专利名称：：燃料电池所产生的液态水的被动回收的制作方法
技术领域：
：公开了新颖的高分子电解质膜和/或阴极，它们能够被动回收在燃料电池的阴极所产生的液态水，
背景技术：
：在燃料电池，例如直接甲醇燃料电池(DMFC)中使用的高分子电解质膜(PEM)所存在的众所周知的问题是对来自阴极的水的回收，所述水既用于PEM本身的水合又用于再引入到阳极燃料反应物流中，其中对于DMFC的情况，它同时用作曱醇燃料的反应物和稀释剂.水也用作其它类型的PEM燃料电池的燃料反应中的反应物质之一，这些类型包括在燃料电池外部有反应(如烃类燃料的重整)的那些或化合物(如硼氬化钠)与水反应产生氢的那些.水还能够用来对进入燃料电池的阳极腔室中的反应物气体流进行增湿。对这一问题的常规"主动"解决方案包括将冷凝器和液体分离器放置在阴极排出物流(exhauststream)上，以便收集液态水，然后将该水计量返回阳极回路，发明概迷本发明的目的是回收以下水中的至少一部分(l)阴极处的电化学反应中所产生的水；(2)随着从阳极到阴极的离子流动而从阳极迁移到阴极催化剂层的水；和/或(3)其它形式存在于阴极的水，可能来自于从阳极侧扩散跨过(across)PEM的燃料的直接氧化，该水在本文有时称作"阴极水"。可将阴极水引导至阳极本身，用于反应或用于燃料增湿目的，或将其引导至燃料反应腔室，以用于燃料反应中，燃料电池膜电板组件(MEA)含有从离子导电聚合物制造的高分子电解质膜(PEM),该PEM经改性含有在PEM的相对(opposite)表面之间的小通道。这些通道使液态水能在足够的压力下从PEM的阴极侧流到PEM的阳极侧。该PEM有时称作透水性(waterpermeable)PEMPEM具有相对的阳极和阴极表面。为了产生引起水迁移(transport)通过PEM通道所需要的压力，PEM的阴极侧上存在液态水阻隔(LWB)层。该层是导电的，具有高的气体扩散性，以允许氧气到达阴极催化剂层，但是对液态水流动具有明显的阻抗。在操作过程中，该燃料电池在PEM的阴极侧上产生水.在该实施方案中，LWB层单独足以能够减少液态水从阴极到阴极氧化剂流的流动，由此产生足够的液压背压(hydraulicbackpressure),导致液态水从阴极通过PEM通道流到PEM的阳极侧。在另一个实施方案中，气体扩散阻隔(GDB)层与LWB层结合使用。在许多实施方案中GDB层是导电性的，然而，在采用平面内(in-plane)电流收集的一些实施方案中不需要它是导电的.GDB层能够限制水蒸气流向阴极氧化剂流，然而，它具有足够的气体扩散率，以允许氧气穿过它到达阴极催化剂层。在一些情况下，PEM的阴极表面与LWB层之间存在液态水分布(LWD)层。该层是导电性的，并允许液态水在与PEM的阴极表面平行的平面上侧向移动，该层能够用于促进水移动到PEM通道和/或用于提供对残留水的侧向收集(lateralcollection).如果将催化剂添加到LWD层中，则它还用作阴极氧还原反应或其它阴极界面化学反应的催化剂层，标准气体扩散层(GDL)能够与这些层中的任何一个或全部结合使用，且一般远离PEM阴极表面放置，以避免与阴极氧化剂流相互作用。本发明还包括能与标准PEM或在本文公开的透水性PEM结合用来控制阴极水流动的阴极，在一个实施方案中，阴极从GDB层和LWB层制备。在另一个实施方案中，可制备单层阴极，它具有GDB和LWB层的性能。这种单层阴极也可以与LWD层和/或GDL—起使用。或者，可以使用GDB/LWB油墨在标准GDL表面上形成该单层，在另一个实施方案中，阴极从GDL和GDB层制备。该阴极可进一步含有LWB层，其位置使得GDB层位于GDL和LWB层之间。该阴极还可包含LWD层，其位置使得LWB层位于LWD层和GDB层之间。在另一个阴极实施方案，阴极含有单独的或与GDL结合的LWB层和LWD层。在另一个实施方案中，代替使用其中阳极和阴极催化剂施涂于该膜上的CCM,将这些催化剂施加于气体扩散层组件上，然后在压力和温度下结合以便与PEM形成机械结合，就阴极来说，将阴极电催化剂施加于紧邻PEM的层上，所述层可以是LWB层或LWD层.膜电极组件(MEA)制备自包含高分子电解质膜(PEM)和催化剂层的催化剂涂布膜(CCM)，以及任何上述阴极，或从结合于PEM的催化剂涂层阴极组件制备。该PEM可以是标准PEM或本文公开的透水性PEM,燃料电池含有上述MEA。还公开了使用透水性PEM的燃料电池系统。透水性PEM允许使用高度浓缩的燃料，如纯甲醇，无需提供水作为稀释剂。在此类系统中，浓缩燃料源与阳极回路流体连通，后者进而与透水性PEM流体连通。将LWB层安置在透水性PEM的阴极侧上，以致产生引起足够残余水的迁移以维持阳极反应和/或PEM的水合所需要的液压，除了LWB层之外，上述层中的任何一种或多种也可用于促进残余水的被动回收(passiverecovery),还公开了采用标准PEM的燃料电池系统。在这些实施方案中，合适的阴极选自以上确定的促进被动水回收的那些阴极，附图简述图1A示出了具有多个从阴极到阳极表面横穿PEM的流动通道的透水性PEM。图1B示出了显示激光钻孔的MEA横截面，孔的出口直径是2微米。通过在真空下使用环氧树脂回填料，并进行后续抛光来制备横截面；孔的一部分显示该孔被环氧树脂部分地填充，图2示出了透水性PEM，其具有透水性区域和不透水区域。图3是可单独地或相结合地用来形成用于被动回收水的阴极的各种层的示意图。图4示出了膜电极组件的阴极侧的横截面。液态水阻隔层和气体扩散阻隔层限制液态水和水蒸气从阴极催化剂层流向阴极空气流通道。液态水分配层是透水性的，并用于液态水远离阴极催化剂层的侧向流动以进行侧向边缘收集或用于液态水流向PEM的透水性区域。围5示出了包括甲醇源、阳极回路和燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池含有将燃料电池分成阳极腔室和阴极腔室的MEA。当透水性PEM与液态水阻隔层结合使用时，液态水直接从阴极流向阳极，如箭头所表示.或者，标准PEM可用于提供水的侧向收集，它可用于其它目的，如阴极水转移到阳极回路。图6示出了实施例2中公开的燃料电池的性能，图7示出了实施例2的燃料电池经过500小时后的性能。发明详述公开了透水性PEM和控制阴极水迁移的阴极，该PEM和阴极可一起使用，以产生能够被动回收水的MEA,或者，它们可以单独使用，在这种情况下透水性PEM与标准阴极一起使用，标准PEM与本文公开的阴极一起佳:用。空气流的性能的一个或多个层，随着在PEM的阴极側上产生液态水，在阴极电极内的这些层促进液态水压力的产生，该透水性PEM包含已改造为具有通过PEM的整体通道(integralpassageway)的离子导电聚合物层，该通道允许水从PEM的阴极迁移到阳极侧。燃料电池本发明的主要目的是提供对一部分的在燃料电池阴极处所形成液态水或被迁移到燃料电池阴极的液态水的被动水回收。在一些情况下，将一部分的回收水转移至阳极回路，以促进DMFC中的阳极电化学反应(l分子水与l分子甲醇反应，产生二氧化碳，质子和电子).需要回收的水量优选等于或大于下列的总和(l)阳极氧化反应中所消耗的水量，在直接甲醇燃料电池的情况下，它是在阴极上从质子、电子和氧的电化学反应产生的水的三分之一；(2)经由扩散或电渗透阻碍(electro-osmoticdrag)或通过其它方式从高分子电解质膜的阳极侧迁移的水量；(3)经由气-液分离器(例如在直接甲醇燃料电池的情况中，从液体燃料中分离二氧化碳的分离器)可从阳极液体燃料流中离开的水量；(4)通过其它方式(如氢气-空气燃料电池中的燃料流的定期吹扫)可从运转着的阳极燃料流中消耗的水量。采用高分子电解质膜(PEM)以及使用氢气、有机燃料或燃料共混物的其它燃料电池也将受益于从阴极到阳极的被动水回收，因为这一类型的离子导电机理(高分子电解质膜)的已知特征是电渗透阻碍(electro-osmoticdrag),据此而使得从阳极移动到阴极的质子离子典型地进行"阻碍(drag)"或它们与从阳极迁移到阴极的水分子相结合，尽管这种"电渗透阻碍"的确切机理仍然是讨论的主题，但是已经观察到，存在着与引起在阳极处的水消耗的质子通量相关的从阳极到阴极的净水迁移(netwatertransport)，所述水消耗也导致PEM的各个部分中水的消耗，众所周知，具有离子导电磺酸基(ionconductingsulfonategroups)的PEM中需要水分子，以便使PEM保持足够的离子导电率以支持所需的电化学反应。如果与PEM中的官能化磺酸基接近的水的局部浓度显著地下降，则PEM的局部离子导电性能也下降，导致性能(电流密度或在给定的电池电压下的电化学反应速率)的局部下降，这有害于燃料电池本身的性能并可导致损害或不安全的操作条件(如果这在燃料电池堆组件(fuelcellstackassembly)中的电池之间不均匀地发生)。此外，工业上已希望(例如，由用于PEM燃料电池的美国DOE技术目标举例说明)减少提供给燃料电池本身的附加水的量。这一希望通过降低操作期间进入燃料电池的水蒸气的增湿作用或分压来表示.阴极残余水的被动回收促进从阴极补充阳极侧水，这潜在地导致性能和耐久性的改进，并可能允许在更低的入口反应剂气体湿度水平下进行操作，此外它促进PEM内的水保持，以及在PEM的平面区域上的水分配。此外，存在其它类型的燃料电池，其中水是反应物质，但水不在燃料电池本身内，而是水用于燃料电池外部的反应过程中。这些类型的燃料电池的实例是重整(reformed)甲醇燃料电池，其中甲醇与水在重整装置(较高温度催化剂床工艺)中反应，主要产生二氧化碳和氢气；以及化学氢化物(其例子是硼氢化钠)燃料电池，其中水用作与化学氩化物反应的反应物之一，以产生氢气。通过使用本发明，残留水能够从PEM燃料电池收集并被引导通过通道或流动机构到达该燃料电池外部的反应过程.燃料电池内的水收集歧管可用作将燃料电池内的回收的残余水引导至外部流体通路的一种机构，如从燃料电池到反应位置的管道或管线.被动7JC回收被动水回收指从燃料电池的阴极侧的水回收，它不牵涉在燃料电池本身之外的附加构件(component)来进行从阴极废液(exhaust)流中收集水(即，冷凝器、集水器、水泵或用于将此类水从阴极氧化剂废液引导回到阳极燃料流的其它机构)。经由管道、管线、歧管、通道或具有足够低的液态水流动阻力的其它机构的流体连接可用于将回收的水引导至所需位置，而不会使水大量损失到其它位置。水的非被动回收通常地需要某些形式的动力将所收集的水引导至所需位置，在那里将水用于电化学反应中或排放(rejected)到环境中或收集供今后使用。它进一步典型地代表着对系统的额外热负荷，使水从蒸气态冷凝并将该水引导至所需位置。被动水回收对于燃料电池发电机是有利的，因为它简化该系统的设计，减少该系统的尺寸、重量和成本，并且使燃料电池系统具有更高的体积功率和重量功率以及体积能量密度和重量能量密度，所有这些是高度受欢迎的特征'本发明描述许多方式，依据这些方式可在电池内部实现从阴极回收液态水，并再引导入阳极，而无需附加的系统构件。本发明进一步描述许多方式，依据这些方式可将回收的水引导至燃料电池本身之外的构件，从而可以利用该水。这种液态水回收策略的所有变型可用于具有贯穿平面的水流收集(through-planecurrentcollection)的一种平面阵列或一种堆叠体构型中.它们也能与联合的氧化剂-冷却剂策略一起使用，或与更常规的低流量、低氧化剂化学计量比的氧化剂源和单独的热消耗位置(例如在燃料回路的液体热交换器或单独的液体冷却回路)一起使用。本发明的所有变型利用疏水性孔中的毛细压力的关键物理原理，其中液态水将优先穿透较大直径的孔，使较小直径孔隙网络仅仅充满气体。透水性PEM在一个实施方案中，透水性PEM具有整体水通道，该通道从PEM的阳极到阴极表面横穿PEM，如图1中所示，透水性PEM具有以下特征的组合其中(l)在其表面的一个方面上，它具有离子导电性、低的燃料扩散性、低的透水性，并不存在液态水用的任何流动通道，和(2)在其表面的另一个方面上，它具有高的透水性能，贯通式结构特征(throughfeatures)，例如相对表面之间的整体流动通道(或通道)，其允许液态水迁移跨过该膜。液态水迁移通道可以构成PEM中的小孔，可以在制造PEM之后通过机械、静电、热(如激光)或其它方式来形成这些小孔。液态水迁移通道还可在PEM的制造过程中通过包含成孔剂来形成，该成孔剂产生从PEM的一个表面到另一个表面的流动通道。可以在PEM的形成中通过使用聚合物共混物来产生小的流动通道，其中一种聚合物成分对于液态水具有低的抗渗透性，另一种聚合物对于液态水具有高的抗渗透性，上述聚合物中的至少一种(优选具有高的抗渗透性的那一种)必须具有离子导电能力，聚合物共混物也可含有其它聚合物，其可以诱导除离子或液态水迁移之外的功能。另一个实施方案使用聚合物(如EPTFE或其它合适材料)的载体基质来使PEM的尺寸稳定化，可渗透水的结构特征可在膜的形成过程中通过一种或多种的上迷方式在栽体基质中产生或通过形成PEM之后产生流动通道而在载体基质中产生。其它实施方案使用多层PEM，其中多层PEM的至少一层兼有高和低的液态水渗透性结构特征。PEM的较高透水性区域的平面表面区域优选为0.00000150%，更优选0.000001~1%，最优选0.000001~0.001%。然而，液力孔隙大小(hydraulicporesize)的选择，含有孔隙的PEM表面的百分比和它们的间隔将取决于燃料电池的工作参数，并且能够针对各应用凭经验来确定(参见下文re:150mA/cn^设计)。优选地，PEM平面表面区域的较高百分比具有低的渗透和扩散性能以及该区域的较小百分比具有较高的液态水渗透性能，即，高液体渗透性的横截面与低液体渗透性的横截面的比率低于1.PEM的厚度通常低于200微米，优选低于100微米，更优选低于25微米。贯穿所述PEM的此类通道的有效液力直径(effectivehydraulicdiameter)通常是1-25微米，优选2-10微米，更优选2-5微米，图1A中示出了具有独立通道模式的PEM的实例。图1B示出了由激光形成的通道中的一个的橫截面。该通道在其最狭窄处的直径是2微米。在激光入口点的孔的直径是约7微米，接近入口的孔的一部分填充有环氧树脂，该环氧树脂用于制造供显微镜分析用的横截面样品。液力直径是在给定的通道中的最小直径.在这种情况下，液力直径是约2微米，图2是具有可渗透水的区域和未在图2中示出的区域的PEM的平面视图。阴极阴极的构件示于图3和图4中.这些构件可以各种方式结合，以形成本发明的阴极。阴极包含多个层的结合，所述层具有限制液态水和水蒸气从阴极迁移到氧化剂和/或冷却剂空气流的性能，随着在PEM的阴极侧上产生液态水，阴极电极内的这些层促进液态水压力的产生，(a)液态水阻隔层阴极中的关鍵元件是"液态水阻隔层"(LWB层)，它是在阴极内的层，该层是导电性的，在某种程度上可渗透气体(其中包括氧气和水蒸气)，但液态水基本上不渗透，这种液体阻隔层可表征为其中需要压力来诱导液态水移动通过该层的一种阻隔层。上述压力足以大于最高燃料压力，加上液态水穿透该PEM的压力损失，加上水分配层中的平面内液体流动损失的总和，使得液态水合理均匀地分配在所述PEM的整个表面，此类液态水压力通常大于或等于30kPa(4.35psi)，但能够由本
技术领域：
技术人员加以调节，这取决于燃料电池构件的设计.液态水阻隔层可形成自多孔的导电介质，例如在PEM燃料电池工业中典型用作气体扩散层的碳纤维纸，然后将它用碳和/或石墨粉、特氟纶丄Teflon丄⑧(PTFE和/或FEP)和其它液体油墨淤浆成分浸渍，然后将这种碳/特氟纶⑧淤浆加热来使液体蒸发，特氟纶⑧既可以用作粘结剂来使碳粒子固定在适当的位置，又由于特氣纶⑧的疏水性质而可以产生对液态水渗透性的阻抗。存在数种可商购的材料，它们含有特氟纶⑧粘结剂用来将碳和/或石墨粉保持在气体扩散层内，但大部分没有显示出对液态水的显著流动阻力。可使用简易胎架(siraplejig)来测量该液态水流动阻力，简易胎架测量相对于穿过材料的某一区域的流速的水的压力，此类试验典型地表明，对于液态水阻隔层，在观察到任何可测量的水流过该材料之前要求存在一定的压力，在此之后典型地存在液态水流速与液态水压力之间的线性关系，这是多孔介质流所预期的.诱导水流动的起始压力以及液态水流速对水压力的(关系曲线)斜率均可用来选择合适的材料，在本发明中，使用大于30kPa水压力的压力来选择和最优化用于液态水阻隔层的候选层(材料和制造方法)。表征水流过阴极LWB层的方法原则上与用来表征用于穿透透气性的耐水布(例如EN343)的水压力的方法相类似.液态水阻隔层中对液态水流动的阻力主要由小的疏水孔隙的网络所引起。这些孔隙限制水的流动，这在液态水阻隔层和阴极催化剂层的界面上或在液态水分配层(见下文)(如果存在，它位于阴极催化剂层和液态水阻隔层之间)内产生液态水用的液压，这一压力将液态水直接引导至PEM中的通道，或间接地经由液态水分配层引导至一些区域，在这些区域中水能够迁移穿过催化剂层的平面以及穿过与PEM的表面垂直的流动通道到达阳极腔室，由液体阻隔层引起的液态水压力诱导液态水流动，但是这一压力通常不足以使实质量的液态水渗透过该液态水阻隔，也不足以在PEM表面的具有低的液态水渗透性的那些区域上引起实质量的液态水渗透穿过该PEM本身。然而，该压力足以使液体阴极水(l)在与液体分配层内的MEA的平面平行的平面上流动，(2)流过催化剂层，以及(3)经由PEM中的高液体渗透性的区域(如贯通流动通道)从阴极侧流过PEM到达阳极侧。对于(3)的情况，还有可能将液态水引导至与PEM分开的流动通道，并直接引导该水至阳极物流，例如引导至与所述燃料流流体连通的流体歧管或引导至可在燃料电池之外的燃料处理装置，液态水阻隔层并非完全的阻隔；而是它具有足够的气体孔隙度以使气态物质(如氧气、氮气、水蒸气、二氧化碳和甲醇等)能够扩散，从而以能维持阴极处的电化学反应的速率扩散通过它。然而，它对液态水流过平面有相当大的阻力，这能通过诱导液态水渗透这一层的压力来测量，由液态水在液体阻隔层上的积累所产生的液态水压力常常不足以推动液态水渗透穿过厚度为5017S微米(在干燥状态下测量)的常规PEM膜。然而，该压力可以足以引起水迁移跨过较薄的膜，另外，液体阻隔层可与全氟化膜，如由纳幕尔杜邦公司(E丄duPontdeNemoursandCompany)制造的Nafion—起使用，单独或与跨过Nafion膜通道的形成相结合。(b)气体扩散层气体扩散层(GDL)是典型制备自碳纤维的层，它在非压缩状态下具有高水平的孔隙度，通常大于50%,在某些实施方案中它也从导电性材料制备，GDL的功能要求是它必须允许该反应物质和反应产品物质进出集流板或流场板，和进出发生反应的电催化层，可能穿过中间层。在一些实施方案中，GDL也是集流器，在这种情况下电子可以在GDL内'平面内，穿行.对于碳纤维型GDL,该纤维能够取向，与织造材料(如碳纤维布)的情况一样，或无规地取向，例如对于从各种长度的碳纤维的淤浆制造的碳纤维纸型产品的情况，并且蒸发并潜在地使淤浆中的树脂碳化或甚至石墨化以便在碳纤维之间产生粘结，以使它们彼此粘附在一起，还有其它方法制备碳纤维型GDL，它们没有在本文描述但在本领域中是巳知的。此外，还有也可用作GDL的具有高孔隙度和合适的扩散特性的备选材料，例如金属丝网和穿孔的石墨材料。(c)气体扩散阻隔层优选将气体扩散阻隔层(GDB)层插入在液体阻隔层和阴极气体扩散层之间，虽然可将它插入在气体扩散层和氣化剂气流通道之间。气体阻隔层具有低的透气性，也可以是疏水性的。该层的目的是在某种程度上限制水蒸气从阴极催化剂层穿过该层到达氧化剂空气流的扩散速率，而且使得反应物质氧气以足够的扩散率从氧化剂空气流穿过这一层，穿过液态水阻隔层，穿过液态水分配层(如果存在)到达阴极催化剂层，以支持和维持该电化学反应，由于水蒸气和氧气两者的迁移机理是气体扩散，气体扩散阻隔层的扩散性能可以约45-60摄氏度的燃料电池操作温度为基础加以最优化。对燃料电池温度的调节部分地操纵气体穿过气体扩散阻隔层的扩散速率。由于燃料电池电化学反应是放热的，燃料电池通常利用冷却机制(如热交换到环境空气)，以调节该燃料电池本身的温度，气体扩散阻隔的概念已揭示于US专利6451470,"GasDiffusionElectrodewithReducedDiffusingCapacityforWaterandPolymerElectrolyteMembraneFuelCells"中,Koschany等，受让人Magnet-MotorGesellschaftftirMagnetmotor，scheTechnikmbH(德国)。气体扩散阻隔层可以通过形成导电颗粒(如碳或石墨)的微孔层，以及使用粘结剂(例如一种或多种下列物质PVDF、PTFE、FEP)来产生.产生气体扩散阻隔层的另一种方法是形成薄的导电膜，该膜在形成过程中有成孔剂包含在其中并且该成孔剂能够在膜形成之后被除去，保留所需的扩散率。本领域技术人员可使用其它方法来产生目标扩散率范围。在一些实施方案中，将GDB施加于GDL，这限制气体通过它的扩散速率。与GDL相比，它具有极低的扩散率.这种GDB能够通过施涂碳、石墨和PTFE的混合物来形成，以致形成低孔体积分数的子层(sublayer).GDB层抵抗水蒸气的流动，但允许氧气有足够的扩散率穿越该层。GDB层具有与所需的电池操作电流密度和操作温度有关的扩散性能，如表I中所示<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>除前述之外，气体阻隔层的总质量迁移性能(overallmasstransportproperties)能被优化在0.001-0.0015m/sec范围内，以大约50摄氏度的搮作燃料电池温度为基础。因此，所需的系统操作点(温度、电流密度)用来确定所希望有的阴极气体扩散阻隔(GDB)层的水蒸气质量迁移系数范围。上述内容描述了单独的LWB和GDB层在制造阴极中的使用。然而，这些单独层的性能可结合在单个层中，例如，LWB/GDB油墨能在塑料试片上形成涂层，以制备具有LWD和GDB层的性能的单个层，或者，该LWD/GDB油墨能够直接在GDL上形成涂层。实施例1描述了通过在气体扩散层上反复施涂该LWB/GDB油墨来形成此类层的优选方法。(c)液态水分配(LWD)层将液态水分配层(如果存在)插入在阴极催化剂层和阴极液态水阻隔层之间。或者，它可以是阴极催化剂层本身的固有部分，典型地，液态水分配层对于液态水、水蒸气和气体(如氣气)是可穿透的，但是具有比上述GDB层更低的孔隙度和更高的疏水性。这一层的目的是使液态水能够在PEM的平面上側向运动(以低的平面内流动阻力)，通过大部分实现流体连通的较大直径孔的结合体(combination),此类孔散布在该层内的小的、高度疏水性孔的基体(matrix)内或流动通道内，据此液态水移动到催化剂层的区域中，这些区域处于PEM的高度透水性区域当中的中间区域之中，阴极水从液体分配层流动通过催化剂层和PEM到达阳极腔室，在那里该液态水可以参与燃料氧化反应(对于甲醇的情况)并可能稀释燃料本身。液态水分配层是导电性的并具有高的气体扩散率，使得反应剂气体物质能够迁移通过该层到催化剂层，以参与电化学反应，该层一般是疏水性的，它使气体能够扩散通过它、通过小孔隙的互连网络(interconnectednetwork)，而且引导液态水到互连的较大疏水孔或通道(它们对于液态水具有较低的毛细管表面张力影响)的网络和/或在该层内所含的整体侧向流动通道.流动通道也基本上是互连的，并担当液态水的收集容器(沟渠)。有效的平面内液体渗透率应该是lxi(r、2x10-lflcc/secPa。图4显示了可在LWD层的形成过程中产生的LWD液态水流动通道的一个实例。液态水分配层贯通(through)流动通道的概念的另一个实例描述于美国专利6，8卯，680"ModifiedDiffusionLayerforUseinaFuelCellSystem"(Beckmann等)和美国专利7，179，501"ModifiedDiffusionLayerforuseinaFuelCellSystem"(Beckmann等)中，两者均已转让给MTIMicroFuelCells。LWD层与LWB层的区别特征是诱导水移动通过该层本身所需要的压力的大小。如果该层需要大量的水压力来诱导液态水移动，且没有可用的路径供液态水在此压力下迁移，则压力会积累到其会诱导水流过该层的程度。这样的压力对于LWD层通常是非常低的，并且实际上不能用于引导水通过PEM,通过工程设计的路径，通过该PEM本身或通过其它流动通道。此外，此类LWD层通常具有高的扩散或透气性能，它不会充分减少水蒸气通过该层的迁移率。相反地，LWB层需要更高的液态水压力来诱导液态水移动通过它，在液态水达到足够的压力来推动它迁移通过LWB层之前，该水被引导通过较低流动阻力通路，通过LWD层和通过PEM到达阳极。水渗透通过正常的PEM(如Nafion膜)和通过本文所公开的透水性PEM所需要的压力是明显不同的。Ren等人(WO2004/093231)公开了当电池在100mA/cm2下操作时，3.2大气压(约50psi)的压力用于Nafion112(2密耳或50微米厚度膜)。此外，Ren等人还公开ll,3大气压用于Nafio11in(7密耳或175微米厚度膜)。我们先前对于与实施例中的膜相类似的PEM已观察到，150mA/cn^的操作电流需要100psi的压力，以一些外部试验(即，没有操作电池)为基础。这些压力对于常规的燃料电池设计可能是不切实际的。反之，获得从阴极到阳极的足够水流所需要的流体静压力高度取决于孔的尺寸、孔的分布(这些孔间隔多远)、液体分配层的流动阻力和电流密度(较低的电流需要较少的水流，因此需要较低的阻力和较低的压力)，表II显示了使用20微米厚的膜在150niA/cmZ下对于一组各种直径的孔和对于各种孔间距而言的压降。能够容易地看出，更密集的较大孔需要更低的流体静压力跨过它们以实现所需的通过它们的水流速率，与从阴极到阳极的所需水流对应(l/3的电化学方式产生的水加上全部电渗透阻碍(Electro-OsmoticDrag)(EOD)水，忽略由从阳极到阴极的曱醇扩散所产生的水)。表II驱动l/3的产物H20加上EOD从阳极到阴极所需要的贯穿平面(through-plane)压降(kPa)对于150mA/cm2，20微米膜<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表III显示了不同孔间距的最高的平面内流动阻滞压力损失，取决于平面内渗透性.孔的间距越大，压力损失越高，表III在150mA/cn^下的最高平面内压力损失(kPa)液体分配层的平面内液体渗透率(cc/secPa)孑L间多巨(mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>例如，在实施例2中的基于DM-2膜的MEA具有2微米孔和2mm孔间距.在150mA/cmZ下，推动足够的水穿过这些孔需要33kPa(4.8psi),此外，开裂的液态水分配层的平面内渗透率是lx10-ie/(sec-Pa)，没有任何开裂的层的渗透率是lxio'12cc/(sec-Pa)(较不优选)。使用1xio"1cc/(sec-Pa)的中值，对于2mm孔间距而言的流过LDL的压力损失是83kPa(12psi),推动足够的水的所需流体静压力合计116kPa(16.8psi).具有2mm间距的5微米孔的DM-2膜需要0.83kPa(0.12psi)。如果使用平面内渗透率为lx10""cc/(sec-Pa)的开裂的LWD层，则需要另外8.3kPa(1.2psi)。在150mA/cm2的操作点，合计的这些将需要9.1kPa(1.32psi)的流体静压力以达到从阴极到阳极的足够水流。最佳模式使用5微米孔，具有最优化的LWD层和孔间距，大约需要不超过IOpsi的流体静压力来推动水迁移跨过PEM,MEA实施方案在一个实施方案中，MEA具有包含以下部件的组合的阴极结构(1)GDL;(2)气体阻隔扩散层，它对离开阴极的水蒸气扩散限制与到达阴极催化剂层以维持所需反应的氧气扩散进行平衡；(3)液态水阻隔层；(4)任逸的側向液态水迁移层；(5)阴极催化剂层和(6)PEM,PEM是透水的，且具有至少两个区域，其中的一个区域具有高透水性，另一个具有低透水性，如图3中所示。在另一个实施方案中，上述MEA可具有具备合理均匀的液态水渗透性和带有横穿该PEM的液体通道的常规PEM,从而使得在阴极产生的水经由此类通道与阳极燃料回路流体连通，例如如图6中所示。在另外的实施方案中，流体通道与外部燃料反应室(如燃料重整装置)流体连通.在另一个实施方案中，MEA包含以下部件的组合(l)PEM,其具有高和低的液态水渗透性的区域，具有相对(opposing)的阳极和阴极表面；(2)导电性阴极液态水阻隔层；(3)阴极气体扩散阻隔层和(4)阴极气体扩散层，在该实施方案中，不存在前面所述的阴极液体分配层。PEM在其表面上具有高度水扩散性的充分良好分布的区域，使得液态水容易地通过下列中的一种或多种而迁移到这些区域催化剂层中的孔隙，液体阻隔层和催化剂层的界面附近的的孔隙，和/或催化剂层和液体阻隔层的界面处的孔隙。阴极催化剂层被插入在PEM的液体阻隔层和阴极表面之间，并具有足够的透气性和液体渗透性，从而既能进行气体扩散以支持电化学反应，又能使液态水渗透通过MEA的平面和进行平面内渗透到达PEM的高渗透区域，从而穿过PEM，以防止液态水在阴极上的积聚。与现有的实施方案相类似，将液态水阻隔层插入在催化剂层和气体阻隔层之间；将气体阻隔层插入在液体阻隔层和气体扩散层之间；将气体扩散层插入在气体扩散阻隔层和含有氧化剂反应物质的气体流之间，在另一个实施方案中，MEA包含以下部件的结合(1)PEM,其具有相对均匀的液态水渗透性、具有相对的阳极和阴极表面；(2)任选的阴极液体分配层；(3)导电性阴极液态水阻隔层；(4)阴极气体扩散阻隔层和(5)阴极组件中的阴极气体扩散层和流体通道，它们与在阴极液体阻隔层和PEM之间的区段和阳极燃料回路两者流体连通或与外部燃料反应室流体连通。在又一个实施方案中，MEA包含透水性PEM(或标准PEM)和阴极，该阴极包含具有如以上所讨论的和在实施例1中所述的LWB和GDB性能的单个层。该阴极可进一步包含GDL和/或LWD层。水分配(waterdistribution)有两种途径可将液态水在MEA中引导，这些实施方案分成两类a)穿过PEM的贯穿平面式(through-plane)水回收，和b)通过液态水流过没有越过PEM的通道所进行的侧向水回收。表III总结了贯穿PEM式水回收(throughPEMwaterrecovery)的实施方案.表ra<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>表IV总结了侧向水回收,表IV侧向液态水回收(全部阴极侧结构特征)产生流动通道，使水能移动至阳极燃料流的方法经由MEA的阴极侧的側向水传输机构(mechanism)-液体阻隔层或催化剂层中的开裂网络，或插入在液体阻隔层和催化剂层之间的单独层-催化剂层和液体阻隔层之间的界面粗糙度-在彼此之间的界面处或附近的催化剂层或液态水阻隔层中的结构特征(压花的、印刷的、划痕的，等)。至单独的液态水歧管的流体连接额外的流体歧管包含在燃料电池堆中，并且与MEA的阴极侧的侧向水传输机构流体连通至入口或出口燃料流的流体连接MEA的阴极侧的侧向水传输机构与燃料进口流或出口流之一或两者流体连通。就液体有机燃料电池(如DMFC)而言，可能有限制液体燃料直接潜在流入到MEA的阴极侧的局限，MEA的阴极侧上积聚水时，通过由液态水压力的形成所产生的压力来克服此类局限。贯穿PEM式液态水回收PEM膜可用于将水直接从阴极传输到阳极。典型的PEM膜的渗透性不足以实现充分的液态水传输，制造特殊的PEM膜，其中特别薄的膜或具有高透水性能的膜可用于提供从阴极到阳极的水传输通道。但此类膜面临挑战，因为它们也允许燃料从阳极到阴极的渗透.优选兼有低和高的透水性能的PEM，更优选PEM的少数表面区域具有高的渗透性能，进一步优选的是，将具有低和高的透水性能的PEM与包括液态水阻隔层和气体阻隔层的阴极结构结合使用，PEM的高渗透性能可通过各种方式而产生。它们可通过PEM本身的形态而产生，当它(PEM)通过聚合物本身的性能和制造方法的结合来制造时。它们也可通过将PEM聚合物与具有较高透水性能的另一种聚合物混合来产生并且制造成膜，使得第二种聚合物的性能存在于少数表面区域中。另一种方法可以是在膜的制造中使用成孔剂，在膜制造之后通过将膜暴露于溶剂中导致成孔剂进入到溶液中而除去此类成孔剂。在一些情况下，成孔剂可溶于水本身中，其它方法可以是使用导致PEM本身的控制孔隙度的制造方法例如在其含有高水平的剩余溶剂时在水中骤冷该膜，由此在更开放的状态下冻结聚合物形态。可在制造过程中将膜双轴拉伸，以产生孔隙率，此外，还有一些方式，其中在PEM的特定位置中可以产生小的流动通道或孔，此类方法可包括静电放电、机械穿孔、激光或其它处理。图3显示了小的流动通道孔连通PEM的两个主要表面的一个例子，该PEM可以与具有不同性能的其它PEM层结合使用。兼有高和低的渗透性层的PEM可与其渗透性能不实质性影响PEM层的透水特性的一个或多个层一起使用，例如US专利出版物2006/0068268中公开的粘合促进层。相反地，具有高的透水性能的PEM可与具有低和高的透水性的区域的一个或多个层结合使用，据此这些多区域层控制水穿过这些层的结构体的有效渗透。贯穿式PEM水回收方法可使用侧向液体分配层(虽然在一些实施方案中这不是必需的)，以促进水移动至PEM的具有高的透水性的区域。在有流动通道贯穿PEM本身(从阴极到阳极)的情况中，希望有侧向水流通道，以减少液态水移动的流动阻力到达该贯穿PEM式流动通道区域，该液体分配层可以是单独的层或它可以是催化剂层或液体阻隔层之一或两者中的结构特征(feature),或它可以是催化剂层和液体阻隔层之间的界面处的结构特征，在贯穿PEM式水回收的另一个实施方案中，上述阴极结构可与常规PEM—起使用，所述常规PEM只有一个高透水性区(连同实施有限制的燃料扩散的阳极结构)，或在操作策略中，其中燃料浓度维持足够低。在两种选择中，该设计或操作的策略是将在阳极-PEM界面处的燃料浓度限制到一定水平，据此燃料渗透率或燃料扩散率足够低，以致对燃料电池的电化学性能没有显著的不利影响，侧向液态水回收在侧向水回收途径中，在阴极催化剂层处的液体残余水被限制离开通过GDL进入到阴极氧化剂空气通道中，而是被液体阻隔层所引起的压力推动流向较低压力的区段、穿过平面内液体收集网络，并进一步被引导穿过通道而被再引入到阳极回路或用于其它目的.这能够与上述气体阻隔扩散层、GDL、PEM和催化剂层相结合，可使用图4中所示的结构来实现经由LWD的侧向收集。液态水从阴极催化剂层出现，优先地渗透进入到液态水分配层的大孔中，并到达液体阻隔层。液态水首先填充可利用的大孔隙网络，被液态水阻隔层阻止离开进入到阴极通道。一旦液态水已经填充了LWD层中的大孔隙网络，它将随着液体压力升高而继续随后填充较小孔隙，或它将在LWD层边缘处的收集点(如果提供的话)流出.液态水阻隔层的疏水性小孔中液态水的毛细压力产生液态水压力，氧气能够仍然扩散穿过LWB层和任选的LWD层，到达阴极催化剂层，因为在液体分配层和液态水阻隔层内保留有小孔隙的实质性互连网络，该网络由于需要较大的毛细压力而没有填充水。侧向收集液态水要求一定体积分数的液体分配层填充有水，且剩余体积分数可用于气体扩散。如果该体积分数太大，则将限制向催化剂层的氧气扩散，引起阴极质量传递损失。可根据材料的选择、结构的疏水性程度(液体流动通道对气体传送通道的毛细压力)、侧向液态水迁移率和操作条件来凭经验确定该体积分数，在一些情况下，可省略液体分配层，如果它的功能可归并入液态水阻隔层和催化剂层之一或两者中。为了在实际电池区域的数厘米规模(multi-centhneterscale)上收集液态水但不产生足够高以致损害MEA的液体压力，液态水分配层必须具有相对高的平面内液体渗透性.为了实现这样的高的平面内液体渗透性，这一层内的大孔隙的互连网络是必需的。此类孔隙网络可通过数种方式来产生A)设计液态水分配层油墨配制剂和/或干燥和处理规范，以致于LWD层裂化成泥滩(mud-flat)裂隙模式。该裂隙然后产生有用的大"孔隙"互连网络，B)印刷LWD层或催化剂层或以其它方式使LWD层或催化剂层产生图案，以便产生大通道的网络，以引导液态水aC)对LWD层进行压花或划痕，以产生大通道的网络，D)使用具有固有的大表面粗糙度的LWD层，以使得LWD层和阴极催化剂层之间的界面上产生大空隙的互连网络，23为了促进从水分配层之内收集液态水，可能有用的是在电池边缘提供结构特征，这样液体的平面内渗透仅仅在最短的可能通道中是必需的.阴极电极组件的侧向液态水收集结构特征可用于将液态水引导至贯穿PEM高透水性区域.它也可用于将液体引导至流体通道，所述流体通道与阳极燃料流流体连通，此外它还可用于引导流体至流体通道，所述流体通道与外部(在燃料电池本身之外)燃料反应器(在那里液态水可参与反应)流体连通，离子导电聚合物能够用于制造本发明中使用的PEM的离子导电共聚物包括由式I表示的离子导电共聚物式I<formula>formulaseeoriginaldocumentpage24</formula>其中AivAr2、Ai"3和Ar4是芳族部分，其中至少一个An包含离子导电基团，且至少一个Ar2包含离子导电基团；T、U、V和W是连接部分；X独立地是-O-或-S-;i和j独立地是等于或大于1的整数；a、b、c和d是摩尔分数，其中a、b、c和d的总和是1,a至少是0,3，b、c和d中的至少一个大于0;和m、n、o和p是表示共聚物中不同低聚物或单体的数量的整数，用于实施本发明的离子导电共聚物还可由式II表示式n<formula>formulaseeoriginaldocumentpage24</formula>苯、芳基腈和取代芳基腈；至少一个An包含离子导电基团；至少一个Ar2包含离子导电基团；T、U、V和W独立地是鍵、-O-、-S-、-C(O)-、-S(O)r、X独立地是-O-或-S-;i和j独立地是等于或大于1的整数；a、b、c和dM尔分数，其中a、b、c和d的总和是1，a至少是0.3，b、c和d中的至少一个大于0;和m、n、o和p是表示共聚物中不同低聚物或单体的数目的整数。Rt和R2是封端单体，其中Ri和R2中的至少一个存在于所述共聚物中，用于实施本发明的离子导电共聚物还能由式III表示式III[(An-T-)「Ar广X-Ar2-U-ArrX-"(Ar3-V-)rAr3-X-Ar4-W-Ar4-X-"其中，An、Ar2、A。和Ar4独立地是苯基、取代苯基、萘基、三联苯、芳基腈和取代芳基腈；至少一个An包含离子导电基团；至少一个Ar2包含离子导电基团；其中T、U、V和W独立地是鍵O、S、C(O)、S(02)、烷基、支链烷基、氟代烷基、支链氣代烷基、环烷基、芳基、取代芳基或杂环；X独立地是-O-或-S-;i和j独立地是等于或大于1的整数；a、b、c和d是摩尔分数，其中a、b、c和d的总和是1，a至少是0.3,b、c和d中的至少一个大于0;和m、n、o和p是表示离子导电共聚物中不同低聚物或单体的数量的整数。在示例性实施方案中，b、c和d中的至少两个大于0。在一些实施方案中，c和d大于0。在其它实施方案中，b和d大于O,在仍然另一个实施方案中，b和c大于0。在其它实施方案中，b、c和d中的每一个大于O.能用于本发明的离子导电共聚物包括公开于US专利申请No.10/438,186(2003年S月13日申请，标题"磺化共聚物(SulfonatedCopolymer)"，公布号No.US2004-0039148Al,2004年2月26日出版)和US专利申请No.10/987,178(2004年11月12日申请，标题"离子导电无规共聚物(IonConductiveRandomCopolymer)")中的无规共聚物以及公开于US专利申请No.10/438，299(2003年5月13日申请，标题"磺化共聚物(SulfonatedCopolymers)",2004年7月1日公布，公布号No.2004-0126666)中的嵌段共聚物，其它离子导电共聚物包括公开于US专利申请No.10/987,951(2004年11月12日申请，标题"含有一种或多种疏水性单体或低聚物的离子导电共聚物(IonConductiveCopolymersContainingOneorMoreHydrophobicMonomersorOligomers)")、US专利申请No.10/988,187(2004年11月11日申请，标题"含有第一和第二疏水性低聚物的离子导电共聚物(IonConductiveCopolymersContainingFirstandSecondHydrophobicOligomers)"和US专利申请No.11/077,994(2005年3月11日申请)，标题"含有一种或多种离子导电低聚物的离子导电共聚物(IonConductiveCopolymersContainingOneorMoreIonConductingOligomers)")中的低聚离子导电聚合物。通过引用将全部上述专利并本文，其它离子导电共聚物包括US专利申请No.60/684，412(2005年5月24曰申请，标题"含有离子导电低聚物的离子导电共聚物(IonConductiveCopolymersContainingIon-ConductingOligomers)")、US专利申请No.60/685,300(2005年5月27日申请，标题"离子导电共聚物的封端(EndCappingofIon-ConductiveCopolymers)")、US专利申请No.60/686,757(2005年6月1日申请，标题"交联离子导电共聚物(Cross-LinkedIon-ConductiveCopolymers)")、US专利申请No.60/686,663(2005年6月1日申请，标题"包含离子导电聚合物和非导电聚合物的聚合物共混物(PolymerBlendComprisingIonConductivePolymerandNon-ConductivePolymers)")、US专利申请No.60/686,755(2005年6月1日申请，标题"含有离子导电侧基的离子导电共聚物(Ion-ConductiveCopolymersContainingPendantIonConductingGroups)，，)和US专利申请No.60/687,408(2005年6月2日申请，标题"各向异性高分子电解质膜(AnisotropicPolymerElectrolyteMembranes)"),能用于制备它们的其它离子导电共聚物和单体包括公开于美国专利申请No.09/872,770(2001年6月1日申请，公布号No.US2002-0127454Al，2002年9月12日出版)、美国专利申请No.10/351,257(2003年1月23曰申请，公布号No,US2003-0219640Al，2003年11月27日出版)、美国申请No.10/449,299(2003年2月20日申请，公布号No.US2003-0208038Al,2003年11月6日出版)中的那些，所述各申请通过引用并入本文.能够被封端的其它离子导电共聚物制备自共聚用单体(如用于制备磺化三氟苯乙烯的那些单体(美国专利No.5，773，480)、酸-碱聚合物(美国专利No.6,300,381)、聚亚芳基醚砜(美国专利公开No.US2002/0091225A1);接枝聚苯乙烯(Macromolecules35:1348(2002));聚酖亚胺(美国专利No.6，586，561和J.Membr.Sci.160:127(1999))和日本专利申请NoJP2003147076和JP2003055457,通过引用将它们中的每一篇清楚地并入本文。虽然已结合亚芳基醚或硫醚聚合物的使用对能用于实施本发明的离子导电共聚物进行了描述，但是能用于实施本发明的离子导电聚合物可含有脂族或全氟化脂族主链(例如Nafion)，或含有聚亚苯基、聚酰胺或聚苯并咪唑主链。离子导电基团可以连接于骨架或可以侧挂于主链，例如，经由连接基连接于聚合物主链。或者，离子导电基团可作为聚合物的标准主链的一部分来形成。参见，例如，美国2002/018737781(2002年12月12日出版)，通过引用将其并入本文。任何这些离子导电低聚物可用于实施本发明.用于直接甲醇燃料电池的示例性离子导电嵌段共聚物具有下式其中，m是约10-约500;各X独立地是0或l的整数；z是约10-约500;和n是约40-约4000,当仅仅一种离子导电基团存在于共聚单体中时，离子导电基团的摩尔百分数优选为30%~70%,或优选为40%~60%，最优选为45%~55%,当超过一种的导电基团包含在该离子导电单体中时，此类百分数乘以每个单体的离子导电基团的总数。因此，对于包舍两个磺酸基的单体而言，磺化率优选是60-140%,更优选80-120%,最优选卯-110%,或者，离子导电基团的量可通过离子交换容量(IEC)来测量，作为比较，Nafion典型地具有0.9meq/g(毫克当量/克)的离子交换容量.在本发明中优选的是，IEC为0.93.0meq/g，更优选为1.0~2.5meq/g，最优选为1.6~2.2meq/g.在优选的实施方案中，a是0.7,b是0.3.聚合物膜可以通过离子导电共聚物的溶液流延法制造。或者，聚合物膜可以通过溶液流延该离子导电聚合物和酸及碱聚合物的共混物来制备，当流延成膜，供在燃料电池中使用时，膜厚度优选为0.1~10密耳，更优选为0.25~6密耳，最优选低于2.5密耳，并且可将它涂覆在聚合物基材上。如本文所使用的，如果质子通量大于约0.005S/cm,更优选大于0.01S/cm，最优选大于0.02S/cm，则膜是可渗透质子的。如本文所使用的，如果跨过具有给定厚度的膜的甲醇运输低于跨过同样厚度的Nafion⑧膜的曱醇转输，则膜基本上是不渗透甲醇的，在优选实施方案中，甲醇渗透性优选比Nafion膜的甲醇渗透性低50%,与Nafion膜相比，更优选4氐75%，最优选低大于80%。离子导电共聚物已形成膜之后，它可用于制备催化剂涂布膜(CCM),如本文所使用的，当PEM的至少一侧(优选两个相对侧)部分地或完全地涂有催化剂时，CCM包含PEM。该催化剂优选是由催化剂和离聚物组成的层。优选的催化剂是Pt和Pt-Ru.优选的离聚物包括Nafion和其它离子导电聚合物.一般地，使用充分确立的标准技术将阳极和阴极催化剂施涂到该膜上。对于直接甲醇燃料电池，铂/钌催化剂典型地在阳极侧上使用，而铂催化剂施涂在阴极侧上.对于氢气/空气或氢气/氧气燃料电池，一般将铂施涂在阳极和阴极侧。催化剂可以任选地担栽在碳的任一侧或两侧上，催化剂最初被分散在少量的水中(lg水中有约100mg催化剂)，向该分散体中加入5%的离聚物在水/乙醇中的溶液(0.25~0.75g),所得分散体可以直接涂覆到聚合物膜上，或者，加入异丙醇(l3g),将分散体直接喷涂到膜上，还可以通过描述于公开文献(ElectrochimicaActa,40:297(1995))中的贴花转印(decaltransfer)将催化剂施涂到膜上。或者，可直接将催化剂和离聚物施涂到阳极和阴极结构的任一个或两者上，并且使用热和压力能将这些与PEM结合，形成MEA,催化剂和离聚物根据它们对于阳极或阴极的预期功能来进行选择，并且可如前面所迷加以施涂。取决于燃料电池的具体应用，可将许多电池組合而获得合适的电压和功率输出，此类应用包括住宅、工业、商业供电系统的电力来源，并且可用于机车电力(如用于汽车中).本发明发现的具体用途的其它应用包括燃料电池在便携式的电子设备(如移动电话)和其它通信设备、视频和音频消费电子设备、膝上型计算机、笔记本电脑、个人数字助理(PDA)和其它计算设备、GPS设备等中的使用，另外，燃料电池可以堆叠(stacked)以提高电压和电流容量，用于高功率的应用，如工业和住宅下水道供电或用于为车辆提供动力.此类燃料电池结构包括公开于美国专利No6，416，895、6,413,664、6，106，964、5,840,438、5,773,160、5，750，281、5,547,776、5,527,363、5,521,018、5,514,487、5，482，680、5，432，021、5,382,478、5，300，370、5，252，410和5，230，966中的那些。此类CCM和MEA—般用于燃料电池，例如公开于美国专利No5,945,231、5,773,162、5,992,008、5,723,229、6，057，051、5，976，725、5,789,093、4，612，261、4，407,卯5、4，629，664、4，562，123、4，789，917、4,446,210、4,390,603、6,110,613、6,020,083、5,480,735、4，851，377、4，420，544、5,759,712、5，807，412、5，670，266、5,916,699、5，693，434、5,688,613、5，688，614中的那些，通过引用将所述专利中的每一篇清楚地并入本文.本发明的CCM和MEA还可用于本领域已知的氢燃料电池中。实例包括6，630，259;6,617,066;6,602,920;6,602,627;6，568，633;6,544,679;6,536,551;6,506,510;6，497，974，6，321，145;6，195，999;5，984，235;295,759,712;5，509，942和5，458，989，通过引用将所迷专利中的每一篇清楚地并入本文。实施例1(a)阴极用LWB/GDB层油墨可使用各种方法来制备阴极。在一个实施方案中，使用施涂于气体扩散层(如碳纤维纸)上的阻隔层油墨来形成阴极，该油墨形成同时具有液态水阻隔层和气体扩散阻隔层的目标特性的阻隔层.以下给出了制备LWB/GDB层油墨的一种方法。然而本领域技术人员可使用另选的方法和材料。使用表面活性剂将非极性的石墨颗粒悬浮在(极性)水溶液中。对石墨混合物进行超声处理，以确保颗粒的聚集体被破碎。在超声处理之后加入Teflon和羟乙基纤维素，因为这两种化合物的性能在超声处理过程中潜在地改变。将50.0g的3%TMN-100表面活性剂溶液(优选通过混合约250g水与约7.73gTergitolTMN-100卯％AQ溶液而制得)与14.03g的石墨混合。使用清洁的刮勺来破碎石墨，直至混合物完全均匀，将混合物置于冰浴中，用棒形超声波仪(rodsonicator)(例如HielscherUP200S)在100%功率，70%负栽周期下进行超声处理3分钟.在超声处理后，将混合物从冰浴中移出。将磁力搅拌棒(例如约3.75cm长，质量-9g)加入到油墨混合物中。通过从500ml罐中滗析，将Teflon(23.38g)加到混合物中，将混合物在磁力搅拌板上搅拌5分钟，加入Natrosol(0.254g)，使得Natrosol的细粉尘落入该油墨中，在使用之前搅拌油墨至少30分钟。(b)油墨在气体扩散层纸上的施涂以下是将阴极油墨施涂在棵露碳纤维纸(CFP)上的实施例，可使用诸如丝网印刷或刮刀涂布的其它方法将油墨施涂到多孔GDL材料(如CFP)上。将GDL(例如SGL24BA)碳纤维纸切成标准的样品尺寸并称重。使用合成硬毛刷按重质涂层(heavycoats)将油墨施涂到GDL条材上.在刷子上施加轻微压力，均匀地施涂涂层，SGL24BA破纸是非常多孔的，且油墨的第一道涂层将典型地"渗过"CFP而到达涂漆表面上。板上的各样品接收一道涂层之后，将其转移到设定于70X:的对流烘箱中放置至少6分钟.以上一个涂覆步骤再重复三次，从而各样品具有总共四道油墨涂层。在各道涂层之间将样品放入到701C烘箱中干燥。然后将样品转移到高温对流烘箱中的不锈钢架上，以进行分解和烧结，在样品处于烘箱中之后，温度緩慢提高至300X:并在3001C下保持30分钟。然后升高温度至350t;并在350t)下保持15分钟，然后将温度緩慢降至约50X:，取出样品，样品具有约10mg/cm"由墨荷栽量。重复分解/烧结操作。实施例2构建下列燃料电池，并试验超过500小时。电池设计包括(1)燃料电池技术单电池(FuelCellTechnologiesSingleCell),26c加2有效面积；(2)PolyFue，DM-2-20-HB膜；(3)按照实施例1中所述方法制备的具有催化剂层的阴极JMHiSpec9000催化剂，1.62mg/cm2Pt荷栽量；和(4)阳极JMFC阳极P/NELE0069,操作条件是ISOmA/cm2;50C，燃料1M甲醇溶液(处于1.8ml/min);气流2标准升/分种；每日每12小时停工30分钟。图6显示，被动水回收MEA的特性足以用于实际的燃料电池设备.图7显示，此类特性特征保持稳定超过500小时的试验持续时间。在右手垂直轴上测量的水迁移率保持稳定，电池高频电阻(HFR)也如此。该电池包含每2毫米间隔具有2微米激光钻孔的PEM.按离开的水与电化学反应中产生的水的比率所测量，来自阴极的净水迁移率是0.65，这提供足够的被动水回收，以允许阳极反应和来自阳极燃料回路中的任何额外水损失，包括从阳极到阴极的水(与质子相结合)的电渗透阻碍，3权利要求1.包含离子导电聚合物的高分子电解质膜(PEM)，其中所述PEM具有阴极和阳极表面，且其中所述PEM进一步包含从所述阴极表面延伸到所述阳极表面的通道。2.权利要求1的PEM，其中所述通道处于跨过所述PEM的预定位置.3.权利要求1的PEM，其中所述通道基本上垂直于所述阴极和阳极表面。4.权利要求1的PEM，其中所述PEM具有10-200微米的厚度，5.权利要求1的PEM，其中所述通道具有IO微米或更少的横截面。6.权利要求1的PEM，其中所述通道具有5微米或更少的横截面。7.权利要求1的PEM，其中所述通道彼此间隔约0.1-20毫米。8.权利要求1的PEM，其中所述通道通过激光形成。9.权利要求1的PEM，其中所述通道是截头锥形的，10.包含权利要求1所述PEM的催化剂涂布膜(CCM),11.包含权利要求1所述PEM的膜电极组件。12.包含权利要求11所述MEA的燃料电池。13.阴极，它包含(a)气体扩散阻隔(GDB)层，和(b)液态水阻隔(LWB)层其中所述GDB层包含疏水性孔，任选是导电性的，且允许氧气的扩散并阻止水蒸气流动跨过所述层；其中所述LWB层包含疏水性孔，是导电性的，且允许氧气扩散并，阻止液态水流动跨过所述层，14.包含具有气体扩散阻隔(GDB)层性能和液态水阻隔(LWB)层性能的层的阴极，其中所述层包含疏水性孔，任选是导电性的，允许氧气扩散跨过所述层，并阻止液态水和水蒸汽的流动.15.权利要求14的阴极，其进一步包含气体扩散层(GDL),16.权利要求13或14的阴极，其进一步包含(c)包含疏水性孔的液态水分配(LWD)层，其中所述层是导电性的，并允许液态水流动穿过或跨过所述层。17.阴极，它包含(a)气体扩散层(GDL)和(b)气体扩散阻隔(GDB)层，其中所述GDL任选是导电性的，且允许气体流动跨过所述层，且其中所述GDB层包含疏水性孔，任选是导电性的，允许氧气扩散并阻止水蒸气流动跨过所述层。18.权利要求17的阴极，其进一步包含(c)液态水阻隔(LWB)层，其中所述LWB层包含疏水性孔，是导电性的，允许氧气扩散并阻止液态水流动跨过所迷层。19.权利要求18的阴极，其进一步包含(d)液态水分配(LWD)层，其是导电性的，允许液态水流动穿过或跨过所述层。20.阴极，它包含(a)液态水阻隔(LWB)层，和(b)液态水分配(LWD)层其中所述LWB层包含疏水性孔，是导电性的，允许氧气扩散跨过所述层并阻止液态水的流动；其中所迷LWD层是导电性的，允许液态水流动穿过或跨过所述层。21.阴极，其包舍权利要求13-20中任一项所述的阴极和催化剂层。22.膜电极组件(MEA)，它包含(a)催化剂涂布膜(CCM)，其包含高分子电解质膜(PEM)和催化剂层；和(b)权利要求13至20中任一项所述的阴极，23.膜电极组件(MEA)，它包含PEM和权利要求21的阴极。24.权利要求22或23的MEA,其中所述PEM包含权利要求1所述的PEM。25.燃料电池，其包含权利要求22、23或24的MEA。26.电子设备、系统、电动机、电源或车辆，其包含权利要求25的燃料电池。27.燃料电池系统，它包含(a)燃料源，(1))权利要求25的燃料电池，和(c)与所迷燃料源和所述燃料电池的阳极侧流体连通的阳极回路。28.权利要求27的燃料系统，其进一步包含与LWB层和所迷PEM的阴极表面之间的区域流体连通的导管。29.权利要求28的燃料电池系统，其中所导管还与所述阳极回路流体连通，30.权利要求28的燃料电池系统，其中所述导管还与外部反应器流体连通。31.制备透水性高分子电解质膜(PEM)的方法，它包括将PEM穿孔，以在所述PEM的阳极和阴极表面之间形成通道.32.制造透水性高分子电解质膜(PEM)的方法，它包括从离子导电聚合物和poragen制备PEM,用所述poragen可溶于其中的溶剂处理所形成的PEM，以在所述PEM的阳极和阴极表面之间形成通道。全文摘要利用MEA的阴极侧上各层的设计和PEM的设计从高分子电解质膜的阴极侧被动回收液态水，这可用于供应水，以支持在燃料电池内部或外部的化学反应或电化学反应，以支持阳极反应物的增湿或水合，或支持高分子电解质膜在其主要表面上的水合，或它们的一些组合。液态水的此类被动回收可通过减少或省略阴极液态水回收设备来简化燃料电池发电机。文档编号H01M8/10GK101536237SQ200780041447公开日2009年9月16日申请日期2007年11月6日优先权日2006年11月7日发明者A·莫斯曼,B·威尔斯,H·沃斯,R·巴顿申请人:复合燃料公司