CN104051750A - 质子交换膜燃料电池中的微孔层结构及气体扩散层组件 - Google Patents

Abstract

公开了一种质子交换膜燃料电池中的微孔层结构及气体扩散层组件。在至少一个实施例中，提供了一种微孔层，所述微孔层被构造为设置在燃料电池电极组件的催化剂层和气体扩散层之间。微孔层可以具有限定在其中的多个亲水孔、直径为0.02μm至0.5μm的多个疏水孔和直径为0.5μm至100μm的多个穿孔。这里公开的微孔层结构和气体扩散层组件可以由多个不同的设计和布置来限定，以用于质子交换膜燃料电池系统。

Description

质子交换膜燃料电池中的微孔层结构及气体扩散层组件

技术领域

本公开涉及一种用在质子交换膜燃料电池系统中的微孔层结构和气体扩散层组件。

背景技术

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的水的存在和管理是在与获得的燃料电池系统相关的性能、耐久性和成本方面中的关键因素。依据特定系统的性能规范，需要特定少量的水来保持燃料电池膜的水合并在聚合物电解质中帮助有效的质子传导率。此外，在燃料电池启动和关闭过程中会经常出现的燃料耗尽的条件下，液态水是阳极处的优选的反应物；否则，碳会代替氢来反应，以维持功率需要，这导致催化剂碳腐蚀和燃料电池劣化。虽然需要特定水平的水来有效地操作燃料电池，但是在气体通道和包括催化剂和气体扩散层的多孔电极中过量的水聚集会导致性能变化和耐久性问题。这些问题可以包括在高电流密度下由于反应气传输限制而导致的电压损失、在低电流密度下的电压不稳定、在寒冷条件下的启动不可靠以及由于氢耗尽而导致的碳催化剂支撑体腐蚀。鉴于这些需求和缺点，在PEMFC系统中的水管理对它们的操作来讲是整体重要的。

发明内容

公开了用于气体扩散层组件中的微孔层结构。公开的微孔层被构造为设置在质子交换膜燃料电池的阳极区或阴极区之一中的气体扩散层和催化剂层之间。

在至少一个实施例中，微孔层被设置为包括被构造为设置在燃料电池电极的催化剂层和气体扩散层之间的材料层。微孔层可以包括多个亲水孔、直径为0.02μm至0.5μm的多个疏水孔以及直径为0.5μm至100μm的多个穿孔。

在至少另一个实施例中，微孔层被设置为包括被构造为设置在燃料电池电极的气体扩散层和催化剂层之间的材料层。微孔层可以包括直径为0.02μm至0.5μm的多个亲水孔、直径为0.02μm至0.5μm的多个疏水孔以及直径为1μm至20μm的多个穿孔。所述多个亲水孔、所述多个疏水孔和所述多个穿孔可以被限定在第一材料层中。公开的微孔层还可以包括被构造为设置在催化剂层和第一材料层之间的第二材料层。

在至少又一个实施例中，提供了一种在燃料电池电极中的形成气体扩散层组件的与催化剂相邻地设置的一部分的微孔层。微孔层可以包括第一碳基材料层，第一碳基材料层具有直径为0.05μm至0.2μm的多个疏水孔以及直径为1μm至20μm的多个穿孔。微孔层还可以包括第二碳基材料层，第二碳基材料层被构造为设置在催化剂层和第一材料层之间。第二碳基材料层可以包括碳以及一种或多种氟碳聚合物。微孔层的第一碳基材料层或第二碳基材料层可以包括两个或更多个材料区，其中至少两个材料区由不同的物质组成。

疏水孔可由利用一种或多种疏水氟碳粘合剂处理的碳颗粒、碳纳米纤维或碳纳米管形成。所述多个穿孔可以是激光钻孔的穿孔。所述多个穿孔的特征可以在于其接触角在50度至150度之间。

在至少又一个实施例中，微孔层被公开为包括材料层，材料层中限定有多个亲水孔、直径为0.05μm至0.2μm的多个疏水孔以及具有直径为0.5μm至100μm的基体端的多个截锥穿孔。公开的所述多个截锥穿孔可以从微孔层的与催化剂层相邻的表面向微孔层的与气体扩散层相邻的表面向内倾斜。可选地，公开的所述多个截锥穿孔可以从微孔层的与气体扩散层相邻的表面向微孔层的与催化剂层相邻的表面向内倾斜。

所述多个亲水孔的直径可以小于所述多个疏水孔的直径。

附图说明

图1是质子交换膜燃料电池（PEMFC）组件的示意图。

图2a是根据本公开的一个或更多个实施例的微孔层结构的平面图。

图2b是根据本公开的一个或更多个实施例的微孔层结构的平面图。

图3是示出根据本公开的一个或更多个实施例的微孔层的表面的一部分的放大图。

图4是示出根据本公开制造的示例气体扩散层组件与传统的气体扩散层组件相比的在典型的预热条件下的性能的曲线图。

图5是示出根据本公开制造的示例气体扩散层组件与传统的气体扩散层组件相比的在典型的干热条件下的性能的曲线图。

图6是示出根据本公开的一个或更多个实施例的包括微孔层的气体扩散层和催化剂层的燃料电池组件的一部分的剖视图。

图7是示出根据本公开的一个或更多个实施例的包括微孔层的气体扩散层和催化剂层的燃料电池组件的一部分的剖视图。

具体实施方式

在这里公开了本公开的实施例。然而，应该理解，公开的实施例仅仅是示例，其它实施例可以具有不同的替代形式。附图不需要是按比例的；为了示出特定组件的细节，可以夸大或缩小一些特征。因此，这里公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员来多样地实现本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任意一个附图示出并描述的各种特征能够与在一个或更多个其它附图中示出的特征结合来产生未被明确地示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式，可以期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

燃料电池中的水的水平强烈地影响膜性质以及反应物传输和电极反应动力学。因此，在获得较高水平的电池性能中，水管理是重要因素。为了实现不同的燃料电池组件的氢需求和从燃料电池系统中去除过量的水之间的适当的平衡，燃料电池的设计可以被定制为在给出的系统的操作条件下有效地管理水。质子交换膜燃料电池（PEMFC）包括能够潜在地应用特定的材料和结构设计来改善组件中的水管理的多个组件。如在这里公开的，PEMFC的特定的气体扩散介质在电极组件以及更大的燃料电池系统两者中执行水管理的整体作用，PEMFC通常包括碳纤维基气体扩散层（GDL），该GDL包括设置在GDL和相邻的催化剂层（CL）之间的界面处的微孔层（MPL）的覆盖件。基于给出的PEMFC的特性和操作条件，GDL组件的架构（包括MPL的结构和设计）可以被优化，以改善整个燃料电池系统中的水管理。

在典型的PEMFC系统中，主要有两个液态水的来源。第一个是由在阴极发生的氧还原反应产生的水。液态水的第二个来源包括湿化气源由于反应物被消耗并且蒸气压超过饱和压力而导致的凝结。根据法拉第定律，由于还原反应而在阴极催化剂层（CL）产生的水可以通过下面的等式来确定。

J_H2O=Mj/2Fρ          (1)

其中，J_H2O是水流量，单位是cm³/s·cm²；

M是水的分子量（即，18g/mol）；

J是操作电流密度，单位是A/cm²；

F是法拉第常数（即，大约96485C/mol）；

ρ是液态水的密度（即，在25℃下1g/cm³）。

因此，对于在25℃以及0.1A/cm²的电流密度下操作的燃料电池，在阴极的液态水的产率将是5.6×10^-4cm³/(min·cm²)。在阴极产生的水可以被燃料电池的质子交换膜（PEM）和阴极CL吸收和/或以液相或气相中的一种通过阴极GDL传输至阴极气体通道。

鉴于CL吸收氧还原反应中产生的水的趋势，能够在这样的层中储存的水的量是获得的电池的水管理中的重要因素。在燃料电池从亚寒冷条件下启动的过程中尤其如此。亚寒冷条件下的启动可以在多种应用（包括与在车辆中使用的PEMFC相关的应用）中遇到。CL的每单位有效面积的最大水储存量可以如下地基于特定的催化剂层的厚度和孔体积来估计：

水储存=t_CL×ε_CL             (2)

其中，t_CL是催化剂层的厚度，单位为cm；

ε_CL是催化剂层的孔隙率。

假设催化剂层的厚度为15μm并且孔隙率为0.4，如已经对已知的Pt/C催化剂层所示出的，单位有效面积的最大水储存量被计算为6×10^-4cm³/cm²。将该值与根据上面的等式1计算的水产率相比，显示出与产生的水量相比，催化剂层的最大水储存量通常小。例如，再假设孔隙率为0.4，在催化剂层被淹没之前，厚度为15μm的Pt/C催化剂层仅能够支持大约1分钟的在0.1A/cm²下的燃料电池的操作。显然，对于例如薄膜式（例如包括3M NSTF）的某些类型的催化剂层来说，由于这种催化剂层的厚度更薄，电极淹没甚至会更快地出现。

鉴于多孔的CL某种程度上也包括用于传输反应气体的开口孔的事实，所以CL的实际水储存量通常小于计算的量。因此，在理想的操作条件下，可以假设仅有典型的Pt/C CL的主要孔（其特征在于直径在20nm和40nm之间）中填充有液态水，而较大的二级孔（其特征在于直径在40nm和100nm之间）保持敞开，以用于将反应气体传输至反应地点。由于在多孔CL中的实际液态水储存量很可能小于根据等式2计算的量，所以在出现由CL淹没导致的额外的质量传输阻力之前，在给出的电流密度下的理想的燃料电池操作可能比上面计算的时间更短。

然而，在实践中，许多燃料电池会在相对高的电流密度下操作，而没有遇到明显的质量传输损失。这当然是由于PEMFC系统具有若干个用于从CL去除水的机制。这种用于去除水的机制中的两个是温度驱动蒸气传输和毛细管驱动液体流。与在系统中使用的气体扩散介质结合地实现这两种机制。气体扩散介质（更具体地说，GDL和MPL的特定组合和结构）通常允许水和相关的蒸气被传输至阴极气体通道，水可以在阴极气体通道中被气体流带走。

在燃料电池组件中可以存在的温度梯度也对水从活性反应区到气体流通道的传输具有作用。由于在阴极CL的反应热的释放以及给定的GDL的有限的导热率，所以在操作条件下，阴极CL的温度可以比气体通道的温度高。因此，在阴极的剖面上已经观察到具有若干个等级的大小的温度梯度。这种梯度可以促进在CL内部的液-气相变，这驱动了水蒸气从较高饱和气压的区域到较低饱和气压的区域的传输。这种效应将液态水及相关的水蒸气从更高温度的CL驱动到在气体通道中存在的低温区域。利用升高了的燃料电池工作温度并利用跨过电极组件的更大的温度梯度，获得的温度驱动蒸气传输大小上增大了。

在CL中的液态水可被蒸发为气体的比例作为可由电极组件实现的蒸气传输的比例的限制。液/气界面面积显著地影响在CL中获得的蒸发比例。对于PEMFC的阴极CL，液/气界面面积是CL的主要孔中的使液相和气相分开的弯月面的函数。已经示出了特定的阴极CL的具体的性质（包括孔尺寸分布）以满足将液态水转换为水蒸气的CL显著能力。有鉴于此，CL主要孔的密度、尺寸和总体积看起来是观测到的蒸气传输比例的显著因素。

与典型的PEMFC系统CL相比，传统的GDL组件（例如基于涂覆有纯黑碳的碳纤维基纸的MPL）由于通常过大的孔尺寸而同样几乎不适于液气转换的任务。

除了温度驱动蒸气传输之外，PEMFC也允许毛细管驱动液体流作为从反应区去除水的手段。在较低的系统温度和较高的电流密度下，当液态水由于温度驱动蒸汽传输降低和在阴极处产生更多的水而会聚集在CL内部时，这种额外的去除水的机制尤其重要。液态水通过这种机制在多孔CL和GDL中的传输是通过毛细管压力的梯度来驱动的。毛细管驱动液体流量的大小是多孔燃料电池组件的毛细管压力的函数，因此可以根据达西定律来估计。此外，毛细管压力是燃料电池的多孔组件中的水饱和度的函数。毛细管压力可以根据下面的等式来确定：

$p_c=\mathrm{\σ}\cos \left(\mathrm{\θ}1\right)\sqrt{\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}}J\left(s\right)---\left(3\right)$

其中，p_c是毛细管压力，单位是Pa；

σ是水的表面张力（在20℃下等于0.072N/m）；

θ是多孔组件中的水的接触角；

ε是多孔组件的孔体积；

k是水的渗透率，单位是m²；

s是在多孔组件中的水的饱和度；

J(s)是莱弗里特J函数（Leverett J-function）。

结合等式3，已知的GDL通常表现出特征在于在CL附近的位置处更高的饱和度的水饱和度梯度。由于在GDL组件和CL之间的界面处的较高的水饱和度水平妨碍气体的传输，所以这种类型的饱和度梯度潜在地不利于反应气体的传输。结果，水在GDL组件中的分布甚至可能产生能够完全阻断气体传输的水膜。一旦水膜形成在GDL/CL界面处，其在系统中的再分布会需要大量的时间，从而导致延长了的淹没恢复过程。在燃料电池操作瞬间（包括启动和关闭）最容易出现这种结果。

在已知的PEMFC系统中，气体扩散介质材料通常包括厚度为大约200μm的碳纤维基纸和布。这种材料孔隙率高（具有大约80%的孔隙率）从而既允许反应气体传输至催化剂层又允许从催化剂层传输液态水。为了帮助去除液态水，通常利用诸如聚四氟乙烯（PTFE）的非润湿聚合物来处理GDL，从而产生疏水特性的GDL材料。此外，GDL通常在其面对CL的侧上涂覆主要由碳粉末和PTFE颗粒组成的微孔层（MPL）。

在GDL组件中使用的MPL的具体特性和结构对整个燃料电池电极的水的管理可以起到关键作用。因此，MPL的架构和组分可以对燃料电池系统的整体性能具有显著影响。具体地，MPL可以具有下述效果：提高水到阳极的传输-从而提高在阳极侧的膜的润湿度-通过改善氧扩散和水传输来减少在阴极中的淹没，并且改善在CL和GDL之间的界面处的接触。

通过设计MPL的材料和结构构造，可以实现对燃料电池系统中的整体水管理的改进。这里公开的MPL具有有效地解决GDL组件通常具有的有害的水饱和度梯度的能力。现在在现有技术中出现的新型的CL（例如薄膜式CL）具有提高燃料电池耐久性同时降低成本的潜质。除了这些优点之外，由于在电极组件中的有限的水储存量以及有限的液-气相变化位置，所以这些CL中的许多类型（包括薄膜式）容易被淹没。公开的MPL结构可以提供水管理的改进，以帮助利用这些新型的催化剂层的潜质。

现在参照附图，图1描述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）组件10的示例。PEMFC组件（或系统）10通常包括将两个电极组件（负极或阳极11与正极或阴极13）分开的质子交换膜（PEM）16（例如，聚合物电解质膜）。阳极组件11包括具有阳极流通道30的阳极板12。阳极流通道30将氢燃料输送至阳极。相似地，阴极组件13包括具有阴极流通道32的阴极板14。阴极流通道32将诸如氧的氧化剂输送至阴极。阳极11和阴极13中的每个分别包括催化剂层（CL）18和20。阳极组件11还包括通过微孔层（MPL）26与阳极CL18分开的气体扩散层22。相似地，阴极组件13包括通过微孔层（MPL）28与阴极CL20分开的其自己的气体扩散层24。MPL通常包括涂覆在GDL的面对CL的表面上的材料。在一个或更多个实施例中，GDL22或24与相关的MPL26或28的组合在这里可以总称为“气体扩散介质”或“气体扩散层组件”。

如上面解释的，与典型的CL相反，在传统的GDL组件（例如基于涂覆有纯黑碳的碳纤维基纸的MPL）中存在的较大的孔尺寸妨碍水在气体扩散介质中的液-气转换。然而，已知的GDL允许高的气体渗透性和高的导热性和导电性，这对于燃料电池的操作是有利的。通过对将与GDL结合使用的MPL的材料成分和结构架构进行设计，可以在不损害传统的GDL的优点的情况下实现在GDL组件中（更宽泛地说，在电极和燃料电池系统中）的改进了的水管理。这里公开的MPL改善了电极组件的水/冰容差，提高了改进了的在气体扩散介质中的液-气相变换，并且改进了水以液体形式和蒸气形式两者的传输率。这些优点中的每个在正常和寒冷条件下均提供鲁棒的燃料电池操作。

图2a示出了根据本公开的至少一个实施例的MPL36。MPL36可以由三种类型的域组成。MPL36的第一类型的域包括可以由0.02μm至0.5μm的孔直径定义的亲水孔40。这些孔40的尺寸和亲水特性可以被设计为模拟在已知的CL中的催化剂团块之间存在的主要孔。在至少一个实施例中，MPL36的第二种类型的域包括可以由0.02μm至0.5μm的孔直径定义的疏水孔42。这些疏水孔42的尺寸和疏水特性可以被设计为模拟在已知的CL中的碳团块之间存在的二级孔。MPL36还可以包括具有直径为0.5μm至100μm的穿孔44的第三种类型的域。根据不同的实施例，穿孔44可以是亲水的或疏水的。根据通过GDL组件传输液态水的需要来设计穿孔44。MPL36通过提高GDL组件的水储存容量、改进液-气相转换并提高液态水和水蒸气传输速率来提供在整个电极组件中的改进了的水管理。

图2b示出了根据本公开的至少一个实施例的MPL46。与上面描述的MPL36相似，MPL46可以由三种类型的域组成。MPL46包括与MPL36不同的三种潜在的域的布置和构造。MPL46的第一类型的域包括可以由0.02μm至0.5μm的孔直径定义的亲水孔40。这些孔40的尺寸和亲水特性可以被设计为模拟在已知的CL中的催化剂团块之间存在的主要孔。在至少一个实施例中，MPL46的第二种类型的域包括可以由0.02μm至0.5μm的孔直径定义的疏水孔42。这些疏水孔42的尺寸和疏水特性可以被设计为模拟在已知的CL中的催化剂团块之间存在的二级孔。MPL46还可以包括具有直径为0.5μm至100μm的穿孔44的第三种类型的域。根据不同的实施例，穿孔44可以是亲水的或疏水的。根据通过GDL组件传输液态水的需要来设计穿孔44。与MPL36相似，MPL46通过提高GDL组件的水储存容量、改进液-气相转换并提高液态水和水蒸气传输速率来提供在整个电极组件中的改进了的水管理。由于基于工程和科学原理来设计MPL36和46，所以与现有的MPL相比，它们获得了更加恒定、可重复并且可预测的结果。

虽然图2a和图2b示出了公开的域的布置的两个具体的示例，但是这些域可以以任何合适的布置来限定。亲水域、输水域和穿孔的布置可以根据任何数量的适当设计来完成。另外，布置不需要受如图2a和图2b中示出的任何形式的规则图案限制。从MPL的一个区域到另一个区域，域的布置和设计可以改变。本领域普通技术人员将理解根据本公开能够产生的可能的域的布置和设计的广泛范围。

根据至少一个实施例，优选地，亲水孔40的直径为0.05μm至0.2μm。根据至少另一个实施例，亲水孔40的直径为5nm至20nm。根据一个或更多个实施例，优选地，疏水孔42的直径为0.05μm至0.2μm。根据至少另一个实施例，疏水孔42的直径为0.1μm至0.15μm。根据一个或更多个实施例，优选地，穿孔44的直径为1μm至20μm。根据至少另一个实施例，穿孔44的直径为100μm至200μm。

在燃料电池电极的水管理中，亲水孔40可以产生至少两个优点。第一，孔40被设计为增大电极组件的水存储容量。该结果可以归功于这些孔的亲水本质以及它们的小的孔尺寸，这两点均使在CL中产生的液态水通过毛细作用被吸收到这些区域中。根据上面的等式2，假设新的MPL的厚度和亲水性质与CL的厚度和亲水性质相似，则电极水储存量将翻倍，从而增大电极的水/冰容差。这种结果显然在正常操作条件和寒冷条件下对燃料电池性能都是有利的。MPL36和46中的亲水孔40还提供用于液-气相变化的场地，因此提高了用于水蒸发的总表面积，因此具有改善了的气相传输。这将转而改善由于蒸发冷却效应而产生的热传输。因此，在较干燥的条件下以及较高的操作温度下，通过亲水孔40增加的水储存量均可以对膜的水合做出贡献。

已经被描述为在MPL36和46中的第一域的亲水孔40可以由任何合适的物质并通过任何合适的方法来形成。根据至少一个实施例，亲水孔40可以包括与一种或更多种亲水聚合物混合的碳颗粒。可以用于此目的的亲水聚合物包括聚合电解质、水凝胶、导电聚合物和其它这样的材料。亲水孔40还可由利用磺酸基、膦酸或含碳基团官能化的碳团块形成。根据其它实施例，亲水孔40由半渗透的基于颗粒的组合物形成，例如氢氧方钠石（hydroxylsodalite）或磷酸锆。亲水孔40也可由亲水的金属氧化物基材料形成，例如SiO₂、WO₃或NbO_x。用于形成亲水孔40的合适的方法包括基于墨水的贴花、带状成型、丝网印刷和本领域已知的其它相似的方法。

由于MPL36和46中的疏水孔42的疏水的可润湿性和小的孔尺寸，所以疏水孔42可以模拟在已知的CL中在碳团块之间观察到的二级孔。由于这些特性，疏水孔42可以免于液态水，液态水将趋于通过具有更大的直径和更小的毛细管压力的穿孔44来传输。因此，疏水孔42可以为反应气体提供传输至相邻的CL的通过路径并且为水蒸气提供传输至气体流通道的通过路径。

已经被描述为在MPL36和46中的第二域的疏水孔42可由任何合适的物质并且可以通过任何合适的方法来形成。根据至少一个实施例，疏水孔42可以包括与一种或更多种疏水粘合剂混合的碳或石墨颗粒、碳或石墨纳米纤维或者碳纳米管。可以使用的疏水粘合剂包括氟碳聚合物，其中包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚（偏二氟乙烯）、偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物和基于烯烃-氟的树脂。疏水孔42还可以由疏水微孔基底形成，例如碳或石墨发泡材料、碳纳米管膜、浸渍有碳或石墨颗粒的膨胀PTFE膜。形成疏水孔42的合适的方法包括基于墨水的贴花、带状成型、丝网印刷和本领域已知的其它相似的方法。疏水孔42还可以通过多孔膜与平版印刷技术结合来形成。

在至少一个实施例中，穿孔44延伸穿过MPL36和46的整个厚度。在其它实施例中，穿孔44延伸穿过MPL36和46的整个厚度的至少一部分。此外，穿孔44可以以任何合适的方式来形成，例如，在GDL制造和使用改进的贴花的辊压处理之后进行激光穿孔。虽然穿孔44优选地可以是圆柱形或基本圆柱形的，但是其它形状或剖面也可以是可能的。在具有非圆柱形剖面的实施例中，穿孔的尺寸可以通过测量值而不是直径来限定。在一个实施例中，圆柱形或基本圆柱形的穿孔44的直径为0.5μm至100μm。在另一实施例中，圆柱形或基本圆柱形的穿孔44的直径为0.5μm至50μm。在另一实施例中，圆柱形或基本圆柱形的穿孔44的直径为1μm至20μm。根据不同的实施例，穿孔44可以是疏水的或亲水的。多个穿孔的特征可以在于50度和150度之间的接触角。

毛细管压力是在MPL36和46中的液态水的传输中的主要因素之一。孔隙尺寸与毛细管压力之间的关系通过如下的杨拉普拉斯方程来定义。

$P_c=\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{r}---\left(4\right)$

其中：

P_c是毛细管压力；

σ是水的表面张力；

θ是孔或穿孔中的液态水的接触角；

r是孔的直径。

因此，可以基于GDL组件中存在的毛细管压力条件来选择穿孔44的直径。通过基于观测到的毛细管压力来设计穿孔44，液态水将通过穿孔44来传输，从而使疏水孔42敞开，以传输反应气体和水蒸气。在至少一个实施例中，穿孔44的特征在于其疏水可润湿性小于疏水孔42的疏水可润湿性。因此，液态水将优先通过穿孔44传输，使得疏水孔42敞开，以传输气体和水蒸气。

包括在MPL36中的穿孔44可以通过任何合适的方法来产生。穿孔44可以是在制造MPL的过程中机械地冲到贴花或基底中的孔。可选地，穿孔44可以通过对制造的MPL进行激光钻孔来形成。穿孔44也可以包括在MPL中加工的裂纹或者在制造MPL的过程中加入到MPL的直接通道（例如毛细管和/或中空纤维）。

在这里对于一个或更多个实施例使用了术语“亲水”来描述给定的表面的可润湿性的特征在于水的接触角小于90度。另外，在这里对于一个或更多个实施例使用了术语“疏水”来描述给定的表面的可润湿性的特征在于水的接触角大于90度。在这里对于一个或更多个实施例使用了术语“孔”来描述在用于形成MPL的每个域的材料（例如碳颗粒和聚合物粘合剂）中自然形成的空位或空的体积。在这里对于一个或更多个实施例使用了术语“穿孔”来描述通过使用诸如激光钻孔、机械冲孔、毛细管和其它相似的技术在MPL中形成的孔或空位。

图3示出了根据本公开的一个或更多个实施例制造的示例微孔层56的表面的一部分的SEM显微照片。MPL56中的域的布置与图2b中示出的布置相似。MPL56包括直径为大约100μm的多个穿孔54。MPL56还包括由多个亲水孔组成的区域或域50。在图3中示出的SEM显微照片中，区域50表现为围绕穿孔54的暗的环形区域。在该示例中，区域50延伸超过穿孔54的周围大约50μm的距离。MPL56的既不包括穿孔54又不包括亲水孔区域50的部分包括由0.05μm至0.5μm的范围内的孔尺寸限定的多个疏水孔。

图4是示出在典型的预热条件下，根据本公开制造的气体扩散层组件的燃料电池性能与传统的气体扩散层组件的燃料电池性能相比的示例曲线图。相似地，图5是示出在典型的热和干燥条件下，根据本公开制造的气体扩散层组件的性能与传统的气体扩散层的性能相比的示例曲线图。对于图4和图5，如通过PEMFC系统的极化曲线所证明的，在有效面积为48.4cm²的单个电池中评估燃料电池性能。对于这些测试，将氢供应到阳极并且将空气供应到阴极。氢和空气流的速率被分别固定为2L/min和12L/min。电池温度在40℃至90℃的范围内改变。阳极入口相对湿度（RH）被固定为100%，同时阴极RH在30%和100%之间变化。如这两个曲线图所示，作为电极中的水管理的改进的结果，包括根据一个或更多个实施例制造的MPL具有产生改进了的燃料电池操作的趋势。

虽然这里公开的MPL中的穿孔已经总体地被描述为圆柱形或基本圆柱形，但当然其它构造也在本公开的范围内。例如，可以通过沿MPL的厚度可变的剖面来限定根据本公开的MPL中包括的穿孔。图6和图7均示出了根据本公开的一个或更多个实施例的燃料电池组件的一部分的剖视图，其示出了催化剂层（分别为60、70）和通过微孔层（分别为66、76）与催化剂层（60、70）分开的气体扩散层（分别为62、72）。如在图6中可示，穿孔68形成在MPL66中。如在剖面中所示，穿孔68由从微孔层的与气体扩散层相邻的表面向微孔层的与催化剂层相邻的表面向内倾斜的基本截锥形形状限定。可选地，图7示出了包括由从微孔层的与催化剂层相邻的表面向微孔层的与气体扩散层相邻的表面向内倾斜的基本截锥形形状限定的穿孔78的MPL76。

根据至少一个实施例，MPL可以包括涂覆在GDL的面对CL的侧上的单个单独的层。可选地，根据其它实施例，MPL可以包括具有不同的孔尺寸和/或可湿润性质的两个或更多个层。另外，根据本公开的单层或多层MPL可以包括沿MPL的厚度改变的可湿润特性。

本申请涉及于2013年3月15号提交的第13/832943号美国申请，（代理人案号为83340482（FMC4205PUS）），该申请的公开通过引用全部包含于此。

虽然本公开具体在于用于质子交换膜燃料电池中的包括特定的微孔层架构的气体扩散层组件，但是公开的微孔层也可以用在其它类型的燃料电池设计中，以产生这里关于PEMFC描述的有益效果中的一些或全部。另外类型的燃料电池（其中可以包括公开的微孔层）包括直接甲醇燃料电池（DMFC）、直接乙醇燃料电池（DEFC）和其它已知的燃料电池设计。本领域技术人员将认识到，这里公开的实施例的特定特征可以在这些其它燃料电池的应用中进行有益地使用。

虽然在此公开了示例性实施例，但是其并不表明这些实施例描述了权利要求所包括的全部可能形式。说明书中使用的词语是描述性的词语，而不是限制性的词语，应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前面描述的，各个实施例的特征可以组合，以形成本发明的可能未被明确地描述或示出的另外的实施例。虽然各个实施例可能已经被描述为关于一个或更多个期望的特性对于其它实施例或现有技术的实施方式来讲是更优的或者提供优点，但是本领域普通技术人员将意识到，基于特定的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可以被折衷，以获得期望的整体系统属性。这些属性可以包括但不限于：成本、强度、耐久性、生命循环成本、市场可用性、外观、包装、尺寸、可应用性、重量、可制造性、易于组装等。这样，被描述为对于一个或更多个特性来讲不如其它实施例或现有技术的实施方式的被期望的实施例不在本公开的范围之外，并且可以对特定的应用来讲是可期望的。

Claims (10)

1.一种微孔层，被构造为设置在燃料电池电极组件的催化剂层和气体扩散层之间，所述微孔层包括：

多个亲水孔；

多个疏水孔，直径为0.02μm至0.5μm；以及

多个穿孔，直径为0.5μm至100μm。

2.如权利要求1所述的微孔层，其中，疏水孔的直径为0.05μm至0.2μm，所述多个穿孔的直径为1μm至20μm。

3.如权利要求1所述的微孔层，其中，亲水孔的直径为0.05μm至0.2μm。

4.如权利要求1所述的微孔层，其中，亲水孔的直径为5nm至20nm。

5.如权利要求1所述的微孔层，其中，所述多个亲水孔、所述多个疏水孔和所述多个穿孔被限定在第一材料层中，所述微孔层还包括被构造为设置在催化剂层和第一材料层之间的第二材料层，第二材料层包括碳以及一种或多种氟碳聚合物。

6.如权利要求1所述的微孔层，其中，亲水孔由利用一种或多种亲水聚合物处理的碳颗粒、碳纳米纤维或碳纳米管形成。

7.如权利要求1所述的微孔层，其中，亲水孔由利用磺酸基、膦酸或含碳基团官能化的碳团块形成。

8.如权利要求1所述的微孔层，其中，亲水孔由亲水的金属氧化物形成。

9.如权利要求1所述的微孔层，其中，疏水孔由利用一种或多种疏水的氟碳粘合剂处理的碳颗粒、碳纳米纤维或碳纳米管形成。

10.如权利要求1所述的微孔层，其中，所述多个亲水孔、所述多个疏水孔和所述多个穿孔限定在第一材料层中，第一材料层包括两个或更多个材料区，其中，至少两个材料区由不同的物质组成。