JP2022514560A - 水電解装置 - Google Patents

Abstract

水電解装置であって、互いに反対側にある第１主面及び第２主面を有し、第１主面と第２主面との間に延びる厚さを有する膜と、膜の第１主面上に第１の触媒を含むカソードと、膜の第２主面上に第２の触媒を含むアノードと、を含み、膜は、平面である場合、長さ方向、平均長さ、幅方向、平均幅、厚さ方向、及び平均厚さを有し、平均長さ及び平均幅はそれぞれ、平均厚さよりも大きく、平均幅は、平均長さ以下であり、平均厚さは、膜の第１主面と第２主面との間に画定され、平均長さ、平均幅、及び平均厚さは、膜体積を画定し、長さ方向、幅方向、及び厚さ方向は、それぞれ互いに垂直であり、膜体積は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含み、膜体積は、膜内の少なくとも１つの平面にわたって、少なくとも５個の交互になっている第１の領域及び第２の領域を含み、第１の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有し、第２の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有し、第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０倍である、水電解装置。

Description

水電解装置は、純水から超高純度（例えば、典型的には、少なくとも９９．９％の純度）の水素を製造するための一般的な電気化学デバイスである。プロトン交換膜（ＰＥＭ）（Proton Exchange Membrane）ベースの水電解装置の場合、水素を高圧で得ることができる。これらの電解装置は、多くの場合、燃料電池用プロトン交換膜電極接合体と類似する膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。しかしながら、ＰＥＭベースの水電解装置は、水素発生反応（ＨＥＲ）を介してカソードで水素を生成し、酸素発生反応（ＯＥＲ）を介してアノードで酸素を生成する。電気化学デバイスにおけるアノード又はカソードという電極の呼称は、アノードは、主反応が酸化である電極（例えば、燃料電池用Ｈ_２酸化電極、又は、水電解装置用の水の酸化／Ｏ_２発生反応電極）であるという、ＩＵＰＡＣの定めに従う。

水電解装置のカソード上の動作圧力が高くなると（例えば、５ＭＰａに更に近づく）、当該分野において水素のクロスオーバー（crossover）として知られる状況が発生し、水素ガス（Ｈ_２）が、生成したカソードからＰＥＭを通ってアノードに戻る。この状況は、効率の低下、及び状況によっては、アノードガス（Ｏ_２）と混合される望ましくない量のＨ_２（例えば、Ｈ_２／Ｏ_２混合の場合で４体積％を超えるときには、およその爆発下限界（ＬＥＬ）である）の両方を引き起こす。

アノードへのこの水素のクロスオーバーを軽減することが望まれている。

一態様では、本開示は、水電解装置であって、
互いに反対側にある第１主面及び第２主面を有し、第１主面と第２主面との間に延びる厚さを有する膜と、
膜の第１主面上に第１の触媒を含むカソードと、
膜の第２主面上に第２の触媒を含むアノードと、を含み、
膜は、平面である場合、長さ方向、平均長さ、幅方向、平均幅、厚さ方向、及び平均厚さを有し、
平均長さ及び平均幅はそれぞれ、平均厚さよりも大きく、
平均幅は、平均長さ以下であり、
平均厚さは、膜の第１主面と第２主面との間に画定され、
平均長さ、平均幅、及び平均厚さは、膜体積を画定し、
長さ方向、幅方向、及び厚さ方向は、それぞれ互いに垂直であり、
膜体積は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含み、
膜体積は、膜内の少なくとも１つの平面にわたって、少なくとも５（いくつかの実施形態では、少なくとも６、７、８、９、１０、２５、５０、７５、１００、５００、又は更に少なくとも１０００）個の交互になっている第１の領域及び第２の領域を含み、
第１の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１（いくつかの実施形態では、少なくとも０．５、１、５、１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、１０００、２５００、又は更に少なくとも５０００）マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有し、
第２の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１（いくつかの実施形態では、０．００５、０．００２５、０．００１、０．０００５、０．０００２５、０．０００１、０．００００５、０．００００２５、０．００００１以下、又は更にゼロ）マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有し、
第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２５、５０、１００、５００、又は更には少なくとも１０００；いくつかの実施形態では、１０～１０００、２５～５００、又は更には５０～１００の範囲で）倍である、水電解装置を記載する。

いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、長さ方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、幅方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、厚さ方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、長さ及び幅方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、長さ及び厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は、幅及び厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域は長さ、幅、及び厚さの方向内で少なくとも１つの体積（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの体積）にわたっている。

別の態様では、本開示は、水から水素及び酸素を生成する方法であって、
本明細書に記載の水電解装置を提供することと、
アノードと接触する水を提供することと、
水の少なくとも一部をカソード及びアノードでそれぞれ水素及び酸素に変換するように、十分な電流と共に水電解装置に電位差を提供すること、を含む、方法を提供する。

例示的な従来技術の水電解装置の概略図である。 本明細書で記載される例示的膜の斜視図である。 図２の一部の拡大図である。 本明細書で記載される例示的膜の斜視図である。 図３の一部の拡大図である。 本明細書で記載される例示的膜の斜視図である。 図４の一部の拡大図である。 本明細書で記載される例示的膜の斜視図である。 図５の一部の拡大図である。 本明細書で記載される例示的膜の斜視図である。 図６の一部の拡大図である。

図１を参照すると、例示的な水電解装置のセル１００は、膜１０１と、カソード１２０と、アノード１３０とを含む。膜１００は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの形態の白金１０５を含む。白金１０５は、支持された白金であってもよい。示されるように、セル１００はまた、アノード１３０に隣接する任意選択の第１の流体輸送層（ＦＴＬ）１３５、及びカソード１２０に隣接して配置されている任意選択の第２の流体輸送層１２５も含む。ＦＴＬ１２５及び１３５は、拡散体／集電体（ＤＣＣ）（diffuser／current collectors）又はガス拡散層（ＧＤＬ）（gas diffusion layers）と呼ばれることがある。動作中、水は、セル１００のアノード部分内に導入され、第１の流体輸送層１３５を通過してアノード１３０を越える。電源１４０は、セル１００に電流源を適用する。

図２及び２Ａを参照すると、本明細書に記載の例示的膜２０４及びアノード２０３及びカソード２０５が、図２に示されている。膜２０４は、長さｌ_２、厚さｔ_２、及び幅ｗ_２を有し、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔ２４９のうちの少なくとも１つが周期的な濃度で幅ｗ_２にわたっている。白金２４９は、支持された白金であってもよい。幅ｗ_２にわたって複数の交互になっている第１の領域及び第２の領域２５０、２５１が存在する。第１の領域２５０は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔ２４９の第１の濃度を有する。第２の領域２５１は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有する。第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０倍である。

図３及び３Ａを参照すると、本明細書に記載の例示的膜３０４及びアノード３０３及びカソード３０５が、図３に示されている。膜３０４は、長さｌ_３、厚さｔ_３、及び幅ｗ_３を有し、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔ３４９のうちの少なくとも１つが周期的な濃度で長さｌ_３にわたっている。白金３４９は、支持された白金であってもよい。長さｌ_３にわたって複数の交互になっている第１の領域及び第２の領域３５０、３５１が存在する。第１の領域３５０は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔ３４９の第１の濃度を有する。第２の領域３５１は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有する。第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０倍である。

図４及び４Ａを参照すると、本明細書に記載の例示的膜４０４及びアノード４０３及びカソード４０５が、図４に示されている。膜４０４は、長さｌ_４、厚さｔ_４、及び幅ｗ_４を有し、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔ４４９Ａ及び４４９Ｂのうちの少なくとも１つが、周期的な濃度で長さｌ_４及び幅ｗ_４のそれぞれにわたっている。白金４４９Ａ及び４４９Ｂは、支持された白金であってもよい。長さｌ_４にわたって（及び示されていないが幅ｗ_４にもわたって）複数の交互になっている第１の領域及び第２の領域４５０、４５１が存在する。それぞれの第１の領域は、それぞれ、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有する。それぞれの第２の領域は、それぞれ、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有する。第１の濃度は、それぞれの第２の濃度の少なくとも１０倍である。

図５及び５Ａを参照すると、本明細書に記載の例示的膜５０４及びアノード５０３及びカソード５０５が、図５に示されている。膜５０４は、長さｌ_５、厚さｔ_５、及び幅ｗ_５を有し、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔ５４９のうちの少なくとも１つが周期的な濃度で幅ｗ_５にわたっている。白金５４９は、支持された白金であってもよい。幅ｗ_５にわたって複数の交互になっている第１の領域及び第２の領域５５０、５５１が存在する。第１の領域５５０は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔ５４９の第１の濃度を有する。第２の領域５５１は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有する。第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０倍である。

図６及び６Ａを参照すると、本明細書に記載の例示的膜６０４及びアノード６０３及びカソード２０５が、図６に示されている。膜６０４は、長さｌ_６、厚さｔ_６、及び幅ｗ_６を有し、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔ６４９Ａ及び６４９Ｂのうちの少なくとも１つが周期的な濃度で幅ｗ_６にわたっている。白金６４９Ａ及び６４９Ｂは、支持された白金であってもよい。金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つである６４９Ａ及び６４９Ｂのそれぞれについて、幅ｗ_６全体にわたって複数の交互になっている第１の領域及び第２の領域が存在する。それぞれの第１の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有する。それぞれの第２の領域は、それぞれ、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有する。第１の濃度は、それぞれの第２の濃度の少なくとも１０倍である。

いくつかの実施形態では、膜２０４、３０４、４０４、５０４、６０４は、水素イオン（溶媒和プロトン）が膜を通ってセルのカソード部分まで優先的に通過することを可能にするプロトン交換膜（ＰＥＭ）であり、このように膜を通して電流を伝導する。酸素ガスは、セルのアノードで、アノードに隣接して位置する第１の流体輸送層を介して収集される。水素イオン（Ｈ^＋）、電子、及びＯ_２ガスは、水の電気化学的酸化によってアノードで生成される。電子は、膜を通常通過できないが、代わりに、電流の形態で外部電気回路を流れる。

水素イオン（Ｈ^＋）は、カソードで電子と結合して水素ガスを形成し、カソードに隣接して位置する第２の流体輸送層を通じて水素ガスが収集される。

生成された水素ガスの一部は、拡散によってカソードから膜を通ってアノードまで輸送され、望ましくない「水素のクロスオーバー」をもたらす。用途に応じて、水素は、望ましくは、高圧（例えば、３ＭＰａ）で生成することができ、酸素は、比較的低圧（例えば、０．１ＭＰａ）で生成することができる。水素圧が上昇すると、カソードでの水素濃度が増加し、カソードから膜を通ってアノードに至る水素拡散速度が増加する。

水素クロスオーバーは、カソードからアノードへとクロスオーバーする水素が水素の損失をもたらし、電解装置の動作効率を低下させるため、望ましくない。更に、水素クロスオーバー率が酸素生成率と比較して十分に高い場合、電解装置のアノード区画内の酸素中の水素濃度は、可燃性下限界である４体積％のＨ_２に近づくか、又はそれを超える場合がある。効率損失及び可燃性の危険性の両方によって、電解装置の設計及び動作に望ましくない制限が課され、このことによって電解装置システムの資本コスト及び電解装置効率を増加させる。

本明細書に記載のＣＣＭ又はＭＥＡにおいて使用されるイオン伝導性膜は、任意の好適なポリマー電解質を含んでいてもよい。例示的なポリマー電解質は、典型的には、共通の主鎖に結合したアニオン性官能基を有し、これは、典型的にはスルホン酸基であるが、カルボン酸基、イミド基、イミド酸基、アミド基、又は他の酸性官能基もまた含まれてよい。共通の主鎖に結合したカチオン性官能基を含むアニオン伝導性膜もまた可能であるが、あまり一般的には使用されない。例示的なポリマー電解質は、典型的には高度にフッ素化され、最も典型的にはペルフルオロ化されている（例えば、ペルフルオロスルホン酸及びペルフルオロスルホンイミド酸のうちの少なくとも１つ）。例示的な電解質としては、テトラフルオロエチレンのコポリマー及び少なくとも１つのフッ素化酸官能性コモノマーが挙げられる。典型的なポリマー電解質としては、ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）から「Ｎａｆｉｏｎ」の商品名で、Ｓｏｌｖａｙ（Ｂｒｕｓｓｅｌｓ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）から「Ａｑｕｉｖｉｏｎ」の商品名で、及びＡＧＣ株式会社（東京）から「Ｆｌｅｍｉｏｎ」の商品名で入手可能なものが挙げられる。ポリマー電解質は、米国特許第６，６２４，３２８号（Ｇｕｅｒｒａ）、及び同第７，３４８，０８８号（Ｈａｍｒｏｃｋら）、並びに米国公開第２００４／０１１６７４２号（Ｇｕｅｒｒａ）に記載のテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）及びＦＳＯ_２－ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＦ_２－Ｏ－ＣＦ＝ＣＦ_２のコポリマーであってもよく、それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。ポリマーは、典型的には、最大１２００（いくつかの実施形態では、最大１１００、１０００、９００、８２５、８００、７２５、又は更には最大６２５）の当量重量（ＥＷ）（equivalent weight）を有する。

ポリマーは、任意の好適な方法により、膜へと形成できる。ポリマーは、典型的には、懸濁液からキャスト（cast）される。バーコーティング、スプレーコーティング、スリットコーティング、及びブラシコーティングを含めた、任意の好適なキャスト方法を使用してよい。あるいは、膜は、溶融プロセス、例えば押出成形でニートポリマーから形成できる。形成後、膜を、典型的には、少なくとも１２０℃（いくつかの実施形態では、少なくとも１３０℃、１５０℃、又はそれ以上）の温度でアニーリングできる。膜は、典型的には、最大２５０マイクロメートル（いくつかの実施形態では、最大２２５マイクロメートル、２００マイクロメートル、１７５マイクロメートル、１５０マイクロメートル、１００マイクロメートル、又は更には最大５０マイクロメートル）の厚さを有する。

膜は、電解装置内で使用するための任意の好適な形状であり得る。膜の形状は、膜の全ての交差する縁部まで延びる膜厚に垂直な平面の形状によって画定され、例えば、３つ以上の側を有する規則的又は不規則な多角形、円形、長円形、楕円形、又はこれらの組み合わせであってもよい。

ポリマー膜はまた、相互結合した繊維の多孔質ネットワークからなる支持マトリックスを含むことができ、これは、水素発生中のカソード側の高圧による、膜全体の時として大きな圧力差に耐える追加の機械的強度を有するイオン交換ポリマー（イオノマー）を提供する。支持マトリックスは、延伸ポリテトラフルオロエチレン（例えば、ＤｕＰｏｎｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）から「ＴＥＦＬＯＮ」の商品名で入手可能なもの）、又は、イオノマーの酸性環境中で安定な部分フッ素化繊維マトリックスでできたものであり得る。

いくつかの実施形態では、膜は、ナノファイバーマットで強化された第１のプロトン伝導性ポリマーを有し、ナノファイバーマットは、ポリマー及びポリマーブレンドから選択される繊維材料を含むナノファイバーから作製され、繊維材料が繊維材料プロトン伝導度を有し、第１のプロトン伝導性ポリマーが、第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度を有し、繊維材料プロトン伝導度が、第１のプロトン伝導性ポリマー伝導度よりも低い。

いくつかの実施形態では、膜の繊維材料としては、高フッ素化ポリマー、ペルフルオロ化ポリマー、炭化水素ポリマー、又はブレンド及びこれらの組み合わせを挙げることができる。いくつかの実施形態では、膜の繊維材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンエーテルスルホン（ＰＰＥＳ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ブレンド、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される電界紡糸に適したポリマーを挙げることができる。いくつかの実施形態では、膜の繊維材料は、電界紡糸ナノファイバーであってもよい。

典型的には、膜は、Ｃｅ又はＭｎをいずれも含まないことが望ましい（すなわち、元素Ｃｅ及びＭｎとしてそれぞれ計算される、０．００１ｍｇ／ｃｍ^３以下の、Ｃｅ又はＭＮのいずれか）。

例示的な膜に関する更なる詳細は、例えば、米国特許公開第２００８／０１１３２４２号、同第２００２／０１００７２５号、及び同第２０１１／０３６９３５号に見出すことができ、それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

任意選択で、膜を酸で洗浄し（例：１．０モルの硝酸で金属カチオン不純物を除去するか、硝酸と過酸化水素を加えて金属カチオン不純物及び有機不純物を除去し、続いて脱イオン水ですすぐ）、その後、触媒（触媒坦持ナノ構造化ウィスカーなど）を堆積又は積層し、カチオン不純物を除去する。洗浄槽を加熱（例えば、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、又は更には８０℃まで）することで、より迅速に洗浄できる。膜を酸洗浄することの利点は、特定の膜に依存し得る。

ＭＥＡの製造では、ＧＤＬをＣＣＭのいずれかの側に適用できる。ＧＤＬを任意の好適な手段により適用できる。好適なＧＤＬとしては、使用電極電位で安定なものが挙げられる。例えば、カソードＧＤＬは、適切な水素発生のために十分低い電位で動作するので、粒子状のカーボンブラック又は炭素繊維を含有し得る。一方で、アノードＧＤＬは、典型的には、Ｔｉ又は酸素発生に特徴的な高電位で安定な他の材料からなる。典型的には、カソードＧＤＬは、織布又は不織布炭素繊維の炭素繊維構造である。例示的炭素繊維構造としては、例えば、トーレから「ＴＯＲＡＹ」（カーボン紙）、Ｓｐｅｃｔｒａｃａｒｂ（Ｌａｗｒｅｎｃｅ，ＭＡ）から「ＳＰＥＣＴＲＡＣＡＲＢ」（カーボン紙）、並びにＺｏｌｔｅｋ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）並びに三菱ケミカル（日本国内及びＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から「ＺＯＬＴＥＫ」（カーボンクロス）の商品名で入手可能なものが挙げられる。ＧＤＬは、様々な材料によってコーティング又は含浸することができ、炭素粒子コーティング、親水化処理、及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によるコーティングなどの疎水化処理などが挙げられる。

典型的には、電解装置アノードＧＤＬは、例えば、１．２３Ｖでの水の酸化のための熱力学的電位を超える使用電位での電解装置動作において、腐食せず（例えば、Ｔｉ－１０Ｖ－５Ｚｒ）、なお適切な伝導度を有する（例えば、Ｔｉ ＧＤＬの場合、スパッタ堆積又はＰｔの層を表面上に電気めっきすることによる）、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、又は、金属合金から構成される、金属発泡体又は多孔性金属スクリーン又はメッシュである。

使用の際、本明細書に記載のＭＥＡは、典型的には、分配板として知られ、エンド板（又は、マルチセルスタックの場合、バイポーラー板（ＢＰＰ）（bipolar plates））としても知られる２つの剛性板の間に挟まれる。ＧＤＬと同様、分配板は、導電性であり、それが配置される電極ＧＤＬの電位で安定である必要がある。分配板は、典型的には、炭素複合材、金属、又はコーティング金属若しくはめっき金属等の材料でできている。ＧＤＬに関しては、電解装置のカソード板は、燃料電池において一般に使用される任意の材料であり得、一方で、電解装置のアノード板は、可逆水素電極（ＲＨＥ）の電位に対して、１．２３ボルト（いくつかの実施形態では、最大１．５ボルト、２．５ボルト、又は更にはそれ以上）の電位を超えても腐食しない材料から作製する必要がある。例示的なアノード板のコーティングは、Ｔｉ－１０Ｖ－５Ｚｒを含む。分配板は、ＭＥＡ電極表面を出入りする反応剤又は生成物流体を、典型的には、ＭＥＡに面する表面に刻み込まれるか、ミリングされるか、成形されるか、又は打ち抜かれる、少なくとも１つの流体伝導性チャネルを通じて分配する。これらのチャネルは、ときとして、流動場と呼ばれる。分配板は、スタックの２つの連続するＭＥＡを出入りする流体を分配でき、一方の面は、水を第１のＭＥＡのアノードに誘導し、酸素をそこから誘導し、他方の面は、（膜を通過する）発生した水素及び水を次のＭＥＡのカソードから離れるよう誘導する。あるいは、分配板は、一方の側にのみチャネルを有し、その側でのみＭＥＡを出入りする流体を分配してもよく、その場合、分配板は「エンド板」と呼ばれてもよい。

Ｐｔ（すなわち、金属又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つ）は、典型的には、Ｐｔを含有する塩を膜に添加（吸収）し、続いて典型的にはＮａＢＨ_４又はＨ_２を使用して化学還元を行うことにより、膜に組み込まれる。支持Ｐｔはまた、脱イオン水で予備湿潤された支持Ｐｔを、アイオノマーの液体懸濁液に添加し、続いて得られた混合物から膜をキャストすることによって膜に組み込むことができ、このことは、ＰＣＴ特許出願国際公開第２０１８／１８５６１５号（Ｌｅｗｉｎｓｋｉら）、同２０１８／１８５６１６号（Ｌｅｗｉｎｓｋｉら）、及び同２０１８／１８５６１７号（Ｌｅｗｉｎｓｋｉら）に報告されており、これらの開示は参照により本明細書に組み込まれる。理論に束縛されるものではないが、膜に組み込まれたＰｔは、カソードから膜内のＰｔに拡散する水素と、アノードから膜内のＰｔに拡散する酸素との化学的再結合を促進させ、これにより水が生成されると考えられている。

いくつかの実施形態では、膜内に存在する任意の金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔは、膜内に完全に埋め込まれている。いくつかの実施形態では、膜中に存在する金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、又は少なくとも９９）重量パーセントは、白金とアノード電極との間に少なくとも１００（いくつかの実施形態では、少なくとも２００、５００、１，０００、１０，０００、１００，０００、更には少なくとも１，０００，０００）オームセンチメートルの電気抵抗率を有する。いくつかの実施形態では、膜中に存在する金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、又は少なくとも９９）重量％は、０酸化（金属）状態にある。理論に束縛されるものではないが、水素クロスオーバー緩和膜の白金担持層内の白金は、白金が酸化状態（例えば、ＰｔＯ又はＰｔＯ_２に対応する＋２又は＋４酸化状態）にある場合よりも、白金が金属状態（すなわち、０酸化状態）にある場合に、クロスオーバー水素と酸素との化学的再結合に対してより効果的であると考えられる。理論に束縛されるものではないが、膜内の白金の少なくとも一部は、アノード電極に電気的に接続されている場合（すなわち、アノードとＰｔとの間の電気抵抗率が十分に低い場合）、酸化され得ると考えられる。理論に束縛されるものではないが、アイオノマー及び白金を含む領域内の電気抵抗率は、白金濃度が低下するにつれて増加すると考えられる。水電解操作中、アノード電極電位は１．２３Ｖ対標準水素電極を超える。Ｐｔ^０～Ｐｔ^＋２の標準酸化電位は、約１．２０Ｖ対標準水素電極である。理論に束縛されるものではないが、電気抵抗率が比較的低いＰｔに富む第１の領域が、抵抗率が比較的高いＰｔ不足第２領域によって互いに、セルアノードから絶縁して、存在する白金のより多くが金属酸化状態にあり得るため、第１の領域及び第２の領域が交互になっている膜が有利であると考えられる。加えて、第２の領域によって与えられる相対的な電気的絶縁により、第１及び第２が交互になっている膜では、Ｐｔが均一に分布している膜のＰｔ濃度よりも、第１の領域でより高いＰｔ濃度が可能になり得、これにより水素と酸素の化学的再結合に対する有効性が向上すると考えられる。

いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域を形成するための方法は、Ｐｔ及びアイオノマーを含む懸濁液を基材上にパターンコーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、パターンコーティングは、メイヤーロッドを使用して懸濁液の層をコーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、パターンコーティングは、懸濁液の不完全な層をスプレーコーティングすることを含む。いくつかの実施形態では、基材はライナーである。いくつかの実施形態では、基材は膜である。いくつかの実施形態では、交互になっている第１の領域及び第２の領域を形成するための方法は、Ｐｔ－含有懸濁液及び膜コーティングのパターンコーティングを複数回繰り返すことを含む。

いくつかの実施形態では、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つが、０．０５ｍｇ／ｃｍ^３～１００ｍｇ／ｃｍ^３の範囲（いくつかの実施形態では、０．１ｍｇ／ｃｍ^３～１００ｍｇ／ｃｍ^３、１ｍｇ／ｃｍ^３～７５ｍｇ／ｃｍ^３、又は更には５ｍｇ／ｃｍ^３～５０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲）の合計濃度で膜の第２領域に存在する。

いくつかの実施形態では、膜内の金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、支持体（例えば、炭素支持体）上に存在する。炭素支持体は、炭素球又は炭素粒子（いくつかの実施形態では、１：１～２：１、又は更には１：１～５：１の範囲のアスペクト比を有する）のうちの少なくとも１つを含む。例示的な炭素球は、例えば、Ｃａｂｏｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）から、商品名「ＶＵＬＣＡＮ ＸＣ７２」及び「ＢＬＡＣＫ ＰＥＡＲＬＳ ＢＰ２０００」で入手可能である。Ｐｔ触媒で既にコーティングされた例示的な炭素支持体は、例えば、田中貴金属工業株式会社（神奈川県平塚市）から商品名「ＴＥＣ１０Ｆ５０Ｅ」、「ＴＥＣ１０ＢＡ５０Ｅ」、「ＴＥＣ１０ＥＡ５０Ｅ」、「ＴＥＣ１０ＶＡ５０Ｅ」、「ＴＥＣ１０ＥＡ２０Ｅ－ＨＴ」、及び「ＴＥＣ１０ＶＡ２０Ｅ」で入手可能である。

炭素支持体はまた、カーボンナノチューブ（例えば、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）（「バッキーチューブ」と呼ばれることもある）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、又は多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ））のうちの少なくとも１つも含む。カーボンナノチューブは、例えば、Ｓｈｏｗａ Ｄｅｎｋｏ Ｃａｒｂｏｎ Ｓａｌｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｒｉｄｇｅｖｉｌｌｅ，ＳＣ）から商品名「ＶＧＣＦ－Ｈ」で入手可能である。

炭素支持体としては、カーボンフラーレン（「バッキーボール」と呼ばれることもある）が挙げられる。カーボンフラーレンは、例えば、フロンティアカーボン株式会社（東京都千代田区）から商品名「ＮＡＮＯＭ」で入手可能である。

炭素支持体は、カーボンナノファイバー又はカーボンマイクロファイバーのうちの少なくとも１つを含む。カーボンナノファイバー及びカーボンマイクロファイバーは、例えば、Ｐｙｒｏｇｒａｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．（Ｃｅｄａｒｖｉｌｌｅ，ＯＨ）から商品名「ＰＹＲＯＧＲＡＦ－ＩＩＩ」で入手可能である。

いくつかの実施形態では、支持体は、ナノ構造化ウィスカー（例えば、ペリレンレッドウィスカー）を含む。ナノ構造化ウィスカーは、米国特許第４，８１２，３５２号（Ｄｅｂｅ）、同第５，０３９，５６１号（Ｄｅｂｅ）、同第５，３３８，４３０号（Ｐａｒｓｏｎａｇｅら）、同第６，１３６，４１２号（Ｓｐｉｅｗａｋら）、及び同第７，４１９，７４１号（Ｖｅｒｎｓｔｒｏｍら）に記載のものを含む、当該技術分野において知られている手法により提供でき、それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。一般に、ナノ構造化ウィスカーは、例えば、有機又は無機材料、例えばペリレンレッドの層を基材（例えば、マイクロ構造化触媒転写ポリマー）上に真空蒸着（例えば、昇華による）し、次に、熱アニーリングによりペリレンレッド顔料をナノ構造化ウィスカーに変換することにより提供できる。典型的には、真空蒸着工程は、約０．１３３３２２Ｐａ又は０．１Ｐａ以下の全圧で実行される。例示的なマイクロ構造は、有機顔料「ペリレンレッド」Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４９（すなわち、Ｎ，Ｎ’－ジ（３，５－キシリル）ペリレン－３，４：９，１０－ビス（ジカルボキシイミド））の熱昇華及び真空アニーリングによって製造される。有機ナノ構造化層の製造方法は、例えば、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａ１５８（１９９２），ｐｐ．１－６；Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，５，（４），Ｊｕｌｙ／Ａｕｇｕｓｔ，１９８７，ｐｐ．１９１４－１６；Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，６，（３），Ｍａｙ／Ａｕｇｕｓｔ，１９８８，ｐｐ．１９０７－１１；Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ，１８６，１９９０，ｐｐ．３２７－４７；Ｊ．Ｍａｔ．Ｓｃｉ．，２５，１９９０，ｐｐ．５２５７－６８；Ｒａｐｉｄｌｙ Ｑｕｅｎｃｈｅｄ Ｍｅｔａｌｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｆｔｈ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｒａｐｉｄｌｙ Ｑｕｅｎｃｈｅｄ Ｍｅｔａｌｓ，Ｗｕｒｚｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ（Ｓｅｐ．３－７，１９８４），Ｓ．Ｓｔｅｅｂ ｅｔ ａｌ．，ｅｄｓ．，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ Ｂ．Ｖ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，（１９８５），ｐｐ．１１１７－２４；Ｐｈｏｔｏ．Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｅｎｇ．，２４，（４），Ｊｕｌｙ／Ａｕｇｕｓｔ １９８０，ｐｐ．２１１－１６；並びに米国特許第４，３４０，２７６号（Ｍａｆｆｉｔｔら）及び同第４，５６８，５９８号（Ｂｉｌｋａｄｉら）で開示され、それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。カーボンナノチューブアレイを使用した触媒層の特性は、「Ｈｉｇｈ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｌａｔｉｎｕｍ ｏｎ Ｗｅｌｌ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ａｒｒａｙｓ」，Ｃａｒｂｏｎ ４２（２００４）１９１－１９７に開示されている。草のような（grassy）又は逆立った（bristled）ケイ素を使用する触媒層の特性は、米国特許公開第２００４／００４８４６６（Ａ１）号（Ｇｏｒｅら）に記載されている。

真空蒸着は、任意の好適な装置で行うことができる（例えば、米国特許第５，３３８，４３０号（Ｐａｒｓｏｎａｇｅら）、同第５，８７９，８２７号（Ｄｅｂｅら）、同第５，８７９，８２８号（Ｄｅｂｅら）、同第６，０４０，０７７号（Ｄｅｂｅら）及び同第６，３１９，２９３号（Ｄｅｂｅら）並びに米国特許公開第２００２／０００４４５３（Ａ１）号（Ｈａｕｇｅｎら）を参照のこと。それらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる）。一例示的機器が、米国特許第５，３３８，４３０号（Ｐａｒｓｏｎａｇｅら）の図４Ａに概略的に示され、添付の文面において論じられており、基材はドラム上に取り付けられ、次に、有機前駆体（例えば、ペリレンレッド顔料）を堆積させるための昇華源又は蒸発源の上で回転させられ、ナノ構造化ウィスカーを形成する。

典型的には、堆積したペリレンレッド顔料の見掛け上の厚さは、約５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲である。典型的には、ウィスカーは、２０ｎｍ～６０ｎｍの範囲の平均断面寸法及び０．３マイクロメートル～３マイクロメートルの範囲の平均長さを有する。

いくつかの実施形態では、ウィスカーはバッキングに取り付けられる。例示的なバッキングは、ポリイミド、ナイロン、金属箔、又は最高３００℃の熱アニーリング温度に耐えることができる他の材料を含む。いくつかの実施形態では、バッキングは、２５マイクロメートル～１２５マイクロメートルの範囲の平均厚さを有する。

いくつかの実施形態では、バッキングは、その表面のうちの少なくとも１つの上にマイクロ構造を有する。いくつかの実施形態では、マイクロ構造は、実質的に均一な形状を有し、ナノ構造化ウィスカーの平均サイズの少なくとも３倍（いくつかの実施形態では、少なくとも４倍、５倍、１０倍、又はそれ以上）のサイズを有する特徴部から構成される。マイクロ構造の形状は、例えば、Ｖ字形状の溝部及び頂部（例えば、米国特許第６，１３６，４１２号（Ｓｐｉｅｗａｋら）を参照のこと。その開示は、参照により本明細書に組み込まれる）又は錐（例えば、米国特許第７，９０１，８２９号（Ｄｅｂｅら）を参照のこと。その開示は、参照により本明細書に組み込まれる）であり得る。いくつかの実施形態では、マイクロ構造の特徴部の何割かは、周期的にマイクロ構造化頂部の平均又は大部分の上に延び、例えば、３１個のＶ字溝頂部ごとに、そのいずれかの側にある頂部よりも２５％又は５０％又は更には１００％高い。いくつかの実施形態では、マイクロ構造化頂部の大部分の上に延びるこの特徴部の割合は、最大１０％（いくつかの実施形態では、最大３％、２％、又は更には最大１％）であり得る。必要時のより高いマイクロ構造の特徴部の使用は、ロール・ツー・ロールコーティング作業においてコーティングされた基材がローラーの表面の上を移動するとき、均一により小さいマイクロ構造頂部の保護に役立ち得る。必要時のより高い特徴部は、より小さいマイクロ構造の頂部よりもローラーの表面に触れ、そのことにより、基材がコーティングプロセスにより進行するにつれ、擦り取られるか、又は別の方法で妨害されるナノ構造化材料又はウィスカーがはるかに少なくなる可能性が高い。

いくつかの実施形態では、支持体は、酸化スズを含む。このような酸化スズは、微粉砕された粒子の形態で、既に触媒されたＰｔ／ＳｎＯ_２として、例えば、田中貴金属工業株式会社（神奈川県平塚市）から商品名「ＴＥＣ１０（ＳｎＯ_２／Ａ）１０Ｅ」及び「ＴＥＣ１０（ＳｎＯ_２／Ａ）３０Ｅ」で入手可能である。

いくつかの実施形態では、支持体は粘土を含む。これらの粘土は、粒子又は板状の形態をとることができ、合成又は天然由来の層状ケイ酸塩であってもよい。このような粘土は、例えば、ＢＹＫ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＧｍｂＨ（Ｗｅｓｅｌ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から商品名「ＬＡＰＯＮＩＴＥ ＲＤ」で入手可能である。

白金は、例えば、米国特許第５，８７９，８２７号（Ｄｅｂｅら）、同第６，０４０，０７７号（Ｄｅｂｅら）、及び同第７，４１９，７４１号（Ｖｅｒｎｓｔｒｏｍら）、並びに米国特許公開第２０１４／０２４６３０４（Ａ１）号（Ｄｅｂｅら）（これらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる）の一般的な教示を使用して、支持体上にスパッタリングすることができる。いくつかの実施形態では、スパッタリングは、少なくとも部分的に、少なくとも２ｃｍ^３／秒の速度でスパッタリングチャンバー内に流入するアルゴンを含む雰囲気中で実行される。

いくつかの実施形態では、白金化ウィスカーは、基材から除去され、触媒粉末を形成する。いくつかの実施形態では、触媒粉末を形成するための方法は、米国特許公開第２０１１／０２６２８２８（Ａ１）号（Ｎｏｄａら）に開示されているような、熱圧着及び凝固を含み、その開示が参照により本明細書に組み込まれる。

アノード及びカソードは、当該技術分野において既知の技術によって提供することができ、２０１６年１２月１日公開のＰＣＴ国際公開第２０１６／１９１０５７（Ａ１）号に記載されているものを含み、その開示が参照により本明細書に組み込まれる。概ね、アノード及びカソードは各々、層から構成される。

いくつかの実施形態では、カソードは、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含む第１の触媒を含む。いくつかの実施形態では、第１の触媒は、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つを更に含む。いくつかの実施形態では、アノードは、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つを含む第２の触媒を含む。いくつかの実施形態では、アノードは、第２の触媒の総重量に基づいて（存在する場合、いかなる支持体も含まないことが理解される）、金属Ｉｒ及び酸化Ｉｒを、元素Ｉｒとして計算して合計少なくとも９５重量％（いくつかの実施形態では、少なくとも９６重量％、９７重量％、９８重量％、又は更には少なくとも９９重量％）含み、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つが存在する。

典型的には、触媒層の平面等価厚さ（planar equivalent thickness）は、０．５ｎｍ～５００ｎｍの範囲である。「平面等価厚さ」は、不均一に分布していてもよく、その表面が不均一な表面であってもよい、表面上に分布する層（例えば、地形全体にわたって分布する雪の層、又は真空蒸着のプロセスにおいて分布する原子の層）に関して、層の総質量が、表面と同じ投影面積を覆う平面上に均一に広がったという仮定に基づき計算される厚さを意味する（不均一な特徴部及び重畳を無視すると、表面により覆われる投影面積は表面の総表面積以下になることに留意する）。

いくつかの実施形態では、アノード触媒は、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つを、元素Ｉｒとして計算して最大１ｍｇ／ｃｍ^２（いくつかの実施形態では最大０．２５ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には最大０．０２５ｍｇ／ｃｍ^２）含む。いくつかの実施形態では、カソード触媒は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを、元素Ｐｔとして計算して最大１ｍｇ／ｃｍ^２（いくつかの実施形態では最大０．２５ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には最大０．０２５ｍｇ／ｃｍ^２）含む。典型的には、触媒は各ウィスカー上の連続層であり、隣接するウィスカーへのブリッジを形成する場合がある。

触媒がナノ構造化ウィスカー（ペリレンレッドナノ構造化ウィスカーを含む）上にコーティングされるいくつかの実施形態では、触媒は、微細構造化基材上のナノ構造化ウィスカー成長工程の直後に、真空中、インラインでコーティングされる。これは、より費用対効果のあるプロセスであり得、結果として、ナノ構造化ウィスカーコーティング基材は、別の時間又は場所での触媒コーティングのために真空中に再挿入される必要がない。Ｉｒ触媒コーティングを単一のターゲットを用いて行う場合、コーティング層を単一の工程でナノ構造化ウィスカー上に適用し、結果として触媒コーティングの凝縮熱が、Ｉｒ、Ｏ等の原子及び基材表面を、原子がよく混合されて熱力学的に安定な領域を形成するのに十分な表面移動度を提供するのに十分な程度に加熱することが望ましい場合がある。Ｐｔ触媒コーティングを単一のターゲットを用いて行う場合、コーティング層を単一の工程でナノ構造化ウィスカー上に適用し、結果として触媒コーティングの凝縮熱が、Ｐｔ、Ｏ等の原子及び基材表面を、原子がよく混合されて熱力学的に安定な領域を形成するのに十分な表面移動度を提供するのに十分な程度に加熱することが望ましい場合がある。あるいは、ペリレンレッドナノ構造化ウィスカーの場合、基材はまた、この原子移動度を促進するよう、例えばナノ構造化ウィスカーコーティング基材を、触媒スパッタ堆積工程の直前にペリレンレッドアニーリングオーブンから出すことにより、高温で又は加熱して提供できる。

１つの又は様々な構造タイプの合金、非晶質領域、結晶領域の存在、非存在、又はサイズなどを含めた、本明細書で記載される触媒の結晶構造及び形態構造は、特に３つ以上の元素を組み合わせるとき、プロセス条件及び製造条件に大きく依存し得ることが、当業者には理解される。

更に、本明細書に記載の触媒は、膜電極接合体を提供するのに有用である。「膜電極接合体」は、電解質、典型的には固体ポリマー電解質を含む膜、及び、少なくとも１つだが、より典型的には２つ以上の、膜に隣接する電極を含む構造を指す。

いくつかの実施形態において、第２の触媒が、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つから実質的になる（すなわち、金属Ｉｒから実質的になる、酸化Ｉｒから実質的になる、又は金属Ｉｒ及び酸化Ｉｒの両方から実質的になる）。いくつかの実施形態では、第２の触媒が、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、第２の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを更に含む。いくつかの実施形態では、第２の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つ、及び金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つから実質的になる。

金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つ、及び金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つ、を含むか又はそれらから実質的になる触媒の場合、イリジウム及び白金は、元素Ｉｒ及びＰｔとして計算してそれぞれ、ＩｒのＰｔに対する合計重量比が少なくとも２０：１である（いくつかの実施形態では、少なくとも５０：１、１００：１、５００：１、１０００：１、５，０００：１、又は更には少なくとも１０，０００：１；いくつかの実施形態では、２０：１～１０，０００：１、２０：１～５，０００：１、２０：１～１０００：１、２０：１～５００：１、２０：１～１００：１、又は更には２０：１～５０：１の範囲）。

いくつかの実施形態では、第２の触媒の金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つは、少なくとも０．０１ｍｇ／ｃｍ^２の合計面密度を有する（いくつかの実施形態では、少なくとも０．０５ｍｇ／ｃｍ^２、０．１ｍｇ／ｃｍ^２、０．２５ｍｇ／ｃｍ^２、０．５ｍｇ／ｃｍ^２、１ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には少なくとも５ｍｇ／ｃｍ^２；いくつかの実施形態では、０．０１ｍｇ／ｃｍ^２～５ｍｇ／ｃｍ^２、０．０５ｍｇ／ｃｍ^２～２．５ｍｇ／ｃｍ^２、０．１ｍｇ／ｃｍ^２～１ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には０．２５ｍｇ／ｃｍ^２～０．７５ｍｇ／ｃｍ^２の範囲）。

本明細書に記載の水電解装置は、水から水素及び酸素を生成するのに有用であり、水がアノードと接触し、電流を、膜にわたって十分な電位差を有する膜を通して提供して、水の少なくとも一部分をカソード及びアノードでそれぞれ水素及び酸素に変換する。

例示的実施形態
１Ａ．水電解装置であって、
互いに反対側にある第１主面及び第２主面を有し、第１主面と第２主面との間に延びる厚さを有する膜と、
膜の第１主面上に第１の触媒を含むカソードと、
膜の第２主面上に第２の触媒を含むアノードと、を含み、
膜は、平面である場合、長さ方向、平均長さ、幅方向、平均幅、厚さ方向、及び平均厚さを有し、
平均長さ及び平均幅はそれぞれ、平均厚さよりも大きく、
平均幅は、平均長さ以下であり、
平均厚さは、膜の第１主面と第２主面との間に画定され、
平均長さ、平均幅、及び平均厚さは、膜体積を画定し、
長さ方向、幅方向、及び厚さ方向は、それぞれ互いに垂直であり、
膜体積は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含み、
膜体積は、膜内の少なくとも１つの平面にわたって、少なくとも５（いくつかの実施形態では、少なくとも６、７、８、９、１０、２５、５０、７５、１００、５００、又は更には少なくとも１０００）個の交互になっている第１の領域及び第２の領域を含み、
第１の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１（いくつかの実施形態では、少なくとも０．５、１、５、１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、１０００、２５００、又は更に少なくとも５０００）マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有し、
第２の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１（いくつかの実施形態では、０．００５、０．００２５、０．００１、０．０００５、０．０００２５、０．０００１、０．００００５、０．００００２５、０．００００１以下、又は更にゼロ）マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有し、
第１の濃度は、第２の濃度の少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２５、５０、１００、５００、又は更には少なくとも１０００；いくつかの実施形態では、１０～１０００、２５～５００、又は更には５０～１００の範囲で）倍である。

２Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、長さ方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

３Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、幅方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

４Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、厚さ方向で少なくとも１本の線（いくつかの実施形態では、少なくとも２本、３本、４本、５本、又はそれ以上の線）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

５Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、長さ及び幅方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

６Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、長さ及び厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

７Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域は、幅及び厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの平面）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

８Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、長さ、幅、及び厚さの方向内で少なくとも１つの体積（いくつかの実施形態では、少なくとも２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれより多くの体積）にわたっている、例示的実施形態１Ａに記載の水電解装置。

９Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて周期的な濃度パターンを提供する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

１０Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて半正弦波形（half sinusoidal）濃度パターンを提供する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

１１Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて正弦波形状濃度パターンを提供する、例示的実施形態１Ａ～８Ａのいずれか１つに記載の水電解装置。

１２Ａ．交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて三角形の濃度パターンを提供する、例示的実施形態１Ａ～８Ａのいずれか１つに記載の水電解装置。

１３Ａ．第１の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含む、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

１４Ａ．第１の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つから本質的になる、例示的実施形態１Ａ～１２Ａのいずれか１つに記載の水電解装置。

１５Ａ．第２の触媒が、第２の触媒の総重量に基づいて、金属Ｉｒ及び酸化Ｉｒを、元素Ｉｒとして計算して、合計少なくとも９５重量％（いくつかの実施形態では、少なくとも９６重量％、９７重量％、９８重量％、又は更には少なくとも９９重量％）含み、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つが存在する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

１６Ａ．第２の触媒が、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つから実質的になる、例示的実施形態１５Ａに記載の水電解装置。

１７Ａ．第２の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを更に含む、例示的実施形態１５Ａに記載の水電解装置。

１８Ａ．第２の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つ、及び金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つから本質的になる、例示的実施形態１７Ａに記載の水電解装置。

１９Ａ．金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つと及び金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つとが、それぞれ、元素Ｉｒ及びＰｔとして計算される、２０：１（いくつかの実施形態では、少なくとも５０：１、１００：１、５００：１、１０００：１、５，０００：１、又は更には少なくとも１０，０００：１；いくつかの実施形態では、２０：１～１０，０００：１、２０：１～５，０００：１、２０：１～１０００：１、２０：１～５００：１、２０：１～１００：１、又は更には２０：１～５０：１の範囲）のＩｒ対Ｐｔの合計重量比を有する、例示的実施形態１７Ａ又は１８Ａのいずれかに記載の水電解装置。

２０Ａ．第２の触媒の金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つが、少なくとも０．０１ｍｇ／ｃｍ^２の合計面密度を有する（いくつかの実施形態では、少なくとも０．０５ｍｇ／ｃｍ^２、０．１ｍｇ／ｃｍ^２、０．２５ｍｇ／ｃｍ^２、０．５ｍｇ／ｃｍ^２、１ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には少なくとも５ｍｇ／ｃｍ^２；いくつかの実施形態では、０．０１ｍｇ／ｃｍ^２～５ｍｇ／ｃｍ^２、０．０５ｍｇ／ｃｍ^２～２．５ｍｇ／ｃｍ^２、０．１ｍｇ／ｃｍ^２～１ｍｇ／ｃｍ^２、又は更には０．２５ｍｇ／ｃｍ^２～０．７５ｍｇ／ｃｍ^２の範囲）、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

２１Ａ．膜が、ポリマー電解質を更に含む、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

２２Ａ．ポリマー電解質が、ペルフルオロスルホン酸又はペルフルオロスルホンイミド酸のうちの少なくとも１つである、例示的実施形態２１Ａに記載の水電解装置。

２３Ａ．金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つが、０．０５ｍｇ／ｃｍ^３～１００ｍｇ／ｃｍ^３の範囲（いくつかの実施形態では、０．１ｍｇ／ｃｍ^３～１００ｍｇ／ｃｍ^３、１ｍｇ／ｃｍ^３～７５ｍｇ／ｃｍ^３、又は更には５ｍｇ／ｃｍ^３～５０ｍｇ／ｃｍ^３の範囲）の合計濃度で膜内に存在する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

２４Ａ．膜内の金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも一部分が、支持体上に存在する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

２５Ａ．支持体が、炭素を含む、例示的実施形態２４Ａに記載の水電解装置。

２６Ａ．支持体が、炭素球又は炭素粒子（いくつかの実施形態では、１：１～２：１、又は更には１：１～５：１の範囲のアスペクト比を有する）のうちの少なくとも１つを含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

２７Ａ．支持体が、カーボンナノチューブ（例えば、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）（「バッキーチューブ」と呼ばれることもある）又は多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ））を含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

２８Ａ．支持体が、カーボンフラーレン（「バッキーボール」と呼ばれることもある）を含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

２９Ａ．支持体が、カーボンナノファイバー又はカーボンマイクロファイバーのうちの少なくとも１つを含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

３０Ａ．支持体が、ナノ構造化ウィスカーを含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

３１Ａ．ナノ構造化ウィスカーが、ペリレンレッドを含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

３２Ａ．支持体が、酸化スズを含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

３３Ａ．支持体が、粘土を含む、例示的実施形態２５Ａに記載の水電解装置。

３４Ａ．膜内に存在する任意の金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔが、膜内に完全に埋め込まれている、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

３５Ａ．膜内に存在する金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、又は少なくとも９９）重量パーセントが、白金とアノード電極との間に少なくとも１００（いくつかの実施形態では、少なくとも２００、５００、１，０００、１０，０００、１００，０００、更には少なくとも１，０００，０００）オームセンチメートルの電気抵抗率を有する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

３６Ａ．膜内に存在する金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つの少なくとも１０（いくつかの実施形態では、少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、９５、又は少なくとも９９）重量パーセントが、０酸化（金属）状態にある、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

３７Ａ．膜が、円形、長円形、又は楕円形のうちの少なくとも１つである形状を有する、先行する任意の例示的実施形態に記載の水電解装置。

１Ｂ．水から水素及び酸素を生成する方法であって、
先行する例示的実施形態に記載の水電解装置を提供することと、
アノードと接触する水を提供することと、
水の少なくとも一部をカソード及びアノードでそれぞれ水素及び酸素に変換するように、十分な電流と共に膜に電位差を提供することと、を含む、方法。

本発明の利点及び実施形態を以降の実施例によって更に説明するが、これらの実施例において述べられる特定の材料及びそれらの量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈されるべきではない。全ての部及び百分率は、別段の指示のない限り、重量に基づく。

比較例Ａ
触媒担体として使用されるナノ構造化ウィスカーを、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，３３８，４３０号（Ｐａｒｓｏｎａｇｅら）、同第４，８１２，３５２号（Ｄｅｂｅ）、及び同第５，０３９，５６１号（Ｄｅｂｅ）に記載されている方法に従い、これもまた参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，１３６，４１２号（Ｓｐｉｅｗａｋら）に記載されているマイクロ構造化触媒移動基材（すなわち、ＭＣＴＳ）を基材として使用して、製造した。ペリレンレッド顔料（すなわち、Ｎ，Ｎ’－ジ（３，５－キシリル）ペリレン－３，４：９，１０－ビス（ジカルボキシイミド））（Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４９、「ＰＲ１４９」としても知られており、Ｃｌａｒｉａｎｔ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）から入手）を、２００ｎｍの見掛け上の厚さを有するＭＣＴＳ上へと真空昇華コーティングし、その後アニーリングした。堆積及びアニーリングの後、大きいアスペクト比、制御可能な約０．５～２マイクロメートルの長さ、約０．０３～０．０５マイクロメートルの幅、及び１平方マイクロメートルあたり約３０のウィスカーの面積数密度を有して、高度に配向した結晶構造が形成され、下にある基材に対して実質的に垂直に配向していた。

ナノ構造化薄膜（ＮＳＴＦ）Ｉｒ系触媒（５００Ｉｒ－ＮＳＴＦ）を、Ｉｒ触媒フィルムをナノ構造化ウィスカーの層上にスパッタコーティングすることによって調製した。ナノ構造化ウィスカーの層上にＤＣ－マグネトロンスパッタリングプロセスを用いて触媒フィルムをスパッタコーティングすることによって、ナノ構造化薄膜（ＮＳＴＦ）触媒層を調製した。ＭＣＴＳ基材上のロール品ナノ構造化ウィスカーを、米国特許第５，３３８，４３０号（Ｐａｒｓｏｎａｇｅら）の図４Ａに記載されているものと同様であるがロール品基材ウェブ上のコーティングを可能にする追加機能を備えた、真空スパッタ蒸着システムに充填した。スパッタリングガスとして約０．６６６Ｐａの圧力で超高純度Ａｒを用いることによって、コーティングをスパッタ堆積させた。最初にロール品基材の全ての切片を、通電された５インチ×１５インチ（１３ｃｍ×３８ｃｍ）の平面Ｉｒスパッタリングターゲット（（Ｍａｔｅｒｉｏｎ（Ｃｌｉｆｔｏｎ，ＮＪ）から入手）にさらし、Ｉｒを基材上に堆積させることにより、Ｉｒ－ＮＳＴＦ触媒層をロール品上に堆積させた。マグネトロンスパッタリングターゲット堆積速度及びウェブ速度を制御して、基材上に所望のＩｒの面充填量（Ａｒｅａｌ ｌｏａｄｉｎｇ）を得た。ＤＣマグネトロンスパッタリングターゲットの堆積速度及びウェブ速度は、当業者に知られている標準的な方法により測定した。基材を、所望のＩｒ面充填量、すなわち１ｃｍ^２あたり５００マイクログラムのＩｒが得られるまで、通電されたＩｒスパッタリングターゲットに繰り返しさらすことにより、Ｉｒを基材上に更に堆積させた。

ナノ構造薄膜２５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒を、上記で５００Ｉｒ－ＮＳＴＦについて説明したように調製したが、Ｉｒの代わりに純粋な５インチｘ１５インチ（１３ｃｍｘ３８ｃｍ）の平面Ｐｔスパッタリングターゲット（Ｍａｔｅｒｉｏｎから入手）を使用し、所望のＰｔ面充填量は、１ｃｍ^２あたり２５０マイクログラムのＰｔであった。

米国特許第５，８７９，８２７号（Ｄｅｂｅら）に詳細に記載されたラミネーションプロセスを使用して、上述の５００Ｉｒ－ＮＳＴＦ及び２５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒コーティングウィスカーをプロトン交換膜（ＰＥＭ）（「ＮＡＦＩＯＮ １１７」）のいずれかの表面上に転写することにより、触媒コーティング膜（ＣＣＭ）を製造した。膜厚は、以下の表１に列挙された１８３マイクロメートル（仕様厚１７７．８マイクロメートルに類似）であると測定され、膜はＰｔを含有せず、また以下の表１に記載した。

ＰＥＭの片面（カソード側となる）に２５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒層をラミネートし、ＰＥＭの他の（アノード）側にＩｒ－ＮＳＴＦ触媒層をラミネートした。触媒転写は、ＰＥＭ上へのＮＳＴＦ触媒のホットロールラミネーションによって達成された：ホットロール温度は３５０°Ｆ（１７７℃）であり、ラミネーターロールをニップで合わせるよう供給されたガスライン圧は、１５０ｐｓｉ～１８０ｐｓｉ（１．０３ＭＰａ～１．２４ＭＰａ）の範囲であった。触媒コーティングＭＣＴＳを、１３．５ｃｍ×１３．５ｃｍの正方形の形状にあらかじめ切断し、より大きな正方形のＰＥＭの片面又は両面に挟んだ。片面又は両面に触媒コーティングＭＣＴＳを有するＰＥＭを、２ｍｉｌ（５１マイクロメートル）の厚さのポリイミドフィルムの間に配置し、次いで外側に紙を配置した後、１．２ｆｔ．／分（３７ｃｍ／分）の速度で重ね合わせ接合体を、ホットロールラミネーターのニップに通過させた。ニップに通した直後、接合体がまだ温かいうちに、ポリイミド及び紙の層を素早く除去し、ＣｒコーティングＭＣＴＳ基材をＣＣＭから手ではがし、触媒コーティングウィスカーはＰＥＭ表面に付着したままにした。

ＣＣＭを、適切なガス拡散層と共に、４蛇行流動場（quad serpentine flow fields）を備える５０ｃｍ^２の活性領域試験セル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ））から「５０ＳＣＨ」の商品名で入手）内に直接設置した。アノード側の通常の黒鉛流動場ブロックを、電解装置動作中の高アノード電位に耐えるよう、同じ寸法及び流動場設計のＰｔめっきＴｉ流動場ブロック（Ｇｉｎｅｒ，Ｉｎｃ．（Ａｕｂｕｒｎｄａｌｅ，ＭＡ）から入手）と置き換えた。１８ＭΩの抵抗を有する精製水を、アノードに７５ｍＬ／分で供給した。ポテンシオスタット（Ｂｉｏ Ｌｏｇｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＳＡＳ（Ｓｅｙｓｓｉｎｅｔ－Ｐａｒｉｓｅｔ，Ｆｒａｎｃｅ）から商品名「ＶＭＰ－３、Ｍｏｄｅｌ ＶＭＰ－３」で入手）を、１００Ａ／５Ｖブースター（Ｂｉｏ Ｌｏｇｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＳＡＳからＶＭＰ ３００として入手）と組み合わせて、セルに接続し、印加されたセル電圧又は電流密度を制御するために使用した。電池アノードの排出を、冷却した熱交換器及び液体分離系に通過させ、凝縮して水分を除去した後、酸素中の水素濃度についての排出ガスの分析のために、ガスクロマトグラフ（Ａｇｉｌｅｎｔ（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡ）から「ＭＩＣＲＯ４９０」モデル４９０ Ｍｉｃｒｏ ＧＣの商品名で入手）によって乾燥排ガスをサンプリングした。

セルを、７５ｍＬ／分の速度でアノードに流れる脱イオン水（１８ＭΩ・ｃｍ）を用いて、８０℃の温度で動作させ、アノード及びカソード出口を周囲圧力（１０１ｋＰａ）付近に保持した。ポテンシオスタットを使用して、セル電流密度を２Ａ／ｃｍ^２で固定したまま保持し、その間、アノードガス流出物を、酸素中の水素濃度について特性評価した。セル電圧及びアノード流出物中の水素濃度が安定化すると、電流密度を、より低い電流密度に段階的に低下させ、電圧及び酸素中の水素濃度が安定化するまで保持した。このプロセスを、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ^２に達するまで繰り返し、電流密度を、電圧及び酸素中の水素濃度が安定化するまで保持した。０．０５Ａ／ｃｍ^２でのアノード流出流中のＨ_２の濃度は、酸素中０．５２モル％の水素であり、上記の表１にまとめた。

比較例Ｂ
比較例Ｂを、「Ｎａｆｉｏｎ １１７」膜の代わりに、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ ＭＮ）から「３Ｍ ＰＦＳＡ ８２５ＥＷ」の商品名で入手した厚さ１００マイクロメートルの膜を使用したことを除いて、比較例Ａについて記載したように調製して、特性評価した。膜は、米国特許第７，３４８，０８８号（Ｈａｍｒｏｃｋら）の列３、行３７～６７から列４、行１～２４に記載されているように、最初に２つの５０マイクロメートルの厚さの膜を、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙから「８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ ＩＯＮＯＭＥＲ」の商品名で入手したアイオノマーによりキャストすることによって調製し、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。２つの５０マイクロメートル厚膜（「８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）を、ＣＣＭを作製するための比較例Ａに記載のラミネーション手順と同様の加熱ニップロールラミネーションによって一緒にラミネートした。比較例Ａについて記載したように、２層膜をＣＣＭに作製し、特性評価した。０．０５Ａ／ｃｍ^２でのアノード流出流中の測定された水素濃度は、酸素中０．８２モル％であり、上記の表１に列挙した。

比較例Ｃ
比較例Ｃは、１００マイクロメートル厚膜（「３Ｍ ８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）の代わりに膜（「３Ｍ ８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）、厚さ１２５マイクロメートルを使用したことを除いて、比較例Ｂについて記載したように調製し、特性評価した。膜は、５０マイクロメートル厚膜（「８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）及び１層の溶液キャスト２５マイクロメートル厚膜（「８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）の２層を、ＣＣＭを作製するために記載されたラミネーション手順と類似の加熱ニップロールラミネーションによりラミネートすることによって調製した。０．０５Ａ／ｃｍ^２のアノード流出流中の測定された水素濃度は、酸素中０．６２モル％であり、上記の表１に列挙した。

比較例Ｄ
比較例Ｄは、２５マイクロメートル厚膜（「８２５ ＥＷ ＰＦＳＡ」）を、２５マイクロメートル厚膜全体に均一に分布させたウィスカー上に支持された白金を含有する４３マイクロメートル厚膜（以下に記載されるように調製された）と置き換えたことを除いて、比較例Ｃについて記載したように調製し、特性評価した。

上記で２５０Ｐｔ－ＮＳＴＦについて記載したように、ナノ構造化薄膜５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒を調製し、１ｃｍ^２あたり５０マイクログラムのＰｔの所望のＰｔ面充填量を用いて調製した。ウィスカー支持体の面充填量は、１ｃｍ^２あたりおよそ２０マイクログラムであり、支持５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒の計算Ｐｔ重量％は、Ｐｔ７１．４重量％であった。触媒粉末を、ブラシを用いてＭＣＴＳから除去し、収集した。

０．９グラムの５０Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒を９グラムの脱イオン水に撹拌し、一晩撹拌し続けることにより、９重量％の支持された白金触媒の懸濁液を調製した。９重量％の支持された白金触媒の懸濁液１．６２グラム、及び３４重量％のペルフルオロスルホン酸イオン交換樹脂溶液２８．８３グラムを互いに混合し、複合混合物を１００ＲＰＭで一晩ゆっくり撹拌して、均質な混合物を得た。

次いで、得られた混合物を直ちに使用して膜をキャストした。５インチ（１２．７ｃｍ）幅のマイクロフィルムアプリケーター（Ｐａｕｌ Ｎ．Ｇａｒｄｎｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．（Ｐｏｍｐａｎｏ Ｂｅａｃｈ，ＦＬ）から入手）を使用して、５インチ（１２．７ｃｍ）幅のコーティング全体にわたって均一である１５ｍｉｌ（０．３８ミリメートル）の湿潤フィルム厚さで、複合混合物を２ｍｉｌ（５１マイクロメートル）厚さのポリイミドフィルム（Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）から「ＫＡＰＴＯＮ ＨＮ」の商品名で入手）上にコーティングした。コーティングされた試料を７０℃で１５分間乾燥させ、次いで１２０℃で３０分間乾燥させた後、１６０℃で１０分間アニーリングした。次いで、アニーリングされた試料を室温まで冷却した。

乾燥膜厚は、厚さ４３マイクロメートルとして測定した。膜は、膜の長さ及び幅全体にわたって均一に不透明であり、これは、支持された白金触媒が膜の長さ及び幅に沿って均一に分布していたことを示す。

懸濁製剤の情報、材料密度、及び上記の測定された厚さに基づいて、乾燥膜が、膜１ｃｍ^３あたり２１，３１２マイクログラムのＰｔを含有するように計算し、乾燥膜内のＰｔ充填量を０．０９２ｍｇ／ｃｍ^２と計算して、上記の表１に列挙した。

得られた４３マイクロメートル厚のＰｔ含有膜を、２つの５０マイクロメートル厚膜（「３Ｍ８２５ＥＷ ＰＦＳ Ａ」）の間に、３５０°Ｆ（１７７℃）のラミネータ温度、１５０ｐｓｉ（１．０３ＭＰａ）の適用圧力、及び０．５フィート／分（１５．２４ｃｍ／分）のローラー速度でラミネートした。比較例Ｃについて記載したように、得られた１４３マイクロメートル厚の膜をＣＣＭに組み込んで、比較例Ｃについて記載したように、水素クロスオーバーについて特性評価した。０．０５Ａ／ｃｍ^２でのアノード流出流中の測定された水素濃度は酸素中０．００３モル％であり、上記の表１に列挙した。

実施例１
実施例１は、支持Ｐｔ及びアイオノマー懸濁製剤が下記のとおりであることを除いて、比較例Ｄについて記載したように調製し、特性評価した。Ｐｔ－ＮＳＴＦ及びアイオノマーを含有する懸濁液をコーティングするために使用されるコーティング方法は、以下に記載のとおりであった。

０．２１５グラムの５０Ｐｔ－ＮＳＴＦを、２．１５グラムのＤＩ水で１時間撹拌した。次に、アルコール／水溶媒混合物中の３４重量％ＰＦＳＡ溶液１２グラムを、ウィスカー分散体に加えた。得られた混合物を、電磁撹拌器を使用して、室温で一晩１００ＲＰＭで撹拌した。

実験室用コーティングメイヤーロッド１６”×０．５”、ワイヤ＃２０（ＲＤ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｗｅｂｓｔｅｒ，ＮＹ）から入手）を使用して、Ｐｔ－ＮＳＴＦ、アイオノマー、及び溶媒混合物を直接ガラス板上にコーティングし、約５０マイクロメートルの湿潤コーティングを得た。コーティングをオーブン内にて７０℃で１５分間乾燥させ、次いで１２０℃で３０分間乾燥させた後、１６０℃で１０分間アニーリングした。次いで、アニーリングされた試料を室温まで冷却した。測定されたフィルムの厚さは、７．６２マイクロメートルであった。乾燥フィルムは、フィルム幅全体にわたって交互に透明かつ不透明な領域からなり、これはおそらくフィルム幅全体にわたるＰｔ濃度の変化に起因する。

懸濁製剤の情報、材料密度、及び上記の測定された厚さに基づいて、乾燥膜が、膜１ｃｍ^３あたり７４，１２０マイクログラムのＰｔを含有するように計算し、乾燥膜内のＰｔ充填量を０．０５７ｍｇ／ｃｍ^２と計算して、上記の表１に列挙した。

乾燥したフィルムの縁部を、テープ（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ製の「３Ｍポリイミドフィルムテープ５４１３」）を使用してガラス板に貼り付けた。幅１２７ｍｍのマイクロフィルムアプリケーター（Ｐａｕｌ Ｎ．Ｇａｒｄｎｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．から入手）を使用して、３４重量％のアイオノマーの層を乾燥フィルムの上部にコーティングした。コーティングの湿潤厚さを計算して、乾燥時の厚さがおよそ５０マイクロメートルの膜を製造した。２層コーティングを７０℃で１５分間乾燥させ、次いで１２０℃で３０分間乾燥させた後、１６０℃で１０分間アニーリングして、二層膜を得、１つの層はＰＦＳＡアイオノマーのみで構成され、２番目の層には支持Ｐｔ触媒及びアイオノマーが含まれており、幅全体にわたってＰｔ充填量が変化した。

次いで、２層膜をガラス板から除去し、５０マイクロメートル厚のＰＦＳＡ膜を、支持Ｐｔ触媒及びアイオノマーから構成された２層膜の側に、１７７℃、１．０３４ＭＰａ、及び２．５４ｍｍ／秒でラミネートした。得られた３層膜の厚さは、１０１～１０８マイクロメートルの範囲であった。

比較例Ｄについて記載したように、得られた３層膜をＣＣＭに組み込んで、比較例Ｄについて記載したように、水素クロスオーバーについて特性評価した。０．０５Ａ／ｃｍ^２でのアノード流出流中の測定された水素濃度は酸素中０．０２モル％であり、上記の表１に列挙した。

実施例２
実施例２は、膜内で使用される支持された白金が以下に記載されるように異なることを除いて、実施例１に記載のように調製した。上記で５０Ｐｔ－ＮＳＴＦについて記載したように、ナノ構造化薄膜１００Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒を調製し、１ｃｍ^２あたり１００マイクログラムのＰｔの所望のＰｔ面充填量を用いて調製した。ウィスカー支持体の面充填量は、１ｃｍ^２あたりおよそ２０マイクログラムであり、支持１００Ｐｔ－ＮＳＴＦ触媒の計算Ｐｔ重量％は、Ｐｔ８３．３重量％であった。０．２１５グラムの１００Ｐｔ－ＮＳＴＦを２．１５グラムの脱イオン水で１時間撹拌した。次に、アルコール／水溶媒混合物中の３４重量％ＰＦＳＡ溶液１２グラムを、ウィスカー分散体に加えた。得られた混合物を、電磁撹拌器を使用して、室温で一晩１００ＲＰＭで撹拌した。上記実施例１に記載のように、混合物を用いて３層膜を作製した。懸濁製剤の情報、材料密度、及び上記の測定された厚さに基づいて、乾燥膜が、膜１ｃｍ^３あたり８６，６８９マイクログラムのＰｔを含有するように計算し、乾燥膜内の面Ｐｔ充填量を０．０６６ｍｇ／ｃｍ^２と計算して、上記の表１に列挙した。

得られた３層膜を、実施例１に記載のようにＣＣＭに組み込んだ。特性評価中に、試験エラーにより、実施例２の水素クロスオーバーを決定することができなかった。

本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない、本開示の予測可能な修正及び変更は、当業者にとって自明であろう。本発明は、例示目的のために本出願に記載されている実施形態に限定されるものではない。

Claims (15)

1. 水電解装置であって、
   互いに反対側にある第１主面及び第２主面を有し、前記第１主面と前記第２主面との間に延びる厚さを有する膜と、
   前記膜の前記第１主面上に第１の触媒を含むカソードと、
   前記膜の前記第２主面上に第２の触媒を含むアノードと、を含み、
   前記膜は、平面である場合、長さ方向、平均長さ、幅方向、平均幅、厚さ方向、及び平均厚さを有し、
   前記平均長さ及び前記平均幅はそれぞれ、前記平均厚さよりも大きく、
   前記平均幅は、前記平均長さ以下であり、
   前記平均厚さは、前記膜の第１主面と第２主面との間に画定され、
   前記平均長さ、前記平均幅、及び前記平均厚さは、膜体積を画定し、
   前記長さ方向、前記幅方向、及び前記厚さ方向は、それぞれ互いに垂直であり、
   前記膜体積は、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含み、
   前記膜体積は、前記膜内の少なくとも１つの平面にわたって、少なくとも５個の交互になっている第１の領域及び第２の領域を含み、
   前記第１の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計少なくとも０．１マイクログラム／ｃｍ^３である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第１の濃度を有し、
   前記第２の領域は、１００立方マイクロメートルの立方体体積内に、合計０．０１マイクログラム／ｃｍ^３以下である金属Ｐｔ及び酸化Ｐｔの第２の濃度を有し、
   前記第１の濃度は、前記第２の濃度の少なくとも１０倍である、水電解装置。
2. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、前記長さ方向、前記幅方向、又は前記厚さ方向のうちの少なくとも１つで少なくとも１本の線にわたっている、請求項１に記載の水電解装置。
3. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、（ａ）前記長さ方向及び前記幅方向に平行である少なくとも１つの平面、（ｂ）前記長さ方向及び前記厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面、又は（ｃ）前記幅方向及び前記厚さ方向に平行である少なくとも１つの平面のうちの少なくとも１つにわたっている、請求項１に記載の水電解装置。
4. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、前記長さ、前記幅、及び前記厚さの方向内で少なくとも１つの体積にわたっている、請求項１に記載の水電解装置。
5. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて半正弦波形濃度パターンを提供する、請求項１～４のいずれか一項に記載の水電解装置。
6. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて正弦波形状濃度パターンを提供する、請求項１～４のいずれか一項に記載の水電解装置。
7. 前記交互になっている第１の領域及び第２の領域が、あわせて三角形の濃度パターンを提供する、請求項１～４のいずれか一項に記載の水電解装置。
8. 前記第１の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の水電解装置。
9. 前記第２の触媒が、前記第２の触媒の総重量に基づいて、金属Ｉｒ及び酸化Ｉｒを、元素Ｉｒとして計算して、合計少なくとも９５重量％含み、金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つが存在する、請求項１～８のいずれか一項に記載の水電解装置。
10. 前記第２の触媒が、金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つを更に含む、請求項９に記載の水電解装置。
11. 前記金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つと金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つとが、それぞれ、元素Ｉｒ及びＰｔとして計算される、少なくとも２０：１のＩｒ対Ｐｔの合計重量比を有する、請求項９に記載の水電解装置。
12. 前記第２の触媒の前記金属Ｉｒ又は酸化Ｉｒのうちの少なくとも１つが、少なくとも０．０１ｍｇ／ｃｍ^２の面密度を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の水電解装置。
13. 前記膜が、ポリマー電解質を更に含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の水電解装置。
14. 前記金属Ｐｔ又は酸化Ｐｔのうちの少なくとも１つが、０．０５ｍｇ／ｃｍ^３～１００ｍｇ／ｃｍ^３の範囲の合計濃度で前記膜内に存在する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の水電解装置。
15. 水から水素及び酸素を生成する方法であって、
    請求項１～１４のいずれか一項に記載の水電解装置を提供することと、
    前記アノードと接触する水を提供することと、
    前記水の少なくとも一部を前記カソード及びアノードでそれぞれ水素及び酸素に変換するように、十分な電流と共に前記膜に電位差を提供することと、を含む、方法。

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