JP2015527482A - 水分解用の通気性電極構造およびその方法並びにシステム - Google Patents

水分解用の通気性電極構造およびその方法並びにシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、多孔質膜を含む少なくとも１つの電極を有する水電解セルに関し、該電極で生成したガスは該多孔質膜を介して該セルの外に拡散し、気泡を形成させることなく、反応で生成したガスを電極から分離する。

Description

本発明は、電気化学の分野に関し、特に、電極および電解反応に関する。
一形態において、本発明は新規な電極に関する。
特定の一形態では、本発明は水電解プロセスでの使用に適している。
本発明の別の特定の形態では、水分解等の電解反応でガスを直接分離する方法が提供される。
本発明の別の形態では、水分解装置が提供される。
以下、便宜上、水分解を例にとり本発明を説明するが、本発明はその使用のみに限定されないことが理解されるべきである。
本明細書における文献についての議論、装置、行為または知識は、本発明の内容を説明するために含まれていることを理解されたい。さらに、本明細書の全体の議論は、本発明者の認識および／または本発明者による特定の関連技術の問題の認定に起因するものである。さらに、本明細書における文献、装置、行為または知識等の題材についてのすべての議論は、発明者の知識と経験に基づいて本発明の内容を説明するために含まれているものであり、それ故、その議論は、題材のいくつかが、本明細書の開示および特許請求の範囲の優先日またはそれ以前の、オーストラリアまたは外国における関連技術についての従来技術基盤または一般常識の一部を形成することを承認したものと解釈されるべきではない。
水分解の全体反応、２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２は、最終生成物としてＯ２ガスとＨ２ガスを生成する。これらのガスは、後の個々の使用と、爆発性ガス混合物の生成を避けるために別々に保管する必要がある（Ｔｒｉｂｕｔｓｈ Ｈ．,「太陽光水素発生」,Ｉｎｔ Ｊ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ ２００８；３３：５９１１−３０）。電解時の２つのガスの分離を維持することを可能とする装置の構造についてはいくつかの提案があり、例えば、電極室を分離する膜の使用がある。この方法は、再利用される一方の電極から他方の電極への溶存ガスのクロスオーバーも最小限に抑制する（Ｉｏｒｏｉ Ｔ，Ｏｋｕ Ｔ，Ｙａｓｕｄａ Ｋ，Ｋｕｍａｇａｉ Ｎ， Ｍｉｙａｚａｋｉ Ｙ，「ユニット化された再生型高分子電解質型燃料電池用ガス拡散バッキング上のＰＴＦＥ被膜の影響」，Ｊ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ；１２４：３８５−９；Ｍａｒａｎｇｉｏ Ｆ，Ｐａｇａｎｉ Ｍ，Ｓａｎｔａｒｅｌｌｉ Ｍ，Ｃａｌｉ Ｍ，「高圧ＰＥＭ電解装置のプロトタイプの概念」,Ｉｎｔ Ｊ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ２０１１；３６：７８０７−１５）。
ガスを分離することは可能であるが、これらの技術に関しては、新たな問題、例えば、コスト、機械的特性が発生し、正常な運転のためには、膜全体の高耐性や超純水が必要である（Ｎｉｅｍｉｎｅ Ｊ，Ｄｉｎｃｅｒ Ｉ，Ｎａｔｅｒｅｒ Ｇ，「ＰＥＭと固体酸化物蒸気電解装置の性能比較分析」，Ｉｎｔ Ｊ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ ２０１０；３５：１０８４２−５０）。ＯＨ−伝導性膜を用いるアルカリゼロギャップ電解装置も検討されている（Ｐｌｅｔｃｈｅｒ Ｄ，Ｌｉ Ｘ．，「水素製造のためのアルカリゼロギャップ水電解装置の展望」，Ｉｎｔ Ｊ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｍｅｒｇｙ２０１１；３６：１５０８９−１０４）。
従来のアルカリ電解装置は、ダイアフラムが唯一のセパレータであり、内部および電極とセパレータとの間での気泡形成が、輸送抵抗の主な原因である。気泡管理に対する多くの提案がなされており、例えば、気泡がシステムから容易に去ることができるように、電解質の機械的循環の採用や、電解質の表面張力を下げるための（安定な）添加剤の採用、そしてガス気泡に対する親和性を低下させるための電極表面の改質がある（Ｚｅｎｇ Ｋ，Ｚｈａｎｇ Ｄ．，「水素製造および使用のためのアルカリ水電解の最近の進歩」，Ｐｒｏｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｂｕｓｔ Ｓｃｉ２０１０；３６：３０７−２６）。
Ｏ２発生反応の特徴の１つは、核生成と、微小で高圧の気泡形成に十分な程度まで、電極における溶存酸素濃度が蓄積される必要があることである。ラプラス式、Ｐ＝２γ／ｒによれば、ここでＰは気泡の中の圧力、γは気泡の表面張力で、ｒは気泡の半径であり、電解質の表面近傍で、半径０．１μｍのＯ２気泡は、２５℃で１４ａｔｍの圧力を有している。その必要とされる濃度は、電極での過電圧を発生させるだけでなく（そのため、水電解が非効率となる）、多くの触媒の長期安定性に影響を与える非常に反応性の高い環境をも与える。
いくつかの報告は、犠牲剤または助触媒の添加や、触媒の結晶構造、形態および比表面積の変更による、水電解セルの効率向上の努力について記載している（Ｋｕｄｏ Ａ，Ｍｉｓｅｋｉ Ｙ，「水分解のための異種光触媒材料」，Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ Ｒｅｖ ２００９；３８；２５３−７８；Ｋａｔｏ Ｈ，Ａｓａｋｕｒａ Ｋ，Ｋｕｄｏ Ａ，「高結晶性と表面ナノ構造を有する、ランタンドープＮａＴａＯ３光触媒上でのＨ２およびＯ２への高効率水分解」，Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ ２００３；１２５：３０８２−９；Ｏｓｔｅｒｌｏｈ ＦＥ，「水の光化学分解のための触媒としても無機材料」，Ｃｈｅｍ Ｍａｔｅｒ２００８；２０；３５−５４）。
少数の報告で、セル特性を向上させるために、ナノスケールまたはマイクロスケールの新規な電極構造を設計している（Ｍｏｈａｐａｔｒａ ＳＫ，Ｍｉｓｒａ Ｍ，Ｍａｈａｊａｎ ＶＫ，Ｒａｊａ ＫＳ．，「水分解による水素発生のための高効率光電解セルの設計：光アノードとしてのＴｉＯ２−ｘＣｘナノチューブおよびカソードとしてのＰｔ／ＴｉＯ２ナノチューブの応用」，Ｊ Ｐｈｙｓ Ｃｈｅｍ Ｃ ２００７；１１１：８６７７−８５；Ｙｉｎ Ｙ，Ｊｉｎ Ｚ，Ｈｏｕ Ｆ．，「コア／鞘ヘテロ構造ＣｄＳ／ＴｉＯ２ナノチューブアレイを用いる太陽光水分解効率の促進」,Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００７；１８）。
また、平面微細加工装置中の電解質の異なるフローストリームを用いてガスを分離する試みがあるが、装置の効率が高くない（Ｊｉａｎｇ Ｌ，Ｍｙｅｒ Ｂ，Ｔｅｌｌｅｆｓｅｎ Ｋ，Ｐａｕ Ｓ，「水素および酸素の発生のための平面微細加工電解装置」，Ｊ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ２００９；１８８：２５６−６０）。気泡が形成される前にセルからＯ２を速やかに除去するため、電極構造の変更により改良することについてはまだ広く検討されていない。燃料電池に用いられているタイプの従来のガス拡散電極（ＧＤＥ）は、水分解装置の中で動作させた場合、Ｏ２気泡を連続的に形成する傾向がある（Ｉｏｒｏｉ Ｔ，Ｏｋｕ Ｔ，Ｙａｓｕｄａ Ｋ，Ｋｕｍａｇａｉ Ｎ，Ｍｉｙａｚａｋｉ Ｙ，「ユニット化された再生型高分子電解質型燃料電池用ガス拡散バッキング上のＰＴＦＥ被膜の影響」，Ｊ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ２００３；１２４：３８５−９）。さらに、これらの電極は、水の酸化（ＷＯ）条件の下では安定ではなく、ＷＯに含まれる電位でカーボンが直ぐに酸化される（Ｃｈａｐａｒｒｏ ＡＭ，Ｍｕｅｌｌｅｒ Ｎ，Ａｔｉｅｎｚａ Ｃ，Ｄａｚａ Ｌ，「膜インレット質量分析による水溶液中のＰＥＭＦＣ電極の電気化学的不安定性の研究」，Ｊ Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ Ｃｈｅｍ ２００６；５９１：６９−７３；Ｊａｎｇ ＳＥ， Ｋｉｍ Ｈ，「高分子電解質膜燃料電池におけるカーボン腐食に対する水電解触媒の影響」，Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ ２０１０；１３２：１４７００−１）。
他の従来技術では、疎水性のガス多孔質膜（ゴアテックス（登録商標））が、空気極のための効率的な３相界面構造の開発に用いられた（Ｗｉｎｔｈｅｒ−Ｊｅｎｓｅｎ Ｂ，Ｗｉｎｔｈｅｒ−Ｊｅｎｓｅｎ Ｏ，Ｆｏｒｓｙｔｈ Ｍ，ＭａｃＦａｒｌａｎｅ ＤＲ，「気相重合ＰＥＤＯＴ電極上での高速酸素還元」，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２００８；３２１：６７１−４）。電極用基板として、この利点は、ガスは膜を通って拡散できるが、液体水は拡散できないこと、および動作時に効率的な３相界面が維持されることである。Ｏ２還元反応における供給ガスのＯ２量にセルが直線的に応答するという事実は、電極を通って効率的なガスの輸送が達成されていることを明確に証明した。
本発明の目的は、電解質溶液から発生したガスを直接分離する電解用疎水性膜を用いるための装置、方法およびプロセスを提供することである。
別の目的は、水分解等の電解反応の効率を向上させることである。
本発明の別の目的は、従来技術に関係する少なくとも１つの欠点を軽減することである。
本明細書に記載された実施形態の目的は、従来のシステムの上述の欠点の少なくとも１つを克服または軽減すること、あるいは従来のシステムに対する有用な代替案を提供することである。
本明細書に記載された実施形態の第１の態様は、多孔質膜を含む少なくとも１つの電極を有する水分解セルであって、該少なくとも１つの電極で生成したガスが、該多孔質膜を介して該セルの外に拡散する、該水分解セルである。
多孔質膜を横切って生成ガスを除去することで、電極での反応からガスを分離できる装置を得ることができる。適切な相界面が得られるのであれば、多孔質膜は多孔質ガス透過膜でもよい。少なくとも１つの電極で生成するガスの９０％を超える量が、多孔質膜を横切ってセルから除去される。望ましくは、生成するガスの９５％を超える量、そして９９％を超える量が多孔質膜を横切って除去される。
実質的に気泡を形成させることなく電極での反応からガスを除去することで、水分解反応を実質的に低い過電圧で水分解反応を行うことを可能とし、これにより水分解セルの効率を増加させる。
「実質的に気泡を形成させることなく」という表現により、肉眼で見える気泡が実質的に形成されないことを我々が意図していることが理解されるであろう。全ての気泡は非常に小さく「形成され」、そして成長するが、これは好ましい状態である。何故なら、それは気泡内の圧力を低下させるからである（ラプラス式、Ｐ＝２γ／ｒ、による。ここでＰは気泡の中の圧力、γは気泡の表面張力で、ｒは気泡の半径である）。小さな気泡は容易に融合してより大きな気泡を形成し、気泡寸法の範囲になる。水分解セルは、直径が１２５μｍを超えるガス気泡を実質的に形成させることなく動作することが可能である。いくつかの実施形態では、直径１００μｍを超える気泡を実質的に形成することなく、および直径５０μｍを超える気泡を形成させることなく、水電解セルを動作させることが可能である。水分解セルは、特定の実施形態において、ガス気泡を形成させることなく動作することが可能である。
実質的に気泡を形成させることなく、電極の活性領域からガスを分離することで、水分解セルの効率的な運転が促進される。
本明細書に記載の実施形態の第２の態様では、多孔質膜を含むカソードを有し、該カソードで生成するＨ２ガスを該多孔質膜を介して該セルの外に拡散させ、気泡を形成させることなく、カソード反応で生成するＨ２ガスを分離する、水分解セルが提供される。
本明細書に記載の実施形態の第３の態様では、多孔質膜を含むアノードを有し、該アノードで生成するＯ２ガスを該多孔質膜を介して該セルの外に拡散させ、気泡を形成させることなく、アノード反応で生成するＯ２ガスを分離する、水分解セルが提供される。
本明細書に記載の実施形態の第４の態様では、
第１の多孔質膜を含むカソード、
第２の多孔質膜を含むアノード、
前記カソードと前記アノードを浸漬させる少なくとも１つの電解質、を有し、
前記カソードと前記アノードで実質的に気泡を形成させることなくガスを生成させ、該ガスは前記の多孔質膜から該セルの外に拡散する、水分解セルが提供される。
本明細書に記載の実施形態の第５の態様では、モデル触媒を伴った多孔質膜を含む水分解用電極が提供される。
本明細書に記載の実施形態の第６の態様では、モデル触媒を伴った多孔質膜を含む本発明に基づく水電解装置が提供される。
この触媒は、電極上で起こる反応に基づいて、公知の触媒から選択することができる。白金、金、パラジウム等の貴金属を通常用いることができる。さらに、水の酸化に適した触媒は、ＲｕやＩｒ等の希土類元素の錯体、酸素発生触媒（ＯＥＣ）として広く研究されたが、それらのいずれも純粋な光触媒ではないＭｎ錯体、およびＦｅ、ＮｉＯｘ、Ｃｏ等の豊富な金属の錯体を含む（例えば、以下を参照。ＸＬｉｕ，Ｆ．Ｗａｎｇ，「水からの酸素生成を触媒する遷移金属錯体」，１９７９−２０１０，配位化学レビュー（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ） ２５６（２０１２）１１１５−１１３６；Ｐ．Ｄｕ，Ｒ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ，「水分解用の地球に豊富な金属（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ）からなる触媒：最近の進歩と未来への挑戦」，エネルギー・環境科学（Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ５（２０１２）６０１２−６０２１；Ｍ．Ｗ．．Ｋａｎａ，Ｄ．Ｇ．Ｎｏｃｅｒａ，「リン酸塩とＣｏ２＋を含む中性水における酸素発生触媒のその場形成」，サイエンス ３２１（２００８）１０７２−１０７５）。
安定性を増大させるために、それら金属酸化物触媒は、リン等の添加元素を含んでもよい。水還元に関し、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）やポリピロール等の伝導性ポリマー、Ｃｏ、Ｎｉ、小数のＦｅ錯体およびＭｏＳｘが、水還元反応用の触媒として報告されている（Ｐ．Ｄｕ，Ｒ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ，「水分解用の地球に豊富な金属（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ）からなる触媒：最近の進歩と未来への挑戦」，エネルギー・環境科学（Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ５（２０１２）６０１２−６０２１；Ｂ．Ｗｉｎｔｈｅｒ−Ｊｅｎｓｅｎ，Ｋ．Ｆｒａｓｅｒ，Ｃ．Ｏｎｇ，Ｍ．Ｆｏｒｓｙｔｈ，Ｄ．Ｒ．ＭａｃＦａｒｌａｎｅ，「水素発生用の伝導性ポリマー複合材料」，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２２（２０１０）１７２７−１７３０；Ｊ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ｈｕａｎｇ，Ｇ．Ｆ．Ｓｗｉｅｇｅｒｓ，Ｃ．Ｏ．Ｔｏｏ，Ｇ．Ｇ．Ｗａｌｌａｃｅ，「１Ｍ 強酸中での水素発生において、白金よりも活性な、容易に調製可能な電極触媒被膜」，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １０（２００４）３０８−３０９；Ｙ．Ｈｏｕ，Ｂ．Ｌ．Ａｂｒａｍｓ，Ｐ．Ｃ．Ｋ．Ｖｅｓｂｏｒｇ，Ｍ．Ｅ．Ｂｊｏｒｒｋｅｔｕｎ，Ｋ．Ｈｅｒｂｓｔ，Ｌ．Ｂｅｃｈ，Ａ．Ｍ．Ｓｅｔｔｉ，Ｃ．Ｄ．Ｄａｍｓｇａａｒｄ，Ｔ．Ｐｅｄｅｒｓｅｎ，Ｏ．ｈａｎｓｅｎ．Ｊ．Ｒｏｓｓｍｅｉｓｌ，Ｓ．Ｄａｈｌ，Ｊ．Ｋ．Ｎｏｒｓｋｏｖ，Ｉ．Ｃｈｏｒｋｅｎｄｏｒｆｆ，太陽光水素発生のための、シリコン光カソードに結合したバイオインスパイアード分子助触媒），Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １０（２０１１）４３４−４３８）。触媒の選択は、電解質の温度、塩分およびｐＨ等の運転条件に依存する。
別の実施形態では、触媒は、多孔質膜に堆積させた白金である。
本発明のセルは、ガスを分離し、セル内のガスのクロスオーバーを減少させるだけでなく、触媒の作用に対し、より有利な環境を促進する。一般的には、電解セル内のＯ２分圧を増加させると触媒、特にアノード触媒の劣化が増大する。そのため、本発明に基づきＯ２を除去すると、この影響を減少させることができるので、従来は不適当であったＣｄＳ、ＣｓＳｅ、およびＧａＡｓ等の（光）触媒の使用が可能となる。
一実施形態では、実質的に気泡を形成させることなく、ガスを完全にまたはほぼ完全に抜き出すことを可能とするために、膜を横切る流束と一致する速度でガス（水素または酸素）が生成するように調整される。
電解質に対する多孔質膜の前進接触角が９０度より大きいことが望ましい。
別の実施形態では、多孔質膜は疎水性膜である。適切な膜は、様々な空孔寸法および空孔形状を有していてもよく、様々な疎水性材料から製造してもよい。膜は、０．５μｍ未満、０．１μｍ未満または０．０５μｍより小さい空孔寸法を有していてもよい。
別の実施形態では、多孔質膜は、本質的に疎水性であってもなくてもよいが、疎水性材料の薄膜で被覆されてもよい。適切な疎水性材料は、むしろまたはシリコーンでよく、必要な通気性の程度を確保しながら（膜を横切るのに十分なガス流束を有する）、多孔質膜の湿潤能力を向上させることができる。他の適切な薄膜被膜は、シリコーン−フルオロポリマー、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはそのコポリマー、ＰＤＤ−ＴＦＥ（テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
別の実施形態では、多孔質膜は、カーボンファイバー、グラフェン、またはカーボンナノチューブ等の疎水性、伝導性カーボン材料を含んでいる。
毛管圧力、Ｐｃ、を規定するヤング−ラプラス式は、膜の材料および空孔寸法の選択の指針として用いることができる。該式は、毛管圧力（ｐｃ）が、表面張力（γ）に比例し、界面の有効半径（ｒ）に反比例することを規定しており、また毛管表面の液体の湿潤接触角（θ）にも依存している。
Figure 2015527482
接触角が９０度に近づくと、毛管圧力はゼロに近づき（最終的に符号が変化する）、膜が濡れる。このことは、可能な膜材料を、９０度を超える接触角を有する材料に理論的に限定している。表１は、一般的な疎水性ポリマーの表面張力と水接触角を示している。製造方法と材料のグレードにより、接触角にいくらかバラツキが生じることを考慮すべきである。例えば、ポリスチレンの接触角は最大で９８度であるが、平均は９０度より小さい。水に直接接触する膜の一部のみが必要とされる大きな接触角を有することが必要であり、これは、例えば、以下のリストの中のポリマーの１つで（疎水性）膜の片面をコーティングすることで得られることは、当業者には明らかであろう。いくつかのカーボン材料（例えば、カーボンファイバー）は、９０度より大きい接触角を有しているので、伝導性の疎水性膜として直接用いてもよい。しかしながら、これらカーボン材料の上に適切な触媒がコーティングされなければならない。
Figure 2015527482
例えば、液体の水と接触しているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜について、上記のヤング−ラプラス式を参照すると、接触角は典型的に１００〜１１５度である（http://www.accudynetest.com/polyrner surface data/ ptfe.pdf）。水の表面張力は、典型的には、２５℃で０．０７１９７Ｎ／ｍである（http://en.wikipedia.org/wiki/Surface tension）。水が、１Ｍ ＫＯＨ等の電解質を含む場合、水の表面張力は、典型的には、０．０７４８０Ｎ／ｍに増加する（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌｕｍｅ ５６（２００１），ｐａｇｅｓ ２８７９−２８８８中の、題名が「高濃度の電解質水溶液の表面張力−説明および予測」である科学論文に基づくものであり、その著者は、Ｚｈｉｂａｔｏ ＬｉとＢｅｎｊａｍｉｎ Ｃ．−Ｙ．Ｌｕである。）これらのパラメータをウォッシュバーン式に適用すると、以下のデータが得られる。
Figure 2015527482
試験され、適切であることがわかった膜の計算された毛管圧力は、−２５００Ｐａ（埋テックス（Ｍｉｔｅｘ）（ＰＴＦＥ））から−１３２０００Ｐａ（セルガード（Ｃｅｌｇａｒｄ）８８０（ＰＥ））であり、膜の選択に対して大きな設計の自由度があることをはっきりと示している。圧力の値が負であることは、毛管圧力が空孔の外に向けられており、それにより膜のフラッディングを防止している。これらの圧力値は、ＰＴＦＥで被覆されたカーボンペーパー膜から得られた測定値によく対応している（「親水性および疎水性の空孔を有するカーボンペーパーガス拡散層中の毛管圧力」、Ｌｉａｎｇ Ｈａｏ，Ｐｉｎｇ Ｃｈｅｎｇ，インターナショナル ジャーナル オブ ヒート アンド マス トランスファー（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ） ５５（２０１２）１３３−１３９）。ある実施形態では、膜の毛細管圧力が、−５０００Ｐａより小さい。疎水性電解質の中に水が分散または溶解しているシステムでは、毛管圧力に関する考察は有効であるが、この場合、膜の中への溶媒の浸透を防止するために、疎水性膜が使用されなくてはならない。
本発明の電極と、非貴金属や金属酸化物等の様々な触媒と光触媒を組み合わせることで、効率的で簡単な水分解電解装置の製造コストを広範囲に許容できる。
本明細書に開示および／または添付の特許請求の範囲に定義されている別の態様および形態は、本発明の説明の一部を形成する。
本質的には、本発明の実施形態は、電解反応においてガスを直接分離するために通気性電極構造を用いることを実現することに起因するものである。
本発明の水分解セルおよび電極により提供される利点は以下の内容を含む：
システムの効率の向上に付随する水分解反応からのガスを効率的に除去すること；
ガスの直接分離はセパレータを不要にすること；
高純度ガスの製造；
生成した水素がアノードで酸化されること、および生成した酸素がカソードで還元されることの可能性を減少させること；
触媒の作用のために、より好ましい環境を提供すること；
別の方法ではＯ２分圧の増加に伴い劣化するであろう不適当な触媒の使用を容易にする；
ガスの直接分離は、ガスのクロスオーバーを減少させ、それによりクーロン効率を向上させること；および
本発明の電極と、最適化された触媒および光触媒との組み合わせは、よりコスト効率の高い電解装置の製造の機会を提供すること。
本発明の実施形態のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明と特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、単なる例示であり、本明細書の開示の精神および範囲内であれば様々な変更および改変であることが、詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。
また、添付の図面と併せて以下の実施形態の説明を参照することにより、本出願の好ましい実施形態および他の実施形態の、開示、目的、利点および態様は、当業者により十分理解されるであろう。なお、添付の図面は、単なる例示であり、本明細書の開示を限定するものではない。
図１ａは、実験装置の模式図であり、左側の電解室６に関して、参照電極１、アノード３、カソード４、および酸素プローブ５を示し、該電解室６は右側のガス収集室７に取り付けられており（半通気性セル）、図１ｂは、図１ａに示す装置に対応し、カソード１０とアノード１２に関して、電解質水溶液中のガスとイオンの移動を示し、図１ｃは、全通気性セルにおけるガスとイオンの移動を示している。図１ｂと図１ｃの黒い四角は、マイクロ酸素電極の位置を示している。 図２は、異なる白金被覆膜（Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）２１、Ａｕ／マイテックス（登録商標）１０μｍ２２およびＧＤＥ２３）の後ろでのＯ２測定を示している。 図３は、１０ｍＡ３４を通電後の、電解質の上（Ｏ２前方３０）と隣接室の膜の後ろ（Ｏ２後方３２）でのＯ２測定を示している。 図４は、Ｐｔで被覆されたＡｕ／ゴアテックス（登録商標）（図４（ｃ））、Ａｕ／マイテックス（登録商標）１０μｍ（図４（ｂ））およびＧＤＥ（図４（ａ））の一連の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である（スケールバー：左の列−１００μｍ、中央の列−１０μｍ、右の列−１０ｎｍ）。 図５は、Ｐｔで被覆された異なる膜：ポリエチレンセルガード８８０（４０）、ポリプロピレンメッシュ（４１）および不織布ポリプロピレン（４２）、の後ろでのＯ２測定を示している。（４５）で示される場所で１０ｍＡが通電される。 図６は、時間（分）に対するＤＯ（ｍＶ）のプロットであり、ＣｄＳ／Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックスを用いて光照射と排気を行った時の後室のＯ２発生を示している。グラフに見られるピークは、１３分 ΔＤＯ４２ｍＶ（５０）、１３分 ΔＤＯ４０ｍＶ（５１）、１８分 ΔＤＯ４９ｍＶ（５２）、１２分 ΔＤＯ４７ｍＶ（５３）、１２分 ΔＤＯ５２ｍＶ（５４）および１２分 ΔＤＯ５３ｍＶ（５５）に対応する。測定は、光を止めてＮ２とＯ２を室（５６）に導入し、光を照射してＮ２を出し（５７）、そしてＯ２を出す（５８）、ことにより行った。 図７は、ＣｄＳ／Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックス膜（６０）とＴｉ／Ａｕ／ゴアテックス膜（６１）についての、光照射時間（分）に対するＯ２発生速度のプロットである。
本発明を、以下の非限定的な実施例を参照してさらに説明する。より具体的には、異なる形態および空孔寸法および形状を有する３種の膜電極を作製し、検討した。白金は、最もよく研究された触媒であり、モデル触媒材料として用いた。しかしながら、本発明の電極は、この触媒に限定して解釈されるべきではなく、多くの触媒とともに用いることができる。
膜処理とＰｔコーティング
ＰＴＦＥ膜（ゴアテックス（登録商標））はゴア社から入手し、マイテックス（登録商標）（１０μｍ）はミリポアから入手した。Ａｕマイラ（２．５Ω／□）はＣＰフィルム社から購入した。無水マレイン酸はシグマ−アルドリッチから入手した。Ｐｔコーティングの前に行う、ゴアテックス（登録商標）、マイテックス（登録商標）、ポリエチレン（ＰＥ）およびポリプロピレン（ＰＰ）膜の作製は、サイエンス ２００８；３２１：６７１−４の題名が「気相重合ＰＥＤＯＴ電極上での酸素の高速還元」である、Ｗｉｎｔｈｅｒ−Ｊｅｎｓｅｎらの以前の研究と同様である。金伝導層に強く結合させるために、膜の疎水性表面に無水マレイン酸をプラズマ重合を用いてグラフトするが、そのプラズマ重合については、前述の文献およびＡｄｅｍｏｖｉｃらのＰｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｐｏｌｙｍ ２００５；２：５３−６３に記載の題名が「タンパク質の吸着を防止することを目的とする、パルスＡＣプラズマ重合を用いるＰＥＴフィルムの表面改質」である文献に報告されている。金がプラズマ処理された膜の上にスパッタされ、その厚さは、表面抵抗が、〜５Ω／□となるように最適化された。次に、金層の上に２８〜３０ｍＡ、６０秒でＰｔをスパッタした。従来のＧＤＥも比較のため検討したが、Ｅ−ＴＥＫからアイオノマーフリー（ＶｕｌｃａｎＸＣ−７２上にＬＴ−１４０ＥＷ−３０％Ｐｔ、０．５ｍｇｃｍ−２）を入手し、そのまま用いた。ＳＥＭ画像は、ＪＥＯＬ７１００Ｆ電界放出銃走査型電子顕微鏡を用いて５ｋＶで得た。
電極組立
従来のラミネーターを用いて膜を金のストリップで挟んだ。ラミネートの０．７ｃｍ２の窓は、両面粘着テープで試験セルに取り付けられ時に、膜のＰｔ被覆面に電解質が接触すること、およびガスが隣接室と通気できることを可能とする（図１）。
実験装置およびガス測定
０．０５ＭでｐＨ４のナトリウムｐ−トルエンスルホン酸（シグマアルドリッチから）を、電解質として用いた。３０ｍｌの電解質を試験セル中に用い、電解質の上に３０ｍｌのガス空間を設けた。飽和カラメル参照電極（ＳＣＥ）およびカーボンロッドまたはＰｔ対極を用いて３電極セルを組み立てた。マルチチャンネルポテンショスタット（プリンストンアプライドリサーチのＶＭＰ２）を定電流電解に用いた。電極間の距離は１．５ｃｍであり、全ての作用電極の動作時の電位は、典型的には〜２−２．４Ｖｖｓ．ＳＣＥであった。
マイクロ酸素電極はｅＤＡＱから購入し、電解反応からのＯ２発生をモニターするのに用いた。空気中の２１％Ｏ２と、純窒素ガスの０％Ｏ２で較正した。較正時の傾斜は、１０．３ｍＶが１％Ｏ２に相当する。Ｈ２量は、ガスクロマトグラフィー（ＳＲＩ３１０Ｃ、ＭＳ−５Ａカラム、ＴＣＤ、Ａｒキャリア）を用いて測定した。
図１に示すように試験セルを組み立てた。まず、実験はＷＯに焦点を当てた。Ｐｔ被覆膜をアノードとして用い、膜の裏面側の室（６０ｍｌ）に配置したマイクロ酸素電極を用いて遊離のＯ２をモニターした。１０ｍＡの電流をセルに通電してから数秒後、対極上（カーボンロッド）に気泡が形成され始めた。アノード面では、ゴアテックス（登録商標）膜を用いた時は、作用領域には気泡は認められなかった。このことは、Ｏ２の大部分が、膜の裏面に逃げることができたことを示唆している。別の膜を用いた場合、作用領域でいくらかの気泡の形成が認められた。裏面側の室のＯ２含有量は、Ｐｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）電極とＡｕ／マイテックス（登録商標）電極の両方を用いた場合、電解時に徐々に増加したが、ＧＤＥ（図２）では変化がなく、後者ではＯ２が生成していないことを示唆している。Ｃｈａｐａｒｒｏら（Ｃｈａｐａｒｒｏ ＡＭ，Ｍｕｅｌｌｅｒ Ｎ，Ａｔｉｅｎｚａ Ｃ，Ｄａｚａ Ｌ．，「膜インレット質量分析による水溶液中のＰＥＭＦＣ電極の電気化学的不安定性の研究」，Ｊ Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ Ｃｈｅｍ ２００６；５９１：６９−７３）の研究、およびＪａｎｇとＫｉｍ（Ｊａｎｇ ＳＥ，Ｋｉｍ Ｈ，「高分子電解質膜燃料電池におけるカーボン腐植に対する水電解触媒の影響」，Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ ２０１０；１３２：１４７００−１）の研究は、それらが酸化電位での水存在下におけるＧＤＥ上のカーボンの電気化学的酸化を示していることから、ＧＤＥについての観察を支持している（Ｃｈａｐａｒｒｏ ＡＭ，Ｍｕｅｌｌｅｒ Ｎ，Ａｔｉｅｎｚａ Ｃ，Ｄａｚａ Ｌ．，「膜インレット質量分析による水溶液中のＰＥＭＦＣ電極の電気化学的不安定性の研究」，Ｊ Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ Ｃｈｅｍ ２００６；５９１：６９−７３）の研究、およびＪａｎｇとＫｉｍ（Ｊａｎｇ ＳＥ，Ｋｉｍ Ｈ，「高分子電解質膜燃料電池におけるカーボン腐食に対する水電解触媒の影響」，Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ ２０１０；１３２：１４７００−１）。
Ｐｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）電極からのＯ２発生速度が最も大きく、これは、被覆されたゴアテックス（登録商標）電極が、ＷＯ反応からガス状Ｏ２を放出させるのに、最も効率的であることを示している。
前室内で、Ｐｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）電極を用いた水分解時に、電解質の上部空間(head space)中のＯ２発生をモニターすることでさらなる検討を行った。結果（図３）は、電解質の上では測定可能なＯ２の増加は認められず、後室の中へ非常に高い効率でＯ２を除去できることを示している。これらの実験のファラディ効率は、９０±３％であった。
各膜の「通気」性能を理解するために、図４に示すように走査型電子顕微鏡観察を行った。
予想通り、Ｐｔナノ粒子が膜表面に十分に分散していた。ＧＤＥの画像は、６５〜１００ｎｍのＰｔナノ粒子の密な充填構造を示していた。マイテックス（登録商標）膜およびゴアテックス（登録商標）膜上におけるスパッタされたＰｔナノ粒子の寸法は、３０〜４０ｎｍの範囲であった。マイテックス（登録商標）１０μｍの画像は、空孔寸法と分布が整合性がないことを示しているが、ゴアテックス（登録商標）は整合性のある分布を持った微細な空孔寸法（〜１×１０μｍ）を有している。ゴアテックス（登録商標）構造は、水分解実験で観察される高性能に寄与すると考えられる。
比較実験として、電解質の上に配置された酸素プローブを備えた単一室装置のアノードとして、Ｐｔ被覆Ａｕマイラからなる非多孔質基材を用いた。この実験で生成したＯ２は、２室装置中でＰｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）（１．３５μｍｏｌ／分）を用いた時よりも、非常に少ない（０．４８μｍｏｌ／分）。この比較実験のファラディ効率は３１％に過ぎなかった。これは、非多孔質電極を用いた時、セパレータがないこのセル構造中に存在する、電極間での酸素のやり取り(shuttling)の程度を示す。
別の実験では、Ｐｔ被覆Ａｕマイラをアノードとして用い、Ｐｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）をカソードとして、すなわちＨ２発生電極として用いた。カソードでは、Ｈ２気泡の形成は認められなかった。この実験のＯ２発生のファラディ効率は６１％であった。
Ｐｔ被覆Ａｕ／ゴアテックス（登録商標）電極をアノードとカソードの両方に用いた場合、セルから両方のガスが除去され、ファラディ効率は９２％に増加した。この実験で検出されたＨ２は、測定誤差の範囲内（±７％）で、２：１の化学量論比に近いことが見出された。これは、最適化されたセルとガス流の構成では、これらのセルでセパレータの使用を回避することが実用的であることを示唆している。
試験した３種の膜の中では、当初、ゴアテックス（登録商標）が最も優れていることが見出されたが、使用可能な、異なる疎水性と様々な空孔寸法および形状を有する膜が確かに存在する。これらの多くの可能性について、追加の実験で試験を行った。ポリエチレン膜（ＰＥ、セルガード８８０（０．１×１μ 空孔寸法））、ポリプロピレン（ＰＰ）メッシュ膜（５μ空孔寸法）およびＰＰ不織布膜（５μ空孔寸法）を上記と同様の方法で試験した（図５参照）。セルガード８８０は、装置の後室上で測定される酸素の増加からわかるようにゴアテックス（登録商標）と同様の優れた特性を有し、８２％のファラディ効率に相当する。その２つのＰＰ膜は、効率が低いが（それぞれ、５１％と４１％）、この材料を膜構造に用いることができることを明らかに示している。
Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックス上のＣｄＳの安定性試験およびＴｉ／Ａｕ／ゴアテックスを用いたベースライン試験
ＣｄＳ／Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックスまたはＴｉ／Ａｕ／ゴアテックス（０．５ｃｍ２）を積層し、２つのプラスチックボトルの間に挟んだ。前側のチャンバをｐＨ６．５の０．０５Ｍ ＮａＰＴＳの３０ｍｌで満たした。酸素センサをガス室に配置した。ＤＯプローブに直接光が当たるのを防ぐためにプラスチック室を覆うために黒色布を用いた。試料に光を照射するためにアサヒランプを用いた。以下の手順の後、各データ点を収集した：Ｎ２ガスを用いて約１５分間またはベースラインが安定するまで電解質をパージし、同時に後室にＯ２をフラッシュし、Ｎ２を除去した後直ぐに（および穴を封止した）試料に光を７分間照射し、さらに光を５分間照射しながらＯ２を除去した（および穴を封止した）。このプロセスを３９回繰り返した。増加したＯ２をモニターし、典型的なグラフを図６に示す。
そのデータを、露光時間に対するＯ２の増加割合（典型的には１２分間の露光によるＯ２の読みの増加）としてプロットした（図７）。図７からわかるように、ＣｄＳ／Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックス電極からのＯ２の発生速度は、Ｔｉ／Ａｕ／ゴアテックスのベースラインからよりも高く、８時間を超えても安定である。この結果を、光／酸素発生下でＣｄＳが数分で通常劣化することと比較すべきである。
ポリ酸とプラズマ重合を用いる表面処理は、触媒と膜との間に良好な結合を確保するための重要なステップである。それは、触媒を疎水性膜の上に堆積させるための道を開くものである。ＰＥＭ電解装置では用途が限定された非貴金属および金属酸化物触媒をこの技術と融合する可能性が、簡単でコスト効率のよい水分解装置へとつながるであろう（Ｐｌｅｔｃｈｅｒ Ｄ，Ｌｉ Ｘ．，「水素製造のためのアルカリゼロギャップ水分解の展望」
，Ｉｎｔ Ｊ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ ２０１１；３６：１５０８９−１０４）。
その多くが酸素気泡の存在に敏感である光活性電極触媒の寿命を向上させるために、この方法は用いることもできる。
本発明を、その特定の実施形態に関して説明したが、さらなる変形が可能であることが理解されるであろう。本願は、本発明のあらゆる変更使用または付加を包含することを意図するものであり、それは、本発明の原理に従うものであり、かつ本発明の関係する技術における公知技術または慣用技術の範囲内にあり、かつ上述の本質的な特徴に適用できる本発明からの逸脱を含んでいる。
本発明は、本発明の本質的な特徴の精神から逸脱することなくいくつかの形態で実施することができるので、特に断らない限りは、上述の実施形態が本発明を限定するものではないことが理解されるべきであり、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の精神および範囲の範囲内で広く解釈されるべきであることが理解されるべきである。記載された実施形態は、例示であり限定するものではないということが、すべての点において考慮されるべきである。
様々な変形および等価な構成は、本発明および添付の特許請求の範囲の精神および範囲の範囲内に含まれるものである。よって、特定の実施形態は、本発明の原則が実施される多くの方法を例示するものであると理解されるべきである。以下の特許請求の範囲では、ミーンズ プラス ファンクションの表現は、規定された機能を実行できる構造を包含することを意図するものであり、構造的な等価物だけでなく、等価な構造も含むことを意図するものである。
「含む(comprises)／含む(comprising)」および「含む(includes)／含む(including)」は、本明細書で用いられる時は、規定された特徴、整数、工程または成分の存在を特定するものと解釈され、１以上の他の特徴、整数、工程、成分またはそれらの群の存在または追加を排除するものではない。そのため、文脈がそうではないことを明らかに要求しない限り、明細書及び特許請求の範囲を通して、「含む(comprise)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」等の用語は、排他的または徹底的な意味に対して、包括的な意味、すなわち、「含むが、それに限定されない」という意味に解釈されるべきである。
試験され、適切であることがわかった膜の計算された毛管圧力は、−２５００Ｐａ（マイテックス（Ｍｉｔｅｘ）（ＰＴＦＥ））から−１３２０００Ｐａ（セルガード（Ｃｅｌｇａｒｄ）８８０（ＰＥ））であり、膜の選択に対して大きな設計の自由度があることをはっきりと示している。圧力の値が負であることは、毛管圧力が空孔の外に向けられており、それにより膜のフラッディングを防止している。これらの圧力値は、ＰＴＦＥで被覆されたカーボンペーパー膜から得られた測定値によく対応している（「親水性および疎水性の空孔を有するカーボンペーパーガス拡散層中の毛管圧力」、Ｌｉａｎｇ Ｈａｏ，Ｐｉｎｇ Ｃｈｅｎｇ，インターナショナル ジャーナル オブ ヒート アンド マス トランスファー（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ） ５５（２０１２）１３３−１３９）。ある実施形態では、膜の毛細管圧力が、−５０００Ｐａより小さい。疎水性電解質の中に水が分散または溶解しているシステムでは、毛管圧力に関する考察は有効であるが、この場合、膜の中への溶媒の浸透を防止するために、親水性膜が使用されなくてはならない。

Claims (26)

  1. 多孔質膜を含む少なくとも１つの電極を有する水分解セルであって、該少なくとも１つの電極で生成したガスが、該多孔質膜を介して該セルの外に拡散する、該水分解セル。
  2. 前記少なくとも１つの電極で生成したガスの９０％を超える量が、前記多孔質膜を横切って除去される、請求項１記載の水分解セル。
  3. 前記少なくとも１つの電極で生成したガスの９５％を超える量が、前記多孔質膜を横切って除去される、請求項１記載の水分解セル。
  4. 前記少なくとも１つの電極で生成したガスの９９％を超える量が、前記多孔質膜を横切って除去される、請求項１記載の水分解セル。
  5. 前記の生成したガスは、実質的に気泡を形成することなく、前記少なくとも１つの電極から分離される、請求項１記載の水分解セル。
  6. 前記の生成したガスは、１２５μｍよりも小さい気泡を形成する、請求項１記載の水分解セル。
  7. 前記の生成したガスは、１００μｍよりも小さい気泡を形成する、請求項１記載の水分解セル。
  8. 前記の生成したガスは、５０μｍよりも小さい気泡を形成する、請求項１記載の水分解セル。
  9. 多孔質膜を含むカソードを有し、該カソードで生成するＨ２ガスが該多孔質膜を介して該セルの外に拡散し、気泡を形成させることなく、カソード反応で生成するＨ２ガスを分離する、請求項１記載の水分解セル。
  10. 多孔質膜を含むアノードを有し、該アノードで生成するＯ２ガスが該多孔質膜を介して該セルの外に拡散し、気泡を形成させることなく、アノード反応で生成するＯ２ガスを分離する、請求項１記載の水分解セル。
  11. 前記多孔質膜は、少なくともその一部が疎水性である、請求項１記載の水分解セル。
  12. 前記多孔質膜が、薄膜被膜を有する、請求項１記載の水分解セル。
  13. 前記薄膜被膜が、疎水性である、請求項１２記載の水分解セル。
  14. 前記薄膜被膜が、シリコーン−フルオロポリマー、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはフルオロモノマーとのコポリマー、ＰＤＤ−ＴＦＥ（テトラフルオロエチレンとパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソール）、ポリフッ化ビニル、ポリ塩化ビニル、ナイロン８，８、ナイロン９，９、ポリスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリｎ−ブチルメタクリレート、ポリトリフルオロエチレン、ナイロン１０，１０、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリクロロトリフルエチレン、ポリプロピレン、ポリジメチルシロキサン、ポリｔ−ブチルメタクリレート、フッ素化エチレンプロピレン、ヘキサトリアコンタン、パラフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（ヘキサフルオロプロピレン）、ポリイソブチレン、またはこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１２記載の水分解セル。
  15. 前記多孔質膜が、導電性カーボン材料を含む、請求項１１記載の水電解セル。
  16. 前記多孔質膜が、０．５μｍ未満の空孔寸法を有する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の水分解セル。
  17. 前記多孔質膜が、０．１μｍ未満の空孔寸法を有する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の水分解セル。
  18. 前記多孔質膜が、０．０５μｍ未満の空孔寸法を有する、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の水分解セル。
  19. 前記多孔質膜に伴う触媒をさらに含む、前記の請求項のいずれか１項に記載の水分解セル。
  20. 前記触媒が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＮｉＯｘ、Ｍｎ錯体、Ｆｅ錯体、ＭｏＳｘ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＧａＡｓからなる群から選択される、請求項１記載の水分解セル。
  21. 第１の多孔質膜を含むカソード、
    第２の多孔質膜を含むアノード、
    前記カソードと前記アノードを浸漬させる少なくとも１つの電解質、を有し、
    前記カソードと前記アノードで実質的に気泡を形成させることなくガスを生成させ、該ガスは前記の多孔質膜から該セルの外に拡散する、請求項１記載の水分解セル。
  22. 水分解セルを用いる水分解方法であって、
    第１の多孔質膜を含むカソードを用意すること、
    第２の多孔質膜を含むアノードを用意すること、
    前記カソードと前記アノードを少なくとも１つの電解質に浸漬すること、および
    前記アノードと前記カソードに通電すること、を含み、
    前記アノードで生成したＯ２ガスが第２の多孔質膜を介して該セルの外に拡散し、
    前記カソードで生成したＨ２ガスが第１の多孔質膜を介して該セルの外に拡散する、該水分解方法。
  23. 水電解セル中での水素発生方法であって、
    第１の電極で水素ガスを生成させること、
    第１の多孔質膜を介して該水素ガスを該セルの外に拡散させること、および
    実質的に気泡を形成させることなく、生成した該水素ガスを分離すること、を含む、該水素発生方法。
  24. 水電解セル中での酸素発生方法であって、
    第２の電極で酸素ガスを生成させること、
    第２の多孔質膜を介して該酸素ガスを該セルの外に拡散させること、および
    実質的に気泡を形成させることなく、生成した該酸素ガスを分離すること、を含む、該酸素発生方法。
  25. 触媒表面に隣接する前記の多孔質膜を横切って前記のガスを輸送することにより、前記のガスの９０％を超える量が前記の電極で分離される、請求項２３または２４に記載の方法。
  26. 前記のガスが、１２５μｍを超える気泡を形成させることなく分離される、請求項２３または２４に記載の方法。
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