JP5809274B2 - 可逆式燃料電池用の組立体 - Google Patents
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Description
本出願は、2010年8月30日に出願された欧州特許出願第10174543.8号明細書(この出願の内容全体があらゆる目的で参照により本明細書に援用される)の優先権を主張する。
第1の電極触媒層E1は、イオン伝導膜ICMの第1の表面と接触する。第1の電極触媒層E1は、個別の電気分解活性領域ELE1iおよび個別のエネルギー生成活性領域EG1iを含む。それぞれの個別の電気分解活性領域ELE1iは、それぞれのエネルギー生成活性領域EG1iから少なくとも1つの境界領域BR1jによって分離される。
第2の電極触媒層E2は、イオン伝導膜ICMの第2の表面と接触する。第2の電極触媒層E2は、個別の電気分解活性領域ELE2iおよび個別のエネルギー生成活性領域EG2iを含む。それぞれの個別の電気分解活性領域ELE2iは、それぞれのエネルギー生成活性領域EG2iから少なくとも1つの境界領域BR2jによって分離される。
電気化学セル中の電解質の役割は、有利には、活性種が直接反応することなく、セルのそれぞれの側で中性のバランスを維持するために、セルの一方の側から他方の側へイオンを通過させることである。電解質、または好ましくはイオン伝導膜は、事実上カチオン性またはアニオン性のいずれであってもよい。
典型的な燃料電池設計の1つにおいて、気体反応物質(たとえば酸素および水素)を電極触媒層まで送り、同時に燃料電池の残りの構成要素、たとえばバイポーラプレートと電気的に接触させるために、ガス拡散層が、それぞれの電極触媒層に接触して配置される。ガス拡散層は、気体反応物質を通るようにするため通常は多孔質であり、導電性を付与するための導電性粒子を含む。
種々の従来方法によって、電極触媒層E1およびE2を、イオン伝導膜またはガス拡散層GDL1およびGDL2に取り付けることができる。
Claims (15)
- 電気化学セル用の組立体であって、第1および第2の表面を有するイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の前記第1の表面に接触する第1の電極触媒層E1であって、少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(ELE1i)および少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(EG1i)を含む第1の電極触媒層E1と、前記イオン伝導膜の前記第2の表面に接触する第2の電極触媒層E2であって、少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(ELE2i)および少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(EG2i)を含む第2の電極触媒層E2とを含み、前記第1の電極触媒層E1上の前記少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(ELE1i)のそれぞれは、前記第2の電極触媒層E2上の前記少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(ELE2i)のそれぞれと対応して位置合わせされ、前記第1の電極触媒層E1上の前記少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(EG1i)のそれぞれは、前記第2の電極触媒層E2上の前記少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(EG2i)のそれぞれと対応して位置合わせされ、
それぞれの個別の電気分解活性領域ELE i はそれぞれのエネルギー生成活性領域EGiから少なくとも1つの境界領域BR j によって分離され、前記境界領域BR j は隣接する個別の電気分解活性及びエネルギー生成活性領域とは異なる導電性により特徴づけられ、及び前記境界領域BR j は導電性が無いまたは無視できる程度であり、及び、
電気触媒層E1とE2上の電気分解活性領域に接触するイオン伝導膜の領域はICM ELE として示され、電気触媒層E1とE2上のエネルギー生成活性領域と接触するイオン伝導膜の領域は、ICM EG として示され、
それぞれの電気分解活性領域ICM ELEi は、それぞれのエネルギー生成活性領域ICM EGi から境界領域ICM BRj により分離され、この境界領域は電気触媒層上のそれぞれの電気分解活性領域及びそれぞれのエネルギー生成活性領域との間の境界領域(それぞれBR1 j とBR2 j )に対応し、前記境界領域ICM BRj は、隣接する固有の電気分解活性及びエネルギー生成活性領域とは異なるイオン伝導性により特徴づけられ、及び前記境界領域ICM BRj は、イオン伝導性が無いまたは無視できる程度であることを特徴とする組立体。 - 前記イオン伝導膜が、前記第1および第2の電極触媒層上の前記電気分解活性領域(ELE1iおよびELE2i)のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別の領域と、前記第1および第2の電極触媒層上の前記エネルギー生成活性領域(EG1iおよびEG2i)のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別の領域とを含むことを特徴とする請求項1に記載の組立体。
- 前記イオン伝導膜に接触しない前記第1の電極触媒層の表面に接触する第1のガス拡散層(GDL1)と、前記イオン伝導膜に接触しない前記第2の電極触媒層の表面に接触する第2のガス拡散層(GDL2)とをさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の組立体。
- 前記第1のガス拡散層(GDL1)が、前記第1の電極触媒層上の前記少なくとも1つの電気分解活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(GDL1ELEi)と、前記第1の電極触媒層上の前記少なくとも1つのエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(GDL1EGi)とを含むことを特徴とする請求項3に記載の組立体。
- 前記第2のガス拡散層(GDL2)が、前記第2の電極触媒層上の前記少なくとも1つの電気分解活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別の電気分解活性領域(GDL2ELEi)と、前記第2の電極触媒層上の前記少なくとも1つのエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域(GDL2EGi)とを含むことを特徴とする請求項3または4に記載の組立体。
- 前記第1および/または第2のガス拡散層上の前記少なくとも1つの個別の電気分解活性領域が親水性であり、前記第1および/または第2のガス拡散層上の前記少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域が疎水性であることを特徴とする請求項4または5に記載の組立体。
- 前記第1のガス拡散層に接触する第1のバイポーラプレートと、前記第2のガス拡散層に接触する第2のバイポーラプレートとを含むことを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の組立体。
- 前記第1および第2のバイポーラプレートのそれぞれが、前記第1および第2のガス拡散層上の前記少なくとも1つの電気分解活性領域およびエネルギー生成活性領域のそれぞれと対応して位置合わせされる少なくとも1つの個別のエネルギー生成活性領域および少なくとも1つの個別の電気分解活性領域を含むことを特徴とする請求項7に記載の組立体。
- 前記第1および第2の電極触媒層上、および/または前記イオン伝導膜上、および/または前記第1および第2のガス拡散層上、および/または前記第1および第2のバイポーラプレート上の、それぞれの個別のエネルギー生成活性領域とそれぞれの個別の電気分解活性領域との間に少なくとも1つの境界領域を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の組立体。
- 前記少なくとも1つの境界領域が、隣接する前記エネルギー生成活性領域および前記電気分解活性領域のいずれかの組成とは異なる組成を有することを特徴とする請求項9に記載の組立体。
- 前記第1および第2の電極触媒層上の前記電気分解活性領域が、水の電気分解に好適な触媒を含み、並びに、前記第1および第2の電極触媒層上の前記エネルギー生成活性領域が、水素および酸素からの水の生成に好適な触媒を含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の組立体。
- 前記第1および第2の電極触媒層上のすべての前記個別のエネルギー生成活性表面積の合計と、前記第1および第2の電極触媒層上のすべての前記個別の電気分解活性表面積の合計との表面積比が、1.5:1〜5:1の範囲内であることを特徴とする請求項10または11に記載の組立体。
- 前記表面積比が2.8:1〜3.5:1の範囲内であることを特徴とする請求項12に記載の組立体。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載の組立体を含む燃料電池。
- 可逆式燃料電池における請求項1〜13のいずれか一項に記載の組立体の使用。
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