相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2014年12月24日提交的美國臨時專利申請62/096638的權(quán)益，該專利申請的公開內(nèi)容以引用方式全文并入本文。

背景技術(shù)：

在某些電化學(xué)裝置諸如聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，電催化劑材料諸如負載或無負載鉑納米粒子被涂覆到或附接到聚合物電解質(zhì)膜的至少一面。電流可通過相鄰的導(dǎo)電多孔氣體分配層傳導(dǎo)到電催化劑材料以及從電催化劑材料傳導(dǎo)，氣體分配層通常為碳紙、碳氈或碳布材料。導(dǎo)電氣體分配層應(yīng)與催化劑涂覆膜的電化學(xué)活性區(qū)域保持良好的物理接觸和電接觸。通常通過在組裝電池時將各種電池部件壓到一起來部分地實現(xiàn)這一點。此外，氣體分配層和催化劑涂覆膜可在催化劑活性區(qū)域之外以粘接方式粘結(jié)到一起。然而，由于氣體分配層和催化劑涂覆膜的熱膨脹系數(shù)有差異以及親水性催化劑涂覆膜的溶脹度隨電池溫度和水合程度而變化，因此催化劑涂覆膜和氣體分配層可分離或“枕靠”。希望在活性區(qū)域中提供氣體分配層到催化劑涂覆膜的附加“錨固”，以保持電接觸并且允許在電池組裝過程中作為單個單元來處理該組合。然而，此類錨固附接點不應(yīng)顯著地阻擋活性區(qū)域的部分，或以其它方式降低電化學(xué)電池的性能(參見例如等人的美國專利7,147,959)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個方面，本公開描述了一種制品，該制品包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層以及具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一粘合劑層，其中第一氣體分配層的第二主表面在適用的情況下具有中心區(qū)域，第一粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分散層的第二主表面的至少中心區(qū)域，或者第一粘合劑層的第二主表面接觸第一電極層的第一主表面的至少中心區(qū)域，其中在適用的情況下，第一粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域、第一氣體分散層的第二主表面或第一電極層的第一主表面，并且其中第一粘合劑層包括第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在第一粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)。在一些實施方案中，存在一個或多個附加粘合劑層，其中在適用的情況下，適用的粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域、第一氣體分散層的第二主表面或第一電極層的第一主表面。

本文所述的制品可用于例如膜電極組件、成組電極組件和電化學(xué)裝置(例如，燃料電池、氧化還原液流電池和電解槽)中。膜電極組件用于制備諸如燃料電池和電解槽的電化學(xué)裝置。成組電極組件用于制備諸如氧化還原液流電池的電化學(xué)裝置。

附圖說明

圖1為本文所述的示例性制品的分解示意圖。

圖2a為具有本文所述的膜電極組件的燃料電池的示例性實施方案的分解示意圖，其中包括圖1所示的制品。

圖2b為圖1和圖2a所示的第一粘合劑層的一部分的透視圖。

圖3a為本文所述的膜電極組件的示例性實施方案的示意圖。

圖3b為具有本文所述的示例性膜電極組件的燃料電池的示例性實施方案的示意圖。

圖4為具有本文所述的膜電極組件的電解槽的示例性實施方案的示意圖。

圖5a為實施例5中的多孔粘合劑層放大500倍的掃描電鏡(sem)表面圖像。

圖5b為實施例5中的多孔粘合劑層放大1700倍的掃描電鏡(sem)表面圖像。

圖6為用于將納米纖維電紡到基底上的裝置的示意圖。

圖7為示出對于按照實施例1-3制備且粘結(jié)到催化劑涂覆膜的納米纖維-粘合劑涂覆的氣體擴散層，根據(jù)astmd3330測量的180度剝離強度的圖表。

圖8為示出具有電紡氣體擴散層粘合劑(經(jīng)過高溫粘結(jié)和未經(jīng)高溫粘結(jié))的膜電極組件與未粘結(jié)對照樣品之間的流電動態(tài)掃描(gds)偏振性能比較的曲線圖。

圖9為包含電紡氣體擴散層粘合劑(經(jīng)過高溫粘結(jié)和未經(jīng)高溫粘結(jié))的膜電極組件與未粘結(jié)對照樣品的高頻電阻比較的曲線圖。

圖10為包含電紡氣體擴散層粘合劑(經(jīng)過高溫粘結(jié)和未經(jīng)高溫粘結(jié))的膜電極組件對陰極空氣化學(xué)計量的靈敏度降低與未粘結(jié)對照樣品的靈敏度比較的曲線圖。

具體實施方式

參見圖1和圖2b，制品100包括具有相背對的第一主表面和第二主表面103,105的第一氣體分配層102以及具有相背對的第一主表面和第二主表面107,108的第一粘合劑層106。第一氣體分配層102的第二主表面105具有中心區(qū)域109。第一粘合劑層106的第一主表面107接觸第一氣體分配層102的第二主表面105的至少中心區(qū)域109。第一粘合劑層106包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)111，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在第一粘合劑層106的第一主表面與第二主表面107,108之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)115。此外或另選地，粘合劑層如粘合劑層106可接觸氣體分散層和/或電極(例如，陽極催化劑或陰極催化劑)層的中心區(qū)域。

在一些實施方案中，具有接觸氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域的第一粘合劑層的制品還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一催化劑層，其中第一粘合劑層的第二主表面接觸第一催化劑層的第一主表面。在一些實施方案中，具有接觸氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域的第一粘合劑層的制品還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分散層以及具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一催化劑層，其中第一粘合劑層的第二主表面接觸第一氣體分散層的第一主表面，并且其中各層依次為第一氣體分配層、第一粘合劑層、第一氣體分散層和第一催化劑層。

示例性粘合劑包括氟化熱塑性塑料(例如，聚偏二氟乙烯(pvdf)或聚(四氟乙烯-共-偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)，可以例如商品名“thv220”購自美國明尼蘇達州圣保羅的3m公司(3mcompany,st.paul,mn))和烴熱塑性塑料(例如，丙烯酸酯和橡膠、苯乙烯)。

在一些實施方案中，第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括多個第一細長粘合劑元件(例如，纖維)。在一些實施方案中，第一細長粘合劑元件的縱橫比為至少10:1(在一些實施方案中，縱橫比為至少100:1至1000:1或甚至至少10000:1)。在一些實施方案中，第一細長粘合劑元件的長度為至少10微米(在一些實施方案中，至少25微米、100微米或甚至至少1厘米)，并且直徑或?qū)挾戎械闹辽僖徽咴?0nm至10000nm的范圍內(nèi)(在一些實施方案中，在100nm至2000nm、200nm至1000nm或甚至300nm至500nm的范圍內(nèi))。

在一些實施方案中，基于粘合劑層的總體積(即，粘合劑層的總孔體積和固體體積)計，粘合劑層的孔隙率為至少50％(在一些實施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％或甚至至少95％；在一些實施方案中，在50％至90％、60％至80％或甚至60％至75％的范圍內(nèi))。在一些實施方案中，粘合劑層的厚度高達10微米(在一些實施方案中，高達9微米、8微米、7微米、6微米、5微米、4微米、3微米、2微米或甚至高達1微米；在一些實施方案中，在0.5微米至10微米、0.5微米至5微米或甚至0.5微米至2微米的范圍內(nèi))。

粘合劑層可例如通過如下方法提供：

提供在適用的情況下具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層，其中第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層的第一主表面和第二主表面在適用的情況下各自具有活性區(qū)域；

提供粘合劑組合物；以及

在適用的情況下，將粘合劑組合物以電紡或電噴中的至少一種方式結(jié)合到第一氣體分配層的第二主表面、第一氣體分散層的第二主表面或第一電極層的第一主表面的至少活性區(qū)域，以提供粘合劑層。

通過靜電紡絲或“電紡”制備聚合物納米纖維的工藝在本領(lǐng)域中是已知的，包括例如在“electrospinningofnanofibers:reinventingthewheel？”,d.liandy.xia,advancedmaterials,volume16,issue14,pages1151–1170,july2004(“納米纖維的靜電紡絲：是炒冷飯嗎？”，d.li和y.xia，《先進材料》，第16卷，第14期，第1151–1170頁，2004年7月)中所述的那些。示例性電紡設(shè)備600如圖6所示。該工藝一般涉及迫使聚合物溶液或熔體穿過經(jīng)由高電壓發(fā)電機640保持處于高電勢下的小孔徑金屬管(諸如注射器630的注射針頭620)。隨著聚合物溶液被擠出并且溶劑蒸發(fā)或聚合物熔體冷卻，即形成收集在接地目標(biāo)基底或收集器660上的聚合物原絲650。所收集的電紡納米纖維原絲650在目標(biāo)基底660上形成多孔非織造織物670。

示例性制品(例如，膜電極組件或成組電極組件)依次包括：

具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層；

任選地，具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分散層；

具有相背對的第一主表面和第二主表面的陽極催化劑層，該陽極催化劑包括第一催化劑；

膜；

具有相背對的第一主表面和第二主表面的陰極催化劑層，該陰極催化劑包括第二催化劑；

任選地，具有相背對的第一主表面和第二主表面的第二氣體分散層；以及

具有相背對的第一主表面和第二主表面的第二氣體分配層，

其中至少一者(即，任一項或任何組合)：

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第一氣體分配層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第一氣體分散層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分散層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中陽極催化劑層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸陽極催化劑層的第一主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中陰極催化劑層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸陰極催化劑層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第二氣體分散層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸第二氣體分散層的第一主表面的至少中心區(qū)域；或

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第二氣體分配層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸第二氣體分配層的第一主表面的至少中心區(qū)域。例如，參見圖2，示例性膜電極組件200具有制品100(見圖1)、催化劑層220(例如，陽極催化劑層)、膜230、第二催化劑層240(例如，陰極催化劑層)、任選的第二粘合劑層202、以及第二氣體分配層250。

氣體分配層一般將氣體均勻遞送至電極，并且在一些實施方案中氣體分配層導(dǎo)電。就燃料電池而言，它還具有除去蒸汽或液體形式的水的作用。一種示例性的氣體分配層為氣體擴散層，有時也稱為微多孔氣體擴散背襯(gdb)。氣體分配層的源包括無規(guī)取向以形成多孔層的碳纖維，為非織造紙材或織造織物的形式。非織造碳紙可例如以商品名“grafilu-105”購自日本東京的三菱麗陽株式會社(mitsubishirayonco.,ltd.,tokyo,japan,)；以商品名“toray”購日本東京的東麗公司(toraycorp.，tokyo，japan)；以商品名“avcarb”購自美國馬薩諸塞州洛厄爾的avcarb材料解決方案公司(avcarbmaterialsolution，lowell，ma)；以商品名“sigracet”購自德國威斯巴登的西格里集團(sglgroup,thecarboncompany,wiesbaden,germany)；以商品名“freudenberg”購自德國魏因海姆的科德寶集團燃料電池組件技術(shù)(fcct)公司(freudenbergfcctse&co.kg,fuelcellcomponenttechnologies,weinheim,germany)；以及以商品名“spectracarbgdl”購自美國康涅狄格州謝爾頓的工程纖維技術(shù)公司(engineeredfiberstechnology(eft),shelton,ct)?？椩焯祭w維或布可例如以商品名“ec-cc1-060”和“ec-ac-cloth”購自美國馬薩諸塞州沃本的電化學(xué)公司(electrocheminc.,woburn,ma)；以商品名“elat-lt”和“elat”購自美國印第安納州克朗波因特的nuvant系統(tǒng)公司(nuvantsystemsinc.,crownpoint,in)；以商品名“e-tekelatlt”購自北美巴斯夫燃料電池公司(basffuelcellgmbh,northamerica)；以及以商品名“zoltekcarboncloth”購自美國密蘇里州圣路易市的卓爾泰克公司(zoltekcorp.,st.louis,mo)。

在一些實施方案中，使用碳載催化劑粒子。典型的碳載催化劑粒子中存在50重量％至90重量％范圍內(nèi)的碳和50重量％至10重量％范圍內(nèi)的催化劑金屬，其中對于燃料電池，催化劑金屬通常包含用于陰極的pt以及用于陽極的重量比為約2:1的pt和ru。通常將催化劑以催化劑油墨的形式施加到聚合物電解質(zhì)膜或氣體擴散層。或者，例如，可將催化劑油墨施加在轉(zhuǎn)移基底上，加以干燥，然后以貼花的形式施加到聚合物電解質(zhì)膜或氣體擴散層。催化劑油墨通常包括聚合物電解質(zhì)材料，該材料可以與包括聚合物電解質(zhì)膜的聚合物電解質(zhì)材料相同或不同。催化劑油墨通常包括聚合物電解質(zhì)分散體中的催化劑粒子分散體。油墨通常包含5重量％至30重量％范圍內(nèi)的固體(即，聚合物和催化劑)，并且更通常包含10重量％至20重量％范圍內(nèi)的固體。電解質(zhì)分散體通常為水分散體，其可另外包含一元醇和多元醇(例如，甘油和乙二醇)?？梢哉{(diào)整水、一元醇和多元醇的含量以改變油墨的流變性。在一些實施方案中，油墨通常包含在0至50重量％范圍內(nèi)的醇和在0至20重量％范圍內(nèi)的多元醇。在一些實施方案中，油墨可包含在0至2重量％范圍內(nèi)的合適分散劑。可例如通過在加熱時攪拌，隨后稀釋到可涂覆的稠度來制備該油墨?？赏ㄟ^手工方法和機械方法將該油墨例如涂覆到襯片或膜自身上，包括手刷、缺口棒涂、液壓軸承模涂、線繞棒涂、液壓軸承涂敷、狹槽進料刮涂、三輥涂敷或貼花轉(zhuǎn)移?？衫靡淮问┘踊蚨啻问┘觼韺崿F(xiàn)涂覆。在一些實施方案中，陰極和/或陽極催化劑可通過壓機或輥隙中的壓力或壓力和溫度的組合而固定到膜以形成催化劑涂覆膜，用于附接輥。

在一些實施方案中，陰極和/或陽極催化劑層包括其上具有催化劑的納米結(jié)構(gòu)化晶須。納米結(jié)構(gòu)化晶須可通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)提供，包括美國專利4,812,352(debe)、5,039,561(debe)、5,338,430(parsonage等人)、6,136,412(spiewak等人)和7,419,741(vernstrom等人)中所描述的那些，這些專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。一般來講，納米結(jié)構(gòu)化晶須可通過例如在基底(例如，微結(jié)構(gòu)化催化劑轉(zhuǎn)移聚合物片材)上真空沉積(例如，通過升華)有機或無機材料層，然后就苝紅沉積而言，通過熱退火將苝紅顏料轉(zhuǎn)換成納米結(jié)構(gòu)化晶須來提供。通常，真空沉積步驟在等于或低于約10^-3托或0.1帕斯卡的總壓力下進行。示例性微觀結(jié)構(gòu)通過有機顏料c.i.顏料紅149(即，n,n'-二(3,5-二甲苯基)苝-3,4:9,10-雙(二甲酰亞胺))的熱升華和真空退火來制備。用于制備有機納米結(jié)構(gòu)化層的方法公開于例如“材料科學(xué)與工程”(materialsscienceandengineering)，a158(1992)，第1-6頁；《真空科學(xué)與技術(shù)a》(j.vac.sci.technol.a)，第5卷第4期，1987年7月/8月，第1914-1916頁；《真空科學(xué)與技術(shù)a》(j.vac.sci.technol.a)，第6卷第3期，1988年5月/8月，第1907-1911頁；《薄固體膜》(thinsolidfilms)，第186卷，1990年，第327-347頁；《材料科學(xué)雜志》(j.mat.sci.)，25，1990年，第5257-5268頁；“快速淬火金屬”(rapidlyquenchedmetals)，德國烏茲堡第五屆快速淬火金屬國際會議記錄(proc.ofthefifthint.conf.onrapidlyquenchedmetals,wurzburg,germany)(1984年9月3日-7日)，s.steeb等人編輯，紐約的愛爾澤科學(xué)出版社公司(elseviersciencepublishersb.v.,newyork)(1985年)，第1117-1124頁；“攝影科學(xué)與工程”(photo.sci.andeng.)，第24卷第4期，1980年7月/8月，第211-216頁；以及美國專利4,340,276(maffitt等人)和4,568,598(bilkadi等人)中，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。使用碳納米管陣列的催化劑層的特性公開于論文“highdispersionandelectrocatalyticpropertiesofplatinumonwell-alignedcarbonnanotubearrays”(良好對齊碳納米管陣列上鉑的高分散和電催化特性，《碳》，2004年，第42卷，第191-197頁)。使用草硅或毛硅的催化劑層的特性公開于例如美國專利申請公開2004/0048466a1(malik等人)。

真空沉積可在任何合適的設(shè)備中進行(參見例如，美國專利5,338,430(parsonage等人)，5,879,827(debe等人)，5,879,828(debe等人)，6,040,077(debe等人)和6,319,293(debe等人)，以及美國專利申請公開2002/0004453a1(haugen等人)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。一種示例性設(shè)備示意性地描述于美國專利5,338,430(parsonage等人)的圖4a中，并在所附文本中討論，其中基底安裝在轉(zhuǎn)筒上，該轉(zhuǎn)筒隨后在升華或蒸發(fā)源上方旋轉(zhuǎn)，用于在有機前體退火之前沉積有機前體(例如，苝紅顏料)以形成納米結(jié)構(gòu)化晶須。

通常，所沉積的苝紅顏料的標(biāo)稱厚度在約50nm至500nm的范圍內(nèi)。通常，晶須的平均橫截面尺寸在20nm至60nm的范圍內(nèi)，并且平均長度在0.3微米至3微米的范圍內(nèi)。

在一些實施方案中，晶須附接到背襯。示例性背襯包括聚酰亞胺、尼龍、金屬箔，或能夠承受高達300℃的熱退火溫度的其它材料。在一些實施方案中，背襯的平均厚度在25微米至125微米的范圍內(nèi)。

在一些實施方案中，背襯在其表面的至少一個上表面具有微結(jié)構(gòu)。在一些實施方案中，微結(jié)構(gòu)由形狀和尺寸基本一致的特征結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該特征結(jié)構(gòu)是納米結(jié)構(gòu)化晶須的平均尺寸的至少三倍(在一些實施方案中，至少四倍、五倍、十倍或更多倍)。微結(jié)構(gòu)的形狀可為例如v形溝槽和峰(參見，例如，美國專利6,136,412(spiewak等人)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文)或錐體(參見例如美國專利7,901,829(debe等人)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文)。在一些實施方案中，微結(jié)構(gòu)特征的一些部分以周期方式在平均或多數(shù)微結(jié)構(gòu)化峰上方延伸，諸如每第31個v溝槽峰比其任一側(cè)上的v溝槽峰高25％或50％或甚至100％。在一些實施方案中，在多數(shù)微結(jié)構(gòu)化峰上方延伸的這部分特征結(jié)構(gòu)可為至多10％(在一些實施方案中，至多3％、2％或甚至至多1％)。在輥到輥涂覆操作中，當(dāng)涂覆基底在輥的表面上移動時，使用偶爾較高的微結(jié)構(gòu)特征可有利于保護一致較小的微結(jié)構(gòu)峰。偶爾較高的特征結(jié)構(gòu)接觸輥的表面，而不接觸較小微結(jié)構(gòu)的峰，因此隨著基底在涂覆過程中移動，很少的納米結(jié)構(gòu)化材料或晶須材料可能被刮擦或以其它方式被破壞。在一些實施方案中，微結(jié)構(gòu)特征基本上小于膜的一半厚度，其中在制備膜電極組件時，催化劑將轉(zhuǎn)移至該膜。這使得在催化劑轉(zhuǎn)移過程期間，較高的微結(jié)構(gòu)特征不滲透穿過膜，其中較高的微結(jié)構(gòu)特征可在膜的相對側(cè)上疊置電極。在一些實施方案中，最高的微結(jié)構(gòu)特征小于膜厚度的1/3或1/4。針對最薄的離子交換膜(例如，厚度約10微米至15微米)，可能有利的是具有高度不大于約3微米至4.5微米的微結(jié)構(gòu)化特征的基底。在一些實施方案中，v形或其它微結(jié)構(gòu)特征側(cè)面的陡度或相鄰的特征之間包括的角度期望是大約90°，從而便于在層合轉(zhuǎn)移過程期間的催化劑轉(zhuǎn)移，并且由于微結(jié)構(gòu)層的表面積相對于基底背襯的平面幾何表面為二的平方根(1.414)倍而使得電極的表面積增大。

陽極催化劑層中包含的示例性催化劑包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物、水合氧化物或氫氧化物；

(e)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(l)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物

(其中應(yīng)當(dāng)理解，氧化物、有機金屬絡(luò)合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、氧硼化物、氧碳化物、氧氟化物和氧氮化物是與au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru共存的那些)。

示例性氧化物包括coo、co2o3、co3o4、cofe2o4、feo、fe2o3、fe3o4、fe4o5、nio、ni2o3、nixfeyoz、nixcoyoz；mno、mn2o3、mn3o4；irxoy，其中ir的化合價可為例如2至8。具體的示例性ir氧化物包括ir2o3、iro2、iro3和iro4，以及混合的irxruyoz、irxptyoz、irxrhyoz、irxruyptzozz、irxrhyptzozz、irxpdyptzozz、irxpdyoz、irxruypdzozz、irxrhypdzozz，或銥酸鹽ir-ru燒綠石氧化物(例如，naxceyirzruzzo7)；ru氧化物包括rux1oy1，其中化合價可為例如2至8。具體的示例性ru氧化物包括ru2o3、ruo2和ruo3，或釕酸鹽ru-ir燒綠石氧化物(例如，naxceyruzirzzo7)。示例性pd氧化物包括pdxoy形式，其中pd的化合價可為例如1、2和4。具體的示例性pd氧化物包括pdo、pdo2。其它氧化物包括os、rh或au氧化物oso2、oso4、rho、rho2、rh2o3、rhxoy、au2o3、au2o和auxoy。示例性有機金屬絡(luò)合物包括au、co、fe、ni、ir、pd、rh、os或ru中的至少一者，其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh或ru通過一個或多個雜原子或一個或多個非碳原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體形成配位鍵。具有有機配體的示例性au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru絡(luò)合物也可經(jīng)由π鍵形成。具有氧雜原子的有機配體包括官能團諸如羥基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、環(huán)狀酸酐和環(huán)氧樹脂等。具有氮雜原子的有機配體包括官能團諸如胺、酰胺、酰亞胺、亞胺、疊氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、異氰酸酯、氨基甲酸酯、氨基磺酸脲、硫酰胺、氨基酸和n雜環(huán)卡賓(n-heterocycliccarbine)。具有硫雜原子的有機配體，即所謂的硫代配體，包括官能團諸如硫醇、硫酮(硫酮基或硫代羰基)、硫醛、噻吩、二硫化物、聚硫化物、硫酰亞胺、亞砜亞胺和砜二亞胺。具有磷雜原子的有機配體包括官能團諸如磷化氫、磷酸鹽、磷胺和亞磷烯。示例性有機金屬絡(luò)合物還包括單金屬絡(luò)合物和雜雙金屬絡(luò)合物，其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru參與單官能有機配體或雜官能有機配體的配位鍵。經(jīng)由π配位鍵形成的au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru有機金屬絡(luò)合物包括富碳π共軛有機配體(例如，芳烴、烯丙基、二烯、碳烯和炔基)。還已知au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru有機金屬絡(luò)合物的示例為螯合物、鑷分子、籠、分子盒、流變分子、大環(huán)、棱柱、半夾心和金屬有機框架(mof)。包括au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru中的至少一者的示例性有機金屬化合物包括其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru經(jīng)由共價、離子或混合共價-離子型金屬-碳鍵結(jié)合到有機物的化合物。示例性有機金屬化合物還可包括au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru與碳原子的共價鍵以及經(jīng)由雜原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體的配位鍵中的至少兩種的組合。穩(wěn)定的金屬-有機金屬絡(luò)合物的化學(xué)式通?？捎?8電子規(guī)則進行預(yù)測。該規(guī)則基于過渡金屬的價電子層由九個價軌道組成的事實，總共可容納18個電子作為成鍵或非成鍵電子對。這九個原子軌道與配體軌道的組合形成九個為金屬-配體鍵或非鍵的分子軌道。該規(guī)則通常不適用于非過渡金屬的絡(luò)合物。該規(guī)則可用于預(yù)測cr、mn、fe和co的三元低自旋絡(luò)合物的化學(xué)式。熟知的示例包括二茂鐵、五羰基鐵、羰基鉻和羰基鎳。絡(luò)合物中的配體決定18電子規(guī)則的適用性。一般來講，遵守該規(guī)則的絡(luò)合物至少部分地由“π受體配體”(又稱π酸)構(gòu)成。此類配體表現(xiàn)出非常強的配位場，從而降低所得分子軌道的能量，因此有利于該軌道被占據(jù)。典型的配體包括烯烴、膦和co。π酸的絡(luò)合物通常包含處于低氧化態(tài)的金屬。氧化態(tài)與配體特性之間的關(guān)系在π反饋鍵的框架內(nèi)得到合理解釋。示例性碳化物包括au2c2、ni2c、ni3c、nic、fe2c、fe3c、fexcy、coc、co2c、co3c、irc、irc2、irc4、ir4c5、irxcy、ruc、ru2c、rhc、ptc、osc、osc3、osc2、(mnfe)3c和mn3c。示例性氟化物包括auf、auf3、auf5、fef2、fef3、cofe2、cof3、nif2、irf3、irf4、irxfy、pdf3、pdf4、rhf3、rhf4、rhf6、ruf3和osf6。示例性氮化物包括au3n、aun2、auxny、ni3n、nin、co2n、con、co2n3、co4n、fe2n、fe3nx(其中x＝0.75-1.4)、fe4n、fe8n、fe16n2、irn、irn2、irn3、rhn、rhn2、rhn3、ru2n、run、run2、pdn、pdn2、osn、osn2、osn4、mn2n、mn4n和mn3n。示例性硼化物包括auxby、mn2aub、nib、ni3b、ni4b3、cob、co2b、co3b、feb、fe2b、ru2b3、rub2、irb、irxby、osb、os2b3、osb2、rhb、zrrh3b、nbrh3b和yrh3b。示例性氧碳化物包括auxoycz、nixoycz、fexoycz、coxoycz、irxoycz、ruxoycz、rhxoycz、ptxoycz、pdxoycz和osxoycz。示例性氧氟化物包括auxoyfz、nixoyfz、fexoyfz、coxoyfz、irxoyfz、ruxoyfz、rhxoyfz、ptxoyfz、pdxoyfz和osxoyfz。示例性氧氮化物包括auxoynz、nixoynz、fexoynz、coxoynz、irxoynz、ruxoynz、rhxoynz、ptxoynz、pdxoynz和osxoynz。示例性氧硼化物包括auxoybz、nixoybz、fexoybz、coxoybz、irxoybz、ruxoybz、rhxoybz、ptxoybz、pdxoybz和osxoybz。在本公開的范圍內(nèi)，所述的復(fù)合物包括這些氧化物、有機金屬絡(luò)合物、碳化物、氟化物、氮化物、氧碳化物、氧氟化物、氧氮化物、氧硼化物、硼氮化物和/或硼碳化物。

陰極催化劑層中包含的示例性催化劑包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；或

(l”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物

(其中應(yīng)當(dāng)理解，氧化物、有機金屬絡(luò)合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、氧硼化物、氧碳化物、氧氟化物和氧氮化物是與au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru共存的那些)。

示例性氧化物包括coo、co2o3、co3o4、cofe2o4、feo、fe2o3、fe3o4、fe4o5、nio、ni2o3、nixfeyoz、nixcoyoz；mno、mn2o3、mn3o4；以及irxoy，其中ir的化合價可為例如2至8。具體的示例性ir氧化物包括ir2o3、iro2、iro3和iro4，以及混合的irxruyoz、irxptyoz、irxrhyoz、irxruyptzozz、irxrhyptzozz、irxpdyptzozz、irxpdyoz、irxruypdzozz、irxrhypdzozz，或銥酸鹽ir-ru燒綠石氧化物(例如，naxceyirzruzzo7)；ru氧化物包括rux1oy1，其中化合價可為例如2至8。具體的示例性ru氧化物包括ru2o3、ruo2和ruo3，或釕酸鹽ru-ir燒綠石氧化物(例如，naxceyruzirzzo7)。示例性pd氧化物包括pdxoy形式，其中pd的化合價可為例如1、2和4。具體的示例性pd氧化物包括pdo、pdo2、os氧化物oso2和oso4、rho、rho2、rh2o3、au2o3、au2o和auxoy。示例性有機金屬絡(luò)合物包括au、co、fe、ni、ir、mn、pd、pt、rh、os或ru中的至少一者，其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru通過一個或多個雜原子或一個或多個非碳原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體形成配位鍵。具有有機配體的示例性au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru絡(luò)合物也可經(jīng)由π鍵形成。具有氧雜原子的有機配體包括官能團諸如羥基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、環(huán)狀酸酐和環(huán)氧樹脂等。具有氮雜原子的有機配體包括官能團諸如胺、酰胺、酰亞胺、亞胺、疊氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、異氰酸酯、氨基甲酸酯、氨基磺酸脲、硫酰胺、氨基酸和n雜環(huán)卡賓(n-heterocycliccarbine)。具有硫雜原子的有機配體，即所謂的硫代配體，包括官能團(例如，硫醇、硫酮(硫酮基或硫代羰基)、硫醛、噻吩、二硫化物、聚硫化物、硫酰亞胺、亞砜亞胺和砜二亞胺)。具有磷雜原子的有機配體包括官能團(例如，磷化氫、磷酸鹽、磷胺和亞磷烯)。示例性有機金屬絡(luò)合物還包括單金屬絡(luò)合物和雜雙金屬絡(luò)合物，其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru參與單官能有機配體或雜官能有機配體的配位鍵。經(jīng)由π配位鍵形成的au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru有機金屬絡(luò)合物包括富碳π共軛有機配體(例如，芳烴、烯丙基、二烯、碳烯和炔基)。還已知au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru有機金屬絡(luò)合物的示例為螯合物、鑷分子、籠、分子盒、流變分子、大環(huán)、棱柱、半夾心和金屬有機框架(mof)。包括au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru中的至少一者的示例性有機金屬化合物包括其中au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru經(jīng)由共價、離子或混合共價-離子型金屬-碳鍵結(jié)合到有機物的化合物。示例性有機金屬化合物還可包括au、co、fe、ir、ni、pd、pt、rh、os或ru與碳原子的共價鍵以及經(jīng)由雜原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體的配位鍵中的至少兩種的組合。穩(wěn)定的金屬-有機金屬絡(luò)合物的化學(xué)式通常可由18電子規(guī)則進行預(yù)測。該規(guī)則基于過渡金屬的價電子層由九個價軌道組成的事實，總共可容納18個電子作為成鍵或非成鍵電子對。這九個原子軌道與配體軌道的組合形成為金屬-配體鍵或非鍵的九個分子軌道。該規(guī)則通常不適用于非過渡金屬的絡(luò)合物。該規(guī)則通常預(yù)測cr、mn、fe和co的三元低自旋絡(luò)合物的化學(xué)式。熟知的示例包括二茂鐵、五羰基鐵、羰基鉻和羰基鎳。絡(luò)合物中的配體決定18電子規(guī)則的適用性。一般來講，遵守該規(guī)則的絡(luò)合物至少部分地由“π受體配體”(又稱π酸)構(gòu)成。此類配體表現(xiàn)出非常強的配位場，從而降低所得分子軌道的能量，因此有利于該軌道被占據(jù)。典型的配體包括烯烴、膦和co。π酸的絡(luò)合物通常包含處于低氧化態(tài)的金屬。氧化態(tài)與配體特性之間的關(guān)系在π反饋鍵的框架內(nèi)得到合理解釋。示例性碳化物包括au2c2或其它元素的碳化物(例如，ni2c、ni3c、nic、fe2c、fe3c、fexcy、coc、co2c、co3c、irc、irc2、irc4、ir4c5、irxcy、ru2c、ruc、rhc、ptc、osc、osc3和osc2)。示例性氟化物包括auf、auf3、auf5、fef2、fef3、cofe2、cof3、nif2、irf3、irf4、irxfy、pdf3、pdf4、rhf3、rhf4、rhf6、ruf3和osf6。示例性氮化物包括au3n、aun2、auxny、ni3n、nin、co2n、con、co2n3、co4n、fe2n、fe3nx(其中x＝0.75-1.4)、fe4n、fe8n、fe16n2、irn、irn2、irn3、rhn、rhn2、rhn3、ru2n、run、run2、pdn、pdn2、osn、osn2和osn4。示例性硼化物包括auxby、mn2aub、nixby、cob、co2b、co3b、feb、fe2b、ru2b3、rub2、irb、irxby、osb、os2b3、osb2、rhb，以及它們的氧硼化物、硼氮化物和硼碳化物。示例性氧碳化物包括auxoycz、nixoycz、fexoycz、coxoycz、irxoycz、ruxoycz、rhxoycz、ptxoycz、pdxoycz和osxoycz。示例性氧氟化物包括auxoyfz、nixoyfz、fexoyfz、coxoyfz、irxoyfz、ruxoyfz、rhxoyfz、ptxoyfz、pdxoyfz和osxoyfz。示例性氧氮化物包括auxoynz、nixoynz、fexoynz、coxoynz、irxoynz、ruxoynz、rhxoynz、ptxoynz、pdxoynz和osxoynz。在本公開的范圍內(nèi)，所述的復(fù)合物包括這些氧化物、有機金屬絡(luò)合物、碳化物、氟化物、氮化物、硼化物、氧碳化物、氧氟化物、氧氮化物和/或氧硼化物。

在一些實施方案中，陽極催化劑層包括載體材料，該載體材料包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的氟化物；

(h')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物

(其中應(yīng)當(dāng)理解，氧化物、有機金屬絡(luò)合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、氧硼化物、氧碳化物、氧氟化物、氧氮化物、硼化物和氧硼化物是與au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru共存的那些)。

示例性氧化物包括hfo、hf2o3、hfo2、tao、ta2o5、sno、sno2、tio、ti2o3、tio2、tixoy、zro、zr2o3、zro2、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(ysz)、w2o3、wo3、reo2、reo3、re2o3、re2o7、nbo、nbo2、nb2o5、al2o3、alo、al2o、sio和sio2。示例性有機金屬絡(luò)合物包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者，其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr通過一個或多個雜原子或一個或多個非碳原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體形成配位鍵。具有有機配體的示例性al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr絡(luò)合物也可經(jīng)由π鍵形成。具有氧雜原子的有機配體包括官能團諸如羥基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、環(huán)狀酸酐和環(huán)氧樹脂等。具有氮雜原子的有機配體包括官能團諸如胺、酰胺、酰亞胺、亞胺、疊氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、異氰酸酯、氨基甲酸酯、氨基磺酸脲、硫酰胺、氨基酸和n雜環(huán)卡賓(n-heterocycliccarbine)。具有硫雜原子的有機配體，即所謂的硫代配體，包括官能團(例如，硫醇、硫酮(硫酮基或硫代羰基)、硫醛、噻吩、二硫化物、聚硫化物、硫酰亞胺、亞砜亞胺和砜二亞胺)。具有磷雜原子的有機配體包括官能團(例如，磷化氫、磷酸鹽、磷胺和亞磷烯)。示例性有機金屬絡(luò)合物還包括單金屬絡(luò)合物和雜雙金屬絡(luò)合物，其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr參與單官能有機配體或雜官能有機配體的配位鍵。經(jīng)由π配位鍵形成的al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr有機金屬絡(luò)合物包括富碳π共軛有機配體(例如，芳烴、烯丙基、二烯、碳烯和炔基)。還已知al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr有機金屬絡(luò)合物的示例為螯合物、鑷分子、籠、分子盒、流變分子、大環(huán)、棱柱、半夾心和金屬有機框架(mof)。包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的示例性有機金屬化合物包括其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr通過共價、離子或混合共價-離子型金屬-碳鍵結(jié)合到有機物的化合物。示例性有機金屬化合物還可包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr與碳原子的共價鍵以及經(jīng)由雜原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體的配位鍵中的至少兩種的組合。穩(wěn)定的金屬-有機金屬絡(luò)合物的化學(xué)式通常由18電子規(guī)則進行預(yù)測。該規(guī)則基于過渡金屬的價電子層由九個價軌道組成的事實，總共可容納18個電子作為成鍵或非成鍵電子對。這九個原子軌道與配體軌道的組合形成九個為金屬-配體鍵或非鍵的分子軌道。該規(guī)則通常不適用于非過渡金屬的絡(luò)合物。絡(luò)合物中的配體決定18電子規(guī)則的適用性。一般來講，遵守該規(guī)則的絡(luò)合物至少部分地由“π受體配體”(又稱π酸)構(gòu)成。此類配體表現(xiàn)出非常強的配位場，從而降低所得分子軌道的能量，因此有利于該軌道被占據(jù)。典型的配體包括烯烴、膦和co。π酸的絡(luò)合物通常包含處于低氧化態(tài)的金屬。氧化態(tài)與配體特性之間的關(guān)系在π反饋鍵的框架內(nèi)得到合理解釋。附加細節(jié)可參見例如“organometallicchemistryoftitanium,zirconium,andhafnium”(《鈦、鋯和鉿的有機金屬化學(xué)》，《有機金屬化學(xué)叢書》中的一卷，作者：p.c.wailes，isbn：978-0-12-730350-5)。示例性碳化物包括hfc和hfc2、nb2c、nb4c3和nbc、re2c、tac、ta4c3、ta2c、wc、w2c、wc2、zr2c、zr3c2、zr6c、tic、ti8c12⁺簇、三元ti-al-c和ti-sn-c碳化物相(例如，ti3alc、ti3alc2、ti2alc、ti2snc、al4c3、snc、sn2c和al4c3)。示例性氟化物包括zrf4、tif4、tif3、taf5、nbf4、nbf5、wf6、alf3、hff4、cf、cfx、(cf)x、snf2和snf4。示例性氮化物包括hf3n4、hfn、re2n、re3n、ren、nb2n、nbn、鈮碳氮化物、tan、ta2n、ta5n6、ta3n5、w2n、wn、wn2、zr3n4、zrn、β-c3n4、石墨g-c3n4和si3n4。示例性氧碳化物包括alxoycz、hfxoycz、zrxoycz、tixoycz、taxoycz、rexoycz、nbxoycz、wxoycz和snxoycz。示例性氧氟化物包括alxoyfz、hfxoyfz、zrxoyfz、tixoyfz、taxoyfz、rexoyfz、nbxoyfz、wxoyfz和snxoyfz。示例性氧氮化物包括alxoynz、hfxoynz、zrxoynz、tixoynz、taxoynz、rexoynz、nbxoynz、wxoynz、cxoynx和snxoynz。示例性硼化物包括zrb2、tib2、tab、ta5b6、ta3b4、tab2、nbb2、nbb、wb、wb2、alb2、hfb2、reb2、b4c、sib3、sib4、sib6，以及它們的氧硼化物、硼氮化物和硼碳化物。在本公開的范圍內(nèi)，所述的復(fù)合物包括這些氧化物、有機金屬絡(luò)合物、碳化物、氟化物、氮化物、氧碳化物、氧氟化物和/或氧氮化物。多組分催化劑的各種組分的組成和量可影響催化劑的性能和使用該催化劑的裝置的整體性能(例如，觀察到pt陽極催化劑中的ti過多導(dǎo)致總體電池性能下降)。

在一些實施方案中，陰極或陽極催化劑層包括載體材料，該載體材料包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物

(其中應(yīng)當(dāng)理解，氧化物、有機金屬絡(luò)合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、氧碳化物、氧氟化物、氧硼化物和氧氮化物是與a”'共存的那些)。

示例性氧化物包括hfo、hf2o3、hfo2、tao、ta2o5、sno、sno2、tio、ti2o3、tio2、tixoy、zro、zr2o3、zro2、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(ysz)、w2o3、wo3、reo2、reo3、re2o3、re2o7、nbo、nbo2、nb2o5、al2o3、alo、al2o、sio和sio2。示例性有機金屬絡(luò)合物包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者，其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr通過一個或多個雜原子或一個或多個非碳原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體形成配位鍵。具有有機配體的示例性al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr絡(luò)合物也可經(jīng)由π鍵形成。具有氧雜原子的有機配體包括官能團諸如羥基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、環(huán)狀酸酐和環(huán)氧樹脂等。具有氮雜原子的有機配體包括官能團諸如胺、酰胺、酰亞胺、亞胺、疊氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、異氰酸酯、氨基甲酸酯、氨基磺酸脲、硫酰胺、氨基酸和n雜環(huán)卡賓(n-heterocycliccarbine)。具有硫雜原子的有機配體，即所謂的硫代配體，包括官能團(例如，硫醇、硫酮(硫酮基或硫代羰基)、硫醛、噻吩、二硫化物、聚硫化物、硫酰亞胺、亞砜亞胺和砜二亞胺)。具有磷雜原子的有機配體包括官能團(例如，磷化氫、磷酸鹽、磷胺和亞磷烯)。示例性有機金屬絡(luò)合物還包括單金屬絡(luò)合物和雜雙金屬絡(luò)合物，其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr參與單官能有機配體或雜官能有機配體的配位鍵。經(jīng)由π配位鍵形成的al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr有機金屬絡(luò)合物包括富碳π共軛有機配體(例如，芳烴、烯丙基、二烯、碳烯和炔基)。還已知al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr有機金屬絡(luò)合物的示例為螯合物、鑷分子、籠、分子盒、流變分子、大環(huán)、棱柱、半夾心和金屬有機框架(mof)。包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的示例性有機金屬化合物包括其中al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr通過共價、離子或混合共價-離子型金屬-碳鍵結(jié)合到有機物的化合物。示例性有機金屬化合物還可包括al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr與碳原子的共價鍵以及經(jīng)由雜原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如，硫和硒)、磷或鹵化物)與有機配體的配位鍵中的至少兩種的組合。穩(wěn)定的金屬-有機金屬絡(luò)合物的化學(xué)式通?？捎?8電子規(guī)則進行預(yù)測。該規(guī)則基于過渡金屬的價電子層由九個價軌道組成的事實，總共可容納18個電子作為成鍵或非成鍵電子對。這九個原子軌道與配體軌道的組合形成為金屬-配體鍵或非鍵的九個分子軌道。該規(guī)則通常不適用于非過渡金屬的絡(luò)合物。絡(luò)合物中的配體決定18電子規(guī)則的適用性。一般來講，遵守該規(guī)則的絡(luò)合物至少部分地由“π受體配體”(又稱π酸)構(gòu)成。此類配體表現(xiàn)出非常強的配位場，從而降低所得分子軌道的能量，因此有利于該軌道被占據(jù)。典型的配體包括烯烴、膦和co。π酸的絡(luò)合物通常包含處于低氧化態(tài)的金屬。氧化態(tài)與配體特性之間的關(guān)系在π反饋鍵的框架內(nèi)得到合理解釋。附加細節(jié)可參見例如“organometallicchemistryoftitanium,zirconium,andhafnium”(《鈦、鋯和鉿的有機金屬化學(xué)》，《有機金屬化學(xué)叢書》中的一卷，作者：p.c.wailes，isbn：978-0-12-730350-5)。示例性碳化物包括hfc、hfc2、nb2c、nb4c3、nbc、re2c、tac、ta4c3、ta2c、wc、w2c、wc2、zr2c、zr3c2、zr6c、tic、ti8c12⁺簇和三元碳化物相(例如，ti3alc、ti3alc2、ti2alc、ti2snc、al4c3、snc、sn2c和al4c3)。示例性氟化物包括zrf4、tif4、tif3、taf5、nbf4、nbf5、wf6、alf3、hff4、cf、cfx、(cf)x、snf2和snf4。示例性氮化物包括hf3n4、hfn、re2n、re3n、ren、nb2n、nbn、鈮碳氮化物、tan、ta2n、ta5n6、ta3n5、w2n、wn、wn2、β-c3n4、石墨g-c3n4、zr3n4和zrn。示例性氧碳化物包括alxoycz、hfxoycz、zrxoycz、tixoycz、taxoycz、rexoycz、nbxoycz、wxoycz和snxoycz。示例性氧氟化物包括alxoyfz、hfxoyfz、zrxoyfz、tixoyfz、taxoyfz、rexoyfz、nbxoyfz、wxoyfz和snxoyfz。示例性氧氮化物包括alxoynz、hfxoynz、zrxoynz、tixoynz、taxoynz、rexoynz、nbxoynz、wxoynz和snxoynz。示例性硼化物包括zrb2、tib2、tab、ta5b6、ta3b4、tab2、nbb2、nbb、wb、wb2、alb2、hfb2、reb2、c4b、sib3、sib4、sib6，以及它們的硼氮化物和硼碳化物。在本公開的范圍內(nèi)，所述的復(fù)合物包括這些氧化物、有機金屬絡(luò)合物、碳化物、氟化物、氮化物、氧碳化物、氧氟化物和/或氧氮化物。

在適用的情況下，可通過本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來沉積催化劑和催化劑載體材料。示例性沉積技術(shù)包括獨立地選自下列的那些：濺射(包括反應(yīng)濺射)、原子層沉積、分子有機化學(xué)氣相沉積、金屬-有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延、熱物理氣相沉積、電噴射離子化真空沉積和脈沖激光沉積。熱物理氣相沉積方法使用合適的期望的溫度(例如通過電阻加熱、電子束槍或激光)將靶(源材料)熔化或升華為氣態(tài)，氣態(tài)繼而穿過真空空間，然后將氣化形式冷凝到基底表面。熱物理氣相沉積設(shè)備是本領(lǐng)域中已知的，包括可以商品名“metalevaporator”(me系列)購自克瑞菲斯股份有限公司(creaphysgmbh)的金屬蒸發(fā)器，或以商品名“organicmaterialsevaporatior”(orma系列)購自英國牛津郡的曼蒂斯沉積物有限公司(mantisdepositionltd,oxfordshire,uk)的有機材料蒸發(fā)器。包括多個交替層的催化劑可例如從多個靶濺射(即，從第一靶濺射nb，從第二靶濺射zr，從第三靶(如果存在)濺射hf，等等)，或從包括多于一種元素的一個或多個靶濺射。如果催化劑涂覆使用單個靶完成，則可能希望該涂層在單個步驟中施加到氣體分配層、催化劑轉(zhuǎn)移層或膜上，使得催化劑涂層的冷凝熱充分加熱下方的催化劑或載體al、c、hf、ta、si、sn、ti、zr或w等原子(如果適用)和基底表面，從而提供足夠的表面移動性使得原子很好地混合并形成熱力學(xué)穩(wěn)定的合金疇?；蛘?，例如，可提供高溫或加熱的基底以促進該原子移動性。在一些實施方案中，濺射在包括至少氬氣和氧氣的混合物的氣氛中至少部分地進行，并且其中進入濺射室的氬氣對氧氣的流速比是至少113sccm/7sccm。在適用的情況下，有機金屬形式的催化劑和催化劑載體材料可例如通過質(zhì)量選擇離子的軟著陸或反應(yīng)著陸技術(shù)來沉積。質(zhì)量選擇離子的軟著陸用于將催化活性金屬絡(luò)合物連同有機配體從氣相轉(zhuǎn)移到惰性表面。此方法可用于制備具有限定活性部位的材料，從而在環(huán)境或傳統(tǒng)真空條件下針對表面實現(xiàn)高度受控的分子設(shè)計。附加細節(jié)可參見例如johnson等人的anal.chem.(《分析化學(xué)》，2010年，第82卷，第5718-5727頁)和johnson等人的chemistry:aeuropeanjournal(《歐洲化學(xué)雜志》，2010年，第16卷，第14433-14438頁)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

在一些實施方案中，可能希望膜電極組件中包括析氧反應(yīng)催化劑。結(jié)合析氧反應(yīng)(oer)催化劑(例如，ru、ir、ruir或它們的氧化物)往往有利于水電解而非碳腐蝕或催化劑劣化/溶解，從而有助于通過降低電池電壓來提高瞬態(tài)條件下的燃料電池耐久性。根據(jù)觀察，ru表現(xiàn)出優(yōu)異的oer活性，但優(yōu)選地使其穩(wěn)定。眾所周知，ir可用來穩(wěn)定ru，同時根據(jù)觀察，ir本身表現(xiàn)出良好的oer活性。

在一些實施方案中，本文所述的膜電極組件或成組電極組件中存在下列層中的至少一者：

包括設(shè)置在第一氣體分配層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第一氣體分配層；

包括設(shè)置在第一氣體分配層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括設(shè)置在第一氣體分配層與第一氣體分散層之間的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括設(shè)置在第一氣體分散層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第一氣體分散層；

包括設(shè)置在第一氣體分散層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括設(shè)置在第二氣體分散層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第二氣體分散層；

包括設(shè)置在第二氣體分散層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括設(shè)置在第二氣體分配層與第二氣體分散層之間的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括設(shè)置在第二氣體分配層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第二氣體分配層；以及

包括設(shè)置在第二氣體分配層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑的層。

已發(fā)現(xiàn)，物理分離析氧反應(yīng)(oer)催化劑與氫聚合物電解質(zhì)膜(pem)燃料電池的陽極側(cè)上的pt基氫氧化反應(yīng)(hor)催化劑或陰極側(cè)上的pt基氧還原反應(yīng)(orr)催化劑將導(dǎo)致在氣體切換事件諸如啟動/關(guān)閉或電池反極(由于局部燃料不足)中催化劑耐久性的顯著改善。另一個優(yōu)點是oer催化劑可獨立于施加至聚合物電解質(zhì)膜的陽極和陰極催化劑層的選擇而改變。因此，oer催化劑可與催化劑涂覆膜一起使用，該催化劑涂覆膜具有多種hor和orr催化劑層，諸如碳載pt或納米結(jié)構(gòu)化薄膜載體上的pt?？烧{(diào)整oer催化劑的負載量、處理過程和性能增強添加劑以滿足特定客戶對于陽極、陰極、保存條件等要求。這種方法還允許各種催化劑涂覆膜(ccm)和膜電極組件(mea)構(gòu)造，其中氣體分配層或氣體分散層上或氣體分配層或氣體分散層中的oer催化劑是一種組分，此外還向其中加入另一層催化劑。

析氧反應(yīng)催化劑優(yōu)選地適于在膜電極組件用于電化學(xué)裝置諸如燃料電池時與外部電路電接觸。這是可能的，因為在許多聚合物電解質(zhì)膜燃料電池構(gòu)造中，第一氣體分配層和第二氣體分配層是導(dǎo)電的。雖然不想受到理論的限制，但是據(jù)信，為了成功結(jié)合oer催化劑，希望它們避免阻礙或影響pt氫氧化反應(yīng)(hor)，反之亦然。

析氧反應(yīng)電催化劑參與電化學(xué)析氧反應(yīng)。催化劑材料改變并提高化學(xué)反應(yīng)速率，并且在反應(yīng)過程中不被消耗掉。電催化劑是特定形式的催化劑，其在電極表面處發(fā)揮作用或可作為電極表面本身。電催化劑可為異質(zhì)性的，諸如銥表面、涂層或納米制品，也可為同質(zhì)性的，諸如溶解態(tài)配位絡(luò)合物。電催化劑有助于電極與反應(yīng)物之間的電子轉(zhuǎn)移和/或促進通過總體半反應(yīng)所述的中間體化學(xué)轉(zhuǎn)化。

可通過本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來沉積析氧反應(yīng)催化劑。示例性沉積技術(shù)包括獨立地選自下列的那些：濺射(包括反應(yīng)濺射)、原子層沉積、分子有機化學(xué)氣相沉積、分子束外延、熱物理氣相沉積、電噴射離子化真空沉積和脈沖激光沉積。附加的一般細節(jié)可見于例如美國專利5,879,827(debe等人)、6,040,077(debe等人)和7,419,741(vernstrom等人)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。熱物理氣相沉積方法使用合適的高溫(例如，通過電阻加熱、電子束槍或激光)將靶(源材料)熔化或升華為氣態(tài)，氣態(tài)繼而穿過真空區(qū)域，然后將氣化形式冷凝到基底表面。熱物理氣相沉積設(shè)備是本領(lǐng)域中已知的，包括可分別以商品名“metalevaporator(me系列)”或“organicmolecularevaporator(de系列)”購自克瑞菲斯股份有限公司(creaphysgmbh)的金屬蒸發(fā)器或有機分子蒸發(fā)器；有機材料蒸發(fā)器的另一個示例以商品名“organicmaterialsevaporatior(orma系列)”購自英國牛津郡的曼蒂斯沉積物有限公司(mantisdepositionltd,oxfordshire,uk)。包括多個交替層的催化劑可例如從多個靶濺射出(即，從第一靶濺射ir，從第二靶濺射pd，從第三靶(如果存在)濺射ru，等等)，或從包括多于一種金屬的一個或多個靶濺射。如果催化劑涂覆使用單個靶完成，則可能希望該涂層在單個步驟中施加到氣體分配層、氣體分散層、催化劑轉(zhuǎn)移層或膜上，使得催化劑涂層的冷凝熱充分加熱下方的催化劑或載體au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru等原子(如果適用)和基底表面，從而提供足夠的表面移動性使得原子很好地混合并形成熱力學(xué)穩(wěn)定的合金疇?；蛘?，例如，可提供高溫或加熱的基底以促進該原子移動性。在一些實施方案中，濺射在包括至少氬氣和氧氣的混合物的氣氛中至少部分地進行，并且其中進入濺射室的氬氣對氧氣的流速比是至少113sccm/7sccm(每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)。有機金屬形式的催化劑可例如通過質(zhì)量選擇離子的軟著陸或反應(yīng)著陸技術(shù)來沉積。質(zhì)量選擇離子的軟著陸用于將催化活性金屬絡(luò)合物連同有機配體從氣相轉(zhuǎn)移到惰性表面。此方法可用于制備具有限定活性部位的材料，從而在環(huán)境或傳統(tǒng)真空條件下針對表面實現(xiàn)高度受控的分子設(shè)計。附加細節(jié)可參見例如johnson等人的anal.chem.(《分析化學(xué)》，2010年，第82卷，第5718-5727頁)和johnson等人的chemistry:aeuropeanjournal(《歐洲化學(xué)雜志》，2010年，第16卷，第14433-14438頁)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

在一些實施方案中，保持以下條件中的至少一者：

(a)包括析氧反應(yīng)催化劑的至少一個層的元素金屬pt對元素金屬析氧反應(yīng)催化劑的比率(即，如果ruo2為析氧反應(yīng)催化劑，pt原子對ru原子的數(shù)量比)不大于1:1(在一些實施方案中，不大于0.9:1、0.8:1、0.75:1、0.7:1、0.6:1、0.5:1、0.4:1、0.3:1、0.25:1、0.2:1，或甚至不大于0.1:1，或甚至為0:1)；或

(b)設(shè)置在包括析氧反應(yīng)催化劑的第一氣體分配層、第二氣體分配層、任選的第一氣體分配層或任選的第二氣體分散層中的至少一者上的至少一個層的元素金屬pt對元素金屬析氧反應(yīng)催化劑的比率不大于1:1(在一些實施方案中，不大于0.9:1、0.8:1、0.75:1、0.7:1、0.6:1、0.5:1、0.4:1、0.3:1、0.25:1、0.2:1，或甚至不大于0.1:1，或甚至為0:1)。

在一些實施方案中，本公開的膜電極組件或成組電極組件具有下列層中的至少一者(即，下列層中的任一者以及任意組合，其中應(yīng)當(dāng)理解，如果存在任一任選的層，旨在指第一氣體分散層和第二氣體分散層)：

包括設(shè)置在(例如，附接到)第一氣體分配層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分)的層：

包括析氧反應(yīng)催化劑的第一氣體分配層(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第一氣體分配層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括設(shè)置在第一氣體分配層與第一氣體分散層之間的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第一氣體分散層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第一氣體分散層(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第一氣體分散層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第二氣體分散層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第二氣體分散層(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第二氣體分散層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括設(shè)置在第二氣體分配層與第二氣體分散層之間的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括設(shè)置在(例如，附接到)第二氣體分配層的第一主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層；

包括析氧反應(yīng)催化劑的第二氣體分配層(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)；以及

包括設(shè)置在(例如，附接到)第二氣體分配層的第二主表面上的析氧反應(yīng)催化劑(例如，存在至少一部分，其包括遍布于整個層中)的層，

其中所述部分以至少0.5μg/cm²的量存在，在一些實施方案中，以1μg/cm²、1.5μg/cm²、2μg/cm²、2.5μg/cm²、3μg/cm²或甚至至少5μg/cm²的量存在；在一些實施方案中，在0.5μg/cm²至100μg/cm²、0.5μg/cm²至75μg/cm²、0.5μg/cm²至50μg/cm²、0.5μg/cm²至25μg/cm²、1μg/cm²至100μg/cm²、1μg/cm²至75μg/cm²、1μg/cm²至50μg/cm²、1μg/cm²至25μg/cm²、2μg/cm²至100μg/cm²、2μg/cm²至75μg/cm²、2μg/cm²至50μg/cm²、2μg/cm²至30μg/cm²、2μg/cm²至25μg/cm²或甚至2μg/cm²至20μg/cm²的范圍內(nèi)，所述量基于析氧反應(yīng)催化劑的元素含量計。

在一些實施方案中，至少第一氣體分配層和/或第二氣體分配層(如果存在)基本上不含pt(即，pt含量小于0.1μg/cm²)。

本文所述的膜電極組件和成組電極組件以及結(jié)合有本文所述膜電極組件和成組電極組件的裝置一般使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)制成，但采用本文所述的構(gòu)造要求或選項進行了修改。

氣體分散層一般還將來自氣體分配層的氣體更均勻地分配到電極，大致防止催化劑層和膜由于氣體分配層的可能粗糙度而產(chǎn)生機械缺陷，并且在一些實施方案中導(dǎo)電并減小與相鄰催化劑層的接觸電阻。它還可將液態(tài)水從催化劑層有效地芯吸到擴散層中。一種示例性氣體分散層為微孔層?？赏ㄟ^例如用添加劑諸如防水的疏水性結(jié)合劑(例如，含氟聚合物或氟化乙烯丙烯樹脂(fep))和炭黑浸漬或涂覆氣體分配層諸如碳紙或布來形成微孔層。碳紙或布通常首先浸漬于防水的疏水劑的分散溶液/乳液中，浸漬于溶劑(例如，水或醇)中，然后進行干燥和熱處理；然后將碳漿液涂覆到基底上，再進行干燥和熱處理。示例性含氟聚合物諸如聚四氟乙烯(ptfe)(可以商品名“tecaflonptfenatural”購自德國努夫林根的恩欣格有限責(zé)任公司(ensingergmbh,nufringen,germany)；以商品名“3mdyneonptfetf”購自美國明尼蘇達州圣保羅的3mdyneon公司(3mdyneon,st.paul,mn)；以商品名“bamptfe”購自英國愛丁堡的貝利先進材料公司(baillieadvancedmaterialsllc,edinburgh,unitedkingdom)；以商品名“dupontptfe”購自美國特拉華州威明頓的杜邦公司(e.i.dupontdenemours,wilmington,de))；etfe(聚(乙烯-共-四氟乙烯)，含氟熱塑性塑料)，可例如以商品名“bametfe”購自貝利先進材料公司(baillieadvancedmaterialsllc)公司，以商品名“tecaflonetfenatural”購自恩欣格有限責(zé)任公司(ensingergmbh)，以商品名“dupontetfe”購自杜邦公司(e.i.dupontdenemours)；以及pvdf(聚偏二氟乙烯)，可例如以商品名“tecaflonpvdf”購自恩欣格有限責(zé)任公司(ensingergmbh)，以商品名“3mdyneonfluoroplasticpvdf”購自3mdyneon公司，以商品名“bampvdf”購自貝利先進材料公司(baillieadvancedmaterialsllc)公司。氟化乙烯丙烯樹脂(fep)的示例性來源可以商品名“dupontteflonfep”購自杜邦公司(e.i.dupontdenemours)和以商品名“neoflondispersion”購自大金北美公司(daikinnorthamericallc)(fep基/pfa基)。炭黑粉的示例性來源包括可購自包括美國馬薩諸塞州沃德山市的阿法埃莎公司(alfaaesar,wardhill,ma)等制造商的乙炔黑，或可以商品名為“vulcanxc-72”購自美國馬薩諸塞州波士頓的卡博特公司(cabotcorporation,boston,ma)的油爐炭黑。

示例性膜包括聚合物電解質(zhì)膜。示例性聚合物電解質(zhì)膜包括具有連接在通用主鏈上的陰離子官能團的那些，這些陰離子官能團通常為磺酸基，但也可以包括羧酸基、酰亞胺基、酰胺基或其它酸性官能團。用于制備本文所述的膜電極組件的聚合物電解質(zhì)通常為高度氟化的，更通常地為全氟化的。用于制備本文所述的膜電極組件的聚合物電解質(zhì)通常為四氟乙烯與至少氟化的酸官能共聚單體的共聚物。示例性聚合物電解質(zhì)包括以商標(biāo)名“nafion”購自特拉華州威明頓市的杜邦公司(e.i.dupontdenemours,wilmington,de)和以商品名“flemion”購自日本朝日玻璃有限公司(asahiglassco.ltd.,japan)的那些。聚合物電解質(zhì)可得自四氟乙烯(tfe)和fso2cf2cf2cf2cf2-o-cf＝cf2的共聚物，該共聚物通過例如美國專利6,624,328(guerra)和7,348,088(freemeyer等人)中所述的水解法制得，這兩項專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。該聚合物通常具有1200或更小、1100或更小、1000或更小、900或更小或甚至800或更小的當(dāng)量重量(ew)。

提供催化劑層或?qū)⒋呋瘎咏Y(jié)合到氣體分配層和催化劑載體層中的方法還可基于液相。合適的涂覆方法包括懸浮、電泳、電化學(xué)沉積和浸漬。例如，當(dāng)氣體分散層可從漿液施加到氣體分配層上時，該漿液中除碳粒子和含氟聚合物粘結(jié)劑之外，還可包含催化劑粒子。附加細節(jié)可參見例如以下綜述：valeriemeille的appliedcatalysisageneral(《應(yīng)用催化a輯：總論》，第315卷，2006年，第1-17頁)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本文所述的催化劑的結(jié)晶和形態(tài)結(jié)構(gòu)，包括合金的存在、不存在或尺寸，一種或多種結(jié)構(gòu)類型的非晶態(tài)區(qū)域、結(jié)晶區(qū)域等，可能高度依賴于工藝和制造條件，尤其是當(dāng)組合三種或更多種元素時。

在一些實施方案中，催化劑的第一層直接沉積在納米結(jié)構(gòu)化晶須上。在一些實施方案中，第一層至少以共價鍵或離子鍵中的至少一種形式結(jié)合到納米結(jié)構(gòu)化晶須。在一些實施方案中，第一層被吸附到納米結(jié)構(gòu)化晶須上。第一層可形成為例如一致的共形涂層或分散的離散型納米顆粒。分散的離散型且定制的納米顆?？赏ㄟ^例如利用調(diào)節(jié)氦載氣壓力或自組織的簇束沉積方法來形成。附加細節(jié)可參見例如wan等人的solidstatecommunications(《固態(tài)通訊》，2002年，第121卷，第251-256頁)，或brunochaudret的top.organomet.chem.(《頂級有機金屬化學(xué)》，2005年，第16卷，第233-259頁)，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

本文所述的制品可用于例如膜電極組件和電化學(xué)裝置(例如，燃料電池、氧化還原液流電池和電解槽)中。

參見圖3a，在一些實施方案中，示例性膜電極組件或成組電極組件還具有以下項中的至少一者：

包括設(shè)置在第一氣體分配層100的第一主表面101上的析氧反應(yīng)(oer)催化劑105的層1100；

包括設(shè)置在第一氣體分配層100的第二主表面102上的多孔粘合劑層的層1150；

包括設(shè)置在第一氣體分配層100與第一氣體分散層200之間的多孔粘合劑層的層1200；

包括設(shè)置在第一氣體分散層200的第一主表面201上的多孔粘合劑層的層1250；

包括設(shè)置在第一氣體分散層200的第二主表面202上的多孔粘合劑層的層1300；

包括設(shè)置在第二氣體分散層600的第一主表面601上的多孔粘合劑層的層1400；

包括設(shè)置在第二氣體分散層600的第二主表面602上的多孔粘合劑層的層1500；

包括設(shè)置在第二氣體分散層600與第二氣體分配層700之間的多孔粘合劑層的層1550；以及

包括設(shè)置在第二氣體分配層700的第一主表面701上的多孔粘合劑層的層1600。如圖所示，析氧反應(yīng)催化劑105存在于層1100中，但析氧反應(yīng)催化劑可有利地添加到氫燃料電池的層1100,100,1150,1200,1250,200,1300,1400,600,1500,1600,700或1700中的任一者，如2014年12月15日提交的共同擁有的美國專利申請62/091851“membraneelectrodeassembly”(膜電極組件)中所述，該專利申請全文以引用方式并入本文。

任選的析氧反應(yīng)催化劑105在此處示出為位于設(shè)置在第一氣體分配層100上的層1100中，優(yōu)選地適于在膜電極組件(mea)用于電化學(xué)裝置諸如燃料電池中時與外部電路電接觸。這是可能的，因為在許多聚合物電解質(zhì)膜(pem)燃料電池構(gòu)造中，第一氣體分配層100和第二氣體分配層700以及任選的第一氣體分散層和第二氣體分散層200和600是導(dǎo)電的。

參見圖3b，示例性燃料電池2000包括與陽極催化劑層2300相鄰的第一氣體擴散層(gdl)2103(其包括氣體分配層，并且任選地包括氣體分散層)。第一gdl2103包括至少圖3a的第一氣體分配層100，并且任選地還包括圖3a的元件1100,1150,1200,1250,200或1300中的至少一者。另外，位于gdl2103的相對側(cè)上的相鄰陽極催化劑層2300為電解質(zhì)膜2400。陰極催化劑層2500與電解質(zhì)膜2400相鄰，并且第二氣體擴散層2703與陰極催化劑層2500相鄰。第二gdl2703至少包括圖3a的第二氣體分配層700，并且任選地還包括圖3a的氣體分配層600和層1400,1500,1550,1600或1700中的至少一者。gdl2103和2703可被稱為擴散集流體(dcc)或流體輸送層(ftl)。在操作中，氫燃料被引入燃料電池2000的陽極部分中，從而穿過第一氣體擴散層2103并位于陽極催化劑層2300上方。在陽極催化劑層2300處，氫燃料被分離為氫離子(h⁺)和電子(e^-)。

電解質(zhì)膜2400僅允許氫離子或質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜2400到達燃料電池2000的陰極部分。電子不能穿過電解質(zhì)膜2400，而是以電流的形式流過外部電路。此電流可為例如電負載2800諸如電動馬達提供電力或者被引入能量存儲裝置諸如可再充電電池。

氧氣通過第二氣體擴散層2703流入燃料電池2000的陰極側(cè)中。當(dāng)氧氣穿過陰極催化劑層2500時，氧氣、質(zhì)子和電子結(jié)合以產(chǎn)生水和熱。在一些實施方案中，陽極催化劑層和/或陰極催化劑層中的燃料電池催化劑不包括導(dǎo)電的碳基材料(即，催化劑層可包括例如苝紅、含氟聚合物或聚烯烴)。

類似的電化學(xué)裝置如聚合物電解質(zhì)膜(pem)水電解槽實質(zhì)上為反向運行的pem氫燃料電池。對于pem水電解槽和氫燃料電池，圖1、圖2a、圖2b和圖3a一般是相同的。然而，材料的選擇和操作條件將不同，如下文所述和圖4所示。對燃料電池而言，氫和氧被引入電池中，并且產(chǎn)生電和水。對pem水電解槽而言，水和電被輸入電池中，并且產(chǎn)生氫氣和氧氣。另外，一些材料是不同的，因為在電極處涉及不同的電化學(xué)半電池反應(yīng)，并且電極在不同的電勢下工作。例如，用于水電解槽中“氧反應(yīng)電極”的催化劑將針對由水制備氧氣的析氧反應(yīng)(oer)而非針對氫燃料電池中所需氧反應(yīng)的氧還原反應(yīng)(orr)進行優(yōu)化。陽極和陰極的定義是基于電池中正離子(即，朝向陰極的陽離子)的流動方向，因此對于自發(fā)反應(yīng)(例如，燃料電池)和驅(qū)動反應(yīng)(電解)是不同的，這一點使情況更為復(fù)雜。在燃料電池中氧氣被還原(為水)的“氧電極”被稱為燃料電池陰極，而電解槽中(由水)制得或形成氧氣的“氧電極”被稱為電解槽陽極。電解并非自發(fā)的過程，因此必須提供電能以驅(qū)動反應(yīng)，并且由于電阻和其它低效率，電解槽必須在高于燃料電池的電池電壓下工作。較高的電壓需要更耐用的材料，以避免腐蝕和副反應(yīng)。

參見圖4，示例性pem水電解槽4000包括與電解槽陽極催化劑層4300相鄰的第一氣體擴散層(gdl)4103。第一gdl4103至少包括圖3a的第一氣體分配層100，并且任選地還包括圖3a的元件200,1100,1150,1200,1250或1300中的至少一者。另外，位于gdl4103的相對側(cè)上的相鄰電解槽陽極催化劑層4300為電解質(zhì)膜4400。電解槽陰極催化劑層4500與電解質(zhì)膜4400相鄰，并且第二氣體擴散層4703與電解槽陰極催化劑層4500相鄰。第二gdl4703包括至少圖3a的第二氣體分配層700，并且任選地還包括圖3a的元件600,1400,1500,1550,1600和1700中的至少一者。gdl4103和4703可被稱為擴散集流體(dcc)或流體輸送層(ftl)。在操作中，純化水被引入電解槽4000的電解槽陽極部分中，從而穿過第一氣體擴散層4103并位于電解槽陽極催化劑層4300之上。在電解槽陽極催化劑層4300處，能量源或電源4800從水中提取電子(e^-)并且迫使它們到達其它電極。水被分離為氫離子(h⁺)和氧分子o2，并且氧氣從電池離開。在由電源4800形成的施加電池電壓的影響下，氫離子(h⁺)遷移穿過聚合物電解質(zhì)膜4400。在其它電極的催化劑層4500處，氫離子(h⁺)與電子(e^-)結(jié)合以形成氫氣h2，該氫氣從電池離開。

電解質(zhì)膜4400僅允許氫離子或質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜4400到達水電解槽4000的電解槽陰極部分。在電源4800作用下到達電解槽陰極催化劑4500的電子無法穿過電解質(zhì)膜4400，相反，在由電源4800跨膜4400形成的電場的作用下，氫離子穿過膜。一旦氫離子到達電解槽陰極催化劑4500，它們即與電子結(jié)合以產(chǎn)生氫氣，該氫氣從電池離開。

示例性實施方案

1a.一種制品，該制品包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層以及具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一粘合劑層，其中第一氣體分配層的第二主表面、第一氣體分散層的第二主表面或第一電極層的第一主表面在適用的情況下具有中心區(qū)域，其中在適用的情況下，第一粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域，第一粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分散層的第二主表面的至少中心區(qū)域，或者第一粘合劑層的第二主表面接觸第一電極層的第一主表面的至少中心區(qū)域，并且其中第一粘合劑層包括第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在第一粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)。

2a.根據(jù)示例性實施方案1a所述的制品，其中第一粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括多個第一細長粘合劑元件。

3a.根據(jù)示例性實施方案2a所述的制品，其中第一細長粘合劑元件的縱橫比為至少10:1(在一些實施方案中，縱橫比為至少100:1至1000:1或甚至至少10000:1)。

4a.根據(jù)示例性實施方案2a或3a所述的制品，其中第一細長粘合劑元件的長度為至少10微米(在一些實施方案中，至少25微米、100微米或甚至至少1厘米)，并且直徑或?qū)挾戎械闹辽僖徽咴?0nm至10000nm的范圍內(nèi)(在一些實施方案中，在100nm至2000nm、200nm至1000nm或甚至300nm至500nm的范圍內(nèi))。

5a.根據(jù)示例性實施方案2a至4a中任一項所述的制品，其中第一細長粘合劑元件包括纖維。

6a.根據(jù)前述a示例性實施方案中任一項所述的制品，其中第一粘合劑包括氟化熱塑性塑料(例如，聚(四氟乙烯-共-偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)或聚偏二氟乙烯)或烴熱塑性塑料(例如，丙烯酸酯和橡膠、苯乙烯)中的至少一者。

7a.根據(jù)前述a示例性實施方案中任一項所述的制品，其中基于第一粘合劑層的總體積計，第一粘合劑層的孔隙率為至少50％(在一些實施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％或甚至至少95％；在一些實施方案中，在50％至90％、60％至80％或甚至60％至75％的范圍內(nèi))。

8a.根據(jù)前述a示例性實施方案中任一項所述的制品，其中第一粘合劑層的厚度高達10微米(在一些實施方案中，高達9微米、8微米、7微米、6微米、5微米、4微米、3微米、2微米或甚至高達1微米；在一些實施方案中，在0.5微米至10微米、0.5微米至5微米或甚至0.5微米至2微米的范圍內(nèi))。

9a.根據(jù)前述a示例性實施方案中任一項所述的制品，還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一催化劑層，其中第一粘合劑層的第二主表面接觸第一催化劑層的第一主表面。

10a.根據(jù)示例性實施方案9a所述的制品，其中第一催化劑層為陽極催化劑層。

11a.根據(jù)示例性實施方案10a所述的制品，其中陽極催化劑層包含下列物質(zhì)中的至少一者：

(a)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物、水合氧化物或氫氧化物；

(e)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(l)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物。

12a.根據(jù)示例性實施方案10a或11a所述的制品，其中陽極催化劑層還包含下列物質(zhì)中的至少一者：

(a')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的氟化物；

(h')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物。

13a.根據(jù)示例性實施方案10a至12a中任一項所述的制品，其中陽極催化劑層包括其上具有催化劑的納米結(jié)構(gòu)化晶須。

14a.根據(jù)示例性實施方案9a所述的制品，其中第一催化劑層為陰極催化劑層。

15a.根據(jù)示例性實施方案14a所述的制品，其中陰極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(l”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物。

16a.根據(jù)示例性實施方案14a或15a所述的制品，其中陰極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物。

17a.根據(jù)示例性實施方案14a至16a中任一項所述的制品，其中陰極催化劑層包括其上具有催化劑的納米結(jié)構(gòu)化晶須。

18a.一種包括根據(jù)示例性實施方案9a至17a中任一項所述的制品的燃料電池。

19a.一種包括根據(jù)示例性實施方案9a至17a中任一項所述的制品的電解槽。

20a.一種包括根據(jù)示例性實施方案1a至8a中任一項所述的制品的氧化還原液流電池。

1b.一種制品(例如，膜電極組件或成組電極組件)依次包括：

具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層；

任選地，具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分散層；

具有相背對的第一主表面和第二主表面的陽極催化劑層，該陽極催化劑包括第一催化劑；

膜；

具有相背對的第一主表面和第二主表面的陰極催化劑層，該陰極催化劑包括第二催化劑；

任選地，具有相背對的第一主表面和第二主表面的第二氣體分散層；以及

具有相背對的第一主表面和第二主表面的第二氣體分配層，

其中至少一者(即，任一項或任何組合)：

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第一氣體分配層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分配層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第一氣體分散層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸第一氣體分散層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中陽極催化劑層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸陽極催化劑層的第一主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中陰極催化劑層的第二主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第一主表面接觸陰極催化劑層的第二主表面的至少中心區(qū)域；

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第二氣體分散層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸第二氣體分散層的第一主表面的至少中心區(qū)域；或者

還包括具有相背對的第一主表面和第二主表面的(例如，在適用的情況下，第一、第二、第三等)粘合劑層，其中粘合劑層包括粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)，該粘合劑的多孔網(wǎng)絡(luò)包括在粘合劑層的第一主表面與第二主表面之間延伸的連續(xù)孔網(wǎng)絡(luò)，其中第二氣體分配層的第一主表面具有中心區(qū)域，其中粘合劑層的第二主表面接觸第二氣體分配層的第一主表面的至少中心區(qū)域。

2b.根據(jù)示例性實施方案1b所述的制品，其中第一粘合劑層的多孔網(wǎng)絡(luò)包括多個第二細長粘合劑元件。

3b.根據(jù)示例性實施方案2b所述的制品，其中第二細長粘合劑元件的縱橫比在10:1至10000:1的范圍內(nèi)(在一些實施方案中，縱橫比在10:1至1000:1的范圍內(nèi)、在10:1至100:1的范圍內(nèi)或甚至在100:1至10000:1的范圍內(nèi))。

4b.根據(jù)示例性實施方案2b或3b所述的制品，其中第二細長粘合劑元件的長度在10微米至1厘米的范圍內(nèi)(在一些實施方案中，在10微米至100微米、25微米至1厘米或甚至100微米至1厘米的范圍內(nèi))，并且直徑或?qū)挾戎械闹辽僖徽咴?0nm至10000nm的范圍內(nèi)(在一些實施方案中，在100nm至2000nm、200nm至1000nm或甚至300nm至500nm的范圍內(nèi))。

5b.根據(jù)示例性實施方案2b至4b中任一項所述的制品，其中第二細長粘合劑元件包括纖維。

6b.根據(jù)示例性實施方案2b至5b所述的制品，其中第一粘合劑包括氟化熱塑性塑料(例如，聚(四氟乙烯-共-偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)或聚偏二氟乙烯)或烴熱塑性塑料(例如，丙烯酸酯和橡膠、苯乙烯)。

7b.根據(jù)示例性實施方案2b至6b所述的制品，其中基于第一粘合劑層的總體積計，第一粘合劑層的孔隙率為至少50％(在一些實施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％或甚至至少95％；在一些實施方案中，在50％至90％、60％至80％或甚至60％至75％的范圍內(nèi))。

8b.根據(jù)示例性實施方案2b至7b中任一項所述的制品，其中第一粘合劑層的厚度高達10微米(在一些實施方案中，高達9微米、8微米、7微米、6微米、5微米、4微米、3微米、2微米或甚至高達1微米；在一些實施方案中，在0.5微米至10微米、0.5微米至5微米或甚至0.5微米至2微米的范圍內(nèi))。

9b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陽極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(l”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物。

10b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陽極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物。

11b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陽極催化劑層包括其上具有催化劑的納米結(jié)構(gòu)化晶須。

12b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陰極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”)元素au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者；

(b”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種合金；

(c”)包括au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種硼化物；

(j”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(k”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(l”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧氮化物；或

(m”)au、co、fe、ir、mn、ni、os、pd、pt、rh或ru中的至少一者的至少一種氧硼化物。

13b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陰極催化劑層包括下列物質(zhì)中的至少一者：

(a”')元素al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者；

(b”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種合金；

(c”')包括al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種復(fù)合物；

(d”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧化物；

(e”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種有機金屬絡(luò)合物；

(f”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種碳化物；

(g”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氟化物；

(h”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氮化物；

(i”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧碳化物；

(j”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氟化物；

(k”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧氮化物；

(l”')al、c、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種硼化物；或

(m”')al、hf、nb、re、si、sn、ta、ti、w或zr中的至少一者的至少一種氧硼化物。

14b.根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品，其中陰極催化劑層包括其上具有催化劑的納米結(jié)構(gòu)化晶須。

15b.一種包括根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的膜電極組件的燃料電池。

16b.一種括根據(jù)示例性實施方案1b至14b中任一項所述的膜電極組件的電解槽。

17b.一種包括根據(jù)示例性實施方案1b至8b中任一項所述的膜電極組件方氧化還原液流電池。

1c.一種制備根據(jù)前述b示例性實施方案中任一項所述的制品的方法，該方法包括：

提供在適用的情況下具有相背對的第一主表面和第二主表面的第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層，其中第一氣體分配層、第一氣體分散層或第一電極層的第一主表面和第二主表面在適用的情況下各自具有活性區(qū)域；

提供粘合劑組合物；以及

在適用的情況下，將粘合劑組合物以電紡或電噴中的至少一種方式結(jié)合到第一氣體分配層的第二主表面、第一氣體分散層的第二主表面或第一電極層的第一主表面的至少活性區(qū)域，以提供粘合劑層。

以下實施例進一步說明了本發(fā)明的優(yōu)點和實施方案，但是這些實施例中所提到的具體材料及其量以及其他條件和細節(jié)均不應(yīng)被解釋為是對本發(fā)明的不當(dāng)限制。除非另外指明，否則所有份數(shù)和百分比均按重量計。

實施例

在下列實施例中，將電紡粘合劑溶液裝載到電紡裝置上的配備有小孔徑注射器針頭的注射器中，如圖6所示。將沉積靶定位于電紡裝置的注射器針頭前方10厘米處并且電接地。通過高壓電源將擠出注射器的電勢設(shè)置為370kv。

材料

聚合物粘合劑溶液1-將氟化三元共聚物(以商品名“thv220”購自美國明尼蘇達州圣保羅的3m公司(3mcompany,st.paul,mn))溶解于包含60重量％的2-丁酮和40重量％的二甲基乙酰胺的溶劑中，以形成15重量％的固體溶液。

聚合物粘合劑溶液2-將可用過氧化物固化的含氟彈性體三元共聚物(以商品名“fpo-3730”購自3m公司(3mcompany))溶解于包含60重量％的2-丁酮和40重量％的二甲基乙酰胺的溶劑中，以形成15重量％的固體溶液。

沉積靶由具有氣體分散層的碳紙氣體擴散層(gdl)(以商品名“freudenbergh2315i2c3”購自德國魏因海姆的科德寶集團fcct公司(freudenbergfcctse&co.kg,weinheim,germany))的7.07厘米×7.07厘米片材組成。

另選的沉積靶由具有氣體分散層的碳紙氣體擴散層(gdl)(以商品名“2979gdl”購自3m公司(3mcompany))的7.07厘米×7.07厘米片材組成。

設(shè)備

如圖6所示，電紡設(shè)備由高壓電源640(購自美國紐約州哈帕克的斯派曼公司(spellman,hauppauge,ny)的czr100r型)和用于控制注射器輸出的輸液泵(購自美國伊利諾伊州迪爾福德的百特公司(baxter,deerfield,il)的as40a型)組成。

每次沉積使用一個一次性注射器(630)和兩個針頭(620)，包括3ml容量的注射器(購自美國新澤西州富蘭克林湖的碧迪醫(yī)療公司(becton,dickinsonandcompany,franklinlakes,nj)的bd型)；用于將聚合物溶液抽入注射器中的注射器針頭(購自碧迪醫(yī)療公司(becton,dickinsonandcompany)的16gbd型)；以及用于擠出電紡納米纖維的注射器針頭(以商品名“l(fā)uer-lok；27gbd型”購自碧迪醫(yī)療公司(becton,dickinsonandcompany))。

樣品制備

實施例1

將溶于60重量％的2-丁酮和40重量％的二甲基乙酰胺的混合物中的15重量％的氟化三元共聚物(“thv220”)的溶液以0.2ml/分鐘的流速在15秒內(nèi)電紡到電接地氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)的7.07厘米×7.07厘米(50cm²)樣品的微孔(氣體分散)層面，氣體擴散層樣品與注射器針頭相距10厘米。通過高壓電源將針的電勢設(shè)置為370kv。氣體分散層(“freudenbergh2315i2c3”)的基本上100％中心區(qū)域或活性區(qū)域覆蓋有類似于圖5a和圖5b所示的電紡納米纖維的多孔層。多孔納米纖維層的表觀總厚度為約2微米。電紡納米纖維的平均直徑為約300納米。三個樣品的前后稱重確定沉積到樣品基底上的聚合物量在15秒內(nèi)從0.0081克變?yōu)?.0085克，其中聚合物的平均沉積量為0.0083克。由于聚合物密度為1.78克/cm³，因此該負載量足以覆蓋整個50cm²樣品并且深度達約930納米或納米纖維平均直徑的三倍以上。

實施例2

重復(fù)實施例1的過程，不同的是將聚合物沉積在氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)(的氣體分配層面)上30秒。氣體分配層樣品上的三次30秒沉積的平均結(jié)果是沉積了0.0186克聚合物。

實施例3

重復(fù)實施例1的過程，不同的是將聚合物沉積在氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)上60秒。氣體擴散層樣品上的三次60秒沉積的平均結(jié)果是沉積了0.0388克聚合物。

實施例4

將溶于60重量％的2-丁酮和40重量％的二甲基乙酰胺的混合物中的15重量％的可用過氧化物固化的含氟彈性體三元共聚物(“fpo-3730”)的溶液以0.1ml/分鐘的流速在60秒內(nèi)電紡到電接地的氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)的7.07厘米×7.07厘米樣品的微孔層面上，氣體擴散層樣品與注射器針頭相距10厘米。通過高壓電源將針的電勢設(shè)置為370kv。

實施例5

樣品按照實施例1所述進行制備，不同的是在120秒內(nèi)將氟化三元共聚物(“thv220”)沉積到氣體擴散層材料(“2979gdl”)的50cm²樣品的微孔氣體分散層面上。氣體擴散層(“2979gdl”)的氣體分散層面的基本上100％中心區(qū)域或活性區(qū)域覆蓋有電紡納米纖維的多孔層。該樣品的掃描電鏡(sem)圖像如圖5a和圖5b所示。圖5a為氣體擴散層(“2979gdl”)上的電紡納米纖維粘合劑層的頂視圖，放大倍數(shù)為500倍。圖5b示出相同樣品的sem圖像的另一個頂視圖，放大倍數(shù)為1700倍。

聚合物電解質(zhì)膜氫燃料電池中的樣品測試

制備膜電極組件

在熱壓機(以商品名“carver”購自美國印第安納州沃巴什的弗萊德卡佛公司(freds.carverinc.,wabash,in)的2518型)中，將其上具有納米纖維粘合劑的每個氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)結(jié)合到催化劑涂覆膜(ccm)，從而在膜電極組件(mea)中制得樣品。熱壓機溫度被設(shè)置為280℉(138℃)，在50cm²的樣品活性區(qū)域上施加3000磅(13300牛頓)的力并保持10分鐘。樣品被墊圈包圍，該墊圈設(shè)定在氣體擴散層材料壓縮20％時硬停止。

利用設(shè)定為285℉(141℃)和約800磅(3560牛頓)力/線性英寸(2.54厘米)的覆膜機，將全氟磺酸基質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)膜層合至陽極和陰極催化劑層，由此形成催化劑涂覆膜。將陽極層涂覆到具有0.05mg/cm²的碳載鉑催化劑的獨立襯件上，并且將具有0.25mg/cm²的碳載鉑合金催化劑的陰極層涂覆到獨立襯件上。復(fù)合催化劑涂覆能夠膜以商品名“3mcoolairccm”購自美國明尼蘇達州圣保羅的3m公司(3mcompany,st.paul,mn)。

粘附測試

測試如上述實施例1-3所述使用電紡納米纖維涂覆氣體擴散層制備的膜電極組件，通過用熱和壓力粘結(jié)來測量電紡納米纖維的粘附力，如上文“制備膜電極組件”部分所述，然后根據(jù)astmd3330(2007)對其進行標(biāo)準(zhǔn)180度剝離測試，該文獻的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。在這些測量中，涂覆有納米纖維的氣體擴散層僅結(jié)合到催化劑涂覆膜的一面，為陰極面或陽極面之一。然后將氣體擴散層附著到平坦表面，并且以180度的角度撕下催化劑涂覆膜，如所引用的astm標(biāo)準(zhǔn)的測試a中所述。圖7以條形圖形式示出這些測試的結(jié)果。條701為將粘合劑施加至氣體擴散層的陽極面60秒的情況的剝離強度，并且條702為將粘合劑施加至氣體擴散層的陰極面60秒的情況的剝離強度。條711表示粘合劑被施加至氣體擴散層的陽極面30秒的數(shù)據(jù)，并且條712表示粘合劑被施加至氣體擴散層的陰極面30秒的數(shù)據(jù)。條721表示粘合劑被施加至氣體擴散層的陽極面15秒的數(shù)據(jù)，并且條722表示粘合劑被施加至氣體擴散層的陰極面15秒的數(shù)據(jù)。圖中的每個條表示3個樣品的平均剝離強度，單位為克/厘米。

燃料電池測試

進行燃料電池測試以確定粘合劑對性能的影響。完成標(biāo)準(zhǔn)燃料電池初始性能測試。這些測試包括：圖8中的流電動態(tài)掃描(gds)偏振性能掃描；圖9中的在gds掃描過程中獲得的高頻電阻測量結(jié)果；以及圖10中的對陰極空氣化學(xué)計量比減小的靈敏度。

將包含粘合劑載氣體擴散層樣品的膜電極組件安裝在燃料電池測試站(購自美國新墨西哥州阿爾伯克基的燃料電池科技公司(fuelcelltechnologies,albuquerque,nm))中。將燃料電池測試站的電極連接至multistat(480型，購自英格蘭漢普郡法恩伯勒的輸力強公司(solartron,farnborough,hampshire,england))以測量高頻電阻(ac阻抗)。電池壓縮率為20％。對于圖5所示的流電動態(tài)掃描，燃料電池在70℃的電池溫度下工作，其中將完全潮濕的氫氣提供給陽極，并將完全潮濕的空氣提供給陰極。氫氣和空氣均以大氣壓提供，其中陽極化學(xué)計量比設(shè)定為1.4(表示所提供的反應(yīng)物(h2)與目標(biāo)電化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物的比率為1.4)，并且陰極化學(xué)計量比設(shè)定為2.5(表示所提供的o2(在空氣中)對所需量的比率為2.5)。如下所述測試三個樣品：

1)對照膜電極組件，通過將氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)的微孔層面與催化劑涂覆膜相鄰放置且其間無粘合劑來制得，通常與測試催化劑涂覆膜的情況相同；

2)膜電極組件如上文實施例3所述制備，其中將氟化三元共聚物(“thv220”)的納米纖維在60秒內(nèi)電紡到氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)的微孔層面，并且該粘合劑涂覆面與催化劑涂覆膜相鄰放置，其中除電池組裝過程中20％電池壓縮率以外，無需將附加的熱量或壓力施加至膜電極組件；以及

3)膜電極組件如上文實施例3所述制備，其中將氟化三元共聚物(“thv220”)的納米纖維在60秒內(nèi)電紡到氣體擴散層(“freudenbergh2315i2c3”)的微孔層面；該粘合劑涂覆面被與催化劑涂覆膜相鄰放置，然后在將膜電極組件結(jié)合到測試電池中之前，通過使膜電極組件經(jīng)受3000磅(13300牛頓)的力和280℉(138℃)的溫度10分鐘，將膜電極組件熱粘結(jié)。

在圖8所示的流電動態(tài)掃描中，對使用粘合劑納米纖維層802粘結(jié)的膜電極組件的樣品性能與兩個對照樣品的性能進行比較，兩個對照樣品包含相同類型的催化劑涂覆膜和氣體分配層材料并且在電池組裝時不含粘合劑800并且不在高溫或壓力801下進行粘結(jié)。對于流電動態(tài)掃描，從～0.1a/cm²的低值開始測試電池電流密度，然后逐步升高至～1.6a/cm²的電流密度，然后再逐步降低至0.1a/cm²，同時監(jiān)測電池電壓。報告的電池電壓值為60秒內(nèi)每個點的平均值。潮濕的輸入氫氣和氧氣流以及電池均保持在70℃下。將氣體壓力控制為大氣壓。陽極的電池化學(xué)計量比為1.4，并且陰極的電池化學(xué)計量比為2.5。

在這些掃描過程中還測量電池的高頻電阻，結(jié)果示于圖9中。電池測試條件與流電動態(tài)掃描相同。對使用粘合劑納米纖維層902粘結(jié)的膜電極組件的樣品高頻電阻與兩個對照樣品的性能進行比較，兩個對照樣品包含相同類型的催化劑涂覆膜和氣體分配層材料并且在電池組裝時不含粘合劑900并且不在高溫或壓力901下進行粘結(jié)。

在圖8和圖9所示的測試后，在同一燃料電池測試站中對樣品和對照樣品進行陰極空氣化學(xué)計量比測試，如圖10所示。燃料電池在0.8a/cm²的恒定電流密度下工作，并且隨陰極空氣化學(xué)計量比的變化來測量電池電壓。陰極化學(xué)計量比從3.0開始，并且記錄6分鐘時段內(nèi)的平均電壓。然后逐步降低化學(xué)計量比，并且測量另一化學(xué)計量比點處的電壓并取6分鐘內(nèi)的平均值。重復(fù)該過程，直至陰極空氣化學(xué)計量比降至1.5。對使用粘合劑納米纖維層1002粘結(jié)的膜電極組件的樣品性能與兩個對照樣品的性能進行比較，兩個對照樣品包含相同類型的催化劑涂覆膜和氣體分配層材料并且在電池組裝時不含粘合劑1000并且不在高溫或壓力1001下進行粘結(jié)。

在不脫離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)的情況下，本公開的可預(yù)知的變型和更改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將顯而易見。本發(fā)明不應(yīng)受限于本申請中為了進行示意性的說明所示出的實施方案。