JP2017041454A - 伝導ネットワークを有する燃料電池の電極 - Google Patents

Abstract

【課題】高い効率性を有する高分子電解質膜型燃料電池の提供【解決手段】燃料電池の電極層は、触媒、電子伝導体、及びイオン伝導体を含み、電極層内には、複数の電子伝導体に富むネットワーク３４０と、その電子伝導体に富むネットワーク３４０と共に散在する、複数のイオン伝導体に富むネットワーク３５０が存在する。イオン伝導体の電子伝導体との体積比は、電子伝導体に富むネットワーク３４０内よりも、イオン伝導体に富むネットワーク３５０内で、より大きい。電極層を含む燃料電池の動作中、電子の伝導は、主に電子伝導体に富むネットワーク内で生じ、イオンの伝導は、主にイオン伝導体に富むネットワーク内で生じる。【選択図】図３Ｂ

Description

（政府の権利）
本発明は、ＤＯＥ（《米》エネルギー省）に付与されたＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ＤＥ−ＦＧ３６−０７ＧＯ１７００６の下、政府の支援により行われた。政府は本発明に対し特定の権利を有する。

本開示は、概して、燃料電池及び／又は燃料電池サブアセンブリ、並びに燃料電池及び／又は燃料電池サブアセンブリの製造方法に関する。

燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素を化合させ、電気と熱と水を生成する電気化学デバイスである。燃料電池は、燃焼を利用せず、有害な流出物をほとんど生成しない。燃料電池は、燃料ガスを直接電気に変換し、多数の他の種類の発電機より非常に高い効率性で動作することができる。

典型的な高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池は、イオン伝導膜の一方の側面上に配置されるアノード電極と、イオン伝導膜のもう一方の側面上に配置されるカソード電極とを有する、イオン伝導膜（ＰＥＭ）を備える、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。水素は、アノード電極で、水素イオンと電子とに分解される。電子は、外部負荷を駆動するための電流を供給し、水素イオンは、膜を通過する。カソード電極で、酸素が水素イオンと化合し、副生成物として水を形成する。燃料電池の動作は、ＭＥＡの層を形成する材料を通る、ガス、液体、電子、及びイオンの移動の度合いに、ある程度依存する。

本開示に記載の実施形態は、触媒、電子伝導体、及びイオン伝導体を含む、燃料電池の電極層に関する。電極層内には、複数の電子伝導体に富むネットワークと、電子伝導体に富むネットワークと共に散在する、複数のイオン伝導体に富むネットワークとが存在する。イオン伝導体の電子伝導体との体積比は、イオン伝導体に富むネットワーク内で、電子伝導体に富むネットワーク内よりも大きい。電極層を含む燃料電池の動作中、電子の伝導は、主に電子伝導体に富むネットワーク内で生じ、イオンの伝導は、主にイオン伝導体に富むネットワーク内で生じる。

幾つかの実装において、イオン伝導体は、噴霧乾燥されたイオン伝導性ポリマーの粒子を含み得る。イオン伝導性ポリマーは、例えば、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）、及び／又はパーフルオロイミド酸（ＰＦＩＡ）、及び／又は炭化水素を含んでもよい。多数の粒子、及び幾つかの実施形態においては、粒子の過半数が、実質的に平滑な外表面を有する、中空の回転楕円体であってもよい。粒子の過半数は、５０ｎｍを超える径、又は、例えば、約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有してもよい。

幾つかの実装において、電子伝導体は、触媒コーティングされた電子伝導体粒子、例えば、白金がコーティングされた炭素であり得る。あるいは、触媒は、ナノ構造の支持要素等、電子伝導体以外の支持要素上に配置されてもよい。電子伝導体は、炭素、酸化スズ、及び酸化チタンのうちの１つ以上を含むことができる。触媒は、白金、パラジウム、バイメタル、金属合金、及びカーボンナノチューブのうちの１つ以上であってもよい。溶媒は、例えば、水、アルコール、及び／又は他の炭化水素を含むことができる。

イオン伝導体は、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子を含んでもよく、電極層が、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子を更に含んでもよい。幾つかの態様によると、第１のイオン伝導性ポリマーは、第１の当量を有し、第２のイオン伝導性ポリマーは、第２の当量を有する。第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数は、約５０ｎｍ未満の径を有してもよく、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数は、約５０ｎｍを超えるか若しくは約１μｍを超える径を有するか、又は約３．５μｍの平均径を有してもよい。幾つかの実施形態において、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子は、電子伝導体上に薄膜を形成し、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子が、イオン伝導体の体積の過半数を構成する。約１μｍを超える径を有する第１のイオン伝導性ポリマーの粒子は、実質的に、イオン伝導ネットワークを形成することができる。

電極層は、燃料電池の電解質膜上又はガス拡散層上に配置され得る。電極層は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の構成要素である、燃料電池の電解質膜の第１の表面と、第１のガス拡散層との間に配置されてもよい。ＭＥＡはまた、電解質膜の第２の表面と第２のガス拡散層との間に配置される第２の電極層を含む。第２の電極層は、イオン及び電子ネットワークを含んでもよく、又は含まなくてもよい。燃料電池サブアセンブリは、それぞれが、第１及び第２のガス拡散層に近接して配置される、第１及び第２の流れ場プレートを更に含んでもよい。複数のＭＥＡを配設して、燃料電池スタックを形成することができる。

燃料電池の電極層を作製する方法は、イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を合わせて、電極インクを形成する工程を含む。イオン伝導体は、平滑な、回転楕円体粒子を含み、その粒子の過半数は、例えば、約５０ｎｍを超える、１μｍを超える、又は約５０ｎｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する。電極インクのイオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒は、一定期間混合される。電極インクを、基材にコーティングし、乾燥させて、燃料電池の電極層を形成する。

幾つかの電極インクにおいて、電子伝導体は、触媒でコーティングされる。幾つかの電極インクは、電子導電体以外の支持構造体上に配置される触媒を含む。支持構造体は、例えば、ナノ構造の支持体であってもよい。

燃料電池の触媒コーティングされた膜（ＣＣＭ）は、燃料電池の電解質膜に電極インクをコーティングすることによって形成されてもよい。電極インクは、代替又は追加で、燃料電池のガス拡散層にコーティングされてもよい。

幾つかの実装において、イオン伝導体の粒子は、中空で、実質的に球状（回転楕円体）であり得る、及び／又は実質的に平滑な外表面を有し得る、噴霧乾燥されたアイオノマー粒子を含む。

本方法は、混合する工程の前に、イオン伝導体、電子伝導体、及び溶媒を、実質的に同時に合わせる工程を伴い得る。

本方法は、電子伝導体及び溶媒を含む前混合物を形成する工程、並びにその前混合物を一定期間混合する工程を伴い得る。前混合物を混合した後、イオン伝導体を前混合物に添加し、イオン伝導体及び前混合物を、一定期間混合する。

本方法は、イオン伝導体、電子導電体、触媒、及び溶媒を混合する前及び／又は後に、第２の種類又は第２の形態のイオン伝導体を添加する工程を伴ってもよい。

幾つかの変形において、電極インクは、第１の種類のイオン伝導性ポリマー及び第２の種類のイオン伝導性ポリマーを含む、複数の種類又は形態のイオン伝導体を含んでもよい。電極インクは、同一のイオン伝導体の第１の形態及び第２の形態を含んでもよい。電極インクは、第１の当量を有する第１のイオン伝導体、及び第２の当量を有する第２のイオン伝導体を含んでもよい。

イオン伝導体は、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子を含み、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数は、約１μｍを超える径を有する。第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数は、約５０ｎｍ未満の径を有する。

幾つかの実装において、第１のイオン伝導性ポリマーの体積は、第２のイオン伝導性ポリマーの体積よりも大きい。

電極層の形成時に、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子は、電子伝導体の粒子をコーティングすることができる。

本方法は、イオン伝導性ポリマーを噴霧乾燥することによって、イオン伝導体を形成する工程を更に含む。セリウム及び／又はマンガン化合物等の添加物は、噴霧乾燥されたイオン伝導体の形成時、及び／又は電極インクの形成中の他の時点で、添加されてもよい。

電極層の構成要素を合わせる工程は、ボール混合、攪拌、及び超音波処理によって達成されてもよい。

幾つかの実施形態は、電極層を含み、触媒、電子伝導体、並びに電子伝導体及び触媒と入り混じったイオン伝導体を備える、燃料電池サブアセンブリに関する。イオン伝導体は、粒子を含み、その粒子の過半数は、約５０ｎｍを超える径を有する回転楕円体である。

幾つかの実装において、イオン伝導体の粒子の過半数は、実質的に平滑な外表面を有する、及び／又は中空である、及び／又は約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する。

電子伝導体は、触媒コーティングされた電子伝導体であってもよく、及び／又は触媒は、電子伝導体以外の支持体にコーティングされてもよい。イオン伝導体は、パーフルオロスルホン酸及びパーフルオロイミド酸のうちの１つ以上であり得る。

燃料電池サブアセンブリは、イオン伝導体とは異なる形態又は種類の第２のイオン伝導体を更に含んでもよい。例えば、第１のイオン伝導体は、第１の当量を有してもよく、第２のイオン伝導体は、第２の当量を有してもよい。別の例として、第２のイオン伝導体は、粒子を含むことができ、第２のイオン伝導体の粒子の過半数は、約５０ｎｍ未満の径を有してもよい。

イオン伝導体の粒子は、電極層内で不均一に分布してもよく、第２のイオン伝導体の粒子は、電子伝導体をコーティングしてもよい。

電極層は、燃料電池の電解質膜上及び／又は燃料電池のガス拡散層上に配置され得る。電極層は、燃料電池の膜電極アセンブリ及び／又は燃料電池スタックに組み込むことができる。

燃料電池サブアセンブリは、触媒、電子伝導体、第１のイオン伝導体、及び第１のイオン伝導体とは異なる第２のイオン伝導体を含む、電極層を含む。第１のイオン伝導体及び第２のイオン伝導体は、電極層内で、互いに、電子伝導体、及び触媒と入り混じっている。

第１及び第２のイオン伝導体は、異なる種類のイオン伝導体であってもよく、同一の種類のアイオノマーの異なる形態であってもよい。第１のイオン伝導体の粒子は、第２のイオン伝導体の粒子よりも大きくてもよい。より小さい粒子のイオン伝導体の粒子は、電子伝導体上に薄膜を形成することができる。例えば、第２のイオン伝導体の粒子の過半数は、約５０ｎｍ未満の径を有し得る。第１のイオン伝導体の粒子は、粉末化噴霧乾燥された粒子又は粉末化冷凍粉砕された粒子であり得る。少なくとも１つのイオン伝導体の粒子、例えば、第１のイオン伝導体の粒子は、電極層内で不均一に分布し得る。

上記の発明の概要は、各実施形態又はあらゆる実装を記載するように意図されるものではない。種々の実施形態に対する一層の理解は、以下に記載の発明を実施するための形態及び特許請求の範囲を、添付図面と併せて参照することによって明らかになり、理解されるであろう。

典型的な燃料電池、及び燃料電池の基本的な動作の描写。 イオン伝導体材料及び電子伝導体材料が、中で実質的に均一に分布した、燃料電池の電極の断面図。 図２Ａの燃料電池の電極の領域の拡大表示。 イオン伝導体の多数の小さな粒子に包囲される電子伝導体を有する、イオン／電子伝導体構造の描写。 イオン伝導体が、触媒コーティングされた電子伝導体を包囲する薄膜を形成する、イオン／電子伝導体構造の断面図の図示。 ２つのイオン伝導体を備える燃料電池の電極の断面図。 図２Ｅの燃料電池の電極の拡大表示。 ミクロン寸法の粉末化イオン伝導体粒子を含む電極層の断面の図示。 図２Ｇの燃料電池の電極の領域の拡大表示。 複数の粉末化イオン伝導体を含む、電極層の断面の図示。 図２Ｉの燃料電池の電極の領域の拡大表示。 イオン及び電子伝導体に富むネットワークを含む燃料電池の電極の断面図。 図３Ａの燃料電池の電極の領域の拡大表示。 ２つのイオン伝導体を含み、そのイオン伝導体のうちの少なくとも１つが、イオン伝導体に富むネットワークを形成する、燃料電池の電極の断面図。 図２Ｃの燃料電池の電極の領域の拡大表示。 イオン伝導体と電子伝導体を合わせ、混合する工程を含む、燃料電池の電極の製造プロセスのフローチャート。 前混合物をイオン伝導体と合わせる工程の前に、電子伝導体を溶媒と前混合する工程を含む、燃料電池の電極の製造プロセスのフローチャート。 溶液系アイオノマーをイオン伝導体として使用して製造される、燃料電池の電極の光学像。 粉末系アイオノマーをイオン伝導体として使用して製造される、燃料電池の電極の光学像。 噴霧乾燥によって形成されるアイオノマー粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭＳ）画像。 冷凍粉砕によって形成されるアイオノマー粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭＳ）画像。 冷凍粉砕によって形成されるアイオノマー粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭＳ）画像。 溶液系アイオノマー電極及び粉末系アイオノマー電極を有するＭＥＡに対する比較分極性能の結果。 １．２Ａ／ｃｍ^２及び１．５Ａ／ｃｍ^２の電流密度での溶液系アイオノマー電極及び粉末系アイオノマー電極のＭＥＡ性能の比較。 溶液系アイオノマー電極と粉末系アイオノマー電極の電気化学的表面積の比較。 溶液系アイオノマー、冷凍粉砕粉末系アイオノマー、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー、並びに電子伝導体及び溶媒の前混合物を有する噴霧乾燥された粉末化アイオノマーを使用して形成された電極の触媒活性の比較。 溶液系アイオノマー、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー、並びに電子伝導体及び溶媒の前混合物を有する噴霧乾燥された粉末化アイオノマーを使用して形成された電極の比較分極曲線。 溶液系アイオノマー、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー、並びに電子伝導体及び溶媒の前混合物を有する噴霧乾燥された粉末化アイオノマーを使用して形成された電極に対する、１．２Ａ／ｃｍ^２の電流密度でのＭＥＡの性能。

本発明の実施形態は、種々の修正及び代替の形態を受け入れる余地があり、図面及び本明細書では例示の目的で示され、説明される。ただし、本発明は、本発明を記載される特定の実施形態に限定するものではないことは理解されるべきである。逆に、添付の請求の範囲に記載した発明の範囲を逸脱すること無く、あらゆる変更、均等物、及び代替物を含むことを意図する。

高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池１１０の基本的な構成要素の幾つか（サブガスケット、ガスケット、又はシールなし）を、図１に描写する。動作中、水素燃料Ｈ_２は、燃料電池１１０のアノード側に導入され、第１の流れ場プレート１１２越えて、ガス拡散層（ＧＤＬ）１１４を通過する。空気からの酸素Ｏ_２は、燃料電池１１０のカソード側で、第２の流れ場プレート１１９を通り、第２のＧＤＬ １１８を通って流動する。ＧＤＬ １１４、１１８は、空気及び水素が、アノード及びカソード電極１１５、１１３へ拡散することを促進し、最終生成物である水蒸気及び液体を電極１１５、１１３から引き出すことを助ける。微多孔性の層（示されない）が、ＧＤＬ １１４、１１８と電極１１５、１１３との間に配置されてもよい。流れ場プレート１１２、１１９は、典型的に、燃料電池の活動領域全体に、反応ガスを分布させるように設計される、流路のパターンを含む。

アノード電極層１１５において、水素燃料は、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分割される。電解質膜１１６は、水素イオン又はプロトン、及び水を、電解質膜１１６から燃料電池１１０のカソード電極層１１３へ通過させる。電子は、電流の形態で、外部電気回路１１７を通って流動する。カソード電極層１１３において、酸素、水素イオン、及び電子が合わさり、水（Ｈ_２Ｏ）及び熱を生成する。燃料電池１１０によって生成された電流は、電動モータ等の電力負荷１１７に電力を供給することができ、及び／又は充電池等のエネルギー蓄積デバイスに配向され得る。燃料電池の５つの層である、膜１１６、電極１１３、１１５、及びＧＤＬ １１４、１１８は、しばしば、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と称される。

図１に示される燃料電池１１０等の個別の燃料電池は、幾つかの他の燃料電池と結合され、燃料電池スタックを形成し得る。スタック内の燃料電池の数によってスタックの総電圧が決まり、電池のそれぞれの表面積によって総電流が決まる。所定の燃料電池スタックで発生する総電力は、総スタック電圧と総電流を乗じることによって求めることができる。

用語「電極」は、触媒を含有する燃料電池ＭＥＡ内の層を指して本明細書に使用される。燃料電池の電極を作製する基本的な構成要素には、触媒、その触媒を支持することも可能な電子伝導体、及びイオン伝導体が挙げられる。幾つかの実施形態において、電子伝導体は、白金、白金合金、又は他の材料等の触媒でコーティングされてもよく、又はされなくてもよい、炭素を含む。イオン伝導体は、イオン伝導性ポリマーを含み得る。イオン伝導体は、電極層を通じてイオンの伝導を促進する。電子伝導体は、電極層を通して電子の伝導を促進する。電極は、一般的に、電極層内へ、及び電極層外のガス及び／又は液体の拡散のための、ある量の空隙（細孔）を含む。

本明細書に記載の幾つかの実施形態は、複数のイオン伝導体を含み、そのイオン伝導体が異なる特性を有する、燃料電池の電極に関する。例えば、イオン伝導体のそれぞれは、アイオノマーを含むことができ、電極層内で使用されるアイオノマーのうち少なくとも１つは、電極層内の他のアイオノマーの特性とは異なる、１つ以上の特性を有してもよい。更なる例として、電極層は、種類及び／又は当量（ＥＷ）及び／又は形態が異なる２つ以上のアイオノマーを含むことができる。本明細書に使用される際、「種類」とは、化学構造の特性を指し、「形態」とは、物理的形状及び寸法の特性、例えば、異なる粒子寸法又は形状を指す。

電極層は、２つの主要表面、幅、長さ、及び厚さを有する。幾つかの実施形態において、電極層内の２つ以上のアイオノマーは、２つの主要表面の間で、電極層の厚さ及び／又は長さ及び／又は幅全体に、実質的に均一に分布し得る。幾つかの実施形態において、第１のアイオノマーは、電極層内で第１の分布を有してもよく、第２のアイオノマーは、電極層内で第２の分布を有してもよい。例えば、アイオノマーの１つは、電極層を通じて実質的に均一に分布してもよく、アイオノマーのもう１つは、電極層を通じて不均一に分布してもよい。

幾つかの実施形態において、たった１つ又は少なくとも１つのイオン伝導体が、電極層内で使用され、そのイオン伝導体の分布は、電極層内で不均一である。イオン伝導体の不均一分布は、電極層内に、イオン伝導体に富むネットワークを提供することができ、そのイオン伝導体に富むネットワークを通じてイオン伝導を強化する。比較的イオン伝導体に乏しい相補的ネットワークもまた、電極層内に存在し、これらの相補的ネットワークは、電極層の電子伝導体に富む可能性がある。したがって、イオンの伝導を強化するイオン伝導体に富むネットワーク及び電子の伝導を強化する電子伝導体に富むネットワークの両方が、少なくとも１つのイオン伝導体が、電極層内で不均一に分布される場合、同時に存在し得る。

本明細書に記載の実施形態は、電極層を通じてイオン伝導及び／又は電子伝導を強化するネットワークを含む、燃料電池の電極の形成のための方法に関する。イオン及び／又は電子伝導ネットワークは、電極層の厚さを横断するか、又は部分的に横断する。イオン及び電子伝導ネットワークを有する燃料電池の電極は、特定の形態学的特性を持つ粒子を有するアイオノマー粉末を使用する製造プロセスで形成され得る。

燃料電池の電極は、触媒、電子伝導体、及びイオン伝導体を溶媒中で混合することによって形成される「インク」から作製されてもよい。幾つかの実装によると、使用されるイオン伝導体は、溶液中に懸濁及び／又は溶解されたイオン伝導性ポリマー（アイオノマーとして示される）の小さな粒子、例えば径が約５０ｎｍ未満のアイオノマー粒子を含む。溶液中に懸濁及び／又は溶解された、約５０ｎｍ未満の粒子を有するイオン伝導体は、本明細書において、「溶液系」イオン伝導体と称される。この寸法範囲内のアイオノマー粒子は、アイオノマー及び水の溶液（又は他の溶媒）を密封容器中で加熱し、アイオノマーが、約５０ｎｍ未満の径を有する粒子に分解される点である、高圧を達成することによって形成することができる。アイオノマーのこれらの小粒子は、溶媒、触媒、及び電子伝導体と混合されて、電極インクを形成することができる。電極インクを、基材に塗布し、乾燥させて、図２Ａに図示される電極層を形成する。

図２Ａは、前述の段落で概説されたプロセスに従って、溶液系アイオノマーを使用して形成される、典型的な電極層２００の断面図である。電極層２００は、薄く、電極層２００の幅２９２と比較すると小さな厚さ２９１を有する。図２Ｂは、電極層２００の領域２１０（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示である。電極層の領域２１０の拡大表示に図示される電極構造は、触媒を有する溶媒中で、小さい（＜５０ｎｍ）粒子を有するイオン伝導体と電子伝導体とを混合することから得られる。電子伝導体２２０（又は触媒コーティングされた電子伝導体）の粒子は、例えば、約１００ｎｍの径を有し得る。触媒は、電子伝導体２２０上にコーティングされてもよく、あるいは、電極層内に分布し、例えば、触媒支持構造体上にコーティングされてもよい。図２Ｂは、イオン伝導体粒子２３０によって包囲され、イオン／電子伝導体構造体２５０を形成する、電子伝導体粒子２２０の断面を図示する。この実施形態において、イオン伝導体２３０及び電子伝導体２２０の粒子は、電極層２００内で実質的に均一に分布する。

図２Ｂ内の構造体２５０は、（図２Ｃに示されるように）電子伝導体（２２０）の表面に分散された小さな粒子２３０として、又は（図２Ｄに示されるように）電子伝導体２２０の表面上のアイオノマー２３０のコーティングとして存在してもよい。全ての事例において、電子伝導体２２０は、その表面に分散された触媒粒子を含有してもよく、又はしなくてもよい。図２Ｂ、２Ｃ、及び２Ｄは、溶液系アイオノマーを使用して作製され得る。

図２Ｃは、イオン伝導体２３０の多数の小さな粒子によって実質的に包囲される、電子伝導体２２０を有する、イオン／電子伝導体構造体２５０の描写である。幾つかの実施形態において、電子伝導体２２０は、触媒でコーティングされ得る。

図２Ｄは、イオン伝導体粒子２３０が、電子伝導体２２０と比較して非常に小さいため、イオン伝導体粒子が、電子伝導体２２０を包囲する薄膜を形成する、イオン／電子伝導体構造体２５０を図示する。この例において、電子伝導体２２０は、触媒２９３でコーティングされている。幾つかの実施形態において、触媒２９３は、電子伝導体２２０ではなく支持構造体上に配置されてもよく、触媒コーティングされた支持構造体は、電極層２００内に分散されてもよい。

電子伝導体及び溶液系イオン伝導体を含む電極インクは、図２Ｂに図示されるような、電極層全体で、イオン及び電子伝導体材料の実質的に均一な分布を有する電極層を形成する。イオン及び電子伝導体材料の実質的に均一な分布を呈する電極は、種々の競合する燃料電池の電極の移動及び伝導機能の不適応性のために、燃料電池の動作中に、最適に機能しない場合がある。

幾つかの実施形態は、たった１つ若しくは少なくとも１つのイオン伝導体の不均一な分布を含む、及び／又は均一若しくは不均一に分布した複数のイオン伝導体を含む、燃料電池の電極に関する。複数のイオン伝導体を使用する実施形態において、各イオン伝導体は、幾つかの特性が、電極内の他のイオン伝導体とは異なる。これらの不均一及び／又は複数のイオン伝導体の実装は、単一の、均一に分布した溶液系イオン伝導体と比較して、強化された耐久性及び／又は性能を提供する。複数のイオン伝導体を使用する実装において、複数のイオン伝導体は、異なる種類のアイオノマーを含んでもよく、又は異なる形態を有する同一の種類のアイオノマーを含んでもよい。燃料電池の電極はまた、複数の電子伝導体及び／又は複数の触媒を含んでもよく、各電子伝導体又は触媒は、他の電子伝導体又は触媒とは幾つかの特性、例えば当量が異なる。

図２Ｅ及び２Ｆは、イオン伝導体実施形態の例を提供する。図２Ｅは、第１の主要表面２１４及び第２の主要表面２１５を有する燃料電池の電極層２０１の断面を図示する。電極層２０１は、例えば、２つのアイオノマーである、２つのイオン伝導体２３１、２４１を含む。この例において、第１のアイオノマー２４１の粒子の過半数は、約１μｍを超える径を有する。粒子を含むイオン伝導体は、その過半数が、溶液系の粒子よりも大きい径（例えば、５０ｎｍを超えるか、又は約１μｍを超える）を有し、本明細書において、粉末化イオン伝導体と称される。第２のアイオノマー２３１は、溶液系アイオノマーであり、第２のアイオノマー２３１の粒子の過半数は、約５０ｎｍ未満の径を有する。この実施形態において、第２のアイオノマー２３１及び第１のアイオノマー２４１の粒子は、第１の主要表面２１４と第２の主要表面２１５との間で電極層２０１全体にわたり、互いに、及び電子伝導体２２１と、入り混じっている。

図２Ｆは、第１及び第２のアイオノマー２４１、２３１のそれぞれを、電子伝導体２２１と共に描写する、電極層の領域２１１（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示を提供する。この実装において、第２のイオン伝導体２３１の粒子は、図２Ｆの断面図に示されるように、電子伝導体２２１をコーティングする。電極層２０１はまた、電子伝導体２２１上にコーティングされ得る、及び／又はそうでなければ、例えば、触媒支持構造体上で電極層２０１全体に分布され得る、触媒（示されない）を含むことに留意されたい。

より大きな径の第１のアイオノマー２４１の粒子は、例えば、冷凍粉砕、噴霧乾燥、又は他の技術によって形成され得る。イオン及び／又は電子伝導体の粒子２２１、２３１、２４１は、平滑な外表面を有する球体として表示されるが、粒子２２１、２３１、２４１は、回転楕円体以外の形態を有してもよい。例えば、冷凍粉砕によって形成されるアイオノマー粒子は、必ずしも回転楕円体ではなく、粗い表面を有してもよい（例えば、図７Ａ及び７Ｂを参照されたい）。噴霧乾燥によって形成されるアイオノマー粒子は、実質的に平滑な外表面を有する回転楕円体である（例えば、図６を参照されたい）。例えば、実質的に平滑な外表面を有する実質的に球状（回転楕円体）の粒子は、約１０％未満の径の変動、及び径の約５％未満の表面粗さを有してもよい。

２つ以上の異なるアイオノマーの使用が、燃料電池の電極の相反する要件を満たすのに有益な場合がある。例えば、第２のアイオノマーは、第１のアイオノマーと比較して、優れた触媒支持体腐食耐性及び／又は触媒溶解耐性特性を電極層に提供し得るが、第１のアイオノマーと比較して、性能の減少をもたらす。電極層内で均一又は不均一に混合されたこれらの２つの種類のアイオノマーの使用は、耐久性及び性能の両方を強化し得る。例えば、第１のアイオノマーは、第２のアイオノマーよりも低いＥＷを有し得る。第１のアイオノマー（低ＥＷアイオノマー）は、燃料電池が高温／乾燥条件下で動作する場合に、優れた性能を提供する。第２のもの（高ＥＷアイオノマー）は、燃料電池が低温／湿潤条件下で動作する場合に、優れた性能を提供する。第２のアイオノマーの小さな粒子は、電子伝導体をコーティングして、腐食耐性及び強化された耐久性を提供することができる。

幾つかの構成において、アイオノマー粒子は、電極層全体に分布するアイオノマー粒子の凝集を形成し得る。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、凝集を形成するアイオノマー粒子の親和性は、アイオノマー粒子の形態に関連する場合がある。例えば、おおよそミクロン寸法の、実質的に平滑な、中空の回転楕円体である、噴霧乾燥によって形成された粉末化アイオノマー粒子は、凝集と関係する可能性が高い。

図２Ｇは、ミクロン寸法の粉末化アイオノマー粒子を含み、より小さな（＜５０ｎｍ）の溶液系アイオノマー粒子を含まない、電極層２０２の断面を図示する。図２Ｈは、電極層２０２の領域２１２（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示を提供し、ミクロン寸法の粉末化アイオノマー粒子２４２を描写する。触媒は、電子伝導体粒子２２２上にコーティングされてもよく、又はそうでなければ電極層２０２内に分布していてもよい。

幾つかの実施形態において、電極層は、複数の種類又は形態の粉末化イオン伝導体粒子を含んでもよく、各種類又は形態のイオン伝導体粒子は、電極層内で均一又は不均一に分布していてもよい。図２Ｉは、第１の主要表面２１４及び第２の主要表面２１５を有する電極層２０３の断面を図示する。電極層２０３は、複数の粉末化イオン伝導体２３３、２４３の粒子を含む。この実施形態において、第１のイオン伝導体２３３の粒子及び第２のイオン伝導体２４３の粒子は、第１の主要表面２１４と第２の主要表面２１５との間で電極層２０３全体にわたり、互いに、及び電子伝導体２２３と、入り混じっている。電極層２０３は、より小さな（＜約５０ｎｍ）溶液系アイオノマー粒子を含んでもよく、又は含まなくてもよい。

図２Ｊは、第１の粉末化アイオノマー粒子２３３及び第２の粉末化アイオノマー粒子２４３を含む、電極層２０３の領域２１３（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示を提供する。例えば、複数の粉末化イオン伝導体２３３、２４３は、異なる種類の粉末化アイオノマーを含み得る。別の例として、複数の粉末化イオン伝導体は、同一の種類の粉末化アイオノマーを含んでもよいが、同一の種類の粉末化アイオノマーの異なる形態であってもよく、例えば、一方の形態は、噴霧乾燥されたアイオノマーであり、もう一方は冷凍粉砕されたアイオノマーであってもよい。触媒は、電子伝導体粒子２２３上にコーティングされてもよく、及び／又は、そうでなければ、電極層２０３内に分布していてもよい。

幾つかの実施形態は、電極層の厚さを少なくとも部分的に横断する、局部的なイオン及び／又は電子伝導体に富むネットワークを含む、燃料電池の電極に関する。これらの電極内のイオン伝導体及び電子伝導体の材料は、不均一に分布し、そのため、電極層内の領域は、例えば、重量又は体積で測定すると、比較的電子伝導体材料よりもイオン伝導体材料が多く、及び／又は電極層内の領域は、例えば、重量又は体積で測定すると、比較的イオン伝導体材料よりも電子伝導体材料が多い。図３Ａは、イオン伝導体に富むネットワークを形成する、粉末化イオン伝導体粒子を含む電極層３００の断面図である。電極層３００は、電極層の幅２９２と比較して小さな厚さ２９１を有する。図３Ｂは、電極層３００の領域３１０（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示を提供する。図３Ａ及び３Ｂに図示される電極の構造は、粉末の粒子が約１μｍを超える粉末化イオン伝導体、触媒、電子伝導体、及び溶媒の混合物である、電極インクから形成され得る。

図３Ｂは、複数のイオン伝導体に富むネットワーク３４０及び複数の電子伝導体に富むネットワーク３５０に分布した、イオン伝導体材料３３０及び電子伝導体材料３２０を図示する。イオン伝導体に富むネットワーク３４０（本明細書において「イオン伝導体ネットワーク」とも称される）は、イオン伝導体の電子伝導体に対する体積比が、電子伝導体に富むネットワーク３５０（本明細書において、「電子伝導体ネットワーク」とも称される）内のイオン伝導体の電子伝導体に対する体積比よりも大きい。電子伝導体ネットワーク３５０は、電子伝導体のイオン伝導体に対する体積比が、イオン伝導体ネットワーク３４０内の電子伝導体のイオン伝導体に対する体積比よりも大きい。電子伝導体ネットワーク３５０は、実質的に、イオン伝導体ネットワーク３４０とは別々で異なるものである。粒子の凝集を形成する、幾つかの種類のアイオノマー粒子（平滑な、回転楕円体、及び／又は中空である、ミクロン寸法の粒子）に対する親和性は、イオン伝導体ネットワーク３４０及び／又は電子伝導体ネットワーク３５０の形成に貢献し得る。イオン伝導体ネットワーク３４０は、電子伝導体ネットワーク３５０と比較すると、より抵抗の低い、イオン伝導のための通路３４１を提供する。電子伝導体ネットワーク３５０は、イオン伝導体ネットワーク３４０と比較すると、より抵抗の低い、電子伝導のための通路３５１を提供する。イオン伝導及び電子伝導ネットワークが電極層内に存在する場合、燃料電池の動作中、電子の伝導は、主に電子伝導体に富むネットワーク内で生じ、イオンの伝導は、主にイオン伝導体に富むネットワーク内で生じ得る。

イオン及び電子伝導体ネットワークを有する燃料電池の電極は、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、電極層全体で実質的に均一に分布したイオン及び／又は電子伝導体材料を有する電極層と比較すると、優れた性能を呈し得る。例えば、ネットワーク化された電極の優れた性能特性には、優れた材料移動及び／又は優れた電子伝導の性質が挙げられる。イオン及び／又は電子伝導体ネットワークを有する電極はまた、燃料電池の動作中に遭遇する範囲の温度、電位、及び相対湿度に晒される際、優れた耐久性を呈し得る。

いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、実質的に別々のイオン及び／又は電子伝導体ネットワークの形成は、電極層の製造中に、イオン伝導体材料が、電子伝導体材料と混合される際の、その相に関連する可能性がある。例えば、小さな寸法の粒子（溶液に懸濁又は溶解された＜約５０ｎｍの粒子）を含むイオン伝導体を、電子伝導体と混合する工程は、図２Ａ及び２Ｂに図示される電極層にあるような、イオン及び電子伝導体のより均一な分布を呈する電極層を作り出すと見られる。逆に、特定の種類又は形態のイオン伝導体を、電子伝導体材料と混合する工程は、図３Ａ及び３Ｂに図示されるようなイオン及び電子伝導体ネットワークを呈する電極層を生成する。更に、いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、ミクロン寸法の回転楕円体で、比較的平滑、及び／又は中空のアイオノマー粒子は、強化されたイオン及び電子伝導の通路を提供するネットワークを、より容易に形成すると見られる。

幾つかの実装において、少なくとも第１の種類のアイオノマーが電極層内でのイオン伝導ネットワークに貢献する、複数の種類のアイオノマーを使用して、電極層を形成することができる。第２のアイオノマーは、イオン伝導体ネットワークに貢献してもよく、又はしなくてもよい。第２のアイオノマーは、電極層内で実質的に均一又は不均一に分布していてもよい。

図３Ｃは、例えば、触媒コーティングされた炭素である電子伝導体３８０、並びに、第１及び第２のアイオノマー３７５、３７０を含む、電極層３０１を図示する断面図である。電極層３０１は、第１の主要表面３１２及び第２の主要表面３１３を含む。図３Ｄは、電極層３０１の部分３１１（例えば、おおよそ２ミクロン×２ミクロンの寸法領域）の拡大表示を提供する。図３Ｄに図示される電極の構造は、約１μｍを超える粉末化粒子を含む第１のイオン伝導体３７５、約５０ｎｍ未満の粒子を含む第２のイオン伝導体３７０、触媒、電子伝導体３８０、及び溶媒の混合物である、電極インクから形成され得る。この実施形態において、第１のイオン伝導体３７５の粒子及び第２のイオン伝導体３７０の粒子は、電極層３０１全体にわたり、第１の主要表面３１２と第２の主要表面３１３との間で、互いに、電子伝導体３８０と、入り混じっている。幾つかの実施形態において、電極層内の第１のイオン伝導体３７５の量は、体積が、第２のイオン伝導体３７０の量よりも大きい。例えば、前述のように、第１のイオン伝導体３７５は、噴霧乾燥及び／又は冷凍粉砕された粉末化アイオノマーを含んでもよく、第２のイオン伝導体３７０は、溶液系アイオノマーを含んでもよい。

拡大表示３１１は、複数のイオン伝導体に富むネットワーク３４０及び複数の電子伝導体に富むネットワーク３５０に分布する、第１のイオン伝導体材料３７５及び電子伝導体材料３８０を図示する。第２のイオン伝導体材料３７０は、図３Ｄに描写されるように、電子伝導体粒子３８０を包囲及び／若しくはコーティングすることができ、並びに／又は電極層全体で比較的均一に分布していてもよい。第１のイオン伝導体３７５は、第２のイオン伝導体よりも大きな粒子を含むことができ、電極層３０１全体でイオン及び水の移動を促進するイオン伝導体ネットワーク３４０を形成することができる。粉末化アイオノマー３７５は、電極層が形成される際に、凝集に対して親和性を有し、これらの凝集が、イオン伝導体ネットワーク３４０の少なくとも部分を形成するため、イオン伝導体ネットワーク３４０の形成が促進される。

イオン伝導体ネットワーク３４０は、イオン伝導体の電子伝導体に対する体積比が、電子伝導体に富むネットワーク３５０内のイオン伝導体の電子伝導体に対する体積比よりも大きい。電子伝導体ネットワーク３５０は、電子伝導体のイオン伝導体に対する体積比が、イオン伝導体ネットワーク３４０内の電子伝導体のイオン伝導体に対する体積比よりも大きい。イオン伝導体ネットワーク３４０は、電子伝導体ネットワーク３５０と比較すると、より抵抗の低い、イオン伝導のための通路３４１を提供する。電子伝導体ネットワーク３５０は、イオン伝導体ネットワーク３４０と比較すると、より抵抗の低い、電子伝導のための通路３５１を提供する。

図３Ｄに図示される電極層の構造は、強化された耐久性及び／又は性能を提供し得る。例えば、第２のアイオノマー３７０は、第１のアイオノマー３７５と比較して、優れた触媒支持体腐食耐性及び／又は触媒溶解耐性特性を、電極層３０１に提供することができ、第１のアイオノマー３７５は、第２のアイオノマー３７０と比較して、強化された性能特性を、電極層３０１に提供することができる。幾つかの実施形態において、第２のアイオノマー３７０は、第１のアイオノマーよりも高いＥＷを有し得る。第２のアイオノマー（高ＥＷアイオノマー）は、燃料電池が高温／乾燥条件下で動作する場合に、第１のアイオノマー３７５よりも優れた特性を提供することができる。第１のアイオノマー３７５（低ＥＷアイオノマー）は、燃料電池が低温／湿潤条件下で動作する場合に、第２にのアイオノマー３７０よりも優れた特性を提供することができる。

電極層の形成のためのプロセスは、触媒、電子伝導体、イオン伝導体、及び溶媒を含むインクを形成することを伴う。１つ以上の種類及び／又は形態の触媒、電子伝導体、イオン伝導体、及び／又は溶媒が使用されてもよい。イオン伝導体は、例えば、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）、及び／又はパーフルオロイミド酸（ＰＦＩＡ）、及び／又は炭化水素を含んでもよい。ＰＦＩＡは、２０１０年４月１６日に出願された、共同所有のＨａｍｒｏｃｋらの米国特許出願第６１／３２５，０６２号に記載され、参照により本明細書に組み込まれる。溶媒は、例えば、水、アルコール、及び／又は炭化水素を含んでもよい。触媒は、白金、パラジウム、バイメタル、金属合金、及び／又はカーボンナノチューブを含んでもよい。触媒は、電子伝導体にコーティングされてもよく、例えば、電子伝導体及び触媒は、白金コーティングされた炭素を構成することができる。幾つかの実施形態において、触媒は、米国特許第５，８７９，８２７号に記載のナノ構造支持体等、電子伝導体以外の支持要素にコーティングされてもよい。電子伝導体は、約１００ｎｍの径の粒子を有してもよく、例えば、炭素、酸化スズ、及び／又は酸化チタン、及び／又は他の好適な材料を含んでもよい。

電極インクの各構成要素の具体的な量は、所望の粘度、例えば、約１０００センチポアズ、及び固体含量、例えば、約２重量％〜約４０重量％の固体を達成するように変化してもよい。電極インクは、インク構成要素を添加し、そのンク構成要素を一定期間混合することによって調製することができる。幾つかの実施形態において、混合する工程は、６ｍｍ径のセラミックビーズ等の媒体を添加し、次いで少なくとも約５分間ローリング又はボールミル粉砕することを含む。調製されたインクは、次いで、燃料電池の電解質膜の主要表面、ＧＤＬ、又はライナー等の基材に塗布され、乾燥される。乾燥したインク層は、燃料電池の電極を形成する。

図４Ａ及び４Ｂは、燃料電池の電極を形成するための例示的なプロセスを図示する。図４Ａのフローチャートに描写されるように、電極インクは、電子伝導体、触媒、イオン伝導体、及び溶媒を合わせ４１０、これらの材料を一定期間混合すること４２０によって、形成することができる。例えば、電子伝導体、触媒、イオン伝導体、及び溶媒を、合わせ、例えば、実質的に同時に合わせ、次に混合してもよい。混合した後、インクを、基材上にコーティングし４３０、乾燥させて４４０、燃料電池の電極層を形成する。電極インクのイオン伝導体は、たった１つの種類のイオン伝導体、例えば、その過半数が、約５０ｎｍを超えるか、又は約１μｍを超える径を有する、粒子の形態のアイオノマーを含んでもよい。これらのアイオノマー粒子は、噴霧乾燥プロセスによって生成され得る実質的に平滑な、回転楕円体、及び／又は中空の形態を有してもよい。前述のように、この寸法及び形態のアイオノマー粒子は、イオン伝導体ネットワークを含む電極層の構造を、より容易に形成することができる。

複数の種類のアイオノマー及び／又は同一のアイオノマーの複数の形態が、電極インクを形成するイオン伝導体に含まれてもよい。同一のアイオノマーの複数の形態が使用される場合、複数の形態は、複数の異なる粒子寸法であってもよく、及び／又は複数の種類は、同一の種類のアイオノマーの複数の異なるＥＷであってもよい。例えば、複数のアイオノマーのうちの第１のアイオノマーは、例えば、粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有する、粉末化であってもよい。複数のアイオノマーのうちの第２のアイオノマーは、粒子の過半数の径が、５０ｎｍ未満である、溶液系であってもよい。第１及び第２のアイオノマーは、同一の種類のアイオノマーであってもよく、又は異なる種類のアイオノマーであってもよい。

図４Ｂは、燃料電池の電極を形成する、別の例示的プロセスを図示する。このプロセスに従って、電極インクの前混合物は、触媒、電子伝導体、及び溶媒を合わせることによって形成される４５０。前混合物の材料は、例えば、約２４時間等の一定期間、ボールミル粉砕することによって、混合される４５２。前混合物の材料を混合した後、第１のイオン伝導体、例えば、実質的に平滑な表面で、中空の、球状粒子を有し、その過半数が５０ｎｍを超えるか又は約１μｍを超える径を有する、粉末化アイオノマー粒子を、前混合物に添加する４５４。例えば、粒子の過半数が約５０ｎｍ未満の径を有する第２のアイオノマーは、前混合物を形成するために使用されてもよく、及び／又は、第１のアイオノマーと共に添加されてもよく、及び／又は、プロセスの後期で添加されてもよい。第１のアイオノマーを添加した４５４後、インクを更なる時間、例えば、３０分間、混合する４５６。追加の粉末化又は溶液系イオン伝導体は、前混合物に、及び／又はプロセスの後期で添加してもよい。電極インクを基材にコーティングし４５８、乾燥させる４６０。幾つかの実施形態において、インクを形成する工程は、イオン伝導体の第１の部分を、触媒、電子伝導体、及び溶媒と共に、混合し、次いで、イオン伝導体の第２の部分を添加し、混合する工程を伴う。混合する工程は、ボールミル粉砕、攪拌、剪断、超音波処理等を含む、種々のプロセスによって、達成され得る。

図４Ａ又は４Ｂに関連して記載されるプロセスからもたらされる電極の構造は、複数のアイオノマーを有する電極層の形成に使用されてもよく、及び／又は電子伝導体材料に富むネットワークとは実質的に異なって別々の、別個のイオン伝導体に富むネットワークを有する電極層を形成するために使用されてもよい。図５Ａは、その過半数が約５０ｎｍ未満の径を有する小さな粒子を含む、溶液系イオン伝導体を使用して形成された、燃料電池の電極の表面の光学像である。図５Ｂは、その過半数が、約１μｍを超える径を有し、実質的に平滑な、回転楕円体で、中空の形態を有する、大きな粒子を含む、粉末化アイオノマーを使用して形成された燃料電池の電極層の表面の光学像である。図５Ｂの光学像は、アイオノマーに富む区域５１０を形成し得る、大きなアイオノマー粒子を示す。

前述のように、複数のアイオノマーが使用される場合、幾つかの異なる種類のアイオノマー、又は幾つかの異なる形態の同一の種類のアイオノマーが、使用され得る。アイオノマーの少なくとも１つは、少なくとも１つの特性が、他のアイオノマーとは異なる。例えば、異なる種類又は形態のアイオノマーを使用することは、そうでなければ同一のアイオノマーの異なるＥＷを使用すること、並びに／又は異なる粒子寸法、及び／若しくは異なる寸法範囲、及び／若しくは異なる粒子形態を有する同一のアイオノマーを使用すること、を伴う場合がある。例えば、複数の異なる種類のアイオノマーを使用することは、複数の種類のアイオノマーのうちの１つとしてＰＦＩＡを使用すること、及び複数の種類のアイオノマーのうちのもう１つとしてＰＦＳＡを使用することを伴う場合がある。異なる種類のアイオノマーが使用される場合、アイオノマーのそれぞれは、同一の形態を有してもよく、又は各アイオノマーが異なる形態であってもよく（例えば、一方のアイオノマーが小さな粒子を有し、他方のアイオノマーが、大きな粒子を有する）、及び／又は複数のアイオノマーが異なるＥＷの材料を含んでもよい。例えば、体積若しくは重量によって測定される、同一量の各アイオノマー、又は異なる量の各アイオノマーが、電極インクに使用されてもよい。

電極を形成する際、異なる種類又は形態のアイオノマーは、同時又は連続的に、混合物に添加され得る。例えば、アイオノマーを連続的に添加することは、（例えば、図４に関連して記載されるプロセスに従って）第１のアイオノマーを使用して電極インクを形成し、その電極インクを粉砕し、次に粉砕された電極インクを、溶媒及び第２のアイオノマーと混合することを伴う。

噴霧乾燥は、例えば、図３Ｂに描写される、電子伝導体ネットワークとは実質的に別々で異なるイオン伝導体ネットワークを含む燃料電池の電極を作製するために使用され得る粉末化アイオノマーを形成するために有用な方法である。以下の実施例により詳細に説明されるように、噴霧乾燥によって形成される粉末化アイオノマーは、他の方法によって生成される粉末化アイオノマーと比較して、優れた燃料電池の電極をもたらすことが示されている。より具体的には、噴霧乾燥によって生成されたアイオノマー粉末を使用して製造された燃料電池の電極は、例えば、冷凍粉砕によって生成されたアイオノマー粉末を使用して製造された燃料電池の電極と比較して、優れた性能を示している。噴霧乾燥されたアイオノマー粉末を使用して形成された電極と、他の種類のアイオノマーを使用して形成された電極との間の性能の違いは、粉末の粒子の形態に関連する可能性がある。

図６の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭＳ）画像に図示されるように、アイオノマーの噴霧乾燥により、実質的に平滑な外表面を有する中空の回転楕円体である、粉末粒子を生成することができる。回転楕円体という用語は、約１０％を超えて変化しない径を有する粒子を示して使用される。用語「実質的に平滑」とは、粒子の径の約５％未満の表面粗さを有する粒子を示して使用される。

噴霧乾燥によって生成された粉末化アイオノマー粒子は、例えば、寸法が約５０ｎｍ〜約３０μｍの範囲に及んでもよく、又は５０ｎｍ〜約１５μｍの範囲に及んでもよく、又は約１μｍ〜約１５μｍの範囲に及んでもよい。粒子の平均径は、約３．５μｍであってもよい。噴霧乾燥された粒子の平均寸法は、例えば、噴霧粘度、溶液濃度、及びチャンバ温度を含む、噴霧乾燥プロセスの変数を変化させることによって、１ミクロン未満〜１ミリメートルを超える範囲内で制御され得る。径範囲はまた、これらの処理パラメータを変化させることによって制御され得る。噴霧乾燥されたアイオノマー回転楕円体の過半数は、中空であり得る。幾つかの実施形態において、例えば、セリウム及び／又はマンガン化合物等の添加物が、噴霧乾燥プロセス中、及び／又は電極インクの形成時の他の段階で、使用されてもよい。

例えば、噴霧乾燥によって上述の特性を有するアイオノマー粒子を得ることは、フッ素化ポリマー及び水の分散液を取得し、その分散液を小さい液滴の分散液に霧化し、次に、分散液の液滴を加熱したガス（空気）中に放出して、分散液を乾燥させ、流動性を有するポリマーの粒子を生成することを伴う。これらの粒子は、乾燥した外表面を有するが、内部の残留水分レベルは、約２％〜１０％である。噴霧乾燥のプロセス変数には、１）投入分散物の固体％、２）供給物の霧化圧力、３）供給速度、４）加熱気体（例えば、空気）の吸入温度、及び５）冷却気体の排出温度が挙げられる。これらの変数は、残留水分レベル及び／又はポリマー粉末の測定粒子寸法の分布に影響する。本明細書に記載のアイオノマー粒子を生成することができる噴霧乾燥プロセスの変数の例示的範囲には、１）分散液中の固体％が、約９％〜約２２％の範囲、又は約１８％〜約２０％の範囲、２）霧化圧力が、約３０ｐｓｉ（２０６．８ｋＰａ）〜約６０ｐｓｉ（４１３．７ｋＰａ）の範囲、又は約３５ｐｓｉ（２４１．３ｋＰａ）〜約４０ｐｓｉ（２７５．８ｋＰａ）の範囲、３）供給速度（ポンプ速度により測定される）が、約５０ｒｐｍ〜約１４０ｒｐｍの範囲であり、％固体及び排出温度に基づいて調整される、４）吸入温度が、約１６０℃〜約２５０℃又は約１８５℃〜約２００℃の範囲、５）排出温度が、６５℃〜９５℃又は８５℃〜約９０℃の範囲、が含まれる。

冷凍粉砕は、粉末化アイオノマーを生成する別の方法である。しかしながら、図６のＳＥＭＳ画像に示される、平滑な、中空、回転楕円体のアイオノマー粒子とは対照的に、冷凍粉砕は、図７Ａ及び７ＢのＳＥＭＳ画像に図示される、ギザギザの表面を有する不規則な粒子を生成する。冷凍粉砕された粒子の寸法は、１ミクロン未満の非常に小さい粉塵様の粒子から、２０ミクロンを超える粒子まで、多様である。

アイオノマー粒子の形態、例えば、噴霧乾燥によって形成される粒子と、冷凍粉砕によって形成される粒子との間の差異は、インクのレオロジー、及び／又は燃料電池の電極の細孔構造、及び／又は燃料電池の電極の性能に影響を与え得る。噴霧乾燥によって形成される、回転楕円体で、実質的に平滑な、中空のアイオノマー粒子は、燃料電池の電極内で、別々のイオン伝導体に富むネットワーク及び電子伝導体に富むネットワークの形成を促進すると見られる。

燃料電池の電極は、広範な動作条件にわたって、複数の機能を実行する能力を有する必要がある。燃料電池の電極によって実行される機能には、燃料又は酸化剤のガス拡散、液体水の移動、並びに電極層を通じた電子及びイオン伝導が挙げられる。燃料電池の電極は、約−４０℃〜約１００℃を超え、反応ガスの湿度が０〜１００％に及ぶ、広範な条件にわたって、これら機能を実行する必要がある。

燃料電池の電極は、燃料電池の動作中、複数の材料移動及び電気伝導機能を、効率的かつ同時に実行する必要がある。これらの材料移動及び電気伝導機能には、燃料ガス又は酸化剤ガスの拡散、液体水の移動、電極層内のプロトン及び電子の伝導が挙げられる。これらの機能の全てが、単一の種類のイオン伝導体の実質的に均一な分布を有するいくつかの燃料電池の電極では、同時かつ最適に対応されるわけではない。電極層が液体水を移動させ得る能力は、水が形成される、カソード電極に関して、特に興味深い。燃料電池の電極の多孔質層内においては、例えば、十分な細孔は、液体水が、層を過剰に満たすことを阻止するために十分に疎水性でなければならない。層又は層内の領域を、液体水で過剰に満たすことは、典型的に「フラッディング」として既知である。細孔のフラッディングは、反応ガスが電極を通過して触媒部位に達することを阻止し、性能の損失をもたらす。

過度に疎水性の層もまた、燃料電池の動作に理想的ではない。低温時、水が液体として電極から流れ場に移動する必要がある。水が通って移動する層が、過度に疎水性である場合、水が容易に通って移動できる液体接続が存在しない。水は、細孔から細孔へ浸透する必要があり、液体圧の相当な蓄積を必要とするプロセスである。この高い液体圧は、細孔のフラッディング、ガス移動の減少、及び燃料電池性能の損失をもたらす。親水性及び疎水性の細孔の適切な設計は、液体水及びガス移動の両方を同時に提供することができる。

燃料電池の電極内の小さな径のイオン伝導体の実質的に均一な分布は、電極層内に小さな細孔寸法をもたらし、液体移動及び／又はガス拡散の低下をもたらす。乏しいイオン及び又は電子伝導は、よく混合された、小さい粒子寸法のアイオノマー、電子伝導体、及び触媒を通る、狭い通路のために生じる可能性がある。アイオノマーの実質的に均一な分布は、アイオノマーのわずかに親水性な性質のために、液体移動のため通路の減少をもたらす可能性がある。水の移動は、フラッディングの前に、電極内で許容されるアイオノマーの最大量に対する制限のために、乏しい場合がある。電子伝導は、乏しい炭素−炭素接触のために、減少される可能性がある。

最適性能のためには、燃料電池の電極は、電極内で、ガスを反応部位へ容易に伝導し、また液体水を反応部位から排出させる、多孔質層を提供する必要がある。電極層は、容易な液体水の移動を可能にするために十分な親水性を有しながらも、液体水による細孔のフラッディングを阻止するために十分な疎水性を有する必要がある。疎水性過剰の領域は、電極に、液体水が壁を突破するために高い液体圧を要する「壁」を作り出す可能性がある。壁の背後にある液体圧の堆積は、他の領域のフラッディングをもたらし得、それは、燃料ガスが反応部位に達することを阻止する。燃料電池の電極が、十分な数及び寸法の親水性領域を含む場合、フラッディングを阻止することができる。

燃料電池の電極は、反応部位（カソード電極内）への迅速なイオン伝導を可能にし、反応部位（アノード電極内）から出る迅速なイオン伝導を可能にするのに十分な量のイオン伝導体を含むことができる。しかしながら、燃料電池の電極はまた、反応部位（カソード電極内）への迅速な電子伝導、及び反応部位（アノード電極）から出る迅速な電子伝導を可能にするのに十分な量の電子伝導体も含まなければならない。

別々のイオン及び／又は電子伝導体ネットワークを有する燃料電池の電極は、実質的に均一に分布したイオン及び電子伝導体材料を有する燃料電池の電極と比較すると、優れた液体及びガス移動、疎水性、親水性、並びに電子及びイオン伝導を提供することができる。

径が、概して約１μｍを超える、燃料電池インク内のアイオノマー粒子は、イオン及び電子伝導体ネットワークの形成を促進すると見られる。更に、燃料電池インクに使用される粒子の形態はまた、噴霧乾燥プロセスにより生成された実質的に平滑な中空の回転楕円体粒子が、冷凍粉砕により生成されたギザギザの不規則な粒子と比較すると、優れた特性を提供する要因である。噴霧乾燥された粉末粒子の狭い寸法範囲はまた、（冷凍粉砕された粉末粒子の広い寸法範囲とは対照的に）電極性能の強化にも貢献し得る。

噴霧乾燥により生成される平滑な中空の回転楕円体は、アイオノマー粉末粒子の凝集、及びイオン伝導体に富むネットワーク（比較的電子伝導体に乏しい）の生成を促進すると見られる。例えば、触媒コーティングされた炭素が、触媒及び電子伝導体として使用される場合、電子伝導体に富む領域は、疎水性の非酸化炭素（天然のＣ）を含有する。理想的には実質的に電極層を横断する、炭素に富む領域は、電子伝導を促進する通路を提供し、更に、液体水含量が少なく、そのため高速なガス移動を可能にするネットワークを提供する。イオン伝導体に富む領域は、適度に親水性である。イオン伝導体の均一な分布は、フラッディングのポケットの形成が起こりやすい。しかしながら、実質的に電極層全体を横断するイオン伝導体に富むネットワークは、迅速なプロトン及び水の伝導のための通路を提供する。

前述のように、イオン伝導体ネットワーク及び電子伝導体ネットワークは、燃料電池の電極に相補的な機能を提供することができる。これらの相補的ネットワークが電極層内に存在する場合、最適な電極設計（燃料及び酸化剤ガスの移動、液体水移動、並びに電子及びプロトンの伝導）の相反する性能制約は、より良好に対応され得る。電子及びイオン伝導ネットワークの存在は、反応部位へ及びそこからのガスの移動、並びに、電極層の反応部位へ及びそこからのイオン及び電子の伝導を促進することによって、燃料電池の性能を維持するように機能する。イオン伝導体及び電子伝導体ネットワークは、燃料電池に拡張した動作範囲を提供する。例えば、液体水の移動は、イオン伝導ネットワークに沿って改善されるため、低ＥＷアイオノマーを、イオン伝導体として使用することができる。低ＥＷ材料は、より高温で乾燥した条件において、より良好な性能を達成し、一方でより低温で湿潤の条件では、フラッディングを阻止する。あるいは、高ＥＷアイオノマーの添加が、電極層の耐久性を増加させるために使用されてもよい。

本発明の目的及び利点を、以下の実施例によって更に例示するが、これらの実施例において列挙される特定の材料及びその量、並びに他の諸条件及び詳細によって、本開示を不当に制限するものではないと解釈すべきである。

４つの異なる種類の燃料電池のカソード電極を有するＭＥＡを構築し、試験した。ＭＥＡを、カソード電極を除き、同一の材料を使用して、同一のプロセスにより製造した。異なるカソード電極種を、１）比較的小さい寸法の粒子（例えば、径が５０ｎｍ未満）を有する溶液系アイオノマーを使用して形成された電極（ＳＯＬＮ、ＳＯＬＮ ２）、２）噴霧乾燥されアイオノマー粉末（ＰＤＲ、ＰＤＲ ２）を使用して形成された電極（図６及び関連する説明を参照されたい）、３）噴霧乾燥されたアイオノマー粉末を合わせる前に触媒／電子伝導体を前混合することにより形成された電極（ＢＭ後ＰＤＲ）、並びに４）冷凍粉砕された粉末を使用して形成された電極（冷凍ＰＤＲ）（図７Ａ及び７Ｂ並びに関連する説明を参照されたい）を使用して形成した。試験ＭＥＡの製造パラメータを、表１に提供する。溶液系アイオノマーを使用して形成したＳＯＬＮ電極は、図４Ａのフローチャートに概説されるプロセスによって製造した。噴霧乾燥されたアイオノマー粉末を使用して形成したＰＤＲ電極は、図４Ａに概説されるプロセスによって製造した。ＢＭ後ＰＤＲ電極は、図４Ｂに概説されるプロセスによって製造した。冷凍粉砕されたアイオノマー粉末を使用して形成した電極は、図４Ａに概説されるプロセスによって製造した。

一分析において、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極（ＰＤＲとして示す）を有するＭＥＡを、溶液系アイオノマー電極（ＳＯＬＮとして示す）を有するＭＥＡと比較した。各試行のために、噴霧乾燥された粉末化アイオノマーを使用して３つのＭＥＡを作製し、溶液系アイオノマーを使用して３つのＭＥＡを構築した。構築した３つのＭＥＡそれぞれに、２回の試行を、各群に対して行った。噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極群の第１の試行の結果を、ＰＤＲとして示し、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極群の第２の試行の結果を、ＰＤＲ ２として示し、溶液系アイオノマー電極群の第１の試行の結果を、ＳＯＬＮとして示し、溶液系アイオノマー電極群の第２の試行の結果を、ＳＯＬＮ ２として示す。

触媒活性：触媒活性を測定し、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極及び溶液系アイオノマー電極を有するＭＥＡについて、表２に示す。粉末系電極の触媒活性は、溶液系電極の触媒活性と比較すると、改善を示す。これらの活性の増加は、粉末系アイオノマー電極によって作り出される、より良好な３相界面（触媒、アイオノマー、及び反応ガス）により説明することができる。

Ｇａｌｖａｎｏの動的分極走査（ＧＤＳ）分析：図８は、溶液系アイオノマー電極（ＳＯＬＮ、ＳＯＬＮ ２）及び粉末系アイオノマー電極（ＰＤＲ、ＰＤＲ ２）を有するＭＥＡの２回の試行に対する、ＧＤＳ分極性能結果を示す。試験条件は、次の通りであった：電池温度＝７０℃、アノード及びカソード吸気加湿＝１００％、周囲動作圧、燃料（Ｈ２）理論空燃比＝１．４、酸化剤（空気）理論空燃比＝２．５。所定の電流密度に対して、粉末系アイオノマー電極は、溶液系アイオノマー電極よりも高い電圧を示す。この効果は、高い電流密度において、より顕著である。

図９は、電圧１．２Ａ／ｃｍ２及び１．５Ａ／ｃｍ２における、ＳＯＬＮ及びＰＤＲ電極のＭＥＡ性能を比較する。図９に図示されるデータは、より高い電流密度では、噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極（ＰＤＲ、ＰＤＲ ２）により達成される電池電圧が、溶液系電極（ＳＯＬＮ、ＳＯＬＮ ２）よりも高いことを示す。１．５Ａ／ｃｍ２でのデータは、電極の第２の試行（ＳＯＬＮ ２、ＰＤＲ ２）に対してのみ記録されたことに留意されたい。

フォローアップ分析を実行して、インク構成要素を共に添加して混合することにより形成される噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極（ＰＤＲとして示す）、噴霧乾燥された粉末化アイオノマーの添加前に、白金コーティングされた炭素及び溶媒（水）を前混合することにより形成した噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極（ＢＭ後ＰＤＲとして示す）、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー電極（冷凍ＰＤＲとして示す）、並びに溶液系アイオノマー電極（ＳＯＬＮとして示す）の種々の性質を比較した。

電気化学的表面積：触媒の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を、前の段落に列挙した、電極の種類、ＰＤＲ、ＢＭ後ＰＤＲ、冷凍ＰＤＲ、ＳＯＬＮそれぞれに対して分析した。ＥＣＳＡ分析は、燃料電池の反応に貢献するために利用可能な触媒表面を提供する。より大きなＥＣＳＡは、より良好な燃料電池性能に関連する。ＥＣＳＡを、次の試験条件下において、電極に対して実行した：電池温度４０℃、露点７０℃（アノード及びカソード）、Ｈ２／Ｎ２（アノード／カソード）、流速８００／５００ＳＣＣＭアノード／カソード。ＥＣＳＡの数値は、走査速度５０ｍＶ／ｓで、０．０５〜０．８０Ｖで取得した。図１０のグラフは、上に列挙した電極の種類の電気化学的表面積の比較を提供する。図１０から理解されるように、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー（冷凍ＰＤＲ）が、７０ｍ２／ｇ Ｐｔで、最も高いＥＣＳＡを示す。ＰＤＲ電極及びＢＭ後ＰＤＲの双方もまた、溶液系（ＳＯＬＮ）アイオノマー電極よりもＥＣＳＡの改善を示す。

触媒活性：０．９Ｖでの触媒活性を、次の条件下で各ＭＥＡに対して測定した：温度＝８０℃、相対湿度１００％、Ｈ２／Ｏ２（アノード／カソード）、７．５／７．５ｐｓｉｇ（５１．７／５１．７ｋＰａ）の圧力（アノード／カソード）。ＭＥＡに対する触媒活性の測定結果を図１１に提供する。この試験において、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー電極は、溶液系アイオノマー電極よりも良好に機能した。噴霧乾燥された粉末化アイオノマー電極（ＰＤＲ及びＢＭ後ＰＤＲ）は、冷凍粉砕された粉末化アイオノマー電極及び溶液系アイオノマー電極よりも、単位質量当たりで、平均して、より高い触媒活性を呈した。

フォローアップｇａｌｖａｎｏの動的分極走査（ＧＤＳ）：Ｇａｌｖａｎｏ動的分極走査を、ＳＯＬＮ、ＰＤＲ、冷凍ＰＤＲ、及びＢＭ後ＰＤＲ電極を有するＭＥＡに対して実行した。試験条件は、次の通りであった：電池温度＝７０℃、アノード及びカソード吸気加湿＝１００％、周囲動作圧、燃料（Ｈ２）理論空燃比＝１．７、酸化剤（空気）理論空燃比＝２．５。図１２は、ＳＯＬＮ、ＰＤＲ、冷凍ＰＤＲ、及びＢＭ後ＰＤＲのＭＥＡに対する、ＧＤＳ分極曲線を示す。図１３は、各種類の電極に対する、電流密度１．２Ａ／ｃｍ２でのＭＥＡ性能を提供する。この分析において、粉末系電極の全てが、溶液系電極よりも性能が優れている。ＰＤＲ及びＢＭ後ＰＤＲが、溶液系電極に対して最も大きな改善を示し、冷凍ＰＤＲ電極のものよりも、改善された高電流密度を呈した。

本開示の目的及び利点を、以下の代表的な実施形態の列挙により、更に例示するが、これらの実施形態において列挙される特定の材料及びその量、並びに他の諸条件及び詳細により、本開示を不当に制限するものと解釈されるべきではない。

実施形態
実施形態１は、燃料電池サブアセンブリであって、
電極層であって、
触媒と、
電子伝導体と、
イオン伝導体と、
電極層内に、複数の電子伝導体に富むネットワークと、
電極層内に、電子伝導体に富むネットワークと共に散在する複数のイオン伝導体に富むネットワークと、を備える、電極層を備え、イオン伝導体の電子伝導体に対する体積比が、イオン伝導体に富むネットワーク内で、電子伝導体に富むネットワーク内よりも高い、燃料電池サブアセンブリである。

実施形態２は、燃料電池サブアセンブリを含む燃料電池の動作中、電子の伝導が、主に電子伝導体に富むネットワーク内で生じ、イオンの伝導が、主にイオン伝導体に富むネットワーク内で生じる、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態３は、イオン伝導体が、噴霧乾燥されたイオン伝導性ポリマーの粒子を含む、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態４は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、実質的に平滑な外表面を有する、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、約１０％未満の径の変動を有する回転楕円体である、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が中空である、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態８は、電子伝導体が、電子伝導体粒子を含み、触媒が、電子伝導体粒子上に配置される、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９は、触媒が、ナノ構造の支持体上に配置される、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１０は、電子伝導体が、炭素、酸化スズ、及び酸化チタンのうちの１つ以上を含む、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１１は、触媒が、白金、パラジウム、バイメタル、金属合金、及びカーボンナノチューブのうちの１つ以上を含む、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１２は、イオン伝導体が、第１のイオン伝導性ポリマーを含み、電極層が、第２のイオン伝導性ポリマーを含む第２のイオン伝導体を更に備える、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１３は、第１のイオン伝導性ポリマーが、第１の当量を有し、第２のイオン伝導性ポリマーが、第２の当量を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１４は、
第１のイオン伝導性ポリマーが、粒子を含み、その第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有し、
第２のイオン伝導性ポリマーが、粒子を含み、その第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１５は、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子が、電子伝導体上に薄膜を形成し、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子が、イオン伝導体の体積の過半数を構成する、実施形態１４に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１６は、第１のイオン伝導性ポリマーが、実質的にイオン伝導ネットワークを形成する、実施形態１４に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１７は、電極層が、電解質膜上に配置される、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１８は、電極層が、ガス拡散層上に配置される、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１９は、電極層が、電解質膜の第１の表面と第１のガス拡散層との間に配置され、その燃料電池サブアセンブリは、電解質膜の第２の表面と第２のガス拡散層との間に配置される第２の電極層を含む、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の追加の構成要素を更に含む、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態２０は、
第１のガス拡散層の近位に配置される第１の流れ場プレートと、
第２のガス拡散層の近位に配置される第２の流れ場プレートと、を更に備える、実施形態１９に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態２１は、燃料電池スタックを形成するために配設される、複数のＭＥＡを更に備える、実施形態１９に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態２２は、燃料電池の電極層を作製する方法であって、
イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を合わせる工程であって、イオン伝導体が、回転楕円体粒子を含み、その粒子の過半数が、約５０ｎｍを超える径を有する、合わせる工程と、
イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を、一定期間混合し、電極インクを形成する工程と、
電極インクを基材にコーティングして、燃料電池の電極層を形成する工程と、を含む、方法である。

実施形態２３は、粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２４は、粒子が、約５０ｎｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２５は、電子伝導体が、触媒でコーティングされる、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２６は、触媒が、支持構造体上に配置される、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２７は、触媒が、ナノ構造の支持体上に配置される、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２８は、基材が、電解質膜を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態２９は、基材が、ガス拡散層を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３０は、粒子が、噴霧乾燥されたアイオノマー粒子を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３１は、粒子の過半数が、回転楕円体である、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３２は、粒子の過半数が、実質的に平滑な表面を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３３は、粒子の過半数が、中空である、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３４は、イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を合わせる工程が、混合の前に、イオン伝導体、電子伝導体、及び溶媒を、実質的に同時に合わせる工程を含む、実施形態２２に記載の方法。

実施形態３５は、イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を合わせる工程が、
電子伝導体及び溶媒を含む前混合物を形成する工程と、
前混合物を一定期間混合する工程と、
前混合物を混合した後、イオン伝導体を前混合物に添加する工程と、
イオン伝導体及び前混合物を一定期間混合する工程と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３６は、イオン伝導体、電子伝導体、及び溶媒を混合した後に、イオン伝導体、電子伝導体、及び溶媒の混合物を有する第２の種類のイオン伝導体を添加する工程を更に含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３７は、イオン伝導体が、第１の種類のイオン伝導性ポリマー及び第２の種類のイオン伝導性ポリマーを含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３８は、イオン伝導体が、第１の形態のイオン伝導性ポリマー及び第２の形態のイオン伝導性ポリマーを含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態３９は、第１の当量のイオン伝導体及び第２の当量のイオン伝導体を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態４０は、イオン伝導体が、
第１のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有する、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子と、
第２のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有する、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態４１は、第１のイオン伝導性ポリマーの体積が、第２のイオン伝導性ポリマーの体積よりも大きい、実施形態４０に記載の方法である。

実施形態４２は、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子が、電子伝導体をコーティングする、実施形態４１に記載の方法である。

実施形態４３は、イオン伝導性ポリマーを噴霧乾燥することによりイオン伝導体を形成する工程を更に含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態４４は、イオン伝導性ポリマーを噴霧乾燥することによりイオン伝導体を形成する工程が、噴霧乾燥の前又は最中に、イオン伝導性ポリマーに添加剤を添加する工程を含む、実施形態４３に記載の方法である。

実施形態４５は、添加剤が、セリウム及びマンガン化合物のうちの１つ以上を含む、実施形態４４に記載の方法である。

実施形態４６は、合わせる工程が、ボール混合、攪拌、及び超音波処理のうちの１つ以上を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態４７は、溶媒が、炭化水素及び水のうちの１つ以上を含む、実施形態２２に記載の方法。

実施形態４８は、燃料電池サブアセンブリであって、
電極層であって、
触媒と、
電子伝導体と、
電子伝導体及び触媒と入り混じり、粒子を含むイオン伝導体であって、粒子の過半数が、約５０ｎｍを超える径を有する回転楕円体粒子である、イオン伝導体と、を備える、電極層を備える、燃料電池サブアセンブリである。

実施形態４９は、イオン伝導体の粒子の過半数が、実質的に平滑で長い表面を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５０は、粒子の過半数が中空である、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５１は、粒子の過半数が、約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５２は、触媒が、電子伝導体上に配置される、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５３は、触媒が、ナノ構造の支持体上に配置される、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５５は、イオン伝導体が、パーフルオロスルホン酸及びパーフルオロイミド酸のうちの１つ以上を含む、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５６は、第２のイオン伝導体を更に備える、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５７は、イオン伝導体が第１の当量を有し、第２のイオン伝導体が第２の当量を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５８は、第２のイオン伝導体が、粒子を含み、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態５９は、イオン伝導体の粒子の過半数が、電極層内で不均一に分布する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６０は、電極層が、電解質膜上に配置される、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６１は、電極層が、ガス拡散層上に配置される、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６２は、電極層が、電解質膜の第１の表面と第１のガス拡散層との間に配置される、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリであり、その燃料電池アセンブリは、電解質膜の第２の表面と第２のガス拡散層との間に配置される第２の電極層を含む、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の追加の構成要素を更に備える。

実施形態６３は、
第１のガス拡散層の近位に配置される第１の流れ場プレートと、
第２のガス拡散層の近位に配置される第２の流れ場プレートと、を更に備える、実施形態６２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６４は、燃料電池スタックを形成するように配設される、複数のＭＥＡを更に備える、実施形態６２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態６５は、燃料電池の電極層であって、
触媒と、
電子伝導体と、
第１のイオン伝導体と、
第２のイオン伝導体と、を備え、第１のイオン伝導体が、第２のイオン伝導体とは異なり、第１のイオン伝導体及び前記第２のイオン伝導体は、電極層内で、互いに、電子伝導体、及び触媒と共に散在する、燃料電池の電極層である。

実施形態６６は、第１のイオン伝導体及び第２のイオン伝導体が、異なる種類のイオン伝導体である、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態６７は、第１のイオン伝導体及び第２のイオン伝導体が、同一の種類のイオン伝導体の異なる形態である、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態６８は、第１のイオン伝導体が、第１の当量を有し、第２のイオン伝導体が、第２の当量を有する、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態６９は、第２のイオン伝導体の粒子が、電子伝導体をコーティングする、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態７０は、第２のイオン伝導体の粒子が、実質的に、第１のイオン伝導体の粒子よりも小さい、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態７１は、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有し、第１のイオン伝導体の粒子が、噴霧乾燥された粒子又は粉末化冷凍粉砕された粒子である、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態７２は、第１のイオン伝導体及び第２のイオン伝導体のうちの１つ又は両方の粒子が、電極層内で不均一に分布する、実施形態６５に記載の電極層である。

実施形態７３は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、１μｍ〜１５μｍの範囲の径を有する、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７４は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、１．５μｍ〜１４μｍの範囲の径を有する、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７５は、イオン伝導体が、粒子を含み、その粒子の過半数が、２μｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態１に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７６は、
第１のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１μｍを超える径を有し、
第２のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７７は、
第１のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１．５μｍを超える径を有し、
第２のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７８は、
第１のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１μｍを超える径を有し、
第２のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態７９は、
第１のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１．５μｍを超える径を有し、
第２のイオン伝導性ポリマーが粒子を含み、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、実施形態１２に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態８０は、粒子の過半数が、５０ｎｍを超える径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８１は、粒子の過半数が、７５ｎｍを超える径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８２は、粒子の過半数が、１μｎｍを超える径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８３は、粒子の過半数が、１．５μｍを超える径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８４は、粒子が、５０ｎｍ〜１５μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８５は、粒子が、５０ｎｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８６は、粒子が、７５ｎｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８７は、粒子が、１μｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８８は、粒子が、１．５μｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態８９は、イオン伝導体が、
第１のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１μｍを超える径を有する、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子と、
第２のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態９０は、イオン伝導体が、
第１のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１．５μｍを超える径を有する、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子と、
第２のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態９１は、イオン伝導体が、
第１のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１μｍを超える径を有する、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子と、
第２のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態９２は、イオン伝導体が、
第１のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、１．５μｍを超える径を有する、第１のイオン伝導性ポリマーの粒子と、
第２のイオン伝導性ポリマーの粒子であって、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、第２のイオン伝導性ポリマーの粒子と、を含む、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態９３は、粒子の過半数が、１μｍ〜１５μｍの範囲の径を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９４は、粒子の過半数が、１．５μｍ〜１５μｍの範囲の径を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９５は、粒子の過半数が、１μｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９６は、粒子の過半数が、１．５μｍ〜１２μｍの範囲の径を有する、実施形態４８に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９７は、第２のイオン伝導体が、粒子を含み、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９８は、第２のイオン伝導体が、粒子を含み、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態９９は、粒子の過半数が、１μｍ〜１５μｍの範囲の径を有し、第２のイオン伝導体が粒子を含み、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、５０ｎｍ未満の径を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１００は、粒子の過半数が、１μｍ〜１５μｍの範囲の径を有し、第２のイオン伝導体が粒子を含み、第２のイオン伝導体の粒子の過半数が、４０ｎｍ未満の径を有する、実施形態５６に記載の燃料電池サブアセンブリである。

実施形態１０１は、粒子の少なくとも１０％が、中空である、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態１０２は、粒子の少なくとも２０％が、中空である、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態１０３は、粒子の少なくとも３０％が、中空である、実施形態２２に記載の方法である。

実施形態１０４は、粒子の少なくとも４０％が、中空である、実施形態２２に記載の方法である。

様々な実施例及び実施形態の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されてきた。包括的であること、又は開示されたそのままの形態に本発明を限定することを意図するものではない。以上の教示を考慮すれば、多くの修正形態及び変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ添付の特許請求の範囲によって限定されるものとする。

Claims (25)

1. 燃料電池サブアセンブリであって、
   電極層であって、
   触媒と、
   電子伝導体と、
   イオン伝導体と、
   前記電極層内に、複数の電子伝導体に富むネットワークと、
   前記電極層内に、前記電子伝導体に富むネットワークと共に散在する複数のイオン伝導体に富むネットワークと、を備える、電極層を備え、
   前記イオン伝導体の前記電子伝導体に対する体積比が、前記イオン伝導体に富むネットワーク内で、前記電子伝導体に富むネットワーク内よりも高い、燃料電池サブアセンブリ。
2. 前記イオン伝導体が、噴霧乾燥されたイオン伝導性ポリマーの粒子を含む、請求項１に記載の燃料電池サブアセンブリ。
3. 前記イオン伝導体が、粒子を含み、前記粒子の過半数が、実質的に平滑な回転楕円体であり、約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する、請求項１に記載の燃料電池サブアセンブリ。
4. 前記電極層が、第２のイオン伝導体を更に備え、前記イオン伝導体が、第１の当量を有し、前記第２のイオン伝導体が、第２の当量を有する、請求項１に記載の燃料電池サブアセンブリ。
5. 燃料電池の電極層を作製する方法であって、
   イオン伝導体、電子伝導体、触媒、及び溶媒を合わせる工程であって、前記イオン伝導体が、回転楕円体粒子を含み、前記回転楕円体粒子の過半数は、実質的に平滑な外表面を有し、約５０ｎｍを超える径を有する、工程と、
   前記イオン伝導体、前記電子伝導体、前記触媒、及び前記溶媒を、一定期間混合し、電極インクを形成する工程と、
   前記電極インクを基材にコーティングして、前記燃料電池の電極層を形成する工程と、を含む、方法。
6. 前記粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記粒子が、噴霧乾燥されたアイオノマー粒子を含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記粒子の過半数が、中空である、請求項５に記載の方法。
9. 前記イオン伝導体が、第１の種類のイオン伝導性ポリマーと、第２の種類のイオン伝導性ポリマーとを含む、請求項５に記載の方法。
10. 前記電極インクに、第２のイオン伝導体を合わせる工程を更に含む、請求項５に記載の方法。
11. 前記第２のイオン伝導体が、粒子を含み、前記第２のイオン伝導体の前記粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 燃料電池サブアセンブリであって、
    電極層であって、
    触媒と、
    電子伝導体と、
    前記電子伝導体及び前記触媒とが入り混じり、粒子を含む、イオン伝導体であって、前記イオン伝導体の前記粒子の過半数は、約５０ｎｍを超える径を有する回転楕円体粒子である、イオン伝導体と、を備える、電極層を備える、燃料電池サブアセンブリ。
13. 前記イオン伝導体の前記粒子の過半数が、実質的に平滑な外表面を有する、請求項１２に記載の燃料電池サブアセンブリ。
14. 前記粒子の過半数が、中空である、請求項１２に記載の燃料電池サブアセンブリ。
15. 前記粒子の過半数が、約１μｍ〜約１５μｍの範囲の径を有する、請求項１２に記載の燃料電池サブアセンブリ。
16. 前記粒子の過半数が、噴霧乾燥された粉末のイオン伝導性ポリマー粒子である、請求項１２に記載の燃料電池サブアセンブリ。
17. 前記粒子が、前記電極層内で不均一に分布する、請求項１２に記載の燃料電池サブアセンブリ。
18. 燃料電池の電極層であって、
    触媒と、
    電子伝導体と、
    第１のイオン伝導体と、
    第２のイオン伝導体と、を備え、前記第１のイオン伝導体が、前記第２のイオン伝導体とは異なり、前記第１のイオン伝導体及び前記第２のイオン伝導体は、前記電極層内で、互いに、前記電子伝導体、及び前記触媒と共に散在する、燃料電池の電極層。
19. 前記第１のイオン伝導体及び前記第２のイオン伝導体が、異なる種類のイオン伝導体である、請求項１８に記載の電極層。
20. 前記第１のイオン伝導体及び前記第２のイオン伝導体が、同一の種類のイオン伝導体の異なる形態である、請求項１８に記載の電極層。
21. 前記第１のイオン伝導体が、第１の当量を有し、前記第２イオン伝導体が、第２の当量を有する、請求項１８に記載の電極層。
22. 前記第１のイオン伝導体の前記粒子の過半数が、約１μｍを超える径を有し、前記第２のイオン伝導体の前記粒子の過半数が、約５０ｎｍ未満の径を有する、請求項１８に記載の電極層。
23. 前記第１のイオン伝導体が、粒子を含み、前記第１のイオン伝導体の前記粒子の過半数が、実質的に平滑かつ中空である、請求項１８に記載の電極層。
24. 前記第１のイオン伝導体の粒子の過半数が、粉末化噴霧乾燥された粒子又は粉末化冷凍粉砕された粒子である、請求項１８に記載の電極層。
25. 前記第１のイオン伝導体の粒子が、前記電極層内で、不均一に分布し、前記第２のイオン伝導体の粒子が、前記電子伝導体をコーティングする、請求項１８に記載の電極層。