CN1875514A - 基于流场几何结构的可变催化剂担载 - Google Patents

基于流场几何结构的可变催化剂担载 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池(2)包括膜电极组件(4，6)，所述膜电极组件包括夹在一对电极(94)之间的离子导电构件。至少一个电极(94)包括特征在于催化活性与催化剂担载量成正比的催化剂担载量。此外，该燃料电池(2)包括用于向电极(94)供给气态反应物的流动通路，催化剂担载量根据流动通路的几何结构而变化。

Description

基于流场几何结构的可变催化剂担载
技术领域
本发明涉及燃料电池，更具体而言，本发明涉及燃料电池的膜电极组件。
背景技术
燃料电池作为电动车辆和其它应用的电源得到越来越多的研究。一种这样的燃料电池是PEM(即质子交换膜)燃料电池，所述电池包括所谓的“膜电极组件”(MEA)，所述膜电极组件包括薄的固体聚合物膜电解质，在该膜-电解质的相对表面上具有一对电极(即阳极和阴极)。MEA被夹在一对导电流体分配元件(即双极板)之间，所述双极板用来作为电极的集流器，并包含所谓的“流场”，即形成在与MEA接触的双极板表面内的凸脊(lands)和沟槽阵列。这些凸脊传导来自电极的电流，同时位于凸脊之间的沟槽用来在电极表面上均匀地分配燃料电池的气态反应物。气体扩散介质，典型的是多孔石墨/碳纸，位于每个导电流体分配元件与MEA的电极表面之间，用以支撑面对流场中的沟槽的MEA，并从这里向相邻的凸脊传导电流。
膜电极组件上的电极一般包括电化学活性区域或由电化学活性材料构成的区域。在这点上，每个电极的电化学活性区域包括嵌入聚合物粘合剂中的涂覆催化剂的颗粒。然而，该电化学活性区域可包括不同的颗粒，在燃料电池工作期间所述颗粒或是非常活泼，或是缺少所需活性。由于形成针孔、催化剂层开裂、层离、或通常电极的劣化，具有活性或者缺乏活性可能会导致电极失效。由此，需要这样一种包括可控制电化学活性的、由此有助于避免上述缺点的电极的MEA。
发明内容
本发明涉及一种包括膜电极组件的燃料电池，所述膜电极组件包括夹在一对电极之间的离子导电构件。包括催化剂担载的电极中的至少一个的特征在于催化活性随催化剂的担载量成比例变化。此外，本发明包括向电极供给气态反应物的流动通路，并且催化剂担载量沿流动通路变化。
此外，本发明涉及一种控制燃料电池中的电流密度的方法，所述方法包括提供带有流场的导电流体分配元件，以及提供包括离子导电构件和电极的膜电极组件。电极的催化剂担载量根据所述流场中的通道的几何结构而变化。
从下文提供的详细描述中将易于理解本发明可应用的其它领域。应该理解，详细描述和具体实例尽管示出了本发明的优选实施例，但仅旨在用于说明目的而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从下面的详细描述和附图中将更全面地理解本发明，在所述附图中：
图1为一个PEM燃料电池堆(仅示出两个电池)的分解示意图；
图2为膜电极组件的截面图；
图3为典型的导电流体分配元件、带有对PEM燃料电池堆有益的冷却剂的双极板的分解视图；
图4为沿图3中4-4方向的剖视图；
图5为使用本发明的具有可变催化剂担载量的电极的MEA的分解视图；
图6为具有与其两侧相附接的泡沫金属流场的薄基板的双极板的局部剖视图；
图7为由分散在粘合剂基质中的导电颗粒的复合材料制成的、涂覆有导电材料的双极板的局部剖视图；
图8为其中具有冷却剂通道的双极板的局部剖视图；
图9为根据本发明的第二实施方式的燃料电池的分解放大视图；
图10为表示电流密度相对于与进口歧管之间的距离的关系的曲线图；
图11A和11B为表示对比电极和根据本发明的电极的电流分配强度的图表；和
图12示出了用于制备根据本发明所述的电极的一种直写技术(direct writing technique)的实例。
具体实施方式
下面对优选实施例的描述本质上仅是示例性的且决不旨在限制本发明及其应用或使用。
图1示出了具有通过导电流体分配元件8，即下文中的双极板8，彼此分开的一对膜电极组件(MEAs)4和6的两电池双极燃料电池堆2。膜电极组件4和6和双极板8在不锈钢夹板或端板10与12和端部接触元件14与16之间被叠置在一起。端部接触元件14和16以及双极板8的两个工作面分别包含用于将燃料和氧化剂气体(即H2和O2)分配给膜电极组件4和6的多条沟槽或通道18、20、22和24。不传导垫片26、28、30和32在燃料电池堆的多个部件之间提供了密封和电绝缘。气体可透过的传导材料通常是压靠在膜电极组件4和6的电极面上的碳/石墨扩散纸34、36、38和40。端部接触元件14和16分别压靠在碳/石墨扩散纸34和40上，而双极板8压靠在膜电极组件4的阳极面上的碳/石墨扩散纸36上且压靠在膜电极组件6的阴极面上的碳/石墨扩散纸38上。来自储罐46的氧气通过适当的供应管道42被供应至燃料电池堆的阴极侧，而来自储罐48的氢气通过适当的供应管道44被供应至燃料电池堆的阳极侧。另一种可选方式是，环境空气可作为氧源被供应至阴极侧且从甲醇或汽油重整器或类似装置将氢气供应至阳极。还将为膜电极组件4和6的H2和O2侧设置排出管道(未示出)。设置附加管道50、52、54以将液体冷却剂供应至双极板8以及端板14和16。还设置了适当的管道以排出双极板8以及端板14和16中的冷却剂，但在图中未示出。
每个膜电极组件(MEA)4和6包括夹在阳极52和阴极54之间的离子导电构件(图2)。该离子导电构件50优选为固体聚合物电解质膜。适用于这样的膜电解质的聚合物是本领域公知的，在美国专利US5272017和US 3134697中以及在其它专利文献和非专利文献中对此都有所描述。然而，应当注意的是，离子导电构件50的组成可包含本领域中常规使用的任何质子导电聚合物。优选地，使用全氟化磺酸聚合物例如NAFION。此外，该聚合物可以是所述膜的唯一组成，或者可以被担载在另一种材料的孔隙中。阳极52和阴极54优选包括涂覆催化剂的碳或石墨颗粒，所述碳或石墨颗粒嵌入聚合物粘合剂中，与聚合物膜相似，所述聚合物粘合剂为质子导电材料例如NAFION。
图3为可用在本发明中的典型的双极板56的分解视图。该双极板56包括第一外部金属板片58、第二外部金属板片60、以及位于第一金属板片58和第二金属板片60之间的内部隔离金属板片62。外部金属板片58和60被制成尽可能地薄，可以通过冲压或者任何其它的常规方法来使金属板片成形。外部板片58在其外侧具有面对膜电极组件(未示出)的第一工作面59，并且成形用以提供流场57。流场57由多个凸脊64限定出，在所述凸脊之间限定出多个沟槽66，所述沟槽构成燃料电池的反应物气体(即H2或O2)从双极板的一侧68流向另一侧70的弯曲或蛇形通路的“流场”。当燃料电池被完全地组装好时，凸脊64压靠在多孔材料，碳/石墨纸36或38上，而碳/石墨纸进而又压靠在MEA 4和6上。为简便起见，图3仅示出了两个阵列的凸脊64和沟槽66。实际上，凸脊64和沟槽66将覆盖与碳/石墨纸36和38接合的金属板片58、60的整个外表面。反应物气体由位于沿燃料电池一侧68的位置处的进口歧管72被供应至沟槽66，且通过位于邻近燃料电池的相对侧70的位置处的另一列歧管74排出沟槽66。如图4最佳所示，板片58的下侧包括多个在其间限定出多条通道78的脊部76，在燃料电池运行期间，冷却剂流动通过这些通道。冷却剂通道78位于每个凸脊84下面，而反应物气体沟槽86位于每个脊部76下面。另一种可选方式是，板片58可以是扁平的，并且在分离的板片材料中形成流场。
金属板片60与板片58相类似。板片60的内表面61如图3所示。在这一方面，图中示出了多个脊部80，在它们之间限定出多条通道82，冷却剂经由这些通道从双极板的一侧69流向另一侧71。与板片58相类似且如图4最佳所示，板片60的外侧具有工作面63。板片60成形用以提供流场65。流场65由其上的多个凸脊84限定出，所述凸脊限定出多个沟槽86，所述沟槽构成反应物气体流经的流场65。内部隔离金属板片62位于外部板片58和60之间且其中包括多个孔88，用以允许冷却剂在板片60的通道82和板片58的通道78之间流动，由此破坏层状边界层并形成紊流，这样就增强了与外部板片58和60的内表面90和92的热交换。因此，通道78和82分别在由板片58和60限定出的内部容积中形成冷却剂流场。
为了优化和控制由使用了上述双极板的燃料电池所产生的电流密度，根据本发明的第一种实施方式，可以使用图5所示的典型电极。可作为阳极或阴极的电极94包括外围的电化学活性区96和中央的电化学活性区98。电化学活性区的组成可以是本领域常规使用的任何电化学活性材料。在这一点上，如上所述，电化学活性区优选包括嵌入聚合物粘合剂的涂覆催化剂的碳或石墨颗粒，所述聚合物粘合剂可以是质子传导材料，例如NAFION。电化学活性区优选包括铂作为催化剂，但是也可使用其它催化剂，例如钯、铂-钌和其它Pt/过渡金属合金。
优选地，外围催化区96的催化剂担载量低于中央催化区98的催化剂担载量。例如，外围区域96可包括0.2mg/cm2的催化剂担载量，中央区域98可包括0.6mg/cm2的催化剂担载量。进一步，外围区域96和中央区域98优选具有相同的表面积，尽管在实施例中并非受此限制。例如，外围和中央区域包括250cm2的总活性面积。采用这种构造，外围区域96的电化学活性会低于中央区域98的电化学活性，但是，总催化剂担载量为0.4mg/cm2。因此，控制外围区域96的电化学活性有助于防止形成针孔、催化剂层开裂、层离、以及电极94的一般性劣化。
更具体而言，当反应物气体从双极板的进口歧管72供给到沟槽66时，外围催化区96的区域受到增量反应物气体的作用。也就是说，外围区域96邻近进口72，由此邻近较高压力的区域，所述区域向外围催化区96中的电极94的催化剂提供更加连续的反应物气体流。因此，在这个区域具有更高的反应速度。此外，由燃料电池的总反应产生热量和水。由于在这个区域存在更高的反应速率，由此在这个区域产生更多的热量和水，这样会产生溢流和上述列举的所不希望的缺点。通过减少与双极板56的进口歧管72相邻的电极94的外围区域96中的催化剂担载量，这个区域的反应速率可以被控制到所需的水平。
与外围区域96相反，中央催化区98具有更大的催化剂担载量。这样的构造是所需要的，这是因为位于电极94的这个区域中的催化剂由于距离进口72更远而受到较少量反应物气体的作用。因此，中央区域98处于较低的压力区域。由此，得到较低的电流密度。更具体而言，当由进口歧管72供给的反应物气体流经双极板56的沟槽66时，该气体经历曲折流动通路，所述曲折流动通路降低了到达电极94的中央电化学活性区的气体的压力和连续性。因此，在这些区域中的电化学活性被降低。通过增大这些区域的催化剂担载量，这些区域内的电化学反应速率可以被增加和受到控制，从而产生一致的且有利于延长燃料电池总寿命的电流密度。
除图5所示的电极94之外，多种电极结构可以应用于本发明。更具体而言，每种电极结构，也就是沿电极表面的电化学活性区的结构，可以根据多种不同的因素来制备，所述因素包括制造双极板的材料、双极板是否受到冷却剂的内部冷却以及双极板的流场几何结构。
在图6-8中示出了一般可使用的其它双极板的实例。在图6中，元件100由具有泡沫材料流场106的薄基板板片102构成。该双极板的特征在于优选由固体钛金属板片制成的薄的隔离板片102，以及通过焊接或硬钎焊附接到其两个侧面上的泡沫材料106(大约0.5毫米到大约3毫米厚)。板片102构成气体屏障，泡沫材料106构成流场。如图所示，泡沫材料106具有相对的主表面110和111。泡沫材料106具有一个面对金属板片102的主表面110和与110相对的另一个主表面111。典型地，主表面111面对MEA。这些泡沫材料可被制成金属泡沫材料或者碳基泡沫材料。可被制成固态泡沫材料的金属包括铜、铝、镍、钛、银和不锈钢，优选的金属是镍和不锈钢。各种发泡金属可从位于Cincinnati，Ohio的AstroMet购得。制造这些金属泡沫材料的方法在美国专利US 4973358中有所描述。碳基泡沫材料可从UltraMet购得。
应当理解的是本发明所述的泡沫材料106为开孔泡沫材料。这表示存在贯穿泡沫材料106的连续流动通路或通道108，其由邻近的开口、或者在泡沫材料106的厚度上彼此连通的孔构成。虽然泡沫材料106为具有连续流动通路108的开孔泡沫材料，但是气态反应物穿过泡沫材料106的流动可以是随意的和曲折的，这样可使电极94在整个表面上由于压力变化而带来不同量的气态反应物。然而，尽管泡沫材料106中包含的流动通路108具有随意性，但是气体反应物沿电极94边缘的流动更多，因为进口歧管72位于这里。由此，图5所示的第一实施方式的电极94还提供在电极表面通道上控制电流分布的能力。
图7示出了另一种双极板，其中该双极板112包括包含具有贯穿平面取向的导电纤维填料114的聚合材料113，其提供贯穿该也可使用的元件的导电通路。聚合材料113优选为一种适当的热固性聚合物，更优选地选自包括硅氧烷、聚异丁烯、环氧树脂、乙烯基酯和酚醛树脂的材料组。另一种可选方式是，聚合材料113优选是一种适当的热塑性聚合物，更优选的是选自包括聚丙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、尼龙和橡胶改性的聚丙烯的材料组。虽然包含导电纤维填料114的前述热固性和热塑性聚合物是当前优选的，但是本领域的技术人员能够很容易地认识到基于某种应用的特定设计说明，其它类似的材料也可适用。例如，可使用不包含导电纤维填料的任何导电聚合物，例如聚乙炔，而不脱离本发明的范围。另外，虽然图7中示出了进一步提高了导电性的导电涂层116例如金或任何其它导电涂层，但是根据本发明，涂层116并不是必需的。
虽然在图7中未示出，但是复合双极板112与图3所示的双极板56相似之处在于：流场中的沟槽118沿复合板112的表面来回地以蛇形方式曲折。由此，进口歧管(未示出)也沿着双极板112的边缘设置，可适用于图5所示电极的用途。然而，由于双极板112包含复合材料，因此热量会不同地离散贯穿燃料电池。由此，电极94的外围区域96和中央区域98的催化剂担载量由此可发生变化。也就是说，虽然由于第一实施方式中的电极结构而可以控制沿着电极表面的电流密度，但是电池总反应依然会产生作为副产物的热量。由于复合材料具有不同于例如钢或铝双极板的导热系数，催化剂担载量可因此减少，这是因为复合板比常规金属板吸收更少的热量。由此，可以得到增大的电流密度，而不牺牲电极的寿命。
现在参照图8，可使用的另一种双极板是包括多条设置在聚合物本体部分124内的导电纤维122的聚合物双极板120，每条纤维122以贯穿平面的构造从聚合物本体部分124的第一表面126向聚合物本体部分124的第二表面128连续延伸。优选地，主要本体部分124由硬质、导热聚合物例如填充碳的环氧树脂形成。然而，主要本体部分124可以由具有这样的所需性质的其它合适的材料形成。例如，主要本体部分124可由硅氧烷、聚异丁烯、聚乙烯酯、聚酯、酚醛树脂、聚丙烯、ETFE、尼龙或者橡胶改性的聚丙烯形成。通过担载具有碳、石墨或其它导电颗粒的聚合材料可以提高导热性。
设置在双极板120的主要本体部分124内的管状构件130可操作地限定出第二流场，使冷却流体流经隔板以控制其热能。该管状构件130适于传送冷却流体穿过管道70以从(向)燃料电池堆中除去(或增加)热量。流体连接管状构件130与管道70的冷却剂集管(未示出)应在它们之间提供电绝缘以消除纤维122和管状构件130之间的分路电流。
该管状构件130由填充碳的聚合物形成，但是不应限于此。更具体而言，预期该管状构件130可由导热的、不易受由于暴露于燃料电池堆通常使用的气态反应物或冷却剂中而发生腐蚀的各种材料中的任何一种制成。一些其它合适的材料包括钛、碳或不锈钢。
与前述双极板相类似，图8所示双极板120中的沟槽132优选连同沿双极板120的边缘设置的进口歧管(未示出)以蛇形方式来回地曲折。然而，在图8所示的双极板120中，通过管状构件130提供冷却剂从而或是冷却双极板120或是向双极板120提供热量。由此，根据冷却剂的流量，电极的区域将会形成不同温度的区域。更具体而言，当冷却剂流经管状构件130时，由于能量的损失或获得，相应沟槽的温度会发生改变。因此，与该沟槽相邻的电极区域也会经历影响燃料电池性能的温度变化。因此，可以根据这些温度不同的区域改变催化剂担载量从而调整这些变化。最后，虽然在图8中示出，但是根据本发明，包含金的导电涂层134或进一步提高导电性的任何其它导电导电涂层并不是必需的。
应当注意到上述双极板在本质上仅是示例性的，而不是旨在限制本发明。更具体而言，本发明可以使用任何已公知的双极板或者在制造燃料电池前，通过对每个双极板进行测试确定活性增加的或减少的区域而在本领域可预期的双极板。更具体而言，电极的电化学活性区域的构造可以结合双极板的选择来确定。这是因为，在上述每种典型双极板中，多个变量影响到沿电极表面的电化学活性区的理想构造。举例来说，图3所示的双极板56优选由金属例如不锈钢、铝、钛等制成。相反，图7和8所示的双极板优选由聚合材料制成。如上所述，这些双极板中的每一种会分离热量，并以不同方式传导燃料电池反应过程中产生的电流。由此，在电极的表面上且根据本发明，对催化剂担载量进行调节以控制反应速率和燃料电池的电流的产生。进一步的，根据流场的结构，进一步调节催化剂担载量。
再次参见图3，可以看到沟槽66和通道80穿过板56的表面来回地曲折弯曲。在这样的蛇形通路中，气态反应物曲折流动通过每条沟槽66，因此，电极的电化学活性区在不同区域具有不同量的反应物。为了增加没有获得满意量的反应物的电极区域内的电流密度，或者降低获得额外的气态反应物、产生过多热量或水的区域内的电流密度，可以通过根据电极每个区域的电流密度增加或减少担载量来调整催化剂担载量。由此，以图3所示的双极板为例，当交替电化学活性区包括可变的催化剂担载量时，可使用采用条形图案的电化学活性区的电极。图9中示出了这样的一个电极135。如图9所示，催化剂担载量被增加或被减少的电化学活性区136与双极板139的沟槽140一致或者与其相对应。由此，在与双极板139的凸脊142相接触的条形区域138中不会浪费昂贵的催化剂，该区域对于燃料电池的总反应没有实质贡献。此外，再次使用图2所示的双极板56作为例子，沟槽66在蛇形通道中经历转弯。在这些转弯中，气体流动可受到限制，由此可以增大这些区域内的催化剂担载量。进一步，根据与进口歧管72之间的距离，不同的沟槽66可具有不同量的气态反应物，这是由于距离歧管72距离越远压力降低所造成的。由此，为了将电流密度增大至所需的水平，要增加这些区域内的催化剂的量。这种现象在图10中用曲线图进行了表示，从图中可以看到随着与进口歧管之间距离(沟槽数量)的增加，电流密度降低。
应当注意到，虽然描述了具有条形电化学活性区136的上述实施方式，但是本发明不应受此限制。更具体而言，电化学活性区136可以是点状的或者是在电极135的表面上提供对电流密度的局部控制的任何其它形状。
进一步地，已结合蛇形流场描述了上述每种实施方式，其中每条流动通路在双极板表面上来回地弯曲曲折。然而，本发明不限于仅是蛇形流场。更具体而言，本发明预期催化剂担载量可根据本领域公知的任何流场而变化。例如，本发明可以与这样的流场结合使用，其中流动通路包括一条仅从位于双极板一个边缘的进口向位于双极板另一边缘的出口横越的通道(pass)。按照这种方式，流场可得到简化。流场的其它实例在美国专利US 6503653、US 6358642、US 6309773和US 6099984中有所描述。
为了确定需要基于双极板材料和流场几何结构的可变催化剂担载量的电极的局部区域，双极板的阳极和阴极流场板被位于这样的阳极和阴极流场板之间的一列电阻器彼此电分隔。该方法依赖流过该列电阻器中的任何电阻器的电流和离开与该电阻器直接相邻的膜电极组件(MEA)区域的电流之间的关系。然后，通过在电池的整个横截面积上的该列电阻器可确定离开整个燃料电池的电流分布。假定每个电阻器的电阻是已知的数值，通过测量具体的电阻器的电压降可确定流过该电阻器的电流。这样，通过测量这列电阻器中的每个电阻器的电压降，由MEA产生的电流可被确定作为位置函数。换句话说，监测跨过MEA的作为位置的函数的电流。
使用一种等同的方法监测燃料电池的温度分配。在一种可选方式中，该阵列包括温度感应电阻器，也就是热敏电阻，每个热敏电阻与MEA的不同区域相关联。在另一种可选方式中，该组件包括相应列的热敏电阻和电流感应电阻器。这种方法依赖于表示与热敏电阻直接相邻的MEA区域的温度的由热敏电阻感知的温度之间的关系。然后，通过跨过电池的整个横截面积的该列热敏电阻，可确定跨过整个燃料电池的温度分布。假设每个热敏电阻的温度系数是已知的数值，通过测量跨过每个热敏电阻的电压降可以确定每个热敏电阻的温度。这样，通过测量跨过这列热敏电阻中的每个热敏电阻的电压降，MEA的温度可确定为位置的函数。换句话说，监测跨过MEA的作为位置的函数的温度。
图11A和11B中示出了电极的电流分布的测量实例。在图11A中，使用了对比电极。也就是说，使用了在电极表面上包括均匀一致的催化剂担载量的对比电极。该电极被分成大约150到200个区域，用于在电极表面分配气态反应物的双极板进口分别位于各图的顶部和底部。当对具有均匀一致的0.4mg/cm2催化剂担载量的对比电极进行测试时，热点，也就是电化学活性和电流密度增加的区域，在进口周围及双极板的顶部和底部边缘较多。由此，在燃料电池的寿命期间，这些热点易发生劣化包括形成针孔、催化剂层开裂和层离。
现在参照图11B，其中使用了与图5所示电极相似的电极。也就是说，使用了在电极的外围区域催化剂担载量减少、中央区域催化剂担载量增加的电极。如图11B所示，在存在气体进口及顶部和底部边缘的范围内的热点显著减少，原因是电极构造提供了控制电流密度的能力。由此，在外围区域催化剂担载量减少的电极更不容易在燃料电池寿命期间发生劣化，而且，在电极表面上会产生更均匀一致的电流密度。
下面对制备本发明的电极的方法进行描述。然而，应当理解的是，下面的制备方法在本质上仅是示例性的，也可使用本领域技术人员公知的任何方法。优选地，可使用的方法包括贴花(decal)法、拉杆(drawbar)法、机械人喷墨法(robotic ink dispensing)、平版印刷法或者直写(direct writing)或MicroPen技术。
贴花法使用在制备好之后在具有浇铸溶剂的溶液中与离聚物粘合剂结合的催化碳颗粒。优选的浇铸溶剂为水溶性的或者醇溶性的，但是也可以使用例如二甲基乙酸(DMAc)或三氟乙酸(TFA)等溶剂。
浇铸溶液被施加到特富龙化(Teflonated)的石墨片上。然后该特富龙化的片材在烘箱中进行烘焙，然后热压到离子导电构件50例如PEM上。接着从该离子导电构件50上剥离特富龙化的片材，保留作为连续的电极52或54的嵌入的涂覆催化剂的碳或石墨以完全形成MEA 4或6(图2)。
为了制备包括中央区域98和外围区域96的电极94，可使用两种浇铸溶液。更具体而言，在特富龙化的石墨片上施加第一浇铸溶液，以形成电极94的中央区域98。第一浇铸溶液具有预定含量的催化颗粒。然后在该特富龙化的石墨片上施加第二浇铸溶液，在外围构成中央区域98的外围区域96。第二浇铸溶液也具有预定含量的催化颗粒。根据本发明，第二浇铸溶液的催化颗粒的含量低于第一浇铸溶液的催化颗粒的含量。然后该特富龙化的石墨片在烘箱中进行烘焙，然后热压到离子导电构件50例如PEM上。然后从该离子导电构件50上剥离特富龙化坯体，中央区域98和外围区域96保持嵌入以完全形成MEA 4或6。
优选在第一浇铸溶液已被施加后直接施加第二浇铸溶液，以使第一浇铸溶液还未完全干燥或固化。按照这样的方式施加浇铸溶液将能够保证在离子导电构件50上形成光滑、连续的电极，使得电极94不具有不连续性。此外，按照这样的方式施加浇铸溶液能够允许在电极6或8的中央区域98和外围区域96之间形成梯度。在上述方法的一种变型中，优选基本同时施加第一和第二浇铸溶液。
相对于拉杆法而言，以与上述方法相同的方式施加浇铸溶液，然而，为了改变催化剂担载量，使用一个拉杆来改变电极不同区域的厚度，使得一些区域包含比其它区域更多量的催化剂。更具体而言，根据图5所示的电极，中央区域98要具有比外围区域96更大的厚度，由此，中央区域98将具有更多的催化剂担载量。
为了制备图9所示的具有条形电化学活性区136的电极，优选使用直写法，但是也可以使用上述的贴花方法和拉杆方法。直写方法在Drumheller的美国专利US 4485387中有所描述，而且在图12中示出了一个实例。能够提供实施直写技术的装置制造商是MicroPen公司，其是0hmcraft公司在纽约Honeoye Falls的子公司。
直写技术使用带有细喷嘴头146的装置144，从而将粘性范围较宽的流体施加成各种宽度和厚度。例如，采用这种技术可以得到宽度为大约0.001”到0.080”(1mil到80mil或0.025mm到2.0mm)、厚度达到大约0.010”(10mil或0.25mm)的线材。优选地，电化学活性区的宽度至少是相应的双极板通道宽度的一半或者达到其宽度的大约1.25倍。一般来说，通道的宽度优选在大约0.10”到0.120”(10mil到120mil或0.25mm到3.0mm)的范围内，更优选在大约0.02”到0.06”(20mil到60mil或0.50mm到1.5mm)的范围内。由此，电化学活性材料60的宽度优选在大约0.005”到0.150”(5mil到150mil或0.10mm到4.0mm)的范围内，更优选在大约0.01”到0.075”(10mil到75mil或0.25mm到2.0mm)的范围内。
直写技术用来按电化学活性区136的所需模式以所需的宽度和厚度，在特富龙化的片材上施加电化学活性材料的浇铸溶剂。在以所需模式在特富龙化的片材上设置溶剂之后，坯体在烘箱中进行干燥。然后把特富龙化的片材热压到离子导电构件50的相对表面上，接着再将其除去，以在离子导电构件50上保留设置的电化学活性材料，作为优选的条形区或点状区模式的阳极和阴极的电化学活性区136，形成MEA 4或6。
上面对实施例和方法的描述本质上仅是示例性的且因此不偏离本发明要点的变型旨在落入本发明的范围内。这些变型不被视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (26)

1、一种燃料电池，包括：
包括离子导电构件和电极的膜电极组件，所述电极具有包含催化剂的活性区域；
具有多条流动通路面对所述电极的流场；
分布在所述活性区域内、沿至少一条所述流动通路以不均匀的担载量使得电化学活性沿所述流动通路发生变化的所述催化剂。
2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述流动通路沿所述电极的所述活性区域引导气态反应物进行流动。
3、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述流场进一步包括进口和出口；且所述至少一条流动通路在所述进口和所述出口之间横截所述活性区域，其中所述催化剂担载量随与所述进口之间的距离而增加。
4、根据权利要求3所述的燃料电池，其中在一条流动通路进口处的催化剂担载量不同于在相邻流动通路的出口处的催化剂担载量。
5、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述催化剂担载量沿所述多条流动通路中的全部流动通路而变化。
6、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述电极的所述活性区域包括外围区域和中央区域，在所述外围区域中的所述催化剂担载量少于在所述中央区域中的催化剂担载量。
7、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述电极的所述活性区域包括多个条形区域，与所述条形区域的第二部分相比，所述条形区域的第一部分具有更多的催化剂担载量。
8、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述电极的所述活性表面包括多个点状区域，与所述点状区域的第二部分相比，所述点状区域的第一部分具有更多的催化剂担载量。
9、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述催化剂包括Pt、Pd、Pt/过渡金属合金及其组合物。
10、一种燃料电池，包括：
包括离子导电构件和电极的膜电极组件，所述电极具有包含催化剂的活性区域；和
具有多条流动通路面对所述电极的所述活性区域的流场；
以不均匀的担载量分布在所述活性区域内使得与一条流动通路相关联的催化剂担载量不同于相邻流动通路的催化剂担载量的所述催化剂。
11、一种控制燃料电池中的反应的方法，包括：
提供夹在一对电极之间的质子交换膜，所述电极中的至少一个具有包含可变催化剂担载量的活性区域；以及
提供导电流体分配元件，所述导电流体分配元件具有面对所述至少一个电极的流场；
其中所述可变催化剂担载量提供在所述流场的相应区域内对反应速度的局部控制。
12、根据权利要求11所述的方法，其中所述可变催化剂担载量是基于在所述各区域内所需的产生水的速度而进行变化的。
13、根据权利要求11所述的方法，其中所述可变催化剂担载量是基于所述电池产生的所需电流而进行变化的。
14、根据权利要求11所述的方法，其中所述可变催化剂担载量是基于在所述各区域内组分的质量流量而进行变化的。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所述可变催化剂担载量被设置成与所述质量流量成正比。
16、根据权利要求14所述的方法，其中所述可变催化剂担载量被设置成与所述质量流量成反比。
17、根据权利要求11所述的方法，其中所述可变催化剂担载量根据在所述活性区域的不同部分产生的热量被分布在所述电极的所述活性区域上。
18、根据权利要求11所述的方法，其中所述导电流体分配元件包括选自包含金属、复合材料和聚合材料的组中的至少一种材料。
19、根据权利要求11所述的燃料电池，其中所述导电流体分配元件的所述区域中的某些区域被冷却，且所述可变催化剂担载量根据反应速度和冷却程度而变化。
20、一种控制燃料电池的电流密度的方法，包括：
提供具有流场的导电流体分配元件；
提供包括离子导电构件和电极的膜电极组件；以及
根据所述流场中包括的通道的几何结构改变所述电极的催化剂担载量。
21、根据权利要求20所述的方法，其中所述催化剂担载量进一步根据选自以下的至少一条标准而进行变化：即所述导电流体分配元件的材料、由所述燃料电池的电化学反应所产生的热量和由所述电化学反应产生的水的量。
22、根据权利要求20所述的方法，其中所述催化剂担载量根据所述流场的通道内的压力变化而进行变化。
23、一种用于改变沿膜电极组件(MEA)表面的催化活性的方法，所述膜电极组件具有催化电极和与所述催化电极相邻的组分流动通路，所述方法包括为所述催化电极提供催化剂，其特征在于，所述催化剂的催化活性与催化剂担载量成正比；且沿所述流动通路改变所述催化电极的催化剂担载量。
24、根据权利要求23所述的方法，其中所述流动通路包括具有相对较低组分浓度的区域和具有相对较高组分浓度的区域，在所述较低组分浓度区域中所述担载量更大。
25、根据权利要求23所述的方法，其中所述流动通路包括具有相对较高压力的区域和具有相对较低压力的区域，在所述较低压力区域中所述催化剂担载量更大。
26、根据权利要求23所述的方法，其中所述流动通路包括具有相对较少积水量的区域和具有相对较多积水量的区域，在所述较多积水量区域中所述催化剂担载量更小。
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