TW201145661A - Performance enhancing layers for fuel cells - Google Patents

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201145661 六、發明說明： 【先前技術】 燃料電池可作為愈來愈大量大規模應用（諸如材料處置 (例如，鏟車）、運輸（例如，電動運輸工具與混合式運輸工 具）及離網型電源供應器（例如，對於應急電源供應器或電 信））之一電源供應器。現在已發展針對可攜式消費應用（諸 如筆記型電腦、蜂巢式電話、個人數位助理（PDA)及類似 物）的較小燃料電池。 燃料電池可以一習知燃料電池堆疊之形式連接。許多習 知燃料電池堆疊使用氣體擴散層（GDL)用於收集來自一單 位電池中之一觸媒層（例如，一陽極）之電流並將該電流傳 輸（例如，通過一雙極板）至下一單位電池之相反觸媒層（例 如，一陰極）。在許多習知燃料電池堆疊中，電流之主導 方向係垂直於該燃料電池及該GDL之平面。 燃料電池亦可以邊緣收集組態（諸如平面組態）連接。在 此等實施例中，電子流動之主導方向可不同於一習知燃料 電池堆疊中之電子流動之主導方向。與習知電池堆疊一起 使用之GDL連同邊緣收集燃料電池系統一起使用可能並非 最佳》 【發明内容】 實施例係關於一種包含一或多種導電材料之燃料電池之 ·-效能增強層，該等導電材料之至少—者包含形態各向異 性並經定向以於該層及一黏結劑中賦予各向異性導電率之 粒子，其中該黏結劑定位該等粒子使其等彼此接觸。

S 153232.doc 201145661 本發明之實施例亦係關於一種製作用於具有電極塗層之 一燃料電池層之一效能增強層之方法，該方法包含充分混 合一或多種導電材料、一黏結劑及一溶劑以產生一漿料； 充分澆鑄該漿料以產生一濕膜；充分乾燥該濕膜以產生一 薄膜；及將該薄膜接合至一燃料電池層。 貫施例係關於一種包含一複合物之一燃料電池，該複合 物包含一離子傳導組件及兩個或兩個以上電子傳導組件、 各自與該離子傳導組件離子接觸並與該等電子傳導組件之 至少一者電接觸之兩個電極塗層，每一電子塗層包含一内 表面及一外表面、安置成接觸或緊密接近該等電子塗層之 一者之一表面之一效能增強層。該層提供至相關聯之電子 傳導組件之一導電路徑或提供來自該相關聯之電子傳導組 件之一導電路徑。 【實施方式】 附加圖式圖解說明本發明之非限制例示性實施例。在該 等圖式中，相同數字描述類似（但無需相同）之組件。具有 不同字母後置碼之相同數字表示類似（但無需相同）之㈣ 之不同實例。 貝穿下列描述’陳述特定細節以提供對本發明之透徹理 解。然而，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明。在 其他實例中，未詳細展示或描述習知元件以避免不必要模 糊本發明變得1等圖式以圖解說明方式展示實踐本發明 之特定實鮮卜在不脫離本發明之料之情況下可組合此 等實施例、可使用其他元件或作出結構或邏輯改變。因 153232.doc 201145661 此，本說明書及該等圖式係、視為—闡釋性而非—限制性理 解力。 此文獻中㈣用的所有公開案、專似專利文獻係以引 用方式全部併入本文，如單獨以引用方式併入。若此文獻 與以引用方式如此併人之該等文獻之間的用法並不一致， 則所併入的引用中之用法應被考量為s此文獻之用法之補 充；對於不相容的矛盾而言，此文獻中所控制之用法。 在此文獻令，專利文獻中常見之術語「一」或「一個」 係用以包含一或多個而非一個，不依賴任意其他實例或 「至少-者」或「一或多個」之用法。在此文獻中，除非 另有指代，否則術語「或」係、用以表示一非排他性或使得 「A、B或C」包含「僅A」、「僅B」、「僅c」、「A及 Bj 、 「B及C」、「A及C」及「A、B&C」。 在隨附態樣及申請專利範圍中，術語「第一」、「第 二」及「第三」等係僅用作標記，且並無將數值需要強加 於其等目標之意圖。 本文所提供的係用於邊緣收集燃料電池之效能增強層 (PEL)。一 PEL提供一路徑用於電流自一單位電池中之一電 極塗層流向一電流集電器（或電子傳導組件），接著流向下 一個單位電池之相反電極塗層。PEL可具有各向異性導電 率。PEL包含具有粒子之一導電材料。該等粒子可為形雜 各向異性並可經定向以於該效能增強層中賦予高平面内導 電率。而且本文所提供的係製備PEL及包含PEL之燃料電 池層之方法。

S 153232.doc 201145661 本發明之實施例被描述為質子交換膜（PEM)燃料電池或 PEM燃料電池之組件。然而，可運用其他類型的燃料電池 (諸如鹼性燃料電池或固體氧化物燃料電池）實踐實施例。 實施例亦可應用於其他類型的電化學電池（諸如電解器或 氯鹼電池）。 根據一些實施例之燃料電池系統可用作各種應用之一電 源。舉例而言，燃料電池系統可用以供電給可攜式消費裝 置（諸如筆記型電腦、蜂巢式電話或pDA)。然而，本發明 並未受限於可攜式消費裝置，且可實踐實施例以供電給較 大應用（諸如材料處置應用、運輸應用或離網型發電）或其 他較小應用。 ~ 可運用多種不同設計的燃料電池來實踐本發明之實施 例。本文所描述的係運用平面燃料電池實踐實施例：然 :，可替代地運用其他邊緣收集燃料電池實踐相同或其他 實施例。為便於引用’貫穿說明#，邊緣收集燃料電池及 有關技術係稱為「平面」燃料電池、「平面」辦料電、、也系 統或「平面」燃料電池層。然、而，應瞭解的是，在一些實 施例中’邊緣收集燃料電池可能並非平面燃料電池，且邊 緣收集燃料電池無需為運用本發者 舉例而言，單位辦料電池非2 〃面燃料電池。 …科電池可非始終位於同一平面内 如，該等單位燃料電池可為撓性 ^ u ^螺紅、管狀或波狀） 或大致上可位於同-平面内但具有非平面微尺寸。 定義 如本文所使用，一「複合層 或複合物」表示包含具 153232.doc 201145661 有一厚度之至少兩個表面之一層’其中在該等表面之間界 定-或多個離子傳導通道及一或多個導電通道。可藉由界 定離子傳導通道及導電通道在該複合物之不同區域中連同 改變大小、形狀、密度或配置變化而使一複合物之離子傳 導性質及導電性質變化。一複合層可包含一或多個介面區 域。-複合層可能不可滲透一流體（例如，一氣體或一液 體）。在-些實施例中’該複合層大致上不可滲透一些流 體，但是可渗透其他流體。舉例而言，該複合層大致上不 可渗透由-燃料賦予之一氣壓；然而，水可跨該等離子傳 導組件遷移。 如本文所使用’一「電子傳導組件」表示提供一導電路 徑之-複合層之一組件。舉例而言，該電子傳導組件可提 供自一複合層之一表面通過該複合物至該複合層之相對表 面之-導電路徑或若干導電路徑。電子傳導組件包含具有 導電性之一或多種材料，例如，金屬、金屬泡沫、含碳材 料、導電陶瓷、導電聚合物、其組合及類似物。電子傳導 組件亦可包含並不導電之材料。 如本文所使用’一「離子傳導組件」表示提供一離子傳 導通道之一組件。離子傳導組件可為一複合層之組件。離 子傳導組件包含—離子傳導材料（諸如一基於含氟聚合物 之離子傳導材料或一基於烴之導電材料）。 如本文所使用，一「介面區域（interface region)」表示 非導電之-複合層之一組件。舉例而言，介面區域可包含 展現可忽略離子傳導率且可忽略導電率之一材料。介面區 153232.doc 201145661 域可與電子傳導區域結合使用以形成電流集電器，且在此 等清;兄中可於電子傳導區域之一層或兩側上安置相鄰電子 傳導區域。電子傳導區域可内嵌於一介面區域中以形成一 電流集電器。應瞭解的是，一介面區域（或若干介面區域） 係一電流集電器中之一選用之組件，而並非—必要組件。 當一介面區域係用作一電流集電器之一組件時，其可用以 促進電子傳導區域與離子傳導區域之間的黏附力及/或用 以提供介於相鄰電化學電池之間的電絕緣。 如本文所使用，一「粒子」表示一材料之一部分、一片 或一碎屑。舉例而言，導電粒子可包含纖維、粒片、碎屑 或一電化學層之離散部分。 如本文所使用，「平面」表示具有一限定延伸部及空間 方向或位置之二維假設表面。舉例而言，一矩形方塊可具 有一垂直平面及兩個水平平面’該垂直平面與該兩個水平 平面彼此正交。舉例而言，可使用大於或小於9〇。之角度 相對於彼此界定平面。 如本文所使用’ 「燃料（fuel)」表示適合用作一燃料電 池中之燃料之任思材料。燃料之實例可包含（但不限於） 氫、甲醇、乙醇、丁烷、氫硼化物混合物（諸如鈉或鉀氫 硼化物）、甲酸 '氨水及氨水衍生物（諸如胺 '肼）、複合金 屬氫化物化合物（諸如鋁氫硼化物）、硼烷（諸如乙硼烷）、 烴（諸如環已烷）、咔唑（諸如十二氫_n_乙烷咔唑）及其他飽 和環狀多環烴、飽和胺基硼烷（諸如飽和環硼氮六烧）。 圖1中展示一習知先前技術燃料電池堆疊丨〇。燃料電池 153232.doc 201145661 堆疊ίο具有配置成串聯之個別燃料電池2〇。燃料電池2〇可 (例如）包含質子交換膜（PEM)燃料電池。燃料電池堆疊1〇 具有其中引入一燃料（諸如氫氣體及氧化劑（諸如空氣或氧 氣））之歧管（圖中未展示）。 燃料及氧化劑經由具有流動通道22及架台24之單極板^ 及雙極板12行進至單位燃料電池2〇。燃料自雙極板12A中 之流動通這22經過一多孔帶電層或氣體擴散層（gdl)14a 進入一陽極觸媒層16A。在陽極觸媒層16A處，該燃料經 歷一化學反應以產生自由電子及帶正電離子（通常係質 子）。該等自由電子係藉由GDL 14A收集並經過雙極板12A 進入下一個單位燃料電池之GDL ^該等離子沿相反方 向行進通過一電絕緣離子交換膜18。離子交換膜18係位於 陽極觸媒層16A與陰極觸媒層16C之間。 圖1A係圖1之習知燃料電池堆疊丨〇之單位燃料電池之

一截面示意圖。在燃料電池20中，電子自陽極觸媒層16A 中之化學反應之位點行進至GDL 14A。質子（或其他帶正 電離子）沿相反於電子流動之方向之一方向行進進入並通 過離子交換膜18。收集於GDL 14A中之電子行進通過雙極 板12A之架台24至下一個單位電池之gdl 14C。在此等燃 料電池中，電子流動及離子流動大致上沿相反方向發生， 且該兩者大致上係垂直於離子交換膜18、GDL 14及觸媒層 1 6之平面。 在觸媒層16C處，質子與帶負電的氧離子組合以形成 水。該產物水保留於GDL 14C中、係藉由離子交換膜“吸

S 153232.doc 201145661 收、行進至雙極板以之流動通道22或其等之一組合。 由於C5DL· 14弓丨導電子自該雙極板至一觸媒層（反之亦 然），因此14通常需要高平面内導電率（例如，沿垂直 於該燃料電池及該GDL之平面之方向之導電率）。 通常，壓縮力係施加於一燃料電池堆疊以阻止燃料及氧 化劑洩漏並減小該等觸媒、該等GDL與該等雙極板之間的 接觸電阻。特定言之’許多燃料電池堆疊需要壓縮力以使 GDL與雙極板之間達成更好的電接觸。燃料電池堆疊因此 需要許多部分（例如，夾具）且總成可能極複雜。

圖2A及圖2B展示一第一例示性平面燃料電池層1 〇〇及一 第二例示性平面燃料電池110，如分別標題為 「ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT-CARRYING STRUCTURES UNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS」及「ELECTROCHEMICAL CELL AND MEMBRANES RELATED THERETO」的共同讓與之美國專利申請案第 1 1/047,560號及『專利合作條約』申請案第CA2009/000253 號中所描述。例示性平面燃料電池層1 00、1 1 0包含具有離 子傳導組件1 1 8、11 8'及電子傳導組件1 1 2、1 12’之一複合 層124、124'。視需要，複合層124、124'亦可具有介面或 基板區域122、122%介面或基板區域122、122'可包含電 絕緣且離子絕緣之一材料《燃料電池層100、110具有兩種 類型的電極塗層，即，陰極塗層116C、116C'及陽極塗層 116A、116A·。陰極塗層116C、116C，係安置於複合層124、 124'之一第一側上’且係黏附於複合層124、124,之一第一 153232.doc -10- 201145661 表面。陽極塗層116A、116A，係安置於複合層124、124，之 一第二側上，且係黏附於複合層124、124,之一第二表面。 陰極塗層116C、116C，及陽極塗層116A、116A，各自藉由間 隙或介電區域120、120'而彼此分離。 圖3係例示性平面燃料電池層ι〇〇中之單位燃料電池ι4〇 之一截面示意圖。在所展示之實施例中，燃料及氧化劑分 別係氫氣及氧氣。然而，應瞭解的是，本發明之實施例可 連同使用燃料及氧化劑之其他組合之燃料電池一起使用。 氫氣接觸陽極塗層i丨6A並解離成質子及電子。電子沿主要 平行於陽極塗層116A之平面之方向行進通過陽極塗層 11 6A，並行進進入且通過與下一個單位電池共用之電子傳 導..且件1 12b。貝子沿主要正交於電子行進通過陽極塗層 116A之方向之一方向自陽極塗層U6A中之化學反應之位 點打進。電子傳導組件U2b中所收集的電子行進至下一個 早位電池之陰極塗層。電子沿主要平行於陰極塗層u6c之 平面之一方向自電子傳導組件112a行進通過該陰極塗層。 乳乳接觸陰極塗層U6C並行進至化學反應之位點。氧氣減 >並產生產物水，這可存在於或保留於陰極塗層H。 運用些邊緣收集燃料電池層，可希望沿平行於該塗層 之平面之一方向（例如，相對於垂直於該塗層之平面，如 同許多習知燃料電池）具有良好導電率之電極塗層或其他 層。一些邊緣收集燃料電池層使用極小個別燃料電池以減 J電二行進的距離，因此最小化歐姆損耗❶一些邊緣收集 燃料電池之電極塗層具有大於電化學活性所需之觸媒裝 153232.doc 201145661

載。在此等邊緣收集燃料電池中，觸媒可用以引導電流以 及催化電化學反應。在一些邊緣收集燃料電池層中，電極 塗層可展現可增加該塗層之平面之電阻之裂縫。一些邊緣 收集燃料電池之電極塗層使用高導電材料以增加該電極塗 層之導電率’如標題為「PLANAr FUEL CELL HAVING CATALYST LAYER WITH IMPROVED CONDUCTIVITY」 的共同擁有之美國專利申請案第12/275,〇2〇號中所描述， 該專利申請案以引用方式併入本文。本發明之實施例描述 使用展現良好導電率之平行於該等電極塗層之平面之電路 徑之燃料電池層。 圖4 A係具有根據一例示性實施例之一效能增強層之一平 面燃料電池層之一截面圖。平面燃料電池層15〇包含具有 離子傳導組件11 8及電子傳導組件1 12之一複合層丨24。視 需要’複合層124亦可具有介面區域122。陰極塗層n6C係 安置於複合層124之一第一側上’且係黏附於複合層124之 一第一表面。陽極塗層116A係安置於複合層124之一第二 側上，且係黏附於複合層丄24之一第二表面。陰極塗層 116C及陽極塗層116A係各自藉由間隙或介電區域12〇而彼 此分離。 平面燃料電池層1 5 0具有一或多個單位燃料電池層丨4〇。 如可見，當在一單位電池中將一陰極塗層裝配成一燃料電 池層時’該陰極塗層係安置於相關聯離子傳導組件之一第 一表面上，且大致上係與該離子傳導缸件共同延伸。一陽 極塗層係安置於相關聯離子傳導組件之一第二表面上，且 153232.doc •12· 201145661 大致上係與該離子傳導組件共同延伸。該陰極塗層及該陽 極塗層皆係與該離子傳導組件離子接觸並與該等電子傳導 組件之一者電接觸。一單位電池之該陰極塗層大致上延伸 於一第一電子傳導組件上方，且該陽極塗層大致上延伸於 一第二電子傳導組件上方。在所展示之實例中，單位電池 係串聯連接。然而，單位電池可替代性地並聯連接或串聯 並聯組合連接。 平面燃料電池層150具有效能增強層（PEL)152C及 152A。陰極Pel 152C係安置於陰極塗層116C之外侧上且 係黏附於陰極塗層U6C之外表面。陽極PEL 152A係安置 於陰極塗層116A之外側上且係黏附於陽極塗層116A之外 表面。陰極PEL 152C及陽極PEL 152A係各自藉由間隙或 介電區域120而彼此分離。貫穿此說明書，術語「外部」 及「内部」係分別用以表示遠離或靠近該複合物或離子傳 導組件之中心之方向。雖然為便於圖解說明而將離子傳導 組件展示為矩形，但是發明者所瞭解並預期的是，在一些 實施例中，該等離子傳導組件可為不規則形狀、可具有凹 面或凸面，或可以相對於該燃料電池層之中間安置成不對 稱。離子傳導組件（及電流收集組件）之此等潛在不對稱之 另一實例可在標題為「FUEL CELLS AND FUEL CELL COMPONENTS HAVING ASYMMETRIC ARCHITECTURE AND METHODS THEREOF」的同在申請中之美國專利申 請案第61/290,448號之共同擁有的專利申請案及主張其優 先權之相關申請案中找到，該申請案之内容係以引用方式

S 153232.doc •13- 201145661 全部併入本文。 貫穿此說明書使用術語「效能增強層」。然而，應瞭解 的是，效能增強層無需改良一燃料電池層之電效能。包含 -虹之一燃料電池層與不具備一 pEL之—燃料電池層相 比可展現下列效能改良之〜❹者1良電效能；降低成 本；更易於製造；在-較大範圍的環境條件期間降低退化 速率（改良壽命效能）、減小效能波動或令人滿意的效能； 及改良對環境污帽如-氧化氮、氧化硫、—氧化碳及 類似物）之耐受性。 P E L可擴大介於一電極塗層中之一反應位點與相關聯電 子傳導組件之間的電路徑。具有隱之燃料電池層可具有 較薄電極塗層，且因此減小觸媒裝載而可使該等燃料電池 層更具成本效率。具有PEL之燃料電池層可減小電阻率， 且因此可展現比不具備PEL之燃料電池層更好之效能。 在所展不之貫施例中，陰極PEL 152C及陽極 係各自大致上分別與陰極塗層U6C及陽極塗層n6A共同 延伸。然而’陰極PEL 152C及陽極pEL 152A無需與相關 聯電極塗層共同延伸。在—些實施例中，該pEL並非延伸 ’且具有小於相關聯電極塗層之表面積 之一表面積。在其他實施例令，pel延伸在整個電極區域 上，且具有大於相關聯電極塗層之表面積之一表面積。 …圖4B係具有根據一第二例示性實施例之pEL之一例示性 平面燃料電池層之一截面圖。平面燃料電池層具有陰 極塗層117C及陽極塗層Π7Α。在所展示之實施例争，陰 I53232.doc 201145661 極塗層117C及陽極塗層H7A係各自大致上與該相關聯離 子傳導組件11 8共同延伸，且與該相關聯電子傳導纪件J12 有極少直接實體接觸或無直接實體接觸。平面燃料電池層 160具有陰極PEL 154C及陽極PEL 154A。在所展示之實施 例中’陰極PEL 154C及陽極PEL 154A係各自大致上與該 相關聯電極塗層117之所有外表面共同延伸，且大致上與 該相關聯電子傳導組件112之所有外表面共同延伸。陰極 PEL 154C提供介於陰極塗層ii7C與該相關聯電子傳導組 件112之間的一電連接。陽極PEL 154A提供介於陽極塗層 11 7 A與該相關聯電子傳導組件112之間的一電連接β

由於所圖解說明實施例之PEL，燃料電池層ι6〇可具有 厚度或面積減小的電極塗層，且因此減小觸媒裝載。因 此，該所圖解說明實施例之pel可容許平面燃料電池層之 製備更具成本效率。額外地或替代地，具有PEL之燃料電 池層可減小電阻率，且因此具有更好效能。用於具有pEL 之燃料電池層之製備方法需要的精確度可小於不具備pEL 之燃料電池層’這係由於觸媒無需涵蓋該燃料電池層之電 子傳導組件。 圖4C係具有根據一第三例示性實施例之pEL之一例示性 平面燃料電池層之一截面圖。燃料電池層17〇具有陰極塗 層116C’及陽極塗層ιι6Α，。在所展示之實施例中，陰極塗 層116C’及陽極塗層ι16Α，各自延伸在相關聯離子傳導組件 11以之外表面上，且延伸在相關聯電子傳導組件112，之至 少部分上。燃料電池層具有陰極pEL丨5 6C及陽極pel s 153232.doc 15 201145661 156A。陰極PEL 156C及陽極pE]L 156八各自延伸在相關聯 電極塗層116,之一部分上。在所展示之實施例中，pEL 156具有小於該相關聯電極塗層116，之表面積之—表面積。 具有所圖解說明實施例之p E L之燃料電池層可容許的個別 電極塗層之電絕緣比不具備pEL之燃料電池層更簡單。因 此，具有PEL 156之燃料電池層可更易於製備。 PEL可包含多種材料，且在一燃料電池層中可用於多種 不同功旎或目的之一或多者。PEL可藉由容許電極塗層具 有減小的觸媒裝載而減小成本。額外地或替代地，pel可 改良單位電池之導電率，藉此減小一燃料電池層之歐姆損 耗。 PEL可以若干不同方式改良導電率。舉例而言，一 pel 可提供介於一電極塗層中之裂縫之間的一橋接。圖5八及圖 5B分別係不具備根據一例示性實施例之pel之一例示性平 面燃料電池之一單位燃料電池180及具有根據一例示性實 施例之PEL之一例示性平面燃料電池之一單位燃料電池丨85 之截面圖。燃料電池180、1 85各自具有一陰極塗層1 76C、 186C及一陰極塗層176A、186A。陰極塗層176C、186C及 一陰極塗層176A、186A各自具有裂縫126。燃料電池185 具有一陰極PEL 188C及一陽極PEL 188A。 在燃料電池180' 185中，一電子自前一個單位電池行進 通過該電子傳導組件進入陰極塗層176C、186C。在燃料 電池180之陰極塗層176C中，該電子採取一迂迴曲折路徑 到達反應位點。在陽極塗層176A中，該電子亦採取一迁迴 I53232.doc -16· 201145661 曲折路徑自該反應位點朝向該電子傳導組件。然而，由於 裂縫126’延伸貫穿陽極塗層176A之整個厚度，因此該電子 不能到達該電子傳導組件，且亦不能到達燃料電池18〇亦 不能。 在燃料電池185之陰極塗層186C中，電子藉由行進通過 陰極塗層186C之厚度、沿平行於PEL 188C之平面之一方 向行進通過PEL 188C且接著再次行進通過觸媒塗層“… 之厚度而到達該反應位點處。在該陽極側，該電子採取一 類似路徑。在具有已破裂的電極塗層之一例示性平面燃料 電池中，一 PEL可藉由提供一橋接於電極塗層之裂縫上方 而改良導電率。在此等燃料電池中或在具有減小觸媒裝載 的電極之燃料電池中，PEL可藉由提供一額外導電路徑而 減小電壓損耗》 PEL係導電❾，且在許多實施例中，亂具有高平面内 導電率。在-些實施例中，PEL係具有電各向異性（例如， 諸PEL沿一或多個方向展現的導電率大於沿一或多個其％ 方向之導電率）。在一些實施例中，pEL沿該pEL之平面中 之一或多個方向具有的一導電率大於沿垂直於該pEL之平 面之方向之導電率。在—些例示性實施例中，pEL沿該 PEL中之一第一方向具有的導電率大於沿下列兩個方向之 導電率：垂直於該PEL之平面之一第二方向；及沿該咖 之平面之一第二方向。該第三方向可正交於該第一方向或 其可·.·工疋向與自該第一方向成另一角度。在一特定例示性 實施例中，PEL具有的一導電率在沿下列方向的導電率中 153232.doc 201145661 係最大的：自一電子傳導組件朝下一個電子傳導組件延 伸；且，反之亦然。 PEL可包含多種導電材料。pEL可包含亦抗腐#之一或 多種導電材料。舉例而言，PEL可包含碳（諸如碳黑、石 墨、碳纖維、碳化泡沫、碳化粒片、碳奈米管、碳針及非 晶形碳）。PEL可額外地或替代地包含其他導電材料（諸如 貴金屬、抗腐蝕金屬或金屬合金）及導電聚合物（例如，聚 苯胺）。 導電材料可包含離散粒子或PEL層之部分（諸如碎屑、粒 片或纖維）。在一些實施例中，導電材料包含形態上各向 異性之粒子。舉例而言，導電材料可包含形態上各向異性 的碳粒子（諸如碳纖維）。導電材料可包含短的碳纖維（例 如，具有比一單位電池之長度小一數量級之一平均長度之 纖維）或長的纖維（例如，具有與一單位燃料電池處於相同 數量級之一平均長度之纖維）。在一例示性實施例中，纖 維係比該等離子傳導組件之厚度短。此一實施例可避免纖 維藉由滲入該等離子傳導組件所導致的電短路之發生。 在一些實施例中，導電材料之各向異性粒子係經定向以 於PEL中賦予各向異性（例如，導電或導熱中之各向異 性）。在一例示性實施例中，各向異性粒子係藉由沿較佳 定向之方向施加一剪應力而定向。此一實施例可藉由牽引 包含各向異性粒子之一漿料而製備，所得pEL中之該等各 向異性粒子係沿牽引方向對準。在其他實施例中，PEL·利 用導電材料中之各向異性。在此等實施例中，導電材料 153232.doc • 18. 201145661 可包含紡織或非紡織碳纖維形式之碳纖維。 在一些實施例中，PEL可為堅固或剛性的或可包含堅固 或剛性材料。在此等實施例中，PEL可對離子傳導組件提 供支撐。在其他實施例中，PEL可具有撓性或彈性。在一 些實施例中，PEL具有撓性，且可連同一撓性或適型燃料 電池層一起使用，（例如）描述於標題為「DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUEL CELLS」的共同讓 與之美國專利第7,474,075號或分別標題為「FLEXIBLE FUEL CELL STRUCTURES HAVING EXTERNAL SUPPORT」 及「FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE-SAVING FLUID PLENUM AND RELATED METHODS」的美國專利 申請案第1 1/327,516及12/238,241號中之一燃料電池層。在 一例示性實施例中，當PEL經受存在於一燃料電池之正常 操作範圍中之應力或應變力時，其等可具有彈性。 PEL可具有各向異性的彈性（例如，一 PEL沿一或多個方 向具有的彈性可能大於沿一或多個其他方向的彈性）。在 一些實施例中，PEL沿該PEL之平面中之一或多個方向具 有的一彈性大於沿垂直於該PEL之平面之方向的彈性。在 一些例示性實施例中，PEL沿該PEL之平面中之一第一方 向具有的彈性大於下列兩者方向的彈性：垂直於該PEL之 平面之一第二方向；及該PEL之平面中之一第三方向。該 第三方向可正交於該第一方向或其可經定向與該第一方向 成另一角度。在一特定例示性實施例中，PEL具有的彈性 在沿下列方向的彈力中係最大的：自一電子傳導組件朝下 5 153232.doc •19· 201145661 一個電子傳導組件延伸；且，反之亦然。 在-些實施例中，PEL可藉由阻止或減弱該等電極塗層 之裂縫之形成來減小電壓損耗。在-燃料電池之正常操 作期間，該等離子傳導組件可膨m，這係歸因於水的吸 收。在此等實施射，PEL可減小該轉子傳導組件之膨 :或可減小強加於該等電極塗層上之此等膨脹。舉例而 吕’若該PEL係剛性的或部分剛性的，貝，！其可減小該等離 子傳導組件之變形。 PEL可包含用作-黏結劑或基質之—材料。在—些實施 例中，用作-黏結劑或基質之該材料可為促進對該觸媒層 之一接合之一材料。該黏結劑材料可用以將導電材料之粒 子固持在一起；將導電材料接合至電極塗層；或兩者。該 黏結劑材料可具有額外功能（諸如管理該燃料電池層中之 熱量或水）。該黏結劑材料可與電極塗層、電子傳導組件 或離子傳導組件充分接合。該黏結劑材料可變形；不溶於 水；或在燃料存在之情況下係穩定的。舉例而言，^^^匕可 包含為一塑膠（諸如熱塑性聚合物或熱固性聚合物）之一黏 結劑材料。舉例而言，PEL可包含下列一或多個：含氟聚 合物（諸如聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚四氟乙烯（PTFE)及全 氟礦酸（例如’來自 Ε·Ι. du Pont de Nemours an(i Company 之Nafion®全氟磺酸））；不含氟離子聚合物；不含氟熱塑性 塑料（諸如聚乙烯及聚丙烯）；或聚胺甲酸酯。 在一些實施例中’該觸媒層可含有使該觸媒層在並未完 全中斷電連續性之情況下更多變形之黏結劑。此等黏結劑 153232.doc •20- 201145661 亦可增強該觸媒層與該等PEL之間的接合，並提供一更穩 健的燃料電池層。舉例而言，此等黏結劑材料包含塑膜或 導電塑移。舉例而言，一離子聚合物分散液(諸如歸― 對該觸媒層而言可用你—赴έ士為丨 ^ ^ 。』用作黏結劑。其他適合的黏結劑材料 可包含聚四氟乙烯(例如’鐵氟龍）、聚丙烯、聚乙烯或可 增加該觸媒層之彈性之其他相關惰性添加劑。 平面燃料電池中之觸媒層可使用阻止破裂或阻止跨電力 不連續1±之產生之其他方式。舉例而言，該等觸媒層可使 用由導電材料或經導電材料塗層之—不導電結構構件製成 的微小結構。此等微小結構之將並不阻礙流動環境材料 (諸如反應物及副產物）之整體尺寸可能長且薄，且可被稱 為「裂紋橋接（crack bridging)」冑小結構。潛在裂紋橋接 微小結構之實例包含各種類型的碳纖維、碳奈米管或安置 於-塑膠或陶瓷纖維上之導電材料(例如，鉑、金)。 觸媒層亦可使用「裂縫釘紫（crack—响」微小社 構’其中透過在該觸媒層中增加一結構補強來阻止該觸媒 層中之裂縫傳播。此等微小結構可(或不可)導電。裂縫釘 紮微小結構之實例可包含(例如)將不污染該等離子傳導組 件或觸媒層之惰性材料，且可相對無彈 究或某些有機材料）。 ^ 燃料電池層中之PEL之使用可容許減小觸媒裝載；此減 小亦可提供不易受破裂影響之—更具有動性的觸媒層。觸 媒層可進一步使用任意若干添加劑（諸如碳載翻、金碳 或石墨)以增強觸媒層持久性，且在一些情況中，亦可促 153232.doc 201145661 進該PEL與該燃料電池層之接合及該等層中之導電率。 在一些實施例中，PEL可具有容許其等易於與電極塗 層、電子傳導組件接合或視需要與離子傳導組件接合。因 此，此等PEL可能不需要壓縮力以維持與電子傳導組件及 電極塗層良好的電接觸。併入此等PEL之燃料電池系統可 更易於裝配。 在一些此等實施例_，可使用加熱及/或壓力或使用接 合該PEL之任意其他適合方式使該等pEL接合至該燃料層 或該燃料電池層之該（該等）電極塗層。 在其他實施例中，該等PEL可能不接合至該燃料電池， 且本身品要該燃料電池覆蓋範圍或其他結構特徵以於一導 電層上施加一壓力以维持與該燃料電池接觸。在一些實例 中，將多個離散件安裝於該結構中可有利於消除接合需要 及於該PEL中形成間隙之需要。在一例示性實施例中，該 燃料電池層貫際上並不對稱，使得該等離子傳導組件之— 側在輪廓上大致上係凹陷的。在此等實施例中，可用—多 孔導電材料（諸如碳紡織品、碳粉末、抗腐蝕金屬紡織 品、抗腐蝕金屬粉末、石墨粉或PEL)填充或支撐由相對於 該等電流集電器之表面之平面而由該等離子傳導組件之凹 陷部分形成的空隙。在此等實施例中，一外部支撐結構可 將多孔嵌件按壓進入該等觸媒層、增強電接觸並容許電流 流動進入並通過該等多孔結構以實現低電阻電流路徑，即 使在觸媒裂縫存在之情況下。插入該燃料電池之凹陷區域 之^孔導電材料之其他機械及化學性質可經選擇以最大 153232.doc -22· 201145661 程度地影響該等燃料電池功能：舉例而言，該PEL可為一 可壓縮層且可具有適合用於輔助水管理之水份保持性質。 在此等實施例中，一支樓結構可接合至該燃料電池層(例 如°玄等电流集電器處）及/或該等PEL以促進結構支撐。 • 在一些實施例中，可在與燃料電池層接合之前活化或裝 填PEL在例不性實施例中，活化或裝填pEL以改良與電 極塗層之接合或黏結或減小隱與電極塗層之間的接觸電 阻。 在一些實施例中，陰極及陽極PEL可具有足夠多的孔以 分別容許大量運輸氧化劑或燃料。在一些實施例中，ML 可經設計以改良水或熱管理。舉例而言，針對一水份保持 度或熱保持度可設計PEL之多孔性。諸性質（諸如多孔性、 疏水性及導熱性）可在不同層中改變以增強水或熱管理。 PEL可包含影響該PEL之疏水性或親水性之材料（諸如離子 聚合物（例如，磺化聚芳醚酮、聚伸芳硫酸及苯乙烯與二 乙烯基苯之一共聚物）、PTFE、尼龍、氧化物（例如，氧化 矽、氧化錫）或類似物）。 在一例示性實施例中，PEL具有小於大於1毫米之一厚 • 度。舉例而言，該厚度可介於大約35微米至大約75〇微米 - 之間，大約5〇微米至大約500微米之間或介於大約ι〇〇微求 至大約3 5 0微米之間。在一些例示性實施例中，pEL可具有 大約50微米至大約200微米之範圍中之一厚度。 在一些實施例中，PEL係安置於相鄰於該等陽極塗層或 該等陰極塗層之内表面之複合層之一或多個表面上。圖6 153232.doc -23· 201145661 係具有根據一例示性實施例之PEL之一例示性平面燦料電 池層190之一截面圖。燃料電池層19〇具有陽極塗層1 l6A、 陰極塗層196C及陽極PEL 152A及陰極pel 192C。陰極塗 層196C及陰極PEL 192C之位置係相對於陽極塗層1 l6A及 陽極PEL 152A及上述實施例之該等電極塗層及該等pEL之 位置而顛倒。陰極PEL 192C係安置於複合層124之一第一 側上，且係黏附於複合層124之一第一表面。 在一單位燃料電池中，一陰極塗層196C係安置於陰極 PEL 192C之外側上，且係黏附於陰極PEL 192C之外表 面。在操作該燃料電池期間，質子（或其他離子）自陽極塗 層116A中之反應位點行進通過離子傳導組件118、通過陰 極PEL 192C至陰極塗層196C中之反應位點。電子行進通 過陰極PEL 192C自電子傳導組件112至陰極塗層196C中之 反應位點。氧化劑行進通過陰極塗層196C且在該反應位點 處減少。 陰極PEL 192C可具有不同性質或可包含不同於上述實施 例之該等PEL之材料。由於陰極PEL 192C係安置於陰極塗 層192C之内表面上，因此PEL 192C無需滲透氧化劑。PEL 192C可滲透質子或其他離子。舉例而言，PEL 192C可包 含離子傳導路控。在一些例示性實施例中，PEL 192C可包 含離子傳導材料（諸如離子聚合物（例如，磺化聚芳醚酮或 苯乙烯與二乙烯基苯之一共聚物））。 燃料電池層190具有彼此互不相同之陰極PEL及陽極 PEL，且相對於對應電極塗層具有不同配置。在其他實施 153232.doc -24- 201145661 例中’陰極PEL及陽極PEL相對於該等對應電極塗層可相 同或可具有相同配置。 分別展示於圖4A、圖4B及圖4C中之燃料電池層15〇、 160及170之各者具有相對於該等對應電極塗層處於相同配 置中之陰極PEL及陽極pel。然而，應瞭解的是，陰極pEL 及陽極PEL可具有相對於該等對應電極塗層的不同配置。 亦應瞭解的是’一燃料電池層之該等陰極pEL及該等陽極 PEL相對於組合物、性質 '尺寸及功能可相同或不同。一 燃料電池層中之該等陽極PEL可全部相同或其等可不同。 燃料電池層可具有陰極PEL及陽極PEL兩者；僅陰極pEL或 僅陽極PEL» 在所展示之實施例中，PEL係連續的且大致上延伸在電 極塗層或離子傳導組件之表面上方。然而，在其他實施例 中’ PEL可能在空間上不連續。舉例而言，pel可具有開 口或狹縫或其他不連續性或可具有一指狀圖案或蜿蜒圖 案。此等不連續性或圖案可容許改良反應物、燃料或質子 至該電極塗層之大量運輸或改良水自一電極塗層之移除。 在一些實施例中’該等PEL可僅部分跨該層延伸且部分或 完全沿每一單位電池延伸。 PEL可應加於多種習知及非習知燃料電池層。舉例而 言，PEL可施加於先前技術電化學電池，諸如標題為 「ELECTROCHEMICAL CELL SYSTEM WITH SIDE-BY-SIDE ARRANGEMENT OF CELLS」之美國專利第 5,989,741 號、標題為「FUEL CELL」之美國專利申請案第12/153,764 153232.doc ·25· 201145661 號及標題為「BATTERY SHAPED AS A MEMBRANE STRIP CONTAINING SEVERAL CELLS」之美國專利第 5,861，221號中所描述。 PEL可接合或黏附於該燃料電池層、該等電子傳導組 件、該等離子傳導組件或此等之一組合。因此，在一些實 施例中，具有PEL之燃料電池層可減小該PEL與所需壓縮 力最小或不需要額外壓縮力或外部壓縮力之該等電極塗層 或該等電子傳導組件之間的接觸電阻。在一些實例中，該 PEL可藉由（例如）減小膜變形、觸媒破裂或兩者對該燃料 電池層提供額外結構支撐及穩健性。 圖7係製備具有PEL之一燃料電池層之一可能方法之一 程序方塊圖。在方法200中，漿料組份202可經受一混合階 段240以產生一漿料214。漿料214可經受一澆鑄階段250以 產生一濕膜216。濕膜216可經受一乾燥階段260 ;視需 要’濕膜216可經受一孔形成階段265 ;且視需要，濕膜 216可經受一活化階段267 ;以產生一 PEL膜218。PEL膜 218及一燃料電池層220可經受一燃料電池應用階段270， 且視需要，可經受一開間隙階段275，以產生包含PEL 222 之一燃料電池層。 在混合階段240中，可組合並混合漿料組份202。漿料組 份202可包含一或多種導電材料204、一或多個黏結劑206 及一或多個溶劑208。導電材料204可包含粒子（例如，碎 屑或纖維）。導電材料可包含各向異性的離子。包含此（此 等）導電材料之一 PEL可展現電各向異性。 153232.doc -26- 201145661 漿料組份202可包含用作一填充劑或（例如）藉由賦予剪 切稀化性質而影響漿料214之流變性之一導電材料。浆料 組份202可包含（例如）藉由產生孔或微孔或鏈結其他導電材 料之粒子而影響該PEL之微小結構。導電材料2〇4可包含具 有經最佳化以於該PEL中產生一期望微孔結構之一平均直 徑或大小之粒子（例如，碎屑）。在一例示性實施例中，粒 子係足夠大以於PEL膜218中產生充分多孔性，但其等係足 夠小以使漿料214更易於澆鑄◊在一特定例示性實施例 中，導電材料204包含碳纖維、碳黑及石墨之一或多者。 漿料組份202可包含用於促進黏附及/或該等導電材料之 接觸之一黏結劑206。漿料組份202可包含在該PEL中賦予 彈性或延展性之一黏結劑。漿料組份202可包含抗腐蝕之 一黏結劑。在一例示性實施例中，漿料組份2〇2包含足夠 南以使導電材料204之微粒固持在一起但足夠低以使Pel膜 2 1 8具有充分多孔性及導電率之黏結劑2〇6對導電材料2〇4 之一比率。在一特定例示性實施例中，漿料組份2〇2包含 PVDF。漿料組份202可包含溶解該黏結劑之一溶劑208。 聚料組份202可視需要包含一孔形成劑。漿料組份2〇2可 包含可藉由（例如）溶解、蒸鍍或燃燒移除之一材料。舉例 而言’漿料組份202可包含一或多個孔形成劑（諸如塩、蠟 及其他逸散性材料）。 可藉由多種方式（諸如撥拌（agitati〇n)、授動（stirring)、 搖動（shaking)或旋轉（spinning))混合漿料組份2〇2以產生漿 料214。漿料214可具有多種性質。漿料214可具有適應於 153232.doc -27- 201145661 澆鑄階段250中所使用之塗層或釘紮方法的類型之性質。 舉例而言，漿料214可具有容許其待牽引之性質。在一特 定例示性實施例中，漿料214具有容許其藉由跨一表面牵 引一刮漿刀之一固體含量及流變性。 在淹鑄階段250中，漿料240可施加於一轉印膜21s以產 生一濕PEL膜210。轉印膜215可包含化學惰性、抗高溫或 可變形之一材料。在一些例示性實施例中，轉印膜2】5可 包含聚四氟乙烯（PTFE)。可使用多種不同方法來施加或澆 鑄漿料214。舉例而言，可使用施加一剪應力於漿料214之 一方法澆鑄漿料214。在一例示性實施例中，藉由牵引漿 料214跨一表面澆鑄漿料214。然而，可替代地使用其他類 型的膜澆鑄（例如，帶澆鑄）、網印或其他習知澆鑄或印刷 方法施加漿料214。 在一些實施例中，澆鑄階段250產生形態上各向異性之 一濕PEL膜216(例如，具有主要沿一方向定向之一各向異 性導電材料之粒子之一濕膜）。在一特定例示性實施例 中，澆鑄階段250產生一濕pel膜216，該濕PEL膜216具有 主要沿濕PEL膜216之平面中之一方向一濕pEL膜216定向 之一導電材料之粒子。 在乾燥階段260中，容許蒸鑛溶劑以形成大致上無溶劑 之一PEL膜218 〇可在一溫度及壓力不乾燥濕pEL膜216並 持續一段時間。在一例示性實施例中，可在低於玻璃轉化 溫度或該黏結劑之熔化溫度之一溫度下乾燥濕卩£1^膜216。 在一例示性實施例令，在可使濕PEL膜216更快乾燥以阻止 I53232.doc •28· 201145661 導電材料之粒子之遷移但並非如此快以使蒸鑛溶劑干擾微 孔結構之一溫度及壓力下乾燥濕PEL膜216。在一特定例示 性實施例中’可在大約80。(：至大約120。(：之範圍内之一溫 度及在小於大約1 atm之一壓力下對濕pel膜216加熱大約 20分鐘至大約40分鐘之一時間。 在燃料電池應用階段270中，PEL膜2 1 8可施加於一燃料 電池層220。燃料電池層220可為一平面燃料電池。燃料電 池層可為於個別電極塗層之間具有間隙或介電區域之一完 整燃料電池層220a或其可為於個別電極塗層之間並不具有 間隙或介電區域之一不完整燃料電池層220b。 在一例示性燃料電池應用階段270中，PEL膜21 8可置於 一燃料電池層220上或置於該燃料電池層220下，且PEL膜 2 1 8及燃料電池層2 2 0可在一溫度下加熱並經受一壓力持續 一段時間。PEL膜21 8及燃料電池層220可（例如）在高於該 燃料電池層令之該等離子傳導組件之玻璃轉化溫度且低於 離子傳導組件降級之溫度之一溫度或稍微高於黏結劑2〇6 之玻璃轉化溫度之一溫度下加熱。PEL膜21 8可經受足以將 PEL膜218及燃料電池層220之電極塗層處於緊密接觸之一 壓力。在一例示性實施例中’ PEL膜21 8及燃料電池層220 可在大約ll〇C至大約150C之範圍内之一溫度下加熱並經 受大約25 psi至大約200 psi之範圍内之一壓力持續低於大 約10分鐘之一段時間。 在一些實施例中，PEL膜218可施加於具有並不平坦之 電極塗層之一燃料電池層220。舉例而言，PEL膜2 1 8可施 153232.doc •29· 201145661 加於一非對稱燃料電池層（如標題為「FUEL CELLS AND FUEL CELL COMPONENTS HAVING ASYMMETRIC ARCHITECTURE AND METHODS THEREOF」的共同擁有 之同在申請中的美國專利申請案中所描述）或一波浪形或 不規則燃料電池層。舉例而言，一 PEL膜可藉由於PEL膜 之外側上安置一可變形材料（例如，一海綿（諸如一開穴海 綿（open-cell sponge)))而接合至具有凹形或槽狀陽極塗層 以於該等PEL與陽極塗層之間產生緊密接觸，並保持該等 陽極塗層之表面形狀。在此等實施例中，該燃料電池層可 進一步具有接合至該燃料電池層及/或該PEL之一支撐結構 以提供額外支撐。此等支撐結構可接合至該層之陽極側、 該層之陰極側或兩者。舉例而言，該支撐結構可包含一尺 寸上穩定多孔材料，該多孔材料可接合至該燃料電池層之 電流集電器。此等支撐結構可提供額外壓縮力或接合力以 增強該PEL與該等電極塗層之間的接觸。

視需要，所接合PEL膜及燃料電池層可經受一圖案化階 段275以產生具有PEL 222之一燃料電池層。在圖案化階段 275中，可於個別PEL與視需要個別電極塗層之間產生不連 續性。此等不連續性可電絕緣相鄰的電化學電池》在一些 實施例中’不連續性在塗層階段250期間内可被預圖案化 為濕PEL膜216上之間隙或介電區域或可形成於塗層階段 250之後。在一些實施例中，不連續性在燃料電池層應用 階段270之前可形成為乾燥PEL膜218上之間隙或介電區 域。標題為 r ELECTROCHEMICAL CELL ASSEMBLIES 153232.doc •30- 201145661 INCLUDING A REGION OF DISCONTINUITY」的共同讓 與之美國專利申請案第12/341,294號描述用於不連續性之 可能配置，該案揭示内容係以引用方式全部併入本文。 若漿料組份202包含一孔形成劑，則方法200可包含選用 之孔形成階段265。在孔形成階段265中，可藉由（例如）溶 於一溶劑或蒸鍍移除孔形成劑。可於乾燥階段260之前、 乾燥階段260期間或乾燥階段260之後執行孔形成階段 265(若存在）。 在一些實施例中，方法200包含選用之活化階段267。在 選用之活化階段267中，濕PEL膜216、PEL膜21 8或燃料電 池層220可經受活化或引動（priming)。活化可包含施加一 媒介物217。媒介物217可（例如）改良燃料電池層220之PEL 膜218與該等電極塗層之間的接合或黏結。媒介物217可包 含存在於燃料電池層220之PEL膜218及該等電極塗層中之 一材料（例如，黏結劑2 0 6、一觸媒詹、一離子聚合物或一 導電材料204)。在其他實施例中，選用之活化階段可包含 活化濕膜216、PEL膜2 18或燃料電池層220之其他方法。可 於乾燥階段260期間或乾燥階段260之後及選用之孔形成階 段265之前、選用之孔形成階段265期間或選用之孔形成階 段265之後執行活化階段（若存在）。 可根據是否預期具有具備陰極及陽極PEL兩者或陰極 PEL或陽極PEL之僅一者之一燃料電池層而重複方法200或 其階段之任一者。 實例 153232.doc 31 201145661 在一例示性實施例中，根據方法2〇〇所製備之PEL膜係 接合至類似於圖2β之該例示性平面燃料電池層之一燃料電 池層。圖8圖解說明與不具備效能增強層這一燃料電池層 之效能比較具有效能增強層之此一燃料電池層之例示性效 能資料。如可見，具有PEL這燃料電池層之效能係顯著優 於不具備PEL之燃料電池層這效能。 圖9係具有根據方法2〇〇製備之pEL之一燃料電池層之一 示意俯視圖，其中一 PEL膜係藉由拉伸包含纖維286之一漿 料以將此等纖維對準圖9中所展示之γ方向而製備。在所圖 解說明之實施例中，纖維286之定向之主導方向係沿pEL 282之平面中之一方向，且自每一燃料電池之一側延伸至 相對側（展示為圖中之γ方向）。 於根據上述實施例製備之— PEL膜上作出電阻量測。根 據此等量測計算導電率。尺寸么白在】贫a r 电千尺了各自為1夬吋至2英吋之三個 試樣塊係裁剪自該PEL膜。每一試樣塊具有相對於拉離之 方向（所施加煎應力之方向）之一不同定向：⑴平行於該拉 離之方向；（2)與該拉離之方向成 乂月之方向；及（3)盥該 拉離之方向成90。角之方向。 一 該等試樣塊之各者之平面内電阻率_ 接觸而固持之兩個臂施加一雷#及旦％ & /、μ »式樣塊 “ 加㈣及里測所得電流而量測。 表格1及圖10各自展示該等試樣塊之電阻率及導電率。 153232.doc -32- 201145661 表格1 :依據與拉離之方 導電率 向所成角度之一 PEL膜之電阻率及 角度（°Γ~^ ---- 導電率（Ωχιτι)·1 -—— 45 ----^--- 9.4 15.4 10 6 90 1 Ί Q 7.8 如可見，隨基你k & b 士 ，.一"叩厂/丨肌巧反I畀所施加 剪應力之方向所成备疮、秘上 汀成角度）增加，該PEL膜之電阻率增加且導 電率降低。因此，可喪t .出B j厶 ^ 了製備具有各向異性電性質之一PEL 膜 PEL膜可以一較佳定向施加於-燃料電池層以沿— 預先判疋方向形成具有高導電率之pEL。舉例而言，可藉 由疋向PEL膜而使該PEL膜施加於一燃料電池，使得所 施加剪應力之方向係正交於個別單位燃料電池之長度。 方法200係製備具有PEL之一燃料電池層之一方法之一 實例。在另一實施例中，具有安置於陽極塗層或陰極塗層 之内側上PEL之一燃料電池層可藉由下列步驟製備^吏一 PEL膜與一複合層接合；施加電極塗層至該pEL膜之外 側；視需要接合該複合層、pEL膜及電極塗層；及視需要 使PEL膜或電極塗層產生間隙。 另一實施例包含具有藉由下列步驟製備之pel之一燃料 電池層：直接施加電極塗層.於該PEL膜上；使該PEL膜及 該電極塗層與該燃料電池層接合；及視需要使pEL膜或電 極塗層產生間隙。 在另一實施例中，一 PEL膜可藉由下列步驟製備：混合 £ 153232.doc •33- 201145661 一黏結劑且視需要混合導電材料以產生一漿料；將該漿料 澆鑄於包含各向異性粒子之一導電材料中以形成一濕 膜；及乾燥該濕PEL膜以產生一PEL膜。 額外實施例 本發明提供下列例示性實施例，該等例示性實施例之編 號無需與該等圖式中所描述之實施例之編號相互關聯。 實施例1提供用於一燃料電池之一效能增強層，其包 含：一或多種導電材料，該等導電材料之至少一者包含形 態上各向異性並經定向以在該層中賦予各向異性導電率之 粒子；及一黏結劑，其中該黏結劑定位該等粒子使其等彼 此接觸。 〃 實施例2提供實施例〗之效能增強層’其中該等導電材料 之至少者之粒子係經定向以於該層中賦予沿該平面中之 第一方向之導電率大於沿垂直於該層之平面之一第二方 向之導電率。 貫施例3提供實施例丨至實施例2之任一者之效能增弓 層’其中該等導電材料之至少—者之粒子係經定向以於言 層中賦予沿該層之平面中之一第一方向之導電率大於沿言 層之平面中之一第三方向之導電率。 實施例4提供實施例！至實施例3之任一者之效能增突 層’其中該等粒子係藉由沿該第一方向施加一剪應力而笼 向。 層 實施例5提供實施例1至實施例4之任 其中該等導電材料包含碳。 一者之效能增強 153232.doc •34· 201145661 實施例6提供實施例丨至實施例5之任一者之效能增強 層’其中該等導電材料包含竣纖維、碳黑、石墨或其等之 —組合。 實施例7提供實施例丨至實施例6之任一者之效能增強 層’其中該等各向異性粒子係碳纖維。 實施例8提供實施例丨至實施例7之任一者之效能增強 層，其中該等導電材料包含碳黑。 實施例9提供實施例〗至實施例8之任一者之效能增強 層’其中該等導電材料包含石墨。 實施例10提供實施例1至實施例9之任一者之效能增強 層’其中該黏結劑包含聚偏二氟乙烯。 實施例11提供實施例1至實施例1〇之任一者之效能增強 層，其中該黏結劑於該層中賦予彈性、塑性或二者。 實施例12提供實施例丨至實施例丨丨之任一者之效能增強 層，其中該層具有多孔性且容許將液體自該層之一側大量 運輸至另一側。 實施例13提供實施例丨至實施例12之任—者之效能增強 層’其中該層具有小於1毫米之一厚度。 實施例14提供實施例丨至實施例13之任一者之效能增強 層，其中該層具有大約50微米至大約2〇〇微米之範圍内之 一厚度。 實施例15提供實施例丨至實施例14之任—者之效能增強 層’其中該層係可滲透離子流。 實施例16提供實施例丨至實施例15之任—者之效能增強 153232.doc -35· 201145661 層，進一步包含與該黏結劑接觸之兩個或兩個以上電極塗 詹。 實施例1 7提供—種製作用於具有電極塗層之一燃料電池 層之-效能增強層之方法，該方法包含：將—或多種導電 材料、-黏結劑及一溶劑充分混合以產生—漿料；充分澆 鑄該漿料以產生—濕膜；充分乾燥該濕膜以產生一膜丨及 將該膜接合至一燃料電池層。 實施例18提供實施例17之方法，其包含圖案化該效能增 強層、該等電極塗層、具有效能增強層之該燃料電池層或 其等之一組合。 其 實施例19提供實施例丨7至實施例丨8之任一者之方法 中該聚料具有容許洗鎮該聚料之-固體含量及流變性 其 實施例20提供實施例丨7至實施例19之任一者之方法 中澆鑄包含於一轉印膜上澆鑄該漿料。 包 實施例21提供實施例17至實施例2〇之任一者之方法 含活化該膜以改良與該等電極塗層之—層之黏附。 實施例22提供實施例21之方法，其中活化包含施加促这 與該等電極塗層之黏附之一材料。 實施例23提供-種燃料電池層，其包含：安置成彼此和 鄰以形成-大致上平面層之一或多個燃料電池；該一或多 個燃料電池包含：一複合層’該複合層包含-離子傳導, 件及兩個或兩個以上電子料組件；各自與該離子傳導电 件離子接觸及與該等電子傳導組件之至少一者電接觸之兩 個電極塗層，每一電極塗層包含一内表面及一外表面，·及 153232.doc -36 · 201145661 經安置接觸或緊密接近該等電極塗層之一者之一表面之— 效能增強層’其中該層提供至相關聯電子傳導組件之— 電路徑或來自該相關聯電子傳導組件之一導電路徑。 實施例24提供實施例23之燃料電池層，其中該效能増強 層包含至少一導電材料及一黏結劑。 實施例25提供實施例23至實施例24之任一者之燃料電池 層，其中該等導電材料之一者包含具有各向異性形態之粒 子。 實施例2 6提供實施例2 3至實施例2 5之任一者之燃料電池 層，其中該等粒子係經定向以於該層中賦予各向異性導電 率。 實施例27提供實施例23至實施例26之任_者之_電池 層，其中該效能增強層係安置相鄰於該電極塗層之該内表 面。 實施例28提供實施例23至實施㈣之任—者之燃料電池 層，其中該效能增強層係安置相鄰於該電極塗層之該外表 面。 貫轭例29提供實施例23至實施例28之任 —八〜仗一有之燃料 層，其中該效能增強層對該燃料電池層提供結構支揮。 實施例30提供實施例23至實施㈣之任—者之燃料電池 層，其中該效能增強層減小該燃料電池層之變形。 者旨在_且並非限制性。當熟習此項技術 述時可使用其他實施例。而且，在上述詳 L可將各種特徵-起分組以簡化本發明。此不應

S 153232.doc •37, 201145661 =料-並未主張之所揭示特徵對任意請求項係必 要的°反而，本發明的主題可在於少於-特定所揭示實施 列之所有特徵。因此，下列請求項係以此方式併人該詳細 =，其中每一請求項堅持其自身作為一單獨實施例。應 參考隨附請求項以及相當於命名此等請求項之全部範嘴判 定本發明之範_。 提供摘要以遵循37 C.F.R. §1.72(b)以容許讀者更快破定 技術揭示内容之性質。據認為其並非用以解釋或限制專利 申請範圍之範嘴或含義之瞭解。 【圖式簡單說明】 圖1係一習知先前技術燃料電池堆疊之一截面示音圖。 圖1A係圖1之該習知燃料電池堆疊之一先前技術單位燃 料電池之一加長示意圖。 圖2 A係一第一例示性平面燃料電池層之一截面圖。 圖2B係一第二例示性平面燃料電池層之一截面圖。 圖3係圖2之該例示性平面燃料電池層中之一例示性單位 燃料電池之一截面圖。 圖4A係具有根據一例示性實施例之效能增強層（pEL)之 一例示性平面燃料電池層之一截面圖。 圖4B係具有根據一第二例示性實施例之pel之一例示性 平面燃料電池層之一戴面圖。 圖4C係具有根據一第三例示性實施例之pel之一例示性 平面燃料電池層之一戴面圖。 圖5 A係一例示性平面燃料電池中之電子流動之一戴面示 153232.doc -38- 201145661 意圖。 圖58係具有根據—例示性實施例之pEL之一例示性平面 燃料電池中之電子流動之一截面示意圖。 圖6係具有根據—第四例示性實施例之PEL之一例示性 平面燃料電池層之一戴面圖。 圖7係根據一例示性實施例之製備具有pEL之一燃料電 池層之一方法之一程序方塊圖。 圖8係不具備PEL之一燃料電池層之效能及具有根據一 例示性實施例製備之pEL之一燃料電池層之效能之一圖 表。 圖9係具有根據一例示性實施例之pel之一燃料電池層 之一俯視圖。 圖1 〇係裁剪自根據一特定例示性實施例所製備之一 PEL 薄膜之電阻率對角度及導電率對角度之一標繪圖。 【主要組件符號說明】 10 燃料電池堆疊 11 單極平板 12A 雙極平板 12C 雙極平板 14A 氣體擴散層（GDL) 14C 氣體擴散層（GDL) 16A 陽極觸媒層 16C 陰極觸媒層 18 電絕緣離子交換膜 153232.doc -39- 201145661 20 單位燃料電池 22 流動通道 24 架台 100 第一例示性平面燃料電池層 110 第二例示性平面燃料電池層 112 電子傳導組件 112A 電子傳導組件 112B 電子傳導組件 116A 陽極塗層 116C 陰極塗層 117A 陽極塗層 117C 陰極塗層 118 離子傳導組件 120 間隙或介電區域 122 介面或基板區域 124 複合層 126 裂縫 140 單位燃料電池 112， 電子傳導組件 116A' 陽極塗層 116C' 陰極塗層 118' 離子傳導組件 120' 間隙或介電區域 122， 介面或基板區域 153232.doc -40- 201145661 124' 複合層 126， 裂縫 140' 單位燃料電池 150 平面燃料電池層 152A 陽效能增強層（PEL) 152C 陰極效能增強層（PEL) 154A 陽極效能增強層（PEL) 154C 陰極效能增強層（PEL) 156A 陽極效能增強層（PEL) 156C 陰極效能增強層（PEL) 160 平面燃料電池層 170 燃料電池層 176A 陽極塗層 176C 陰極塗層 180 不具備效能增強層（PEL)之平面單位燃料電 池之一單位電池 185 具有效能增強層（PEL)之平面單位燃料電池 之一單位電池 186A 陽極塗層 186C 陰極塗層 188A 陽極塗層 188C 陰極塗層 190 燃料電池層 192C 陰極效能增強層（PEL) 153232.doc -41 - 201145661 196C 282 286 陰極塗層 效能增強層（PEL) 纖維 153232.doc -42-

Claims (1)

1. 201145661 七、申請專利範圍： 1. 一種用於一燃料電池之效能增強層，其包括： 一或多種導電材料’該等導電材料之至少一者包含形 態各向異性並經定向以於該層中賦予各向異性導電率之 粒子；及 一黏結劑’其中該黏結劑定位該等粒子使其等彼此接 觸。 2. 如請求項1之效能增強層，其中該等導電材料之至少一 者之該等粒子係經定向以於該層中賦予沿該層之該平面 中之一第一方向之導電率大於沿垂直於該層之該平面之 一第二方向之導電率。 3. 如請求項1或2之效能增強層，其中該等導電材料之至少 一者之該等粒子係經定向以於該層中賦予沿該層之該平 面中之一第一方向之導電率大於沿該層之該平面中之一 第三方向之導電率。 4·如請求項3之效能增強層，其中該等粒子係藉由沿該第 一方向施加一剪應力而定向。 5·如凊求項1或2之效能增強層，其中該等導電材料包括 碳。 6.如請求項5之效能增強層，其中該等導電材料包括碳纖 維、碳黑、石墨或其等之一組合。 7·如請求項5之效能增強層，其中該等各向異性粒子係碳 纖維。 8-如请求項6之效能增強層，其中該等導電材料包括碳 153232.doc 201145661 里。 9.如請求項6之效能增強層，其中該等導電材料包括石 墨。 10·如請求項1或2之效能增強層， s 再中5玄黏結劑包括聚偏二 亂乙烯。 η·如！求項1或2之效能増強層’其中該黏結劑於該層中賦 予彈性、塑性或二者。 12_如請求項即之效能增強層’其中該層具有多孔性且容 許將流體自該層之一側大量運輪至另一側。 13·如請求項之效能增強層，其中該層具有小於丨毫米 之一厚度。 14 ·如吻求項丨3之效能增強層，其中該層具有大約π微米至 大約200微米之範圍内之一厚度。 15 _如咕求項丨或2之效能增強層，其中該層係可滲透離子 流。 16. 如請求項1之效能增強層，其進一步包含與該黏結劑接 觸之兩個或兩個以上電極塗層。 17. —種製作用於具有電極塗層之一燃料電池層之一效能增 強層之方法，該方法包括： 將一或多種導電材料、一黏結劑及一溶劑充分混合以 產生一漿料； 充分澆鑄該漿料以產生一濕膜； 充分乾燥該濕膜以產生一膜；及 將該膜接合至一燃料電池層。 153232.doc 201145661 如明求項17之方法’其包括圖案化該效能增強層、該等 電極塗層4有效能增強層之該燃料電池層或其等之一 組合。 19.如請求項丨7之方法，其中該漿料具有容許洗禱 該漿料之 一固體含量及流變性。 2〇.如請求項17之方法，其中料包括於-轉印膜上⑽該 漿料。 21. 如請求項17之方法，包括活化該膜以改良與該等電極塗 層之一層之黏附。 22. 如請求項21之方法’其中活化包括施加促進與該等電極 塗層之黏附之一材料。 23· —種燃料電池層，其包括： 安置成彼此相鄰以形成一大致上平面層之一或多個燃 料電池； 該一或多個燃料電池包含·· 一複合層，該複合層包含一離子傳導組件及兩個或 兩個以上電子傳導組件； 各自與該離子傳導組件離子接觸及與該等電子傳導 組件之至少一者電接觸之兩個電極塗層，每一電極塗 層包含一内表面及一外表面；及 經安置接觸或緊密接近該等電極塗層之一者之一表 面之一效能增強層，其中該層提供至相關聯電子傳導 組件之一導電路徑或來自該相關聯電子傳導組件之一 導電路徑。 S 153232.doc 201145661 24. 如請求項23之燃料電池層’其中該效能增強層包括至少 一導電材料及一黏結劑。 25. 如請求項24之燃料電池層，其中該等導電材料之一者包 括具有各向異性形態之粒子。 26. 如請求項25之燃料電池層’其中該等粒子係經定向以於 該層中賦予各向異性導電率。 27. 如請求項23之燃料電池層’其中該效能增強層係安置相 鄰於該電極塗層之該内表面。 28. 如請求項23之燃料電池層，其中該效能增強層係安置相 鄰於該電極塗層之該外表面。 29. 如請求項23之燃料電池層’其中該效能增強層對該燃料 電池層提供結構支撐。 3 0_如請求項23之燃料電池層，其中該效能增強層減小該燃 料電池層之變形。 153232.doc