燃料电池中的图案化催化剂层的制作方法

1.本公开涉及燃料电池中的催化剂层的催化剂材料，例如燃料电池中的图案化催化剂层。


背景技术：

2.燃料电池已经显示出作为车辆和其它运输应用的替代电源的前景。燃料电池与可再生能源载体，如氢气一起工作。燃料电池还可在没有有毒排放和温室气体的情况下工作。该清洁和可持续技术的广泛采用和使用的当前限制之一是催化剂(例如铂催化剂)的相对昂贵的成本，其存在于燃料电池的阳极和阴极两者的催化剂层中。另外，由于燃料电池中工作条件的改变，催化剂纳米颗粒易于生长，这不利地影响了催化剂纳米颗粒和燃料电池的性能。


技术实现要素：

3.根据一个实施方案，公开了具有图案化催化剂层的燃料电池。所述燃料电池可以包括流场板，其具有至少一个通道和至少一个槽脊，其中所述至少一个通道的每一个位于两个相邻槽脊之间。所述燃料电池可以进一步包括气体扩散层(gdl)，其位于流场板和催化剂层之间。所述催化剂层可包括与所述至少一个通道对准的第一区域和与所述至少一个槽脊对准的第二区域。所述第一区域可以包括通过第一催化剂载体负载的第一催化剂组合物，所述第二区域可以包含通过第二催化剂载体负载的第二催化剂组合物。在一个实例中，所述第一催化剂组合物是pt纳米颗粒，所述第二催化剂组合物是pt-m合金，其中m是不同于pt纳米颗粒的金属纳米颗粒。在另一个实例中，所述第一催化剂组合物是pt纳米颗粒，且所述第一催化剂载体包含第一碳材料，并且所述第一区域具有第一pt/c比率。此外，所述第二催化剂组合物是pt纳米颗粒，且所述第二催化剂载体包含第二碳材料，并且所述第二区域具有不同于第一pt/c比率的第二pt/c比率。在又一个实例中，所述第一催化剂组合物包含具有第一粒度的第一催化剂，所述第二催化剂组合物包含具有不同于第一粒度的第二粒度的第二催化剂。在再一个实例中，所述第一催化剂载体包含具有第一疏水性的第一碳材料，所述第二催化剂载体包含具有不同于第一疏水性的第二疏水性的第二碳材料。
4.根据另一个实施方案，公开了具有图案化催化剂层的燃料电池。所述燃料电池可以包括流场板，其具有至少一个通道和至少一个槽脊，其中所述至少一个通道的每一个位于两个相邻槽脊之间。所述燃料电池可以进一步包括气体扩散层(gdl)，其位于流场板和催化剂层之间。所述催化剂层可以包括与所述至少一个通道对准的第一区域和与所述至少一个槽脊对准的第二区域。所述第一区域可以具有第一离聚物/c比率，所述第二区域可以具有不同于所述第一离聚物/c比率的第二离聚物/c比率。所述第一离聚物/c比率可以在0.1至2的范围内，所述第二离聚物/c比率可以在0.1至2的范围内。所述第二离聚物/c比率可以高于所述第一离聚物/c比率。所述第一区域可以包含第一离聚物，所述第一离聚物选自全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸盐和nafion。所述第二区域包含第二离聚物，所述第二离聚物
选自全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸盐和nafion。
5.根据又一个实施方案，公开了具有图案化催化剂层的燃料电池。所述燃料电池可以包括流场板，其具有至少一个通道和至少一个槽脊，其中所述至少一个通道的每一个位于两个相邻槽脊之间。所述燃料电池可以进一步包括气体扩散层(gdl)，其位于流场板和催化剂层之间。所述催化剂层可以包括与所述至少一个通道对准的第一区域和与所述至少一个槽脊对准的第二区域。所述第一区域可以具有第一孔隙率，所述第二区域可以具有不同于所述第一孔隙率的第二孔隙率。所述第二区域可以进一步包含支架剂(scaffolding agent)，其可以是沸石、陶瓷填料或金属有机框架(mof)。所述沸石可以是但不限于分子筛和na2o-al2o
3-sio
2-h2o化合物。所述陶瓷填料可以是但不限于二氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)、氧化锡(sno)、氧化钛(iii)(ti2o3)、氧化钛镁(mgti2o
5-x
，0 ≤ x ≤ 5)、氮化钛(tin)和碳化钨(wc)。mof可以是但不限于uio-66(so3h)2。
附图说明
6.图1描绘了pem燃料电池的示意性侧视图。
7.图2描绘了pem燃料电池的示意性透视图。
8.图3描绘了说明pem燃料电池中的流场板的三个不同区域上的pt催化剂纳米颗粒的降解程度的图像。
9.图4描绘了pem燃料电池中的图案化催化剂层的示意性截面图。
10.图5a描绘了用于制备pem燃料电池中的图案化催化剂层的印刷法的示意性截面图。
11.图5b描绘了图5a的印刷法的示意性顶视图。
12.图6描绘了用于制备pem燃料电池中的图案化催化剂层的机器人浇铸法。
具体实施方式
13.下文描述本公开的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅是实例，并且其它实施方案可以采取各种和替代的形式。附图不必是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化，以示出组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员以各种方式使用这些实施方案的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施方案。所示特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施方案。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于应用或实施而言可能是所希望的。
14.本公开不限于下面描述的特定实施方案和方法，因为特定的组件和/或条件当然可以变化。另外，本文使用的术语仅以描述本公开的实施方案为目的，并不旨在以任何方式进行限制。
15.本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括多数的所指对象，除非上下文中另外有明确说明。例如，以单数形式提及组件旨在包括多个组件。
16.与一个或多个实施方案相关的适用于给定目的一组或一类材料的描述意味着该
组或该类的任何两个或更多个成员的混合物是合适的。化学术语中的成分描述是指在加入到说明书中列举的任何组合中时的成分并且不必排除一旦混合后混合物的成分之间的化学相互作用。
17.除了明确指出之处，本说明书中所有表示尺寸或材料性能的所有数值量都应理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”修饰。
18.首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用，并且加以必要的修正适用于最初定义的缩写的正常语法变化。除非明确地相反说明，否则性能的测量是通过与先前或稍后针对相同性能所引用的相同技术来测定的。
19.术语“基本上”在本文中可用于描述所公开或要求保护的实施方案。术语“基本上”可以修饰在本公开中所公开或要求保护的任何值或相对特性。“基本上”可表示其修饰的值或相对特性在所述值或相对特性的
±
0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％之内。
20.详细参考发明人已知的组合物、实施方案和实施方案的方法。然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的实例，其可以以各种和替代的形式来实施。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制性的，而是仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。
21.聚合物电解质膜(pem)燃料电池显示出作为能源生产和消耗的替代解决方案的巨大潜力。特别地，pem燃料电池正被开发为用于汽车应用的电源。然而，广泛采用需要进一步研究降低燃料电池中使用的催化剂如铂(pt)催化剂的寿命和成本降低。
22.典型的单pem燃料电池由pem、阳极层、阴极层和气体扩散层构成。这些组件形成膜电极组装件(mea)，该膜电极组件被两个流场板包围。在所有mea组件中，由于必须在阳极层和阴极层两者中使用pt，因此存在于阳极层和阴极层两者中的催化剂通常是最昂贵的成分。在阳极层，pt催化剂催化氢氧化反应(hor，h2ꢀ→ꢀ
2h
+ + 2e-)，其中h2被氧化以生成电子和质子(h
+
)；在阴极层，pt催化剂催化氧还原反应(orr，
½o2 + 2h
+ + 2e-ꢀ→ꢀ
h2o)，其中o2与h
+
反应并被还原形成水。
23.在pem燃料电池正常工作过程中，由于pem燃料电池中工作条件的动态变化，pt催化剂纳米颗粒的尺寸可能增长。所述pt催化剂纳米颗粒的生长可导致电化学表面积(ecsa)的损失，这会对hor和/或orr产生不利影响，并因此导致pem燃料电池性能劣化。具体而言，工作参数，例如工作电势、水分含量、温度或压力是影响pt催化剂纳米颗粒生长的常见因素。
24.例如，在pem燃料电池的启动阶段期间，尤其是在长时间停工之后，高的阴极超电势可导致质子(h
+
)从阳极层被吸引到阴极层以发生orr。这可能需要阳极层中的碳载体的碳材料与水反应以生成质子。当没有足够的燃料供应到pem燃料电池时(即在燃料匮乏期间)，也可发生类似现象。在此包括反应(1)和(2)，以说明在水存在下碳氧化以生成质子，其中she代表标准氢电极：c + 2h2o
ꢀ→ꢀ
co
2 + 4e
‑ꢀ
+ 4h
+
，相对于she而言~1.2v
ꢀꢀꢀꢀ
(1)c + h2o
ꢀ→ꢀ
co + 2e
‑ꢀ
+ 2h
+
，相对于she而言~1.2v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)因此，在数次启动和/或停工过程之后，pem燃料电池可能遭受碳腐蚀，这可导致pt催化剂溶解和ecsa损失。所得的多孔碳载体可能最终分解或塌陷。
25.另一方面，当pem燃料电池在不同工作条件下平衡了动态负载时，所述pem燃料电池的电池电压可以从低电势(例如相对于she而言约0.6v)变为高电势(例如相对于she而言约0.9v)或者甚至达到开路电压(例如相对于she而言约1.0-1.2 v)。由于电压循环而引起的重复氧化和还原也可导致pt催化剂溶解和甚至再沉积为pt0，这可诱导pt催化剂纳米颗粒粗化(即奥斯瓦尔德熟化)并在pem燃料电池中形成pt带。以下包括几个相关反应：pt
ꢀ→ꢀ
pt
2+ + 2e-, 相对于she而言~1.19 v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)pt + h2o
ꢀ→ꢀ
pto + 2h
+ + 2e-, 相对于she而言~0.98 v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)pto + h2o
ꢀ→ꢀ
pto
2 + 2h
+ + 2e-, 相对于she而言~1.05 v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)pto
2 + h2o
ꢀ→ꢀ
pto
3 + 2h
+ + 2e-, 相对于she而言~2.00 v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)pto + 2h
+ →ꢀ
pt
2+ + h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)pto
2 + 4h
+ + 2e
‑ꢀ
→ꢀ
pt
2+ + 2h2o, 相对于she而言~0.83 v
ꢀꢀꢀꢀ
(8)除了pem燃料电池的工作条件外，ecsa上不均匀的催化剂分布也可影响pem燃料电池的性能。例如，对于25 cm2的pem燃料电池，pt催化剂纳米颗粒在pem燃料电池中的ecsa上表现出不同程度的颗粒生长和降解。
26.因此，需要在维持pem燃料电池性能的同时使pt催化剂纳米颗粒的降解，包括pt催化剂纳米颗粒的生长、溶解和ecsa损失最小化。本公开的各方面涉及pem燃料电池的催化剂层，其具有基于pem燃料电池的流场几何形状的图案化催化剂材料。在第一实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中的催化剂组合物是不同的。在第二实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中pt/c比率是不同的。在第三实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中的离聚物/c比率是不同的。在第四实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中的催化剂粒度是不同的。在第五实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中的碳载体的疏水性是不同的。在第六实施方案中，基于pem燃料电池的流场几何形状，在催化剂层的不同区域中的孔隙率是不同的。
27.图1描绘了pem燃料电池10的示意性侧视图。所述pem燃料电池10可以堆叠以形成燃料电池堆组装件。燃料电池10包括聚合物电解质膜(pem)12、阳极层14、阴极层16、阳极气体扩散层(gdl)18和阴极gdl 20。所述pem 12位于阳极层14和阴极层16之间。阳极层14位于阳极gdl 18和pem 12之间，阴极层16位于阴极gdl 20和pem 12之间。另外，pem 12、阳极14、阴极16以及阳极和阴极gdl 18和20包括膜电极组装件(mea)22。催化剂材料如铂(pt)包含在阳极层14和阴极层16中。所述催化剂材料负载在催化剂载体上。
28.另外，mea 22的第一侧24由阳极流场板28界定，而mea 22的第二侧26由阴极流场板30界定。阳极流场板28包括阳极流场32，其配置为将h2分配给mea 22。阴极流场板30包括阴极流场34，其配置为将o2分配给mea 22。
29.图2描绘了pem燃料电池50的示意性透视图。如图2所示，pem燃料电池50包括阳极层54和阴极层56，且pem 52位于阳极层54和阴极层56之间。pem燃料电池50还包括阳极gdl 58和阴极gdl 60。此外，pem燃料电池50包括由阳极gdl 58界定的阳极流场板(未示出)和由第二gdl 60界定的阴极流场板62。另外，阳极流场板和阴极流场板的每一个都包括流场，所述流场具有至少一个通道和至少一个用于向pem燃料电池50供应反应物(即h2或o2)的槽脊。
30.例如，位于pem燃料电池50的阴极侧的阴极流场板62包括阴极流场64。阴极流场64
包括至少一个通道66和至少一个槽脊68。所述至少一个通道66的每一个均位于两个相邻的槽脊68之间(即所述至少一个通道66的每一个和所述至少一个槽脊68的每一个在阴极流场64的宽度上交替布置)。如图2所示，阴极流场64的流场几何形状是蜿蜒的。然而，本公开不限于这一流场几何形状。其它流场几何形状可以并入pem燃料电池中，包括但不限于平行或螺旋的流场几何形状。
31.另外，所述至少一个通道66可具有任何合适的宽度、截面积、深度、形状和/或构造以沿其长度分配反应物(即o2)。类似地，所述至少一个槽脊68也可具有任何合适的宽度、截面积、高度、形状和/或构造。在一个实施方案中，所述至少一个通道66可以均匀地分布在阴极流场板62的宽度上，相应地，所述至少一个槽脊68也可具有均匀的宽度。在另一实施方案中，所述至少一个通道66可以不均匀地分布在阴极流场板62的宽度上，以使得所述至少一个槽脊68也可以具有不均匀的宽度。
32.图3描绘了说明pem燃料电池中的流场板的三个不同区域上的pt催化剂纳米颗粒的降解程度的图像。图3示出了在pem燃料电池的寿命开始(bol)阶段和寿命结束(eol)阶段的pt催化剂纳米颗粒的降解。从左到右，这三个不同的区域分别是(a)气体出口附近，(b)气体出口和气体入口之间的区域和(c)气体入口。另外，通过pt催化剂纳米颗粒的尺寸指示在bol或eol阶段的每个位置的pt催化剂降解的降解程度。
33.参照图3，在eol阶段的pt催化剂纳米颗粒的尺寸通常大于在bol阶段的那些。基于pt催化剂纳米颗粒的尺寸，eol阶段的pt催化剂纳米颗粒的ecsa可能低至bol阶段的70％，相应地，pem燃料电池的性能从bol阶段起可能下降约20％。另外，在eol阶段，气体出口附近的pt催化剂纳米颗粒的尺寸大于气体入口附近以及气体出口和气体入口之间的区域中。这表明pt催化剂纳米颗粒在气体出口附近更容易降解。具体而言，在eol阶段，流场板的槽脊区域的pt催化剂纳米颗粒的降解比通道区域更大。因此，为了提高pem燃料电池的性能，基于pem燃料电池中的流场板的流场几何形状，可以将不同的催化剂材料应用于催化剂层。
34.图4描绘了pem燃料电池中的图案化催化剂层的示意性截面图。如图4所示，催化剂层80位于pem 82与气体扩散层84之间，且气体扩散层84由流场板86(例如双极板)界定。流场板86具有流场几何形状，其包括至少一个通道88和至少一个槽脊90。如图2所示，所述至少一个通道88的每一个位于两个相邻的槽脊90之间。另外，流场几何形状可以是但不限于蜿蜒、平行或螺旋的构造。另外，所述至少一个通道88可具有任何合适的宽度、截面积、深度、形状和/或构造以沿其长度分配反应物(即h2或o2)。类似地，所述至少一个槽脊90也可具有任何合适的宽度、截面积、高度、形状和/或构造。
35.为了提高pem燃料电池的性能，可以在pem上形成图案化催化剂层。参照图4，催化剂层80包括第一区域92和第二区域94。第一区域92与流场板86的所述至少一个通道88对准，第二区域94与流场板86的所述至少一个槽脊90对准。因此，根据流场板86的流场几何形状，催化剂层80的第一区域92和第二区域94在pem 82上交替地形成。另外，第一区域92的每一个的宽度基本上等于流场板86的所述至少一个通道88之一的宽度，且第二区域94的每一个的宽度基本上等于流场板86的所述至少一个槽脊90之一的宽度。
36.例如，对于阴极流场板，槽脊区域的宽度可以在300至500μm的范围内，通道区域的宽度可以在600至1000μm的范围内。对于阳极流场板，槽脊区域的宽度可以在600至1000μm的范围内，通道区域的宽度可以在400至600μm的范围内。
37.如图3中所述，流场板的槽脊区域下方的催化剂比其通道区域下方的催化剂更易降解。因此，在本公开中，所述催化剂层80的第一区域92可以包含第一催化剂材料，催化剂层80的第二区域94可以包含第二催化剂材料，其中第一和第二催化剂材料是不同的。特别地，由于第一区域92中的降解程度比第二区域94中的降解程度相对更小，因此第一催化剂材料可以被选择为比第二催化剂材料更具催化活性，并且第二催化剂材料可以被选择为比第一催化剂材料更耐降解。下文描述的实施方案涉及pem燃料电池的阴极侧或阳极侧。
38.在第一实施方案中，所述催化剂层80的第一区域92可以包含第一催化剂组合物，催化剂层80的第二区域94可以包含第二催化剂组合物，其中第一和第二催化剂组合物是不同的。具体来说，第一区域92中的第一催化剂组合物可以为pt催化剂纳米颗粒，第二区域94中的第二催化剂组合物可以为pt-m合金或混合物，其中m是不同于pt的另一种金属纳米颗粒，如金(au)、银(ag)、钛(ti)或铁(fe)。所述pt-m混合物是指pt和m催化剂纳米颗粒的混合物。所述金属纳米颗粒m可以充当pt再沉积的成核种子，这可以防止pt催化剂纳米颗粒的生长并使ecsa损失最小化。
39.对于单个pem燃料电池，pt催化剂纳米颗粒分散在碳载体上。pt/碳(c)比率的变化可相应地影响pem燃料电池的性能。通常，催化剂层在更高的pt/c比率下可以更具催化活性。因此，在第二实施方案中，第一区域92中的第一催化剂组合物可以通过具有第一碳材料的第一催化剂载体负载，且所述第一区域可以具有第一pt/c比率。此外，第二区域94中的第二催化剂组合物可以通过具有第二碳材料的第二催化剂载体负载，且所述第二区域94可以具有不同于第一pt/c比率的第二pt/c比率。所述第一和第二催化剂载体在催化剂层80中形成连续的碳载体。
40.因为流场板的通道区域比槽脊区域更不易降解，因此第一区域92可以包含比第二区域94更高水平的pt催化剂纳米颗粒，即更高的pt/c比率，以维持pem燃料电池的性能。图案化催化剂层80的这一实施方案不仅可以减少用于制造pem燃料电池的pt催化剂纳米颗粒的量(即节省成本)，而且可以使流场板86的槽脊区域的降解最小化。
41.离聚物在pem燃料电池的mea中用作质子传导的电解质，并作为粘合剂用于维持催化剂层。在制造pem燃料电池的mea中采用的常见离聚物可以包括但不限于全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸盐或nafion。pem燃料电池的离聚物/c比率可以在0.1和2的范围内。在工作中，pem燃料电池中的离聚物的低浓度可能导致质子传导性下降，并可能随后导致pem燃料电池的性能下降。另一方面，离聚物的过量浓度可能阻塞空间体积，这不仅可能阻止反应物(即h2和o2)进入pem燃料电池，而且还可能阻止产物(即水)离开pem燃料电池。因此，这也可能导致pem燃料电池的性能下降。因此，改变pem燃料电池中的离聚物/c比率也可影响pem燃料电池的性能和耐久性。
42.因此，在第三实施方案中，催化剂层80的第一区域92可以包含第一离聚物/c比率，催化剂层80的第二区域94可以包含第二离聚物/c比率，其中第一和第二离聚物/c比率是不同的。类似地，由于槽脊区域更易降解，因此第二区域94中的第二离聚物/c比率可以高于第一区域92中(即第一离聚物/c比率)以帮助质子传导。因此，这可以防止pt催化剂纳米颗粒的生长，并使槽脊区域的降解最小化，同时维持pem燃料电池的性能。
43.通常，pt催化剂纳米颗粒的尺寸在2至7nm的范围内，并且具有较大尺寸的pt催化剂纳米颗粒较不容易颗粒生长。这样，为了提高流场板的槽脊区域的耐久性，可以将具有大
尺寸的pt催化剂纳米颗粒施加到与流场板的槽脊区域对准的催化剂层的区域。相应地，在第四实施方案中，所述催化剂层80的第一区域92可以包含具有第一粒度的第一催化剂(例如pt催化剂纳米颗粒)，催化剂层80的第二区域94可以包含具有第二粒度的第二催化剂(例如pt催化剂纳米颗粒)，其中第一和第二粒度是不同的。为了使流场板的槽脊区域的降解最小化，因此第二区域94中的第二粒度可以大于第一区域92中的第一粒度。在一个或多个实施方案中，第二粒度可以高达第一粒度的3至5倍。
44.除了关于催化剂组合物、pt/c比率、离聚物/c比率和催化剂粒度的变化以外，改变催化剂层中的碳载体的疏水性也可影响pem燃料电池的性能。通常，具有高疏水性的碳载体可以防止局部水形成，从而防止pt催化剂纳米颗粒生长。碳载体的实例可包括但不限于炭黑(例如vulcan xc-72或vulcan x72r)、高表面积碳、乙炔黑或活性炭。
45.在第五实施方案中，催化剂层80的第一区域92可以包含具有第一疏水性的第一碳载体材料，催化剂层80的第二区域94可以包含具有第二疏水性的第二碳载体材料，其中第一和第二疏水性是不同的。由于流场板的槽脊区域比通道区域的降解程度更大，因此第二区域94中的第二疏水性可以高于第一区域92中的第一疏水性。
46.此外，催化剂层的孔隙率还可对pem燃料电池的性能具有影响。具有高孔隙率的催化剂层可以帮助水和/或气体在pem燃料电池中扩散，从而减少pt催化剂纳米颗粒的生长。因此，在第六实施方案中，催化剂层80的第一区域92可以具有第一孔隙率，催化剂层80的第二区域94可以具有第二孔隙率，其中第一和第二孔隙率是不同的。由于流场板的槽脊区域的pt催化剂纳米颗粒更易于颗粒生长，因此第二区域94中的第二孔隙率可以高于第一区域92中的第一孔隙率。
47.另外，将支架剂引入pem燃料电池中的催化剂层可进一步帮助维持或改善催化剂层的孔隙率。因此，参考第六实施方案，催化剂层80的第二区域94可以进一步包含支架剂。这种支架剂的实例可以包括但不限于沸石、陶瓷填料和金属有机框架(mof)。
48.具体地说，沸石是具有可调孔径的微孔材料。沸石的实例可以包括但不限于分子筛或na2o-al2o
3-sio
2-h2o体系。另外，陶瓷填料可以是但不限于二氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)、氧化锡(sno)、氧化钛(iii)(ti2o3)、氧化钛镁(mgti2o
5-x
，0 ≤ x ≤ 5)、氮化钛(tin)或碳化钨(wc)。此外，mof是一类多孔晶体材料，其包含与有机配体配位的金属离子或簇。可用作催化剂层80中的支架剂的mof的实例可以是uio-66(so3h)2。
49.现在，将描述用于制备本公开的pem燃料电池中的图案化催化剂层的方法。然而应理解，以下制备方法本质上仅是示例性的，并且可以采用本领域技术人员已知的任何方法。非限制性的方法包括丝网印刷法、辊印刷方法和机器人浇铸法。
50.通常，用于制备pem燃料电池中的图案化催化剂层的方法可以是逐步法，其可以包括将第一催化剂油墨沉积到具有第一预定图案的膜上，其中所述第一预定图案可以对应于流场板的通道区域；并在第一催化剂油墨固化和干燥之后，将第二催化剂油墨沉积到具有第二预定图案的膜上，其中所述第二预定图案可对应于流场板的槽脊区域。
51.或者，所述方法可以是一步法，其可以包括将第一催化剂油墨沉积到具有第一预定图案的膜上，并同时将第二催化剂油墨沉积到具有第二预定图案的膜上，其中所述第一预定图案可以对应于流场板的通道区域，第二预定图案可以对应于流场板的槽脊区域。所述方法可以由计算机系统控制和处理。
52.图5a描绘了用于制备pem燃料电池中的图案化催化剂层的印刷法的示意性截面图。图5b描绘了图5a的印刷法的示意性顶视图。图5a和5b是丝网印刷法或辊印刷法的示意图。
53.关于丝网印刷法，可以首先使用具有预定图案的第一网筛将催化剂油墨a转移到膜100上。所述预定图案可取决于流场板的流场几何形状。例如，所述预定图案可对应于流场板的通道区域。在催化剂油墨a固化和干燥之后，然后可以使用具有相称的图案的第二网筛将催化剂油墨b转移到膜100上。所述相称的图案此时可以对应于流场板的槽脊区域。在催化剂油墨b固化和干燥之后，则可形成图案化的催化剂层。
54.对于辊印刷法，可以将催化剂油墨a和b分别施加到两个图案化辊上，由此可以将催化剂油墨a和b同时转移到膜100上以形成图案化催化剂层。或者，可以通过逐步法将催化剂油墨a和b施加到膜100上，其中首先将催化剂油墨a和b之一转移到膜100上，然后将另一种催化剂油墨转移到膜100上。在催化剂油墨a和b固化和干燥之后，可以获得图案化催化剂层。
55.图6描绘了用于制备pem燃料电池中的图案化催化剂层的机器人浇铸法。对于机器人浇铸法，催化剂油墨在膜上的沉积是通过计算机化的分配枪(或喷嘴)控制的。这样的分配枪(或喷嘴)可以具有约50μm的尺寸，并且可以被编程为将催化剂油墨沉积到具有预定图案的膜上。所述预定图案可取决于流场板的流场几何形状。可以通过第一预定图案240使用第一分配枪(或喷嘴)220将催化剂油墨a施加到膜200上。例如，所述第一预定图案240可对应于流场板的通道区域。在催化剂油墨a固化和干燥之后，可以通过第二图案280使用第二分配枪(或喷嘴)260将催化剂油墨b施加到膜200上。所述第二图案280则可以对应于流场板的槽脊区域。在催化剂油墨b固化和干燥之后，获得图案化催化剂层300。如上所述，尽管图6中描绘的图案化催化剂层300对应于蜿蜒流场几何形状，但是也可以使用相同的方法制备其它图案化催化剂层(例如平行或螺旋的构造)。
56.尽管上面描述了示例性实施方案，但并不旨在使这些实施方案描述权利要求包括的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。如前所述，各种实施方案的特征可以组合以形成可能没有明确描述或示出的本公开的其它实施方案。尽管可能已将各种实施方案描述为在一个或多个所需特性方面提供了优点或优于其它实施方案或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到可以折衷一个或多个特征或特性来实现所需的总体系统属性，这取决于特定的应用和实施。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。因此，对于任何实施方案描述为相比于其它实施方案或现有技术实施方式而言在一个或多个特征方面较不合意的程度而言，这些实施方案并不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是合意的。