Гидрофильные полимеры и их использование в электрохимических элементах

006564 Область изобретения Настоящее изобретение относится к электрохимическим элементам. Предпосылки изобретения В электролитической ячейке, поступление электрической энергии приводит к общему химическому преобразованию. Общей особенностью обычных электролитических ячеек является то, что для прохождения электролитической реакции с достаточной эффективностью является необходимым поступление достаточного количества электрической энергии. Это расходование электрической энергии понижает эффективность ячейки. Электрохимические ячейки и, в частности, топливные элементы, могут находиться в виде мембранно-электродного узла (МЕА). МЕА топливных элементов с твердым полимерным электролитом, как правило, имеют многослойную структуру, содержащую (i) протонобменную мембрану (РЕМ), (ii) электродколлектор тока и (iii) слой электрохимического катализатора на каждой стороне. РЕМ работает за счет содержащихся в ней катионных участков, дающих возможность передачи анионов. В равной степени,твердый полимерный электролит может содержать фиксированные анионные участки, и он способен предпочтительно передавать катионы. Таким образом, приводимые ниже ссылки на РЕМ не являются исключительными. Структура, как описано выше, собирается из отдельных элементов, и соединяется в МЕА путем использования тепла и давления, перед установкой между коллекторами для газа, и структура в целом герметизируется, для исключения протечки газа (и его перетекания), с формированием единого элемента. Процесс является сложным, и, вместе с исходной стоимостью РЕМ и покрытой катализатором копировальной бумаги, как правило, используемой в качестве элементов (ii) и (iii), он представляет собой значительную часть стоимости производства топливного элемента. Ограничением рабочих характеристик РЕМ топливных элементов является распределение воды, в том смысле, чтобы РЕМ мембрана оставалась адекватно гидратированной, во время ее использования. Преобразование водорода и кислорода в электричество дает воду, которая появляется на кислородном электроде. Если мембрана должна оставаться в рабочем состоянии, она должна быть достаточно водопроницаемой для перераспределения воды и предотвращения локального пересыхания мембраны. Пересыхание приводит к перегреву и катастрофическому отказу (даже, возможно, к перетеканию водорода/кислорода, с возможностью взрыва). Устройства на основе РЕМ работают только за счет свойств, заключенных в самой мембране. При использовании в качестве электролизера добавление воды и электричества дает кислород и водород; при использовании в качестве топливного элемента используются водород и кислород (или воздух), и получают электричество. Существующие материалы РЕМ, например Nafion, состоят из несшитого поперечно фторированного полимера (в основном, PTFE), со свободно подвешенными боковыми цепями, содержащими ионоактивный фрагмент (как правило, SО 3). Гидрофильность обеспечивается фрагментами SО 3. Эти материалы,для работы, должны поддерживаться в гидратированном состоянии с помощью дополнительной воды(подводимой посредством гидратированного топливного газа). Они являются доступными в виде тонких листов, толщиной 10-30 мкм, предназначенных для установки в ячейках (напряжение 1 B) и, таким образом, в пакеты ячеек (как правило, по 100 единиц). Пакет может изготавливаться из отдельных МЕА. Поскольку каждая МЕА должна изготавливаться отдельно, и пакет создается последовательно, производство данного пакета является трудоемким. Гидрофильные полимеры, способные удерживать высокое содержание воды, являются известными. Уровень содержания воды определяет их свойства. Их электрические свойства определяются свойствами гидратирующего раствора. Например, определенные гидрофильные материалы, такие как НЕМА (2 гидроксиэтил метакрилат) и MMA-VP (метил метакрилат-винилпирролидон), хорошо известны в области биомедицины, в качестве материалов для контактных линз, но они не обладают исходными электрическими свойствами. Таким образом, если он гидратируется в деионизованной-дистиллированной (DD) воде, получаемый полимер представляет собой хороший электрический резистор, однако, если он гидратируется в кислом или щелочном растворе, материал представляет собой хороший проводник, до тех пор, пока электрически активный раствор не вымывается, когда гидратируемый полимер превращается обратно в непроводящую систему. Патент США US-A-4036788 описывает анионные гидрогели, получаемые путем сополимеризации гетероциклического N-винилового мономера, мономера, содержащего сульфоновую кислоту, и агента для поперечной сшивки. Полимеризация может осуществляться в присутствии водорастворимого растворителя, в котором мономеры являются растворимыми; полимер получают в форме органогеля, из которого неводный растворитель удаляется путем дистилляции, выпаривания или промывки водой. Погружение в воду вызывает набухание, с получением мягкого, пластичного материала, который может быть использован для извлечения основных или катионных материалов из водной среды, или для контролируемого высвобождения таких материалов.WO-A-01/49824 описывает полимер, получаемый путем полимеризации мономера, не содержащего сульфогрупп, мономера, содержащего сульфогруппы, и, необязательно, агента для поперечной сшивки.-1 006564 Полимеры являются пригодными для присоединения и роста клеток, и для биомедицинских устройств и протезов. Они могут иметь высокий коэффициент растяжения. Отрывки настоящего описания были опубликованы до даты его приоритета. См., например, Delegate Manual of Fifth Grove Fuel Cell Symposium, 22-25 September 1997. Эти отрывки не дают достаточной информации для специалиста в данной области, для осуществления изобретения, описанного ниже. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение основывается, по меньшей мере, частично, на обнаружении того, что материалы ионообменных мембран (IЕМ), в частности, материалы РЕМ (но, включая сюда и катионные материалы, как описано выше), могут быть получены на основе гидрофильных полимеров (то есть, полимеров, изначально способных по своей молекулярной структуре, поглощать и переносить воду). Такие материалы, модифицированные, с целью включения в них сульфоновой кислоты или других сильно ионных остатков, могут быть изготовлены путем полимеризации в массе, из исходного мономера или преполимерной системы, с помощью радиационной или термической полимеризации. Полимеризация должна осуществляться в присутствии воды или другой жидкости, с тем, чтобы система была гомогенной. В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, частично предварительно разбавленный гидрофильный полимер, способный к дополнительной гидратации с помощью воды, получают путем сополимеризации мономеров, включающих в себя мономер, содержащий сильно ионную группу; и растворитель, например полярную жидкость. Получаемый полимер предпочтительно является поперечно-сшитым. Полимер или материал IEM по настоящему изобретению, который не является гидратированным водой, может стать гидратированным (что, в целях настоящего описания, включает в себя любую степень гидратации, включая сюда максимальную гидратацию), при его использовании, например, в топливном элементе, где получается вода. Настоящее изобретение также относится к гидрофильному материалу IEM, включающему в себя матрицу из гидрофильного полимера и содержащуюся внутри матрицы молекулу, содержащую сильно ионную группу. Ионноактивная молекула может удерживаться внутри матрицы с помощью стерического ограничения и/или химической связи. Полимер может быть поперечно-сшитым. Регулируемое введение электрически активных центров приводит к получению материалов, которые являются как самогидратируемыми, так и электропроводными в чистой воде. Такие материалы могут использоваться в качестве электрохимических мембран, а также обладают свойствами, которые делают их пригодными для использования в биосенсорах и электрооптических устройствах. Способность производить материалы IEM путем полимеризации in situ открывают возможность для одностадийного способа, для производства пакетов. В дополнение к этому является возможным производство композитной полимерной электродной системы, в которой полимерный сепаратор размещается между областями активных поверхностей и простирается по ним, системы электродов или электродных катализаторов. Узел в соответствии с настоящим изобретением может содержать заданный канал для переноса жидкого или газообразного реакционного компонента к электроду и/или от него. Узел может также содержать катализатор реакции, который предпочтительно находится в контакте с каналом. Если каждый из двух или более реагентов представляет собой жидкость или газ, могут быть предусмотрены дополнительные каналы. Каждый канал может полностью или частично находиться внутри мембраны; например, он может определяться мембраной и окружающей матрицей или материалом подложки. Краткое описание чертежей Фиг. 1 А и 1 В иллюстрируют стадии известных и новых методик, соответственно, для получения композитных МЕА; фиг. 2A-2D, соответственно, иллюстрируют продукты по настоящему изобретению, имеющие регулируемые параметры систем; фиг. 3-5 схематически иллюстрируют воплощения второго аспекта настоящего изобретения; фиг. 6 представляет собой график электропроводности и IEC (ионообменной емкости), как функций композиции полимера; фиг. 7 представляет собой график IEC и поглощения воды, как функций плотности поперечной сшивки. фиг. 8 представляет собой поперечное сечение продукта, по настоящему изобретению; фиг. 9 и 10 представляют собой графики зависимости напряжения элемента от тока, для продуктов,по настоящему изобретению; фиг. 11 демонстрирует поляризационное поведение сМЕА, по настоящему изобретению и работающих в качестве топливного элемента; фиг. 12 представляет собой график напряжения в зависимости от времени работы, для сМЕА, по настоящему изобретению и работающих в качестве топливного элемента, при постоянном токе в 10 мА.-2 006564 Описание предпочтительных воплощений Гидрофильные сополимеры могут быть получены путем полимеризации из раствора смеси мономеров, как правило, содержащей: (а) гидрофобный/структурный сомономер, такой как ММА, AN (акрилонитрил), полиамид или TRIS, и (b) гидрофильный, но необязательно, электрически активный сомономер,такой как VP, НЕМА, и тому подобное. Присутствие как гидрофильных, так и гидрофобных мономеров открывает возможность для контроля электрических свойств, отдельно от гидравлических свойств, что может быть благоприятным для выполнения раздельных требований к мембране и к границе раздела мембрана/катализатор/электрод. Относительные количества этих мономеров позволяют регулировать набухаемость, и дают возможность получать продукт жестким или твердым и эластичным. Поперечно-сшитые материалы могут быть получены путем -облучения или термического облучения. Например, можно использовать ионизирующее излучение, а именно гамма-излучение 90 МэВ от источника Кобальт 60, причем в этом случае нет необходимости в добавлении какого-либо агента для поперечной сшивки. Тем не менее, можно регулировать свойства конечного материала, путем добавления:(с) химического сшивающего агента, такого как аллилметакрилат или этиленгликоль диметакрилат,и(d) химического инициатора, такого как AIBN (азоизобутиронитрил) или азобисциклогексанкарбонитрил. Если материал должен термически инициироваться и поперечно сшиваться, то указанные компоненты (с) и (d), становятся существенными для данного способа. Настоящее изобретение относится к преобразованию таких гидрофильных материалов в электрически активные системы, катионные или анионные, путем добавления:(e) электрически активной молекулы, удерживаемой внутри матрицы из гидрофильного полимера; или(f) электрически активного сомономера. Электрически активный компонент может быть на основе либо кислоты, например, сульфоновой кислоты (SO3), фосфорной или фосфоновой кислоты, либо основания или щелочи, например, соединения, поставляющего ионы ОН, такого как KОН, NaOH или аммоний гидроксида, или винилбензилтриметиламмоний хлорида. Предпочтительный мономер представляет собой 2-акриламидо-2-метил-1 пропансульфоновую кислоту (AMPS), стиролсульфоновую кислоту (SА), винилсульфоновую кислоту(VA) или SOMA. Также возможно, что компонент (а) или (b) может быть модифицирован, с тем, чтобы он функционировал также и в качестве компонента (f). Электрически активная молекула (е) может удерживаться внутри матрицы путем стерического ограничения, в качестве альтернативы или дополнения к химической связи. Добавление жидкости (например, этилового спирта), вызывающей набухание, к гидрофильному полимеру может вызвать набухание,большее, чем то, которое получается с помощью воды. Ионноактивные молекулы, растворенные в жидкости, вызывающей набухание, будут заменяться на воду, путем диффузии, и полимер будет усаживаться, тем самым, захватывая молекулы в матрице. Такой эффект наблюдается для сополимера 50:50MMVA-VP и ионных молекул, растворенных в этиловом спирте. Один или несколько типов ионноактивных молекул могут вводиться в матрицу, с использованием этого способа. Последующее активирование материала с помощью гамма-облучения может вызвать взаимодействие между введенными молекулами, с образованием молекулы, большей, чем те, которые захвачены с помощью стерического ограничения, и/или реакцию связывания введенной молекулы с полимерной матрицей. В твердом полимерном электролите, как он используется в какой-либо форме системы РЕМ, ионная электропроводность (Сi) должна быть намного большей, чем электронная электропроводность (Сe). Отношение Ce/Ci, меньшее, чем 0,1, является желательным для успешной работы. Полимеры, пригодные для использования в настоящем изобретении, могут быть получены путем полимеризации мономеров и воды или другой жидкости, в которой компонент (f) является растворимым,и с которой способны смешиваться остальные компоненты. Участие воды не является вполне понятным,но, в виде кислотного или щелочного раствора, она, очевидно, действует как сомономер и опосредует введение кислотных или щелочных остатков в структуру поперечно-сшитого полимера. После полимеризации, некоторое количество воды, или вся она, может быть удалено, но повторное гидратирование необязательно дает продукт, полученный перед сушкой. Соображения, которые должны связываться с материалами, включают в себя их гидрофильность,чтобы контролировать проницаемость для воды и газа, независимо от электрических свойств, и их поперечную сшивку, для стабильности; использование сульфоновой кислоты, фосфорной кислоты, и тому подобное; использование щелочной боковой цепи, для щелочных топливных элементов; и использование воды или спирта, для внесения электрически активного остатка в полимер, полярного раствора, действующего (неожиданно) в качестве сомономера. В качестве полимера, AN-VP плюс AMPS является пред-3 006564 почтительным, но другие пригодные для использования сочетания мономеров включают в себя MMAVP; ММА-НЕМА; неизменно, с AMPSVSASSATSA, и тому подобное. Для получения консистентного, гомогенного и изотропного полимера, индивидуальные компоненты должны быть растворимыми друг в друге или взаимно смешиваемыми. Например, остатки, содержащие сульфоновую кислоту, как правило, являются нерастворимыми в других предпочтительных сомономерах. Обнаружено, что эффективный способ введения компонента сульфоновой кислоты в конечную смесь мономеров заключается в растворении кислоты в воде (или в спирте, или в другой пригодной для использования полярной жидкости) и во введении данного раствора в смесь мономеров. Конечное содержание SO3 (а, следовательно, электрические свойства) зависят, среди прочего, от растворимости остатка сульфоновой кислоты в воде, способности других сомономеров к смешиванию с данной объемной долей раствора кислоты и стабильности полученной смеси, и ее способности к полимеризации. Обнаружено, что системы AN-VP являются смешиваемыми со значительными объемными долями водного раствора кислоты. Водный раствор, содержащий до 50% конечной смеси мономеров, может эффективно использоваться в качестве сомономера. Когда она экспонируется для гамма-облучения, смесь мономеров может становиться вязкой, а затем формировать твердую, но эластичную поперечно-сшитую массу, например, при общих дозах 0,1-3,0 Мрад. В качестве альтернативы полимеризации мономеров непосредственно в желаемый полимер, сначала может формироваться преполимер, например, (i) путем гамма-облучения, с использованием низкой общей дозы (как правило, 0,05 Мрад, и мощности дозы 0,01 Мрад/ч), или (ii) путем УФ облучения, в присутствии соответствующего УФ инициатора, например, 2,2-диметокси-2-фенилацетофенона. Преполимер (с которым относительно легко манипулировать) затем может быть преобразован в конечную твердую, поперечно сшитую форму, путем последующего использования (iv) дополнительного гаммаоблучения, например, с общей дозой 1,0-3,0 Мрад, или (v) термической полимеризации, в присутствии соответствующего инициатора, например, AIBN или азобисциклогексанкарбонитрила. Конечные материалы, как правило, уже являются частично предварительно гидратированными, содержат значительное количество воды в качестве начального сомономера, и таким образом, расширение до полной гидратации не приводит к дополнительной степени расширения, как правило, связанной с материалами IEM. Это значительно понижает гидратационные напряжения и следующее за этим деламинирование между IEM и структурами катализатор/электрод, которое обычно ассоциируется с МЕА на основе Nafion. Некоторые соображения, которые должны быть связаны со способом полимеризации, включают в себя:(a) воздействие температуры на полимеризацию, например, с использованием химических инициаторов для исключения пенообразования и/или использование гамма-облучения, когда охлаждение мономера дает возможность регулировать реологию и растворимость любого находящегося рядом материала;(b) использование одной стадии, используя термическое, УФ или гамма-излучение, или использование двух стадий, посредством преполимера, используя термическое/термическое; гамма/гамма; термическое/гамма; гамма/термическое или УФ излучение, и тому подобное; и(c) регулирование реологических свойств смеси мономеров или преполимера, для улучшения процесса наполнения и регулирование смачивания/проникновения катализатора или электродной бумаги,когда она используется. Соображения, которые могут быть связаны с преобразованием/производством пакета мембрана/МЕА/ячейка, включают в себя:(c) использование двух стадий посредством преполимера для регулирования реологии или специальных свойств границы раздела."Способ с выплавляемой восковой моделью" (который включает в себя использование льда) может быть использован, например, для устранения заливания коллекторов. Полимеры с восстановлением формы могут быть использованы для коллектора или МЕА. Отслаиваемые покрытия на сетке электрода могут быть использованы для определения "мембраны". Желательно, чтобы полимер, используемый в настоящем изобретении, демонстрировал максимальные значения электропроводности и IEC при любом данном поглощении воды. Поглощение воды в равновесии определяет объемные расширения при гидратации, и таким образом, определяет механические свойства и вероятность того, что какая-либо полученная композитная МЕА откажет из-за деламинирования при гидратации, или при изменении гидратации. Другое желательное свойство полимера заключается в том, что поглощение воды, электрические свойства и механические/гидравлические свойства могут контролироваться независимо. Предпочтительные материалы дают возможность для контролируемого изменения значений IEC и электропроводности,например, с коэффициентом 2, при этом, контролируя одновременно поглощение воды в диапазоне 3 (от 30 до 85%, как массовой доли, во влажном состоянии).-4 006564 Пример соответствующей методики для выбора первичного мономера включает в себя приготовление образцов с использованием (AN или ММА или PA)+VP+(каждый из AMPS, VS, SА, и SOMA) при каждой из двух концентраций сульфоновой кислоты. Эти образцы приготавливают с использованием аллилметакрилата в качестве сшивающего агента и полимеризуют с помощью гамма-облучения. Их отбирают с точки зрения электропроводности в DD воде, механических свойств, и поглощения воды. С помощью этого способа, весь начальный спектр возможных составов (всего 24) ограничивается до наиболее предпочтительных систем, на основе AN+VP+AMPS, которые будут использоваться ниже только для целей иллюстрации. Самые главные причины для выбора AN+VP+AMPS заключаются, во-первых, в том, что система демонстрирует более высокие значения электропроводности, чем любая другая комбинация мономеров, вероятно, из-за превосходных пределов смешиваемости для мономеров и растворов сульфоновой кислоты (кислот) на водной основе, а во-вторых, из-за механических свойств. Во всех случаях механические свойства (прочность при растяжении и сопротивление раздиру) являются функциями равновесного поглощения воды полимером (эластичность увеличивается, а прочность при растяжении понижается, при увеличении поглощения воды), но использование AN, как обнаружено, обеспечивает наибольшую прочность при растяжении и сопротивление раздиру, как функцию от содержания воды. Как можно ожидать, электрические свойства, при гидратировании в DD воде, как обнаружено, не зависят непосредственно от концентрации центров SО 3 в полимере. На практике остатки сульфоновой кислоты не являются растворимыми ни в одном из основных мономеров и вводятся в систему путем растворения материала в воде и его добавления к смеси AN+VP. Максимальный предел концентрации SO3 по этой причине устанавливается пределами смешиваемости вода+SO3+мономер, до разделения или выпадения в осадок присутствующих компонентов. Удовлетворительный предел может быть достигнут,когда используется AN. Равновесное поглощение воды (в DD воде), как обнаружено, зависит от трех параметров: (а) концентрации основного гидрофильного элемента VP; (b) концентрации SO3, который действует в качестве гидрофильного элемента, дополнительного и аддитивного к VP; и (с) концентрации агента для поперечной сшивки, аллил метакрилата (АМА). Равновесное поглощение воды увеличивается при увеличении концентрации VP, увеличении концентрации SO3 и уменьшении концентрации агента для поперечной сшивки. Соображения, которые могут быть связаны с улучшением границ раздела электрод/катализатор/мембрана, включают в себя:(a) включение катализатора во время полимеризации (интегральный катализатор);(b) включение углеродных волокон во время полимеризации (интегральный электрод);(d) использование развитых поверхностей, которые могут сделать возможной оптимизацию поверхности катализатора/электрода/иономера, по-разному, на каждой стороне топливного элемента или электролизера. Как указано выше, настоящее изобретение позволяет получать композитные структуры (содержащие электрод-катализатор-мембрану-катализатор-электрод) с помощью одностадийного способа. Это представляет собой значительное отклонение от существующего пути производства. Если используется существующий электрод из копировальной бумаги-катализатор, система мономеров или преполимера может впитаться в него и понизить перенос газа к слою катализатора; для понижения любых отрицательных воздействий, материал на основе бумаги должен быть настолько тонким, насколько это возможно, например, представлять собой копировальную бумагу ETEK TPGH-030, содержащую 0,35 мг/см 2 платины. Производство цельного композитного узла топливного элемента предпочтительно включает в себя конструирование узла, системы из двух электродов, покрытых катализатором, в качестве "формы", оставляющей зазор для мембраны, и введение "мембраны", в виде полимера/преполимера, после чего, отдельный процесс облучения завершает данный способ производства. Это схематически изображено на фиг. 1 В, которая демонстрирует, по порядку, полость 11 между катализатором-электродами, в качестве стенок 12; заполнение полости жидкостью 13 из гидрофильного мономера и ее облучение; и полученную полимеризованную "мембрану" 14, образующую интегральный элемент, на одной стадии. Это должно сравниваться с обычной методикой, изображенной на фиг. 1 А, которая включает в себя, по порядку, отдельное получение катализатора на электродах 15 и материала 16 РЕМ; узел и совмещение материалов; и герметизацию, нагрев и сжатие, для создания контакта катализатор-электрод. Поскольку все материалы полимеризуются из раствора (или преполимера), они предполагают ряд альтернативных путей производства. Для завершенной мембраны, они включают в себя:(a) использование волоконного армирования (одномерного или двухмерного) для контроля одномерного или двухмерного расширения при конечной гидратации;(b) неармированное, но двухосное предварительное напряжение для регулирования расширения и предотвращения расслоения, при узле в контакте со структурами катализатор/электрод;(c) введение катализатора и/или углеродного волокна в поверхностные слои, для формирования химически активной и электропроводной границы раздела с газом, фактически, законченной МЕА, но независимой от обычных структур катализатор/электрод; и(d) отливки поверхности полимера на фоне "текстурированной" поверхности, для получения поверхности реагента из полимера/катализатора, с увеличенной площадью поверхности и, по возможности,с улучшенными рабочими характеристиками. Обратимся к фиг. 2: фиг. 2 А изображает простой полимер 21 по настоящему изобретению; фиг. 2 В и 2 С изображают данный полимер с распределенным катализатором 22, одно- и двухсторонним; и фиг. 2D дополнительно изображает электрод 23. Электрод может быть полностью или частично импрегнирован гидрофильным материалом. Для законченной МЕА, с использованием обычных бумажных электродов с катализатором, данные пути включают в себя:(a) одностадийный способ, из мономеров, с использованием гамма-облучения, как изображено на фиг. 1;(c) стадию преполимера, для регулирования реологии или специальных свойств границы раздела. Для композитной МЕА, где мембрана формируется in situ в пространстве между элементами катализатора и электрода (и таким образом, в контакте с ними), одностадийные пути включают в себя:(a) полимеризацию жидкого мономера или преполимера;(b) полимеризацию мономера или преполимера в растворе, в соответствующем носителе;(d) литье жидкого полимера в растворе, с экстракцией растворителя для осаждения полимера;(e) введение соответствующего полимера в виде порошка, данный порошок прессуется или спекается; и(f) введение соответствующего полимера в его расплавленном состоянии, материал отверждается,когда МЕА возвращается к нормальной рабочей температуре. Эти способы для производства МЕА не являются ограниченными плоско-параллельными системами. Материал композитной мембраны, сформированной с помощью способа (е), может импрегнироваться материалом, который создает или улучшает перенос ионов и/или гидравлические свойства. Импрегнирующее вещество может быть эффективным, в том виде, как оно вводится, или после того, как оно полимеризуется, поперечно сшивается или образует гель вместе с материалом мембраны. Композитная МЕА может также производиться путем объединения двух односторонних "полу" элементов по толщине мембраны. Это может осуществляться путем использования дополнительного способа полимеризации. Для получения законченного пакета из множества элементов пути производства включают в себя любой из способов (а) - (g) для композитной МЕА и также:(a) одностадийный способ из мономеров с использованием гамма-облучения, как изображено на фиг. 1;(b) одностадийный способ из мономеров с использованием термических инициаторов; и(c) двухстадийный способ посредством преполимеров для контроля реологии или специальных свойств границы раздела. Опять же, данный способ не ограничивается плоскопараллельными системами. При получении пакета из множества элементов, может быть желательным предотвращение заливания мономерами структуры коллектора для газов (которое сделало бы невозможным работу пакета из элементов). В качестве альтернативы к использованию обычного блокирующего материала, может быть использован предварительно напряженный гидрофильный материал, для блокирования проходов коллектора, материал, который восстанавливает форму, который может быть удален (спеченный порошок или изменение формы). Альтернативно, "умный" восстанавливаемый материал металла или пластика может быть использован для конструирования самого коллектора. Элемент может быть изготовлен и заполнен мономером, и полимеризован, с формированием мембраны, после чего материал коллектора активируется, для регенерации проходов для газа. Мембрана устройства МЕА может содержать матрицу из гидрофильного полимера, который является электрически неактивным, но который содержит сильно ионные частицы, удерживаемые в матрице; это придает материалу мембраны общую электрическую активность. Для целей иллюстрации композитная МЕА может быть сформирована между двумя гладкими пластинами из PTFE, зазор между электродами поддерживается с использованием пористого промежуточного слоя из полиэфира, либо в тканой, либо в нетканой форме, выбранного таким образом, чтобы он был инертным по отношению к используемым мономерам. Затем смесь мономера вводят в зазор (в атмосфере азота), заполняя материал сепаратора, и элемент сжимают, чтобы определить толщину структуры. Форму помещают в избыток мономера и облучают, например, с помощью двухстадийного способа (низкая доза/мощность дозы, затем высокая мощность дозы до завершения). Слой полиэфира поддерживает расстояние между двумя бумажными электродами, во время заполнения и полимеризации. В дополнение к этому, поскольку нормальные гидрофильные материалы изо-6 006564 тропно расширяются при гидратации, введение такого армирования является исключительно эффективным для контроля области расширения мембраны из гидрофильного полимера, при гидратации. Таким образом, хотя материал и расширяется, этот эффект сводится скорее к увеличению толщины армированной мембраны, чем к увеличению площади ее поверхности. Это является эффективным при предотвращении расслоения композитной системы во время гидратации, перед установкой и зажимом между пластинами устройства для исследований топливных элементов. Этот путь производства обеспечивает композитную структуру электрод-мембрана-электрод, проложенную материалом мембраны, который, когда простирается за область электродов, образует эффективную герметизацию для газа, когда устанавливается между коллекторами устройства для исследования топливных элементов. В композите могут образовываться пузырьки (обычно, в армировании из полиэстра). Эта проблема может быть сведена к минимуму путем ультразвуковой обработки формы после заполнения и путем использования двухстадийного способа полимеризации, который служит для сведения к минимуму роста температуры во время полимеризации. МЕА могут полностью гидратироваться и исследоваться перед установкой в топливный элемент, с использованием азота, для обеспечения того, чтобы не было возможности для перетекания газа. В предпочтительном варианте осуществления изобретения узел включает проходы для переноса,которые дают возможность реакционным компонентам вступать в более эффективный контакт с электродом (электродами), а также, с любым катализатором. Проходы могут быть получены с помощью вставок из "выплавляемой восковой модели" или "умного материала", залитых в мембрану, и предпочтительно они имеют круговое поперечное сечение. Узел может также содержать отдельные структуры коллекторов, которые определяют их физические пределы, и проход может быть погружен как в мембрану,так и в физические пределы узла. Электрод и любые материалы катализаторов могут быть нанесены в виде покрытий, в проходах для реагентов, после их формирования, или отлиты в поверхности прохода,во время процесса "с выплавляемой восковой моделью" или "умного материала". Гибкий материал, например, из материала пластика, может быть использован для определения края МЕА и для осуществления электрической изоляции и/или отделения от газа. Углеродная ткань может использоваться в качестве электрода, и данная ткань может импрегнироваться слоем катализатора. В топливном элементе, где реагенты представляют собой водород или кислород, катализатор обычно представляет собой платину. Подобным же образом, электролизер для электролиза воды, как правило, содержит платиновый электрод. Когда электрод является сам для себя вспомогательной подложкой или поддерживается с помощью структуры "выплавляемая восковая модель", тогда можно отлить множество элементов, поскольку мембрана сама по себе образует структуру, внутри которой формируются элементы. Предпочтительно материал мембраны содержит полимер, который содержит сильно ионную группу, как описано выше. Воплощения настоящего изобретения, содержащие канал, изображены на фиг. 3-5. Особенности,общие для каждого из этих воплощений, представляют собой электрод 32 (как правило, из углеродной ткани, импрегнированной слоем катализатора), и литую ионообменную мембрану 36. Фиг. 3 изображает узел, где гибкий материал пластика 31 (например, полиэтилена) используется для определения края узла, при этом зазор определяется выступом 34 на одной границе, в соответствующем углублении 35 в противоположной границе. Реагенты по отдельности переносятся через каналы 33 а и 33b; один реагент вводится через каналы 33 а, другой, через каналы 33b. Разнесение пар каналов 33 а и 33b приводит к увеличению площади поверхности электрода, по сравнению с площадью обычных узлов электродов. Фиг. 4 изображает узел, где реагент представляет собой кислород из атмосферы 41. В этом случае один из скрепляющих элементов, изображенных на фиг. 3, заменяется проницаемым для газа материалом 42, для увеличения переноса кислорода к реакционной поверхности раздела. Второй реагент переносится через каналы 43. Фиг. 5 изображает электроды 32, поддерживаемые структурой "выплавляемая восковая модель". Реагенты вводятся через каналы 33 а и 33b, как на фиг. 3. В этом примере четыре индивидуальных элемента отливаются в мембране, области мембраны между отдельными элементами определяют три дополнительных элемента. Если узел представляет собой топливный элемент, тогда выходной ток из соединенных элементов 51 представляет собой эквивалент тока от семи индивидуальных элементов. Следующие далее примеры иллюстрируют настоящее изобретение. Используемые здесь сокращения и материалы представляют собой: Гидрофобные мономеры: метилметакрилат (ММА) акрилонитрил (AN) метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силан (TRIS) 2,2,2-трифторэтил метакрилат (TRIF) Гидрофильные мономеры: метакриловая кислота (МА)-7 006564 2-гидроксиэтил метакрилат (НЕМА) этил акрилат (ЕА) 1-винил-2-пирролидинон (VP) сложный 2-метиловый эфир пропеновой кислоты (РАМ) монометакрилоилоксиэтил фталат (ЕМР) аммоний сульфатоэтил метакрилат (SEM) Остатки -SO3 Н: толуолсульфоновая кислота (TSA) 1-метил-1-бензимидазол-2-сульфоновая кислотаNa соль изетионовой кислоты,Na соль 1-гексансульфоновой кислоты,гидроксилен-O-сульфоновая кислота Мономеры, содержащие активные центры сульфоновой кислоты, для сополимеризации: 2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновая кислота (AMPSA) винилсульфоновая кислота (VSA) стиролсульфоновая кислота (SSA) 2-сульфоэтил метакрилат (SOMA)Na соль 3-сульфопропил метакрилата, (SPM) Пример 1. Материалы Смесь мономеров акрилонитрила-винилпирролидона (AN-VP; 1:1) покупают очищенной и используют в том виде, как ее купили. Метилметакрилат (МА) (99% Aldrich) дистиллируют перед использованием. 1-Винил-2-пирролидинон (VP) (99% Aldrich) замораживают и используют при размораживании. Используемый сшивающий агент представляет собой аллил метакрилат (АМА) (98% Acros). 2-Акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновую кислоту (АМ) (99%), винилсульфоновую кислоту(натриевую соль, 25 мас.% раствор в воде) (VSA) и гидрат натриевой соли 4-стиролсульфоновой кислоты(SSA), все покупают у Aldrich. Натрий сульфопропил метакрилат синтезируют в соответствии с US-A-1299155. Составы Восемь различных растворов различных композиций AM, АМА и AN-VP в деионизованной воде Приготовление мономеров для радиационной полимеризации Все различные сульфоновые кислоты растворяют в дистиллированной воде, перед их добавлением к AN-VP (1:1). Затем к смеси добавляют АМА и смесь перемешивают. Растворы распределяют либо в алюминиевые ячейки, покрытые PTFE, и герметизируют, либо в контейнер с пластиковыми чашками. Мономеры вводят в ячейку с плоской нижней поверхностью чашки и заполняют сверху, до тех пор,пока мономер не достигнет верха. Затем верхнюю чашку помещают поверх нижней чашки, G-образные защелки используют для удержания двух чашек вместе. Затем чашки помещают вертикально в ультразвуковую баню для удаления пузырьков в системе, в течение 30 мин, перед экспонированием для гамма-излучения, в вертикальном положении. МЕА изготавливают in situ путем помещения куска нетканого материала, насыщенного мономером, между двумя электродами, между двумя чашками, перед облучением.-8 006564 Особенности облучения Одностадийное облучение осуществляют в течение 20 ч, при мощности дозы 0,125 Мрад/ч, до общей дозы 2,50 Мрад. Также используют двухстадийное облучение. Когда формула представляет собой OR, начальное облучение производится в течение 29 ч, при 0,01 Мрад/ч (=0,29 Мрад), затем следует вторая доза, в течение 80 ч, при 0,03 Мрад/ч (=2,40 Мрад). Там, где формула представляет собой 1,5 OR, первая доза осуществляется в течение 20 ч, при 0,01 Мрад/ч (=0,25 Мрад), а вторая доза, в течение 6,83 ч, при 0,03 Мрад/ч (=1,7075 Мрад). Во время этого облучения, поскольку образец находится так близко к источнику, контейнер поворачивают на 180, приблизительно на половине пути. Это облучение является чуть меньшим, чем то, которое обычно сообщалось предыдущим образцам, примерно 2,5 Мрад. Поглощение воды Секции мембраны погружают в деионизованную воду, в течение 24 ч, при комнатной температуре,сушат с помощью бумаги, для удаления поверхностной воды, и взвешивают. Затем мембраны сушат в вакуумной печи, при 60 С, до получения постоянной массы. Поглощение воды может быть определено с использованием формулы [(Mh-Md)/Mh] x 100%, где Mh и Мd представляют собой массы гидратированной и сухой мембраны, соответственно. Измерение ионообменной емкости Образцы мембраны гидратируют в растворе НСl (0,1 М) (50 мл), при температуре окружающей среды, в течение 24 ч. Затем образцы промокают досуха с помощью ткани и помещают в NaOH (0,1M) (50 мл), и предоставляют возможность для ионного обмена в течение 24 ч. Три аликвоты (10 мл) этого раствора NaOH затем титруют с помощью НСl (0,1 М). Фенолфталеин используют в качестве индикатора. Затем образцы опять сушат с помощью ткани и помещают обратно в НСl (0,1 М) (50 мл), в течение ночи,перед тем как образцы поместят в вакуумную печь, при 110 С, в течение 8 ч, и охладят в десикаторе. IEC вычисляют следующим образом: Молярность NaOH после обмена = [(Молярность НСl) х средний титр] - 10 Изменение молярности (X) = (Молярность NaOH перед обменом)-(Молярность NaOH после обмена) 100 мл содержит (X) моль Na+ 50 мл содержит (Х/1000) х 50 моль Na+ = Y Измерения сопротивления при различных условиях и электропроводности Сопротивление гидратированной мембраны измеряют в ячейке, при комнатной температуре, с использованием измерителя сопротивления Phillips Model PM 6303 RCL. Образцы осушают тканью, затем покрывают тонким слоем геля для электродов и помещают между сухими электродами, которые также покрыты тонким слоем геля для электродов. Ее электропроводность затем вычисляют по ее толщине и площади (1 см х 1 см). Сопротивление гидратированных образцов (диски диаметром 1,8 см; 2,54 см 2) также измеряют с использованием Solarton SI 1260 Impedance Analyser. Материалы, которые воплощают настоящее изобретение, исследуют на:(a) равновесное поглощение воды, посредством гравиметрии, и путем измерения коэффициента линейного расширения образцов с известным сухим размером;(b) на проницаемость для газа, используя коаксиальный датчик кислорода, сконструированный для использования вместе с биомедицинскими мембранами (ISO 9913 Part 1). Хотя все это представляет собой повсеместно принятый способ для обычных гидрофильных материалов, материалы, содержащие сульфоновые кислоты, делают точные измерения сложными. Однако были установлены значения переноса газа, находящиеся в пределах 15% от значений для обычных гидрофильных материалов со сравнимым поглощением воды, и они рассматриваются как разумные, принимая во внимание сложности измерений;(c) теплопроводность, измеряемую в полностью гидратированном состоянии, с помощью устройства для быстрых нестационарных измерений теплопроводности, описанного в ERA Report 5231 (1969), G.Mole. Значения теплопроводности, как обнаружено, являются функцией поглощения воды, увеличиваясь от 0,45 Вт/мК, для материала с 55% поглощением воды (эквивалент 78% от теплопроводности воды), до 0,58 Вт/мК, для материала с 85% поглощением воды (эквивалент 95% от теплопроводности чистой воды);(d) ионообменную емкость, исследования осуществляются на (i) образцах материалов, изготовленных в виде блоков и облученных параллельно с материалами мембран, и (ii) на образцах материала мем-9 006564 браны, взятых из "лишнего" материала, рядом с собственно МЕА (см. ниже). Образцы материала гидратируют в растворе НСl (0,1 М), в течение 24 ч. Затем образцы помещают в NaOH (0,1M) еще на 24 ч, для обмена и полученный раствор NaOH титруют НСl.(e) термическую стабильность, с использованием термогравиметрического анализа (TGA) и промывки при гидратации. Материалы, как обнаружено, являются замечательно стабильными при нагреве,по сравнению с Nafion: при 150 С, сополимер AN-VP-AMPS теряет только 4% своей массы (сравнимо сNafion), в то же время, сохраняя замечательное значение 42% даже при 800 С (при температурах выше 500 С, остаток Nafion равен 0). Для определения значений электропроводности и IEC, дополнительный образец смеси мономеров,используемых в МЕА, облучают во время производства МЕА. Материалы на основе AN-VP- AMPS, как обнаружено, имеют значения IЕС в диапазоне 2-3, в зависимости от точного пути производства, что соответствует эквивалентной массе в диапазоне 300-400. Это выглядит очень благоприятно, при сравнении с Nafion, для которой IEC составляет 0,91, и эквивалентная масса равна 1100. МЕА полностью гидратируют в DD воде и устанавливают в элемент, используя периферию самой мембраны в качестве уплотнения. Таким образом, установка МЕА становится необычно простой, и стабильное напряжение разомкнутой цепи (OCV) становится доступным через 30 с поступления рабочих газов. Процедура исследования включает в себя установление тока (посредством электронной нагрузки) и измерение полученного напряжения элемента. В конце каждой серии исследований, значение OCV измеряют повторно, для того, чтобы удостовериться в том, что МЕА не испытывает серьезных проблем,связанных с расслоением или деградацией во время опыта. В качестве итога, материалы были приготовлены с использованием винил-SА, стирол-SA, и, наиболее важно, 2-акриламидо-2-метил-1-пропан-SА, и значения электропроводности, как обнаружено, сравнимы с параметрами Nafion или лучше их, как показано на фиг. 6. В дополнение к этому, использование агентов для поперечной сшивки делает возможным конечное поглощение воды, которое контролируется отдельно от электрических свойств, как изображено на фиг. 7. Поскольку коэффициент расширения, и механические и гидравлические свойства, все, сильно зависят от поглощения воды при гидратации, контроль параметров, перечисленных выше, как показано, является очень эффективным, предоставляя возможность для определения и воспроизводимого контроля свойств получаемых материалов. Это изображено на фиг. 7, где значения IEC для набора полимерных препаратов на основе AN+VP+AMPS представлены в виде графиков, как функции равновесного содержания воды и используемого количества АМА. Является ясным, что можно создавать материал с заданным значением IEC, в широком диапазоне поглощения воды (и следовательно, коэффициента расширения, механических свойств и проницаемости для воды), если это требуется в каком-либо конкретном применении. Фиг. 8 представляет собой фотографию, сделанную с помощью сканирующего электронного микроскопа, поперечного сечения края композитного МЕА в сухом состоянии, демонстрирующее армирование 81, два бумажных электрода 82, катализатор 83 и материал 84 мембраны, простирающийся за область электродов, для обеспечения интегральной герметизации для газа. Результаты, изображенные на фиг. 9 (с использованием нетканого сепаратора) и на фиг. 10 (с использованием тканого сепаратора), ясно демонстрируют, что композитные МЕА, изготовленные с помощью одностадийного способа производства, эффективно работают в качестве систем РЕМ. Прерывистая линия, в каждом случае, демонстрирует результат для МЕА обычной конструкции, но с использованием мембраны на основе AN-VP-AMPS, то есть путем простого сжатия плоской мембраны между бумажными электродами. Сплошная линия представляет собой характеристику, измеренную для того же материала мембраны, сконструированного в форме интегральной МЕА. Улучшение рабочих характеристик является ясным указанием на превосходный контакт, полученный между материалом РЕМ и катализатором.OCV, как обнаружено, восстанавливает свое исходное значение после повторяющегося циклирования(будучи полностью гидратированным), указывая на то, что данный способ является успешным при предотвращении деламинирования полимера от слоя катализатора и электродного материала копировальной бумаги. Как наблюдается, сушку сопровождает увеличение сопротивления мембраны, хотя этот параметр восстанавливается при повторной гидратации. Пример 2. Материалы Смешивание 1. Акрилонитрил и винилпирролидон смешивают вместе и хранят в герметизированном контейнере. 2. Кислоту медленно добавляют к воде. Смесь требует непрерывного перемешивания, для обеспечения полного растворения кислоты. Этот процесс может занять до двадцати минут. 3. Смесь, полученную на стадии 2, медленно добавляют к смеси, полученной на стадии 1. Является важным, чтобы во время этого процесса смесь акрилонитрил-винилпирролидон охлаждалась в бане из холодной воды, поскольку при начале добавления смеси кислота-вода может выделяться некоторое количество тепла. Является также важным непрерывно перемешивать смесь во время этого процесса, для предотвращения внезапного выделения тепла. 4. Аллил метакрилат добавляют к смеси, полученной на стадии 3 и, как следует, перемешивают. Конечная смесь может храниться в морозилке до трех недель, без какого-либо заметного влияния на ее способность к полимеризации. Узел Для каждого сМЕА два куска электрода из копировальной бумаги соответствующего размера помещают по обе стороны тонкого листа полиэфира в виде нетканого материала. Куски копировальной бумаги должны полностью перекрываться, и их покрытые платиной поверхности должны соприкасаться с листом полиэфира. Роль листа полиэфира является двоякой. Во-первых, он не дает электродам из копировальной бумаги образовывать контакт друг с другом и осуществлять короткое замыкание; во-вторых,он контролирует поведение, с точки зрения набухания, полученной сМЕА, при гидратации. Тонкий лист полиэтилена используется в качестве разделителя, на обеих сторонах, делая возможным производство множества сМЕА за один заход. Одна или множество сМЕА помещаются в герметизируемый полиэтиленовый мешок. Смесь мономеров вводят в этот мешок из шприца, соединенного с тонкой полиэтиленовой трубкой,конец которой располагается на дне мешка. Перед заполнением весь узел откачивают и заполняют азотом для удаления из системы атмосферного кислорода. Введение смеси мономеров прямо на дно мешка способствует удалению пузырьков. Трубка для заполнения удаляется, и мешок оставляют стоять в течение пяти минут, чтобы дать возможность смеси мономеров для проникновения в материал сепаратора. Наконец, все пузырьки воздуха выдавливаются путем легкого сжимания мешка и выдавливания, при этом из него жидкости, вверх. В этот момент времени, мешок герметизируется. Внешнее давление прикладывается к мешку посредством двух жестких полиэтиленовых пластинок,которые прочно соединены друг с другом. Это сжимает весь узел, обеспечивая, удерживание электродов из копировальной бумаги на месте, и чтобы получаемые сМЕА были настолько тонкими, насколько это возможно, и имели однородную толщину. Любой избыток смеси мономеров, выдавленный из сМЕА,образует резервуар в верхней части мешка, который находится под некоторым положительным давлением. Полимеризация Узел подвергают двухстадийной обработке -облучением, как показано в табл. 2. Таблица 2 Узел располагают горизонтально, при этом"верхнюю часть" мешка, содержащую избыток мономеров, располагают от источника как можно дальше. Расстояние от центра узла до -источника определяется мощностью дозы. Когда мощность дозы увеличивается, узел пододвигают ближе к источнику, но ориентация остается неизменной. Полимеризация представляет собой экзотермический процесс, который вызывает уменьшение объема примерно на 4%. Начальную низкую мощность дозы оптимизируют, для медленной полимеризации смеси мономеров без перегрева. Вторая, более высокая доза обеспечивает завершение полимеризации. Части сМЕА, расположенные к -источнику ближе всего, подвергаются воздействию большей мощности дозы, чем избыток мономера. Предполагается, что полимеризация будет инициироваться на одном краю, таким образом, что избыток смеси мономеров может действовать в качестве резервуара исходного материала, для компенсации изменения объема, связанного с этим процессом. Этот способ, как предполагается, понижает вероятность формирования пустот в сМЕА, во время полимеризации.- 11006564 Полимеризация может также инициироваться термически. Это требует добавления к смеси мономеров соответствующего инициатора (такого как AIBN). Требуемое количество инициатора, как правило, составляет 2% масс от смеси AN-VP (то есть, 3 г, для количеств, перечисленных выше). При комнатной температуре такая смесь будет полимеризоваться в течение ряда дней. Увеличение температуры системы может уменьшить время. Инициация полимеризации в центре узла может уменьшить вероятность образования, в ключевых областях, пустот, связанных с усадкой по объему, при полимеризации. Это может быть достигнуто путем применения точечного источника тепла в центре верхней части узла. Разделение и гидратация сМЕА Полиэтиленовый мешок открывают разрезанием, и узел сМЕА удаляется. сМЕА легко могут быть удалены с полиэтиленовых разделителей. Однако смесь мономеров может просачиваться вокруг краев разделителей и полимеризоваться, связывая их вместе. В этом случае отрезание этой области от краев делает отделение гораздо более легким. Нужно быть осторожным, чтобы не сгибать сМЕА при удалении,поскольку электроды из копировальной бумаги являются очень хрупкими. После разделения сМЕА можно поместить в отдельные герметизируемые полиэтиленовые мешки с некоторым количеством деионизованной воды. Мешки должны быть достаточно большими, чтобы сделать возможным расширение сМЕА во время гидратации. Материал сепаратора из полиэфира ограничивает латеральное расширение сМЕА во время гидратации, сводя большую часть увеличения объема к увеличению толщины. Это дает преимущество уменьшения напряжений на границе раздела копировальная бумага-мембрана, сводя к минимуму вероятность деламинирования. Исследование сМЕА в качестве топливного элемента сМЕА могут оцениваться, в качестве топливного элемента, в системе, пригодной для использования одной МЕА. Основные компоненты такой системы, используемые в этом случае, представляют собой: 1. Два графитовых коллектора, площадь которых является большей, чем площадь сМЕА. Оба коллектора имеют каналы для газа, отфрезерованные в одной из сторон, и площадь, которую они покрывают, соответствует площади копировальной бумаги на сМЕА. Для МЕА, зажатой между коллекторами,узел упоминается как топливный элемент. 2. Соответствующие трубы, подводящие водород и кислород, при контролируемом давлении, к каналам для газа, соответствующих коллекторов. 3. Вольтметр, подключенный параллельно к топливному элементу. 4. Электронную нагрузку, подключенную параллельно топливному элементу, которая способна извлекать заданный пользователем ток. Является важным, чтобы сМЕА была соответствующим образом позиционирована между коллекторами, с тем, чтобы каналы для газа на обоих коллекторах перекрывали копировальную бумагу. Коллекторы сжимаются вместе посредством болтов на каждом углу. Мембрана, которая простирается за копировальную бумагу, формирует уплотнение для газа, вместе с коллекторами, поскольку сМЕА имеет однородную толщину (в отличие от обычных МЕА, которые требуют дополнительного механизма (механизмов) герметизации). Когда на противоположные стороны сМЕА подаются водород и кислород, наблюдается напряжение. При приведении в действие электронной нагрузки, увеличивающийся ток может извлекаться из топливного элемента и изображаться в виде графика, в зависимости от напряжения на элементе, для определения поляризационной характеристики сМЕА. Результаты изображены на фиг. 11. Фиг. 12 изображает дополнительные результаты. Исследование сМЕА в качестве электролизера Для сМЕА, закрепленной между двумя коллекторами, как это делается для исследования, в качестве топливного элемента, азот продувают через каналы для газа, с целью удаления любых остатков водорода и кислорода. Капиллярные трубки присоединяются к устройствам для ввода и вывода газа, на обоих коллекторах, и нагнетается вода, для протекания в каналах для газа. При приложении напряжения (2,5 В) на коллекторах видны пузырьки газа, проходящие через капиллярные трубки, от каналов для газа обоих коллекторов. Наблюдается, что больше газа, по всей видимости, генерируется из коллектора, присоединенного к отрицательному выводу источника питания. Это согласуется с выделением водорода на отрицательном электроде, и кислорода на положительном электроде, в соответствии со стехиометрией. Образец газа, выделяющегося на отрицательном электроде, собирают с помощью шприца и пропускают через трубку Драже, сконструированную для идентификации водорода. Результат является положительным, доказывая, что сМЕА может функционировать в качестве электролизера, для генерации водорода и кислорода, когда на нее воздействует напряжение. Затем сМЕА возвращается в устройство для исследования топливных элементов, и запускается еще на 15 часов. Оценки говорят о том, что использование сМЕА в качестве топливного элемента может быть улучшено путем предварительной обработки, в качестве электролизера. Пример 3. Процедуру, изложенную выше, повторяют, но с использованием винилбензилтриметиламмоний хлорида (BV), вместо AMPSA, тем самым, вводя катионные позиции.- 12006564 Данный материал исследуют, и, как обнаружено, он имеет значительно более высокую электропроводность, чем Nafion (30% увеличение), когда измерения проводятся на одном и том же устройстве для исследований, при тех же условиях. Компоненты материала приведены в табл. 3. Таблица 3 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Мембранно-электродный узел, содержащий электроды и ионообменную мембрану, которая содержит гидрофильный полимер, получаемый путем сополимеризации гидрофобных и гидрофильных мономеров, которые при полимеризации дают гидрофильный полимер; мономера, включающего сильно ионную группу; и воды. 2. Мембранно-электродный узел по п.1, который содержит по меньшей мере один заданный канал,для переноса жидкого или газообразного реакционного компонента по меньшей мере к одному из электродов и/или от него. 3. Узел по п.1 или 2, который содержит катализатор. 4. Узел по п.2 или 3, где по меньшей мере один канал обеспечивает перенос реакционного компонента к катализатору. 5. Узел по любому из предшествующих пунктов, где гидрофильный полимер имеет катионные участки. 6. Узел по любому из предшествующих пп.1-4, где гидрофильный полимер имеет анионные участки. 7. Узел по любому из предшествующих пунктов, где гидрофильный полимер поглощает воду не более, чем на 85%. 8. Узел по любому из предшествующих пунктов, где гидрофобный мономер представляет собой акрилонитрил. 9. Узел по любому из предшествующих пунктов, где гидрофильный мономер представляет собой винилпирролидон. 10. Узел по любому из предшествующих пунктов, где полимер является поперечно-сшитым. 11. Узел по п.10, где мономеры включают отдельный сшивающий агент. 12. Узел по любому из предшествующих пунктов, где полимеризация включает в себя -облучение или термическую инициацию. 13. Узел по любому из предшествующих пунктов, который находится в виде топливного элемента. 14. Узел по любому из пп.1-12, который находится в виде электролизера. 15. Узел по любому из предшествующих пунктов, который находится в виде пакета. 16. Способ производства мембранно-электродного узла, содержащего электроды и ионообменную мембрану, который включает введение между электродами материала или материалов, из которых может быть сформирована мембрана, описанная в пп.1-15, и формирование мембраны in situ. 17. Способ по п.16, где формирование мембраны включает полимеризацию составляющих мономеров или преполимера in situ. 18. Способ по п.17, где узел мембраны соответствует любому из пп.1-12. 19. Способ по любому из пп.16-18, где узел мембраны соответствует любому из пп.13-15.