>[0024]气体扩散层可以是疏水性气体扩散层，并且疏水性气体扩散层可以涂有疏水涂层从而防止水冷凝在其表面上。此外，气体扩散层的亲水表面可以暴露于其中疏水涂层是有缺陷的气体扩散层的区域或者暴露于其中气体扩散层的表面是有缺陷的区域。
[0025]S卩，在本发明的示例性实施方式的示例性燃料电池中，大体上保持气体扩散层的特性为疏水性，但是通过使用在涂覆工艺期间产生的缺陷(图1B)、在制造气体扩散层的织物材料的过程中产生的缺陷(图1A)等可以在有缺陷的区域中的一部分内保持亲水性。
[0026]图2是示出了在操作非湿化燃料电池过程中液体饱和、电流密度和电压之间的关系的曲线图。在使用在涂覆工艺的过程中或者在制造织物材料中产生的缺陷的方法中的核心技术是将亲水表面的分布保持在怎样的一个程度。图2是示出了通过测试相同的燃料电池中的气体扩散层200同时改变饱和比率(饱和度)获得的结果的曲线图。
[0027]如从图2中可以看出的，在非湿化状态下，气体扩散层和催化层中的水的量不充足。因此，随着未水特性的提闻，电解质I旲的电阻减小，由此获得更闻的电能。
[0028]液体饱和比率是液体的体积Vw与构成气体扩散层200的多孔材料的孔体积Vp的比率。即，液体饱和比率可以表示为Vw/Vp。如在曲线图中可以看出的，当液体饱和比率为约0.l〈s〈0.4时，燃料电池具有良好的发电性能。这里，液体饱和比率可以等于亲水表面与气体扩散层200的整个表面的比值。因此，当水的体积与气体扩散层200的气孔的体积的比率在约0.1至0.4的范围内时，燃料电池的发电性能最大化。即，亲水表面与气体扩散层200的整个表面积的比率可以等于水的体积与气体扩散层200的气孔的体积的比率。
[0029]图3A-3C是示出了根据本发明的各示例性实施方式的在燃料电池中的布置的示图。图3A-3C中的黑色圆圈表示在气体扩散层200的表面上产生的缺陷。气体扩散层200可以位于催化层220与气体通道层(或者隔膜)230之间。疏水涂层可以设置在气体扩散层200的表面上。可以在涂层210的涂覆工艺的过程中产生这样的疏水涂层210的缺陷，并且根据期望的缺陷分布可以以不同的涂覆质量比率来形成涂层210。
[0030]更具体地，在图3A中的缺陷205可以随机地分布在气体扩散层200的整个表面上，并且在图3B中的缺陷205可以集中在气体扩散层200的整个表面上的催化层220侧上。图3C中的缺陷205还可以集中在气体扩散层200的整个表面上的催化层220的相对侧上，即，气体通道层230侧上。
[0031]缺陷205可以是存在于气体扩散层200的表面上的缺陷或者可以是可以在涂覆工艺期间产生的缺陷。由于缺陷205，亲水表面可以是从气体扩散层200的表面暴露。因此，可以根据暴露的亲水表面来确定亲水性比率，并且如上所述当亲水性比率在约0.1至0.4的范围内时燃料电池可以具有高的发电性能。
[0032]可以通过浸溃气体扩散层200来形成涂层210，或者可以通过等离子涂覆、喷雾涂覆、丝网涂覆、和喷墨涂覆来形成涂层210，并且这里，涂层210的涂覆材料可以是PTFE (聚四氟乙烯)、碳纳米管、碳纳米颗粒、或者有机或无机溶剂。
[0033]为了在疏水气体扩散层的表面上实现亲水表面，通过使用涂层与气体扩散层的疏水性涂覆质量比，根据图3B和图3C所要求的特性，可以使用在气体扩散层的表面上的缺陷或者可以使用具有不同的疏水性涂覆比率的气体扩散层。即，在图3B的实例中，在催化层220侧的气体扩散层200具有较低的涂覆率，因而具有高的缺陷可能性。在图3C的实例中，在气体通道层230侧的气体扩散层200具有较低的涂覆率，因而具有高的缺陷可能性。即，通过以上方法可以相应地调节气体扩散层200中的缺陷分布的位置。
[0034]利用具有如上所述的结构的根据本发明的示例性实施方式的燃料电池，通过调整气体扩散层的饱和百分比，即使在非湿化的状态下仍可以有利地获得更高的电能。具体地，相对于无缺陷的疏水气体扩散层，可以使性能增强近100%。此外，通过使燃料电池系统实现非湿化，可以减小在现有的系统中的增湿器的重量和体积，并且通过与其成本一样多地降低单位成本可以提高增湿器的性能和价格竞争力。
[0035]尽管已经相对于具体的示例性实施方式示出并描述了本发明，但对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行各种修改和改变。
【主权项】
1.一种燃料电池，包括: 催化层，耦接至阳极或阴极并且以促进燃料气体或空气的电化学反应的方式来构造；以及 具有气孔的气体扩散层，被构造成使所述燃料气体或空气扩散至所述催化层并且被构造成使通过与所述催化层中的所述燃料气体的电化学反应生成的水扩散， 其中，水的体积与所述气体扩散层的气孔的体积的比率在约0.1至0.4的范围内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层具有其中水不在所述气体扩散层的表面上冷凝的疏水涂层，并且在产生缺陷的所述疏水涂层的区域中，所述气体扩散层的部分表面是亲水表面。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在产生缺陷的区域中，所述气体扩散层的部分表面是亲水表面。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，在所述涂层的涂覆工艺期间产生所述疏水涂层的所述缺陷，并且根据期望的缺陷分布以不同的涂覆质量比来涂覆所述涂层。
5.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的所述亲水表面与整个表面积的比率等于水的体积与所述气体扩散层的所述气孔的体积的比率。
6.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述缺陷随机地分布在所述气体扩散层的所述整个表面上。
7.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述缺陷集中在所述气体扩散层的所述整个表面上的所述催化层上。
8.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述缺陷集中在所述气体扩散层的所述整个表面上的所述催化层的相对侧上。
9.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，通过浸溃所述气体扩散层来形成所述涂层，或者通过选自由等离子涂覆、喷雾涂覆、丝网涂覆、和喷墨涂覆组成的组中的至少一种来形成所述涂层。
10.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，所述涂层的涂覆材料选自由PTFE(聚四氟乙烯)、碳纳米管、碳纳米颗粒、和有机或无机溶剂组成的组。
【专利摘要】本发明提供了一种非湿化燃料电池，包括：催化层，耦接至阳极或阴极并且被构造成促进燃料气体或空气的电化学反应；以及具有气孔的气体扩散层，使燃料气体或空气扩散至催化层并且扩散通过与催化层中的燃料气体电化学反应而产生的水。尤其是，水的体积与气体扩散层的气孔的体积的比率在约0.1至0.4的范围内。
【IPC分类】H01M8-10, H01M8-02
【公开号】CN104659396
【申请号】CN201410209910
【发明人】朴熙成
【申请人】现代自动车株式会社
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年5月16日
【公告号】DE102014209060A1, DE102014209060A8, US20150147683