触媒層アッセンブリ
燃料電池用として好適な強化触媒層アッセンブリは、（ｉ）ｚ方向に沿って物質の厚さを通じて延びる細孔を有する多孔性の平面強化材と、（ｉｉ）第１触媒物質および第１イオン伝導物質を備える第１触媒とを含み、前記第１触媒は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１表面および第２表面を有する第１触媒層を形成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、平面（平板状）強化材（成分）と、第１触媒（材、成分）とを備えてなる強化触媒層アッセンブリ、その製造方法、およびその電気化学装置（特に、燃料電池）における使用に関する。
【技術分野】
【０００２】
燃料電池は、電解質によって分離された２つの電極を備える電池である。水素またはアルコール、メタノールまたはエタノールのような燃料がアノードに提供され、酸素または空気のような酸化剤がカソードに提供される。電気化学的反応が電極で発生し、燃料と酸化剤の化学エネルギーは電気エネルギーと熱に転換される。電極触媒（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔ）は、アノードにおける燃料の電気化学的酸化と、カソードにおける酸素の電気化学的還元を促進させるために使用される。
【０００３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ：Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池において、電解質は、固体の高分子膜である。前記膜は、電子的には絶縁体であるが、イオン的には伝導体である。ＰＥＭ燃料電池において、膜はプロトンを伝導し、アノードで発生したプロトンは、膜を横切ってカソードに伝達され、水を形成するように酸素と結合する。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池の主な要素は、基本的に５つの層からなる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）として知られている。中間層はポリマーイオン伝導性膜である。イオン伝導性膜の両側には、特定の電解反応のために設計された電極触媒を含む電極触媒層が備えられる。最終的に、各電極触媒に隣接してガス拡散層が備えられる。ガス拡散層は、反応物が電極触媒層に到逹するようにし、電気化学的反応により発生する電流を伝導しなければならない。したがって、ガス拡散層は、多孔性で電気伝導性を有していなければならない。
【０００５】
通常、ＭＥＡは、以下に説明される様々な方法により形成可能である。
【０００６】
（ｉ）電極触媒層は、ガス拡散層に塗布され、拡散電極を形成することができる。２つのガス拡散電極がイオン伝導膜の両側に位置し、５つの層のＭＥＡを形成するようにともにラミネートできる。
【０００７】
（ｉｉ）電極触媒層は、イオン伝導膜の両面に塗布され、触媒コーティングされたイオン伝導膜を形成することができる。次に、ガス拡散層は、触媒コーティングされたイオン伝導膜の両面に塗布される。
【０００８】
（ｉｉｉ）ＭＥＡは、電極触媒層、電極触媒層に隣接するガス拡散層、およびイオン伝導膜の他側に置かれたガス拡散電極とともに、一側にコーティングされたイオン伝導膜から形成できる。
【０００９】
ほとんどの適用において十分な動力を提供するために、一般的に数十または数百のＭＥＡが必要であり、複数のＭＥＡが燃料電池スタックを形成するように接合される。プレートは、反応物をＭＥＡに提供し、生成物を除去し、電気的連結を提供し、物理的支持を提供するといった様々な機能を果たす。
【００１０】
ＰＥＭ燃料電池で使用される従来のイオン伝導膜は、一般的にスルホン化された完全フッ化ポリマー物質（一般的に過フッ化スルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｓｕｌｐｈｏｎｉｃ ａｃｉｄ、ＰＦＳＡ）アイオノマーとしてよく言及される）から形成できる。このようなアイオノマーから形成された膜は、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．のＮＲ２１１またはＮＲ２１２）、ＡｃｉｐｌｅｘＴＭ（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）およびＦｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ ＫＫ）という商標名で販売される。他のフッ化膜は、Ｆｕｍａｐｅｍ（Ｒ：商品名）Ｆ（例えば、ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨのＦ−９３０またはＦ−１０３０）、Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ Ｓ．ｐ．ＡのＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭおよびＧｏｌｄｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．のＧＥＦＣ−１０Ｎシリーズという商標名で販売されるものを含む。
【００１１】
過フッ化、および部分フッ化、ポリマー系イオン伝導膜の代わりに、非フッ化スルホン化またはホスホネート（ｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅｄ）炭化水素ポリマー、および、特にポリアリーレン（ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ）ポリマーに基づくイオン伝導膜を使用することが可能である。商業的に使用可能な前記ポリマーは、Ｓｏｌｖａｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＰｏｌｙｍｅｒのＵｄｅｌ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンスルホン（ＰＳＵ）とＶｅｒａｄｅｌ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンエーテルスルホン（ＰＥＳ）、およびＶｉｃｔｒｅｘ ｐｌｃ．のＶｉｃｔｒｅｘ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫＴＭ）を含む。炭化水素ポリマー系膜は、ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ．のＦｕｍａｐｅｍ（Ｒ：商品名）Ｐ、ＥおよびＫタイプ、ＪＳＲ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＪＨＹおよびＪＥＭ膜、Ｔｏｙｏｂｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．のＳＰＮポリマー、およびＴｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．の向上した膜であり得る。
【００１２】
高温（例えば、１５０℃〜１９０℃）で作動するように設計されるＰＥＭ燃料電池において、膜は、ポリベンズイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、またはリン酸で含浸されたポリマーマトリックスのようなポリマーであり得る。このような膜で製造されたＭＥＡの例は、ＢＡＳＦ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ＧｍｂＨのＣｅｌｔｅｃ（Ｒ：商品名）−Ｐシリーズを含む。他のＭＥＡは、ピリジン型構造で結合される芳香性ポリエーテルポリマーに基づくＡｄｖｅｎｔ ＴＰＳ（Ｒ：商品名）シリーズを含み、これは、リン酸で含浸され、Ａｄｖｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓ．Ａ．のポリベンズアゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚａｚｏｌｅ）ポリマーがアリールまたはアルキル置換ポリベンズイミダゾール（例えば、ポリベンズイミダゾール−Ｎ−ベンジルスルホネート）、ポリベンズオキサゾールおよびポリベンゾチアゾールのようなものが使用されてもよい。
【００１３】
ＰＦＳＡまたは炭化水素系イオン伝導膜は、一般的に膜内に全体的に形成された強化構造を含み、引裂抵抗の増加および水和と脱水による寸法変化の減少のような改善された機械的性質を提供することができる。好ましい強化構造は、これに限定されるものではないが、ＵＳ６，２５４，９７８、ＥＰ０８１４８９７およびＵＳ６，１１０，３３０に記載されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはＰＥＥＫまたはポリエチレンのような代替物質といったフルオロポリマーの微細多孔性ウェブまたは繊維に基づくことができる。
【００１４】
通常、電極触媒層は、ＥＰ０７３１５２０に記載されたような公知技術を利用して形成される。触媒層要素は、水性および／または有機溶媒、選択的ポリマーバインダーおよび選択的プロトン伝導ポリマーを含むイルクで製造される。インクは、導電ガス拡散層またはイオン伝導膜上に噴霧、プリンティングおよびドクターブレード法で蒸着可能である。
【００１５】
アノードおよびカソードガス拡散層は、好適には、従来のガス拡散基板に基づく。一般的な基板は、炭素繊維と熱硬化性樹脂バインダーのネットワークを含む不織布紙またはウェブ（例えば、日本のＴｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．，から入手可能な炭素繊維紙のＴＧＰ−Ｈシリーズ、またはドイツのＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ ＦＣＣＴ ＫＧから入手可能なＨ２３１５シリーズ、またはドイツのＳＧＬ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨから入手可能なＳｉｇｒａｃｅｔ（Ｒ：商品名）シリーズ、Ｂａｌｌａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＩｎｃのＡｖＣａｒｂ（Ｒ：商品名）シリーズ）、または織炭素布を備える。炭素紙、ウェブまたは布は、親水性（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）をさらに有するか、疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）をさらに有するように、ＭＥＡに結合される前に追加処理を経ることができる。処理の種類は、燃料電池の形態と使用される作動条件によって異なる。基板は、懸濁液（ｌｉｑｕｉｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）の含浸による非結晶質カーボンブラックのような物質と結合されることで親水性をさらに有することができるか、基板の気孔構造をＰＴＦＥまたはポリフルオロエチレンプロピレンのようなポリマーの懸濁コロイド（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）で含浸し、ポリマーの融点以上で乾燥し加熱することで疎水性をさらに有することができる。ＰＥＭＦＣのような分野において、微細多孔性層がガス拡散基板で電極触媒層と接触する面に適用可能である。微細多孔性層は、一般的にカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなポリマーとの混合物を含む。
【００１６】
一般的な電極触媒は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、または１つ以上の前記金属またはその酸化物を含む合金または混合物から選択される。金属、合金または金属の混合物は、支持されないか、粒子性炭素（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｃａｒｂｏｎ）のような適切な支持体に支持され得る。所与の電気化学装置で最も適切な電極触媒は当業者に公知である。
【００１７】
これらの要素を使用し、このような方法でＭＥＡを構成することは、ガスクロスオーバーを増加させ、過酸化物の変形をもたらし、それにより、膜の質を低下させる触媒層の亀裂およびＭＥＡによる濡れと乾燥サイクル中の膨脹および収縮により触媒層の膜接触部で発生する膜同士の分離および他の機械的損傷を含む様々な問題を引き起こすことがあった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、従来のＭＥＡ構造に関連する上記の問題を解決する、改善された燃料電池用アッセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
したがって、本発明の第１態様は、燃料電池用として好適な強化触媒層アッセンブリを提供し、前記強化触媒層アッセンブリは、（ｉ）ｚ方向に沿って物質の厚さを通じて（介して、貫通して）延びる細孔を有する多孔性の平面（平板状）強化材と、（ｉｉ）第１触媒物質および第１イオン伝導物質を備える第１触媒とを含み、前記第１触媒は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１表面および第２表面を有する第１触媒層を形成することを特徴とする。
【００２０】
前記平面強化材は、ｚ方向に沿って物質の厚さを通じて延びる細孔を備える多孔性物質である。一実施形態において、前記細孔は、離散して互いに連結されておらず、他の実施形態では、前記細孔同士で一部が連結される。細孔は、規則的または非規則的な形状を有することができ、各々の細孔は、１ｍｍ〜１０ｎｍの断面直径を有することができる。前記細孔は、すべて類似の大きさを有するか、多様な大きさを有することができる。前記細孔は、ねじれが少ないか（すなわち、細孔が一面から他面に直に延びる）、あるいは、ねじれが大きくてもよい。前記平面強化材のｘおよびｙ方向での寸法は、前記強化触媒層アッセンブリと結合する最終生成物の大きさに左右され、これは、当業者の能力内で最も適切なｘおよびｙ寸法が決定可能である。ｚ方向における前記平面強化材の寸法は、１μｍ〜５００μｍ、好適には１０μｍ〜２００μｍであり得る。正確な寸法は、前記強化触媒層アッセンブリが置かれる最終構造および用途によって左右される。ｚ方向における寸法は、当業者の能力によって適切に決定される。「ｘ方向」、「ｙ方向」および「ｚ方向」という用語は、当業者に公知であり、平面（ｘおよびｙ方向）内および平面を通過（ｚ方向）することを意味する。
【００２１】
前記平面強化材の空隙率は、３０％より大きいことが好適であり、好ましくは５０％より大きく、最も好ましくは７０％より大きい。空隙率の割合は、公式ｎ＝Ｖｖ／Ｖｔ×１００によって計算され、ここで、ｎは空隙率、Ｖｖは空き空間の容積、Ｖｔは前記平面強化材全体の容積である。前記空き空間の容積と前記平面強化材全体の容積は、当業者に公知の方法により決定可能である。
【００２２】
多数の他の構造タイプが平面強化材として使用できるが、前記細孔は、閉鎖されたものよりは連結されたものでなければならない。
【００２３】
（ｉ）微細多孔性構造：前記細孔がランダムな大きさおよび形状を有し、ｚ方向に沿って構造を通じて延びる。このような物質の例としては、逆相間隔離法（ｉｎｖｅｒｓｅ ｐｈａｓｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）により製造された多孔性ポリマー（例えば、ＤＳＭの超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ））、発泡ＰＴＦＥなど、ウェットまたはドライレイド法（ｌａｉｄ ｍｅｔｈｏｄ）により多方向配向繊維のアッセンブリから製造された不織布構造がある。フィルタの製造に用いられる他の方法のように、ポリマーの電気放射により適切に高い多孔性シートが製造できる。
【００２４】
（ｉｉ）セル型構造（ｃｅｌｌｕａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）：離散したセルを含み、各セルの壁が物質の厚さにわたって延び、セル同士の相互連結がない。このような物質の例としては、押出またはスライシングまたはストリップの部分的ラミネイションと連続する張力下の膨脹（例えば、ＤｕＰｏｎｔのＮｏｍｅｘ（Ｒ：商品名）またはＴｙｖｅｃ（Ｒ：商品名））、または他の方法により製造されるセル型構造、織メッシュ、連続シートにスリットを切断し引張応力を加えることにより製造されたエキスパンドメッシュ（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｍｅｓｈ））、シートの厚さにわたってパンチされるか切断（例えば、レーザによって）された穴を有する平板型シート、および物質を鋳造することにより製造された多孔性シートがある。
【００２５】
前記平面強化材は、強化触媒層アッセンブリの必要な強度を提供可能な物質および形態で製造できる。前記強化要素の材料となり得る適切な物質は、金属、炭素、セラミックおよびポリマーを含むが、本発明は、これに限定されるものではない。多くの実施形態において、物質は、電気絶縁体であることが好ましいが、他の実施形態では、弱い電気伝導体でなければならず、場合によっては、物質の伝導性の有無とは関係がない。好ましくは、前記物質は、燃料電池環境において安定的で、前記強化触媒層アッセンブリと結合された最終生成物においていずれのポリマー要素とも強く結合可能である。
【００２６】
ある実施形態において、前記平面強化材の壁または支柱も微細な規模で多孔性である。このような細孔は、前記ＭＥＡの構造物質により貫通しない程度に十分に微細であり、水が細孔を満たすように十分に親水性を有する。したがって、水が存在する適切な燃料電池において、このような細孔は、水を、厚さを通るか、前記強化構造の面を通るように移動させることができる。
【００２７】
好ましくは、前記平面強化材は、予め形成された物質が使用できるが、その例としては、Ｓｅｆａｒ ＡＧ社製品（例えば、ＦＬＵＯＲＴＥＸ）のようなフルオロポリマーとして知られるフッ素含有ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）またはパーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）で製造された織ウェブ、およびＴｅｔｒａｔｅｘとして知られるＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ社製品のようなエキスパンドポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）の微細多孔性ウェブ構造がある。他のフルオロポリマー構造としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシ（メチルビニルエーテル）（ＭＦＡ）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）を含むものと、ヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレンとの共重合体が使用可能である。
【００２８】
前記平面強化材は、予め形成された物質が使用できるが、その例としては、Ｓｅｆａｒ ＡＧ社製品（例えば、ＰＥＥＫＴＥＸ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））のようなポリアリールエーテルケトンポリマーの群から製造された織ウェブがある。ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリールエーテル、ポリアリールエーテルケトンまたはポリエーテルケトンエーテルケトンケトンを含む他のポリエーテルケトンポリマー構造が使用可能である。ポリマー構造に基づく使用可能な他の炭化水素は、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾールを含むもの、Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．とＴｉｃｏｎａ ＵＫ Ｌｔｄ．から提供するポリ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｐｈｉｄｅ）（ＰＰＳ）のようなポリマー含有硫黄、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）のようなポリエーテルまたは硫黄微細多孔性ウェブフィルム（Ｓｏｌｕｐｏｒ ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｗｅｂ ｆｉｌｍ）として知られるＤＳＭ Ｎ．Ｖ．とＬｙｄａｌｌ Ｉｎｃ．の微細多孔性超高分子量ポリエチレンウェブフィルムのようなポリオレフィンである。
【００２９】
あるいは、前記平面強化材は、所望の構造を生成するために、底粘度ポリマー拡散または溶液またはモノマー／オリゴマーを使用するインクジェットプリンティングまたはグラビアプリンティングのような方法を用いてインサイチューで形成できる。蒸着された物質は、（化学的またはイオン化放射、ＵＶなどを用いて）架橋結合または重合可能である。前記平面強化材をインサイチューで製造する他の方法としては、オープンナノ繊維構造を生成する電気放射技術を利用するものがある。
【００３０】
前記第１触媒は、第１触媒物質と、第１イオン伝導物質、好適にはプロトン伝導アイオノマーとを含む。イオン伝導性物質の例が当業者に公知であるが、適切な液体にイオン伝導性物質の拡散物として提供され、その例は、パーフルオロスルホン酸アイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．）、Ａｃｉｐｌｅｘ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）、ＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭ（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ ＳｐＡ）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．）、Ｆｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｆ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ））、または炭化水素ポリマーで製造されたアイオノマー（例えば、ポリアリーレンスルホン酸に基づくＦｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｐ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ）またはポリベンズイミダゾールに含浸されたリン酸（例えば、ＰＢＩをジメチルアセトアミドに溶かして前記触媒物質と混合し、ＰＢＩ含浸物にリン酸を追加することによる）を含む。
【００３１】
適切な第１触媒物質は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、（「一次金属」）または１つ以上の一次金属を含む合金またはその混合物から選択される。前記一次金属、合金または合金の混合物は、支持されないか、適切な支持体（例えば、粒子性炭素または導電性粒子性酸化物）に支持できる。当業者であれば、所与の電気化学的装置に対して最も適切な第１触媒物質は公知である。前記第１触媒内の前記第１触媒物質の前記一次金属の適切な荷重は、最終的な使用によって左右され、当業者に公知であるが、好適には、荷重は、４ｍｇ／ｃｍ２より小さく、好ましくは２ｍｇ／ｃｍ２より小さい。
【００３２】
本発明の強化触媒層アッセンブリにおいて、第１触媒は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１触媒層が形成される。「触媒層」に関連し、これは、ｘ／ｙ方向の寸法がｚ方向の寸法に比べてはるかに大きく、触媒層が平板型として認識できることを意味する。第１触媒層は、膜電極アッセンブリに結合される時にイオン伝導性物質と面するのに適した第１表面と、膜電極アッセンブリに結合された時にガス拡散層と面するのに適した第２表面とを備える。
【００３３】
一実施形態において、第１触媒は、前記平面強化材内に完全に埋め込まれる。前記平面強化材および前記第１触媒層のｚ寸法は等しいか、前記平面強化材のｚ寸法は前記第１触媒層より大きくてもよく、この場合、前記平面強化材は、前記第１触媒層の第１および第２表面の一方または両方において前記第１触媒層を通って延びるようになる。仮に、前記平面強化材は、前記第１触媒層の第２表面を通って延びると、これは、第２表面を通って５０μｍを超えては延びないことが好適である。
【００３４】
あるいは、前記平面強化材のｚ寸法は触媒層のｚ寸法より小さく、前記触媒層は、前記平面強化材の一方または両方の表面においてｚ方向に平面強化材を通って延びる。
【００３５】
第１触媒層のｘおよびｙ方向（「面積」）は、好適には、前記平面強化材のｘおよびｙ方向（「面積」）と等しいか、これより大きいか小さい。本発明の一実施形態において、前記平面強化材と前記第１触媒層の面積は等しく、前記平面強化材と第１触媒層が同時にわたるようになる。本発明の第２実施形態において、第１触媒層の面積は平面強化材より小さく、強化要素周辺部の周囲領域（「第１エッジ領域」）に第１触媒層が存在しない。第１エッジ領域は、イオン非伝導性物質で少なくとも部分的に満たされ得る。
【００３６】
他の実施形態において、前記平面強化材は、前記第１触媒層の中心に延びず、第１触媒層の外領域のみが強化され、内部領域は強化されない状態で残ることができる。
【００３７】
本発明の前記強化触媒層は、前記第１触媒をインク形態で基板（例えば、転写基板）に塗布し、インクがまだ濡れた状態で前記平面強化材を塗布することにより製造され、前記第１触媒は含浸され、前記平面強化材内に内蔵できる。次に、第１触媒が乾燥し、前記平面強化材内で少なくとも部分的に埋め込まれた第１触媒層を形成し、基板は、本発明の強化触媒層アッセンブリが露出するように除去される。濡れたインクフィルムの厚さを変化させることにより、触媒層の上面は、平面強化材の上面の下または上にまたは同時にわたるように置かれる。あるいは、第１触媒はインク形態で平面強化材内に噴霧可能であり、これは、転写構造上に存在するか、インクが両面に噴霧されて液滴が平面強化材の細孔内で合わされる。追加されたインクの量は、乾燥した触媒層の表面が一側または両側に前記平面強化材が形成されるか、一側または両側とも前記強化要素内に置かれるように調整できる。
【００３８】
第１触媒は、適切なレオロジー改質剤（ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｍｏｄｉｆｉｅｒ）を用いるか、第１触媒内で高せん断ブレンディング（ｈｉｇｈ ｓｈｅａｒ ｂｌｅｎｄｉｎｇ）によるＰＴＦＥフィブリル化を行うことにより、生地の形態で製造できる。次に、前記生地は、第１触媒の最も大きい粒子が平面強化材内の最も小さい細孔より小さければ、平面強化材と結合できる。前記触媒生地の前記平面強化材への含浸は、共押出、カレンダリング（ｃａｌｅｎｄａｒｉｎｇ）またはプレッシングによって達成可能である。仮に、前記生地を、前記平面強化材内に力を加える工具の面が適切な圧縮率を有すると、第１触媒の表面は、一側または両側とも平面強化材の下に置かれることが可能である。
【００３９】
追加の第１触媒が乾燥粉末の形態で製造され、ドライ噴霧蒸着、静電噴霧または他の静電方法によりコピー機で用いられるように塗布可能であり、平面強化材は、転写基板上に維持されるか、両側からすべて接近可能になる。
【００４０】
第１触媒が強化要素内に全体的に埋め込まれているように第１触媒を平面強化材内に結合させるために、第１触媒は一側または両側からインク形態で強化要素内に蒸着できる。乾燥により、溶媒の損失は収縮をもたらし、第１触媒の両表面は強化要素内に引き込まれる。あるいは、加熱分解できるか、昇華できるか、溶解できる物質が追加され、強化要素の細孔を部分的に満たし、触媒要素が追加される前に、好ましくは基板上に残り、強化要素を完全に満たさないか、乾燥中に収縮する。一旦、触媒要素が乾燥すると、ブラインディング物質は、加熱分解、昇華または洗浄により除去可能である。
【００４１】
本発明の第２態様は、上述した強化触媒層アッセンブリに加え、第１表面および第２表面を有するイオン伝導性層を形成する第１触媒層の第１表面に塗布されたイオン伝導性材（成分）をさらに含み、前記第１表面は、前記第１触媒層の前記第１表面と接触する。前記イオン伝導性材（成分）は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれているか、平面強化材内に全体的に埋め込まれた、平面強化材は、ｚ方向に沿ってイオン伝導性材（成分）を通って延びることができる。
【００４２】
一実施形態において、前記第１触媒層と前記イオン伝導性材（成分）との間に重なる部分があり、傾斜組成物の相間層が形成できる。これは、触媒層とイオン伝導性材（成分）との間に組成物が変化し続ける、限定された厚さの領域があることを意味する。
【００４３】
イオン伝導性材（成分）は層を形成し、この層は、平面強化材と類似の面積（ｘおよびｙ寸法）を形成し、２つは基本的に同時にわたるようになる。あるいは、平面強化材は、イオン伝導性層より広く、強化触媒層アッセンブリ周辺部の周囲領域（「第２エッジ領域」）が形成され、ここにはイオン伝導性材（成分）が存在しない。第２エッジ領域は、イオン非伝導性物質で少なくとも部分的に満たされ得る。
【００４４】
イオン伝導性材（成分）は、アイオノマー（例えば、上述したパーフルオロスルホン酸アイオノマーまたは炭化水素アイオノマー）または電解質（例えば、リン酸または硫酸）で含浸されるか含浸可能なポリマーマトリックスである。選択されたイオン伝導性材（成分）は、強化触媒要素アッセンブリの最終使用により決定され、当業者によって最も適切な物質が選択可能である。
【００４５】
イオン伝導性材（成分）は、適切な液体で分散したものであって、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョン（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）またはディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に塗布され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布（ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｒｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）のように、当該分野における公知技術により第１触媒層に塗布できる。好適には、イオン伝導性材（成分）は、液体を除去し、イオン伝導性材（成分）の固体フィルムを形成するために乾燥する。
【００４６】
あるいは、イオン伝導性材（成分）は、予め形成されたポリマーフィルムであり得、プレスまたは高温カレンダーロール内で高温プレッシングすることにより、固体形態で第１触媒層に塗布可能である。
【００４７】
本発明のさらに他の態様において、前記強化触媒層アッセンブリは、上述したものであって、イオン伝導性層を含み、第２触媒（材、成分）と、第２イオン伝導性物質とを備え、イオン伝導性層の第２表面に塗布される第２触媒をさらに含み、前記第２触媒は、第１表面および第２表面を備える第２触媒層を形成し、前記第１表面は、前記イオン伝導性層の第２表面と接触する。「触媒層」について、ｘ／ｙ方向での寸法がｚ方向での寸法よりはるかに大きく、触媒層は平板型であると考えられる。
【００４８】
第２触媒は、第２触媒物質と、第２イオン伝導性物質、好適にはプロトン伝導性アイオノマーとを含む。適切なイオン伝導性物質の例が当業者に公知であるが、一般的に適切な液体にイオン伝導性物質の拡散物として提供され、その例は、パーフルオロスルホン酸アイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．）、Ａｃｉｐｌｅｘ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）、ＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭ（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ ＳｐＡ）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．）、Ｆｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｆ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ））、または炭化水素ポリマーで製造されたアイオノマー（例えば、ポリアリーレンスルホン酸に基づくＦｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｐ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ）またはポリベンズイミダゾールに含浸されたリン酸（例えば、ＰＢＩをジメチルアセトアミドに溶かして前記触媒物質と混合し、ＰＢＩ含浸物にリン酸を追加することによる）を含む。
【００４９】
適切な第２触媒物質は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、（「一次金属」）または１つ以上の一次金属を含む合金またはその混合物から選択される。前記一次金属、合金または合金の混合物は、支持されないか、適切な支持体（例えば、粒子性炭素）に支持され得る。当業者であれば、所与の電気化学的装置に対して最も適切な第２触媒物質は公知である。前記第２触媒内の前記第２触媒物質の前記一次金属の適切な荷重は、最終的な使用によって左右され、当業者に公知であるが、好適には、荷重は、４ｍｇ／ｃｍ２より小さく、好ましくは２ｍｇ／ｃｍ２より小さい。第２触媒は、第１触媒と同一でも異なってもよい。
【００５０】
第２触媒は、前記平面強化材内に埋め込まれていないか、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれているか、前記平面強化材内に全体的に埋め込まれている。仮に、前記平面強化材に全体的に埋め込まれていると、前記平面強化材は、ｚ方向に沿って第２触媒層の第２表面を通って延びることができるが、好適には５０ミクロンを超えない。
【００５１】
前記第２触媒層は、平面強化材と類似の面積（ｘおよびｙ寸法）を有し、両者は本質的に同時にわたるようになる。あるいは、平面強化材は、第２触媒層より大きい面積を有し、強化触媒層アッセンブリ周辺部の周囲領域（「第３エッジ領域」）が形成され、この領域には第２触媒層が存在しない。第３エッジ領域は、少なくとも部分的にイオン非伝導性ポリマーで満たされ得る。あるいは、第２触媒層の領域は、平面強化材の領域より大きくてもよい。
【００５２】
他の実施形態において、平面強化材は、第２触媒層の中心に延びず、第２触媒層の外領域のみが強化され、内部領域は強化されなくてもよい。
【００５３】
液体インク形態の第２触媒は、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョンまたはディッピング、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に適用され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布のように、当該分野における公知技術によりイオン伝導性層に直に塗布できる。あるいは、第２触媒は、先にインク形態で基板（例えば、転写基板）に塗布されてもよく、インクがまだ濡れている間にイオン伝導性側に塗布され乾燥して基板が除去されてもよい。
【００５４】
第２触媒は、適切なレオロジー改質剤を用いるか、第１触媒内で高せん断ブレンディングによるＰＴＦＥフィブリル化を行うことにより、生地の形態で製造できる。このような生地は、共押出、カレンダリングまたはプレッシングによりイオン伝導性層に塗布可能である。
【００５５】
追加の第２触媒が乾燥粉末の形態で製造され、ドライ噴霧蒸着、静電噴霧またはコピー機で用いられるような他の静電方法で塗布可能である。
【００５６】
本発明のさらに他の態様において、強化触媒層アッセンブリは、上述したものに加え、前記第１触媒層の第２表面上に存在する第２微細多孔性層および／または前記第２触媒層の第２表面に存在する第２微細多孔性層をさらに含む。前記第１および／または第２微細多孔性層は、平面強化材内で少なくとも部分的に独立して埋め込まれているか、埋め込まれていなくてもよい。前記平面強化材は、前記第１および／または第２微細多孔性層の露出した表面を通って延びない。前記第１および／または第２微細多孔性層は、粒子性物質（例えば、カーボンブラック、疎水性ポリマーのようなポリマー）を独立に含む。適切なポリマーの例としては、ＰＴＦＥがあるが、好適には、ＰＴＦＥが炭素上で予備発火し（ｐｒｅ−ｆｉｒｅｄ）、ＰＴＦＥと炭素との混合物が第１および／または第２触媒層アッセンブリに、乾燥粉末として、または適切な分散剤（例えば、メチルセルロースによって濃くなった水または１−メトキシ２−プロパノール（１−ｍｅｔｈｏｘｙ２−ｐｒｏｐａｎｏｌ）のような有機分散剤）内で分散させることにより塗布される。
【００５７】
第１および第２微細多孔性層は、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョンまたはディッピング、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に塗布され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布のように、当該分野における公知技術により第１および第２触媒層の各々に塗布可能である。
【００５８】
あるいは、本発明の強化触媒層アッセンブリが最初に作られる基板は、その上に既に第１微細多孔性層を有するガス拡散層であり得る。第１微細多孔性層が平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれたか否かによって、第１微細多孔性層がガス拡散基板に塗布され、（ｉ）平面強化材がウェット第１微細多孔性層に塗布され、第１微細多孔性層が平面強化材内で少なくとも部分的に埋め込まれた、微細多孔性層が乾燥して第１触媒層が微細多孔性層に形成され、平板型強化層内に埋め込まれたて第１触媒層が乾燥するか、（ｉｉ）微細多孔性層が乾燥し、第１触媒層が微細多孔性層に形成されてまだ濡れた状態で、平面強化材が第１触媒層に形成され、第１触媒層が平板型強化層内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１触媒層が乾燥する。
【００５９】
本発明のさらに他の態様によれば、各々が、平面強化材と、第１触媒層とを備える２つの強化触媒層アッセンブリを含む強化触媒層アッセンブリが提供され、少なくとも１つの強化触媒層は、イオン伝導性層をさらに含む。仮に、２つのアッセンブリの１つのみがイオン伝導性層を含む場合、イオン伝導性層を含むアッセンブリ内のイオン伝導性層が他のアッセンブリの第１触媒層と接触するようにアッセンブリが結合される。仮に、２つのアッセンブリがすべてイオン伝導性層を含む場合、２つのアッセンブリは、２つのイオン伝導性層が互いに接触するように結合される。
【００６０】
前記触媒層アッセンブリは、イオン伝導性材（成分）の種類に適した方法で結合できる。例えば、イオン伝導性材（成分）がアイオノマーの場合には、結合がプレスでの熱間プレッシング、ホットカレンダーロールまたは溶媒または水性分散剤のような液体イオン伝導性ポリマーによるボンディング、またはプレッシングまたはカレンダリングによる固体イオン伝導性ポリマーの分離シートを用いた熱間ボンディングにより実施できる。液体イオン伝導性ポリマーまたはイオン伝導性ポリマーの分離シートのようなボンディング剤は、触媒層アッセンブリ内のイオン伝導性材（成分）とは異なる組成物であり得る。例えば、炭化水素アイオノマーがＰＦＳＡアイオノマーよりも低いガス侵透性を有するため、炭化水素イオン伝導性ボンディング剤がガスクロスオーバーの量を減らすために、ＰＦＳＡイオン伝導性層の間で使用可能である。
【００６１】
本発明にかかる強化触媒層アッセンブリは、添加剤をさらに含むことができる。前記添加剤は、前記複数層の間の１つ以上の界面および／または１つ以上の前記層に存在することができる。
【００６２】
前記添加剤は、水素過酸化物分解触媒、ラジカル消去剤、自由ラジカル分解触媒、自己再生抗酸化剤、水素ドナー（Ｈ−ｄｏｎｏｒ）一次抗酸化剤、自由ラジカル消去剤二次抗酸化剤、酸素吸収剤（酸素消去剤）からなる群より１つ以上が選択可能である。
【００６３】
本発明の好ましい実施形態において、強化触媒層アッセンブリは、燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池に用いられる。
【００６４】
したがって、本発明のさらなる態様によれば、ガス拡散層と、本発明にかかる強化触媒層アッセンブリとを含むガス拡散電極が提供される。前記ガス拡散層は、本技術分野において一般的に使用され、上述したような従来のガス拡散層であり得る。
【００６５】
本発明のさらなる態様によれば、本発明の強化触媒層アッセンブリと、イオン伝導性膜とを含む強化触媒層膜アッセンブリが提供される。イオン伝導性膜は、予め形成された膜であり、本技術分野において使用され、上述したような従来の膜であり得る。強化触媒層膜アッセンブリは、本発明の第２強化触媒層アッセンブリを備えることができ、前記イオン伝導性膜は、２つの強化触媒層アッセンブリの間に挟まれる。
【００６６】
本発明のさらに他の態様によれば、強化触媒層アッセンブリ、ガス拡散電極、または本発明の強化触媒層膜アッセンブリを含む膜電極アッセンブリが提供される。
【００６７】
膜電極アッセンブリは、密封および／または、例えば、ＷＯ２００５／０２０３５６に記載されたような、膜電極アッセンブリのエッジ領域を密封および／または強化する要素をさらに含むことができる。前記ＭＥＡは、上述したように、当業者に公知の従来の方法により結合される。
【００６８】
本発明のさらに他の態様によれば、上述したような強化触媒層アッセンブリ、ガス拡散電極、強化触媒層膜アッセンブリ、または膜電極アッセンブリを含む燃料電池が提供される。
【００６９】
本発明の強化触媒層アッセンブリとは異なる要素は、最新製品を超えていくつかの改善点を提供する。ｘｙ平面およびｚ平面での変形が減少し、層の亀裂が減少し、それにより、クロスオーバーが減少する。また、強化触媒層アッセンブリと結合された最終生成物の膨脹および収縮が強化構造の効果によって最小化されるため、機械的損傷は減少する。また、多くの最新製品で現れる界面での剥離（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）は減少し、それ以上問題にならない。
【００７０】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池を主に参照して説明されるが、本発明は、他のタイプの燃料電池または電気化学的装置に変更なくまたは若干の変更を加えるだけで同様に使用可能である。例えば、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）において、２つの電極が３８％を超える空隙率を有するポリエーテルスルホンと結合されたシリコン炭化物のような粒子性物質のマトリックスによって分離される（Ｐ．Ｓｔｏｎｅｈａｒｔ ａｎｄ Ｄ．Ｗｈｅｅｌｅｒ、電気化学の現代的側面、Ｎｏ．３８、編集Ｂ．Ｅ．Ｃｏｎｗａｙら、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ／Ｐｌｅｎｕｍ出版社、ニューヨーク、２００５、第４００頁以下参照）。本発明によれば、シリコン炭化物、ポリエーテルスルホン、ＰＥＥＫ、低伝導性炭素繊維および適正な安定性を示す他の物質のような、高温のリン酸に適切に抵抗し、リン酸による湿潤性物質が使用されると、前記マトリックスが多孔性強化物質に代替できる。
【００７１】
アルカリ型燃料電池において、電解質は、一般的に強い水酸化ナトリウムまたはカリウムであり、電極は、ＰＡＦＣで説明されたのと類似の方式でマトリックスによって分離される。前記多孔性強化要素が安定的でアルカリ型電解質による湿潤性を有すると、本発明は、アルカリ型燃料電池として使用されるＭＥＡに好適である。
【００７２】
ＰＥＭ用として説明されたすべての実施形態は、ＰＥＭ電解槽用ＭＥＡに同様に適用される。このようなＰＥＭ電解槽において、電圧が膜電極アッセンブリに印加され、装置に提供された水は、カソードとアノードでそれぞれ水素と酸素に分解される。ＭＥＡは、アノードでＩｒおよびＲｕ系物質のように、ＰＥＭ燃料電池とは異なる触媒要素を必要とすることもあるが、その他では、燃料電池として使用されるＭＥＡと非常に類似している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、従来のMEAと、本発明にかかる強化触媒層を備えるMEAに対する分極曲線(正方形=従来のMEA、三角形=本発明のMEA)を示す。
【図２】図２は、従来のMEAと、本発明にかかる強化触媒層を備えるMEAに対する電流遮断法により測定されたオーム抵抗曲線(正方形=従来のMEA、三角形=本発明のMEA)を示す。
【図３】図３は、実施例2の構造の概略的を図示するものである。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
本発明は、図示する以下の実施例を参照してより詳細に説明されるが、本発明はこれらに限定されない。
【００７５】
実施例１：強化触媒層膜電極アッセンブリが、３０ミクロン厚のＰＦＳＡ膜（Ａｓａｈｉ ＧｌａｓｓのＳＨ−３０）を、５８％の開放領域（空隙率）を有する５０ミクロン厚の織物ＰＥＥＫ（Ｓｅｆａｒ）強化構造で、２分間、１５０℃、１６００ｐｓｉで熱間プレッシングする第１段階によって製造される。厚さの差によって、アイオノマー要素は、非含浸織物物質の約２０ミクロンを残し、強化層の一側に位置する。触媒層は、ＰＴＦＥ転写基板上に支持された乾燥触媒層をアイオノマー含浸された強化構造の両側に、１５０℃、８００ｐｓｉで、２分間、熱間プレッシングすることにより追加された。それにより、アッセンブリは、イオン伝導性材（成分）によって分離された強化触媒層を有するようになった。
【００７６】
アッセンブリは、微細多孔性層でコーティングされたガス拡散層と結合させ、５０ｃｍ２の活性領域のテストセル内に密封されて燃料電池内でテストされた。１００ｋｐａゲージの圧力で、水素はアノード側に、酸素はカソード側に提供され、両気体とも完全に加湿された。図１に示すように分極曲線が決定され、図２に示すように電流遮断法を用いてアッセンブリのオーム抵抗が決定された。強化触媒層アッセンブリを含むＭＥＡのセル電圧は、基本的にオーム（ｉＲ）損失で訂正された時、従来のＭＥＡと同一である。オーム損失は、強化構造の約５０％の開放領域に一致し、約２つの要素による強化ＭＥＡによってさらに高かった。
【００７７】
実施例２：強化膜電極アッセンブリは、まず、バーコーターを用いてスカイブ（ｓｋｉｖｅ）ＰＴＦＥに薄い電極触媒インクをコーティングし、次に、１０５℃でオーブン乾燥して製作された。電極触媒の二次層が既存の乾燥層上にキャストされ、ウェットにより、１５〜２０ミクロン厚の膨脹されたＰＴＦＥウェブが二次インク層内に形成される。インクがｅ−ＰＴＦＥマトリックス内に侵透するのが可視的に観察された。中間アッセンブリは、１０５℃でさらにオーブン乾燥した。この段階において、ｅ−ＰＴＦＥ強化物質は、一表面に触媒層として残った。次に、イオン伝導性層は、３つのアイオノマー層をｅ−ＰＴＦＥの残る触媒層の表面上にキャスティングすることにより形成され、各層が塗布された後にオーブン乾燥する。膜電極アッセンブリを完成するために、電極触媒インクの追加の２回のコーティングが （各段階でオーブン乾燥で）アッセンブリに塗布され、第２触媒層が形成される。最終生成物において、ｅ−ＰＴＦＥ強化物質が最終電極触媒層によって全体的に覆われた。それにより、アッセンブリが製造され、その電極（アノードおよびカソード）、アイオノマーおよびＭＥＡの電極／アイオノマー界面が連続するｅ−ＰＴＦＥ構造（図３参照）によって強化された。
【背景技術】
【０００１】
本発明は、平面（平板状）強化材（成分）と、第１触媒（材、成分）とを備えてなる強化触媒層アッセンブリ、その製造方法、およびその電気化学装置（特に、燃料電池）における使用に関する。
【技術分野】
【０００２】
燃料電池は、電解質によって分離された２つの電極を備える電池である。水素またはアルコール、メタノールまたはエタノールのような燃料がアノードに提供され、酸素または空気のような酸化剤がカソードに提供される。電気化学的反応が電極で発生し、燃料と酸化剤の化学エネルギーは電気エネルギーと熱に転換される。電極触媒（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔ）は、アノードにおける燃料の電気化学的酸化と、カソードにおける酸素の電気化学的還元を促進させるために使用される。
【０００３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ：Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池において、電解質は、固体の高分子膜である。前記膜は、電子的には絶縁体であるが、イオン的には伝導体である。ＰＥＭ燃料電池において、膜はプロトンを伝導し、アノードで発生したプロトンは、膜を横切ってカソードに伝達され、水を形成するように酸素と結合する。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池の主な要素は、基本的に５つの層からなる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）として知られている。中間層はポリマーイオン伝導性膜である。イオン伝導性膜の両側には、特定の電解反応のために設計された電極触媒を含む電極触媒層が備えられる。最終的に、各電極触媒に隣接してガス拡散層が備えられる。ガス拡散層は、反応物が電極触媒層に到逹するようにし、電気化学的反応により発生する電流を伝導しなければならない。したがって、ガス拡散層は、多孔性で電気伝導性を有していなければならない。
【０００５】
通常、ＭＥＡは、以下に説明される様々な方法により形成可能である。
【０００６】
（ｉ）電極触媒層は、ガス拡散層に塗布され、拡散電極を形成することができる。２つのガス拡散電極がイオン伝導膜の両側に位置し、５つの層のＭＥＡを形成するようにともにラミネートできる。
【０００７】
（ｉｉ）電極触媒層は、イオン伝導膜の両面に塗布され、触媒コーティングされたイオン伝導膜を形成することができる。次に、ガス拡散層は、触媒コーティングされたイオン伝導膜の両面に塗布される。
【０００８】
（ｉｉｉ）ＭＥＡは、電極触媒層、電極触媒層に隣接するガス拡散層、およびイオン伝導膜の他側に置かれたガス拡散電極とともに、一側にコーティングされたイオン伝導膜から形成できる。
【０００９】
ほとんどの適用において十分な動力を提供するために、一般的に数十または数百のＭＥＡが必要であり、複数のＭＥＡが燃料電池スタックを形成するように接合される。プレートは、反応物をＭＥＡに提供し、生成物を除去し、電気的連結を提供し、物理的支持を提供するといった様々な機能を果たす。
【００１０】
ＰＥＭ燃料電池で使用される従来のイオン伝導膜は、一般的にスルホン化された完全フッ化ポリマー物質（一般的に過フッ化スルホン酸（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｓｕｌｐｈｏｎｉｃ ａｃｉｄ、ＰＦＳＡ）アイオノマーとしてよく言及される）から形成できる。このようなアイオノマーから形成された膜は、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（例えば、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．のＮＲ２１１またはＮＲ２１２）、ＡｃｉｐｌｅｘＴＭ（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）およびＦｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ ＫＫ）という商標名で販売される。他のフッ化膜は、Ｆｕｍａｐｅｍ（Ｒ：商品名）Ｆ（例えば、ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨのＦ−９３０またはＦ−１０３０）、Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ Ｓ．ｐ．ＡのＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭおよびＧｏｌｄｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．のＧＥＦＣ−１０Ｎシリーズという商標名で販売されるものを含む。
【００１１】
過フッ化、および部分フッ化、ポリマー系イオン伝導膜の代わりに、非フッ化スルホン化またはホスホネート（ｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅｄ）炭化水素ポリマー、および、特にポリアリーレン（ｐｏｌｙａｒｙｌｅｎｅ）ポリマーに基づくイオン伝導膜を使用することが可能である。商業的に使用可能な前記ポリマーは、Ｓｏｌｖａｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ ＰｏｌｙｍｅｒのＵｄｅｌ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンスルホン（ＰＳＵ）とＶｅｒａｄｅｌ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンエーテルスルホン（ＰＥＳ）、およびＶｉｃｔｒｅｘ ｐｌｃ．のＶｉｃｔｒｅｘ（Ｒ：商品名）ポリアリーレンエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫＴＭ）を含む。炭化水素ポリマー系膜は、ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ．のＦｕｍａｐｅｍ（Ｒ：商品名）Ｐ、ＥおよびＫタイプ、ＪＳＲ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＪＨＹおよびＪＥＭ膜、Ｔｏｙｏｂｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．のＳＰＮポリマー、およびＴｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．の向上した膜であり得る。
【００１２】
高温（例えば、１５０℃〜１９０℃）で作動するように設計されるＰＥＭ燃料電池において、膜は、ポリベンズイミダゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ）、またはリン酸で含浸されたポリマーマトリックスのようなポリマーであり得る。このような膜で製造されたＭＥＡの例は、ＢＡＳＦ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ＧｍｂＨのＣｅｌｔｅｃ（Ｒ：商品名）−Ｐシリーズを含む。他のＭＥＡは、ピリジン型構造で結合される芳香性ポリエーテルポリマーに基づくＡｄｖｅｎｔ ＴＰＳ（Ｒ：商品名）シリーズを含み、これは、リン酸で含浸され、Ａｄｖｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｓ．Ａ．のポリベンズアゾール（ｐｏｌｙｂｅｎｚａｚｏｌｅ）ポリマーがアリールまたはアルキル置換ポリベンズイミダゾール（例えば、ポリベンズイミダゾール−Ｎ−ベンジルスルホネート）、ポリベンズオキサゾールおよびポリベンゾチアゾールのようなものが使用されてもよい。
【００１３】
ＰＦＳＡまたは炭化水素系イオン伝導膜は、一般的に膜内に全体的に形成された強化構造を含み、引裂抵抗の増加および水和と脱水による寸法変化の減少のような改善された機械的性質を提供することができる。好ましい強化構造は、これに限定されるものではないが、ＵＳ６，２５４，９７８、ＥＰ０８１４８９７およびＵＳ６，１１０，３３０に記載されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはＰＥＥＫまたはポリエチレンのような代替物質といったフルオロポリマーの微細多孔性ウェブまたは繊維に基づくことができる。
【００１４】
通常、電極触媒層は、ＥＰ０７３１５２０に記載されたような公知技術を利用して形成される。触媒層要素は、水性および／または有機溶媒、選択的ポリマーバインダーおよび選択的プロトン伝導ポリマーを含むイルクで製造される。インクは、導電ガス拡散層またはイオン伝導膜上に噴霧、プリンティングおよびドクターブレード法で蒸着可能である。
【００１５】
アノードおよびカソードガス拡散層は、好適には、従来のガス拡散基板に基づく。一般的な基板は、炭素繊維と熱硬化性樹脂バインダーのネットワークを含む不織布紙またはウェブ（例えば、日本のＴｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．，から入手可能な炭素繊維紙のＴＧＰ−Ｈシリーズ、またはドイツのＦｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ ＦＣＣＴ ＫＧから入手可能なＨ２３１５シリーズ、またはドイツのＳＧＬ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨから入手可能なＳｉｇｒａｃｅｔ（Ｒ：商品名）シリーズ、Ｂａｌｌａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＩｎｃのＡｖＣａｒｂ（Ｒ：商品名）シリーズ）、または織炭素布を備える。炭素紙、ウェブまたは布は、親水性（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）をさらに有するか、疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）をさらに有するように、ＭＥＡに結合される前に追加処理を経ることができる。処理の種類は、燃料電池の形態と使用される作動条件によって異なる。基板は、懸濁液（ｌｉｑｕｉｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）の含浸による非結晶質カーボンブラックのような物質と結合されることで親水性をさらに有することができるか、基板の気孔構造をＰＴＦＥまたはポリフルオロエチレンプロピレンのようなポリマーの懸濁コロイド（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）で含浸し、ポリマーの融点以上で乾燥し加熱することで疎水性をさらに有することができる。ＰＥＭＦＣのような分野において、微細多孔性層がガス拡散基板で電極触媒層と接触する面に適用可能である。微細多孔性層は、一般的にカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなポリマーとの混合物を含む。
【００１６】
一般的な電極触媒は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、または１つ以上の前記金属またはその酸化物を含む合金または混合物から選択される。金属、合金または金属の混合物は、支持されないか、粒子性炭素（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｃａｒｂｏｎ）のような適切な支持体に支持され得る。所与の電気化学装置で最も適切な電極触媒は当業者に公知である。
【００１７】
これらの要素を使用し、このような方法でＭＥＡを構成することは、ガスクロスオーバーを増加させ、過酸化物の変形をもたらし、それにより、膜の質を低下させる触媒層の亀裂およびＭＥＡによる濡れと乾燥サイクル中の膨脹および収縮により触媒層の膜接触部で発生する膜同士の分離および他の機械的損傷を含む様々な問題を引き起こすことがあった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、従来のＭＥＡ構造に関連する上記の問題を解決する、改善された燃料電池用アッセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
したがって、本発明の第１態様は、燃料電池用として好適な強化触媒層アッセンブリを提供し、前記強化触媒層アッセンブリは、（ｉ）ｚ方向に沿って物質の厚さを通じて（介して、貫通して）延びる細孔を有する多孔性の平面（平板状）強化材と、（ｉｉ）第１触媒物質および第１イオン伝導物質を備える第１触媒とを含み、前記第１触媒は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１表面および第２表面を有する第１触媒層を形成することを特徴とする。
【００２０】
前記平面強化材は、ｚ方向に沿って物質の厚さを通じて延びる細孔を備える多孔性物質である。一実施形態において、前記細孔は、離散して互いに連結されておらず、他の実施形態では、前記細孔同士で一部が連結される。細孔は、規則的または非規則的な形状を有することができ、各々の細孔は、１ｍｍ〜１０ｎｍの断面直径を有することができる。前記細孔は、すべて類似の大きさを有するか、多様な大きさを有することができる。前記細孔は、ねじれが少ないか（すなわち、細孔が一面から他面に直に延びる）、あるいは、ねじれが大きくてもよい。前記平面強化材のｘおよびｙ方向での寸法は、前記強化触媒層アッセンブリと結合する最終生成物の大きさに左右され、これは、当業者の能力内で最も適切なｘおよびｙ寸法が決定可能である。ｚ方向における前記平面強化材の寸法は、１μｍ〜５００μｍ、好適には１０μｍ〜２００μｍであり得る。正確な寸法は、前記強化触媒層アッセンブリが置かれる最終構造および用途によって左右される。ｚ方向における寸法は、当業者の能力によって適切に決定される。「ｘ方向」、「ｙ方向」および「ｚ方向」という用語は、当業者に公知であり、平面（ｘおよびｙ方向）内および平面を通過（ｚ方向）することを意味する。
【００２１】
前記平面強化材の空隙率は、３０％より大きいことが好適であり、好ましくは５０％より大きく、最も好ましくは７０％より大きい。空隙率の割合は、公式ｎ＝Ｖｖ／Ｖｔ×１００によって計算され、ここで、ｎは空隙率、Ｖｖは空き空間の容積、Ｖｔは前記平面強化材全体の容積である。前記空き空間の容積と前記平面強化材全体の容積は、当業者に公知の方法により決定可能である。
【００２２】
多数の他の構造タイプが平面強化材として使用できるが、前記細孔は、閉鎖されたものよりは連結されたものでなければならない。
【００２３】
（ｉ）微細多孔性構造：前記細孔がランダムな大きさおよび形状を有し、ｚ方向に沿って構造を通じて延びる。このような物質の例としては、逆相間隔離法（ｉｎｖｅｒｓｅ ｐｈａｓｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）により製造された多孔性ポリマー（例えば、ＤＳＭの超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ））、発泡ＰＴＦＥなど、ウェットまたはドライレイド法（ｌａｉｄ ｍｅｔｈｏｄ）により多方向配向繊維のアッセンブリから製造された不織布構造がある。フィルタの製造に用いられる他の方法のように、ポリマーの電気放射により適切に高い多孔性シートが製造できる。
【００２４】
（ｉｉ）セル型構造（ｃｅｌｌｕａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）：離散したセルを含み、各セルの壁が物質の厚さにわたって延び、セル同士の相互連結がない。このような物質の例としては、押出またはスライシングまたはストリップの部分的ラミネイションと連続する張力下の膨脹（例えば、ＤｕＰｏｎｔのＮｏｍｅｘ（Ｒ：商品名）またはＴｙｖｅｃ（Ｒ：商品名））、または他の方法により製造されるセル型構造、織メッシュ、連続シートにスリットを切断し引張応力を加えることにより製造されたエキスパンドメッシュ（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｍｅｓｈ））、シートの厚さにわたってパンチされるか切断（例えば、レーザによって）された穴を有する平板型シート、および物質を鋳造することにより製造された多孔性シートがある。
【００２５】
前記平面強化材は、強化触媒層アッセンブリの必要な強度を提供可能な物質および形態で製造できる。前記強化要素の材料となり得る適切な物質は、金属、炭素、セラミックおよびポリマーを含むが、本発明は、これに限定されるものではない。多くの実施形態において、物質は、電気絶縁体であることが好ましいが、他の実施形態では、弱い電気伝導体でなければならず、場合によっては、物質の伝導性の有無とは関係がない。好ましくは、前記物質は、燃料電池環境において安定的で、前記強化触媒層アッセンブリと結合された最終生成物においていずれのポリマー要素とも強く結合可能である。
【００２６】
ある実施形態において、前記平面強化材の壁または支柱も微細な規模で多孔性である。このような細孔は、前記ＭＥＡの構造物質により貫通しない程度に十分に微細であり、水が細孔を満たすように十分に親水性を有する。したがって、水が存在する適切な燃料電池において、このような細孔は、水を、厚さを通るか、前記強化構造の面を通るように移動させることができる。
【００２７】
好ましくは、前記平面強化材は、予め形成された物質が使用できるが、その例としては、Ｓｅｆａｒ ＡＧ社製品（例えば、ＦＬＵＯＲＴＥＸ）のようなフルオロポリマーとして知られるフッ素含有ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）またはパーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）で製造された織ウェブ、およびＴｅｔｒａｔｅｘとして知られるＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ社製品のようなエキスパンドポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）の微細多孔性ウェブ構造がある。他のフルオロポリマー構造としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシ（メチルビニルエーテル）（ＭＦＡ）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）を含むものと、ヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレンとの共重合体が使用可能である。
【００２８】
前記平面強化材は、予め形成された物質が使用できるが、その例としては、Ｓｅｆａｒ ＡＧ社製品（例えば、ＰＥＥＫＴＥＸ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））のようなポリアリールエーテルケトンポリマーの群から製造された織ウェブがある。ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリアリールエーテル、ポリアリールエーテルケトンまたはポリエーテルケトンエーテルケトンケトンを含む他のポリエーテルケトンポリマー構造が使用可能である。ポリマー構造に基づく使用可能な他の炭化水素は、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾールを含むもの、Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．とＴｉｃｏｎａ ＵＫ Ｌｔｄ．から提供するポリ（ｐ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｐｈｉｄｅ）（ＰＰＳ）のようなポリマー含有硫黄、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）のようなポリエーテルまたは硫黄微細多孔性ウェブフィルム（Ｓｏｌｕｐｏｒ ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ ｗｅｂ ｆｉｌｍ）として知られるＤＳＭ Ｎ．Ｖ．とＬｙｄａｌｌ Ｉｎｃ．の微細多孔性超高分子量ポリエチレンウェブフィルムのようなポリオレフィンである。
【００２９】
あるいは、前記平面強化材は、所望の構造を生成するために、底粘度ポリマー拡散または溶液またはモノマー／オリゴマーを使用するインクジェットプリンティングまたはグラビアプリンティングのような方法を用いてインサイチューで形成できる。蒸着された物質は、（化学的またはイオン化放射、ＵＶなどを用いて）架橋結合または重合可能である。前記平面強化材をインサイチューで製造する他の方法としては、オープンナノ繊維構造を生成する電気放射技術を利用するものがある。
【００３０】
前記第１触媒は、第１触媒物質と、第１イオン伝導物質、好適にはプロトン伝導アイオノマーとを含む。イオン伝導性物質の例が当業者に公知であるが、適切な液体にイオン伝導性物質の拡散物として提供され、その例は、パーフルオロスルホン酸アイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．）、Ａｃｉｐｌｅｘ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）、ＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭ（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ ＳｐＡ）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．）、Ｆｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｆ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ））、または炭化水素ポリマーで製造されたアイオノマー（例えば、ポリアリーレンスルホン酸に基づくＦｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｐ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ）またはポリベンズイミダゾールに含浸されたリン酸（例えば、ＰＢＩをジメチルアセトアミドに溶かして前記触媒物質と混合し、ＰＢＩ含浸物にリン酸を追加することによる）を含む。
【００３１】
適切な第１触媒物質は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、（「一次金属」）または１つ以上の一次金属を含む合金またはその混合物から選択される。前記一次金属、合金または合金の混合物は、支持されないか、適切な支持体（例えば、粒子性炭素または導電性粒子性酸化物）に支持できる。当業者であれば、所与の電気化学的装置に対して最も適切な第１触媒物質は公知である。前記第１触媒内の前記第１触媒物質の前記一次金属の適切な荷重は、最終的な使用によって左右され、当業者に公知であるが、好適には、荷重は、４ｍｇ／ｃｍ２より小さく、好ましくは２ｍｇ／ｃｍ２より小さい。
【００３２】
本発明の強化触媒層アッセンブリにおいて、第１触媒は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１触媒層が形成される。「触媒層」に関連し、これは、ｘ／ｙ方向の寸法がｚ方向の寸法に比べてはるかに大きく、触媒層が平板型として認識できることを意味する。第１触媒層は、膜電極アッセンブリに結合される時にイオン伝導性物質と面するのに適した第１表面と、膜電極アッセンブリに結合された時にガス拡散層と面するのに適した第２表面とを備える。
【００３３】
一実施形態において、第１触媒は、前記平面強化材内に完全に埋め込まれる。前記平面強化材および前記第１触媒層のｚ寸法は等しいか、前記平面強化材のｚ寸法は前記第１触媒層より大きくてもよく、この場合、前記平面強化材は、前記第１触媒層の第１および第２表面の一方または両方において前記第１触媒層を通って延びるようになる。仮に、前記平面強化材は、前記第１触媒層の第２表面を通って延びると、これは、第２表面を通って５０μｍを超えては延びないことが好適である。
【００３４】
あるいは、前記平面強化材のｚ寸法は触媒層のｚ寸法より小さく、前記触媒層は、前記平面強化材の一方または両方の表面においてｚ方向に平面強化材を通って延びる。
【００３５】
第１触媒層のｘおよびｙ方向（「面積」）は、好適には、前記平面強化材のｘおよびｙ方向（「面積」）と等しいか、これより大きいか小さい。本発明の一実施形態において、前記平面強化材と前記第１触媒層の面積は等しく、前記平面強化材と第１触媒層が同時にわたるようになる。本発明の第２実施形態において、第１触媒層の面積は平面強化材より小さく、強化要素周辺部の周囲領域（「第１エッジ領域」）に第１触媒層が存在しない。第１エッジ領域は、イオン非伝導性物質で少なくとも部分的に満たされ得る。
【００３６】
他の実施形態において、前記平面強化材は、前記第１触媒層の中心に延びず、第１触媒層の外領域のみが強化され、内部領域は強化されない状態で残ることができる。
【００３７】
本発明の前記強化触媒層は、前記第１触媒をインク形態で基板（例えば、転写基板）に塗布し、インクがまだ濡れた状態で前記平面強化材を塗布することにより製造され、前記第１触媒は含浸され、前記平面強化材内に内蔵できる。次に、第１触媒が乾燥し、前記平面強化材内で少なくとも部分的に埋め込まれた第１触媒層を形成し、基板は、本発明の強化触媒層アッセンブリが露出するように除去される。濡れたインクフィルムの厚さを変化させることにより、触媒層の上面は、平面強化材の上面の下または上にまたは同時にわたるように置かれる。あるいは、第１触媒はインク形態で平面強化材内に噴霧可能であり、これは、転写構造上に存在するか、インクが両面に噴霧されて液滴が平面強化材の細孔内で合わされる。追加されたインクの量は、乾燥した触媒層の表面が一側または両側に前記平面強化材が形成されるか、一側または両側とも前記強化要素内に置かれるように調整できる。
【００３８】
第１触媒は、適切なレオロジー改質剤（ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｍｏｄｉｆｉｅｒ）を用いるか、第１触媒内で高せん断ブレンディング（ｈｉｇｈ ｓｈｅａｒ ｂｌｅｎｄｉｎｇ）によるＰＴＦＥフィブリル化を行うことにより、生地の形態で製造できる。次に、前記生地は、第１触媒の最も大きい粒子が平面強化材内の最も小さい細孔より小さければ、平面強化材と結合できる。前記触媒生地の前記平面強化材への含浸は、共押出、カレンダリング（ｃａｌｅｎｄａｒｉｎｇ）またはプレッシングによって達成可能である。仮に、前記生地を、前記平面強化材内に力を加える工具の面が適切な圧縮率を有すると、第１触媒の表面は、一側または両側とも平面強化材の下に置かれることが可能である。
【００３９】
追加の第１触媒が乾燥粉末の形態で製造され、ドライ噴霧蒸着、静電噴霧または他の静電方法によりコピー機で用いられるように塗布可能であり、平面強化材は、転写基板上に維持されるか、両側からすべて接近可能になる。
【００４０】
第１触媒が強化要素内に全体的に埋め込まれているように第１触媒を平面強化材内に結合させるために、第１触媒は一側または両側からインク形態で強化要素内に蒸着できる。乾燥により、溶媒の損失は収縮をもたらし、第１触媒の両表面は強化要素内に引き込まれる。あるいは、加熱分解できるか、昇華できるか、溶解できる物質が追加され、強化要素の細孔を部分的に満たし、触媒要素が追加される前に、好ましくは基板上に残り、強化要素を完全に満たさないか、乾燥中に収縮する。一旦、触媒要素が乾燥すると、ブラインディング物質は、加熱分解、昇華または洗浄により除去可能である。
【００４１】
本発明の第２態様は、上述した強化触媒層アッセンブリに加え、第１表面および第２表面を有するイオン伝導性層を形成する第１触媒層の第１表面に塗布されたイオン伝導性材（成分）をさらに含み、前記第１表面は、前記第１触媒層の前記第１表面と接触する。前記イオン伝導性材（成分）は、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれているか、平面強化材内に全体的に埋め込まれた、平面強化材は、ｚ方向に沿ってイオン伝導性材（成分）を通って延びることができる。
【００４２】
一実施形態において、前記第１触媒層と前記イオン伝導性材（成分）との間に重なる部分があり、傾斜組成物の相間層が形成できる。これは、触媒層とイオン伝導性材（成分）との間に組成物が変化し続ける、限定された厚さの領域があることを意味する。
【００４３】
イオン伝導性材（成分）は層を形成し、この層は、平面強化材と類似の面積（ｘおよびｙ寸法）を形成し、２つは基本的に同時にわたるようになる。あるいは、平面強化材は、イオン伝導性層より広く、強化触媒層アッセンブリ周辺部の周囲領域（「第２エッジ領域」）が形成され、ここにはイオン伝導性材（成分）が存在しない。第２エッジ領域は、イオン非伝導性物質で少なくとも部分的に満たされ得る。
【００４４】
イオン伝導性材（成分）は、アイオノマー（例えば、上述したパーフルオロスルホン酸アイオノマーまたは炭化水素アイオノマー）または電解質（例えば、リン酸または硫酸）で含浸されるか含浸可能なポリマーマトリックスである。選択されたイオン伝導性材（成分）は、強化触媒要素アッセンブリの最終使用により決定され、当業者によって最も適切な物質が選択可能である。
【００４５】
イオン伝導性材（成分）は、適切な液体で分散したものであって、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョン（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）またはディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に塗布され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布（ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｒｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）のように、当該分野における公知技術により第１触媒層に塗布できる。好適には、イオン伝導性材（成分）は、液体を除去し、イオン伝導性材（成分）の固体フィルムを形成するために乾燥する。
【００４６】
あるいは、イオン伝導性材（成分）は、予め形成されたポリマーフィルムであり得、プレスまたは高温カレンダーロール内で高温プレッシングすることにより、固体形態で第１触媒層に塗布可能である。
【００４７】
本発明のさらに他の態様において、前記強化触媒層アッセンブリは、上述したものであって、イオン伝導性層を含み、第２触媒（材、成分）と、第２イオン伝導性物質とを備え、イオン伝導性層の第２表面に塗布される第２触媒をさらに含み、前記第２触媒は、第１表面および第２表面を備える第２触媒層を形成し、前記第１表面は、前記イオン伝導性層の第２表面と接触する。「触媒層」について、ｘ／ｙ方向での寸法がｚ方向での寸法よりはるかに大きく、触媒層は平板型であると考えられる。
【００４８】
第２触媒は、第２触媒物質と、第２イオン伝導性物質、好適にはプロトン伝導性アイオノマーとを含む。適切なイオン伝導性物質の例が当業者に公知であるが、一般的に適切な液体にイオン伝導性物質の拡散物として提供され、その例は、パーフルオロスルホン酸アイオノマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏ．）、Ａｃｉｐｌｅｘ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｋａｓｅｉ）、ＡｑｕｉｖｉｏｎＴＭ（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ ＳｐＡ）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）（Ａｓａｈｉ Ｇｌａｓｓ Ｃｏ．）、Ｆｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｆ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ））、または炭化水素ポリマーで製造されたアイオノマー（例えば、ポリアリーレンスルホン酸に基づくＦｕｍｉｏｎ（Ｒ：商品名）Ｐ−シリーズ（ＦｕＭＡ−Ｔｅｃｈ ＧｍｂＨ）またはポリベンズイミダゾールに含浸されたリン酸（例えば、ＰＢＩをジメチルアセトアミドに溶かして前記触媒物質と混合し、ＰＢＩ含浸物にリン酸を追加することによる）を含む。
【００４９】
適切な第２触媒物質は、（ｉ）白金族金属（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムおよびオスミウム）、（ｉｉ）金または銀、（ｉｉｉ）卑金属、（「一次金属」）または１つ以上の一次金属を含む合金またはその混合物から選択される。前記一次金属、合金または合金の混合物は、支持されないか、適切な支持体（例えば、粒子性炭素）に支持され得る。当業者であれば、所与の電気化学的装置に対して最も適切な第２触媒物質は公知である。前記第２触媒内の前記第２触媒物質の前記一次金属の適切な荷重は、最終的な使用によって左右され、当業者に公知であるが、好適には、荷重は、４ｍｇ／ｃｍ２より小さく、好ましくは２ｍｇ／ｃｍ２より小さい。第２触媒は、第１触媒と同一でも異なってもよい。
【００５０】
第２触媒は、前記平面強化材内に埋め込まれていないか、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれているか、前記平面強化材内に全体的に埋め込まれている。仮に、前記平面強化材に全体的に埋め込まれていると、前記平面強化材は、ｚ方向に沿って第２触媒層の第２表面を通って延びることができるが、好適には５０ミクロンを超えない。
【００５１】
前記第２触媒層は、平面強化材と類似の面積（ｘおよびｙ寸法）を有し、両者は本質的に同時にわたるようになる。あるいは、平面強化材は、第２触媒層より大きい面積を有し、強化触媒層アッセンブリ周辺部の周囲領域（「第３エッジ領域」）が形成され、この領域には第２触媒層が存在しない。第３エッジ領域は、少なくとも部分的にイオン非伝導性ポリマーで満たされ得る。あるいは、第２触媒層の領域は、平面強化材の領域より大きくてもよい。
【００５２】
他の実施形態において、平面強化材は、第２触媒層の中心に延びず、第２触媒層の外領域のみが強化され、内部領域は強化されなくてもよい。
【００５３】
液体インク形態の第２触媒は、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョンまたはディッピング、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に適用され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布のように、当該分野における公知技術によりイオン伝導性層に直に塗布できる。あるいは、第２触媒は、先にインク形態で基板（例えば、転写基板）に塗布されてもよく、インクがまだ濡れている間にイオン伝導性側に塗布され乾燥して基板が除去されてもよい。
【００５４】
第２触媒は、適切なレオロジー改質剤を用いるか、第１触媒内で高せん断ブレンディングによるＰＴＦＥフィブリル化を行うことにより、生地の形態で製造できる。このような生地は、共押出、カレンダリングまたはプレッシングによりイオン伝導性層に塗布可能である。
【００５５】
追加の第２触媒が乾燥粉末の形態で製造され、ドライ噴霧蒸着、静電噴霧またはコピー機で用いられるような他の静電方法で塗布可能である。
【００５６】
本発明のさらに他の態様において、強化触媒層アッセンブリは、上述したものに加え、前記第１触媒層の第２表面上に存在する第２微細多孔性層および／または前記第２触媒層の第２表面に存在する第２微細多孔性層をさらに含む。前記第１および／または第２微細多孔性層は、平面強化材内で少なくとも部分的に独立して埋め込まれているか、埋め込まれていなくてもよい。前記平面強化材は、前記第１および／または第２微細多孔性層の露出した表面を通って延びない。前記第１および／または第２微細多孔性層は、粒子性物質（例えば、カーボンブラック、疎水性ポリマーのようなポリマー）を独立に含む。適切なポリマーの例としては、ＰＴＦＥがあるが、好適には、ＰＴＦＥが炭素上で予備発火し（ｐｒｅ−ｆｉｒｅｄ）、ＰＴＦＥと炭素との混合物が第１および／または第２触媒層アッセンブリに、乾燥粉末として、または適切な分散剤（例えば、メチルセルロースによって濃くなった水または１−メトキシ２−プロパノール（１−ｍｅｔｈｏｘｙ２−ｐｒｏｐａｎｏｌ）のような有機分散剤）内で分散させることにより塗布される。
【００５７】
第１および第２微細多孔性層は、例えば、スクリーンプリンティング、回転スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、噴霧、ペインティング、イマージョンまたはディッピング、バーコーティング、パッドコーティング、グラビア、ナイフまたはドクターブレードオーバーロール（基板に塗布後、ナイフと支持ローラとの間のスプリットを介して通過する）のようなギャップコーティング、エアナイフコーティング（基板に塗布され、超過量はエアナイフからの強いジェットによって吹き飛ぶ）、スロットダイ（スロット、圧縮）コーティング（重力によって、または圧力を受けて基板上のスロットを介して搾り出される）、メイヤーバー（Ｍｅｙｅｒ ｂａｒ）およびグラビアコーティングとともに、メタリングロッド塗布のように、当該分野における公知技術により第１および第２触媒層の各々に塗布可能である。
【００５８】
あるいは、本発明の強化触媒層アッセンブリが最初に作られる基板は、その上に既に第１微細多孔性層を有するガス拡散層であり得る。第１微細多孔性層が平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれたか否かによって、第１微細多孔性層がガス拡散基板に塗布され、（ｉ）平面強化材がウェット第１微細多孔性層に塗布され、第１微細多孔性層が平面強化材内で少なくとも部分的に埋め込まれた、微細多孔性層が乾燥して第１触媒層が微細多孔性層に形成され、平板型強化層内に埋め込まれたて第１触媒層が乾燥するか、（ｉｉ）微細多孔性層が乾燥し、第１触媒層が微細多孔性層に形成されてまだ濡れた状態で、平面強化材が第１触媒層に形成され、第１触媒層が平板型強化層内に少なくとも部分的に埋め込まれた、第１触媒層が乾燥する。
【００５９】
本発明のさらに他の態様によれば、各々が、平面強化材と、第１触媒層とを備える２つの強化触媒層アッセンブリを含む強化触媒層アッセンブリが提供され、少なくとも１つの強化触媒層は、イオン伝導性層をさらに含む。仮に、２つのアッセンブリの１つのみがイオン伝導性層を含む場合、イオン伝導性層を含むアッセンブリ内のイオン伝導性層が他のアッセンブリの第１触媒層と接触するようにアッセンブリが結合される。仮に、２つのアッセンブリがすべてイオン伝導性層を含む場合、２つのアッセンブリは、２つのイオン伝導性層が互いに接触するように結合される。
【００６０】
前記触媒層アッセンブリは、イオン伝導性材（成分）の種類に適した方法で結合できる。例えば、イオン伝導性材（成分）がアイオノマーの場合には、結合がプレスでの熱間プレッシング、ホットカレンダーロールまたは溶媒または水性分散剤のような液体イオン伝導性ポリマーによるボンディング、またはプレッシングまたはカレンダリングによる固体イオン伝導性ポリマーの分離シートを用いた熱間ボンディングにより実施できる。液体イオン伝導性ポリマーまたはイオン伝導性ポリマーの分離シートのようなボンディング剤は、触媒層アッセンブリ内のイオン伝導性材（成分）とは異なる組成物であり得る。例えば、炭化水素アイオノマーがＰＦＳＡアイオノマーよりも低いガス侵透性を有するため、炭化水素イオン伝導性ボンディング剤がガスクロスオーバーの量を減らすために、ＰＦＳＡイオン伝導性層の間で使用可能である。
【００６１】
本発明にかかる強化触媒層アッセンブリは、添加剤をさらに含むことができる。前記添加剤は、前記複数層の間の１つ以上の界面および／または１つ以上の前記層に存在することができる。
【００６２】
前記添加剤は、水素過酸化物分解触媒、ラジカル消去剤、自由ラジカル分解触媒、自己再生抗酸化剤、水素ドナー（Ｈ−ｄｏｎｏｒ）一次抗酸化剤、自由ラジカル消去剤二次抗酸化剤、酸素吸収剤（酸素消去剤）からなる群より１つ以上が選択可能である。
【００６３】
本発明の好ましい実施形態において、強化触媒層アッセンブリは、燃料電池、特にＰＥＭ燃料電池に用いられる。
【００６４】
したがって、本発明のさらなる態様によれば、ガス拡散層と、本発明にかかる強化触媒層アッセンブリとを含むガス拡散電極が提供される。前記ガス拡散層は、本技術分野において一般的に使用され、上述したような従来のガス拡散層であり得る。
【００６５】
本発明のさらなる態様によれば、本発明の強化触媒層アッセンブリと、イオン伝導性膜とを含む強化触媒層膜アッセンブリが提供される。イオン伝導性膜は、予め形成された膜であり、本技術分野において使用され、上述したような従来の膜であり得る。強化触媒層膜アッセンブリは、本発明の第２強化触媒層アッセンブリを備えることができ、前記イオン伝導性膜は、２つの強化触媒層アッセンブリの間に挟まれる。
【００６６】
本発明のさらに他の態様によれば、強化触媒層アッセンブリ、ガス拡散電極、または本発明の強化触媒層膜アッセンブリを含む膜電極アッセンブリが提供される。
【００６７】
膜電極アッセンブリは、密封および／または、例えば、ＷＯ２００５／０２０３５６に記載されたような、膜電極アッセンブリのエッジ領域を密封および／または強化する要素をさらに含むことができる。前記ＭＥＡは、上述したように、当業者に公知の従来の方法により結合される。
【００６８】
本発明のさらに他の態様によれば、上述したような強化触媒層アッセンブリ、ガス拡散電極、強化触媒層膜アッセンブリ、または膜電極アッセンブリを含む燃料電池が提供される。
【００６９】
本発明の強化触媒層アッセンブリとは異なる要素は、最新製品を超えていくつかの改善点を提供する。ｘｙ平面およびｚ平面での変形が減少し、層の亀裂が減少し、それにより、クロスオーバーが減少する。また、強化触媒層アッセンブリと結合された最終生成物の膨脹および収縮が強化構造の効果によって最小化されるため、機械的損傷は減少する。また、多くの最新製品で現れる界面での剥離（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）は減少し、それ以上問題にならない。
【００７０】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池を主に参照して説明されるが、本発明は、他のタイプの燃料電池または電気化学的装置に変更なくまたは若干の変更を加えるだけで同様に使用可能である。例えば、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）において、２つの電極が３８％を超える空隙率を有するポリエーテルスルホンと結合されたシリコン炭化物のような粒子性物質のマトリックスによって分離される（Ｐ．Ｓｔｏｎｅｈａｒｔ ａｎｄ Ｄ．Ｗｈｅｅｌｅｒ、電気化学の現代的側面、Ｎｏ．３８、編集Ｂ．Ｅ．Ｃｏｎｗａｙら、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ／Ｐｌｅｎｕｍ出版社、ニューヨーク、２００５、第４００頁以下参照）。本発明によれば、シリコン炭化物、ポリエーテルスルホン、ＰＥＥＫ、低伝導性炭素繊維および適正な安定性を示す他の物質のような、高温のリン酸に適切に抵抗し、リン酸による湿潤性物質が使用されると、前記マトリックスが多孔性強化物質に代替できる。
【００７１】
アルカリ型燃料電池において、電解質は、一般的に強い水酸化ナトリウムまたはカリウムであり、電極は、ＰＡＦＣで説明されたのと類似の方式でマトリックスによって分離される。前記多孔性強化要素が安定的でアルカリ型電解質による湿潤性を有すると、本発明は、アルカリ型燃料電池として使用されるＭＥＡに好適である。
【００７２】
ＰＥＭ用として説明されたすべての実施形態は、ＰＥＭ電解槽用ＭＥＡに同様に適用される。このようなＰＥＭ電解槽において、電圧が膜電極アッセンブリに印加され、装置に提供された水は、カソードとアノードでそれぞれ水素と酸素に分解される。ＭＥＡは、アノードでＩｒおよびＲｕ系物質のように、ＰＥＭ燃料電池とは異なる触媒要素を必要とすることもあるが、その他では、燃料電池として使用されるＭＥＡと非常に類似している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図１は、従来のMEAと、本発明にかかる強化触媒層を備えるMEAに対する分極曲線(正方形=従来のMEA、三角形=本発明のMEA)を示す。
【図２】図２は、従来のMEAと、本発明にかかる強化触媒層を備えるMEAに対する電流遮断法により測定されたオーム抵抗曲線(正方形=従来のMEA、三角形=本発明のMEA)を示す。
【図３】図３は、実施例2の構造の概略的を図示するものである。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
本発明は、図示する以下の実施例を参照してより詳細に説明されるが、本発明はこれらに限定されない。
【００７５】
実施例１：強化触媒層膜電極アッセンブリが、３０ミクロン厚のＰＦＳＡ膜（Ａｓａｈｉ ＧｌａｓｓのＳＨ−３０）を、５８％の開放領域（空隙率）を有する５０ミクロン厚の織物ＰＥＥＫ（Ｓｅｆａｒ）強化構造で、２分間、１５０℃、１６００ｐｓｉで熱間プレッシングする第１段階によって製造される。厚さの差によって、アイオノマー要素は、非含浸織物物質の約２０ミクロンを残し、強化層の一側に位置する。触媒層は、ＰＴＦＥ転写基板上に支持された乾燥触媒層をアイオノマー含浸された強化構造の両側に、１５０℃、８００ｐｓｉで、２分間、熱間プレッシングすることにより追加された。それにより、アッセンブリは、イオン伝導性材（成分）によって分離された強化触媒層を有するようになった。
【００７６】
アッセンブリは、微細多孔性層でコーティングされたガス拡散層と結合させ、５０ｃｍ２の活性領域のテストセル内に密封されて燃料電池内でテストされた。１００ｋｐａゲージの圧力で、水素はアノード側に、酸素はカソード側に提供され、両気体とも完全に加湿された。図１に示すように分極曲線が決定され、図２に示すように電流遮断法を用いてアッセンブリのオーム抵抗が決定された。強化触媒層アッセンブリを含むＭＥＡのセル電圧は、基本的にオーム（ｉＲ）損失で訂正された時、従来のＭＥＡと同一である。オーム損失は、強化構造の約５０％の開放領域に一致し、約２つの要素による強化ＭＥＡによってさらに高かった。
【００７７】
実施例２：強化膜電極アッセンブリは、まず、バーコーターを用いてスカイブ（ｓｋｉｖｅ）ＰＴＦＥに薄い電極触媒インクをコーティングし、次に、１０５℃でオーブン乾燥して製作された。電極触媒の二次層が既存の乾燥層上にキャストされ、ウェットにより、１５〜２０ミクロン厚の膨脹されたＰＴＦＥウェブが二次インク層内に形成される。インクがｅ−ＰＴＦＥマトリックス内に侵透するのが可視的に観察された。中間アッセンブリは、１０５℃でさらにオーブン乾燥した。この段階において、ｅ−ＰＴＦＥ強化物質は、一表面に触媒層として残った。次に、イオン伝導性層は、３つのアイオノマー層をｅ−ＰＴＦＥの残る触媒層の表面上にキャスティングすることにより形成され、各層が塗布された後にオーブン乾燥する。膜電極アッセンブリを完成するために、電極触媒インクの追加の２回のコーティングが （各段階でオーブン乾燥で）アッセンブリに塗布され、第２触媒層が形成される。最終生成物において、ｅ−ＰＴＦＥ強化物質が最終電極触媒層によって全体的に覆われた。それにより、アッセンブリが製造され、その電極（アノードおよびカソード）、アイオノマーおよびＭＥＡの電極／アイオノマー界面が連続するｅ−ＰＴＦＥ構造（図３参照）によって強化された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用として好適な、強化触媒層アッセンブリであって、
（ｉ）ｚ方向に沿って多孔性物質の厚さを通じて延びる細孔を有する前記多孔性物質からなる平面強化材と、
（ｉｉ）第１触媒物質と、および第１イオン伝導物質とを備えてなる第１触媒とを備えてなり、
前記第１触媒が、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれてなり、第１表面と、および第２表面を有する第１触媒層を形成してなることを特徴とするものである、強化触媒層アッセンブリ。
【請求項２】
第１表面および第２表面を備えるイオン伝導層を形成する前記第１触媒層の前記第１表面に塗布されるイオン伝導性材をさらに備えてなり、
前記イオン伝導層の前記第１表面が、前記第１触媒層の第１表面と接触してなる、請求項１に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項３】
前記イオン伝導性成分が、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれてなる、請求項２に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項４】
第２触媒をさらに備えてなり、
前記第２触媒が、第２触媒物質と、および第２イオン伝導物質とを備えてなり、前記イオン伝導層に塗布されてなるものであり、
前記第２触媒が、第１表面と、および第２表面を有する第２触媒層を形成してなるものであり、
前記第１表面が、前記イオン伝導層の前記第２表面と接触してなる、請求項２または３に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項５】
前記平面強化材が、発泡物質、織物または不織布、或いは、金属、炭素、セラミックまたはポリマー物質で製造された多数のセルを備えるセル型強化物質で形成されてなる、請求項１〜４の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項６】
前記平面強化材が、非電気的伝導性物質で製造されてなる、請求項５に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項７】
第２微細多孔性層が、前記第２触媒層の前記第２表面に存在する、請求項１〜６の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項８】
第２微細多孔性層が、前記第２触媒層の前記第２表面に存在する、請求項４〜７の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項９】
請求項１〜３、５〜７の何れか一項に記載の第１強化触媒層アッセンブリと、請求項２、３、５〜７の何れか一項に記載の第２強化触媒層アッセンブリとを備えてなり、
前記二つの強化触媒層アッセンブリが組み合わされて、一の又は両者のイオン伝導層がアッセンブリの中間にある、強化触媒層アッセンブリ。
【請求項１０】
ガス拡散層と、請求項１〜９の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリとを備えてなる、ガス拡散電極。
【請求項１１】
請求項１〜３および５〜７の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリと、イオン伝導膜とを備えてなる、強化触媒層膜アッセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜３および５〜７の何れか一項に記載の第２強化触媒層アッセンブリをさらに備えてなり、
前記イオン伝導膜は、前記２つの強化触媒層アッセンブリの間に挟まれてなる、請求項１１に記載の強化触媒層膜アッセンブリ。
【請求項１３】
請求項１〜８の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリを備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【請求項１４】
請求項１０に記載のガス拡散電極を備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【請求項１５】
請求項１１または１２に記載の強化触媒層膜アッセンブリを備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【請求項１】
燃料電池用として好適な、強化触媒層アッセンブリであって、
（ｉ）ｚ方向に沿って多孔性物質の厚さを通じて延びる細孔を有する前記多孔性物質からなる平面強化材と、
（ｉｉ）第１触媒物質と、および第１イオン伝導物質とを備えてなる第１触媒とを備えてなり、
前記第１触媒が、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれてなり、第１表面と、および第２表面を有する第１触媒層を形成してなることを特徴とするものである、強化触媒層アッセンブリ。
【請求項２】
第１表面および第２表面を備えるイオン伝導層を形成する前記第１触媒層の前記第１表面に塗布されるイオン伝導性材をさらに備えてなり、
前記イオン伝導層の前記第１表面が、前記第１触媒層の第１表面と接触してなる、請求項１に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項３】
前記イオン伝導性成分が、前記平面強化材内に少なくとも部分的に埋め込まれてなる、請求項２に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項４】
第２触媒をさらに備えてなり、
前記第２触媒が、第２触媒物質と、および第２イオン伝導物質とを備えてなり、前記イオン伝導層に塗布されてなるものであり、
前記第２触媒が、第１表面と、および第２表面を有する第２触媒層を形成してなるものであり、
前記第１表面が、前記イオン伝導層の前記第２表面と接触してなる、請求項２または３に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項５】
前記平面強化材が、発泡物質、織物または不織布、或いは、金属、炭素、セラミックまたはポリマー物質で製造された多数のセルを備えるセル型強化物質で形成されてなる、請求項１〜４の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項６】
前記平面強化材が、非電気的伝導性物質で製造されてなる、請求項５に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項７】
第２微細多孔性層が、前記第２触媒層の前記第２表面に存在する、請求項１〜６の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項８】
第２微細多孔性層が、前記第２触媒層の前記第２表面に存在する、請求項４〜７の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリ。
【請求項９】
請求項１〜３、５〜７の何れか一項に記載の第１強化触媒層アッセンブリと、請求項２、３、５〜７の何れか一項に記載の第２強化触媒層アッセンブリとを備えてなり、
前記二つの強化触媒層アッセンブリが組み合わされて、一の又は両者のイオン伝導層がアッセンブリの中間にある、強化触媒層アッセンブリ。
【請求項１０】
ガス拡散層と、請求項１〜９の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリとを備えてなる、ガス拡散電極。
【請求項１１】
請求項１〜３および５〜７の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリと、イオン伝導膜とを備えてなる、強化触媒層膜アッセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜３および５〜７の何れか一項に記載の第２強化触媒層アッセンブリをさらに備えてなり、
前記イオン伝導膜は、前記２つの強化触媒層アッセンブリの間に挟まれてなる、請求項１１に記載の強化触媒層膜アッセンブリ。
【請求項１３】
請求項１〜８の何れか一項に記載の強化触媒層アッセンブリを備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【請求項１４】
請求項１０に記載のガス拡散電極を備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【請求項１５】
請求項１１または１２に記載の強化触媒層膜アッセンブリを備えてなる、膜電極アッセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１３−５１４６１８（Ｐ２０１３−５１４６１８Ａ）
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３９０５（Ｐ２０１２−５４３９０５）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５２０９２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７３６５２
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５１２２６９５３５）ジョンソン、マッセイ、フュエル、セルズ、リミテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＪＯＨＮＳＯＮ ＭＡＴＴＨＥＹ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬＳ ＬＩＭＩＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／０５２０９２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７３６５２
【国際公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【出願人】（５１２２６９５３５）ジョンソン、マッセイ、フュエル、セルズ、リミテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＪＯＨＮＳＯＮ ＭＡＴＴＨＥＹ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬＳ ＬＩＭＩＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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