TW201611399A

TW201611399A - 燃料電池、電極及製造方法

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Publication number: TW201611399A
Application number: TW103131137A
Authority: TW
Inventors: 修連姆索色蘭; 克里斯多夫雷諾; 金史黛絲路易斯; 那維德阿克塔; 尼爾梅納德
Original assignee: Ａｆｃ能源公司
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-03-16

Abstract

本發明提供一種電極(10)，包含：金屬片(11)，其界定複數貫穿孔(14)；及液體可滲透層(16)，其包含纖維狀及/或顆粒狀導電材料及聚合物黏結劑且接合於金屬片(11)前端面。製造電極時(10)：前端面受到蝕刻處理以形成未延伸穿透金屬片(11)的複數凹槽(21)或盲槽；將液體可滲透層放置到前端面上以形成組件；及使組件受到加壓，使得液體可滲透層(16)接合至金屬片(11)並擠壓進入貫穿孔(14)及凹槽(21)。金屬表面上不需要聚合物黏結劑層，且凹槽(21)在金屬片(11)及液體可滲透層(16)之間帶來理想的黏結性，並改善包含電極(10)之燃料電池(25)的電特性。

Description

燃料電池、電極及製造方法

本發明係關於一種液體電解質燃料電池(較佳為但不限於鹼性燃料電池)、適用於此種燃料電池的電極，及此種電極的製造方法。

燃料電池已經被視為相對乾淨且有效率的電力來源。鹼性燃料電池特別受到關注，因為其可在相對較低溫度下運作、效率高且具備機械及電化學耐受性。酸性燃料電池和運用其他液體電解質的燃料電池亦受到關注。此種燃料電池通常包含與燃料氣體室(包含燃料氣體，通常是氫)及另一氣體室(包含氧化劑氣，通常是空氣)分離的電解質室。電解質室使用電極而與氣體室分離。一般鹼性燃料電池的電極包含導電金屬網(通常是鎳)以便向電極提供機械強度。在金屬網上沈積催化劑，例如顆粒狀聚四氟乙烯、活性碳及催化劑金屬(通常是鉑)的漿體或分散體。此種電極昂貴、電性上無效率且有催化劑呈不規則分布之虞。WO2012/104599(AFC Energy plc)揭露一種電極，包含多孔金屬片以及接合至金屬片上的纖維狀或顆粒狀導電材料之氣體可滲透層，並在外表面有催化劑材料。

本發明之電極解決或減輕一個以上先前技術的問題。

對應本發明在第一態樣中提供一種電極的製造方法，該電極包含：金屬片，其界定複數貫穿孔；及液體可滲透層，其包含纖維狀及/或顆粒狀導電材料及聚合物黏結劑且接合於金屬片前端面，其中該方法包含：使金屬片的前端面受到蝕刻處理以形成未延伸穿透金屬片的複數凹槽；將液體可滲透層放置到前端面上以形成組件；及使組件受到加壓，使得液體可滲透層接合至金屬片。

意外的是，相較於先前技術，已知此方法在金屬片與液體可滲透層之間提供較佳的機械接合，且在金屬片與液體可滲透層之間提供較佳的電性連接。在金屬片與液體可滲透層之間不提供黏結劑層，特別是在金屬片的前端面不使用聚合物塗層。省略此種黏結劑層可簡化電極製造方法，且由於介面和材料較少而減少潛在的電池故障機構。省略任何此種聚合物塗層或黏結劑層亦降低金屬片與液體可滲透層之間的電阻。藉由省略一層疏水性聚合物可簡化水管理，原因是此種層能夠在金屬片和液體可滲透層之間捕捉電解質。

對於形成未延伸穿透金屬片之凹槽的蝕刻處理，可於形成貫穿孔之前、形成貫穿孔期間或形成貫穿孔之後進行。未延伸穿透金屬片的凹槽可具有介於0.5至2.0倍貫穿孔直徑的寬度或直徑，且可為介於0.9至 1.1倍貫穿孔直徑。凹槽可散布成如同貫穿孔的圖案或陣列，且其間距如同貫穿孔。另外，凹槽可具有不同於貫穿孔的形狀或間距。

加壓步驟亦可包含將組件溫度提高至至少聚合物黏結劑可流動的溫度。使用聚四氟乙烯作為聚合物黏結劑時，加壓步驟可在低於熔融點下進行，但必須高於固態從三斜晶系相變成不規則六方晶系的溫度，原因是此相變代表聚四氟乙烯開始冷流動；此相變在約19°至30℃產生，因此加壓步驟應在高於20℃的溫度進行，較佳為高於約30℃。此程序可能亦需要使經組裝的金屬片及液體可滲透層承受熱處理，例如用於移除介面活性劑或溶劑，例如至少為150℃，較佳為至少200℃。此熱處理在加壓步驟後可不施加壓力而進行。

另外，進行加壓步驟時，可同時將組件溫度提高至至少150℃，更佳為至少200℃，此步驟可稱為熱壓。此熱壓步驟可使用200℃至300℃之間或250℃至300℃之間的溫度。溫度較佳為低於聚合物黏結劑的熔點10℃至50℃之間以確保聚合物黏結劑燒結而非熔融及流動。

在第二態樣中，本發明提供一種由此製造方法製造的電極。因此本發明亦提供一種電極，包含：金屬片，其界定複數貫穿孔；及液體可滲透層，其包含纖維狀及/或顆粒狀導電材料及聚合物黏結劑且接合於金屬片前端面，其中前端面界定未延伸穿透金屬片的複數凹槽，且其中部分液體可滲透層擠壓進入貫穿孔且亦擠壓進入凹槽，因而提升液體可滲透層與金屬片的接合性。

在第三態樣中，本發明提供一種包含此種電極的燃料電池。

在一實施例中，金屬片具有無任何貫穿孔的區域，此區域與有貫穿孔的區域(例如外周邊緣)明顯分離，且用於形成複數凹槽的蝕刻處理施加於無任何貫穿孔的區域。事實上，蝕刻處理可僅施加於該區域。凹槽的圖案可如同貫穿孔，或者凹槽亦可具有不同於貫穿孔的形狀或圖案。

不論金屬片是否具有無任何貫穿孔的區域，蝕刻處理皆可施加於具有貫穿孔的前端面之區域，以便在相鄰貫穿孔之間的端子區域製造凹槽。

可推測在加壓步驟期間，藉由聚合物黏結劑的冷流動以及材料部分超出平面而從液體可滲透層擠壓入貫穿孔，使液體可滲透層接合於金屬片。一般而言，此種部分超出平面擠壓僅能在有貫穿孔之處產生。在前端面提供複數凹槽可使部分超出平面的材料擠壓進入無貫穿孔之處的凹槽及有貫穿孔之處，因而提升黏結性。蝕刻處理可在貫穿孔處及凹槽處皆形成粗糙表面，而在此暴露基底晶粒形態，且液體可滲透層中聚合物黏結劑的冷流動對此粗糙表面形成機械鎖匙，因而提升黏結性。

凹槽或凹洞之深度較佳為至少25μm，且深度較佳為不超過80%金屬片厚度，更佳為不超過70%厚度。如果凹槽或凹洞藉由蝕刻而形成，建議確保其並未延伸穿透金屬板。舉例來說在金屬板厚度為300μm時，則適合的深度為30μm至200um之間。在加壓步驟期間，部分液體可滲透層被擠壓進入凹槽，可推測隨著液體可滲透層之材料與凹槽邊緣和側邊相切的程度增加，液體可滲透層和金屬片之間的黏結性亦增加。因此，較深的凹洞或凹槽可提供較大的表面區域以供此種黏結產生，故建議使用較深的孔洞。

除了導電材料，電極亦可包含催化活性材料。可將催化活性材料合併至液體可滲透材料，或者可另外以亦為液體可滲透的單獨的(separate)含催化劑層之形式提供催化活性材料。

在部分應用中，液體可滲透層較佳為疏水性，然而催化活性層較不偏疏水性，或至少為部分疏水性。由於不同的層可有不同比例的聚合物黏結劑，及/或可有不同的聚合物黏結劑，因此可藉由組合各別的層而較輕易達到疏水性上的差異。

此種單獨的含催化劑層可在液體可滲透層接合至金屬片的相同加壓步驟期間接合於液體可滲透層，或者可藉由在軋輥之間加壓兩層的預先捲動步驟中而接合至液體可滲透層。因此，在部分實施例中，液體可滲透層及含催化劑液體可滲透層初始即在軋輥之間組裝及加壓而互相接合。之後此兩者可與金屬片組裝然後一起加壓。電極亦可包含呈疏水性且接合至第二液體可滲透層的第三液體可滲透層。此可與含催化劑層、液體可滲透層及金屬片組裝並彼此加壓。

通常在使用時，會以該或該等液體可滲透層面對電解質室的方式配置電極。氣體會擴散穿過金屬集電器(metal current collector)的孔洞並穿過液體可滲透層而到達含催化劑層的催化劑。第一液體可滲透層可作為氣體可滲透層。操作電池時，應使氣體/電解質介面位於含催化劑層的厚度內以確保氣態/液態介面與催化材料接觸。如同先前所述，相較於第一液體可滲透層，含催化劑液體可滲透層可較不偏疏水性，且可確實藉由合併疏水性聚合物而呈至少部分疏水性。使用時，第三液體可滲透層(如有提供)將因此位在電解質內。但由於第三液體可滲透層為疏水性，因而不會危害電池運作。

第三液體可滲透層(如有提供)可為碳紙或薄碳氈，其為多孔疏水性材料，且通常孔洞率為至少75%。另外，亦可使用多孔疏水性聚合物薄膜，例如非織物聚合物薄膜。第三液體可滲透層不需要為可導電。提供第三液體可滲透層在製造時具有好處，原因是可避免來自含催化劑層的材料黏結至加壓設備，且在使用時亦具有好處，原因是可穩定含催化劑層的外表面，進而改善電極壽命。

雖然催化材料可能不同，但陰極可具有如同陽極的構造。應理解「陽極」一詞係指產生電化學氧化反應的電極，而「陰極」一詞係指產生電化學還原反應的電極，且為燃料電池的正極。

第二液體可滲透層(含催化劑層)的厚度可為至少50μm，而第一液體可滲透層(氣體可滲透層)的厚度亦可為至少50μm。第二液體可滲透層(含催化劑層)的厚度可為100μm至500μm之間，而第一液體可滲透層的厚度亦可為100μm至500μm之間。

相較氣體可滲透層，含催化劑層可較不偏疏水性，且可為至少部分疏水性。可藉由合併的疏水性聚合物比例少於第一液體可滲透層中的疏水性聚合物，及/或藉由合併提供陰離子導電性的疏水性聚合物，而使含催化劑層較不偏疏水性。舉例而言，第一液體可滲透層可包含40至80%之間(例如55或60%)的疏水性聚合物，例如聚四氟乙烯、聚氟化二乙烯或聚烯烴(相較於層的重量%)，然而第二液體可滲透層，亦即含催化劑層，可包含較少比例的疏水性聚合物，例如5至70%之間(相較於第一液體可滲透層中的疏水性聚合物)。

電極中的催化材料可在氣態和液態相之間促使電化學反應產生。在某些情況下，第二液體可滲透層的導電材料可能對此目的具有足夠催化功能，但通常第二液體可滲透層亦會合併單獨的催化材料。電極對氣體為至少部分可滲透，以便在液態電解質、催化材料及氣態相之間產生緊密接觸，其中氣態/液態介面與催化材料接觸之處可稱為三相邊界。

多孔金屬片具有可由蝕刻或鑽孔界定的貫穿孔，因此具有離散孔洞(discrete holes)。孔洞可由雷射鑽孔形成。另外，孔洞可由化學蝕刻處理形成。金屬集電器的厚度可為0.1mm至3mm之間，較佳為0.15mm至0.5mm之間，例如0.3mm(300μm)或0.2(200μm)；孔洞的寬度或直徑可為5μm至2mm或3mm之間，例如若採用雷射鑽孔形成則通常約為20μm或50μm，若採用化學蝕刻形成則通常約為150μm或300μm之間，且間隔為50μm 至10mm之間。另外，若為較薄的金屬層，例如厚度低於20μm或低於5μm且可能支撐於聚合物基板之上的薄膜，則可藉由雷射剝蝕或化學蝕刻而穿孔；再藉由電鍍將金屬沈積至多孔金屬薄膜上，以達到理想的金屬厚度。在某些情況下，孔洞直徑會沿著金屬片厚度而減少，使孔洞略呈錐形，而在其他情況下，孔洞會從兩側表面傾斜而呈縱向彎曲壁，因此最小直徑位在接近金屬片的中心平面，而在另外的其他情況下，孔洞實質上有一致的直徑。貫穿孔的剖面形狀並不重要，舉例而言，孔洞可為例如圓形、卵形、橢圓形、三角形、方形、多角形或切口形，或此種形狀的組合。

金屬片作為燃料電池中的集電器。相較於金屬網，應理解金屬片提供較佳導電性，原因是無任何線與線的接觸；其亦提供較一致的電流分布；且結構較堅硬，原因是無可相對彼此移動的交叉線。孔洞的大小和間距亦經過選擇以確保反應物質(氣體)適當進行朝向及來自氣體可滲透層及介面的擴散。較佳為孔洞的平均直徑為30μm至300μm之間，例如50μm或200μm，且中心至中心的距離為至少150μm。孔洞可佔少於75%的金屬片面積，例如約60%或45%，或少於25%。

第一和第二液體可滲透層可包含奈米碳管、碳黑和疏水性黏結劑，例如聚四氟乙烯。其他適合的碳形態為石墨、石墨烯和活性碳；及潛在候選者巴克球和奈米角。此等類型的碳提供優異導電性，而疏水性黏結劑可防止水性電解質直接穿過液體可滲透層。液體可滲透層可包含其他導電性顆粒狀材料，例如鎳晶鬚。

在燃料電池中，可使用密合墊將電極密封至鄰近結構元件，例如框架以界定電解質室。液體可滲透層邊緣亦能以密合墊覆蓋。可移動密合墊使其包圍液體可滲透層的邊緣區域。在任何情況下，除了液體可滲透層接合於金屬片，液體可滲透層的邊緣區域較佳為緊貼金屬片，例如藉由密封件或密合墊。

金屬片的金屬可為鎳，亦可為不銹鋼；另外亦可使用不太受電解質影響的其他金屬。在某些情況下，較佳為使用銀、金或鈦等金屬以形成金屬板或在金屬板上提供塗層。若金屬為含鉻和錳的鋼，對鋼進行熱處理可能會在表面產生鉻錳氧化尖晶石塗層，其具有導電性而可保護下層金屬。類似的保護塗層可形成於其他金屬的電極上，或可使用電沈積等已知沈積科技而形成。在表面提供沈積塗層可提高金屬片的化學耐受性，在無此種保護層之處，金屬片的耐受性會降低。較佳的金屬為鎳，原因是接觸氫氧化鉀溶液等鹼性電解質時可抗腐蝕。

燃料電池系統通常包含排列成燃料電池堆的複數此種燃料電池以提供較大的輸出電壓。此種堆疊可包含兩個電池至兩百個電池之間，通常為八個電池至一百個電池之間。

10‧‧‧電極

10a‧‧‧陽極

10c‧‧‧陰極

11‧‧‧金屬片

12‧‧‧中央區域

14‧‧‧貫穿孔

15‧‧‧周圍邊緣

15a‧‧‧內側部分

15b‧‧‧外側部分

16‧‧‧氣體可滲透層

18‧‧‧含催化劑層

20‧‧‧碳紙

21‧‧‧凹槽

22‧‧‧部分擠壓部分

23‧‧‧部分擠壓部分

25‧‧‧燃料電池

26‧‧‧電解質室

27‧‧‧氣體室

28‧‧‧氣體室

30‧‧‧周圍框

32‧‧‧密合墊

茲此將僅藉由範例且參照附圖進一步且更具體敘述本發明，其中：第1圖表示電極的剖面圖；且第2圖表示合併如第1圖所示之電極的燃料電池之剖面圖。

電極結構

參照第1圖，電極10包含鎳或鐵磁體不銹鋼等金屬片11。金屬片11的厚度為0.3mm。金屬片的大部分，亦即中心區域12，係例如以雷射鑽孔而穿孔以產生極大數量的貫穿孔14，每一孔洞的平均直徑為50μm且以100μm至200μm之間的間距分隔。由於採用雷射鑽孔程序，每一孔洞14實際上略微沿著長度方向傾斜，通常從70μm(雷射照射的表面)至30μm(相反側表面)。金屬片11周圍的邊緣15(寬度5mm)並未穿孔。應理解第1圖並未依照實際比例繪製。

以下範例提供尺寸和間隔。作為替代方案，孔洞14的平均直徑可為300μm且間隔為100μm至800μm之間，此種較大的孔洞可採用化學蝕刻製造，且如果從兩側表面採用蝕刻而製造，孔洞可能傾斜成而在金屬片11中段或附近形成腰部。孔洞14可更大，例如0.5mm至5mm之間，且可由機械鑽孔或打孔。

周圍邊緣15包含兩個部分：內側部分15a，其隨後將被氣體可滲透層16覆蓋；外側部分15b，其隨後將不被氣體可滲透層16覆蓋。隨後將被氣體可滲透層16覆蓋的內側部分15a之表面接著受到蝕刻處理以形成未延伸穿透金屬片11的厚度之複數小凹槽21而界定盲槽。此蝕刻處理可使用雷射或可使用化學蝕刻，且可在形成孔洞14之後、形成孔洞14期間或形成孔洞14之前進行。小凹槽21可大致具有與孔洞14相同直徑或寬度，且大致具有相同間隔。其深度可為30μm至250μm之間，在此範例中，深度為170μm至200μm之間。

因此，最終的金屬片11具有：中央區域12，其穿設有複數貫穿孔14；周圍邊緣15的內側部分15a，其界定作為盲槽的複數凹槽21；及周圍邊緣15的外側部分15b，其不經過蝕刻也不穿孔。

接著，組裝氣體可滲透層16與金屬片11，使氣體可滲透層16覆蓋整個穿孔中央區域12，並重疊周圍邊緣15的內側部分15a。氣體可滲透層16所暴露的表面係由包含催化活性材料的層18覆蓋。金屬片11及層16和18互相接合。在此範例中，氣體可滲透層16的厚度為350μm，而含催化劑層18的厚度為250μm。含催化劑層18的外側表面可選擇性由疏水性碳紙層20覆蓋，其孔洞率高於75%，厚度少於50μm。

氣體可滲透層16包含具有疏水性黏結劑的碳。適當的混合物包含用於提升孔洞率和導電性的導電性碳黑、多層奈米碳管，以及用於提升孔洞率的活性碳，較佳為碳黑的比例高於奈米管的比例。例如，可包含60-90重量%的碳黑且較少比例的奈米管及/或活性碳。替代的混合物可僅包含奈米碳管，但具有不同的長度和大小。碳混合物與可為聚四氟乙烯(PTFE)的疏水性聚合物黏結劑結合；聚四氟乙烯的質量例如可為碳總質量的100%至200%之間。舉例而言，可為碳質量的150%，使 60%的層16為黏結劑而40%為碳。製造氣體可滲透層16的程序可為例如使用含介面活性劑的聚四氟乙烯水性懸浮液，亦可使用醇(alcohol)。

舉例而言，使用氣體可滲透層16時，首先將碳與大量醇混合，通常為碳質量的三至八倍之間，例如為碳質量的五倍。其例如可為乙醇(ethanol)、異丙醇或長鏈、支鏈或多官能醇，例如丁醇、戊醇或乙二醇。混合物亦可包含低比例的含醇物質，例如醋酸鈣或聚(丙烯酸)，例如低於五分之一的碳質量，通常為十分之一。其接著通常會與次微米尺寸聚四氟乙烯粒子水性懸浮液(通常為碳質量的二至三倍之間，例如碳質量的2.5倍)混合。此次微米尺寸聚四氟乙烯粒子的水性懸浮液可為60重量%的聚四氟乙烯，包含支鏈狀次級醇乙氧化物介面活性劑，例如Tergitol TMN系列介面活性劑(Tergitol 為商標)。舉例而言，此懸浮液可為DuPont Zonyl(商標)PTFE TE-3887，其中粒子的大小為0.05至0.5μm之間，且平均大小為0.2μm。當聚四氟乙烯懸浮液接觸醇即會成為凝膠，因此混合物具有如麵糰般的一致性。

在變形例中，可將介面活性劑在水中的溶液加入至碳混合物以形成潮濕碳，接著與亦包含介面活性劑的聚四氟乙烯粒子水性懸浮液混合，然後再混入異丙醇等醇，使混合物呈凝膠形成如麵糰般的一致性。此舉可在碳粒子上形成一致的聚四氟乙烯塗層。

含催化劑層18亦相似，結合碳與呈顆粒狀的適當活性催化材料，再混入聚四氟乙烯。舉例而言，電極的陽極可在活性碳上包含10%的鈀或10%的鈀/鉑，且選擇性與碳結合以提供導電性，含催化劑活性碳佔碳總質量的50%至100%之間；電極的陰極可包含提供導電性的碳，並與作為催化材料的尖晶石Mn_xCo_yO₄結合，其中尖晶石佔層總質量的80%。相較於氣體可滲透層16，含催化劑層18包含較低比例的聚四氟乙烯黏結劑，導致含催化劑層較不偏疏水性。

舉例而言，含催化劑層18中的聚四氟乙烯比例可為氣體可滲透層16中的聚四氟乙烯比例之5%至10%之間，然而可更高，且可藉由大致相同的程序製造。

隨後可將兩個層16和18互相壓合，例如藉由軋輥，最後再滾出成例如0.3或0.7mm的厚度。在輥軋程序中，層16和18會承受剪力，而聚合物則會經受冷流動或纖維化。不論是否事先將層16和18互相壓合，如上所示之後皆必須將此兩者放置到金屬板11上，且選擇性地以碳紙20覆蓋。在此階段，此兩個層16和18可能仍由醇和水潤濕，且聚四氟乙烯仍連同介面活性劑呈懸浮液狀態，因此可迅速互相接合。另外，可將層16和18分開乾燥，但保留介面活性劑，再互相接合。

然後，組件可承受冷壓，例如以40℃在滾筒之間加壓，使材料互相接合。之後，可將組件加熱至低於聚四氟乙烯熔融點的溫度，例如在烤箱中加熱至250℃。在此高溫，任何殘餘的醇和水皆會蒸發，介面活性劑會分解而蒸發或汽化，而聚四氟乙烯粒子會互相燒結(即使溫度低於聚四氟乙烯的熔融溫度，約為325-328℃)。此加熱程序不需要施加壓力。

另外，組件再經過熱壓，例如以250℃下在滾筒之間加壓。可將滾筒以耐熱離形薄膜覆蓋，例如厚度15μm的聚亞醯胺薄膜(例如商標Kapton)。再如上所述除去任何殘餘的醇和水以及介面活性劑。氣體可滲透層16接合於金屬板11的表面，同時含催化劑層18接合於氣體可滲透層16(若先前未彼此接合)。氣體可滲透層16及含催化劑層18兩者更為緻密，同時保有液體可滲透性。若提供碳紙20，則將碳紙20接合於含催化劑層18的外側表面，避免含催化劑層18接合於滾筒或離形薄膜的風險。

在任一情況下，加熱程序皆會使任何殘餘醇和水蒸發，並使介面活性劑蒸發或分解；且使聚四氟乙烯粒子至少部分燒結，因而使氣體可滲透層16及含催化劑層18共同形成接合於金屬板11的呈連貫可滲透疏水性結構，其中碳紙20(如果有的話)接合於外側表面。

在上述構成的變形例中，混合物可包含不同疏水性聚合物，例如聚偏二氟乙烯，以取代聚四氟乙烯或與聚四氟乙烯混合。

在冷壓或熱壓程序中，氣體可滲透層16的整個區域被壓至金屬板11上。聚四氟乙烯粒子經受流動，此外，覆蓋中央區域12的氣體可滲透層16之此等部分係部分被擠壓進貫穿孔14，同時覆蓋周圍邊緣15的內側部分15a之氣體可滲透層16的此等部分係被局部擠壓進凹槽21中。此等程序皆用於將氣體可滲透層16接合至金屬片11。在缺乏凹槽21的情況下，與周圍邊緣15重疊的氣體可滲透層16部分將無法經受此種擠壓，且此部分的氣體可滲透層16將因而阻礙其他部分的氣體可滲透層16擠壓進入貫穿孔14。相較之下，提供凹槽21可使整個氣體可滲透層16至少產生局部擠壓，而不會阻礙局部擠壓進入貫穿孔14。此外，此局部擠壓進入凹槽21及貫穿孔14現象會在氣體可滲透層16及金屬板14之間產生機械聯鎖效應而增強黏結性。

因此，氣體可滲透層16的最終表面具有在凹槽21內擠入的擠壓部分22(如虛線所示)及在貫穿孔14內擠入的擠壓部分23(如虛線所示)。

在冷壓後或熱壓期間，聚合物粒子的熱處理導致聚合物粒子至少部分燒結，有助於材料接合在一起而達成連貫的電極10，亦可確保移除介面活性劑，使氣體可滲透層16呈疏水性。

因此應理解適用於使用氫氧化鉀等水溶性電解質的燃料電池之電極10可快速製造而成。局部擠壓部分22及23提供強化的接合，相較之下，若無凹槽21，則僅能使用額外的聚合物黏結劑層以獲得相同的黏結性。最終電極10另外還有較佳的電特性，例如相較於使用聚合物黏結劑層的電池，其減少約10%的內部電阻。此外，在惡劣環境下進行測試，以溫度70℃、200mA/cm²操作使用30%(重量)氫氧化鉀水溶液作為電解質的電池，相較於無凹槽21但使用額外聚合物黏結劑層的電池，電池25的操作壽命超過2倍。意外的是，已知省略聚合物黏結劑層可增加電極壽命，原因可能是若缺乏聚合物黏結劑層，則可抑制每一電極10a、10c內的晶體生成，或者可能只是移除易故障的介面。

參照第2圖，燃料電池25包含兩個電極10，分別在電解質室26的每一側。在此種情況下，兩個電極10皆不包含第1圖中所示可選擇性使用的碳紙20。其中一電極10a為陽極，且分隔電解質室26與氫等燃料氣體流通之氣體室27，而另一電極10c為陰極，且分隔電解質室26與空氣等氧化氣體流通之氣體室28。陽極10a和陰極10c具有如第1圖所示的結構，兩者差異在於催化材料不同。(氣體可滲透層16的凸出之局部擠壓部分22和23未顯示於第2圖。)

電解質室26係由周圍框30界定，其使用由密合墊32密封至每一電極10的非穿孔邊緣15(框架13和密合墊32以虛線表示)上。移動該密合墊32使其包圍層16和18的邊緣，因而可將此等層16和18穩固固定至金屬片11上。

操作燃料電池25時，分別將如氫的燃料氣體供應至氣體室27並將空氣供應至氣體室28，且將氫氧化鉀水溶液等電解質溶液供應至或通過電解質室26。燃料電池25提供略低於1V的電動力(electrormotive force)。在電池25內，電解質滲透過含催化劑層18的外側部分(至少為部分疏水性)，因而接觸每一電極10a和10c之含催化劑層18內的催化材料。

如上所述，陽極10a和陰極10c的差異在於含催化劑層18內具有不同的催化劑組成物，儘管部分催化劑材料可能適用於陽極和陰極兩者。這兩種催化劑材料如上所述：陽極10a於活性碳上有10%鈀或10%鈀/鉑，而陰極有尖晶石Mn_xCo_yO₄。亦可另外使用各種其他催化劑材料。

實務上，能夠以燃料電池堆的形式共同操作多個燃料電池25，通常會以串聯形式排列電池25。每一個電池產生約為或略低於1伏特(例如0.6至0.8V之間)的電動力，因此堆疊的電力輸出取決於堆疊中的燃料電池25數量。通常堆疊中的電池25數量為八個至一百個之間，然而堆疊可具有低於八個電池或多於一百個電池。

應理解上述電極10及其製造方法僅為例示。在變形例中，金屬板11的表面經蝕刻而在相鄰貫穿孔14之間的金屬板11之部分提供額外凹槽或盲槽。此舉可提供更佳的黏結性。