JP2013536976A - 可逆式燃料電池用の組立体 - Google Patents

Abstract

可逆式燃料電池中に使用するための膜−電極組立体は、第１および第２の表面を有するイオン伝導膜と、膜の第１の表面に接触する第１の電極触媒層であって、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ１_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ_ｉ）を含む第１の電極触媒層とを含む。第２の電極触媒層が、膜の第２の表面に接触して配置され、前記第２の電極触媒層は、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ２_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ２_ｉ）を含む。第１の電極触媒層上のそれぞれの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ_ｉ）は、第２の電極触媒層上のそれぞれの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ２_ｉ）と対応して位置合わせされ、第１の電極触媒層上のそれぞれの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ_ｉ）は、第２の電極触媒層上のそれぞれの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ２_ｉ）と対応して位置合わせされる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年８月３０日に出願された欧州特許出願第１０１７４５４３．８号明細書（この出願の内容全体があらゆる目的で参照により本明細書に援用される）の優先権を主張する。

本発明は、一般に燃料電池に関して、より具体的には可逆式燃料電池およびそれらの構成要素に関する。

燃料電池は、燃料の酸化および酸化剤の還元によって高い効率で燃料中に貯蔵されるエネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気化学的装置である。燃料および酸化剤は、それぞれが電解質と接触する触媒を含有する２つの分離された電極において、酸化還元反応を進行させる。電解質が電極の間に配置され、それによって２つの反応物質が直接反応するのが防止され、セルの一方の側から他方の側へイオンを伝導させる。有利には、電解質は固体ポリマー電解質とすることができる。

広範囲の反応物質を燃料電池中に使用することができる。たとえば、燃料は、実質的に純粋な水素ガス、気体水素を含有する改質油流、または直接型メタノール燃料電池におけるメタノールであってよい。酸化剤は、たとえば、実質的に純粋な酸素、または空気などの希薄酸素流であってよい。

他方、電解槽は、異なる化学種を生成するため、たとえば水から水素および酸素を生成するため、あるいはアルカリ性ブラインから塩素、水酸化ナトリウム、および水素を生成するために電気を使用する。基本的に電解槽は、逆方向で動作する燃料電池を含んでいる。

供給エネルギーとして電気エネルギーを使用して酸化燃料を還元して未酸化燃料に戻すことができるなどの逆方向の動作が可能な燃料電池は一般に、「可逆式（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ）」または「再生（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ）」燃料電池と呼ばれる。電気を発生し燃料を再生する能力により、可逆式燃料電池は電気エネルギー貯蔵に関して特に魅力的となる。

特に興味深いのは、いわゆる一体化（ｕｎｉｔｉｚｅｄ）再生燃料電池であり、これはエネルギー生成運転モード（燃料電池モード）と電気分解運転モードとの両方が、同じセルスタック中で行われる可逆式燃料電池である。このようなセルの電気活性構成要素は、電気分解モードおよび燃料電池モードの両方で運転する必要があるので、それらを両方に最適化することは困難である。

一例として、２００３年４月１０日公開の（特許文献１）（ＣＩＳＡＲ，Ａ．）には、酸素電極が、水からの酸素の発生に活性である触媒と、酸素から水への還元に活性である触媒との混合物を含有する電極触媒層を含む一体化再生水素−酸素燃料電池が開示されている。酸素電極のガス拡散層は、疎水性領域および親水性領域を含む。しかし、このような構成では、電極の異なる活性の電極触媒領域を出入りする水の輸送が最適であるとは思われない。

米国特許出願公開第２００３／００６８５４４ Ａ号明細書

したがって、燃料電池モードおよび電気分解モードの両方で最大効率で運転可能な一体化再生燃料電池が依然として必要とされている。

本発明の第１の目的は、セルを電気分解モードおよびエネルギー生成モードの両方で運転した場合に最適化された活性が得られる、可逆式燃料電池中、特に一体化再生燃料電池中に使用される組立体である。本発明のさらなる目的は、本発明の組立体を含む可逆式燃料電池である。

本発明の膜−電極組立体の概略断面図である。 本発明のある実施形態による、膜−電極組立体の構成要素の概略図である。 本発明の別の実施形態による、膜−電極組立体の構成要素の概略図である。 本発明のさらに別の実施形態による膜−電極組立体およびガス拡散層を含む組立体の構成要素の概略図である。 本発明の追加的な一実施形態による態膜−電極組立体、ガス拡散層、およびバイポーラプレートを含む燃料電池スタックの構成要素の概略図である。

本発明の第１の目的は、可逆式燃料電池用の膜−電極組立体である。２つの電極触媒層の間に配置されたイオン伝導膜を含む組立体であって、２つの電極触媒層のそれぞれは、所望の電気化学反応を促進するための適切な触媒をそれぞれ含み、イオン伝導膜に隣接して配置される組立体を意味するために、「膜電極組立体」という表現が本明細書において使用される。

図１を参照すると、本発明の組立体（１）は、第１および第２の表面を有するイオン伝導膜ＩＣＭを含む。第１の電極触媒層Ｅ１は膜の第１の表面と接触し、第２の電極触媒層Ｅ２は膜の第２の表面と接触する。

第１の電極触媒層Ｅ１は、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ１_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ１_ｉ）を含む。第２の電極触媒層は、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ２_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ２_ｉ）を含む。第１の電極触媒層Ｅ１上のそれぞれ１つの個別の電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉは、第２の電極触媒層Ｅ２上のそれぞれ１つの個別の電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉと対応して位置合わせされる。第１の電極触媒層Ｅ１上のそれぞれ１つの個別のエネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉは、第２の電極触媒層Ｅ２上のそれぞれ１つの個別のエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉと対応して位置合わせされる。

本発明の組立体の任意の要素上の個別の領域に言及する場合の「対応して位置合わせされる」という表現は、その領域が同じ大きさおよび形状を有し、イオン伝導膜表面上の対応する領域、またはイオン伝導膜の反対側の同等の要素の表面上の対応する領域と位置合わせされることを示すために本明細書において使用される。

図２は、イオン伝導膜（ＩＣＭ）と、第１および第２の電極触媒層Ｅ１およびＥ２とを含む本発明の組立体（１）の一実施形態を示している。図２に示される実施形態において、それぞれの電極触媒層が、１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ１およびＥＬＥ２）および１つのエネルギー生成活性領域（ＥＧ１およびＥＧ２）を含む。

各電極触媒層（Ｅ１およびＥ２）は、２つ以上の電気分解活性領域ＥＬＥ_ｉおよび２つ以上のエネルギー生成活性領域ＥＧ_ｉを含んでもよい。

第１の電極触媒層ＥＬＥ１_ｉ上のそれぞれの電気分解活性領域は、第２の電極触媒層Ｅ２上のそれぞれの電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉと対応して位置合わせされ、それぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉはそれぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉと対応して位置合わせされる。

Ｅ１上の全電気分解活性領域（ΣＥＬＥ１_ｉ）は、Ｅ２上の全電気分解活性領域（ΣＥＬＥ２_ｉ）と等しく、Ｅ１上の全エネルギー生成活性領域（ΣＥＧ１_ｉ）はＥ２上の全エネルギー生成活性領域（ΣＥＧ２_ｉ）と等しい。したがって、ΣＥＬＥ１_ｉ＝ΣＥＬＥ２_ｉおよびΣＥＧ１_ｉ＝ΣＥＧ２_ｉである。

個別の１つずつ異なる領域を形成するのであれば、本発明の組立体中のＥＧ_ｉおよびＥＬＥ_ｉのそれぞれの種類の領域の数、大きさ、および形状の制限は存在しない。一般に各領域の大きさは、組立体の大きさに依存するが、典型的には、領域ＥＧ_ｉおよびＥＬＥ_ｉは、少なくとも０．０１ｍｍ^２、さらには少なくとも０．１ｍｍ^２、場合により０．５ｍｍ^２を超える表面を有する。

各種類の領域の数ｉは、典型的には１〜１００、好ましくは１〜５０、より好ましくは１〜２０の範囲である。領域は任意の形状であってよいが、規則的な形状が好ましい場合がある。

電気分解活性領域ＥＬＥ１（ここでｉ＝１である）の拡張に対応する、すべての個別の電気分解活性領域の合計ΣＥＬＥ１_ｉ（またはΣＥＬＥ２_ｉ）は、それぞれの電極触媒層の上のすべての個別のエネルギー生成活性領域の合計ΣＥＧ１_ｉ（またはΣＥＧ２_ｉ）と同じであっても、異なってもよい。

水素／酸素燃料電池中に使用するための組立体の場合、典型的にはΣＥＧ１_ｉはΣＥＬＥ１_ｉよりも大きく、したがってΣＥＧ２_ｉがΣＥＬＥ２_ｉよりも大きい。好ましくはΣＥＧ_ｉ／ΣＥＬＥ_ｉの比は、１．５：１〜５：１、より好ましくは２：１〜４．５：１、さらにより好ましくは２．５：１〜４：１の範囲である。さらにより好ましい比は２．８：１〜３．５：１であってよい。

別の種類の可逆式燃料電池において、各電極触媒層上のエネルギー生成活性領域と電気分解活性領域との比は、異なっていてもよく、通常は、セルの２つの運転モードにおける反応によって発生させる電圧に依存する。

それぞれの個別の電気分解活性領域ＥＬＥ_ｉはそれぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ_ｉから少なくとも１つの境界領域ＢＲ_ｊによって分離される。境界領域の数ｊは、エネルギー生成活性領域および電気分解活性領域の数、ならびに電極触媒層上のそれらの配置に依存する。境界領域は、電気分解活性領域と隣接するエネルギー生成活性領域との間の組成または形態の変化から得られる、電極触媒層中の単なる不連続部分であってよい。

あるいは、境界領域ＢＲ_ｊは、隣接する領域ＥＬＥ_ｉおよびＥＧ_ｉのいずれかの組成とは異なる組成を特徴とする個別の領域であってよい。境界領域ＢＲ_ｊは、有利には、隣接する領域ＥＬＥ_ｉおよびＥＧ_ｉのそれぞれとは異なる組成を有することができる。境界領域は、隣接する領域とは異なる導電性、たとえば導電性がないまたは無視できる程度であること特徴とすることができる。

可逆式燃料電池中に使用できる系の中では、水素／酸素／水系が最も環境的に魅力的である。この系では、エネルギー生成モード（または燃料電池モード）で運転するときに、水を生成する水素および酸素の電気化学反応が使用される。セルを電気分解モードで運転するときに、水の電気分解によって水素および酸素を再生することができる。

水素／酸素燃料電池は、水素イオン伝導膜を使用する酸性環境中、およびヒドロキシルイオン伝導膜を使用するアルカリ性環境の両方で運転することができる。

本発明の組立体の構成要素を、水素／酸素燃料電池に関連して詳細に説明するが、本発明の組立体が、水素／酸素系可逆式燃料電池における使用に限定されることを意味するものでは決してないことを十分理解されたい。

第１の電極触媒層Ｅ１
第１の電極触媒層Ｅ１は、イオン伝導膜ＩＣＭの第１の表面と接触する。第１の電極触媒層Ｅ１は、個別の電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉおよび個別のエネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉを含む。それぞれの個別の電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉは、それぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉから少なくとも１つの境界領域ＢＲ１_ｊによって分離される。

以下の選択に限定されるものではなく、かつ説明を目的として、以降では、第１の電極触媒層を水素／酸素燃料電池中の酸素電極として説明する。セルを燃料電池モードで運転するときは、酸素がエネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉで還元されて水を生成する。セルを電気分解モードで運転する時は、水が電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉで酸化されて酸素を生成する。

一般に、酸素の還元に高い活性を有する周知の触媒は、水の酸化および酸素の発生に関しては不十分な触媒となる。したがって、エネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉ中に使用される触媒は、通常、酸素電極の電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉ中に使用される触媒とは異なる。触媒の選択は、セルの運転環境が酸性であるかアルカリ性であるかによっても異なる。

セルが酸性環境で運転される場合、エネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉに好適な触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、およびそれらの合金などの金属から選択することができる。触媒活性の金属または金属合金は、ルテニウム、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、鉄、銅、ニッケルなどの他の元素を含有することもできる。金属は、担持されなくても、好適な導電性粒子に担持されてもよい。有利にはカーボンブラック、黒鉛、または活性炭を担体として使用することができる。エネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉに好ましい触媒の１つは、カーボンブラックに担持された白金である。

電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉに好適な触媒は、カーボンブラックまたは前述の他の任意の好適な担体に任意選択で担持された、たとえばルテニウムおよびイリジウムの酸化物、あるいはイリジウムおよびチタンの酸化物を含む混合金属または混合金属酸化物である。

セルがアルカリ性環境で運転される場合、エネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉに好適な触媒は、たとえば担持された銀および担持されていない銀の両方である。電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉに好適な触媒は、担持されたまたはされていないニッケルから選択される。好適な担体については前述のとおりである。

通常、電極触媒層は、触媒に加えてバインダーを含む。バインダーは、過フッ素化イオン伝導性ポリマーから選択することができ、これはイオン伝導膜の作製にも適している。

本発明の組立体の一実施形態において、第１の電極触媒層Ｅ１上の領域ＥＧ１_ｉおよびＥＬＥ１_ｉは、水親和性もさらに異なっていてよい。水が酸化されて酸素を生成する電気分解活性領域ＥＬＥ１_ｉの表面での水の存在を高めるため、親水性表面が好ましい場合がある。他方、電極触媒層で酸素が還元されて生成される水の除去を促進するため、エネルギー生成活性領域ＥＧ１_ｉは好ましくは疎水性である。これらの異なる特性は、たとえば電極触媒層上のそれぞれ個別の領域の形成において異なるバインダーを使用することで得ることができる。

第２の電極触媒層Ｅ２
第２の電極触媒層Ｅ２は、イオン伝導膜ＩＣＭの第２の表面と接触する。第２の電極触媒層Ｅ２は、個別の電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉおよび個別のエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉを含む。それぞれの個別の電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉは、それぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉから少なくとも１つの境界領域ＢＲ２_ｊによって分離される。

以降、第２の電極触媒層を、水素／酸素燃料電池の水素電極として説明する。したがって、セルが燃料電池モードで運転される場合、水素はエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉで酸化されて水素イオンを生成する。セルが電気分解モードで運転される場合は、水素イオンは電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉで還元されて水素を生成する。

酸性環境で運転される水素／酸素燃料電池中のエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉに好適な触媒は、たとえば白金、あるいはロジウムおよびルテニウムの酸化物の等モル混合物である。前記触媒は、担持されていなくても、前述のように担持されていてもよい。さらに、水素がエネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉに到達しやすくするために、前記領域のガス透過性を高くすることができる。電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉに好適な触媒は、カーボンブラックに担持された白金である。

水素／酸素燃料電池がアルカリ性環境で運転される場合、エネルギー生成活性領域ＥＧ２_ｉおよび電気分解活性領域ＥＬＥ２_ｉの両方に好適な触媒は、担持されていない、または前述のように担持されたニッケルである。

第２の電極触媒層Ｅ２上の領域ＥＧ２_ｉおよびＥＬＥ２_ｉは、前述のような水親和性またはガス透過性などの別の性質もさらに異なっていてよい。これらの異なる性質は、たとえば電極触媒層の異なる領域の形成に異なるバインダーまたは添加剤を使用することで得ることができる。

イオン伝導膜
電気化学セル中の電解質の役割は、有利には、活性種が直接反応することなく、セルのそれぞれの側で中性のバランスを維持するために、セルの一方の側から他方の側へイオンを通過させることである。電解質、または好ましくはイオン伝導膜は、事実上カチオン性またはアニオン性のいずれであってもよい。

酸性環境で運転される水素／酸素燃料電池の第１の設計において、イオン伝導膜は、水素イオンを透過させることができるが、同時にセルの一方の側から他方の側への水素および酸素の透過に対しては障壁となる必要がある。したがって、このようなセルにおいて、電解質は事実上アニオン性である。

アルカリ性環境で運転される水素／酸素燃料電池の第２の設計において、イオン伝導膜は、ヒドロキシルイオンは透過できるが、同時に反応物質に対しては障壁となる必要がある。したがって、このようなセルにおいて、電解質は事実上カチオン性である。

典型的にはイオン伝導膜は、イオン伝導性ポリマー材料を含むが、液体またはゲルでできたイオン伝導膜を本発明の組立体中に使用することもできる。

任意の好適なイオン伝導性ポリマー材料を本発明の組立体中に使用することができる。一般に、好ましくはイオン性基を含む過フッ素化ポリマーが、耐薬品性および耐熱性であるため、燃料電池中のイオン伝導性材料として使用される。

アニオン性ポリマー材料は、一般に、テトラフルオロエチレンと、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などのイオン交換基を含む１種類以上のフッ素化モノマーとのコポリマーから選択される。より一般的にはアニオン性ポリマー材料は、テトラフルオロエチレンと、Ｆ_２Ｃ＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＳＯ_２Ｆ、Ｆ_２Ｃ＝ＣＦ−Ｏ−［ＣＦ_２−ＣＸＦ−Ｏ］_ｎ−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＳＯ_２Ｆ（ここでＸ＝Ｃｌ、ＦまたはＣＦ_３であり、ｎ＝１〜１０である）、Ｆ_２Ｃ＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＳＯ_２Ｆ、Ｆ_２Ｃ＝ＣＦ−Ｏ−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＣＦ_２−ＳＯ_２Ｆ、Ｆ_２Ｃ＝ＣＦ−Ａｒ−ＳＯ_２Ｆ（ここでＡｒはアリール環である）などのスルホン酸の前駆体基を含む１種類以上のフッ素化モノマーとのコポリマーから選択することができる。好適な材料は、たとえばＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔよりＮａｆｉｏｎ（登録商標）の商品名で販売される材料、Ｓｏｌｖａｙ ＳｏｌｅｘｉｓよりＡｑｕｉｖｉｏｎ（登録商標）の商品名、または旭硝子株式会社よりフレミオン（登録商標）の商品名で販売される材料である。スルホン化ポリエーテルケトン類またはアリールケトン類、あるいは酸ドープされたポリベンゾイミダゾール類などのフッ素を含有しないイオン伝導性ポリマー材料を使用することもできる。

カチオン性ポリマー材料は、一般に、アミノイオン交換基またはアクリル酸イオン交換基を含むポリマー、好ましくはフッ素化ポリマーから選択される。

イオン伝導性ポリマー材料は、典型的には１７００ｇ／ｅｑ以下、より典型的には１５００ｇ／ｅｑ以下、より典型的には１２００ｇ／ｅｑ以下、最も典型的には１０００ｇ／ｅｑ以下の当量を有する。イオン伝導性ポリマー材料は、典型的には少なくとも３８０ｇ／ｅｑ、好ましくは少なくとも５００ｇ／ｅｑ、より好ましくは少なくとも６００ｇ／ｅｑの当量を有する。

欧州特許出願公開第Ａ−１３２３７４４号明細書、欧州特許出願公開第Ａ−１１７９５４８号明細書、欧州特許出願公開第Ａ−１１６７４００号明細書、欧州特許出願公開第Ａ−１５８９０６２号明細書、欧州特許出願公開第Ａ−１７０２６７０号明細書、欧州特許出願公開第Ａ−１７０２６８８号明細書には、本発明の組立体中での使用に好適なイオン伝導性ポリマー材料およびイオン伝導膜が開示されている。

イオン伝導膜は、ポリマー電解質からなってもよく、好適な多孔質担体に含浸またはコーティングしたポリマー電解質を含んでもよい。たとえば、米国特許第５６３５０４１号明細書には、発泡ポリテトラフルオロエチレン支持体を含む含浸膜が記載されている。含浸膜は米国特許第４８４９３１１号明細書にも記載されている。

本発明の組立体の第１の実施形態において、イオン伝導膜は、全体的に同じ組成を有する。

第２の実施形態において、イオン伝導膜は、典型的には、イオン伝導膜の第１および第２の表面上の電極触媒層Ｅ１およびＥ２上のそれぞれの電気分解活性領域の組（ＥＬＥ１_ｉおよびＥＬＥ２_ｉ）およびそれぞれのエネルギー生成活性領域の組（ＥＧ１_ｉおよびＥＧ２_ｉ）と対応して位置合わせされた個別の領域に分割される。これらの領域は、同じ組成を有することも異なる組成を有することもできる。

図３を参照すると、電極触媒層Ｅ１およびＥ２上の電気分解活性領域に接触するイオン伝導膜の領域がＩＣＭ_ＥＬＥと示されており、一方、電極触媒層Ｅ１およびＥ２上のエネルギー生成活性領域に接触するイオン伝導膜の領域がＩＣＭ_ＥＧと示されている。イオン伝導膜上の領域ＩＣＭ_ＥＬＥおよびＩＣＭ_ＥＧの数は、電極触媒層Ｅ１およびＥ２中の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域の数に対応しているものと理解されたい。

たとえば、異なる当量のイオン伝導性ポリマー材料を、イオン伝導膜の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域ＩＣＭ_ＥＬＥｉおよびＩＣＭ_ＥＧｉ中に使用することができる。

さらなる一実施形態において、それぞれの電気分解活性領域ＩＣＭ_ＥＬＥｉは、それぞれのエネルギー生成活性領域ＩＣＭ_ＥＧｉから境界領域ＩＣＭ_ＢＲｊによって分離され、この境界領域は、典型的には電極触媒層上のそれぞれの電気分解活性領域およびそれぞれのエネルギー生成活性領域の間の境界領域（それぞれＢＲ１_ｊおよびＢＲ２_ｊ）に対応している。

境界領域ＩＣＭ_ＢＲｊは、電気分解活性領域と隣接する生成活性領域との間の組成または形態の変化によって得られる、イオン伝導膜の単なる不連続部分であってよい。あるいは、境界領域ＩＣＭ_ＢＲｊは、隣接する領域ＩＣＭ_ＥＬＥｉおよびＩＣＭ_ＥＧｉのいずれかの組成と異なる組成を特徴とする個別の領域であってよい。

境界領域ＩＣＭ_ＢＲｊは、有利には、領域ＩＣＭ_ＥＬＥｉおよびＩＣＭ_ＥＧｉのそれぞれとは異なる組成を有することができる。境界領域は、隣接する領域とは異なるイオン導電性、たとえばイオン導電性がないまたは無視できるほどであることを特徴とすることができる。あるいは、境界領域は、隣接する領域とは異なる水親和性を有することができる。さらにあるいは、境界領域は、異なるガス透過性を有することができる。たとえば、境界領域ＩＣＭ_ＢＲｊは、隣接する領域ＩＣＭ_ＥＬＥｉおよびＩＣＭ_ＥＧｉのそれぞれよりも低いイオン伝導性および低い水吸着性を特徴とすることができる。

ガス拡散層
典型的な燃料電池設計の１つにおいて、気体反応物質（たとえば酸素および水素）を電極触媒層まで送り、同時に燃料電池の残りの構成要素、たとえばバイポーラプレートと電気的に接触させるために、ガス拡散層が、それぞれの電極触媒層に接触して配置される。ガス拡散層は、気体反応物質を通るようにするため通常は多孔質であり、導電性を付与するための導電性粒子を含む。

本発明の組立体は、イオン伝導膜とは接触していない電極触媒層Ｅ１の表面と接触する第１のガス拡散層ＧＤＬ１、およびイオン伝導膜とは接触していない電極触媒層Ｅ２の表面と接触する第２のガス拡散層ＧＤＬ２をさらに含むことができる。

ガス拡散層ＧＤＬ１およびＧＤＬ２は、同じ組成および構造を有しても異なってもよい。

本発明の一実施形態において、電極触媒層Ｅ１と接触するガス拡散層ＧＤＬ１は、典型的には、第１の電極触媒層Ｅ１上のそれぞれの電気分解活性領域と大きさが対応し位置合わせされた個別の領域（ＧＤＬ１_ＥＬＥｉ）、およびそれぞれのエネルギー生成活性領域と大きさが対応し位置合わせされた個別の領域（ＧＤＬ１_ＥＧｉ）に分割される。

図４を参照すると、それぞれの電極触媒層上の電気分解活性領域と接触するガス拡散層の領域がＧＤＬ_ＥＬＥと示されており、その一方、それぞれの電極触媒層上のエネルギー生成活性領域と接触するガス拡散層の領域がＧＤＬ_ＥＧと示されている。存在する場合、ガス拡散層上の領域ＧＤＬ_ＥＬＥおよびＧＤＬ_ＥＧの数は、電気活性層上の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域の数に対応することを理解されたい。

それぞれの電気分解活性領域ＧＤＬ_ＥＬＥｉは、それぞれのエネルギー生成活性領域ＧＤＬ_ＥＧｉから境界領域ＧＤＬ_ＢＲｊによって分離され、この境界領域は、典型的には、それぞれの電気活性層上のそれぞれの電気分解活性領域とそれぞれのエネルギー生成活性領域との間の境界領域（それぞれＢＲ１_ｊおよびＢＲ２_ｊ）に対応する。

境界領域ＧＤＬ_ＢＲｊは、電気分解活性領域と隣接する生成活性領域との間の組成または形態の変化から得られる、ガス拡散層中の単なる不連続部分であってよい。あるいは、境界領域ＧＤＬ_ＢＲｊは、隣接する領域ＧＤＬ_ＥＬＥｉおよびＧＤＬ_ＥＧｉのいずれの組成とも異なる組成を特徴とする個別の領域であってよい。

境界領域ＧＤＬ_ＢＲｊは、有利には領域ＧＤＬ_ＥＬＥｉおよびＧＤＬ_ＥＧｉのそれぞれとは異なる組成を有することができる。境界領域は、隣接する領域とは異なる導電性、たとえば導電性がないまたは無視できる程度の導電率であることを特徴とすることができる。あるいは、境界領域は、隣接する領域とは異なる水親和性を有することができる。さらにあるいは、境界領域は、異なるガス透過性を有することができる。たとえば、境界領域ＧＤＬ_ＢＲｊは、隣接する領域ＧＤＬ_ＥＬＥｉおよびＧＤＬ_ＥＧｉのそれぞれと比べて、導電性がないまたは無視できる程度の導電性であることを特徴とすることができる。

図４に示される特定の実施形態において、ガス拡散層ＧＤＬ１は、境界領域ＧＤＬ１_ＢＲによって分離された電気分解活性領域ＧＤＬ１_ＥＬＥとエネルギー生成活性領域ＧＤＬ１_ＥＧとを含む。

水の電気分解活性領域ＥＬＥ１への送達を改善するため、領域ＧＤＬ１_ＥＬＥは好ましくは親水性である。ガス拡散層ＧＤＬ１_ＥＧ上のエネルギー生成活性領域は、有利には疎水性であってよい。

同様に、ガス拡散層ＧＤＬ２は、境界領域ＧＤＬ２_ＢＲによって分離された電気分解活性領域ＧＤＬ２_ＥＬＥとエネルギー生成活性領域ＧＤＬ２_ＥＧとを含む。領域ＧＤＬ２_ＥＬＥおよびＧＤＬ２_ＥＧは、同じまたは異なる組成および／または性質を有することができる。電気分解活性領域ＧＤＬ２_ＥＬＥは親水性であってよく、ガス拡散層ＧＤＬ２_ＥＧ上のエネルギー生成活性領域は有利には疎水性であってよい。

エネルギー生成活性領域ＥＧ２の表面に向かって水素が流れるようにするため、典型的にはＧＤＬ２_ＥＧは、ＧＤＬ２_ＥＬＥよりも高いガス輸送特性を有するように設けられる。

組立体の作製
種々の従来方法によって、電極触媒層Ｅ１およびＥ２を、イオン伝導膜またはガス拡散層ＧＤＬ１およびＧＤＬ２に取り付けることができる。

それぞれの電気分解活性領域ＥＬＥ_ｉおよびそれぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ_ｉに異なる組成物を使用して、標準的なコーティングまたは印刷技術によって、イオン伝導膜の第１および第２の表面に、電極触媒層Ｅ１およびＥ２を取り付けることができる。

あるいは、それぞれの電極触媒層Ｅ１およびＥ２は、それぞれの電気分解活性領域ＥＬＥ_ｉおよびそれぞれのエネルギー生成活性領域ＥＧ_ｉに異なる組成物を使用して、最初に対応するガス拡散層（ＧＤＬ１またはＧＤＬ２）の表面に取り付け、次に、周知のホットプレスまたは積層技術を使用して、イオン伝導膜の第１または第２の表面に接触させて配置することができる。

個別の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域ＩＣＭ_ＥＬＥおよびＩＣＭ_ＥＧを有するイオン伝導膜の製造には、いくつかの方法を使用することができる。たとえば、多孔質支持体上に含浸されたイオン伝導性ポリマーを含む膜の場合、多孔質支持体の異なる領域に含浸させるために、異なるイオン伝導性ポリマーの溶液または分散液を使用することができる。

あるいは、イオン伝導膜がイオン伝導性ポリマーの押出フィルムでできている場合、並列した個別の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域は、米国特許第３８０７９１８号明細書に記載されるものなどの適切な押出ダイから異なる種類のイオン伝導性ポリマーを押し出すことによって直接得ることができる。

個別の電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域を含むガス拡散層は、たとえば、疎水性および親水性のガス拡散材料の交互のストリップを、電極触媒がコーティングされた膜に接着して、ストリップパターンを形成することによって得ることができる。異なる性質を有するガス拡散材料の交互の帯を、共通の基材上に堆積することができる。

あるいは、組立体のすべてのエネルギー生成活性部分を含む部分組立体、すなわちＥＧ１／ＩＣＭ_ＥＧ／ＥＧ２または任意選択でＧＤＬ１_ＥＧ／ＥＧ１／ＩＣＭ_ＥＧ／ＥＧ２／ＧＤＬ２_ＥＧと、組立体のすべての電気分解活性部分を含む部分組立体、すなわちＥＬＥ１／ＩＣＭ_ＥＬＥ／ＥＬＥ１またはＧＤＬ１_ＥＬＥ／ＥＬＥ１／ＩＣＭ_ＥＬＥ／ＥＬＥ２／ＧＤＬ２_ＥＬＥとを別々に製造し、次に好適な接着剤またはガスケットによって互いに組み合わせることができる。

ガス拡散層ＧＤＬ１およびＧＤＬ２の間に挟まれた膜−電極組立体（１）を含む本発明の組立体は、図５に示されるように、それぞれの側の上に配置され、第１および第２のガス拡散層のぞれぞれと接触する、第１および第２のバイポーラプレート（ＢＰ１およびＢＰ２）をさらに含むことができる。

バイポーラプレートは、好適には、セル反応物質が不浸透性である導電性材料、たとえば黒鉛または金属でできた成形シートである。バイポーラプレートは、典型的には、反応物質を電極触媒層に分配するための溝および／またはチャネルが設けられる。

第１および第２のバイポーラプレートは、それぞれ、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＢＰ_ＥＬＥｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＢＰ_ＥＧｉ）を含むことができ、これらのそれぞれは、第１および第２のガス拡散層上のそれぞれの電気分解活性領域（ＧＤＬ_ＥＬＥｉ）およびそれぞれのエネルギー生成活性領域（ＧＤＬ_ＥＧｉ）と大きさが対応して、位置合わせされる。

膜−電極組立体、ガス拡散層、およびバイポーラプレートを含む組立体は、通常、燃料電池スタックと呼ばれる。好ましくは本発明の燃料電池スタックは１つのブロックである。

当該技術分野において従来知られているように、ガスケット、シールなどのさらなる要素が本発明の組立体またはスタックの中に存在してもよい。

本発明の組立体は、可逆式燃料電池中での使用に適している。

平面の組立体として図面を参照しながら本発明の組立体を説明してきたが、他の構成、特に組立体の個別のエネルギー生成活性部分および電気分解活性部分が円筒形組立体の周囲に配置される構成も可能であり、本発明の特許請求の範囲内となる。

参照により本明細書に援用される任意の特許、特許出願、および刊行物の開示が、用語が不明瞭となる程度に本出願の説明と一致しない場合は、本明細書の説明が優先されるものとする。

Claims (15)

1. 電気化学セル用の組立体であって、第１および第２の表面を有するイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の前記第１の表面に接触する第１の電極触媒層であって、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ１_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ１_ｉ）を含む第１の電極触媒層と、前記イオン伝導膜の前記第２の表面に接触する第２の電極触媒層であって、少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ２_ｉ）および少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ２_ｉ）を含む第２の電極触媒層とを含み、前記第１の電極触媒層上の前記少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ１_ｉ）のそれぞれは、前記第２の電極触媒層の前記少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＥＬＥ２_ｉ）のそれぞれと対応して位置合わせされ、前記第１の電極触媒層上の前記少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ１_ｉ）のそれぞれは、前記第２の電極触媒層前記少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＥＧ２_ｉ）のそれぞれと対応して位置合わせされることを特徴とする組立体。
2. 前記イオン伝導膜が、前記第１および第２の電極触媒層上の前記電気分解活性領域（ＥＬＥ１_ｉおよびＥＬＥ２_ｉ）のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別の領域と、前記第１および第２の電極触媒層上の前記エネルギー生成活性領域（ＥＧ１_ｉおよびＥＧ２_ｉ）のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別の領域とを含むことを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 前記イオン伝導膜に接触しない前記第１の電極触媒層の表面に接触する第１のガス拡散層（ＧＤＬ１）と、前記イオン伝導膜に接触しない前記第２の電極触媒層の表面に接触する第２のガス拡散層（ＧＤＬ２）とをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の組立体。
4. 前記第１のガス拡散層（ＧＤＬ１）が、前記第１の電極触媒層上の前記少なくとも１つの電気分解活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＧＤＬ１_ＥＬＥｉ）と、前記第１の電極触媒層上の前記少なくとも１つのエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＧＤＬ１_ＥＧｉ）とを含むことを特徴とする請求項３に記載の組立体。
5. 前記第２のガス拡散層（ＧＤＬ２）が、前記第２の電極触媒層上の前記少なくとも１つの電気分解活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別の電気分解活性領域（ＧＤＬ２_ＥＬＥｉ）と、前記第２の電極触媒層上の前記少なくとも１つのエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域（ＧＤＬ２_ＥＧｉ）とを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の組立体。
6. 前記第１および／または第２のガス拡散層上の前記少なくとも１つの個別の電気分解活性領域が親水性であり、前記第１および／または第２のガス拡散層上の前記少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域が疎水性であることを特徴とする請求項４または５に記載の組立体。
7. 前記第１のガス拡散層に接触する第１のバイポーラプレートと、前記第２のガス拡散層に接触する第２のバイポーラプレートとを含み、前記第１および第２のバイポーラプレートのそれぞれが、前記第１および第２のガス拡散層上の前記少なくとも１つの電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも１つの個別のエネルギー生成活性領域および少なくとも１つの個別の電気分解活性領域を任意選択で含むことを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の組立体。
8. 前記第１および第２の電極触媒層上、および／または前記イオン伝導膜上、および／または前記第１および第２のガス拡散層上、および／または前記第１および第２のバイポーラプレート上の、それぞれの個別のエネルギー生成活性領域とそれぞれの個別の電気分解活性領域との間に少なくとも１つの境界領域を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の組立体。
9. 前記少なくとも１つの境界領域が、隣接する前記エネルギー生成活性領域および前記電気分解活性領域のいずれかの組成とは異なる組成を有することを特徴とする請求項８に記載の組立体。
10. 前記第１および第２の電極触媒層上の前記電気分解活性領域が、水の電気分解に好適な触媒を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の組立体。
11. 前記第１および第２の電極触媒層上の前記エネルギー生成活性領域が、水素および酸素からの水の生成に好適な触媒を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の組立体。
12. 前記第１および第２の電極触媒層上のすべての前記個別のエネルギー生成活性領域の合計と、前記第１および第２の電極触媒層上のすべての前記個別の電気分解活性領域の合計との比が、１．５：１〜５：１の範囲内であることを特徴とする請求項９または１０に記載の組立体。
13. 前記比が２．８：１〜３．５：１の範囲内であることを特徴とする請求項１１に記載の組立体。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の組立体を含む燃料電池。
15. 可逆式燃料電池における請求項１〜１３のいずれか一項に記載の組立体の使用。

Images