(57)【要約】      （修正有）【課題】変動する湿度条件下においても優れたプロトン輸送能力を有する、改善されたＰＥＭＦＣのための膜電極接合体（ＭＥＡ）の提供。【解決手段】高分子電解質膜燃料電池のための膜電極接合体１００は、アノード触媒層１２０と、カソード触媒層１３０と、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜１１０とを含む。カソード触媒層は、イオン液体（１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム１，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート）を、炭素担持白金または白金合金の粒子との混和物の状態で含む。イオン液体は、高水分および低水分の動作条件のいずれにおいても、性能を改善する。【選択図】図１
2020109752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜燃料電池のための膜電極接合体（ＭＥＡ）であって、
前記ＭＥＡはアノード触媒層を含み、前記アノード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子を含み、
前記ＭＥＡは、さらに、カソード触媒層を含み、前記カソード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持カソード触媒粒子と、
１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体との混合物を含み、
前記ＭＥＡは、さらに、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む、ＭＥＡ。
【請求項２】
前記カソード触媒粒子は白金合金を含む、請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項３】
前記カソード触媒粒子は白金−コバルト合金を含む、請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項４】
前記カソード触媒層の前記白金−コバルト合金において、白金とコバルトの重量比は、約１０：１である、請求項３に記載のＭＥＡ。
【請求項５】
前記イオン液体と、前記炭素担持カソード触媒粒子との重量比は、約１：１０である、請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項６】
前記高分子電解質膜はパーフルオロスルホン酸を含む、請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項７】
前記カソード触媒層は固体イオノマーを含む、請求項１に記載のＭＥＡ。
【請求項８】
高分子電解質膜燃料電池のための膜電極接合体（ＭＥＡ）であって、
前記ＭＥＡはアノード触媒層を含み、前記アノード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子と、
１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体との混合物を含み、
前記ＭＥＡは、さらに、カソード触媒層を含み、前記カソード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持カソード触媒粒子と、
（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体との混合物を含み、
前記ＭＥＡは、さらに、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む、ＭＥＡ。
【請求項９】
前記カソード触媒粒子は白金合金を含む、請求項８に記載のＭＥＡ。
【請求項１０】
前記カソード触媒粒子は白金−コバルト合金を含む、請求項８に記載のＭＥＡ。
【請求項１１】
前記カソード触媒層における前記白金−コバルト合金において、白金とコバルトの重量比は、約１０：１である、請求項１０に記載のＭＥＡ。
【請求項１２】
前記カソード触媒層において、前記イオン液体と、前記炭素担持カソード触媒粒子との重量比は、約１：１０である、請求項８に記載のＭＥＡ。
【請求項１３】
前記高分子電解質膜はパーフルオロスルホン酸を含む、請求項８に記載のＭＥＡ。
【請求項１４】
前記カソード触媒層は固体イオノマーを含む、請求項８に記載のＭＥＡ。
【請求項１５】
複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）が積層されることにより形成される高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であって、
前記複数のＭＥＡの各々はアノード触媒層を含み、前記アノード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子を含み、
前記複数のＭＥＡの各々は、さらに、カソード触媒層を含み、前記カソード触媒層は、
白金、および
白金合金
からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持カソード触媒粒子と、
１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体との混合物を含み、
前記複数のＭＥＡの各々は、さらに、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む、ＰＥＭＦＣ。
【請求項１６】
前記カソード触媒粒子は白金合金を含む、請求項１５に記載のＰＥＭＦＣ。
【請求項１７】
前記カソード触媒粒子は白金−コバルト合金を含む、請求項１５に記載のＰＥＭＦＣ。
【請求項１８】
前記カソード触媒層の前記白金−コバルト合金において、白金とコバルトの重量比は、約１０：１である、請求項１７に記載のＰＥＭＦＣ。
【請求項１９】
前記イオン液体と、前記炭素担持カソード触媒粒子との重量比は、約１：１０である、請求項１５に記載のＰＥＭＦＣ。
【請求項２０】
前記高分子電解質膜はパーフルオロスルホン酸を含む、請求項１５に記載のＰＥＭＦＣ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、燃料電池に関し、より具体的には、イオン液体を有する高分子電解質膜燃料電池のカソード触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
本明細書中に記載される背景説明は、本開示の背景にある状況の概括的な提示を目的とするものである。本明細書中において名前が挙げられている発明者らの研究成果が当該背景説明部分に記載されていた場合にはその記載内容と、その記載内容に記載されいていて出願時に先行技術として認定され得ない態様とは、いずれも、明示または黙示を問わず、本発明に係る技術に対する先行技術とは認められない。
【０００３】
燃料電池自動車は、エネルギー効率が高く、ゼロ・エミッション動力伝達プラットフォームを有しているため、将来のモビリティーを実現できるのではないかと期待されている。現在市場に出ている燃料電池自動車はすべて、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を使用している。ＰＥＭＦＣ技術は、商業化されてから何十年も経過した今でも、大きな課題として、高い材料コストと実質的な性能ギャップとを抱えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＰＥＭＦＣは、典型的には、酸素還元反応が生じるために、その電極触媒層中でプロトン輸送が高効率で生じる必要がある。しかし、非常に乾燥した条件においては、水が十分にないためにプロトン輸送が不良となり、性能が落ちることが多い。また逆に、水が過剰であっても、性能が落ちる可能性がある。したがって、変動する湿度条件下においても優れたプロトン輸送能力を有する、改善されたＰＥＭＦＣ触媒層の開発が望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
この節では、本開示の概括的な概要が示されるが、これは、本開示の範囲のすべてまたは特徴のすべてを総括的に開示するものではない。
【０００６】
多様な態様において、本発明の教示によって、高分子電解質膜燃料電池のための膜電極接合体（ＭＥＡ）が提供される。ＭＥＡは、アノード触媒層と、カソード触媒層と、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜とを含む。アノード触媒層は、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子を含む。カソード触媒層は、１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体を、炭素担持カソード触媒粒子との混和物の状態で含む。カソード触媒粒子は、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む。ＭＥＡは、さらに、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む。
【０００７】
他の態様において、本発明の教示によって、高分子電解質膜燃料電池のための膜電極接合体（ＭＥＡ）が提供される。ＭＥＡは、アノード触媒層と、カソード触媒層と、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜とを含む。アノード触媒層は、１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体を、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子との混和物の状態で含む。カソード触媒層は、イオン液体（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を、炭素担持カソード触媒粒子との混和物の状態で含む。カソード触媒粒子は、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む。ＭＥＡは、さらに、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む。
【０００８】
さらに他の態様において、本発明の教示によって、複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）が積層されることにより形成される高分子電解質膜燃料電池が提供される。各ＭＥＡは、アノード触媒層と、カソード触媒層と、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜とを含む。アノード触媒層は、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む炭素担持アノード触媒粒子を含む。カソード触媒層は、１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）を含むイオン液体を、炭素担持カソード触媒粒子との混和物の状態で含む。カソード触媒粒子は、白金および白金合金からなる群より選択される金属の粒子を含む。ＭＥＡは、さらに、アノード触媒層とカソード触媒層との間のプロトン伝達を媒介する高分子電解質膜を含む。
【０００９】
上述される結合技術のさらなる利用可能範囲、および上述される結合技術を拡充する多様な方法が、本明細書中の記載から明らかとなるであろう。本概要の記載内容および本概要において示される具体例は、例示のみを意図するものであって、本開示の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の教示内容に対する理解は、詳細な説明と添付の図面とにより、さらに完全となるであろう。
【図１】本発明の教示に係る膜電極接合体の概略断面図である。
【図２】図１の膜電極接合体において使用されるイオン液体のカチオンおよびアニオンの化学構造を示す線図である。
【図３Ａ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度４０％において動作させた際の電池電位を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、市販されている多孔質炭素担体を有するカソード触媒粒子を使用している。
【図３Ｂ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度４０％において動作させた際の電力を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、市販されている多孔質炭素担体を有するカソード触媒粒子を使用している。
【図４Ａ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度４０％において動作させた際の電池電位を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、非多孔質炭素担体を有するカソード触媒粒子を調製したものを使用している。
【図４Ｂ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度４０％において動作させた際の電力を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、非多孔質炭素担体を有するカソード触媒粒子を調製したものを使用している。
【図５Ａ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度１００％において動作させた際の電池電位を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、市販されているカソード触媒粒子を使用している。
【図５Ｂ】２種のＰＥＭＦＣを相対湿度１００％において動作させた際の電力を、電流密度の関数として表したプロットである。ＰＥＭＦＣにおいては、市販されているカソード触媒粒子を使用している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書中において上述される図面は、具体的な態様について説明するという目的のもとで、本発明に係る技術の全般的な特徴のうち本発明に係る方法、アルゴリズム、およびデバイスの全般的な特徴の例を示すことを意図するものである。これらの図面は、任意の態様の特徴を正確に反映したものではない場合があり、必ずしも、具体的な実施形態を本技術の範囲内に定義または限定することを意図するものではない。さらには、図面を組み合わせたものに由来する特徴を組み込んだ態様もあり得る。
【００１２】
詳細な説明
本発明の教示によれば、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のための膜電極接合体（ＭＥＡ）が記載される。本発明の教示に係るＭＥＡは、触媒とプロトン性のイオン液体との新規の複合体を有する電極を含む。開示されているＭＥＡは、プロトン性のイオン液体を有さないＭＥＡと比較して、広範囲の電流密度にわたり、低い相対湿度における性能がとりわけ優れている。開示されているＭＥＡは、プロトン性のイオン液体を有さないＭＥＡと比較して、高い電流密度において、高い相対湿度における性能がとりわけ優れている。
【００１３】
本発明の教示に係るＭＥＡは、カソード触媒と式［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］のイオン液体とが混合された複合カソードを含む。この触媒は、白金または白金−コバルト合金などの白金合金を含んでよい。複合カソードは、低湿度および高湿度のいずれにおいても、ＭＥＡの性能を改善する。
【００１４】
図１は、開示されているＰＥＭＦＣのためのＭＥＡ  １００の一例の概略断面図である。ＭＥＡ  １００は高分子電解質膜（ＰＥＭ）１１０を含み、高分子電解質膜（ＰＥＭ）１１０は、膜１１０の全域にわたるプロトン移送（すなわちプロトン伝導）を支持するよう、かつ、電気絶縁性であるように構成される。ＰＥＭ  １１０は、純粋な高分子膜または複合膜のいずれであってもよく、パーフルオロスルホン酸、これ以外のフッ素系高分子、または任意の他の好適な材料などの、任意の好適な材料で形成されてよい。ＭＥＡ  １００は、アノードにおける水素分解反応：
Ｈ２→２ｅ−＋２Ｈ＋
における電解を触媒するよう構成されるアノード触媒層１２０をさらに含む。アノード触媒層は、実質的に、カーボンブラックなどの炭素に担持された白金または白金合金のアノード触媒粒子で形成されてよい。
【００１５】
ＭＥＡ  １００は、酸素還元反応：
Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ
を触媒するよう構成されるカソード触媒層１３０をさらに含む。カソード触媒層は、カーボンブラックなどの炭素に担持された白金または白金合金のカソード触媒粒子を含んでよい。カソード触媒は、典型的には、さらに、イオン液体を、炭素担持カソード触媒粒子との混和物の状態で含んでよい。多くの実装形態において、イオン液体は、１−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）であってよい。図２は、ＭＴＢＤカチオンおよびＣ４Ｆ９ＳＯ３アニオンを示す線図である。いくつかの実装形態において、カソード触媒粒子は白金−コバルト合金であってよい。こうしたいくつかの実装形態において、白金とコバルトの重量比は約１０：１であってよい。
【００１６】
いくつかの実装形態において、アノード触媒層１２０および／またはカソード触媒層１３０は、フッ素化高分子（たとえばＮａｆｉｏｎ（商標））などの、固体イオノマーを含んでよい。いくつかの変形形態において、アノード触媒層１２０は、白金（合金であるか否かにかかわらず）を充填密度約０．０５ｍｇＰｔ／ｃｍ２にて含んでよく、カソード触媒層１３０Ｐｔは、白金（合金であるか否かにかかわらず）を、充填密度として約０．１〜約０．１５ｍｇＰｔ／ｃｍ２の範囲（範囲の両端を含む）にて含んでよい。いくつかの実装形態において、イオン液体と、炭素担持カソード触媒粒子との重量比は、約１：１０であってよい。
【００１７】
ここで、ＰＥＭにより、アノード触媒層１２０とカソード触媒層とが互いにプロトン伝達できるよう配置されているということが理解される。ＭＥＡ  １００は、アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１３０とそれぞれ接触している第１のガス拡散層１４０Ａおよび第２のガス拡散層１４０Ｂを含んでよい。第１のガス拡散層１４０Ａおよび第２のガス拡散層１４０Ｂは、水素ガスおよび酸素ガスがそれぞれアノード触媒層１２０およびカソード触媒層１３０へと拡散されるよう、かつ、生成した水がカソード触媒層１３０の外へと拡散されるよう構成される。ＭＥＡ  １００は、アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１３０のそれぞれと電気的に連結するよう、かつこれらを外部回路１６０に接続するよう構成される、アノード集電体１５０Ａおよびカソード集電体１５０Ｂをさらに含んでよい。
【００１８】
いくつかの実装形態において、アノード触媒粒子および／またはカソード触媒粒子は、比表面積が、少なくとも１０ｍ２／ｇ、または２０ｍ２／ｇ、または３０ｍ２／ｇ、または４０ｍ２／ｇ、または５０ｍ２／ｇ、または６０ｍ２／ｇ、または７０ｍ２／ｇ、または８０ｍ２／ｇ、または９０ｍ２／ｇ、または１００ｍ２／ｇであってよい。いくつかの実装形態において、アノード触媒粒子および／またはカソード触媒粒子は、平均最大寸法が１００ｎｍ未満、または９０ｎｍ未満、または８０ｎｍ未満、または７０ｎｍ未満、または６０ｎｍ未満、または５０ｎｍ未満、または４０ｎｍ未満、または３０ｎｍ未満、または２０ｎｍ未満、または１０ｎｍ未満であるナノ粒子であってよい。いくつかの具体的な実装形態において、アノード触媒粒子および／またはカソード触媒粒子の平均最大寸法は２〜５ｎｍであってよい。いくつかの実装形態において、アノード触媒粒子および／またはカソード触媒粒子は多孔質粒子を含んでよい。
【００１９】
いくつかの実装形態において、カソード触媒は、［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］を、カソード触媒粒子に対する重量比範囲１．２５：１〜３．８５：１にて有してよい。いくつかの実装形態において、カソード触媒は、［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］を、カソード触媒粒子に対する重量比範囲２：１〜３：１にて有してよい。いくつかの実装形態において、カソード触媒は、［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］を、カソード触媒粒子に対する重量比範囲２．５：１〜２．６：１にて有してよい。
【００２０】
図３Ａおよび図３Ｂは、２種のＰＥＭＦＣを相対湿度４０％において動作させた際の電池電位および電力を、電流密度の関数としてそれぞれ表したプロットである。黒丸印は、市販されている多孔質炭素担体を有するＰｔＣｏ合金カソード触媒粒子を用いた、本発明の教示に係るＭＥＡ  １００を有する電池についての結果を示し、白抜き丸印は、カソード触媒層１３０中に［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］を有さないこと以外は本発明の教示に係るＭＥＡ  １００と同一である比較用のＭＥＡを有するＰＥＭＦＣについての結果を示す。図４Ａおよび図４Ｂは、カソード触媒粒子のＰｔＣｏ合金が非多孔質炭素担体を用いて調製されていることと、白抜き丸印が本発明の教示に係るＭＥＡ  １００を有する電池についてのデータに対応し、黒丸印が比較例についてのデータを表すこと以外は図３Ａおよび図３Ｂに類似するプロットである。
【００２１】
これらの結果から、カソード触媒層中にイオン液体を有する本発明の教示に係るＭＥＡ  １００は、全電流範囲にわたって、比較例よりも優れていることが示される。特に、電気化学インピーダンス分光分析によると、開示されているイオン液体を有するカソード触媒層１３０のプロトン拡散抵抗は、イオン液体を有さないカソード触媒層のプロトン拡散抵抗よりも小さいことが示される。注目されることには、カソード触媒層中にイオン液体を有する本発明の教示に係るＭＥＡ  １００における活性化損失は、このイオン液体を有さない比較例における活性化損失よりも小さい。この現象は、カソード触媒層中においてプロトン輸送が改善したことに起因してプロトン供給が増大したために生じたものであり得る。さらに注目されることには、特に図３Ｂの結果において、カソード触媒層中にイオン液体が存在することによって、最大電力密度が実質的に改善されている。
【００２２】
注目されることには、ＭＥＡ  １００のカソード触媒層１３０中に［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］が含まれていることによって、カソード触媒粒子の多孔質炭素担体と併用された際（図３Ａおよび図３Ｂ）に、カソード触媒粒子の非多孔質炭素担体と併用された際（図４Ａおよび図４Ｂ）と比較して、性能の向上がより顕著となるようである。いかなる特定の理論に拘束されるものではないが、この現象は、多孔質炭素担体を有する触媒粒子にイオン液体が良好に付着するために生じていると考えられ、そして、この現象によって、粒子とイオン液体との複合体の表面形態に機能的な差異がさらに生じ得るということが考えられる。
【００２３】
図５Ａおよび図５Ｂは、イオン液体を有するまたは有さない炭素担持白金（Ｐｔ／Ｃ）カソード触媒粒子を使用した２種のＰＥＭＦＣを相対湿度１００％において動作させた際の電池電位および電力を、電流密度の関数としてそれぞれ表したプロットである。図５Ａおよび図５Ｂの場合、黒四角は、本発明の教示に係るＭＥＡ  １００についてのデータを表し、白抜き四角は、カソード触媒層１３０中にイオン液体を有さない比較例についてのデータを表す。結果から、カソード触媒層１３０中にイオン液体を有する本発明の教示に係るＭＥＡ  １００の電流性能に対する電位および電力密度は、ここでも、全電流範囲にわたって比較例よりも優れていることが示される。このことは、高い電流密度領域（たとえば、２Ａ／ｃｍ２を超える領域）において特に当てはまる。いかなる特定の理論に拘束されるものではないが、高い電流密度領域において、高い相対湿度にて、カソード触媒層１３０中における空気の輸送は支配的な因子であり、電池の性能を決めるものであると考えられる。したがって、本発明の教示に係るＭＥＡ  １００が有する優れた性能は、水の速やかな除去とガス拡散抵抗の低下に起因しているのであろう。その結果、電池の性能が改善される。ＰＥＭＦＣは本発明の教示に係るＭＥＡ  １００が複数積層されることにより形成されていてよいということが理解される。いくつかの変形形態において、本発明の教示に係るＭＥＡ  １００は、［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］が炭素担持アノード触媒粒子と混和されているアノード触媒層を含んでよい。
【００２４】
本発明が、以下の実施例についてさらに説明される。ここで理解される必要があるのは、以下の実施例は、本発明の具体的な実施形態を例示する目的で記載されるものであって、本発明の範囲を制限するものではないということである。
【実施例】
【００２５】
実施例１  １−メチル−２，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−１Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジン−９−イウム  １，１，２，２，３，３，４，４，４−ノナフルオロブタン−１−スルホネート（［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］）の合成
ＭＴＢＤ（３．００ｇ、０．０１９６ｍｏｌ）を水（１００ｍｌ）に溶解した溶液を冷却して０℃とし、この溶液中に硝酸（１．７６ｇ、０．０１９６ｍｏｌ）を滴下によって添加する。続いて、撹拌しながら１時間かけて、ノナフルオロブタンスルホン酸カリウム（８．５８ｇ、０．０１９６ｍｏｌ）を添加する。水相の下にある粘ちょうな流体相として、イオン液体を分離する。これを超純水で４回洗浄する。得られたイオン液体を、減圧下、５０℃において１８時間乾燥させて、融解温度が約４５℃である白色の物質を得る。
【００２６】
実施例２  ＭＥＡ作製
Ｐｔ（Ｃｏ）／Ｃ−［ＭＴＢＤ］［Ｃ４Ｆ９ＳＯ３］および純Ｐｔ（Ｃｏ）／Ｃをカソード材料として使用して、ＭＥＡ中において評価する。触媒インクは、エタノール、プロピレングリコール、水、Ｎａｆｉｏｎイオノマー（Ｄ２０２０）、および触媒からなる。カソード触媒粒子としてのＰｔ（Ｃｏ）／Ｃ試料は、市販（田中貴金属工業）されるＰｔＣｏ合金をケッチェンブラックに担持させたものを使用するか（図３Ａおよび図３Ｂ）、または、類似する組成および充填密度を有するＰｔＣｏ合金を粒子の小さな酸化アセチレンブラックに担持させたものを調製する（図４Ａおよび図４Ｂ）。イオノマーと炭素の重量比（Ｉ／Ｃ）および固形分を、それぞれ０．９および１４重量％に維持する。インクスラリーを激しく混合し、ドクターブレードキャスティング法によって、ポリ（テトラフルオロ−エチレン）基板（厚さ０．００２インチ（”）、Ｍａｃｍａｓｔｅｒ−ＣＡＲＲ）上に被覆する。同様に、Ｉ／Ｃ比率が１．０７であるＰｔ／Ｃ（Ｐｔ含有量３０重量％、ＴＥＣ１０ＥＡ３０Ｅ、ＴＫＫ）触媒層を、アノード材料として調製する。被覆層を８０℃において乾燥させて、溶媒を除去する。最終的なアノードおよびカソードのＰｔ含量を、０．０５および０．１〜０．１５ｍｇＰｔ／ｃｍ２に制御する
カソード電極触媒層およびアノード電極触媒層（２ｃｍ×２ｃｍ）をひとつひとつ打ち抜いて、Ｎａｆｉｏｎ  ２１１膜の間に挟み、デカール転写技術によって触媒被覆膜（ＣＣＭ）を形成する。熱間圧接条件は１３０℃、０．８Ｍｐａ、および５分間とする。ガス拡散層（２９ＢＣ、ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ）とＣＣＭとを、蛇行型の流れ場を有する単電池（Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）の中に組み込む。
【００２７】
実施例３  ＭＥＡ評価
８５０ｅ燃料電池試験システム（Ｓｃｒｉｂｎｅｒ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）を使用して、ＭＥＡの性能評価を行なう。まず、Ｈ２／空気（０．５  ＮＬＰＭ／１  ＮＭＰＭ）下、４５℃、相対湿度（ＲＨ）１００％において、０．９Ｖ〜０．１Ｖの間で掃引するサイクルを数百回行なうことによって、ＭＥＡを活性化する。次いで、ＭＥＡのｉ−Ｖ性能を、８０℃において、４０％ＲＨおよび１００％ＲＨのそれぞれにて試験する。アノードおよびカソードに、絶対圧力１５０Ｋｐａにて、超純Ｈ２および空気（Ｕｌｔｒａｐｕｒｅ  Ｈ２  ａｎｄ  Ａｉｒ、Ａｉｒｇａｓ）を供給する。電流密度については、２Ａ／ｃｍ２に到達するまでの漸増幅を０．０５Ａ／ｃｍ２に設定し、反応電圧を並行して記録する。測定期間中を通して、高周波抵抗（ＨＦＲ）も調べる。
【００２８】
重量測定法によって、イオン液体（ＩＬ）中のＯ２の溶解度を求める。Ｏ２が吸着または脱着する際の試料の重量変化を、温度および圧力を固定した状態で監視する。具体的には、磁気浮遊天秤（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｂａｌａｎｃｅ：ＭＳＢ）（Ｒｕｂｏｔｈｅｒｍ社）を使用する。まず、試料の容器にイオン液体試料約１ｇを添加し、次いで、およそ１０−５バールに達するまで脱気する。水および他の揮発性不純物を蒸発させた後、チャンバをＯ２にて加圧して、ある特定の圧力とする。Ｏ２とイオン液体試料とが気液平衡に到達し、少なくとも２０分間絶えず秤量することによって、気液平衡到達を確認する。吸着等温線を得た後、試料チャンバ内の圧力を段階的に低下させて、脱着等温線を得る。この吸着等温線と脱着等温線とにより、完全な等温線が構成される。浮力の影響を考慮して、値を補正する。時間依存性の吸着プロファイルからＯ２拡散係数を得て、簡略化された質量拡散法によって、Ｏ２吸着を数学的にモデル化する。
【００２９】
上述される説明は本質的に単なる例示であり、本開示または本開示の用途もしくは使用の限定を意図するものではない。本明細書中で用いられる、Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１種（１つ）という表現は、非排他的な論理「または」を使用した「ＡまたはＢまたはＣ」という論理を意味すると解釈されるべきである。ある方法に含まれる多様な工程が異なる順序で行なわれても本開示の原理は変更されないことが理解される。範囲の開示は、範囲全体に含まれる個々の範囲と個々の細分された範囲とのすべてが開示されていることを含む。
【００３０】
本明細書中において用いられる見出し（たとえば「背景」および「概要」など）および小見出しは、本開示の範囲に含まれるトピックを概括的に整理することのみを意図するものであって、本技術またはその任意の態様の開示内容を限定することを意図するものではない。説明された特徴を有する複数の実施形態についての記載は、さらなる特徴を有する他の実施形態、または説明された特徴の別の組み合わせを組み込んだ他の実施形態の除外を意図するものではない。
【００３１】
本明細書で用いられる「備える」および「含む」という用語ならびにそれらの変形は非限定を意図しており、項目の連続的な記載または列記は、本技術のデバイスおよび方法において有用であってもよい他の類似の項目を除外するものではない。同様に、「できる（し得る）」「して（も）よい」という用語ならびにそれらの変形は非限定を意図しており、ある実施形態が特定の要素または特徴を含み得るまたは含んでよいという記載は、こうした要素または特徴を含んでいない、本発明に係る技術の他の実施形態を除外しない。
【００３２】
本開示の広範な教示内容は、多様な形態において実施することができる。したがって、本開示は具体例を含むが、当業者が明細書および下記の請求項を研究することにより他の改変が明らかとなるため、本開示の真の範囲は、本開示に含まれる具体例に限定されるべきではない。本明細書中において一態様または多様な態様に対する言及は、ある実施形態または特定のシステムに関連して記載される具体的な特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態または態様に含まれることを意味する。「一態様において」という表現（またはその変形）が記載される場合、これは必ずしも同一の態様または実施形態を指すものではない。また、本明細書中に記載される多様な方法ステップは、記載される順序と同じ順序での実施が必須というわけではないこと、および、方法ステップの各々が各態様または実施形態において必要だというわけではないことが理解されるべきである。
【００３３】
上述される実施形態の説明は、例示および説明の目的で提供される。網羅的であることも、本開示を限定することも意図していない。具体的な一実施形態の個々の要素または特徴は、一般的にはその具体的な実施形態に限定されず、適切な場合には、具体的な表記または記載がなくても、交換可能であり、かつ選択された実施形態において使用できる。また、具体的な一実施形態の個々の要素または特徴は、様々に変更されてもよい。このような変更は、本開示の範囲からの逸脱であるとみなされるべきではなく、このような改変はすべて、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【外国語明細書】
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