JP2012518081A

JP2012518081A - 固有膜を備える高差圧電気化学セル

Info

Publication number: JP2012518081A
Application number: JP2011549590A
Authority: JP
Inventors: エリック・ミッデルマン
Original assignee: ハイエット・ホールディング・ベー・フェー
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2012-08-09
Also published as: EP2396458A1; WO2010092175A1; US20120129079A1

Abstract

本発明は、高圧チャンバおよび低圧チャンバを包囲する高差圧電気化学セルであって、前記チャンバは膜によって分離され、膜はイオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性であり、膜は、高圧チャンバ内に第１の表面および低圧チャンバ内に第２の表面を有し、第１の表面は第１の電極を備え、第２の表面は第２の電極を備え、第１および第２の電極は、電気回路を介して互いに導電的に接続される高差圧電気化学セルに関し、膜は少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。高差圧電気化学セルは、好ましくは、イオンガス圧縮器、イオンガス減圧器、または高圧電解槽である。

Description

本発明は、イオンガス圧縮器、イオンガス減圧器、および高圧電解槽などの高差圧電気化学セルに関し、より詳細には、反応物クロスオーバ（ｒｅａｃｔａｎｔｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）に対して改善された耐性を示す膜を備える膜電極接合体を備える高差圧電気化学セルに関する。

イオン伝導性膜、特にプロトン伝導性膜が、当技術分野で知られている。一般に、膜の一方の側で、水素含有分子、たとえば水または分子水素は、触媒材料を使用して、プロトン、電子、および任意選択で他のガスを形成するために変換される。プロトンは、膜を通して輸送され、一方、電子は、膜上に存在する電極を通して除去される。電子は、外部回路を通過し、膜の他の側に存在する電極に給送され、そこで、電子は、アプリケーションに応じて、プロトンおよび任意選択で酸素のような他の成分と反応して、分子水素、水、または他の化合物を形成する。

イオン伝導性膜は、種々の高差圧電気化学セルにおいて使用される。たとえば、イオン伝導性膜は、イオンガス圧縮器で使用される。イオンガス圧縮器のアノード側で、水素が反応して、電子とプロトンが形成される。プロトンは、膜を通過し、カソードで電子と反応して、分子水素を形成する。こうして、イオンガス圧縮器は、電気エネルギーを使用して低圧から高圧に水素を圧送する。

イオン伝導性膜はまた、イオンガス減圧器で使用される。イオンガス減圧器では、イオンガス圧縮器の作動原理が反転され、それにより、高圧ガス内に貯蔵された圧縮エネルギーが、高圧から低圧へのガス流として収集される。

なお別のアプリケーションでは、イオン伝導性膜はまた、高差圧電解槽で使用される。電解槽のアノード側で、水が反応して、酸素ガスとプロトンを形成する。プロトンは、膜を通過し、カソードで電子と反応して、分子水素を形成する。こうして、電解槽は、水を水素と酸素に変換する。

米国特許出願公開第２００４／００２８９６５号明細書は、電気化学セルを備える燃料電池システムを開示しており、電気化学セルは、高い水素濃度を有する貯蔵ベッセルから低い酸素濃度を有する水素フロー回路へ、また、その逆に水素を搬送するために使用される。しかし、この従来技術のシステムでは、搬送セルにわたる圧力差が制限される。使用される材料および水素搬送セルの積重構造は、高い圧力差と共に使用するのに適さない。貯蔵ベッセルに搬送される水素をさらに加圧するために、別個の圧縮器が必要とされる。

高差圧電気化学セルでは、高差圧が印加されるため、反応物クロスオーバが重要問題になる可能性があることがわかった。反応物クロスオーバは、電気化学セルの収量の減少をもたらすことになる。したがって、高差圧電気化学セルにおけるアプリケーション用の改善されたイオン伝導性膜、特にプロトンについて良好な浸透率を有するが、分子水素または分子酸素などの分子ガスについて低い浸透率を示す膜についての必要性が当技術分野に存在する。

米国特許出願公開第２００４／００２８９６５号明細書

膜のイオン浸透率が悪影響を受けることなく、酸素または水素などの分子ガスのクロスオーバに敏感でない膜を備える高差圧電気化学セルを提供することが本発明の主要な目的である。

前記アプリケーションで使用するのに適したイオン導電性膜を提供することが本発明の別の目的である。膜は、一方で、減少した反応物クロスオーバを示すべきであり、他方で、かなりの差圧に耐えることができるべきである。

効率が増加し、耐久性が改善された、イオンガス圧縮器、イオンガス減圧器、および高圧電解槽装置を提供することが本発明のさらなる目的である。

これらの目的が、以下でより詳細に明らかにされることになる本発明の種々の態様によって達成されることがわかった。

本発明は、高圧チャンバおよび低圧チャンバを包囲する高差圧電気化学セルであって、前記チャンバは膜によって分離され、膜はイオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性であり、膜は、高圧チャンバ内に第１の表面および低圧チャンバ内に第２の表面を有し、第１の表面は第１の電極を備え、第２の表面は第２の電極を備え、第１および第２の電極は、電気回路を介して互いに導電的に接続される高差圧電気化学セルを提供し、膜は少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。

本発明はまた、高差圧電気化学セルで使用するのに適し、イオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性である膜を提供し、膜は、少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。

本発明はさらに、高差圧電気化学セルにおける本明細書で指定される膜の使用を提供する。

本発明は、本発明による好ましい実施形態を概略的に示す添付図面を参照して、以下でより詳細に論じられるであろう。本発明は、これらの特定でかつ好ましい実施形態に制限されないことが理解されるであろう。

イオン性水素ガス圧縮器用の高差圧電気化学セルを示す図である。本発明の第１の実施形態によるイオン伝導性膜を示す図である。本発明の第１の実施形態による膜電極を示す図である。本発明の第２の実施形態によるイオン伝導性膜を示す図である。本発明の第２の実施形態による膜電極を示す図である。本発明のさらなる実施形態による膜電極接合体を示す図である。本発明によるイオン減圧セルを示す図である。図５の装置の断面を示す図である。図５の装置の長手方向断面を部分的に示す図である。図５のイオン減圧セルの膜電極接合体および低圧チャンバの断面を示す図である。本発明による高圧ベッセルの第２の実施形態を長手方向断面で示す図である。図９のベッセルの積重体のセルを略断面で示す図である。本発明によるイオン減圧セル用の冷却システムを断面で示す図である。本発明によるイオン減圧セル用の代替の冷却システムを断面で示す図である。本発明によるイオン減圧セル用の冷却チャネルの代替の構成を断面で示す図である。本発明によるイオン減圧セル用の冷却チャネルのさらなる代替の構成を断面で示す図である。

本発明では、少なくとも２つのイオン伝導性層を備えるイオン導電性膜が使用され、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。本発明の文脈では、電気絶縁性である層は、膜平面に垂直な方向に絶縁性がある。

膜は全体として、イオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性である。

電気絶縁性層と導電性層の組合せが、膜が使用されるときにプロトンについての浸透率に影響を及ぼすことなく、分子酸素および分子水素についての減少した浸透率を有する膜を提供することが明らかになった。これは、高差圧電気化学セルは、たとえば、イオンガス圧縮器、イオンガス減圧器、および高圧電解槽の性能の増加をもたらす。これはまた、導電性充填材料、たとえばカーボンナノチューブが膜に対する補強材として働くことで、機械的応力に対する膜の耐性が増加するため、システムの耐久性の改善をもたらす可能性がある。

イオン伝導性膜は、少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。

本発明で使用される膜は、分子ガス、たとえば分子酸素および分子水素について減少した浸透率を有する。理論により拘束されるつもりはないが、これは、以下のメカニズムによってもたらされると信じられている。イオン伝導性層が、分子水素に接触状態にある膜の表面、たとえば、電解槽の水素チャンバ内の膜の表面に存在する場合、分子水素は、膜を浸透し始める可能性がある。イオン伝導性層では、水素は、反応して、プロトンと電子を形成する。プロトンは、イオン伝導性膜を通して輸送される。電子は、伝導性層を通して電極の背面に輸送される。その結果、導電性層内の局所水素濃度が、これらの反応によって特定の場所でかなり減少する。これらの場所は、同様に反応する可能性があるさらなる分子水素用のドレインを構成する。

同様に、本発明による膜は、分子酸素用のバリアである。膜がプロトン伝導性でかつ電子伝導性であるため、膜内で溶解し、水素側に拡散する分子酸素は、触媒部位に存在するプロトンと膜内で反応しうる。これは、たとえば高圧電解槽の場合に、チャンバの１つが酸素を含む電気化学セルについて特に重要である。

装置が使用中であるとき、これは、簡潔に言えば、膜を浸透している分子水素および分子酸素を遮り、それを装置の効率に寄与させることをもたらす。導電性層は、膜を通した分子水素および分子酸素の搬送に対するバリアとして働く。

本明細書の文脈内で、イオン伝導層は、６５℃でかつ１００％ＲＨにおいて、少なくとも０．０１Ｓ／ｃｍのイオン伝導率、特にプロトン伝導率を有する層である。電気絶縁層は、少なくとも１０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強度を有する層である。当業者に明らかになるように、導電性層は、好ましい実施形態の電気化学セルの使用条件下で、絶縁破壊が起こらず、また、電気絶縁性層を通る電流漏洩が、動作中の平均電流の５％未満、通常１％未満であるようなものであるべきである。好ましい実施形態の高差圧電気化学セルの通常の電流密度は、５．０００〜２０．０００Ａ／ｍ^２の範囲である。電気絶縁性層を通る最大電流は、一般に１０００Ａ／ｍ^２、より詳細には５００Ａ／ｍ^２、なおより詳細には１００Ａ／ｍ^２である。

イオン伝導性で電気絶縁性の膜を製造するのに適した材料は、当技術分野で知られており、本質的に無機または有機であってよく、有機材料は一般にプラスチックである。適した膜は、たとえばＫＨ（ＰＯ_３Ｈ）−ＳｉＯ_２複合物のようなペロブスカイト膜などのセラミック膜を包含する。適したプラスチック膜は、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリフェニレンエーテル、たとえばスルホン化ポリフェニレンエーテルまたはＰＰＥ、およびポリフェニレン酸化物またはＰＰＯを包含する。たとえば、スチレン、塩化ビニル、およびエテンを有するエテンスルホン酸の共重合体はまた、たとえばポリビニルアルコールのスルホン化ポリマー（硫酸エステル）、または、より一般的には、硫酸ヒドロキシ官能性ポリマー、スルホン化芳香性ポリアミドおよびポリイミド、および、より一般的には、スルホン酸官能性縮合ポリマーであってよいように使用されてもよい。さらに適したポリマーは、強酸、たとえばポリビニルピリジン、ポリエチレンイミン、ポリビニルイミダゾールを含むポリイミダゾールを有するベーシックポリマーの複合体、および、ジアリルアンモニウムポリマーを含む。水の存在下で使用されるとき、適したポリマーの例は、フッ化スルホン酸ポリマー（ＰＦＳＡ）、スルホン化ポリエーテルスルホン（ＳＰＥＳ）ポリマー、スルホン化ポリ（エーテルエーテルケトン）（ＳＰＥＥＫ）ポリマー、スルホン化ポリエーテルケトン（ＳＰＥＫ）、スルホン化ポリ（エーテルケトンケトン）（ＳＰＥＫＫ）、およびスルホン化ポリ（エリレンエーテルスルホン）（ＳＰＳＵ）を含む。

そのように所望される場合、電気絶縁層は、スペーサ粒子、すなわち層が所定の厚さを有することを保証するのに役立つ粒子を含む。これは、電気絶縁層が非常に薄い、たとえば０．１〜１０ミクロンの範囲にある可能性があるため重要である。電気絶縁層は、薄過ぎるセクションを含むべきでない。その理由は、そのことが層の絶縁破壊強度に影響を及ぼすからである。０．１ミクロンと１０ミクロンとの間のサイズのスペーサ粒子の使用は、電気絶縁層が、局所的に規定値より薄くないことを保証することになる。繊維性スペーサ粒子は、膜の機械的特性を向上するため好ましい。

機械強度および耐久性のような特性を改善するために、膜は、繊維、たとえば、ガラス繊維（不織布）織布、ＰＴＦＥ（不織布）織布、たとえばＳｏｌｕｐｏｒ（登録商標）のようなポリマーまたはシリカなどの強化粒子の多孔質フィルムまたは層によって補強されてもよい。そのように所望される場合、補強材料またはスペーサ材料は、使用される場合、膜層との改善された整合性を保証するために前処理されてもよい。

本発明は、高差圧電気化学セルに関する。本明細書の文脈内で、高差圧電気化学セルは、電気化学セルの使用時に高圧チャンバと低圧チャンバとの間に少なくとも１ＭＰａの圧力差を有する。一実施形態では、使用時の圧力差は、少なくとも１０ＭＰａ、より詳細には少なくとも２０ＭＰａ、なおより詳細には少なくとも４０ＭＰａである。一実施形態では、増加した圧力差は少なくとも６０ＭＰａである。圧力についての上限は、重要ではない。２００ＭＰａの値が述べられてもよい。６０〜９０ＭＰａの好ましい範囲が述べられてもよい。

高圧チャンバと低圧チャンバとの間の圧力差に耐えるために、本発明の好ましい実施形態では、支持構造が設けられてもよい。これは、たとえば、膜の低圧側の多孔質支持構造の形態でありうる。支持構造は、膜の低圧側と膜の高圧側との間の圧力差に耐えることができるべきである。この圧力差は、圧縮器／減圧器の場合、２００ＭＰａほどの高い値であるが、より典型的には８０ＭＰａである。一般に、膜の一方の側と他方の側との間の圧力差は、少なくとも１ＭＰａ、詳細には１〜２００ＭＰａの範囲、より詳細には６０〜９０ＭＰａの範囲にある。本発明はまた、この構造の膜電極接合体に関する。

一実施形態では、多孔質支持構造は、低圧チャンバ内の膜に隣接する層状構造であり、層状構造は、電極側から始まって、１ミクロン未満の孔を有する多孔質浸透性層、１〜１００ミクロンの範囲の径を有する孔を有する多孔質浸透性層、および固形機械剛性層を備える。装置の構成に応じて、固形機械剛性層は、非多孔質でありかつ反応物に対して不浸透性であってよい。この実施形態では、反応物は、多孔質層を通して材料の側に輸送されることになる。この構造は、たとえば、次の通りに得られうる。第１のステップにて、高いガス浸透率および十分な機械強度を有するマクロ多孔質層が設けられる。適した材料は、たとえば、青銅、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、またはアルミニウムのような焼結金属粉末である。この焼結金属粉末の上部に、十分な機械強度および表面に垂直な方向への十分なガス浸透率を有するマクロ多孔質層が設けられる。マクロ多孔質層の孔は、通常、１ミクロンである。このマクロ多孔質支持層の上部に、多孔質電極層が塗布される。この多孔質電極層は、適した触媒を含み、プロトン伝導性であり、また、導電性である。適した材料は、微小多孔質パラジウム層またはパラジウムロジウム合金などのパラジウム合金層である。このカソード層の厚さは、通常、数ミクロンである。

膜の種々の層の分子ガス、特に分子水素および分子酸素についての浸透率は、できる限り低くあるべきである。一般に、これは、膜層が非多孔質であることを意味することになる。万一１つまたは複数の膜層内に孔が存在するならば、孔構造は、分子ガスについての浸透率が実質的に影響を受けないようなものであるべきである。これは、一般に、孔構造が不連続であること、および、任意の孔が、膜層の厚さより十分に小さな径を有することを意味することになる。

一実施形態では、膜のイオン伝導性で導電性の層は、イオン伝導性マトリクスを備え、導電性充填材がマトリクス内に分散する。イオン伝導性マトリクスは、たとえば、ポリマーマトリクスである。適したポリマーは、絶縁層用の先に論じたポリマーである。

導電性充填材は、炭素などの粒状導電性材料を含む。本明細書では、用語、粒状物は、繊維性材料の使用も包含する。充填材の量は、ポリマーマトリクス内で充填材が粒子の導電性ネットワークを形成するように選択されるべきである。充填材の量が少な過ぎる場合、粒子のネットワークは、形成されないことになり、層の導電率は、悪影響を受ける。他方、充填材の量が多過ぎる場合、イオン伝導性マトリクスの量が少な過ぎ、層のイオン伝導率が影響を受ける。さらに、充填材の量が多過ぎる場合、マトリクスの量が、少なくなり過ぎるため、連続した膜層を得ることが難しくなる。これは、分子水素についての浸透率の増加をもたらす可能性がある。適切な量の充填材は、マトリクスの特質、充填材の導電率、ならびに同様にその粒子サイズおよび形状に依存する。適した充填材は、カーボンナノチューブおよび炭素粒子などの炭素材料を含む。適した炭素材料の例として、ＡｋｚｏＮｏｂｅｌのＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋＥＣ６００またはＣａｂｏｔのＶｕｌｃａｎが述べられてもよい。上記に基づいてイオン伝導性で導電性の層を調製することは、当業者の範囲内である。

分子水素からプロトンおよび電子への、また、分子酸素およびプロトンから水への、イオン伝導性で導電性の層内での反応は、層内に存在する触媒活性部位によって触媒される。これらの部位は、たとえば、電極から導電性層への、白金などの何らかの触媒の移動によって自動的に形成する可能性がある。しかし、これらの部位は、製造中に膜内に触媒活性材料を組み込むことによって故意に形成されてもよい。一実施形態では、これは、触媒活性材料、たとえば白金を充填材材料上に塗布することによって行われてもよい。

本発明の一実施形態では、導電性層内の触媒部位の濃度は、層の断面にわたって不均質であり、濃度は、層の電極側で低く、層の、電気絶縁性層の隣接する側で高い。この実施形態では、プロトンを形成する分子水素の反応は、電極からさらに離れて起こる。これは、膜内への分子ガス用の駆動力の形成を減少させる。一実施形態では、導電性層は、２つ以上の層から構築され、外側層、すなわち膜の電極側の層は、表面からさらに離れた層の含有量より少ない触媒活性材料の含有量を示し、触媒材料の含有量は、電極からの距離の増加に伴って増加する。

本発明の１つの他の実施形態では、導電性層内の触媒部位の濃度はまた、層の断面にわたって不均質であり、濃度は、層の電極側で高く、層の、電気絶縁性層の隣接する側で低い。この実施形態では、プロトンを形成する分子水素の反応は、電極の近くで起こる。この実施形態では、導電性層は、２つ以上の層から構築され、外側層、すなわち膜の電極側の層は、表面からさらに離れた層の含有量より多い触媒活性材料の含有量を示し、触媒材料の含有量は、電極からの距離の増加に伴って減少する。

全体の膜は、一般に、２５〜１０００ミクロン、より詳細には５０〜５００ミクロンの厚さを有する。導電性層は、一般に、膜の総合厚さの１％と９９％との間を構成する。より具体的には、導電性層が膜の実質的な部分を構成することが好ましい場合がある。電気絶縁性層は、絶縁破壊強度が最大セル電圧より高い限り、比較的薄くてもよい。したがって、一実施形態では、導電性層は、膜の総合厚さの３０％と９０％との間、より詳細には５０％と８０％との間を構成する。

導電性層は、分子酸素に接触する膜の表面、たとえば、電解槽の水チャンバ内に存在する膜の表面に存在する場合、導電性層は、過酸化物および酸素ラジカルの形成を低減するのに役立つ。これらの化合物の形成は、膜が高差圧電気化学セルとして使用されるため、膜の耐用年数を減少させることが知られている。

この実施形態では、導電性膜層は、反応Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏによって、本発明による高差圧電気化学セル、特に高圧電解槽のアノード側からカソード側に向かって分子酸素が拡散するのを防止するのに寄与する。本発明の特に有利な実施形態では、本発明による膜は、第１の導電性でイオン伝導性の層と第２の導電性でイオン伝導性の層との間に挿入された電気絶縁性でイオン伝導性の層を備える。

高圧電解槽での使用時に、第１の導電性でイオン伝導性の層は、水素形成電極（カソード）から酸素形成電極（アノード）に向かう分子水素の搬送に対する有効バリアとして働き、一方、第２の導電性でイオン伝導性の層は、酸素形成電極（アノード）から水素形成電極（カソード）に向かう分子酸素の搬送に対する有効バリアとして働く。

やはり、膜の第２の導電性でイオン伝導性の層内の触媒活性部位の存在は、反応を補助し、本発明の一実施形態では、これらの部位は、この層内に存在する。導電性でイオン伝導性の層の特質に関する詳細について、先に述べたことが参照される。やはり、触媒活性材料が膜の厚さにわたって不均一であることが好ましい場合がある。

本発明の一実施形態では、膜が使用され、膜は、アノード側から始まって、第１の導電性でイオン伝導性の層、第１の導電性でイオン伝導性の層内の触媒活性材料の濃度より高い触媒活性材料の濃度を有する第２の導電性でイオン伝導性の層、電気絶縁性でイオン伝導性の層、第３の導電性でイオン伝導性の層、および、第３の導電性でイオン伝導性の層内の触媒活性材料の濃度より低い触媒活性材料の濃度を有する第４の導電性でイオン伝導性の層を備える。

本発明の１つの他の実施形態では、膜が使用され、膜は、アノード側から始まって、第１の導電性でイオン伝導性の層、第１の導電性でイオン伝導性の層内の触媒活性材料の濃度より低い触媒活性材料の濃度を有する第２の導電性でイオン伝導性の層、電気絶縁性でイオン伝導性の層、第３の導電性でイオン伝導性の層、および、第３の導電性でイオン伝導性の層内の触媒活性材料の濃度より高い触媒活性材料の濃度を有する第４の導電性でイオン伝導性の層を備える。

一実施形態では、高圧電解槽で使用されるときの、膜のアノード側すなわち水チャンバの側のイオン伝導性層は、高圧電解槽内の膜のカソード側すなわち水素チャンバの側の導電性層内の触媒活性材料の濃度より高い触媒活性材料のローディングを有する。一般に、アノード側の層内の触媒活性材料の濃度は、それが堆積される炭素支持体の重量に関して計算された０．０１重量％と６０重量％との間である。一般に、カソード側の層内の触媒活性材料の濃度は、それが堆積される炭素支持体の重量に関して計算された０．０１重量％と６０重量％との間である。

本発明のさらなる実施形態では、イオン伝導性で電気絶縁性の層は、たとえば規則的または不規則的な波状または鋸状パターンの形態でプロファイルを持つあるいは任意の他の非平坦プロファイルである。この実施形態の要点は、電気絶縁性層にわたる電界の方向が、電気絶縁性層の全表面にわたってプロトンの輸送方向に平行でかつ反対であることを保証することによって膜を通したプロトンの輸送が改善されることである。

本発明の一実施形態では、膜は、２つの電気絶縁性層を備え、その間に導電性層を有し、導電性層は触媒活性材料を備える。この実施形態では、電気絶縁性層を通過する酸素は、絶縁性層間の導電性層内で水素と反応して、水を形成する。導電性層の存在は、電気化学セルの効率に寄与しない（電流が生成されない）が、酸素ラジカルおよび過酸化物の除去に寄与し、セル寿命を増加させる。この実施形態では、膜は、順次に、電極から始まって、導電性層、電気絶縁性層、導電性層、電気絶縁性層、および好ましくは、さらなる導電性層を備える。全ての導電性層は、少なくとも触媒活性なその断面の一部を覆う。

本発明に従って使用される膜は、多層フィルムの製造のために当技術分野で知られている方法によって製造されてもよい。適した方法の例は、共押出、溶液鋳造、スロットダイコーティング、スライドコーティングなどを含む。たとえば、膜は、表面、たとえばフィルムまたはロール上で、適切な組成物を有するポリマー溶液を順次鋳造し、次の溶液を塗布する前に、溶液が固化することを可能にすることによって製造されてもよい。

本発明による高差圧電気化学セルでは、先に論じた膜は、第１の電極を備える第１の表面および第２の電極を備える第２の表面を有する、先に論じた膜を備える膜電極接合体（ＭＥＡ）の形態であることになる。イオンガス圧縮器での使用時、低圧チャンバ内に配置された第１の電極は、イオン性ガス、たとえば水素に接触し、アノードの役をすることになる。高圧チャンバ内に配置された第２の電極は、同じイオン性ガス、たとえば水素に接触し、カソードの役をすることになる。イオンガス減圧器での使用時、高圧チャンバ内に配置された第１の電極は、イオン性ガス、たとえば水素に接触し、アノードの役をすることになる。低圧チャンバ内に配置された第２の電極は、同じイオン性ガス、たとえば水素に接触し、カソードの役をすることになる。電解槽での使用時、第１の電極は、水に接触し、アノードの役をすることになる。第２の電極は、分子水素に接触し、カソードの役をすることになる。

電極は、許容可能な電気抵抗損を有するのに十分な導電率を有する。このために、十分に高い比導電率および十分な厚さを有する電極が使用される。

任意選択で、導電性触媒不活性材料と共に導電性触媒材料を含む電極が使用されうる。触媒材料は、イオンおよび電子への反応物の変換を保証することになり、導電性材料は、電子の輸送を保証する。別の実施形態では、そのように望まれる場合、一方または両方の電極の導電率は、電極の上部に導電性が高い電流分布材料またはグリッドを設けることによってさらに改善されうる。

第１の電極は、たとえば分子水素のプロトンおよび電子への変換を触媒することができる材料を含む導電性層である。適した触媒は全て、白金、パラジウム、および他の白金族金属ならびにその合金のような、知られているイオン化触媒である。同様に、好ましい反応に向かう触媒活性があることが知られている非貴金属および遷移金属酸化物が使用されうる。一実施形態では、電極は、パラジウムまたはパラジウム合金の薄フィルムを備える。第１の電極は、一般に、０．２〜１０ミクロンの範囲、より詳細には１〜５ミクロンの範囲の厚さを有することになる。

第２の電極は、分子水素を形成するために、プロトンと電子との反応を触媒することができる材料を含む導電性層である。適した触媒は、当技術分野で知られており、たとえば白金、パラジウム、他の白金族金属、および一部のパラジウム合金を含むが、この反応で触媒活性を示す多くの他の材料も含む。好ましくは、第２の電極は、たとえば１００ＭＰａ以上、たとえば２００ＭＰａ以上の圧力に耐性がある多孔質構造を有することによって、分子水素およびプロトンについて浸透性がある導電性層である。第２の電極は、一般に、０．５〜１００ミクロンの範囲、より詳細には１〜１０ミクロンの範囲、通常２〜５ミクロンの範囲の厚さを有することになる。

一実施形態では、プロトン伝導性膜は、たとえば水素浸透性支持体層を備えうる。支持体構造は、たとえば、第２の電極に重なり、第２の電極の側から始まって、１つまたは複数の水素浸透性層および高圧チャンバと低圧チャンバとの間の圧力差に耐えるのに十分に剛性がある機械剛性層を備えうる。支持体層は、水素移動を可能にする孔を有する導電性で熱伝導性の材料で作られるべきである。

一実施形態では、本発明は、導電性層とイオン伝導性層との間に挟まれた電気絶縁性でイオン伝導性の層からなる膜を有するイオンガス圧縮器に関する。この実施形態では、大きな差圧による膜内の分子水素のクロスオーバが低減される。

別の実施形態では、本発明は、導電性層とイオン伝導性層との間に挟まれた電気絶縁性でイオン伝導性の層からなる膜を有するイオンガス減圧器に関する。この実施形態では、大きな差圧による膜内の分子水素のクロスオーバが低減されることになる。

別の実施形態では、本発明は、水チャンバ内の膜の表面の側に導電性層を有する高圧電解槽に関し、電気絶縁性層は、水素チャンバ内に存在する膜の側に存在する。この実施形態では、水チャンバ内の酸素ラジカルおよび過酸化物の形成が低減されることになる。一実施形態では、本発明による電解槽は、水チャンバおよび水素チャンバを包含し、前記チャンバは膜によって分離され、イオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性であり、膜は、水チャンバ内に第１の表面および水素チャンバ内の第２の表面を有し、第１の表面は第１の電極を備え、第２の表面は第２の電極を備え、第１および第２の電極は、電気回路を介して互いに導電的に接続され、膜は少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である。

別の実施形態では、本発明は、水素チャンバ内の膜の表面の側に電気絶縁性層を有する高圧電解槽に関し、導電性層は、水チャンバ内に存在する膜の側に存在する。この実施形態では、分子水素についての膜の浸透率は、低減されることになる。

さらなる実施形態では、導電性層は、カソードフローフィールド内の膜の表面の側に存在し、導電性層は、アノードフローフィールド内の膜の表面の側に存在し、絶縁性層は、２つの導電性層間に挿入される。この実施形態では、水チャンバ内での酸素ラジカルおよび過酸化物の形成ならびに分子水素についての膜の浸透率が低減されることになる。

本発明はまた、水素を圧縮するプロセスに関し、水素含有ガスが、イオンガス圧縮器の低圧チャンバに給送され、電流が、前記イオンガス圧縮器の電気回路に提供され、水素が、イオンガス圧縮器の高圧チャンバ内に圧送される。

本発明はまた、水素を減圧するプロセスに関し、水素含有ガスが、イオンガス減圧器の高圧チャンバに給送され、電流が、前記イオンガス減圧器の電気回路から引き出され、水素が、減圧されてイオンガス減圧器の低圧チャンバに入る。

本発明はまた、水を水素と酸素に変換するプロセスに関し、水が、本発明の電解槽の水チャンバに給送され、電流が、前記電解槽の電気回路に提供され、酸素が、電解槽の水チャンバから取出され、水素が、電解槽の水素チャンバから取出される。

本発明による高差圧電気化学セル、特にイオンポンプまたはイオン減圧器は、水素含有ガスを用いて動作しうる。水素含有ガスは、分子水素の少なくとも５モル％を含む。一実施形態では、水素（本発明のために、水素の少なくとも９５モル％、特に少なくとも９８モル％を含む水素ガスである）が使用される。本明細書では、本発明は、水素を参照して説明されることになるが、他の成分をさらに含む水素含有ガスの使用が考慮されてもよい場合が当業者には明らかであろう。一部の実施形態では、水素の少なくとも５０モル％、より詳細には少なくとも７０モル％、なおより詳細には少なくとも８０モル％、なおより詳細には少なくとも９０モル％を含む水素ガスの使用が好ましい場合がある。

一実施形態では、本発明は、少なくとも１つの高圧チャンバおよびイオン伝導性膜によって高圧チャンバの少なくとも１つから分離された少なくとも１つの低圧チャンバを含む複数のチャンバを備えるイオンガス圧縮器またはイオンガス減圧器である高差圧電気化学セルを対象とし、チャンバのうちの少なくとも１つは、チャンバの２つの対向する側においてイオン伝導性膜によって境界付けられ、イオン伝導性膜はそれぞれ、高圧チャンバのうちの１つの高圧チャンバ内の第１の表面および低圧チャンバのうちの１つの低圧チャンバ内の第２の表面を有し、第１の表面は第１の電極を備え、第２の表面は第２の電極を備え、第１および第２の電極は、外部電気回路要素によって導電的に接続される。この文脈では、用語、外部は、電気回路要素が、膜自体を通して延びないことを意味する。

プロトン伝導性膜は、たとえば、高圧チャンバまたは低圧チャンバの一方を完全に閉囲しうる。このために、プロトン伝導性膜は、たとえば、管状でありうる。

低圧チャンバは、たとえば、高圧貯蔵ベッセルまたはタンクなどの高圧チャンバ内に一体的に配置されうる。好ましくは円柱であるこうした貯蔵タンクは、高圧水素供給ラインおよび／または水素ガス放出ラインにタンクを接続するためのコネクタブロックによって閉鎖された、一端または両端の開口、および、電気回路要素に接続するための電気接点を有しうる。これらのアダプタの一方または両方は、高圧チューブを備え、中心高圧チャンバと同軸低圧チャンバとの間の圧力差に抗することができる１つまたは複数の管状イオン減圧セルに接続されうる。本発明による装置のこうした実施形態は、冷却および／または加熱のために使用されうる、同軸熱交換チャネルおよび／または内部熱交換チューブを備えてもよい。管状イオン減圧セルは、たとえば、溶接またははんだ付けによって、または、高圧ガスケットと組合せた機械接続によって端部アダプタに接続されうる。管状装置の圧力変化および温度変化ならびに高圧タンクの温度は、動作中に長さ変化をもたらすことになる。この問題は、たとえば、管状イオン減圧セルを一方の側に固定し、摺動固定具を他方の側に設けることによって解決されうる。任意選択で、コネクタブロックは、高圧入口、圧力低減器、過流防止弁、ニードル弁、圧力および／または温度センサ、過圧逃がし弁、低圧出口、ＤＣ接点、接地および／または電力および制御電子部品などのさらなる機構を備えうる。

あるいは、圧力チャンバは、プロトン伝導性膜の積重体を備えることができ、各膜は、表面カソードと表面アノードとの間に挟まれ、第１の多孔質層は、表面アノードに重なり、高圧チャンバと開放連通状態にあり、低圧チャンバに対してシールされ、一方、表面カソードは、低圧チャンバと開放連通状態にある第２の多孔質層によって覆われ、高圧チャンバに対してシールされる。積重体内の第１の膜上の第１の多孔質層は、水素（Ｈ_２）について不浸透性である導電性層によって、第１の膜の上で第２の膜の第２の多孔質層から分離される。こうして、直列接続が得られ、膜電極接合体のアノードからの電子が、より高い積重された膜電極接合体のカソードに移動して、より高い積重された膜によって伝導されたプロトンと再結合しうる。上部膜電極接合体は、外部電気回路によって最も下側の膜電極接合体に接続されうる。

表面アノードは、多孔質構造に部分的に貫入しうる。これは、表面積が増加した粗構造化アノードをもたらす。これは、アノードの圧力耐性を改善することがわかった。同様に、カソードは、隣接する多孔質構造に部分的に貫入することができ、同様に、カソードの改善された圧力耐性をもたらす。

あるいは、低圧チャンバの１つまたは複数は、２つの高圧チャンバ間に挟まれうる。平行なプロトン伝導性膜が使用されて、サンドイッチ状の低圧チャンバおよび／または高圧チャンバを境界付けうる。平行膜は、たとえば、平坦膜でありうる。一実施形態では、低圧チャンバは、両側に膜電極接合体および高圧チャンバがある平坦多孔質板である。対称性のため、一方の側の高圧は、他方の側の同じ高圧によって対抗される。

高差圧電気化学セルがイオンガス減圧器である場合、動作時、高圧チャンバは、一般に、少なくとも０．６ＭＰａ、特に０．６ＭＰａと２００ＭＰａとの間、より詳細には１ＭＰａと１００ＭＰａとの間、なおより詳細には２０ＭＰａと９０ＭＰａとの間、または６０ＭＰａと９０ＭＰａとの間の圧力の加圧水素で充填されうる、一方、低圧チャンバは、たとえば、高圧チャンバの圧力より低い、特に１ＭＰａ未満、より詳細には０．１５ＭＰａと０．６ＭＰａとの間の圧力の水素を含んでもよい。圧力は、チャンバに接続された、知られている機器によって測定されうる。

本発明は、本発明による好ましい実施形態を概略的に示す添付図面を参照してさらに示されるであろう。本発明は、これらの特定のまた好ましい実施形態にいずれの点でも制限されないことが理解されるであろう。

図１では、イオン性水素ガス圧縮器３０１用の高差圧電気化学セルは、２つの主要な表面を有する中央ポリマー電解質膜３０２と、２つの別個の触媒層３０３、３０４、たとえばアノード側の白金などの適した水素酸化反応（ＨＯＲ）触媒およびカソード側の白金などの適した水素還元反応（ＨＲＲ）触媒とを備え、それぞれの触媒層は、アノードおよびカソードとそれぞれ呼ばれる２つの主要な表面の一方に付着した内側層を有する。２つの微小多孔質支持体層３０５、３０６、たとえば高いガス浸透率および十分な機械強度を有する焼結金属層は、電極触媒層３０３、３０４の外側表面に付着される。電極３０３、３０４は、低圧チャンバ３０７および高圧チャンバ３０８内にそれぞれ存在する。

低圧チャンバ３０７は、気体水素用の入口（図示せず）を有する。高圧チャンバ３０８は、気体水素用の出口（図示せず）を有する。

ポリマー電解質膜３０２、アノード触媒層３０３、およびカソード触媒層３０４は共に、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。

本発明の実施形態では、膜３０２は、少なくとも２つのイオン伝導性層３０２Ａおよび３０２Ｂを備える。イオン伝導性層３０２Ａは導電性であり、他の層３０２Ｂは電気絶縁性である。図３０２Ａおよび３０２Ｂは、それぞれ、こうした膜３０２ならびにアノード触媒層３０３とカソード触媒層３０４との間に配設されたこの多層膜を備えるＭＥＡを示す。好ましくは、両方の膜層は、分子水素燃料ガス、存在する場合酸素ガスに対して実質的に浸透性がある。

本発明のさらなる実施形態では、第１の導電性でイオン伝導性の層３０２Ａと第２の導電性でイオン伝導性の層３０２Ｃとの間に挿入された電気絶縁性でイオン伝導性の層３０２Ｂを備える膜３０２が設けられる。こうした膜３０２およびこうした膜を備える膜電極接合体が、図３Ａおよび３Ｂに示される。第１および第２の導電性でイオン伝導性の層３０２Ａ、３０２Ｃは同じでも異なってもよい。

図４では、導電性層３０２Ａ、３０２Ｃは、導電性サブ層３０２Ａ１、３０２Ａ２および３０２Ｃ１および３０２Ｃ２からそれぞれ構成される。外側層３０２Ａ１および３０２Ｃ１内の触媒活性材料の濃度は、内側層３０２Ａ２および３０２Ｃ２内の触媒活性材料の濃度より低い。

イオン圧縮器／減圧器の種々の実施形態は、以下の図５〜１４を参照して論じられるであろう。

図５は、たとえば自動車車両の燃料電池用の高圧水素タンク１を備える、本発明によるイオン減圧セルを示す。通常、こうした水素圧力タンクは、約２メートルの長さおよび約０．４〜０．５メートルの直径を有する。タンク１は、半球端部セクション３、４で蓋をされた円柱本体２を備える。端部セクションの一方３は、以降で説明されるように、種々のコネクタを装備したコネクタブロック６で塞がれた開口５を備える。タンク１の内部は、加圧水素Ｈ_２を含む高圧チャンバ７を形成する。

タンク１内には、膜チューブ１０が、円柱本体２と同軸配置で一方の端部セクション４から対向する端部セクション３まで延在する。膜チューブの外径は約２０ｍｍである。図４により詳細に示すように、減圧チューブは、機械剛性耐圧管状壁１２によって囲まれた中央低圧チャンバ１１を備え、機械剛性耐圧管状壁１２は、低圧チャンバ１１内の圧力と圧力タンク１内の圧力と間の少なくとも圧力差に抗する。管状壁１２は、たとえば、鋼グレード３１６などのステンレス鋼から構成されうる。管状壁１２は、半径方向に延在するアパーチャ１３を備える。その外側表面で、管状壁１２は、１ミクロンより大きい孔を有するマクロ多孔質支持体層１４でコーティングされる。この支持体層は、たとえばスラリーディッピングおよび焼結によって塗布された金属コーティングであり、たとえば約１ｍｍの平均層厚を有しうる。このマクロ多孔質支持体層１４の上部には、１ミクロン未満の孔を有する金属コーティングの焼結微小多孔質支持体層１５が塗布される。この微小多孔質支持体層の上部には、第ＶＩＩＩ族金属カソード層１６が、たとえば真空スパッタリングによって塗布される。スパッタリングプロセス中、チューブは、均一なコーティング厚を得るために回転される。この多孔質カソード層１６は、適した触媒を含み、プロトンならびに電子について伝導性がある。このために、カソード層１６は、たとえば、白金、パラジウム、またはパラジウム合金層でありうる。このカソード層の厚さは、約１〜３ミクロンである。カソード層の上部には、たとえばセラミックまたはポリマー材料から構成され、１００〜１００００ミクロンの範囲の平均層厚を有する非多孔質のプロトン伝導性で電気絶縁性の膜層１７が存在する。この電解質膜１７の上部には、アノード層１８が、約２ミクロンの厚さでスパッタリングされる。アノード層は、たとえば、パラジウムまたはパラジウム合金から構成されうる。銅グリッド１９が、たとえば無電解銅めっき浴内でアノード層１８上に塗布される。

膜チューブ１０の外側端部２０、２１は、端部壁によって閉鎖される。外側端部２０は、接続ブロック６内に保持される。この外側端部の端部壁２２は、コネクタブロック内の開口２３を介して低圧チャンバ１１からたとえば自動車車両の燃料電池へ減圧水素ガスを放出する放出ラインに動作可能に接続された放出開口を備える。放出ラインは弁（図示せず）によって閉鎖されうる。接続ブロック６はさらに、高圧水素供給ラインに接続するための入口開口２４を備え、アノードおよびカソード層１６、１８を電気回路要素にそれぞれ接続する電気接点２５を提供する。任意選択で、接続ブロック６はまた、圧力センサおよび／または温度センサなどの１つまたは複数のセンサ、過流防止弁、圧力開放弁（ＰＲＤ）、および／またはニードル弁などの弁、流量制限器、高圧チャンバ内のガス温度を制御する冷却フィン、ならびに電力および制御電子部品を提供しうる。

圧力変化および温度変化のため、膜チューブ１０の長さは、高圧タンク１の長さに対して経時的に変化しうる。これを補償するために、接続ブロック６に接続される外側端部に対向する膜チューブ１０の外側端部は、摺動固定具（図示せず）によって支持される。

図５〜８の実施形態では、高圧タンク１は、１つの膜チューブ１０だけを備える。他の実施形態では、２つ以上の膜チューブ１０が、たとえば平行配置で使用されうる。たとえば、１つの中央減圧チューブ１０は、高圧タンク１内で同軸に配置され、たとえば同じ径であってよい５つまたは６つの等距離配置された減圧チューブで囲まれうる。

図９は、本発明による高圧ベッセル１００を示す。ベッセル１００は、たとえば８００ＭＰａの圧力下で、加圧水素ガスを充填される。ベッセル１００は、イオン減圧セル１０３の積重体１０２で塞がれた出口１０１を備える。積重体１０２の上には、カバー板１０４が存在する。カバー板１０４は、たとえばタイロッドまたは引張り部材または同様なもの（図示せず）によって圧力ベッセル１００内に固定されうる。積重体１０２内の中央に、また、ベッセル１００と同軸に、管状低圧チャンバ１０５が配置される。

図１０は、イオン減圧セル１０３のうちの１つを、より詳細な断面で示し、矢印は、水素の流れをＨ_２およびプロトンとしてそれぞれ示す。各セル１０３は、高圧ベッセル内部１１２に面する外側周縁１１１および低圧チャンバ１０５の軸方向セグメントを形成する内側開口１１３を有する。セル１０３は、開口１１３から周縁１１１まで延在するアルミニウム箔ベース層１１５を備える。ベース層１１５の上部には、開口１１３から、外側周縁１１１から短い距離にある地点まで延在する多孔質アルミニウム層１１６が存在し、多孔質アルミニウム層１１６は、高圧ベッセル内部１１２から多孔質層１１６をシールするアルミニウムのシーリングセグメント１１７によって蓋をされる。多孔質層１１６の上部には、共に約１μｍの厚さを有するアノード表面１２０とカソード表面１２１との間に挟まれた約２５μｍのプロトン伝導性膜１１９を備える膜電極接合体１１８が存在する。膜電極接合体１１８と並んで、また、シーリングセグメント１１７の上部に、圧力ベッセル内部１１２から膜電極接合体をシールするシーリングストリップ１２２が存在する。膜電極接合体１１８およびシーリングストリップ１２２の上部には、銅合金の多孔質層１２３が存在する。膜電極接合体１１８および多孔質銅合金層１２３は、高圧ガスケット１２４によって中央開口１１３からシールされる。ガスケット１２４および銅合金層１２３は、圧力変化を補償するために、ある程度の圧縮性を示す。アルミニウム箔ベース層１１５は、開口１１３の周りにカラー１２５を備える。カラー１２５は、ガスケット１２４の内径との締りばめを形成する外径を有する。

セル１０３を通る水素流は、矢印Ｈで示される。圧力が約８０ＭＰａ程度に高い高圧ベッセル内部から、水素ガスが、多孔質銅合金層１２３内に流れ、多孔質銅合金層１２３内で、水素ガスがアノード表面１２０に接触する。アノード表面にて、水素ガスは、上述したように減圧されて電子とプロトンになる。プロトンは、プロトン伝導性膜１１９を通過してカソード表面１２１に至り、カソード表面１２１にて、プロトンは、下側セル１０３のアノード層からやって来る電子と再結合してＨ_２水素ガスになる。再結合した水素ガスは、図１０を参照して以降で述べるように、多孔質層１１６を通して、水素放出チャネルが画定される開口１１３に移動する。外部電気回路（図示せず）は、積重体１０２の上側セル１０３の表面アノードを最も下側のセル１０３の表面カソードに接続する。こうして、たとえばＤＣ／ＤＣ変換器または他のタイプの電気負荷を備えてもよい電気回路を通して電流が生成される。

図１１は、高圧ベッセルで使用するための管状イオン減圧セル１７０を断面で概略的に示す。イオン減圧セル１７０は、高耐圧円柱チャネル壁１７１を備え、高耐圧円柱チャネル壁１７１は、チャネル壁１７１によって限定される低圧チャンバ１７３に加圧水素ガスが通過するアパーチャまたは穿孔１７２を備える。チャネル壁１７１は、マクロ多孔質層１７５でコーティングされ、マクロ多孔質層１７５は、次に、微小多孔質層１７６でコーティングされ、両方の同心層は、水素ガスについて浸透性がある。微小多孔質層１７６は、カソード層１７７でコーティングされ、カソード層１７７は、非多孔質のプロトン伝導性で電気絶縁性の膜１７８でコーティングされ、膜１７８は、次に、多孔質アノード層１７９でコーティングされる。集電グリッド１８０は、アノード層１７９の外側に塗布される。管状チャネル壁１８２によって画定される４つの冷却材チャネル１８１が、低圧チャンバ１７３内に配置されて、効果的な温度制御を提供し、減圧プロセスを最適化する。

別法としてまたは付加的に、熱交換チャネルが、たとえば図１２で示すように配置されうる。図１２では、同じ参照数字は、図１１の場合と同様に、両方の実施形態において同じである部品のために使用される。この場合、減圧器セル１８４のカソード層１７９は、集電層１８５でコーティングされる。熱交換チャネル１８６は、イオン減圧セル１８４の高圧側に配置されて、高圧チャンバ内の加圧水素を所望の温度に維持する。

図１３および１４は、たとえば図５に示すように、本発明によるイオン減圧セルで使用されうる押出しプロファイルを示す。使用時、プロファイルは、膜電極接合体またはこうした接合体の積重体（図示せず）によって囲まれる。図１３では、押出しプロファイル２００は、高圧に耐性がある管状プロファイルであり、アルミニウム合金から構成される。管状プロファイル２００は、ドリルで開けられた複数の穴またはアパーチャ２０２（１つだけが図に示される）を備える外側円柱２０１を備える。直交配置された４つのスペーサ２０３は、内側に延在して、内側管状チャネル壁２０４を、外側円柱２０１に対して同軸配置で保持する。内側に延在する４つの大きなスペーサ２０５は、低熱伝導率の材料、たとえばポリマー材料の小さなチューブ２０６を保持する。各スペーサ２０５は、２つのスペーサ２０３間で等距離に配置される。ポリマーチューブ２０６は、冷却された熱交換液用の戻りチャネル２０７を形成する。ポリマーチューブ２０６と内側管状チャネル壁２０４との間の内側同軸チャネル２０８は、熱交換液用の供給チャネルを形成する。内側同軸チャネル２０８は、スペーサ２０５によって平行で等しい４つのチャネル部分２０９に分割される。外側円柱壁２０１と内側円柱壁２０４との間には、スペーサ２０４、２０５によって等しい平行な８つのチャネル部分２１１に分割された外側同軸チャネル２１０が存在する。低圧チャンバ用のこれらのチャネル部分２１１は、減圧水素ガスの再収集のためのものである。

図１４は、図１３のものと同様の変形を示す。同じ参照数字は、同じである部品のために使用される。この実施形態では、スペーサ２０５は、スペーサ２０３と同じ長さである。ポリマーチューブ２１５は、内側円柱壁２０４の内部に嵌合する。このチューブ２１５とポリマーチューブ２０６との間に、熱交換媒体用の供給チャネル２１６が存在し、熱交換媒体は、ポリマーチューブ２０６によって限定された戻りチャネル２０７を介して戻る。

以下は、本発明がそれにまたはそれにより制限されることなく、本発明の種々の実施形態の例証を与える。

本発明の高差圧電気化学セルは、導電性層とイオン伝導性層との間に挟まれた電気絶縁性でイオン伝導性の層からなる３層膜、繊維性材料による前記膜層の補強、および前記膜を支持する微小多孔質構造を含む、高差圧に耐えるいくつかの手段を組み込んでもよい。

イオン性水素ガス圧縮器での用途のための図３Ａおよび３Ｂの３層膜は、３つの溶液／分散液から製造されてもよい。

導電性でイオン伝導性の層３０２Ａ用の分散液は、分子水素のイオン化を補助する触媒活性位置を導電性層３０２Ａ内に得るために、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの範囲のサイズを有する１重量％白金粒子を備えるＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋＥＣ６００を含む。分散液は、さらに、ポリマー、たとえばＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＥＷ１１００および溶媒を含む。

電気絶縁性でイオン伝導性の層３０２Ｂ用の分散液は、非導電性充填材として２０ｎｍの平均粒子サイズを有するＡｅｒｏｓｉｌ（登録商標）を含む。分散液は、さらに、アイオノマー、たとえばＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＥＷ１１００および溶媒を含む。

導電性でイオン伝導性の層３０２Ｃ用の分散液は、分子水素のイオン化を補助する触媒活性位置を導電性層３０２Ｃ内に得るために、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍの範囲のサイズを有する１重量％白金粒子を備えるＫｅｔｊｅｎＢｌａｃｋＥＣ６００を含む。分散液は、さらに、アイオノマー、たとえばＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＥＷ１１００および溶媒を含む。

各分散液は、高せん断力高回転速度ＵｌｔｒａＴｕｒｒａｘ混合デバイスを使用して均質化される。

スライドコートマシンは、１２５ミクロンの厚さを有するマイラータイプポリエステルキャリアフィルムを備える。先に特定された分散液を含む３つの供給ベッセルは、マシンのスライドコートヘッドに接続され、１つまたは複数の定量注入ポンプが、マイラーフィルムに対する多種の分散液の供給比を制御する。さらに、塗布される薄フィルム層は、（不織布）織布ガラスファイバなどの繊維性材料で補強されうる。マシンは、たとえば、１分当たり１ｍの膜を提供するように設定される。スライドコートヘッドは、１回の運転で３層膜３０２を製造する。その後、膜３０２は、溶媒を気化させるために加熱デバイスに給送され、温度が、膜の特性が影響を受けるようにあまり高くなく、通常、溶媒の沸点未満に留まることが配慮される。

実施例１に従って製造された膜は、膜電極接合体の製造について当技術分野で知られている方法でＣＣＭ（触媒コーティング膜）またはＭＥＡ（膜電極接合体）になるように処理されうる。１つの知られている方法は、デカル（ｄｅｃａｌ）または転写コーティング法を使用して膜の両側に電極を塗布することである。この方法では、転写フィルムは、電極でコーティングされる。膜の一方の側で、転写フィルム上のアノードがプレスされ、他方の側で、カソードコーティングを有する転写フィルムがプレスされる。プレス、加熱、および冷却後に、転写フィルムが除去される。残留生成物は、ＣＣＭ、触媒コーティング膜またはＭＥＡ、膜電極接合体と呼ばれる。

このＣＣＭまたはＭＥＡは、当技術分野で知られるＧＤＬ（ガス拡散層）として働く、微小多孔質の導電性で機械剛性がある支持体構造の間に挟まれる。この構造は、前記ＣＣＭまたはＭＥＡの耐圧を向上させる。

この補強された、２つの微小多孔質支持構造間に挟まれた３層膜は、当業者に明らかになる方法で、高圧イオン性水素ガス圧縮器または減圧器に組み込まれうる。

上記実施例１の代替として、図３Ａおよび３Ｂの３層膜が、次の通りに、３つの溶液／分散液から製造されてもよい。

電気絶縁性でイオン伝導性の層２Ｂ用の分散液は、非導電性充填材として２０ｎｍの平均粒子サイズを有するＡｅｒｏｓｉｌ（登録商標）を含む。分散液は、さらに、アイオノマー、たとえばＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＥＷ１１００および溶媒を含む。

導電性でイオン伝導性の層３０２Ｃ用の分散液は、水を形成するために酸素ラジカルとプロトンとの反応を補助する触媒活性位置を導電性層３０２Ｃ内に得るために、１〜１００ｎｍ、好ましくは２〜５０ｎｍの範囲のサイズを有する、酸素発生反応触媒粒子、たとえばイリジウム酸化物粒子を含む。分散液は、さらに、アイオノマー、たとえばＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＥＷ１１００および溶媒を含む。

スライドコートマシンは、１２５ミクロンの厚さを有するマイラータイプポリエステルキャリアフィルムを備える。先に特定された分散液を含む３つの供給ベッセルは、マシンのスライドコートヘッドに接続され、１つまたは複数の定量注入ポンプが、マイラーフィルムに対する多種の分散液の供給比を制御する。マシンは、たとえば、１分当たり１ｍの膜を提供するように設定される。スライドコートヘッドは、１回の運転で３層膜３０２を製造する。その後、膜３０２は、溶媒を気化させるために加熱デバイスに給送され、温度が、膜の特性が影響を受けるようにあまり高くなく、通常、溶媒の沸点未満に留まることが配慮される。

この実施例に従って製造された膜は、膜電極接合体の製造について当技術分野で知られている方法でＣＣＭ（触媒コーティング膜）またはＭＥＡ（膜電極接合体）になるように処理されうる。１つの知られている方法は、デカルまたは転写コーティング法を使用して膜の両側に電極を塗布することである。この方法では、転写フィルムは、電極でコーティングされる。膜の一方の側で、転写フィルム上のアノードがプレスされ、他方の側で、カソードコーティングを有する転写フィルムがプレスされる。プレス、加熱、および冷却後に、転写フィルムが除去される。残留生成物は、ＣＣＭ、触媒コーティング膜またはＭＥＡ、膜電極接合体と呼ばれる。このＣＣＭまたはＭＥＡに対して、ＧＤＬ（ガス拡散層）が、水素側に添加される。チタンメッシュまたは発泡体が、酸素形成側に添加される。これは、当技術分野で知られている方法で高圧電解槽に組み込まれうる。適切な構造完全性を保証するために、ＣＣＭまたはＭＥＡは、当技術分野で知られるＧＤＬ（ガス拡散層）として働く、微小多孔質の導電性で機械剛性がある支持体構造の間に挟まれることが可能である。

１タンク
２円柱本体
３、４半球端部セクション
５開口
６コネクタブロック（接続ブロック）
１０膜チューブ
１１低圧チャンバ
１２管状壁
１３アパーチャ
１４マクロ多孔質支持体層
１５焼結微小多孔質支持体層
１６カソード層
１７電解質膜
１８アノード層
１９銅グリッド
２０、２１外側端部
２２端部壁
２３開口
２４入口開口
２５電気接点
１００高圧ベッセル
１０１出口
１０２積重体
１０３イオン減圧セル
１０４カバー板
１０５低圧チャンバ
１１１周縁
１１２高圧ベッセル内部
１１３内側開口
１１５ベース層
１１６アルミニウム多孔質層
１１７シーリングセグメント
１１８膜電極接合体
１１９プロトン伝導性膜
１２０アノード表面
１２１カソード表面
１２２シーリングストリップ
１２３銅合金多孔質層
１２４高圧ガスケット
１２５カラー
１７０管状イオン減圧セル
１７２アパーチャ（穿孔）
１７１チャネル壁
１７３低圧チャンバ
１７５マクロ多孔質層
１７６微小多孔質層
１７７カソード層
１７８非多孔質のプロトン伝導性で電気絶縁性の膜
１７９多孔質アノード層（図１１）
１７９カソード層（図１２）
１８０集電板グリッド
１８１冷却材チャネル
１８２管状チャネル壁
１８４減圧器セル
１８５集電層
１８６熱交換チャネル
２００管状プロファイル
２０１外側円柱
２０２穴またはアパーチャ
２０３、２０５スペーサ
２０４内側管状チャネル壁
２０６、２１５チューブ
２０７戻りチャネル
２０８内側同軸チャネル
２０９、２１１チャネル部分
２１０外側同軸チャネル
２１６供給チャネル
３０１イオン性水素ガス圧縮器
３０２ポリマー電解質膜
３０３アノード触媒層
３０４カソード触媒層
３０５、３０６微小多孔質支持体層
３０７低圧チャンバ
３０８高圧チャンバ
３０２Ａ、３０２Ｃ導電性でイオン伝導性の層
３０２Ｂ電気絶縁性でイオン伝導性の層
３０２Ａ１、３０２Ａ２、３０２Ｃ１、３０２Ｃ２導電性サブ層

Claims

高圧チャンバおよび低圧チャンバを包囲する高差圧電気化学セルにおいて、前記チャンバは膜によって分離され、前記膜はイオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性であり、前記膜は、前記高圧チャンバ内に第１の表面および前記低圧チャンバ内に第２の表面を有し、前記第１の表面は第１の電極を備え、前記第２の表面は第２の電極を備え、前記第１および第２の電極は、電気回路を介して互いに導電的に接続される高差圧電気化学セルであって、前記膜は少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である高差圧電気化学セル。
前記膜は、第１の導電性でイオン伝導性の層（２Ａ）と第２の導電性でイオン伝導性の層（２Ｃ）との間に挿入される電気絶縁性でイオン伝導性の層（２Ｂ）を備える請求項１に記載の高差圧電気化学セル。
前記膜内で、少なくとも１つのイオン伝導性で導電性の層（２Ａ、２Ｃ）は、イオン伝導性マトリクスおよび導電性充填材を含む請求項１または２に記載の高差圧電気化学セル。
前記導電性充填材は、前記イオン伝導性マトリクス内に粒子の導電性ネットワークを含む請求項３に記載の高差圧電気化学セル。
前記導電性充填材は、触媒物質を付着することが可能である、かつ／または、触媒物質が付着している請求項３または４に記載の高差圧電気化学セル。
前記膜内で、少なくとも１つの導電性層は、少なくとも２つの層で構成され、前記電極に近い層は、前記電気絶縁性層に近い層に比べて、低い濃度の触媒活性材料を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
前記膜内で、前記電気絶縁性層は、非導電性固体充填材料を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
前記膜内で、前記電気絶縁性層は、たとえば規則的または不規則的な波状または鋸状パターンの形態でプロファイルを持つあるいは任意の他の非平坦プロファイルである請求項１から７のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
前記膜内で、少なくとも１つの導電性層は、少なくとも２つの層で構成され、前記電極に近い層は、前記電気絶縁性層に近い層に比べて、高い濃度の触媒活性材料を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
電気化学セルの使用時の前記高圧チャンバと前記低圧チャンバとの間の圧力差は、少なくとも１ＭＰａである請求項１から９のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
イオンガス圧縮器またはイオンガス減圧器であり、電気化学セルの使用時に、高差圧電気化学セルがイオンガス圧縮器である場合、前記高圧チャンバは水素ガスを含み、前記低圧チャンバは水素含有ガスを含み、高差圧電気化学セルがイオンガス減圧器である場合、前記高圧チャンバは水素含有ガスを含み、前記低圧チャンバは水素を含む請求項１から１０のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
電解槽であり、電気化学セルの使用時に、前記高圧チャンバは水素を含み、前記低圧チャンバは水を含む請求項１から１１のいずれか一項に記載の高差圧電気化学セル。
高差圧電気化学セルで使用するのに適し、イオン伝導性、特にプロトン伝導性でかつ電気絶縁性である膜であって、少なくとも２つのイオン伝導性層を備え、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは電気絶縁性であり、前記イオン伝導性層の少なくとも１つは導電性である膜。
高差圧電気化学セルにおける請求項１３に記載の膜の使用。
前記高差圧電気化学セルは、イオンガス圧縮器、イオンガス減圧器、または電解槽であり、前記膜にわたる圧力差は少なくとも１ＭＰａである請求項１４に記載の使用。
水素を圧縮するプロセスであって、水素含有ガスが、請求項１１に記載のイオンガス圧縮器の低圧チャンバに給送され、電流が、前記イオンガス圧縮器の電気回路に提供され、それにより、水素が、前記膜を通して前記イオンガス圧縮器の高圧チャンバ内に搬送されるプロセス。
水素を減圧するプロセスであって、水素含有ガスが、請求項１１に記載のイオンガス減圧器の高圧チャンバに給送され、電流が、前記イオンガス減圧器の電気回路から引き出され、それにより、水素が、減圧されて前記イオンガス減圧器の低圧チャンバに入り、電流が生成されるプロセス。
水を水素と酸素に変換するプロセスであって、水が、請求項１２に記載の電解槽の水チャンバに給送され、電流が、前記電解槽の電気回路に提供され、酸素は前記水チャンバから取出され、水素は前記電解槽の水素チャンバから取出されるプロセス。