3] P冰是冰的密度；
[0054] ε "是催化剂层中离聚物的体积分数；
[0055] Cf,干燥是在干燥的膜中（-SO3 )电荷的浓度；
[0056] Δ λ av，a是在开始结冰过程中通过催化剂层中离聚物吸收的水；
[0057] 是水的分子量（18克/摩尔）；
[0058] δ η是聚合物电解质膜的厚度；以及
[0059] Δ λ%，开始结冰过程中通过聚合物电解质膜吸收的水。
[0060] 例如，认为燃料电池具有厚度为18微米的膜（设定初始剩余水λ。= 6并且能够 吸水直到λ = 14)以及厚度为10微米、孔隙率为0. 33的CL。通过等式2计算出该燃料电 池的储冰容量为大约0. 83mg/cm2。在0. 1安培/平方厘米（A/cm2)的电流密度下工作的燃 料电池将在大约90秒内超过燃料电池的储冰容量。为了在结冰环境下成功启动，燃料电池 必须在90秒内提高它的温度超过零度。这种短的时间窗口对于燃料电池在结冰环境下的 启动来说是个挑战，特别是从温度低于-20°C时启动。MPL能够被设计为增加从CL传输出 来的液体水并将冰储存在MPL中。这样使得结冰温度下的电池被淹没和无法启动的可能性 降低。
[0061] 参照图3,从PEMFC 10中单独示出了MPL 26。MPL 26可以具有从5微米（μπι) 到75微米范围的厚度。MPL 26包括多个孔42。孔42可以具有0.02 μπι到0.5 μπι的孔直 径。根据应用，孔42可以是亲水性的或疏水性的。选择性的，孔42可以是亲水性孔和疏水 性孔的混合。MPL 26还包括多个结构域（domain) 44。本公开涉及大量不同的结构域44的 布置。例如，结构域44可以按照特定的阵列布置或者可以无序地布置。结构域44可以具 有0. 1毫米（mm)到2毫米的间隔。在一个实施例中，结构域44是形成在MPL 26中的钻孔 (bore hole)。钻孔44的直径可以为0.5 μπι到200 μπι。因它们相对大的尺寸，钻孔44可 以是亲水性的或疏水性的。在另一实施例中，结构域44是嵌入在MPL 26中的亲水性材料。
[0062] 图4示出了一部分PEMFC 10的横截面图。MPL 26被夹在催化剂层20和⑶BL 18 之间。MPL 26具有第一表面46和第二表面48。第一表面46抵靠着CL 20设置，第二表面 48抵靠着⑶BL 18设置。结构域44在第一表面46和第二表面48之间延伸，提供了完全穿 过MPL 26的通孔。选择性地，结构域44可以仅延伸穿过MPL 26的一部分。在一个实施例 中，结构域44是形成到MPL 26中的钻孔。钻孔44可以以任何合适的方式形成，例如，通过 激光打孔形成。选择性地，钻孔44可以通过钻孔工艺或其他工艺机械地形成。钻孔44可 以是圆柱形的或者基本上呈圆柱形的。也涉及其他形状和横截面。还可以使用不同形状的 孔的组合。
[0063] 结构域44使储冰容量增加。例如，具有直径为100微米以及按照正方晶格图案布 置的结构域间隔为〇. 5mm的结构域的30微米厚的MPL能够储存0. lmg/cm2的冰。与传统 的MPL的0· 83mg/cm2的储冰能力相比，这使总的储冰容量增加到0· 93mg/cm2。储冰容量大 致增加12%。结构域44还使超冷却液体水从CL出来并进入气流中的传输增加。这是因为 水的突破压力和液体传输阻力的显著减小。这使储冰能力显著增加并且能够使PEMFC在结 冰温度下成功启动。
[0064] 在其它实施例中，结构域44是嵌入到MPL 26中的亲水性材料的包。亲水性材料 可以是亲水化处理的碳、亲水性聚合物（例如，聚乙烯醇（PVA)和离聚物）以及金属氧化物 (例如，SiO2)。亲水性材料可以将水和/或冰带到结构域44中，进一步增加结构域44获取 水和冰的效率。亲水性材料包可以通过任何合适的方法形成。例如，在第一步，可以使钻孔 形成于MPL中。然后在第二步，利用亲水性材料填充钻孔。
[0065] 参照图5A到图5C，示出了制造 MPL中的结构域的替代方法。在该替代方案中，首 先形成结构域，接下来绕结构域形成剩下的MPL。
[0066] 参照图5A，在基板52上布置多个微小钉状物50。根据期望的结构域图案将微小 钉状物50布置在基板上。微小钉状物50可以通过将所选的结构域材料喷墨印刷到基板52 上形成。
[0067] 接下来，在基板52上形成剩下的MPL，如图5B中所示。剩下的MPL可以通过使炭 墨54围绕结构域50沉积在基板52上来形成。然后干燥并烧结炭墨54,形成MPL。
[0068] 接下来，将MPL 56从基板去除，如图5C中所示。微小钉状物50可以被设计为当 将MPL 56从基板52去除时与基板52分离。因此，微小钉状物50仍然嵌入在MPL 56中， 形成位于MPL 56内的材料包。嵌入的微小钉状物50在MPL 56中形成结构域58。嵌入的 微小钉状物50可以由亲水性材料组成，以在MPL 56中提供亲水性结构域58。亲水性材料 的示例包括亲水化处理的碳、亲水性聚合物（即，聚乙烯醇）、金属氧化物（即，SiO2)和半 透水性材料。
[0069] 选择性地，微小钉状物50由特定的造孔材料形成。造孔剂的示例材料是氯化铵 (NH4Cl)，当在高于338°C的温度下烧结MPL时氯化铵分解，在MPL中留下孔。因此，去除的 MPL 56具有与微小钉状物50的位置对应的多个钻孔58。
[0070] 参照图6，示出了 PEMFC 10在结冰环境下工作期间的横截面。MPL 26设置在⑶BL 18和CL 20之间。PEM 16设置为与CL 20相邻。MPL 26包括如前面所描述的多个结构域 44和多个孔42。结构域44大致上比孔42大，并且被设计为MPL 26内的主要的水传输导 管。结构域44执行大部分水体传输，剩下较小的孔42较少地被阻塞，以使氧更好地扩散。 在结冰环境下，结构域44还被设计为吸收并储存冰。通过将冰储存在特定结构域中，冰变 为在特定区域中集中。这有助于提供没有冰的区域。如图6中所示，冰形成在接近结构域 44的CL 20中和⑶BL 18中，而剩下了大片区域的⑶BL 18和CL 20没有冰。因此，氧自由 地通过这些没有冰的区域扩散，从而在低于结冰温度的环境下提供更好的电池操作。
[0071] 参照图7,示出了一部分PEMFC 78的横截面图。PEMFC 78包括设置在CL 82和 ⑶BL 90之间的MPL 84。PEM 80设置为与CL 82相邻。MPL 84由多个层组成。所述多个 层可以具有不同的性质，例如，一层为疏水性的，另一层为亲水性的。多个层还可以具有不 同布置的孔和结构域。在一实施例中，MPL 84包括第一层86和第二层88。第一层86设置 为与CL 82相邻，第二层88设置为抵靠着⑶BL 90。CL 82具有相对低的储水容量。第一 层86可以是亲水性的，以有助于将（液体和/或固体）水从CL 82吸收过来，以减少对CL 82的淹没现象。亲水性的第一层还可以提供从CL 82到第二层88的更好的传输。第二层 88可以包括多个结构域92。结构域92可以是如前面所描述的钻孔或者材料包。钻孔92 储存水并将水从第一层86传输到GDBL 90。第二层88可以是疏水性的，以将水引到结构域 中。
[0072] 在另一实施例中，第一层是疏水性的，第二层88是亲水性的。第一层86、第二层 88中的一者或两者可以包含结构域92。在又一实施例中，第一层86和第二层88具有相似 的水性质（意味着同时具有疏水性或同时具有亲水性）。第一层86和第二层88中的一者 或两者可以包含结构域92。
[0073] 虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意图为这些实施例描述权利要求所包含 的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不 脱离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。如上所述，可以组合多个实施例的 特征以形成本发明没有明确描述或说明的进一步的实施例。尽管多个实施例已经被描述为 提供优点或者在一个或更多个期望特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是 本领域普通技术人员应该认识到，取决于具体应用和实施方式，为了实现期望的整体系统 属性，可以折衷一个或更多个特征或特性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生 命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。因此， 被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式合意的实施例 也未超出本公开的范围，并且可期望用于特定应用。
【主权项】
1. 一种燃料电池，所述燃料电池包括： 阴极，包括第一气体扩散层和第一催化剂层； 阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层； 质子交换膜，设置在阴极和阴极之间；以及 微孔层，设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间，微孔层限定多个孔，所述多个孔 在微孔层的相对的表面之间延伸并且被布置为在结冰环境下使冰的形成集中在孔内，以减 少催化剂层内结冰的水的量。2. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，孔的直径为0. 5 ym到200 ym。3. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，微孔层包括碳同素异形体和粘合剂。4. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，微孔层还包括第一层和第二层，第一层抵靠着 第一催化剂层设置，第二层设置在第一层和第一气体扩散层之间，其中，多个孔仅限定在第 二层中。5. 如权利要求4所述的燃料电池，其中，第一层是亲水性的，第二层是疏水性的。6. 如权利要求1所述的燃料电池，所述燃料电池还包括设置在每个孔内的亲水性材 料。7. -种设置在位于燃料电池阴极侧上的催化剂层和气体扩散支撑层之间的燃料电池 微孔层，所述微孔层包括： 体材料； 多个孔，限定在体材料中；以及 多个结构域，限定在体材料中并且被构造为在结冰环境下使冰的形成集中在结构域 内，以减少体材料和催化剂层之间界面的结冰量。8. 如权利要求7所述的燃料电池微孔层，其中，结构域是钻孔。9. 如权利要求8所述的燃料电池微孔层，其中，钻孔的直径为0. 5 y m到200 y m。
【专利摘要】提供了一种用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层。燃料电池包括：阴极，具有第一气体扩散层和第一催化剂层；阳极，包括第二气体扩散层和第二催化剂层；质子交换膜，设置在阴极和阴极之间。微孔层设置在第一气体扩散层和第一催化剂层之间。微孔层限定多个结构域，所述多个结构域在微孔层的相对的表面之间延伸。在结冰环境下，微孔层被布置为使冰的形成集中在结构域内，以减少催化剂层内结冰的水的量。
【IPC分类】H01M8/02, H01M2/18, H01M2/16
【公开号】CN105098123
【申请号】CN201510229219
【发明人】鲁自界, 詹姆士·瓦尔德克, 迈克尔·艾伦·迪波尔特
【申请人】福特全球技术公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年5月7日
【公告号】DE102015208239A1