CN108780908A - 电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池 - Google Patents

电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池 Download PDF

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CN108780908A CN201780017772.8A CN201780017772A CN108780908A CN 108780908 A CN108780908 A CN 108780908A CN 201780017772 A CN201780017772 A CN 201780017772A CN 108780908 A CN108780908 A CN 108780908A
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Abstract

本发明涉及电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池。所述电极组件和所述膜电极组件包括：(i)多孔电极，所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；(ii)不连续输送保护层，所述不连续输送保护层包括聚合物、设置在所述第一主表面上并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap；以及(iii)界面区域，其中所述界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的所述聚合物的一部分，嵌入所述聚合物的一部分中的所述多孔电极的一部分，或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且所述多孔电极和所述不连续输送保护层形成一体结构。本公开还提供了制备所述电极组件和所述膜电极组件的方法。

Description

电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和 液流蓄电池
技术领域
本发明整体涉及可用于制造电化学电池和蓄电池的组件。具体地讲，本发明涉及电极组件、膜电极组件以及由这些组件制成的电化学电池和液流蓄电池。本公开还提供了制备电极组件和膜电极组件的方法。
背景技术
本领域已公开可用于形成电化学电池和氧化还原液流蓄电池的各种部件。这些部件在例如美国专利No.5,648,184、No.8,518,572和No.8,882,057中有所描述。
发明内容
在一个实施方案中，本公开提供了一种电极组件，该电极组件包括：多孔电极，其具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；不连续输送保护层，其包括聚合物、设置在第一主表面上并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；以及界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和不连续输送保护层形成一体结构。
在另一个实施方案中，本公开提供了一种制备电极组件的方法，该方法包括：提供多孔电极，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；在第一主表面上设置不连续输送保护层，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；形成界面区域，其中不连续输送保护层的一部分嵌入多个空隙的至少一部分中，多孔电极的一部分嵌入聚合物的一部分中，或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和聚合物层形成一体结构。
在又一个实施方案中，本公开提供了膜电极组件，该膜电极组件包括：根据本公开的电极组件中任一个所述的第一电极组件和设置在不连续输送保护层的与界面区域相反的主表面附近或该主表面上的离子可渗透膜；并且其中第一电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。在一些实施方案中，膜电极组件还可包括至少一个粘合剂层和/或至少一个垫圈。
在另一个实施方案中，本公开提供了电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件。
在另一个实施方案中，本公开提供了电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的膜电极组件。
在另一个实施方案中，本公开提供了液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件。
在另一个实施方案中，本公开提供了液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的膜电极组件。
附图说明
图1A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1B为根据本公开的一个示例性实施方案的图1A的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1D为根据本公开的一个示例性实施方案的图1C的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1F为根据本公开的一个示例性实施方案的图1E的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1H为根据本公开的一个示例性实施方案的图1G的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1I为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1J为根据本公开的一个示例性实施方案的图1I的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1K为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1L为根据本公开的一个示例性实施方案的图1K的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图1M为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图。
图1N为根据本公开的一个示例性实施方案的图1M的示例性电极组件的示意性横截面侧视图。
图2A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图2B为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图3为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池的示意性横截面侧视图。
图4为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池组的示意性横截面侧视图。
图5为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性单电池液流蓄电池的示意图。
图6为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图7为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图8为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图9为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图10为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图11为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电极组件的横截面的SEM图像。
图12A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图12B的线12A截取)的示意性横截面侧视图。
图12B为根据本公开的一个示例性实施方案的图12A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。
图12C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图12D为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图12E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图12F为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图12G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图12H为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图13B的线13A截取)的示意性横截面侧视图。
图13B为根据本公开的一个示例性实施方案的图13A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。
图13C为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13D为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13E为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13F为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13G为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图13H为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。
图14A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图14B的线14A截取)的示意性横截面侧视图。
图14B为根据本公开的一个示例性实施方案的图14A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。附图可不按比例绘制。如本文所用，除非另外指明，否则应用于数值范围的字词“介于......之间”包括该范围的端值。由端值进行的对数值范围表述包括该范围内的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。除非另外指明，否则说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。
应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多落入本公开原理的范围内及符合本公开原理的实质的其它修改形式和实施方案。除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中普遍使用的含义。本文提供的定义旨在有利于理解本文频繁使用的某些术语，并且并非旨在限制本公开的范围。除非上下文另有清晰的表示，否则本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”(“a”“an”)和“该”涵盖具有多个指代物的实施方案。除非上下文另有清晰的表示，否则本说明书和所附权利要求书中使用的术语“或”一般以其包括“和/或”的意义被采用。
在本公开通篇中，当一个基底的表面与另一个基底的表面“接触”时，这两种基底之间不存在居间层，并且这两种基底的表面的至少一部分发生物理接触。
在本公开通篇中，如果基底或基底的表面与第二基底或第二基底的表面“邻近”，则所述两个基底中两个最近的表面被视为彼此面向的。这两个表面可相互接触或不相互接触，其间设置有一个或多个居间的第三层或基底。
在本公开通篇中，除非另外说明，否则短语“非导电”是指非导电的材料或基底。在一些实施方案中，如果材料或基底具有大于约1000ohm-m的电阻率，则该材料或基底是非导电的。
在本公开通篇中，水基溶液被定义为其中溶剂包含至少50重量％的水的溶液。非水基溶液被定义为其中溶剂包含少于50重量％的水的溶液。
在本公开通篇，除非另外指明，否则“纤维”一词意味着包括单数形式和复数形式两者。
在本公开通篇中，基底的第一表面和第二表面之间的流体连通意味着流体(例如气体和/或液体)能够从基底的第一表面通过基底的厚度流到基底的第二表面。这固有地暗示存在从基底的第一表面通过基底的厚度延伸到基底的第二表面的连续空隙区域。
软化温度是聚合物的玻璃化转变温度和/或熔融温度。
体积孔隙率：不连续输送保护层的开口区域的体积除以不连续输送保护层的总体积(即，毛体积)。
开口面积孔隙率：相对于织造、非织造或网状结构的主表面，主表面上的开口区域的总面积与主表面的总表面积的比率(即，投影表面)。
在一些实施方案中，一体结构包括可以在空间中以任何取向保持并且不由于重力分离成至少两个部件的结构。
具体实施方式
可用于制造液流蓄电池(例如氧化还原液流蓄电池)的单个电化学电池通常包括：两个多孔电极，即阳极和阴极；离子可渗透膜，其设置在两个电极之间，从而在电极之间提供电绝缘并且为一种或多种精选离子物质提供在阳极半电池和阴极半电池之间通过的路径；阳极流动板和阴极流动板，前者被定位成邻近阳极，后者被定位成邻近阴极，每个流动板包括一个或多个通道，这些通道允许阳极电解液和阴极电解液分别接触阳极和阴极并渗透到阳极和阴极中。离子可渗透膜连同阳极和阴极中的至少一者将在本文中被称为膜电极组件(MEA)。例如，在包含单个电化学电池的氧化还原液流蓄电池中，该电池还应当包括两个集电器，其中一个集电器邻近并且接触阳极流动板的外表面，另一个集电器邻近并且接触阴极流动板的外表面。集电器允许电池放电期间产生的电子连接到外部电路并且执行有用的工作。运行的氧化还原液流蓄电池或电化学电池还包括阴极电解液、阳极电解液储液槽及相应的流体分配系统(管路和至少一个或多个泵)以有利于阳极电解液流入阳极半电池中，并且包括阴极电解液、阴极电解液储液槽及相应的流体分配系统以有利于阴极电解液流入阴极半电池中。尽管通常采用泵，但是也可使用重力供给系统。在放电期间，活性物质例如阳极电解液中的阳离子被氧化，并且相应的电子流过外部电路并且负载到阴极上，这些电子在阴极上将阴极电解液中的活性物质还原。由于用于电化学氧化还原的活性物质包含在阳极电解液和阴极电解液中，因此氧化还原液流电池和蓄电池具有能够将其能量储存于电化学电池的主体之外(即，阳极电解液中)的独特特征。存储容量主要受阳极电解液和阴极电解液的量以及这些溶液中活性物质的浓度限制。因此，氧化还原液流蓄电池可用于与风力发电场和太阳能发电厂相关联的大规模储能需求，例如通过相应地缩放储罐的尺寸和活性物质浓度来实现。氧化还原液流电池还具有存储容量与其功率无关的优势。氧化还原液流蓄电池或电池的功率通常由蓄电池内的膜电极组件的尺寸和数量及其相应的流动板(有时统称为“堆”)决定。另外，由于氧化还原液流蓄电池设计用于在电网中使用，因此电压必须很高。然而，单个氧化还原液流电化学电池的电压通常为小于3伏特(构成电池的半电池反应的电势差)。因此，需要将几百个电池串联连接才能产生足够大以具有实际功用的电压，而电池或电池组的大量成本与制备单个电池的部件成本有关。
在氧化还原液流电化学电池和蓄电池的核心处是膜电极组件(例如阳极、阴极以及设置在这两者间的离子可渗透膜)。MEA的设计对于氧化还原液流电池和蓄电池的功率输出至关重要。继而，这些部件的材料选择对于其性能至关重要。用于电极的材料可基于碳，碳基材料为待发生的氧化/还原反应提供期望的催化活性，并且是导电的，以向流动板提供电子转移。电极材料可为多孔的，以为待发生的氧化/还原反应提供更大的表面积。多孔电极可包括碳纤维基纸材、毡和布。在使用多孔电极时，电解质可渗透到电极主体内，接触用于反应的附加的表面区域，从而提高单位体积电极的能量产生率。另外，由于阳极电解液和阴极电解液中的一者或两者可为水基的，即水溶液，因此可能需要电极具有亲水性表面，以有利于电解质渗透到多孔电极的主体内。可采用表面处理来增强氧化还原液流电极的亲水性。相比之下，燃料电池电极例如氢/氧基燃料电池通常被设计为疏水性的，以防止水分进入电极及相应的催化剂层/区域，并且以有利于除去电极区域中的水分。
用于离子可渗透膜的材料需要为良好的电绝缘体，同时使一种或多种选定离子能够穿过膜。这些材料通常由聚合物制成，并且可包括离子物质以有利于离子通过离子可渗透膜进行转移。因此，构成离子可渗透膜的材料可为昂贵的特种聚合物。由于每个电池组和蓄电池可能需要数百个MEA，因此就MEA的总成本以及电池和蓄电池的总成本而言，离子可渗透膜可能是重要的成本因素。由于期望使MEA的成本最小化，所以用于使其成本最小化的一种方法是减小其中所用离子可渗透膜的体积。然而，由于电池的功率输出要求有助于限定给定MEA的尺寸要求并因此限定膜的尺寸，所以就其长度和宽度尺寸而言(通常优选更大的长度和宽度)，要降低MEA的成本，可能只可能减小离子可渗透膜的厚度。然而，通过减小离子可渗透膜的厚度，已确定存在问题。由于膜厚度减小，已发现，用于制造多孔电极的相对刚性的材料例如碳纤维可穿透较薄的膜并且接触相对半电池的对应的电极。这导致电池出现不利的局部短路，导致电池产生的功率损失以及总体蓄电池的功率损失。因此，需要改进的膜电极组件，其能够防止这种局部短路，同时维持所需离子输送通过膜而不抑制由其制成的电化学电池和蓄电池的所需氧化/还原反应。
本公开提供了电极组件，该电极组件包括设置在电极的主表面上的至少一个不连续输送保护层。不连续输送保护层和电极形成一体结构，并且将被称为电极组件。电极组件可用于膜电极组件、电化学电池和/或液流蓄电池。在使用中，电极组件将被定位成由此使得不连续输送保护层的外表面将与离子可渗透膜相邻。不连续输送保护层保护离子可渗透膜以免被电极纤维刺穿，从而防止出现已在其他MEA、电化学电池和液流蓄电池设计中发现的局部短路问题。本公开的不连续输送保护层还可改善膜电极组件内的流体流动，进而改善电化学电池和/或蓄电池内的流体流动。短语“输送保护层”内的术语“输送”是指在保护层内和/或通过保护层的流体输送。这可改善(即降低)或至少不会显著改变电池电阻，这与在膜电极组件内包含附加层并进而在电化学电池和/或蓄电池中包含附加层时可能期望发生的情况相反。具有至少一个不连续输送保护层的电极组件可用于制造液流(例如氧化还原液流)电化学电池和蓄电池。液流电化学电池和蓄电池可包括具有单个半电池为液流型或两个半电池均为液流型的电池和蓄电池。不连续输送保护层可以是用于制造MEA的膜电极组件和/或电极组件的部件。本公开还包括液流电化学电池和蓄电池，该液流电化学电池和蓄电池包括具有至少一个不连续输送保护层的电极组件和/或MEA。本公开还提供了制造可用于制造液流电化学电池和蓄电池的电极组件和膜电极组件的方法。
本公开提供了一种电极组件，该电极组件包括：(i)多孔电极，其具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；(ii)不连续输送保护层，其包括聚合物、设置在第一主表面上并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；以及(iii)界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和不连续输送保护层形成一体结构。在一些实施方案中，多孔电极的多个空隙使得能够在多孔电极的第一主表面的至少一部分与相反的第二主表面之间流体连通。多孔电极的表面积可由投影表面积表示。界面区域可具有面积AI，并且AI可与Ap相同或者AI可小于Ap。本公开的多孔电极可包括这样的条件，其中0.01Ae≤AI≤0.85Ae。如果设置在多孔电极上的不连续输送保护层的表面都与多孔电极形成界面区域，则界面区域AI可等于面积Ap。如果仅不连续输送保护层的主表面的一部分形成界面区域，则AI将小于Ap，并且AI将是不连续保护层的已形成界面区域的部分的各自面积Ai的总和。不连续输送保护层具有与界面区域相反的主表面。
图1A至图1N公开了本公开的电极组件的各种非限制性实施方案。图1A为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图，而图1B为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100a包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙46。在该示例性实施方案中，多孔电极40包括纤维44(例如碳纤维)和多个空隙46(即纤维之间的空隙区域)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap和厚度Tp。不连续输送保护层10设置在多孔电极40的第一主表面40a上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10包括多个离散结构15(例如，离散的非交叉连续线，具有相邻线之间的中心到中心距离，即间距P)，具有宽度W和由开口区域17间隔开的长度L。每个单独的离散结构具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ao(在该示例性实施方案中等于W×L)。Ao也可以对应于离散结构投射到多孔电极40的第一主表面40a上的投影。不连续输送保护层10的横截面积Ap可由离散结构15的横截面积Ao的总和确定。对于本公开的任何不连续输送保护层，如果其结构(例如，离散结构)的横截面积在其厚度上变化，则面积Ap可基于(i)不连续输送保护层的结构与多孔电极的第一主表面的交汇处的面积或(ii)在基本上平行于多孔电极的第一主表面的平面中的结构的最大横截面积，例如每个独立离散结构的最大横截面积。Ap的确定可排除界面区域。电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100a包括界面区域90。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙46的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。界面区域90具有厚度Ti。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分(例如纤维44的一部分)可由不连续输送保护层的聚合物包封。在与第一主表面40a的交汇处，界面区域90可具有面积AI，其可以是与每个离散结构(例如，离散线)相关联的界面区域表面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1C为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图，而图1D为对应的示意性横截面侧视图。图1C和图1D分别与图1A和图1B相同，界面区域除外。在图1C和图1D中，电极组件100b的界面区域90包括嵌入在不连续输送保护层10的聚合物的一部分中的多孔电极40的一部分，例如嵌入在不连续输送保护层10的聚合物的一部分中的多孔电极40的纤维44的一部分(图1D)。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层的厚度Tp包括界面区域的厚度Ti，因为Tp通常是不连续输送保护层在多孔电极的第一主表面上方的高度。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1E至图1N公开了本公开的另外的示例性电极组件实施方案。在这些图中出于简化的目的，多孔电极40将被描绘为框图，先前图中的纤维44被移除。
图1E为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件(通过图1E的线1F截取)的示意性顶视图，而图1F为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100c包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙(未示出)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap和厚度Tp。不连续输送保护层10设置在多孔电极40的第一主表面40a上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10包括多个离散结构15(圆柱体的轴线基本上垂直于第一主表面40a的圆柱体)，具有宽度W(例如直径)和由开口区域17间隔开的厚度Tp。每个单独的离散结构具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ao(在该示例性实施方案中等于π[W/2]2)。Ao可以对应于离散结构投射到多孔电极40的第一主表面40a上的投影。横截面积Ap可由离散结构15的横截面积Ao的总和确定。电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100c包括界面区域90。界面区域90具有厚度Ti。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分可由不连续输送保护层的聚合物包封。在与第一主表面40a的交汇处，界面区域90可具有面积AI，其可以是与每个离散结构(例如，圆柱体)相关联的界面区域面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1G为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件(通过图1G的线1H截取)的示意性顶视图，而图1H为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100d包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙(未示出)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的面积Ap和厚度Tp。不连续输送保护层10设置在第一主表面上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10是网状结构15a，其包括开口区域17(多个通孔，圆柱体的轴线基本垂直于第一主表面40a的圆形圆柱体，该圆柱体为六角形阵列图案)，具有宽度Wh(例如直径)、厚度Tp和面积Ah(等于π[Wh/2]2)。电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100d包括界面区域90。界面区域90具有厚度Ti，并且不连续输送保护层的开口区域17(通孔)延伸穿过界面区域90。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分可由不连续输送保护层的聚合物包封。如果与多孔电极40相邻的不连续输送保护层10的主表面都与多孔电极40形成界面区域，则界面区域90可具有可等于面积Ap的面积AI。如果仅不连续输送保护层10的主表面的部分形成界面区域，则AI将小于Ap，并且AI将是输送保护层的已形成界面区域的部分的各自面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1I为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件(通过图1I的线1J截取)的示意性顶视图，而图1J为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100e包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙(未示出)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap和厚度Tp。不连续输送保护层10设置在多孔电极40的第一主表面40a上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10是网状结构15a，其包括多个开口区域17(例如，多个通孔，圆柱体的轴线基本垂直于第一主表面40a的方形圆柱体，该圆柱体为方形网格阵列图案)，具有宽度Wh和厚度Tp。电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100e包括界面区域90。界面区域90具有厚度Ti，并且不连续输送保护层的开口区域17(通孔)延伸穿过界面区域90。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分可由不连续输送保护层的聚合物包封。如果与多孔电极40相邻的不连续输送保护层10的主表面都与多孔电极40形成界面区域，则界面区域90可具有可等于面积Ap的面积AI。如果仅不连续输送保护层10的主表面的部分形成界面区域，则AI将小于Ap，并且AI将是输送保护层的已形成界面区域的部分的各自面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1K为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件(通过图1K的线1L截取)的示意性顶视图，而图1L为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100f包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙(未示出)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的面积Ap和厚度2Tp。不连续输送保护层10设置在多孔电极40的第一主表面40a上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10是织造结构15b，其包括多个开口区域17(例如，多个通孔，圆柱体的轴线基本垂直于第一主表面40a的方形圆柱体，该圆柱体为方形网格阵列图案)，具有宽度Wh和厚度2Tp。注意，在该特定实施方案中，开口区域的高度可设定为等于包括织造结构15b的经纱纤维和纬纱纤维的厚度之和。在图1K和图1L中，假设经纱纤维和经纱纤维的厚度相同，但这不是必需的。电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100f包括界面区域90。界面区域90具有厚度Ti，并且不连续输送保护层的开口区域17(通孔)延伸穿过界面区域90。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分可由不连续输送保护层的聚合物包封。如果与多孔电极40相邻的不连续输送保护层10的主表面都与多孔电极40形成界面区域，则界面区域90可具有可等于面积Ap的面积AI。如果仅不连续输送保护层10的主表面的部分形成界面区域，则AI将小于Ap，并且AI将是输送保护层的已形成界面区域的部分的各自面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
图1M为根据本公开的一个实施方案的示例性电极组件的示意性顶视图，而图1N为对应的示意性横截面侧视图。电极组件100g包括多孔电极40，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面40a、相反的第二主表面40b和多个空隙(未示出)。多孔电极具有长度Le、宽度We和厚度Te。第一表面积Ae可表示为多孔电极的投影表面积，即Le×We。电极组件还包括不连续输送保护层10，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的面积Ap和厚度Tp。不连续输送保护层10设置在多孔电极40的第一主表面40a上。在该示例性实施方案中，不连续输送保护层10是包括开口区域17的非织造结构15c。由于其随机结构，非织造物的横截面积Ap一定程度地难以明确测量，因此可使用计算值。非织造物的横截面积Ap的平均值可由以下公式计算：
Ap＝Mp/(Dp×Tp)
其中，
Mp是非织造物的聚合物的质量(在给定区域内)，
Dp是用于形成非织造物的聚合物的密度，
Tp是非织造物的厚度(在给定区域内)。
如果非织造物包括多种纤维类型，则密度Dp将基于构成非织造物的纤维的平均密度，根据其在非织造物中存在的质量分数进行调整。还可使用本领域已知的技术测量Dp。如果厚度Tp不均匀，则可使用厚度的平均值。
可推广上述公式以计算本公开的任何不连续输送保护层的横截面积Ap的平均值，其中Mp是不连续输送保护层的聚合物的质量，Dp是不连续输送保护层的聚合物的密度，并且Tp是不连续输送保护层的厚度。可使用本领域已知的技术测量Dp。如果厚度Tp不均匀，则可使用厚度的平均值。在一些实施方案中，Ap可以是横截面积的计算平均值：Ap＝Mp/(Dp×Tp)，其中参数如上文所定义。
电极组件还包括界面区域，其中该界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分、嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分或其组合。在该示例性实施方案中，电极组件100g包括界面区域90。界面区域90具有厚度Ti。界面区域90包括嵌入多孔电极40的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层10的聚合物的一部分。在一些实施方案中，在界面区域中，包括多孔电极40的材料的一部分可被不连续输送保护层的聚合物包围和/或接触。如果与多孔电极40相邻的不连续输送保护层10的主表面都与多孔电极40形成界面区域，则界面区域90可具有可等于面积Ap的表面积AI。如果仅不连续输送保护层10的主表面的部分形成界面区域，则AI将小于Ap，并且AI将是输送保护层的已形成界面区域的部分的各自面积Ai的总和。不连续输送保护层10具有与界面区域90相反的主表面10a。
如图1N所示，电极组件100g还可包括一个或多个任选的剥离衬件30、32。任选的剥离衬件30和32可与电极组件保持在一起直到其被用于制造例如膜电极组件、电化学电池或液流蓄电池，以便保护不连续输送保护层和多孔电极的外表面免受灰尘和碎屑的影响。剥离衬件还可提供机械支承并防止在使用前撕裂不连续输送保护层和多孔电极以及/或者损伤其表面。本领域中已知的常规剥离衬件可用于任选的剥离衬件30和32。任选的剥离衬件30和32未在图1M中示出。
本公开的任何电极组件可包括任选的剥离衬件，如图1N所示。
本公开的电极组件包括不连续输送保护层。“不连续”意味着输送保护层包括至少一个开口区域和/或多个开口区域，其允许不连续输送保护层的第一主表面和第二主表面之间的流体连通。不连续输送保护层可包括下述各项中的至少一者：多个离散结构(例如，图1A至图1F的离散结构15)、网状结构(例如，图1G至图1J的网状结构15a)、织造结构(例如，图1K和图1L的织造结构15b)，以及非织造结构(例如，图1M和图1N的非织造结构15c)。不连续输送保护层可包括结构的组合。不连续输送保护层的结构的尺寸和形状没有特别限制，不同的是必须满足多孔电极的第一表面积Ae与不连续输送保护层的横截面积Ap之间的关系0.02Ae≤Ap≤0.85Ae。在一些实施方案中，多孔电极的第一表面积Ae与不连续输送保护层的横截面积Ap之间的关系可以是0.02Ae≤Ap≤0.85Ae、0.02Ae≤Ap≤0.7Ae、0.02Ae≤Ap≤0.6Ae、0.02Ae≤Ap≤0.5Ae、0.02Ae≤Ap≤0.3Ae、0.05Ae≤Ap≤0.85Ae、0.05Ae≤Ap≤0.7Ae、0.05Ae≤Ap≤0.6Ae、0.05Ae≤Ap≤0.5Ae、0.05Ae≤Ap≤0.3Ae、0.10Ae≤Ap≤0.85Ae、0.10Ae≤Ap≤0.7Ae、0.10Ae≤Ap≤0.6Ae、0.10Ae≤Ap≤0.5Ae或甚至0.10Ae≤Ap≤0.3Ae。
不连续输送保护层包括聚合物。不连续输送保护层的聚合物不受特别限制。然而，为了确保聚合物在其可在使用期间暴露于其中的阳极电解液和/或阴极电解液中的长期稳定性，可选择不连续输送保护层的聚合物以具有对阳极电解液和/或阴极电解液的良好耐化学性，包括相关联的溶剂、氧化/还原活性物质、盐和/或其中包含的其他添加剂。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可包括热塑性塑料和热固性塑料中的至少一种。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可包括热塑性塑料。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可包括热固性塑料。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可基本上由热塑性塑料组成。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可基本上由热固性塑料组成。热塑性塑料可包括热塑性弹性体。热固性塑料可包括B阶热固性塑料，例如最终固化后的B阶热固性塑料。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可包括热塑性塑料和B阶热固性塑料中的至少一种。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可基本上由B阶热固性塑料组成，例如最终固化后的B阶热固性塑料。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物包括但不限于下述各项中的至少一种：环氧树脂、酚醛树脂、离子型聚合物、聚氨酯、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯和苯乙烯基无规和嵌段共聚物(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氯乙烯和氟化聚合物(例如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯)。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物可为下述各项中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃、苯乙烯和苯乙烯基无规和嵌段共聚物、聚氯乙烯和氟化聚合物。不连续输送保护层的聚合物可以是聚合物共混物或聚合物复合物。在一些实施方案中，聚合物共混物和/或复合物可包括选自本公开的聚合物的至少两种聚合物。
在一些实施方案中，包括聚合物的不连续输送保护层可包括无机材料，例如无机织造结构和/或无机非织造结构，其包括无机纤维例如玻璃纤维。在这些实施方案中，无机织造结构和无机非织造结构可包括聚合物涂层。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括的聚合物为约5重量％至约100重量％、约10重量％至约100重量％、约20重量％至约100重量％、约30重量％至约100重量％、约40重量％至约100重量％、约50重量％至约100重量％、约60重量％至约100重量％、约70重量％至约100重量％或甚至约80重量％至约100重量％。在一些实施方案中，由于较低成本、较低重量和易于加工中的至少一者，可能希望不连续输送保护层包括的聚合物为至少约70重量％至100重量％。
在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物的软化温度为约50摄氏度至约400摄氏度、约50摄氏度至约350摄氏度、约50摄氏度至约300摄氏度或甚至约50摄氏度至约250摄氏度。在一些实施方案中，不连续输送保护层在25摄氏度、30摄氏度、40摄氏度或甚至50摄氏度下是非粘性的。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物含有的聚合物共混物形式的压敏粘合剂为约0重量％至约15重量％、约0重量％至约10重量％、约0重量％至约5重量％、约0重量％至约3重量％、约重量0％至约1重量％或甚至基本上0重量％。由于电化学电池或液流蓄电池内的压缩力，低模量和/或高粘弹性材料(诸如压敏粘合剂)可在使用期间流动，并且可使得难以获得电池或蓄电池部件之间所需的分离。在一些实施方案中，电极组件和/或膜电极组件基本上不含压敏粘合剂和/或压敏粘合剂层。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物的模量(例如杨氏模量)可以为约0.010GPa至约10GPa、约0.1GPa至约10GPa、约0.5GPa至约10GPa、约0.010GPa至约5GPa、约0.1GPa至约5GPa或甚至约0.5GPa至约5GPa。
不连续输送保护层的聚合物可以是离子型聚合物。离子型聚合物包括但不限于离子交换树脂、离聚物树脂以及它们的组合。离子交换树脂可特别有用。不连续输送保护层的离子型聚合物可包括聚合物，其中重复单元的一部分为电中性并且重复单元的一部分具有离子官能团(即离子重复单元)。在一些实施方案中，离子型聚合物的具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为介于约0.005和约1之间。
离子型聚合物可包括通过常规技术改性的常规热塑性塑料和热固性塑料，以包括离子官能团(例如阴离子和/或阳离子)的类型中的至少一种。可改性的可用热塑性树脂包括但不限于下述各项中的至少一种：聚乙烯(例如高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯)、聚丙烯(例如高分子量聚丙烯)、聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯(例如基于丙烯酸的聚丙烯酸酯，其可具有与例如碱金属交换的酸官能团)、氯化聚氯乙烯、含氟聚合物例如全氟化含氟聚合物和部分氟化含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)，它们中的每一种均可以是半结晶的和/或无定形的)、聚醚酰亚胺和聚酮。可用的热固性树脂包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、脲醛树脂和三聚氰胺树脂中的至少一种。离子型聚合物包括但不限于离子交换树脂、离聚物树脂以及它们的组合。离子交换树脂可特别有用。
如本文定义的，离子型聚合物包括这样的聚合物，其中重复单元的一部分为电中性的并且其中重复单元的一部分具有离子官能团。在一些实施方案中，离子型聚合物的具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为介于约0.005和1之间。在一些实施方案中，离子型聚合物为阳离子树脂，即它的离子官能团带负电并且有利于阳离子例如质子的转移，任选地，其中阳离子树脂为质子阳离子树脂。在一些实施方案中，离子型聚合物为阴离子交换树脂，即它的离子官能团带正电并且有利于阴离子的转移。离子型聚合物的离子官能团可包括但不限于羧酸酯、磺酸酯、磺酰胺、季铵、硫脲、胍鎓、咪唑鎓和吡啶鎓基团。离子官能团的组合可用于离子聚合物中。
离聚物树脂包括这样的树脂，其中重复单元的一部分为电中性的并且其中重复单元的一部分具有离子官能团。如本文所定义，离聚物树脂将被视为具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为不大于约0.15的树脂。在一些实施方案中，离聚物树脂的具有离子官能团的重复单元的摩尔分数为介于约0.005和约0.15之间、介于约0.01和约0.15之间或甚至介于约0.03和约0.15之间。在一些实施方案中，离聚物树脂不溶于阳极电解液和阴极电解液中的至少一者。离聚物树脂的离子官能团可包括但不限于羧酸根、磺酸根、磺酰胺、季铵、硫脲鎓、胍鎓、咪唑鎓和吡啶鎓基团。离子官能团的组合可用于离聚物树脂。可使用离聚物树脂的混合物。离聚物树脂可为阳离子树脂或阴离子树脂。可用的离聚物树脂包括但不限于：NAFION，可得自特拉华州威尔明顿的杜邦公司(DuPont，Wilmington，Delaware)；AQUIVION，一种全氟磺酸，可得自比利时布鲁塞尔的索尔维集团(SOLVAY，Brussels，Belgium)；FLEMION和SELEMION，含氟聚合物离子交换树脂，得自日本东京的旭硝子玻璃株式会社(Asahi Glass，Tokyo，Japan)；FUMASEP离子交换树脂，包括FKS、FKB、FKL、FKE阳离子交换树脂和FAB、FAA、FAP和FAD阴离子交换树脂，可得自德国比蒂格海姆-比辛根的福马科技公司(Fumatek，Bietigheim-Bissingen，Germany)；聚苯并咪唑，当量为825的全氟磺酸离聚物，可以商品名“3M825EW”获得，以粉末或水溶液得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3MCompany，St.Paul，Minnesota)；当量为725的全氟磺酸离聚物，可以商品名“3M725EW”获得，以粉末或水溶液可得自3M公司(3M Company)；以及离子交换材料和膜，在美国专利No.7,348,088中有所描述，其全文以引用方式并入本文。
离子交换树脂包括这样的树脂，其中重复单元的一部分为电中性并且重复单元的一部分具有离子官能团。如本文所定义，离子交换树脂将被视为具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为大于约0.15并且小于约1.00的树脂。在一些实施方案中，离子交换树脂具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为大于约0.15并且小于约0.90、大于约0.15并且小于约0.80、大于约0.15并且小于约0.70、大于约0.30并且小于约0.90、大于约0.30并且小于约0.80、大于约0.30并且小于约0.70、大于约0.45并且小于约0.90、大于约0.45并且小于约0.80、以及甚至大于约0.45并且小于约0.70。离子交换树脂可为阳离子交换树脂或者可为阴离子交换树脂。离子交换树脂可任选地为质子离子交换树脂。离子交换树脂的类型可基于离子类型来选择，该离子需要有待通过离子可渗透膜(例如离子交换膜)在阳极电解液和阴极电解液之间输送。在一些实施方案中，离子交换树脂不溶于阳极电解液和阴极电解液中的至少一者。离子交换树脂的离子官能团可包括但不限于羧酸酯、磺酸酯、磺酰胺、季铵、硫脲、胍鎓、咪唑鎓和吡啶鎓基团。离子官能团的组合可用于离子交换树脂中。可使用离子交换树脂树脂的混合物。可用的离子交换树脂包括但不限于：氟化离子交换树脂，例如全氟磺酸共聚物和全氟磺酰亚胺共聚物；磺化聚砜；包含季铵基团的聚合物或共聚物；包含胍或硫脲基团中的至少一种的聚合物或共聚物；包含咪唑鎓基团的聚合物或共聚物；包含吡啶鎓基团的聚合物或共聚物。离子聚合物可为离聚物树脂和离子交换树脂的混合物。
不连续输送保护层的聚合物可包括亲水性聚合物，例如本文先前公开的离子聚合物，其具有离子官能团的重复单元的摩尔份数为介于约0.03和约1之间、介于约0.05和约1之间、介于约0.10和1之间、介于约0.03和约0.8之间、介于约0.05和0.80之间或甚至介于约0.1和0.80之间。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括的亲水性聚合物为约5重量％至约100重量％、约10重量％至约100重量％、约25重量％至约100重量％、约5重量％至约80重量％、约10重量％至约80重量％、约25重量％至约80重量％、约5重量％至约60重量％、约10重量％至约60重量％或甚至约25重量％至约60重量％。在一些实施方案中，亲水性聚合物可以作为聚合物共混物包含在聚合物中或者可以作为聚合物涂层包含在内。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括亲水性聚合物涂层。可以使用本领域已知的亲水性聚合物，包括但不限于聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚乙二醇、聚丙二醇、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯酰胺、马来酸酐聚合物、纤维素聚合物、聚电解质，以及在其主链或侧链中具有胺基的聚合物，例如尼龙6，6、尼龙7，7和尼龙12、聚砜、环氧树脂、聚酯和聚碳酸酯。
在一些实施方案中，不连续输送保护层包括亲水性涂层。该亲水性涂层可为有机材料或无机材料。该亲水性涂层可包括下述各项中的至少一种：高分子量分子种类(数均分子量为大于10000g/mol)、低聚分子种类(数均分子量为大于1000g/mol且不大于10000g/mol)、低分子量分子种类(数均分子量为不大于1000g/mol且不小于20g/mol)及其组合。该亲水性涂层可包括含有一个或多个极性官能团的分子种类，例如酸、羟基、酯、醚和/或胺。在一些实施方案中，不连续输送保护层的亲水性聚合物和/或亲水性涂层可与水、阴极电解液和/或阳极电解液具有的表面接触角为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。接触角可通过本领域已知的技术测量，包括后退接触角测量和前进接触角测量。在一些实施方案中，不连续输送保护层的亲水性聚合物和/或亲水性涂层可与水、阴极电解液和/或阳极电解液具有的后退接触角为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。在一些实施方案中，不连续输送保护层的亲水性聚合物和/或亲水性涂层可与水、阴极电解液和/或阳极电解液具有的前进接触角为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。在一些实施方案中，不连续输送保护层可与水、阴极电解液和/或阳极电解液具有的前进接触角和/或后退接触角为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。将亲水性聚合物和/或涂层用于不连续输送保护层可以改善液体输送(例如阳极电解液和/或阴极电解液流动)通过该层，并改善电化学电池和/或液流蓄电池性能。
不连续输送保护层的聚合物可以是固体，基本上没有任何空隙或孔隙。例如，图1A和图1B的离散结构15可各自由聚合物形成，并且该聚合物可以是固体，基本上没有任何空隙或孔隙。在一些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物具有的孔隙率为介于约0体积％和约5体积％之间、介于约0体积％和约3体积％之间或甚至介于约0体积％和约1体积％之间。在一些实施方案中，可能希望在不连续输送保护层的聚合物内保持低孔隙率，以便提供更高模量的材料，当这种材料用于电化学电池或液流蓄电池时，其可以更好地抵抗存在的压缩力，以及/或者保持部件之间的所需间距，例如多孔电极和离子可渗透膜之间的所需间距。
在一些实施方案中，不连续输送保护层是非导电的。不连续输送保护层可包含少量导电材料或其他填料，例如非导电颗粒。在一些实施方案中，不连续输送保护层含有的导电颗粒和非导电颗粒的至少一种为介于约0重量％和约5重量％之间、介于约0重量％和约3重量％之间、介于约0重量％和约1重量％之间或甚至基本上0重量％。
不连续输送保护层的厚度Tp不受特别限制。在一些实施方案中，不连续输送保护层的厚度，例如，多个离散结构、网状结构、织造结构以及非织造结构中的至少一者的厚度为约0.05微米至约3000微米、约0.05微米至约2000微米、约0.05微米至约1000微米、约0.05微米至约500微米、约1微米至约3000微米、约1微米至约2000微米、约1微米至约1000微米、约1微米至约500微米、约10微米至约3000微米、约10微米至约2000微米、约10微米至约1000微米、约10微米至约500微米、约50微米至约3000微米、约50微米至约2000微米、约50微米至约1000微米或甚至约50微米至约500微米。
在一些实施方案中，为了使电池或蓄电池的短路电阻(与例如离子可渗透膜的碳纤维渗透相关联)最大化，可能期望具有较厚的不连续输送保护层。在这些实施方案中，不连续输送保护层的厚度可在上述厚度范围的较高端。例如，不连续输送保护层的厚度可为约25微米至约3000微米、约25微米至约2000微米、约25微米至约1000微米、约25微米至约500微米、约50微米至约3000微米、约50微米至约2000微米、约50微米至约1000微米、约50微米至约500微米、约75微米至约3000微米、约75微米至约2000微米、约75微米至约1000微米、约75微米至约500微米、约100微米至约3000微米、约100微米至约2000微米、约100微米至约1000微米或甚至约100微米至约500微米。
在一些实施方案中，为了增强电池电阻和/或短路电阻，多孔保护层的厚度可为介于约25微米和约500微米之间、介于约50微米和约500微米之间、介于约75微米和约500微米之间、介于约100微米和约500微米之间、介于25微米和约400微米之间、介于约50微米和约400微米之间、介于约75微米和约400微米之间、介于约100微米和约400微米之间、介于25微米和约300微米、介于约50微米和约300微米之间、介于约75微米和约300微米之间或甚至介于约100微米和约300微米之间。
在一些实施方案中，为了改善电池电阻(降低电池电阻)，可能期望具有较薄的不连续输送保护层。在这些实施方案中，不连续输送保护层的厚度可在上述厚度范围的较低端，为介于约25微米和约500微米之间、介于约50微米和约500微米之间、介于约75微米和约500微米之间、介于约100微米和约500微米之间、介于25微米和约400微米之间、介于约50微米和约400微米之间、介于约75微米和约400微米之间、介于约100微米和约400微米之间、介于25微米和约300微米、介于约50微米和约300微米之间、介于约75微米和约300微米之间或甚至介于约100微米和约300微米之间。
在一些实施方案中，不连续输送保护层可包括多个离散结构、网状结构、织造结构和非织造结构中的至少一者；可使用结构的组合。离散结构的特征在于彼此独立。在它们之间没有互连的聚合物材料，例如，没有连接离散结构的下陷区域，即聚合物薄膜。所述多个离散结构的形状不受特别限制。多个离散结构的形状包括但不限于圆柱体、半球体、立方体、矩形棱柱、三棱柱、六角棱柱、三棱锥、4边、5边和6边棱锥、截棱锥、锥体、截头锥、线(例如直线、波浪线、非交叉线、非交叉直线、非交叉波浪线、平行线、平行直线、平行波浪线等)。如果离散结构是线的形式，则线的横截面可以是任何形状。多个离散结构可包括形状的组合。在一些实施方案中，不连续输送保护层的多个离散结构可以随机布置或者可呈一定图案(例如，重复图案)布置。图案包括但不限于正方形阵列、六边形阵列、具有恒定间距的平行线的图案等。可以使用图案的组合。
不连续输送保护层的多个离散结构的尺寸不受特别限制。在一些实施方案中，多个离散结构的最长尺寸(例如，长度、宽度或厚度)为约10微米至约5000微米、约10微米至约3000微米、约10微米至约1000微米、约10微米至约500微米、约30微米至约5000微米、约30微米至约3000微米、约30微米至约1000微米、约30微米至约500微米、约50微米至约5000微米、约50微米至约3000微米、约50微米至约1000微米、约50微米至约500微米、约100微米至约5000微米、约100微米至约3000微米、约100微米至约1000微米或甚至约100微米至约500微米。
在一些实施方案中，不连续输送保护层包括多条不相交的连续线。在一些实施方案中，所述多条不相交的连续线在如下长度范围内基本上平行：约2cm至约100cm、约5cm至约100cm、约10cm至约100cm、约2cm至约多孔电极的长度、约5cm至约多孔电极的长度或者甚至约10cm至约多孔电极的长度。在一些实施方案中，所述多条不相交的连续线是直线。在一些实施方案中，所述多条不相交的连续线是曲线。在一些实施方案中，所述多条不相交的连续线的间距为约0.3mm至约11mm、约0.5mm至约11mm、约1.0mm至约11mm、约0.3mm至约9mm、约0.5mm至约9mm、约1.0mm至约9mm、约0.3mm至约7mm、约0.5mm至约7mm或者甚至约1.0mm至约7mm。在一些实施方案中，相邻线之间的间距可以相同。在一些实施方案中，两条或更多条相邻线之间的间距可以改变。在一些实施方案中，所述多条不相交的连续线之间的宽度为约0.01mm至约10mm、0.025mm至约10mm、0.05mm至约10mm、0.1mm至约10mm、约0.3mm至约10mm、约0.5mm至约10mm、约1mm至约10mm、0.01mm至约8mm、0.025mm至约8mm、0.05mm至约8mm、约0.1mm至约8mm、约0.3mm至约8mm、约0.5mm至约8mm、约1mm至约8mm、0.01mm至约6mm、0.025mm至约6mm、0.05mm至约6mm、约0.1mm至约6mm、约0.3mm至约6mm、约0.5mm至约6mm、约1mm至约6mm或者甚至约10μm至约1000μm。线的宽度可以相同或者可以改变。
离散结构可通过本领域已知的各种技术制造，包括但不限于挤出、三维印刷、使用分段转移带的转移层压、微复制等。
在一些实施方案中，不连续输送保护层可包括网状结构(参见图1I和图1J)。网状结构包括具有多个开口区域(例如多个通孔)的连续片材或层。网状结构可包括例如具有多个通孔的聚合物膜。本公开的网状结构不包括常规的织造结构和非织造结构，即织造和非织造基底。网状结构的多个开口区域的形状不受特别限制，并且包括但不限于圆形、椭圆形、不规则多边形和规则多边形(例如三角形、四边形(正方形、矩形、菱形和梯形))、五边形、六边形和八边形。可以使用形状的组合。在一些实施方案中，网状结构的多个开口区域的长度和/或宽度可为约10μm至约10mm、50μm至约10mm、100μm至约l0mm、约200μm至约10mm、约500μm至约10mm、约1000μm至约10mm、10μm至约8mm、50μm至约8mm、约100μm至约8mm、约200μm至约8mm、约500μm至约8mm、约1000μm至约8mm、10μm至约6mm、50μm至约6mm、约100μm至约6mm、约200μm至约6mm、约500μm至约6mm、约1000μm至约6mm或者甚至约10μm至约1000μm。如前所述，多个开口区域的深度可对应于不连续输送保护层的厚度Tp。每个开口区域的尺寸，即长度、宽度和/或深度，可以基本上相同或可以不同。网状结构的多个开口区域可以是随机的或者可呈一定图案。图案包括但不限于正方形阵列、六边形阵列等。可以使用图案的组合。
网状结构可通过本领域已知的技术制造。例如，聚合物膜可通过挤出工艺制造，并且可通过本领域已知的技术在聚合物膜中形成多个开口区域，所述技术包括但不限于模切、激光切割、水射流切割、针刺、蚀刻等。网状结构也可通过挤出工艺形成，其中例如基本上彼此平行的第一组聚合物股线沿一个方向在多孔电极上挤出，并且基本上彼此平行并且相对于第一组股线以角度θ偏移的第二组聚合物股线在多孔电极上挤出，从而形成网状结构。θ可为约5度至约90度、约15度至约90度、约30度至约90度或甚至约45度至约90度。
在一些实施方案中，不连续输送保护层可包括织造结构，即具有多个开口区域的织造基底(参见图1K和图1L)。可使用本领域已知的常规织造结构，例如织造布和织造织物。在一些实施方案中，织造结构的多个开口区域的长度和/或宽度可为约10μm至约10mm、约50μm至约10mm、约100μm至约10mm、约200μm至约10mm、约500μm至约10mm、约1000μm至约10mm、约10μm至约8mm、约50μm至约8mm、约100μm至约8mm、约200μm至约8mm、约500μm至约8mm、约1000μm至约8mm、约10μm至约6mm、约50μm至约6mm、约100μm至约6mm、约200μm至约6mm、约500μm至约6mm或者甚至约1000μm至约6mm。如前所述，所述多个开口区域的深度可对应于不连续输送保护层的厚度Tp。
在一些实施方案中，不连续输送保护层可包括非织造结构，即具有开口区域的非织造基底(参见图1M和图1N)，所述开口区域可基本上互连。可使用本领域已知的常规非织造结构，例如非织造纸、非织造毡和非织造网。
本公开的不连续输送保护层的织造结构和非织造结构可以是非导电结构。不连续输送保护层的织造结构和非织造结构通常包括纤维。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括织造非导电结构并且不含非织造非导电结构。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括非织造非导电结构并且不含织造非导电结构。不连续输送保护层的织造非导电结构和非织造非导电结构包括聚合物，并且任选地可包括无机物。织造结构和非织造结构可包括非导电聚合物材料以及任选的非导电无机材料。织造非导电基底和非织造非导电基底可包括纤维，例如多根纤维。织造结构和非织造结构可由聚合物纤维(例如，非导电聚合物纤维)和任选的无机纤维(例如，非导电无机纤维)制成。在一些实施方案中，织造结构和非织造结构可包括聚合物纤维并且排除无机纤维。
在一些实施方案中，织造结构和非织造结构的纤维可具有均大于约10的长度与宽度和长度与厚度的纵横比以及小于约5的宽度与厚度的纵横比。对于具有呈圆形形状的横截面的纤维，宽度和厚度应当相同并且应当等于该圆形横截面的直径。对于纤维的长度与宽度和长度与厚度的纵横比不存在特定上限。纤维的长度与厚度和长度与宽度的纵横比均可为介于约10和约1000000之间、介于10和约100000之间、介于10和约1000之间、介于10和约500之间、介于10和约250之间、介于10和约100之间、介于约10和约50之间、介于约20和约1000000之间、介于20和约100000之间、介于20和约1000之间、介于20和约500之间、介于20和约250之间、介于20和约100之间或甚至介于约20和约50之间。纤维的宽度和厚度可各自为介于约0.001微米至约500微米之间、介于约0.001微米至约250微米之间、介于约0.001微米至约100微米之间、介于约0.001微米至约50微米之间、介于约0.001微米至约25微米之间、介于约0.001微米至约10微米之间、介于约0.001微米至约1微米之间、介于约0.01微米至约500微米之间、介于约0.01微米至约250微米之间、介于0.01微米至约100微米之间、介于约0.01微米至约50微米之间、介于约0.01微米至约25微米之间、介于约0.01微米至约10微米之间、介于约0.01微米至约1微米之间、介于约0.05微米至约500微米之间、介于约0.05微米至约250微米之间、介于约0.05微米至约100微米之间、介于约0.05微米至约50微米之间、介于约0.05微米至约25微米之间、介于约0.05微米至约10微米之间、介于约0.05微米至约1微米之间、介于约0.1微米至约100微米之间、介于约0.1微米至约500微米之间、介于约0.1微米至约250微米之间、介于约0.1微米至约50微米之间、介于约0.1微米至约25微米之间、介于约0.1微米至约10微米之间或甚至介于约0.1微米至约1微米之间。在一些实施方案中，纤维的厚度和宽度可为相同的。在一些实施方案中，较小的微纤维可以织造或粘合在一起以形成具有比由它们组成的单根纤维大得多的尺寸(例如宽度和/或厚度)的粗纤维。
可使用常规技术将纤维制造成织造结构和非织造结构。非织造结构可通过熔喷纤维工艺、纺粘工艺、梳理工艺等制造。在一些实施方案中，纤维的长度与厚度和长度与宽度的纵横比可为大于1000000、大于约10000000、大于约100000000或甚至大于约1000000000。在一些实施方案中，纤维的长度与厚度和长度与宽度的纵横比可为介于约10至约1000000000之间、介于约10和约100000000之间、介于约10和约10000000、介于约20至约1000000000之间、介于约20和约100000000之间、介于约20和约10000000、介于约50至约1000000000之间、介于约50和约100000000之间或甚至介于约50至约10000000之间。
织造结构和非织造结构中的至少一种可包括本领域中已知的常规的织造和非织造纸、毡、毯和布(织物)。织造结构和非织造结构可包括聚合物纤维以及任选的陶瓷纤维。用来形成织造非导电基底和非织造非导电基底中的至少一种的类型(即，聚合物纤维类型和陶瓷纤维类型)的数目不受特别限制。聚合物纤维可包括至少一种聚合物，例如，一种聚合物组成或一种聚合物类型。聚合物纤维可包括至少两种聚合物，即，两种聚合物组成或两种聚合物类型。聚合物纤维可以是由至少两种不同聚合物类型组成的皮芯聚合物纤维。例如，聚合物纤维可包括由聚乙烯构成的一组纤维和由聚丙烯构成的另一组纤维。如果使用至少两种聚合物，那么第一聚合物纤维可具有比第二聚合物纤维更低的玻璃化转变温度和/或熔融温度。第一聚合物纤维可用于使织造结构和非织造结构中的至少一种的聚合物纤维熔合在一起，以改进例如织造结构和非织造结构的机械特性。第一聚合物纤维也可嵌入多孔电极的多个空隙的至少一部分中，或者多孔电极的一部分可嵌入第一聚合物纤维的一部分中，或者其组合。任选的陶瓷纤维可包括至少一种陶瓷，例如，一种陶瓷组成或一种陶瓷类型。任选的陶瓷纤维可包括至少两种陶瓷，即，两种陶瓷组成或两种陶瓷类型。织造结构和非织造结构可包括至少一种聚合物纤维(例如，一种聚合物组成或聚合物类型)和至少一种陶瓷纤维(例如，一种陶瓷组成或一种陶瓷类型)。例如，织造和非织造非结构中的至少一种可包括聚乙烯纤维和玻璃纤维。
织造结构和非织造结构中的至少一种的基重不受特别限制。在一些实施方案中，以克/平方米(gsm)材料测量的织造结构和非织造结构中的至少一种的基重可为介于约4gsm和约60gsm之间、介于约4gsm和约50gsm之间、介于约4gsm和约40gsm之间、介于约4gsm和约32gsm之间、介于约6gsm和约60gsm之间、介于约6gsm和约50gsm之间、介于约6gsm和约40gsm之间、介于约6gsm和约32gsm之间、介于约8gsm和约60gsm之间、介于约8gsm和约50gsm之间、介于约8gsm和约40gsm之间或者甚至介于约8gsm和约32gsm之间。
在一些实施方案中，织造结构和非织造结构可包括少量的一种或多种导电材料，只要所述导电材料不将织造非导电基底和非织造非导电基底中的至少一种改变为导电的即可。在一些实施方案中，织造非导电结构和非织造非导电结构中的至少一种基本上不含导电材料。在这种情况下，“基本上不含导电材料”意味着织造非导电基底和非织造非导电基底中的至少一种包括的导电材料为小于约25重量％、小于约20重量％、小于约15重量％、小于约10重量％、小于约5重量％、小于约3重量％、小于约2重量％、小于约1重量％、小于约0.5重量％、小于约0.25重量％、小于约0.1重量％或甚至0.0重量％。
织造结构和非织造结构中的至少一种的聚合物纤维不受特别限制。在一些实施方案中，织造结构和非织造结构中的至少一种的聚合物纤维是非导电的。在一些实施方案中，织造结构和非织造结构的聚合物纤维可包括热塑性塑料和热固性塑料中的至少一种。热塑性塑料可包括热塑性弹性体。热固性塑料可包括B阶段(B-stage)聚合物。在一些实施方案中，织造结构和非织造结构的聚合物纤维包括但不限于下述各项中的至少一种：环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯和苯乙烯基无规和嵌段共聚物(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氯乙烯和氟化聚合物(例如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯)。在一些实施方案中，聚合物纤维包括下述各项中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃、苯乙烯和苯乙烯基无规和嵌段共聚物、聚氯乙烯和氟化聚合物。
织造结构和非织造结构的任选陶瓷纤维不受特别限制。陶瓷纤维的陶瓷可包括但不限于金属氧化物(例如氧化硅，例如玻璃和掺杂玻璃)和氧化铝。
不连续输送保护层可以是多层结构。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括至少一个层。在一些实施方案中，不连续输送保护层包括两个或更多个层。不连续输送保护层的层可具有相同的组成和/或结构，或者可包括两种或更多种不同的组成和/或两种或更多种不同的结构。
本公开的不连续输送保护层还可包括在不连续输送保护层的至少一部分上的离子树脂涂层。不连续输送保护层的离子树脂涂层应当允许电解质的精选离子通过不连续输送保护层转移。这可通过允许电解质容易地润湿给定不连续输送保护层并被吸收到其中来实现。可基于阳极电解液和阴极电解液溶液的类型即它们是水基还是非水基来选择材料特性(特别是不连续输送保护层的表面润湿特性)。在一些实施方案中，离子树脂涂层的离子树脂与水、阴极电解液和/或阳极电解液可具有的表面接触角为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。在一些实施方案中，离子树脂涂覆不连续输送保护层的表面积的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或甚至至少100％。随着可润湿性的改善，通常随着离子树脂涂层的覆盖面积增加，更高的面积覆盖率可为优选的。
离子树脂涂层可由含有单体和低聚物的前体离子树脂中的一种或多种形成，所述单体和低聚物可被固化形成离子树脂涂层。前体离子树脂还可包含溶解的聚合物。前体离子树脂可包含在固化前体离子树脂之前或之后被除去的溶剂。离子树脂可由离子树脂颗粒的分散体形成，分散体的溶剂被除去以形成不连续输送保护层的离子树脂涂层。离子树脂涂层可包括离子聚合物，其可分散或溶解在溶剂中，该溶剂被除去以形成不连续输送保护层的离子树脂涂层。离子树脂涂层可包括离子聚合物、离聚物树脂和离子交换树脂中的至少一种，如本文先前所述。
离子树脂的重量与不连续输送保护层的总重量之比不受特别限制。在一些实施方案中，离子树脂的重量与不连续输送保护层的总重量之比为约0.03至约0.95、约0.03至约0.90、约0.03至约0.85、约0.03至约0.80、约0.03至约0.70、约0.05至约0.95、约0.05至约0.90、约0.05至约0.85、约0.05至约0.80、约0.05至约0.70、约0.10至约0.95、约0.10至约0.90、约0.10至约0.85、约0.10至约0.80、约0.10至约0.70、约0.20至约0.95、约0.20至约0.90、约0.20至约0.85、约0.20至约0.80、约0.20至约0.70、约0.30至约0.95、约0.30至约0.90、约0.30至约0.85、约0.30至约0.80、约0.30至约0.70、约0.40至约0.95、约0.40至约0.90、约0.40至约0.85、约0.40至约0.80或甚至约0.40至约0.70。
可使用本领域已知的涂覆技术，包括但不限于刷涂、浸涂、喷涂、刮涂(例如狭槽进料刮涂)、缺口棒涂、计量棒涂(例如麦勒棒涂)、模涂(例如流体轴承模涂)、辊涂(例如三辊涂)、幕涂等。
在一些实施方案中，离子树脂以离子树脂涂覆溶液(例如包括离子树脂、溶剂和任何其他所需添加剂的溶液)的形式涂覆在不连续输送保护层的纤维表面的至少一部分上。离子树脂涂覆溶液的挥发性组分(例如溶剂)通过干燥除去，从而将离子树脂留在不连续输送保护层的表面的至少一部分上。离子树脂涂覆溶液可通过溶液共混来制备，所述溶液共混包括将树脂、适当的溶剂和任何其他所需添加剂组合，然后以所需的剪切速率混合。混合可包括使用本领域已知的任何技术，包括叶片混合器和常规研磨，例如球磨。离子树脂涂覆溶液的其他添加剂可包括但不限于表面活性剂、分散剂、增稠剂、润湿剂等。表面活性剂、分散剂和增稠剂可有助于促进离子树脂涂覆溶液润湿不连续输送保护层的表面的能力。它们还可用作粘度调节剂。在制备涂覆溶液之前，离子树脂可为分散体或悬浮液的形式，这两种形式在通过例如乳液聚合技术或悬浮聚合技术制备离子树脂的情况下产生。添加剂诸如表面活性剂可用于将离子树脂分散体或悬浮液稳定在其溶剂中。
可用于离子树脂涂覆溶液的溶剂可基于离子树脂类型来选择。可用于离子树脂涂覆溶液的溶剂包括但不限于水、醇类(例如甲醇、乙醇和丙醇)、丙酮、乙酸乙酯、烷基溶剂(例如戊烷、己烷、环己烷、庚烷和辛烷)、甲基乙基酮、乙基乙基酮、二甲醚、石油醚、甲苯、苯、二甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、四氯化碳、氯苯以及它们的混合物。
离子树脂涂覆溶液中的溶剂的量按重量计可为约5％至约95％、约10％至约95％、约20％至约95％、约30％至约95％、约40％至约95％、约50％至约95％、约60％至约95％、约5％至约90％、约10％至约90％、约20％至约90％、约30％至约90％、约40％至约90％、约50％至约90％、约60％至约90％、约5％至约80％、约10％至约80％、约20％至约80％、约30％至约80％、约40％至约80％、约50％至约80％、约60％至约80％、约5％至约70％、约10％至约70％、约20％至约70％、约30％至约70％、约40％至约70％或甚至约50％至约70％。
表面活性剂可用于离子树脂涂覆溶液中，例如用于改善润湿度。表面活性剂可包括阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。可用于离子树脂涂覆溶液中的表面活性剂包括但不限于：TRITON X-100，可得自密歇根州米德兰的陶氏化学公司(Dow Chemical Company，Midland，Michigan)；DISPERSBYK 190，可得自德国韦塞尔的毕克化学股份有限公司(BYK Chemie GMBH，Wesel，Germany)；胺，例如油胺和十二烷胺；主链中碳原子数超过8的胺，例如3-(N，N-二甲基十二烷基胺)丙磺酸盐(SB12)；SMA 1000，可得自宾夕法尼亚州埃克斯顿克雷威利美国公司(Cray Valley USA，LLC，Exton，Pennsylvania)；1，2-丙二醇、三乙醇胺、二甲氨基乙醇；季铵和表面活性剂，其在美国专利公布No.2013/0011764中公开，该专利公布全文以引用方式并入本文。如果在离子树脂涂覆溶液中使用一种或多种表面活性剂，则可通过热处理将表面活性剂从不连续输送保护层除去，其中表面活性剂在热处理温度下挥发或分解并且所得的化合物在热处理温度下挥发。在一些实施方案中，离子树脂基本上不含表面活性剂。所谓“基本上不含”意味着离子树脂包含的表面活性剂为0重量％至0.5重量％、0重量％至0.1重量％、0重量％至0.05重量％或甚至0重量％至0.01重量％。在一些实施方案中，离子树脂不含表面活性剂。可通过用表面活性剂的溶剂进行清洗或冲洗来将表面活性剂从离子树脂移除。溶剂包括但不限于水、醇类(例如甲醇、乙醇和丙醇)、丙酮、乙酸乙酯、烷基溶剂(例如戊烷、己烷、环己烷、庚烷和辛烷)、甲基乙基酮、乙基乙基酮、二甲醚、石油醚、甲苯、苯、二甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、四氯化碳、氯苯以及它们的混合物。
通过将溶液涂覆在衬件或剥离衬件上，可用离子树脂涂覆溶液形成不连续输送保护层。然后可将不连续输送保护层的第一主表面(例如织造或非织造结构的第一主表面)放置成与离子树脂涂覆溶液接触。从衬件除去不连续输送保护层，并且用离子树脂涂覆溶液涂覆不连续输送保护层的第一主表面的至少一部分。任选地，可用相同或不同的离子树脂涂覆溶液涂覆新的衬件或相同的衬件，然后可将不连续输送保护层的第二主表面放置成接触离子树脂涂覆溶液。从衬件除去不连续输送保护层，并且用离子树脂涂覆溶液涂覆不连续输送保护层的第二主表面的至少一部分。然后将不连续输送保护层暴露于热处理(例如来自烘箱的热量或通过烘箱的气流)，以便从离子树脂涂覆溶液中除去挥发性化合物(例如溶剂)，从而产生包括聚合物和离子树脂的不连续输送保护层，该离子树脂涂覆溶液涂覆不连续输送保护层的聚合物的表面的至少一部分。制造不连续输送保护层的另选方法应当包括例如将离子树脂涂覆溶液直接涂覆到不连续输送保护层的第一主表面和/或第二主表面上，然后进行热处理(例如来自烘箱的热量或通过烘箱的气流)，以便从离子树脂涂覆溶液中除去挥发性化合物(例如溶剂)，从而产生包括聚合物和离子树脂的不连续输送保护层，该离子树脂涂覆溶液涂覆不连续输送保护层的聚合物表面的至少一部分。如果涂覆之后涂覆溶液的量太大，则可在热处理之前例如使不连续输送保护层行进通过双辊涂布机的辊隙，以除去一些离子树脂涂覆溶液。
如果离子树脂为前体离子树脂的形式，则可通过用前体树脂涂覆包括聚合物的不连续输送保护层的至少一个主表面来形成不连续输送保护层，其中不连续输送保护层的聚合物表面的至少一部分被前体离子树脂涂覆。然后可通过本领域已知的任何技术(包括但不限于热固化、光化辐射固化和电子束固化)来固化不连续输送保护层的前体离子树脂涂层。前体离子树脂可包含固化剂、催化剂、链转移剂、扩链剂等中的一种或多种，这由前体离子树脂的固化化学过程和离子树脂的所需最终特性决定。固化离子树脂前体产生包含聚合物和离子树脂的不连续输送保护层，其涂覆不连续输送保护层的聚合物表面的至少一部分。
在一些实施方案中，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可为介于约0.10和约0.995之间、介于约0.10和约0.95之间、介于约0.10和约0.90之间、介于约0.10和约0.85之间、介于约0.10和约0.75之间、介于约0.15和约0.995之间、介于约0.15和约0.95之间、介于约0.15和约0.90之间、介于约0.15和约0.85之间、介于约0.15和约0.75之间、介于约0.25和约0.995之间、介于约0.25和约0.95之间、介于约0.25和约0.90之间、介于约0.25和约0.85之间、介于约0.25和约0.75之间、介于约0.35和约0.995之间、介于约0.35和约0.95之间、介于约0.35和约0.90之间、介于约0.35和约0.85之间、介于约0.35和约0.75之间、介于约0.45和约0.995之间、介于约0.45和约0.95之间、介于约0.45和约0.90之间、介于约0.45和约0.85之间、介于约0.45和约0.75之间、介于约0.50和约0.995之间、介于约0.50和约0.95之间、介于约0.50和约0.90之间、介于约0.50和约0.85之间、介于约0.50和约0.75之间、介于约0.65和约0.995之间、介于约0.65和约0.95之间、介于约0.65和约0.90之间、介于约0.65和约0.85之间或甚至介于约0.65和约0.75之间。
不连续输送保护层的体积孔隙率被定义为不连续输送层的空隙空间的体积除以不连续输送保护层的总体积(即，毛体积)。体积孔隙率可通过本领域已知的常规技术(例如，直接方法、光学方法和气体膨胀方法)确定。例如，体积孔隙率可从以下公式计算：
体积孔隙率＝1-(Ds/Dm)
其中，
Ds＝基底密度(毛密度)，例如以g/cm3为单位。
Dm＝构成基底的材料密度，例如以g/cm3为单位。
如果基底恰好是包含一种以上的纤维类型的织造基底或非织造基底，则Dm是加权平均密度：
加权平均密度＝D1(w1/w3)+D2(w2/w3)
其中，
D1是组分1的密度
D2是组分2的密度
w1是组分1的重量
w2是组分2的重量
w3是总重量(w3＝w1+w2)
例如，对于由密度为0.95g/cm3的聚乙烯纤维制成的密度Ds为0.3g/cm3的非织造基底，孔隙率应当为1-(0.3/0.95)，即0.684。体积孔隙率是基底中的孔或开放体积的体积分数。
开口面积孔隙率是空隙(例如通孔)的面积与在不连续输送保护层的主表面处的不连续输送保护层表面的总面积(通孔和对应聚合物的面积)之比。开口面积孔隙率可通过本领域中已知的常规技术确定。例如，对于矩形通孔的长度为l且宽度为w、纬纱纤维的纤维宽度或直径为Dwe并且经纱纤维的宽度或直径为Dwa的网纱，可如下计算开口面积孔隙率(假设孔的长度对应于经纱纤维的方向，并且孔的宽度对应于纬纱纤维的方向)：
开口面积孔隙率＝(1×w)/[(1+Dwe)(w+Dwa)]
在一些实施方案中，为了使电池或蓄电池的短路电阻(与离子可渗透膜的碳纤维渗透相关联)最大化，可能期望具有较少孔的不连续输送保护层。在这些实施方案中，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可在上文所述的体积孔隙率和/或开口面积孔隙率范围的较低端。例如，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可为介于约0.10和约0.65之间、介于约0.10和约0.55之间、介于约0.10和约0.45之间、介于约0.10和约0.35之间、介于约0.15和约0.65之间、介于约0.15和约0.55之间、介于约0.15和约0.45之间或甚至介于约0.15和约0.35之间。
在一些实施方案中，为了增加电池或蓄电池中的流体流动(即阳极电解液和/或阴极电解液的流动)以便使电池电阻最大化(降低电池电阻)，可能期望具有较多孔的不连续输送保护层。在这些实施方案中，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可在上文所述的体积孔隙率和/或开口面积孔隙率范围的较高端。例如，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可为介于约0.35和约0.995之间、介于约0.35和约0.95之间、介于约0.35和约0.90之间、介于约0.35和约0.85之间、介于约0.35和约0.75之间、介于约0.45和约0.995之间、介于约0.45和约0.95之间、介于约0.45和约0.90之间、介于约0.45和约0.85之间或甚至介于约0.45和约0.75之间。
就改善包含本公开的不连续输送保护层的电化学电池或蓄电池的短路电阻和电池电阻而言，孔隙率的变化(通常增大或减小)将改善其中一个参数，同时对另一个参数产生不利影响。然而，已经令人惊讶地发现，可改善电化学电池的短路电阻(与离子可渗透膜的碳纤维渗透相关联)，同时至少不显著改变(并且在一些情况下，改善)包含本公开的不连续输送保护层的电化学电池的电池电阻。在这些实施方案中，不连续输送保护层的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者可为介于约0.35和约0.995之间、介于约0.35和约0.95之间、介于约0.35和约0.90之间、介于约0.35和约0.85之间或甚至介于约0.35和约0.75之间。
本公开还提供膜电极组件。膜电极组件可包括根据本公开的电极组件中任一个的电极组件，例如第一电极组件，并且还包括具有第一表面和相反的第二表面的离子可渗透膜，例如离子交换膜，离子可渗透膜设置在不连续输送保护层的与界面区域相反的主表面附近或该主表面上。电极组件和离子可渗透膜可形成一体结构。在一些实施方案中，可使用常规层压技术将与界面区域相反的不连续输送保护层的主表面层压到离子可渗透膜(例如离子交换膜)的第一主表面，所述层压技术可包括压力和热量中的至少一种，从而形成膜电极组件。可将第二不连续输送保护层层压到离子可渗透膜的相反第二主表面，从而形成膜电极组件。
图2A示出了根据本公开的一个示例性实施方案的膜电极组件的示意性横截面侧视图。膜电极组件200a包括具有第一主表面20a和相反的第二主表面20b的离子可渗透膜20，例如离子交换膜，以及第一电极组件100a，如前面根据图1A和图1B所述。离子可渗透膜20设置在与界面区域90相反的不连续输送保护层10的主表面10a上。离子可渗透膜20的第一主表面20a可以与电极组件100a的与界面区域90相反的第一不连续输送保护层10的主表面接触。第一电极组件100a可由本公开的任何电极组件代替，例如图1C至图1N中公开的那些。膜电极组件200a还可包括一个或多个任选的剥离衬件30、32。本领域中已知的常规剥离衬件可用于任选的剥离衬件30和32。
图2B示出了根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图2B与图2A相同，如前所述，除了它包括第二电极组件100b之外，如先前根据图1D所述。膜电极组件200b包括具有第一表面20a和相反的第二表面20b的离子可渗透膜20，例如离子交换膜，以及第一电极组件100a(如前面根据图1B所述)、第二电极组件100b(如前面根据图1D所述)。离子可渗透膜20(表面20b)设置在第二电极组件100b的与界面区域90相反的不连续输送保护层10的主表面10a上。离子可渗透膜20的第一表面20b可以与电极组件100b的与界面区域90相反的不连续输送保护层10的主表面10a接触。第一电极组件100a和/或第二电极组件100b可由本公开的任何电极组件代替，例如图1B、图1D、图1F、图1H、图1J、图1L和图1N中公开的那些。膜电极组件200b还可包括一个或多个任选的剥离衬件30、32。本领域中已知的常规剥离衬件可用于任选的剥离衬件30和32。
本公开的膜电极组件还可包括第一粘合剂层，其设置在离子可渗透膜与第一电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间(例如，设置在离子可渗透膜的第一表面与第一电极组件的不连续输送保护层之间)，其中第一粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，例如第一粘合剂层的至少一部分沿膜电极组件的周边设置。在一些实施方案中，第一粘合剂层可与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第一粘合剂层可与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的多孔电极中的至少一者或两者接触。本公开的膜电极组件可任选地包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中第二粘合剂层设置在离子可渗透膜与第二电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间(例如，设置在离子可渗透膜的第二表面与第二电极组件的不连续输送保护层之间)，其中第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，例如第二粘合剂层的至少一部分沿膜电极组件的周边设置。在一些实施方案中，第二粘合剂层可与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第二粘合剂层可与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的多孔电极中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，但不分别延伸到第一电极组件和/或第二电极组件的周边边缘。
第一粘合剂层和/或第二粘合剂层可以是环形状，即，环形形状的第一粘合剂层和/或环形形状的第二粘合剂层。术语“环”和/或“环形”通常用于描述由两个同心圆界定的环形物体。在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，但不分别延伸到第一电极组件和/或第二电极组件的中心部分中。然而，在本公开中，术语“环”和/或“环形”将是指环形物体。环的形状不受特别限制，可包括但不限于圆形、正方形、矩形、三角形、椭圆形和菱形。粘合剂层可沿膜电极组件的周边设置。在一些实施方案中，粘合剂层中的一个或多个，例如第一粘合剂层和第二粘合剂层，可沿膜电极组件的周边设置，并且是一系列不连续的线或条带。在一些实施方案中，粘合剂层中的一个或多个，例如第一粘合剂层和第二粘合剂层，可沿膜电极组件的周边设置，并且包括在膜电极组件周边的相反侧上的两个粘合剂区域，例如两条离散的粘合剂线。
在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层沿膜电极组件的周边或靠近膜电极组件的周边设置在环形区域中，并且环形区域的内部分别不含第一粘合剂层和/或第二粘合剂层。在一些实施方案中，第一粘合剂层的至少一部分和/或第二粘合剂层的至少一部分可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层中。在一些实施方案中，基本上整个第一粘合剂层和/或基本上整个第二粘合剂层可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层中。“基本上整个”意思是第一粘合剂层的体积的至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或甚至至少100％嵌入所指示的一个或多个层中。在一些实施方案中，第一粘合剂层的至少一部分和/或第二粘合剂层的至少一部分可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层和多孔电极中。在一些实施方案中，基本上整个第一粘合剂层和/或基本上整个第二粘合剂层可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层和多孔电极中。第一粘合剂层和/或第二粘合剂层可以是连续的粘合剂层，如例如图12B所示的第一粘合剂层1000。第一粘合剂层和/或第二粘合剂层可以是不连续的粘合剂层，如例如图13B所示的第一粘合剂层1000。在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层可以是不连续的粘合剂层，其包括沿膜电极组件的周边定位的两个粘合剂区域，即第一粘合剂区域和第二粘合剂区域，其中第一粘合剂区域与第二粘合剂区域相对，即第一粘合剂区域沿着周边的与第二粘合剂区域所在的周边部分相对的部分定位。膜电极组件可以是一体结构。在一些实施方案中，电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。第一粘合剂层可用于将第一电极组件粘附到离子可渗透膜，由此使得第一电极组件和离子可渗透膜形成一体结构；并且如果存在，第二粘合剂层可用于将第二电极组件粘附到离子可渗透膜，由此使得第二电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。第一电极组件和第二电极组件可以是本公开的任何电极组件，例如，图1A至图1N的电极组件100a至100g。
在本公开中，关于粘合剂层例如第一粘合剂层和/或第二粘合剂层，以及不连续输送保护层例如第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层，短语“设置在离子可渗透膜和电极组件的不连续输送保护层之间的粘合剂层”包括这样的实施方案，其中粘合剂层的至少一部分(最多至包括粘合剂层的基本上全部)嵌入电极组件中(嵌入不连续输送保护层或电极组件的不连续输送保护层和多孔电极两者中)和/或离子可渗透膜中。在一些实施方案中，离子可渗透膜是不含嵌入其中的粘合剂层的固体膜，即离子可渗透膜不包括孔隙，因此粘合剂层不能嵌入其中。
图12A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图12B的线12A截取)的示意性横截面侧视图。图12A示出了包括第一电极组件100的膜电极组件200c，其包括：不连续输送保护层10和多孔电极40；具有第一表面20a和相反的第二表面20b的离子可渗透膜20；以及设置在离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间的第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000沿膜电极组件的周边P设置。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000是连续粘合剂层。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000具有环形形状，即呈近似方形环的形状。环形的第一粘合剂层的中心部分在膜电极组件中形成间隙G。图12B为根据本公开的一个示例性实施方案的图12A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面(应当与相对于图12A的页面垂直的平面)中的示意性顶视图。图12B示出了沿膜电极组件200c的周边P设置的第一粘合剂层1000。在使用期间，在通常处于压缩状态的电化学电池中，间隙G可以被完全压缩或消除，或者可以至少部分地填充有离子可渗透膜和电极组件的不连续输送保护层中的至少一者。
图12C至图12F为根据本公开的示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12C至图12F与图12A类似，如前所述，除了如下所述的对粘合剂层的改进之外。图12C为示例性膜电极组件200d的示意性横截面侧视图。膜电极组件200d包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。当第一粘合剂层1000的一部分嵌入不连续输送保护层100中时，根据该示例性实施方案，与图12A相比，间隙G一定程度地减小。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图12A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度以将嵌入不连续输送保护层100中的粘合剂层1000的部分考虑在内。在图12C中，第一粘合剂层被图示为仅嵌入穿过不连续输送保护层10的厚度的一部分。然而，这不是特别的限制，并且第一粘合剂层1000可被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度(参见图12D)；穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且部分地穿过多孔电极40的厚度(参见图12E)，或者穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且穿过多孔电极40的基本上整个厚度(参见图12F)。短语“可被嵌入穿过基本上整个厚度”意味着包括，层厚度的至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或甚至至少100％已嵌入有粘合剂。
图12D为示例性膜电极组件200e的示意性横截面侧视图。膜电极组件200e包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在离子可渗透膜20和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层10中，因此与图12A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图12A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度。在例如图12D的实施方案中，粘合剂层可以用作垫圈，密封不连续输送保护层的周边。
在另选的实施方案中，输送保护层可被设计成由此使得它不沿膜电极组件的周边存在。在该实施方案中，粘合剂层可设置在离子可渗透膜和电极组件的多孔电极之间，并且粘合剂层沿着膜电极组件的周边。粘合剂层的内部区域是其中可存在输送保护层的空隙。诸如此类的实施方案在图12D中示出，如果粘合剂层1000被视为未嵌入不连续输送保护层10中的单独层，则不连续输送保护层10位于粘合剂层的内部区域中。在该实施方案中，粘合剂层应当设置在离子可渗透膜和电极组件的多孔电极之间。在该实施方案中，粘合剂层还可用作垫圈，密封不连续输送保护层的周边。
图12E为示例性膜电极组件200f的示意性横截面侧视图。膜电极组件200f包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在离子可渗透膜20和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层100中，因此与图12A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图12A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000沿膜电极组件200f的周边P设置。然而，在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000不延伸到膜电极组件200f的周边边缘。该构造可用于本公开的任何膜电极组件中。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且部分地穿过多孔电极40的厚度。在例如图12E的实施方案中，粘合剂层可以用作垫圈，密封不连续输送保护层的周边。
图12F为示例性膜电极组件200g的示意性横截面侧视图。膜电极组件200g包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在离子可渗透膜20和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层100中，因此与图12A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图12A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且穿过多孔电极40的基本上整个厚度。在例如图12F的实施方案中，粘合剂层可以用作垫圈，密封不连续输送保护层和多孔电极中的至少一者或两者的周边。
图12G和图12H为根据本公开的示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图12G的膜电极组件200h类似于图12F的膜电极组件200g，如前所述，不同的是膜电极组件200h还包括第二粘合剂层1000′，其设置在离子可渗透膜20的第二表面20b和第二电极组件100′的不连续输送保护层10′之间，其中该第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置。在该示例性实施方案中，第二粘合剂层1000’与离子可渗透膜20的第二表面20b和第二电极组件100’的不连续输送保护层10’均接触。图12H的膜电极组件200i类似于图12E的膜电极组件200f，如前所述，不同的是膜电极组件200i还包括第二粘合剂层1000′，其设置在离子可渗透膜20的第二表面20b和第二电极组件100′的不连续输送保护层10′之间，其中该第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置。在该示例性实施方案中，第二粘合剂层1000’与离子可渗透膜20的第二表面20b和第二电极组件100’的不连续输送保护层10’均接触。任何前述的包括单个粘合剂层的膜电极组件，例如图12A至图12F所述的膜电极组件，可用于形成包括两个粘合剂层和两个电极组件的膜电极组件，类似于图12G和图12H中所示的那些。
本公开的膜电极组件还可包括第一垫圈，其设置在离子可渗透膜和第一粘合剂层之间(即，设置在离子可渗透膜的第一表面和第一粘合剂层之间)，其中第一垫圈沿膜电极组件的周边设置。第一垫圈可与离子可渗透膜的第一表面和第一粘合剂层中的至少一者或两者接触。本公开的膜电极组件可任选地包括第二垫圈，其设置在离子可渗透膜和第二粘合剂层之间(即，设置在离子可渗透膜的第二表面和第二粘合剂层之间)，其中第二垫圈沿膜电极组件的周边设置。第二垫圈可与离子可渗透膜的第二表面和第二粘合剂层中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，但不分别延伸到第一电极组件和/或第二电极组件的周边边缘。第一垫圈和/或第二垫圈可以是环形状，即，环形形状的第一垫圈和/或环形形状的第二垫圈。术语“环”和/或“环形”通常用于描述由两个同心圆界定的环形物体。然而，在本公开中，术语“环”和/或“环形”将是指环形物体。环的形状不受特别限制，可包括但不限于圆形、正方形、矩形、三角形、椭圆形和菱形。
图13A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图13B的线13A截取)的示意性横截面侧视图。图1 3A示出了包括第一电极组件100的膜电极组件300a，其包括不连续输送保护层10和多孔电极40；具有第一表面20a和相反的第二表面20b的离子可渗透膜20；第一粘合剂层1000；以及第一垫圈1040，其具有第一表面1040a和相反的第二表面1040b，设置在离子可渗透膜20的第一表面20a和第一粘合剂层1000之间。第一粘合剂层1000沿膜电极组件的周边P设置。在该示例性实施方案中，第一垫圈1040的第一表面1040a与离子可渗透膜20的第一表面20a接触，并且第一垫圈1040的第二表面1040b与第一粘合剂层1000接触。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与第一垫圈1040的第二表面1040b和第一电极组件100的不连续输送保护层10接触。另外，在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000是不连续的粘合剂层，例如一系列离散的粘合剂区域。在该示例性实施方案中，第一垫圈1040具有环形形状，即呈近似方形环的形状。环形的第一垫圈的中心部分在膜电极组件中形成间隙G。图13B为根据本公开的一个示例性实施方案的图13A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。图13B示出了沿膜电极组件300a的周边P设置的第一粘合剂层1000。方形虚线是表示第一垫圈1040的内边缘的假想线，并提供环形形状的透视图和第一垫圈1040的位置。
图13C至图13F为根据本公开的示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13C至图13F与图13A类似，如前所述，除了如下所述的对粘合剂层的改进之外。图13C为示例性膜电极组件300c的示意性横截面侧视图。膜电极组件300c包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在第一垫圈1040和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与第一垫圈1040的第二表面1040b和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。当第一粘合剂层1000的一部分嵌入不连续输送保护层100中时，根据该示例性实施方案，与图13A相比，间隙G一定程度地减小。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图13A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度以将嵌入不连续输送保护层100中的粘合剂层1000的部分考虑在内。在图13A中，第一粘合剂层被图示为仅嵌入穿过不连续输送保护层10的厚度的一部分。然而，这不是特别的限制，并且第一粘合剂层1000可被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度(参见图13D)；穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且部分地穿过多孔电极40的厚度(参见图13E)，或者穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且穿过多孔电极40的基本上整个厚度(参见图13F)。短语“可被嵌入穿过基本上整个厚度”意味着包括，层厚度的至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或甚至至少100％已嵌入有粘合剂。
图13D为示例性膜电极组件300d的示意性横截面侧视图。膜电极组件300d包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在第一垫圈1040和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与第一垫圈1040的第二表面1040b和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层10中，因此与图13A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图13A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度。
图13E为示例性膜电极组件300e的示意性横截面侧视图。膜电极组件300e包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在第一垫圈1040和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与第一垫圈1040的第二表面1040b和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层100中，因此与图13A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图13A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000沿膜电极组件300e的周边P设置。然而，在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000不延伸到膜电极组件200f的周边边缘。该构造可用于本公开的任何膜电极组件中。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且部分地穿过多孔电极40的厚度。
图13F为示例性膜电极组件300f的示意性横截面侧视图。膜电极组件300f包括第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000设置在第一垫圈1040和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与第一垫圈1040的第二表面1040b和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。第一粘合剂层1000的至少一部分嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。在该示例性实施方案中，基本上整个第一粘合剂层1000嵌入第一电极组件100的不连续输送保护层10和多孔电极40中。由于基本上整个第一粘合剂层1000嵌入不连续输送保护层100中，因此与图13A相比，间隙G非常薄或不再存在。如果希望保持间隙G的厚度，类似于图13A中间隙G的厚度，可以增加第一粘合剂层1000的厚度。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000被嵌入穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且穿过多孔电极40的基本上整个厚度。
图13G和图13H为根据本公开的示例性实施方案的示例性膜电极组件的示意性横截面侧视图。图13G的膜电极组件300g类似于图13F的膜电极组件300f，如前所述，不同的是膜电极组件200h还包括第二电极组件100′，其包括不连续输送保护层10′和多孔电极40′；第二粘合剂层1000’；以及第二垫圈1040’，其具有第一表面1040a’和相反的第二表面1040b’，设置在离子可渗透膜20的第二表面20b和第二粘合剂层1000’之间。第二粘合剂层1000′沿膜电极组件的周边P设置。在该示例性实施方案中，第二垫圈1040′的第一表面1040a′与离子可渗透膜20的第二表面20b接触，并且第二垫圈1040′的第二表面1040b′与第二粘合剂层1000′接触。在该示例性实施方案中，第二粘合剂层1000′与第二垫圈1040′的第二表面1040b′和第二电极组件100′的不连续输送保护层10′接触。
图13H的膜电极组件300h类似于图13E的膜电极组件300e，如前所述，不同的是膜电极组件300h还包括第二电极组件100′，其包括不连续输送保护层10′和多孔电极40′；第二粘合剂层1000’；以及第二垫圈1040’，其具有第一表面1040a’和相反的第二表面1040b’，设置在离子可渗透膜20的第二表面20b和第二粘合剂层1000’之间。第二粘合剂层1000′沿膜电极组件的周边P设置。在该示例性实施方案中，第二垫圈1040′的第一表面1040a′与离子可渗透膜20的第二表面20b接触，并且第二垫圈1040′的第二表面1040b′与第二粘合剂层1000′接触。在该示例性实施方案中，第二粘合剂层1000′与第二垫圈1040′的第二表面1040b′和第二电极组件100′的不连续输送保护层10′接触。任何前述的包括单个粘合剂层的膜电极组件，例如图13A至图13F所述的膜电极组件，可用于形成包括两个粘合剂层和两个电极组件的膜电极组件，类似于图13G和图13H中所示的那些。
在本公开通篇中，膜电极组件的各种部件，例如粘合剂层和垫圈层，已经包括“间隙”。在实际使用期间，由于在组装电化学电池或液流蓄电池期间施加到膜电极组件上的力(例如压缩力)，在电化学电池或液流蓄电池内的间隙中的一个或多个(最多至包括所有间隙)可被减小厚度或完全消除。
包括与离子可渗透膜接触的至少一个垫圈的膜电极组件，例如图13A至图13G中所述的膜电极组件，可以是一体结构。在一些实施方案中，如果需要，可以在加热和/或压力下将垫圈层压到离子可渗透膜，由此使得电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。在一些实施方案中，垫圈可通过第三粘合剂层(图13A至图13H中未示出)粘附到膜电极组件，由此使得电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。
在其他实施方案中，本公开的膜电极组件可包括第一粘合剂层，其设置在离子可渗透膜与第一电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间(例如，设置在离子可渗透膜的第一表面与第一电极组件的不连续输送保护层之间)，其中第一粘合剂层是至少设置在膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中多个第一粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。在一些实施方案中，多个第一粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％、小于至少40％、小于至少30％、小于至少20％、小于至少10％或甚至小于至少5％。“在内部内”意思是相对于膜电极组件的平面的内部，即与周边区域相对的内部区域。在一些实施方案中，第一粘合剂层可与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第一粘合剂层可与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的多孔电极中的至少一者或两者接触。本公开的膜电极组件可任选地包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中第二粘合剂层设置在离子可渗透膜与第二电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间(例如，设置在离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层之间)，其中第二粘合剂层是至少设置在膜电极组件内部内的多个第二粘合剂区域，并且其中多个第二粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。在一些实施方案中，多个第二粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％、小于至少40％、小于至少30％、小于至少20％、小于至少10％或甚至小于至少5％。在一些实施方案中，第二粘合剂层可以如图12A至图12H和图13A至图13H中的任一个所述。在一些实施方案中，第二粘合剂层可与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第二粘合剂层可与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的多孔电极中的至少一者或两者接触。在一些实施方案中，第一粘合剂层和/或第二粘合剂层沿膜电极组件的周边设置，但不分别延伸到第一电极组件和/或第二电极组件的周边边缘。在一些实施方案中，第一粘合剂层的至少一部分和/或第二粘合剂层的至少一部分可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层中。在一些实施方案中，基本上整个第一粘合剂层和/或基本上整个第二粘合剂层可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层中。“基本上整个”意思是第一粘合剂层的体积的至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或甚至至少100％嵌入所指示的一个或多个层中。在一些实施方案中，第一粘合剂层的至少一部分和/或第二粘合剂层的至少一部分可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层和多孔电极中。在一些实施方案中，基本上整个第一粘合剂层和/或基本上整个第二粘合剂层可分别嵌入第一电极组件和/或第二电极组件的不连续输送保护层和多孔电极中。
包括第一粘合剂层的膜电极组件还可包括第一垫圈和任选的第二垫圈，类似于先前在图13A至图13H中描述的膜电极组件，所述第一粘合剂层包括至少设置在膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中所述多个第一粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。膜电极组件还可包括第一垫圈，其设置在离子可渗透膜和第一粘合剂层之间(即，设置在离子可渗透膜的第一表面和第一粘合剂层之间)或不连续输送保护层之间。由于第一垫圈通常是环形的并且沿膜电极组件的周边P定位，所以第一垫圈可设置在离子可渗透膜的第一表面和第一粘合剂层之间，如果第一粘合剂层延伸到膜电极组件的周边并且沿膜电极组件的周边设置，则第一垫圈和第一粘合剂层重叠。如果第一垫圈和第一粘合剂层不重叠，则第一垫圈可设置在离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的不连续输送保护层之间。第一垫圈可与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。第一垫圈可与离子可渗透膜的第一表面和第一粘合剂层中的至少一者或两者接触。本公开的膜电极组件可任选地包括第二垫圈，其设置在离子可渗透膜和第二粘合剂层之间(即，设置在离子可渗透膜的第二表面和第二粘合剂层之间)或第二电极组件的不连续输送保护层之间。由于第二垫圈通常是环形的并且沿膜电极组件的周边P定位，所以第二垫圈可设置在离子可渗透膜的第二表面和第二粘合剂层之间，如果第二粘合剂层延伸到膜电极组件的周边并且沿膜电极组件的周边设置，则第二垫圈和第二粘合剂层重叠。如果第二垫圈和第二粘合剂层不重叠，则第二垫圈可设置在离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层之间。第二垫圈可与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层中的至少一者或两者接触。第二垫圈可与离子可渗透膜的第二表面和第二粘合剂层中的至少一者或两者接触。如前所述，第一垫圈和/或第二垫圈可以是环形状。第一电极组件和第二电极组件可以是本公开的任何电极组件，例如，图1A至图1N的电极组件100a至100g。
图14A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性膜电极组件(通过图14B的线14A截取)的示意性横截面侧视图。图14A示出了包括第一电极组件100的膜电极组件400a，其包括不连续输送保护层10和多孔电极40；具有第一表面20a和相反的第二表面20b的离子可渗透膜20；以及设置在离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10之间的第一粘合剂层1000。第一粘合剂层1000是设置在膜电极组件400a内部内的多个第一粘合剂区域1002，其中多个第一粘合剂区域在膜电极组件400a的平面中的面积(如图14B所示的圆圈的总面积)为小于膜电极组件的投影面积(图14B所示的大正方形的面积)的至少50％。在该示例性实施方案中，第一粘合剂层1000与离子可渗透膜20的第一表面20a和第一电极组件100的不连续输送保护层10均接触。图14B为根据本公开的一个示例性实施方案的图14A的示例性膜电极组件的粘合剂层平面中的示意性顶视图。图14B示出了第一粘合剂层1000，其包括设置在膜电极组件400a内部内的多个第一粘合剂区域1002。在图14A中，第一粘合剂层被图示为与电极组件100的输送保护层10接触，但未嵌入其中。然而，这不是特别的限制，并且第一粘合剂层1000可被嵌入穿过不连续输送保护层10的厚度的一部分(参见图12C)；穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度(参见图12D)；穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且部分地穿过多孔电极40的厚度(参见图12E)，或者穿过不连续输送保护层10的基本上整个厚度并且穿过多孔电极40的基本上整个厚度(参见图12F)。短语“可被嵌入穿过基本上整个厚度”意味着包括，层厚度的至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或甚至至少100％已嵌入有粘合剂。膜电极组件400a还可包括第二粘合剂层和第二电极组件，如先前在例如图12G和图12H以及图13G和图13H中所述。第二粘合剂层也可如图14A和图14B的第一粘合剂层所述，其中第二粘合剂层是设置在膜电极组件内部内的多个第二粘合剂区域，并且其中多个第二粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。在一些实施方案中，多个第二粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％、小于至少40％、小于至少30％、小于至少20％、小于至少10％或甚至小于至少5％。粘合剂区域的形状不受特别限制，并且可包括但不限于立方体、长方体、圆柱体、球体、球状体、棱锥、截棱锥、锥体等。粘合区域可以是离散线，例如长方体线、圆柱体线等。
本公开的粘合剂层可包括压敏粘合剂、热熔粘合剂和热固性粘合剂中的至少一种。可用于本公开的粘合剂层的压敏粘合剂包括但不限于基于丙烯酸酯、硅氧烷、丁腈橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯嵌段共聚物、氨基甲酸酯等的那些。基于聚(甲基)丙烯酸酯的压敏粘合剂可能是特别合适的。
热活化粘合剂是这样的粘合剂，其在环境温度或使用温度下可用作粘合剂(例如压敏粘合剂或结构粘合剂)，同时具有在高温下流动(类似于液体)的能力。热活化粘合剂包括热熔粘合剂，是半结晶或无定形的粘合剂，并且当它们被加热到高于其结晶熔融温度Tm和/或高于其玻璃化转变温度Tg的温度时具有流动的能力。一旦冷却回到低于其Tm和/或Tg的温度，热熔粘合剂就硬化并提供粘合性能。热熔粘合剂可包括聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸酯、聚烯烃、聚碳酸酯和环氧树脂中的至少一种。热熔粘合剂可以为能够固化的。固化热熔粘合剂可包括湿固化、热固化和光化辐射固化中的至少一种。热活化粘合剂可包括在美国专利公布No.2012/0325402(Suwa等人)和美国专利No.7,008,680(Everaerts等人)和No.5,905,099(Everaerts等人)中公开的粘合剂，所述专利均以引用方式并入本文。
本公开的粘合剂可通过本领域已知技术施加至膜电极组件，所述技术包括层压，例如通过使用粘合剂转印带将粘合剂层层压到电极组件的不连续输送保护层；以及各种涂覆和印刷技术，例如在电极组件的不连续输送保护层上丝网印刷粘合剂。
第一垫圈和第二垫圈可由通常用作液流蓄电池领域中的垫圈材料的材料制备。尽管用于垫圈的材料不受特别限制，但通常垫圈的材料对液流蓄电池中使用的阳极电解液和/或阴极电解液具有良好的耐化学性。第一垫圈和/或第二垫圈可包括至少一种聚合物。在一些实施方案中，第一垫圈和/或第二垫圈可包括但不限于下述各项中的至少一种：聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯和苯乙烯基无规和嵌段共聚物(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氯乙烯和氟化聚合物(例如聚偏二氟乙烯和聚四氟乙烯)。
在本公开通篇中，已将第一垫圈和第二垫圈图示(例如，参见图13C至图13H)为具有与膜电极组件的宽度相同的宽度，但这不是必需的。在一些实施方案中，第一垫圈和/或第二垫圈的宽度可小于膜电极组件和不连续输送保护层中的至少一者的宽度。在一些实施方案中，第一垫圈和/或第二垫圈的宽度可大于膜电极组件和不连续输送保护层中的至少一者的宽度。当第一垫圈和/或第二垫圈的宽度大于膜电极组件和不连续输送保护层中的至少一者的宽度时，当包括在电化学电池或液流蓄电池中时，垫图可用于密封膜电极组件。
本公开的膜电极组件包括特别有用的离子可渗透膜、离子交换膜。可使用本领域已知的离子可渗透膜和离子交换膜。离子可渗透膜，例如离子交换膜，通常称为隔膜，并且可由离子聚合物制备，例如，先前针对不连续输送保护层的离子聚合物所讨论的那些，所述离子聚合物包括但不限于离子交换树脂、离聚物树脂及其组合。在一些实施方案中，膜例如离子交换膜可包括氟化离子交换树脂。可用于本公开的实施方案中的膜例如离子交换膜可由本领域已知的离子交换树脂和/或离聚物制备或者可作为膜商购获得，并且包括但不限于：NAFION PFSA MEMBRANES，可得自特拉华州威尔明顿的杜邦公司(DuPont，Wilmington，Delaware)；AQUIVION PFSA，一种全氟磺酸，可得自比利时布鲁塞尔的索尔维集团(SOLVAY，Brussels，Belgium)；FLEMION和SELEMION，含氟聚合物离子交换膜，可得自日本东京的旭硝子株式会社(Asahi Glass，Tokyo，Japan)；FUMASEP离子交换膜，包括FKS、FKB、FKL、FKE阳离子交换膜和FAB、FAA、FAP和FAD阴离子交换膜，可得自德国比蒂格海姆-比辛根的福马科技公司(Fumatek，Bietigheim-Bissingen，Germany)；离子交换膜，当量为825的全氟磺酸离聚物，可以商品名“3M825EW”获得，以粉末或水溶液得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3MCompany，St.Paul，Minnesota)；当量为725的全氟磺酸离聚物，可以商品名“3M725EW”获得，以粉末或水溶液得自3M公司(3M Company)；以及在美国专利No.7,348,088中描述的材料，该专利全文以引用方式并入本文。在一些实施方案中，离子交换膜包括含氟聚合物。在一些实施方案中，离子交换膜的含氟聚合物可包含的氟为介于约10重量％至约90重量％之间、约20重量％至约90重量％、约30重量％至约90重量％或甚至约40重量％至约90重量％。
本公开的膜例如离子可渗透膜可作为独立膜从商业供应商处获得，或者可通过涂覆溶于适当溶剂中的适当膜树脂(例如，离子交换膜树脂)的溶液然后加热以移除溶剂来制造。通过将该溶液涂覆在剥离衬件上，然后干燥膜涂覆溶液涂层以移除溶剂，可以由涂覆溶液形成膜。
可使用任何合适的涂覆方法将膜涂覆溶液涂覆在剥离衬件上。典型方法包括手工方法和机械方法两者，包括手刷、缺口棒涂、液压轴承模涂、线绕棒涂、液压轴承涂覆、狭槽进料刮涂和三辊涂覆。最典型的是使用三辊涂敷。可利用一次涂布或多次涂布实现涂覆。利用多次涂布的涂覆可用于增加涂层重量，但不相应地增加离子可渗透膜的开裂。
膜涂覆溶液中的溶剂的量按重量计可为约5％至约95％、约10％至约95％、约20％至约95％、约30％至约95％、约40％至约95％、约50％至约95％、约60％至约95％、约5％至约90％、约10％至约90％、约20％至约90％、约30％至约90％、约40％至约90％、约50％至约90％、约60％至约90％、约5％至约80％、约10％至约80％、约20％至约80％、约30％至约80％、约40％至约80％、约50％至约80％、约60％至约80％、约5％至约70％、约10％至约70％、约20％至约70％、约30％至约70％、约40％至约70％或甚至约50％至约70％。
膜涂覆溶液中的膜树脂(例如，离子交换树脂和离聚物树脂)的量按重量计可为约5％至约95％、约5％至约90％、约5％至约80％、约5％至约70％、约5％至约60％、约5％至约50％、约5％至约40％、约10％至约95％、约10％至约90％、约10％至约80％、约10％至约70％、约10％至约60％、约10％至约50％、约10％至约40％、约20％至约95％、约20％至约90％、约20％至约80％、约20％至约70％、约20％至约60％、约20％至约50％、约20％至约40％、约30％至约95％、约30％至约90％、约30％至约80％、约30％至约70％、约30％至约60％或甚至约30％至约50％。
离子可渗透膜的厚度可为约5微米至约250微米、约5微米至约200微米、约5微米至约150微米、约5微米至约100微米、约10微米至约250微米、约10微米至约200微米、约10微米至约150微米、约5微米至约10微米、约15微米至约250微米、约15微米至约200微米、约15微米至约150微米或甚至约15微米至约100微米。
在本公开通篇中，已将离子可渗透膜图示(例如，参见图12A至图14B)为具有与膜电极组件的宽度相同的宽度，但这不是必需的。在一些实施方案中，离子可渗透膜的宽度可小于膜电极组件和不连续输送保护层中的至少一者的宽度。在一些实施方案中，离子可渗透膜的宽度可大于膜电极组件和不连续输送保护层中的至少一者的宽度。
本公开的电极组件和膜电极组件包括至少一个多孔电极。本公开的多孔电极是导电的，并且通过增加发生反应的每单位体积电极的活性表面积的量，并通过使阳极电解液和阴极电解液渗透到多孔区域中并触及该附加的表面区域，孔隙率促进其中发生的氧化/还原反应。多孔电极可包括织造和非织造纤维垫、织造和非织造纤维纸、毡和布(织物)中的至少一种。在一些实施方案中，该多孔电极包括碳纤维。多孔电极的碳纤维可包括但不限于玻璃状碳、无定形碳、石墨烯、碳纳米管和石墨。特别有用的多孔电极材料包括碳纸、碳毡和碳布(织物)。在一些实施方案中，多孔电极包括碳纸、碳毡和碳布中的至少一种。在一些实施方案中，多孔电极包括的碳纤维为约30重量％至约100重量％、约40重量％至约100重量％、约50重量％至约100重量％、约60重量％至约100重量％、约70重量％至约100重量％、约80重量％至约100重量％、约90重量％至约100重量％或甚至约95重量％至约100重量％。在一些实施方案中，多孔电极包括的导电碳颗粒为约50重量％至约100重量％、约60重量％至约100重量％、约70重量％至约100重量％、约80重量％至约100重量％、约90重量％至约100重量％、约95重量％至约100重量％或甚至约97重量％至约100重量％。在一些实施方案中，导电碳颗粒可包括碳粒子、碳薄片、碳纤维、碳枝晶、碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者；可使用组合。在一些实施方案中，导电碳颗粒可包括石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者；可使用组合。在一些实施方案中，多孔电极包括约5重量％至约100重量％、约10重量％至约100重量％、约20重量％至约100重量％、约35重量％至约100重量％或甚至约50重量％至约100重量％的石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝状体中的至少一者。
可用于本公开的电极组件和膜电极组件的其他多孔电极包括以下待审美国临时申请中包括的那些：No.62/183429，标题为“Porous Electrodes and ElectrochemicalCells and Liquid Flow Batteries Therefrom(多孔电极以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池)”，2015年6月23日提交；No.62/183441，标题为“Porous Electrodes andElectrochemical Cells and Liquid Flow Batteries Therefrom(多孔电极以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池)”，2015年6月23日提交；No.62/269227，标题为“PorousElectrodes，Membrane-Electrode Assemblies，Electrode Assemblies，andElectrochemical Cells and Liquid Flow Batteries Therefrom(多孔电极、膜电极组件、电极组件以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池)”，2015年12月18日提交；以及No.62/269239，标题为“Porous Electrodes and Electrochemical Cells and LiquidFlow Batteries Therefrom(多孔电极以及由其制成的电化学电池和液流蓄电池)”，2015年12月18日提交，所有这些专利全文以引用方式并入本文。
多孔电极的厚度可为约10微米至约15000微米、约10微米至约10000微米、约10微米至约5000微米、约10微米至约1000微米、约10微米至约500微米、约10微米至约250微米、约10微米至约100微米、约25微米至约15000微米、约25微米至约10000微米、约25微米至约5000微米、约25微米至约1000微米、约25微米至约500微米、约25微米至约250微米或甚至约25微米至约100微米。多孔电极的孔隙率按体积计可为约5％至约95％、约5％至约90％、约5％至约80％、约5％至约70％、约10％至约95％、约10％至90％、约10％至约80％、约10％至约70％、约10％至约70％、约20％至约95％、约20％至约90％、约20％至约80％、约20％至约70％、约20％至约70％、约30％至约95％、约30％至约90％、约30％至约80％或甚至约30％至约70％。
多孔电极可为：单层或多层的织造和非织造纤维垫；织造和非织造纤维纸、毡和布；以及具有特定实用性的多层纸和毡。当多孔电极包括多个层时，对于可使用的层数没有特别限制。然而，由于为了降低成本和/或组装步骤数，通常期望使本公开的电极组件和膜电极组件的层数最小化，因此多孔电极可包括的织造和非织造纤维垫、织造和非织造纤维纸、毡、布和泡沫为约2层至约20层、约2层至约10层、约2层至约8层、约2层至约5层、约3层至约20层、约3层至约10层、约3层至约8层或甚至约3层至约5层。在一些实施方案中，多孔电极包括的碳纸、碳毡和/或碳布为约2层至约20层、约2层至约10层、约2层至约8层、约2层至约5层、约3层至约20层、约3层至约10层、约3层至约8层或甚至约3层至约5层。
在一些实施方案中，可对多孔电极进行表面处理以增强多孔电极对于给定阳极电解液或阴极电解液的可润湿性，或者以提供或增强多孔电极相对于与给定阳极电解液或阴极电解液的化学组成相关联的氧化还原反应的电化学活性。表面处理包括但不限于化学处理、热处理和等离子体处理中的至少一者。多孔电极的热处理可包括在氧化气氛(例如氧气和空气)中加热至高温。可在下述温度下进行热处理：约100至约1000摄氏度、约100至约850摄氏度、约100至约700摄氏度、约200至约1000摄氏度、约200至约850摄氏度、约200至约700摄氏度、约300至约1000摄氏度、约300至约850摄氏度或甚至约300至约700摄氏度。热处理的持续时间可为约0.1小时至约60小时、约0.25小时至约60小时、约0.5小时至约60小时、约1小时至约60小时、约3小时至约60小时、约0.1小时至约48小时、约0.25小时至约48小时、约0.5小时至约48小时、约1小时至约48小时、约3小时至约48小时、约0.1小时至约24小时、约0.25小时至约24小时、约0.5小时至约24小时、约1小时至约24小时、约3小时至约24小时、约0.1小时至约12小时、约0.25小时至约12小时、约0.5小时至约12小时、约1小时至约12小时或甚至约3小时至约48小时。在一些实施方案中，多孔电极包括碳纸、碳毡和碳布中的至少一种，其已在空气、氧气、氢气、氮气、氩气和氨气气氛中的至少一种中在约300摄氏度至约700摄氏度的温度下热处理约0.1小时至48小时。
在一些实施方案中，该多孔电极可为亲水性的。当多孔电极有待与含水阳极电解液和/或阴极电解液溶液结合使用时，这可为特别有利的。将液体(例如水、阴极电解液和/或阳极电解液)吸收到液流电池组电极的孔中可被视为液流电池组的最佳操作的关键特性。在一些实施方案中，100％的电极的孔可被液体填充，从而在液体和电极表面之间形成最大界面。在其它实施方案中，介于约30％和约100％之间、介于约50％和约100％之间、介于约70％和约100％之间，或甚至介于约80％和100％之间的电极的孔可被液体填充。在一些实施方案中，多孔电极与水、阴极电解液和/或阳极电解液的表面接触角可为小于90度。在一些实施方案中，多孔电极与水、阴极电解液和/或阳极电解液的表面接触角可为介于约90度和约0度之间、介于约85度和约0度之间、介于约70度和约0度之间、介于约50度和约0度之间、介于约30度和约0度之间、介于约20度和约0度之间或甚至介于约10度和约0度之间。
本公开的电极组件和膜电极组件的界面区域包括嵌入多孔电极的多个空隙的至少一部分中的不连续输送保护层的聚合物的一部分，嵌入不连续输送保护层的聚合物的一部分中的多孔电极的一部分，或其组合。界面区域的厚度Ti不受特别限制。在一些实施方案中，界面区域的厚度为约10微米至约300微米、约10微米至约200微米、约10微米至约150微米、20微米至约300微米、约20微米至约200微米、约20微米至约150微米、30微米至约300微米、约30微米至约200微米或甚至约30微米至约150微米。在一些实施方案中，不连续输送保护层具有厚度Tp，界面区域具有厚度Ti，并且比率Ti/Tp为约0.005至约0.8、约0.01至约0.8、约0.025至约0.8、约0.05至约0.8、约0.1至约0.8、约0.005至约0.65、约0.01至约0.65、约0.025至约0.65、约0.05至约0.65、约0.1至约0.65、约0.005至约0.5、约0.01至约0.5、约0.025至约0.5、约0.05至约0.5、约0.1至约0.5、约0.005至约0.4、约0.01至约0.4、约0.025至约0.4、约0.05至约0.4、约0.1至约0.4、约0.005至约0.3、约0.01至约0.3、约0.025至约0.3、约0.05至约0.3或甚至约0.1至约0.3。界面区域可包括聚合物和多孔电极之间的机械结合。可通过在不连续输送保护层的聚合物和界面区域内的多孔电极之间的结合(例如机械结合)形成电极组件的一体结构。在一些实施方案中，界面区域将不连续输送保护层结合到多孔电极，从而形成一体结构。可在电极组件制造过程期间形成界面区域。
在一个实施方案中，通过聚合物的熔融挤出可形成不连续输送保护层，所述聚合物设置在多孔电极的第一主表面上。熔融聚合物可流入多孔电极的多个空隙的至少一部分中，并且任选地，包封多孔电极的纤维(如果存在的话)，在冷却时硬化，从而将不连续输送保护层结合(例如机械结合)到多孔电极，形成一体结构。可将压力和/或热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将熔融聚合物推压到多个空隙中。
在另一个实施方案中，可在多孔电极的第一主表面上以所需图案丝网印刷具有适当粘度的聚合物溶液。聚合物溶液可流入多孔电极的多个空隙的至少一部分中，并且任选地，包封多孔电极的纤维(如果存在的话)，在干燥、固化和/或去除剪切应力时硬化，从而将不连续输送保护层结合(例如机械结合)到多孔电极，形成一体结构。可将压力和/或热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将聚合物溶液推压到多个空隙中。
在又一个实施方案中，热塑性塑料或B阶热固性塑料的连续膜可形成为不连续输送保护层，例如，通过将所需的开口区域模切成连续膜，形成网状结构。不连续输送保护层可在高于热塑性塑料或B阶热固性塑料的软化温度的适当温度下层压到多孔电极的第一主表面，由此使得热塑性塑料或B阶热固性塑料流入多孔电极的多个空隙的至少一部分中，并且任选地包封多孔电极的纤维(如果存在的话)，然后在热或光化辐射下冷却或固化(B阶热固性)时硬化，从而将不连续输送保护层结合(例如机械结合)到多孔电极，形成一体结构。可将压力和/或额外的热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将热塑性塑料或B阶热固性塑料推压到多个空隙中。
在另一个实施方案中，热塑性纤维或B阶热固性纤维的织造结构或非织造结构可通过例如使用常规技术制造织造结构或非织造结构而形成不连续输送保护层。不连续输送保护层可在高于热塑性塑料或B阶热固性塑料的软化温度的适当温度下层压到多孔电极的第一主表面，由此使得热塑性塑料或B阶热固性塑料流入多孔电极的多个空隙的至少一部分中，并且任选地包封多孔电极的纤维(如果存在的话)，然后在热或光化辐射下冷却或固化(B阶热固性)时硬化，从而将不连续输送保护层结合(例如机械结合)到多孔电极，形成一体结构。可将压力和/或额外的热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将热塑性塑料或B阶热固性塑料推压到多个空隙中。
在一些实施方案中，多孔电极的表面可以是粗糙的并且包括其表面上方的突出部，例如，构成多孔电极的可在多孔电极的表面上方突出的纤维。在这些实施方案中，不连续输送保护层的聚合物，当其高于其软化温度和/或以可流动溶液的形式时，可以流动并包封突出部，并且由于冷却(例如，用于聚合物熔体，例如，热塑性塑料或B阶热固性塑料)或干燥(例如，用于聚合物溶液)或固化(例如，用于聚合物溶液或B阶热固性塑料)而硬化，从而将不连续输送保护层结合(例如机械结合)到多孔电极，形成一体结构。
在一些实施方案中，多孔电极的厚度结合界面区域的厚度，即Te+Ti，可为约10微米至约1000微米、约10微米至约500微米、约10微米至约250微米、约10微米至约100微米、约25微米至约1000微米、约25微米至约500微米、约25微米至约250微米或甚至约25微米至约100微米。
本公开的不连续输送保护层、多孔电极、膜以及对应的电极组件和膜电极组件可用于制造电化学电池，以用于例如液流蓄电池，例如氧化还原液流蓄电池。在一些实施方案中，本公开提供了电化学电池，该电化学电池包括至少一个电极组件或至少一个膜电极组件。在一个实施方案中，本公开提供了电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了电化学电池，该电化学电池包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的膜电极组件。
图3示出了根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池的示意性横截面侧视图。电化学电池300包括多孔电极40、不连续输送保护层10、界面区域90以及离子可渗透膜20，全部均如先前所述。电化学电池300包括端板50和50′，其分别具有流体入口51a和51a′、流体出口51b和51b′、流动通道55和55′和第一表面50a和52a。电化学电池300还包括集电器60和62。端板50和51分别通过表面50a和52a与多孔电极40电连通。支撑板(未示出)可放置成邻近集电器60和62的外表面。支撑板与集电器电隔离并且提供机械强度和支撑以有利于电池组件的压缩。在一些实施方案中，电化学电池300包括至少一个电极组件100，包括多孔电极40、不连续输送保护层10和界面区域90。电极组件100可以是本公开的任何电极组件，例如，电极组件100a至100g(图1A至图1N)。图3示出了两个电极组件100，例如第一电极组件和第二电极组件。这两个电极组件可以是相同的也可以是不同的。例如，第一电极组件可以是电极组件100a(图1A和图1B)，而第二电极组件可以是电极组件100f(图1K和图1L)。电化学电池300还可包括膜电极组件200和/或200′。膜电极组件200可以是具有本文所述的单个多孔电极的任何膜电极组件，例如膜电极组件200a(图2A)。膜电极组件200’可以是具有本文所述的两个多孔电极的任何膜电极组件，例如膜电极组件200b(图2B)。
单独的电化学电池可被布置为形成电化学电池组。如本文先前所述，本公开的电化学电池组可包括多个电极组件和/或多个膜电极组件。在一个实施方案中，本公开提供了一种电化学电池组，该电化学电池组包括根据本公开的电极组件中任一个所述的至少两个、至少三个或甚至至少四个电极组件。在另一个实施方案中，本公开提供了一种电化学电池组，该电化学电池组包括根据本公开的膜电极组件中任一个所述的至少两个、至少三个、至少四个膜电极组件。图4示出了根据本公开的一个示例性实施方案的示例性电化学电池组的示意性横截面侧视图。电化学电池组310包括膜电极组件200’，膜电极组件200’被双极板50”以及具有流动通道55和55’的端板50和50’隔开。例如，双极板50”允许阳极电解液流经一组通道55，并且允许阴极电解液流经另一组通道55’。电池组310包括多个电化学电池，每个电池由膜电极组件和对应的邻近双极板和/或端板表示。先前已经描述了膜电极组件200’。在一些实施方案中，膜电极组件200’可各自包括本公开的两个电极组件，例如，电极组件100a至100g中的至少两个。在一些实施方案中，膜电极组件200’的电极组件之一可用不包含不连续输送保护层的电极组件代替。在电化学电池组内，膜电极组件可以相同或可以不同。在电化学电池组内，电极组件可以相同或可以不同。支撑板(未示出)可放置成邻近集电器60和62的外表面。支撑板与集电器电隔离并且提供机械强度和支撑以有利于电池组件的压缩。阳极电解液和阴极电解液的入口和出口以及对应的流体分配系统未示出。这些特征结构可按照本领域中已知的方法提供。
本公开的不连续输送保护层、多孔电极和离子可渗透膜以及它们对应的电极组件和膜电极组件可用于制造液流蓄电池，例如氧化还原液流蓄电池。在一些实施方案中，本公开提供了液流蓄电池，该液流蓄电池包括本公开的至少一个电极组件和/或至少一个膜电极组件。在一个实施方案中，本公开提供了液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的电极组件中任一个所述的电极组件，例如电极组件100a至100g。在另一个实施方案中，本公开提供了液流蓄电池，该液流蓄电池包括根据本公开的膜电极组件中任一者的膜电极组件，例如膜电极组件200a和200b。图5示出了根据本公开的一个示例性实施方案的示例性单电池液流蓄电池的示意图。液流蓄电池400包括多孔电极40、不连续输送保护层10、界面区域90以及离子可渗透膜20，全部均如先前所述。多孔电极40和不连续输送保护层10可以作为电极组件100包括在液流蓄电池400中，如前所述，并且可以是本公开的任何电极组件，例如电极组件100a至100g。多孔电极40、不连续输送保护层10和膜20可以作为如前所述的膜电极组件200、200’包括在液流蓄电池400中，并且可以是本公开的任何膜电极组件，例如电极组件200a和200b。液流蓄电池400还包括具有流动通道(流动通道未示出)的端板50和50’、集电器60和62、阳极电解液储槽70和阳极电解液流体分配70’以及阴极电解液储槽72和阴极电解液流体分配系统72’。用于流体分配系统的泵未示出。集电器60和62可连接到包括电力负载的外部电路(未示出)。支撑板(未示出)可放置成邻近集电器60和62的外表面。支撑板与集电器电隔离并且提供机械强度和支撑以有利于电池组件的压缩。尽管示出单电池液流蓄电池，但是在本领域中已知的是，液流蓄电池可包含多个电化学电池即电池组。可使用多个电池组形成液流蓄电池，例如串联连接的多个电池组。本公开的不连续输送保护层、多孔电极和离子交换膜及其对应的电极组件和膜电极组件可用于制造具有多个电池(例如，图5的多个电池组)的液流蓄电池。可存在流场，但这不是必需的。
本公开的电极组件和膜电极组件可提供提高的电池短路电阻和电池电阻。电池短路电阻是电化学电池具有的短路电阻的量度，例如由于膜被电极的导电纤维穿透而导致的短路。在一些实施方案中，如本公开的实施例部分所述，包括本公开的电极组件和膜电极组件中的至少一者的测试电池的电池短路电阻可为大于1000ohm-cm2、大于5000ohm-cm2或甚至大于10000ohm-cm2。在一些实施方案中，电池短路电阻可为小于约10000000ohm-cm2。电池电阻是电化学电池通过膜的电阻的量度，即横向跨电池的电阻，如图3或图5所示。在一些实施方案中，如本公开的实施例部分所述，包括本公开的电极组件和膜电极组件中的至少一者的测试电池的电池电阻可为介于约0.01ohm-cm2和约10ohm-cm2之间、介于0.01ohm-cm2和约5ohm-cm2之间、介于约0.01ohm-cm2和约3ohm-cm2之间、介于约0.01ohm-cm2和约1ohm-cm2之间、介于约0.04ohm-cm2和约5ohm-cm2之间、介于约0.04ohm-cm2和约3ohm-cm2、介于约0.04ohm-cm2和约0.5ohm-cm2、介于约0.07ohm-cm2和约5ohm-cm2之间、介于约0.07ohm-cm2和约3ohm-cm2之间或甚至介于约0.07ohm-cm2和约0.1ohm-cm2之间。
在本公开的一些实施方案中，液流蓄电池可为氧化还原液流蓄电池，例如钒氧化还原液流蓄电池(VRFB)，其中V3+/V2+硫酸盐溶液用作负电解质(“阳极电解液”)并且V5+/V4+硫酸盐溶液用作正电解质(“阴极电解液”)。然而，应当理解，可以设想其它氧化还原化学物质并且处于本公开的范围内，包括但不限于V2+/V3+对Br-/ClBr2、Br2/Br-对S/S2-、Br-/Br2对Zn2+/Zn、Ce4+/Ce3+对V2+/V3+、Fe3+/Fe2+对Br2/Br-、Mn2+/Mn3+对Br2/Br-、Fe3+/Fe2+对Ti2+/Ti4+和Cr3+/Cr2+、酸/碱化学物质。可用于液流蓄电池的其他化学物质包括配位化学物质(例如在美国专利公布No.2014/0028260、No.2014/0099569和No.2014/0193687中所公开的那些)和有机络合物(例如美国专利公布No.2014/0370403和专利合作条约下公布的国际专利申请No.WO 2014/052682中所公开的那些，所有这些专利全文以引用方式并入本文。
本公开还提供了制备电极组件的方法。在一些实施方案中，制备电极组件的方法包括：(i)提供多孔电极，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；(ii)在第一主表面上设置不连续输送保护层，该不连续输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；(iii)形成界面区域，其中不连续输送保护层的一部分嵌入多个空隙的至少一部分中，多孔电极的一部分嵌入聚合物的一部分中，或其组合，并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和聚合物层形成一体结构。任选地，该方法还可包括将离子可渗透膜设置在与界面区域相反的不连续输送保护层的主表面上，从而形成膜电极组件。
在一些实施方案中，设置步骤包括以下中的至少一者：挤出，例如熔融挤出聚合物；印刷聚合物，例如三维印刷和喷墨印刷聚合物；以及转移层压聚合物，例如分段转移层压聚合物。挤出方法(例如聚合物熔融挤出)和聚合物印刷在本领域中是公知的，并且常规技术可用于制造本公开的电极组件和膜电极组件。转移层压聚合物也是本领域已知的，例如分段转移层压，并且可使用常规技术。分段转移层压方法的一个示例是在剥离衬件上形成连续聚合物膜，半切聚合物膜以形成要转移的片段的所需图案，除去分段聚合物膜的杂须(即，除去分段聚合物膜的不需要的部分)以形成具有剥离衬件的不连续输送保护层，提供多孔电极，将不连续输送保护层的暴露主表面层压(例如，热层压)到多孔电极的表面，从而形成界面区域，其中多孔电极和聚合物层形成一体结构。可将压力和/或热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将熔融聚合物推压到多个空隙中。可将压力和/或热量施加到不连续输送保护层和多孔电极中的一者或两者，以将聚合物推压到多个空隙中。如果需要的话，可以去掉剥离衬件。
在制备电极组件的方法的一些实施方案中，形成界面区域步骤包括在设置步骤中。在一些实施方案中，形成步骤包括向多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者。向多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者可通过将多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中压料辊中的至少一个被加热。在一些实施方案中，形成步骤包括向多孔电极和不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者。向多孔电极和不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者可通过将多孔电极和聚合物层推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中压料辊中的至少一个被加热。
本公开的所选实施方案包括但不限于以下：
在第一实施方案中，本公开提供了一种电极组件，该电极组件包括：
多孔电极，其具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；
不连续输送保护层，其包括聚合物、设置在第一主表面上并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；以及
界面区域，其中该界面区域包括嵌入多个空隙的至少一部分中的聚合物的一部分，嵌入聚合物的一部分中的多孔电极的一部分，或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和不连续输送保护层形成一体结构。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案所述的电极组件，其中多个空隙使得能够在多孔电极的第一主表面的至少一部分与相反的第二主表面之间流体连通。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一或第二实施方案所述的电极组件，其中不连续输送保护层是非导电的。
在第四实施方案中，本公开提供了根据第一至第三实施方案中任一项所述的电极组件，其中0.02Ae≤Ap≤0.5Ae。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一至第四实施方案中任一项所述的电极组件，其中0.02Ae≤Ap≤0.3Ae。
在第六实施方案中，本公开提供了根据第一至第五实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层具有厚度Tp，界面区域具有厚度Ti，并且比率Ti/Tp为约0.005至约0.8。
在第七实施方案中，本公开提供了根据第一至第六实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层包括多个离散结构、网状结构、织造结构以及非织造结构中的至少一者。
在第八实施方案中，本公开提供了根据第一至第六实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层包括多个离散结构。
在第九实施方案中，本公开提供了根据第八实施方案所述的电极组件，其中多个离散结构的厚度为约0.050微米至约3000微米。
在第十实施方案中，本公开提供了根据第八或第九实施方案所述的电极组件，其中多个离散结构呈一定图案。
在第十一实施方案中，本公开提供了根据第八至第十实施方案中任一项所述的电极组件，其中多个离散结构包括多条不相交的连续线。
在第十二实施方案中，本公开提供了根据第十一实施方案所述的电极组件，其中多条不相交的连续线为直线。
在第十三实施方案中，本公开提供了根据第十一或/至第十二实施方案所述的电极组件，其中多条不相交的连续线的间距为约0.3mm至约11mm。
在第十四实施方案中，本公开提供了根据第十一至第十三实施方案中任一项所述的电极组件，其中多条不相交的连续线的宽度为约0.01mm至约10mm。
在第十五实施方案中，本公开提供了根据第十一至第十四实施方案中任一项所述的电极组件，其中多条不相交的连续线在约2cm至约多孔电极的长度的长度范围内基本上平行。
在第十六实施方案中，本公开提供了根据第八至第十四实施方案中任一项所述的电极组件，其中多个离散结构的最长尺寸为约10微米至约5000微米。
在第十七实施方案中，本公开提供了根据第一至第十六实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层包括网状结构、织造结构以及非织造结构中的至少一者。
在第十八实施方案中，本公开提供了根据第十七实施方案所述的电极组件，其中织造、非织造和网状结构中的至少一者的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者为介于约0.10和约0.995之间。
在第十九实施方案中，本公开提供了根据第一至第十八实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层含有的导电颗粒和非导电颗粒的至少一种为介于0重量％和5重量％之间。
在第二十实施方案中，本公开提供了根据第一至第十九实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层包括热塑性塑料和B阶热固性塑料中的至少一种。
在第二十一实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层在25摄氏度下是非粘性的。
在第二十二实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十一实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层的聚合物的软化温度为约50摄氏度至约400摄氏度。
在第二十三实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十二实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层的聚合物为孔隙率为介于约0体积％和约5体积％之间的固体。
在第二十四实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十三实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层包含约5重量％至约100重量％的亲水性聚合物。
在第二十五实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十四实施方案中任一项所述的电极组件，其中不连续输送保护层还包括亲水性涂层。
在第二十六实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十五实施方案中任一项所述的电极组件，其中多孔电极包括约5重量％至约100重量％的石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝状体中的至少一者。
在第二十七实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十五实施方案中任一项所述的电极组件，其中多孔电极包括约30重量％至约100重量％的导电碳颗粒。
在第二十八实施方案中，本公开提供了根据第二十七实施方案所述的电极组件，其中导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳枝晶、碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者。
在第二十九实施方案中，本公开提供了根据第二十七实施方案所述的电极组件，其中导电碳颗粒为石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者。
在第三十实施方案中，本公开提供了根据第一至第二十五实施方案中任一项所述的电极组件，其中多孔电极包括约50重量％至约100重量％的碳纤维。
在第三十一实施方案中，本公开提供了制备电极组件的方法，该方法包括：
提供多孔电极，该多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；
在第一主表面上设置不连续输送保护层，该输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于第一主表面的横截面积Ap；
形成界面区域，其中不连续输送保护层的一部分嵌入多个空隙的至少一部分中，多孔电极的一部分嵌入聚合物的一部分中，或其组合；并且其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且多孔电极和聚合物层形成一体结构。
在第三十二实施方案中，本公开提供了根据第三十一实施方案所述的电极组件，其中设置步骤包括挤出、印刷和转移层压中的至少一种。
在第三十三实施方案中，本公开提供了根据第三十一实施方案所述的电极组件，其中设置步骤包括挤出聚合物熔体。
在第三十四实施方案中，本公开提供了根据第三十一至第三十三实施方案中任一项所述的电极组件，其中形成步骤包括在设置步骤中。
在第三十五实施方案中，本公开提供了根据第三十一至第三十四实施方案中任一项所述的电极组件，其中形成步骤包括向多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者。
在第三十六实施方案中，本公开提供了根据第三十五实施方案所述的电极组件，其中向多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者通过将多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中压料辊中的至少一个被加热。
在第三十七实施方案中，本公开提供了根据第三十一至第三十四实施方案中任一项所述的电极组件，其中形成步骤包括向多孔电极和不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者。
在第三十八实施方案中，本公开提供了根据第三十七实施方案所述的电极组件，其中向多孔电极和不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者通过将多孔电极和聚合物层推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中压料辊中的至少一个被加热。
在第三十九实施方案中，本公开提供了一种膜电极组件，该膜电极组件包括：
根据第一至第三十实施方案所述的电极组件中任一个的第一电极组件；以及
离子可渗透膜，其具有第一表面和相反的第二表面，设置在不连续输送保护层的与界面区域相反的主表面附近或该主表面上；并且其中第一电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。
在第四十实施方案中，本公开提供了根据第三十九实施方案所述的电极组件，还包括第一粘合剂层，其设置在离子可渗透膜与第一电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间，其中第一粘合剂层沿着膜电极组件的周边设置。
在第四十一实施方案中，本公开提供了根据第四十实施方案所述的电极组件，其中第一粘合剂层为环形状或者是在膜电极组件周边的相反侧上的两条离散的粘合剂线。
在第四十二实施方案中，本公开提供了根据第四十或第四十一实施方案所述的电极组件，其中第一粘合剂层与离子可渗透膜的第一表面和第一电极组件的不连续输送保护层接触。
在第四十三实施方案中，本公开提供了根据第四十至第四十二实施方案中任一项所述的电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中第二粘合剂层设置在离子可渗透膜的第二表面与第二电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间，并且其中第二电极组件和离子可渗透膜形成一体结构，并且任选地，其中第二粘合剂层为环形状或者是在膜电极组件周边的相反侧上的两条离散的粘合剂线。
在第四十四实施方案中，本公开提供了根据第四十至第四十二实施方案中任一项所述的电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中第二粘合剂层与离子可渗透膜的第二表面和第二电极组件的不连续输送保护层接触，其中第二电极组件和离子可渗透膜形成一体结构，并且任选地，其中第二粘合剂层为环形状或者是在膜电极组件周边的相反侧上的两条离散的粘合剂线。
在第四十五实施方案中，本公开提供了根据第四十、第四十一、第四十三或第四十四实施方案中任一项所述的电极组件，还包括第一垫圈，其设置在离子可渗透膜和第一粘合剂层之间，其中第一垫圈沿着膜电极组件的周边设置。
在第四十六实施方案中，本公开提供了根据第四十五实施方案所述的电极组件，还包括第二垫圈，其设置在离子可渗透膜和第二粘合剂层之间，其中第二垫圈沿着膜电极组件的周边设置，并且任选地，其中第二垫圈为环形状。
在第四十七实施方案中，本公开提供了根据第四十五或第四十六实施方案所述的电极组件，其中第一垫圈为环形状。
在第四十八实施方案中，本公开提供了根据第三十九实施方案所述的电极组件，还包括第一粘合剂层，其设置在离子可渗透膜与第一电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间，其中第一粘合剂层是至少设置在膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中多个第一粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。
在第四十九实施方案中，本公开提供了根据第四十八实施方案所述的电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中第二粘合剂层设置在离子可渗透膜的第二表面与第二电极组件的多孔电极和不连续输送保护层中的至少一者之间，并且其中第二电极组件和离子可渗透膜形成一体结构。
在第五十实施方案中，本公开提供了根据第四十九实施方案所述的电极组件，其中第二粘合剂层沿着膜电极组件的周边设置。
在第五十一实施方案中，本公开提供了根据第四十九实施方案所述的电极组件，其中第二粘合剂层是至少设置在膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中多个第一粘合剂区域在膜电极组件的平面中的面积为小于膜电极组件的投影面积的至少50％。
在第五十二实施方案中，本公开提供了根据第四十八至第五十一实施方案中任一项所述的电极组件，还包括第一垫圈，其设置在离子可渗透膜和第一电极组件的不连续输送保护层之间，其中第一垫圈沿着膜电极组件的周边设置。
在第五十三实施方案中，本公开提供了根据第五十二实施方案所述的电极组件，还包括第二垫圈，其设置在离子可渗透膜和第二电极组件的不连续输送保护层之间，其中第二垫圈沿着膜电极组件的周边设置。
在第五十四实施方案中，本公开提供了一种电化学电池，该电化学电池包括：根据第一至第三十实施方案所述的电极组件中任一个的电极组件。
在第五十五实施方案中，本公开提供了一种电化学电池，该电化学电池包括：根据第三十九至第五十三实施方案所述的膜电极组件中任一个的膜电极组件。
在第五十六实施方案中，本公开提供了一种液流蓄电池，该液流蓄电池包括：根据第一至第三十实施方案所述的电极组件中任一个的电极组件。
在第五十七实施方案中，本公开提供了一种液流蓄电池，该液流蓄电池包括：根据第三十九至第五十三实施方案所述的膜电极组件中任一个的膜电极组件。
实施例
测试过程/方法：
电化学电池测试过程：
使用的硬件是改进的燃料电池测试固定装置，其使用由新墨西哥州阿尔伯克基的燃料电池技术公司(Fuel Cell Technologies，Albuquerque，New Mexico)制造的两个石墨双极板、两个镀金铜集电器和铝端板。石墨双极板具有5cm2的单个蛇形通道，其在顶部上具有入口，在底部上具有出口。
按如下步骤组装测试电池。首先，将从中心移除5cm2区域的三片5.2密耳(0.13mm)厚的聚四氟乙烯PTFE玻璃纤维复合垫圈材料(可得自明尼苏达州阿登山的诺特公司(NottCompany，Arden Hills，Minnesota))沿着一块石墨板的主表面的周边堆叠放置，该垫圈位于具有蛇形通道的板的侧面上。将切割成垫圈开口尺寸的一片GDL 35AA放置在垫圈开口中并邻近石墨板的蛇形通道。然后将电极组件放入垫圈腔中，电极组件的电极紧邻该片GDL35AA。接下来，将3M 825EW膜(如电池电阻结果中所规定)放置在垫圈/电极组件上方，邻近电极组件的不连续输送保护层(DTPL)。接下来，将具有腔的另一组三片5.2密耳(0.13mm)厚的垫圈材料放置到膜上。将第二电极组件放置在该腔中，其中电极组件的不连续输送保护层(DTPL)与PFSA膜相邻。将切割成垫圈腔尺寸的第二片GDL 35AA放置在邻近第二电极组件的电极的垫圈腔中。将第二石墨板放置到堆叠上，石墨板的蛇形通道与第二片GDL 35AA相邻，从而完成测试电池的组装。然后将测试电池置于具有集电器的两个铝端板之间，并用一系列8个螺栓固定，将螺栓拧紧至110in·lbs(12.4N·m)。
连接到测试电池的入口和出口的是管道，该管道允许通过KNF Neuberger NFB5隔膜泵(可得自新泽西州特伦顿的KNF纳伯格公司(KNF Neuberger Inc，Trenton，NJ))以23ml/min的流率将电解质输送到电池的蛇形通道。通过将流体从一个罐泵送到上部入口中，从下部出口泵出并最终返回到原始罐中来完成电解质输送。为每块石墨板设置泵送系统。用于这些实施例的电解质是1.5M VOSO4、2.6M H2SO4。VOSO4*xH2O粉末购自密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇化学公司(Sigma Aldrich，St.Louis，Missouri)，并且浓缩H2SO4(95-98％)购自西格玛奥德里奇化学公司(Sigma Aldrich)。VOSO4*xH2O中的水量因批次而异，但是为已知的，调整溶液浓度以将该水考虑在内。通过将这些成分与18M去离子水以规定摩尔比混合、并在使用前用搅拌棒混合2到3小时来制备最终的溶液。将在2.6M硫酸中含有1.5M VOSO4的30ml阴极电解液溶液(充电至V+5状态)泵送通过电池的一侧。在电池的另一侧，泵入在2.6M硫酸中含有1.5M VOSO4的30ml阳极电解液溶液(充电至V+2状态)。在该设置中，在电池放电期间，阴极电解液从V+5被还原至V+4，并且阳极电解液从V+2被氧化至V+3。电池的电化学操作：接下来将电池连接到Biologic MPG-205恒电位仪/恒电流仪，其中一个集电器用作阳极而另一个集电器用作阴极。为进行测试，遵循以下步骤：
1.确保电解液流过电池。
2.以80mA/cm2对电池充电，直到达到1.8V的电池电压。
3.将电池电压保持在1.8V，直到电流衰减到5mA/cm2。
4.监视开路电压120秒。
5.将电池以160mA/cm2放电120秒并记录电压。
6.监视开路电压120秒。
7.将电池以140mA/cm2放电120秒并记录电压。
8.监视开路电压120秒。
9.将电池以120mA/cm2放电120秒并记录电压。
10.监视开路电压120秒。
11.将电池以100mA/cm2放电120秒并记录电压。
12.监视开路电压120秒。
13.将电池以80mA/cm2放电120秒并记录电压。
通过从开路下的电池电压减去负载下的电池电压并除以工作电流来计算电池电阻。
电池短路测试过程
使用燃料电池试验台和恒电位仪测定电子短路电阻。使用的测试固定装置是由新墨西哥州阿尔伯克基的燃料电池技术公司(Fuel Cell Technologies，Albuquerque，NewMexico)制造的5cm2单个蛇形电池。燃料电池试验台由下述各项组成：两个用于氮气流量的质量流量控制器(马萨诸塞州安多弗的万机仪器集团(MKS Instruments，Andover，MA))，两个用于加湿控制的HPLC泵(宾夕法尼亚州立学院科学系统公司(Scientific SystemsInc.，State College，PA))，以及一个温度控制器(印第安纳州密歇根城的拉妩控制器公司(Love controls，Michigan City，Indiana))。被测电池按以下顺序组装在两个石墨块流场之间-垫圈、碳纸、子垫圈、膜、子垫圈、垫圈、碳纸。将电池螺栓按星形图案拧紧，首先拧紧，然后用扭矩扳手将其扭紧至1101bf·in(12.4N·m)。垫圈是PTFE玻璃纤维复合材料，被模切出5cm2开口。选择垫圈的厚度使得其厚度是测试厚度下碳纸的一定分数。从1减去该分数并乘以100得到压缩率(％)。使用的膜是20微米3M 825EW无支撑PFSA膜。将电池连接到试验台并设定以下条件-每侧1000标准立方厘米/分钟N2，每侧0.4cc/min水，并将电池设定点温度设定在50℃。使用来自Solaritron 1470multistat(英格兰莱斯特(LeicesterEngland))的引线来施加电压并测量电流。用于测试的测试序列是-OCV 15分钟，然后是两个循环(以5mV/s从0到0.25伏特的动电位扫描，然后是5次以5mV/s从0.25到0.5伏特的循环伏安图)，然后为循环返回之前5分钟的OCV步骤。循环伏安图的电压与电流曲线的斜率给出电子电阻，然后乘以电池面积，得到以ohm-cm2为单位的电子电阻。具有高电子电阻的样品通常示出扫描方向的滞后。由于电压摆动受限并且滞后增加，测试精度上界的限值设定为50kohm-cm2。将单个电极或具有嵌入DTPL的电极切割成5cm2。将具有DTPL的样品置于垫圈中的5cm2开口中，其中DTPL面向膜。测量样品以确定厚度。基于测量的样品厚度确定垫圈实现了约30％的压缩率。
扫描电子显微镜(SEM)过程
用剪刀剪切不连续输送保护层样品。从较大的样品中取出一小部分，并使用日新EM株式会社(Nisshin Em Co.LTD.)的NEM碳带将其粘附到金属螺柱上。金属螺柱具有与螺柱基部正交的表面，以允许在切割样品的边缘上对横截面成像。用压缩空气轻轻吹扫粘附到金属螺柱上的样品，以从待成像的横截面上除去任何松散的碎屑。然后在Denton VacuumDesk IV(新泽西州穆尔斯敦的丹顿真空设备有限公司(Denton Vacuum，Moorestown，NJ))中用金-钯靶溅射涂覆样品3分钟。样品的横截面在Hitachi TM 3030台式扫描电子显微镜(SEM)中成像。
线性股线Ap测量过程
使用具有Leica DFC 320相机(可得自英国剑桥的莱卡微系统成像解决方案有限公司(Leica Microsystems Imaging Solutions Ltd.，Cambridge，UK))的Olympus BX60光学显微镜(可得自宾夕法尼亚州中心山谷的奥林巴斯美国公司(Olympus America Inc.，Center Valley，PA))在明视场中以1.25倍物镜(放大12.5倍)捕获GDL 35AA上嵌入的线性聚丙烯股线的图像。使用Image Pro Plus Version 6.3.0.512软件(可得自马里兰州罗克维尔的媒体控制公司(Media Cybernetics，Inc.，Rockville，MD))测量线性聚丙烯股线的平均线宽和间距。测量从一条股线的前缘到第三股线的前缘的长度。将该数除以3得到平均间距为0.983mm。将股线之间的四个长度测量值相加并除以4，得到股线之间的平均距离为0.810mm。将0.810mm除以0.983mm，得到平均开口面积为82.4％。这留下17.6％的覆盖面积或0.176Ae的Ap。
交叉股线Ap测量过程
使用上述具有Leica DFC 320相机的Olympus BX60光学显微镜在明视场中以1.25倍物镜(放大12.5倍)捕获GDL 35AA上嵌入的交叉聚丙烯股线的图像。使用上述Image ProPlus Version 6.3.0.512软件测量交叉聚丙烯股线的平均线宽和间距。测量从一条股线的前缘到第四股线的前缘的长度。将该数除以4得到平均间距为0.990mm。整个正方形区域重复单元＝0.990mm×0.990mm＝0.980mm2。将股线之间的三个长度测量值相加并除以3，得到股线之间的平均距离为0.754mm。0.754mm的正方形得到平均开口尺寸为0.569mm2。将0.569mm2除以0.980mm2，得到平均开口面积为58.1％。这留下了41.9％的覆盖面积或0.419Ae的Ap。
嵌入的穿孔膜Ap计算过程
Infiana 100微米HDPE穿孔膜的嵌入没有明显改变开口面积，因此穿孔前后基重的变化可用于确定开口面积。使用16cm2模具(可得自明尼苏达州圣保罗的马赛厄斯模具公司(Mathias Die Company，St.Paul，MN))切出一片Infiana 100微米HDPE膜。使用相同的过程分离穿孔的100微米HDPE膜的16cm2样品。按来样基的膜和穿孔膜的质量分别为0.1530g和0.0636g。穿孔膜质量与未穿孔膜质量的比率给出0.416Ae的Ap值。
嵌入的11gsm聚丙烯非织造物Ap计算
非织造物的横截面积Ap的平均值通过以下公式计算：Ap＝Mp/(Dp×Tp)，其中Mp是非织造物的聚合物的质量(在给定的区域内)，Dp是用于形成非织造物的聚合物的密度，Tp是非织造物的厚度(在给定区域内)。
从11gsm聚丙烯非织造织物上切下5.25英寸(13.34cm)外径的圆，其面积为139.66cm2，厚度为13密耳(0.0330cm)，质量为0.17g。聚丙烯的密度为0.91g/cm3。使用上述公式，对于139.66cm2的样品，Ap计算为5.66cm2，得到0.041Ae的Ap。
嵌入的24gsm聚丙烯非织造Ap计算
非织造物的横截面积Ap的平均值通过以下公式计算：Ap＝Mp/(Dp×Tp)，其中Mp是非织造物的聚合物的质量(在给定的区域内)，Dp是用于形成非织造物的聚合物的密度，Tp是非织造物的厚度(在给定区域内)。
从24gsm聚丙烯非织造织物上切下5.25英寸(13.34cm)外径的圆，其面积为139.66cm2，厚度为23.5密耳(0.0597cm)，质量为0.33g。聚丙烯的密度为0.91g/em3。使用上述公式，对于139.66cm2的样品，Ap计算为6.07cm2，得到0.043Ae的Ap。
嵌入的9.1密耳丝径聚丙烯织造物Ap计算
9.1密耳(0.23mm)丝径的聚丙烯织造物的嵌入没有明显改变开口面积，因此可使用由供应商麦克马斯特卡尔(McMaster Carr)提供的开口面积规格。规定的开口面积为41％，对应于59％的覆盖面积或0.59Ae的Ap。
嵌入的4.3密耳(0.11mm)丝径聚丙烯织造物Ap计算
4.3密耳(0.11mm)丝径的聚丙烯织造物的嵌入没有明显改变开口面积，因此可使用供应商麦克马斯特卡尔(McMaster Carr)提供的开口面积的规格。规定的开口面积为34％，对应于66％的覆盖面积或0.66Ae的Ap。
实施例1：嵌入的线性聚丙烯股线
挤出机连同压料辊组件、具有两个辊隙的3个相邻辊一起用于将股线挤出并嵌入移动的基底、多孔电极，沿网方向产生线性线。使用单螺杆挤出机通过模具挤出聚丙烯树脂3866(可得自德克萨斯州休斯顿的道达尔石化贸易公司(Total Petrochemical，Houston，Texas))，模头由平均直径为0.33mm且平均间距为1.09mm(中心到中心)的圆孔组成。将基底GDL 35AA碳纸用胶带拼接成18克/平方米(gsm)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纺粘非织造载体网(可得自俄亥俄州辛辛那提的中西部过滤有限公司(Midwest Filtration LLC，Cincinnati，Ohio))，使得载体网不在碳基底下方通过。将辊1和2加热至450°F(232℃)并设定为1/8英寸(3.2mm)的固定问隙，刚好在来自挤出机的聚丙烯股线沉积之前加热碳纸。将具有拼接GDL 35AA的载体网以30ft/min(9.1m/min)的速度传送通过生产线。在经过压料辊1和2之后，从模头挤出的熔融股线与GDL 35AA碳纸接触。表面上具有线性股线的GDL 35AA接着经过设定为12密耳(0.30mm)的固定间隙的压料辊2和3。辊3被设定为45°F(7℃)，以冷却并硬化熔融股线，形成粘合在GDL 35AA的顶表面上的硬化股线，从而形成实施例1，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例1的电极组件的横截面SEM图像示于图6中。
实施例2：嵌入的交叉聚丙烯股线
使用与实施例1中所述相同的过程在GDL 35AA上挤出聚丙烯3866。然后将样品旋转90度并拼接成18克/平方米(gsm)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纺粘非织造载体网(可得自俄亥俄州辛辛那提的中西部过滤有限公司(Midwest Filtration LLC，Cincinnati，Ohio))并使用实施例1中所述的相同条件第二次传送通过挤出生产线，产生交叉线性股线的正方形图案，从而形成实施例2，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例2的电极组件的横截面SEM图像示于图7中。
实施例3：嵌入的高密度聚乙烯(HDPE)穿孔膜
Infiana100微米HDPE聚乙烯片材购自Infiana(德国福希海姆的英芬安娜德国有限两合公司(Infiana Germany GmgH&Co.KG，Forchheim，Germany))。用手动辊将ClearChoice AT75涂布胶带(可得自USCutter.com)层压到8英寸(20cm)×11英寸(28cm)×100微米HDPE膜上。使用Summa Cutter D75切割单元(华盛顿州西雅图的圣马公司(SummaIncorporated，Seatle，WA))以六边形排布图案切出均匀间隔的60密耳(1.5mm)直径孔的图案。Summa切割机以6英寸/秒(15厘米/秒)、60克K刀压力切割，产生最终的100微米HDPE穿孔膜，开口面积为58.5％。
使用Carver Laboratory Press Model M，serial#20506-106(型号M、序列号20506-106的卡弗实验室压机(威斯康星州梅诺莫尼福尔斯的弗瑞德S.卡弗公司，斯特林公司的子公司(Fred S.Carver Inc，subsidiary of Sterling INC，Menomonee Falls，WI))将穿孔膜热粘合到GDL 35AA上。将卡弗压机中的底部压板加热至150℃，顶部压板不加热，而是在粘合时处于110℃的温度下。在底部压板上，放置8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。最后，在其顶部上放置5英寸(13cm)×5英寸(13cm)的一片GDL35AA纸，然后放置3英寸(7.6cm)×4英寸(10cm)的一片100微米HDPE穿孔膜。在穿孔膜的顶部上是另一个8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。将堆叠在CarverPress(卡弗压机)中以1500磅(680kg)压缩1.5分钟。将具有碳纸和穿孔HDPE膜的抛光不锈钢片材取出并让其冷却2分钟。然后打开不锈钢片材，在GDL 35AA纸上产生嵌入的100微米HDPE穿孔膜，从而形成实施例3，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例3的电极组件的横截面SEM图像示于图8中。
实施例4：嵌入的聚丙烯非织造物11gsm(克/平方米)
使用Drilled Orifice Die(钻孔模具)形成非织造网。熔喷纤维由进入模具的熔融聚合物产生，熔喷纤维流在整个模具宽度上分布于模腔中，并且聚合物通过一系列的孔口从模具流出而成为原丝。加热的空气流流经空气歧管和邻近构成模具出口(模头)的一系列聚合物孔口的气刀组件。对该受热空气流进行温度和速度两者的调整，以将聚合物原丝细化(拉细)至所期望的纤维直径。熔喷纤维在该湍流空气流中朝旋转表面传送，从而在该表面上聚集而形成网。
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽的非织造网卷：通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)以101b/hr(4.5kg/hr)挤出MF-650X聚丙烯聚合物(由荷兰鹿特丹的利安德巴塞尔公司(LyondellBasell，Rotterdam，Netherlands)制造，并可通过德克萨斯州伍德兰市的纳新塑化公司(Nexeo Solutions，The Woodlands，Texas)商购获得)。聚合物熔融温度为357°F(181℃)。模具到收集器的距离为14英寸(35.6cm)。在68g/m2的Unipro 200纺粘稀松布(可得自俄亥俄州辛辛那提的中西部过滤公司(Midwest Filtration LLC，Cincinnati，Ohio))上以85ft/min(25.9m/min)收集网样品，将熔喷网与稀松布分离并且根据下述文献中所述的方法评估有效纤维直径(EFD)：Davies，C.N.，“The Separation ofAirborne Dust and Particles，”Institution of Mechanical Engineers，LondonProceedings 1B，1952(Davies，C.N.，“气载尘埃和粒子的分离”，机械工程师协会，伦敦论文集1B，1952年)。调节空气温度和速度以达到29微米的有效纤维直径。网的基重为11克/平方米(gsm)。
使用Carver Laboratory Press Model M，serial#20506-106(型号M、序列号20506-106的卡弗实验室压机(威斯康星州梅诺莫尼福尔斯的弗瑞德S.卡弗公司，斯特林公司的子公司(Fred S.Carver Inc，subsidiary of Sterling INC，Menomonee Falls，WI))将聚丙烯非织造物热粘合到SGL Sigracet GDL 35AA(德国西格里碳素有限公司(SGLCarbon GmbH，Germany))。将卡弗压机中的底部压板加热至140℃，顶部压板不加热，而是在粘合时处于90℃的温度下。在底部压板上，放置8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。最后，在其顶部上放置4英寸(10cm)×4英寸(10cm)的一片GDL 35AA纸，然后放置3英寸(7.6cm)×3.75英寸(9.5cm)的一片11gsm聚丙烯非织造物。在穿孔膜的顶部上是另一个8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。将堆叠在CarverPress(卡弗压机)中以1500磅(680kg)压缩30秒。从压机中取出其间具有碳纸和聚丙烯非织造物的抛光不锈钢片材。然后打开不锈钢片材，在GDL 35AA纸上产生嵌入的11gsm聚丙烯非织造物，从而形成实施例4，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例4的电极组件的横截面SEM图像示于图9中。
实施例5：嵌入的聚丙烯非织造物24gsm(克/平方米)
使用Drilled Orifice Die(钻孔模具)形成非织造网。熔喷纤维由进入模具的熔融聚合物产生，熔喷纤维流在整个模具宽度上分布于模腔中，并且聚合物通过一系列的孔口从模具流出而成为原丝。加热的空气流流经空气歧管和邻近构成模具出口(模头)的一系列聚合物孔口的气刀组件。对该受热空气流进行温度和速度两者的调整，以将聚合物原丝细化(拉细)至所期望的纤维直径。熔喷纤维在该湍流空气流中朝旋转表面传送，从而在该表面上聚集而形成网。
在如下条件下收集大约10英寸(25.4cm)宽的非织造网卷：通过10英寸(25.4cm)宽的钻孔模具(DOD)(如上所述)以10lb/hr(4.5kg/hr)挤出MF-650X聚丙烯聚合物(由利安德巴塞尔公司(LyondellBasell)制造，并以较少量通过纳新塑化公司(Nexeo Solutions)商购获得)。聚合物熔融温度为366°F(185℃)。模具到收集器的距离为14英寸(35.6cm)。在42g/m2的Unipro 125纺粘稀松布(可得自俄亥俄州辛辛那提的中西部过滤公司(MidwestFiltration LLC，Cincinnati，Ohio))上以40.5ft/min(12.3m/min)收集网样品，将熔喷网与稀松布分离并且根据下述文献中所述的方法评估有效纤维直径(EFD)：Davies，C.N.，“The Separation of Airborne Dust and Particles，”Institution of MechanicalEngineers，London Proceedings 1B，1952(Davies，C.N.，“气载尘埃和粒子的分离”，机械工程师协会，伦敦论文集1B，1952年)。调节空气温度和速度以达到21微米的有效纤维直径。网的基重为24克/平方米(gsm)。
使用与实施例4中所述相同的过程将24gsm非织造物粘合到GDL35AA上，从而形成实施例5，即具有不连续输送保护层的电极组件。非织造物和GDL 35AA纸形成一体结构，并且不能通过重力分离或在用于电池电阻和电池电阻测试的分离期间不能分离。
实施例6：嵌入的9.1密耳丝径聚丙烯织造网片
0.0091英寸(0.23mm、)丝径、41％开口面积、43×43目尺寸的聚丙烯织造网片购自伊利诺伊州埃尔姆赫斯特的麦克马斯特卡尔公司(McMaster-Carr，Elmhurst，IL))，部件号9275T39。将聚丙烯织造物放置在铝盘中并覆盖上第二铝盘，然后在Blue M Electric146Series Class A(Blue M电子146系列A级)间歇式烘箱中在100℃下退火15分钟。使用Carver Laboratory Press Model M，serial#20506-106(型号M、序列号20506-106的卡弗实验室压机(威斯康星州梅诺莫尼福尔斯的弗瑞德S.卡弗公司，斯特林公司的子公司(FredS.Carver Inc，subsidiary of Sterling INC，Menomonee Falls，WI))将聚丙烯织造网片热粘合到GDL 35AA上。将Carver(卡弗)压机中的底部压板加热至173℃，顶部压板不加热，而是在粘合时处于35℃的温度下。在底部加热的压板上，放置8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。最后，在其顶部上放置5英寸(13cm)×5英寸(13cm)的一片GDL 35AA纸，然后放置3英寸(7.6cm)×4英寸(10cm)的一片退火的聚丙烯织造网片。在退火织造网片的顶部上是另一个8英寸(20cm)×8英寸(20cm)×0.85mm厚的抛光不锈钢片材。将堆叠在Carver Press(卡弗压机)中以1500磅(680kg)压缩1.5分钟。将其间具有碳纸和聚丙烯织造网片的抛光不锈钢片材取出并让其冷却2分钟。然后打开不锈钢片材，在35AA纸上产生嵌入的聚丙烯织造物，从而形成实施例6，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例6的电极组件的横截面SEM图像示于图10中。
实施例7：嵌入的4.3密耳丝径聚丙烯织造网片
4.3密耳(0.11mm)丝径、8.0密耳(0.20mm)厚、34％开口面积、98×98目尺寸的聚丙烯织造网片购自伊利诺伊州埃尔姆赫斯特的麦克马斯特卡尔公司(McMaster-Carr，Elmhurst，IL))，部件号9275T27。在使用设定为750°F的Weller WSD 81Solder Iron(Weller WSD 81烙铁)将聚丙烯织造物点焊结合到GDL 35AA。烙铁头在平均间隔约1cm的斑点处压下通过聚丙烯织造物以将它结合到GDL 35AA纸，从而形成实施例7，即具有不连续输送保护层的电极组件。通过上面列出的扫描电子显微镜(SEM)过程识别界面区域。得到的实施例7的电极组件的横截面SEM图像示于图11中。
加子垫圈的膜的制备
将移除一个衬件的3M 8171光学透明粘合剂(可得自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M，St.Paul，MN))用手动辊层压到TEONEX Q83PEN Film(可得自弗吉尼亚州切斯特的杜邦帝人薄膜公司(Dupont Teijin Films，Chester，VA))。使用得自明尼苏达州圣保罗的马赛厄斯模具公司(Mathias Die Company，St.Paul，MN)的手动模具从该层合物模切出两片。该模具切割3英寸(7.6cm)×3英寸(7.6cm)正方形外部尺寸并移除2.7cm×2.7cm的内部正方形。将一片8171粘合剂/TEONEX Q83PEN膜(第二衬件已移除)用手动辊层压到20微米3M825EW支撑PFSA膜上。将3M 825EW支撑PFSA膜/8171/TONEX Q83PEN膜层合物修剪成具有每边3英寸(7.6cm)的外部正方形尺寸。将衬件已移除的第二8171粘合剂/TEONEX Q83PEN膜(先前模切成3英寸(7.6cm)×3英寸(7.6cm)正方形外部尺寸和2.7cm×2.7cm内部正方形开口)层压到3M 825EW支撑PFSA膜/8171/TONEX Q83PEN膜层合物上并使用手动辊进行对准，得到由TEONEX Q83PEN膜/8171/3M825EW支撑PFSA膜/8171/TEONEX Q83PEN膜组成的加子垫圈的膜。
实施例8：含有嵌入的聚丙烯非织造物24gsm(克/平方米)和周边粘合剂的膜电极 组件
使用得自明尼苏达州圣保罗的马赛厄斯模具公司(Mathias Die Company，St.Paul，MN)的手动模具在下面的铺层中切割以下材料。模具包含2个用于对准销的小孔，一个位于另一个的相对侧，在活动区域外。对准孔用于对准PTFE玻璃纤维复合垫圈、Infiana 100微米LDPE和加子垫圈的膜。电极和输送保护材料在加子垫圈的膜和Infiana100微米LDPE的中心切割窗口中对准。制备以下铺层：
●6英寸(15.2cm)×6英寸(15.2cm)×1/8英寸(0.32cm)不锈钢片材，具有对准销。
●4英寸(10.2cm)×4英寸(10.2cm)聚酰亚胺片材2密耳(0.051mm)DuPont KaptonHN(可得自俄亥俄州瑟克尔维尔的杜邦高性能膜公司(DuPont High Performance Films，Circleville，OH))，具有对准孔。
●1片8.2密耳(0.21mm)PTFE玻璃纤维复合垫圈材料(可得自明尼苏达州阿登山的诺特公司(Nott Company，Arden Hills，Minnesota))(外部尺寸3英寸(7.6cm)的正方形，内部尺寸为2.7cm×2.7cm)。
●1片嵌入GDL 35AA中的聚丙烯非织造物24gsm(如实施例5中所述)，2.7cm×2.7cm置于加子垫圈的膜的切口中心，其中非织造物面向膜。
●1片Infiana 100微米LDPE(外部尺寸3英寸(7.6cm)的正方形，内部开口为2.25cm×2.25cm)。
●1个加子垫圈的膜。
●1片Infiana 100微米LDPE(外部尺寸3英寸的正方形，内部开口为2.25cm×2.25cm)。
●1片嵌入GDL 35AA中的聚丙烯非织造物24gsm(如实施例5中所述)，2.7cm×2.7cm置于垫圈的切口中心，其中非织造物面向膜。
●1片8.2密耳(0.21mm)PTFE玻璃纤维复合垫圈材料(可得自明尼苏达州阿登山的诺特公司(Nott Company，Arden Hills，Minnesota))(外部尺寸3英寸的正方形(7.6cm)，内部尺寸为2.7cm×2.7cm)。
●4英寸(10.2cm)×4英寸(10.2cm)×2.0密耳(0.051mm))聚酰亚胺片材，具有对准孔。
●6英寸(15.2cm)×6英寸(15.2cm)×1/8英寸(0.32cm)不锈钢片材，具有对准销。
将该铺层放置在Carver Press Model 2518(型号2518的卡弗压机)(可得自印第安纳州沃巴什的弗瑞德S.卡弗公司(Fred S.Carver Inc，Wabash IN))中，温度为240华氏度(116摄氏度)。将铺层置于1500磅(680kg)以下，其在5分钟的停留时间内衰减至600磅(272kg)。5分钟后，取出样品并在室温下置于两个12英寸(30.5cm)×18英寸(45.7cm)×1英寸(2.5cm)金属片材之间冷却2分钟。在冷却不锈钢板后，从铺层的每一侧除去聚酰亚胺和PTFE玻璃纤维复合垫圈材料。这产生了含有嵌入的聚丙烯非织造物24gsm(克/平方米)和周边粘合剂作为一体结构的膜电极组件。
将样品置于电池中并如上文的电化学电池测试过程所述进行测试，不同的是：测试电池如下组装。将含有嵌入的聚丙烯非织造物24gsm(克/平方米)和周边粘合剂的膜电极组件放置在石墨双极板上。然后将测试电池置于具有集电器的两个铝端板之间，并用一系列8个螺栓固定，将螺栓拧紧至110lbf·in(12.4N·m)。
实施例9：包含嵌入的线性聚丙烯股线和周边粘合剂的膜电极组件
这里使用与实施例8中所述相同的铺层，并具有以下改进：将实施例1中所述的嵌入的线性聚丙烯股线样品模切至2.7cm×2.7cm，并替换GDL 35AA中的2.7cm×2.7cm嵌入的聚丙烯非织造物24gsm。将嵌入GDL 35AA中的线性聚丙烯股线放置在膜两侧上的铺层中，其中聚丙烯股线面向膜。
将该铺层放置在Carver Press Model 2518(型号2518的卡弗压机)(可得自印第安纳州沃巴什的弗瑞德S.卡弗公司(Fred S.Carver Inc，Wabash IN))中，温度为240华氏度(116摄氏度)。将铺层置于1500磅(680N)以下，其在5分钟的停留时间内衰减至600磅(272kg)。5分钟后，取出样品并在室温下置于两个12英寸(30.5cm)×18英寸(45.7cm)×1英寸(2.5cm)金属片材之间冷却2分钟。在冷却不锈钢板后，从铺层的每一侧除去聚酰亚胺和PTFE玻璃纤维复合垫圈材料。这产生了含有嵌入的线性聚丙烯股线和周边粘合剂作为一体结构的膜电极组件。
比较例A(CE-A)
CE-A是没有不连续输送保护层的GDL 35AA。
比较例B(CE-B)
CE-B是没有不连续输送保护层的单层GDL 35AA。使用电化学电池测试过程，具有以下修改：在电池组件中，在膜的每一侧使用1.9密耳(0.048mm)和5.2密耳(132mm)(7.1密耳(0.180mm)总厚度)厚片的PTFE玻璃纤维复合垫圈材料(可得自明尼苏达州阿登山的诺特公司(Nott Company，Arden Hills，Minnesota))。在膜的每一侧上使用单层GDL 35AA。过程的其余部分保持相同，得到表1中的电池电阻结果。
电池电阻结果
根据上述电化学电池过程，使用实施例1-5、7和8的电极组件制造液流电化学电池(例外情况参见实施例8和比较例B)。对于实施例1-5、7和CE-A，使用50微米3M 825EW无支撑PFSA膜。对于实施例8和CE-B，使用20微米3M 825EW支撑PFSA膜。CE-B和实施例8在膜的每侧使用1个GDL 35AA，而实施例1-5、7和CE-A在膜的每侧使用2个GDL 35AA。如在那些相同过程中概述的那样测量电池电阻，并且在下表1中提供。对于实施例1，线性股线垂直于蛇形流场取向，其中股线面向膜。
表1：电池电阻结果
样品 电池总电阻(Ohm-cm2)
CE-A 0.679
CE-B 1.695
实施例1 1.335
实施例2 1.212
实施例3 22425
实施例4 0.898
实施例5 0.754
实施例7 0.898
实施例8 2.000
在下表2中列出了实施例和比较例的样品厚度、垫圈厚度、压缩率和短路电阻。对于实施例1，线性股线垂直于蛇形流场取向，其中股线面向膜。如测试方法中所述测定Ap值并列于表2中。
表2：短路电阻结果

Claims (57)

1.一种电极组件，包括：
多孔电极，所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；
不连续输送保护层，所述不连续输送保护层包括聚合物、设置在所述第一主表面上并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap；以及
界面区域，其中所述界面区域包括嵌入所述多个空隙的至少一部分中的所述聚合物的一部分，嵌入所述聚合物的一部分中的所述多孔电极的一部分，或其组合；以及
其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且所述多孔电极和所述不连续输送保护层形成一体结构。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述多个空隙使得能够在所述多孔电极的所述第一主表面的至少一部分与相反的第二主表面之间流体连通。
3.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层是非导电的。
4.根据权利要求1所述的电极组件，其中0.02Ae≤Ap≤0.5Ae。
5.根据权利要求1所述的电极组件，其中0.02Ae≤Ap≤0.3Ae。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层具有厚度Tp，所述界面区域具有厚度Ti，并且比率Ti/Tp为约0.005至约0.8。
7.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层包括多个离散结构、网状结构、织造结构和非织造结构中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层包括多个离散结构。
9.根据权利要求8所述的电极组件，其中所述多个离散结构的厚度为约0.050微米至约3000微米。
10.根据权利要求8所述的电极组件，其中所述多个离散结构呈一定图案。
11.根据权利要求8所述的电极组件，其中所述多个离散结构包括多条不相交的连续线。
12.根据权利要求11所述的电极组件，其中所述多条不相交的连续线是直线。
13.根据权利要求11所述的电极组件，其中所述多条不相交的连续线的间距为约0.3mm至约11mm。
14.根据权利要求11所述的电极组件，其中所述多条不相交的连续线的宽度为约0.01mm至约10mm。
15.根据权利要求11所述的电极组件，其中所述多条不相交的连续线在约2cm至约所述多孔电极的长度的长度范围内基本上平行。
16.根据权利要求8所述的电极组件，其中所述多个离散结构的最长尺寸为约10微米至约5000微米。
17.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层包括网状结构、织造结构和非织造结构中的至少一者。
18.根据权利要求17所述的电极组件，其中所述织造结构、所述非织造结构和所述网状结构中的至少一者的体积孔隙率和开口面积孔隙率中的至少一者为介于约0.10和约0.995之间。
19.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层含有介于0重量％和5重量％之间的导电颗粒和非导电颗粒的至少一种。
20.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层包括热塑性塑料和B阶热固性塑料中的至少一种。
21.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层在25摄氏度下是非粘性的。
22.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层的所述聚合物的软化温度为约50摄氏度至约400摄氏度。
23.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层的所述聚合物为孔隙率为介于约0体积％和约5体积％之间的固体。
24.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层包含约5重量％至约100重量％的亲水性聚合物。
25.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述不连续输送保护层还包括亲水性涂层。
26.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述多孔电极包括约5重量％至约100重量％的石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者。
27.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述多孔电极包括约30重量％至约100重量％的导电碳颗粒。
28.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述导电碳颗粒为碳粒子、碳薄片、碳枝晶、碳纳米管和分叉碳纳米管中的至少一者。
29.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述导电碳颗粒为石墨粒子、石墨薄片、石墨纤维和石墨枝晶中的至少一者。
30.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述多孔电极包括约50重量％至约100重量％的碳纤维。
31.一种制备电极组件的方法，包括：
提供多孔电极，所述多孔电极具有第一表面积为Ae的第一主表面、相反的第二主表面和多个空隙；
在所述第一主表面上设置不连续输送保护层，所述输送保护层包括聚合物并具有基本上平行于所述第一主表面的横截面积Ap；
形成界面区域，其中所述不连续输送保护层的一部分嵌入所述多个空隙的至少一部分中，所述多孔电极的一部分嵌入所述聚合物的一部分中，或其组合；以及
其中0.02Ae≤Ap≤0.85Ae，并且所述多孔电极和所述聚合物层形成一体结构。
32.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法，其中所述设置步骤包括挤出、印刷和转移层压中的至少一种。
33.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法，其中所述设置步骤包括挤出聚合物熔体。
34.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法，其中所述形成步骤包括在所述设置步骤中。
35.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法，其中所述形成步骤包括向所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者。
36.根据权利要求35所述的制备电极组件的方法，其中向所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者提供压力和热量中的至少一者通过将所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中所述压料辊中的至少一个被加热。
37.根据权利要求31所述的制备电极组件的方法，其中所述形成步骤包括向所述多孔电极和所述不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者。
38.根据权利要求37所述的制备电极组件的方法，其中向所述多孔电极和所述不连续输送保护层提供压力和热量中的至少一者通过将所述多孔电极和聚合物层推压通过至少一组压料辊来进行，任选地其中所述压料辊中的至少一个被加热。
39.一种膜电极组件，包括：
根据权利要求1所述的第一电极组件；以及
离子可渗透膜，所述离子可渗透膜具有第一表面和相反的第二表面，设置在所述不连续输送保护层的与所述界面区域相反的主表面附近或主表面上；以及
其中所述第一电极组件和所述离子可渗透膜形成一体结构。
40.根据权利要求39所述的膜电极组件，还包括第一粘合剂层，所述第一粘合剂层设置在所述第一电极组件的所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者与所述离子可渗透膜之间，其中所述第一粘合剂层沿着所述膜电极组件的周边设置。
41.根据权利要求40所述的膜电极组件，其中所述第一粘合剂层为环形状或者是在所述膜电极组件周边的相对侧上的两条离散的粘合剂线。
42.根据权利要求40所述的膜电极组件，其中所述第一粘合剂层与所述离子可渗透膜的所述第一表面和所述第一电极组件的所述不连续输送保护层接触。
43.根据权利要求40所述的膜电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中所述第二粘合剂层设置在所述第二电极组件的所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者与所述离子可渗透膜的所述第二表面之间，并且其中所述第二电极组件和所述离子可渗透膜形成一体结构。
44.根据权利要求40所述的膜电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中所述第二粘合剂层与所述离子可渗透膜的所述第二表面和所述第二电极组件的所述不连续输送保护层接触，其中所述第二电极组件和所述离子可渗透膜形成一体结构。
45.根据权利要求40或权利要求43所述的膜电极组件，还包括第一垫圈，所述第一垫圈设置在所述离子可渗透膜和所述第一粘合剂层之间，其中所述第一垫圈沿着所述膜电极组件的周边设置。
46.根据权利要求43所述的膜电极组件，还包括第一垫圈，所述第一垫圈设置在所述离子可渗透膜和所述第一粘合剂层之间，其中所述第一垫圈沿着所述膜电极组件的周边设置；并且还包括第二垫圈，所述第二垫圈设置在所述离子可渗透膜和所述第二粘合剂层之间，其中所述第二垫圈沿着所述膜电极组件的周边设置，并且任选地，其中所述第一垫圈为环形状并且所述第二垫圈为环形状。
47.根据权利要求45所述的膜电极组件，其中所述第一垫圈为环形状。
48.根据权利要求39所述的膜电极组件，还包括第一粘合剂层，所述第一粘合剂层设置在所述第一电极组件的所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者与所述离子可渗透膜之间，其中所述第一粘合剂层是至少设置在所述膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中所述多个第一粘合剂区域在所述膜电极组件的平面中的面积为小于所述膜电极组件的投影面积的至少50％。
49.根据权利要求48所述的膜电极组件，还包括第二粘合剂层和第二电极组件，其中所述第二粘合剂层设置在所述第二电极组件的所述多孔电极和所述不连续输送保护层中的至少一者与所述离子可渗透膜的所述第二表面之间，并且其中所述第二电极组件和所述离子可渗透膜形成一体结构。
50.根据权利要求49所述的膜电极组件，其中所述第二粘合剂层沿着所述膜电极组件的周边设置。
51.根据权利要求49所述的膜电极组件，其中所述第二粘合剂层是至少设置在所述膜电极组件内部内的多个第一粘合剂区域，并且其中所述多个第一粘合剂区域在所述膜电极组件的平面中的面积为小于所述膜电极组件的投影面积的至少50％。
52.根据权利要求48所述的膜电极组件，还包括第一垫圈，所述第一垫圈设置在所述离子可渗透膜和所述第一电极组件的所述不连续输送保护层之间，其中所述第一垫圈沿着所述膜电极组件的周边设置。
53.根据权利要求52所述的膜电极组件，还包括第二垫圈，所述第二垫圈设置在所述离子可渗透膜和所述第二电极组件的所述不连续输送保护层之间，其中所述第二垫圈沿着所述膜电极组件的周边设置。
54.一种电化学电池，包括根据权利要求1所述的电极组件。
55.一种电化学电池，包括根据权利要求39所述的膜电极组件。
56.一种液流蓄电池，包括根据权利要求1所述的电极组件。
57.一种液流蓄电池，包括根据权利要求39所述的膜电极组件。
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