CN110521039A - 含c5-c10醇或羧酸的催化剂油墨以及膜电极组件制造方法 - Google Patents

含c5-c10醇或羧酸的催化剂油墨以及膜电极组件制造方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了用于制备燃料电池部件的方法和组合物。在一个实施方式中，该方法包括：提供基材，并在基材上形成电极或将电极附着至基材上，其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物作为催化剂油墨。水不溶性组分包括：水不溶性C5‑C10醇、C5‑C10水不溶性羧酸或它们的组合。使用该水不溶性组分获得稳定液体介质，其使得干燥时的网状率减少，基材的溶解减少，并且基材孔的渗透减少。

Description

含C5-C10醇或羧酸的催化剂油墨以及膜电极组件制造方法
政府权利
本发明在美国政府部门授予的合同下完成。美国政府部门的名称是能源部(金色领域办公室(Golden Field Office))，并且美国政府的合同号码为DE-FC36-08GO18052。
技术领域
本公开涉及一种用于聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的膜电极组件，并且具体涉及一种制造用于膜电极组件的部件的方法，所述方法包括：在基材上沉积水性混合物以形成电极或微孔结构，所述水性混合物包含水不溶性组分、催化剂和离聚物。
背景技术
膜电极组件(MEA)是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的核心部件。其包含在一侧上具有阳极电极并且在另一侧上具有阴极电极的PEM。最终的MEA可以是三层组件，包括：阳极层、PEM层和阴极层。此外，MEA还可以包括气体扩散层(GDL)，气体扩散层通常包括碳纸，并且附着至各电极的外表面。如果GDL附着至两个电极，则最终的MEA被认为是包括第一GDL层、阳极层、PEM层、阴极层和另一GDL层的五层组件。通常，PEM和GDL具有作为自支撑网的足够机械完整性，但是电极没有。因此，各电极通常形成在基材上，其可以是PEM、GDL、或剥离层。随后，MEA层视需要通过热量或压力结合在一起以形成复合板。
已建立了各种技术用于在基材上形成电极和/或将电极结合到MEA的其它层；但是，每种技术都存在问题。通常，将电极涂覆在剥离层上，然后层压至PEM。然而，该方法效率低且成本高。最近，通过将电极直接涂覆至PEM上对该方法进行了改进。然而，将电极直接涂覆至PEM上可能导致PEM变形或溶解，当使用较薄的PEM时，这可能尤其会产生问题。或者，可以直接将电极涂覆在多孔基材如GDL上。然而，该方法可导致将离聚物和催化剂吸入基材的孔中，改变基材的性质和/或使得部分催化剂无效。因此，需要改进的以有效且成本低廉的方式制造膜电极组件部件的方法。
发明概述
在一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：提供基材；并在基材上形成电极；其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物，其中，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合。在一些实施方式中，所述水不溶性组分包括：C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。在一些实施方式中，所述基材包括多孔层、非多孔层或它们的组合。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：在聚合物电解质膜上形成第一电极，其中，所述形成包括将水性混合物沉积在聚合物电解质膜上，其中所述水性混合物含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，其中，所述水不溶性组分包括水不溶性醇或水不溶性羧酸；以及在聚合物电解质膜上形成第二电极。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：在气体扩散层上形成第一电极，其中，所述形成包括将水性混合物沉积在气体扩散层上，并且，所述水性混合物含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，其中，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；在第一电极上形成聚合物电解质膜或使聚合物电解质膜附着至第一电解；以及在聚合物电解质膜上形成第二电极。然后，可以在第二电极上形成第二气体扩散层，或者使得第二扩散层附着至第二电极。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种用于形成燃料电池的水性混合物组合物，所述组合物可以在上述方法中的任一中使用，所述组合物包含：a)水；b)水不溶性组分，其包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；c)催化剂；和d)离聚物。
在本文所述的实施方式中，水不溶性组分任选地包括C5-C10醇，例如，1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、1-癸醇或它们的组合。在另一方面，水不溶性组分任选地包括C5-C10羧酸，例如，正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、正壬酸、正癸酸或它们的组合。
水性混合物的组分浓度可以取决于本文所讨论的多个因素而变化。水任选地存在于水性混合物中，基于水性混合物中离聚物和载体(vehicle)的总重量，水的含量为大于35重量％，任选地大于50重量％，任选地大于70重量％，任选地大于80重量％，或者任选地大于90重量％。如本文所用，术语“载体”是指水性混合物的液体部分，包括水、有机溶剂(若存在)以及溶解的溶质(若存在)。催化剂任选地存在于水性混合物中，基于水性混合物的总重量，催化剂含量为小于90重量％，任选地小于35重量％，任选地小于9重量％。所采用的催化剂任选地包括贵金属、过渡金属以及它们的合金，并且可以是负载(任选地负载在碳支持物上)的或非负载的。水不溶性组分任选地存在于水性混合物中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水不溶性组分含量为小于20重量％，任选地小于15重量％，任选地小于10重量％，任选地小于8重量％，任选地小于6重量％，或者任选地小于4重量％。离聚物任选地存在于水性混合物中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，离聚物含量为小于50重量％，任选地小于35重量％，任选地小于8重量％，任选地小于0.5重量％。
就范围而言，在一些实施方式中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水性混合物中的水量可以为35重量％至99重量％。基于水性混合物的总重量，水性混合物中催化剂的量可以为1重量％至42重量％。基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水性混合物中水不溶性醇的量可以为0.5重量％至20重量％。并且，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水性混合物中离聚物的量可以为0.5重量％至50重量％。
水性混合物任选地还包含水溶性化合物，所述水溶性化合物任选地是水溶性醇。在任选的水溶性化合物包括水溶性醇的情况下，水溶性醇任选地包括异丙醇、叔丁醇和二醇醚。如果包含在混合物中，二醇醚任选地包括二丙二醇(DPG)或丙二醇甲醚(PGME)。基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水性混合物中水溶性化合物的量可以为小于50重量％，任选地小于25重量％，任选地小于9重量％，或者任选地小于4重量％。根据不同的实施方式，水性混合物可以含有有机化合物。
所采用的基材可以广泛变化，并且在不同实施方式中可以包括多孔层，其中所述多孔层任选地是透气的或包括气体扩散层，或者其中所述多孔层任选地包括多孔剥离层。在后一方面中，多孔玻璃层可以包括膨胀的聚合物，例如，膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。在其它实施方式中，所述基材包括非多孔层，所述非多孔层任选地是非多孔剥离层。非多孔层可以包括：聚合物电解质膜(PEM)，其可以包含质子导电聚合物。聚合物电解质膜任选地包含多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物。多孔微结构可以包括全氟化多孔聚合材料，例如，ePTFE膜。在另一方面，多孔微结构包括：烃材料，其任选地是聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。在一些方面，基材包括在与正在形成的电极相反的基材一侧上的另一电极。在该方面，形成电极的步骤任选地还包括：使得水性混合物干燥。在另一方面，所述方法任选地还包括：在与初始形成电极相反的基材一侧上形成另一电极，并且形成另一电极任选地包括使水性混合物沉积在基材上，并且任选地使水性混合物干燥。在另一方面，所述方法任选地进一步包括：将电极层压至聚合物电解质膜。所述方法任选地进一步包括：在电极上形成聚合物电解质膜或使聚合物电解质膜附着到电极上。在另一方面，所述方法任选地进一步包括将多孔层、非多孔层或其组合层压至电极和基材中的至少一个。
附图简要说明
将参考以下的非限制性附图更好地理解本发明，其中：
图1A-1D显示出根据本发明一些方面的方法的示意性流程图；并且
图2A-2D显示出根据本发明一些方面的方法的示意性流程图。
发明详述
I.绪论
膜电极组件(MEA)包括：在一侧上具有阳极电极并且在另一侧上具有阴极电极的聚合物电解质膜(PEM)。最终的MEA可以是三层组件，所述层彼此相邻放置，在最终的MEA中为阳极-PEM-阴极。此外，MEA还可以包括附着于各电极外表面的气体扩散层(GDL)。如果GDL附着于两个电极，那么最终的MEA被认为是五层组件，所述层彼此相邻放置，在最终的MEA中为GDL-阳极-PEM-阴极-GDL。根据各种不同实施方式，层可以以任意顺序形成(例如，制造)，例如，PEM可以在GDL、阳极或阴极之前形成。
通常，通过首先制备含有离聚物、催化剂颗粒和溶剂或载体的油墨来制备MEA。然后，将油墨涂覆在基材上并充分干燥。基材可以是PEM、GDL或剥离层。这些基材通常可以是粗糙的、多孔的、疏水性的、尺寸不稳定的和/或容易溶解或破坏，并且因此难以进行涂覆。
一个加工要求是油墨与基材的接触角足够小，以避免由脱湿导致的缺陷。这可以通过降低油墨的表面张力来实现。通常，离聚物不会显著降低油墨的表面张力(因此，离聚物并不被认为是表面活性剂)。然而，通过添加高浓度的(例如，大于约30重量％)的水溶性醇来降低表面张力，水溶性醇例如，乙醇、甲醇和异丙醇(IPA)。然而，高浓度的水溶性醇可能产生其他加工问题。例如，如果基材是PEM，其离聚物可能部分溶解或者其机械完整性可以以其它方式被破坏，导致更多的气体交叉(gas crossover)，这使燃料效率下降，并增加了电短路的风险(这降低了耐久性)。离聚物的溶解还可导致离聚物吸入电极，这会通过称为“溢流”的质量传递限制而减少发电，并且会通过使电压循环耐久性降低而降低耐久性。此外，离聚物膜有时包含添加剂如铈以防止由自由基降解。为使该添加剂正常工作，应小心地控制离聚物膜的厚度。特别是，当涂覆电极时，离聚物膜厚度不应当被部分溶解而改变。
或者，如果基材是多孔层如GDL，具有低表面张力的油墨倾向于渗入基材的孔，导致其水管理性质的改变(由于离聚物污染)，或者导致催化剂沉积离离聚物膜过远而不能充分利用。为了使上述问题最小化，可以使水溶性醇含量最小化，但这会导致干燥时油墨网状化，导致不均匀性，例如厚度变化和电极中的孔。
尽管如此，现在已经发现，通过使得液相基本上是水性的并且通过包含本文定义为C5+醇、C5+羧酸或其组合的“水不溶性组分”，可以改进用于形成电极的油墨。本文所用术语“C5+”是指具有五个或更多个碳原子的化合物。在一些实施方式中，所述水不溶性组分包括：C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。因此，在一些实施方式中，水不溶性组分包括水不溶性醇，例如，1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、1-辛醇、2-乙基-1-己醇、1-壬醇、1-癸醇或它们的组合。在一些实施方式中，水不溶性组分任选地包括水不溶性羧酸，例如，正戊酸、正己酸、正庚酸、正辛酸、正壬酸、正癸酸或它们的组合。文中所用的术语“其/它们的组合”是指在前列表中的两种或更多种物质的任意组合。还考虑支链醇和/或支链羧酸以及C5+醇和C5+羧酸的各种组合。
令人惊讶的是，在将这些水性混合物喷涂到基材上时，该水性混合物产量了低接触角，使得水性混合物令人满意地润湿了基材而不使用或几乎不使用水溶性醇，并且在干燥加工期间显示出低网状率。本文所用的“网状率低”旨在表示任意薄膜在宽度上收缩小于15％，在长度上收缩小于15％，并且薄膜的最终区域包含小于15％的脱湿缺陷。网状率通过如下进行评估：将60-80微升水性混合物移液到基材上，然后使用移液管吸球将水性混合物铺展在基材上以形成长度为4-6cm、宽度为7-15毫米的薄膜，然后用热风枪在不到1分钟的时间内对薄膜进行干燥同时视觉检查。不囿于理论，推测上文所述的并且不被认为是表面活性剂的离聚物令人惊讶地使水不溶性组分乳化。重要而且令人惊讶地是，这些水性混合物允许在多孔和/或疏水性基材如气体扩散层之上形成整体式薄膜，而不会显著渗入多孔结构。因此，多孔基材的至少部分孔在沉积过程中(例如，当将水性混合物沉积在多孔基材上时)保持未被水性混合物填充。所获得的水性混合物具有足够的稳定性以允许通过本文所述的制造方法进行涂覆。根据各种不同实施方式的水性混合物可以包括乳液或悬浮液，以使得水性混合物在沉积过程中保持单一相(即，水性混合物不会过快地分离为“富油层”和“富水层”而阻碍涂覆和干燥)。根据各种不同实施方式，水性混合物保持均质，其中，组分(例如，油、水等)在至少沉积过程期间均匀分布。
在一个实施方式中，本公开涉及一种制备用于膜电极组件的部件的方法，所述方法包括：提供基材以及在基材上形成电极。所述形成包括：在基材上沉积水性混合物，所述水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物。术语“沉积”意指包括但不限于施加液体涂料的各种不同方法，例如，模头涂布(die coating)、滑动模头涂布(slide diecoating)、幕涂、凹版涂布、逆辊涂布、辊式刮刀涂布(knife-over-roll coating)。术语“液体”旨在包括电极油墨。所述基材可以包括多孔层、非多孔层或它们的组合。在一些实施方式中，多孔层是透气的，或者包括气体扩散层或多孔剥离层，例如膨胀的聚合物(例如，膨胀聚四氟乙烯(ePTFE))。在一些实施方式中，多孔层可以具有疏水性质以防止水自发润湿进去。在其它实施方式中，多孔层包括非多孔剥离层或聚合物电解质膜(PEM)。PEM可以包含离聚物(例如，质子导电聚合物)，或多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物。多孔微结构可以包括全氟化多孔聚合材料，或烃材料。
如上所述，水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物如全氟磺酸(PFSA)。基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水性混合物可以包含大于约35重量％，大于约50重量％，大于约70重量％，大于约80重量％，或者大于约90重量％的水。催化剂可以包括贵金属、过渡金属或其合金，并且，基于水性混合物的总重量，催化剂在水性混合物中的存在量可以为小于约90重量％，小于约35重量％，或小于约9重量％。在一个实施方式中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水不溶性组分在水性混合物中的存在量为小于约20重量％，小于约15重量％，小于约10重量％，小于约8重量％，小于约6重量％，或小于约4重量％。离聚物可以包括PFSA，并且基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，离聚物在水性混合物中的存在量可以为小于约50重量％，小于约35重量％，小于约8重量％，或小于约0.5重量％。应理解，获得本文所述优点所需的的水性混合物中的组分的具体浓度可以在所列范围内广泛变化，这例如取决于水性混合物将要沉积的基材，因为基材的可润湿性将取决于例如基材的孔隙率、孔径和表面能而变化。水性混合物中和基材上加载的所需催化剂也将影响所需组分的浓度。因此，提供上述浓度作为指导，应理解根据所选择的基材和所需的催化剂加载量，可能需要在本领域普通技术人员的能力范围内进行一定程度的优化。
在其它实施方式中，水性混合物还包含水溶性化合物。若存在，水溶性化合物可以包括水溶性醇、二醇醚或它们的组合，并且基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，水溶性化合物在水性混合物中的存在量可以为小于约50重量％，小于约25重量％，小于约9重量％，或小于约约4重量％。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”、“大约”和“约”被定义为在很大程度上但不必完全是所限定的(并且完全包括所限定的内容)。在任何公开的实施方式中，术语“基本上”、“大约”或“约”可以用“在指定的[百分比]内”代替，其中百分比包括0.1％、1％、5％和10％。
有利的是，通过利用本文所公开的改性水性混合物，MEA的组分能够以稳定的方式形成以防止或最小化(i)基材溶解、(ii)渗入基材的孔、(iii)催化剂沉积离PEM过远而不能充分利用以及/或者(iv)在干燥时油墨网状化。
II.制造方法
所公开的方法包括下面描述的步骤并在图1A至图1D中显示。虽然如用于说明目的的顺次步骤进行描述，本发明考虑所述步骤实际上可以以任何顺序或同时进行。如图1A至图1D所示，MEA的部件可以使用辊式进料机(roll feed)和/或辊式卷绕机(roll winder)100、沉积设备105和干燥机110进行连续加工。辊式进料机和/或辊式卷绕机100可以是辊或带材传输的替代性方式。沉积设备105可以是狭缝模头或薄膜涂布的替代性方式。干燥机110可以是对流烘箱或湿薄膜干燥的替代性方式。
在一些实施方式中，在图1A和图1C所示的步骤(I)处，水性混合物115通过沉积设备105沉积在位于辊式进料机和/或辊式卷绕机100上的基材120上。水性混合物115的沉积形成了与基材120(任选地基材120之上)直接相邻的湿电极层125。在图1A和图1C的步骤(II)处，湿电极层125通过辊式进料机和/或辊式卷绕机100输送至干燥机110，并充分干燥，任选地在高于环境温度(25℃)的温度下进行干燥，例如，在大于50℃的温度下、大于75℃的温度下、大于100℃的温度下、大于130℃的温度下、10℃至300℃的温度下、或100℃至150℃的温度下进行干燥，干燥时间任选为0.01分钟至10分钟，例如，0.1分钟至8分钟，0.1分钟至5分钟，0.1分钟至2分钟或0.1分钟至1分钟。湿电极层125的干燥在基材120上形成了干电极130。
如上所述，当直接涂覆在基材顶部上时，传统电极油墨中的溶剂常常渗入、溶解和/或以其它方式破坏基材，大幅降低电极的电化学效率以及基材的完整性。因此，根据各种不同实施方式，湿电极层125使用水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物115形成，防止或最小化基材溶解、渗入基材孔、催化剂沉积离基材过远而不能充分利用以及/或者在干燥时油墨网状化，如本文所述。
在各种不同实施方式中，水性混合物115包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物。基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，水性混合物115中的水量可以为大于约35重量％，大于约50重量％，大于约70重量％，大于约80重量％，或者大于约90重量％。例如，基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，水性混合物115中的水量可以为约35重量％至约99重量％。基于水性混合物115的总重量，水性混合物115中催化剂的量可以为小于约90重量％，小于约35重量％，或者小于约9重量％。例如，基于水性混合物115的总重量，水性混合物115中催化剂的量可以为1重量％至90重量％，1重量％至42重量％，或者3重量％至30重量％。离聚物可以是PFSA，并且基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，水性混合物115中离聚物的量为小于约50重量％，小于约35重量％，小于约8重量％，或小于约0.5重量％。例如，基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，离聚物在水性混合物115中的量可以为0.5重量％至50重量％。
所采用的催化剂没有特别限制，并且可以是用任意已知的催化剂。因此，催化剂的性质可以广泛地变化。催化剂可以包括贵金属、过渡金属或其合金。催化材料的具体示例包括：铂、钌、铱、钴和钯，并且催化材料不限于元素金属。例如，催化剂还可以包含铱氧化物、铂-钌合金、铂-铱合金、铂-钴合金等。在一些实施方式中，催化剂包括芯壳催化剂，例如US2016/0126560中所述，所述文献的全部内容通过引用纳入本文。在一些实施方式中，催化剂包括负载的催化剂，其可以包含碳作为支持材料(support material)。在一些实施方式中，催化剂包括负载的铂催化剂，例如，炭黑上的铂。
在一个实施方式中，水不溶性组分是水不溶性醇。在一个实施方式中，水不溶性组分是水不溶性羧酸。基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，水不溶性组分(醇和/或羧酸)在水性混合物115中的量可以为小于约20重量％，小于约15重量％，小于约10重量％，小于约8重量％，小于约6重量％，小于约4重量％。例如，基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，水不溶性醇在水性混合物115中的量可以为0.5重量％至20重量％，例如，0.5重量％至15重量％、0.5重量％至10重量％、1重量％至20重量％、5重量％至20重量％、或者10重量％至20重量％。对于采用超过一种不溶性组分的实施方式，本文所述的重量百分比应当被视为用于所有水不溶性组分的总量。
在其它实施方式中，水性混合物115还包含水溶性化合物。水溶性化合物可以包括水溶性醇和二醇醚。在一些实施方式中，水溶性醇包括：异丙醇、叔丁醇、二丙二醇或它们的组合。在其它实施方式中，二醇醚包括二丙二醇(DPG)或丙二醇甲醚(PGME)。基于水性混合物115中离聚物和载体的总重量，在水性混合物115中水溶性化合物的量可以为小于约50重量％，任选地小于约25重量％，任选地小于约9重量％，或者任选地小于约4重量％。
如图1A至图1D所示的基材120可以包括多孔层、非多孔层或它们的组合。在一些实施方式中，多孔层可以是透气的。多孔层可以包括GDL或多孔剥离层。多孔剥离层可以包括膨胀的聚合物，例如，在一个非限制性实施方式中，包括具有如下性质的ePTFE聚合物：质量/面积小于约16克/米2(根据美国专利第7,306,729 B2进行测试)，泡点大于约70psi(根据美国专利第7,306,729B2，使用纽约伊萨卡的多孔材料公司(Porous Materials,Inc.在下文中称为“PMI”)制造的装置进行测试)，并且Z-强度足以在电极与透气剥离层分离时防止内聚破坏。非多孔层可以包括非多孔剥离层或PEM。PEM可以包含离聚物(例如，质子导电聚合物)，或多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物(例如，质子导电聚合物)，如Bahar等人的美国专利第RE37,307中所述。多孔微结构可以包括聚合氟碳材料或聚合烃材料。氟碳材料可以包括膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)膜。烃材料可以包括聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。质子导电聚合物可以包括PFSA。
在一些实施方式中，在图1B所示的任选的步骤(III)处，干PEM135形成于干电极层130的与基材120相反的一侧上。如本文所述干PEM 135可以包含离聚物(例如，质子导电聚合物)，或多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物(例如，质子导电聚合物)。在替代性实施方式中，可以将干电极层130层压在干PEM 135上，以使得干PEM 135附着至干电极130，任选地附着至与基材120(若存在)相反的一侧上。在其它实施方式中，多孔层、非多孔层或它们的组合可以层压至干电极130和/或基材120上(例如，与干电极130相反的基材120一侧上)。
在图1B所示的任选的步骤(IV)处，水性混合物140通过沉积设备105沉积在PEM135的与干电极层130相反的一侧上。水性混合物140的沉积在PEM 135之上形成了湿电极层145。水性混合物140可以是根据一些实施方式的如本文所述的水性混合物(例如，包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物)、或传统工艺中如本文所述的混合物(例如，乙醇和/或其它载体、催化剂和离聚物)。在任选的步骤(V)处，湿电极层145通过辊式进料机和/或辊式卷绕机100输送至干燥机110并充分干燥。湿电极层145的干燥任选地在上述温度下发生，以在PEM 135、干电极130和基材120之上形成干电极层150。在任选的步骤(VI)(未显示)，形成干基材155或将干基材155层压至干电极层150之上。干基材155可以是气体扩散层、多孔剥离层或非多孔剥离层。
根据其它方面，图1C显示出在步骤(I)处，水性混合物115通过沉积设备105沉积在位于辊式进料机和/或辊式卷绕机100上的基材120上。水性混合物115的沉积在基材120之上形成了湿电极层125。基材120可以是PEM，如本文所述。在步骤(II)处，湿电极层125通过辊式进料机和/或辊式卷绕机100输送至干燥机110并充分干燥。湿电极层125的干燥在基材120之上形成了干电极层130。
在一些实施方式中，在图1D所示的任选的步骤(III)处，干电极层130和基材120翻转，以使得基材120在干电极层130之上，并且水性混合物140通过沉积设备105沉积在基材120的与干电极130相反的一侧上。水性混合物140的沉积在基材120之上形成了湿电极层145。水性混合物140可以是根据一些实施方式的如本文所述的水性混合物(例如，包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物)、或传统工艺中如本文所述的混合物(例如，乙醇和/或其它载体、催化剂和离聚物)。在替代性实施方式中，干电极层150可以层压在基材120上，以使得干电极层150附着至基材120的与干电极130相反的一侧上。在其它实施方式中，多孔层、非多孔层或它们的组合可以层压至干电极130和/或基材120上(例如，基材120的与干电极130相反的一侧上)。在任选的步骤(IV)处，湿电极层145通过辊式进料机和/或辊式卷绕机100输送至干燥机110并充分干燥。湿电极层145的干燥在干电极层130和基材120之上形成了干电极层150。
虽然图1A和图1C显示出水性混合物115通过沉积设备105沉积在基材120上，但是应理解基材可以不是单独的，而可以是已经形成为MEA的部件一部分，其包括多孔层、非多孔层或其组合。例如，可以提供这样的基材，该基材已经形成有附着在基材一侧上的干电极层(例如，根据一些实施方式如本文所述形成的(例如，使用包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物、或根据传统工艺如本文所述的混合物(例如，乙醇和/或其它载体、催化剂和离聚物))、气体扩散层、多孔剥离层、PEM和/或非多孔剥离层。
图2A-2D显示出根据一个实施方式的用于生产MEA部件的连续过程。图2A显示出在步骤(I)处，水性混合物200通过沉积设备205沉积在位于辊式进料机和/或辊式卷绕机215上的基材210上。水性混合物200的沉积在基材210之上形成了湿电极层220。基材210可以是气体扩散层、多孔剥离层、PEM或非多孔剥离层。例如，基材可以是低成本的ePTFE底衬垫(base backer)或剥离层。在步骤(II)处，湿电极层220通过辊式进料机和/或辊式卷绕机215输送至干燥机225并充分干燥。湿电极层220的干燥在基材210之上形成了干电极层230。
在图2B所示的任选的步骤(III)处，含有水性离聚物混合物的水性混合物235通过沉积设备205沉积在干电极层230的与基材210相反的一侧上。水性离聚物混合物可以包含PFSA离聚物[例如(杜邦公司(DuPont))]和非水溶性组分，即，非水溶性醇或羧酸。在步骤(IV)处，水性湿层235通过辊式进料机和/或辊式卷绕机215输送至干燥机225并充分干燥。水性湿层235的干燥在基材230之上形成了保护性离聚物层240。
在图2C所示的任选的步骤(V)处，湿(水相)离聚物混合物或复合湿混合物245通过沉积设备205沉积在保护性离聚物层240的与干电极层230相反的一侧上。湿离聚物混合物或复合湿混合物245的沉积在保护性离聚物层240之上形成了湿离聚物层或复合湿层250。在一些实施方式中，湿离聚物混合物245可以是离聚物混合物，例如质子导电聚合物(例如，未增强的离聚物混合物)。在替代性实施方式中，在复合湿混合物245中，离聚物混合物基本浸渍了微孔ePTFE，以使得ePEFE的内部体积基本闭塞，如Bahar等人的美国专利第RE 37,307号所述，由此形成复合湿层250(例如，增强的离聚物混合物)。在步骤(VI)处，湿离聚物层或复合湿层250通过辊式进料机和/或辊式卷绕机215输送至干燥机225并充分干燥。湿离聚物层或复合湿层250的干燥在保护性离聚物层240之上形成了干燥的离聚物层或干燥的复合层255(即，PEM)。
在图2D所示的任选的步骤(VII)处，水性混合物260通过沉积设备205沉积在干燥的离聚物层或干燥的复合层255的与保护性离聚物层240相反的一侧上。水性混合物260的沉积在干燥的离聚物层或干燥的复合层255之上形成了湿电极层265。水性混合物260可以是根据一些实施方式的如本文所述的水性混合物(例如，包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物)、或根据传统工艺如本文所述的混合物(例如，乙醇和/或其它载体、催化剂和离聚物)。在任选的步骤(VII)处，湿电极层265通过辊式进料机和/或辊式卷绕机215输送至干燥机255并充分干燥。湿电极层265的干燥在干燥的离聚物层或干燥的复合层255、保护性离聚物层240、干电极层230和基材210之上形成了干电极层270。在替代性实施方式中，根据本文所述的类似方法，相对于保护性离聚物层240，另一保护性离聚物层可以形成于湿电极层265和干电极层270之间。
将参考下文的非限制性示例更好地理解本公开。除非另有明确指出，否则例如按照美国专利第3,953,566生产ePTFE膜，ePTFE膜的单位面积质量为7.6克/米2，并且平均流动孔径为约0.25微米，所述文献以其全文通过引用纳入本文。
比较例1
制备含有10.5重量％催化剂、8.1重量％的PFSA离聚物和81.4％去离子水的水性油墨。催化剂是负载在炭黑上的50重量％的铂。离聚物的当量重量为810克/当量。油墨使用Misonix 3000超声喇叭声超声5分钟，此时油墨看起来均匀且分散良好。油墨的粘度低(水状)。对于涂覆的基材，通过将ePTFE膜限制在刺绣箍(embroidery hoop)中来制备多孔剥离层。使用一次性移液管将几滴油墨置于ePTFE膜的表面上，并使用移液管的吸球铺展。油墨不是形成均匀的湿层，而是快速网状化成液滴。
实施例2A-2C(1-己醇作为水不溶性组分)
在实施例2A中，将0.065克的1-己醇添加到5.0克的实施例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物以使得1-己醇乳化。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，并使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显的网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中1-己醇的总量为基于混合物总质量的1.3重量％，或者基于离聚物和溶剂质量的1.4重量％。
在实施例2B中，随后将更多的1-己醇添加到混合物中，以实现1-己醇浓度为基于离聚物和溶剂质量的5.8重量％。如前所述摇晃、涂覆并干燥混合物，观察到相同的结果。
在实施例2C中，随后将更多的1-己醇添加到实施例2B的混合物中，以实现1-己醇浓度为基于离聚物和溶剂质量的10.4重量％。如前述实施例中所述那样摇晃混合物。混合物的粘度显著增加，使得混合物变成粘稠的糊料。仍可以如前所述将糊料涂覆至基材上并干燥，观察到相同的结果。
实施例3(1-癸醇作为水不溶性组分)
在实施例3中，将0.073克的1-癸醇添加到5.0克的比较例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。在沉积之前观察到一些发生相分离的趋势，但搅拌和立即涂覆并干燥获得了均匀的涂层。当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显的网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中1-癸醇的总量为基于离聚物和载体总质量的1.6重量％。
实施例4A-4B(1-戊醇作为水不溶性组分)
在实施例4A中，将0.057克的1-戊醇添加到5.1克的比较例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中1-戊醇的总量为基于离聚物和载体总质量的1.2重量％。
在实施例4B中，随后将更多的1-戊醇添加至实施例4A的混合物中，以实现1-戊醇浓度为基于离聚物和载体总质量的1.6重量％。如前所述摇晃、涂覆并干燥混合物，观察到相同的结果。
实施例5A-5F(正己酸作为水不溶性组分)
在实施例5A中，将0.040克的正己酸添加到5.0克的实施例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物以使得正己酸乳化。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，并使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正己酸的总量为基于混合物总质量的0.8重量％，或者基于离聚物和溶剂质量的0.9重量％。
在实施例5B-5D中，随后以增量的形式将更多的正己酸添加到实施例5A的混合物中，以实现正己酸浓度为基于离聚物和溶剂质量的1.3重量％(实施例5B)、5.8重量％(实施例5C)和10.4重量％(实施例5D)。该各情况下，如前所述摇晃、涂覆并干燥混合物，观察到相同的结果。还允许混合物淤积在基材上并在室温下缓慢干燥，未观察到对基材的渗透。在各情况下，仍可以如前所述将混合物涂覆至基材上并干燥，观察到相同的结果。
在实施例5E-5F中，随后以增量的形式将更多的正己酸添加到实施例5D的混合物中，以实现正己酸浓度为基于离聚物和溶剂质量的14.6重量％(实施例5E)和18.4重量％(实施例5F)。在各情况下，如前所述摇晃混合物，并且混合物的粘度显著增加，在18.4重量％下混合物变成薄糊料。在各情况下，仍可以如前所述将较高粘度的混合物涂覆至基材上并干燥，观察到相同的结果。还允许混合物淤积在基材上并在室温下缓慢干燥，并且在实施例5F中观察到对基材的一些渗透。
实施例6(正壬酸作为水不溶性组分)
在实施例6中，将0.067克的正壬酸添加到5.0克的比较例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。在沉积之前观察到一些发生相分离的趋势，但搅拌和立即涂覆并干燥获得了均匀的涂层。当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显的网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正壬酸的总量为基于离聚物和载体总质量的1.5重量％。
实施例7(正己酸作为水不溶性组分)
在实施例7中，将0.097克的正己酸、2.344克的水和2.444克的水性离聚物溶液(14.86重量％固体)添加到0.490克的比较例1所述的水性油墨中。溶液中的离聚物与与水性油墨中所用的相同。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正己酸的总量为基于离聚物和载体总质量的1.8重量％。混合物中催化剂的总量为基于混合物总质量的0.9重量％。
比较例8A-8B(乙醇作为水溶性组分)
在实施例8A中，将0.051克的乙醇添加到5.0克的比较例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。油墨不是形成均匀的湿层，而是快速网状化成液滴。混合物中乙醇的总量为基于离聚物和载体总质量的1.1重量％。在实施例8B中，将更多的乙醇添加到混合物中，以实现乙醇浓度为基于离聚物和载体总质量的5.5重量％。如前所述摇晃、涂覆并干燥混合物，观察到相同的结果。
实施例9(正己酸作为水不溶性组分并且乙醇作为水溶性组分)
在实施例9中，将0.389克的正己酸添加到比较例8B所述的混合物中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显的网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正己酸的总量为基于离聚物和载体总质量的6.9重量％。混合物中乙醇的总量为基于离聚物和载体总质量的4.6重量％。
实施例10A-10D(基材变化)
在实施例10A中，用下拉棒涂覆约70重量％水、约9重量％催化剂(在炭黑上的50重量％的Pt)、约7重量％的PFSA离聚物、约6重量％的2-乙基-1-己醇、约4重量％的叔丁醇和约4重量％的二丙二醇的水性混合物，并在140℃烘箱温度中完全干燥3分钟，以在GDL(气体扩散层CNW10A，购自W.L.戈尔联合有限公司(W.L.Gore&Associates,Inc))之上形成电极层。
实施例10B-10D类似实施例10A进行，但是将油墨涂覆到3个其它基材上，具体是实施例10B的气体扩散层CNW20B(购自W.L.戈尔联合有限公司)，实施例10C的GORE-膜M735(W.L.戈尔联合有限公司)，和实施例10D的ePTFE剥离层(根据US2016/0233532，其全部内容通过引用纳入本文)。
寿命初始极化测试(beginning-of-life polarization measurement)表明，如上述实施例10A-10D中所述由涂覆在基材上的电极层制成的MEA(即，包括水不溶性组分)具有与市售膜电极组件(W.L.戈尔联合有限公司)相当的燃料电池性能。
实施例11A-11C(正戊酸作为水不溶性组分)
在实施例11A中，将0.020克的正戊酸添加到5.1克的比较例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。虽然预期混合物不会在具有较高表面能的基材(例如GDL)上网状化，但是油墨不是形成均匀的湿层，而是快速网状化成液滴。混合物中正戊酸的总量为基于离聚物和载体总质量的0.4重量％。
在实施例11B中，将0.037克的正戊酸添加到实施例11A所述的混合物中。然后摇晃该混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显的网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正戊酸的总量为基于离聚物和载体总质量的5.3重量％。
在实施例11C中，随后将更多的正戊酸添加到混合物中，以实现在混合物中正戊酸浓度为基于离聚物和载体总质量的8.6重量％。如前所述摇晃、涂覆并干燥混合物，观察到与实施例11B相同的结果。
实施例12(高加载量的PtRu Black催化剂)
在实施例12中，制备含有43.7重量％催化剂、7.3重量％的PFSA离聚物和49.0％去离子水的6.9克水性油墨。催化剂是PtRu Black(Alfa Aesar Stock#41171)。离聚物的当量重量为905克/当量。油墨使用Misonix 3000超声喇叭声超声30秒，此时油墨看起来均匀且分散良好。油墨的粘度低(水状)。然后，将0.20克的正己酸添加到水性油墨中，随后摇晃混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正己酸的总量为基于离聚物和载体总质量的5.0重量％。混合物中催化剂的总量为基于混合物总质量的42.4重量％。
实施例13(负载的Pt3CoNi催化剂)
在实施例13中，制备含有9.7重量％催化剂、4.4重量％的PFSA离聚物和85.9％去离子水的4.2克水性油墨。催化剂是负载在炭黑上的30重量％的Pt3CoNi。离聚物的当量重量为720克/当量。油墨使用Misonix 3000超声喇叭声超声30秒，此时油墨看起来均匀且分散良好。油墨的粘度低(水状)。然后，将0.58克的正己酸添加到水性油墨中，随后摇晃混合物。粘度保持较低(水状)。如比较例1中所述使用一次性移液管将几滴混合物置于ePTFE基材上，然后使用移液管的吸球铺展。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中正己酸的总量为基于离聚物和载体总质量的13.2重量％。混合物中催化剂的总量为基于混合物总质量的8.5重量％。
比较例14(多孔聚乙烯基材)
比较例14中，使用一次性移液管将几滴实施例1所述的油墨置于多孔聚乙烯基材上，并使用移液管的吸球铺展。聚乙烯基材是购自Gelon LIB集团(Gelon LIB Group)(中国)的多孔电池隔膜，其厚度为16微米，宽度为300毫米，并且单位面积质量为每平方米8.1克。油墨不是形成均匀的湿层，而是快速网状化成液滴。
实施例15(多孔聚乙烯基材)
在实施例15中，将0.065克的1-己醇添加到5.0克的实施例1所述的水性油墨中。然后摇晃该混合物以使得1-己醇乳化。粘度保持较低(水状)。用一次性移液管将几滴混合物置于多孔聚乙烯基材上，并使用移液管的吸球铺展。聚乙烯基材是与比较例14中所述的相同基材。该混合物形成均匀的湿层，当用热风枪干燥以产生电极时，该湿层没有明显地网状化。在基材的反面(未涂覆)侧没有观察到混合物，表明其并未浸入基材。混合物中1-己醇的总量为基于混合物总质量的1.3重量％，或者基于离聚物和溶剂质量的1.4重量％。
虽然本发明已经进行了详细说明，但是本发明的精神和范围内的修改对本领域技术人员来说是显而易见的。应当理解的是，如上所述和/或在所附权利要求中的本发明的方面和各实施方式的部分和各特征可以整体或部分组合或互换。在各种实施方式的前述描述中，参考另一实施例的那些实施方式可以如本领域技术人员所理解地与其它实施方式适当地组合。此外，本领域技术人员应理解，上述说明仅仅是示例性方式，并且并不是旨在限制本发明。

Claims (61)

1.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
提供基材；以及
在基材上形成电极，其中，所述形成包括：沉积含有水、水不溶性组分、催化剂和离聚物的水性混合物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材包括多孔层、非多孔层或它们的组合；并且其中所述水不溶性组分包括C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将多孔层、非多孔层或它们的组合，层压至电极和基材中的至少一个。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在沉积步骤中，水性混合物具有单一相。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，水性混合物网状率低。
6.如权利要求1所述的方法，其中，形成电极还包括：使所述水性混合物干燥。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基材包括在与电极相反的基材一侧上的另一电极。
8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，所述方法还包括：在与电极相反的基材一侧上形成另一电极。
9.如权利要求9所述的方法，其中，另一电极的形成包括：使所述水性混合物沉积在基材上。
10.如权利要求7所述的方法，其中，另一电极的形成还包括：使所述水性混合物干燥。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：将电极层压至聚合物电解质膜。
12.如权利要求1-10中任一项所述的方法，所述方法还包括：在电极上形成聚合物电解质膜。
13.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
在聚合物电解质膜上形成第一电极，其中，所述形成包括：在聚合物电解质膜上沉积水性混合物，所述水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；以及
在所述聚合物电解质膜上形成或附着第二电极。
14.一种制造燃料电池部件的方法，所述方法包括：
在气体扩散层上形成第一电极，其中，所述形成包括：在气体扩散层上沉积水性混合物，并且，所述水性混合物包含水、水不溶性组分、催化剂和离聚物，所述水不溶性组分包括水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；
在第一电极上形成或附着聚合物电解质膜；以及
在所述聚合物电解质膜上形成或附着第二电极。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述基材包括多孔层。
16.如权利要求15所述的方法，其中，多孔层是透气的或者包括气体扩散层。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述多孔层包括多孔剥离层。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述多孔剥离层包含膨胀的聚合物。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述膨胀的聚合物包括膨胀聚四氟乙烯。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述基材包括非多孔层。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述非多孔层包括非多孔剥离层。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述非多孔层包括聚合物电解质膜。
23.如权利要求11、12、14或22所述的方法，其中，所述聚合物电解质膜包含质子导电聚合物。
24.如权利要求11、12、14或22所述的方法，其中，所述聚合物电解质膜包括多孔微结构和掺杂在多孔微结构中的离聚物。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述多孔微结构包括全氟化的多孔聚合材料。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述全氟化的多孔聚合材料包括膨胀的聚四氟乙烯膜。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述多孔微结构包括烃材料。
28.如权利要求27所述的方法，其中，烃材料包括聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯。
29.如权利要求24所述的方法，其中，所述离聚物是质子导电聚合物。
30.如权利要求23或29所述的方法，其中，所述质子导电聚合物包括全氟磺酸。
31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中的水量为大于35重量％，任选地大于50重量％，任选地大于70重量％，任选地大于80重量％，或者任选地大于90重量％。
32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述催化剂包括贵金属、过渡金属、或它们的合金。
33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述催化剂是负载催化剂。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述负载催化剂包含碳。
35.如权利要求32-34中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物的总重量，所述水性混合物中的催化剂量为小于90重量％，任选地小于35重量％，任选地小于9重量％。
36.如权利要求3-35中任一项所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括C5-C10醇。
37.如权利要求36所述的方法，其中，水不溶性组分包括：1-戊醇，1-己醇，1，1-癸醇或它们的组合。
38.如权利要求3-37中任一项所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括C5-C10羧酸。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述水不溶性组分包括：正戊酸、正己酸、正壬酸或它们的组合。
40.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水不溶性组分的量为小于20重量％，任选地小于15重量％，任选地小于10重量％，任选地小于8重量％，任选地小于6重量％，或者任选地小于4重量％。
41.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述离聚物是全氟磺酸。
42.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中离聚物的量为小于50重量％，任选地小于35重量％，任选地小于8重量％，或者任选地小于0.5重量％。
43.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述水性混合物还包含水溶性化合物。
44.如权利要求43所述的方法，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水溶性化合物的量为小于50重量％，任选地小于25重量％，任选地小于9重量％，或者任选地小于4重量％。
45.如权利要求43或44所述的方法，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇或二醇醚。
46.如权利要求43所述的方法，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇，并且所述水溶性醇包括异丙醇或叔丁醇。
47.如权利要求43所述的方法，其中，所述水溶性化合物包括二醇醚，并且所述二醇醚包括二丙二醇或丙二醇甲醚。
48.一种用于形成燃料电池电极的水性混合物组合物，所述组合物包含：
a)水；
b)水不溶性组分，所述水不溶性组分包括：水不溶性醇、水不溶性羧酸或它们的组合；
c)催化剂；以及
d)离聚物。
49.如权利要求48所述的组合物，其中，所述催化剂包括贵金属、过渡金属、或它们的合金。
50.如权利要求48所述的组合物，其中，所述催化剂是负载催化剂。
51.如权利要求50所述的组合物，其中，所述负载催化剂包含碳。
52.如权利要求48-51中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物的总重量，所述水性混合物中催化剂的量为小于90重量％，任选地小于35重量％，任选地小于9重量％。
53.如权利要求48-52中任一项所述的组合物，其中，所述水不溶性组分包括：C5-C10醇、C5-C10羧酸或它们的组合。
54.如权利要求48-53中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水不溶性组分的量为小于20重量％，任选地小于15重量％，任选地小于10重量％，任选地小于8重量％，任选地小于6重量％，或者任选地小于4重量％。
55.如权利要求48-54中任一项所述的组合物，其中，所述离聚物是全氟磺酸。
56.如权利要求48-55中任一项所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中离聚物的量为小于50重量％，任选地小于35重量％，任选地小于8重量％，或者任选地小于0.5重量％。
57.如权利要求48-56中任一项所述的组合物，其中，所述组合物还包含水溶性化合物。
58.如权利要求57所述的组合物，其中，基于水性混合物中离聚物和载体的总重量，所述水性混合物中水溶性化合物的量为小于50重量％，任选地小于25重量％，任选地小于9重量％，或者任选地小于4重量％。
59.如权利要求57或58所述的组合物，其中，所述水溶性化合物是水溶性醇。
60.如权利要求59所述的组合物，其中，所述水溶性醇包括异丙醇、叔丁醇或二醇醚。
61.如权利要求60所述的组合物，其中，所述水溶性化合物包括二醇醚，并且所述二醇醚包括二丙二醇(DPG)或丙二醇甲醚(PGME)。
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