JP2023538279A - 水電解器 - Google Patents

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Abstract

本出願は、アニオン交換膜を組み込んだ水電解器などの水電解器に関する。本出願はまた、水電解器に組み込まれる材料、および水電解器を製造するためのアプローチ、ならびに水電解器を使用する方法に関する。【選択図】図１

Description

関連出願の参照による組み込み
本出願は、２０２０年８月６日に出願された米国仮出願第６３／０６２，０４１号に基づき、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９（ｅ）によるその優先権を主張し、その全ての内容は、その全体的な参照により本明細書に組み込まれる。
発明が属する分野
本出願は、アニオン交換膜を組み込んだ水電解器などの水電解器に関する。本出願はまた、水電解器に組み込まれる材料、および水電解器を製造するためのアプローチ、ならびに水電解器を使用する方法に関する。
「水分解」としても知られる水電解は、液状水（Ｈ2Ｏ）の酸素ガス（Ｏ2）および水素ガス（Ｈ2）への分解である。高レベルでは、水電解は、アノードとカソードとの間に印加される少なくとも１．２３Ｖの電圧で水に電流を流すことによって達成される。水素ガスはカソードで生成され、酸素ガスはアノードで生成される。水素ガスは、ハーバー法（ほとんどの農業肥料を製造するために使用されるアンモニアを製造するためのもの）を含む多くの重要な工業プロセスにおいて、直接（代替）エネルギー源および試薬の両方として、工業化社会において重要な役割を果たす。酸素ガスはまた、酸化剤として、または単純に呼吸可能な空気の成分として使用されることもある。例えば、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）に居住する宇宙飛行士は、生命維持のための酸素供給を維持するために水電解に頼っている。
しかしながら、純水および金属電極のみを使用する単純な水電解は、この設計によって許容される電流密度が実用には低すぎるため、水素および酸素を効率的に生成しない。結果として、２つの一次水電解アプローチ、具体的にはアルカリ電解およびプロトン交換膜（ＰＥＭ）電解が現在使用されており、これは、はるかに高い電流密度を可能にし、はるかに多くの気体生成物を生成する。しかしながら、両方のアプローチは、重大な欠点を有する。アルカリ電解器は、ＰＥＭアプローチよりも効率が低く、液体電解質の使用を必要とし、初期設備投資費およびプラントバランス（サポート部品および補助システム）を増加させ、同じ材料出力を生成するためにより大きなプラントを必要とする。ＰＥＭ電解器は、アルカリ電解器よりも効率的であり、純水を使用することができる一方で、はるかに高価なアノードおよびカソード材料ならびに触媒（例えば、白金族金属電極および触媒）を必要とする酸性環境で動作し、初期設備投資費を著しく増加させる。ＫＯＨまたはＮａＨＣＯ3などの腐食性電解質を利用するアニオン交換膜電解器（ＡＥＭＥＬ）などの他の水電解技術も存在する。腐食性電解質の必要性のために、そのようなシステムは、工業的に使用される最新システムの現状を著しく改善することはない。その結果、商業的水素の大部分は、水電解アプローチを使用して生成されていない。代わりに、ほとんどの工業用水素は、天然ガスの水蒸気改質、メタンの部分酸化、および石炭ガス化などの再生不可能な手法によって生成されている。
これらの再生不可能なアプローチとは対照的に、水電解は、完全なカーボンニュートラル方式で実施することができ、１００％の再生可能な水素エネルギーを生成することができる。さらに、水電解は、化石燃料を使用せずに国内で水素を生成することができ、これは、水電解により、外国のエネルギー源への依存および／または戦略的化石燃料備蓄の利用の必要性が著しく低減されまたは排除できることを意味する。しかしながら、現在の水電解技術は、再生不可能なアプローチと競合するのに十分に経済的に効率的ではないので、改善された水電解アプローチを開発する強い必要性がある。
改善された水電解の必要性を認識して、本出願の発明者らは、高い電流密度を維持しながら工業用水電解の費用を大幅に低減する新規な水電解器、電解器材料および関連する方法を開発した。
したがって、一態様では、本出願は水電解器を提供する。本出願の好ましい実施形態では、水電解器は、固体ポリマーアニオン交換膜および純水を使用するアニオン交換膜水電解器（またはＡＥＭＥＬ）であり、したがって、図１に示されるように、液体電解質を必要としない（例えば、ＫＯＨまたはＮａＨＣＯ3のようなアルカリ電解質を必要としない）。このようなＡＥＭＥＬの好ましい構造は図２に示されるように複数のエンドプレートを含み、その間には、双極プレート（時には中間プレートとして知られる）によって互いに分離されて、それぞれガス拡散層、膜および多孔質輸送層を備えた「ｎ」個の電気化学セルが配置されている。セル数「ｎ」は、１（単セルとして知られる）または複数（スタックとして知られる）であり得る。
本出願の水電解器は、現在のアプローチの欠点を排除する。第１に、これらの水電解器は、液体電解質なしで純水を利用し、酸性環境で動作するものではないので、ＰＥＭＥＬとは異なり、ステンレス鋼およびニッケルなどの低コストの材料を使用して構築することができる。第２に、液体電解質を使用しないため、本出願の水電解器は、アルカリ水電解器（図４）とは異なり、単純なプラントバランス（サポート部品および補助システム）を有し、かつ加圧水素ガスを生成することができる（図３）。第３に、本出願の水電解器は、アルカリ水電解器とは異なり、高電流密度で動作することができ、省スペースで効率的なスタックに構築することができる。第４に、本出願の水電解器は、白金、イリジウム、ルテニウム、銀のような貴金属に依存するＰＥＭＥＬＳのような現在の産業用電解器と比較して、モリブデン、スズ、コバルト、ニッケル、銅、鉄のような非貴金属を使用する。第５に、本出願の水電解器内のセルの流れ場は、最適化された厚さを有するより単純な四辺形ポケットとして設計されており、現在の工業用ＰＥＭ電解器または燃料電池に関する複雑な流れ場設計（例えば、単一蛇行、多蛇行、平行、ピン型／グリッド）とは異なり、分子の流れを改善しながら製造工程および費用も低減する。
本出願のさらなる目的、特徴、および利点は、以下に記載する詳細な説明から明らかになるであろう。
図１は、本出願のアニオン交換膜水電解器（単セルの図）の一般的な構造を示す。図示のように、水はアノード側でのみ供給される。 図２は、水電解器スタックの一般的な構造を示す。 図３は、本出願によるＡＥＭＥＬのプロセスフロー図を示す。 図４は、典型的なＡＥＬのプロセスフロー図を示す。 図５は、アニオン交換膜水電解器用の電極の形成における２つの共通インクスプレーコーティング方法論を示す。 図６は、ポケット状の流れ場の２つのスタイルを示す。（ａ）２つの集電体および１つのポケット流れ場。この流れ場により、水および／またはガスは、拡散層（ＰＴＬまたはＧＤＬ）によってのみ占められる開放空間を通って入口から出口に流れることが可能になる。流れパターンは観察されない。（ｂ）単純なポケット流れ場であり、ここでは、（アノードの場合）水が流入でき、または（カソードの場合）何も流入せず、かつ（カソードの場合）水素を排出でき、または（アノードの場合）酸素と水の混合物を排出できる。流れパターンは観察されない。 図７は、ＡＥＭＥＬのための非貴金属触媒調製戦略のプロセスフロー図を示す。 図８は、純水で機能しかつ乾燥カソードを維持するＡＥＭＥＬセルの経時電圧データを示す。
定義
用語「ＡＥＬ」は、本出願において使用される場合、アルカリ性水電解液を指す。用語「ＡＥＭ」は、本出願において使用される場合、アニオン交換膜を指す。用語「ＡＥＭＥＬ」は、本出願において使用される場合、アニオン交換膜水電解器を指す。用語「アイオノマー」は、本出願において使用される場合、ＡＥＭを生成するためにキャスティングされ得、かつ電極を作製するためのインクを生成するためにも使用され得るポリマーを指す。用語「ＧＤＬ」は、本出願において使用される場合、ガス拡散層を指す。用語「ＰＥＭ」は、本出願において使用される場合、プロトン交換膜を指す。用語「電極基材」は、本出願において使用される場合、インクでコーティングされる際のＰＴＬまたはＧＤＬを指す。用語「ＰＥＭＥＬ」は、本出願において使用される場合、プロトン交換膜水電解器を指す。用語「ＰＴＬ」は、本出願において使用される場合、多孔質輸送層を指す。用語「インク」は、本出願において使用される場合、ＡＥＭ、ＰＴＬおよび／またはＧＤＬをコーティングするために使用されるアイオノマー、触媒、添加剤および溶媒の混合物を指す。用語「ＣＣＭ」は、本出願において使用される場合、触媒コーティング膜（インクが膜上にコーティングされる方法）を指す。用語「ＣＣＥ」は、本出願において使用される場合、触媒コーティング電極（インクがＰＴＬまたはＧＤＬ上にコーティングされる方法）を指す。用語「ＣＣＳ」は、本出願において使用される場合、触媒コーティング基材（インクがＰＴＬまたはＧＤＬ上にコーティングされる方法）を指す。ＣＣＥおよびＣＣＳは同一であり、それらの単語は互換的に使用することができる。用語「ＦｅＮｉＯ」は、酸化鉄ニッケルを指し、それぞれの金属量に応じてＮｉyＦｅ1-yＯxと記載することもできる。
「電極」という用語は、電解器のアノードもしくはカソードのいずれか、またはその両方を指し得ることを理解されたい。さらに、インクがＧＤＬおよび／またはＰＴＬ上にコーティングされた場合、電極は、実際の問題として、それらの層を包含することもできる。
水電解器
一態様では、本出願は水電解器を提供する。本出願の好ましい実施形態では本出願の水電解器は、アニオン交換膜（ＡＥＭ）水電解器またはＡＥＭＥＬの形態であり、これは固体ポリマーアニオン交換膜電解質および純水を使用し、したがって、液体電解質を必要としない（例えば、ＫＯＨまたはＮａＨＣＯ3のようなアルカリ電解質を必要としない）。ＡＥＭＥＬの一般的かつ簡略化された例を図１に示す。
本出願のＡＥＭＥＬはアノードおよびカソードを含み、それらの間に電圧が印加されて水を電解する。その双極プレートの間には、いくつかの実施形態ではガス拡散層、膜および／または多孔質輸送層を含む複数の追加の層が配置され、（特に必要とされるものはないが）これらの全てはインクでコーティングされ得る。本出願によるＡＥＭＥＬの好ましい構成の一例が図２に示されており、反復記号は、電解器スタック状に直列に配置された複数のセルを示す。
一実施形態では、本出願のＡＥＭＥＬは、アノードプレート、カソードプレート、および複数の双極プレート（中間プレートとしても知られる）を含む。これらのプレートの１つの目的は、液体および気体をセル内外に輸送することである。一実施形態では、単一の要素が、特に一連のスタックされたＡＥＭＥＬセルにおいて、アノードプレートおよびカソードプレートの両方として作用することができ、双極プレートまたは中間プレートと呼ばれる。別の実施形態では、各セルのための、アノードプレートおよびカソードプレートである分離要素が存在し得る。
一実施形態では、中間プレート（または双極プレート）が金属から作製される。いくつかの実施形態では、中間プレートは、コーティングされたまたはコーティングされていないアルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛および／またはステンレス鋼（例えば、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ４３０、ＳＳＡ－２８６など）から作製される。いくつかの実施形態では、中間プレートは、ニッケル、金、チタン、白金、鋼、ルテニウム、イリジウム、銀、アルミニウム、銅、亜鉛もしくは別の金属またはそれらの組み合わせを含む金属の層でコーティングされてもよい。いくつかの実施形態では、中間プレートは、上述のように１種の金属でまたは複数種の金属の多層でコーティングされた非金属成分（例えば、セラミックまたはプラスチック）から作製される。
好ましい実施形態では、双極プレートとしても知られる中間プレートは、液体および気体を輸送するために両側にポケット流れ場を有する単一の要素を構成する。好ましい実施形態では中間プレートは、ステンレス鋼、最も好ましくはステンレス鋼タイプ３１６で作られるが、他のタイプのステンレス鋼（または他の金属）も、工学および材料の考慮事項（例えば、熱膨張係数、電気抵抗など）の観点から使用され得る。
一実施形態では、アノードプレートは金属製である。いくつかの実施形態では、アノードは、コーティングされたまたはコーティングされていないアルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛および／またはステンレス鋼（例えば、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ４３０、ＳＳＡ－２８６など）から作製される。いくつかの実施形態では、アノードプレートは、ニッケル、金、チタン、白金、鋼、ルテニウム、イリジウム、銀、アルミニウム、銅、亜鉛もしくは別の金属またはそれらの組み合わせを含む金属の層でコーティングされてもよい。
好ましい実施形態ではアノードプレートは、液体および気体を輸送するためのポケット流れ場を備えたステンレス鋼プレートであり、最も好ましくはステンレス鋼タイプ３１６であるが、他のタイプのステンレス鋼（または他の金属）も、工学および材料の考慮事項（例えば、熱膨張係数、電気抵抗など）の観点から使用され得る。
本出願の一実施形態では、水がＡＥＭＥＬに供給される。好ましい実施形態では、水はアノード側で供給される。したがって、特定の実施形態では、アノードプレートは、アノード側でＡＥＭＥＬに水を供給できるようにするための流れ場を有することができる。その流れ場および／または入口は、アノードのプレート上に直接機械加工されてもよく、またはアノードプレートに取り付けることができる別個の構造として提供されてもよい。流れ場は単に、水が多孔質輸送層内にランダムに分布することができるポケットであってもよい。ＡＥＭＥＬでは、酸素ガスがアノードで生成される。特定の実施形態では、アノードは、アノード側でＡＥＭＥＬから酸素が流出することを可能にする出口を備えた、アノードプレート内の酸素のために配置されたポケット流れ場を有してもよい。その流れ場（ポケットまたは別の特定のパターンのいずれか）および／または出口は、アノードのプレート上に機械加工されてもよく、またはアノードプレートに取り付けることができる別個の構造として提供されてもよい。水のための流れ場および酸素のための流れ場は、接続されていてもよく、または別個であってもよい。
一実施形態では、カソードプレートも金属で作られる。別の実施形態では、カソードプレートはグラファイトで作られる。いくつかの実施形態では、カソードプレートは、コーティングされたまたはコーティングされていないアルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛および／またはステンレス鋼（例えば、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ４３０、ＳＳＡ－２８６など）から作製される。いくつかの実施形態では、カソードプレートは、ニッケル、金、チタン、白金、鋼、ルテニウム、イリジウム、銀、アルミニウム、銅、亜鉛もしくは別の金属またはそれらの組み合せを含む金属の層でコーティングされてもよい。
好ましい実施形態ではカソードプレートは、液体および気体を輸送するためのポケット流れ場を備えたステンレス鋼プレートであり、最も好ましくはステンレス鋼タイプ３１６であるが、他のタイプのステンレス鋼（または他の金属）も、工学および材料の考慮事項（例えば、熱膨張係数、電気抵抗など）の観点から使用され得る。
ＡＥＭＥＬでは、水素ガスがカソードで生成される。本出願のＡＥＭＥＬにおけるカソードは乾燥カソードとして構成され得るので、水素は周囲圧力よりも高い圧力（例えば、海抜１気圧）でカソードにおいて生成され得る。一実施形態では、カソードは、カソード側でＡＥＭＥＬから水素が流出することを可能にする出口を備えた流れ場をその中に有することができる。水素は周囲圧力よりも高い圧力でカソードから流出することができ、加圧され得る専用の容器に貯蔵することが容易に促進される。水素の流れ場および／または出口は、カソード上に機械加工されてもよく、またはカソードプレートに取り付けることができる別個の構造として提供されてもよい。好ましい実施形態では、カソードは乾燥カソードである。乾燥カソードでは、水以外の液体は存在しない。
一実施形態ではアノードプレート、中間プレートおよびカソードプレートは、蛇行流れ場設計、複数蛇行流路設計、平行流れ場設計、嵌合流れ場設計、ポケット流れ場設計、またはそれらの組み合わせを有することができる。すべての場合において、これらの場は、液体および気体をセル内外に輸送するために使用される。ポケット流れ場は、液体および気体の流れを方向付けるための機械加工されたパターンを有さない。言い換えれば、流れの方向は溝によって制約されない（例えば、蛇行パターン流れ場の場合のように）。代わりに、それは拡散層（ＰＴＬまたはＧＤＬ）を収容し、図６に例示されるように、ガスおよび／または液体の流れがこれらの拡散層の細孔を通ってのみ生じることが可能となる。正しく配置されると、複数の水の入口は、活性領域を横切る一定の流れを積極的に作り出すことができる。
好ましい実施形態では、アノードプレート、中間プレートおよびカソードプレートは、拡散層を通る流体の流れを最適化し、圧力降下を最小化し、セル寿命を最大化するように設計されたポケット流れ場を有する。
本出願の好ましい実施形態では、ＡＥＭＥＬは、アノードとカソードとの間に配置された複数の層を含む。複数の層は、ガス拡散層、多孔質輸送層および／またはアニオン交換膜を含む。当業者は、これらの層それぞれが、それ自体複数の材料層から構成されてもよいことを理解するであろう。本出願によるＡＥＭＥＬにおけるこれらの層の配置の一例を図２に示す。
本出願によるＡＥＭＥＬの一実施形態では、ガス拡散層は、ガスの輸送を容易にするために存在し、カソードに隣接して配置される。したがって、ガス拡散層は、特に水素ガスの輸送を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、チタン、アルミニウム、カーボン（例えば、カーボンペーパー、カーボンファイバ複合体、グラファイトフェルト、グラフェン、カーボンクロスなど）、ニッケル、銅、亜鉛、ステンレス鋼（例えば、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ３１６Ｌ、ＳＳ４３０、ＳＳＡ－２８６など）、他の材料またはそれらの組合せから作製される。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、コーティングされていてもコーティングされていなくてもよい。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、その疎水性を高めるために、防水処理されてもよい。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、撥水性を改善しかつ触媒接着性を改善するために、微孔質層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、ナノ構造またはマイクロ構造を有する。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、ナノワイヤ、マイクロファイバまたは布で形成される。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、発泡体を使用して形成される。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、カソードの一部を効果的に形成するように、カソード材料に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、ガス拡散層における水およびガスの輸送を最大にするために、異なる多孔性を持つ複数の層が積層されてもよい。いくつかの実施形態では、ガス拡散層は、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）、またはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの添加剤を含んでもよい。
好ましい実施形態では、ガス拡散層は、カーボンペーパー（成形グラファイト積層体またはカーボンファイバなど）またはニッケルシート（発泡体またはファイバ）またはステンレス鋼シート（発泡体またはファイバ）を含む。
本出願によるＡＥＭＥＬでは、多孔質輸送層は、液体および気体の輸送を容易にするために存在し、アノードに隣接して配置される。したがって、多孔質輸送層は特に、水および水に溶解したイオン、ならびに生成された酸素の輸送を容易にすることができる。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、チタン、アルミニウム、カーボン（例えば、カーボンペーパー、カーボンファイバ複合体、グラファイトフェルト、グラフェン、カーボンクロスなど）、ニッケル、銅、亜鉛、ステンレス鋼（例えば、ＳＳ３０４、ＳＳ３１６、ＳＳ３１６Ｌ、ＳＳ４３０、ＳＳＡ－２８６など）、他の材料またはそれらの組合せから作製される。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、コーティングされていてもコーティングされていなくてもよい。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、その疎水性を高めるために、防水処理されてもよい。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）、またはポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの添加剤を含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、撥水性を改善しかつ触媒接着性を改善するために、微孔質層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、ナノ構造またはマイクロ構造を有する。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、ナノワイヤ、マイクロファイバまたは布で形成される。いくつかの実施形態において、多孔質輸送層は、発泡体を使用して形成される。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層は、アノードの一部を効果的に形成するように、アノード材料に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、多孔質輸送層における水およびガスの輸送を最大にするために、異なる多孔性を持つ複数の層が積層されてもよい。
好ましい実施形態では、多孔質輸送層は、ニッケル発泡体またはマイクロファイバフェルトを含む。
本出願のＡＥＭＥＬでは、アニオン交換膜（ＡＥＭ）は、アニオン（ＯＨ-など）および水の流れを許容し、ガス（カソードおよびアノードで生成されるＨ2およびＯ2など）の流れを防止するように設計された半透膜である。アニオン交換膜は、アイオノマー溶液をキャスティングすることによって作製される。以下に説明するように、本出願の特定の実施形態は、触媒インク用の樹脂としてアイオノマーも使用する。触媒および／または触媒インク（以下でより詳細に説明する）はまた、アイオノマーを含む。
したがって、いくつかの実施形態では、本出願で使用されるアイオノマーはポリマーである。一実施形態ではアイオノマーは、触媒インク（触媒、アイオノマーおよび添加剤の混合物として定義され、溶媒または水を除く）の一部として４５重量％程度（またはそれ未満）を占める。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、ポリ（アリールピペリジニウム）をベースとするポリマーであり、このポリ（アリールピペリジニウム）は、ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基からなる。それはまた、トリメチルアンモニウムまたはメチルピペリジニウムカチオンなどの第四級アンモニウムカチオン基で官能化されてもよい。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくアイオノマーまたはポリマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロック、および１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含み、第四級アンモニウムカチオン基（トリメチルアンモニウムなど）で官能化されたマルチブロックコポリマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、異なるモルパーセンテージの四級化ベンジルアンモニウムを含む、トリメチルまたはベンジルトリメチルアンモニウム官能化ポリスチレンアイオノマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、ヘキサメチルトリメチルアンモニウム官能化ディールス－アルダーポリフェニレン（ＨＴＭＡ－ＤＡＰＰ）からなる。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、官能基としてテトラキス（ジアルキルアミノ）ホスホニウムカチオンを使用するアイオノマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、トリメチルアンモニウムカチオンまたはメチルピペリジニウムカチオンのいずれかで四級化された、ポリエチレン系トリブロックコポリマーおよびポリクロロメチルスチレン－ｂ－ポリエチレン－ｂ－ポリクロロメチルスチレン（ＰＣＭＳ－ｂ－ＰＥ－ｂ－ＰＣＭＳ）である。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、カチオン性のベンズイミダゾリウムまたはイミダゾリウム含有部位を含むアイオノマーまたはポリマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、ヘキサメチル－ｐ－テルフェニルポリ（ベンズイミダゾリウム）に基づくアイオノマーである。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、ペルフルオロ化スルホニルフッ化炭素鎖で官能化されたトリフルオロエチレンとのコポリマーを含有する３Ｍ－ＰＦＳＡ（ＥＷ７９８）前駆体を有するアイオノマーまたはポリマーである。トリメチルアンモニウムカチオンまたはイミダゾリウムカチオンは、６炭素アルキルスペーサー鎖を介してスルホンアミドに連結される。別の実施形態では、本出願のＡＥＭおよび／または触媒インクは、ＰＰＮ（ポリフェニレン）アイオノマーもしくは膜、またはＰＡＰ（ポリアリールピペリジニウム）アイオノマーもしくは膜を含んでもよい。一実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクのアイオノマーは、電子ビームを照射されたエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）からなる。それは、トリメチルアンモニウム、またはベンジルトリメチルアンモニウム、またはＮ－メチルピロリジン、またはＮ－メチルピペリジンなどの第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る。ポリマーは、ビニルベンジルクロリド（ＶＢＣ）または他のビニルアルキル塩化物もしくは芳香族塩化物でグラフトされてもよい。
好ましい実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクは、ポリ（アリールピペリジニウム）をベースとするポリマーを含み、このポリ（アリールピペリジニウム）は、ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基からなる。
別の好ましい実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマーを含む。
別の好ましい実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクは、芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマーを含む。
別の好ましい実施形態では、ＡＥＭおよび／または触媒インクは、第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る、電子ビームを照射されたＥＴＦＥ、ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥに基づくポリマーを含む。
一実施形態において、本出願のＡＥＭＥＬは、１種以上の触媒を含む。いくつかの実施形態では、触媒は、カソード、アノードまたは両方の電極で生じる半反応の反応速度を増加させるために存在する。したがって、触媒は、水素ガス、酸素ガスまたはその両方の形成速度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、触媒は、酸化物、金属の組み合わせ、ペロブスカイト、純金属、または別の材料である。いくつかの実施形態において、触媒は、担持されているか、または担持されていない。いくつかの実施形態では、白金族金属を触媒として使用することができる。いくつかの実施形態では、非白金族金属を触媒として使用することができる。
いくつかの実施形態ではアノード触媒は、ＲｕＯ2、ＩｒＯ2、スピネル酸化物、例えば、Ａｌ0.5Ｍｎ2.5Ｏ4、ＰｂＲｕＯx、ＦｅxＮｉyＯＯＨ、ＩｒＲｕＯ2、ペロブスカイト、Ｍｏ（直接堆積）、ＭｏＰ、ＩｒＯx／ＮｂＯx、ＩｒＲｕＯ2／ＮｂＯx、ＮｉＦｅＣｏ、ＮｉＣｅ＠ＮｉＦｅ／ＮＦ、Ｆｅ－ＣｏＰ／ＮＦ、Ｃｏ3Ｏ4、Ｆｅ0.33Ｃｏ0.66Ｐ、Ｆｅ（ＰＯ3）2／Ｎｉ2Ｐ、（Ｎｉ，Ｆｅ）ＯＯＨ、Ｎｉ－Ｆｅ－ＯＨ＠Ｎｉ3Ｓ2／ＮＦ、Ｎｉ（Ｆｅ）ＯxＨy、ＮｉxＦｅyＯz、ＮｉＦｅＯx、ＣｏxＦｅ3-xＯ4／ＣＦＰ、およびそれらの組合せ（合金を含む）であることができ、ここで、ｘ、ｙおよびｚは（０、０．１、・・・、２．０、２．１、・・・）であり得る。いくつかの実施形態では、カソード触媒は、ＮｉxＭｏy、Ｐｔ／Ｃ、Ｐｔ合金／ＥＣＳ、Ｐｔ／ＥＣＳ、Ｐｔブラック、Ｐｔ合金、Ｎｉ合金、ＮｉＺｎ、ＮｉＭｏ、ＭｏＳ2／Ｎｉ3Ｓ2／ＮＦ、ａ－ＭｏＳx／ＣＣ、Ｃｏ－Ｃｏ2Ｐ＠ＮＰＣ／ｒＧＯ、Ｎｉ2(1-x)Ｍｏ2xＰ／ＮＦ、Ｃｏ2.90Ｂ0.73Ｐ0.27／ＮＦ、Ｆ－Ｃｏ2Ｐ／Ｆｅ2Ｐ／ＩＦ、Ｎｉ2Ｐ／ＮＦ、ＣｏＰ／Ｎｉ5Ｐ4／ＣｏＰ、Ｐ－Ｆｅ3Ｏ4／ＩＦ、Ａ－ＮｉＣｏ ＬＤＨ／ＮＦ、およびそれらの組合せであることができ、ＥＣＳは工学的触媒担体を意味する。いくつかの実施形態では、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して、カソード触媒、アノード触媒またはその両方を堆積させることができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上の触媒を触媒インクに組み込むことができる。触媒インクは、触媒をアイオノマー樹脂、溶媒、水および添加剤と混合することによって調製することができる。いくつかの実施形態では、添加剤（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）および／またはその他）を使用して、触媒インクの機械的および化学的特性を改変することができる。いくつかの実施形態では、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどの非イオン性界面活性剤も使用することができる。これらの化学物質の３つの市販の実例は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＴＦＥ ＤＩＳＰ３０、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡＤ３３５ＤおよびＴｅｆｌｏｎ（登録商標）ＦＥＰＤ１２１フルオロポリマー分散液（すべてケマーズ社製）である。いくつかの実施形態では、添加剤の量は、触媒インク混合物（触媒、アイオノマーおよび添加剤として定義されるが、溶媒および水を除く）中で５０重量％程度の多さであり得る。いくつかの実施形態では、触媒インクは、アニオン交換膜、多孔質輸送層、ガス拡散層、またはそれらの組み合わせ上にコーティングされてもよい。いくつかの実施形態では、上記インクは、上記拡散層および／または膜上に押し付けられ得る成形可能な粘土状層を形成する。触媒インクは、アニオン交換膜上にコーティングされる場合、触媒コーティング膜（またはＣＣＭ）と称され得る。触媒インクは、ガス拡散層および／または多孔質輸送層上にコーティングされる場合、触媒コーティング電極（またはＣＣＥ）あるいは触媒コーティング基材（またはＣＣＳ）と称され得る。これは図５に例示されている。いくつかの実施形態では、粘土状層を作り出す添加剤の使用により、触媒インクは、（コーティングの代わりに）独立して成形されてもよい。次いで、この層は、上記拡散層および／または膜上に押し付けられてもよい。いくつかの実施形態では、触媒層は、原子層堆積（ＡＬＤ）によって生成されてもよい。
好ましい実施形態では、非イオン性界面活性剤および／またはＰＴＦＥなどの添加剤の添加によって、触媒インクは、上記拡散層および／または膜上に押し付けられる成形可能な粘土状層である。
いくつかの実施形態では、触媒層は、銅、リチウム、鉄、セリウム、コバルト、亜鉛もしくはニッケルのカチオンまたはそれらの組み合わせを含む水溶液中で、金属発泡体、ファイバまたはメッシュを腐食させ（水熱堆積、電着など）、およびリン、ホウ素、フッ素、コバルトまたはその他のものなどのドーパントを含めることによって多孔質輸送層上に成長させることができる。そのような方法の例を図７に示す。触媒層は、モリブデン、ニッケル、コバルト、セリウム、鉄、スズ、硫黄、リン、フッ素、酸素、酸化物、水酸化物、二水酸化物および他の材料またはそれらの組み合わせを含有することができる。いくつかの実施形態では、触媒は、カーボン、バルカン、ケッチェンブラックなどの導電性カーボン担体上に担持されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒は、ＰＴＦＥ、ＰＶＡ、ＰＡＡ、ＰＥ、ＥＴＦＥまたはＰＶＤＦなどの非イオン性またはイオン性のポリマーバインダー上に担持されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒は、カチオン性プロトンまたはアニオン性水酸化物イオンを含有するイオン性ポリマーバインダーによって担持されてもよい。
別の態様では、本出願のＡＥＭＥＬは、図２に示されるように、複数のセルを含むスタックに構成されてもよい。いくつかの実施形態では、セル間で双極プレートを共有することができ、これは、それらが両側に機械加工された流れ場を有することを意味する。いくつかの実施形態では、複数のセルは、同じ水供給およびガス排気を共有する。いくつかの実施形態では、最初および最後の流れ場プレートは、エンドプレートと呼ばれ、プラントバランスに接続する取付部品を有することができる。いくつかの実施形態では、双極プレートおよびエンドプレートは冷却または加熱されてもよい。
構造
本出願のＡＥＭＥＬは、膜／電極アセンブリをホットプレスすること、その膜をロールコーティングすること（ロールツーロール）、その膜または電極をスプレーコーティングすること、その電極上に触媒を電気化学的に成長させることなどによって作製することができる。スタックのボルトに加えられるトルク、水の温度および純度、異なる成分の厚さ、並びにインク中のアイオノマーの量は全て、製造プロセスにおける機能を果たす。いくつかの実施形態では、触媒インクは、アニオン交換膜、多孔質輸送層もしくはガス拡散層、またはそれらの組み合わせ上にコーティングされてもよい。
いくつかの実施形態では、触媒は、ガス拡散層および／または多孔質輸送層上に成長させることができる。例えば、金属多孔質基材をＨＣｌまたはＨ2ＳＯ4または他の酸に浸漬して残留酸化物を除去し、次いで水洗してそのような酸を除去することができる。この時点で、硝酸塩（硝酸鉄六水和物など）およびドーパント（フッ化ナトリウムなど）を水に溶解させることができる。次いで、酸素が泡立てられている間に、基材を溶液中に浸漬する。数時間後、所望の鉄系自己担持触媒が形成される。
使用方法
本出願のＡＥＭＥＬは、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって動作させることができる。電気分解が起こるためには、電圧は少なくとも１．２３Ｖでなければならない。しかしながら、特定の実施形態では、印加される電圧は、セルあたり３Ｖ程度に高い。特定の実施形態では、電圧は１．２３Ｖ～３Ｖである。特定の実施形態では、電圧は、１．３Ｖ、１．４Ｖ、１．５Ｖ、１．６Ｖ、１．７Ｖ、１．８Ｖ、１．９Ｖ、２．０Ｖ、２．１Ｖ、２．２Ｖ、２．３Ｖ、２．４Ｖ、２．５Ｖ、２．６Ｖ、２．７Ｖ、２．８Ｖ、２．９Ｖまたは３．０Ｖである。経時的に記録された電圧を図８に示す。
本出願によるＡＥＭＥＬは、図３に示されるプロセスフロー図に示されるように使用されてもよい。このような方法は、図４に示すような典型的なアルカリ水電解器（ＡＥＬ）のプロセスフロー図よりもはるかに単純である。上述のような本出願によるＡＥＭＥＬの構成はまた、高い電流密度を保持しながら、そのようなＡＥＭＥＬをＰＥＭＥＬよりも実質的に安価にする。
別の態様では、本出願のＡＥＭＥＬは、純水中で高い化学安定性を有する高導電性アニオン交換膜を含む。他のＡＥＭＥＬと比較して、本出願のＡＥＭＥＬは、より高い電圧で動作されても、より長い寿命にわたって動作することができる。特に、０．５アンペア／ｃｍ2を超える電流密度で動作する場合、アニオン交換膜は、交換が必要となるまでに少なくとも１０００時間動作することができる。いくつかの実施形態では、電解器は、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４または２．５アンペア／ｃｍ2で運転される。いくつかの実施形態では、電解器は、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００または９５０ｍＡ／ｃｍ2で運転される。
さらなる実施形態
１．１
ある量のアノード触媒を含むアノード；
ある量のカソード触媒を含むカソード；および
上記アノードとカソードとの間に介在するアニオン交換膜；
を含む水電解器：
ここで、水電解器は、塩、酸および塩基などの添加剤を含まない水道水または精製水を利用するものである。
１．２
アニオン交換膜が、（ａ）ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基を含むポリ（アリールピペリジニウム）に基づくポリマー、（ｂ）１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマー、（ｃ）芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマー、および（ｄ）第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る、電子ビームを照射されたＥＴＦＥ、ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥに基づくポリマーから選択される材料を含む、１．１の水電解器。
１．３
カソードが乾燥カソードである、１．１～１．２のいずれか１つに記載の水電解器。
１．４
アノード触媒およびカソード触媒をさらに含む、１．１～１．３のいずれか１つに記載の水電解器。
１．５
アノード触媒が１種以上の金属触媒を含み、当該金属がＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕ以外の金属である、１．１～１．４のいずれか１つに記載の水電解器。
１．６
アニオン交換膜が、１～２００μｍの厚さを有する、１．１～１．５のいずれか１つに記載の水電解器。
１．７
多孔質輸送層およびガス輸送層をさらに含む、１．１～１．６のいずれか１つに記載の水電解器。
１．８
アノードプレートが、ポケット状の流れ場を有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、１．１～１．７のいずれか１つに記載の水電解器。
１．９
カソードプレートが、ポケット状の流れ場を有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、１．１～１．８のいずれか１つに記載の水電解器。
１．１０
双極プレートをさらに備え、双極プレートが、ポケット状の流れ場を両側に有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、１．１～１．９のいずれか１つに記載の水電解器。
１．１１
多孔質輸送層がニッケル材料を含む、１．７～１．１０のいずれか１つに記載の水電解器。
１．１２
ガス拡散層がニッケル材料を含む、１．７～１．１０のいずれか１つに記載の水電解器。
１．１３
（１）アノード触媒またはカソード触媒、（２）アイオノマー、（３）溶媒および／または水、ならびに（４）添加剤を含む触媒インクをさらに含む、１．１～１．１２のいずれか１つに記載の水電解器。
１．１４
アイオノマーが、（１）ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基を含むポリ（アリールピペリジニウム）に基づくポリマー、（２）１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマー、（３）芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマー、および（４）第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る、電子ビームを照射されたＥＴＦＥ、ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥに基づくポリマーからなる群から選択される、１．１３の水電解器。
１．１５
添加剤が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）および／または非イオン性界面活性剤（ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど）からなる群から選択される、１．１３の水電解器。
１．１６
添加剤が、成形、圧延および／またはホットプレスされ得る粘土状材料の機械的性質をインクに与える、１．１５の水電解器。
２．１
１．１～１．１６のいずれか１つに記載の水電解器を提供すること、および
上記アノードと上記カソードとの間に電圧を提供することを含む、水電解器の操作方法。
２．２
電圧がセル当たり２．５Ｖ未満である、２．１に記載の方法。
２．３
アニオン交換膜が、交換を必要とする前に少なくとも１０００時間動作することができる、２．２に記載の方法。
実施例１－本出願によるＡＥＭＥＬ
純粋な脱イオン水と低コストのプレートを用いて水素生成を実証するためにＡＥＭＥＬを構築した。ＡＥＭＥＬの仕様は次のとおりである。
（ａ） 単一のセル構造（マルチセルスタックではない）。
（ｂ） アノードプレートはニッケルからなり、カソードプレートはグラファイトからなる。
（ｃ） ＰＴＬはニッケル発泡体からなり、ＧＤＬはカーボンペーパーからなる。
（ｄ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、ポリ（アリールピペリジニウム）をベースとするポリマーであるように選択された。
（ｅ） 電気エネルギー源を使用して、各セルのアノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、カソード触媒Ｐｔ／Ｃをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクを膜（ＣＣＭ）上にコーティングした。第２に、アノード触媒ＩｒＯ2をアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクを基材（ＣＣＥ）上にコーティングした。膜／電極アセンブリ全体を、組み立て前に数分間プレスした。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、９０℃で運転された。純粋な脱イオン水は、アノード側でのみ流された。
この水電解器は、２．２Ｖ未満で長時間にわたり２００ｍＡ／ｃｍ2を示した。本発明者らは、この例がこれまでに開発された最も安定な純水ＡＥＭＥＬであると考えている。
実施例２－本出願によるＡＥＭＥＬ
純粋な脱イオン水、低コストのプレート、および低コストの触媒を用いて、ＡＥＭ電解器スタックからの水素生成を実証するために、ＡＥＭＥＬを構築した。その仕様は次のとおりである。
（ａ） ４セルスタックのＡＥＭＥＬ。
（ｂ） アノードプレート、双極プレート、およびカソードプレートは、ステンレス鋼３１６からなる。
（ｃ） ＰＴＬとしてはステンレス鋼、ＧＤＬとしてはカーボンペーパーを用いた。
（ｄ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマーであるように選択された。
（ｅ） 電気エネルギー源を使用して、アノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、カソード触媒、ニッケル合金をアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を５０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクを膜（ＣＣＭ）上にコーティングした。第２に、モリブデン系のアノード触媒をアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を５０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクをデカール（ＰＴＦＥコーティングファイバガラス）上にコーティングし、熱ラミネーションを行って、それをアノード側でコーティングした。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、９０℃で運転された。純粋な脱イオン水は、アノード側でのみ流された。この水電解器は、２．２Ｖ未満で長時間にわたりセル当たり２００ｍＡ／ｃｍ2を示した。
実施例３－本出願によるＡＥＭＥＬ
純粋な脱イオン水および異なるコーティング技術を用いて、ＡＥＭ電解器からの水素生成を実証するために、ＡＥＭＥＬを構築した。その仕様は次のとおりである。
（ａ） 単一のセル構造（マルチセルスタックではない）。
（ｂ） アノードプレートはニッケルからなり、カソードプレートはグラファイトからなる。
（ｃ） ＰＴＬはニッケル発泡体からなり、ＧＤＬはカーボンペーパーからなる。
（ｄ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマーであるように選択された。
（ｅ） 電気エネルギー源を使用して、アノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、カソード触媒Ｐｔ／Ｃをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクをＰＴＬ（ＣＣＥ）上にコーティングした。第２に、アノード触媒をニッケル発泡体上に電気化学的に成長させ、５ｍｇ／ｃｍ2未満の最終触媒積載量を得た。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、６０℃で運転された。純粋な脱イオン水は、アノード側でのみ流された。この水電解器は、２．２Ｖ未満で長時間にわたり２００ｍＡ／ｃｍ2を示した。
上記の実施例は単なる例示であり、本電気化学装置の全ての可能な実施形態、用途、または改変の網羅的なリストであることを意味するものではない。したがって、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、本発明の記載された方法およびシステムの様々な修正および変形が当業者には明らかであろう。本発明を特定の実施形態に関連して説明してきたが、特許請求される本発明はそのような特定の実施形態に過度に限定されるべきではないことを理解されたい。実際、本発明を実施するための記載された実施形態の種々の改変は、化学分野または関連分野の当業者に明らかであり、添付の特許請求の範囲内であることが意図される。
実施例４－本出願によるＡＥＭＥＬ
純水と低コストプレートを用いて水素生産を実証するためにＡＥＭＥＬを構築した。ＡＥＭＥＬの仕様は次のとおりである。
（ｆ） 単一のセル構造（マルチセルスタックではない）。
（ｇ） アノードプレートおよびカソードプレートは、ステンレス鋼３１６からなる。
（ｈ） ＰＴＬおよびＧＤＬは、同様の多孔度を有するニッケル発泡体からなる。
（ｉ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマーであるように選択された。
（ｊ） 電気エネルギー源を使用して、各セルのアノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、カソード触媒、カーボン上のＮｉＭｏをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に保った。ＰＴＦＥ、ＰＡＡ、ＰＶＡおよびＰＦＡなどの添加剤も添加した。次いで、この粘土状インクを成形し、ＧＤＬ上にプレスした。第２に、アノード触媒ＮｉxＦｅyＯzをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に保った。次いで、この粘土状インクを成形し、ＰＴＬ上にプレスした。
組み立てる前に、膜／電極アセンブリ全体をプレスした。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、６０℃で運転された。純水は、アノード側でのみ流された。この水電解器は、２．５Ｖ未満で長時間にわたり５００ｍＡ／ｃｍ2を示した。
実施例５－本出願によるＡＥＭＥＬ
純粋な脱イオン水、低コストのプレート、および、低コストのＯＥＲ触媒を使用して、水素生成を実証するためにＡＥＭＥＬを構築した。ＡＥＭＥＬの仕様は次のとおりである。
（ｋ） 単一のセル構造（マルチセルスタックではない）。
（ｌ） アノードプレートはステンレス鋼からなり、カソードプレートはグラファイトからなる。
（ｍ） ＰＴＬはニッケル発泡体からなり、ＧＤＬはカーボンペーパーからなる。
（ｆ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマーに基づくポリマーであるように選択された。
（ｎ） 電気エネルギー源を使用して、各セルのアノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、アノードＰＴＬをＦｅ（ＩＩＩ）溶液に９６時間浸漬した。このＰＴＬを後に一晩風乾した。第２に、カソード触媒ＰｔＮｉ／Ｃをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を４０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクをカーボン基材（ＣＣＥ）上にコーティングした。膜／電極アセンブリ全体を、組み立て前に数分間プレスした。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、７０℃で運転された。純粋な脱イオン水は、アノード側でのみ流された。
この水電解器は、２．２Ｖ未満で長時間にわたり２００ｍＡ／ｃｍ2を示した。
実施例６－本出願によるＡＥＭＥＬ
純粋な脱イオン水、低コストのプレート、および低コストの触媒を用いて、ＡＥＭ電解器スタックからの水素生成を実証するために、ＡＥＭＥＬを構築した。その仕様は次のとおりである。
（ｇ） ４セルスタックのＡＥＭＥＬ。
（ｈ） アノードプレート、双極プレート、およびカソードプレートは、ステンレス鋼３１６からなる。
（ｉ） ＰＴＬとしてはステンレス鋼、ＧＤＬとしてはカーボンペーパーを用いた。
（ｊ） アニオン交換膜およびアイオノマーは、１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマーであるように選択された。
（ｋ） 電気エネルギー源を使用して、アノードとカソードとの間に２．２Ｖ未満の電圧を印加した。
膜／電極アセンブリは、以下のようにして作製した。まず、カソード触媒ＰｔＮｉ／Ｃをアイオノマー溶液と混合し、アイオノマー重量％を５０％未満に、最終触媒積載量を５ｍｇ／ｃｍ2未満に維持した。次いで、このインクを基材（ＣＣＥ）上にコーティングした。次に、アノードＰＴＬおよびＮｉ発泡体を、Ｆｅ（ＩＩＩ）のエタノール溶液中に８～１６時間浸漬した。その後、このＰＴＬを、３０℃で機械的に撹拌しながら、ＮＨ4ＨＣＯ3入りの別のＦｅ（ＩＩＩ）のエタノール溶液に浸漬した。セルは２５ｃｍ2の活性領域を有し、７０℃で運転された。純粋な脱イオン水は、アノード側でのみ流された。この水電解器は、２．２Ｖ未満で長時間にわたりセル当たり２００ｍＡ／ｃｍ2を示した。
上記の実施例は単なる例示であり、本電気化学装置の全ての可能な実施形態、用途、または改変の網羅的なリストであることを意味するものではない。したがって、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、本発明の記載された方法およびシステムの様々な修正および変形が当業者には明らかであろう。本発明を特定の実施形態に関連して説明してきたが、特許請求される本発明はそのような特定の実施形態に過度に限定されるべきではないことを理解されたい。実際、本発明を実施するための記載された実施形態の種々の改変は、化学分野または関連分野の当業者に明らかであり、添付の特許請求の範囲内であることが意図される。

Claims (19)

  1. アノード触媒を含むアノード；
    カソード触媒を含むカソード；および
    アノードとカソードとの間に介在するアニオン交換膜；
    を含む水電解器：
    ここで、水電解器は、塩、酸または塩基などの添加剤を含まない水道水または精製水を利用するものである。
  2. アニオン交換膜が、（ａ）ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基を含むポリ（アリールピペリジニウム）に基づくポリマー、（ｂ）１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマー、（ｃ）芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマー、および（ｄ）第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る、電子ビームを照射されたＥＴＦＥ、ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥに基づくポリマーから選択される材料を含む、請求項１に記載の水電解器。
  3. カソードが乾燥カソードである、請求項１または２に記載の水電解器。
  4. アノード触媒およびカソード触媒をさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の水電解器。
  5. アノード触媒が１種以上の金属触媒を含み、前記金属がＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕ以外の金属である、請求項１～４のいずれか１項に記載の水電解器。
  6. アニオン交換膜が、１～２００μｍの厚さを有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の水電解器。
  7. 多孔質輸送層およびガス輸送層をさらに含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の水電解器。
  8. アノードプレートが、ポケット状の流れ場を有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の水電解器。
  9. カソードプレートが、ポケット状の流れ場を有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の水電解器。
  10. 双極プレートをさらに備え、双極プレートが、ポケット状の流れ場を両側に有しかつ任意にコーティングされるステンレス鋼プレートを含む、請求項１～９のいずれか１項に記載の水電解器。
  11. 多孔質輸送層がニッケル材料を含む、請求項７～１０のいずれか１項に記載の水電解器。
  12. ガス拡散層がニッケル材料を含む、請求項７～１０のいずれか１項に記載の水電解器。
  13. （１）アノード触媒またはカソード触媒、（２）アイオノマー、（３）溶媒および／または水、ならびに（４）添加剤を含む触媒インクをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の水電解器。
  14. アイオノマーが、（１）ピペリドンモノマーまたは３－オキソ－６－アゾニアスピロ［５．５］ウンデカン塩モノマーのいずれか、ならびに芳香族基および任意のトリフルオロアセトフェノンモノマー基を含むポリ（アリールピペリジニウム）に基づくポリマー、（２）１つ以上のノルボルネン系親水性ブロックおよび１つ以上のノルボルネン系またはアルケン系疎水性ブロックを含むマルチブロックコポリマー、（３）芳香族環を介して係留された第四級アンモニウム基を有するスチレン－ブタジエンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）に基づくポリマー、および（４）第四級アンモニウムカチオン基によって係留され得る、電子ビームを照射されたＥＴＦＥ、ＬＤＰＥまたはＨＤＰＥに基づくポリマーからなる群から選択される、請求項１３に記載の水電解器。
  15. 添加剤が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリアミド（ナイロン）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）および／または非イオン性界面活性剤（ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど）からなる群から選択される、請求項１３に記載の水電解器。
  16. 添加剤が、成形、圧延および／またはホットプレスされ得る粘土状材料の機械的性質をインクに与える、請求項１５に記載の水電解器。
  17. 請求項１～１６のいずれか１項に記載の水電解器を提供すること、および前記アノードとカソードとの間に電圧を提供することを含む、水電解器の操作方法。
  18. 前記電圧がセル当たり２．５Ｖ未満である、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記アニオン交換膜が、交換を必要とする前に少なくとも１０００時間動作することができる、請求項１７に記載の方法。
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