膜電極組件、燃料電池堆體和製造燃料電池的方法

2023-05-27 00:34:56

專利名稱：膜電極組件、燃料電池堆體和製造燃料電池的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於燃料電池的膜電極組件以及包括該膜電極組件的燃料電池堆體。
背景技術：
燃料電池是將包含在烴基燃料中的氫和分離地供應的氧的化學反應能直接轉換 成電能的發電系統。燃料電池可以構造為例如聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)、直接氧化燃料電池 (DOFC)等。聚合物電解質燃料電池可以具有被稱為堆體的燃料電池體(在下文中稱作「堆 體」)，並可以具有其中電能根據氫(其可以由重整器提供)和氧(其可以通過開動空氣泵 或風扇(fan)提供)之間的電化學反應而產生的結構。直接氧化燃料電池可以直接接收燃料，也就是沒有使用氫氣。燃料的氫組分和分 離地供應的氧可以電和化學地反應以產生電能。堆體可以具有幾個或許多個單位電池，每個具有膜電極組件(MEA)和隔板(也稱 為雙極板)。在本背景部分公開的上述信息只是為了增強對本發明背景的理解，因此，它可以 包含並不形成本領域技術人員已經知曉的現有技術的信息。

發明內容
因此，本發明的實施例針對用於燃料電池的膜電極組件以及具有該膜電極組件的 燃料電池堆體，其基本克服了由於現有技術的限制和不足所引起的一個或多個問題。因此，實施例的一個特徵是提供一種被構造為將水從中央區域轉移的膜電極組 件、包括該膜電極組件的燃料電池堆體和燃料電池以及相關方法。因此，實施例的另一個特徵是提供一種被構造為在中央區域保持足夠的水以向電 解質膜提供水分保留(water retention)的膜電極組件、包括該膜電極組件的燃料電池堆 體和燃料電池以及相關方法。至少一個上述和其它的特徵以及優點可以通過提供一種用於燃料電池的膜電極 組件(MEA)而實現，該膜電極組件包括燃料電池電解質膜、設置在電解質膜第一側的陽極 以及設置在電解質膜第二側的陰極。陰極可以具有厚度和陰極區域，陰極區域在基本平行 於電解質膜的主表面的平面延伸，陰極區域可以包括中央區域和周邊區域，周邊區域延伸 到陰極的側邊，中央區域可以包括親水部分和疏水部分，周邊區域可以包括親水部分和疏 水部分，中央區域可以比周邊區域更加疏水。中央區域中的疏水部分的區域密度可以高於周邊區域中的疏水部分的區域密度。疏水部分的區域密度可以從中央區域到周邊區域逐漸減小。中央區域中的疏水部分的區域密度基本上等於周邊區域中的疏水部分的區域密度。中央區域中的疏水部分可以比周邊區域中的疏水部分更強烈地疏水。周邊區域中的親水部分可以比中央區域中的親水部分更強烈地親水。中央區域中的疏水部分之間的間隔可以小於周邊區域中的疏水部分之間的間隔。中央區域中的疏水部分可以具有與周邊區域中的疏水部分相同的寬度。疏水部分之間的間隔可以從中央區域到周邊區域單調地增加。中央區域中的疏水部分的寬度可以從第一尺寸增大到第二尺寸，周邊區域中的疏水部分可以具有基本等於第二尺寸的寬度。疏水部分的寬度可以沿中央區域的半徑移向周邊區域而單調地增大，周邊區域中 的疏水部分的寬度可以基本不變。疏水部分的寬度可以從中央區域到周邊區域減小。疏水部分的寬度可以從中央區域到周邊區域單調地減小。疏水部分可以形成從中央區域到周邊區域的連續螺旋(spiral)。多個疏水部分可以延伸為從中央區域到周邊區域的連續放射狀構件。疏水部分可以是分離的單位區域，陰極的每單位區域的分離的單位區域的數目可 以從中央區域到周邊區域減小。陰極還可以包括陰極催化劑層，與電解質膜接觸；以及陰極氣體擴散層，在陰極 催化劑層的外側，該氣體擴散層可以包括疏水部分和親水部分。陰極還可以包括陰極催化劑層，與電解質膜接觸；以及陰極氣體擴散層，在陰極 催化劑層的外側，該陰極氣體擴散層可以包括黑色層和微多孔層(MPL)，該MPL可以包括疏 水多孔層和親水多孔層。周邊區域可以完全地圍繞中央區域。至少一個上述和其它的特徵以及優點還可以通過提供一種燃料電池堆體來實現， 該燃料電池堆體包括多個發電單元以及構造為將發電單元按壓在一起的壓板(pressing plate) 0每個發電單元可以包括燃料電池電解質膜；陽極，設置在電解質膜的第一側；以 及陰極，設置在電解質膜的第二側。陰極可以具有厚度和陰極區域，陰極區域在基本平行於 電解質膜的主表面的平面延伸，陰極區域可以包括中央區域和周邊區域，周邊區域延伸到 陰極的側邊，中央區域可以包括親水部分和疏水部分，周邊區域可以包括親水部分和疏水 部分，中央區域可以比周邊區域更加疏水。至少一個上述和其它的特徵以及優點還可以通過提供一種製造燃料電池的方法 來實現，該方法包括提供多個發電單元；將發電單元彼此機械地和電學地耦接；以及將用 於提供含氫燃料的燃料供應器和用於提供含氧氧化劑的氧化劑供應器耦接到發電單元。每 個發電單元可以包括燃料電池電解質膜；陽極，設置在電解質膜的第一側；以及陰極，設 置在電解質膜的第二側。陰極可以具有厚度和陰極區域，陰極區域在基本平行於電解質膜 的主表面的平面延伸，陰極區域可以包括中央區域和周邊區域，周邊區域延伸到陰極的側 邊，中央區域可以包括親水部分和疏水部分，中央區域中的疏水部分可以比周邊區域中的 疏水部分更強烈地疏水，中央區域中的疏水部分的區域密度可以高於周邊區域中的疏水部 分的區域密度。


通過參照附圖詳細描述示例性實施例，上述和其它的特徵以及優點對於本領域的 普通技術人員將變得更加明顯，附圖中圖1示出了根據第一示例性實施例的燃料電池堆體的分解透視圖；圖2示出了圖1的發電單元的構造的分解透視圖；圖3示出了根據第一實施例的膜電極組件(MEA)的側視圖；圖4示出了 MEA沿圖3中的線III-III剖取的截面圖；圖5示出了根據第一示例性實施例的MEA的正視圖；圖6A是示出當每平方釐米產生IOOmA的電流時所產生的溼氣分布的照片；圖6B是示出當每平方釐米產生300mA的電流時所產生的溼氣分布的照片；圖7示出了根據第二示例性實施例的MEA的正視圖；圖8示出了根據第三示例性實施例的MEA的正視圖；圖9示出了根據第四示例性實施例的MEA的正視圖；圖10示出了根據第五示例性實施例的MEA的正視圖；圖11示出了根據第六示例性實施例的MEA的側視圖；圖12示出沿圖11中的線XI-XI剖取的截面圖；以及圖13示出了根據第七示例性實施例的MEA的正視圖。
具體實施例方式在下文將參照附圖更充分地描述示例性實施例；然而，它們可以以不同的形式實 施，而不應被解釋為限於此處所述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本公開透徹和 完整，並將本發明的範圍充分傳達給本領域的技術人員。在附圖中，為了圖示的清楚，層和區域的尺寸可以被誇大。還應當理解，當稱層或 元件在另一層或基板「上」時，它可以直接在另一層或基板上，或者還可以存在插入的層。此 夕卜，應當理解，當稱層在另一層「之下」時，它可以直接在另一層之下，且還可以存在一個或 多個插入的層。此外，還應當理解，當層被稱為在兩層「之間」時，它可以是兩個層之間的唯 一的層，或者還可以存在一個或多個插入的層。相同的附圖標記始終指代相同的元件。這裡，疏水處理是指用具有疏水性質的材料塗覆表面或通過添加疏水的材料而形 成疏水區域。親水處理是指用具有親水性質的材料塗覆表面或通過添加親水的材料而形成 親水區域。圖1示出根據第一示例性實施例的燃料電池堆體的分解透視圖。圖2示出圖1的 發電單元的構造的分解透視圖。參照圖1和圖2，根據第一實施例的燃料電池堆體100可以包括以電池為單位的發 電單元10，該發電單元通過使燃料和氧相互反應來產生電能。在本示例性實施例中，多個發電單元10可以相繼設置，從而形成具有發電單元10 的組件的燃料電池堆體100。燃料電池堆體100所使用的燃料可以包括含氫的液體或氣體燃料，諸如甲醇、乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷氣體等。在此情況下，燃料電池堆體100可以構造為直接氧化燃料 電池，直接氧化燃料電池通過使液體或氣體燃料與氧直接反應而由發電單元10產生電能。
備選地，根據示例性實施例的燃料電池堆體100可以使用通過通用的重整器從液 體或氣體燃料裂化的氫作為燃料。在此情況下，燃料電池堆體100可以構造為聚合物電解 質燃料電池，聚合物電解質燃料電池通過氫和氧的反應由發電單元10產生電能。根據本示例性實施例的燃料電池堆體100可以使用存儲在存儲單元中的純氧作 為與燃料反應的氧，或者可以使用天然地含有氧的空氣。在燃料電池堆體100中，發電單元可以包括膜電極組件(MEA)20以及緊密地附著 到MEA 20的兩個表面的隔板(也稱作雙極板)13和15。多個發電單元10可以被設置以形 成根據本示例性實施例的層疊的燃料電池堆體100。壓板(pressing plate) 30可以置於燃料電池堆體100的最外部分處以使多個發 電單元10緊密地附著。在實施中，置於多個發電單元10的最外部分處的隔板13和15用 作壓板。而且，壓板30可以構造為具有隔板13和15的功能，除了使多個發電單元10緊密 地附著的功能之外。隔板13和15可以設置為與插設在兩者之間的MEA 20緊密地附著，從而在MEA 20 的相應側形成氫氣通道13a和空氣通道15a。氫氣通道13a可以置於MEA 20的陽極26 (如 下面所述)側，空氣通道15a置於MEA 20的陰極27 (如下面所述)側。氫氣通道13a和空氣通道15a可以以預定間隔的直線狀態設置在隔板13和15上， 並可以基本上以Z字形形成而使其兩端交替地連接。然而，氫氣通道13a和空氣通道15a 的結構和取向不限於此。插設在兩個隔板13和15之間的MEA 20可以包括活性區域(activearea) 201， 具有發生氧化/還原反應的特定區域；以及非活性區域202，與活性區域201的邊緣部分連 接。墊圈(未示出)可以安裝在非活性區域202以密封隔板13和15的緊密附著面的與活 性區域201相對應的邊緣部分。當燃料電池工作時，水由於氧氣的還原反應而由MEA的陰極產生。如果水沒有適 當地排出，會發生溢流現象(flooding phenomenon)，從而氧化劑氣體受到阻礙而無法擴 散。然而，電解質膜和陰極催化劑層應當保持特定量的水分保留以改善發電效率。因此，保 持電解質膜和陰極催化劑層的水分保留而沒有溢流現象可以有助於確保有效的發電。然 而，應當理解，這些要求是矛盾的。這裡描述的實施例旨在提供這些要求的適當的平衡。圖3示出了根據第一實施例的膜電極組件(MEA)的側視圖。圖4示出了該MEA沿 圖3中的線III-III剖取的截面圖。參照圖3和圖4，MEA 20具有陽極26和陰極27設置在活性區域201的相應表面 的結構，電解質膜21設置在兩個電極26和27之間。電解質膜21可以由具有例如約5 μ m到約200 μ m的厚度的固體聚合物電解質制 成，使產生的氫離子從陽極催化劑層24移動到陰極催化劑層23的離子交換能夠進行。為 了有效地進行離子交換，電解質膜21應當具有特定量的水分保留。形成MEA 20的一個表面的陽極26可以經由形成於隔板13與MEA 20之間的氫氣 通道13a而接收氫氣，其包括陽極氣體擴散層(GDL) 28和陽極催化劑層24。陽極⑶L 28可以由諸如碳紙或碳布製成，並可以包括多個孔28a。此外，陽極⑶L 28經由孔28a將氫氣(其已經經由氫氣通道13a傳輸)提供到陽極催化劑層24。陽極催 化劑層24使氫氣氧化以使得轉化的電子經由相鄰的隔板15移動到陰極27並使產生的氫離子經由電解質膜21移動到陰極27。發電單元10通過電子的流動產生電能。已經從陽極產生的氫離子經由電解質膜21移動到陰極27，陰極27是經由空氣通道15a接收含氧的空氣的部分，空氣通道15a形成在隔板15與MEA20之間。陰極27可以 包括陰極氣體擴散層(GDL) 25和陰極催化劑層23。陰極⑶L 25可以由諸如碳紙或碳布製成，並可以包括多個孔25a。陰極⑶L 25將 經由空氣通道15a傳輸的空氣經由孔25a提供到陰極催化劑層23。陰極催化劑層23通過從陽極26移動的氫離子和電子與空氣中的氧的化學氧化還 原(redox)而產生熱和特定溫度的水。圖5示出了根據第一示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖4和圖5，陰極27包括疏水處理的疏水部分20a和親水處理的親水部分 20b，構造為易於排出溼氣並保持適當程度的水分保留。如下面具體描述，陰極27可以在中 央區域(內區域210)中比在周邊區域(外區域230)中具有更大的疏水部分20a的區域密 度，使得作為電產生反應的副產物的水從陰極的中央引出到周邊。如下面還描述，陰極27 可以具有在內區域210中比在外區域230中更強烈地疏水的疏水部分20a，也就是，內區域 210中的疏水部分20a可以每單位區域具有更強的疏水性，使得對於給定的單位區域它們 比外區域230中的疏水部分20a更強烈地排斥水。這可以通過如下來實現，例如採用較大 的疏水材料與基礎材料的比例來形成內區域210中的疏水部分20a或者對於內區域210中 的疏水部分20a採用更疏水的材料等。此外，在內區域210中，可以採用疏水部分20a的較 大區域密度和每單位面積較大的疏水性的結合。在實施中，親水膜253和疏水膜251可以塗覆在陰極氣體擴散層25上，具有塗覆 在其上的疏水膜251的疏水部分20a可以設置在具有親水膜253塗覆在其上的親水部分 20b之間。如圖4所示，水29可以被吸引到親水膜253。作為親水膜253和疏水膜251的 材料，通常可以使用具有親水性質或疏水性質的不同材料。疏水部分20a可以以規則的圖案形成。例如，如圖5所示，從MEA 20的中央連接 到外側的區域可以以相等的間隔徑向地設置。在此情況下，在與陰極27的中心相鄰的內區域210處的疏水部分20a的密度高於 定位在內區域210外側的外區域230處的疏水部分的密度。這裡，疏水部分20a的密度是 指由疏水部分20佔據的面積與整個面積的比例。內區域210和外區域230可以根據燃料 電池堆體100的尺寸和操作條件而可變地設定。在本示例性實施例中，疏水部分20a可以每個包括變寬度部分211 (具有朝向外側 逐漸增大的寬度)和等寬度部分212 (置於變寬度部分211的外側並具有一致的寬度)。變 寬度部分211可以置於內區域210處，等寬度部分212可以置於外區域230處。疏水部分20a的密度可以在定位變寬度部分211的區域處是基本均勻的。疏水部 分20a的密度可以在定位等寬度部分212的區域處是逐漸減小的，因為整個面積隨著遠離 陰極27的中心而與距離的平方成比例地增大，但是在等寬度部分212處的疏水部分保持確 定的面積。圖6A是示出當每平方釐米產生IOOmA的電流時所產生的溼氣分布的照片，圖6B 是示出當每平方釐米產生300mA的電流時所產生的溼氣分布的照片。在圖6A和圖6B中，空氣從上部提供，燃料從下部提供。然而，在這方面，即使燃料從上部提供而空氣從下部提供，仍可以獲得相同的結果。如圖6A和圖6B所示，相對較大量的溼氣在MEA的中央部分處產生。這是因為從 上部提供的空氣和從下部提供的燃料在中央部分處相遇而彼此反應。因此，如果在中央部 分處產生的溼氣沒有被適當地排出，溢流現象會發生從而降低發電效率。在此情況下，然而在本示例性實施例中，因為在內區域210處的疏水部分20a的密 度高於在外區域230處的疏水部分20a的密度，所以相對較大量的在內區域處產生的溼氣 可以被有效地排出以允許空氣易於移動到陰極催化劑層。從疏水部分20a釋放的溼氣可以 經由隔板15的空氣通道15a排出到外部。此外，因為除了內區域210之外疏水部分20a還 形成在外區域230處但具有相對低的密度，所以電解質膜21可以具有適當的水分保留，從 而改善發電效率。在第一示例性實施例中，既形成疏水部分20a也形成親水部分20b，但實施例不限 於此，例如可以只形成疏水部分20a。在這點上，疏水部分20a的密度在內區域210處比在 外區域230處高。因此，即使只形成疏水部分20a，但因為在外區域230處的疏水部分20a 的密度低，所以可以保持適當的溼氣。此外，在內區域，儘管疏水部分20a的密度高，但因為 產生較大量的溼氣，所以可以保持適當量的溼氣。圖7示出了根據第二示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖7，MEA 42可以包括被疏水處理的疏水部分42a和形成在疏水部分42a之 間的被親水處理的親水部分42b。疏水部分42a可以具有螺旋形狀的圖案，該螺旋形狀的圖 案從中心以旋轉的方式連接到邊緣部分而成為彎曲線。疏水部分42a可以形成為使得疏水部分42a之間的間隔「W」隨著它從陰極的中心 行進到外側而增大。例如，當內區域處的疏水部分之間的間隔為『VI」而在內區域的外側形 成的外區域處的疏水部分之間的間隔為 2」時，w2大於wl。因此，在中央區域處的疏水部 分的密度大於在外區域處的疏水部分的密度，從而在內區域處產生的相對較大量的溼氣可 以被容易地排出。此外，在中央區域中可以使用疏水部分42a的較大區域密度和每單位面 積較大的疏水性的結合。圖8示出了根據第三示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖8，MEA 43可以包括疏水處理的疏水部分43a和形成為鄰近疏水部分43a 的親水部分43b，親水部分43b被處理為是親水的。在本示例性實施例中，疏水部分43a從MEA 43的中心以直線和一角行進，其以旋 轉的方式重複幾次直到它到達外側。疏水部分43a的寬度可以朝向外側而逐漸減小。因此， 疏水部分43a的密度可以在內區域處比在外區域處更大，因此相對較大量的在內區域處產 生的溼氣可以被容易地排出。此外，在中央區域中可以使用疏水部分43a的較大區域密度 和每單位面積較大的疏水性的結合。圖9示出根據第四示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖9，根據第四示例性實施例的MEA 45可以包括疏水處理的疏水部分45a和 鄰近疏水部分45a形成的親水部分45b，親水部分45b被處理為是親水的。在本示例性實施例中，疏水部分45a可以形成為以弧形的形狀從MEA 45的中心連 接到外側，並且多個疏水部分45a可以以相等的間隔設置。疏水部分45a可以形成為以相 等的寬度從MEA的中心連接到外側。因此，在內區域處的疏水部分45a的密度大於設置在內區域外側的外區域處的疏水部分45a的密度。MEA的面積隨著從內側到外側而與距離的 平方成比例地增大，而疏水部分45a的面積並不增大。因此，疏水部分45a的密度朝向外側 而逐漸減小。因此，在內區域處產生的相對較大量的溼氣可以被容易地排出並可以保持適 當的溼氣，從而改善發電效率。此外，在中央區域中可以使用疏水部分45a的較大區域密度 和每單位面積較大的疏水性的結合。圖10示出了根據第五示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖10，根據第五實施例的MEA 46可以包括疏水處理的疏水部分46a和鄰近疏 水部分46a設置的親水部分46b，親水部分46b被處理為是親水的。疏水部分46a可以形成為多個分離的單位區域，也就是，彼此間隔開的單位區域。 每單位區域較大數量的疏水部分46a設置在MEA 46的內區域處，每單位區域較小數量的疏 水部分46a設置在MEA 46的外區域處。在本示例性實施例中，疏水部分46a具有圓形形狀，但實施例不限於此。疏水部分 46a可以具有各種其它的形狀，諸如橢圓形或多邊形形狀。此外，例如分離的單位區域的尺 寸可以變化，使得在陰極的中央區域處採用較大尺寸的單位區域而在陰極的周邊區域處採 用較小尺寸的單位區域。在本示例性實施例中，在內區域處的疏水部分46a的密度大於在外區域處的疏水 部分46a的密度，因此在內區域處產生的相對較大量的溼氣可以被容易地排出並可以保持 適當的溼氣，從而改善發電效率。此外，在中央區域中可以使用疏水部分46a的較大區域密 度和每單位面積較大的疏水性的結合。圖11示出了根據第六示例性實施例的MEA的側視圖。圖12示出沿圖11中的線 XI-XI剖取的截面圖。參照圖11和圖12，根據第六示例性實施例的MEA 50包括陽極63、陰極62以及插 設在兩個電極62和63之間的電解質膜51。根據本示例性實施例的MEA具有與根據第一示例性實施例的MEA相同的結構，除 了氣體擴散層包括微多孔層54和55以及黑色層(black layer) 56和57之外，因此可以省 略對上述結構的詳細解釋以避免重複。形成MEA 50的一個表面的陽極63可以包括陽極催化劑層52，與電解質膜51的 一個表面接觸；以及陽極黑色層56和陽極微多孔層(MPL) 54，形成在陽極催化劑層52的外 側。陽極MPL 54可以設置在陽極催化劑層52和陽極黑色層56之間，陽極MPL 54和 陽極黑色層56可以構成陽極氣體擴散層(GDL)。陰極62可以包括陰極催化劑層53，與電解質膜51的一個表面接觸；以及陰極黑 色層57和陰極MPL 55，形成在陰極催化劑層53的外側。陰極MPL 55可以設置在陰極催化劑層53與陰極黑色層57之間，陰極MPL 55和 陰極黑色層57可以構成陰極⑶L。陽極黑色層56和陰極黑色層57可以由例如碳紙或碳布製成，並可以包括形成於 其中的孔。陽極MPL 54和陰極MPL 55可以由例如石墨、碳納米管(CNT)、富勒烯(C60)、活性碳、碳納米角(carbon nano-horn)等製成，並可以包括多個孔，該多個孔比在黑色層56和57中形成的孔小。MPL 54和55可以增強到催化劑層52和53的氣體分配。陰極黑色層57將空氣(已經經由空氣通道傳輸)經由孔57a傳輸到陰極MPL 55， 陰極MPL 55使傳輸的空氣極大地分配以將其提供到陰極催化劑層53。陰極催化劑層53 通過使從陽極63移動的氫離子和電子與空氣中的氧進行還原反應而產生熱和特定溫度的 水。為了易於排出產生的水，陰極MPL 55包括親水多孔層55a和疏水多孔層55b。親 水多孔層55a定位在疏水多孔層55b之間，疏水多孔層55b可以以規則圖案形成。疏水多 孔層55b可以通過將疏水材料添加到用於形成陰極MPL 55的漿體(slurry)然後採用噴墨 或根據各種印刷方法來圖案化該漿體而形成。此外，親水多孔層55a可以通過將親水材料 添加到用於形成陰極MPL 55的漿體然後採用噴墨或根據各種印刷方法來圖案化該漿體而 形成。如此形成的親水多孔層55a和疏水多孔層55b遍及它們的整體而不僅在它們的表 面處具有親水性質或疏水性質。在本示例性實施例中，親水多孔層55a形成親水部分而疏 水多孔層55b形成疏水部分，允許陰極MPL 55排出或容納溼氣，因此可以更易於調節溼氣。 引入到疏水多孔層55b中的溼氣從疏水多孔層55b的內部被驅除，並由此例如經由形成在 隔板處的空氣通道排出到外部。因此，空氣可以經由疏水多孔層55b自由地移動。引入到 親水多孔層55a的溼氣58保留在親水多孔層55a中並被提供到電解質膜，從而改善電解質 膜的水分保留。在本示例性實施例中，陰極MPL 55示出為包括親水部分和疏水部分，但實施例不 限於此。例如，陰極黑色層57以及陰極MPL 55還可以一起被處理為親水的或疏水的。在 此情況下，陰極黑色層57的疏水部分可以形成在與疏水多孔層55b相對應的位置處，陰極 黑色層57的親水部分可以形成在與親水多孔層55a相對應的位置處。在本示例性實施例中，疏水多孔層55b的密度可以在鄰近陰極62的中心的內區域 處高於定位在內區域外側的外區域處的密度。因此，在內區域處產生的較大量的水可以被 容易地排出。為此，疏水多孔層55b可以形成為具有如上所述的各種圖案。此外，在中央區 域中可以使用疏水多孔層55b的較大區域密度和每單位面積較大的疏水性的結合。圖13示出根據第七示例性實施例的MEA的正視圖。參照圖13，根據第七示例性實施例的MEA 70包括具有疏水部分71和親水部分72 的外區域76，親水部分72鄰近疏水部分71。在鄰近MEA 70的中心的內區域75中的疏水 部分71的疏水性質可以比在外區域76中的疏水部分71的疏水性質更強。在另一實施中， 在內區域75中的親水部分72的親水性質可以沒有外區域76中的親水部分72的親水性質 強。因此，即使在內區域75中沒有採用較大區域密度的疏水部分71，內區域75也可以製作 得比外區域76更疏水。陰極氣體擴散層(OTL)可以包含親水材料和疏水材料。此外，形成陰極⑶L的黑 色層或微多孔層可以包含疏水材料或親水材料，或者兩個層可以都包含疏水材料或親水材 料。疏水材料和親水材料可以包括各種類型的材料，而沒有被特別地限定。在本示例性實施例中，疏水部分71可以形成為從MEA 70的一個邊緣連接到另一 個邊緣，基本具有矩形的形狀，也就是條形，矩形的親水部分72可以形成在疏水部分71之間。疏水部分71和親水部分72可以以相等的間隔設置。然而，疏水部分71的疏水性 質可以在鄰近MEA 70的中心的內區域75處製作得比定位在內區域75外側的外區域76處 的疏水部分71的疏水性質更強，使得水從MEA 70的中心被驅除。具體地，在內區域75處的疏水部分71可以比在外區域76處的疏水部分71每單 位面積包含更大量的疏水材料，並且包含在疏水部分71中的疏水材料的量可以隨著從內 側到外側而逐漸減少。因此，疏水部分71的疏水能力可以隨著從內側到外側而逐漸降低。根據本示例性實施例，疏水部分的密度(也就是每單位面積的疏水部分的比率) 可以是不變的，而在內區域75處的疏水部分71的疏水性質比在外區域76處的疏水部分71 的疏水性質更強。類似地，定位在內區域75的親水部分72的親水性質可以製作得比定位在外區域 76處的親水部分72的親水性質弱。為此，在內區域75處的親水部分72可以比在外區域 76處的親水部分72每單位面積包含更少量的親水材料，並且包含在親水部分72中的親水 材料可以隨著從內側到外側而逐漸增大。因此，親水部分72的親水性質可以隨著從內側到 外側而逐漸增加。因此，在內區域75處產生的相對大量的溼氣可以被容易地排出，而外區 域76可以保持適當的溼氣，從而改善發電效率。如上所述，實施例可以提供具有保持特定量的水分保留並且易於排出從膜電極組 件(MEA)產生的水的優點的燃料電池堆體。如上述一個示例，在內區域處的疏水部分的密 度可以大於在外區域處的疏水部分的密度，溼氣(其在MEA的中央處相對更多地產生)可 以易於排出，從而防止溢流現象的發生。此外，因為在外區域處的疏水部分的密度可以相對 較低，所以在外區域處的疏水部分可以容納適當量的溼氣以保持電解質膜的水分保留。此 夕卜，因為親水部分可以形成為鄰近疏水部分，所以電解質膜可以提供適當程度的水分保留， 從而改善了發電效率。此外，因為疏水膜塗覆在陰極氣體擴散層上，或者因為構成陰極氣體擴散層的陰 極黑色層或陰極MPL可以被處理為具有疏水性質，所以溼氣可以被易於排出，且疏水部分 可以通過印刷等而容易被圖案化。此外，因為疏水部分可以形成為使得密度隨著從陰極的中心到外側而逐漸減小， 所以適當量的溼氣可以被排出以易於調節MEA內的溼氣。此外，因為在內區域處的疏水性質可以製作得比在外區域處更強，並且因為在內區域處的親水性質可以製作得比在外區域處更弱，所以在MEA的內側產生的溼氣可以被容 易地排出，從而防止發生溢流，並且因為在外區域處的疏水部分可以具有相對低的密度，所 以適當量的溼氣可以被提供以保持電解質膜的水分保留。這裡已經公開了示例性實施例，儘管採用了特定的術語，但它們僅以一般性和描 述性的意義來解釋而不是為了限制的目的。因此，本領域的普通技術人員應當理解，可以在 形式和細節上進行各種變化而不背離如權利要求書所述的本發明的精神和範圍。
權利要求
一種用於燃料電池的膜電極組件，包括燃料電池電解質膜；陽極，設置在所述電解質膜的第一側；以及陰極，設置在所述電解質膜的第二側，其中所述陰極具有厚度和陰極區域，所述陰極區域在基本平行於所述電解質膜的主表面的平面延伸，所述陰極區域包括中央區域和周邊區域，所述周邊區域延伸到所述陰極的側邊，所述中央區域包括親水部分和疏水部分，所述周邊區域包括親水部分和疏水部分，並且所述中央區域比所述周邊區域更疏水。
2.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分的區域密度 高於所述周邊區域中的所述疏水部分的區域密度。
3.如權利要求2所述的膜電極組件，其中所述疏水部分的區域密度從所述中央區域到 所述周邊區域逐漸減小。
4.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分的區域密度 基本上等於所述周邊區域中的所述疏水部分的區域密度。
5.如權利要求4所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分比所述周邊 區域中的所述疏水部分更強烈地疏水。
6.如權利要求4所述的膜電極組件，其中所述周邊區域中的所述親水部分比所述中央 區域中的所述親水部分更強烈地親水。
7.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分之間的間隔 小於所述周邊區域中的所述疏水部分之間的間隔。
8.如權利要求7所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分具有與所述 周邊區域中的所述疏水部分相同的寬度。
9.如權利要求7所述的膜電極組件，其中所述疏水部分之間的間隔從所述中央區域到 所述周邊區域單調地增加。
10.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述中央區域中的所述疏水部分的寬度從第一尺寸增大到第二尺寸，並且 所述周邊區域中的所述疏水部分具有基本等於所述第二尺寸的寬度。
11.如權利要求10所述的膜電極組件，其中所述疏水部分的寬度沿所述中央區域的半徑移向所述周邊區域而單調地增大，並且 所述周邊區域中的所述疏水部分的寬度基本不變。
12.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述疏水部分的寬度從所述中央區域到所 述周邊區域減小。
13.如權利要求12所述的膜電極組件，其中所述疏水部分的寬度從所述中央區域到所 述周邊區域單調地減小。
14.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述疏水部分形成從所述中央區域到所述 周邊區域的連續螺旋。
15.如權利要求1所述的膜電極組件，其中多個疏水部分延伸為從所述中央區域到所述周邊區域的連續放射狀構件。
16.如權利要求1所述的膜電極組件，其中 所述疏水部分是分離的單位區域，並且所述陰極的每單位區域的所述分離的單位區域的數目從所述中央區域到所述周邊區 域減小。
17.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述陰極還包括與所述電解質膜接觸的陰極催化劑層以及在所述陰極催化劑層外側 的陰極氣體擴散層，並且所述陰極氣體擴散層包括疏水部分和親水部分。
18.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述陰極還包括與所述電解質膜接觸的陰極催化劑層以及在所述陰極催化劑層外側 的陰極氣體擴散層，所述陰極氣體擴散層包括黑色層和微多孔層，並且 所述微多孔層包括疏水多孔層和親水多孔層。
19.如權利要求1所述的膜電極組件，其中所述周邊區域完全地圍繞所述中央區域。
20.一種燃料電池堆體，包括 多個發電單元；以及壓板，構造為將所述發電單元按壓在一起，其中每個所述發電單元包括 燃料電池電解質膜；陽極，設置在所述電解質膜的第一側；以及 陰極，設置在所述電解質膜的第二側，並且其中所述陰極具有厚度和陰極區域，所述陰極區域在基本平行於所述電解質膜的主表面的 平面延伸，所述陰極區域包括中央區域和周邊區域，所述周邊區域延伸到所述陰極的側邊， 所述中央區域包括親水部分和疏水部分， 所述周邊區域包括親水部分和疏水部分，並且 所述中央區域比所述周邊區域更疏水。
21.一種製造燃料電池的方法，該方法包括 提供多個發電單元；將所述發電單元彼此機械地和電學地耦接；以及將用於提供含氫燃料的燃料供應器和用於提供含氧氧化劑的氧化劑供應器耦接到所 述發電單元，其中每個所述發電單元包括 燃料電池電解質膜；陽極，設置在所述電解質膜的第一側；以及 陰極，設置在所述電解質膜的第二側，並且其中所述陰極具有厚度和陰極區域，所述陰極區域在基本平行於所述電解質膜的主表面的 平面延伸，所述陰極區域包括中央區域和周邊區域，所述周邊區域延伸到所述陰極的側邊，所述中央區域包括親水部分和疏水部分， 所述周邊區域包括親水部分和疏水部分，並且 所述中央區域比所述周邊區域更疏水。
全文摘要
本發明提供了一種燃料電池的膜電極組件、燃料電池堆體和製造燃料電池的方法。該燃料電池的膜電極組件(MEA)包括燃料電池電解質膜；陽極，設置在電解質膜的第一側；以及陰極，設置在電解質膜的第二側，其中陰極具有厚度和陰極區域，該陰極區域在基本平行於所述電解質膜的主表面的平面延伸，陰極區域包括中央區域和周邊區域，周邊區域延伸到陰極的側邊，中央區域包括親水部分和疏水部分，周邊區域包括親水部分和疏水部分，中央區域比周邊區域更加疏水。
文檔編號H01M8/10GK101826625SQ20101012982
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者宋佳映, 曹誠庸, 蔡根錫, 金泰允, 金熙卓, 閔明基, 韓相日 申請人:三星Sdi株式會社