本發(fā)明涉及一種增強的膜密封組件，特別是涉及一種具有多個增強層的增強的膜密封組件。本發(fā)明的增強的膜密封組件適用于燃料電池或電解器。

發(fā)明背景

燃料電池是一種電化學(xué)電池，其包含由電解質(zhì)隔開的兩種電極。燃料例如氫氣或醇如甲醇或乙醇供給到陽極，氧化劑例如氧氣或空氣供給到陰極。電化學(xué)反應(yīng)在電極處發(fā)生，燃料和氧化劑的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成電能和熱。電催化劑被用于促進(jìn)燃料在陽極的電化學(xué)氧化和氧氣在陰極的電化學(xué)還原。

在氫氣作為燃料或醇作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，電解質(zhì)是實心聚合物膜，其是電子絕緣和質(zhì)子傳導(dǎo)的。在陽極處產(chǎn)生的質(zhì)子沿著膜傳輸?shù)疥帢O，在這里它們與氧氣結(jié)合來形成水。最廣泛使用的醇燃料是甲醇，PEMFC的這種變體經(jīng)常被稱作直接甲醇燃料電池(DMFC)。

PEMFC的主要部件被稱作膜電極組件(MEA)，基本上包含5層。中心層是聚合物離子傳導(dǎo)膜。在該離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)上存在著電催化劑層，其含有經(jīng)設(shè)計來用于特定的電催化反應(yīng)的電催化劑。最后，與每個電催化劑層相鄰的是氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層必須允許反應(yīng)物到達(dá)電催化劑層和必須傳導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流。所以，氣體擴(kuò)散層必須是多孔的和導(dǎo)電的。

常規(guī)上，MEA可以通過下文概述的多種方法來構(gòu)建：

(i)電催化劑層可以施用到氣體擴(kuò)散層來形成氣體擴(kuò)散電極。兩個氣體擴(kuò)散電極可以置于離子傳導(dǎo)膜的任一側(cè)，并層合在一起來形成5層MEA；

(ii)電催化劑層可以施用到離子傳導(dǎo)膜的兩面來形成催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜。隨后，將氣體擴(kuò)散層施用到該催化劑涂覆的離子傳導(dǎo)膜的兩面。

(iii)MEA可以由一側(cè)涂覆有電催化劑層的離子傳導(dǎo)膜形成，氣體擴(kuò)散層與該電催化劑層相鄰，氣體擴(kuò)散電極在該離子傳導(dǎo)膜的另一側(cè)。

常規(guī)上，構(gòu)建MEA以使得中心聚合物離子傳導(dǎo)膜延伸到該MEA的邊緣，并且氣體擴(kuò)散層和電催化劑層的面積小于該膜，以使得在MEA外圍存在著僅包含離子傳導(dǎo)膜的區(qū)域。不存在電催化劑的區(qū)域是非電活性活性區(qū)。典型地由非離子傳導(dǎo)聚合物形成的薄膜層通常位于離子傳導(dǎo)膜的暴露表面上的MEA的邊界區(qū)域周圍(這里不存在電催化劑)來密封和/或增強該MEA的邊緣。粘合劑層可以存在于該薄膜層的一個或兩個表面上。

MEA中的組分層典型地通過層合方法來結(jié)合。典型地，用于該膜中的許多聚合物離子傳導(dǎo)材料延伸過電化學(xué)活性區(qū)進(jìn)入非電化學(xué)活性區(qū)，經(jīng)常達(dá)到幾厘米。在低幾何面積MEA中，這種非電化學(xué)活性區(qū)可以占到整個MEA幾何面積的50％。延伸過該電化學(xué)活性區(qū)域的該膜不產(chǎn)生活性和性能。聚合物離子傳導(dǎo)膜是燃料電池中最昂貴的部件之一，所以需要使它的使用最小化。此外，位于MEA邊界區(qū)域周圍的密封薄膜層典型地如下來形成：取一卷薄膜，切割出中心區(qū)來產(chǎn)生窗口框架，其然后置于MEA的邊緣周圍。所以，大比例的密封膜材料也浪費了。通常的實踐是聚合物離子傳導(dǎo)膜還包含增強材料例如平面多孔材料，其嵌入到該膜的厚度中，來為該膜提供改進(jìn)的機械強度和因而增加的MEA耐久性和燃料電池壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)燃料電池更快速的商業(yè)化和更大的市場滲入，必須進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)MEA的性能和耐久性，以及降低材料用量和因此降低成本，以及明顯降低制造成本和增加MEA的制造生產(chǎn)速率。引入這種連續(xù)高體量制造方法(其中以高速生產(chǎn)了MEA的連續(xù)卷)作為個體MEA由單獨的MEA部件組裝的制造方法的替代。所以需要這樣的MEA設(shè)計，其同時(i)改進(jìn)MEA的功能性特性，(ii)使昂貴材料和組分的效用最大化，和(iii)以及能夠以低成本、高速度和生產(chǎn)量的制造方法來制造。

本發(fā)明提供一種用于增強的膜密封組件的設(shè)計，其提供增強的強度、機械穩(wěn)定性和因此耐久性，離子傳導(dǎo)膜和密封膜材料的高利用率，并且其適于高速連續(xù)制造方法。

本發(fā)明提供一種增強的膜密封組件，該增強的膜密封組件包含內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域，其中該內(nèi)部區(qū)域包含離子傳導(dǎo)組分，該邊界區(qū)域包含密封組分；

其中第一和第二平面增強組分每個沿著該內(nèi)部區(qū)域延伸進(jìn)入該邊界區(qū)域中，并且其中該內(nèi)部區(qū)域中的該第一和第二平面增強組分每個的孔浸漬有離子傳導(dǎo)組分，和該邊界區(qū)域中的該第一和第二平面增強組分每個的孔浸漬有密封組分。

還提供一種制造本發(fā)明的增強的膜密封組件的方法。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種催化劑涂覆的增強的膜密封組件和增強的膜密封電極組件。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明的增強的膜密封組件的內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域。

圖2-4顯示了本發(fā)明的增強的膜密封組件的橫截面圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種增強的膜密封組件，該增強的膜密封組件包含內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域，其中該內(nèi)部區(qū)域包含離子傳導(dǎo)組分，該邊界區(qū)域包含密封組分；

其中第一和第二平面增強組分每個沿著該內(nèi)部區(qū)域延伸進(jìn)入該邊界區(qū)域中，并且其中該內(nèi)部區(qū)域中的該第一和第二平面增強組分每個的孔浸漬有離子傳導(dǎo)組分，和該邊界區(qū)域中的該第一和第二平面增強組分每個的孔浸漬有密封組分。

一種或多種另外的平面增強組分可以沿著該內(nèi)部區(qū)域延伸進(jìn)入該增強的膜密封組件的邊界區(qū)域。

內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域

內(nèi)部區(qū)域指的是在x/y方向(平面內(nèi)的方向)上的平面區(qū)域，并且其在穿過平面的方向(z方向)上延伸穿過該增強的膜密封組件的厚度。

邊界區(qū)域指的是在平面內(nèi)的方向上的平面區(qū)域，并且其在穿過平面的方向(z方向)上延伸穿過該增強的膜密封組件的厚度，該邊界區(qū)域圍繞該內(nèi)部區(qū)域的周邊延伸。

對于術(shù)語“內(nèi)部區(qū)域”和“邊界區(qū)域”更好的理解從圖1獲得，其顯示了具有內(nèi)部區(qū)域(2)和邊界區(qū)域(3)的增強的膜密封組件(1)。

常規(guī)上，內(nèi)部區(qū)域具有四邊形幾何形狀，例如矩形或正方形，和邊界區(qū)域圍繞內(nèi)部區(qū)域產(chǎn)生框。但是，將理解內(nèi)部區(qū)域可以是任何幾何形狀；邊界區(qū)域的內(nèi)邊緣因此將具有與內(nèi)部區(qū)域相同的幾何形狀。邊界區(qū)域的外邊緣不必需具有對應(yīng)于內(nèi)邊緣形狀的幾何形狀；例如，內(nèi)邊緣可以是圓形而外邊緣是正方形。

增強的膜密封組件的總平面面積(即內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域的合并平面(x/y)面積)將取決于增強的膜密封組件的最終用途；合適的整體平面面積的選擇將在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。

每個層中內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域的尺寸將由總平面面積決定，并且也將取決于增強的膜密封組件的最終用途；合適的尺寸的選擇將在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。

離子傳導(dǎo)組分

取決于本發(fā)明的增強的膜密封組件的制造方法，一種或多種不同的離子傳導(dǎo)組分可以存在于該增強的膜密封組件中。

離子傳導(dǎo)組分選自質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物，或者選自陰離子傳導(dǎo)聚合物，例如羥基陰離子傳導(dǎo)聚合物。合適的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物的例子包括全氟磺酸離聚物(例如(E.I.DuPont de Nemours and Co.)、(Asahi Kasei)、Aquivion^TM(Solvay Speciality Polymers)、(Asahi Glass Co.)或基于磺酸鹽化的烴的離聚物，例如可獲自FuMA-Tech GmbH作為P、E或K系列產(chǎn)品，JSR Corporation、Toyobo Corporation和其他的那些。合適的陰離子傳導(dǎo)聚合物的例子包括由Tokuyama Corporation制造的A901和來自于FuMA-Tech GmbH的Fumasep FAA。

該離子傳導(dǎo)組分可以獨立地包含一種或多種有助于膜的化學(xué)耐久性的組分，例如過氧化氫分解催化劑、自由基猝滅劑等。這種組分的例子是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。

密封組分

取決于增強的膜密封組件的制造方法，可以存在多于一種類型的密封組分。

密封組分需要與離子傳導(dǎo)組分和平面增強組分相容。該密封組分應(yīng)當(dāng)是非離子傳導(dǎo)的，并且在最終的產(chǎn)品中必須具有用于燃料電池堆疊體運行所必需的機械、熱和化學(xué)特性。當(dāng)該載體材料在過程完成時除去時，該密封組分必須能夠經(jīng)受任何變形。

可以用作密封組分的合適材料的例子包括氟硅氧烷、聚氨酯、共聚酰胺、環(huán)氧化物和氟丙烯酸酯。合適的密封組分具體的例子包括：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚酰亞胺(PI)、聚醚砜(PES)、氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚亞苯基醚(PPE)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、聚(對亞苯基硫醚)(PPS)、聚烯烴和硅酮。

平面增強組分

存在第一、第二和任何另外的平面增強組分來向增強的膜密封組件提供強度和增強。

第一、第二和任何另外的平面增強組分由多孔材料形成。第一、第二和任何另外的平面增強組分可以由相同或不同的多孔材料形成。多孔材料應(yīng)當(dāng)具有以下性質(zhì)中的至少一些：與離子傳導(dǎo)和密封組分可相容，以使得這些組分可以容易地浸漬到該多孔材料中，同時保持多孔結(jié)構(gòu)；在最終的MEA的可變濕度下提供改進(jìn)的機械強度和尺寸穩(wěn)定性；是非導(dǎo)電的；并且在燃料電池運行的溫度是化學(xué)和熱穩(wěn)定的。

合適的平面增強組分包括但不限于由納米纖維結(jié)構(gòu)形成的那些(例如通過電紡絲或離心紡絲(force spinning)形成)，由膨脹聚合物網(wǎng)絡(luò)形成的那些，和通過平面非多孔結(jié)構(gòu)的工程化形成的那些。適用的材料的例子典型地是聚合物，包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺、聚醚砜(PES)和聚丙烯(PP)。

構(gòu)成第一、第二和任何另外的平面增強組分的多孔材料的孔隙率適宜地大于30％，優(yōu)選大于50％和最優(yōu)選大于70％。適宜地，該孔隙率小于95％?？紫堵?n)根據(jù)式n＝V_v/V_t×100來計算，其中n是孔隙率，V_v是空隙體積，和V_t是多孔材料的總體積。該多孔材料的空隙體積和總體積可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法來測定。

構(gòu)成該第一、第二和任何另外的平面增強組分的多孔材料可以是各向同性或各向異性的。如果是各向異性，則相鄰的平面增強組分中各向同性的方向可以是相同的或者可以彼此為一定角度例如90°，來提供增強的膜密封組件在全部方向上另外的穩(wěn)定性。

第一、第二和任何另外的平面增強組分可以在全部方向上延伸到邊界區(qū)域的外邊緣；即，該平面增強組分是與該邊界區(qū)域的外邊緣同延伸的。

可選地，第一、第二和任何另外的平面增強組分的平面面積可以大于內(nèi)部區(qū)域的平面面積，但是面積小于該增強的膜密封組件的總平面面積。

可選地，第一、第二和任何另外的平面增強組分中的至少一個延伸到邊界區(qū)域的外邊緣，和第一、第二和任何另外的平面增強組分中的至少另一個的平面面積大于內(nèi)部區(qū)域的平面面積，但是面積小于該增強的膜密封組件的總平面面積。

可選地，第一、第二任何另外的平面增強組分的一種或多種與邊界區(qū)域的外邊緣在一個平面方向(例如x方向)上共延伸，但是在第二平面方向(例如y方向)上的邊界區(qū)域內(nèi)邊緣和外邊緣之間的一點停止。

雖然本發(fā)明被描述為具有存在于內(nèi)部區(qū)域的離子傳導(dǎo)組分和存在于邊界區(qū)域的密封組分，但是在離子傳導(dǎo)組分和密封組分的界面處，在平面(x和/或y)方向上可以存在高至5mm的共混區(qū)域；所以這個共混區(qū)域?qū)x子傳導(dǎo)組分和密封組分二者。

在該共混區(qū)域中，如果密封組分和離子傳導(dǎo)組分是可混溶的，則該兩種組分完全混合，以使得該組分在整個共混區(qū)域中均勻分布。

可選地，如果密封組分和離子傳導(dǎo)組分是不可混溶的，則在共混區(qū)域中，可以存在被離子傳導(dǎo)組分包圍的密封組分的一個或多個“孤島”。

可選地，在共混區(qū)域中，可以存在被密封組分包圍的離子傳導(dǎo)組分的一個或多個“孤島”。

可選地，共混區(qū)域可以包含兩種或更多種上述布置的混合。

可選地，離子傳導(dǎo)組分和密封組分的界面可以不是完美的線性，而可以是不規(guī)則的，例如提供“波狀”線。

可選地，可以存在不規(guī)則界面和共混區(qū)域的混合。

雖然參考x和/或y方向來描述，但是共混區(qū)域和不規(guī)則界面也可以應(yīng)用于穿過平面的方向(x方向)。

可選地，一種組分可以與另一組分在該兩種組分的界面處在平面方向上重疊高至5mm。

在一個實施方案中，離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分在穿過平面(z)的方向上不延伸過平面增強組分，以使得不存在沒有浸漬到第一和/或第二平面增強組分的一個或另一個中的離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分。

可選地，離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分在厚度方向上延伸過該平面增強組分，以使得存在沒有浸漬到第一或第二平面增強組分中的離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分的層。離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分的該未增強的層可以在另外的步驟中施用，或者離子傳導(dǎo)組分和/或密封組分的該未增強的層可以通過平面增強組分在干燥時收縮來產(chǎn)生。如果該未增強的層作為另外的步驟來施用，則密封組分的未增強的層與離子傳導(dǎo)組分的未增強的層之間的界面可以相對于在含有平面增強組分的層中密封組分和離子傳導(dǎo)組分之間的界面偏移，和/或相對于平面增強組分的另一側(cè)上任何未增強的層中的界面偏移。

密封組分的任何未增強的層可以與離子傳導(dǎo)組分重疊(離子傳導(dǎo)組分浸漬到平面增強組分的孔中，或者離子傳導(dǎo)組分在穿過平面的方向(z方向)上延伸過平面增強組分)。任何重疊可以大于或等于1mm。重疊可以小于或等于10mm?？蛇x地，代替重疊，可以存在此前所述的共混區(qū)域，其包含離子傳導(dǎo)組分和密封組分二者。

增強的膜密封組件在內(nèi)部區(qū)域中在穿過平面的方向(z方向)上的厚度將取決于它最終的應(yīng)用。但是，通常厚度將≤50μm，例如≤35μm，例如≤25μm。適宜地，厚度≥5μm。在一個實施方案中，增強的膜密封組件在內(nèi)部區(qū)域中在穿過平面(z方向)上的厚度是8-25μm。

現(xiàn)在將參考附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其是說明性的，并不限制本發(fā)明。

圖2顯示了本發(fā)明的增強的膜密封組件(1)的內(nèi)部區(qū)域(2)和邊界區(qū)域(3)的橫截面。每個層的內(nèi)部區(qū)域包含離子傳導(dǎo)組分(4)，每個組分的邊界區(qū)域包含密封組分(5)。第一平面增強組分(6)和第二平面增強組分(7)(通過交叉陰線顯示)沿著內(nèi)部區(qū)域(2)延伸，并進(jìn)入增強的膜密封組件(1)的邊界區(qū)域(3)。第一和第二增強組分(6和7)嵌入到離子傳導(dǎo)組分(4)和密封組分(5)內(nèi)，以使得第一和第二增強組分(6和7)的全部孔基本上填充有離子傳導(dǎo)組分(4)或密封組分(5)。用措詞“基本上填充”表示增強組分的孔體積的至少90％，適宜地至少95％和優(yōu)選至少99％被填充。

雖然圖2顯示了兩種平面增強組分由離子傳導(dǎo)組分和密封組分的未增強的帶隔開，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在增強的膜密封組件的制作和/或進(jìn)一步處理過程中，這種分離會減少，并且可以減少到該兩種平面增強組分基本上相鄰和彼此接觸的程度。

圖3顯示了本發(fā)明的增強的膜密封組件(1)的橫截面圖，類似于圖2所示；全部組分的編號保持相同。但是，在圖3中，可以看到第一和第二增強組分(6和7)沒有延伸到邊界區(qū)域的邊緣，而是在邊界區(qū)域的內(nèi)邊緣和外邊緣之間的位置停止。第一和第二增強組分(6和7)可以在兩個平面方向上或者在僅一個平面方向上，例如在連續(xù)制造的增強的膜密封組件的交叉網(wǎng)方向上，在邊界區(qū)域的內(nèi)和外邊緣之間的位置停止。

圖4顯示了本發(fā)明的增強的膜密封組件(1)的放大的橫截面圖，其類似于圖1，但是其中離子傳導(dǎo)組分(4)和密封組分(5)在穿過平面(z)的方向上延伸過第一和第二平面增強組分(6和7)，提供了未增強的層(8和9)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在未增強的層(8和9)之一或二者中，密封組分和離子傳導(dǎo)組分之間的界面可以彼此偏移，和/或相對于嵌入平面增強組分中的密封組分和離子傳導(dǎo)組分的界面之一或二者偏移。

雖然附圖顯示了在整個增強的膜密封組件中具有相同尺寸的內(nèi)部區(qū)域和邊界區(qū)域，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，內(nèi)部和邊界的尺寸可以在整個增強的膜密封組件中，在穿過平面的方向上變化，這取決于最終的設(shè)計要求和制造方法。

本發(fā)明的增強的膜密封組件可以通過多種不同的方法來制造。在一種方法中，增強的膜密封組件通過將離子傳導(dǎo)組分沉積到載體材料上(來形成內(nèi)部區(qū)域)和圍繞離子傳導(dǎo)組分沉積密封組分(來形成邊界區(qū)域)，例如在載體材料上，作為層來構(gòu)建?？蛇x地，密封組分可以首先沉積，隨后是離子傳導(dǎo)組分。層然后干燥。如果層包含平面增強組分，則將其在干燥之前施用到濕的密封組分/離子傳導(dǎo)組分，來使得平面增強組分變成嵌入到離子傳導(dǎo)組分/密封組分內(nèi)，以使得平面增強組分全部的孔基本上填充有離子傳導(dǎo)組分或密封組分。然后根據(jù)需要添加另外的層。載體材料然后在合適的時間從增強的膜密封組件中除去。

離子傳導(dǎo)組分和密封組分在每個沉積之后單個干燥，或者可以在二者都沉積之后在單個步驟中干燥?；旧弦獜碾x子傳導(dǎo)或密封組分涂料分散體中除去溶劑的干燥可以通過本領(lǐng)域已知的任何合適的加熱技術(shù)來進(jìn)行，例如空氣沖擊(air impingement)、紅外等，適宜地，干燥典型地在70-120℃的溫度進(jìn)行，但是將取決于溶劑的性質(zhì)，并且可以高至或超過200℃。

密封組分和取決于離子傳導(dǎo)組分除了干燥之外，還可以固化，來提供組分的機械和化學(xué)強度。固化是進(jìn)行了改變例如交聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，并且可以是熱活化的(例如通過熱或IR)或通過UV活化。

另外，離子傳導(dǎo)組分除了干燥(和任選地固化)之外可以退火，來改變和增強離聚物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。任何退火步驟可以使用比干燥步驟高的溫度，例如高至200℃。

固化和/或退火步驟可以在每個干燥步驟之后或者在除去載體材料之前沉積過程結(jié)束時進(jìn)行。取決于用于密封組分和離子傳導(dǎo)組分的材料，固化和退火可以在單個過程中進(jìn)行。

載體材料不是最終的增強的膜密封組件的一部分，而是要在隨后的步驟中除去；該步驟可以緊接在形成增強的膜密封組件之后進(jìn)行，或者在增強的膜密封組件與其他組分合并來形成催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件的生產(chǎn)方法的下游的某些處進(jìn)行。載體材料在制造過程中提供用于增強的膜密封組件的載體，并且如果不立即除去，則可以在任何隨后的存儲和/或運輸過程中提供支持和強度。制造載體材料的材料應(yīng)當(dāng)提供所需的支持，與平面增強組分、離子傳導(dǎo)組分和密封組分相容，是離子傳導(dǎo)組分和密封組分不可透過的，并且能夠經(jīng)受增強的膜密封組件生產(chǎn)中所涉及的工藝條件，并且能夠容易地除去而不損壞增強的膜密封組件。適用的材料的例子包括氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化的乙烯丙烯(FEP–六氟丙烯和四氟乙烯的共聚物)，和聚烯烴，例如雙軸定向的聚丙烯(BOPP)。其他例子包括層合體、多層擠出物和涂覆的膜/箔，其能夠在高溫例如高至200℃的溫度保持它們的機械強度/完整性。例子包括以下層合體：聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)(ETFE)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚甲基戊烯(PMP)和PEN；聚全氟烷氧基(PFA)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亞胺(PI)。層合體可以具有兩個或更多個層，例如ETFE-PEN-ETFE、PMP-PEN-PMP、PFA-PET-PFA、PEN-PFA、FEP-PI-FEP、PFA-PI-PFA和PTFE-PI-PTFE。層可以使用粘合劑例如丙烯酸或聚氨酯來結(jié)合。

本發(fā)明的增強的膜密封組件可以用于任何需要離子傳導(dǎo)膜的電化學(xué)裝置。因此，本發(fā)明的另一方面提供一種電化學(xué)裝置，其包含上文所述的增強的膜密封組件?？蛇x地，提供了上文所述的增強的膜密封組件在電化學(xué)裝置中的用途。本發(fā)明的增強的膜密封組件特別可用于其中的電化學(xué)裝置的一個例子是燃料電池，例如PEMFC。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種催化劑涂覆的增強的膜密封組件，其包含上文所述的增強的膜密封組件和存在于該增強的膜密封組件的至少一個面上的催化劑層。催化劑層可以存在于該增強的膜密封組件的兩個面上。

催化劑層包含一種或多種電催化劑，其可以是磨細(xì)的未負(fù)載的金屬粉末，或者可以是負(fù)載的催化劑，其中小的金屬納米顆粒分散在導(dǎo)電微粒碳載體上。該電催化劑金屬適宜地選自：

(i)鉑族金屬(鉑、鈀、銠、釕、銥和鋨)，

(ii)金或銀，

(iii)賤金屬，

或者包含這些金屬中一種或多種的合金或混合物或者它們的氧化物。優(yōu)選的電催化劑金屬是鉑，其可以用其他貴金屬或賤金屬來制成合金。如果電催化劑是負(fù)載的催化劑，則金屬顆粒在碳載體材料上的負(fù)載量適宜地是所形成的電催化劑的重量的10-90wt％，優(yōu)選15-75wt％。

催化劑層適于用作墨水，其是有機或含水的(但優(yōu)選是含水的)，施用到增強的膜密封組件的面上。該墨水可以適宜地包含其他組分例如EP0731520中所述的離子傳導(dǎo)聚合物，其被包含來改進(jìn)層內(nèi)的離子傳導(dǎo)率?？蛇x地，催化劑通過預(yù)先制備的催化劑層的貼花轉(zhuǎn)印來施用到增強的膜密封組件的面。

催化劑層可以進(jìn)一步包含另外的組分。這種另外的組分包括但不限于促進(jìn)氧氣形成和因此在電池反向和啟動/停止情況中將是有益的催化劑，或者過氧化氫分解催化劑。這種催化劑和適于包含在催化劑層中的任何其他添加劑的例子將是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種增強的膜密封電極組件，其包含上文所述的增強的膜密封組件和存在于增強的膜密封組件的至少一個面上的氣體擴(kuò)散電極。氣體擴(kuò)散電極可以存在于增強的膜密封組件的兩個面上。

增強的膜密封電極組件可以以多種方式制成，包括但不限于：

(i)本發(fā)明的增強的膜密封組件可以位于兩個氣體擴(kuò)散電極(一個陽極和一個陰極)之間；

(ii)本發(fā)明的在一側(cè)上僅涂覆了催化劑層的催化劑涂覆的增強的膜密封組件可以位于氣體擴(kuò)散層和氣體擴(kuò)散電極之間，該氣體擴(kuò)散層與催化劑涂覆的增強的膜密封組件的涂覆了催化劑層的一側(cè)接觸，或者；

(iii)本發(fā)明的在兩側(cè)上涂覆了催化劑層的催化劑涂覆的增強的膜密封組件可以位于兩個氣體擴(kuò)散層之間。

為了幫助結(jié)合組分和形成整合的膜密封組件，可以將粘合劑層施用到增強的膜密封組件的至少一部分暴露的邊界區(qū)域。

陽極和陰極氣體擴(kuò)散層適宜地基于常規(guī)氣體擴(kuò)散基底。典型的基底包括非織造紙或網(wǎng)，其包含碳纖維網(wǎng)絡(luò)和熱固性樹脂粘合劑(例如可獲自日本Toray Industries Inc.的TGP-H系列碳纖維紙，或可獲自德國Freudenberg FCCT KG的H2315系列，或可獲自德國SGL Technologies GmbH的系列，或可獲自Ballard Power Systems Inc.的系列，或織造碳布。該碳紙、網(wǎng)或布可以在引入到MEA之前進(jìn)行進(jìn)一步處理，來使得它更可潤濕(親水性)或更防濕(疏水性)。任何處理的性質(zhì)將取決于燃料電池的類型和將使用的操作條件。基底可以通過經(jīng)由從液體懸浮液浸漬來引入材料例如無定形炭黑，而成為更可潤濕的，或者可以通過用聚合物例如PTFE或聚氟乙烯丙烯(FEP)的膠體懸浮液浸漬基底的孔結(jié)構(gòu)，隨后干燥和在高于該聚合物的熔點加熱，來成為更疏水的。對于應(yīng)用例如PEMFC來說，微多孔層也可以施用到氣體擴(kuò)散基底的將接觸電催化劑層的面。該微多孔層典型地包含炭黑和聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)的混合物。

增強的膜密封組件、催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件可以進(jìn)一步包含添加劑。該添加劑可以存在于增強的膜密封組件、催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件的任何個體組分層內(nèi)部，或者在催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件的情況中，可以存在于不同層之間的一個或多個界面上和/或一個或多個層內(nèi)。

添加劑可以是選自以下的一種或多種：過氧化氫分解催化劑、自由基猝滅劑、自由基分解催化劑、自生抗氧化劑、氫給體(H給體)主抗氧化劑、自由基猝滅劑次抗氧化劑、氧吸收劑(氧猝滅劑)。這些不同的添加劑的例子可以在WO2009/040571和WO2009/109780中找到。優(yōu)選的添加劑是二氧化鈰。

本發(fā)明的另一方面提供一種具有密封邊(sub-gasketed)的催化劑涂覆的增強的膜密封組件，其包含本發(fā)明的催化劑涂覆的增強的膜密封組件和施用到該催化劑涂覆的增強的膜密封組件的一個或兩個面上的密封組分的密封邊。該密封邊經(jīng)設(shè)計來為催化劑涂覆的膜密封組件的邊緣提供另外的強度和堅固性。該密封邊典型地是聚合物材料，并且可以選自與密封組分材料相同的材料，或者可以是專門選擇來用作密封邊的不同類型的聚合物。該密封邊可以使用與施涂密封組分所述的那些類似的方法涂覆到該催化劑涂覆的膜密封組件的密封組分上，或者可以作為預(yù)成型的相框(picture frame)薄膜施用到密封組分上。該密封邊可以施用到催化劑涂覆的膜密封組件的一個或兩個面，但是當(dāng)施用到兩個面時，它可以僅在除去載體材料之后完成。

粘合劑層可以用于幫助將密封邊粘附到催化劑涂覆的增強的膜密封組件上。該粘合劑層可以是密封邊的整體部分，以使得該密封邊和粘合劑層在單個步驟中施用，或者該粘合劑層可以首先施用到催化劑涂覆的增強的膜密封組件，并且該密封邊隨后施用到粘合劑層。

本發(fā)明的另一方面提供一種具有密封邊的增強的膜密封電極組件，其包含催化劑涂覆的增強的膜密封組件，在該催化劑涂覆的增強的膜密封組件的一個或兩個面上的氣體擴(kuò)散層，和施用到該催化劑涂覆的增強的膜密封組件的一個或兩個面上的密封邊。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種燃料電池，其包含增強的膜密封組件，上文所述的催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件。在一個實施方案中，該燃料電池是PEMFC。

本發(fā)明的實施方案迄今被描述為單個或個體增強的膜密封組件，催化劑涂覆的增強的膜密封組件或增強的膜密封電極組件。但是，本發(fā)明的教導(dǎo)也可以應(yīng)用于多個增強的膜密封組件的連續(xù)卷，催化劑涂覆的增強的膜密封組件和增強的膜密封電極組件。這樣的產(chǎn)品可以使用類似于共同待決的英國專利申請中所述的方法來制造。

全部上文所述的實施方案同等地應(yīng)用于基于質(zhì)子交換膜(PEM)的電解器中。在這些PEM電解器中，沿著膜電極組件施加電壓，以使得供給到該裝置的水分解成氫和氧，分別在陰極和陽極。MEA會需要不同的催化劑組分用于PEM燃料電池，例如在陽極是基于Ir和Ru的材料，但是其他方面非常類似于燃料電池的MEA的構(gòu)造。