專利名稱：：燃料電池所產(chǎn)生的液態(tài)水的被動(dòng)回收的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：公開了新穎的高分子電解質(zhì)膜和/或陰極，它們能夠被動(dòng)回收在燃料電池的陰極所產(chǎn)生的液態(tài)水，
背景技術(shù)：
：在燃料電池，例如直接甲醇燃料電池(DMFC)中使用的高分子電解質(zhì)膜(PEM)所存在的眾所周知的問題是對來自陰極的水的回收，所述水既用于PEM本身的水合又用于再引入到陽極燃料反應(yīng)物流中，其中對于DMFC的情況，它同時(shí)用作曱醇燃料的反應(yīng)物和稀釋劑.水也用作其它類型的PEM燃料電池的燃料反應(yīng)中的反應(yīng)物質(zhì)之一，這些類型包括在燃料電池外部有反應(yīng)(如烴類燃料的重整)的那些或化合物(如硼氬化鈉)與水反應(yīng)產(chǎn)生氫的那些.水還能夠用來對進(jìn)入燃料電池的陽極腔室中的反應(yīng)物氣體流進(jìn)行增濕。對這一問題的常規(guī)"主動(dòng)"解決方案包括將冷凝器和液體分離器放置在陰極排出物流(exhauststream)上，以便收集液態(tài)水，然后將該水計(jì)量返回陽極回路，發(fā)明概迷本發(fā)明的目的是回收以下水中的至少一部分(l)陰極處的電化學(xué)反應(yīng)中所產(chǎn)生的水；(2)隨著從陽極到陰極的離子流動(dòng)而從陽極遷移到陰極催化劑層的水；和/或(3)其它形式存在于陰極的水，可能來自于從陽極側(cè)擴(kuò)散跨過(across)PEM的燃料的直接氧化，該水在本文有時(shí)稱作"陰極水"?？蓪㈥帢O水引導(dǎo)至陽極本身，用于反應(yīng)或用于燃料增濕目的，或?qū)⑵湟龑?dǎo)至燃料反應(yīng)腔室，以用于燃料反應(yīng)中，燃料電池膜電板組件(MEA)含有從離子導(dǎo)電聚合物制造的高分子電解質(zhì)膜(PEM),該P(yáng)EM經(jīng)改性含有在PEM的相對(opposite)表面之間的小通道。這些通道使液態(tài)水能在足夠的壓力下從PEM的陰極側(cè)流到PEM的陽極側(cè)。該P(yáng)EM有時(shí)稱作透水性(waterpermeable)PEMPEM具有相對的陽極和陰極表面。為了產(chǎn)生引起水遷移(transport)通過PEM通道所需要的壓力，PEM的陰極側(cè)上存在液態(tài)水阻隔(LWB)層。該層是導(dǎo)電的，具有高的氣體擴(kuò)散性，以允許氧氣到達(dá)陰極催化劑層，但是對液態(tài)水流動(dòng)具有明顯的阻抗。在操作過程中，該燃料電池在PEM的陰極側(cè)上產(chǎn)生水.在該實(shí)施方案中，LWB層單獨(dú)足以能夠減少液態(tài)水從陰極到陰極氧化劑流的流動(dòng)，由此產(chǎn)生足夠的液壓背壓(hydraulicbackpressure),導(dǎo)致液態(tài)水從陰極通過PEM通道流到PEM的陽極側(cè)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，氣體擴(kuò)散阻隔(GDB)層與LWB層結(jié)合使用。在許多實(shí)施方案中GDB層是導(dǎo)電性的，然而，在采用平面內(nèi)(in-plane)電流收集的一些實(shí)施方案中不需要它是導(dǎo)電的.GDB層能夠限制水蒸氣流向陰極氧化劑流，然而，它具有足夠的氣體擴(kuò)散率，以允許氧氣穿過它到達(dá)陰極催化劑層。在一些情況下，PEM的陰極表面與LWB層之間存在液態(tài)水分布(LWD)層。該層是導(dǎo)電性的，并允許液態(tài)水在與PEM的陰極表面平行的平面上側(cè)向移動(dòng)，該層能夠用于促進(jìn)水移動(dòng)到PEM通道和/或用于提供對殘留水的側(cè)向收集(lateralcollection).如果將催化劑添加到LWD層中，則它還用作陰極氧還原反應(yīng)或其它陰極界面化學(xué)反應(yīng)的催化劑層，標(biāo)準(zhǔn)氣體擴(kuò)散層(GDL)能夠與這些層中的任何一個(gè)或全部結(jié)合使用，且一般遠(yuǎn)離PEM陰極表面放置，以避免與陰極氧化劑流相互作用。本發(fā)明還包括能與標(biāo)準(zhǔn)PEM或在本文公開的透水性PEM結(jié)合用來控制陰極水流動(dòng)的陰極，在一個(gè)實(shí)施方案中，陰極從GDB層和LWB層制備。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可制備單層陰極，它具有GDB和LWB層的性能。這種單層陰極也可以與LWD層和/或GDL—起使用。或者，可以使用GDB/LWB油墨在標(biāo)準(zhǔn)GDL表面上形成該單層，在另一個(gè)實(shí)施方案中，陰極從GDL和GDB層制備。該陰極可進(jìn)一步含有LWB層，其位置使得GDB層位于GDL和LWB層之間。該陰極還可包含LWD層，其位置使得LWB層位于LWD層和GDB層之間。在另一個(gè)陰極實(shí)施方案，陰極含有單獨(dú)的或與GDL結(jié)合的LWB層和LWD層。在另一個(gè)實(shí)施方案中，代替使用其中陽極和陰極催化劑施涂于該膜上的CCM,將這些催化劑施加于氣體擴(kuò)散層組件上，然后在壓力和溫度下結(jié)合以便與PEM形成機(jī)械結(jié)合，就陰極來說，將陰極電催化劑施加于緊鄰PEM的層上，所述層可以是LWB層或LWD層.膜電極組件(MEA)制備自包含高分子電解質(zhì)膜(PEM)和催化劑層的催化劑涂布膜(CCM)，以及任何上述陰極，或從結(jié)合于PEM的催化劑涂層陰極組件制備。該P(yáng)EM可以是標(biāo)準(zhǔn)PEM或本文公開的透水性PEM,燃料電池含有上述MEA。還公開了使用透水性PEM的燃料電池系統(tǒng)。透水性PEM允許使用高度濃縮的燃料，如純甲醇，無需提供水作為稀釋劑。在此類系統(tǒng)中，濃縮燃料源與陽極回路流體連通，后者進(jìn)而與透水性PEM流體連通。將LWB層安置在透水性PEM的陰極側(cè)上，以致產(chǎn)生引起足夠殘余水的遷移以維持陽極反應(yīng)和/或PEM的水合所需要的液壓，除了LWB層之外，上述層中的任何一種或多種也可用于促進(jìn)殘余水的被動(dòng)回收(passiverecovery),還公開了采用標(biāo)準(zhǔn)PEM的燃料電池系統(tǒng)。在這些實(shí)施方案中，合適的陰極選自以上確定的促進(jìn)被動(dòng)水回收的那些陰極，附圖簡述圖1A示出了具有多個(gè)從陰極到陽極表面橫穿PEM的流動(dòng)通道的透水性PEM。圖1B示出了顯示激光鉆孔的MEA橫截面，孔的出口直徑是2微米。通過在真空下使用環(huán)氧樹脂回填料，并進(jìn)行后續(xù)拋光來制備橫截面；孔的一部分顯示該孔被環(huán)氧樹脂部分地填充，圖2示出了透水性PEM，其具有透水性區(qū)域和不透水區(qū)域。圖3是可單獨(dú)地或相結(jié)合地用來形成用于被動(dòng)回收水的陰極的各種層的示意圖。圖4示出了膜電極組件的陰極側(cè)的橫截面。液態(tài)水阻隔層和氣體擴(kuò)散阻隔層限制液態(tài)水和水蒸氣從陰極催化劑層流向陰極空氣流通道。液態(tài)水分配層是透水性的，并用于液態(tài)水遠(yuǎn)離陰極催化劑層的側(cè)向流動(dòng)以進(jìn)行側(cè)向邊緣收集或用于液態(tài)水流向PEM的透水性區(qū)域。圍5示出了包括甲醇源、陽極回路和燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池含有將燃料電池分成陽極腔室和陰極腔室的MEA。當(dāng)透水性PEM與液態(tài)水阻隔層結(jié)合使用時(shí)，液態(tài)水直接從陰極流向陽極，如箭頭所表示.或者，標(biāo)準(zhǔn)PEM可用于提供水的側(cè)向收集，它可用于其它目的，如陰極水轉(zhuǎn)移到陽極回路。圖6示出了實(shí)施例2中公開的燃料電池的性能，圖7示出了實(shí)施例2的燃料電池經(jīng)過500小時(shí)后的性能。發(fā)明詳述公開了透水性PEM和控制陰極水遷移的陰極，該P(yáng)EM和陰極可一起使用，以產(chǎn)生能夠被動(dòng)回收水的MEA,或者，它們可以單獨(dú)使用，在這種情況下透水性PEM與標(biāo)準(zhǔn)陰極一起使用，標(biāo)準(zhǔn)PEM與本文公開的陰極一起佳:用?？諝饬鞯男阅艿囊粋€(gè)或多個(gè)層，隨著在PEM的陰極側(cè)上產(chǎn)生液態(tài)水，在陰極電極內(nèi)的這些層促進(jìn)液態(tài)水壓力的產(chǎn)生，該透水性PEM包含已改造為具有通過PEM的整體通道(integralpassageway)的離子導(dǎo)電聚合物層，該通道允許水從PEM的陰極遷移到陽極側(cè)。燃料電池本發(fā)明的主要目的是提供對一部分的在燃料電池陰極處所形成液態(tài)水或被遷移到燃料電池陰極的液態(tài)水的被動(dòng)水回收。在一些情況下，將一部分的回收水轉(zhuǎn)移至陽極回路，以促進(jìn)DMFC中的陽極電化學(xué)反應(yīng)(l分子水與l分子甲醇反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，質(zhì)子和電子).需要回收的水量優(yōu)選等于或大于下列的總和(l)陽極氧化反應(yīng)中所消耗的水量，在直接甲醇燃料電池的情況下，它是在陰極上從質(zhì)子、電子和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水的三分之一；(2)經(jīng)由擴(kuò)散或電滲透阻礙(electro-osmoticdrag)或通過其它方式從高分子電解質(zhì)膜的陽極側(cè)遷移的水量；(3)經(jīng)由氣-液分離器(例如在直接甲醇燃料電池的情況中，從液體燃料中分離二氧化碳的分離器)可從陽極液體燃料流中離開的水量；(4)通過其它方式(如氫氣-空氣燃料電池中的燃料流的定期吹掃)可從運(yùn)轉(zhuǎn)著的陽極燃料流中消耗的水量。采用高分子電解質(zhì)膜(PEM)以及使用氫氣、有機(jī)燃料或燃料共混物的其它燃料電池也將受益于從陰極到陽極的被動(dòng)水回收，因?yàn)檫@一類型的離子導(dǎo)電機(jī)理(高分子電解質(zhì)膜)的已知特征是電滲透阻礙(electro-osmoticdrag),據(jù)此而使得從陽極移動(dòng)到陰極的質(zhì)子離子典型地進(jìn)行"阻礙(drag)"或它們與從陽極遷移到陰極的水分子相結(jié)合，盡管這種"電滲透阻礙"的確切機(jī)理仍然是討論的主題，但是已經(jīng)觀察到，存在著與引起在陽極處的水消耗的質(zhì)子通量相關(guān)的從陽極到陰極的凈水遷移(netwatertransport)，所述水消耗也導(dǎo)致PEM的各個(gè)部分中水的消耗，眾所周知，具有離子導(dǎo)電磺酸基(ionconductingsulfonategroups)的PEM中需要水分子，以便使PEM保持足夠的離子導(dǎo)電率以支持所需的電化學(xué)反應(yīng)。如果與PEM中的官能化磺酸基接近的水的局部濃度顯著地下降，則PEM的局部離子導(dǎo)電性能也下降，導(dǎo)致性能(電流密度或在給定的電池電壓下的電化學(xué)反應(yīng)速率)的局部下降，這有害于燃料電池本身的性能并可導(dǎo)致?lián)p害或不安全的操作條件(如果這在燃料電池堆組件(fuelcellstackassembly)中的電池之間不均勻地發(fā)生)。此外，工業(yè)上已希望(例如，由用于PEM燃料電池的美國DOE技術(shù)目標(biāo)舉例說明)減少提供給燃料電池本身的附加水的量。這一希望通過降低操作期間進(jìn)入燃料電池的水蒸氣的增濕作用或分壓來表示.陰極殘余水的被動(dòng)回收促進(jìn)從陰極補(bǔ)充陽極側(cè)水，這潛在地導(dǎo)致性能和耐久性的改進(jìn)，并可能允許在更低的入口反應(yīng)劑氣體濕度水平下進(jìn)行操作，此外它促進(jìn)PEM內(nèi)的水保持，以及在PEM的平面區(qū)域上的水分配。此外，存在其它類型的燃料電池，其中水是反應(yīng)物質(zhì)，但水不在燃料電池本身內(nèi)，而是水用于燃料電池外部的反應(yīng)過程中。這些類型的燃料電池的實(shí)例是重整(reformed)甲醇燃料電池，其中甲醇與水在重整裝置(較高溫度催化劑床工藝)中反應(yīng)，主要產(chǎn)生二氧化碳和氫氣；以及化學(xué)氫化物(其例子是硼氫化鈉)燃料電池，其中水用作與化學(xué)氬化物反應(yīng)的反應(yīng)物之一，以產(chǎn)生氫氣。通過使用本發(fā)明，殘留水能夠從PEM燃料電池收集并被引導(dǎo)通過通道或流動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)該燃料電池外部的反應(yīng)過程.燃料電池內(nèi)的水收集歧管可用作將燃料電池內(nèi)的回收的殘余水引導(dǎo)至外部流體通路的一種機(jī)構(gòu)，如從燃料電池到反應(yīng)位置的管道或管線.被動(dòng)7JC回收被動(dòng)水回收指從燃料電池的陰極側(cè)的水回收，它不牽涉在燃料電池本身之外的附加構(gòu)件(component)來進(jìn)行從陰極廢液(exhaust)流中收集水(即，冷凝器、集水器、水泵或用于將此類水從陰極氧化劑廢液引導(dǎo)回到陽極燃料流的其它機(jī)構(gòu))。經(jīng)由管道、管線、歧管、通道或具有足夠低的液態(tài)水流動(dòng)阻力的其它機(jī)構(gòu)的流體連接可用于將回收的水引導(dǎo)至所需位置，而不會(huì)使水大量損失到其它位置。水的非被動(dòng)回收通常地需要某些形式的動(dòng)力將所收集的水引導(dǎo)至所需位置，在那里將水用于電化學(xué)反應(yīng)中或排放(rejected)到環(huán)境中或收集供今后使用。它進(jìn)一步典型地代表著對系統(tǒng)的額外熱負(fù)荷，使水從蒸氣態(tài)冷凝并將該水引導(dǎo)至所需位置。被動(dòng)水回收對于燃料電池發(fā)電機(jī)是有利的，因?yàn)樗喕撓到y(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少該系統(tǒng)的尺寸、重量和成本，并且使燃料電池系統(tǒng)具有更高的體積功率和重量功率以及體積能量密度和重量能量密度，所有這些是高度受歡迎的特征'本發(fā)明描述許多方式，依據(jù)這些方式可在電池內(nèi)部實(shí)現(xiàn)從陰極回收液態(tài)水，并再引導(dǎo)入陽極，而無需附加的系統(tǒng)構(gòu)件。本發(fā)明進(jìn)一步描述許多方式，依據(jù)這些方式可將回收的水引導(dǎo)至燃料電池本身之外的構(gòu)件，從而可以利用該水。這種液態(tài)水回收策略的所有變型可用于具有貫穿平面的水流收集(through-planecurrentcollection)的一種平面陣列或一種堆疊體構(gòu)型中.它們也能與聯(lián)合的氧化劑-冷卻劑策略一起使用，或與更常規(guī)的低流量、低氧化劑化學(xué)計(jì)量比的氧化劑源和單獨(dú)的熱消耗位置(例如在燃料回路的液體熱交換器或單獨(dú)的液體冷卻回路)一起使用。本發(fā)明的所有變型利用疏水性孔中的毛細(xì)壓力的關(guān)鍵物理原理，其中液態(tài)水將優(yōu)先穿透較大直徑的孔，使較小直徑孔隙網(wǎng)絡(luò)僅僅充滿氣體。透水性PEM在一個(gè)實(shí)施方案中，透水性PEM具有整體水通道，該通道從PEM的陽極到陰極表面橫穿PEM，如圖1中所示，透水性PEM具有以下特征的組合其中(l)在其表面的一個(gè)方面上，它具有離子導(dǎo)電性、低的燃料擴(kuò)散性、低的透水性，并不存在液態(tài)水用的任何流動(dòng)通道，和(2)在其表面的另一個(gè)方面上，它具有高的透水性能，貫通式結(jié)構(gòu)特征(throughfeatures)，例如相對表面之間的整體流動(dòng)通道(或通道)，其允許液態(tài)水遷移跨過該膜。液態(tài)水遷移通道可以構(gòu)成PEM中的小孔，可以在制造PEM之后通過機(jī)械、靜電、熱(如激光)或其它方式來形成這些小孔。液態(tài)水遷移通道還可在PEM的制造過程中通過包含成孔劑來形成，該成孔劑產(chǎn)生從PEM的一個(gè)表面到另一個(gè)表面的流動(dòng)通道?？梢栽赑EM的形成中通過使用聚合物共混物來產(chǎn)生小的流動(dòng)通道，其中一種聚合物成分對于液態(tài)水具有低的抗?jié)B透性，另一種聚合物對于液態(tài)水具有高的抗?jié)B透性，上述聚合物中的至少一種(優(yōu)選具有高的抗?jié)B透性的那一種)必須具有離子導(dǎo)電能力，聚合物共混物也可含有其它聚合物，其可以誘導(dǎo)除離子或液態(tài)水遷移之外的功能。另一個(gè)實(shí)施方案使用聚合物(如EPTFE或其它合適材料)的載體基質(zhì)來使PEM的尺寸穩(wěn)定化，可滲透水的結(jié)構(gòu)特征可在膜的形成過程中通過一種或多種的上迷方式在栽體基質(zhì)中產(chǎn)生或通過形成PEM之后產(chǎn)生流動(dòng)通道而在載體基質(zhì)中產(chǎn)生。其它實(shí)施方案使用多層PEM，其中多層PEM的至少一層兼有高和低的液態(tài)水滲透性結(jié)構(gòu)特征。PEM的較高透水性區(qū)域的平面表面區(qū)域優(yōu)選為0.00000150%，更優(yōu)選0.000001~1%，最優(yōu)選0.000001~0.001%。然而，液力孔隙大小(hydraulicporesize)的選擇，含有孔隙的PEM表面的百分比和它們的間隔將取決于燃料電池的工作參數(shù)，并且能夠針對各應(yīng)用憑經(jīng)驗(yàn)來確定(參見下文re:150mA/cn^設(shè)計(jì))。優(yōu)選地，PEM平面表面區(qū)域的較高百分比具有低的滲透和擴(kuò)散性能以及該區(qū)域的較小百分比具有較高的液態(tài)水滲透性能，即，高液體滲透性的橫截面與低液體滲透性的橫截面的比率低于1.PEM的厚度通常低于200微米，優(yōu)選低于100微米，更優(yōu)選低于25微米。貫穿所述PEM的此類通道的有效液力直徑(effectivehydraulicdiameter)通常是1-25微米，優(yōu)選2-10微米，更優(yōu)選2-5微米，圖1A中示出了具有獨(dú)立通道模式的PEM的實(shí)例。圖1B示出了由激光形成的通道中的一個(gè)的橫截面。該通道在其最狹窄處的直徑是2微米。在激光入口點(diǎn)的孔的直徑是約7微米，接近入口的孔的一部分填充有環(huán)氧樹脂，該環(huán)氧樹脂用于制造供顯微鏡分析用的橫截面樣品。液力直徑是在給定的通道中的最小直徑.在這種情況下，液力直徑是約2微米，圖2是具有可滲透水的區(qū)域和未在圖2中示出的區(qū)域的PEM的平面視圖。陰極陰極的構(gòu)件示于圖3和圖4中.這些構(gòu)件可以各種方式結(jié)合，以形成本發(fā)明的陰極。陰極包含多個(gè)層的結(jié)合，所述層具有限制液態(tài)水和水蒸氣從陰極遷移到氧化劑和/或冷卻劑空氣流的性能，隨著在PEM的陰極側(cè)上產(chǎn)生液態(tài)水，陰極電極內(nèi)的這些層促進(jìn)液態(tài)水壓力的產(chǎn)生，(a)液態(tài)水阻隔層陰極中的關(guān)鍵元件是"液態(tài)水阻隔層"(LWB層)，它是在陰極內(nèi)的層，該層是導(dǎo)電性的，在某種程度上可滲透氣體(其中包括氧氣和水蒸氣)，但液態(tài)水基本上不滲透，這種液體阻隔層可表征為其中需要壓力來誘導(dǎo)液態(tài)水移動(dòng)通過該層的一種阻隔層。上述壓力足以大于最高燃料壓力，加上液態(tài)水穿透該P(yáng)EM的壓力損失，加上水分配層中的平面內(nèi)液體流動(dòng)損失的總和，使得液態(tài)水合理均勻地分配在所述PEM的整個(gè)表面，此類液態(tài)水壓力通常大于或等于30kPa(4.35psi)，但能夠由本
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)人員加以調(diào)節(jié)，這取決于燃料電池構(gòu)件的設(shè)計(jì).液態(tài)水阻隔層可形成自多孔的導(dǎo)電介質(zhì)，例如在PEM燃料電池工業(yè)中典型用作氣體擴(kuò)散層的碳纖維紙，然后將它用碳和/或石墨粉、特氟綸丄Teflon丄⑧(PTFE和/或FEP)和其它液體油墨淤漿成分浸漬，然后將這種碳/特氟綸⑧淤漿加熱來使液體蒸發(fā)，特氟綸⑧既可以用作粘結(jié)劑來使碳粒子固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，又由于特氣綸⑧的疏水性質(zhì)而可以產(chǎn)生對液態(tài)水滲透性的阻抗。存在數(shù)種可商購的材料，它們含有特氟綸⑧粘結(jié)劑用來將碳和/或石墨粉保持在氣體擴(kuò)散層內(nèi)，但大部分沒有顯示出對液態(tài)水的顯著流動(dòng)阻力?？墒褂煤喴滋ゼ?siraplejig)來測量該液態(tài)水流動(dòng)阻力，簡易胎架測量相對于穿過材料的某一區(qū)域的流速的水的壓力，此類試驗(yàn)典型地表明，對于液態(tài)水阻隔層，在觀察到任何可測量的水流過該材料之前要求存在一定的壓力，在此之后典型地存在液態(tài)水流速與液態(tài)水壓力之間的線性關(guān)系，這是多孔介質(zhì)流所預(yù)期的.誘導(dǎo)水流動(dòng)的起始壓力以及液態(tài)水流速對水壓力的(關(guān)系曲線)斜率均可用來選擇合適的材料，在本發(fā)明中，使用大于30kPa水壓力的壓力來選擇和最優(yōu)化用于液態(tài)水阻隔層的候選層(材料和制造方法)。表征水流過陰極LWB層的方法原則上與用來表征用于穿透透氣性的耐水布(例如EN343)的水壓力的方法相類似.液態(tài)水阻隔層中對液態(tài)水流動(dòng)的阻力主要由小的疏水孔隙的網(wǎng)絡(luò)所引起。這些孔隙限制水的流動(dòng)，這在液態(tài)水阻隔層和陰極催化劑層的界面上或在液態(tài)水分配層(見下文)(如果存在，它位于陰極催化劑層和液態(tài)水阻隔層之間)內(nèi)產(chǎn)生液態(tài)水用的液壓，這一壓力將液態(tài)水直接引導(dǎo)至PEM中的通道，或間接地經(jīng)由液態(tài)水分配層引導(dǎo)至一些區(qū)域，在這些區(qū)域中水能夠遷移穿過催化劑層的平面以及穿過與PEM的表面垂直的流動(dòng)通道到達(dá)陽極腔室，由液體阻隔層引起的液態(tài)水壓力誘導(dǎo)液態(tài)水流動(dòng)，但是這一壓力通常不足以使實(shí)質(zhì)量的液態(tài)水滲透過該液態(tài)水阻隔，也不足以在PEM表面的具有低的液態(tài)水滲透性的那些區(qū)域上引起實(shí)質(zhì)量的液態(tài)水滲透穿過該P(yáng)EM本身。然而，該壓力足以使液體陰極水(l)在與液體分配層內(nèi)的MEA的平面平行的平面上流動(dòng)，(2)流過催化劑層，以及(3)經(jīng)由PEM中的高液體滲透性的區(qū)域(如貫通流動(dòng)通道)從陰極側(cè)流過PEM到達(dá)陽極側(cè)。對于(3)的情況，還有可能將液態(tài)水引導(dǎo)至與PEM分開的流動(dòng)通道，并直接引導(dǎo)該水至陽極物流，例如引導(dǎo)至與所述燃料流流體連通的流體歧管或引導(dǎo)至可在燃料電池之外的燃料處理裝置，液態(tài)水阻隔層并非完全的阻隔；而是它具有足夠的氣體孔隙度以使氣態(tài)物質(zhì)(如氧氣、氮?dú)?、水蒸氣、二氧化碳和甲醇?能夠擴(kuò)散，從而以能維持陰極處的電化學(xué)反應(yīng)的速率擴(kuò)散通過它。然而，它對液態(tài)水流過平面有相當(dāng)大的阻力，這能通過誘導(dǎo)液態(tài)水滲透這一層的壓力來測量，由液態(tài)水在液體阻隔層上的積累所產(chǎn)生的液態(tài)水壓力常常不足以推動(dòng)液態(tài)水滲透穿過厚度為5017S微米(在干燥狀態(tài)下測量)的常規(guī)PEM膜。然而，該壓力可以足以引起水遷移跨過較薄的膜，另外，液體阻隔層可與全氟化膜，如由納幕爾杜邦公司(E丄duPontdeNemoursandCompany)制造的Nafion—起使用，單獨(dú)或與跨過Nafion膜通道的形成相結(jié)合。(b)氣體擴(kuò)散層氣體擴(kuò)散層(GDL)是典型制備自碳纖維的層，它在非壓縮狀態(tài)下具有高水平的孔隙度，通常大于50%,在某些實(shí)施方案中它也從導(dǎo)電性材料制備，GDL的功能要求是它必須允許該反應(yīng)物質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)品物質(zhì)進(jìn)出集流板或流場板，和進(jìn)出發(fā)生反應(yīng)的電催化層，可能穿過中間層。在一些實(shí)施方案中，GDL也是集流器，在這種情況下電子可以在GDL內(nèi)'平面內(nèi)，穿行.對于碳纖維型GDL,該纖維能夠取向，與織造材料(如碳纖維布)的情況一樣，或無規(guī)地取向，例如對于從各種長度的碳纖維的淤漿制造的碳纖維紙型產(chǎn)品的情況，并且蒸發(fā)并潛在地使淤漿中的樹脂碳化或甚至石墨化以便在碳纖維之間產(chǎn)生粘結(jié)，以使它們彼此粘附在一起，還有其它方法制備碳纖維型GDL，它們沒有在本文描述但在本領(lǐng)域中是巳知的。此外，還有也可用作GDL的具有高孔隙度和合適的擴(kuò)散特性的備選材料，例如金屬絲網(wǎng)和穿孔的石墨材料。(c)氣體擴(kuò)散阻隔層優(yōu)選將氣體擴(kuò)散阻隔層(GDB)層插入在液體阻隔層和陰極氣體擴(kuò)散層之間，雖然可將它插入在氣體擴(kuò)散層和氣化劑氣流通道之間。氣體阻隔層具有低的透氣性，也可以是疏水性的。該層的目的是在某種程度上限制水蒸氣從陰極催化劑層穿過該層到達(dá)氧化劑空氣流的擴(kuò)散速率，而且使得反應(yīng)物質(zhì)氧氣以足夠的擴(kuò)散率從氧化劑空氣流穿過這一層，穿過液態(tài)水阻隔層，穿過液態(tài)水分配層(如果存在)到達(dá)陰極催化劑層，以支持和維持該電化學(xué)反應(yīng)，由于水蒸氣和氧氣兩者的遷移機(jī)理是氣體擴(kuò)散，氣體擴(kuò)散阻隔層的擴(kuò)散性能可以約45-60攝氏度的燃料電池操作溫度為基礎(chǔ)加以最優(yōu)化。對燃料電池溫度的調(diào)節(jié)部分地操縱氣體穿過氣體擴(kuò)散阻隔層的擴(kuò)散速率。由于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)是放熱的，燃料電池通常利用冷卻機(jī)制(如熱交換到環(huán)境空氣)，以調(diào)節(jié)該燃料電池本身的溫度，氣體擴(kuò)散阻隔的概念已揭示于US專利6451470,"GasDiffusionElectrodewithReducedDiffusingCapacityforWaterandPolymerElectrolyteMembraneFuelCells"中,Koschany等，受讓人Magnet-MotorGesellschaftftirMagnetmotor，scheTechnikmbH(德國)。氣體擴(kuò)散阻隔層可以通過形成導(dǎo)電顆粒(如碳或石墨)的微孔層，以及使用粘結(jié)劑(例如一種或多種下列物質(zhì)PVDF、PTFE、FEP)來產(chǎn)生.產(chǎn)生氣體擴(kuò)散阻隔層的另一種方法是形成薄的導(dǎo)電膜，該膜在形成過程中有成孔劑包含在其中并且該成孔劑能夠在膜形成之后被除去，保留所需的擴(kuò)散率。本領(lǐng)域技術(shù)人員可使用其它方法來產(chǎn)生目標(biāo)擴(kuò)散率范圍。在一些實(shí)施方案中，將GDB施加于GDL，這限制氣體通過它的擴(kuò)散速率。與GDL相比，它具有極低的擴(kuò)散率.這種GDB能夠通過施涂碳、石墨和PTFE的混合物來形成，以致形成低孔體積分?jǐn)?shù)的子層(sublayer).GDB層抵抗水蒸氣的流動(dòng)，但允許氧氣有足夠的擴(kuò)散率穿越該層。GDB層具有與所需的電池操作電流密度和操作溫度有關(guān)的擴(kuò)散性能，如表I中所示<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>除前述之外，氣體阻隔層的總質(zhì)量遷移性能(overallmasstransportproperties)能被優(yōu)化在0.001-0.0015m/sec范圍內(nèi)，以大約50攝氏度的搮作燃料電池溫度為基礎(chǔ)。因此，所需的系統(tǒng)操作點(diǎn)(溫度、電流密度)用來確定所希望有的陰極氣體擴(kuò)散阻隔(GDB)層的水蒸氣質(zhì)量遷移系數(shù)范圍。上述內(nèi)容描述了單獨(dú)的LWB和GDB層在制造陰極中的使用。然而，這些單獨(dú)層的性能可結(jié)合在單個(gè)層中，例如，LWB/GDB油墨能在塑料試片上形成涂層，以制備具有LWD和GDB層的性能的單個(gè)層，或者，該LWD/GDB油墨能夠直接在GDL上形成涂層。實(shí)施例1描述了通過在氣體擴(kuò)散層上反復(fù)施涂該LWB/GDB油墨來形成此類層的優(yōu)選方法。(c)液態(tài)水分配(LWD)層將液態(tài)水分配層(如果存在)插入在陰極催化劑層和陰極液態(tài)水阻隔層之間。或者，它可以是陰極催化劑層本身的固有部分，典型地，液態(tài)水分配層對于液態(tài)水、水蒸氣和氣體(如氣氣)是可穿透的，但是具有比上述GDB層更低的孔隙度和更高的疏水性。這一層的目的是使液態(tài)水能夠在PEM的平面上側(cè)向運(yùn)動(dòng)(以低的平面內(nèi)流動(dòng)阻力)，通過大部分實(shí)現(xiàn)流體連通的較大直徑孔的結(jié)合體(combination),此類孔散布在該層內(nèi)的小的、高度疏水性孔的基體(matrix)內(nèi)或流動(dòng)通道內(nèi)，據(jù)此液態(tài)水移動(dòng)到催化劑層的區(qū)域中，這些區(qū)域處于PEM的高度透水性區(qū)域當(dāng)中的中間區(qū)域之中，陰極水從液體分配層流動(dòng)通過催化劑層和PEM到達(dá)陽極腔室，在那里該液態(tài)水可以參與燃料氧化反應(yīng)(對于甲醇的情況)并可能稀釋燃料本身。液態(tài)水分配層是導(dǎo)電性的并具有高的氣體擴(kuò)散率，使得反應(yīng)劑氣體物質(zhì)能夠遷移通過該層到催化劑層，以參與電化學(xué)反應(yīng)，該層一般是疏水性的，它使氣體能夠擴(kuò)散通過它、通過小孔隙的互連網(wǎng)絡(luò)(interconnectednetwork)，而且引導(dǎo)液態(tài)水到互連的較大疏水孔或通道(它們對于液態(tài)水具有較低的毛細(xì)管表面張力影響)的網(wǎng)絡(luò)和/或在該層內(nèi)所含的整體側(cè)向流動(dòng)通道.流動(dòng)通道也基本上是互連的，并擔(dān)當(dāng)液態(tài)水的收集容器(溝渠)。有效的平面內(nèi)液體滲透率應(yīng)該是lxi(r、2x10-lflcc/secPa。圖4顯示了可在LWD層的形成過程中產(chǎn)生的LWD液態(tài)水流動(dòng)通道的一個(gè)實(shí)例。液態(tài)水分配層貫通(through)流動(dòng)通道的概念的另一個(gè)實(shí)例描述于美國專利6，8卯，680"ModifiedDiffusionLayerforUseinaFuelCellSystem"(Beckmann等)和美國專利7，179，501"ModifiedDiffusionLayerforuseinaFuelCellSystem"(Beckmann等)中，兩者均已轉(zhuǎn)讓給MTIMicroFuelCells。LWD層與LWB層的區(qū)別特征是誘導(dǎo)水移動(dòng)通過該層本身所需要的壓力的大小。如果該層需要大量的水壓力來誘導(dǎo)液態(tài)水移動(dòng)，且沒有可用的路徑供液態(tài)水在此壓力下遷移，則壓力會(huì)積累到其會(huì)誘導(dǎo)水流過該層的程度。這樣的壓力對于LWD層通常是非常低的，并且實(shí)際上不能用于引導(dǎo)水通過PEM,通過工程設(shè)計(jì)的路徑，通過該P(yáng)EM本身或通過其它流動(dòng)通道。此外，此類LWD層通常具有高的擴(kuò)散或透氣性能，它不會(huì)充分減少水蒸氣通過該層的遷移率。相反地，LWB層需要更高的液態(tài)水壓力來誘導(dǎo)液態(tài)水移動(dòng)通過它，在液態(tài)水達(dá)到足夠的壓力來推動(dòng)它遷移通過LWB層之前，該水被引導(dǎo)通過較低流動(dòng)阻力通路，通過LWD層和通過PEM到達(dá)陽極。水滲透通過正常的PEM(如Nafion膜)和通過本文所公開的透水性PEM所需要的壓力是明顯不同的。Ren等人(WO2004/093231)公開了當(dāng)電池在100mA/cm2下操作時(shí)，3.2大氣壓(約50psi)的壓力用于Nafion112(2密耳或50微米厚度膜)。此外，Ren等人還公開ll,3大氣壓用于Nafio11in(7密耳或175微米厚度膜)。我們先前對于與實(shí)施例中的膜相類似的PEM已觀察到，150mA/cn^的操作電流需要100psi的壓力，以一些外部試驗(yàn)(即，沒有操作電池)為基礎(chǔ)。這些壓力對于常規(guī)的燃料電池設(shè)計(jì)可能是不切實(shí)際的。反之，獲得從陰極到陽極的足夠水流所需要的流體靜壓力高度取決于孔的尺寸、孔的分布(這些孔間隔多遠(yuǎn))、液體分配層的流動(dòng)阻力和電流密度(較低的電流需要較少的水流，因此需要較低的阻力和較低的壓力)，表II顯示了使用20微米厚的膜在150niA/cmZ下對于一組各種直徑的孔和對于各種孔間距而言的壓降。能夠容易地看出，更密集的較大孔需要更低的流體靜壓力跨過它們以實(shí)現(xiàn)所需的通過它們的水流速率，與從陰極到陽極的所需水流對應(yīng)(l/3的電化學(xué)方式產(chǎn)生的水加上全部電滲透阻礙(Electro-OsmoticDrag)(EOD)水，忽略由從陽極到陰極的曱醇擴(kuò)散所產(chǎn)生的水)。表II驅(qū)動(dòng)l/3的產(chǎn)物H20加上EOD從陽極到陰極所需要的貫穿平面(through-plane)壓降(kPa)對于150mA/cm2，20微米膜<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表III顯示了不同孔間距的最高的平面內(nèi)流動(dòng)阻滯壓力損失，取決于平面內(nèi)滲透性.孔的間距越大，壓力損失越高，表III在150mA/cn^下的最高平面內(nèi)壓力損失(kPa)液體分配層的平面內(nèi)液體滲透率(cc/secPa)孑L間多巨(mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>例如，在實(shí)施例2中的基于DM-2膜的MEA具有2微米孔和2mm孔間距.在150mA/cmZ下，推動(dòng)足夠的水穿過這些孔需要33kPa(4.8psi),此外，開裂的液態(tài)水分配層的平面內(nèi)滲透率是lx10-ie/(sec-Pa)，沒有任何開裂的層的滲透率是lxio'12cc/(sec-Pa)(較不優(yōu)選)。使用1xio"1cc/(sec-Pa)的中值，對于2mm孔間距而言的流過LDL的壓力損失是83kPa(12psi),推動(dòng)足夠的水的所需流體靜壓力合計(jì)116kPa(16.8psi).具有2mm間距的5微米孔的DM-2膜需要0.83kPa(0.12psi)。如果使用平面內(nèi)滲透率為lx10""cc/(sec-Pa)的開裂的LWD層，則需要另外8.3kPa(1.2psi)。在150mA/cm2的操作點(diǎn)，合計(jì)的這些將需要9.1kPa(1.32psi)的流體靜壓力以達(dá)到從陰極到陽極的足夠水流。最佳模式使用5微米孔，具有最優(yōu)化的LWD層和孔間距，大約需要不超過IOpsi的流體靜壓力來推動(dòng)水遷移跨過PEM,MEA實(shí)施方案在一個(gè)實(shí)施方案中，MEA具有包含以下部件的組合的陰極結(jié)構(gòu)(1)GDL;(2)氣體阻隔擴(kuò)散層，它對離開陰極的水蒸氣擴(kuò)散限制與到達(dá)陰極催化劑層以維持所需反應(yīng)的氧氣擴(kuò)散進(jìn)行平衡；(3)液態(tài)水阻隔層；(4)任逸的側(cè)向液態(tài)水遷移層；(5)陰極催化劑層和(6)PEM,PEM是透水的，且具有至少兩個(gè)區(qū)域，其中的一個(gè)區(qū)域具有高透水性，另一個(gè)具有低透水性，如圖3中所示。在另一個(gè)實(shí)施方案中，上述MEA可具有具備合理均勻的液態(tài)水滲透性和帶有橫穿該P(yáng)EM的液體通道的常規(guī)PEM,從而使得在陰極產(chǎn)生的水經(jīng)由此類通道與陽極燃料回路流體連通，例如如圖6中所示。在另外的實(shí)施方案中，流體通道與外部燃料反應(yīng)室(如燃料重整裝置)流體連通.在另一個(gè)實(shí)施方案中，MEA包含以下部件的組合(l)PEM,其具有高和低的液態(tài)水滲透性的區(qū)域，具有相對(opposing)的陽極和陰極表面；(2)導(dǎo)電性陰極液態(tài)水阻隔層；(3)陰極氣體擴(kuò)散阻隔層和(4)陰極氣體擴(kuò)散層，在該實(shí)施方案中，不存在前面所述的陰極液體分配層。PEM在其表面上具有高度水?dāng)U散性的充分良好分布的區(qū)域，使得液態(tài)水容易地通過下列中的一種或多種而遷移到這些區(qū)域催化劑層中的孔隙，液體阻隔層和催化劑層的界面附近的的孔隙，和/或催化劑層和液體阻隔層的界面處的孔隙。陰極催化劑層被插入在PEM的液體阻隔層和陰極表面之間，并具有足夠的透氣性和液體滲透性，從而既能進(jìn)行氣體擴(kuò)散以支持電化學(xué)反應(yīng)，又能使液態(tài)水滲透通過MEA的平面和進(jìn)行平面內(nèi)滲透到達(dá)PEM的高滲透區(qū)域，從而穿過PEM，以防止液態(tài)水在陰極上的積聚。與現(xiàn)有的實(shí)施方案相類似，將液態(tài)水阻隔層插入在催化劑層和氣體阻隔層之間；將氣體阻隔層插入在液體阻隔層和氣體擴(kuò)散層之間；將氣體擴(kuò)散層插入在氣體擴(kuò)散阻隔層和含有氧化劑反應(yīng)物質(zhì)的氣體流之間，在另一個(gè)實(shí)施方案中，MEA包含以下部件的結(jié)合(1)PEM,其具有相對均勻的液態(tài)水滲透性、具有相對的陽極和陰極表面；(2)任選的陰極液體分配層；(3)導(dǎo)電性陰極液態(tài)水阻隔層；(4)陰極氣體擴(kuò)散阻隔層和(5)陰極組件中的陰極氣體擴(kuò)散層和流體通道，它們與在陰極液體阻隔層和PEM之間的區(qū)段和陽極燃料回路兩者流體連通或與外部燃料反應(yīng)室流體連通。在又一個(gè)實(shí)施方案中，MEA包含透水性PEM(或標(biāo)準(zhǔn)PEM)和陰極，該陰極包含具有如以上所討論的和在實(shí)施例1中所述的LWB和GDB性能的單個(gè)層。該陰極可進(jìn)一步包含GDL和/或LWD層。水分配(waterdistribution)有兩種途徑可將液態(tài)水在MEA中引導(dǎo)，這些實(shí)施方案分成兩類a)穿過PEM的貫穿平面式(through-plane)水回收，和b)通過液態(tài)水流過沒有越過PEM的通道所進(jìn)行的側(cè)向水回收。表III總結(jié)了貫穿PEM式水回收(throughPEMwaterrecovery)的實(shí)施方案.表ra<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>表IV總結(jié)了側(cè)向水回收,表IV側(cè)向液態(tài)水回收(全部陰極側(cè)結(jié)構(gòu)特征)產(chǎn)生流動(dòng)通道，使水能移動(dòng)至陽極燃料流的方法經(jīng)由MEA的陰極側(cè)的側(cè)向水傳輸機(jī)構(gòu)(mechanism)-液體阻隔層或催化劑層中的開裂網(wǎng)絡(luò)，或插入在液體阻隔層和催化劑層之間的單獨(dú)層-催化劑層和液體阻隔層之間的界面粗糙度-在彼此之間的界面處或附近的催化劑層或液態(tài)水阻隔層中的結(jié)構(gòu)特征(壓花的、印刷的、劃痕的，等)。至單獨(dú)的液態(tài)水歧管的流體連接額外的流體歧管包含在燃料電池堆中，并且與MEA的陰極側(cè)的側(cè)向水傳輸機(jī)構(gòu)流體連通至入口或出口燃料流的流體連接MEA的陰極側(cè)的側(cè)向水傳輸機(jī)構(gòu)與燃料進(jìn)口流或出口流之一或兩者流體連通。就液體有機(jī)燃料電池(如DMFC)而言，可能有限制液體燃料直接潛在流入到MEA的陰極側(cè)的局限，MEA的陰極側(cè)上積聚水時(shí)，通過由液態(tài)水壓力的形成所產(chǎn)生的壓力來克服此類局限。貫穿PEM式液態(tài)水回收PEM膜可用于將水直接從陰極傳輸?shù)疥枠O。典型的PEM膜的滲透性不足以實(shí)現(xiàn)充分的液態(tài)水傳輸，制造特殊的PEM膜，其中特別薄的膜或具有高透水性能的膜可用于提供從陰極到陽極的水傳輸通道。但此類膜面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈円苍试S燃料從陽極到陰極的滲透.優(yōu)選兼有低和高的透水性能的PEM，更優(yōu)選PEM的少數(shù)表面區(qū)域具有高的滲透性能，進(jìn)一步優(yōu)選的是，將具有低和高的透水性能的PEM與包括液態(tài)水阻隔層和氣體阻隔層的陰極結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，PEM的高滲透性能可通過各種方式而產(chǎn)生。它們可通過PEM本身的形態(tài)而產(chǎn)生，當(dāng)它(PEM)通過聚合物本身的性能和制造方法的結(jié)合來制造時(shí)。它們也可通過將PEM聚合物與具有較高透水性能的另一種聚合物混合來產(chǎn)生并且制造成膜，使得第二種聚合物的性能存在于少數(shù)表面區(qū)域中。另一種方法可以是在膜的制造中使用成孔劑，在膜制造之后通過將膜暴露于溶劑中導(dǎo)致成孔劑進(jìn)入到溶液中而除去此類成孔劑。在一些情況下，成孔劑可溶于水本身中，其它方法可以是使用導(dǎo)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劑時(shí)在水中驟冷該膜，由此在更開放的狀態(tài)下凍結(jié)聚合物形態(tài)。可在制造過程中將膜雙軸拉伸，以產(chǎn)生孔隙率，此外，還有一些方式，其中在PEM的特定位置中可以產(chǎn)生小的流動(dòng)通道或孔，此類方法可包括靜電放電、機(jī)械穿孔、激光或其它處理。圖3顯示了小的流動(dòng)通道孔連通PEM的兩個(gè)主要表面的一個(gè)例子，該P(yáng)EM可以與具有不同性能的其它PEM層結(jié)合使用。兼有高和低的滲透性層的PEM可與其滲透性能不實(shí)質(zhì)性影響PEM層的透水特性的一個(gè)或多個(gè)層一起使用，例如US專利出版物2006/0068268中公開的粘合促進(jìn)層。相反地，具有高的透水性能的PEM可與具有低和高的透水性的區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)層結(jié)合使用，據(jù)此這些多區(qū)域?qū)涌刂扑┻^這些層的結(jié)構(gòu)體的有效滲透。貫穿式PEM水回收方法可使用側(cè)向液體分配層(雖然在一些實(shí)施方案中這不是必需的)，以促進(jìn)水移動(dòng)至PEM的具有高的透水性的區(qū)域。在有流動(dòng)通道貫穿PEM本身(從陰極到陽極)的情況中，希望有側(cè)向水流通道，以減少液態(tài)水移動(dòng)的流動(dòng)阻力到達(dá)該貫穿PEM式流動(dòng)通道區(qū)域，該液體分配層可以是單獨(dú)的層或它可以是催化劑層或液體阻隔層之一或兩者中的結(jié)構(gòu)特征(feature),或它可以是催化劑層和液體阻隔層之間的界面處的結(jié)構(gòu)特征，在貫穿PEM式水回收的另一個(gè)實(shí)施方案中，上述陰極結(jié)構(gòu)可與常規(guī)PEM—起使用，所述常規(guī)PEM只有一個(gè)高透水性區(qū)(連同實(shí)施有限制的燃料擴(kuò)散的陽極結(jié)構(gòu))，或在操作策略中，其中燃料濃度維持足夠低。在兩種選擇中，該設(shè)計(jì)或操作的策略是將在陽極-PEM界面處的燃料濃度限制到一定水平，據(jù)此燃料滲透率或燃料擴(kuò)散率足夠低，以致對燃料電池的電化學(xué)性能沒有顯著的不利影響，側(cè)向液態(tài)水回收在側(cè)向水回收途徑中，在陰極催化劑層處的液體殘余水被限制離開通過GDL進(jìn)入到陰極氧化劑空氣通道中，而是被液體阻隔層所引起的壓力推動(dòng)流向較低壓力的區(qū)段、穿過平面內(nèi)液體收集網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步被引導(dǎo)穿過通道而被再引入到陽極回路或用于其它目的.這能夠與上述氣體阻隔擴(kuò)散層、GDL、PEM和催化劑層相結(jié)合，可使用圖4中所示的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)經(jīng)由LWD的側(cè)向收集。液態(tài)水從陰極催化劑層出現(xiàn)，優(yōu)先地滲透進(jìn)入到液態(tài)水分配層的大孔中，并到達(dá)液體阻隔層。液態(tài)水首先填充可利用的大孔隙網(wǎng)絡(luò)，被液態(tài)水阻隔層阻止離開進(jìn)入到陰極通道。一旦液態(tài)水已經(jīng)填充了LWD層中的大孔隙網(wǎng)絡(luò)，它將隨著液體壓力升高而繼續(xù)隨后填充較小孔隙，或它將在LWD層邊緣處的收集點(diǎn)(如果提供的話)流出.液態(tài)水阻隔層的疏水性小孔中液態(tài)水的毛細(xì)壓力產(chǎn)生液態(tài)水壓力，氧氣能夠仍然擴(kuò)散穿過LWB層和任選的LWD層，到達(dá)陰極催化劑層，因?yàn)樵谝后w分配層和液態(tài)水阻隔層內(nèi)保留有小孔隙的實(shí)質(zhì)性互連網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由于需要較大的毛細(xì)壓力而沒有填充水。側(cè)向收集液態(tài)水要求一定體積分?jǐn)?shù)的液體分配層填充有水，且剩余體積分?jǐn)?shù)可用于氣體擴(kuò)散。如果該體積分?jǐn)?shù)太大，則將限制向催化劑層的氧氣擴(kuò)散，引起陰極質(zhì)量傳遞損失?？筛鶕?jù)材料的選擇、結(jié)構(gòu)的疏水性程度(液體流動(dòng)通道對氣體傳送通道的毛細(xì)壓力)、側(cè)向液態(tài)水遷移率和操作條件來憑經(jīng)驗(yàn)確定該體積分?jǐn)?shù)，在一些情況下，可省略液體分配層，如果它的功能可歸并入液態(tài)水阻隔層和催化劑層之一或兩者中。為了在實(shí)際電池區(qū)域的數(shù)厘米規(guī)模(multi-centhneterscale)上收集液態(tài)水但不產(chǎn)生足夠高以致?lián)p害MEA的液體壓力，液態(tài)水分配層必須具有相對高的平面內(nèi)液體滲透性.為了實(shí)現(xiàn)這樣的高的平面內(nèi)液體滲透性，這一層內(nèi)的大孔隙的互連網(wǎng)絡(luò)是必需的。此類孔隙網(wǎng)絡(luò)可通過數(shù)種方式來產(chǎn)生A)設(shè)計(jì)液態(tài)水分配層油墨配制劑和/或干燥和處理規(guī)范，以致于LWD層裂化成泥灘(mud-flat)裂隙模式。該裂隙然后產(chǎn)生有用的大"孔隙"互連網(wǎng)絡(luò)，B)印刷LWD層或催化劑層或以其它方式使LWD層或催化劑層產(chǎn)生圖案，以便產(chǎn)生大通道的網(wǎng)絡(luò)，以引導(dǎo)液態(tài)水a(chǎn)C)對LWD層進(jìn)行壓花或劃痕，以產(chǎn)生大通道的網(wǎng)絡(luò)，D)使用具有固有的大表面粗糙度的LWD層，以使得LWD層和陰極催化劑層之間的界面上產(chǎn)生大空隙的互連網(wǎng)絡(luò)，23為了促進(jìn)從水分配層之內(nèi)收集液態(tài)水，可能有用的是在電池邊緣提供結(jié)構(gòu)特征，這樣液體的平面內(nèi)滲透僅僅在最短的可能通道中是必需的.陰極電極組件的側(cè)向液態(tài)水收集結(jié)構(gòu)特征可用于將液態(tài)水引導(dǎo)至貫穿PEM高透水性區(qū)域.它也可用于將液體引導(dǎo)至流體通道，所述流體通道與陽極燃料流流體連通，此外它還可用于引導(dǎo)流體至流體通道，所述流體通道與外部(在燃料電池本身之外)燃料反應(yīng)器(在那里液態(tài)水可參與反應(yīng))流體連通，離子導(dǎo)電聚合物能夠用于制造本發(fā)明中使用的PEM的離子導(dǎo)電共聚物包括由式I表示的離子導(dǎo)電共聚物式I<formula>formulaseeoriginaldocumentpage24</formula>其中AivAr2、Ai"3和Ar4是芳族部分，其中至少一個(gè)An包含離子導(dǎo)電基團(tuán)，且至少一個(gè)Ar2包含離子導(dǎo)電基團(tuán)；T、U、V和W是連接部分；X獨(dú)立地是-O-或-S-;i和j獨(dú)立地是等于或大于1的整數(shù)；a、b、c和d是摩爾分?jǐn)?shù)，其中a、b、c和d的總和是1,a至少是0,3，b、c和d中的至少一個(gè)大于0;和m、n、o和p是表示共聚物中不同低聚物或單體的數(shù)量的整數(shù)，用于實(shí)施本發(fā)明的離子導(dǎo)電共聚物還可由式II表示式n<formula>formulaseeoriginaldocumentpage24</formula>苯、芳基腈和取代芳基腈；至少一個(gè)An包含離子導(dǎo)電基團(tuán)；至少一個(gè)Ar2包含離子導(dǎo)電基團(tuán)；T、U、V和W獨(dú)立地是鍵、-O-、-S-、-C(O)-、-S(O)r、X獨(dú)立地是-O-或-S-;i和j獨(dú)立地是等于或大于1的整數(shù)；a、b、c和dM爾分?jǐn)?shù)，其中a、b、c和d的總和是1，a至少是0.3，b、c和d中的至少一個(gè)大于0;和m、n、o和p是表示共聚物中不同低聚物或單體的數(shù)目的整數(shù)。Rt和R2是封端單體，其中Ri和R2中的至少一個(gè)存在于所述共聚物中，用于實(shí)施本發(fā)明的離子導(dǎo)電共聚物還能由式III表示式III[(An-T-)「Ar廣X-Ar2-U-ArrX-"(Ar3-V-)rAr3-X-Ar4-W-Ar4-X-"其中，An、Ar2、A。和Ar4獨(dú)立地是苯基、取代苯基、萘基、三聯(lián)苯、芳基腈和取代芳基腈；至少一個(gè)An包含離子導(dǎo)電基團(tuán)；至少一個(gè)Ar2包含離子導(dǎo)電基團(tuán)；其中T、U、V和W獨(dú)立地是鍵O、S、C(O)、S(02)、烷基、支鏈烷基、氟代烷基、支鏈氣代烷基、環(huán)烷基、芳基、取代芳基或雜環(huán)；X獨(dú)立地是-O-或-S-;i和j獨(dú)立地是等于或大于1的整數(shù)；a、b、c和d是摩爾分?jǐn)?shù)，其中a、b、c和d的總和是1，a至少是0.3,b、c和d中的至少一個(gè)大于0;和m、n、o和p是表示離子導(dǎo)電共聚物中不同低聚物或單體的數(shù)量的整數(shù)。在示例性實(shí)施方案中，b、c和d中的至少兩個(gè)大于0。在一些實(shí)施方案中，c和d大于0。在其它實(shí)施方案中，b和d大于O,在仍然另一個(gè)實(shí)施方案中，b和c大于0。在其它實(shí)施方案中，b、c和d中的每一個(gè)大于O.能用于本發(fā)明的離子導(dǎo)電共聚物包括公開于US專利申請No.10/438,186(2003年S月13日申請，標(biāo)題"磺化共聚物(SulfonatedCopolymer)"，公布號No.US2004-0039148Al,2004年2月26日出版)和US專利申請No.10/987,178(2004年11月12日申請，標(biāo)題"離子導(dǎo)電無規(guī)共聚物(IonConductiveRandomCopolymer)")中的無規(guī)共聚物以及公開于US專利申請No.10/438，299(2003年5月13日申請，標(biāo)題"磺化共聚物(SulfonatedCopolymers)",2004年7月1日公布，公布號No.2004-0126666)中的嵌段共聚物，其它離子導(dǎo)電共聚物包括公開于US專利申請No.10/987,951(2004年11月12日申請，標(biāo)題"含有一種或多種疏水性單體或低聚物的離子導(dǎo)電共聚物(IonConductiveCopolymersContainingOneorMoreHydrophobicMonomersorOligomers)")、US專利申請No.10/988,187(2004年11月11日申請，標(biāo)題"含有第一和第二疏水性低聚物的離子導(dǎo)電共聚物(IonConductiveCopolymersContainingFirstandSecondHydrophobicOligomers)"和US專利申請No.11/077,994(2005年3月11日申請)，標(biāo)題"含有一種或多種離子導(dǎo)電低聚物的離子導(dǎo)電共聚物(IonConductiveCopolymersContainingOneorMoreIonConductingOligomers)")中的低聚離子導(dǎo)電聚合物。通過引用將全部上述專利并本文，其它離子導(dǎo)電共聚物包括US專利申請No.60/684，412(2005年5月24曰申請，標(biāo)題"含有離子導(dǎo)電低聚物的離子導(dǎo)電共聚物(IonConductiveCopolymersContainingIon-ConductingOligomers)")、US專利申請No.60/685,300(2005年5月27日申請，標(biāo)題"離子導(dǎo)電共聚物的封端(EndCappingofIon-ConductiveCopolymers)")、US專利申請No.60/686,757(2005年6月1日申請，標(biāo)題"交聯(lián)離子導(dǎo)電共聚物(Cross-LinkedIon-ConductiveCopolymers)")、US專利申請No.60/686,663(2005年6月1日申請，標(biāo)題"包含離子導(dǎo)電聚合物和非導(dǎo)電聚合物的聚合物共混物(PolymerBlendComprisingIonConductivePolymerandNon-ConductivePolymers)")、US專利申請No.60/686,755(2005年6月1日申請，標(biāo)題"含有離子導(dǎo)電側(cè)基的離子導(dǎo)電共聚物(Ion-ConductiveCopolymersContainingPendantIonConductingGroups)，，)和US專利申請No.60/687,408(2005年6月2日申請，標(biāo)題"各向異性高分子電解質(zhì)膜(AnisotropicPolymerElectrolyteMembranes)"),能用于制備它們的其它離子導(dǎo)電共聚物和單體包括公開于美國專利申請No.09/872,770(2001年6月1日申請，公布號No.US2002-0127454Al，2002年9月12日出版)、美國專利申請No.10/351,257(2003年1月23曰申請，公布號No,US2003-0219640Al，2003年11月27日出版)、美國申請No.10/449,299(2003年2月20日申請，公布號No.US2003-0208038Al,2003年11月6日出版)中的那些，所述各申請通過引用并入本文.能夠被封端的其它離子導(dǎo)電共聚物制備自共聚用單體(如用于制備磺化三氟苯乙烯的那些單體(美國專利No.5，773，480)、酸-堿聚合物(美國專利No.6,300,381)、聚亞芳基醚砜(美國專利公開No.US2002/0091225A1);接枝聚苯乙烯(Macromolecules35:1348(2002));聚酖亞胺(美國專利No.6，586，561和J.Membr.Sci.160:127(1999))和日本專利申請NoJP2003147076和JP2003055457,通過引用將它們中的每一篇清楚地并入本文。雖然已結(jié)合亞芳基醚或硫醚聚合物的使用對能用于實(shí)施本發(fā)明的離子導(dǎo)電共聚物進(jìn)行了描述，但是能用于實(shí)施本發(fā)明的離子導(dǎo)電聚合物可含有脂族或全氟化脂族主鏈(例如Nafion)，或含有聚亞苯基、聚酰胺或聚苯并咪唑主鏈。離子導(dǎo)電基團(tuán)可以連接于骨架或可以側(cè)掛于主鏈，例如，經(jīng)由連接基連接于聚合物主鏈?；蛘?，離子導(dǎo)電基團(tuán)可作為聚合物的標(biāo)準(zhǔn)主鏈的一部分來形成。參見，例如，美國2002/018737781(2002年12月12日出版)，通過引用將其并入本文。任何這些離子導(dǎo)電低聚物可用于實(shí)施本發(fā)明.用于直接甲醇燃料電池的示例性離子導(dǎo)電嵌段共聚物具有下式其中，m是約10-約500;各X獨(dú)立地是0或l的整數(shù)；z是約10-約500;和n是約40-約4000,當(dāng)僅僅一種離子導(dǎo)電基團(tuán)存在于共聚單體中時(shí)，離子導(dǎo)電基團(tuán)的摩爾百分?jǐn)?shù)優(yōu)選為30%~70%,或優(yōu)選為40%~60%，最優(yōu)選為45%~55%,當(dāng)超過一種的導(dǎo)電基團(tuán)包含在該離子導(dǎo)電單體中時(shí)，此類百分?jǐn)?shù)乘以每個(gè)單體的離子導(dǎo)電基團(tuán)的總數(shù)。因此，對于包舍兩個(gè)磺酸基的單體而言，磺化率優(yōu)選是60-140%,更優(yōu)選80-120%,最優(yōu)選卯-110%,或者，離子導(dǎo)電基團(tuán)的量可通過離子交換容量(IEC)來測量，作為比較，Nafion典型地具有0.9meq/g(毫克當(dāng)量/克)的離子交換容量.在本發(fā)明中優(yōu)選的是，IEC為0.93.0meq/g，更優(yōu)選為1.0~2.5meq/g，最優(yōu)選為1.6~2.2meq/g.在優(yōu)選的實(shí)施方案中，a是0.7,b是0.3.聚合物膜可以通過離子導(dǎo)電共聚物的溶液流延法制造?；蛘?，聚合物膜可以通過溶液流延該離子導(dǎo)電聚合物和酸及堿聚合物的共混物來制備，當(dāng)流延成膜，供在燃料電池中使用時(shí)，膜厚度優(yōu)選為0.1~10密耳，更優(yōu)選為0.25~6密耳，最優(yōu)選低于2.5密耳，并且可將它涂覆在聚合物基材上。如本文所使用的，如果質(zhì)子通量大于約0.005S/cm,更優(yōu)選大于0.01S/cm，最優(yōu)選大于0.02S/cm，則膜是可滲透質(zhì)子的。如本文所使用的，如果跨過具有給定厚度的膜的甲醇運(yùn)輸?shù)陀诳邕^同樣厚度的Nafion⑧膜的曱醇轉(zhuǎn)輸，則膜基本上是不滲透甲醇的，在優(yōu)選實(shí)施方案中，甲醇滲透性優(yōu)選比Nafion膜的甲醇滲透性低50%,與Nafion膜相比，更優(yōu)選4氐75%，最優(yōu)選低大于80%。離子導(dǎo)電共聚物已形成膜之后，它可用于制備催化劑涂布膜(CCM),如本文所使用的，當(dāng)PEM的至少一側(cè)(優(yōu)選兩個(gè)相對側(cè))部分地或完全地涂有催化劑時(shí)，CCM包含PEM。該催化劑優(yōu)選是由催化劑和離聚物組成的層。優(yōu)選的催化劑是Pt和Pt-Ru.優(yōu)選的離聚物包括Nafion和其它離子導(dǎo)電聚合物.一般地，使用充分確立的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)將陽極和陰極催化劑施涂到該膜上。對于直接甲醇燃料電池，鉑/釕催化劑典型地在陽極側(cè)上使用，而鉑催化劑施涂在陰極側(cè)上.對于氫氣/空氣或氫氣/氧氣燃料電池，一般將鉑施涂在陽極和陰極側(cè)。催化劑可以任選地?fù)?dān)栽在碳的任一側(cè)或兩側(cè)上，催化劑最初被分散在少量的水中(lg水中有約100mg催化劑)，向該分散體中加入5%的離聚物在水/乙醇中的溶液(0.25~0.75g),所得分散體可以直接涂覆到聚合物膜上，或者，加入異丙醇(l3g),將分散體直接噴涂到膜上，還可以通過描述于公開文獻(xiàn)(ElectrochimicaActa,40:297(1995))中的貼花轉(zhuǎn)印(decaltransfer)將催化劑施涂到膜上?；蛘撸芍苯訉⒋呋瘎┖碗x聚物施涂到陽極和陰極結(jié)構(gòu)的任一個(gè)或兩者上，并且使用熱和壓力能將這些與PEM結(jié)合，形成MEA,催化劑和離聚物根據(jù)它們對于陽極或陰極的預(yù)期功能來進(jìn)行選擇，并且可如前面所迷加以施涂。取決于燃料電池的具體應(yīng)用，可將許多電池組合而獲得合適的電壓和功率輸出，此類應(yīng)用包括住宅、工業(yè)、商業(yè)供電系統(tǒng)的電力來源，并且可用于機(jī)車電力(如用于汽車中).本發(fā)明發(fā)現(xiàn)的具體用途的其它應(yīng)用包括燃料電池在便攜式的電子設(shè)備(如移動(dòng)電話)和其它通信設(shè)備、視頻和音頻消費(fèi)電子設(shè)備、膝上型計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)和其它計(jì)算設(shè)備、GPS設(shè)備等中的使用，另外，燃料電池可以堆疊(stacked)以提高電壓和電流容量，用于高功率的應(yīng)用，如工業(yè)和住宅下水道供電或用于為車輛提供動(dòng)力.此類燃料電池結(jié)構(gòu)包括公開于美國專利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。此類CCM和MEA—般用于燃料電池，例如公開于美國專利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，通過引用將所述專利中的每一篇清楚地并入本文.本發(fā)明的CCM和MEA還可用于本領(lǐng)域已知的氫燃料電池中。實(shí)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，通過引用將所迷專利中的每一篇清楚地并入本文。實(shí)施例1(a)陰極用LWB/GDB層油墨可使用各種方法來制備陰極。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用施涂于氣體擴(kuò)散層(如碳纖維紙)上的阻隔層油墨來形成陰極，該油墨形成同時(shí)具有液態(tài)水阻隔層和氣體擴(kuò)散阻隔層的目標(biāo)特性的阻隔層.以下給出了制備LWB/GDB層油墨的一種方法。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員可使用另選的方法和材料。使用表面活性劑將非極性的石墨顆粒懸浮在(極性)水溶液中。對石墨混合物進(jìn)行超聲處理，以確保顆粒的聚集體被破碎。在超聲處理之后加入Teflon和羥乙基纖維素，因?yàn)檫@兩種化合物的性能在超聲處理過程中潛在地改變。將50.0g的3%TMN-100表面活性劑溶液(優(yōu)選通過混合約250g水與約7.73gTergitolTMN-100卯％AQ溶液而制得)與14.03g的石墨混合。使用清潔的刮勺來破碎石墨，直至混合物完全均勻，將混合物置于冰浴中，用棒形超聲波儀(rodsonicator)(例如HielscherUP200S)在100%功率，70%負(fù)栽周期下進(jìn)行超聲處理3分鐘.在超聲處理后，將混合物從冰浴中移出。將磁力攪拌棒(例如約3.75cm長，質(zhì)量-9g)加入到油墨混合物中。通過從500ml罐中潷析，將Teflon(23.38g)加到混合物中，將混合物在磁力攪拌板上攪拌5分鐘，加入Natrosol(0.254g)，使得Natrosol的細(xì)粉塵落入該油墨中，在使用之前攪拌油墨至少30分鐘。(b)油墨在氣體擴(kuò)散層紙上的施涂以下是將陰極油墨施涂在棵露碳纖維紙(CFP)上的實(shí)施例，可使用諸如絲網(wǎng)印刷或刮刀涂布的其它方法將油墨施涂到多孔GDL材料(如CFP)上。將GDL(例如SGL24BA)碳纖維紙切成標(biāo)準(zhǔn)的樣品尺寸并稱重。使用合成硬毛刷按重質(zhì)涂層(heavycoats)將油墨施涂到GDL條材上.在刷子上施加輕微壓力，均勻地施涂涂層，SGL24BA破紙是非常多孔的，且油墨的第一道涂層將典型地"滲過"CFP而到達(dá)涂漆表面上。板上的各樣品接收一道涂層之后，將其轉(zhuǎn)移到設(shè)定于70X:的對流烘箱中放置至少6分鐘.以上一個(gè)涂覆步驟再重復(fù)三次，從而各樣品具有總共四道油墨涂層。在各道涂層之間將樣品放入到701C烘箱中干燥。然后將樣品轉(zhuǎn)移到高溫對流烘箱中的不銹鋼架上，以進(jìn)行分解和燒結(jié)，在樣品處于烘箱中之后，溫度緩慢提高至300X:并在3001C下保持30分鐘。然后升高溫度至350t;并在350t)下保持15分鐘，然后將溫度緩慢降至約50X:，取出樣品，樣品具有約10mg/cm"由墨荷栽量。重復(fù)分解/燒結(jié)操作。實(shí)施例2構(gòu)建下列燃料電池，并試驗(yàn)超過500小時(shí)。電池設(shè)計(jì)包括(1)燃料電池技術(shù)單電池(FuelCellTechnologiesSingleCell),26c加2有效面積；(2)PolyFue，DM-2-20-HB膜；(3)按照實(shí)施例1中所述方法制備的具有催化劑層的陰極JMHiSpec9000催化劑，1.62mg/cm2Pt荷栽量；和(4)陽極JMFC陽極P/NELE0069,操作條件是ISOmA/cm2;50C，燃料1M甲醇溶液(處于1.8ml/min);氣流2標(biāo)準(zhǔn)升/分種；每日每12小時(shí)停工30分鐘。圖6顯示，被動(dòng)水回收MEA的特性足以用于實(shí)際的燃料電池設(shè)備.圖7顯示，此類特性特征保持穩(wěn)定超過500小時(shí)的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。在右手垂直軸上測量的水遷移率保持穩(wěn)定，電池高頻電阻(HFR)也如此。該電池包含每2毫米間隔具有2微米激光鉆孔的PEM.按離開的水與電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的水的比率所測量，來自陰極的凈水遷移率是0.65，這提供足夠的被動(dòng)水回收，以允許陽極反應(yīng)和來自陽極燃料回路中的任何額外水損失，包括從陽極到陰極的水(與質(zhì)子相結(jié)合)的電滲透阻礙，3權(quán)利要求1.包含離子導(dǎo)電聚合物的高分子電解質(zhì)膜(PEM)，其中所述PEM具有陰極和陽極表面，且其中所述PEM進(jìn)一步包含從所述陰極表面延伸到所述陽極表面的通道。2.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道處于跨過所述PEM的預(yù)定位置.3.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道基本上垂直于所述陰極和陽極表面。4.權(quán)利要求1的PEM，其中所述PEM具有10-200微米的厚度，5.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道具有IO微米或更少的橫截面。6.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道具有5微米或更少的橫截面。7.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道彼此間隔約0.1-20毫米。8.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道通過激光形成。9.權(quán)利要求1的PEM，其中所述通道是截頭錐形的，10.包含權(quán)利要求1所述PEM的催化劑涂布膜(CCM),11.包含權(quán)利要求1所述PEM的膜電極組件。12.包含權(quán)利要求11所述MEA的燃料電池。13.陰極，它包含(a)氣體擴(kuò)散阻隔(GDB)層，和(b)液態(tài)水阻隔(LWB)層其中所述GDB層包含疏水性孔，任選是導(dǎo)電性的，且允許氧氣的擴(kuò)散并阻止水蒸氣流動(dòng)跨過所述層；其中所述LWB層包含疏水性孔，是導(dǎo)電性的，且允許氧氣擴(kuò)散并，阻止液態(tài)水流動(dòng)跨過所述層，14.包含具有氣體擴(kuò)散阻隔(GDB)層性能和液態(tài)水阻隔(LWB)層性能的層的陰極，其中所述層包含疏水性孔，任選是導(dǎo)電性的，允許氧氣擴(kuò)散跨過所述層，并阻止液態(tài)水和水蒸汽的流動(dòng).15.權(quán)利要求14的陰極，其進(jìn)一步包含氣體擴(kuò)散層(GDL),16.權(quán)利要求13或14的陰極，其進(jìn)一步包含(c)包含疏水性孔的液態(tài)水分配(LWD)層，其中所述層是導(dǎo)電性的，并允許液態(tài)水流動(dòng)穿過或跨過所述層。17.陰極，它包含(a)氣體擴(kuò)散層(GDL)和(b)氣體擴(kuò)散阻隔(GDB)層，其中所述GDL任選是導(dǎo)電性的，且允許氣體流動(dòng)跨過所述層，且其中所述GDB層包含疏水性孔，任選是導(dǎo)電性的，允許氧氣擴(kuò)散并阻止水蒸氣流動(dòng)跨過所述層。18.權(quán)利要求17的陰極，其進(jìn)一步包含(c)液態(tài)水阻隔(LWB)層，其中所述LWB層包含疏水性孔，是導(dǎo)電性的，允許氧氣擴(kuò)散并阻止液態(tài)水流動(dòng)跨過所迷層。19.權(quán)利要求18的陰極，其進(jìn)一步包含(d)液態(tài)水分配(LWD)層，其是導(dǎo)電性的，允許液態(tài)水流動(dòng)穿過或跨過所述層。20.陰極，它包含(a)液態(tài)水阻隔(LWB)層，和(b)液態(tài)水分配(LWD)層其中所述LWB層包含疏水性孔，是導(dǎo)電性的，允許氧氣擴(kuò)散跨過所述層并阻止液態(tài)水的流動(dòng)；其中所迷LWD層是導(dǎo)電性的，允許液態(tài)水流動(dòng)穿過或跨過所述層。21.陰極，其包舍權(quán)利要求13-20中任一項(xiàng)所述的陰極和催化劑層。22.膜電極組件(MEA)，它包含(a)催化劑涂布膜(CCM)，其包含高分子電解質(zhì)膜(PEM)和催化劑層；和(b)權(quán)利要求13至20中任一項(xiàng)所述的陰極，23.膜電極組件(MEA)，它包含PEM和權(quán)利要求21的陰極。24.權(quán)利要求22或23的MEA,其中所述PEM包含權(quán)利要求1所述的PEM。25.燃料電池，其包含權(quán)利要求22、23或24的MEA。26.電子設(shè)備、系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、電源或車輛，其包含權(quán)利要求25的燃料電池。27.燃料電池系統(tǒng)，它包含(a)燃料源，(1))權(quán)利要求25的燃料電池，和(c)與所迷燃料源和所述燃料電池的陽極側(cè)流體連通的陽極回路。28.權(quán)利要求27的燃料系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含與LWB層和所迷PEM的陰極表面之間的區(qū)域流體連通的導(dǎo)管。29.權(quán)利要求28的燃料電池系統(tǒng)，其中所導(dǎo)管還與所述陽極回路流體連通，30.權(quán)利要求28的燃料電池系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)管還與外部反應(yīng)器流體連通。31.制備透水性高分子電解質(zhì)膜(PEM)的方法，它包括將PEM穿孔，以在所述PEM的陽極和陰極表面之間形成通道.32.制造透水性高分子電解質(zhì)膜(PEM)的方法，它包括從離子導(dǎo)電聚合物和poragen制備PEM,用所述poragen可溶于其中的溶劑處理所形成的PEM，以在所述PEM的陽極和陰極表面之間形成通道。全文摘要利用MEA的陰極側(cè)上各層的設(shè)計(jì)和PEM的設(shè)計(jì)從高分子電解質(zhì)膜的陰極側(cè)被動(dòng)回收液態(tài)水，這可用于供應(yīng)水，以支持在燃料電池內(nèi)部或外部的化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，以支持陽極反應(yīng)物的增濕或水合，或支持高分子電解質(zhì)膜在其主要表面上的水合，或它們的一些組合。液態(tài)水的此類被動(dòng)回收可通過減少或省略陰極液態(tài)水回收設(shè)備來簡化燃料電池發(fā)電機(jī)。文檔編號H01M8/10GK101536237SQ200780041447公開日2009年9月16日申請日期2007年11月6日優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日發(fā)明者A·莫斯曼,B·威爾斯,H·沃斯,R·巴頓申請人:復(fù)合燃料公司