燃料电池组件的制作方法

燃料电池组件的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池组件包括具有催化剂层和进气端的阳极以及具有催化剂层和进气端的阴极。所述燃料电池组件包括：催化剂层，包括分隔开第一距离的第一组催化剂节段对和分隔开第二距离的第二组催化剂节段对，第一组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第一距离的第一比例与第二组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第二距离的第二比例不同。
【专利说明】燃料电池组件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种被设计成通过催化剂节段来提高耐久性的燃料电池组件和一种 制造该燃料电池组件的方法。

【背景技术】
[0002] 成本和耐久性可能是氢燃料电池车辆的广泛使用的障碍。燃料电池堆的耐久性会 继而极大地依赖于聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC)催化剂层的稳健性，特别地响应于诸 如启动/停止操作和怠速操作的压力源。在其他方面，启动/停止劣化会限制燃料电池堆 的寿命，因此增加所述堆的成本。


【发明内容】

[0003] 在实施例中，燃料电池组件包括具有催化剂层和进气端的阳极以及具有催化剂层 和进气端的阴极。所述燃料电池组件包括：催化剂层，包括分隔开第一距离的第一组催化剂 节段对和分隔开第二距离的第二组催化剂节段对，第一组催化剂节段对的平均节段宽度相 对于第一距离的第一比例与第二组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第二距离的第二 比例不同。
[0004] 所述燃料电池组件还包括设置在0. 2mm至2mm的第一距离内的0. 4mm至1. 8mm的 第一间隔材料和设置在〇. 2mm至2mm的第二距离内的0. 4mm至1. 8mm的第二间隔材料。
[0005] 所述燃料电池组件还包括设置在第一距离之间的第一间隔材料和设置在第二距 离之间的第二间隔材料，其中，第一间隔材料和第二间隔材料具有介于0. 2-0. 5_和2_之 间的览度。
[0006] 所述燃料电池组件还包括布置在第一距离内的第一间隔材料和布置在第二距离 内的第二间隔材料，其中，第一间隔材料和第二间隔材料是从由PTFE、PVDF、全氟磺酸、全氟 化聚合物、碳氟化合物和它们的组合组成的组中选择的绝缘材料。
[0007] 第一组催化剂节段对布置在入口端和第二组催化剂节段对之间，并且具有比第二 比例小的第一比例，第一比例是指第一组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第一距离的 比例，第二比例是指第二组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第二距离的比例。
[0008] 第一组催化剂节段对布置在入口端和第二组催化剂节段对之间，其中，第一距离 大于第二距离。
[0009] 第一组催化剂节段对布置在入口端和第二组催化剂节段对之间，其中，第一平均 节段宽度小于第二平均节段宽度。
[0010] 第一组催化剂节段对布置在入口端和第二组催化剂节段对之间，并且具有第一比 例和第二比例，第三组催化剂节段对具有第三平均节段宽度并彼此分隔开第三距离，其中， 第一比例是指第一组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第一距离的比例，第二比例是指 第二组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第二距离的比例，其中，第二比例大于第一比 例并且小于第三比例。 toon] 所述燃料电池组件还包括位于第三距离内的第三分隔材料，其中，第三分隔材料 的导电率小于第三组的催化剂节段对的导电率。
[0012] 第三分隔材料是从由PTFE、PVDF、全氟磺酸、全氟化聚合物、碳氟化合物和它们的 组合组成的组中选择的绝缘材料。
[0013] 第一比例为2. 5至12. 5,第二比例为10至15。
[0014] 在另一实施例中，一种改善具有入口和出口的阳极和阴极的燃料电池的耐久性的 方法包括下述步骤：通过设置具有预定节段的催化剂层来减少电子在阳极内的面内传输。
[0015] 利用凹版印刷技术来产生预定的节段。
[0016] 利用喷墨印刷来产生预定的节段。
[0017] 所述方法还包括下述步骤：在预定的节段之间沉积从由PTFE、PVDF、全氟磺酸、全 氟化聚合物、碳氟化合物和它们的组合组成的组中选择的材料。
[0018] 在邻近入口处放置的预定节段的数量比在出口处放置的预定节段的数量多。
[0019] 所述方法还包括通过限制预定数量的节段来使催化剂活性区域和机械完整性的 损失最小化的步骤。
[0020] 在又一实施例中，一种改善具有阳极和阴极的氢燃料电池的方法包括下述步骤： 在阴极产生预定的氢/空气锋面以实现较低的半电池电位和较高的表面面积。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1示例性地描绘了根据本发明的一个或更多个实施例的燃料电池的透视图；
[0022] 图1B示例性地描绘了图1A中提及的阳极的透视图；
[0023] 图2A示例性地描绘了图1B中提及的阳极的分段式催化剂层(或节段式催化剂层， segmented catalyst layer)的俯视图；
[0024] 图2B示例性地描绘了图2A中提及的分段式催化剂层的选择性的视图；
[0025] 图2C示例性地描绘了图2A中提及的分段式催化剂层的另一选择性的视图；以及
[0026] 图3示例性地描绘了适用于形成图2A中提及的分段式催化剂层的凹版滚筒的透 视图。

【具体实施方式】
[0027] 根据需要，这里公开了本发明的详细实施例；然而，将被理解的是，所公开的实施 例仅仅是可以以各种可替换的形式实施的本发明的举例说明。附图不一定是按照比例的； 一些特征可能被夸大或者缩小以示出具体组件的细节。因此，在此公开的具体结构性和功 能性细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域的技术人员以各种方式应用本发 明的代表性基准。
[0028] 现在将详细地参照本发明的实施例和方法，所述实施例和方法是目前发明人已知 的实施本发明的最佳方式。然而，将理解的是，公开的实施例仅仅是可以以各种可替换的形 式实施的本发明的举例说明。因此，在此公开的具体细节将不被解释为限制性的，而仅仅作 为本发明的任意方面的代表性基础和/或教导本领域的技术人员以各种方式应用本发明 的代表性基准。
[0029] 除了在示例中或另外明确指出以外，在描述本发明的最宽范围时，该描述中的表 示材料的数量或反应和/或使用条件的所有数值量将被理解为由词语"大约"来修饰。通 常优选在规定的数值限制进行实施。另外，除非相反地明确说明，否则百分比（％)、"份"以 及比值按重量计算；适合于本发明相关的给定目的或对于给定目的优选的一组或一类材料 的描述意味着该组或该类中的任意两个或更多个成员的混合物等同地适合或优选；用化学 术语进行的成分的描述是指添加到本说明书中指明的任何组合时的成分，并且不一定排除 一旦混合后混合物各成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩写的第一次定义适 用于相同缩写在本文中的所有后续使用，并且加上必要的变更适用于最初定义的缩写的常 规文法变化；除非特别指明与之相反，否则由与前面或后面对于同一性质提及的技术相同 的技术来确定性质的测量。
[0030] 还将理解的是，由于具体组分和/或条件会(肯定会)变化，因此该发明不限于下面 描述的具体的实施例和方法。此外，仅出于描述本发明的特定实施例的目的来使用这里使 用的术语，并且这里使用的术语不意图以任何方式成为限制。
[0031] 还务必注意到的是，除非上下文另外明确指出，否则如说明书和所附权利要求中 所使用的单数形式也包括复数指示物。例如，以单数提及的组件意图包括多个组件。
[0032] 在引用出版物的整个该说明书中，这些出版物的公开通过全部引用到该申请中而 被全部包含于此，以更充分地描述本发明所属的领域的状态。现在将详细地参照对于发明 者已知的本发明的组分、实施例和方法。然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是可以以 各种和选择方式实施本发明的举例说明。因此，这里公开的具体细节不被解释为限制性的， 而仅仅是用于教导本领域技术人员多方面地实施本发明的代表性基础。
[0033] 除了特别指明的情况，在描述本发明的最宽范围时，在该说明书中表示材料量或 反应条件的所有数值数量将被理解为由词语"大约"来修饰。
[0034] 术语"节段"或"分段"指的是催化剂层的不连续的部分，催化剂层的不连续的部 分通过催化剂层中的一次或更多次中断或断开而产生，从而得到在部分催化剂层和/或整 个催化剂层中不连续的催化剂层，即在催化剂层中产生一个或更多个间隙。
[0035] 术语"聚合物电解质膜燃料电池"或"质子电解质膜燃料电池"可与缩写词"PEMFC" 互换使用，并且是指将氢和氧的电化学反应期间释放的化学能转换成电能的具有聚合物电 解质膜的燃料电池。
[0036] 术语"膜电极组件"与缩写词"MEA"可互换使用。
[0037] 燃料电池组件设计
[0038] 随着日益关注高效且清洁的能源技术，燃料电池以及尤其聚合物电解质膜燃料电 池（PEMFC)对于在运输系统、固定系统、便携式系统和微功率系统中的应用已经引起很多关 注。
[0039] 对于PEMFC的一般功能，氢流被传递到膜电极组件(MEA)的阳极侧。在阳极侧氢 被催化分离成质子和电子。这种氧化半电池反应如下表示：
[0040] 在阳极：
[0041] H2 - 2Η++2θ?。= 0V (1)
[0042] 新形成的质子透过聚合物电解质膜到达阴极侧。电子沿着外部负载电路行进到 ΜΕΑ的阴极侧，从而产生燃料电池的电流输出。同时，氧流被传递到ΜΕΑ的阴极侧。在阴极 侦牝氧分子与透过聚合物电解质膜的质子以及通过外部电路到达的电子反应，以形成水分 子。这种还原半电池反应如下表示：
[0043] 在阴极：
[0044] l/202+2H.+2e-- H20 E° = 1. 229V (2)
[0045] 整个反应：
[0046] H2+l/2〇2 - H20
[0047] 在上面的反应式中展现了可逆反应，并且所述可逆反应示出了氢质子和电子与氧 分子一起的重新合并以及一个水分子的形成。
[0048] 这样，燃料电池的耐久性取决于引导氢离子(质子）而不是电子的膜，因为引导电 子实际上将使燃料电池"短路"。膜另外必须不能使任一气体穿过到达电池的另一侧，否则 产生被称为窜气（gas crossover)的问题。最后，膜必须在阴极处耐受还原环境，并且在阳 极处耐受极强的氧化环境。
[0049] 燃料电池的耐久性尤其因在启动和关闭(或停用)期间出现的不规则性而折衷。更 具体地讲，在燃料电池的启动期间，阳极流场基本没有氢。照此，在过渡启动阶段期间在阳 极流场存在不足的氢供应来提供需要的电输出。同样地，在关闭阶段期间，当阳极流场清除 氢并且可能没有充足的氢来提供期望的电输出时，存在相似的过渡阶段。在这些过渡阶段 期间，在没有氢时，燃料电池将氧化设置在电极上的催化剂。这种氧化使催化剂退化，并降 低燃料电池产生电流的能力。在启动和停止期间催化剂的累积退化最终使电输出降低到燃 料电池堆必须重建或被替换的此种程度。
[0050] 如通过引用包含于此的Tang等人的J. Power Sources (2006)所描述的，具有与启 动/关闭劣化相关的"回路电流"。在启动的情况下，随着氢被引入到空气占据的阳极，氢/ 空气锋面（front)在阳极发展。在这个阶段，燃料电池反应可以在氢-空气锋面的氢侧继续 进行并且在氢-空气锋面的空气侧促进电解反应。这些反应可以包括在阳极上的氧还原、 析氧（〇 2+4H++4e_ - 2H - 0)和诸如碳载体的腐蚀（C+2H20 - C02+4H++4e_)的降解反应以及 导致催化剂分解的反应。
[0051] 为了减少与启动/停止"回路电流"相关的催化剂降解，已经提出了几种缓解策 略。一种方法是通过使用可以有助于氢氧化反应（H0R)(而不是氧还原反应（0RR))的阳极 催化剂来实施。然而，尽管催化剂仍然处于研究阶段以克服阳极处的氧还原，但是目前不存 在商用广品。
[0052] 另一方法是减少与目的物结合的催化剂负载，从而实现降低的堆成本。然而，由于 催化剂负载减少，更可能发生催化剂溶解，从而导致更快的降解。当催化剂负载较高时，质 量传输限制占主要地位，这意味着对于损失催化剂负载存在缓冲，而没有立即经历功率劣 化。常通过改善催化剂的利用率来降低催化剂负载，这使得催化剂负载的保存在堆的整个 寿命中更为重要。
[0053] 另一建议的方法是利用氧耗尽来避免形成突然的氢/空气锋面。然而，由于通常 氧耗尽仅能持续很短一段时间，因此氧耗尽是有限制的。另外，对于在所有燃料电池电位易 于溶解的例如钼合金催化剂的高活性催化剂来说，氧耗尽可能表示降解风险。
[0054] 又一方法可以通过阴极催化剂的使用来实现，阴极催化剂选择性地使水氧化，而 不使碳或催化剂自身氧化。然而，在阴极上氧释放的加速将在添加的特定贵金属的情况下 实现，这将额外地增加燃料电池堆的成本。
[0055] 耐久的燃料电池组件
[0056] 这里在一个或更多个实施例中公开了一种燃料电池组件，所述燃料电池组件通过 将催化剂分段或使催化剂分割成预定的节段来试图减少或消除电子在催化剂内的面内传 输（in-plane transfer)。
[0057] 为了示出的目的，在图1A中示意性地描绘了示例性燃料电池100。燃料电池100 包括一对双极板106和110,在双极板106和110中的各个双极板的两侧上具有以预定间 隔形成的槽116和118。燃料电池100还包括设置在双极板106和110之间的离子交换膜 102、设置在离子交换膜102和双极板110之间的诸如空气电极或阴极104的第一电极、以 及设置在离子交换膜102和双极板106之间的诸如燃料电极或阳极108的第二电极。
[0058] 阳极108 (即燃料电池的负极）引导从氢分子释放出的电子，使得它们可以用在外 部电路中。
[0059] 阴极104 (即燃料电池的正极）将氧分配到催化剂的表面。阴极还将电子从外部 电路引导回到催化剂，在催化剂处它们可以与氢离子和氧再结合以形成水。
[0060] 如在图1Β中示出的实施例中，典型的燃料电池还包括加快氧和氢的反应的催化 齐U。在操作中，氢气（Η 2)在阳极侧108进入燃料电池100。当Η2分子与催化剂接触时，其 分成两个Η+离子和两个电子（￠0。电子被引导通过阳极108，电子在此通过外部电路(未示 出）并返回到燃料电池100的阴极侧104。
[0061] 同时，在燃料电池100的阴极侧104,氧气（02)穿过催化剂，氧气在此形成两个氧 原子。这些原子中的每个具有强负电荷。这种负电荷吸引两个H+离子通过离子交换膜102， 在离子交换膜处H+离子与氧原子和来自外部电路的两个电子结合形成水分子（H 20)。
[0062] 双极板106和110用于电连接阳极108和阴极104,并且防止燃料和空气(氧化剂） 混合。槽116和118在端到端连接的电池中用作燃料和空气通道。
[0063] 如上所述，考虑到燃料电池耐久性和成本的问题，尤其因启动和停止的不规则性， 这里公开了包括减少或消除电子的面内传输的分段式催化剂层的实施例。尽管并不意图是 限制性说明，但是催化剂节段减少不连续的节段之间的接触，这随后减小或者在某些情况 下消除了电子的面内传输，从而有助于缓解启动/停止劣化。
[0064] 图1B描绘了在图1A中提及的阳极108的部分200的放大透视图。在这个实施例 中，阳极108可以包括支撑基板134的分段式催化剂层124,其中，分段式催化剂层124面对 膜 102。
[0065] 如这里所公开的，催化剂节段既可以应用于阳极和阴极中的一者，也可以应用于 阳极和阴极两者，从而改善燃料电池耐久性。由于阳极氢空气锋面引起导致催化剂溶解的 反应，因此在优选的实施例中，将阳极催化剂层分段。在选择性的实施例中，例如，当通过使 用阳极催化剂节段而未充分减小"回路电流"效应时，设计者也可以在阴极催化剂层上包括 催化剂节段，以权衡跨燃料电池的电位的降低与因增加的堆尺寸导致的成本增加之间的折 衷。
[0066] 当关心成本时，公开了催化剂节段局限于阳极催化剂的实施例。对于这样的实施 例，由于节段在阳极上，因此氢会有机会窜至正在消耗氧的阴极。这会在阴极催化剂上产生 小的氢-空气锋面。显而易见地，阴极氢-空气锋面比阳极氢-空气锋面柔和，这是因为在 阴极上的锋面将产生质子泵送电化学结合，其引起较低的半电池电位，而不是与催化剂溶 解、腐蚀或钝化相关的较高的电位。此外，在阴极的较低的半电池电位可以使较高的表面面 积成为可能，从而实现更活性的催化剂载体。这可以有助于减少催化剂负载或堆有效面积， 从而得到较低成本的堆。
[0067] 可以鉴于相关应用和/或操作的考虑来调整催化剂节段的范围。例如，可以使催 化剂节段的范围平衡，以降低加快的机械故障的可能性。由于阳极催化剂通常处于从5微 米到12微米的厚度范围内，因此催化剂节段将不显著影响膜机械完整性。在潮湿和/或干 燥条件下，这种相对小的厚度将不会轻易地允许任何剧烈的收缩或膨胀转变。
[0068] 在优选的实施例中，两个相邻的催化剂系统之间的间隙或距离被预先定义成避免 "夹挤"膜的宽度。同样地，在优选的实施例中，最小化或避免任何吸湿(吸收水）的棘轮效 应（ratcheting)。夹挤发生在吸湿的棘轮效应过程中，在棘轮效应过程中，膜分别在潮湿和 干燥的条件期间膨胀和收缩。相邻层中的缺陷可能最终在膜中产生应力点，当其在潮湿条 件下膨胀时夹挤膜。在材料疲劳与潮湿/干燥循环一起发生时，这些应力点可能导致膜的 机械故障，机械故障随后可能传播并导致膜失效。为了降低催化剂夹挤的可能性，两个相邻 的催化剂节段之间的平均距离优选地不小于〇. 2mm。
[0069] 制造公差还与确定两个相邻的催化剂节段对之间的优选间隙或距离相关。在一个 实施例中，当考虑到可用的制造公差时，两个相邻的催化剂节段对之间的平均距离优选地 不小于0. 2mm并且不大于1mm至2mm。特别地，催化剂节段对之间的距离越大，堆电池的面 积越大，从而增加成本。
[0070] 图2A描绘了图1B中提及的分段式催化剂层124的实施例的俯视图。在这个实施 例中，分段式催化剂层124被描绘成包括纵轴220和与纵轴220垂直的横轴222。分段式催 化剂124可以包括一对或更多对第一催化剂节段224和一对或更多对第二催化剂节段226， 其中，一对或更多对第一催化剂节段224被设置为靠近入口端并且沿着纵轴220彼此分隔 开第一距离228, 一对或更多对第二催化剂节段226被设置为靠近出口端并且沿着纵轴220 彼此分隔开第二距离230。其他催化剂节段可以根据需要设置在第一对催化剂节段224和 第二对催化剂节段226之间，以满足燃料电池催化活性。
[0071] 在一个实施例中，当消除或大大减少通过催化剂面的电子传导时，第一距离228 可以基本与第二距离230相等，使得第一对催化剂节段224和第二对催化剂节段226相对 于彼此基本均匀地布置。
[0072] 在另一变型中，第一距离228与第二距离230不同。在这个变型的一个示例中，如 图2B和图2C中所描绘的，与在出口端114相比，朝向入口端112存在更多的节段，从而得 到具有不同距离的节段对，其中，节段对之间的距离通常从入口端向出口端增加，如在图2A 中所描绘的第一距离228、第二距离230和第三距离234。对于这个变化，认为氢-空气锋 面在入口端比在出口端将更显著。氢将可能具有更长的滞留时间，在滞留时间期间氢到达 出口时通过空气扩散，从而降低在出口端对节段的需要。在优选的实施例中，第一距离228、 第二距离230和第三距离234均大于200微米、250微米或300微米。催化剂层124的总宽 度"W"和催化剂节段的总个数将设定距离228、230或234的上限。催化剂节段的总宽度应 优选地不大于"W"的值。
[0073] 可以将第一比例定义为第一平均节段宽度相对于第一距离228的比例。可以将第 二比例定义为第二平均节段宽度相对于第二距离230的比例。可以将第三比例定义为第三 平均节段宽度相对于第三距离234的比例。在某些情况下，第三比例可以大于第一比例且 小于第二比例。因此，与朝着出口 114的电子行程的剩余行程相比，电子从入口 112侧朝着 出口 114侧移动的面内传输可以在入口 112侧经受最大的节段效果。这可以有益于在入口 112侧提供最大量的减少的面内电子行进，其中，对于减少面内电子行进的需要可以朝着出 口 114侧逐渐减小。在实施例中，最靠近于入口 112的最初20%的阳极催化剂层具有2. 5 至12. 5的平均节段宽度与距离的比例。同样，在一个实施例中，最靠近于出口 114的80% 的阳极催化剂层具有10至50的平均节段宽度与距离的比例。
[0074] 宽度与距离的比例的选择将依赖于设计者关于氢/空气锋面的突然性的判断。如 果锋面是突然的，则损坏将更集中并且当氢进入电池时氢将与锋面一起行进。对于突然的 锋面，宽的节段将不足以使降解(或劣化）的风险最小化。因此，对于突出然锋面，小的节段 /距离的比例是优选的。相反，如果锋面因气体扩散而更大地展开，则节段/距离彼此可以 较小。注意到的是，氢/空气锋面的突然性可以依赖于许多方面，但是最主要的是其依赖于 在车辆中空气/空气开始的预期频率。如果允许车辆停置较长的时间段，或者如果不存在 避免空气/空气开始的系统缓解策略，则存在较多的空气/空气开始。通常，在入口端预计 有突然的氢/空气锋面，而在出口端预计有扩散的氢/空气锋面。这样，在一个实施例中， 对于突然的氢/空气锋面，优选的宽度与距离的比例为2. 5至1. 5,对于扩散的氢/空气锋 则为10至50。
[0075] 在另一变型中，第一间隔材料(未示出）可以设置在第一距离228中，并且覆盖第 一距离228的一部分。第一间隔材料的导电率优选地小于形成第一对催化剂节段224的材 料的导电率。按照此变型，第一间隔材料的导电率优选地比形成第一对催化剂节段224的 材料的导电率低5%至35%。第一间隔材料可以沿着纵轴220和/或横轴222形成覆盖第 一距离228的大部分的层。在一个实施例中，相对于纵轴220,第一间隔材料优选地介于在 0. 2mm-〇. 5mm和2mm之间(取决于催化剂节段对距离的可用的制造公差)。通过示例的方式， 每一个实施例，如果催化剂节段对之间的距离为〇. 2mm至1mm，则第一间隔材料将优选地在 0. 4_至0. 8_之间，这使得在第一间隔材料和相邻的催化剂节段对的任一侧的间隙为至 少0. 2mm的间隙。同样，在可选的实施例中，第一间隔材料为从0. 4mm至1. 8mm，其中，0. 4mm 至1. 8mm位于0. 2mm至2mm的第一距离内。
[0076] 按照相关的变型，第二间隔材料(未示出)可以设置在第二距离230内，并且覆盖第 二距离230的一部分。第二间隔材料的导电率可以小于形成第二对催化剂节段226的材料 的导电率。第二间隔材料的导电率优选地比形成第二对催化剂节段226的材料的导电率小 5%至35%。第二间隔材料可以沿着纵轴220和/或横轴222形成覆盖第二距离230的大部 分的层。在一个实施例中，相对于纵轴220,第二间隔材料优选地介于0. 2mm_0. 5mm和2mm之 间(取决于催化剂节段对距离的可用的制造公差)。通过示例的方式，每一个实施例，如果催 化剂节段对之间的距离为0. 2mm至1mm，则第二间隔材料将优选地在0. 4mm至0. 8mm之间， 这使得在第二间隔材料与相邻的催化剂节段对的任一侧的间隙为至少〇. 2_的间隙。同 样，在可选的实施例中，第二间隔材料为从0. 4mm至1. 8mm，其中，0. 4mm至1. 8mm位于0. 2mm 至2mm的第二距离内。
[0077] 分段式催化剂层124还可以包括具有第三距离234的彼此分隔开的第三对催化剂 节段232。第三间隔材料(未示出）可以设置在第三距离234内。第三间隔材料的导电率可 以小于形成第三对催化剂节段232的材料的导电率。在这样的情况下，第三间隔材料的导 电率优选地比形成第三对催化剂节段232的材料的导电率小5%至35%。第三间隔材料可以 沿着纵轴220和/或横轴222形成覆盖第三距离234的大部分的层。
[0078] 在可选的实施例中，第三间隔材料的导电率可以大于第一间隔材料和第二间隔材 料的导电率。对于这个实施例，与朝着出口 114c的电子行程的剩余行程相比，电子从入口 112侧朝着出口 114侧移动的面内传输可以在入口 112侧经历最大的电阻。这可以有益于 在入口 112侧提供最大量的减少的面内电子行进，其中，对于减少面内电子移动的需要可 以朝着出口 114侧逐渐减小。
[0079] 第一、第二和第三分隔材料可以均独立地包括PTFE (聚四氟乙烯)、PVDF (聚偏二 氟乙烯)、Nafion (由Dupont注册的商标）或其他全氟磺酸或聚合物、其他碳氟化合物或它 们的组合。
[0080] 返回参照图2A，包括第一对催化剂节段224和第二对催化剂节段226的所有催化 剂节段沿着横向222可以具有等于分段式催化剂层124的长度"L"的节段长度232。由于 分段，包括第一对催化剂节段224和第二对催化剂节段226的所有催化剂节段的组合的总 节段宽度将小于分段式催化剂层124的沿着纵轴220的宽度"W"。
[0081] 在没有意图偏离本发明的精神的情况下，一些或所有催化剂节段的长度可以小于 分段式催化剂层124的长度"L"。还可能的是，催化剂节段可以相对彼此在长度上不同，所 得到的催化剂节段的阵列可以具有不均匀分布的节段长度。例如，如图2B中所描绘的，两 个单独催化剂节段阵列沿着横轴222布置在分段式催化剂层124的后部和前部。尽管催化 剂节段被示出为沿着纵轴220彼此平行地布置，但这仅仅是一种排列。所有可行的排列被 预期。
[0082] 包括第一对224、第二对226的催化剂节段可以进一步具有任何合适的形状和/或 尺寸，包括示出的矩形形状。可以基于考虑的具体目的来选择形状和尺寸。例如，如图2C 中所描绘的，催化剂节段被描绘成圆形形状。当然，可以混合并匹配尺寸和形状的组合以满 足特定目的，例如，基于入口坐落的位置和活性区域的位置来匹配氢空气/锋面或电池几 何形状（cell geometry)。
[0083] 作为非限制性示例，可以使用凹版滚筒来形成这里描述的分段式催化剂层 124。如图3中示意性地描绘的，凹版滚筒可以被制成具有允许催化剂层的分段的压痕 (impression)。催化剂层源自墨槽中供给的墨状物并被涂覆到膜(其位于在图中标记 的"纸"的位置)。当滚筒通过墨槽滚卷时，墨状物进入圆柱的侧面上的空缺压痕（divot impression)中，这些空缺上方的墨状物被刮墨刀片推回到墨槽中。如在图3中可以看到的 是，可以在空缺之间产生空间，从而容纳催化剂层节段。
[0084] 作为另一非限制性的示例，可以使用诸如压电式按需型喷墨印刷的喷墨印刷来形 成分段式催化剂层。压电式按需型喷墨印刷已经广泛地用于工业应用。利用该技术的一项 挑战是，导电墨不适合下面所述的系统的可能性，即，所述系统依赖于压电材料对电压的响 应来产生压力脉冲并控制墨滴的沉积。然而，可能的是，可以添加将使导电率最小化的墨成 分(例如，溶剂）并且这样的成分在进一步的处理(例如，结合或燃料电池调节）期间将充分 地挥发以从催化剂层中被去除。
[0085] 可以利用喷墨工艺来实现绝缘材料的使用。喷墨机可以设置有两个盒：一个容纳 催化剂，一个容纳绝缘材料。利用对催化剂层的编程设计，喷墨机可以然后使催化剂沉积在 指定的区域中，以形成催化剂节段，并且使绝缘体位于其余的区域中。
[0086] 尽管已经详细地描述了用于实施本发明的最佳方式，但是熟悉本发明涉及的领域 的技术人员将意识到用于实践如权利要求限定的本发明的各种替代性设计和实施例。
【权利要求】
1. 一种燃料电池组件，所述燃料电池组件包括具有催化剂层和进气端的阳极以及具有 催化剂层和进气端的阴极，所述燃料电池组件包括： 催化剂层，包括分隔开第一距离的第一组催化剂节段对和分隔开第二距离的第二组催 化剂节段对，第一组催化剂节段对的平均节段宽度相对于第一距离的第一比例与第二组催 化剂节段对的平均节段宽度相对于第二距离的第二比例不同。
2. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，第一距离与第二距离不同。
3. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，第一距离和第二距离中的至少一个不小 于200微米。
4. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，第一平均节段宽度与第二平均节段宽度 不同。
5. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，第一平均节段宽度和第二平均节段宽度 中的至少一个不小于100微米。
6. 如权利要求1所述的燃料电池组件，所述燃料电池组件还包括：第三组催化剂节段 对，具有第三平均节段宽度并且分隔开第三距离，第三平均节段宽度相对于第三距离的比 例与第一比例和第二比例中的至少一个不同。
7. 如权利要求1所述的燃料电池组件，所述燃料电池组件还包括位于第一距离内的第 一间隔材料，其中，第一间隔材料的导电率小于第一组催化剂节段对的导电率。
8. 如权利要求1所述的燃料电池组件，所述燃料电池组件还包括位于第二距离内的第 二间隔材料，其中，第二间隔材料的导电率小于第二组催化剂节段对的导电率。
9. 如权利要求1所述的燃料电池组件，所述燃料电池组件还包括位于第一距离内的第 一间隔材料和位于第二距离内的第二间隔材料，其中，第一间隔材料的导电率小于第二间 隔材料的导电率。
10. 如权利要求1所述的燃料电池组件，所述燃料电池组件还包括设置在0. 2_至1_ 的第一距离内的〇· 4mm至0· 8mm的第一间隔材料和设置在0· 2mm至1mm的第二距离内的 0. 4mm至0. 8mm的第二间隔材料。
【文档编号】H01M8/10GK104051770SQ201410097508
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】詹姆士·瓦尔德克 申请人:福特全球技术公司