕會隨過氧化氫的濃度增大(參見，例如N.Laycock等人，Corrosion Science，Vol.37，No.10，pp.1637-1642(1995)；T Hayward等人，J.Supercritical Fluids，Vol.27，pp.275-281(2003)；G.Bellanger，J.Nuclear Materials，Vo.210，pp.63-72(1994)；Y.Kim等人，NDT&E internation，Vol.36，pp.553-562(2003)；以及H.Anzai等人的Corrosion Science，Vo.36，No.7，pp.1201-1211(1994))。一旦不銹鋼開始腐蝕，鐵陽離子將被釋放并且加速離聚物降解，其將依次增大HF的濃度。所構成的自動接觸反應過程通過其釋放的HF加速了不銹鋼腐蝕，其依次進一步加速膜的腐蝕，從而加速了附加的雙極板的腐蝕。
眾所周知，氧氣穿越到陽極側以及氫氣穿越到陰極側都導致增大了離聚物的降解，產生大量的HF。在不流動的區域中(例如，活動流道區域的外側的區域、凹陷區域中、減少氣流的區域等)，這些增加的HF組件將成為高濃度的HF，其將依次加速金屬雙極板(以及多種有用的保護性覆蓋物和雙極板密封材料)的腐蝕。
因此，需要一種新的并且改進了的燃料電池，其包括不限于新的和改進了的雙極板、膜電極組件設計、和/或最小化或消除了不銹鋼腐蝕的MEA/MPL結構。
發明概述根據本發明的一般教導，提供了一種新的并且改進了的用于燃料電池的膜電極組件，例如但不限于PEM燃料電池系統。
根據本發明的一個實例，提供了一種與燃料電池組合使用的膜電極組件，其包括(1)具有不流動區域的導電元件；(2)與導電元件相鄰的擴散介質層；(3)隔膜層；(4)至少一個與隔膜層相鄰的催化劑層，其中至少一個催化劑層與擴散介質層相鄰，其中至少一個催化劑層遠離不流動的區域；以及(5)至少一個與隔膜層相鄰的副墊圈層，其中至少一個副墊圈層與擴散介質層相鄰，其中至少一個副墊圈層接近不流動的區域，其中至少一個催化劑層與至少一個副墊圈層相互遠離。
根據本發明的第一個可替換的實例，提供了一種與燃料電池組合使用的膜電極組件，包括(1)具有不流動區域的導電元件；與導電元件相鄰的擴散介質層；(2)隔膜層；(3)一對置于隔膜層的周圍的催化劑層，其中一個催化劑層與擴散介質層相鄰，其中這一對催化劑層遠離不流動區域；以及(4)一對置于隔膜層的周圍的副墊圈層，其中一個副墊圈層與擴散介質層相鄰，其中這一對副墊圈層接近不流動區域，其中這一對催化劑層和這一對副墊圈層相互遠離。
根據本發明的第二個可替換的實例，提供了一種燃料電池，包括(1)導電元件，它具有在其中形成的第一和第二自由流動通道，并且第一和第二平臺區域(land areas)被形成在第二自由流動通道的周圍，其中導電元件基本上在不流動區域的外面；(2)與導電膜相鄰的擴散介質層，擴散介質層的一部分與第二平臺重疊區域；(3)隔膜層；(4)至少一個與隔膜層相鄰的催化劑層，其中至少一個催化劑層遠離第二平臺區域；以及(5)至少一個與隔膜層相鄰的副墊圈層，其中至少一個副墊圈層鄰接并且至少部分地與鄰近第二平臺區域的擴散介質層重疊，其中至少一個催化劑層與至少一個副墊圈層相互遠離。
通過以下的詳細描述，本發明的進一步適用的區域將變得清楚。應當理解，詳細說明和具體實施例雖然指示了本發明的優選實施方式，但其僅是為了說明的目的，但不是為了限制本發明的范圍。


通過詳細說明和隨后的附圖，能夠更充分地理解本發明，其中圖1是依照現有技術，作為氧氣和/或氫氣滲透過隔膜的結果而在MEA上發生的局部電化學反應的示意圖；圖2是依照現有技術，在存在碳黑和鉑時，形成的過氧化物的量的圖表說明；圖3a是根據本發明的一個示例，第一種類型的燃料電池的示意圖；圖3b是根據本發明的第一個可替換的示例，第二種類型的燃料電池的示意圖；圖3c是根據本發明的第二個可替換的示例，第三種類型的燃料電池的示意圖；圖3d是根據本發明的第三個可替換的示例，第四種類型的燃料電池的示意圖；圖3e是根據本發明的第四個可替換的示例，第五種類型的燃料電池的示意圖；圖4a是根據本發明的第五個可替換的示例，第六種類型的燃料電池的示意圖；圖4b是根據本發明的第六個可替換的示例，第七種類型的燃料電池的示意圖；圖4c是根據本發明的第七個可替換的示例，第八種類型的燃料電池的示意圖；和圖4d是根據本發明的第八個可替換的示例，第九種類型的燃料電池的示意圖；實施例詳述以下優選的描述實際上僅僅是示范性的，絕不意味著限制本發明、其應用或者使用。
根據本發明的一般教導，提供了用來消除或至少減少雙極板，特別是那些包含不銹鋼的雙極板的侵蝕的發生和/或程度以及消除或減少表面覆蓋物(例如，金屬氧化物和/或有機覆蓋物(例如，氧化硅及其類似物))的降解的系統和方法。
作為不受限制的示例，MEA的活性區域的所有部位(例如，包含質子導電元件、Pt/C催化劑、其它公知的燃料電池電催化劑(例如，Pt金屬/C)和MPL的區域)應當具有相鄰的流場通道，該流場通道在具有被活性地驅動的反應物流的陽極側和陰極側的兩個面上，例如，必須沒有類似于凹痕(通過一些雙極板設計產生)的不流動區域或額外的寬的平臺(例如由平臺和通道(氣體在其流動)組成的流場)，并且在最后一個流道和雙極板周邊密封之間的MEA的周邊具有相鄰的流場通道(例如，一些常規的設計具有很寬的平臺，在平臺下面沒有被活性地驅動的氣流)。本發明提供這種重要的金屬雙極板設計標準以至少減少或抗腐蝕。
如先前提到的，由于質子傳導性聚合物的很強的酸性(pH值為0±1)，質子傳導性離聚物與金屬雙極板直接接觸，無論什么情況下都加速不銹鋼腐蝕發生。因此本發明提供一種MEA，使得無論是有或者還是沒有不流動的區域，質子傳導性聚合物都不與金屬雙極板直接接觸。這些可以通過給這些區域提供不傳導質子的保護膜(例如，副墊圈)而達到。這些副墊圈與質子傳導性膜相比優選具有減小的滲透性。合適的材料包括但不局限于KAPTON(例如，聚酰亞胺)、MYLAR、萘二甲酸亞乙基酯、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚酯、聚酰胺、共聚酰胺、聚酰胺彈性體、聚氨酯、聚氨酯彈性體和任何其它不傳導質子的膜或覆蓋物。因此，副墊圈可以由不銹性金屬材料，例如但不局限于金和/或類似物構成。
根據本發明的另一個方面，已經發現，當根據金屬雙極板的一定區域存在的腐蝕性物質的量改變時，可以確定得到了或多或少的金屬腐蝕。參見圖3a-e，本發明提供摻入了多種可替換的膜電極組件(MEA)副墊圈材料和設計的多種燃料電池設計，在這些設計中涉及副墊圈的幾何設置，還有其它的設置，減少了氧氣從膜的陰極側向陽極側的滲透和/或減少了氫氣從膜的陽極側向陰極側的滲透，并且優選減少了氧氣和氫氣兩者的滲透。
除了使用與傳導質子的并具有高的氧氣和/或氫氣滲透率的離聚物副墊圈相比具有低氧氣滲透率的不傳導的質子的副墊圈材料外，本發明還提供了直接位于滲透性副墊圈材料之下的多孔層(例如，覆蓋在擴散介質上)的消除，其將減低腐蝕物質的產生。
如果上述MEA特征隨同控制在其上可能發生流動停滯的雙極板上的具有一定幾何結構的腐蝕物質的濃度一起被摻入，將減少腐蝕。MEA改變的另一個好處是有可能消除雙極板材料表面和PFSA離聚物隔膜材料之間的直接接觸，其中已經確定這種直接接觸是引起金屬雙極板高腐蝕率的原因。
從上述機制中，應用以下設計規則。
優選的選擇是在所有不流動的區域(例如，在典型的壓印雙極板上出現的凹陷區域、具有寬平臺區域的周邊區域等)中施加具有零/最小化O2和/或H2滲透性的不傳導質子的副墊圈。而且，在不流動區域中擴散介質不應具有高表面面積的碳覆蓋物(例如，MPL)。這樣，不會發生O2到H2O2的電化學還原反應。這個選擇具體地顯示在圖3a中，其在不銹鋼短堆疊體的耐久性測試中顯示出不銹鋼板不受腐蝕。
在這個示圖中，燃料電池10包括導電元件例如但不限于雙極板12(例如，這樣的但不限于不銹鋼的金屬)，該雙極板12具有不流動區域14(例如，凹陷區域、活動區域中的流動性差的通道、自由流動通道之間的寬平臺區域等)。提供了鄰近不流動區域的自由流動通道16。如果副墊圈17位于活動的流場邊緣18和不流動的區域邊緣19之間，則副墊圈17的幾何結構設置是有利的。在活動的流場邊緣18和不流動區域邊緣19之間以任意間隔在其中設置寬平臺，條件是該寬平臺比流場中的臺面寬度一半大。優選是，副墊圈17在不流動區域邊緣19和活動流場邊緣18之間，但不大于遠離活動流場邊緣18的一半臺面寬度。更優選的是，副墊圈17延伸至多達到活動流場邊緣18。這也適用于一些其它的示例。
擴散介質組件20與雙極板12相鄰。隔膜22分別被設置在一對催化劑層24、26之間，其中催化劑層24與擴散介質組件20相鄰。催化劑層24、26分別遠離凹陷區域14。一對副墊圈層28、30分別被設置在接近凹陷區域14的隔膜22周圍。副墊圈材料可以由任何類型的不傳導質子的材料組成。在這個示圖中，副墊圈由“PEN”類(例如，聚萘二甲酸亞乙基酯)構成；然而，應認識到，副墊圈可以由任何如以前所描述的合適的聚合物材料構成。
應認識到，副墊圈可以由不連續的層、薄膜、和/或覆蓋物等構成。可以使用粘結材料以加強與任何鄰接的層和/或材料(例如，隔膜、DM等)的粘結。
例如，當使用如N112的NAFIONPFSA作為隔膜時，在77o F/100％RH下，不傳導質子的降低滲透性的副墊圈或薄膜或覆蓋物應具有小于3500立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓)的對氧氣的滲透性。優選地，滲透性降低的副墊圈/薄膜/覆蓋物在77o F/100％RH下應具有少于或等于200立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓)的氧氣滲透性。滿足這樣滲透性的材料優選是，例如，乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)，其在77o F/100％RH下具有184立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓)的氧氣滲透性。更優選的是，滲透性降低的副墊圈/薄膜/覆蓋物在77o F/100％RH下應具有少于或等于25立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓)的氧氣滲透性。達到最優選的氧氣滲透性的合適的材料是，例如非限制性的示例是聚酰胺(商品名為KAPTON在77o F/100％RH下滲透性為25立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓))、聚偏氟乙烯(PVDF在77o F/100％RH下滲透性為3.4立方厘米-密耳(100平方英寸-24小時-大氣壓))等。
在滲透性降低的副墊圈/薄膜/覆蓋物中對氫氣的滲透性在80℃，270kPa，100％RH下應少于1.5×10-8ml(STP)-cm厚/(s-cm2-cmHg)；優選在80℃，270kPa，100％RH下應少于或等于1×10-9ml(STP)-cm厚/(s-cm2-cmHg)；更優選的是，在80℃，270kPa，100％RH下應少于或等于5×10-10ml(STP)-cm厚/(s-cm2-cmHg)。滿足上述氫氣滲透性的合適的材料非限制性地包括KAPTON(在80℃，270kPa，100％RH下為4.7×10-10ml(STP)-cm厚/(s-cm2-cmHg))和聚萘二甲酸亞乙基酯(PEN，在80℃，270kPa，100％RH下為2×10-10ml(STP)-cm厚/(s-cm2-cmHg))。
這個示例的變化包括具有不傳導質子的副墊圈/薄膜/覆蓋物的MEA邊緣設計結構，其仍具有與質子導電元件相似的氧氣和氫氣滲透性。因為這些副墊圈/薄膜/覆蓋物不提供在陽極面上穿過的氧氣發生電化學反應變為H2O2所需的質子，其將大幅度地減少金屬雙極板的腐蝕。
如果上述不傳導質子的副墊圈不被用于不流動區域，如果在這些區域中的擴散介質不具有MPL并且不具有Pt/C催化劑，則可以減少不銹鋼金屬板腐蝕。這將是事實，如果使用離聚物副墊圈并且從不流動區域向后拉催化劑層和MPL的話，如圖3b特別示出的。這個選擇在不銹鋼雙極板測試的短堆疊體測試中顯示出最小化的腐蝕。
在這個示圖中，燃料電池100包括導電元件例如但不限于具有與不流動區域相對應的凹陷區域104的雙極板102(例如金屬，如但不限于不銹鋼)。鄰近不流動區域提供自由流動通道106。這個示例還包括副墊圈邊緣107、活動流場邊緣108和不流動區域邊緣109。擴散介質組件110與雙極板102相鄰。隔膜112被分別設置在一對催化劑層114、116之間，其中催化劑層114與擴散介質組件110相鄰。催化劑層114、116分別遠離凹陷區域104。一對副墊圈層118、120分別被設置在與凹陷區域104鄰近的隔膜112周圍。在這個示圖中，副墊圈由離聚物類型的材料構成。
如果不采用上述兩種設計選擇，如圖3c中特別示出的應當至少避免在整個不流動區域上MPL。
在這個示圖中，燃料電池200包括導電元件，例如但不限于具有與不流動區域相對應的具有凹陷區域204的雙極板202(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。鄰近不流動區域提供自由流動通道206。擴散介質組件208與雙極板202相鄰。隔膜210分別被設置在一對催化劑層212、214之間，其中催化劑層212與擴散介質組件208相鄰。催化劑層212、214分別鄰近于凹陷區域204。
另外，如圖3d中特別示出的，在整個不流動區域中具有與離聚物隔膜或副墊圈接觸的MPL，將避免導致對不銹鋼雙極板的主要腐蝕。
在這個示圖中，燃料電池300包括導電元件，例如但不限于具有與不流動區域相對應凹陷區域304的雙極板302(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。鄰近不流動區域提供自由流動通道306。這個示例還包括副墊圈邊緣307、活動流場邊緣308和不流動區域邊緣309。擴散介質組件310與雙極板302相鄰。隔膜312被分別設置在一對催化劑層314、316之間，其中催化劑層314與擴散介質組件310相鄰。催化劑層314、316分別遠離凹陷區域304。一對副墊圈層318、320被分別設置在與凹陷區域304鄰近的隔膜312的周圍。此外，MPL322被設置在擴散介質組件310與催化劑層314/副墊圈層318之間。在這個示圖中，副墊圈由離聚物類的材料構成。
而且，在整個不流動區域(圖3e中特別示出的)上，隔膜和MPL之間具有Pt/C催化劑，仍然導致嚴重的腐蝕，盡管比不使用Pt/C催化劑的情況稍微好點。
在這個示圖中，燃料電池400包括導電元件，例如但不限于具有與不流動區域相對應的凹陷區域404的雙極板402(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。鄰近不流動區域提供自由流動通道406。擴散介質組件408與雙極板402相鄰。隔膜410被分別設置在一對催化劑層412、414之間，其中催化劑層412與擴散介質組件408相鄰。催化劑層412、414分別與凹陷區域404鄰近。另外，MPL416被設置在擴散介質組件408和催化劑層412之間。
總之，通過使用非滲透性的副墊圈的手段不流動區域應是不含有穿越的氧氣的或者不應具有任何從O2催化形成H2O2的物質(例如，高表面面積的碳)、通過O2和/或H2中的一種的滲入而產生HF的物質，或者應當具有不傳導質子的副墊圈。這基于在陽極上O2反應形成H2O2的原理(例如，相對于可逆氫參考電勢0-0.2V的低電極電勢)，其可以寫作(如圖1記載的)。另外，O2滲透到陽極側可以產生HF，其經由以下反應(如圖1記載的)。而且，H2經由以下反應滲透到陰極側也可以產生HF()(如圖1記載的)。本發明消除或者至少減少這些腐蝕性物質的形成。
這個反應表示在催化活性表面(例如，高表面面積的碳)上如果同時存在O2和H+，僅可以形成H2O2。如果副墊圈可以阻止O2滲透和/或傳導H+，或者如果從不流動區域(例如，MPL，或較小程度的Pt/C)省略催化活性物質，將可以發現不形成H2O2并且沒有或較少的不銹鋼腐蝕。
根據本發明的另一個方面，如果不在允許由通常燃料電池運行產生的水和/或其它反應產物停滯的特征存在下來設計雙極板，那么將減少或消除對雙極板的腐蝕。如果這些特征對燃料電池運行是必需的，那么它們的例如相對于副墊圈、多孔層和MEA催化劑的位置應允許與鉑催化劑或副墊圈材料同處于同一位置，其中副墊圈材料具有低的對氧氣或/或氫氣的滲透性，其將限制過氧化物和/或HF產生。因此，也可以消除和/或減少對覆蓋物的腐蝕。這些類型的燃料電池的各種組件可以由多種在此描述的材料構成。而且，這些組件的特征和性能可以是與先前在此描述的組件相似的或同樣的。在圖4a中示出了本發明的這個特殊方面的示例。
在這個示圖中，燃料電池500包括導電元件，例如但不限于具有活動區域流場504的雙極板502(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。流場分別包括至少兩個各自自由流動的通道506、508，在這些通道之間具有平臺區域510。另一個平臺區域512位于最后的自由流動通道508之后。平臺區域512的寬度/長度/間距應該比最后一個自由流道508的寬度/長度/間距小，優選為不大于后者的一半。更優選的是，平臺區域512的寬度/長度/間距接近于零。在此交替地使用的術語“寬度”、“長度”和“間距”意味著包含任何有關從一點到第二間隔點的的尺寸的相對比較，而不管方向或定位怎么樣。
擴散介質組件514與雙極板502相鄰。隔膜516被分別置于一對催化劑層518、520之間，其中催化劑層518與擴散介質組件514相鄰。催化劑層518、520分別被設置在活動區域流場504上。一對副墊圈層522、524分別被設置在鄰近平臺區域512的隔膜516周圍。副墊圈材料可以包含任何類型的如先前所述的不傳導質子的材料。還示出了任選的密封元件526。
如果副墊圈邊緣528位于最后一個自由流動通道508和平臺區域512之間，則副墊圈邊緣528的幾何結構是有利的。
在圖4b中示出了本發明的特殊方面的另一個實施例的示例。
在這個示圖中，燃料電池600包括導電元件，例如但不限于具有活動區域流場604的雙極板602(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。流場分別包括至少兩個各自的自由流動的通道606、608，在這些通道之間具有平臺區域610。另一個平臺區域612位于最后的自由流動通道608之后。平臺區域612的寬度/長度/間距應該比最后一個自由流道608的寬度/長度/間距小，優選為不大于后者的一半。更優選的是，平臺區域612的寬度/長度/間距接近于零。
擴散介質組件614與雙極板602相鄰。隔膜616被分別置于一對催化劑層618、620之間，其中催化劑層618與擴散介質組件614相鄰。催化劑層618、620分別被設置在活動區域流場604上。一對副墊圈層622、624分別被設置在鄰近平臺區域612邊緣的隔膜616周圍，即沒有一個副墊圈層622、624分別與相應于平臺區域612的區域重疊。副墊圈材料可以由任何類型的如先前所述的不傳導質子的材料構成。還示出了任選的密封元件626。
如果副墊圈邊緣628位于平臺區域612的邊緣部分之外，則副墊圈邊緣628的幾何結構是有利的。
在圖4c中示出了本發明的特殊方面的另一個實施方式的示例。然而，具有鄰近或與離聚物隔膜或副墊圈接觸的MPL可以導致不銹鋼板的嚴重腐蝕，應當避免其發生。
在這個示圖中，燃料電池700包括導電元件，例如但不限于具有活動區域流場704的雙極板702(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。流場分別包括至少兩個自由流動的通道706、708，在這些通道之間具有平臺區域710。另一個平臺區域712位于最后的自由流動通道708之后。平臺區域712的寬度/長度/間距應比該最后一個自由流道708的寬度/長度/間距小，優選為不大于后者的一半。更優選的是，平臺區域712的寬度/長度/間距接近于零。
擴散介質組件714與雙極板702相鄰。隔膜716被分別置于一對催化劑層718、720之間，其中催化劑層718與擴散介質組件714相鄰。催化劑層718、720分別被設置在活動區域流場704以及平臺區域712上。另外，MPL722被設置在擴散介質組件714和催化劑層718之間。一對副墊圈層724、726分別被設置在鄰近平臺區域712的邊緣部分的隔膜716周圍，即沒有一個副墊圈層724、726分別與相應于平臺區域712的區域重疊。副墊圈材料可以由任何類型的如先前所述的不傳導質子的材料構成。還示出了任選的密封元件728。
如果副墊圈邊緣730至少部分地位于平臺區域712內并且至少部分地與MPL722重疊，則副墊圈邊緣730的幾何結構是有利的。
圖4d示出了本發明的這個特殊方面的另一個實施方式的示例。然而，具有與離聚物隔膜或副墊圈接觸的MPL，可以導致對不銹鋼的嚴重腐蝕，其應當被避免。
在這個示圖中，燃料電池800包括導電元件，例如但不限于具有活動區域流場804的雙極板802(例如金屬，比如但不限于不銹鋼)。流場包括至少兩個獨立的自由流動的通道806、808，在這些通道之間具有平臺區域810。另一個平臺區域812位于最后的自由流動通道808之后。平臺區域812的寬度/長度/間距應比最后一個自由流道808的寬度/長度/間距小，優選為不大于后者的一半。更優選的是，平臺區域812的寬度/長度/間距接近于零。
擴散介質組件814與雙極板802相鄰。隔膜816被分別置于一對催化劑層818、820之間，其中催化劑層818與擴散介質組件814相鄰。催化劑層818、820分別被設置在活動區域流場804以及平臺區域812上。另外，MPL822被設置在擴散介質組件814和催化劑層818之間。一對副墊圈層824、826被分別設置在鄰近平臺區域812的隔膜816上，即副墊圈層824、826分別與MPL822重疊并接觸。副墊圈材料可以由任何類型的如先前所述的不傳導質子的材料構成。還示出了任選的密封元件828。
如果副墊圈邊緣830至少部分地位于平臺區域812內并且至少部分地與MPL822重疊，則副墊圈邊緣830的幾何結構是有利的。
應當認識到，可以以任何數目的組合相互結合使用多種前面描述的示例的任何特征和特性。
本發明的描述實際上僅僅是示例，因此，可以在本發明的范圍內，在不脫離本發明的要點下變更。不會認為這樣的變更脫離了本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種燃料電池，包括具有不流動區域的導電元件；與所述的導電元件相鄰的擴散介質層；隔膜層；與所述的隔膜層相鄰的至少一個催化劑層，其中該至少一個催化劑層與所述的擴散介質層相鄰，其中該至少一個催化劑層遠離所述的不流動區域；與所述的隔膜層相鄰的至少一個副墊圈層，其中所述的至少一個副墊圈層與所述的擴散介質層相鄰，其中所述的至少一個副墊圈層接近所述的不流動區域，其中所述的至少一個催化劑層和所述的至少一個副墊圈層彼此遠離。
2.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的導電元件是雙極板。
3.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的導電元件由金屬材料構成。
4.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的導電元件由不銹鋼構成。
5.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不導電的材料構成。
6.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不傳導質子的材料構成。
7.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實際上低的氧氣滲透性的材料構成。
8.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實質上低的氫氣滲透性的材料構成。
9.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的副墊圈層由選自聚合物材料、不銹金屬材料及其組合的材料構成。
10.根據權利要求1的燃料電池，還包括一對催化劑層。
11.根據權利要求1的燃料電池，還包括一對副墊圈層。
12.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的不流動區域包括選自在所述的導電元件上形成的凹陷區域、位于膜電極組件的周邊處的寬平臺及其組合的區域。
13.根據權利要求1的燃料電池，還包括設置在所述的擴散介質層與所述的催化劑層和所述的副墊圈層中的至少一個之間的多孔層。
14.根據權利要求1的燃料電池，其中所述的導電元件不與所述的隔膜層接觸。
15.一種燃料電池，包括具有不流動區域的導電元件；與所述的導電元件相鄰的擴散介質層；隔膜層；設置在所述隔膜層的周圍的一對催化劑層，其中所述催化劑層中的一個與所述的擴散介質層相鄰，其中這一對催化劑層遠離所述的不流動區域；和設置在所述隔膜層的周圍的一對副墊圈層，其中所述副墊圈層中的一個與所述的擴散介質層相鄰，其中這一對副墊圈層接近不流動區域，其中所述的一對催化劑層和所述的一對副墊圈層彼此遠離。
16.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的導電元件是雙極板。
17.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的導電元件由金屬材料構成。
18.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的導電元件由不銹鋼構成。
19.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不導電的材料構成。
20.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不傳導質子的材料構成。
21.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實質上低的氧氣滲透性的材料構成。
22.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實質上低的氫氣滲透性的材料構成。
23.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的副墊圈層由選自聚合物材料、不銹金屬材料及其組合的材料組成。
24.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的不流動區域包括選自在導電元件上形成的凹陷區域、位于膜電極組件的周邊處的寬平臺及其組合的區域。
25.根據權利要求15的燃料電池，還包括設置在所述的擴散介質層與所述的催化劑層和所述的副墊圈層中的至少一個之間的多孔層。
26.根據權利要求15的燃料電池，其中所述的導電元件不與所述的隔膜層接觸。
27.一種燃料電池，包括導電元件，它具有在其中形成的第一和第二自由流動通道，并且第一和第二平臺區域被形成在所述的第二自由流動通道周圍，其中所述的導電元件基本上不含有不流動區域；與所述的導電元件相鄰的擴散介質層，擴散介質層的一部分與所述的第二平臺區域重疊；隔膜層；與所述的隔膜層相鄰的至少一個催化劑層，其中該至少一個催化劑層與所述的擴散介質層相鄰，其中該至少一個催化劑層遠離所述的不流動區域；和與所述的隔膜層相鄰的至少一個副墊圈層，其中該至少一個副墊圈層鄰接并至少部分地與鄰近所述的第二平臺區域的所述擴散介質層重疊，其中所述的至少一個催化劑層和所述的至少一個副墊圈層彼此遠離。
28.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的導電元件是雙極板。
29.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的導電元件由金屬材料構成。
30.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的導電元件由不銹鋼構成。
31.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不導電的材料構成。
32.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的副墊圈層由不傳導質子的材料構成。
33.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實質上低的氧氣滲透性的材料構成。
34.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的副墊圈層由具有實質上低的氫氣滲透性的材料構成。
35.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的副墊圈層由選自聚合物材料、不銹金屬材料及其組合的材料構成。
36.根據權利要求27的燃料電池，還包括一對催化劑層。
37.根據權利要求27的燃料電池，還包括一對副墊圈層。
38.根據權利要求27的燃料電池，還包括設置在所述的擴散介質層與所述的催化劑層和所述的副墊圈層中的至少一個之間的多孔層。
39.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的導電元件不與所述的隔膜層接觸。
40.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的第一或第二平臺區域的間隔小于所述的第二自由流動通道的間隔。
41.根據權利要求27的燃料電池，其中所述的第一或第二平臺區域的間隔不大于所述的第二自由流動通道間隔的一半。
全文摘要
本發明涉及一種燃料電池，其至少部分地抗腐蝕，包括使用由至少部分地抗腐蝕的材料構成的組件。該燃料電池包括副墊圈材料和設計，涉及副墊圈的幾何設置，這種設置減少了氧氣從隔膜的陰極滲透到陽極側和/或氫氣從隔膜的陽極滲透到陰極側。除了與傳導質子的并具有高O
文檔編號H01M4/86GK1976104SQ200610147009
公開日2007年6月6日 申請日期2006年9月15日 優先權日2005年9月15日
發明者M·K·布丁斯基, B·K·布拉蒂, H·A·加斯泰格, K·E·紐曼 申請人:通用汽車環球科技動作公司