CN101027807A - 膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

公开了其中薄膜元件被插在膜和电催化剂层之间的膜电极组件。薄膜元件接触电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。

Description

膜电极组件
本发明涉及用在燃料电池中的膜电极组件。本发明还涉及可用于制备膜电极组件的催化电极和催化膜。
燃料电池为包括用电解质隔开的两个电极的电化学电池。燃料例如氢气或甲醇被供应到阳极，氧化剂例如氧气或空气被供应到阴极。在电极处发生电化学反应，燃料和氧化剂的化学能被转化成电能和热。燃料电池为清洁高效的能源，并可取代传统能源如固定和汽车动力应用中的内燃机。
在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，电解质为电绝缘但离子导电的固体聚合物膜。一般使用基于全氟磺酸材料的质子导电膜，在阳极处产生的质子被传输通过膜到达阴极，在那里它们与氧气结合形成水。
聚合物电解质燃料电池的主要部件称为膜电极组件(MEA)，并基本上由5层组成。中心层为聚合物膜。在膜的任何一侧上存在包含电催化剂的电催化剂层。阳极电催化剂催化燃料的电化学氧化，阴极电催化剂催化氧气的电化学还原。最后，靠近每个电催化剂层存在气体扩散衬底。气体扩散衬底必须能使反应物到达电催化剂层，并必须传导电化学反应产生的电流。因此，衬底必须是多孔的并且导电。
MEA可通过几种方法来构建。电催化剂层可被施加到气体扩散衬底上形成气体扩散电极。两个气体扩散电极可被放在膜的任何一侧上，并层压到一起形成5层MEA。或者，电催化剂层可被施加到膜的两个面上形成催化剂涂敷的膜(CCM)。然后，将气体扩散衬底施加到催化剂涂敷的膜的两个面上。最后，可由一侧上涂有电催化剂层的膜、靠近电催化剂层的气体扩散衬底和在膜另一侧上的气体扩散电极形成MEA。
WO 00/10216公开了由CCM制备的MEA，其中副垫圈位于催化剂层和气体扩散衬底之间。EP 1403949公开了由CCM制备的MEA，其中保护薄膜层附着到膜上，并交迭在膜的惰性区域和活性(催化)区域。EP 1403949指出，具有保护薄膜层的CCM提供了提高的机械稳定性和提高的防止膜损坏性。EP 1403949的例子说明MEA可耐用300小时。本发明人设法进一步提高MEA的耐久性。
因此，本发明提供一种膜电极组件，包括：
具有第一和第二表面的离子导电膜；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面，和其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；
具有第一和第二表面的第一电子导电(electronically-conducting)多孔气体扩散衬底，其中第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间的第一薄膜元件，使得第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
在本发明的膜电极组件中，第一薄膜元件插在膜和电催化剂层之间，而在EP 1403949中，保护薄膜层插在催化剂层和气体扩散衬底之间。本发明人发现，将薄膜元件放置在电催化剂层和膜之间使得电催化剂层的边缘区域接触薄膜元件，为膜电极组件提供与其中电催化剂层的边缘区域不接触薄膜元件的膜电极组件相比增加的耐久性。
适当地，膜电极组件还包括具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面，和其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域。适当地，第二薄膜元件插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，使得第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。优选膜电极组件还包括具有第一和第二表面的第二电子导电多孔气体扩散衬底，其中第二衬底的第一表面面对第二电催化剂层的第二表面。
在另一个方面中，本发明提供可用于制造根据本发明的膜电极组件的气体扩散电极。气体扩散电极包括：
具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，和其中第一电催化剂层的第二表面面对第一衬底的第一表面；和
接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域的第一薄膜元件。
在又一个方面中，本发明提供可用于制造根据本发明的膜电极组件的催化膜。催化膜包括：
具有第一和第二表面的离子导电膜；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面，和其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和
插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间的第一薄膜元件，使得第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
适当地，催化膜还包括具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面，和其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域。适当地，第二薄膜元件插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，使得第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
第一和第二薄膜元件中的每一个都适当地为0.1-50μm厚，优选1-15μm，最优选4-10μm。理想地，薄膜元件的厚度类似于电催化剂层的厚度。更薄的薄膜元件不是优选的，因为它们不可能提供对膜的任何机械保护作用。更厚的薄膜元件不是优选的，因为它们可能“挤压”膜材料，导致膜变薄和可能的膜损坏。
薄膜材料必须在燃料电池环境中稳定且适当地具有对氢气、氧气和水的低渗透率。材料优选耐气体扩散衬底的纤维的刺穿。薄膜材料可为聚合物材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、双轴取向的聚丙烯(BOPP)、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚苯硫醚(PPS)、聚亚酰胺(例如KaptonTM)或聚甲基戊烯。或者，薄膜材料可为金属化薄膜，即涂有聚合物的金属薄层。优选薄膜材料在用于层压MEA的温度下不浸渍气体扩散衬底。
边缘区域和中心区域共同覆盖电催化剂层的整个第一表面。适当地，边缘区域为在电催化剂层边缘的0.5-10mm内的区域，优选在电催化剂层边缘的1-5mm内。不希望边缘区域大于此，因为边缘区域中的任何电催化剂都在膜电极组件的活性区域之外。边缘区域不能比这太小，因为这将难以精确放置薄膜元件，使得它们只接触边缘区域而不是中心区域。
每个薄膜元件适当地包括优选被切成框形的单片薄膜材料，使得它能够接触整个边缘区域。或者，薄膜元件可由共同形成框形的几个薄膜材料条组成。
在本发明的膜电极组件的具体实施方案中，第一薄膜元件和/或第二薄膜元件伸出气体扩散衬底的边缘之外，并能够提供可靠着其放置垫圈的表面。
在膜电极组件的优选实施方案中，气体扩散电极或催化膜、一个或多个粘合剂层存在于第一薄膜元件上，并任选地在第二薄膜元件上。在面对膜的薄膜元件的表面上的粘合剂层将粘着薄膜元件到膜上。这确保在膜和薄膜元件之间没有泄漏途径(即没有气体排出的途径)。粘合剂层还可有助于堆组件。如果薄膜层粘着到突出到气体扩散衬底边缘外的膜上，则在膜电极组件的边缘处提供硬的薄膜/膜层。这种薄膜/膜层可在堆组件中被处理。面对膜的粘合剂层适当地为0.1-20μm厚，优选1-15μm厚，最优选4-10μm厚。
面对电催化剂层的薄膜元件表面上的粘合剂层将粘着薄膜元件到电催化剂层上，并将适当地浸渍过电催化剂层和浸渍到气体扩散衬底内。按照这种方式浸渍粘合剂到衬底内有助于使膜电极组件成为一个整体。粘合剂层可部分浸渍气体扩散衬底或可浸渍过衬底的整个厚度，包括突出到衬底的远侧外。如果粘合剂层浸渍过衬底的整个厚度，这会密封衬底的边缘区域，阻止气体通过衬底边缘排出。面对电催化剂层的粘合剂层适当地为至少1μm厚，优选至少5μm厚，并可如气体扩散衬底一样厚或比它厚，例如最多400μm厚。
粘合剂层为例如聚乙烯基或聚丙烯基粘合剂。粘合剂层可包含热熔粘合剂或压敏粘合剂。粘合剂可为乙烯和甲基丙烯酸的共聚物或乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，这描述在US6756147中。粘合剂优选充分流体性至浸渍衬底。优选在低于100℃的温度下没有粘合剂层的软化，或如果燃料电池堆将在高温下工作时在低于140℃下没有粘合剂层的软化。优选粘合剂层在制造条件下不会明显收缩。适当地，粘合剂层由不会浸出污染物到燃料电池系统内的材料制成。
在其中粘合剂层浸渍衬底和其中薄膜元件伸出气体扩散衬底边缘之外的实施方案中，伸出衬底之外的粘合剂层形成合适的表面，在这个表面上可放置垫圈元件。或者，在其中粘合剂层浸渍过衬底的整个厚度和其中薄膜元件未伸出气体扩散衬底边缘之外的实施方案中，浸渍的衬底形成合适的表面，在这个表面上可放置垫圈元件。
在其中粘合剂层只浸渍衬底厚度一部分的实施方案中，衬底的剩余部分(即被粘合剂浸渍的区域和衬底的第二表面之间的部分)可用弹性材料浸渍。合适的弹性材料包括硅酮、氟硅氧烷、含氟弹性体(例如VitonTM)、EPDM橡胶(三元乙丙橡胶)、热塑性弹性体(例如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)和液晶聚合物弹性体。弹性材料还可存在于衬底的第二表面上，并可形成垫圈元件。
离子导电膜可为本领域那些技术人员已知的任何类型的离子导电膜。适当地，膜为质子导电的。在膜电极组件的现有技术中，膜经常基于全氟磺酸材料如Nafion(DuPont)、Flemion(Asahi Glass)和Aciplex(Asahi Kasei)。膜可为复合膜，包含质子导电材料和赋予性能如机械强度的其它材料。例如，膜可包括质子导电膜和二氧化硅纤维基质，这描述在EP 875524中。膜适当地小于200μm厚，优选小于50μm厚。
气体扩散衬底可为本领域那些技术人员已知的任何合适的气体扩散衬底。典型的衬底包括基于炭纸(例如可从日本Toray Industries得到的Toray纸)、机织碳布(例如可从美国Zoltek Corporation得到的ZoltekPWB-3)或非纺织碳纤维网(例如可从英国Technical FibreProducts得到的Optimat 203)的衬底。碳衬底一般用嵌在衬底内的颗粒材料或涂到平面上的颗粒材料或两者的联合来改性。颗粒材料一般为碳黑和聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)的混合物。合适地，气体扩散衬底为100-300μm厚。优选在气体扩散衬底的第一表面上存在一层颗粒材料如碳黑和PTFE。
电催化剂层包括电催化剂，其可为细分散的金属粉末(金属黑)，或可为负载催化剂，其中小的金属颗粒被分散在电子导电的颗粒碳载体上。电催化剂金属合适地选自：
(i)铂族金属(铂、钯、铑、钌、铱和锇)，
(ii)金或银，
(iii)贱金属，
或包括这些金属或它们的氧化物中的一种或多种的合金或混合物。优选的电催化剂金属为铂，其可与其它贵金属如钌或贱金属如钼或钨形成合金。如果电催化剂为负载催化剂，则碳载体材料上金属颗粒的载量合适地在10-100wt％的范围内，优选15-75wt％。
电催化剂层合适地包括其它组分，如离子导电聚合物，包括它来提高层内的离子导电性。
气体扩散衬底的表面积合适地与电催化剂层的表面积至少一样大，并且可能更大。膜的表面积合适地与电催化剂层的表面积至少一样大，并且可能更大。膜的表面积可能比气体扩散衬底的表面积小、大小相同或大。如果膜的表面积小于气体扩散衬底的表面积，则需要密封衬底之间没有膜的区域，例如使用在面对膜的薄膜元件面上的粘合剂层。
本发明还提供制造膜电极组件的方法，包括以下步骤：
a)取具有第一和第二表面的离子导电膜；具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；和第一薄膜元件；
b)放置离子导电膜使得膜的第一表面面对第一电催化剂层的第一表面；
c)放置第一衬底使得第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
d)放置第一薄膜元件使得第一薄膜元件被插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间，从而第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
步骤(b)、(c)和(d)可以以任何顺序进行。适当地，方法还包括步骤(e)和(f)，并优选还包括步骤(e)、(f)和(g)：
e)取具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，并放置第二电催化剂层使得第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面；
f)取第二薄膜元件，并放置第二薄膜元件使得第二薄膜元件被插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，从而第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域；和
g)取具有第一和第二表面的第二电子导电多孔气体扩散衬底并放置第二气体扩散衬底使得第二衬底的第一表面面对第二电催化剂层的第二表面。
步骤(b)-(f)或步骤(b)-(g)可以以任何顺序进行。方法(不管它包括步骤(a)-(d)、(a)-(f)还是(a)-(g))优选包括最后步骤：
h)将离子导电膜、电催化剂层、气体扩散衬底和薄膜元件层压到一起。
本发明还提供制造根据本发明的气体扩散电极的方法，包括以下步骤：
m)取具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；和第一薄膜元件；
n)放置第一衬底使得第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
o)使第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
可使用根据本发明的气体扩散电极制备根据本发明的膜电极组件。放置具有第一和第二表面的离子导电膜使得膜的第一表面面对气体扩散电极的第一电催化剂层的第一表面。优选将离子导电膜放置在根据本发明的两个气体扩散电极之间，使得膜的每个表面都面对根据本发明的气体扩散电极的电催化剂层的第一表面。最优选一个或二个气体扩散电极被层压到膜上。
本发明还提供制造根据本发明的催化膜的方法，包括以下步骤：
t)取具有第一和第二表面的离子导电膜；具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和第一薄膜元件；
u)放置离子导电膜使得第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面；和
v)放置第一薄膜元件使得第一薄膜元件被插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间，从而第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
步骤(u)和(v)可以以任何顺序进行。适当地，方法还包括步骤(w)和(x)：
w)取具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，并放置第二电催化剂层使得第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面；和
x)取第二薄膜元件，并放置第二薄膜元件使得第二薄膜元件被插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，从而第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
步骤(u)-(x)可以以任何顺序进行。
使用根据本发明的催化膜可制备根据本发明的膜电极组件。放置具有第一和第二表面的一个或二个气体扩散衬底使得气体扩散衬底的第一表面面对催化膜的电催化剂层的第二表面。优选气体扩散衬底被层压到催化膜上。
组合电催化剂层、气体扩散衬底和膜形成气体扩散电极、催化膜和膜电极组件的技术在本领域技术人员的能力范围内。可通过直接技术如喷涂或印刷或通过间接技术如贴花转移将电催化剂层施加到衬底或膜上。可通过标准层压技术使催化膜与气体扩散衬底结合。可通过标准层压技术使气体扩散电极与膜结合。
为了更完整地理解本发明，参考以下附图，其中：
图1为显示制造根据本发明实施方案的膜电极组件的方法的示意图。
图2为显示制造根据本发明实施方案的气体扩散电极的方法的示意图。
图3为显示制造根据本发明实施方案的催化膜的方法的示意图。
图4为显示制造根据本发明实施方案的膜电极组件的方法的示意图。
图5为显示制造根据本发明实施方案的膜电极组件的方法的示意图。
图6为显示实施例和对比例的MEA的气体穿过对时间的图。
图1-5显示了部件的横截面。
图1的步骤(i)显示了位于由气体扩散衬底(2)和电催化剂层(3)组成的气体扩散电极之间的膜(1)。可通过任何已知的技术如印刷或喷涂将电催化剂层(3)施加到气体扩散衬底(2)上。膜(1)伸出衬底(2)外。薄膜元件(4)位于膜(1)和电极(2，3)之间，使得它们面对电催化剂层(3)的边缘区域。在步骤(ii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将膜(1)层压到电极(2，3)上。薄膜元件(4)在膜(1)和电催化剂层(3)之间，接触电催化剂层(3)的边缘区域。
图2的步骤(i)显示了由气体扩散衬底(2)和电催化剂层(3)组成的气体扩散电极。可通过任何已知的技术如喷涂或印刷将电催化剂层(3)施加到衬底(2)上。薄膜元件(4)带有粘合剂层(6)，并被放置使得它面对电催化剂层(3)的边缘区域，粘合剂层(6)面对电催化剂层(3)。在步骤(ii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将薄膜元件(4)层压到电极(2，3)上。粘合剂浸渍衬底(2)。薄膜元件(4)接触电催化剂层(3)的边缘区域。
图3的步骤(i)显示了膜(1)和带有粘合剂层(6)的薄膜元件(4)。粘合剂层(6)面对膜(1)。在步骤(ii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将薄膜元件(4)层压到膜(1)上。粘合剂粘结薄膜元件(4)到膜(1)上，并填充两个薄膜元件(4)之间的间隙。在步骤(iii)中，电催化剂层(3)被施加到膜(1)上。可通过任何已知的技术如喷涂或印刷来施加电催化剂层(3)。电催化剂层(3)与薄膜元件(4)交迭，使得薄膜元件(4)被插在膜(1)和电催化剂层(3)的边缘区域之间。
图4的步骤(i)显示了膜(1)和由气体扩散衬底(2)和电催化剂层(3)组成的气体扩散电极。可通过任何已知的技术如印刷或喷涂将电催化剂层(3)施加到气体扩散衬底(2)上。膜(1)伸出衬底(2)外。包括粘合剂层(6)的薄膜元件(4)位于膜(1)和电极(2，3)之间，并且面对电催化剂层(3)的边缘区域。在步骤(ii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将膜(1)层压到电极(2，3)上。粘合剂层(6)浸渍气体扩散衬底(2)。薄膜元件(4)在膜(1)和电催化剂层(3)之间，接触电催化剂层(3)的边缘区域。
图5的步骤(i)显示了由气体扩散衬底(2)和电催化剂层(3)组成的气体扩散电极。可通过任何已知的技术如印刷或喷涂将电催化剂层(3)施加到气体扩散衬底(2)上。在薄膜元件两个面上包括粘合剂层(6)的薄膜元件(4)位置靠近电催化剂层(3)的边缘区域。在步骤(ii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将薄膜元件(4)层压到电极(2，3)上。在层压步骤中可能需要在挤压机和粘合剂层之间放置防粘膜。粘合剂层(6)浸渍气体扩散衬底(2)。薄膜元件(4)接触电催化剂层(3)的边缘区域。膜(1)位于气体扩散电极(2，3)之间。在步骤(iii)中，通过在箭头(5)所示的方向上挤压将气体扩散电极(2，3)层压到膜(1)上。粘合剂层(6)粘结薄膜元件(4)到膜(1)上，并填充两个薄膜元件(4)之间的间隙。
现在将参考说明性的而非限制本发明的实施例描述本发明。
MEA制备
制备7个MEA。气体扩散衬底为在一个表面上涂有碳黑和PTFE的混合物的Toray纸。膜为25μm的Aciplex全氟磺酸聚合物膜。催化剂层包含40wt％的铂/碳催化剂和全氟磺酸聚合物。使用如EP731520中所述制备的催化剂油墨将催化剂层施加到气体扩散衬底的涂敷表面上。利用230-250psi的热压压力和150-190℃的温度将MEA的部件层压到一起。MEA中的薄膜元件、结合薄膜元件到MEA内的方法和薄膜元件在MEA中的位置如下：
薄膜元件 方法 位置
对比例1 无 N/A N/A
对比例2 无 N/A N/A
对比例3 具有30μm聚乙烯EVA共聚物粘合剂层的12μmPET薄膜。 气体扩散电极、膜和薄膜在单个步骤中被层压到一起。 薄膜不接触催化剂层。粘合剂浸渍电极。
实施例1 具有30μm聚乙烯EVA共聚物粘合剂层的12μmPET薄膜。 薄膜被层压到气体扩散电极上。电极然后被层压到膜上。 薄膜接触催化剂层的2mm边缘区域。粘合剂浸渍电极。
实施例2 4.5μmPVDF薄膜。 气体扩散电极、膜和薄膜在单个步骤中被层压到一起。 薄膜接触催化剂层的2mm边缘区域。
实施例3(重复实施例1) 具有30μm聚乙烯EVA共聚物粘合剂层的12μmPET薄膜。 薄膜被层压到气体扩散电极上。电极然后被层压到膜上。 薄膜接触催化剂层的2mm边缘区域。粘合剂浸渍电极。
实施例4 在两个12μm聚乙烯EVA共聚物粘合剂层之间的12μmBOPP薄膜。 气体扩散电极、膜和薄膜在单个步骤中被层压到一起。 薄膜接触催化剂层的2mm边缘区域。粘合剂浸渍电极并且粘合剂粘结薄膜到膜上。
耐久性试验
通过在单一燃料电池耐久性试验中测量一定时间内的膜的气体穿过(cross-over)来试验7个MEA的耐久性。使用循环试验规则，其中电流密度保持不同的水平一定时间。利用试验电池中的样品测量气体穿过，不从电池中引出电流。在电池的一侧施加5psi的气体压力，另一侧不施加压力。未加压侧连接到聚合物管的一端上，其另一端浸在一桶水中。倒置的量筒(最初装满水)放在管浸没端上方，用于捕捉由于气体穿过MEA而从管端中冒出的任何气泡。在几分钟时间内收集气体，结果用ml/min表示。气体穿过体积代表MEA内的膜穿孔程度，较高的体积代表较差的穿孔，因为正是膜将阳极和阴极气流分开。气体穿过速度因此是实际MEA耐久性的直接指标。MEA在低气体穿过下运行越久，其提供持久服务的机会就越高。
图6显示了气体穿过试验的结果。对比例1和2(没有薄膜元件)和对比例3(其中薄膜元件没有与催化剂层交迭)在小于400小时时表现出明显的气体穿过，因而没有良好的耐久性。实施例1-4全部表现出至少1000小时的耐久性，实施例中的一些表现出2000小时的耐久性。利用不带粘合剂层(实施例2)、带一个粘合剂层(实施例1和3)和带两个粘合剂层(实施例4)的薄膜元件获得了提高的耐久性。

Claims (17)

1.一种膜电极组件，包括：
具有第一和第二表面的离子导电膜；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面，和其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；
具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底，其中第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间的第一薄膜元件，使得第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
2.根据权利要求1的膜电极组件，还包括：
具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面，和其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和
插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间的第二薄膜元件，使得第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
3.根据权利要求2的膜电极组件，还包括：
具有第一和第二表面的第二电子导电多孔气体扩散衬底，其中第二衬底的第一表面面对第二电催化剂层的第二表面。
4.根据任何一个前述权利要求的膜电极组件，其中电催化剂层的第一表面上的边缘区域是在电催化剂层边缘的0.5-10mm内的区域。
5.根据任何一个前述权利要求的膜电极组件，其中在第一薄膜元件上和任选地在第二薄膜元件上存在一个或多个粘合剂层。
6.根据权利要求5的膜电极组件，其中粘合剂层存在于面对膜的第一薄膜元件的表面上，和粘合剂层粘着第一薄膜元件到膜上。
7.根据权利要求4或权利要求5的膜电极组件，其中粘合剂层存在于面对第一电催化剂层的第一薄膜元件的表面上，并且粘合剂层粘着第一薄膜元件到第一电催化剂层上，浸渍过第一电催化剂层和浸渍到第一气体扩散衬底内。
8.一种气体扩散电极，包括：
具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，和其中第一电催化剂层的第二表面面对第一衬底的第一表面；和
接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域的第一薄膜元件。
9.一种催化膜，包括：
具有第一和第二表面的离子导电膜；
具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面，和其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和
插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间的第一薄膜元件，使得第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
10.根据权利要求9的催化膜，还包括：
具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面，和其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和
插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间的第二薄膜元件，使得第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
11.一种制造膜电极组件的方法，包括步骤：
a)取具有第一和第二表面的离子导电膜；具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；和第一薄膜元件；
b)放置离子导电膜使得膜的第一表面面对第一电催化剂层的第一表面；
c)放置第一衬底使得第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
d)放置第一薄膜元件使得第一薄膜元件被插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间，从而第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
12.根据权利要求11的制造膜电极组件的方法，还包括步骤：
e)取具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，并放置第二电催化剂层使得第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面；
f)取第二薄膜元件，并放置第二薄膜元件使得第二薄膜元件被插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，从而第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
13.根据权利要求12的制造膜电极组件的方法，还包括步骤：
g)取具有第一和第二表面的第二电子导电多孔气体扩散衬底并放置第二气体扩散衬底使得第二衬底的第一表面面对第二电催化剂层的第二表面。
14.根据权利要求11-13中任何一项的制造膜电极组件的方法，还包括步骤：
h)将离子导电膜、电催化剂层、气体扩散衬底和薄膜元件层压到一起。
15.一种制造气体扩散电极的方法，包括步骤：
m)取具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；具有第一和第二表面的第一电子导电多孔气体扩散衬底；和第一薄膜元件；
n)放置第一衬底使得第一衬底的第一表面面对第一电催化剂层的第二表面；和
o)使第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
16.一种制造催化膜的方法，包括以下步骤：
t)取具有第一和第二表面的离子导电膜；具有第一和第二表面的第一电催化剂层，其中第一电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域；和第一薄膜元件；
u)放置离子导电膜使得第一电催化剂层的第一表面面对膜的第一表面；和
v)放置第一薄膜元件使得第一薄膜元件被插在膜的第一表面和第一电催化剂层的第一表面之间，从而第一薄膜元件接触第一电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
17.根据权利要求16的制造催化膜的方法，还包括步骤：
w)取具有第一和第二表面的第二电催化剂层，其中第二电催化剂层的第一表面具有边缘区域和中心区域，并放置第二电催化剂层使得第二电催化剂层的第一表面面对膜的第二表面；和
x)取第二薄膜元件，并放置第二薄膜元件使得第二薄膜元件被插在膜的第二表面和电催化剂层的第一表面之间，从而第二薄膜元件接触第二电催化剂层的第一表面的边缘区域而不是中心区域。
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