JP2003515237A - 高差圧電気化学電池 - Google Patents

高差圧電気化学電池

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JP2003515237A
JP2003515237A JP2001537813A JP2001537813A JP2003515237A JP 2003515237 A JP2003515237 A JP 2003515237A JP 2001537813 A JP2001537813 A JP 2001537813A JP 2001537813 A JP2001537813 A JP 2001537813A JP 2003515237 A JP2003515237 A JP 2003515237A
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oxygen
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トーマス スコツィラス
マシュー クリストファー
ジェイソン ケイ シープ
マーク イー ドリスティ
トレント エム モルター
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Abstract

(57)【要約】 多孔質電極を用いて約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋＰａ）を超える差圧で運転することができる電気化学電池。多孔質電極は、電解質膜と密着して且つ電解質膜と流体的に連通して配置された多孔質担体上に、あるいは多孔質担体中に吸着した触媒を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は電気化学電池に関し、特に高い差圧で運転することができる電気化学
電池に関する。
【０００２】 （発明の背景） 電気化学電池は、通常は電気分解槽または燃料電池のいずれかとして分類され
るエネルギー変換装置である。プロトン交換膜電気分解槽は、電気的に水を分解
して水素ガスと酸素ガスを発生させることにより水素発生装置として機能し、そ
して電気化学的に水素と酸素を反応させて電気を発生させることにより燃料電池
として機能する。
【０００３】 図１を参照すると、代表的な燃料電池１０の部分断面が詳しく記載されている
。燃料電池１０において、水素ガス１２および反応物である水１４を水素電極（
アノード）１６に導入する一方で、酸素ガス１８を酸素電極（カソード）２０に
導入する。燃料電池の運転用の水素ガス１２は、純粋な水素源、メタノールまた
は他の水素源から発生しうる。水素ガスはアノード１６で電気化学的に反応して
、水素イオン（プロトン）および電子を生成する。そこで、電子は、電気的に接
続された外部負荷２１を通してアノード１６から流れ、プロトンは、膜２２を通
してカソード２０に移行する。プロトンおよび電子はカソード２０で酸素ガスと
反応して、結果として水１４’を生成し、水１４’は、膜２２を通してカソード
２０に移動した反応物である一切の水１４をさらに含む。外部負荷に電力を供給
するために、アノード１６およびカソード２０を横切る電位を利用することが可
能である。
【０００４】 燃料電池に関して図１で示したのと同じ構成は、電気分解槽のために従来から
用いられている。代表的なアノードフィード水電気分解槽（図示していない）に
おいて、酸素電極（電気分解槽においては、アノード）の側でセルにプロセス水
をフィードして、酸素ガス、電子およびプロトンを生成させる。アノードに電気
的に接続された電源の正端子および水素電極（電気分解槽においては、カソード
）に接続された電源の負端子によって電気分解反応を促進する。酸素ガスおよび
プロセス水の一部はセルから出る一方で、プロトンおよび水はプロトン交換膜を
横切ってカソードに移行し、カソードで水素ガスが生成する。カソードフィード
電気分解槽（図示していない）において、プロセス水を水素電極上にフィードし
、水の一部は膜を横切ってカソードからアノードに移行し、アノードでプロトン
および酸素ガスが生成する。プロセス水の一部は、膜を通過せずにカソード側で
セルから出る。プロトンは膜を横切ってカソードに移行し、カソードで水素ガス
が生成する。
【０００５】 特定の設備において、必要に応じて電気を水素に変換するのと、水素を電気に
戻すのとの両方のために、電気化学電池を用いることが可能である。こうしたシ
ステムは、再生燃料電池システムと一般に呼ばれている。
【０００６】 代表的な電気化学電池は、スタック中に配列された多数の個々のセルを含み、
作用流体はスタック構造内に形成された入力導管および出力導管を経由してセル
を通して送られる。スタック内のセルは順次配列され、各セルはカソード、プロ
トン交換膜およびアノードを含む。アノード、カソードまたはその両方は、従来
法では膜へのガスの拡散を促進するガス拡散電極である。各カソード／膜／アノ
ードアセンブリ（以後「膜電極アセンブリ」、すなわち「ＭＥＡ」と呼ぶ）は、
一般に、スクリーンパックまたはバイポーラプレートなどの、流れ場を形成する
支持膜によって両側で支持される。差圧がセル内に存在することが多いので、セ
ル作用領域、すなわち電極において均一圧縮を維持するために、圧縮パッドまた
は他の圧縮手段が用いられることが多く、よって長時間にわたって流れ場とセル
電極との間の密着を維持する。
【０００７】 スクリーンパックまたはバイポーラプレートなどの流れ場は、ＭＥＡのために
機械的支持を提供することに加えて、好ましくは、流体移動および膜水和を促進
する。これらの多孔質支持膜は、酸素ガスおよび水素ガスの適切な輸送を引き起
こすガス拡散媒体として機能することも可能である。電気化学電池全体を通した
流体（液体水および酸素ガスと水素ガスを含む）の輸送速度および分布均一性を
高めると運転効率が高まる。
【０００８】 スクリーンパックの支持体を用いて、従来の電気化学電池は、約４００ポンド
／平方インチ（ｐｓｉ）（約２７６０ｋＰａ）以下の差圧で運転することが可能
である。こうした支持部材が所期の目的に関して適する一方で、こうした支持部
材は、追加の製造用材料および工程を必要とし、約４００ｐｓｉ（約２７６０ｋ
Ｐａ）より大きい差圧で運転するセルのために効果的ではない場合がある。電気
化学電池において、例えば、約１，０００ｐｓｉ（約６９００ｋＰａ）以上でセ
ルを運転することが望ましい。約４００ｐｓｉ（約２７６０ｋＰａ）を超える、
特に６００ｐｓｉ（４１４０ｋＰａ）を超える圧力において、スクリーン構造の
物理的限界、すなわち、非常に小さいスクリーン開口の要件は、スクリーンを通
した流体輸送を妨げ、よってスクリーン構造の有用性を限定する。
【０００９】 従って、約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋＰａ）以下の圧力での運転を可
能にするために、多孔質プレート技術が開発されてきた。代表的な多孔質プレー
トは、１９９４年にカールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）らに発行された米国特許第５
，２９６，１０９号および第５，３７２，６８９号において開示されている。図
２に示したように、多孔質シート２１３は、膜２０９に追加の構造一体性を付与
するために、アノード電極２１１と流れ場（スクリーンパック２０３）との間に
配置される。カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）によると、多孔質シート２１３は、
さらに二方向の水と酸素の流れを可能にする。
【００１０】 多孔質プレートは、Ｔｈｅ Ｃａｓｅ Ｗａｓｔｅｒｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎ 「Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ａｎｄ Ｉｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ」，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈ
ｉｏ Ｍａｙ １７〜１９，１９８２で提出された文献においても以前に開示さ
れた。再び図２で図解したように、この文献は、膜および電極アセンブリが流れ
場に向けて変形しないようにするために多孔質で硬い支持シート２１３を電極２
１１と流れ場分配部品２０３との間に挿入することを開示している。記載された
特定の設備は、アノード電極上の多孔質チタン支持シート、およびカソード電極
上の炭素繊維紙多孔質硬支持シートを用いている（ｐ１４）。ページ２において
、この文献は、こうしたセルが５００ｐｓｉ（３４５０ｋＰａ）より大きい差圧
に及ぶ差圧で運転することが可能であったことを主張している。
【００１１】 固体ポリマー電解質水電気分解技術に向けられている「Ｓｏｌｉｄ Ｐｏｌｙ
ｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌ
ｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」，Ｆｉｎａｌ Ｒｅｐｏｒｔ
ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｅｒｉｏｄ Ｏｃｔｏｂｅｒ １９７７−Ｎｏｖｅｍｂｅｒ
１９８１ ｂｙ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＮＴ
ＩＳ Ｏｒｄｅｒ Ｎｕｍｂｅｒ ＤＥ８２０１０８７６においても多孔質プレ
ートの使用が開示されている。多孔質チタンプレートを用いる特定の電解槽設備
が記載されており、図２に示したように、アノード電極２１１、成形グルーブ２
０３のアノード電極流れ場、カソード電極２０７、成形グルーブ２０５のカソー
ド電極流れ場、およびアノード２１１とカソード２０７との間に且つアノード２
１１とカソード２０７に密着して配置されたイオン交換膜２０９を含む。多孔質
シート２１３は、イオン交換膜２０９を支持するとともにアノード流れ場２０３
とアノード電極２１１との間に挿入されて示されている。流れ領域に向けた膜の
クリープを防ぐために、膜および電極アセンブリ用の支持体をアノード側とカソ
ード側の両方に必要としたことが初期開発によって示されたことが報告書のペー
ジ１０に記載されている。アノード支持体（多孔質シート２１３）は、流れ場か
らの触媒に向けた水の輸送および酸素ガスの流出のために貫通エッチングされた
多くの小孔をもつ薄いチタン箔を含んでいた。改善された水流量を提供するため
に、これらの薄箔アノード支持体は、多孔質チタンプレートで置き換えるべきこ
とが報告された（ｐ６６）。
【００１２】 多孔質プレート技術の著しい欠点は、このエレメントがセルアセンブリに加え
る追加の材料費用、製造費用およびアセンブリ費用である。従って技術上必要な
ものは、例えば約１，０００ｐｓｉ（約６９００ｋＰａ）を超える高い圧力で運
転することができる費用効果に優れた電気化学電池である。
【００１３】 （発明の概要） 上述した難点および欠点は、多孔質電極と、もう一つの電極と、前記電極間に
配置された膜とを含む電気化学電池、電気化学電池を使用する方法、多孔質電極
を製造する方法および電力を生成させる方法によって軽減される。
【００１４】 電気化学電池は、導電性多孔質担体と物理的に接触して配置された触媒を含む
第１の多孔質電極と、第２の電極と、前記第１の多孔質電極と前記第２の電極と
の間に配置された膜と、前記第２の電極と流体的に連通している流れ場と、前記
第１の電極と流体的に連通している第１の流れ口と、前記第２の電極と流体的に
連通している第２の流れ口とを含む。従って、第１の多孔質電極は、触媒用の構
造的担体および触媒への一体性、水素および酸素への水の電気分解のための反応
サイト、作用ガスおよび流体のための流体流れ場ならびに膜のための支持体を与
える多孔質触媒構造体を含む。
【００１５】 電気化学電池を使用する一つの方法は、導電性多孔質電極と物理的に接触して
配置された触媒を含む酸素電極に水を導入する工程と、水素イオン、酸素および
電子を生成させるために水を解離する工程と、電気負荷を通して前記電子を水素
電極に移動させる工程と、電解質膜を通して前記水素イオンを前記水素電極に移
行させる工程と、前記水素電極で水素ガスを発生させる工程とを含む。
【００１６】 気孔率が好ましくは約２０体積％より高い多孔質電極を製造する一つの方法は
、焼結多孔質担体を形成するために導電性材料の層を焼結する工程と、前記焼結
多孔質担体に触媒および溶媒の溶液を浸透させる工程と、多孔質電極から前記溶
媒を除去する工程とを含む。
【００１７】 気孔率が好ましくは約２０体積％より高い多孔質電極を製造する別の方法は、
導電性材料に触媒および溶媒の溶液を被覆する工程と、前記被覆した導電性材料
の層を成形する工程と、任意に前記層から溶媒を除去する工程と、多孔質電極を
形成するために前記層を焼結する工程とを含む。
【００１８】 気孔率が好ましくは約２０体積％より高い多孔質電極を製造するなおもう一つ
の方法は、導電性多孔質担体に触媒前駆物質および溶媒の溶液を被覆する工程と
、前記触媒前駆物質を触媒に転化させる工程とを含む。
【００１９】 電力を生成させる方法は、初期電気を生成させる工程と、導電性多孔質流れ場
内に配置された触媒を含む酸素電極と、水素電極と、前記酸素電極と前記水素電
極との間に配置された電解質膜と、前記酸素電極および前記水素電極と電気的に
連通している電気負荷とを有する電気化学電池に前記初期電気の少なくとも一部
を導入する工程と、水を前記酸素電極に導入する工程と、水素イオン、電子およ
び酸素を生成させるために水を解離する工程と、前記電解質膜を通して前記水素
イオンを前記水素電極に移行させる工程と、前記電気負荷を通して前記電子を前
記水素電極に移動させる工程と、水素ガスを前期水素電極で発生させる工程と、
前記初期電気が入手できないか、あるいは不十分である時に追加の電気を生成さ
せるために前記水素ガスを用いる工程とを含む。
【００２０】 本発明の上述した特徴および利点ならびにその他の特徴および利点は、以下の
詳細な説明および図面から当業者によって認められ、理解されるであろう。
【００２１】 （発明の実施のための最良の態様） 水素、酸素および水を用いるプロトン交換膜電気化学電池に関して記載してい
るけれども、固体酸化物などの固体電極、プロトン交換膜、および水素、臭素、
塩素、酸素、沃素、弗素、メタノールおよび他の流体に限定されないがそれらを
含む種々の反応物を用いるすべての型式の電気化学電池と合わせて本発明を使用
できることは容易に理解される。異なる反応物および／または異なる電気化学電
池スタックを利用すると、流れ、反応および好ましい材料（例えば、触媒および
膜の種類）は、電気化学電池の当該特定型式に関して一般に理解されているよう
に、それに応じて変わることが理解される。
【００２２】 この電気化学電池、セルスタック、電極およびそれらを運転する方法は、高差
圧運転、すなわち、約１，０００ｐｓｉ（約６９００ｋＰａ）を超える差圧、好
ましくは約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋＰａ）を超える差圧、最も好まし
くは約４，０００ｐｓｉ（約２７６００ｋＰａ）以下または約４，０００ｐｓｉ
（約２７６００ｋＰａ）を超える差圧での運転を可能にする。電気化学電池スタ
ックは、少なくとも一個の電気化学電池、好ましくは複数の電気化学電池を含む
。各セルは、アノード電極、カソード電極およびアノード電極とカソード電極と
の間に配置された電解質膜、ならびに電極と流体的に連通している流体流れ場を
含む。電気分解槽中の電極の少なくとも一つ、好ましくは酸素電極（アノード）
は、触媒用の構造担体および触媒に対する一体性、水素および酸素への水の電気
分解のための反応サイト、ならびに例えば、水および酸素のための流体流れ場を
与える多孔質触媒構造体を含む。
【００２３】 電気分解槽と燃料電池の両方のための電解質膜は、電気化学電池中で膜を形成
するために一般に用いられるいかなる材料であることも可能である。電解質は、
好ましくは、電気化学電池の運転条件下で固体またはゲルである。有用な材料に
は、プロトン伝達イオノマーおよびイオン交換樹脂が挙げられる。有用なプロト
ン伝達イオノマーには、アルカリ金属、アルカリ土類金属塩またはプロトニック
酸と、ポリエーテル、ポリエステルまたはポリイミドなどの一種以上の極性ポリ
マーとの錯体、アルカリ金属、アルカリ土類金属塩またはプロトニック酸と、セ
グメントとして上述した極性ポリマーを含む網目ポリマーまたは架橋ポリマーと
の錯体であることが可能である。有用なポリエステルには、ポリエチレングリコ
ール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリエチレングリコールジエーテ
ル、ポリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコールモノエーテルおよび
ポリプロピレングリコールジエーテルなどのポリオキシアルキレン、ポリ（オキ
シエチレン−ｃｏ−オキシプロピレン）グリコール、ポリ（オキシエチレン−ｃ
ｏ−オキシプロピレン）グリコールモノエーテルおよびポリ（オキシエチレン−
ｃｏ−オキシプロピレン）グリコールジエーテルなどの、これらのポリエーテル
の少なくとも一種のコポリマー、ならびにエチレンジアミンと上のポリオキシア
ルキレンとの縮合生成物、燐酸エステル、上のポリオキシアルキレンの脂肪族カ
ルボン酸エステルまたは芳香族カルボン酸エステルなどのエステルが挙げられる
。例えば、ポリエチレングリコールとジアルキルシロキサン、ポリエチレングリ
コールと無水マレイン酸、またはポリエチレングリコールモノエチルエーテルと
メタクリル酸のコポリマーは、有用であるために十分なイオン伝達性を示すこと
が技術上知られている。有用な錯体形成試薬には、アルキル金属塩、アルカリ土
類金属塩ならびにプロトニック酸およびプロトニック酸塩を挙げることが可能で
ある。上の塩中で有用な対イオンは、ハロゲンイオン、過塩素酸イオン、チオシ
アネートイオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオンおよび硼フッ素イオンな
どであることが可能である。こうした塩の代表的な例には、弗化リチウム、沃化
ナトリウム、沃化リチウム。過塩素酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、トリ
フルオロメタンスルホン酸リチウム、硼弗化リチウム、ヘキサフルオロ燐酸リチ
ウム、燐酸、硫酸、トリフルオロメタンスルホン酸、テトラフルオロエチレンス
ルホン酸およびヘキサフルオロブタンスルホン酸などが挙げられるが、それらに
限定されない。
【００２４】 プロトン伝達材料として有用なイオン交換樹脂には、炭化水素型樹脂およびフ
ルオロカーボン型樹脂が挙げられる。炭化水素型イオン交換樹脂には、フェノー
ル型樹脂またはスルホン酸型樹脂、スルホン化によって陽イオン交換能力を付与
されているか、あるいはクロロメチル化、その後の対応する第四アミンへの転化
によって陰イオン交換能力を付与されているフェノール−ホルムアルデヒドなど
の縮合樹脂、ポリスチレン、スチレン−ジビニルベンゼンコポリマー、スチレン
−ブタジエンコポリマーおよびスチレンージビニルベンゼン−塩化ビニルターポ
リマーを挙げることができる。
【００２５】 フルオロカーボン型イオン交換樹脂には、テトラフルオロエチレン−パーフル
オロスルホニルエトキシビニルエーテルの水和物またはテトラフルオロエチレン
−ヒドロキシル化（パーフルオロビニルエーテル）コポリマーを挙げることがで
きる。例えば、燃料電池のカソードにおいて耐酸化性および／または耐酸性が必
要な時、スルホン酸官能基、カルボン酸官能基および／または燐酸官能基を有す
るフルオロカーボン型樹脂は好ましい。フルオロカーボン型樹脂は、一般に、ハ
ロゲン、強酸および塩基による酸化に対して優れた耐性を示す。スルホン酸基官
能基を有するフルオロカーボン型樹脂の一つの系統は、デラウェア州ウィルミン
トンのデュポン・ヌムール（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｄｅｍｏｕｒｓ Ｉ
ｎｃ．）製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）樹脂である。
【００２６】 膜は、多孔質電極に隣接し且つ流体的に連通して配置され、多孔質電極は、多
孔質担体上に吸着したか、あるいは好ましくは多孔質担体全体を通して吸着した
触媒を含む。可能な触媒には、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテ
ニウム、オスミウム、炭素、金、タンタル、錫、インジウム、ニッケル、タング
ステンおよびマンガンなど、ならびに前述した触媒の少なくとも一種を含む混合
物、酸化物、合金および組み合わせなどの電気化学電池システムにおいて従来か
ら用いられている電極触媒が挙げられる。単独で、あるいは上述した触媒と組み
合わせて使用できる可能な別の触媒には、グラファイト、ならびにフタロシアニ
ンおよびポルフィリンなどの有機金属化合物、および前述した触媒の少なくとも
一種を含む組み合わせなどが挙げられる。適する触媒は、米国特許第３，９９２
，２７１号、第４，０３９，４０９号、第４，２７２，３５２号、第４，７０７
，２２９号および第４，４５７，８２４号においても開示されている。これらの
特許は本願に全体的に引用して援用する。触媒は、ばらばらの触媒粒子の形をと
ることが可能であり、そして水和イオノマー固体、フルオロカーボン、他の結合
剤材料、電気化学電池触媒と合わせて従来法で用いられる他の材料および前述し
た触媒の少なくとも一種を含む組み合わせをさらに含んでよい。イオノマー固体
は、いかなる膨潤プロトン材料（すなわち部分非結合高分子材料）および水伝導
材料であることも可能である。可能なイオノマー固体には、炭化水素主鎖をもつ
もの、およびパーフルオロスホネートイオノマーなどの（フルオロカーボン主鎖
をもつ）パーフルオロイオノマーが挙げられる。イオノマー固体およびイオノマ
ー固体と合わせた触媒は、モルター（Ｍｏｌｔｅｒ）による米国特許第５，４７
０，４４８号にさらに記載されている。この特許は本願に全体的に引用して援用
する。
【００２７】 触媒は、以下にさらに記載されるように多孔質担体上に、あるいは多孔質担体
内に吸着される。多孔質担体は、電気化学電池環境（例えば、好ましくは約４，
０００ｐｓｉ（約２７６００ｋＰａ）以下または４，０００ｐｓｉ（２７６００
ｋＰａ）を超える所望の差圧、約２５０℃以下の温度、および水素、酸素および
水への暴露）と適合するいかなる導電性材料も含むことが可能である。幾つかの
可能な材料には、特に、炭素、ニッケル、およびニッケル合金（例えば、特に、
インジアナ州ココモのハイネスインターナショナル（Ｈｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎ
ａｔｉｏｎａｌ）から市販されているＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）、ウェス
トバージニア州ハンティングトンのＩＮＣＯアロイズインターナショナル（ＩＮ
ＣＯ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．）から市販されて
いるＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標））、コバルトおよびコバルト合金（例えば、特
に、ニューヨーク州ライのメリーランドスペッシャリティワイヤ（Ｍａｒｙｌａ
ｎｄ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｗｉｒｅ，Ｉｎｃ．）から市販されているＭＰ３５
Ｎ、イリノイ州エルギンのエルギロイリミッテドパートナーシップ（Ｅｌｇｉｌ
ｏｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ）から市販されているＥｌｇｉ
ｌｏｙ（登録商標））、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、炭素、
ハフニウム、鉄および鉄合金（例えば、ステンレススチールなどのスチール）お
よび前述した材料の少なくとも一種を含む酸化物、混合物および合金が挙げられ
る。多孔質担体の特定の形態、例えば、繊維状（ランダム繊維、織繊維、不織繊
維、チョップドファイバーおよび連続繊維など）、粒状、微粒子粉末およびプリ
フォームなどは、多孔質電極の製造と関連して、より詳しく以下で論じる。
【００２８】 多孔質電極の製造において多くの方法を用いてよい。例えば、あらゆる形状の
微粒子材料に、塗装、噴霧、浸漬、浸透または蒸着などを介して、例えば、イン
キの形をとった所望の触媒を浸透させることが可能である。その後、圧力を用い
て、浸透した粒子を圧縮し、次に真空焼結（例えば共焼結）して製品電極を作製
する。圧縮前の粒子は中実または多孔質のいずれであってもよい。
【００２９】 あるいは、繊維状フェルト、織スクリーンまたは不織スクリーン、多孔質層ま
たは前述した形態の少なくとも一つを含む組み合わせなどの形をとった多孔質担
体に触媒を浸透させる。一旦触媒が多孔質担体の少なくとも一部の表面上に吸着
されてしまうと、一切の溶媒を除去し、よって触媒材料が後に残る。本願で用い
られる「吸着」は、多孔質担体の表面（表面が内部であろうと外部であろうと）
上への一切の吸着および例えば特定の導電性ポリマーで起きうるような、多孔質
担体を含む材料内での吸着を包含することを意図している。繊維または他の形態
は、それ自体中実または多孔質あってよい。多孔質担体の適する気孔率は、一般
には約１０体積％より高く、好ましくは約２０体積％より高く、最も好ましくは
約４０体積〜約９０体積％である。
【００３０】 多孔質電極を製造するなおもう一つの方法は、導電性多孔質担体に触媒前駆物
質の溶液を被覆する工程と、前記触媒前駆物質を触媒に転化させる工程とを含む
。
【００３１】 もう一つの実施形態において、実質的にいかなる形状の微粒子材料または繊維
状材料も、プリフォームを製造するために用いられる。従って、この方法は、焼
結多孔質担体を形成するために導電性材料の層を焼結する工程と、前記焼結多孔
質担体に触媒および溶媒の溶液を浸透させる工程と、多孔質電極を作製するため
に溶媒を除去する工程とを含む。多孔質担体の適する気孔率は、一般には約１０
体積％より高く、好ましくは約２０体積％より高く、最も好ましくは約４０体積
〜約９０体積％である。
【００３２】 多孔質電極は、孔を通して適切な流体の移行を可能にするために効率的な気孔
率と孔サイズ、および二方向流れ場をもつのがよい。こうした気孔率は、流体、
気体および圧力などに応じて当業者によって容易に決定される。多孔質電極のた
めに適する気孔率は、一般には約２０体積％より高く、好ましくは約４０体積％
より高く、より好ましくは、約２０体積％〜約８０体積％、最も好ましくは約４
０体積〜約７０体積％である。一般には約２０マイクロメートル以下または約２
０マイクロメートルを超える平均孔サイズを用いることが可能であり、約１５マ
イクロメートル以下は好ましく、約２〜約１３マイクロメートルは特に好ましい
。
【００３３】 多孔質担体の三次元的性質のゆえに、電極は、反応性が実質的に似た従来の電
極より低い触媒添加量をもつことが可能である。例えば、約１０ｍｇ／平方セン
チメートル（ｍｇ／ｃｍ2）を超える触媒添加量を使用できるけれども、約２ｍ
ｇ／ｃｍ2未満の添加量が好ましく、約０．０１ｍｇ／ｃｍ2〜約１ｍｇ／ｃｍ2
の添加量は特に好ましい。それに反して、類似の反応性を得るために、先行技術
の典型的な電極は約５ｍｇ／ｃｍ2以上の触媒添加量を必要とした。
【００３４】 多孔質電極のサイズと形状は、特定の運転条件および用途に応じて決まる。例
えば、多孔質電極が従来のセルの電極およびスクリーンパックを置き換える場合
、多孔質電極の厚さは、スクリーンパックも用いるシステムにおける厚さより厚
い。多孔質電極の厚さは、バイポーラプレートを用いるか否か、スクリーンパッ
クを用いるか否か、スクリーンパックの開口サイズ、膜を横切って加えられる圧
力、運転条件、材料の組成および形態（例えば、繊維（ランダム繊維、織繊維、
不織繊維、チョップドファイバーおよび連続繊維など）、粒状、粒子、プリフォ
ーム、粉末、前述した形態の少なくとも一つを含む組み合わせ、およびその他）
および多孔質電極の気孔率および強度に基づく。一般に約２，０００ｐｓｉ（約
１３８００ｋＰａ）以下の圧力、焼結微粒子電極および３／０スクリーン支持体
の使用の場合、多孔質電極は、約４０ミル（約１．０２ｍｍ）以上に至る厚さを
もつことが可能であり、約５〜約２０ミル（約０．１３〜約０．５１ｍｍ）は好
ましく、約８〜約１２ミル（約０．２０〜約０．３０ｍｍ）は特に好ましい。
【００３５】 第２の電極は、従来の電極、例えば膜と密着して配置された触媒層であること
が可能であるか、あるいは上述したような第２の担持多孔質電極であることが可
能である。触媒の一般的な組成は、好ましくは多孔質電極触媒に関連して上述し
たのと同じであり、ここで膜の各側で用いられる触媒は、実質的に同じ組成また
は異なる組成の触媒であることが可能である。
【００３６】 電気化学電池の流れ場は、スクリーンパックを含むことが可能であり、多孔質
電極、グルーブ付きバイポーラプレートまたはグルーブ内に形成された他の流れ
機構、あるいは他の形式の支持体構造によって形成することが可能である。適す
るスクリーンパックは、種々の流体のために適切な流れ場を形成するとともに電
極向けおよび電極からの電子輸送を確立しつつ膜アセンブリに構造的一体性をも
たらす、金網、エキスパンデッドメタル、有孔プレートまたは多孔質プレート、
繊維（織および不織）、セラミック（例えば、微粒子充填セラミック）、ポリマ
ーまたは他の材料、あるいはそれらの組み合わせなどの導電性材料を含む。一般
に、スクリーンパックは、特にニオブ、ジルコニウム、タンタル、チタン、ステ
ンレススチールなどのスチール、ニッケルおよびコバルト、ならびに前述した材
料の少なくとも一種を含む混合物、酸化物および合金などの材料から成る。スク
リーンの開口の形状は、卵形、円形、六角形〜ダイヤモンド形ならびに他の長い
形状および多辺形に及ぶことが可能である。用いられる特定の多孔質導電性材料
は、膜アセンブリの当該側の特定の開口条件に応じて決まる。適するスクリーン
パックの例は、共有譲渡された米国特許出願０９／第４６４，１４３号、代理人
番号９８−１７９６において開示されている。この特許出願は本願に全体的に引
用して援用する。
【００３７】 所望の圧力を達成するために、電気化学電池において、スクリーンパックと合
わせて膜のより低圧側に多孔質電極を少なくとも配置することが好ましい。多孔
質電極が適する流れ場を形成するとともに約２，５００ｐｓｉ（約１７２５０ｋ
Ｐａ）の圧力まで膜に十分な構造一体性を与えるけれども、スクリーンパックは
、プロセス熱の除去を強化するために高流量を提供することが可能である。
【００３８】 電子の輸送を可能にするために、電極は電気負荷および／または電源に電気的
に接続している。電気的接続は、ワイヤ、トラス／バスロッド、ブスバ、前述し
たコネクタあるいは別のコネクタの少なくとも一種を含む組み合わせなどのいか
なるコネクタを含むことも可能である。
【００３９】 本願によって生成される水素を高圧ガスとして、あるいは別法として金属水素
化物、炭素による貯蔵（例えば、微粒子、ナノ繊維またはナノチューブなど）、
あるいは他の形および前述した固体貯蔵形態の少なくとも一つを含む組み合わせ
などの固体状で貯蔵することが可能である。
【００４０】 図３は、電気化学電池３０１の一つの実施形態を図解している。この実施形態
において、多孔質電極３１１は、水素流れ場３０３および膜３０９との間に且つ
水素流れ場３０３および膜３０９と流体的且つ電気的に連通して配置されている
。膜３０９および酸素流れ場３０５との間に且つ膜３０９および酸素流れ場３０
５と流体的且つ電気的に連通して配置されている酸素電極３０７は膜３０９の逆
側にある。
【００４１】 別の実施形態において、多孔質電極は酸素流れ場を形成することができようし
、膜と流体的且つ電気的に連通して配置することができよう。同時に、それなら
水素電極は水素流れ場と電気的且つ流体的に連通し、膜の逆側にあるであろう。
【００４２】 多孔質電極は、単独で、あるいは流れ場と組み合わせて電解質の一方側または
両側で用いることができ、種々の従来の他の電気化学電池スタック部品は選択さ
れた特定の設計に基づいて任意である。任意の幾つかの可能な部品は、プロテク
タリップ（複数を含む）、ガスケット（複数を含む）、セパレータプレート（複
数を含む）、圧力パッド（複数を含む）およびスプリングワッシャー（複数を含
む）などを含む。
【００４３】 以下の実施例を説明の目的で提示し、それらの実施例は本発明を限定しない。
【００４４】 （実施例） 実施例１ 気孔率約５０％で厚さ０．０１インチの焼結チタンプレートを３．７重量％（
ｗｔ％）の酸素触媒（権利期間の切れた米国特許第３，９９２，２７１号におい
て開示されたような５０％Ｐｔ−５０％Ｉｒ）、１２．１重量％の５重量％溶液
Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）および８４．２重量％の脱イオン水を含む触媒インキ
および結合剤で処理することにより多孔質酸素電極を作製した。多孔質プレート
をアセトンに浸漬し、その後、１００℃の沸騰インキ溶液に入れた。溶液中でア
セトンを沸騰させる一方で、触媒および結合剤は多孔質チタン内に残り浸透し、
多孔質電極が形成された。その後、多孔質電極をオーブン内で１８０℃に加熱し
て触媒結合剤を活性化し、よって多孔質電極の内部で孔の壁に触媒を吸着させた
。触媒添加量０．８ｍｇ／ｃｍ2を達成するまで、このプロセスを繰り返した。
【００４５】 ３１．６ｉｎ2の総セル面積上に６３，２００ｌｂ（２８１１１３Ｎ）の力で
装填され、セパレータプレート、スクリーンパック（米国特許出願０９／４６４
，１４３号、代理人番号９８−１７９６による）、多孔質電極、Ｎａｆｉｏｎ（
登録商標）膜（従来の触媒を逆側に配置している）、第２のスクリーンパック（
米国特許出願０９／４６４，１４３号、代理人番号９８−１７９６による）、シ
ム、圧力パッド（米国特許出願０９／４１３，７８２号、代理人番号９７−１７
９７による）およびもう一つのセパレータプレートがこの順序で構成された電気
化学電池スタックにおいて、上の実施例により作製された電極を試験した。高圧
運転向けに横強度を提供するためにステンレススチールリングをセル枠の廻りに
取り付けた。セル外およびセル間のセル漏れを伴わずに２，５００ポンド／平方
インチゲージ（ｐｓｉｇ）（１７２５０ｋＰａ）まで、このセルを水力学的に試
験した。
【００４６】 水素２０００ｐｓｉ（１３８００ｋＰａ）、本質的に大気圧の酸素圧力、５０
℃に補正された温度（試験の過程にわたる変動は±１０℃であった）、電流密度
１０００アンペア／ｃｍ2で、上述した構成を用いて運転試験を行った。セルの
酸素側に水を通した。図４に示したデータが示すように、セルは、１マイクロボ
ルト／セル時間未満の電圧低下を示し、よって本発明多孔質電極構造体が効果的
な酸素と水の流れの組み合わせおよび支持体を提供していることを示唆している
。
【００４７】 実施例２ 少なくとも１時間にわたり攪拌されていた三塩化イリジウム１ｇおよびヘキサ
クロロ白金酸１ｇを含む６Ｍ・ＨＣｌ水溶液２０ｍＬに０．０３平方フィート（
２７．８７ｃｍ2）の多孔質チタンプレートを浸漬することにより多孔質酸素電
極を作製した。浸漬後に、被覆したプレートをオーブン（１５１°Ｆ、６１℃）
内で約２０分にわたり乾燥した。浸漬／乾燥サイクルを五回実施し、その後乾燥
し、被覆したプレートを約３０分にわたり５００℃に加熱して、塩化物を対応す
る金属酸化物（複数を含む）に転化させた。
【００４８】 その後、金属酸化物を化学的手段（例えば、硼化水素）または他の手段によっ
て金属に還元する。かくして、その後、加熱したプレートを３Ｍ硫酸水溶液に浸
漬し、電源の負端子に接続し、よってプレートをカソードにし、白金化チタン対
電極を電源の正端子に接続し、よって対電極をアノードにした。電流を約１５分
にわたり２ボルトで維持し、その後、約１５分にわたり５ボルトで維持し、金属
酸化物の対応する金属への還元を生じさせた。１．５ボルトで、水素は多孔質電
極（カソード）で発生したようであった。
【００４９】 上述した電極を用いる電気化学電池およびその使用方法は、多くの有利な特徴
を有する。例えば、水素を高圧（例えば、約４００ｐｓｉ（約２７６０ｋＰａ）
より高い圧力）で貯蔵できるので、電極および電気化学電池スタックは、補助電
源として車両に電力を供給するか、あるいは間欠電力を安定電力に変換するなど
の多くの用途において特に有用でありうる。車両に電力を供給する時、電気化学
電池は、例えば、内燃機関、燃料電池をもつ車両と流体的且つ電気的に連通して
いることが可能であり、および／または再生燃料電池として動作することが可能
である。例えば、電気化学電池スタックは水素を生成させることが可能であり、
水素は貯蔵され車両に供給され、その後、原動力を生成させるために車両内で用
いられる。
【００５０】 間欠電力は多くの方式で供給することが可能である。夜間（非ソーラー）光量
による間欠には光電池、風速が低いか、実質的にない時の間欠には風力装置（例
えば風車）、干ばつ状態中の間欠には水力発電（例えば、代表的にはダムでせき
止め、タービンを通して送られる水）、停電（嵐で線が切れる）中の間欠にはグ
リッドパワー、およびそれらの組み合わせなど。これらの間欠電源は電気を供給
しつつ、これらの電源の一つ以上と合わせて電気化学電池スタックをグリッドに
組み込んで水素を生成させ貯蔵することが可能である。間欠電源が入手できない
か、あるいは（使用のピーク時中に）追加の電力を必要とする時、電気を生成さ
せるために、貯蔵された水素を用いることが可能である。
【００５１】 電気化学電池は、高差圧運転、例えば、約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋ
Ｐａ）以下およびそれを超える圧力、好ましくは約６，０００ｐｓｉ（約４１４
００ｋＰａ）以下の圧力、可能ならば１０，０００ｐｓｉ（６９０００ｋＰａ）
以下およびそれを超える圧力を可能にする少なくとも一個の多孔質電極を用いる
。こうした高圧運転は、圧縮機などの追加の装置を使用せずに、高圧水素槽およ
び／または酸素槽（ボンベなど）の直接充填を可能にする。この効率的で効果的
な電気化学電池利用によって、この技術は、サイズが小さくて高圧出力を必要と
する、例えば、自動車産業、遠隔地の燃料および／または電気発生（未開で近づ
き難い場所など）などの分野において特に有用となる。例えば、少なくとも一個
の多孔質電極を有する電気化学電池は、水素で車両を再充電して原動力用の電気
を生成させるに当たって用いるために車両内で、あるいは車両と合わせて用いる
ことができよう。
【００５２】 別の利点は触媒の改善された効率である。先行技術の電極において、電極は非
常に薄く（典型的には約０．１ミル（約０．００２５ｍｍ）未満付近）、反応物
に対して比較的に不透過性であった。従って、反応は実質的に電極表面上で起き
るだけであった。結果として、限られた反応域しかなく、触媒の大部分（すなわ
ち、表面下の触媒）は使用されないままであった。それに反して、多孔質電極は
三次元であり、反応物に対して透過性である。従って、触媒は触媒の実質的にす
べてに到達できる。この三次元構造の高い効率のために、先行技術と実質的に似
た触媒活性を達成するために必要な触媒添加量は、例えば、三桁ほど（例えば、
従来の約１０ｍｇ／ｃｍ2から多孔質電極で約０．０１ｍｇ／ｃｍ2程度に少なく
）実質的に少なくなる。この多孔質電極によってもたらされる構造一体性のゆえ
に、多孔質電極は、単独で、あるいは別の流れ場（複数を含む）（例えば、流れ
チャンネル機能を有する一つ以上のスクリーンパックまたはプレート）と合わせ
て用いることが可能である。
【００５３】 好ましい実施形態を示し説明してきた一方で、本発明の精神および範囲から逸
脱せずに種々の修正および置換をなすことが可能である。従って、本発明を限定
でなく説明のために記載してきたことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
例であり限定ではないはずである図面を今参照する。類似エレメントは幾つか
の図面において似たように番号がふられている。
【図１】 代表的な燃料電池反応を示している先行技術の電気化学電池を示
す概略図である。
【図２】 多孔質プレートを有する先行技術の電気化学電池を示す断面図で
ある。
【図３】 本発明の電気化学電池の一つの実施形態を示す断面図である。
【図４】 本発明の電気化学電池スタックの経時的に測定された電圧を示す
グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 4/92 Ｈ０１Ｍ 4/92 8/10 8/10 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 クリストファー マシュー アメリカ合衆国 コネチカット州 マンチ ェスター ウッドランド ストリート 332 (72)発明者 シープ ジェイソン ケイ アメリカ合衆国 コネチカット州 ミドル タウン リッジフィールド ドライブ 90 (72)発明者 ドリスティ マーク イー アメリカ合衆国 コネチカット州 マンチ ェスター ジョン オールズ ドライブ 141 アパートメント 107 (72)発明者 モルター トレント エム アメリカ合衆国 コネチカット州 グラス トンベリー ハーベスト レーン 114 Ｆターム(参考） 4K011 AA04 AA11 AA21 AA22 AA23 AA29 AA30 AA48 AA68 BA02 BA06 BA07 BA08 CA04 DA01 DA11 4K021 AA01 BA02 BC07 BC09 CA02 CA09 DB11 DB12 DB18 DB19 DB20 DB31 DB53 DC03 5H018 AA06 AS02 AS03 DD08 EE03 EE04 HH00 HH04 HH09 5H026 AA06 CX04 HH00 HH01 HH04 HH09

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電性多孔質担体の表面上に吸着された触媒を含む第１の多
    孔質電極と、第２の電極と、前記第１の多孔質電極と前記第２の電極との間に配
    置された膜と、前記第２の電極と流体的に連通している流れ場と、前記第１の電
    極と流体的に連通している第１の流れ口と、前記第２の電極と流体的に連通して
    いる第２の流れ口とを含む電気化学電池。
  2. 【請求項２】 前記第２の電極または第２の電極および流れ場は、導電性多
    孔質担体の表面上に吸着された触媒を含む第２の多孔質電極である請求項１に記
    載の電気化学電池。
  3. 【請求項３】 前記第１の多孔質電極と流体的且つ電気的に連通して配置さ
    れた別の流れ場をさらに含む請求項１に記載の電気化学電池。
  4. 【請求項４】 前記電気化学電池は、燃料電池、電気分解槽または再生燃料
    電池である請求項１に記載の電気化学電池。
  5. 【請求項５】 前記多孔質流れ場は約２０体積％〜約８０体積％の気孔率を
    有する請求項１に記載の電気化学電池。
  6. 【請求項６】 前記多孔質電極は約５ミル〜約２０ミル（約０．１３ｍｍ〜
    約０．５１ｍｍ）の厚さを有する請求項８に記載の電気化学電池。
  7. 【請求項７】 前記電気化学電池は、車両と流体的および／または電気的に
    連通している請求項１に記載の電気化学電池。
  8. 【請求項８】 前記多孔質流れ場は、ニッケル、コバルト、チタン、ジルコ
    ニウム、ハフニウム、ニオブ、タングステン、炭素、鉄、それらの混合物および
    合金を含む導電性多孔質担体を含む請求項１に記載の電気化学電池。
  9. 【請求項９】 前記第１の電極は、約０．０１ｍｇ／ｃｍ2〜約１０ｍｇ／
    ｃｍ2の触媒添加量を有する請求項１に記載の電気化学電池。
  10. 【請求項１０】 前記触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、
    ルテニウム、オスミウム、炭素、金、タンタル、錫、インジウム、ニッケル、タ
    ングステン、マンガン、グラファイト、有機金属化合物、それらの混合物、酸化
    物または合金を含む請求項１に記載の電気化学電池。
  11. 【請求項１１】 前記触媒は、イオノマー固体、フルオロカーボンまたはそ
    れらの組み合わせをさらに含む請求項１に記載の電気化学電池。
  12. 【請求項１２】 前記多孔質電極は、約２〜約１３マイクロメートルの平均
    孔サイズを有する請求項１に記載の電気化学電池。
  13. 【請求項１３】 導電性多孔質流れ場内に配置された触媒を含む酸素電極に
    水を導入する工程と、水素イオン、酸素および電子を生成させるために水を解離
    する工程と、電力供給を通して前記電子を水素電極に移動させる工程と、電解質
    膜を通して前記水素イオンを前記水素電極に移行させる工程と、前記水素電極で
    水素ガスを発生させる工程とを含む電気化学電池を用いる方法。
  14. 【請求項１４】 前記膜は、約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋＰａ）以
    上の前記水素電極から前記酸素電極までの差圧を有する請求項２０に記載の電気
    化学電池を用いる方法。
  15. 【請求項１５】 前記水素を貯蔵する工程をさらに含む請求項２０に記載の
    電気化学電池を用いる方法。
  16. 【請求項１６】 高圧貯槽内で液状で、金属水素化物として、炭素による貯
    蔵で、あるいはそれらの組み合わせで前記水素を貯蔵する請求項２３に記載の電
    気化学電池を用いる方法。
  17. 【請求項１７】 前記酸素の圧力は前記水素の圧力より高い請求項２５に記
    載の電気化学電池を用いる方法。
  18. 【請求項１８】 前記水素を燃料電池水素電極に導入する工程と、水素イオ
    ンおよび電子を生成させる工程と、前記水素イオンおよび電子を燃料電池酸素電
    極に移動させる工程と、酸素を前記燃料電池酸素電極に導入する工程と、生成物
    である水と電気を生成させるために前記水素イオンおよび前記酸素を反応させる
    工程とを含む、電気を生成させる工程をさらに含む請求項２０に記載の電気化学
    電池を用いる方法。
  19. 【請求項１９】 前記電気は車両のパワー系統と電気的に連通している請求
    項２７に記載の電気化学電池を用いる方法。
  20. 【請求項２０】 前記水素を前記水素電極に導入する工程と、水素イオンお
    よび電子を生成させる工程と、前記水素イオンおよび電子を前記酸素電極に移動
    させる工程と、酸素を酸素電極に導入する工程と、生成物である水と電気を生成
    させるために前記水素イオンおよび前記酸素を反応させる工程とを含む、電気を
    生成させる工程をさらに含む請求項２０に記載の電気化学電池を用いる方法。
  21. 【請求項２１】 前記生成物である水を前記酸素電極に導入する工程をさら
    に含む請求項３０に記載の電気化学電池を用いる方法。
  22. 【請求項２２】 気孔率が約１０％より高い焼結多孔質担体を形成するため
    に導電性材料の層を焼結する工程と、前記焼結多孔質担体に触媒を浸透させる工
    程とを含む多孔質電極を製造する方法。
  23. 【請求項２３】 導電性材料に触媒を被覆する工程と、前記被覆した材料の
    層を成形する工程と、気孔率が約２０％より高い多孔質電極を形成するために前
    記層を焼結する工程とを含む多孔質電極を製造する方法。
  24. 【請求項２４】 導電性多孔質担体に触媒前駆物質の溶液を被覆する工程と
    、前記触媒前駆物質を触媒に転化させる工程とを含む多孔質電極を製造する方法
    。
  25. 【請求項２５】 前記多孔質電極は約２〜約１３マイクロメートルの平均孔
    サイズを有する請求項３２に記載の多孔質電極を製造する方法。
  26. 【請求項２６】 前記材料は、ニッケル、コバルト、チタン、ジルコニウム
    、ハフニウム、ニオブ、タングステン、炭素、鉄、それらの混合物または合金で
    ある請求項３２に記載の多孔質電極を製造する方法。
  27. 【請求項２７】 初期電気を生成させる工程と、導電性多孔質流れ場内に配
    置された触媒を含む酸素電極と、水素電極と、前記酸素電極と前記水素電極との
    間に配置された電解質膜と、前記酸素電極および前記水素電極と電気的に連通し
    ている電気負荷とを有する電気化学電池に前記初期電気の少なくとも一部を導入
    する工程と、水を前記酸素電極に導入する工程と、水素イオン、電子および酸素
    を生成させるために水を解離する工程と、前記電解質膜を通して前記水素イオン
    を前記水素電極に移行させる工程と、前記電気負荷を通して前記電子を前記水素
    電極に移動させる工程と、水素ガスを前期水素電極で発生させる工程と、前記初
    期電気が入手できないか、あるいは不十分である時に追加の電気を生成させるた
    めに前記水素ガスを用いる工程とを含む電力を生成させる方法。
  28. 【請求項２８】 前記膜は、約２，０００ｐｓｉ（約１３８００ｋＰａ）以
    上の前記水素電極から前記酸素電極までの差圧を有する請求項４５に記載の電力
    を生成させる方法。
  29. 【請求項２９】 水力発電、太陽エネルギー、風力、グリッドパワーまたは
    それらの組み合わせを用いて前記初期電気を生成させる請求項４５に記載の電力
    を生成させる方法。
  30. 【請求項３０】 太陽エネルギーにさらされた少なくとも一個の光電池を用
    いて前記初期電気を生成させ、少なくとも前記光電池が太陽エネルギーにさらさ
    れていない時に前記追加の電気を生成させる請求項４９に記載の電力を生成させ
    る方法。
  31. 【請求項３１】 風車を用いて前記初期電気を生成させる請求項５０に記載
    の電力を生成させる方法。
  32. 【請求項３２】 水およびタービンを用いて前記初期電気を生成させる請求
    項５０に記載の電力を生成させる方法。
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