构造成最优化的阳极水管理的低成本燃料电池扩散层的制作方法与工艺

构造成最优化的阳极水管理的低成本燃料电池扩散层有关联邦资助研发的声明本发明在通过能源部授予的合同号DE-EE0000470下由政府资助。政府在本发明中具有某些权利。技术领域本发明总体涉及一种用于控制通过燃料电池的气体和水的流的设备，以及特别涉及一种非对称气体扩散层布置，该非对称气体扩散层的阳极气体扩散层比阴极气体扩散层具有更高的扩散阻力。

背景技术：
很多应用中使用燃料电池作为电功率源。特别是，燃料电池被提出在汽车中使用以取代内燃发动机。在质子交换膜（“PEM”）型燃料电池中，氢（H2）作为燃料被供应至燃料电池的阳极，以及氧作为氧化剂供应至阴极。氧可以为纯净形式（O2）或空气（O2，N2，CO2以及其它气体的混合物）。质子交换膜燃料电池一般具有膜电极组件（“MEA”），其中固体聚合物膜在一面上具有阳极催化剂，而在相对的面上具有阴极催化剂。MEA夹在一对多孔气体扩散层（“GDL”）之间，其继而夹在一对非多孔、导电件或导电板之间。这些板用作为用于阳极和阴极的电流收集器，并且包括形成在其中的适当的沟槽和开口以便在相应的阳极和阴极催化剂表面上分配燃料电池的气体反应物。为了有效的产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须为薄、化学上稳定、能传输质子、不导电并且气体不可渗透。在一些典型应用中，为了提供高水平电功率，燃料电池设置为多个单个燃料电池堆的阵列。气体扩散层在质子交换膜燃料电池中具有多重功能。例如，GDL作为扩散器以便反应物气体行进到阳极和阴极层，同时将产物水传输至流场。GDL还传导电子以及将在MEA处产生的热传送至冷却剂，以及作为在软的MEA和硬的双极板之间的缓冲层。在这些功能中，GDL的水管理能力对于获得最大燃料电池性能至关重要。换句话说，理想的GDL能够在潮湿的工作条件期间或在大电流密度下从电极中移除过多的产物水以避免溢出，以及在干燥工作条件期间保持某种程度的膜电解质水合作用以获得合适的质子导电率。在质子交换膜燃料电池中使用的固体电解质膜（例如Nafion®）需要保持某种程度的水合作用，以提供良好的质子导电率。基于碳氢化合物的质子交换膜，其作为用于燃料电池应用的替代固体电解质出现，与基于含氟聚合物的固体电解质膜例如Nafion相比具有更便宜以及更有利（无氟释出）的潜力。为获得合适的质子导电率，基于碳氢化合物的固体电解质膜发展以满足更高程度水合作用的需要。对于针对汽车应用的PEM燃料电池，较干燥稳定态的工作条件是有利的，其需要GDL具有优良的水保持能力，以获得某种程度的膜水合作用。汽车应用中的燃料电池也将经历在启动、关闭以及在低于冰点的环境中的潮湿工作条件。有关薄、多孔以及导电性的材料的多年研究导致了在当前发展水平的PEM燃料电池中使用的基于聚丙烯腈（“PAN”）的碳纤维纸。然而，尝试使用替代基于PAN的碳纤维纸的更低成本材料导致一个或多个气体扩散层功能受到不利的影响。当气体扩散层不能最优作用时发生的一个问题是阳极水积聚，这会导致电流模块中冻结和冷启动失败。增加阳极扩散阻力可以影响水平衡，以及帮助减少发生冻结和冷启动失败。然而，在过去，通过评估性能，这些低成本材料通常被认为是对称的，其中在燃料电池的阴极侧和阳极侧上具有相同材料。

技术实现要素：
鉴于以上以及其它问题，本发明的特征包含在本公开中，其赋予被动式燃料电池水平衡。在一种形式中，通过在干燥工作条件下保持一些产物水，而在潮湿工作条件下除去多余的产物水，燃料电池水平衡的被动式控制发生。根据本发明的实施例，提供一种燃料电池，该燃料电池包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层、阳极电极层、以及电解质层，其中当与阳极燃料工作时，阳极气体扩散层的扩散阻力大于阴极扩散层的扩散阻力。根据本发明的另一个实施例，提供一种燃料电池，该燃料电池包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极气体扩散层、阳极催化剂层、以及电解质层，其中当与阳极燃料工作时，阳极气体扩散层的扩散阻力大于阴极扩散层的扩散阻力，其中阳极气体扩散层包括具有平面薄片几何结构的填料颗粒。本发明的其它示意性实施例通过下文提供的详细说明显见。应理解的是，在描述本发明的示意性实施例的同时，详细说明和特定实施例只是出于说明性的目的，而不意于限制本发明的范围。本发明还包括以下技术方案：1.一种燃料电池，包括：阴极气体扩散层；阴极催化剂层；包括碳纤维衬底的阳极气体扩散层，所述碳纤维衬底包含具有平面薄片几何结构的填料颗粒；阳极催化剂层；以及与所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层协作以促进其之间的质子流动的电解质；其中所述平面薄片几何结构具有至少1.0mm的平均最大平面尺寸；以及当随用于阳极输入流的阳极燃料运行时，所述阳极气体扩散层的扩散阻力显著大于所述阴极气体扩散层的扩散阻力。2.如方案1所述的燃料电池，其中，当随用于阳极输入流的阳极燃料运行时，所述阳极气体扩散层的扩散阻力比所述阴极气体扩散层的扩散阻力大至少5倍。3.如方案1所述的燃料电池，其中，所述阴极气体扩散层的热阻和所述阳极气体扩散层的热阻在另一个的6cm2K/W内。4.如方案1所述的燃料电池，其中，所述阴极气体扩散层的热阻和所述阳极气体扩散层的热阻中每个在5cm2K/W至10cm2K/W的范围。5.如方案1所述的燃料电池，其中，所述阴极气体扩散层的电阻和所述阳极气体扩散层的电阻中每个在0.6MPa的压缩下小于35mOhm·cm2。6.如方案1所述的燃料电池，其中，所述阴极气体扩散层和所述阳极气体扩散层的可压度参数在2.07MPa的应力下具有在另一个的25%内的应变。7.如方案1所述的燃料电池，其中，所述碳纤维衬底的碳化温度低于1000℃。8.如方案1所述的燃料电池，其中，所述碳纤维衬底包含质量上少于25%的碳纤维。9.如方案1所述的燃料电池，其中，所述碳纤维衬底湿法制成。10.如方案1所述的燃料电池，其中，所述填料颗粒为石墨薄片，以及所述碳纤维衬底包含质量上多于50%的石墨薄片。11.如方案1所述的燃料电池，其中，所述平面薄片几何结构具有至少0.05mm的平均最短平面尺寸。12.如方案1所述的燃料电池，其中，对于40、60、80以及100%的输入相对湿度百分比，燃料电池在1.5A/cm2下的输出电压变化小于5%。13.如方案1所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还包含阳极出口和阴极出口，所述燃料电池在与包括阴极气体扩散层用于比较的阳极气体扩散层和比较的阴极气体扩散层两者的比较的燃料电池相比时，在所述阳极出口和所述阴极出口之间具有至少20%移动的水平衡。14.如方案1所述的燃料电池，其中，所述燃料电池配置为被动式水平衡。15.一种包括方案1所述的燃料电池的车辆，其中，所述燃料电池用作所述车辆的动力源。16.一种燃料电池，包括：阳极气体流场，其具有用于将第一气体引入所述燃料电池的一个或多个管道；与所述阳极气体流场协作的阳极气体扩散层；与所述阳极气体扩散层协作的阳极催化剂层；与所述阳极催化剂层协作的聚合离子传导膜；与所述聚合离子传导膜协作的阴极催化剂层；与所述阴极催化剂层协作的阴极气体扩散层；阴极气体流场，其具有用于将第二气体引入所述燃料电池的一个或多个阴极平面管道，所述阴极流场与所述阴极扩散层协作；其中，当随用于阳极输入流的阳极燃料运行时，所述阳极气体扩散层的扩散阻力显著大于所述阴极气体扩散层的扩散阻力，阴极气体扩散层的热阻和阳极气体扩散层的热阻中每一个在5cm2K/W至10cm2K/W的范围，阴极气体扩散层的电阻和阳极气体扩散层的电阻中每个在0.6MPa的压缩下小于35mOhm·cm2，并且所述阳极气体扩散层包括碳纤维衬底，所述碳纤维衬底包含具有平面薄片几何结构的填料颗粒，所述平面薄片几何结构具有至少1.0mm的平均最大平面尺寸。17.如方案16所述的燃料电池，其中，所述碳纤维衬底的碳化温度低于1000℃；所述碳纤维衬底包含质量上少于25%的碳纤维，以及所述平面薄片几何结构具有至少0.05mm的平均最短平面尺寸。附图说明图1是包含本发明实施例的气体扩散层的燃料电池的透视图；图2是本发明实施例的阳极气体扩散层的自顶向下扫描电子显微镜显微照片；图3是本发明实施例的阳极气体扩散层的剖面断面扫描电子显微镜显微照片，组装有膜电极组件；图4a是在干燥条件下本发明实施例和比较例的电压和电流密度之间关系的图示；图4b是在潮湿条件下本发明实施例和比较例的电压和电流密度之间关系的图示；图5是本发明实施例和比较例的电压与入口相对湿度之间关系的图示；图6是本发明实施例和比较例的阳极出口和阴极出口之间的水平衡的图示。具体实施方式下面对实施例的说明本质上是示例性的，其绝不意于限制本发明、其应用或使用。现在将详细地参考本发明的当前优选组成、实施例以及方法，其构成实践发明者当前所知晓的本发明的最佳模式。附图未必按照比例绘制。然而可以理解的是，所公开的实施例只是本发明示例性的示范性实施例，其可以以各种和替代的形式实现。所以，此处所公开的特定细节不应理解为限制性的，而仅是对本发明的任一方面的代表性基础和/或教导本领域技术人员不同地应用本发明的代表性基础。在本发明的至少一个实施例中，提供一种能够定位在质子交换膜燃料电池中的催化剂层和流场之间的阳极气体扩散层。参考图1，提供集成本发明实施例的气体扩散层的燃料电池的透视图。质子交换膜燃料电池10包括阳极气体扩散层12和阴极气体扩散层14。阳极气体扩散层12置于阳极流场16和阳极催化剂18之间，而阴极气体扩散层14置于阴极流场20和阴极催化剂22之间。此外，聚合物离子传导膜62置于阳极催化剂18和阴极催化剂22之间。催化剂层可以由对于本领域技术人员来说任何已知材料和任何已知方法制成。例如，支撑在碳支撑体上的铂毫微颗粒（nanoparticle）可以用于催化剂层。催化剂层也可以由毫微结构的薄支撑材料制成。毫微结构的薄支撑材料在其上具有催化剂的颗粒或薄膜。毫微结构的薄催化层可以采用已知的方法制成。制造毫微结构的薄催化层的方法的例子在美国专利号4,812,352，4,940,854，5,039,561，5,175,030，5,238,729，5,336,558，5,338,430，5,674,592，5,879,827，5,879,828，6,482,763，6,770,337和7,419,741，以及美国专利公开号2007/0059452，2007/0059573，2007/0082256，2007/0082814，2008/0020261，2008/0020923，2008/0143061，和2008/0145712中得到描述，上述文献的内容通过参考结合在此。在不希望受理论限制的情况下，认为在PEM燃料电池中，气体扩散层是基本性能的关键。该层已经显示出具有多种功能。气体扩散层的明显功能与流分布沟槽的双极板网络的环台（land）和沟槽几何结构相关，其中气体扩散层必须提供电子和热量在沟槽上的传导和在环台上的扩散路径。气体扩散层还必须提供机械支撑使得足够的接触压力应用到催化剂层并且还使得气体扩散层不会侵入沟槽中。气体扩散层的同样重要的功能是其热量扩散阻力。对于气体扩散层期望的是足够隔离阴极催化剂层使得将存在最佳的热梯度。与合适扩散阻力组合的这种隔离能力能够提供扩散通量，该通量被最优化以使在潮湿和干燥条件下的溢流最小化并保持离聚物水合。在本发明的至少一个实施例中，提供一种燃料电池，该燃料电池包括阴极气体扩散层、阴极催化剂层、阳极扩散层、阳极催化剂层、以及电解质，其中当随阳极燃料工作时，阳极气体扩散层的扩散阻力显著大于阴极气体扩散层的扩散阻力。在该文中，显著大的扩散阻力对应于气体扩散层具有由倍增因子例如2倍、4倍或者6倍增加的扩散阻力。在选择的实施例中，阳极气体扩散层的扩散阻力是阴极气体扩散层的扩散阻力的至少3倍。在另一选择的实施例中，阳极气体扩散层的扩散阻力是阴极气体扩散层的扩散阻力的至少5倍。阳极燃料可以是对于本领域技术人员来说可接受用作为在PEM燃料电池中的阳极供给流的已知的任何富氢燃料。阳极燃料的非限制性示例包括纯氢、氢和其他气体的混合物以及重整甲烷。具有不同特性的对于阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的使用的气体扩散层产生被称为非对称的燃料电池。相反的，对称的燃料电池具有对于阳极气体扩散层和阴极气体扩散层来说的相同的气体扩散层。扩散阻力是气体扩散层多大程度上阻碍自由扩散的测量。根据与D/Deff相关联的值来定量地测量扩散阻力。在表达式D/Deff中，D表示自由扩散系数，且Deff表示有效扩散系数。扩散系数是在由于分子扩散引起的摩尔通量与物质的浓度中的梯度之间的比例常数，并且以长度2/时间为单位来测量。具体地，自由扩散系数（D）为在没有多孔阻碍材料时的扩散系数。因此自由扩散系数表示在所考虑的气体物质和气体混合物作为整体的扩散运动和对应的通量不受多孔材料限制时的最大可能扩散系数。相反，有效扩散系数（Deff）描述在存在多孔阻碍材料时气体混合物中所考虑气体物质的扩散系数。一方面，多孔材料填料通常易于扩散和扩散通量（孔隙度效应）的空间的一部分，另一方面，孔通常不是直接穿过多孔材料而是倾斜的或卷绕的从而延伸了路径长度（弯曲效应）。由于孔隙度效应和弯曲效应增加了扩散的难度，所以有效扩散系数本质上小于自由扩散系统。因此，自由扩散系数与有效扩散系数的比D/Deff是用于多孔介质多大程度上构成对扩散和扩散通量的障碍的定量测量。此外，自由扩散系数与有效扩散系数的比表示独立于实际样品的实际厚度的松散材料特性，并因此是适合的测量来比较不同材料的扩散质量传输阻力。但是总体质量传输阻力也依赖于层厚度。孔隙度（ε）和弯曲度（τ）之间的关系由下式来提供：D/Deff＝ε/τ因此，当孔隙度减小和/或弯曲度（tortuosity）增加时，D/Deff比增加，并且因此对于给定层厚的扩散质量传输阻力也增加。扩散阻力通过限流来测量，或者更具体地通过在催化剂层以1.0的化学计算比限制氧还原反应率来测量。通过使用多种氧气和氮气的混合物，对于给定限流，通过产生可被认为反应仅受氧通量影响的情形，人们可基于氧通量确定通过GDL的扩散阻力。在该情况中，沟槽和催化剂层中的氧的活性是已知的，从而使得有效扩散系数能够得到确定。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层包括具有平面薄片几何结构的填料颗粒。参考图2，阳极气体扩散层的自顶向下扫描电子显微镜显微照片，可以看到平面薄片几何结构。平面薄片阻碍水蒸汽穿过阳极气体扩散层的扩散，结果是增加了扩散阻力，从而减少了阴极到阳极的水蒸汽传输。图3是本发明实施例的阳极气体扩散层的断面扫描电子显微镜显微照片，也示出了由于平面薄片穿过气体扩散层的曲折路径。平面薄片增加了穿过阳极气体扩散层的路径的有效长度，并显示出增加的弯曲度。在不受理论限制下，对于多孔纤维和颗粒结构，认为基于尺寸限制，难以获得大于2的弯曲度。然而，如图2和3中所示的具有平面定向的薄片的纤维纸能够进一步提高弯曲度。图2和3中的阳极气体扩散衬底的实施例与基准（baseline）气体扩散层相比具有增大6倍因子的扩散阻力。这在图3中所给定的该材料的横截面图中是明显的，其中在薄片附近的扩散长度增大6倍因子是可能的。所有的实验都是由碳纤维衬底进行的，其中碳纤维衬底是防潮的，通过浸渍在聚四氟乙烯或者PTFE中，分散（采用DI水，30:1稀释的DupontTE3859），采用IR灯干燥10分钟，以及在300℃下烧结45分钟，然后在380℃下烧结20分钟，从而在最终的防潮碳纤维衬底中获得5-10%wt.的PTFE。所有样品具有应用的微孔层（“MPL”），其为8：1：1的碳:PTFE:FEP比，为30μm的厚度。用于比较实施例的基准材料为MitsubishiRayonCo.(MRC)U105碳纤维衬底，如上文所述，其是防潮的。阳极GDL由也根据所述的防潮技术被处理的湿法制备的碳纤维衬底组成。认为获得增加扩散阻力的关键是使用包含石墨薄片的碳纤维衬底，该石墨薄片比采用传统树脂/颗粒浸透（saturation）技术可被均一地结合的（石墨薄片）显著更大。更大的石墨薄片优选具有至少0.8mm的平均最大平面尺寸，更优选的是至少0.9mm，以及甚至更优选是至少1.0mm。更大的石墨薄片优选具有至少0.03mm的平均最短平面尺寸，更优选的是至少0.05mm，以及甚至更优选是至少0.08mm。均一结合较大石墨薄片的预想方法是同时浸渍（wet-lay）所有碳纤维衬底的原材料，使得薄片和粘合剂材料的网络共同形成在碳纤维架构内和贯穿碳纤维架构。在本发明的至少一个实施例中，阳极GDL碳纤维衬底包括质量上少于25%的碳纤维和/或质量上大于50%的石墨薄片。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层包括与其它当前可商购的碳纤维衬底相比更低成本的材料以及制造过程。较少PAN纤维含量和较低的碳化温度有助于较少成本的制造过程。在本发明的实施例中，阳极GDL与基准材料相比含有在每单位面积上大约一半质量的碳纤维。碳纤维是制造GDL中最贵的原材料之一。此外，用于热处理碳纤维衬底和碳化本发明的阳极GDL的粘结剂材料的最高温度低于1000℃，其被认为显著低于用于任何商购GDL碳纤维衬底的最高热处理温度。碳化工序是制造GDL中能量最集中因此最昂贵的步骤之一。使用大的石墨颗粒提高电导率，其赋予较低的碳纤维浓度和降低的碳化温度。另外，本发明的阳极GDL制造也不需要树脂浸透步骤（其通常被需要以将粘合剂材料结合到商购GDL的碳纤维衬底），从而进一步减少了制造成本。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层的热阻与阴极气体扩散层的热阻类似。在选择的实施例中，阳极气体扩散层的热阻与阴极气体扩散层的热阻在另一个的4cm2K/W内。在另一选择的实施例中，阳极气体扩散层的热阻与阴极气体扩散层的热阻在另一个的6cm2K/W内。0到大约10cm2K/W的差值在阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之间的热阻中是可以接受的差值。对于燃料电池的优化运行来说，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之间的热阻类似是重要的。类似的热阻是重要的，因为不一致的热阻可导致电池单体（cell）的溢流或干燥以及不适合的水管理。同样，运行的PEM燃料电池不是等温的，因为热产生在膜电极组件内。膜电极组件可被认为由气体扩散层绝缘，导致在燃料电池中的温度梯度。阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之间类似的热阻允许该热分散得更均匀。阳极气体扩散层与阴极气体扩散层的热阻大小对于优化燃料电池运行也是重要的。如所指出，运行的PEM燃料电池不是等温的，并且热在膜电池组件内产生，该热必须通过气体扩散层消散。鉴于所有流场为相同温度，使得双极板温度为受限值，对于气体扩散层重要的是具有足够低的热阻以允许由MEA产生的热消散。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层的热阻与阴极气体扩散层的热阻中每一个在大约5cm2K/W至大约10cm2K/W的范围内。当样品被压在热板和冷板之间时，通过使用热流计（AnterUnitherm2022）测量通过样品的热流量，计算出热阻。围绕系统的防护加热器促进从较热的板到较冷的板穿过样品的一维热通量。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻低于阈值。在选择的实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻在0.6MPa时低于35mOhmcm2。在另一选择的实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻在0.6MPa时低于30mOhmcm2。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻相似。在选择的实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻在0.6MPa时在另一个的20mOhmcm2内。在另一选择的实施例中，阳极气体扩散层的电阻与阴极气体扩散层的电阻在0.6MPa时在另一个的8mOhmcm2内。通常期望最小化气体扩散层中的电阻。更高的电阻导致欧姆超电势的增加。增加的欧姆超电势导致以较低输出电压的较低效率燃料电池运行。电阻如下来测量：通过在两块石墨板之间放置GDL的样品，将样品压到不同的压力，以及在1A/cm2的电流流过样品时测量通过材料的电压降。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的硬度和可压度是类似的。在选择的实施例中，阳极气体扩散层与阴极气体扩散层的可压度在2.07MPa的压缩应力时在彼此的25%应变内。在2.07MPa的压缩应力时0到大约25%应变的差，在阳极气体扩散层与阴极气体扩散层之间的可压度中是可以接受的差。阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间的相似硬度和可压度对于燃料电池的优化运行是重要的。硬度被认为对于保持在MEA表面处的均匀压力以及减少GDL挤入气流沟槽来说是重要的。还认为，阳极气体扩散层的可压度与基准GDL相似是重要的，因为气体扩散层的压缩改变气体扩散层的特性。一种这样的特性是扩散阻力，其在压缩将减少气体扩散层的总厚度时将改变，但是也会减少剩余厚度的孔隙率。可压度如下计算：通过测量随被放置在精确平行的钢板之间并且以2mm/min的速率被压缩的直径为1英寸的GDL样品的负荷而变化的位移。压缩负荷可以通过负荷单元例如5kN负荷单元来测量，位移可通过放置在板的侧上、跨越样品的两个伸长计来测量。本发明的核心在于本发明的气体扩散层的非对称设计，具有用于阳极气体扩散层的低成本和高扩散阻力的扩散层和用于阴极气体扩散层的基准扩散层。低成本和高扩散阻力的扩散层用于阳极气体扩散层和阴极气体扩散层两者的使用，实验上已经显示出不如基准扩散层用于阳极和阴极两者、或者基准扩散层用于阴极并结合高扩散阻力扩散层用于阳极运行得好。在本发明的至少一个实施例中，包括高扩散阻力气体扩散层用于阳极气体扩散层和基准气体扩散层用于阴极气体扩散层的燃料电池的输出电压，在电流密度为大约0A/cm2到大约2.5A/cm2的情况下，在包括基准气体扩散层用于比较的阳极气体扩散层和比较的阴极气体扩散层的比较燃料电池的10%内。参考图4a和图4b，示出：基准扩散层（BLGDL）用于阴极气体扩散层以及低成本和高扩散阻力气体扩散层（LCGDL）用于阳极气体扩散层的使用，导致电压输出在使用基准气体扩散层用于阳极和阴极气体扩散层两者的燃料电池的10%内。对于图4a和图4b，Y轴表示的是以伏特为单位的电压（V），X轴表示的是以A/cm2为单位的电流密度（CD）。然而，低本成和高扩散阻力气体扩散层用于阳极和阴极气体扩散层两者的使用导致低于标准的燃料电池性能。具体地，图4a示出了当燃料电池在大约70℃、大约60%的相对湿度（RH）以及大约101kPaabs的干燥工作条件下采用H2和空气运行的类似性能。事实上，在干燥条件下，当低成本和高扩散阻力的气体扩散层只用作阳极气体扩散层时，改善燃料电池的性能。在不受理论限制的情况下，性能提高的原因在于从阳极气体中限制了水的移除。图4b示出了当燃料电池在大约70℃、大约100%的相对湿度以及大约300kPaabs的潮湿环境下采用H2和空气运行时，对称和非对称阳极/阴极气体扩散层的类似性能。在本发明的至少一个实施例中，包括高扩散阻力的气体扩散层用于阳极气体扩散层和基准气体扩散层用于阴极气体扩散层的燃料电池在1.5A/cm2下的输出电压，在40、60、80和100%的入口相对湿度百分比下，变化小于5%。在另一个实施例中，对于40、60、80和100%的入口相对湿度百分比，燃料电池在1.5A/cm2下的输出电压变化小于3%。该一致的输出电压在图5中示出。图5的Y轴表示在1.5A/cm2下以伏特为单位的电压(V)，X轴表示作为百分比的相对湿度（RH）。图5的数据在70℃和300kPaabs下使用对于入口流的H2和空气来采集。在基准气体扩散层用于阳极气体扩散层和阴极气体扩散层两者时的相对较低性能也在图5中显见。对于通过本发明的至少一个实施例公开的非对称配置，基于入口相对湿度的性能的敏感度的降低，从燃料电池系统设计视角非常有吸引力。将入口相对湿度波动导致的燃料电池性能波动最小化，简化了燃料电池系统的控制系统。燃料电池系统典型地具有水蒸汽传输（“WTV”）装置和/或阴极加湿单元（“CHU”），其被集成以校正和解释输入流中湿度水平的波动。本发明的至少一个实施例的非对称燃料电池布置的改进的被动水平衡减少了对WTV装置和/或CHU的依赖。还构思，结合本发明的至少一个实施例，可以完全去掉湿气调节系统。在本发明的至少一个实施例中，阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间的非对称允许在阳极出口和阴极出口之间的水平衡的显著移动（shift）。当非对称配置的燃料电池与包括基准气体扩散层用于比较的阳极气体扩散层和比较的阴极气体扩散层两者的比较燃料电池相比时，阳极出口和阴极出口之间的水平衡朝向阴极出口平均地可移动至少20%的产物水。在另一个实施例中，水平衡朝向阴极出口平均地可移动至少30%的产物水。参考图6，示出了对于具有基准气体扩散层用于阳极和阴极气体扩散层两者（基准控制或BL）的对称设计和对于具有基准气体扩散层用于阴极气体扩散层且在高扩散阻力气体扩散层用于阳极气体扩散层（LCGDL）的非对称设计的水平衡移动。Y轴表示在1.5A/cm2下标记为V的以伏特为单位的电压，以及反应水在阴极出口中的部分（F）。此外，X轴表示不同的工作条件，其中AnRH为阳极相对湿度，且CaRH为阴极相对湿度。在不受理论限制下，到阴极出口的水平衡的移动被认为是较少的水从阴极穿过膜去往阳极的结果。水平衡离开阳极的移动对于燃料电池运行是有利的。在燃料电池系统中，阳极水会降低效率以及导致冻结问题。在如下时尤其使用该优点，即：在阳极气体扩散层和阴极气体扩散层之间采用非对称扩散阻力的燃料电池被集成于车辆中作为动力源时。车辆被存储在对于最优燃料电池运行来说欠理想环境条件下，并且减少阳极水减少了冻结和冷启动失败的有害结果。虽然出于说明本发明的目的示出了某些代表性实施例及其细节，但是对本领域技术人员将显而易见的是，可做出各种改变而不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围。除了在实施例中，或除非明确指出，在本说明书中显示材料量或反应条件和/或使用的全部数值量应被理解为由词语“大约”修正，描述本发明的最宽广范围。在所述的数值限制内的实践一般是优选的。此外，除非相反的明确声明：百分比、“部分”和比值以重量计；如对于与本发明的给定目的适合的或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或类的任意两种或更多个成员的混合是等同合适或优选的；简称或其他缩写的首次限定应用于本文的相同缩写的所有后续使用，并且应用必要的变更于最初限定的缩写的通常语法变化；以及除非相反的明确声明，属性的测量由先前或后面引用的用于相同属性的相同技术来确定。还应当理解，本发明并不限制于特定的实施例和下面描述的方法，因为具体的组件和/或条件当然可变化。此外，本文使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的，并且不意于以任何方式限制。还必须指出，如在本说明书和所附的权利要求所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文清楚地相反指示。例如，对单数形式的组件的参考意于包括多个组件。还应当注意，术语，如“优选”，“一般”，“通常”，和“典型的”在此不用于对所要求保护的发明的范围进行限制，或暗示某些功能对于所要求保护的发明的结构或功能是至关重要的，必需的，或甚至是重要的。相反，这些术语仅意在突出可能会或可能不会被用于在本发明特定实施例的替代或额外特征。在本申请中，在出版物被引用时，这些出版物的公开内容在其整体上在此通过引入到本申请而并入，以更全面地描述本发明所属领域的技术状态。