方法

摘要

公开了一种制造增强的膜密封组件的方法，所述方法包括步骤：(i)提供载体材料；(ii)提供平面增强组分，其具有一个或多个包含孔的第一区和一个包含孔的第二区，第一区是小片和非连续的，第二区包围第一区和是连续的；(iii)沉积离子传导组分；(iv)干燥该离子传导组分；(v)沉积密封组分；(vi)干燥该密封组分；(vii)除去该载体材料；其中离子传导组分填充第一区中的孔，密封组分填充第二区中的孔，其中步骤(ii)、(iii)和(v)可以以任何顺序进行，其中步骤(iv)在步骤(iii)之后进行，其中步骤(vi)在步骤(v)之后进行，和其中步骤(iv)和(vi)在步骤(ii)之后进行。还公开了一种通过本发明的方法制备的增强的膜密封组件。

权利要求

1.制造增强的膜密封组件的方法，所述方法包括步骤：(i)提供载体材料；

(ii)提供平面增强组分，其具有一个或多个包含孔的第一区和一个包含孔的第二区，第一区是小片和非连续的，第二区包围第一区和是连续的；

(iii)沉积离子传导组分；

(iv)干燥该离子传导组分；

(v)沉积密封组分；

(vi)干燥该密封组分

(vii)除去该载体材料；

其中离子传导组分填充第一区中的孔，密封组分填充第二区中的孔，其中步骤(ii)、(iii)和(v)可以以任何顺序进行，其中步骤(iv)在步骤(iii)之后进行，其中步骤(vi)在步骤(v)之后进行，和其中步骤(iv)和(vi)在步骤(ii)之后进行。

2.根据权利要求1所述方法，其中步骤(ii)、(iii)和/或(v)进行多于一次。

3.根据权利要求1或2所述方法，其中步骤(iv)和(vi)同时进行。

4.增强的膜密封组件，其包含：

(i)平面增强组分，其具有一个或多个第一区和一个第二区，第一区是小片和非连续的，第二区包围第一区和是连续的；

(ii)离子传导组分，其浸渍到该平面增强组分的第一区中；和(iii)密封组分，其浸渍到该平面增强组分的第二区中；

其中所述增强的膜密封组件通过根据权利要求1所述的方法制备。

说明书

方法

发明领域

[0001] 本发明涉及一种制造增强的膜密封组件，特别是适用于燃料电池或电解器的增强的膜密封组件的方法。

[0002] 发明背景

[0003] 燃料电池是一种电化学电池，其包含由电解质隔开的两种电极。燃料例如氢气或醇如甲醇或乙醇供给到阳极，氧化剂例如氧气或空气供给到阴极。电化学反应在电极处发生，燃料和氧化剂的化学能被转化成电能和热。电催化剂被用于促进燃料在阳极的电化学氧化和氧气在阴极的电化学还原。

[0004] 在氢气作为燃料或醇作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，电解质是实心聚合物膜，其是电子绝缘和质子传导的。在阳极处产生的质子沿着膜传输到阴极，在这里它们与氧气结合来形成水。最广泛使用的醇燃料是甲醇，PEMFC的这种变体经常被称作直接甲醇燃料电池(DMFC)。

[0005] PEMFC的主要部件被称作膜电极组件(MEA)，基本上包含5层。中心层是聚合物离子传导膜。在该离子传导膜的任一侧上存在着电催化剂层，其含有经设计来用于特定的电催化反应的电催化剂。最后，与每个电催化剂层相邻的是气体扩散层。气体扩散层必须允许反应物到达电催化剂层和必须传导电化学反应所产生的电流。所以，气体扩散层必须是多孔的和导电的。

[0006] 常规上，MEA可以通过下文概述的多种方法来构建：

[0007] (i)电催化剂层可以施用到气体扩散层来形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可以置于离子传导膜的任一侧，并层合在一起来形成5层MEA；

[0008] (ii)电催化剂层可以施用到离子传导膜的两面来形成催化剂涂覆的离子传导膜。随后，将气体扩散层施用到该催化剂涂覆的离子传导膜的两面。

[0009] (iii)MEA可以由一侧涂覆有电催化剂层的离子传导膜形成，气体扩散层与该电催化剂层相邻，气体扩散电极在该离子传导膜的另一侧。

[0010] 常规上，构建MEA以使得中心聚合物离子传导膜延伸到该MEA的边缘，并且该气体扩散层和电催化剂层的面积小于该膜，以使得在MEA外围存在着仅包含离子传导膜的区域。不存在电催化剂的区域是非电化学活性区。典型地由非离子传导聚合物形成的薄膜层通常位于离子传导膜的暴露表面上的MEA的边界区域周围(这里不存在电催化剂)来密封和/或增强该MEA的边缘。粘合剂层可以存在于密封薄膜层的一个或两个表面上。MEA中的层典型地通过层合方法来结合。通常的实践是聚合物离子传导膜还包含增强材料例如平面多孔材料，其嵌入到该膜的厚度中，来为该膜提供改进的机械强度和因而增加的MEA耐久性和燃料电池寿命。

发明内容

[0011] 为了促进燃料电池的商业化，必须降低MEA的材料和制造成本和增加制造产量。引入这种连续高体量制造方法(其中以高速生产了MEA的连续卷)作为个体MEA由单独的MEA部件组装的制造方法的替代。

[0012] 典型地，用于该膜中的许多聚合物离子传导材料延伸过电化学活性区进入非电化学活性区，经常达到几厘米。在低几何面积MEA中，这种非电化学活性区可以占到整个MEA几何面积的50%。延伸过该电化学活性区域的膜不产生活性和性能。聚合物离子传导膜是燃料电池中最昂贵的部件之一，所以需要使它的使用最小化。

[0013] 此外，位于MEA边界区域周围的密封薄膜层典型地如下来形成：取一卷膜，切割出中心区来产生窗口框架，其然后置于MEA的边缘周围。所以，大比例的密封薄膜材料也浪费了。

[0014] 本发明提供一种制备增强的膜密封组件的方法，其提供了该膜材料和该膜密封组件中的密封薄膜材料的高效用。

[0015] 本发明提供一种制造增强的膜密封组件的方法，所述方法包括步骤：

[0016] (i)提供载体材料；

[0017] (ii)提供平面增强组分，其具有一个或多个包含孔的第一区和包含孔的第二区，第一区是离散的，第二区在平面维度中包围第一区；

[0018] (iii)沉积离子传导组分；

[0019] (iv)干燥该离子传导组分；

[0020] (v)沉积密封组分；

[0021] (vi)干燥该密封组分

[0022] (vii)除去该载体材料；

[0023] 其中离子传导组分填充第一区中的孔，密封组分填充第二区中的孔，其中步骤(ii)、(iii)和(v)可以以任何顺序进行，其中步骤(iv)在步骤(iii)之后进行，其中步骤(vi)在步骤(v)之后进行，和其中步骤(iv)和(vi)在步骤(ii)之后进行。

[0024] 本发明还提供一种增强的膜密封组件，其包含：

[0025] (i)平面增强组分，其具有一个或多个第一区和第二区，第一区是离散的，第二区在平面维度中包围第一区；

[0026] (ii)离子传导组分，其浸渍到该平面增强组分的第一区中；和

[0027] (iii)密封组分，其浸渍到该平面增强组分的第二区中；

[0028] 其中所述增强的膜密封组件通过本发明的方法制备。

[0029] 本发明进一步提供一种催化剂涂覆的增强的膜密封组件和包含本发明的增强的膜密封组件的增强的膜密封电极组件。

附图说明

[0030] 图1是一个示意图，其显示了具有第一区和第二区的平面增强组分(如适于形成卷制产品的材料)。

[0031] 图2显示了本发明的增强的膜密封组件的横截面。

[0032] 图3、4和5是流程图，其显示了制备本发明的增强的膜密封组件的方法。

具体实施方式

[0033] 本发明提供一种制造膜密封组件的方法，所述方法包括步骤：

[0034] (i)提供载体材料；

[0035] (ii)提供平面增强组分，其具有一个或多个包含孔的第一区和包含孔的第二区，第一区是离散的，第二区在平面维度中包围第一区；

[0036] (iii)沉积离子传导组分；

[0037] (iv)干燥该离子传导组分；

[0038] (v)沉积密封组分；

[0039] (vi)干燥该密封组分

[0040] (vii)除去该载体材料；

[0041] 其中离子传导组分填充第一区中的孔，密封组分填充第二区中的孔，其中步骤(ii)、(iii)和(v)可以以任何顺序进行，其中步骤(iv)在步骤(iii)之后进行，其中步骤(vi)在步骤(v)之后进行，和其中步骤(iv)和(vi)在步骤(ii)之后进行。

[0042] 对本领域技术人员来说，很显然上面的基本方法的许多变化是可能的，其中一些在下面参考附图来更详细地描述。但是，全部这样的变化无论是否明确描述，都处于本发明的范围内。

[0043] 步骤(ii)、(iii)和/或(v)可以进行多次。步骤(iii)和(v)可以进行多至10次，例如多至5次。步骤(ii)可以进行多至5次，例如多至3次，例如1次或2次。当步骤(ii)、(iii)和/或(v)进行多于一次来形成多个层时，每个层中的平面增强组分、离子传导组分和/或密封组分可以与相邻层中的平面增强组分、离子传导组分和/或密封组分分别相同或不同。

[0044] 当步骤(iii)和(v)进行多于一次时，第一区和第二区之间的界面可以相对于一个或多个其他层的界面偏移。

[0045] 步骤(iv)和(vi)可以同时进行。

[0046] 步骤(vii)可以紧接在全部其他步骤之后进行，或者可以在MEA制作方法进一步下游的随后的时间进行。例如，当该膜密封组件与其他组分组合来制造膜电极组件时，可以进行步骤(vii)。

[0047] 本领域技术人员将理解，本发明的方法可用于制造单个的个体增强的膜密封组件或者多个增强的膜密封组件的连续卷。如果制造增强的膜密封组件的连续卷，则载体材料和平面增强组分将作为卷制产品来提供。平面增强组分将具有多于一个第一区。本发明的方法特别适于提供一卷含有多个增强的膜密封组件。

[0048] 第一区的孔基本上完全浸渍有离子传导组分，第二区的孔基本上完全浸渍有密封组分。词组“基本上完全浸渍”表示平面增强组分的孔体积的至少90%被填充。

[0049] 离子传导组分可以延伸进入第二区的孔，和/或密封组分可以延伸进入第一区的孔，以使得在第一和第二区的界面处存在着共混区域，其包含离子传导组分和密封组分。任何这样的共混区域可以在第一区和第二区的界面处在平面(x和/或y)方向上高至5mm。

[0050] 共混区域中的孔可以包含离子传导组分和密封组分二者，如果例如密封组分和离子传导组分是可混溶的，则其会发生。

[0051] 可选地，如果密封组分和离子传导组分是不可混溶的，则在共混区域中，可以存在被包含离子传导组分的孔包围的包含密封组分的一个或多个孔的一个或多个“孤岛”。

[0052] 可选地，在共混区域中，可以存在被包含密封组分的孔包围的包含离子传导组分的一个或多个孔的一个或多个“孤岛”。

[0053] 可选地，该共混区域可以包含两种或更多种上述布置的混合。

[0054] 可选地，第一区和第二区的界面可以不是完美的线性，而可以是不规则的，例如提供“波状”线。

[0055] 可选地，可以存在不规则界面和共混区域的混合。

[0056] 虽然参考x和/或y方向来描述，但是该共混区域和不规则界面也可以应用于穿过平面的方向(z方向)。离子传导组分和/或密封组分不在厚度方向上延伸过平面增强组分，以使得仅足够的离子传导组分和/或密封组分根据需要用于基本上充分浸渍增强材料和填充第一和第二区的孔。

[0057] 可选地，离子传导组分和/或密封组分在厚度方向上延伸过该平面增强组分，以使得存在不在平面增强组分的一侧或两侧上浸渍到平面增强组分的离子传导组分和/或密封组分层。离子传导组分和/或密封组分的该未增强的层可以在另外的步骤中施用(即重复步骤(iii)和/或(v))，或者离子传导组分和/或密封组分的未增强的层可以通过平面增强组分在干燥时收缩来产生。

[0058] 密封组分的任何未增强的层可以与离子传导组分重叠(离子传导组分浸渍到平面增强组分的孔中，或者离子传导组分在穿过平面的方向(z方向)上延伸过平面增强组分)。任何重叠可以大于或等于1mm。该重叠可以小于或等于10mm。可选地，代替重叠，可以存在包含离子传导组分和密封组分二者的此前所述的共混区域。

[0059] 密封组分可以与平面增强组分共延伸。可选地，密封组分可以在平面(x和/或y)方向上延伸过平面增强组分。

[0060] 如果制造个体的增强的膜密封组件，密封组分可以与平面增强组分共延伸，或者密封组分可以在x和y方向二者上延伸过平面增强组分。

[0061] 如果制造多个增强的膜密封组件的连续卷，密封组分可以与平面增强组分在交叉网方向上共延伸，或者密封组分可以在交叉网方向上延伸过平面增强组分。

[0062] 本领域技术人员将理解，如果进行连续方法，则本发明所制备的多个增强的膜密封组件的连续卷可以在除去载体材料之前或之后，通过包括切割步骤来切割成个体的增强的膜密封组件。因此，本发明还提供一种制备个体的增强的膜密封组件的方法，其包括制备多个膜密封组件的连续卷，并且包括在步骤(viii)之前或之后另外的切割步骤，在该过程中，将连续膜密封组件切割成多个个体的增强的膜密封组件。

[0063] 本发明进一步提供一种增强的膜密封组件，其包含：

[0064] (i)平面增强组分，其具有一个或多个第一区和第二区，第一区是离散的，第二区在平面维度中包围第一区；

[0065] (ii)离子传导组分，其浸渍到该平面增强组分的第一区中；和

[0066] (iii)密封组分，其浸渍到该平面增强组分的第二区中；

[0067] 其中增强的膜密封组件通过本发明的方法制备。

[0068] 最终的增强的膜密封组件在离子传导组分浸渍的区域中在穿过平面的方向(z方向)上的厚度将取决于它最终的应用。但是，通常厚度将≤50μm，例如≤30μm，例如≤20μm。适宜地，厚度是≥5μm。在一个实施方案中，最终的增强的膜密封组件在离子传导组分浸渍的区域中在穿过平面的方向(z方向)上的厚度是8-20μm。

[0069] 最终的增强的膜密封组件在密封组分浸渍的区域中在穿过平面的方向上的厚度将取决于它最终的应用，以及增强的膜密封组件在穿过平面的方向上在离子传导组分浸渍的区域中的厚度。通常，浸渍有密封组分的区域的厚度等于或大于浸渍有离子传导组分的区域的厚度。

[0070] 本发明将参考附图来进一步描述；图3、4和5具体描述了一种制造连续卷的多个增强的膜密封组件的方法。本领域技术人员将理解，附图所示的实施方案的变化是可能的，并且全部这样的变化包括在本发明的范围内，无论是否明确描述。

[0071] 图1a和1b都显示了包含孔的平面增强组分(1)的长度。平面增强组分(1)由多孔材料形成。多孔材料应当具有以下性质中的至少一些：与离子传导和密封组分可相容，以使得这些组分可以容易地浸渍到该多孔材料中，同时保持多孔结构；在最终的MEA的可变湿度下提供改进的机械强度和尺寸稳定性；是非导电的；并且在燃料电池运行的温度是化学和热稳定的。

[0072] 合适的平面增强组分包括但不限于由纳米纤维结构所形成的那些(例如通过电纺丝或离心纺丝(force spinning)形成)，由膨胀聚合物网络形成的那些，和通过平面非多孔结构的工程化形成的那些。适用的材料的例子典型地是聚合物，和包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺、聚醚砜(PES)和聚丙烯(PP)。

[0073] 多孔材料的孔隙率适宜地大于30%，优选大于50%和最优选大于70%。孔隙率(n)根据式n=Vv/Vt×100来计算，其中n是孔隙率，Vv是空隙体积，和Vt是平面增强组分的总体积。该平面增强组分的空隙体积和总体积可以通过本领域技术人员已知的方法来测定。该多孔材料合适的厚度是1-20μm，适宜地3-13μm。

[0074] 在图1a和1b中，平面增强组分(1)(作为网来显示，并且适于制造连续卷的多个增强的膜密封组件)具有第一区(2)，其是单个不连续的离散区，并且一旦制造最终的膜密封组件，则平面增强组分的孔将填充有离子传导组分。第一区(2)被连续的第二区(3)包围，并且一旦制造最终的膜密封组件，则平面增强组分的孔将填充有密封组分。对本领域技术人员来说，很显然第一区(2)的尺寸将取决于MEA的最终尺寸要求，并且沿着平面增强组分的宽度可以存在一个(如图1a所示)、两个(如图1b所示)、三个或任何数目的第一区。

[0075] 图2a、2b和2c显示了本发明的增强的膜密封组件的横截面。

[0076] 平面增强材料(1)的第一区(2)浸渍有离子传导组分(4)。离子传导组分(4)适宜地是质子传导聚合物或阴离子传导聚合物，例如羟基阴离子传导聚合物。合适的质子传导聚合物的例子包括全氟磺酸离聚物(例如 (E.I.DuPont de Nemours and Co.)、TM(Asahi Kasei)、Aquivion (Solvay Speciality Polymers)、
(Asahi Glass Co.)或基于磺酸盐化的烃的离聚物，例如可获自FuMA-Tech GmbH作为P、E或K系列产品、JSR Corporation、Toyobo Corporation和其他的那些。合适的阴离子传导聚合物的例子包括由Tokuyama Corporation制造的A901和来自于FuMA-Tech GmbH的Fumasep FAA。

[0077] 平面增强组分(1)的第二区(3)浸渍有密封组分(5)。密封组分(5)需要与离子传导组分(4)和平面增强组分(1)相容。它可以是流体或粘性糊，其能够沉积/施用到载体材料上。密封组分(5)将在工艺步骤过程中干燥，并且必须经受住它所经历的温度。密封组分(5)应当是非离子传导的，并且在最终的产品中必须具有用于燃料电池堆叠体运行所必需的机械、热和化学特性。当载体材料在过程完成时除去时，密封组分必须能够经受任何变形。

[0078] 可以用于该密封组分(5)的合适的材料的例子包括氟硅氧烷、聚氨酯、共聚酰胺、环氧化物和氟丙烯酸酯。合适的密封组分的具体例子包括：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(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)、 聚环氧乙烷(PEO)、聚亚苯基醚(PPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、聚(对亚苯基硫醚)(PPS)、聚烯烃和硅酮。

[0079] 虽然图2a、2b和2c显示了第一和第二区之间的明确边界，并且仅离子传导组分(4)浸渍到第一区(2)和仅密封组分(5)浸渍到第二区(3)，但是处于本发明范围内的是在第一区(2)和第二区(3)的界面处，平面增强组分(1)的第二区(3)中的一些孔浸渍有离子传导组分(4)和/或平面增强组分(1)的第一区(2)的一些孔浸渍有密封组分(5)，因此产生存在离子传导组分(4)和密封组分二者的共混区域。这样的布置可以有益于确保在第一和第二区的界面处不存在反应物气体的泄漏。

[0080] 具体地，图2a显示了一种增强的膜密封组件，其中全部离子传导组分(4)和密封组分(5)浸渍到该平面增强组分(1)中。

[0081] 图2b显示了一种增强的膜密封组件，其中离子传导组分(4)和密封组分(5)浸渍到平面增强组分(1)，如图2a那样，但是这里在多孔材料(1)的任一侧上还存在离子传导组分(4)和密封组分(5)的层，其没有浸渍到平面增强组分(1)中，即未增强的层。本领域技术人员将理解，还可以提供增强的膜密封组件，其中离子传导组分和密封组分中仅一个的未增强的层提供在平面增强组分的任一面上(未示出)，和/或其中离子传导组分和/或密封组分的未增强的层仅存在于平面增强组分的一个面上(未示出)。

[0082] 图2c显示了一种增强的膜密封组件，其中密封组分的未增强的层与离子传导组分重叠。在图2c中，显示了密封组分(5)的未增强的层，其与在平面增强组分(1)的仅一个面上浸渍到平面增强组分(1)中的离子传导组分(4)重叠。本领域技术人员将理解，重叠可以在平面增强组分的两个面上，或者密封材料可以与平面增强组分的一个或两个面上的离子传导材料的未增强的层重叠。本领域技术人员还将理解，未增强的离子传导组分的另外的层(未示出)可以施用到平面增强组分(1)的一个或两个面上的离子传导组分(4)。密封组分(5)的未增强的层和未增强的离子传导组分的任何另外的层(未示出)之间的界面可以相对于增强的层中密封组分和离子传导组分之间的界面和/或相对于增强组分(1)的其他面上的任何未增强的层的界面偏移。

[0083] 虽然图2a-2c显示了平面增强组分延伸到增强的膜密封组件的边缘，但是本领域技术人员将认可，密封组分可以在x和y平面维度之一或二者上延伸过该平面增强组分的边缘，因此产生了在穿过增强的膜密封组件的厚度的边缘处是未增强的密封区。

[0084] 图3a和3b显示了说明本发明的方法的流程图。在图3a中，提供了载体材料，在其上施用了包含增强的膜密封组件的组分。首先，一旦平面增强组分就位，则将离子传导组分沉积到载体材料上对应于平面增强组分的第一区的区域。在离子传导组分沉积之后，一旦平面增强组分就位，则将密封组分沉积到载体材料上对应于平面增强组分的第二区的区域。将平面增强组分置于湿的离子传导组分上，和将密封组分置于载体材料上。将离子传导组分和密封组分浸渍到平面增强组分的孔中，并干燥。图3a所示的方法通过除去载体材料来结束。这可以立即进行或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0085] 在图3b中，另外的离子传导组分和密封组分在事先浸渍有该组分的区域中施用到平面增强组分，并干燥。施用另外的离子传导组分和密封组分可以根据需要进行多次(用虚线表示)来确保完全浸渍和/或提供离子传导组分和/或密封组分的未增强的层，其延伸过平面增强组分。虽然显示了离子传导组分和密封组分二者的另外的沉积，但是可以理解在任何另外的过程中，可以沉积这些组分中的仅一种。图3b所示的方法通过除去载体材料而结束。如上所示，这可以立即进行或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0086] 在图3c中，离子传导组分和密封组分的层首先施用到载体层随后将对应于平面增强组分的第一区和第二区的区域中。将离子传导组分和密封组分干燥来形成不包含平面增强组分的层。将另外的离子传导组分和密封组分施用到这个层随后将对应于平面增强组分的第一区和第二区的区域，并且平面增强组分置于湿的离子传导组分和密封组分上。将离子传导组分和密封组分浸渍到平面增强组分的孔中，并干燥。将另外的离子传导组分和密封组分施用到平面增强组分事先用该组分浸渍的区域中，并干燥，形成不包含平面增强组分的离子传导和密封组分的层。图3c所示的方法通过除去载体材料来结束。如上所示，这可以立即进行，或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0087] 本领域技术人员将理解，虽然图3a、3b和3c显示了首先施用离子传导组分，随后施用密封组分，但是如果首先施用密封组分，随后施用离子传导组分，该方法将同样有效。

[0088] 图4a和4b显示了描述本发明的一种可选方法的流程图。在图4a中，提供载体材料，在其上施用包含增强的膜密封组件的组分。将平面增强组分置于载体材料上。将密封组分施用到平面增强组分对应于第二区的区域中(如上文所定义的)。将密封组分浸渍到第二区中，并且在浸渍后干燥。将离子传导组分施用到平面增强组分对应于第一区的区域中(如上文所定义的)。将离子传导组分浸渍到第一区中，并且在浸渍后干燥。可选地，在二者都施用和浸渍到平面增强组分的孔中之后，将密封组分和离子传导组分在单个步骤中干燥。图4a所示的方法然后以除去载体材料来结束。如上所示，这可以立即进行，或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0089] 在图4b中，将另外的密封组分施用到平面增强组分事先用密封组分浸渍的区域中，并干燥。将另外的离子传导组分施用到平面增强组分事先用离子传导组分浸渍的区域中，并干燥。可选地，在二者另外的沉积之后，将另外的密封组分和离子传导组分在单个步骤中干燥。施用另外的密封组分和离子传导组分可以根据需要进行多次(用虚线表示)来确保完全浸渍和/或提供密封组分和/或离子传导组分的未增强的层，其延伸过平面增强组分。图4b所示的方法然后以除去载体材料来结束。如上所示，这可以立即进行，或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0090] 本领域技术人员将理解，虽然图4a和4b显示了首先施用密封组分，随后施用离子传导组分，但是如果首先施用离子传导组分，随后施用密封组分，该方法将同样有效。

[0091] 图5a和5b显示了描述本发明的一种可选方法的流程图。在图5a中，提供载体材料，在其上施用包含膜密封组件的组分。首先，一旦平面增强组分就位，则将离子传导组分施用到载体材料上对应于平面增强组分的第一区的区域。将平面增强组分置于载体材料上，和将离子传导组分小片在平面增强组分的第一区中浸渍平面增强组分。一旦离子传导组分浸渍到平面增强组分中，则将它干燥。密封组分然后施用到平面增强组分对应于第二区的区域中。密封组分浸渍到第二区，和在浸渍后干燥。可选地，在二者都浸渍到平面增强组分之后，将离子传导组分和密封组分在单个步骤中干燥。图5a所示的方法然后以除去载体材料来结束。如上所示，这可以立即进行，或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0092] 在图5b中，将另外的离子传导组分施用到平面增强组分事先用离子传导组分浸渍的区域中，并干燥。将另外的密封组分施用到平面增强组分事先用密封组分浸渍的区域中，并干燥。可选地，在二者另外的沉积之后，将另外的离子传导组分和密封组分在单个步骤中干燥。施用另外的离子传导组分和密封组分可以根据需要进行多次(用虚线表示)来确保完全浸渍和/或提供密封组分和/或离子传导组分的层，其延伸过平面增强组分。图5b所示的方法然后以除去载体材料来结束。如上所示，这可以立即进行，或者在MEA组装的下游的一些处进行。

[0093] 本领域技术人员将理解，虽然图5a和5b显示了首先施用离子传导组分，随后施用密封组分，但是如果首先施用密封组分，随后施用离子传导组分，该方法将同样有效。

[0094] 图3b、4b和5b显示了离子传导组分和密封组分二者另外的沉积；但是，本领域技术人员将理解和认可，可以沉积离子传导组分或密封组分中的仅一种。本领域技术人员还将理解和认可，用于另外的沉积的离子传导组分和密封组分可以与在先沉积中所用的离子传导组分和密封组分相同或不同。例如，不同当量的全氟磺酸离聚物可以用作离子传导组分。

[0095] 离子传导组分和密封组分作为液体或分散体，通过本领域已知的任何技术来施用，需要时与适当的掩模配合使用。这样的技术包括凹版印刷涂覆、狭缝模头(狭缝，挤出)涂覆(由此涂料在压力下经由狭缝挤压出来到基底上)、丝网印刷、旋转丝网印刷、喷墨印刷、喷射、涂漆、棒涂、垫涂(pad coating)、间隙涂覆技术例如刮刀涂覆或辊上刮片涂覆(由此将涂料施用到基底上，然后送过刮刀与载体辊之间的裂口)，和计量杆施涂例如使用迈耶棒(Meyer bar)。离子传导组分可以通过狭缝模头涂覆来施涂。密封组分可以通过凹版印刷涂覆来施涂。

[0096] 离子传导组分和密封组分在每个沉积之后单个干燥，或者可以在二者都沉积之后在单个步骤中干燥。基本上要从离子传导或密封组分涂料分散体中除去溶剂的干燥可以通过本领域已知的任何合适的加热技术来进行，例如空气冲击(air impingement)、红外等，适宜地，干燥典型地在70-120℃的温度进行，但是将取决于溶剂的性质，并且可以高至或超过200℃。

[0097] 密封组分和取决于离子传导组分除了干燥之外，还可以固化，来提供组分的机械和化学强度。固化是进行了改变例如交联的化学反应，其，并且可以是热活化的(例如通过热或IR)或通过UV活化。

[0098] 另外，离子传导组分除了干燥(和任选地固化)之外可以退火，来改变和增强离聚物的结晶结构。任何退火步骤可以使用比干燥步骤高的温度，例如高至200℃。

[0099] 固化和/或退火步骤可以在每个干燥步骤之后或者在除去载体材料之前沉积过程结束时进行。取决于用于密封组分和离子传导组分的材料，固化和退火可以在单个过程中进行。

[0100] 载体材料不是最终的增强的膜密封组件的一部分，而是要在随后的步骤中除去；该步骤可以紧接在形成增强的膜密封组件之后进行，或者在增强的膜密封组件与其他组分合并来形成增强的膜密封电极组件的生产方法的下游的某些处进行。载体材料在制造过程中提供用于增强的膜密封组件的载体，并且如果不立即除去，则可以在任何随后的存储和/或运输过程中提供支持和强度。制造载体材料的材料应当提供所需的支持，与平面增强组分、离子传导组分和密封组分相容，是离子传导组分和密封组分不可透过的，能够经受增强的膜密封组件生产中所涉及的工艺条件，并且能够容易地除去而不损坏增强的膜密封组件。适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)，和聚烯烃，例如双轴定向的聚丙烯(BOPP)。其他例子包括层合体、多层挤出物和涂覆的膜/箔，其能够在高温例如高至200℃的温度保持它们的机械强度/完整性。例子包括以下层合体：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)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亚胺(PI)。层合体可以具有两个或更多个层，例如ETFE-PEN-ETFE、PMP-PEN-PMP、PFA-PET-PFA、PEN-PFA、FEP-PI-FEP、PFA-PI-PFA和PTFE-PI-PTFE。层可以使用粘合剂例如丙烯酸或聚氨酯来结合。

[0101] 本发明的增强的膜密封组件可以用于制备燃料电池所用的组分，例如催化剂涂覆的膜密封组件和膜密封电极组件。这种组分的制备有助于使用高体量连续制造方法和制备卷制产品。

[0102] 为了制备催化剂涂覆的膜密封组件，通过本领域技术人员已知的技术将催化剂施用到卷制膜密封组件的一侧或两侧。优选将催化剂施用到卷制膜密封组件浸渍有离子传导组分的区域。催化剂层可以重叠到第二区的密封组分上。

[0103] 催化剂适宜地是电催化剂，其可以是磨细的未负载的金属粉末，或者可以是负载的催化剂，其中小的金属纳米颗粒分散在导电微粒碳载体上。该电催化剂金属适宜地选自：

[0104] (i)铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱和锇)，

[0105] (ii)金或银，

[0106] (iii)贱金属，

[0107] 或者包含这些金属中一种或多种的合金或混合物或者它们的氧化物。优选的电催化剂金属是铂，其可以用其他贵金属或贱金属来制成合金。如果电催化剂是负载的催化剂，则金属颗粒在碳载体材料上的负载量适宜地是所形成的电催化剂的重量的10-90wt%，优选15-75wt%。

[0108] 催化剂适于用作墨水，其是有机或含水的(但优选是含水的)。该墨水可以适宜地包含其他组分例如EP0731520中所述离子传导聚合物，其被包含来改进层内的离子传导率。可选地，催化剂通过预先制备的催化剂层的贴花转印来施用。

[0109] 催化剂层可以进一步包含另外的组分。这种另外的组分包括但不限于促进氧气形成和因此在电池反向情况中将是有益的催化剂，或者过氧化氢分解催化剂。这样的催化剂和适于包含在催化剂层中的任何其他添加剂的例子将是本领域技术人员已知的。

[0110] 本发明进一步提供一种膜密封电极组件，其包含上文所述膜密封组件和存在于膜密封组件的至少一个面上的气体扩散电极。气体扩散电极可以存在于膜密封组件的两个面上。

[0111] 本发明的包含增强的膜密封组件的膜密封电极组件可以以多种方式制成，包括但不限于：

[0112] (i)本发明的增强的膜密封组件可以夹入两个气体扩散电极(一个阳极和一个阴极)之间；

[0113] (ii)本发明的在一侧上仅涂覆了催化剂层的催化剂涂覆的膜密封组件可以夹入气体扩散层和气体扩散电极之间，该气体扩散层与催化剂涂覆的膜密封组件的涂覆了催化剂层的一侧接触，或者；

[0114] (iii)本发明的在两侧上涂覆了催化剂层的催化剂涂覆的膜密封组件可以夹入两个气体扩散层之间。

[0115] 为了帮助结合组分和形成整合的膜密封组件，可以将粘合剂层施用到第二区的至少一部分。

[0116] 阳极和阴极气体扩散层适宜地基于常规气体扩散基底。典型的基底包括非织造纸或网，其包含碳纤维网络和热固性树脂粘合剂(例如可获自日本Toray Industries Inc.的TGP-H系列碳纤维纸，或可获自德国Freudenberg FCCT KG的H2315系列，或可获自德国SGL Technologies GmbH的 系列，或可获自Ballard Power Systems Inc.的系列，或织造碳布。该碳纸、网或布可以在引入到MEA之前进行进一步处理，来使得它更可润湿(亲水性)或更防湿(疏水性)。任何处理的性质将取决于燃料电池的类型和将使用的操作条件。基底可以通过经由从液体悬浮液浸渍来引入材料例如无定形炭黑，而成为更可润湿的，或者可以通过用聚合物例如PTFE或聚氟乙烯丙烯(FEP)的胶体悬浮液浸渍基底的孔结构，随后干燥和在高于该聚合物的熔点加热，来成为更疏水的。对于应用例如PEMFC来说，微多孔层也可以施用到气体扩散基底的将接触电催化剂层的面。该微多孔层典型地包含炭黑和聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)的混合物。

[0117] 增强的膜密封组件、催化剂涂覆的膜密封组件或膜密封电极组件可以进一步包含添加剂。该添加剂可以存在于增强的膜密封组件、催化剂涂覆的膜密封组件或膜密封电极组件内部，或者在催化剂涂覆的膜密封组件或膜密封电极组件的情况中，可以存在于不同层之间的一个或多个界面上和/或一个或多个层内。

[0118] 添加剂可以是选自以下的一种或多种：过氧化氢分解催化剂、自由基猝灭剂、自由基分解催化剂、自生抗氧化剂、氢给体(H给体)主抗氧化剂、自由基猝灭剂次抗氧化剂、氧吸收剂(氧猝灭剂)。这些不同的添加剂的例子可以在WO2009/040571和WO2009/109780中找到。优选的添加剂是二氧化铈。

[0119] 本发明的另一方面提供一种具有密封边(sub-gasketed)的催化剂涂覆的增强的膜密封组件，其包含本发明的催化剂涂覆的增强的膜密封组件和施用到该催化剂涂覆的增强的膜密封组件的一个或两个面上的密封组分的密封边。该密封边经设计来为催化剂涂覆的膜密封组件的边缘提供另外的强度和坚固性。该密封边典型地是聚合物材料，并且可以选自与密封组分材料相同的材料，或者可以是专门选择来用作密封边的不同类型的聚合物。该密封边可以使用与施涂密封组分所述的那些类似的方法涂覆到该催化剂涂覆的膜密封组件的密封组分上，或者可以作为预成型的相框(picture frame)薄膜施用到密封组分上。该密封边可以施用到催化剂涂覆的膜密封组件的一个或两个面，但是当施用到两个面时，它可以仅在除去载体材料之后完成。

[0120] 粘合剂层可以用于帮助将密封边粘附到催化剂涂覆的增强的膜密封组件上。该粘合剂层可以是密封边的整体部分，以使得该密封边和粘合剂层在单个步骤中施用，或者该粘合剂层可以首先施用到催化剂涂覆的增强的膜密封组件，并且该密封边随后施用到粘合剂层。

[0121] 本发明的另一方面提供一种具有密封边的增强的膜密封电极组件，其包含催化剂涂覆的增强的膜密封组件，在该催化剂涂覆的增强的膜密封组件的一个或两个面上的气体扩散层，和施用到该催化剂涂覆的增强的膜密封组件的一个或两个面上的密封边。

[0122] 全部上文所述的实施方案同等地应用于基于质子交换膜(PEM)的电解器中。在这些PEM电解器中，沿着膜电极组件施加电压，以使得供给到该装置的水分解成氢和氧，分别在阴极和阳极。MEA会需要不同的催化剂组分用于PEM燃料电池，例如在阳极是基于Ir和Ru的材料，但是其他方面非常类似于燃料电池的MEA的构造。