CN107004862A - 膜电极组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了膜电极组件，其包含设置在气体分配层(100，700)中或在气体分配层(100，700)和气体分散层(200，600)之间的析氧反应催化剂。本文所述的膜电极组件可用于例如电化学装置诸如燃料电池中。

Description

膜电极组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月15日提交的美国临时专利申请62/091851和2014年12月23日提交的美国临时专利申请62/096097的权益，这些申请的公开内容全文以引用的方式并入本文。
本发明根据能源部(DOE)授予的合作协议DE-EE0000456在政府的资助下进行。政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
质子交换膜燃料电池(也称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(PEMFC))将在氢气和氧气电极反应期间释放的电化学能转换为电能。氢气流被传送到膜电极组件(MEA)的阳极侧。阳极处的半电池反应(氢氧化反应(HOR))将氢气分离成质子和电子。新产生的质子渗透穿过聚合物电解质膜到达阴极侧。电子沿着外部负载电路行进到MEA的阴极侧，从而使燃料电池产生电流输出。同时，氧气流(通常在空气中)被传送到MEA的阴极侧。在阴极侧，氧气分子被穿过外部电路到达的电子还原，并且与渗透穿过聚合物电解质膜的质子结合以形成水分子。该阴极半电池反应为氧还原反应(ORR)。两个半电池反应通常由基于铂的材料进行催化。每个电池产生约1.1伏电压，因此为达到用于特定应用的期望电压，可将电池组合起来以产生电池组。电池由双极板隔开，这些双极板还提供氢燃料分配通道以及提供提取电流的方法。PEM燃料电池被视为在所有燃料电池中具有最高的能量密度，并且由于反应性质而具有最快的启动时间(小于1秒)。因此，它们往往有利于各种应用，诸如车辆、便携式电源和备用电源应用。
在机动车应用中工作的PEM燃料电池通常在多年的工作中经历上千次的启动/关闭事件。在燃料电池反复启动/关闭循环的这些瞬态时期期间，以及在燃料电池其它异常工作状态(例如由局部燃料不足而造成的电池反极)期间，电极可被暂时驱动到相对高的正电位，大大超过它们的正常工作值，并且超过水的热力学稳定性(即>1.23伏)。这些瞬态高电位脉冲可导致催化剂层的降解。对于碳载催化剂也会发生碳载体的腐蚀。
结合析氧反应(OER)催化剂来促进水电解而非碳腐蚀或催化剂降解/溶解，这是相对新的基于材料的策略以用于通过降低电池电压来实现在瞬态状况期间的燃料电池耐久性。根据观察，Ru表现出优异的OER活性，但优选地使其稳定。众所周知，Ir可用来稳定Ru，同时根据观察，Ir本身表现出良好的OER活性。
在启动前，阳极流场通常填充有空气。在燃料电池启动期间，气体从空气切换到氢气，从而形成移动穿过阳极流场的H2-空气锋面。当燃料电池关闭时，由气体切换所形成的H2-空气锋面沿反方向移动穿过阳极流场。已知移动的H2-空气锋面内的氢气和氧气可再次结合并生成水，尤其是存在催化剂诸如铂的情况下。该反应可相对剧烈。
希望减少气体切换对MEA性能的负面影响。
发明内容
在一个方面，本公开提供膜电极组件，该膜电极组件依次包括：
第一气体分配层；
任选地第一气体分散层；
阳极催化剂层，该阳极催化剂层包含第一催化剂；
膜；
阴极催化剂层，该阴极催化剂层包含第二催化剂；
任选地第二气体分散层；以及
第二气体分配层，
其中第一气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面；
其中阳极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中第一气体分配层的第二主表面距离阳极催化剂层的第一主表面比距离第一阳极催化剂层的第二主表面更近；
其中膜具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中阳极催化剂层的第二主表面距离膜的第一主表面比距离膜的第二主表面更近；
其中阴极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中膜的第二主表面距离阴极催化剂层的第一主表面比距离阴极催化剂层的第二主表面更近；并且
其中第二气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中阴极催化剂层的第二主表面距离第二气体分配层的第一主表面比距离第二气体分配层的第二主表面更近，
其中存在以下中的至少一种：
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第一气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分配层；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第一气体分配层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第一气体分配层和第一气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第一气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分散层；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第一气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第二气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分散层；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第二气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第二气体分配层和第二气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第二气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分配层；以及
包含析氧反应催化剂的层，该层设置在第二气体分配层的第二主表面上。
已意外地发现，通过将氢气PEM燃料电池的析氧反应(OER)催化剂(例如，Ru、Ir、RuIr或它们的氧化物)与阳极侧上的基于Pt的氢氧化反应(HOR)催化剂或阴极侧上的基于Pt的氧还原反应(ORR)催化剂物理地隔开，可实现针对气体切换事件诸如启动/关闭或电池反极(由于局部燃料不足)的催化剂耐久性的极大改进。本文所述的膜电极组件(MEA)的另外的优点为OER催化剂可独立于施加到聚合物电解质膜的阳极催化剂层和阴极催化剂层的选择而变化。因此，OER催化剂可与具有各种HOR和ORR催化剂层的催化剂涂覆膜一起使用，这些催化剂层诸如承载在碳上的Pt或在纳米结构化薄膜载体上的Pt。可调整OER催化剂负载、处理和性能增强的添加剂来满足特定客户对于其具体的阳极、阴极、保持要求等的需求。该方法还允许各种催化剂涂覆膜(CCM)和MEA构造，其中在气体分配层或气体分散层之上或之中的OER催化剂为一种组分，除此之外，还添加另一个催化剂层。
本文所述的膜电极组件可用于例如燃料电池。
附图说明
图1为本文所述的膜电极组件的示例性实施方案的示意图。
图2为具有本文所述的膜电极组件的燃料电池的示例性实施方案的示意图。
图3为示出实施例1-6和比较例A-C的相对于标准氢电极的电池输出电压ESHE作为时间的函数的曲线图。
具体实施方式
参考图1，本文所述的示例性膜电极组件依次包括第一气体分配层100、任选的第一气体分散层200、包含第一催化剂的阳极催化剂层300、膜400、包含第二催化剂的阴极催化剂层500、任选的第二气体分散层600以及第二气体分配层700。
第一气体分配层100具有大致相对的第一主表面101和第二主表面102。阳极催化剂层300具有大致相对的第一主表面301和第二主表面302。第一气体分配层100的第二主表面102距离阳极催化剂层300的第一主表面301比距离第一阳极催化剂层300的第二主表面302更近。
膜400具有大致相对的第一主表面和第二主表面401,402。阳极催化剂层300的第二主表面302距离膜的第一主表面401比距离膜400的第二主表面402更近。阴极催化剂层500具有大致相对的第一主表面和第二主表面501,502。膜400的第二主表面402距离阴极催化剂层500的第一主表面501比距离阴极催化剂层500的第二主表面502更近。
第二气体分配层700具有大致相对的第一主表面和第二主表面701,702。阴极催化剂层500的第二主表面502距离第二气体分配层700的第一主表面701比距离第二气体分配层700的第二主表面702更近。
示例性膜电极组件9还具有以下中的至少一种：
包含析氧反应(OER)催化剂的层1100，层1100设置在第一气体分配层100的第一主表面101上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分配层100；
包含析氧反应催化剂的层1150，层1150设置在第一气体分配层100的第二主表面102上；
包含析氧反应催化剂的层1200，层1200设置在第一气体分配层100和第一气体分散层200之间；
包含析氧反应催化剂的层1250，层1250设置在第一气体分散层200的第一主表面201上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分散层200；
包含析氧反应催化剂的层1300，层1300设置在第一气体分散层200的第二主表面202上；
包含析氧反应催化剂的层1400，层1400设置在第二气体分散层600的第一主表面601上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分散层600；
包含析氧反应催化剂的层1500，层1500设置在第二气体分散层600的第二主表面602上；
包含析氧反应催化剂的层1550，层1550设置在第二气体分配层600和第二气体分配层700之间；
包含析氧反应催化剂的层1600，层1600设置在第二气体分配层700的第一主表面701上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分配层700；以及
包含析氧反应催化剂的层1700，层1700设置在第二气体分配层700的第二主表面702上。如图所示，析氧反应催化剂存在于层1100中。
当膜电极组件(MEA)用于电化学装置诸如燃料电池中时，析氧反应催化剂105优选地适于与外部电路电接触。这是可能的，因为在许多聚合物电解质膜(PEM)燃料电池构造中，第一气体分配层100和第二气体分配层700为导电的。
虽然不想受到理论的约束，但是据信，为了成功结合OER催化剂，需要避免它们阻碍或影响Pt氢氧化反应(HOR)或反之亦然。
本文所述的膜电极组件以及并入本文所述的膜电极组件的装置通常使用本领域中已知的技术来制备，但是使用本文所述的构造要求或选择来修改。
气体分配层通常将气体平均传送到电极，并且在一些实施方案中进行导电。它还提供移除蒸气形式或液态形式的水。示例性气体分配层为气体扩散层，有时也称为大孔气体扩散背衬(GDB)。气体分配层的来源包括呈非织造纸或织造织物形式的无规取向以形成多孔层的碳纤维。非织造碳纸可例如以商品名“GRAFIL U-105”从日本东京的三菱丽阳有限公司(Mitsubishi Rayon Co.,Ltd.,Tokyo,Japan)获得；以商品名“TORAY”从日本东京的东丽公司(Toray Corp.,Tokyo,Japan)获得；以商品名“AVCARB”从马萨诸塞州洛厄尔的AvCarb材料溶液公司(AvCarb Material Solutions,Lowell,MA)获得；以商品名“SIGRACET”从德国威斯巴登的西格里集团碳公司(SGL Group,the Carbon Company,Wiesbaden,Germany)获得；以商品名“Freudenberg”从德国魏恩海姆的科德宝FCCT欧洲股份公司&有限责任公司燃料电池组分技术公司(Freudenberg FCCT SE&Co.KG,Fuel CellComponent Technologies,Weinheim,Germany)获得；以及以商品名“Spectracarb GDL”从康涅狄格州谢尔顿的工程纤维技术(EFT)公司(Engineered Fibers Technology(EFT),Shelton,CT)获得。织造碳织物或布料可例如以商品名“EC-CC1-060”和“EC-AC-CLOTH”从马萨诸塞州沃本的电化学公司(ElectroChem.,Inc.Woburn,MA)获得；以商品名“ELAT-LT”和“ELAT”从印第安纳州克朗波因特的NuVant系统公司(NuVant Systems Inc.Crown Point,IN)获得；以商品名“E-TEK ELAT LT”从北美巴斯夫燃料电池有限责任公司(BASF FuelCell GmbH,North America)获得；以及以商品名“ZOLTEK CARBON CLOTH”从密苏里州圣路易斯的卓尔泰克公司(Zoltek Corp.,St.Louis,MO)获得。
气体分散层还将气体通常更平均地分配到电极，通常防止催化剂层和膜由于可能的气体分配层的粗糙而出现机械缺陷，并且在一些实施方案中进行导电并减小与相邻的催化剂层的接触电阻。它还可提供将液态水从催化剂层有效芯吸到扩散层中。示例性气体分散层为微孔层。可例如通过使气体分配层诸如碳纸或布料浸染或/和涂覆有添加剂诸如防水疏水粘结剂(例如，含氟聚合物或氟化乙烯丙烯树脂FEP)和炭黑来形成微孔层。通常首先将碳纸或布料浸入防水疏水剂在溶剂(例如水或醇)中的分散溶液/乳液中，接着进行干燥和热处理；然后将碳浆液涂覆在基底上，接着进行干燥和热处理。示例性含氟聚合物诸如PTFE(聚四氟乙烯)可例如以商品名“TECAFLON PTFE NATURAL”从德国努夫林根的恩欣格有限责任公司(Ensinger GmbH,Nufringen,Germany)获得；以商品名“3M DYNEON PTFE TF”从明尼苏达州圣保罗的3M Dyneon公司(3M Dyneon,St.Paul,MN)获得；以商品名“BAM PTFE”从英国爱丁堡的贝利先进材料有限责任公司(Baillie Advanced Materials LLC,Edinburgh,United Kingdom)获得；以商品名“DUPONT PTFE”和“DUPONT TEFLON ETFE”从特拉华州威尔明顿的E.I.杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours,Wilmington,DE)获得；(聚(乙烯-共-四氟乙烯))，可以商品名“TECAFLON ETFE NATURAL”从恩欣格有限责任公司获得；以商品名“3M DYNEON”从3M Dyneon公司获得；ETFE(含氟热塑性塑料)，可例如以商品名“BAMETFE”从贝利先进材料有限责任公司获得；并且以商品名“DUPONT ETFE”从E.I.杜邦公司获得；以及PVDF(聚偏二氟乙烯)，可例如以商品名“TECAFLON PVDF”从恩欣格有限责任公司获得；以商品名“3M DYNEON FLUOROPLASTIC PVDF”从3M Dyneon公司获得；并且以商品名“BAMPVDF”从贝利先进材料有限责任公司获得。示例性氟化乙烯丙烯树脂FEP的来源可以商品名“DuPont Teflon FEP”从E.I.杜邦公司并且以商品名“NEOFLON Dispersion”(基于FEP/基于PFA)从大金北美有限责任公司(Daikin North America LLC)获得。示例性炭黑粉末的来源包括乙炔黑，可从包括马萨诸塞州沃德山的阿法埃莎公司(Alfa Aesar,Ward Hill,MA)的制造商获得，或油料炉炭黑，该油料炉炭黑可以商品名“VULCAN XC-72”从马萨诸塞州波士顿的卡博特公司(Cabot Corporation,Boston,MA)获得。
示例性膜包括聚合物电解质膜。示例性聚合物电解质膜包括包含键合到共同主链的阴离子官能团的那些，这些阴离子官能团通常为磺酸基团，但是也可包括羧酸基团、酰亚胺基团、酰胺基团或其它酸性官能团。用于制备本文所述的膜电极组件的聚合物电解质通常为高度氟化的，并且更通常地为全氟化的。用于制备本文所述的膜电极组件的聚合物电解质通常为四氟乙烯和至少氟化的酸官能共聚单体的共聚物。示例性聚合物电解质包括以商品名“NAFION”来自特拉华州威尔明顿的E.I.杜邦公司和以商标名“FLEMION”来自日本的朝日玻璃有限公司(Asahi Glass Co.Ltd.,Tokyo,Japan)的那些。聚合物电解质可为四氟乙烯(TFE)和FSO2CF2CF2CF2CF2-O-CF＝CF2的共聚物，如例如在美国专利6,624,328(格拉(Guerra))和7,348,088(费梅耶(Freemeyer)等人)中所描述，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文。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或更小的当量(EW)。
析氧反应电催化剂参与电化学析氧反应。催化剂材料改变并且增大化学反应的速率而不在过程中被消耗。电催化剂为在电极表面处起作用的催化剂的特定形式，或者可为电极表面本身。电催化剂可为非均相的，诸如铱表面、涂层或纳米颗粒，或者为均相的，如溶解的配位络合物。电催化剂有助于在电极和反应物之间转移电子，和/或促进由总体半反应所描述的中间化学转化。
一般来讲，析氧反应催化剂可通过本领域中已知的技术来沉积。示例性沉积技术包括独立地选自由以下组成的组的那些：溅射(包括反应性溅射)、原子层沉积、分子有机化学气相沉积、分子束外延、热物理气相沉积、电喷射离子化真空沉积以及脉冲激光沉积。另外的一般细节可见于例如美国专利5,879,827(Debe等人)、6,040,077(Debe等人)和7,419,741(Vernstrom等人)，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文。热物理气相沉积方法使用合适的高温(例如，通过电阻加热、电子束枪或激光)将靶(源材料)熔化或升华为气态，其进而穿过真空空间，然后气化形式冷凝到基底表面。热物理气相沉积设备为本领域中已知的，包括可例如作为金属蒸发器或作为有机分子蒸发器分别以商品名“METALEVAPORATOR”(ME-系列)或“Organic Molecular Evaporator(DE-系列)”从德国德累斯顿的CreaPhys有限责任公司(CreaPhys GmbH,Dresden,Germany)获得；有机材料蒸发器的另一个示例可以商品名“ORGANIC MATERIALS EVAPORATIOR(ORMA-系列)”从英国牛津郡Mantis沉积有限公司(Mantis Deposition LTD,Oxfordshire,UK)获得。包含多个交替层的催化剂可例如从多个靶溅射出(例如，从第一靶溅射Ir，从第二靶溅射Pd，从第三靶(如果存在的话)溅射Ru等)，或者从包含多于一种元素的靶溅射。如果催化剂涂覆使用单个靶完成，则可能希望涂层在单个步骤中施加到GDL上，使得在适用的情况下，催化剂涂层的冷凝热充分加热Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru等原子和基底表面，从而提供足够的表面移动性使得原子良好地混合并形成热力学稳定的合金畴。另选地，例如，还可提供热的或加热的基底以促进该原子移动性。在一些实施方案中，溅射在包含至少氩气和氧气的混合物的气氛中至少部分地进行，并且其中进入到溅射室中的氩气与氧气的流速比为至少113sccm/7sccm(标准立方厘米/分钟)。有机金属形式的催化剂可例如通过质量选择离子的软着陆或反应着陆来沉积。质量选择离子的软着陆用于将催化活性金属络合物连同有机配体从气相转移到惰性表面上。该方法可用于制备具有限定活性部位的材料，从而在环境或传统真空条件下针对表面实现高度受控的分子设计。对于另外的细节参见例如Johnson等人，《分析化学》(Anal.Chem.)2010，82，5718-5727，和Johnson等人，化学：《欧洲杂志》(Chemistry:AEuropean Journal)2010，16，14433-14438，这些文献的公开内容以引用的方式并入本文。
包含在阳极催化剂层中的示例性催化剂包括以下中的至少一种：
(a)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物、水合氧化物或氢氧化物；
(e)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(l)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物
(其中，应理解，氧化物、有机金属络合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、硼氧化物、碳氧化物、氟氧化物以及氮氧化物为与Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru一起存在的那些)。
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化合价可为例如2-8。具体的示例性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或铱酸盐Ir-Ru烧绿石氧化物(例如，NaxCeyIrzRuzzO7)；Ru氧化物包括Rux1Oy1，其中化合价可为例如2-8。具体的示例性Ru氧化物包括Ru2O3、RuO2和RuO3或钌酸盐Ir-Ru烧绿石氧化物(例如，NaxCeyRuzIrzzO7)。示例性Pd氧化物包括PdxOy形式，其中Pd化合价可为例如1、2和4。具体的示例性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以及Au2O3、Au2O和AuxOy。示例性有机金属络合物包含Au、Co、Fe、Ni、Ir、Pd、Rh、Os、Pd或Ru中的至少一种，其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh或Ru通过杂原子或非碳原子(例如氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体形成配位键。具有有机配体的示例性Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru络合物也可通过π键形成。具有氧杂原子的有机配体包含官能团诸如羟基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、环状酸酐以及环氧化物。具有氮杂原子的有机配体包含官能团诸如胺、酰胺、酰亚胺、亚胺、叠氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、异氰酸酯、氨基甲酸酯、氨基磺酸脲、硫酰胺、氨基酸以及N-杂环卡宾(N-heterocyclic carbine)。具有硫杂原子的有机配体(所谓的硫代配体)包含官能团诸如硫醇、硫酮(硫酮基或硫代羰基)、硫醛、噻吩、二硫化物、聚硫化物、硫酰亚胺、亚砜亚胺以及砜二亚胺。具有磷杂原子的有机配体包含官能团诸如磷化氢、磷烷、磷胺以及亚磷烯。示例性有机金属络合物还包括单金属络合物和杂双金属络合物，其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru参与具有单官能有机配体或杂官能有机配体的配位键。通过π配位键形成的Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru有机金属络合物包含富碳π-共轭有机配体(例如，芳烃、烯丙基、二烯、碳烯以及炔基)。Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru有机金属络合物的示例还已知为螯合物、镊分子、笼、分子盒、流变分子、大环、棱柱、半夹心以及金属有机框架(MOF)。包含Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru中的至少一种的示例性有机金属化合物包括其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru通过共价键、离子键或混合共价-离子型金属-碳键结合到有机物的化合物。示例性有机金属化合物还可包括Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru与碳原子的共价键以及通过杂原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体的配位键中的至少两种的组合。稳定的金属-有机络合物的式通常可根据18电子规则来预测。该规则基于以下事实：过渡金属的价层由九个价轨道组成，这些价轨道总共可容纳18个电子作为成键的或非成键的电子对。这九个原子轨道与配体轨道的组合创建了金属-配体成键的或非成键的九个分子轨道。该规则通常不适用于非过渡金属的络合物。该规则有用地预测了Cr、Mn、Fe和Co三价原子的低自旋络合物的式。熟知的示例包括二茂铁、五羰基铁、羰基铬以及羰基镍。络合物中的配体决定18电子规则的适用性。一般来讲，遵循该规则的络合物至少部分地由“π-受体配体”(还已知为π-酸)构成。这种配体发出非常强的配体场，该配体场使所得的分子轨道的能量降低并且因此被有利地占据。典型的配体包括烯烃、膦以及CO。π-酸的络合物的特征通常为低氧化态的金属。配体的氧化态和性质之间的关系在反馈π键的框架内被合理化。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以及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以及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以及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以及YRh3B。示例性碳氧化物包括AuxOyCz、NixOyCz、FexOyCz、CoxOyCz、IrxOyCz、RuxOyCz、RhxOyCz、PtxOyCz、PdxOyCz以及OsxOyCz。示例性氟氧化物包括AuxOyFz、NixOyFz、FexOyFz、CoxOyFz、IrxOyFz、RuxOyFz、RhxOyFz、PtxOyFz、PdxOyFz以及OsxOyFz。示例性氮氧化物包括AuxOyNz、NixOyNz、FexOyNz、CoxOyNz、IrxOyNz、RuxOyNz、RhxOyNz、PtxOyNz、PdxOyNz以及OsxOyNz。示例性硼氧化物包括AuxOyBz、NixOyBz、FexOyBz、CoxOyBz、IrxOyBz、RuxOyBz、RhxOyBz、PtxOyBz、PdxOyBz以及OsxOyBz。在本公开的范围内包括包含这些氧化物、有机金属络合物、碳化物、氟化物、氮化物、碳氧化物、氟氧化物、氮氧化物、硼氧化物、氮硼化物和/或碳硼化物的复合物。
包含在阴极催化剂层中的示例性催化剂包括以下中的至少一种：
(a”)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；或
(l”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物
(其中，应理解，氧化物、有机金属络合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、硼氧化物、碳氧化物、氟氧化物以及氮氧化物为与Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru一起存在的那些)。
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化合价可为例如2-8。具体的示例性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或铱酸盐Ir-Ru烧绿石氧化物(例如，NaxCeyIrzRuzzO7)；Ru氧化物包括Rux1Oy1，其中化合价可为例如2-8。具体的示例性Ru氧化物包括Ru2O3、RuO2和RuO3或钌酸盐Ru-Ir烧绿石氧化物(例如，NaxCeyRuzIrzzO7)。示例性Pd氧化物包括PdxOy形式，其中Pd化合价可为例如1、2和4。具体的示例性Pd氧化物包括PdO、PdO2、Os氧化物OsO2和OsO4、RhO、RhO2、Rh2O3、Au2O3、Au2O以及AuxOy。示例性有机金属络合物包含Au、Co、Fe、Ni、Ir、Mn、Pd、Pt、Rh、Os或Ru中的至少一种，其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru通过杂原子或非碳原子(例如氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体形成配位键。具有有机配体的示例性Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru络合物也可通过π键形成。具有氧杂原子的有机配体包含官能团诸如羟基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、环状酸酐以及环氧化物。具有氮杂原子的有机配体包含官能团诸如胺、酰胺、酰亚胺、亚胺、叠氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、异氰酸酯、氨基甲酸酯、尿素、氨基磺酸酯、磺酰胺、氨基酸以及N-杂环卡宾。具有硫杂原子的有机配体(所谓的硫代配体)包含官能团(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、硫酰亚胺、亚砜亚胺以及砜二亚胺)。具有磷杂原子的有机配体包含官能团(例如，磷化氢、磷烷、磷胺以及亚磷烯)。示例性有机金属络合物还包括单金属络合物和杂双金属络合物，其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru参与具有单官能有机配体或杂官能有机配体的配位键。通过π配位键形成的Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru有机金属络合物包含富碳π-共轭有机配体(例如，芳烃、烯丙基、二烯、碳烯以及炔基)。Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru有机金属络合物的示例还已知为螯合物、镊分子、笼、分子盒、流变分子、大环、棱柱、半夹心以及金属有机框架(MOF)。包含Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru中的至少一种的示例性有机金属化合物包括其中Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru通过共价键、离子键或混合共价-离子型金属-碳键结合到有机物的化合物。示例性有机金属化合物还可包括Au、Co、Fe、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh、Os或Ru与碳原子的共价键以及通过杂原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体的配位键中的至少两种的组合。稳定的金属-有机络合物的式通常可根据18电子规则来预测。该规则基于以下事实：过渡金属的价层由九个价轨道组成，这些价轨道总共可容纳18个电子作为成键的或非成键的电子对。这九个原子轨道与配体轨道的组合创建了金属-配体成键的或非成键的九个分子轨道。该规则通常不适用于非过渡金属的络合物。该规则有用地预测了Cr、Mn、Fe和Co三价原子的低自旋络合物的式。熟知的示例包括二茂铁、五羰基铁、羰基铬以及羰基镍。络合物中的配体决定18电子规则的适用性。一般来讲，遵循该规则的络合物至少部分地由π-受体配体(还已知为π-酸)构成。这种配体发出非常强的配体场，该配体场使所得的分子轨道的能量降低并且因此被有利地占据。典型的配体包括烯烃、膦以及CO。π-酸的络合物的特征通常为低氧化态的金属。配体的氧化态和性质之间的关系在反馈π键的框架内被合理化。示例性碳化物包括Au2C2或其它元素碳化物(例如，Ni2C、Ni3C、NiC、Fe2C、Fe3C、FexCy、CoC、Co2C、Co3C、IrC、IrC2、IrC4、Ir4C5、IrxCy、Ru2C、RuC、RhC、PtC、OsC、OsC3以及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以及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以及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以及它们的硼氧化物、硼氮化物和硼碳化物。示例性碳氧化物包括AuxOyCz、NixOyCz、FexOyCz、CoxOyCz、IrxOyCz、RuxOyCz、RhxOyCz、PtxOyCz、PdxOyCz以及OsxOyCz。示例性氟氧化物包括AuxOyFz、NixOyFz、FexOyFz、CoxOyFz、IrxOyFz、RuxOyFz、RhxOyFz、PtxOyFz、PdxOyFz以及OsxOyFz。示例性氮氧化物包括AuxOyNz、NixOyNz、FexOyNz、CoxOyNz、IrxOyNz、RuxOyNz、RhxOyNz、PtxOyNz、PdxOyNz以及OsxOyNz。包括包含这些氧化物、有机金属络合物、碳化物、氟化物、氮化物、硼化物、碳氧化物、氟氧化物、氮氧化物和/或硼氧化物的复合物在本公开的范围内。
在一些实施方案中，阳极或阴极催化剂层包含在其上具有催化剂的纳米结构化晶须。纳米结构化晶须可通过本领域中已知的技术提供，这些技术包括美国专利4,812,352(黛比)、5,039,561(黛比)、5,338,430(帕松勒吉(Parsonage)等人)、6,136,412(斯派沃克(Spiewak)等人)和7,419,741(韦恩斯特伦等人)中所描述的那些，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文。一般来讲，纳米结构化晶须可例如通过以下方式来提供：将有机材料或无机材料的层真空沉积(例如，通过升华)到基底上(例如，微结构化催化剂转移聚合物片材)，然后在苝红沉积的情况下，通过热退火将苝红颜料转换为纳米结构化晶须。通常，真空沉积步骤在等于或低于约10-3托或0.1帕斯卡的总压力下进行。示例性微结构通过有机颜料颜料红149(即，N,N'-二(3,5-二甲苯基)苝-3,4:9,10-双(二甲酰亚胺))的热升华和真空退火来制备。用于制备有机纳米结构化层的方法公开于，例如《材料科学与工程》(Materials Science and Engineering)，A158(1992)，第1-6页；《真空科学与技术》(J.Vac.Sci.Technol.)A,5(4)，1987年7月/8月，第1914-1916页；《真空科学与技术》A,6,(3)，1988年5月/8月，第1907-1911页；《薄固体膜》(Thin Solid Films)，186，1990，第327-347页；《材料科学杂志》(J.Mat.Sci.)，25，1990，第5257-5268页；《快速淬火金属》(RapidlyQuenched Metals)，德国乌兹堡第五届快速淬火金属国际会议记录(Proc.of the FifthInt.Conf.on Rapidly Quenched Metals,Wurzburg,Germany)(1984年9月3日-7日)，斯蒂波S(S.Steeb)等人编辑，纽约的爱尔泽科学出版社公司(Elsevier Science PublishersB.V.,New York)，(1985)，第1117-1124页；《摄影科学与工程》(Photo.Sci.and Eng.)，24，(4)，1980年7月/8月，第211-216页；以及美国专利4,340,276(马夫特(Maffitt)等人)和4,568,598(比尔卡迪(Bilkadi)等人)中，这些文献的公开内容以引用的方式并入本文。使用碳纳米管阵列的催化剂层的特性公开于文章“有序碳纳米管阵列上的铂的高色散以及电催化特性(High Dispersion and Electrocatalytic Properties of Platinum on Well-Aligned Carbon Nanotube Arrays)”碳42(2004)191-197中。使用草硅或毛硅的催化剂层的特性公开于，例如美国专利申请公开2004/0048466A1(Gore等人)中。
真空沉积可在任何合适的设备中进行(参见例如，美国专利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)，以及美国专利申请公开2002/0004453 A1(Haugen等人)，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文)。一种示例性设备示意性地示出于美国专利5,338,430(Parsonage等人)的图4A中，并在所附文本中讨论，其中基底安装在转筒上，然后该转筒在升华或蒸发源上旋转以用于对有机前体(例如，苝红颜料)进行沉积，然后对有机前体进行退火，以便形成纳米结构化晶须。
通常，所沉积的苝红颜料的标称厚度在约50nm至500nm的范围内。通常，晶须具有在20nm至60nm的范围内的平均横截面尺寸和在0.3微米至3微米的范围内的平均长度。
在一些实施方案中，晶须附接到背衬。示例性背衬包含聚酰亚胺、尼龙、金属箔，或能够承受至多达300℃的热退火温度的其它材料。在一些实施方案中，背衬具有在25微米至125微米的范围内的平均厚度。
在一些实施方案中，背衬在其表面的至少一个上具有微结构。在一些实施方案中，微结构由形状和大小基本一致的特征结构构成，这些特征结构为纳米结构化晶须的平均大小的至少三倍(在一些实施方案中，至少四倍、五倍、十倍或更多)。微结构的形状可为例如V型沟槽和峰(参见，例如美国专利6,136,412(斯派沃克等人)，该专利的公开内容以引用的方式并入本文)或锥体(参见，例如美国专利7,901,829(黛比等人)，该专利的公开内容以引用的方式并入本文)。在一些实施方案中，微结构特征的一些部分以周期方式在平均或多数微结构化峰上延伸，诸如每第31个V沟槽峰比其两侧的那些V沟槽峰高25％或50％或甚至100％。在一些实施方案中，在多数微结构化峰上延伸的这部分特征结构可为至多达10％(在一些实施方案中，至多达3％、2％或甚至至多达1％)。在辊到辊涂覆操作中，当涂覆基底在辊的表面上移动时，使用偶尔较高的微结构特征可促进保护一致较小的微结构峰。偶尔较高的特征接触辊的表面，而不接触较小微结构的峰，所以随着基底在整个涂覆过程中移动，少得多的纳米结构化材料或晶须材料可能被刮擦或受到其它方式的破坏。在一些实施方案中，微结构特征大致小于膜厚度的一半，在制备膜电极组件中，催化剂将被转移到该膜。这使得在催化剂转移过程期间，较高的微结构特征不渗透穿过膜，其中这些较高的微结构特征可能在膜的相反侧上叠置电极。在一些实施方案中，最高的微结构特征小于膜厚度的1/3或1/4。针对最薄的离子交换膜(例如，厚度约10微米至15微米)，可能有利的是具有微结构化特征不大于约3微米至4.5微米高的基底。在一些实施方案中，可能希望V型或其它微结构化特征的侧面的陡度或相邻的特征之间包括的角度为大约90o，从而便于层合转移过程期间的催化剂转移，并且相对于基底背衬的平面几何表面增加电极的表面积，这来自二的平方根(1.414)倍的微结构化层的表面积。
在一些实施方案中，阳极催化剂层包含载体材料，这些载体材料包括以下中的至少一种：
(a’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮氧化物；
(l’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物
(其中，应理解，氧化物、有机金属络合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、硼氧化物、碳氧化物、氟氧化物以及氮氧化物为与Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr一起存在的那些)。
示例性氧化物包括HfO、Hf2O3、HfO2、TaO、Ta2O5、SnO、SnO2、TiO、Ti2O3、TiO2、TixOy、ZrO、Zr2O3、ZrO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、W2O3、WO3、ReO2、ReO3、Re2O3、Re2O7、NbO、NbO2、Nb2O5、Al2O3、AlO、Al2O、SiO以及SiO2。示例性有机金属络合物包含Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种，其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr通过杂原子或非碳原子(例如氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体形成配位键。具有有机配体的示例性Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr络合物也可通过π键形成。具有氧杂原子的有机配体包含官能团诸如羟基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、环状酸酐以及环氧化物。具有氮杂原子的有机配体包含官能团诸如胺、酰胺、酰亚胺、亚胺、叠氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、异氰酸酯、氨基甲酸酯、尿素、氨基磺酸酯、磺酰胺、氨基酸以及N-杂环卡宾。具有硫杂原子的有机配体(所谓的硫代配体)包含官能团(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、硫酰亚胺、亚砜亚胺以及砜二亚胺)。具有磷杂原子的有机配体包含官能团(例如，磷化氢、磷烷、磷胺以及亚磷烯)。示例性有机金属络合物还包括单金属络合物和杂双金属络合物，其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr参与具有单官能有机配体或杂官能有机配体的配位键。通过π配位键形成的Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr有机金属络合物包含富碳π-共轭有机配体(例如，芳烃、烯丙基、二烯、碳烯以及炔基)。Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr有机金属络合物的示例还已知为螯合物、镊分子、笼、分子盒、流变分子、大环、棱柱、半夹心以及金属有机框架(MOF)。包含Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的示例性有机金属化合物包括其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr通过共价键、离子键或混合共价-离子型金属-碳键结合到有机物的化合物。示例性有机金属化合物还可包括Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr与碳原子的共价键以及通过杂原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体的配位键中的至少两种的组合。稳定的金属-有机络合物的式通常可根据18电子规则来预测。该规则基于以下事实：过渡金属的价层由九个价轨道组成，这些价轨道总共可容纳18个电子作为成键的或非成键的电子对。这九个原子轨道与配体轨道的组合创建了金属-配体成键的或非成键的九个分子轨道。该规则通常不适用于非过渡金属的络合物。络合物中的配体决定18电子规则的适用性。一般来讲，遵循该规则的络合物至少部分地由π-受体配体(还已知为π-酸)构成。这种配体发出非常强的配体场，该配体场使所得的分子轨道的能量降低并且因此被有利地占据。典型的配体包括烯烃、膦以及CO。π-酸的络合物的特征通常为低氧化态的金属。配体的氧化态和性质之间的关系在反馈π键的框架内被合理化。对于另外的细节参见例如，钛、锆和铪的有机金属化学，关于有机金属化学的书籍：一系列专论(Organometallic Chemistry of Titanium,Zirconium,and Hafnium,A volume in Organometallic Chemistry:A Series ofMonographs)，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 +簇以及三元Ti-Al-C和Ti-Sn-C碳化物相(例如，Ti3AlC、Ti3AlC2、Ti2AlC、Ti2SnC、Al4C3、SnC、Sn2C以及Al4C3)。示例性氟化物包括ZrF4、TiF4、TiF3、TaF5、NbF4、NbF5、WF6、AlF3、HfF4、CF、CFx、(CF)x、SnF2以及SnF4。示例性氮化物包括Hf3N4、HfN、Re2N、Re3N、ReN、Nb2N、NbN、Nb碳氮化物、TaN、Ta2N、Ta5N6、Ta3N5、W2N、WN、WN2、Zr3N4、ZrN、β-C3N4、石墨g-C3N4以及Si3N4。示例性碳氧化物包括AlxOyCz、HfxOyCz、ZrxOyCz、TixOyCz、TaxOyCz、RexOyCz、NbxOyCz、WxOyCz以及SnxOyCz。示例性氟氧化物包括AlxOyFz、HfxOyFz、ZrxOyFz、TixOyFz、TaxOyFz、RexOyFz、NbxOyFz、WxOyFz以及SnxOyFz。示例性氮氧化物包括AlxOyNz、HfxOyNz、ZrxOyNz、TixOyNz、TaxOyNz、RexOyNz、NbxOyNz、WxOyNz、CxOyNx以及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以及它们的硼氧化物、硼氮化物以及硼碳化物。包括包含这些氧化物、有机金属络合物、碳化物、氟化物、氮化物、碳氧化物、氟氧化物和/或氮氧化物的复合物在本公开的范围内。多组分催化剂的各种组分的组成和量可影响催化剂的性能和在其中使用催化剂的装置的总体性能(例如，观察到Pt阳极催化剂中的过多Ti降低总体电池性能)。
在适用的情况下，催化剂和催化剂载体材料可通过本领域中已知的技术来沉积。示例性沉积技术包括独立地选自由以下组成的组的那些：溅射(包括反应性溅射)、原子层沉积、分子有机化学气相沉积、金属有机化学气相沉积、分子束外延、热物理气相沉积、电喷射离子化真空沉积以及脉冲激光沉积。热物理气相沉积方法使用合适的期望温度(例如，通过电阻加热、电子束枪或激光)来将靶(源材料)熔化或升华为气态，其进而穿过真空空间，然后将气化形式冷凝到基底表面。热物理气相沉积设备为在本领域中已知的，包括可例如作为金属蒸发器以商品名“METAL Evaporator”(ME-系列)从CreaPhys有限责任公司获得，或者作为有机材料蒸发器可以商品名“ORGANIC MATERIALS EVAPORATIOR(ORMA-系列)”从英国牛津郡Mantis沉积有限公司获得。包含多个交替层的催化剂可例如从多个靶溅射出(例如，从第一靶溅射Nb，从第二靶溅射Zr，从第三靶(如果存在的话)溅射Hf等)，或者从包含多于一种元素的靶溅射。如果催化剂涂覆使用单个靶完成，则可能希望涂层在单个步骤中施加到GDL上，使得在适用的情况下，催化剂涂层的冷凝热充分加热Al、碳、Hf、Ta、Si、Sn、Ti、Zr或W等原子和基底表面，从而提供足够的表面移动性使得原子良好地混合并形成热力学稳定的合金畴。另选地，例如，还可提供热的或加热的基底以促进该原子移动性。在一些实施方案中，溅射在包含至少氩气和氧气的混合物的气氛中至少部分地进行，并且其中进入溅射室的氩气与氧气的流速比为至少113sccm/7sccm。在适用的情况下，有机金属形式的催化剂和催化剂载体材料可例如通过质量选择离子的软着陆或反应着陆来沉积。质量选择离子的软着陆用于将催化活性金属络合物连同有机配体从气相转移到惰性表面上。该方法可用于制备具有限定活性部位的材料，从而在环境或传统真空条件下针对表面实现高度受控的分子设计。对于另外的细节参见例如Johnson等人，《分析化学》(Anal.Chem.)2010，82，5718-5727，和Johnson等人，化学：《欧洲杂志》(Chemistry:A European Journal)2010，16，14433-14438，这些文献的公开内容以引用的方式并入本文。
在一些实施方案中，阴极催化剂层包含载体材料，这些载体材料包括以下中的至少一种：
(a”’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮氧化物；
(l”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物
(其中，应理解，氧化物、有机金属络合物、硼化物、碳化物、氟化物、氮化物、碳氧化物、氟氧化物、硼氧化物以及氮氧化物为与a”’一起存在的那些)。
示例性氧化物包括HfO、Hf2O3、HfO2、TaO、Ta2O5、SnO、SnO2、TiO、Ti2O3、TiO2、TixOy、ZrO、Zr2O3、ZrO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、W2O3、WO3、ReO2、ReO3、Re2O3、Re2O7、NbO、NbO2、Nb2O5、Al2O3、AlO、Al2O、SiO以及SiO2。示例性有机金属络合物包含Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种，其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr通过杂原子或非碳原子(例如氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体形成配位键。具有有机配体的示例性Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr络合物也可通过π键形成。具有氧杂原子的有机配体包含官能团诸如羟基、醚、羰基、酯、羧基、醛、酸酐、环状酸酐以及环氧化物。具有氮杂原子的有机配体包含官能团诸如胺、酰胺、酰亚胺、亚胺、叠氮化物、吖嗪、吡咯、吡啶、卟啉、异氰酸酯、氨基甲酸酯、尿素、氨基磺酸酯、磺酰胺、氨基酸以及N-杂环卡宾。具有硫杂原子的有机配体(所谓的硫代配体)包含官能团(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、硫酰亚胺、亚砜亚胺以及砜二亚胺)。具有磷杂原子的有机配体包含官能团(例如，磷化氢、磷烷、磷胺以及亚磷烯)。示例性有机金属络合物还包括单金属络合物和杂双金属络合物，其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr参与具有单官能有机配体或杂官能有机配体的配位键。通过π配位键形成的Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr有机金属络合物包含富碳π-共轭有机配体(例如，芳烃、烯丙基、二烯、碳烯以及炔基)。Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr有机金属络合物的示例还已知为螯合物、镊分子、笼、分子盒、流变分子、大环、棱柱、半夹心以及金属有机框架(MOF)。包含Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的示例性有机金属化合物包括其中Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr通过共价键、离子键或混合共价-离子型金属-碳键结合到有机物的化合物。示例性有机金属化合物还可包括Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr与碳原子的共价键以及通过杂原子(例如，氧、氮、硫族元素(例如硫和硒)、磷或卤化物)与有机配体的配位键中的至少两种的组合。稳定的金属-有机络合物的式通常可根据18电子规则来预测。该规则基于以下事实：过渡金属的价层由九个价轨道组成，这些价轨道总共可容纳18个电子作为成键的或非成键的电子对。这九个原子轨道与配体轨道的组合创建了金属-配体成键的或非成键的九个分子轨道。该规则通常不适用于非过渡金属的络合物。络合物中的配体决定18电子规则的适用性。一般来讲，遵循该规则的络合物至少部分地由π-受体配体(还已知为π-酸)构成。这种配体发出非常强的配体场，该配体场使所得的分子轨道的能量降低并且因此被有利地占据。典型的配体包括烯烃、膦以及CO。π-酸的络合物的特征通常为低氧化态的金属。配体的氧化态和性质之间的关系在反馈π键的框架内被合理化。对于另外的细节参见例如，钛、锆和铪的有机金属化学，关于有机金属化学的书籍：一系列专论(Organometallic Chemistry of Titanium,Zirconium,and Hafnium,A volume in Organometallic Chemistry:A Series ofMonographs)，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以及Al4C3)。示例性氟化物包括ZrF4、TiF4、TiF3、TaF5、NbF4、NbF5、WF6、AlF3、HfF4、CF、CFx、(CF)x、SnF2以及SnF4。示例性氮化物包括Hf3N4、HfN、Re2N、Re3N、ReN、Nb2N、NbN、Nb碳氮化物、TaN、Ta2N、Ta5N6、Ta3N5、W2N、WN、WN2、β-C3N4、石墨g-C3N4、Zr3N4以及ZrN。示例性碳氧化物包括AlxOyCz、HfxOyCz、ZrxOyCz、TixOyCz、TaxOyCz、RexOyCz、NbxOyCz、WxOyCz以及SnxOyCz。示例性氟氧化物包括AlxOyFz、HfxOyFz、ZrxOyFz、TixOyFz、TaxOyFz、RexOyFz、NbxOyFz、WxOyFz以及SnxOyFz。示例性氮氧化物包括AlxOyNz、HfxOyNz、ZrxOyNz、TixOyNz、TaxOyNz、RexOyNz、NbxOyNz、WxOyNz以及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以及它们的硼氮化物和硼碳化物。包括包含这些氧化物、有机金属络合物、碳化物、氟化物、氮化物、碳氧化物、氟氧化物和/或氮氧化物的复合物在本公开的范围内。
将催化剂和催化剂载体层提供或并入到GDL中的方法还可基于液相。合适的涂覆方法包括悬浮的、电泳的或电化学的沉积和浸染。例如，当气体分散层可从浆液施加到气体分配层上时，除碳颗粒和含氟聚合物粘结剂之外浆液还可含有催化剂颗粒。对于另外的细节参见例如，由Valérie Meille复审，应用催化A：总则(Applied Catalysis A:General)，315，2006，1-17，该文献的公开内容以引用的方式并入本文。
本领域技术人员应该理解本文描述的催化剂的结晶和形态结构(包括合金的存在、不存在或大小；一种或多种结构类型的非晶态区域、结晶区域等)可以高度依赖于工艺和制造条件，尤其当三种或更多种元素组合时。
在一些实施方案中，第一催化剂层直接沉积在纳米结构化晶须上。在一些实施方案中，第一层至少以共价键或离子键中的至少一种形式结合到纳米结构化晶须上。在一些实施方案中，第一层被吸附到纳米结构化晶须上。第一层可形成为例如一致的共形涂层或分散的离散型纳米颗粒。分散的离散型定制的纳米颗粒可通过例如利用调节氦载气压力或自组织的簇束沉积方法来形成。对于另外的细节参见例如，Wan等人，固态通讯(SolidState Communications)，121，2002，251-256，或者Bruno Chaudret，顶级有机金属化学(Top Organomet Chem)，2005，16，233-259，这些文献的公开内容以引用的方式并入本文。
在一些实施方案中，存在以下条件中的至少一种：
(a)包含析氧反应催化剂的层中的至少一个具有不大于1:1(在一些实施方案中，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0:1)的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率(即，Pt原子数与Ru原子数的比率，如果RuO2为析氧反应催化剂的话)；或
(b)设置在第一气体分配层、第二气体分配层、任选的第一气体分散层或任选的第二气体分散层中的至少一个上的包含析氧反应催化剂的层的中的至少一个具有不大于1:1(在一些实施方案中，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0:1)的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率。
本公开的膜电极组件具有以下中的至少一种(即，以下的任一个以及任何组合，其中应理解，如果存在任选的层，意图参考第一气体分散层和第二气体分散层)：
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分)的层，该层设置在(例如，附接到)第一气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的第一气体分配层；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第一气体分配层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在第一气体分配层和第一气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第一气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的第一气体分散层；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第一气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第二气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的第二气体分散层；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第二气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在第二气体分配层和第二气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第二气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的第二气体分配层；以及
包含析氧反应催化剂(例如，存在至少一部分，这包括分配在整个层上)的层，该层设置在(例如，附接到)第二气体分配层的第二主表面上，
其中，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，存在的部分的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米。
在一些实施方案中，至少第一气体分配层和/或第二气体分配层(如果存在的话)基本上不含Pt(即，小于0.1微克/平方厘米Pt)。
已意外地发现，通过将氢气PEM燃料电池的析氧反应(OER)催化剂(例如，Ru、Ir、RuIr或它们的氧化物)与阳极侧上的基于Pt的氢氧化反应(HOR)催化剂或阴极侧上的基于Pt的氧还原反应(ORR)催化剂总体上物理地隔开，可实现针对气体切换事件诸如启动/关闭或电池反极(由于局部燃料不足)的催化剂耐久性的极大改进。本文所述的膜电极组件(MEA)的另外的优点为析氧反应催化剂可独立于施加到聚合物电解质膜的阳极催化剂层和阴极催化剂层的选择而变化。因此，OER催化剂可与具有各种HOR和ORR催化剂层的催化剂涂覆膜一起使用，这些催化剂层诸如承载在碳上的Pt或在纳米结构化薄膜载体上的Pt。可调整OER催化剂负载、处理和性能增强的添加剂来满足特定客户对于其具体的阳极、阴极、保持要求等的需求。该方法还允许各种催化剂涂覆膜(CCM)和MEA构造，其中在气体分配层或气体分散层之上或之中的OER催化剂为一种组分，除此之外，还添加另一个催化剂层。
本文所述的膜电极组件可用于例如电化学装置(例如，为燃料电池)。
参考图2，燃料电池2000包括与阳极催化剂层2300相邻的第一气体扩散层(GDL)2103。第一GDL 2103至少包括图1的第一气体分配层100，并且任选地还包括图1的元件101、102、200、201、202、1100、1150、1200、1250或1300中的至少一个。在与GDL 2103相反侧上的也与阳极催化剂层2300相邻的是电解质膜2400。阴极催化剂层2500与电解质膜2400相邻，并且第二气体扩散层2703与阴极催化剂层2500相邻。第二GDL 2703包括图1的至少第二气体分配层700，并且任选地还包括图1的元件600、601、602、701、702、1400、1500、1550、1600或1700中的至少一个。GDL 2103和2703可被称为扩散集流体(DCC)或流体输送层(FTL)。在操作中，氢燃料被引入到燃料电池2000的阳极部分中，从而穿过第一气体扩散层2103并且位于阳极催化剂层2300之上。在阳极催化剂层2300处，氢燃料被分成氢离子(H+)和电子(e-)。
电解质膜2400仅允许氢离子或质子穿过电解质膜2400到达燃料电池2000的阴极部分。电子不能穿过电解质膜2400，而是以电流的形式流过外部电路。该电流可为例如电负载2800(诸如电动马达)供电，或者被导入到能量存储装置(诸如可再充电电池)。
氧气通过第二气体扩散层2703流入燃料电池2000的阴极侧。当氧气在阴极催化剂层2500上穿过时，氧气、质子和电子结合以产生水和热。在一些实施方案中，在阳极催化剂层、阴极催化剂层或两者中的燃料电池催化剂不包含导电的基于碳的材料(即，催化剂层可包含例如苝红、含氟聚合物或聚烯烃)。
示例性实施方案
1.一种膜电极组件，依次包括：
第一气体分配层(例如，第一气体扩散层)；
任选地第一气体分散层(例如，第一微孔层)；
阳极催化剂层，该阳极催化剂层包含第一催化剂；
膜；
阴极催化剂层，该阴极催化剂层包含第二催化剂；
任选地第二气体分散层(例如，第二微孔层)；以及
第二气体分配层(例如，第二气体扩散层)，
其中第一气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面；
其中阳极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中第一气体分配层的第二主表面距离阳极催化剂层的第一主表面比距离第一阳极催化剂层的第二主表面更近；
其中膜具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中阳极催化剂层的第二主表面距离膜的第一主表面比距离膜的第二主表面更近；
其中阴极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中膜的第二主表面距离阴极催化剂层的第一主表面比距离阴极催化剂层的第二主表面更近；并且
其中第二气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中阴极催化剂层的第二主表面距离第二气体分配层的第一主表面比距离第二气体分配层的第二主表面更近，
其中存在以下中的至少一种(即，以下的任一个以及任何组合，其中应理解，如果存在任选的层，意图参考第一气体分散层和第二气体分散层)：
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第一气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分配层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第一气体分配层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在第一气体分配层和第一气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第一气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第一气体分散层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第一气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第二气体分散层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分散层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第二气体分散层的第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在第二气体分配层和第二气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第二气体分配层的第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的第二气体分配层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)；以及
包含析氧反应催化剂的层(例如，基于析氧反应催化剂的元素金属含量，至少一部分存在的量为至少0.5微克/平方厘米，在一些实施方案中，1微克/平方厘米、1.5微克/平方厘米、2微克/平方厘米、2.5微克/平方厘米、3微克/平方厘米或甚至至少5微克/平方厘米；在一些实施方案中，范围为0.5微克/平方厘米至100微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至75微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至50微克/平方厘米、0.5微克/平方厘米至25微克/平方厘米、1微克/平方厘米至100微克/平方厘米、1微克/平方厘米至75微克/平方厘米、1微克/平方厘米至50微克/平方厘米、1微克/平方厘米至25微克/平方厘米、2微克/平方厘米至100微克/平方厘米、2微克/平方厘米至75微克/平方厘米、2微克/平方厘米至50微克/平方厘米、2微克/平方厘米至30微克/平方厘米、2微克/平方厘米至25微克/平方厘米、或甚至2微克/平方厘米至20微克/平方厘米)，该层设置在(例如，附接到)第二气体分配层的第二主表面上。
2.根据示例性实施方案1所述的膜电极组件，其中阳极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物、水合氧化物或氢氧化物；
(e)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(l)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物。
3.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中阳极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮氧化物；
(l’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物。
4.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中阳极催化剂层包含在其上具有催化剂的纳米结构化晶须。
5.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中阴极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a”)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(l”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物。
6.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中阴极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a”’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮氧化物；
(l”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物。
7.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中阴极催化剂层包含在其上具有催化剂的纳米结构化晶须。
8.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中膜电极组件满足以下条件中的至少一种：
(a)包含析氧反应催化剂的层中的至少一个具有不大于1:1(在一些实施方案中，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0:1)的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率(即，Pt原子数与Ru原子数的比率，如果RuO2为析氧反应催化剂的话)；或
(b)设置在第一气体分配层、第二气体分配层、任选的第一气体分散层或任选的第二气体分散层中的至少一个上的包含析氧反应催化剂的层的中的至少一个具有不大于1:1(在一些实施方案中，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0:1)的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率。
9.根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件，其中第一气体分散层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中第一气体分配层的第二主表面距离第一气体分散层的第二主表面比距离第一气体分散层的第二主表面更近。
10.根据示例性实施方案9所述的膜电极组件，其中第一气体分配层基本上不含Pt(即，小于0.1微克/平方厘米Pt)。
11.根据前述示例性实施方案所述的膜电极组件，其中第二气体分散层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中阴极催化剂层的第二主表面距离第二气体分散层的第一主表面比距离第二气体分散层的第二主表面更近。
12.根据示例性实施方案11所述的膜电极组件，其中第二气体分配层基本上不含Pt(即，小于0.1微克/平方厘米)。
13.一种电化学装置，包括根据前述示例性实施方案中任一项所述的膜电极组件中的至少一种。
14.根据示例性实施方案13所述的电化学装置，该电化学装置为燃料电池。
以下实施例进一步说明了本发明的优点和实施方案，但是这些实施例中所提到的具体材料及其量以及其它条件和细节均不应被解释为是对本发明的不当限制。除非另外指明，否则所有份数和百分比均按重量计。
实施例
-膜电极组件(MEA)的制备
实施例和比较例的所有MEA使用具有825的标称当量重量的相同全氟化磺酸膜(可作为“825EW离聚物”从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,MN)获得)来制备。膜具有约24微米的厚度。阴极催化剂层通过使用本领域熟知的贴花方法由分散的Pt催化剂(在400微米/平方厘米负载的负载下)制备；参见例如，Gottesfeld和Zawodzinski，电化学科学和工程的进步(Advances in Electrochemical Science and Engineering)，第5卷，魏恩海姆：Wiley-VCH出版公司；1997年，或Wilson和Gottesfeld，《应用电化学杂志》(JAppl.Electrochem.)，1992，22:1-7，这些文献的公开内容以引用的方式并入本文。
通过使碳纸电极背衬层(从日本东京的三菱丽阳公司获得)的一侧涂覆有气体分散层/微孔层(MPL)来制备气体扩散层(GDL)。使用如在美国专利6,465,041(弗里斯克(Frisk)等人)中大致描述的涂覆/浸染方法来制备微孔层，该专利的公开内容以引用的方式并入本文。浸染方法包括以下步骤：使用超声波设备完全搅拌针对最终负载为1.5毫克/平方厘米的炭黑粉末(以商品名“VULCAN XC-72”从马萨诸塞州波士顿的卡博特公司获得)和10重量％的聚四氟乙烯乳液(以商品名“TEFLON”通过特拉华州威尔明顿的E.I.杜邦公司获得)所计算的醇悬浮液，然后浸染到碳纸中以形成微孔层的前体。首先在240℃下烘烤前体微孔层约30分钟，然后在350℃下烧结约40分钟以形成微孔层。
使用以下层合方法，在177℃(350℉)，在1.0MPa(150psig)下，在36.5厘米(1.2英尺)/分钟的进料速率的条件下，使用层合机(以商品名“CHEMINSTRUMENTS HL-101双热辊层合机”从俄亥俄州西切斯特的Cheminstruments公司(Cheminstruments Inc.,WestChester,OH)获得)来制备膜电极组件。在该方法中，层合机以按以下顺序布置的堆叠部分进料：纸片(以商品名“HAMMERMILL 122549”从田纳西州孟菲斯的国际纸业公司(International Paper,Memphis,TN)获得)，在与纸片相反的一侧上具有PEM的涂覆PEM的聚酰亚胺剥离衬垫(以商品名“KAPTON HN”从E.I.杜邦公司获得)，具有面对PEM的催化剂层的涂覆催化剂的聚酰亚胺剥离衬垫(“KAPTON HN”)，以及第二纸片(“HAMMERMILL122549”)。然后在层合之后立即将样品从两个衬垫剥离，从而留下一半催化剂涂覆膜(CCM)。CCM存储在塑料袋中的含氟聚合物片材(以商品名“TEFLON”从E.I.杜邦公司获得)中间，塑料袋存储在平坦表面上，以便防止碎片污染或戳破膜。在构造MEA之前，将CCM切割成4英寸×4英寸(10.16cm×10.16cm)样品，在50cm2中心有源区域的外侧添加安装孔以有助于装配。
使用具有以下次序的层的类似的5层膜电极组件构造来制备下述实施例和比较例中所述的阳极催化剂：气体扩散层，电极，聚合物电解质膜(PEM)，电极以及气体扩散层。涂覆在气体扩散层上的微孔层位于气体扩散层和电极之间，从而得到7层构造。对于比较例C，阳极电极具有两层，即纳米结构化薄膜析氧反应催化剂层和在碳层上的分散的Pt。
-MEA评价方法
将下述实施例和比较例安装在50cm2电池中，具有四重蛇形流场，在约10％的压缩下，并且按照脚本协议操作进行磨合和燃料电池性能测试。测试站可购自新墨西哥州阿尔伯克基的燃料电池技术公司(Fuel Cell Technology,Albuquerque,NM)。对于该测试方法，在调节期间析氧反应催化剂作为阴极操作，并且执行一系列约14个热循环(热循环细节可见于2010年DOE氢项目复审(DOE Hydrogen Program Review)，PEM燃料电池的先进阴极催化剂和载体(Advance Cathode Catalysts and Supports for PEM Fuel Cells)，Debe，2010年6月8日(参见http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review10/fc001_debe_2010_o_web.pdf，该文献的公开内容以引用的方式并入本文(上次查阅于2014年12月1日上午9:37(CST))))来磨合OER催化剂和MEA。然而，在实际电池操作(包括气体切换/负载循环测试)期间，OER催化剂作为阳极操作。电池具有75℃电池温度的设定点，在68℃的入口露点下的800sccm氢气的阳极流量，在68℃的入口露点下的1800sccm空气的阴极流量，其中出口侧在环境压力下。在热循环期间，通过在0.9-0.3伏之间进行三次动电位扫描来运行测试下的MEA。据发现，“热循环”有助于清除杂质，并且快速提升薄膜电极的性能。
然后评价阳极催化剂的OER效果耐久性。将OER效果耐久性表示为OER催化剂能够在给定电流下将电压保持在预定水平以下的时间。在70℃下湿润至全饱和度的氮气中评价OER效果耐久性。
通过使用两个不同的专用质量流量控制器将阳极(OER催化剂)上的反应物从氢气交替成空气(其中氧气为反应物)来实现气体切换，同时所有其它测试站参数均保持固定：电池温度68℃、阴极空气流量1800sccm空气、入口RH70％以及仪表出口压力138kPa。这与其中阳极反应物气体为氢气的正常燃料电池使用形成对比。启动/关闭(SU/SD)期间对阳极和/或阴极造成的损坏程度为一种阳极气体转换成另一种阳极气体的次数的函数。当阳极气体由氢气转变为空气(氧气)时，电池两端的电压从约0.9伏降到0伏。气体流量由保持20秒的280sccm转换为保持15秒的800sccm，然后再换回去。在该特定测试下，重复该顺序直到达到期望次数的气体切换事件，本文称为气体循环。在按评价方法测试的实施例中，气体切换次数为400。
比较例A
-纳米结构化晶须的制备
通过将一层苝红颜料(C.I.颜料红149，也称为“PR149”，从北卡罗来纳州夏洛特的科莱恩公司(Clariant,Charlotte,NC)获得)热退火来制备纳米结构化晶须，将该层苝红颜料升华真空涂覆到具有200nm的标称涂覆厚度的微结构化催化剂转移聚合物基底(MCTS)上，如在美国专利4,812,352(Debe)中所描述的，该专利的公开内容以引用的方式并入本文。对于这些实施例，使用90/3/3(角度/峰之间的距离(微米)/大部分峰的高度/长重复特征的高度(微米))和120/5/0。所有MCTS结构得到与Debe专利一致的二的平方根的表面积增加。在涂覆具有苝红的涂层之后，以在线方法将卷状物品进行真空退火，由此如在专利中所述形成晶须。
-纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层的制备
通过使用直流磁控溅射方法将Pt、Ru和Ir的催化剂膜按顺序溅射涂覆到纳米结构化晶须层上来制备纳米结构化薄膜(NSTF)催化剂层。每层的相对厚度根据需要改变。
使用真空溅射沉积系统(作为模型定制研究从马萨诸塞州洛厄尔的Mill Lane工程公司(Mill Lane Engineering Co.,Lowell,MA)获得)，配备有4个低温泵(从德克萨斯州奥斯丁的牛津仪器基团的奥斯汀科学公司(AustinScientific,Oxford Instruments,Austin,TX)获得)，典型Ar溅射气压为约0.66Pa的涡轮泵，以及5cm×25.4cm(2英寸×10英寸)的矩形溅射靶(从宾夕法尼亚州巴特勒的Sophisticated Alloys公司(SophisticatedAlloys,Inc.,Butler,PA)获得)。在沉积之前，将溅射室抽空至9.3×10-6Pa(7×10-7托)的基准压力。通过使用超高纯度的Ar作为溅射气体以及30-300瓦特的磁控功率范围来沉积涂层。使用高纯度(99.9+％)的Pr、Ir和Ru来溅射靶。沉积前对每种靶进行预溅射，以清洁表面。待溅射在其上的基底远离溅射靶定位。然后将每个靶点燃给定的持续时间，以消除当系统暴露于大气压以用于样品负载时可能在靶表面上形成的任何污染物。首先，将Pt层直接涂覆在纳米结构化晶须的顶部上以获得约20微克/平方厘米的Pt负载。然后，将Ir催化剂叠层溅射到Pt层上以获得15微克/平方厘米的Ir负载。
为了制备比较例A的膜电极组件(MEA)，使用NSTF催化剂作为阳极。使用上述MEA评价方法针对OER效果耐久性测试比较例A MEA。观察到在约5000秒之后，电池电压从约1.68伏的初始值上升到2.2伏。
比较例B
如针对比较例A所描述的来制备比较例B，除了NSTF催化剂具有20微克/平方厘米的Pt负载，接着16微克/平方厘米的Zr，然后在Zr的顶部上具有15微克/平方厘米的Ir负载的Ir层。使用上述MEA评价方法测试比较例B的OER效果耐久性。结果绘制在图3中。
比较例C
-25微克/平方厘米分散催化剂的制备
所使用的原材料为碳催化剂粉末(可以商品名“SA50BK”从日本东京的N.E.CHEMCAT公司(N.E.CHEMCAT,Tokyo,Japan)获得)上的50重量％Pt、60/40正丙醇/水中的在20％固体下的825当量重量全氟磺酸离聚物(以商品名“3M825”从明尼苏达州圣保罗的3M公司获得)加上另外的正丙醇(nPa)和水，以便形成具有12重量％的总体固体含量的油墨。在聚乙烯瓶中将原材料混合在一起以形成油墨。对于100-200克的油墨使用250克瓶。油墨混合物应含有5％和25％之间的固体以实现可涂覆粘度，其中固体重量％通过将nPa和水添加到油墨来定制。在1和4倍之间的油墨重量的重量比下添加由6毫米锆酸盐小珠(以商品名“ZIRBEADS”从俄亥俄州梭伦的Zircoa公司(Zircoa,Solon,OH)获得)组成的混合介质。然后将油墨在30和180之间的每分钟转数下辊压介于4和96小时之间的时间，以确保足够的混合并且实现油墨均匀度。然后使用36和72之间的数量的Mayer棒(从佛罗里达州奥尔兹马的工业技术公司(Industry Tech,Oldsmar,FL)获得)(3.6至7.2密耳，其中1密耳＝25.4微米)来将该油墨涂覆在剥离衬垫上。标准剥离衬垫为具有脱模特性的基底，使得油墨可易于涂覆在其上，然后在干燥之后，随后的涂覆材料可容易地通过包括层合到交替基底诸如膜的方法来移除。必须调整用于涂覆的Mayer棒数量以实现期望的催化剂负载(示例：400微米Pt/平方厘米)。然后将剥离衬垫+湿油墨涂层在75℃和150℃之间干燥介于3分钟和10分钟之间，以实现该工作中所描述的干燥电极组合物。
如针对比较例A所描述的来制备比较例C，除了NSTF催化剂具有16微克/平方厘米的Zr负载，然后15微克/平方厘米的Ir负载，接着在晶须的顶部上的具有25微克/平方厘米负载的Pt分散的催化剂的第二层合。第二层合通过在剥离前用衬垫上的层合的一半催化剂涂覆膜替换堆叠的“衬垫上的PEM”层而偏离膜电极组件(MEA)制备，并且将条件调整为在177℃(350℉)，在1.0MPa(100psig)下，在36.5厘米/分钟(1.2英尺/分钟)的进料速率下。
使用上述MEA评价方法测试比较例C的OER效果耐久性。结果绘制在图3中。
图3示出来自比较例A-C的MEA和在实施例1-6中列出的Ir沉积在GDL的微孔层上的MEA迭代的测试数据。将这些MEA并入到根据上述MEA评价方法在电池反极期间针对OER耐久性所测试的燃料电池中。图3的纵轴示出测试电池中各种MEA的作为时间函数的相对于标准氢电极的电池输出电压ESHE。在该测试中，希望尽可能长时间地将电池电压保持在1.7伏下。根据上述MEA制备程序来制备膜电极组件。在阳极侧和阴极侧上的碳纸气体扩散层包括面对相应的阳极和阴极催化剂层的含氟聚合物微孔层(气体扩散微层)。如下所述，将氢还原反应(HRR)催化剂Pt并入到聚合物电解质膜上的阳极催化剂层中。
在实施例1-6中，将析氧反应(OER)催化剂(在此为Ir)沉积在GDL的微孔层上以形成催化剂涂覆背衬(CCB)。在比较例中，将Ir OER催化剂直接并入到PEM上的阳极催化剂层中。在比较例B(CE-B)和比较例C(CE-C)以及实施例2(E2)、实施例3(E3)、实施例5(E5)和实施例6(E6)中，将Zr或Zr/Hf的层与Ir OER催化剂一起沉积。在比较例CE-B中，沉积在表面粗糙因子(表面积增强因子)为约10的纳米结构化晶须层上的具有250埃(25纳米)平面等值厚度的Zr层具有将晶须上的Pt与Ir在原子标度上物理地隔开(通常隔开5-10纳米的距离)的作用。如针对比较例A所描述的来制备实施例1-6，除了在下表中列出的名称和注释。
表
在不脱离本发明的范围和实质的情况下，本公开的可预知的变型和更改对本领域的技术人员来说将显而易见。本发明不应受限于本申请中为了示例性目的所示出的实施方案。

Claims (14)

1.一种膜电极组件，依次包括：
第一气体分配层；
任选地第一气体分散层；
阳极催化剂层，所述阳极催化剂层包含第一催化剂；
膜；
阴极催化剂层，所述阴极催化剂层包含第二催化剂；
任选地第二气体分散层；以及
第二气体分配层，
其中所述第一气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面；
其中所述阳极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述第一气体分配层的所述第二主表面距离所述阳极催化剂层的所述第一主表面比距离所述阳极催化剂层的所述第二主表面更近；
其中所述膜具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述阳极催化剂层的所述第二主表面距离所述膜的所述第一主表面比距离所述膜的所述第二主表面更近；
其中所述阴极催化剂层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述膜的所述第二主表面距离所述阴极催化剂层的所述第一主表面比距离所述阴极催化剂层的所述第二主表面更近；并且
其中所述第二气体分配层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述阴极催化剂层的所述第二主表面距离所述第二气体分配层的所述第一主表面比距离所述第二气体分配层的所述第二主表面更近，
其中存在以下中的至少一种：
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第一气体分配层的所述第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的所述第一气体分配层；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第一气体分配层的所述第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第一气体分配层和所述第一气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第一气体分散层的所述第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的所述第一气体分散层；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第一气体分散层的所述第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第二气体分散层的所述第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的所述第二气体分散层；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第二气体分散层的所述第二主表面上；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第二气体分配层和所述第二气体分散层之间；
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第二气体分配层的所述第一主表面上；
包含析氧反应催化剂的所述第二气体分配层；以及
包含析氧反应催化剂的层，所述层设置在所述第二气体分配层的所述第二主表面上。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中所述阳极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物；
(e)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(l)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物。
3.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述阳极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b’)包含元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮氧化物；
(l’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述阳极催化剂层包含在其上具有所述催化剂的纳米结构化晶须。
5.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述阴极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a”)元素Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种；
(b”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种合金；
(c”)包含Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种复合物；
(d”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼化物；
(j”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(k”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(l”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种氮氧化物；或
(m”)Au、Co、Fe、Ir、Mn、Ni、Os、Pd、Pt、Rh或Ru中的至少一种的至少一种硼氧化物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述阴极催化剂层包含以下中的至少一种：
(a”’)元素Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种；
(b”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种合金；
(c”’)包含Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种复合物；
(d”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氧化物；
(e”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种有机金属络合物；
(f”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳化物；
(g”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟化物；
(h”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氮化物；
(i”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种碳氧化物；
(j”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种氟氧化物；
(k”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr的至少一种氮氧化物；
(l”’)Al、碳、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼化物；或
(m”’)Al、Hf、Nb、Re、Si、Sn、Ta、Ti、W或Zr中的至少一种的至少一种硼氧化物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述阴极催化剂层包含在其上具有所述催化剂的纳米结构化晶须。
8.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述膜电极组件包括以下中的至少一种：
(a)包含所述析氧反应催化剂的所述层中的至少一个具有不大于1:1的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率；或
(b)设置在所述第一气体分配层、所述第二气体分配层、所述任选的第一气体分散层或所述任选的第二气体分散层中的至少一个上的包含所述析氧反应催化剂的所述层中的至少一个具有不大于1:1的元素金属Pt与元素金属析氧反应催化剂比率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述第一气体分散层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述第一气体分配层的所述第二主表面距离所述第一气体分散层的所述第一主表面比距离所述第一气体分散层的所述第二主表面更近。
10.根据权利要求9所述的膜电极组件，其中所述第一气体分配层基本上不含Pt。
11.根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件，其中所述第二气体分散层具有大致相对的第一主表面和第二主表面，其中所述阴极催化剂层的所述第二主表面距离所述第二气体分散层的所述第一主表面比距离所述第二气体分散层的所述第二主表面更近。
12.根据权利要求11所述的膜电极组件，其中所述第二气体分配层基本上不含Pt。
13.一种电化学装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的膜电极组件中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的电化学装置，所述电化学装置为燃料电池。
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