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CN101120466B - 带有过氧化氢分解催化剂的膜电极装置 - Google Patents

带有过氧化氢分解催化剂的膜电极装置 Download PDF

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Abstract

一种膜电极装置(10)，包括：包含氢气氧化催化剂的阳极(12)；阴极(14)；设置于阳极(12)和阴极(14)之间的膜(16)；以及过氧化物分解催化剂(18)，其位于至少一个选自由阳极和膜(47)之间的层以及阴极和膜(50)之间的层构成的组的位置，其中当暴露于过氧化氢时，过氧化物分解催化剂对从过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性。过氧化物分解催化剂也可定位于膜(16)中。也公开了一种产生电力的燃料电池系统，包括该膜电极装置(10)和操作该燃料电池系统的方法。装置组件包含离聚物材料，它可以是全氟化和非全氟化高温烃等。

Description

带有过氧化氢分解催化剂的膜电极装置
相关申请的交叉引用
本申请是2002年9月4日提交的未决美国专利申请No.10/235,074的部分继续申请。
发明背景
本发明涉及膜电极装置，更具体地涉及用于燃料电池，特别是质子交换膜(PEM)燃料电池的这种装置。
PEM燃料电池包括膜电极装置(MEA)，该装置在膜的每一侧典型地包括阳极和阴极，其中燃料投料到阳极，氧气投料到阴极，所得反应产生电。
不幸的是，当前的膜技术制备的包含这种膜的电池堆栈(stack)具有和大约1,000小时一样短的使用寿命，这完全达不到最终目标。当膜失效时，故障突然发生，结束了电池的使用寿命，因此迫使即时干涉。可以从堆栈中把电池取出替换，但是需要非常小心，不过将伴随着邻接电池的电位损失。这种类型的替换方法不是可行的现场维修，很可能的是一旦膜失效开始，就需要堆栈替换。
很清楚仍存在对具有更长使用寿命的燃料电池装置等的膜的需求。
因此本发明的首要目的是提供具有增加使用寿命的膜电极装置。
其它目的和益处将在下文中显示。
发明概要
根据本发明，将会容易获得前述的目的和益处。
根据本发明，提供了一种膜电极装置，它包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性。
根据本发明的另一个实施方案，提供了产生电力的燃料电池系统，其包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极、所述膜、所述阴极、所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性，以及其中所述过氧化物分解催化剂选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组。
进一步根据本发明，提供了一种操作燃料电池的方法，该方法包含步骤：提供包括膜电极装置的燃料电池，该装置包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极、所述膜、所述阴极、所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性；以及把含氢燃料投到所述阳极，把氧气源投到所述阴极，这样操作所述燃料电池，在所述过氧化物分解催化剂的存在下产生过氧化氢，由此使所述过氧化氢分解成所述良性产物。
附图的简要说明
参照附图将详细描述本发明的优选实施方案，其中：
图1阐释了根据本发明的膜电极装置的双层阳极构造；
图2阐释了根据本发明的膜电极装置，其中膜也包含催化剂；
图3阐释了本发明的另一个实施方案，其中催化剂也分散于整个阳极和阴极；
图4阐释了本发明的一个实施方案，其中催化剂设置于膜和阳极之间以及膜和阴极之间的层中；
图5阐释了本发明的另一个实施方案，其中催化剂仅仅设置于阴极和膜之间的层中；
图6阐释了本发明的一个实施方案，其中过氧化物分解催化剂设置于膜和阳极之间的分散层中；以及
图7示意性地阐释了根据本发明的包含膜电极装置的燃料电池操作期间发生的不同反应。
详细说明
本发明涉及膜电极装置及操作包含该膜电极装置的PEM燃料电池的方法，其中膜受保护以免遭能分解或侵蚀电池膜并降低电池寿命的过氧化氢分解产物的侵袭。
根据本发明，已经发现质子交换膜(PEM)燃料电池的使用寿命极限经常是膜的使用寿命。对于这种膜的使用寿命，已经发现膜被侵蚀直至它们失效。根据本发明，已经发现这种侵蚀是由于过氧化氢在膜上或膜内的有害分解造成的，这产生了使膜分解的自由基。根据本发明，通过在膜电极装置中结合过氧化物分解催化剂避免了这种过氧化物分解的有害产物，延长了该膜和包含该膜的电池的使用寿命。
全氟化膜可能是中意的，因为它们对氧化侵袭固有地具有优异的化学耐受性。然而，本发明对于保护其它类型的膜也很有用，例如设计用于高温应用的膜和/或烃膜。
由于在汽车应用中改进散热(heat rejection)以及固定应用(stationary application)中改进废热回收能力的潜力，高温聚合物电解质膜正越来越受关注。然而，在高温下，降解反应以更快的速率发生。膜化学降解的活化能约为20kcal/mol。一般来说，下式表示了这个关系：
r/r0＝A exp(-Ea/RT)，其中
r/r0是相对反应速率或速率常数，
A是指前因子或频率因子，
Ea是活化能，
R是通用气体常数，以及
T是绝对温度。
考虑上述关系式可以弄清楚，伴随着升高温度预期降解速率指数级增加。因此，聚合物电解质膜如Nafion复合物和无机氧化物等，在高温下操作时，将会展示出更高的降解速率。在汽车应用中，主要由于价格原因，正在增加对非全氟化膜的兴趣。然而，这种膜不如全氟化膜耐氧化侵袭。膜内的非氟化位点越多，膜越容易受到侵袭。因此，烃膜如聚苯乙烯磺酸膜将基本上很容易受到氧化侵袭。
本发明能有利地保护全部上述的膜或材料，全氟化和非全氟化高温烃等，并且特别适于与这些类型的膜使用。
图1阐释了包含根据本发明的膜电极装置(MEA)10的燃料电池的一部分。MEA 10包括阳极催化剂层12，阴极催化剂层14和位于其间的膜16。如下面将要讨论的，过氧化物分解催化剂层或下层18在这个实施方案中位于膜16和阳极催化剂层12之间。为了简便，这里把阳极和阴极催化剂层分别称为阳极和阴极。应当意识到实际的阳极或者阴极位于层12、14的外面，例如与下面的说明一样全面地在图4中更加全面地所示和所说明的。在燃料电池的正常操作中，含氢燃料被投到阳极12，氧气源投到阴极14，如所期望地，发生了产生膜16两端的电压的反应。
阳极电极催化剂12、过氧化物分解层18、膜16、过氧化物分解层16和阴极电极催化剂14中的每一个都包含一些能传导质子的离聚物材料或离子聚合物，这种材料可以是全氟化的、部分氟化的和/或非氟化的。每个层可以包含相同的离聚物材料，或者在一些层中不同的离聚物材料也可被采用。这对于图2-6中所示的实施方案也是如此。
合适的全氟化材料的非限定性例子包括：Dow和SolvaySolexis的
Figure G2004800448972D00041
和Asahi Chemical的各种当量重量(-600-1500)的Aciplex；以及带有或不带有噻吩的与杂多化合物(heteropoly-compound)结合的离聚物，例如
Figure G2004800448972D00042
-硅钨酸(NASTA)、或
Figure G2004800448972D00043
-磷钨酸或-磷锆酸。
合适的部分氟化材料的非限定性例子包括：交联的或非交联的聚-α，β，β-三氟苯乙烯；辐射接枝聚合物，接枝到PTFE、FEP、PVDF等上的聚苯乙烯；例如
Figure G2004800448972D00045
和
Figure G2004800448972D00046
以及磺化双酚聚砜。
合适的非氟化材料的非限定性例子包括：聚苯乙烯磺酸和用二乙烯基苯交联的聚苯乙烯磺酸；改性液晶芳香聚酯；用磷酸吸液(imbibed)的聚苯并咪唑；磺化聚酰亚胺；磺化聚苯硫；磺化聚砜；磺化聚(芳醚砜)；以及磺化聚酮，和聚(醚醚酮)。
可以对这些不同部位的离聚物材料进行增强。一个非限定性的实例是增强的全氟化膜，其具备如下的增强：通过结合离子交换材料和编织织物(woven fabric)介质实现的宏观增强和通过结合离子交换材料和非离子官能的微孔介质实现的微观增强。
根据本发明，已经发现通过部分还原交换的(crossover)氧气，过氧化氢经常在位于过氧化物分解层18和膜16之间的界面49(也显示在图4中)处产生。在阳极电位处，位于阳极下层18中的典型的氢气氧化催化剂的表面是这样的，使得在这个位置与催化剂接触的氧气具有高的被还原成过氧化氢的机会。可以通过氧气交换(crossover)或通过趋向于减轻CO中毒的空气放气或通过其它机理来使氧气与阳极催化剂接触。
过氧化氢可以分解为诸如水和氧气的良性产物。然而，在一定条件下，过氧化氢分解为可损坏膜的产物。例如，过氧化氢可以与杂质离子或高表面积微粒反应产生·OH自由基，它能侵袭膜的聚合物。根据本发明，据信这种自由基是过氧化氢到达膜时形成的，这种自由基要对膜的化学侵蚀或耗费负责。
根据本发明，过氧化物分解催化剂结合到膜电极装置10中(图1)并且有利定位以使过氧化氢良性分解，优选分解成水和氧气。根据本发明，过氧化物分解催化剂可以定位于一个或多个位置，包括阳极内、阴极内、膜本身内、作为位于阳极和膜之间基本上无孔的(空隙度＜5％)层、作为位于阴极和膜之间基本上无孔的层以及这些位置的结合中。优选位置是位于膜16与阳极12和催化剂14中之一或全部二者之间的层(一层或多层)中。
根据本发明，过氧化物分解催化剂优选选择为对过氧化氢的良性分解和/或对形成诸如但不限于交换的氢气和/或氧气的反应物的潜在过氧化物的消耗具有活性。良性分解被认为是形成对膜结构无害的产物。因此，良性分解包括分解过氧化氢以形成水和氧气。被认为是非良性的并且被本发明的催化剂结合所禁止的特定分解是分解过氧化氢形成诸如·OH和·OOH的自由基。
本发明的过氧化物分解催化剂优选是不允许自由基从过氧化氢中逃逸或产生的那些。
根据本发明，过氧化物分解催化剂可以包括导电或不导电材料，优选那些在燃料电池环境中电化学稳定的。优选地，过氧化物分解催化剂是元素或组合物，其含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合，优选Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它们的组合构成的组的元素。这样的催化剂进一步优选地设置于载体上，该载体可以有利地选自由Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物，以及沸石，碳和它们的混合物构成的组。
如这里所用的，当催化剂作为层结合于电极或膜时，或分散通过电极或膜时，或二者兼而有之时，催化剂被认为在电极内或膜内。
根据本发明一个方面，过氧化物分解催化剂优选位于邻接膜电极装置的阳极和/或阴极的位置以提供过氧化氢的良性分解。如这里所用的，术语“邻接”包括物理邻接定位于电极以及与电极电连接的定位。
在图1中阐释的实施方案中，提供过氧化物分解催化剂作为定位于阳极12的面向膜侧或表面13上的无孔层18。
层18可以有利的是电连接的和具有大约0％和大约30％之间空隙度的离子传导结构，其中过氧化物分解催化剂以基于层容积的大约5％-大约50％的量存在，其中离子交换材料以基于层容积的大约5％-大约95％的量存在。
在这个实施方案中仍参考图1，膜电极装置的阳极12包括氢气氧化催化剂，以及下面层(underlying layer)或下层(under layer)18包含本发明的过氧化物分解催化剂。在这个实施方案中，层18邻接到阳极12的表面13上。
阳极12中的氢气氧化催化剂可以是任何对期望反应具有合适活性或选择性的催化剂。合适的氢气氧化催化剂的例子包括：铂和铂-钌催化剂，这种催化剂可以优选地负载在诸如碳的合适载体上。
只要在层18中提供了足够的选择性以提供期望水平的过氧化氢的良性分解，可以将其它(一种或多种)催化剂与过氧化物分解催化剂一起结合到层18中。
提供的层18具有高离聚物含量，优选足够高到该层基本上是无孔的，具有低于大约20％的空隙度，这也可能是优选的。进一步优选地，层18较薄，并且提供低容积率(volume fraction)的催化剂以最小化由于层的增加导致的离子阻力。
一个实施方案中层18优选地以与阳极12电连续性方式提供，相对于电绝缘层，这种电连续性能极大简化生产。另外，由于层18和膜16之间的界面是预期形成过氧化氢并侵蚀性地侵袭膜的地方，因此优选地，尽可能接近阳极12来放置层18。
根据图1的实施方案，当膜电极装置10操作时，任何在阳极12中、或在表面13处或在阳极12和层18之间产生的过氧化氢密切接近层18中的过氧化物分解催化剂，如同预期的，在进入膜16前经良性方式分解。这有利地起到延长了装置10中的膜16的使用寿命的作用，因此根据本发明，如预期的那样增加了产品寿命。
现在转向图2，阐释了膜电极装置22的备选实施方案。图2显示膜电极装置22具有阳极24、阴极26和包含分散于其中的期望的过氧化物分解催化剂的催化膜28。当过氧化物进入膜28时，这种催化剂(处于与图1的层实施方案类似的模式)有利地起到通过良性方式分解过氧化氢的作用。
根据图2的实施方案，应当意识到设置于其中的催化剂可以是或可以不是电绝缘的。绝缘的或非导电层可以源自催化剂颗粒和/或载体的性能，或者可以形成面积-比电阻约200-约2000Ohm/cm2导电层。该范围引起可以忽略的寄生电流，数量级为0.5-5mA/cm2。这种催化剂构造起到极大简化生产并且没有很影响电池功效的作用。
进一步根据图2的实施方案，如图所示，在这个实施方案中也是通过整个膜对膜进行催化的，包括和直到面向阳极24的表面30和面向阴极26的表面32。如同所阐释的，这可以通过例如在膜28上分散催化剂来实现。这有利地对膜28提供保护免受来自阳极24或阴极26产生的过氧化氢的侵袭。
在图2的实施方案中，由于容许阳极24和阴极26之间的弱电连接，催化剂在膜中的负载并不比如果催化膜是电绝缘的情况更受限制。
根据本发明的另一个实施方案(见图3)，提供了具有阳极36、阴极38和位于其间的膜40的膜电极装置34。在这个实施方案中，除了位于阳极36中的氢气氧化催化剂和可以存在于阴极38中的氧气还原催化剂外，过氧化物分解催化剂也有利地分散于阳极36和阴极38。本发明这个实施方案中的电极中的催化剂的混合可以有利地允许过氧化物分解催化剂离其源头即氢气氧化和/或氧气还原催化剂尽可能近地定位。
当然，也应当意识到图1、2和3中每一个阐释的过氧化物分解催化剂位置可以以其它方式结合。另外，结合图1的实施方案，如果期望和/或必需的话，过氧化物分解催化剂可以额外定位于膜16和阴极14之间的层中，如图4中所示。
图4阐释了根据本发明的另一个膜电极装置42，其包括阳极催化剂层44、阴极催化剂层46(这里称作为阳极44和阴极46)和设置于其间的膜48。图4也显示了与实际电极电连接的气体扩散层100、102。这些层定位于膜装置的任一侧上，包括膜、阳极催化剂层44和阴极催化剂层46。在这个实施方案中，阳极44包括设置于其中的氢气氧化催化剂、阴极46包含设置于其中的氧气还原催化剂，这对本领于普通技术人员是众所周知的。另外，在这个实施方案中，阳极44邻接到包含本发明的过氧化物分解催化剂的层47上，邻接到阴极46上的是本发明的过氧化物分解催化剂的层50。这些层47、50基本上是无孔的并且电连接到阳极和阴极催化剂层44和46。如上所述，这个实施方案如同本发明所预期的那样有利地起到提供良性分解通过装置42的任一电极所产生的过氧化氢的作用，并起到提高膜48的使用寿命的作用。
现在转向图5，阐释了另一个根据本发明的膜电极装置52，其包括阳极54、阴极56和设置于其间的膜58。在这个实施方案中，过氧化物分解催化剂的层60添加于阴极56和膜58之间。当膜电极装置52是在期望过氧化物在阴极56中产生的方式下操作时，这种构造可能是期望的。
现在转向图6，阐释了本发明的另一个实施方案。在这个实施方案中，过氧化物分解催化剂在单独的层70中，经分散通过该层而设置。这样，图6显示了根据本发明的膜电极装置62，包括阳极64、阴极66和位于其间的膜68。在这个实施方案中，以通过合适的层材料分散的合适的过氧化物分解催化剂的形式提供单独的层70。例如，可以通过从膜任一侧(或表面)或两侧(或表面)浸渍到膜材料中达到期望厚度来把这种催化剂层设置于膜中。在这个实施方案中，其中电导性是不需要的，催化剂密度可以有利地低于其它构造。另外，这个层(像前面描述的其它层)基本上是无孔的，类似于膜58。当然应当意识到图6显示了具有包含分散于装置的阳极和膜之间的催化剂的层的构造。如果期望的话，这种分散的催化剂的层可以类似地位于阴极和膜之间，或者单独地或者与图6中阐释的层结合。
为了对膜提供最大保护或屏蔽于过氧化氢，可以把含有过氧化物分解催化剂的图3的混杂的阳极和阴极与图1的电极-过氧化物分解催化剂层复合物结合，对阳极或阴极或二者(如图4中)而言，这样以分解所有进入膜的过氧化物潜在源。
另外根据本发明，也有利地发现负载在氧化物上的过氧化物分解催化剂的使用可以用来改变阳极和阴极的水迁移(water transfer)性，例如使得阳极比阴极更亲水。
根据本发明的另一方面，膜电极装置可以有利地在阳极中、膜中、阴极中、阳极和膜之间的层中、和/或阴极和膜之间的层中带有过氧化物分解催化剂，当过氧化物分解催化剂这样定位时，过氧化物分解催化剂的特别优选组包括元素或含有元素的组合物，其选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组。这种催化剂可以进一步负载在上面确定的载体上。
也如同上面阐明的，当应用于产生电力的燃料电池系统时，这里描述的膜电极装置特别有利。在这种构造中，电极装置位于相似组件的堆栈中，堆栈被供应优选富氢燃料以及氧化剂或氧气源。除了产生电力的公知反应，这种燃料电池的组件投料也会形成过氧化氢，根据本发明，它将会沿良性方式分解。根据本发明，过氧化物分解催化剂有利地起到沿良性方式分解过氧化氢，优选生成水和氧气的作用，这样膜电极装置的膜受到保护免遭自由基或其它有害的过氧化物分解产物的侵袭，延长了膜寿命。
包括本发明的电极和过氧化物分解催化剂层的装置在这里称为膜电极装置。当然应当意识到这个术语意图还特别包括图4中所示的成套电极装置(UEA)，其包括配备有气体扩散层100、102和密封(未显示)的MEA。
图7阐释了发生并可导致过氧化氢问题形成的各种反应。图7显示了膜电极装置的一部分，包括膜72，和含有作为氢气氧化催化剂的铂微粒的电极74。图7另外显示了各种进入阳极的氢气和引入的氧气，它们在铂微粒的存在下可以形成过氧化氢(H2O2)。顺序A中阐释的反应能导致对电极材料的侵袭。然而，实际上，如果不是全部的话，大部分这种反应被如图7顺序B中阐释的那样发生的反应所克服，其中过氧化氢在电极中被分解。然而，图7的顺序C和D导致在密切接近膜72时形成过氧化氢，这导致根据本发明克服的过氧化物有害分解的不期望的可能性。在这两个顺序中，当氢气在密切接近膜时遇到铂微粒和或者如同顺序C中来自交换的氧气或如顺序D所示以引入的氧气的形式的氧气时，过氧化氢形成并且可以穿透膜72，由此分解成有害产物，导致膜72的化学降解或耗费。
本发明促进的过氧化氢的良性分解一般发生在MEA中，依照下面的反应发生：
H2O2+H2→2H2O      (低电位)
H2O2→1/2O2+H2O    (高电位)
当在铂的存在下，过氧化氢分别在低和高电位分解时，这些良性反应通常发生。根据本发明，已经发现一旦过氧化氢进入膜，在可能是杂质离子或高表面积微粒的物种X的存在下，改为发生下面的反应：
H2O2+X→·OH
·OH自由基可以侵袭聚合物，或者可再结合成过氧化氢，另外可以与过氧化氢反应形成诸如·OOH的其它自由基。据信这些自由基然后侵袭膜，导致同样的耗费或降解。
如本发明中阐明的过氧化物分解催化剂的定位有助于形成如上面期望的把该过氧化氢分解成氧气和水的良性分解，以及在任何膜的物种或杂质存在的情况下，避免会导致自由基形成和膜损坏的过氧化氢的分解。
应当意识到本发明对膜提供保护免受能侵袭膜的过氧化物分解产物的侵袭，这样如预期的减少了膜的侵蚀，增加了膜的使用寿命。这种保护可以应用于全氟化膜、非全氟化膜和烃膜以及任何其它类型的易受到过氧化氢分解产物侵袭的膜。
在上面讨论的与图1和4-6关联的优选实施方案中，层或下层定位于膜和一个或两个电极之间。这些下层在相关档案中也可以被称为扩展催化层。该层与电极是可区分的，其通常在几个方面中邻接于所述电极。
一个重要的特性是空隙度。电极催化剂层(图1中的12、14)典型地具有大于大约30％，一般大于大约35％，典型地最高到大约60％的空隙度。相反，层或下层(图1中的18)优选地具有低于电极催化剂层的空隙度，优选低于大约20％，更优选层或下层是基本上无孔的(空隙度＜5％)。
电极催化剂层也具有比下层低的离聚物容积和质量含量。
催化剂粒子间的电连通性是另一方面，其中与下层相比，电极催化剂层具有较高的值。
在膜电解质与催化剂粒子的离子接触方面，电极催化剂层的值一般低于下层。
最后，当电极催化剂层优选是疏水的时候，下层优选尽可能地亲水，以保留水来水合离聚物并抑制气体扩散。
具有过氧化物分解催化剂的膜电极装置还描述于2004年3月4日提交的未决且共同拥有的美国专利申请10/795,181中，其被引入本文作为参考。
应当知道本发明并不是限定于这里说明和显示的例子，它们应当被认为仅仅是实施本发明的最好方式的说明性的例子，并且它们可以经受形式、大小、部件结构和操作细节的变化。本发明意图包括所有这些落入权利要求所定义的精神和范围内的变化。

Claims (33)

1.一种膜电极装置，包括：
包含氢气氧化催化剂的阳极；
阴极；
设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及
过氧化物分解催化剂，其位于至少一个选自由所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的位置，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性，其中所述层具有低于或等于20％的空隙度，其中所述阳极、阴极、膜和层的至少其中之一包含离聚物材料，其中该材料选自由非全氟化聚合物电解质、烃以及它们的组合构成的组。
2.权利要求1的装置，其中膜是增强膜。
3.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组的元素。
4.权利要求3的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它们的组合构成的组的元素。
5.权利要求3的装置，其中所述过氧化物分解催化剂负载在选自由Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物，沸石，碳和它们的组合构成的组的载体上。
6.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Ag、Au、C和它们的组合构成的组的元素。
7.权利要求6的装置，其中所述过氧化物分解催化剂负载在碳上。
8.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂是碳。
9.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂作为位于所述阳极和所述膜之间的所述层存在。
10.权利要求9的装置，其中所述阳极和所述膜之间的所述层电连接到所述阳极上。
11.权利要求9的装置，另外包含所述膜和所述阴极之间的所述过氧化物分解催化剂的层。
12.权利要求9的装置，其中所述阳极和所述膜之间的所述层另外包含一部分所述氢气氧化催化剂。
13.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂包含于所述膜中。
14.权利要求13的装置，其中所述过氧化物分解催化剂从所述膜的表面浸渍入所述膜中达到进入所述膜中的期望厚度。
15.权利要求13的装置，其中所述膜具有阳极表面和阴极表面，其中所述过氧化物分解催化剂在所述阳极表面和所述阴极表面设置于所述膜中，由此在所述阳极和所述阴极中任一处产生的过氧化物在所述过氧化物分解催化剂的存在下被分解。
16.权利要求1的装置，其中所述过氧化物分解催化剂设置于所述阳极和所述阴极中的至少一个中。
17.权利要求16的装置，其中所述过氧化物分解催化剂设置于所述阳极和所述阴极二者中。
18.权利要求17的装置，其中所述阳极比所述阴极包含更大浓度的所述过氧化物分解催化剂。
19.权利要求18的装置，其中所述阳极比所述阴极更亲水。
20.一种产生电力的燃料电池系统，包括排列于燃料电池堆栈中的许多燃料电池，其中所述燃料电池包含膜电极装置，该装置包括：
包含氢气氧化催化剂的阳极；
阴极；
设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及
过氧化物分解催化剂，其位于至少一个选自由所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的位置，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性，其中所述层具有低于或等于20％的空隙度，其中所述阳极、阴极、膜和层的至少其中之一包含离聚物材料，其中该材料选自由非全氟化聚合物电解质、烃以及它们的组合构成的组。
21.权利要求20的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组的元素。
22.权利要求21的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它们的组合构成的组的元素。
23.权利要求21的装置，其中所述过氧化物分解催化剂负载在选自由Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物，沸石，碳和它们的组合构成的组的载体上。
24.权利要求20的装置，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Ag、Au、C和它们的组合构成的组的元素。
25.权利要求24的装置，其中所述过氧化物分解催化剂负载在碳上。
26.权利要求20的装置，其中所述过氧化物分解催化剂是碳。
27.一种操作燃料电池的方法，包括步骤：
提供包括膜电极装置的燃料电池，该装置包括包含氢气氧化催化剂的阳极；阴极；设置于所述阳极和所述阴极之间的膜；以及位于选自由所述阳极和所述膜之间的层以及所述阴极和所述膜之间的层构成的组的至少一个位置上的过氧化物分解催化剂，其中当暴露于过氧化氢时，所述过氧化物分解催化剂对从所述过氧化氢生成良性产物的反应具有选择性，其中所述层具有低于或等于20％的空隙度；以及
把含氢燃料投到所述阳极，把氧气源投到所述阴极，这样操作所述燃料电池，在所述过氧化物分解催化剂的存在下产生过氧化氢，由此使所述过氧化氢分解成所述良性产物，其中所述阳极、阴极、膜和层的至少其中之一包含离聚物材料，其中该材料选自由非全氟化聚合物电解质、烃以及它们的组合构成的组。
28.权利要求27的方法，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Ce和它们的组合构成的组的元素。
29.权利要求28的方法，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Pt、Pd、Ir、C、Ag、Au、Rh、Ru和它们的组合构成的组的元素。
30.权利要求27的方法，其中所述过氧化物分解催化剂负载在选自由Ru、Sn、Si、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Ce的氧化物，沸石，碳和它们的组合构成的组的载体上。
31.权利要求27的方法，其中所述过氧化物分解催化剂含有选自由Ag、Au、C和它们的组合构成的组的元素。
32.权利要求31的方法，其中所述过氧化物分解催化剂负载在碳上。
33.权利要求32的方法，其中所述过氧化物分解催化剂是碳。
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