具体实施方式

贯穿本说明书，当部分可以“包括”某个组成元件时，除非另外说明，否则它可以不被解释为排除另一个组成元件，而是可以被解释为进一步包括其他组成元件。

贯穿该说明书，当一个元件被称为位于另一个元件“上”时，该元件可“直接位于”另一个元件上，或者还可存在中间元件。

燃料电池

根据本公开的实施方式的燃料电池包括：电解质膜-电极组件；耐久性增强层，形成在电解质膜-电极组件的至少一侧上；以及气体扩散层，形成在耐久性增强层的与形成有电解质膜-电极组件的一侧相对的一侧上。在此，电解质膜-电极组件可以包括电解质膜和形成在电解质膜的两侧的两个电极，并且两个电极可以分别是阳极和阴极。

参照图1和图2，根据本公开的实施方式的燃料电池“A”可以包括：电解质膜-电极组件100，包括电解质膜110、第一电极121和第二电极122；耐久性增强层201和202，形成在电解质膜-电极组件的相对侧；以及气体扩散层310和320，分别形成在耐久性增强层201和202的分别与形成有电解质膜-电极组件的侧相对的外侧。

电解质膜-电极组件

电解质膜-电极组件(MEA)用于通过氧化/还原反应产生电力，并且不受具体限制，只要电解质膜-电极组件可以是包括在通常的燃料电池中的形状或材料即可。

参照图1和图2，电解质膜-电极组件100可以包括电解质膜110和形成在电解质膜的相对侧的两个电极121和122。这里，两个电极可以分别是阳极和阴极。

电解质膜是具有导电性的离子交换膜，并且没有具体限制，只要它可以用于燃料电池中即可。此外，电解质膜可以包括过氧化氢分解催化剂。当电解质膜包含过氧化氢分解催化剂时，燃料电池中的过氧化氢分解催化剂的总量增加，从而有效地防止电解质膜的劣化。

耐久性增强层

耐久性增强层201、202安插在电解质膜-电极组件(MEA)100和气体扩散层(GDL)310、320之间的接合表面上以增加两层的粘附性，并且用于通过防止电解质膜的劣化来改善燃料电池的化学耐久性。

当使用粘合剂将MEA接合到GDL时，粘合剂在燃料电池中作为杂质可能变形成离子形式，从而不利地影响电解质膜或电极，或者阻挡流体通过的流动通道，并且因此燃料电池的性能和耐久性可能降低。另一方面，本公开的实施方式的耐久性增强层包括过氧化氢分解催化剂，以防止由于电解质膜的劣化导致的燃料电池的耐久性的劣化，并且包括高粘性氢离子导电聚合物以改善MEA与GDL之间的粘附性，同时耐久性增强层允许氢离子顺畅地移动以改善燃料电池的性能。

此外，耐久性增强层201、202形成在电解质膜-电极组件100的至少一侧的至少一部分上。

例如，耐久性增强层201、202可以是不连续层，并且可以是多个点的形式(参见图1)。即，如图1所示，在燃料电池中，电解质膜-电极组件100上未形成有耐久性增强层201、202的部分可接合至气体扩散层310、320。当耐久性增强层的形式是如上所述的点的形式时，气体(氧气和/或空气)的渗透可能变得平滑，并且因此可以改善燃料电池的性能。这里，当耐久性增强层为多个点的形式时，耐久性增强层可以不浸入或压入电解质膜-电极组件或气体扩散层中，而是可以作为不连续型层存在。

作为另一个实例，耐久性增强层201、202可以形成在电解质膜-电极组件100的整个一侧上(参见图2)。

这里，构成耐久性增强层201、202的每个点可以具有1μm至10mm、或10μm至5mm的平均直径。当每个点的平均直径大于或等于气体扩散层310、320中的孔隙的直径时，可以增大电解质膜-电极组件100与耐久性增强层201、202之间的接触面积，从而防止电解质膜的劣化。当每个点的平均直径小于气体扩散层310、320中的孔隙的直径时，气体扩散层310、320中的一些孔隙可填充有耐久性增强层，从而增加气体扩散层310、320的表面粗糙度并且使得气体扩散层310、320在与电解质膜-电极组件100接合时处于均匀负载下。

此外，耐久性增强层201、202可以具有50nm至50μm、或100nm至10μm的平均厚度。当耐久性增强层的平均厚度在上述范围内时，可以防止由于电解质膜的劣化导致的燃料电池的耐久性劣化，并且可以改善MEA与GDL之间的粘附性。

耐久性增强层201、202包括过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物。

过氧化氢分解催化剂防止由于羟基自由基(·OH)引起的膜损坏，并且具有亲水性以便用作即使在非加湿系统中也防止膜干燥的集水器。

此外，过氧化氢分解催化剂可以包括例如选自由过渡金属和稀土金属组成的组中的至少一种。具体地，过氧化氢分解催化剂可以包括金属，诸如，Ce、Mn、Fe、Pt、Pd、Ni、Cr、Cu、Ce、Rb、Co、Ir、Ag、Au、Rh、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb和Os、金属的氧化物，或包含金属的复合物。在具体实施方式中，过氧化氢分解催化剂可以包括铈(Ce)。

过氧化氢分解催化剂可以以金属、金属氧化物、复合物等的形式包括在耐久性增强层201、202中。具体地，过氧化氢分解催化剂可以以铈颗粒、铈离子、氧化铈、铈复合物等的形式包含在耐久性增强层201、202中。在此，铈复合物可以包括例如铈锆复合物或氧化铈和氧化锆的复合物。在具体实施方式中，耐久性增强层201、202可以包含氧化铈(CeO₂)。当耐久性增强层包括氧化铈(CeO₂)时，铈离子在燃料电池的操作时间期间连续起作用以有效地防止膜损坏并且用作如上所述的集水器。

氢离子导电聚合物通过与电解质膜-电极组件100中的电极121、122接触而增大三相边界区域，从而增加催化剂的有效反应区域，并且起到促进氢离子移动的作用。氢离子导电聚合物可以是离聚物的形式，并且在具体实施方式中可以是全氟磺酸盐离聚物。氢离子导电聚合物的市售产品包括例如DuPont的全氟磺酸(Nafion，全氟磺酸树脂)、Asahi Glass的Flemion、Asahi Chemical的Asiplex和Dow Chemical的Dow XUS，但是本公开不限于此。

此外，氢离子导电聚合物可以是与电解质膜-电极组件100的电极121、122中包含的聚合物相同的聚合物。

耐久性增强层201、202可以包含例如1.0μg/cm²以上的过氧化氢分解催化剂和1μg/cm²以上的氢离子导电聚合物。在具体实施方式中，耐久性增强层可以包括1.1μg/cm²至5μg/cm²或1.3μg/cm²至3μg/cm²的过氧化氢分解催化剂，以及1μg/cm²至5μg/cm²或1.5μg/cm²至4μg/cm²以上的氢离子导电聚合物。这里，过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物的涂覆量单位的基准面积是基于气体扩散层310、320的1cm²。即，“1.0μg/cm²以上的过氧化氢分解催化剂”是指基于气体扩散层310、320的1cm²包括1.0μg以上的过氧化氢分解催化剂。这里，过氧化氢分解催化剂可以是铈。

当耐久性增强层201、202中的过氧化氢分解催化剂的含量小于1.0μg/cm²时，对电解质膜-电极组件100的耐久性改进的影响可能不足够。此外，当耐久性增强层201、202中的过氧化氢分解催化剂的含量过量时，防止质子离子转移，以降低电解质膜-电极组件100的性能。因此，在不劣化电解质膜-电极组件100的性能情况下，需要使用适量的过氧化氢分解催化剂来改进电解质膜-电极组件100的耐久性。

此外，当耐久性增强层201、202中的氢离子导电聚合物的含量小于1μg/cm²时，气体扩散层310、320与电解质膜-电极组件100之间缺乏接合强度，可能需要大的接合压力和高的接合温度。因此，气体扩散层310、320中的孔隙可能消失或者气体扩散层310、320可能被损坏，或者电解质膜可能发生收缩，从而导致气体扩散层310、320与电解质膜-电极组件100之间的边界倒塌。此外，当耐久性增强层201、202中的氢离子导电聚合物的含量在上述范围内时，可以防止由于氢离子导电聚合物的吸湿性而引起的液泛，并且气体扩散层310、320与电解质膜-电极组件100之间的接合强度可以是优异的，从而改进燃料电池的耐久性。

耐久性增强层201、202可包括选自由TiO₂、沸石、二氧化硅、银、碳纳米管、氧化石墨烯、以及铂组成的组中的至少一种额外材料。当耐久性增强层201、202包括TiO₂、沸石、二氧化硅等时，可以改善燃料电池的通量、污垢热阻和脱盐率。此外，当耐久性增强层包括银、碳纳米管、氧化石墨烯等时，可以改善燃料电池的导电性和发电组件(包括电解质膜-电极组件100、耐久性增强层201、202和气体扩散层310、320的组件)的刚性。

气体扩散层

气体扩散层310、320可以用于使氢和氧能够扩散到电解质膜-电极组件100中以促进反应，并且可以包括基底层和多孔层。

参照图3，根据本公开的实施方式的燃料电池“A”可包括：电解质膜-电极组件100，包含电解质膜110、第一电极121和第二电极122；耐久性增强层201和202，形成在电解质膜-电极组件100的相对侧；以及气体扩散层310和320，分别形成在耐久性增强层201、202的与形成有电解质膜-电极组件100的一侧相对的外侧，并且气体扩散层310和320可包括基底层311和321以及多孔层312和322。这里，耐久性增强层201和202可分别形成在气体扩散层310和320的多孔层312和322上。

基底层311、321用于分别赋予多孔层312、322刚度。

只要基底层311、321可用作气体扩散层310、320的基底材料，则每个基底层311、321可不受特别限制，并且例如可包括炭纸、碳纤维、碳毡或碳片。此外，基底层311、321可以根据公知的方法制备，可以使用市售的碳纤维基质，或者可以通过将碳纤维基质浸入浸液并且使碳纤维基质干燥来制备。这里，浸液可以包括碳前体和聚合物。例如，碳前体可包括人造丝、聚丙烯腈(PAN)、沥青等。此外，聚合物可包括例如选自由聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)和聚氟乙烯(PVDF)组成的组中的至少一种。此外，浸渍可以重复一次至多次，并且干燥可以在20℃至40℃下进行。

每个多孔层312、322用于使得氢和氧扩散到电解质膜-电极组件100中，因此氧化还原反应顺利地进行。

此外，只要多孔层312、322可用作气体扩散层310、320的多孔层即可，则多孔层312、322没有特别限制，例如，多孔层可由包含碳基粉末和粘合剂的多孔层组合物来制备。这里，可以根据已知的制造传统多孔层的方法来执行制造多孔层312、322的方法。

碳基粉末可以包括选自由例如炭黑、活性炭粉末、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、以及石墨粉末组成的组中的至少一种。此外，粘合剂可包括选自由例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)和聚氟乙烯(PVDF)组成的组中的至少一种。

此外，多孔层组合物可以包括过氧化氢分解催化剂。即，多孔层312、322可由碳基粉末、粘合剂和过氧化氢分解催化剂来制备。当多孔层组合物包含过氧化氢分解催化剂时，可以增加燃料电池中过氧化氢分解催化剂的总量以有效地防止电解质膜劣化。

此外，根据本公开的实施方式的燃料电池可进一步在气体扩散层310、320的与耐久性增强层201、202接触的一侧相对的一侧上包括分隔板，分隔板包括反应气体入口和反应气体出口。

参照图4和图5，根据本公开的实施方式的燃料电池“A”可以包括：电解质膜-电极组件100，包括电解质膜110、第一电极121和第二电极122；耐久性增强层201和202，形成在电解质膜-电极组件100的相对侧；以及气体扩散层310和320，分别形成在耐久性增强层201、202的外侧；以及分隔板401和402，分别形成在气体扩散层310、320的外侧。

参照图4至图6，根据本公开的实施方式的燃料电池“A”可以具有这样一种结构，其中，第一分隔板401、包括第一耐久性增强层201和第一气体扩散层310的第一多层膜“i”、包括第一电极121、电解质膜110和第二电极122的电解质膜-电极组件100、包括第二耐久性增强层202和第二气体扩散层320的第二多层膜“j”以及第二分隔板402依次堆叠。

分隔板

参照图6，电解质膜-电极组件100和分隔板401和402中的每一者可包括反应气体入口和反应气体出口。在此，在燃料电池的运行中，存在这样的限制，即，劣化集中在分隔板401、402的反应气体入口和反应气体出口处的电解质膜中使得电解质膜的耐久性被减弱。在此，反应气体可以是空气和/或氢气。

因此，在根据本公开的实施方式的燃料电池中，与分隔板401、402的反应气体入口和反应气体出口中的至少一个的位置对应的耐久性增强层201、202的部分，可以包括过量的过氧化氢分解催化剂，并且例如，可以包括2.5μg/cm²以上、2.5至15μg/cm²或3至5μg/cm²的过氧化氢分解催化剂。

如上所述的过量的过氧化氢分解催化剂可以对分隔板401、402的反应气体入口和/或反应气体出口上(电解质膜的劣化集中的位置处)的电解质膜增加过氧化氢分解催化剂的量，从而能够有效地防止电解质膜的劣化。可根据电解质膜-电极组件100的用途来选择过氧化氢分解催化剂的含量。当需要电解质膜-电极组件100的高耐久性时，可以选择过氧化氢分解催化剂的浓度的上限，但是当包括过量的过氧化氢分解催化剂时，质子离子转移可能会下降，从而导致燃料电池性能的降低。

这里，过氧化氢分解催化剂的涂覆量单位的基准面积是基于气体扩散层310、320的1cm²。即，“2.5μg/cm²以上的过氧化氢分解催化剂”是指基于气体扩散层310、320的1cm²包括2.5μg以上的过氧化氢分解催化剂。在具体实施方式中，过氧化氢分解催化剂可以是铈。

此外，当燃料电池的电解质膜-电极组件100包括辅助垫圈时，辅助垫圈可以部分地形成在电极表面上，并且因此GDL与MEA接触的区域可能不是平坦的。因此，当将GDL接合至MEA时，尽管每单位面积施加相同的力，但是局部地对电极表面的形成有辅助垫圈的部分施加高负载，并且对其他部分施加相对较低的负载。因此，在MEA与GDL之间相对较低负载下的部件可能缺乏接合力。因此，当电解质膜-电极组件100包括辅助垫圈时，可以向除了形成有辅助垫圈的电极表面之外的部分施加过量的氢离子导电聚合物，以改进MEA与GDL之间的接合强度。

具体地，当电解质膜-电极组件100包括辅助垫圈时，对应于除了电极表面形成的辅助垫圈之外的部分的耐久性增强层可包括2.5μg/cm²以上的过氧化氢分解催化剂。

在如上所述的根据本公开的实施方式的燃料电池中，包含过氧化氢分解催化剂的耐久性增强层201、202设置在气体扩散层(GDL)310、320和电解质膜-电极组件(MEA)100的接合表面处，以优异地防止电解质膜的劣化。此外，燃料电池包括耐久性增强层201、202，耐久性增强层包含设置在GDL和MEA的接合表面处的高粘性氢离子导电聚合物，从而具有优异的粘附性。

车辆

根据本公开的实施方式的车辆包括参照图1至图6描述的燃料电池“A”。

在具体实施方式中，车辆可以是氢燃料电动车辆。

制造燃料电池的方法

根据本公开的实施方式的制造燃料电池的方法包括在气体扩散层的一侧堆叠耐久性增强层，以及在耐久性增强层的与气体扩散层的一侧相对的另一侧堆叠电解质膜-电极组件。

堆叠耐久性增强层

在该操作中，耐久性增强层201、202堆叠在气体扩散层310、320的一侧。

耐久性增强层201、202包括过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物。在具体实施方式中，过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物与在燃料电池“A”中描述的相同。

此外，耐久性增强层201、202可以包括1.0μg/cm²以上的过氧化氢分解催化剂和1μg/cm²以上的氢离子导电聚合物。在此，在耐久性增强层201、202中的过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物中的具体涂覆量与在燃料电池“A”中描述的相同。

耐久性增强层201、202堆叠在电解质膜-电极组件100的至少一侧的至少一部分上。例如，可以将耐久性增强层组合物涂布到气体扩散层310、320的一侧以制备耐久性增强层201、202。在具体实施方式中，耐久性增强层组合物可包括过氧化氢分解催化剂、氢离子导电聚合物和水。

水具有改进耐久性增强层组合物的加工性和改进氢离子导电性聚合物的分散性的效果。此外，可以调节耐久性增强层组合物中的含水量以调节组合物的亲水性和疏水性，并且因此可以调节引入疏水性气体扩散层的孔隙中的组合物的量。此外，在应用组合物之后，可以干燥耐久性增强层组合物中的水以去除。即，制备的耐久性增强层可以不包含水。

耐久性增强层组合物可包括含有过氧化氢分解催化剂和水的第一组合物、和含有氢离子导电聚合物和水的第二组合物。如上所述，耐久性增强层组合物可包括含有过氧化氢分解催化剂的第一组合物、和含有氢离子导电聚合物的第二组合物，以防止组分氧化、沉淀、化学副反应或组分之间聚集，从而保留过氧化氢分解催化剂和氢离子导电聚合物各自的特性，并且易于调节通过调节第一组合物和第二组合物的混合比来制备的耐久性增强层的组成。

可以通过选自由喷涂法、3D打印技术、喷墨打印技术、狭缝模具式涂覆法、棒式涂覆法、粉末分散涂覆法、丝网印刷技术和刮刀涂覆法组成的组中的一种方法来应用耐久性增强层组合物。具体地，可以通过喷涂法应用耐久性增强层组合物。当通过喷涂法应用耐久性增强层组合物时，应用区域可接近反应区域以表现出最大效率。此外，当通过喷涂法应用耐久性增强层组合物时，可以调节应用组合物期间的压力以调节应用的组合物的平均直径，从而调节气体扩散层的粗糙度或调节反应区域的接触电阻和接触面积。

例如，可使用多个喷雾器10在气体扩散层320上进行耐久性增强层组合物的应用，如图7所示。当使用如上所述的多个喷雾器时，可以调节每个喷雾器中的第一组合物和第二组合物的混合比，以在气体扩散层的目标部分中形成具有目标组合物的耐久性增强层。例如，存在分隔板的反应气体入口和反应气体出口处的电解质膜的耐久性因劣化而降低的问题。为了防止上述问题，可以将具有高含量的过氧化氢分解催化剂的耐久性增强层组合物应用于电解质膜的劣化集中的目标部分。

此外，耐久性增强层201、202可以是不连续层，并且可形成为多个点或可形成在电解质膜-电极组件100的一整个表面上。耐久性增强层201、202的形式为如在燃料电池“A”中描述的。

耐久性增强层组合物可包括选自由TiO₂、沸石、二氧化硅、银、碳纳米管、氧化石墨烯和铂组成的组的至少一种附加材料。

堆叠电解质膜-电极组件

在该操作中，电解质膜-电极组件100堆叠在耐久性增强层201、202的与形成有气体扩散层310、320的一侧相对的另一侧上。

可以通过在制造燃料电池中常用的方法进行电解质膜-电极组件100的堆叠。

在如上所述的根据本公开的实施方式的制造燃料电池的方法中，可以在电解质膜的劣化严重的位置处(例如，在反应气体入口和反应气体出口处)局部地增加过氧化氢分解催化剂的含量，以有效地改进燃料电池的化学耐久性。

在下文中，将通过实例更详细地描述本公开的方面。然而，这些实例仅用于理解本公开，并且本公开的范围在任何方面不限于这些实例。

实例1.堆叠耐久性增强层

如图8所示，使用喷雾器，将1:1比例的DuPont的全氟磺酸和水的混合物作为第一组合物注射到第一缸1中，并且将1:1比例的氧化铈和水的混合物作为第二组合物注射到第二缸2中。如图5所示，将第一组合物和第二组合物混合并以7:3的重量比应用至包括基底层和多孔层的气体扩散层320。之后，在常压和150℃的温度下进行干燥以除去耐久性增强层组合物中的水，从而形成耐久性增强层，该耐久性增强层包含每1cm²的气体扩散层1.5μg的铈和3μg的全氟磺酸并且具有一个点的67μm平均直径。

实例2至4和比较例1和2

以与实例1中相同的方式形成耐久性增强层，不同之处在于，用以下表1中所示的组合物制备耐久性增强层。

表1

测试例1.耐久性测试

使用分别形成有实例和比较例的耐久性增强层的气体扩散层的燃料电池堆被形成，然后评估MEA与GDL之间的化学耐久性和粘附性。这里，表2中示出了评估结果。

具体地，将具有实例和比较例的耐久性增强层的气体扩散层(GDL)接合至阳极和阴极的催化剂层的表面(作为电解质膜-电极组件(MEA)的相对侧)，将分隔板接合至气体扩散层的另一侧，并且将集电板接合在分隔板的另一侧上，以制备燃料电池(参见图3和图4)。

(1)耐久性

作为反应气体，使用含有体积比为1.5：2.0的氢气和空气的混合气体，在90℃、20kPa的氢和大气压的压力条件及30％的相对湿度下，对MEA的耐久性进行评估。

为了基本活化和浸泡，将燃料电池堆在上述条件下处理24小时，测量初始电压，保持电池电压，并使用回归拟合计算电池电压的结果，同时保持1.2A/cm²的电流密度达800小时。具体地，测量直到基于初始电压发生10％性能降低所花费的时间。

(2)粘附性

使用与在MEA和GDL之间的耐久性增强层粘合并且具有10mm宽和50mm长的尺寸的试样。使用UTM设备评估粘附性，使用由SUS材料制成的板将GDL固定至UTM设备的一个夹具，并且将MEA固定至另一个夹具。然后，在90℃以50mm/分钟的速度和15mm的计量距离进行剥离，以测量MEA和GDL之间的粘附性撕裂的负载。

表2

如表2所示，实例1至实例4的耐久性和粘合性优异。

另一方面，没有铈的比较例1具有非常低的耐久性，并且没有氢离子导电聚合物的比较例2具有非常差的粘附性。

根据本公开的实施方式的燃料电池包括在GDL和MEA之间的接合表面处的含有过氧化氢分解催化剂的耐久性增强层，以优异地防止电解质膜的劣化。此外，燃料电池包括在GDL和MEA之间的接合表面处的含有高粘性氢离子导电聚合物的耐久性增强层，以使GDL和MEA之间的粘附性是优异的。

此外，在根据本公开的实施方式的制造燃料电池的方法中，在电解质膜的劣化现象严重的位置(例如，反应气体入口和反应气体出口)，可以局部地增加过氧化氢分解催化剂的含量，从而有效地改进化学耐久性。

在上文中，虽已参考示例性实例、实施方式和附图来描述本公开，但本公开不限于此，在不背离在所附权利要求中要求的本公开的精神和范围的情况下，本公开所属领域的技术人员可进行各种修改和改变。