CN1823443A - 具有不均匀渗透性的流体分配层的电化学燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种电化学燃料电池，其包含阳极电催化剂层、阴极电催化剂层、插在阳极和阴极电催化剂层之间的聚合物电解质膜、阳极流场板、阴极流场板、插在阳极流场板和阳极电催化剂层之间的阳极流体分配层、以及插在阴极流场板和阴极电催化剂层之间的阴极流体分配层，其中阳极和阴极流体分配层至少之一的渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低。还提供了制造具有不均匀穿孔图案的基本上不渗透流体的片材的方法。

Description

具有不均匀渗透性的流体 分配层的电化学燃料电池

技术领域

本发明一般性地涉及电化学燃料电池。更具体地说，本发明涉及至少具有一个从燃料电池入口到出口渗透性降低的流体分配层的电化学燃料电池。

背景技术

电化学燃料电池将反应物，即燃料和氧化剂流体流，转化成电能和反应产物。固体聚合物燃料电池通常使用由位于两个含有电催化剂的电极层，即阴极和阳极之间的固体聚合物电解质或离子交换膜(“PEM”)组成的膜电极组件(“MEA”)。除了是离子传导的(典型地是质子传导的)外，膜还起着用来彼此隔离反应物流的阻挡层的作用。MEA还典型地包括与电极层相邻用来均匀地向电极分配反应物的液体扩散层。

在阳极上，燃料流通过多孔的阳极扩散层运动，并且在阳极电催化剂层上被氧化。在阴极上，氧化剂流通过多孔的阴极扩散层运动并且在阴极电催化剂层上被还原，形成反应产物。电催化剂的位置通常定义了电化学活性层。

在电化学燃料电池中，MEA典型地插在两个基本上不渗透流体的隔板之间((阳极和阴极板)。隔板典型地起着集电极的作用并且给MEA提供支撑。隔板中可以形成反应物通道，并且起着使燃料和氧化剂分别进入多孔阳极和阴极扩散层，并且除去电池工作期间形成的产物水的流场板的作用。

水的管理问题在PEM燃料电池工作中是重要的，并且需要膜的增湿来维持最佳的性能。当膜的含水量下降时，其传输质子的能力损失，电阻增加，燃料电池性能降低并且可能发生膜的失效。为了确保膜充分地增湿，典型地增湿供给燃料电池组的一个或两个反应物流。这种增湿通常由外部增湿系统提供，但是这种外部系统增加了燃料电池系统的成本、复杂性和尺寸。

美国专利第6,451,470号和加拿大专利申请第2,342,825号公开了使用气体扩散电极(每个包含“气体扩散阻挡层”或“GDB”)，其气体渗透性梯度与膜垂直，而不是，或者除此之外，具有均匀的多孔阳极和阴极衬底(每个“气体扩散层”或“GDL”)，从而抑制水从膜中扩散出来。使用这种气体扩散电极能够使燃料电池在没有反应物外部增湿的情况下工作。

另外，操作PEM燃料电池的条件随着每根电极的电化学活性面积而显著变化。举例来说，在传统的燃料电池中，当氧化剂被消耗时，产生水，总气压正常降低并且氧化剂分压降低。这导致在前三分之一到一半电池比后面的一半电池具有更大的电流密度。电池的性能可能受高电流密度区的限制，从而导致总电压低于如果电流密度均匀地电池中分配时获得的总电压。高电流密度还可能导致局部温度增加，其趋向于导致更大程度的材料分解。更高的温度还可能导致入口处湿度的降低，这就可能增加传输在膜间发展的泄漏的可能性并且引起性能损失。如果入口反应物流很少或者没有增湿，所述后者的效应恶化。当电池的入口部分可能太干时，电池出口部分可能具有太多的水，这会导致局部溢流、不稳定的性能和增加的传质损失。因而，燃料电池电极的要求和所需性能将沿着燃料电池变化。

美国专利第5,840,438号公开了增加反应物入口和出口之间燃料电池电极衬底的液体渗透性，从而便于产物水除去有利于提高性能。美国专利申请第US2003/0039876号和日本公开第2001-135326号也公开了渗透性梯度从燃料电池入口到出口增加的电极衬底。

相似地，国际公开第WO00/31813号公开使用插在隔板和相邻的多孔流体分配层之间的附加穿孔板，其中在附加板上的穿孔在入口和出口之间尺寸增加。

尽管本领域已经进步了，但是仍需要一种能够管理产物水积累并且维持最佳性能所需的增湿水平的燃料电池系统。本发明提供了这些需求并且进一步提供了相关的优点。

发明内容

简言之，本发明涉及具有至少一个渗透性从燃料电池入口到出口降低的流体分配层的电化学燃料电池。

在一个实施方案中，提供了一种电化学燃料电池，其包含阳极电催化剂层、阴极电催化剂层、插在阳极和阴极电催化剂层之间的聚合物电解质膜、阳极流场板、阴极流场板、插在阳极流场板和阳极电催化剂层之间的阳极流体分配层，以及插在阴极流场板和阴极电催化剂层之间的阴极流体分配层，其中阳极和阴极流体分配层至少之一的渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低。

本发明还公开了制造具有不均匀穿孔图案的基本上不渗透流体的片材的方法。

本发明这些和其它的方面将在参考附图和下面详细的说明时变得明显。

附图说明

图1表示了三个点，在这些点处根据本文所述的数学模型可以评价水蒸气和氧气的质量份数。

图2是表示维持饱和所需的温度和电流密度之间关系的图。

图3是表示维持饱和所需的最佳K值和联合氧化剂-冷却剂的燃料电池的电池温度之间关系的图。

图4是电化学燃料电池的分解剖视图。

图5是具有一对气体扩散层和一对气体扩散阻挡层的电化学燃料电池的分解剖视图。

图6是具有一对流体分配层的电化学燃料电池的分解剖视图，其中一个流体分配层包含在其电化学活性区中形成了大量穿孔的基本上不渗透流体的片材。

图7A是穿孔的流体分配层的平面图，其中穿孔的尺寸从入口到出口沿着流场通道以梯度方式降低。

图7B是穿孔的流体分配层的平面图，其中穿孔的尺寸从入口到出口沿着流场通道以分段方式(in a banded manner)而降低。

图8A说明了制备穿孔的流体分配层的方法，其中穿孔的尺寸从入口到出口沿着流场通道降低。

图8B表示在穿孔的流体分配层中制造穿孔中使用的代表性端部平坦的突起元件。

具体实施方式

气体扩散阻挡层电极结构在通常在PEM燃料电池中维持充分的膜水化(hydration)和控制水的分配中起着重要的作用。如下面的模型所示，在联合氧化剂-冷却剂的燃料电池中可以使用这种气体扩散阻挡层来维持膜的水化。此处使用的“联合氧化剂-冷却剂的燃料电池”指其中氧化剂也用作冷却剂并且其中氧化剂流场也用作冷却剂通道的燃料电池。在这种燃料电池中，典型地以高的化学计量比供应氧化剂，从而产生所需量的冷却。此外，这种气体扩散阻挡层还用来在未增湿的燃料电池(即其中供给燃料电池组的反应物流未增湿的燃料电池)中维持膜的水化。

根据燃料电池阴极和一维模型，可以在三个点处评价水蒸气(mH₂O)和氧气(mO₂)的质量份数，即(1)在与催化剂层相邻的气相中(分别为m₁H₂O和m₁O₂)、(2)在GDB/空气流界面(分别为m₂H₂O和m₂O₂)和(3)在空气流中(分别为m₃H₂O和m₃O₂)。图1进一步阐述了这一点，该图表示了与膜14、催化剂层21、GDB31、阴极流场板24和空气流50的一般方向相关的三个点1、2和3。

假设：均匀的已知电流密度；GDB/膜界面上均匀的已知电池温度；仅在GDB内通过扩散的传质；具有已知有效扩散常数的均匀GDB，对水蒸气为D_effH2Oair并且对氧为D_effO2air；以及高的空气化学计量，使得 $m_2{H}_{2}O\≅m_3{H}_{2}O$ 并且 $m_2{O}_2\≅m_3{O}_2,$ 使用下面的等式来评价m₁H₂O、m₁O₂、m₂H₂O和m₂O₂。

等式1

${\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}=\frac{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{eff}{H}_2\mathrm{Oair}}(m_1{H}_{2}O-m_2{H}_{2}O)}{t}$

${\mathrm{\Φ}}_{O_2}=\frac{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{eff}{O}_2\mathrm{air}}(m_2{O}_2-m_1{O}_2)}{t}$

其中，Φ是通过GDB的水质量通量(kg/m²s)，ρ是空气的密度并且t是GDB的厚度。

等式2

${\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}=\frac{i\·M_{H_{2}O}}{2\·e\·N_A}$

${\mathrm{\Φ}}_{O_2}=\frac{i\·M_{O_2}}{4\·e\·N_A}$

其中，i是电流密度，MH₂O、MO₂是分子量，e是电子电荷并且N_A是阿伏伽德罗常数。

结合等式1和等式2，得到下面表示m₁H₂O、m₁O₂、t、i和扩散系数之间关系的等式3：

等式3

$m_1{H}_{2}O=m_2{H}_{2}O+\frac{t}{{\mathrm{\ρD}}_{\mathrm{eff}{H}_2\mathrm{Oair}}}\left[\frac{i\·M_{H_{2}O}}{2\·e\·N_A}\right]$

$m_1{O}_2=m_2{O}_2-\frac{t}{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{eff}{O}_2\mathrm{air}}}\left[\frac{i\·M_{O_2}}{4\·e\·N_A}\right]$

进一步假设：

$D_{\mathrm{eff}{H}_2\mathrm{Oair}}=D_{H_2\mathrm{Oair}}\·P^{1.5}$

$D_{\mathrm{eff}{O}_2\mathrm{air}}=D_{O_2\mathrm{air}}\·P^{1.5}$

其中，P是作为孔隙体积份数的孔隙率，等式3表示作为GDB孔隙率函数的水蒸气和氧气的质量份数。催化剂层上的氧气质量份数随着GDB孔隙率的降低而降低，直至其达到0，之后电流不再维持。催化剂层上的水蒸气质量份数随着GDB孔隙率的降低而增加，直至达到饱和，在该点之后发生电极溢流。

如等式3所示，水蒸气和氧气的质量份数也是电流密度的函数。此外，发生饱和的点取决于燃料电池的温度。因此，对于给定的GDB厚度和孔隙率，并且对于任何给定的电流密度，将是与完全膜水化(即饱和或100％RH)相应的燃料电池的温度。通过下面的等式4给定了这种关系并且表示在图2中。如图2所示，对于在0.53A/cm²下操作的燃料电池，最佳温度为65℃。此外，这种关系可以一般性地适用于任何所需目标RH。

等式4

$T_{\mathrm{opt}}=T_{\mathrm{satm}}[m_2{H}_{2}O+\frac{t}{{\mathrm{\ρD}}_{\mathrm{eff}{H}_2\mathrm{Oair}}}[\frac{i\·M_{H_{2}O}}{2\·e\·N_A}\left]\right]$

其中，T_satm是在电池压力下评价(此处是绝对1atm)的与给定水蒸气质量份数相应的饱和温度。

考虑总的传质系数(Koverall)也是有用的，其包括GDB内所有不同的传质方式，例如气体对流、气体扩散和液态水芯吸(wicking)。就K_overall而言，等式1变成：

${\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}=K_{\mathrm{overall}}\·\mathrm{\Δm}$

(其中Δm是水蒸气质量份数之间的差值)，并且假定只有气体扩散，或者是GDB内传质的主要机制：

$K_{\mathrm{overall}}=\frac{{\mathrm{\ρD}}_{\mathrm{eff}{H}_2\mathrm{Oair}}}{t}$

对于燃料电池在完全膜水化(即饱和条件)下操作时，前面的等式可以写作：

${\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}=K_{\mathrm{overall}}\·\mathrm{\Δm}=K_{\mathrm{overall}}\·(\mathrm{msat}\left[T_{\mathrm{membrane}}\right]-m{H}_2{O}_{\mathrm{ambient}})$

并且在膜饱和下的温度可以用i和K_overall表示如下：

等式5

$T_{\mathrm{opt}}=T_{\mathrm{satm}}[\frac{{\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}}{K_{\mathrm{overall}}}+m{H}_2{O}_{\mathrm{ambient}}]=T_{\mathrm{satm}}[\frac{i\·M_{H_{2}O}}{2\·e\·N_A\·K_{\mathrm{overall}}}+m{H}_2{O}_{\mathrm{ambient}}]$

但是，在联合氧化剂-冷却剂燃料电池中，在氧化剂/冷却剂流的方向上局部电池温度增加。通常沿着氧化剂/冷却剂通道长度上的温度变化是显著的，即在5至20℃的范围内。因此，通过具有均匀孔隙率的GDB不能维持所需的水化水平。当这种GDB在催化剂层维持均匀的水蒸气质量份数时，所需水化水平也取决于局部电池温度。结果，只能在沿着氧化剂/冷却剂流动通道的某个特定的点(即某个温度)下维持所需的水化水平。

但是，通过沿着氧化剂/冷却剂通道K_overall值可变的GDB可以维持目标水化水平。对于维持饱和所需的局部K_overall值，可以将等式5重写成局部电池温度的函数如下：

$K_{\mathrm{optimum},\mathrm{local}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{H_{2}O}}{\left(\mathrm{msat}\right[T_{\mathrm{local}}]-m{H}_2{O}_{\mathrm{ambient}})}$

在此情况下，为了维持饱和，与孔隙率成正比的K_overall必须沿着反应物流动通道的长度而降低。图3中进一步显示了这种关系，该图表示对于在0.53A/cm²下操作的联合氧化剂-冷却剂燃料电池，维持饱和所需的K_{optimum，local}相对电池温度之间的关系。

图4说明燃料电池110。燃料电池110包括插在阳极流场板122和阴极流场板124之间的膜电极组件112。膜电极组件112由插在两个电极，即阳极118和阴极119之间的聚合物电解质膜114组成。在传统的燃料电池中，阳极118和阴极119每个都分别包含气体扩散层(即多孔导电片材的流体分配层)130和131。每个气体扩散层在与膜114的界面上的其表面上具有电催化剂120和121薄层，例如铂黑或碳支撑的铂催化剂，从而给每个电极提供电化学活性。在可选的结构中，电催化剂层120和121可以分别位于在与气体扩散层130和131的界面上的膜114的相对表面上。阳极流场板122至少具有一个在其面向阳极气体扩散层130的表面中形成的燃料通道123。阴极流场板124至少具有一个在其面向阴极气体扩散层131的表面中形成的氧化剂流通道125。当对着气体扩散层130和131共同的表面装配时，通道123和125形成分别用于燃料和氧化剂，或者在联合氧化剂-冷却剂燃料电池中分别用于燃料和氧化剂/冷却剂的反应物流场通道。

在本发明的一个实施方案中，流体分配层130和131每个都包含渗透性在燃料和/或氧化剂流的方向上(即从燃料电池110入口到出口)降低的气体扩散阻挡层(即渗透性降低的流体分配层)。

这种渗透性可变的气体扩散阻挡层可以通过以非均匀的方式将填料引入多孔导电片材中来形成。填料通过降低片材中的尺寸或者完全填充其孔隙而降低了片材的孔隙率。为了实现所需的渗透性梯度，可以用在燃料或氧化剂流方向中含量增加的填料来浸渍片材。举例来说，在燃料电池入口附近引入很少或者不引入填料，而在燃料电池出口附近引入足够量的填料或者完全填充孔隙。应当领会适当的填料是那些可以被引入片材孔隙内并且在燃料电池工作条件下基本上维持不变的材料。

如前所述，在使用空气或氧气作为氧化剂的燃料电池中，在膜的阴极侧形成产物水。因此并且如上面提出的数学模型所述，仅在阴极侧使用气体扩散阻挡层是足够的。可以根据电池中的温度梯度按需要设置阴极GDB中的渗透性梯度，从而对流动通道的长度获得最佳的K_overall值。当上面的模型通常表明渗透性梯度从入口到出口降低是可取的时，实际上燃料电池在接近反应物入口附近可能经历了干燥问题。因而，可能有利的是仅在入口的紧邻附近采用降低很多的GDB孔隙率，以缓解干燥问题。在此情况下，优选的GDB渗透性可能在接近入口的问题区域开始较低，然后在直至入口附近的相邻区域明显增加，再在每个模型的其余流动通道长度上降低。

尽管前面的讨论主要旨向于在燃料电池的阴极侧使用具有渗透性梯度的GDB，但是应当领会这种GDB的使用适用于在阴极和阳极两侧控制水分配的目的(例如，如图4所示)。

在图5所示的另一个实施方案中，不是使用气体扩散阻挡层代替气体扩散层，而是阳极和阴极流体分配层每个都包含气体扩散层和气体扩散阻挡层。图5显示了既包含气体扩散层230和231，又包含气体扩散阻挡层240和241的燃料电池210。与图4的燃料电池110相似，燃料电池210包括膜电极组件212，其包括插在阳极218和阴极219之间的聚合物电解质膜214，每个电极进一步分别包含气体扩散层230和231以及气体扩散阻挡层240和241。如图4所示，每个流体分配层在流体分配层和膜214之间的界面上具有电催化剂薄层220和221，并且在具有燃料通道223的阳极流场板222和具有氧化剂通道225的阴极流场板224之间插有膜电极组件212。

气体扩散阻挡层240和241每个都具有渗透性梯度并且燃料和/或氧化剂流的方向上(即从燃料电池220的入口到出口)降低。

在再另一个实施方案中，代替使用如上所述的气体扩散层和/或气体扩散阻挡层，流体分配层可以由基本上是不渗透流体的片材组成，通过穿孔所述片材至少在活性区中可以渗透流体。穿孔所述片材允许通过其两个主平面表面并且到达电催化剂层的反应物流体通道。在此情况下，将产生渗透性降低的流体分配层(即气体扩散阻挡层)。美国专利第5,976,726号和美国专利申请第2003/0039876号公开了使用这种基本上不渗透流体的片材，这两篇专利引入本文作参考。

图6是具有这种包含穿孔的基本上不渗透流体的材料的燃料电池310的分解剖视图。燃料电池310包括膜电极组件312，其包括插在阳极流体分配层318和阴极流体分配层319之间的聚合物电解质膜314，每个流体分配层在电化学活性区330中与膜314的界面上分别具有大量位于层320和321中的电催化剂。膜电极组件312插在阳极流场板322和阴极流场板324之间，每个流场板面对相应的流体分配层318和319分别具有敞开面的通道323和325。

在图6所示的实施方案中，流体分配层319包含至少在电化学活性区330中被穿孔的基本上不渗透流体的片材350。穿孔354使流体分配层至少在穿过面的方向中是可以渗透流体的。在另一个实施方案中，穿孔354可以包含不会完全堵塞反应物通过的穿孔的填料，例如特殊的碳或者亲水或疏水材料。尽管在图6中没有显示，但是可以理解流体分配层318可以相似地包含穿孔的基本上不渗透流体的片材350。

根据本发明，穿孔354的图案沿着流体分配层是不均匀的。在此方式中，通过改变沿着活性区的穿孔分布、数量、尺寸、形状或者其任何组合，可以控制电化学反应速率和流体传输性质。因此，根据前面所述的数学模型，可以设计出具有改进的电流密度分布和沿着膜适当的湿度的燃料电池。

图7A说明这种穿孔的流体分配层400的一个实施方案，其中当沿着从燃料电池的入口到出口的反应物流动通道在面内穿越层400时，穿孔401的尺寸以梯度方式降低(即每个穿孔逐渐小于前一个穿孔)。箭头402表示反应物流的一般方向。图7B说明可选的实施方案，其中穿孔尺寸以分段方式降低(即从一个穿孔到下一个尺寸并非逐渐降低，而是在大量具有相同尺寸的穿孔后面是具有较小尺寸的大量穿孔)。在另一个没有显示的实施方案中，当沿着反应物流动通道在面内穿越层400时，穿孔401的密度(即每单位面积上的穿孔数量)或者以梯度方式或者以分段方式降低。在再另一个也没有显示的实施方案中，流体分配层中的穿孔尺寸和密度都沿着从入口到出口的反应物流动通道以梯度或者分段的方式增加。

当图7A和7B表示了穿孔401基本上是圆柱形时，应当理解可以使用其它形状并且除了穿孔的尺寸和/或密度外，其形状也可以沿着流动通道变化。举例来说，这包括在沿着流动通道穿过平面的方向中改变穿孔。此外，如果反应物流动通道在入口和出口之间基本上是线形的，那么流体分配层使用的穿孔的图案也可以是线形的，如图7A和7B所示。但是，如果举例来说反应物流动通道从入口到出口遵循蛇行路径，则要求在流体分配层上沿着相似的蛇行路径改变穿孔。

图6基本上不渗透流体的片材350优选从例如柔性石墨、碳树脂或金属的导电材料来形成，并且可以进一步在活性区的穿孔内包含填料。优选使用也称作石墨薄片、鳞片石墨和膨胀石墨的柔性石墨。美国专利第6,521,369号公开了通过图案化轧辊(即具有大量能够对基本上不渗透流体的片材穿孔的突起的轧辊)的机械冲击在这种材料中形成均匀穿孔图案的方法。根据本发明，可以按照下面所述改进美国专利第6,521,369号公开的方法，生产出不均匀的穿孔图案并且在燃料和/或氧化剂流的方向中赋予降低的渗透性梯度。

如图8A所示，通过两对轧辊620、630和660、670的机械冲击在基本上不渗透流体的片材600中的许多位置上形成穿孔610。箭头650表示通过两对轧辊片材600进料的一般方向。轧辊630具有大量能够穿孔片材600的突起625。因此，当片材600通过每对轧辊620、630进料时，突起625形成穿孔610。图8B表示了代表性的突起625，其横截面在远离轧辊620的方向中降低，并具有平坦端部626。由于突起625横截面的降低，穿孔610的开口在开始冲击的片材600一侧上较大。

为了形成不均匀的穿孔图案，轧辊620在朝向端部A的压力或位移偏移下运转。作为这种偏移的结果，朝向端部A的突起625比朝向端部B的突起625具有更深的冲击。由于突起625横截面的降低，这种从端部A到端部B冲击的差异产生尺寸在片材600的宽度方向上以梯度方式降低的穿孔图案610。在此情况下，片材600的宽度将等于反应物流动通道的长度。此外，为了适应突起625冲击深度的变化，轧辊630的表面是可变形的。

如图8A中进一步所示，在通过第一对轧辊620、630穿孔后，片材600通过第二对轧辊660、670进料。使用轧辊660、670的平滑表面来设置片材600最终的厚度并且保证穿孔610周围没有粗糙的边缘。

在另一个实施方案中，端部A和B施加的压缩量是相等的，并且为了形成不均匀的穿孔图案，施加的压缩量周期性变化(通过改变轧辊压力或位移)。如同在前面的实施方案中一样，当轧辊620施加的压缩增加时，突起625在片材600中将具有更深的冲击，并且由于突起625横截面的降低，将产生更大的穿孔610。因此，将产生尺寸在片材600的长度方向上以梯度方式降低的穿孔图案610。

从前面的说明中应当理解尽管本文中为了阐述已经说明了本发明具体的实施方案，但是可以做出各种修改而不会背离本发明的精神和范围。因此，本发明除了如附加的权利要求外是不受限制的。

Claims (20)

1.一种电化学燃料电池，包括：

(a)阳极电催化剂层；

(b)阴极电催化剂层；

(c)插在所述阳极和阴极电催化剂层之间的聚合物电解质膜；

(d)阳极流场板；

(e)阴极流场板；

(f)插在所述阳极流场板和阳极电催化剂层之间的阳极流体分配层；以及

(g)插在所述阴极流场板和阴极电催化剂层之间的阴极流体分配层，

其中所述阳极和阴极流体分配层至少之一的渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低。

2.权利要求1的电化学燃料电池，其中渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低的所述至少一个流体分配层包括具有渗透性梯度的气体扩散阻挡层。

3.权利要求1的电化学燃料电池，其中渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低的所述至少一个流体分配层包括：

(a)气体扩散层；及

(b)具有渗透性梯度的气体扩散阻挡层。

4.权利要求1的电化学燃料电池，其中渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低的所述至少一个流体分配层包括具有多个穿孔的基本上不渗透流体的片材，所述穿孔被配置使所述基本上不渗透流体的片材具有渗透性梯度。

5.权利要求4的电化学燃料电池，其中所述基本上不渗透流体的片材是柔性石墨。

6.权利要求4的电化学燃料电池，其中所述多个穿孔的尺寸从电化学燃料电池的入口到出口以梯度方式降低。

7.权利要求4的电化学燃料电池，其中所述多个穿孔的尺寸从电化学燃料电池的入口到出口以分段方式降低。

8.权利要求4的电化学燃料电池，其中所述多个穿孔的密度从电化学燃料电池的入口到出口以梯度方式降低。

9.权利要求4的电化学燃料电池，其中所述多个穿孔的密度从电化学燃料电池的入口到出口以分段方式降低。

10.权利要求1的电化学燃料电池，其中从燃料电池的入口到出口所述燃料电池的温度增加。

11.权利要求1的电化学燃料电池，其中所述电化学燃料电池是联合氧化剂-冷却剂燃料电池。

12.权利要求1的电化学燃料电池，其中所述电化学燃料电池是未增湿的燃料电池。

13.权利要求1的电化学燃料电池，其中渗透性从电化学燃料电池的入口到出口降低的所述至少一个流体分配层是阴极流体分配层。

14.一种包括多个权利要求1的电化学燃料电池的燃料电池组。

15.一种电化学燃料电池，包括：

(a)阳极电催化剂层；

(b)阴极电催化剂层；

(c)插在所述阳极和阴极电催化剂层之间的聚合物电解质膜；

(d)阳极流场板；

(e)阴极流场板；

(f)插在所述阳极流场板和阳极电催化剂层之间的阳极流体分配层；以及

(g)插在所述阴极流场板和阴极电催化剂层之间的阴极流体分配层，

其中所述阳极和阴极流体分配层至少之一的渗透性从电化学燃料电池的入口到紧邻入口的一点处增加并且从紧邻入口的一点到电化学燃料电池的出口处降低。

16.一种制造具有不均匀穿孔图案的基本上不渗透流体的片材的方法，其中所述穿孔使所述基本上不渗透流体的片材可以渗透流体，所述方法包括：

(a)在第一个轧辊和第二个轧辊之间供给所述基本上不渗透流体的片材，其中所述第一个轧辊包含多个突起，每个突起的横截面在远离第一个轧辊的方向上降低并且适于对所述基本上不渗透流体的片材穿孔；以及

(b)向所述第一个轧辊的一端施加偏移。

17.权利要求16的方法，其中所述基本上不渗透流体的片材是柔性石墨。

18.一种制造具有不均匀穿孔图案的基本上不渗透流体的片材的方法，其中所述穿孔使所述基本上不渗透流体的片材可以渗透流体，所述方法包含：

(a)在第一个轧辊和第二个轧辊之间供给所述基本上不渗透流体的片材，其中所述第一个轧辊包含多个突起，每个突起的横截面在远离第一个轧辊的方向上降低并且适于对所述基本上不渗透流体的片材穿孔；以及

(b)改变所述第一个轧辊施加的压缩量。

19.权利要求18的方法，其中所述基本上不渗透流体的片材是柔性石墨。

20.权利要求18的方法，其中周期性改变所述第一个轧辊施加的压缩量。

Images