(57)【要約】ＰＥＭ燃料電池の耐久性における重要な問題は、イオン交換膜の早期故障にあり、特に、反応性過酸化水素種によるイオン交換膜の分解によるイオン交換膜の早期故障にある。そのような分解は、アノード、カソード、またはイオン交換膜において添加物を存在させることによって、軽減または除去され得る。この添加物は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および／または過酸化水素安定剤であり得る。しかし、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）において上記添加物が存在することは、ＰＥＭ燃料電池の性能低下をもたらし得る。従って、上記添加物の位置を、膜分解に対する感受性が高い位置（例えば、ＭＥＡの入口領域および／または出口領域）に制限することが、望ましいものであり得る。
2007515048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリであって、
アノード流体拡散層およびカソード流体拡散層；
該アノード流体拡散層と該カソード流体拡散層との間に介在するイオン交換膜；ならびに
該イオン交換膜と個々の該流体拡散層との間に介在する、アノード触媒層およびカソード触媒層；
を備え、
該イオン交換膜、該カソード触媒層、および該アノード触媒層のうちの少なくとも１つは、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を不均一に支持する、
膜電極アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物の不均一な支持は、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層のｘ−ｙ平面に存在する、膜電極アセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、増大した量の前記添加物が、該膜電極アセンブリの、膜分解に対してより感受性である領域に位置する、膜電極アセンブリ。
【請求項４】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、増大した量の前記添加物が、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層の入口領域および／または出口領域に位置する、膜電極アセンブリ。
【請求項５】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項６】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項７】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項８】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項９】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項１０】
請求項２に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層内に分散している、膜電極アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層の表面上に層の状態で存在する、膜電極アセンブリ。
【請求項１３】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、膜電極アセンブリ。
【請求項１４】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、膜電極アセンブリ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の膜電極アセンブリであって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、膜電極アセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、膜電極アセンブリ。
【請求項１７】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ＣｙＤＴＡ、ＥＮＴＭＰ、グルコネート、Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）プロピレンジアミン、ポルフォリン、フタロシアニン、フェナントロリン、ヒドラジン、ピロカテコール−３，５−二スルホン酸二ナトリウム塩、トリエチレンテトラアミン、シッフ塩基大環状分子、およびＥＤＤＡから選択される有機リガンドを有する、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体である、膜電極アセンブリ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の膜電極アセンブリであって、前記リガンドは、ＥＤＤＡである、膜電極アセンブリ。
【請求項２０】
請求項１７に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、膜電極アセンブリ。
【請求項２１】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、およびＷの、塩、酸化物、または有機金属錯体から選択される過酸化水素分解触媒である、膜電極アセンブリ。
【請求項２２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、膜電極アセンブリ。
【請求項２３】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物が支持されている、膜電極アセンブリ。
【請求項２４】
請求項１に記載の膜電極アセンブリを含む、燃料電池。
【請求項２５】
少なくとも１つの請求項２４に記載の燃料電池を含む、燃料電池スタック。
【請求項２６】
電気化学燃料電池のためのイオン交換膜であって、
該電気化学燃料電池は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を含み、
該イオン交換膜は、該添加物を不均一に支持する、イオン交換膜。
【請求項２７】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物の不均一な支持は、該膜のｘ−ｙ平面に存在する、イオン交換膜。
【請求項２８】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、増大した量の前記添加物が、該膜の、膜分解に対してより感受性である領域に位置する、イオン交換膜。
【請求項２９】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、増大した量の前記添加物が、該膜の入口領域および／または出口領域に位置する、イオン交換膜。
【請求項３０】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３１】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３２】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３３】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３４】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３５】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３６】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、該膜内に分散している、イオン交換膜。
【請求項３７】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、該膜の表面上に層の状態で存在する、イオン交換膜。
【請求項３８】
請求項２７に記載のイオン交換膜であって、該膜の表面上の層が、触媒粒子をさらに含む、イオン交換膜。
【請求項３９】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、イオン交換膜。
【請求項４０】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、イオン交換膜。
【請求項４１】
請求項４０に記載のイオン交換膜であって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、イオン交換膜。
【請求項４２】
請求項４１に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、イオン交換膜。
【請求項４３】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、イオン交換膜。
【請求項４４】
請求項４３に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、イオン交換膜。
【請求項４５】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、イオン交換膜。
【請求項４６】
請求項２６に記載のイオン交換膜であって、前記添加物が支持されている、イオン交換膜。
【請求項４７】
流体拡散層と触媒層とを備える流体拡散電極であって、
該触媒層は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を不均一に支持する、
流体拡散電極。
【請求項４８】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物の不均一な支持は、前記触媒層のｘ−ｙ平面に存在する、流体拡散電極。
【請求項４９】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、増大した量の前記添加物が、該電極が膜電極アセンブリにおいて組み立てられた場合に分解に対するイオン交換膜感受性が増大した領域に対応する前記触媒層の領域に位置する、流体拡散電極。
【請求項５０】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、増大した量の前記添加物が、該触媒層の入口領域および／または出口領域に位置する、流体拡散電極。
【請求項５１】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５２】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５３】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５４】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５５】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５６】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５７】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、前記触媒層内に分散している、流体拡散電極。
【請求項５８】
請求項４８に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、前記触媒層の表面上に第二層の状態で存在する、流体拡散電極。
【請求項５９】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、流体拡散電極。
【請求項６０】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、流体拡散電極。
【請求項６１】
請求項６０に記載の流体拡散電極であって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、流体拡散電極。
【請求項６２】
請求項６１に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、流体拡散電極。
【請求項６３】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、ＣｙＤＴＡ、ＥＮＴＭＰ、グルコネート、Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）プロピレンジアミン、ポルフォリン、フタロシアニン、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、流体拡散電極。
【請求項６４】
請求項６３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、流体拡散電極。
【請求項６５】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、流体拡散電極。
【請求項６６】
請求項４７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物が支持されている、流体拡散電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、イオン交換膜に関し、より具体的には、電気化学燃料電池のためのイオン交換膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連分野の説明）
電気化学燃料電池は、反応成分（すなわち、燃料ストリームおよび酸化剤ストリーム）を変換して、電力および反応産物を生成する。電気化学燃料電池は、一般的には、２つの電極（すなわち、カソードおよびアノード）の間に配置された電極を使用する。電気触媒は、これらの電極における望ましい電気化学反応を誘導するために必要とされる。電気触媒に加えて、これらの電極はまた、導電性基材を含み得る。この導電性基材の上に、上記電気触媒が配置される。この電気触媒は、金属黒（ｍｅｔａｌ  ｂｌａｃｋ）（すなわち、実質的に純粋な、支持されていない、微細に分割された金属または金属粉末）、合金、または支持された金属触媒（例えば、炭素粒子担持白金）であり得る。
【０００３】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を使用する型の電気化学燃料電池である。このＭＥＡは、上記のカソードとアノードとの間に配置された、固体ポリマー電解質またはイオン交換膜を備える。特に興味深いイオン交換膜は、フルオロポリマーから調製されたイオン交換膜であり、これは、ペンダントスルホン酸官能基および／またはペンダントカルボン酸官能基を含む。代表的なペルフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマー膜は、商標名Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）でＤｕＰｏｎｔ  Ｉｎｃ．から入手され得る。
【０００４】
各電極は、上記の固体ポリマー電極の隣りに位置する触媒層（適切な触媒を含む）を含む。この触媒は、代表的には、貴金属組成物（例えば、白金メタルブラックまたはその合金）であり、そしてこれは、適切な支持体上に提供され得る（例えば、カーボンブラック支持体上に支持された微細白金粒子）。この触媒層はまた、イオノマーを含み得る。これらの電極はまた、多孔性の導電性基材を含み得る。この基材は、力学的支持、伝導、および／または反応成分分布のために使用され得、それによって流体分散層として役立つ。上記ＭＥＡは、例えば、アノード流体拡散電極と、イオン交換膜と、カソード流体拡散電極とを、熱および圧力の適用下で一緒に結合することによって、製造され得る。別の方法は、上記触媒層をイオン交換膜上に直接コーティングして触媒コーティング膜を形成する工程、その後、その上に流体拡散層を結合する工程を、包含する。
【０００５】
各電極または電極基材の一表面全体を通るように反応成分を方向付ける流れ場が、上記ＭＥＡの両側に配置される。操作時には、作動中の個々の燃料電池の出力電圧は、一般的には１ボルト未満である。従って、より大きな出力電圧を提供するために、多数の電池が、通常は一緒に積み重ねられ、直列して接続されて、より高電圧の燃料電池スタックが作製される。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池の通常の作動の間に、燃料は、そのアノード触媒において電気化学的に酸化され、代表的には、プロトン、電子、そしておそらくは使用される燃料に依存する他の種の生成がもたらされる。これらのプロトンは、それが生成される反応部位から、イオン交換膜を通して導かれて、カソード排気部において酸化剤と電気化学的に反応する。上記の電子は、外部回路を通して移動して、有効な電力を提供し、その後、カソード触媒において上記のプロトンおよび酸化剤と反応して、水反応産物を生成する。
【０００７】
広汎な反応成分が、ＰＥＭ燃料電池において使用され得、そしてガス状形態または液体形態のいずれかの状態で供給され得る。例えば、上記の酸化剤ストリームは、実質的に純粋な酸素気体または希薄酸素ストリーム（例えば、空気）であり得る。上記の燃料は、例えば、実質的に純粋な水素気体、ガス状水素含有改質油ストリーム、または直接燃料電池における水性液体メタノール混合物であり得る。
【０００８】
定置適用または運搬適用のいずれかにおいて商業的に使用されるべきＰＥＭ燃料電池について、充分な寿命が必要である。例えば、５，０００時間以上の作動が、慣用的に必要とされ得る。寿命を減少させる公知の故障様式の１つは、例えば、反応性種（例えば、燃料電池環境において形成される過酸化水素）との反応による、イオン交換膜の分解に関連する。特許文献１、特許文献２、および特許文献３（すべて、その全体が本明細書中に参考として援用される）は、すべて、過酸化水素種の分解のための種々の触媒の使用を開示する。これらの触媒は、イオン交換膜および／またはカソード触媒層中に分散されて、炭化水素ベースのイオン交換膜およびフッ化炭素ベースのイオン交換膜の寿命を改善する。
【特許文献１】米国特許第６，３３５，１１２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０００８１９６号明細書
【特許文献３】特許出願第２００３−１２３７７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、燃料電池環境におけるイオン交換膜の分解を理解し、そのような分解を緩和または除去するためのさらなる改善点を開発する必要性が、当該分野において残っている。本発明は、この必要性を満たすのを助け、さらなる関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の要旨）
添加物が膜分解を減少させるためにＭＥＡに適用され得る。しかし、イオン交換膜または触媒層のいずれかに対するこのような添加物の適用による意図されない結果が存在し得る。例えば、燃料電池はこのような添加物の適用による性能の損失を被り得る。しかし、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の全体に添加物を適用することは不必要であり得、その代わりに添加物はそのような意図されない結果を軽減する様式で適用され得る。従って、膜電極アセンブリは、以下を含み得る：
アノード流体拡散層およびカソード流体拡散層；
アノード流体拡散層とカソード流体拡散層との間に置かれたイオン交換膜；ならびに
イオン交換膜とそれぞれの流体拡散層との間に置かれたアノード触媒層およびカソード触媒層。
さらに、イオン交換膜、カソード触媒層およびアノード触媒層のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの添加物を不均一に支持する。添加物は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒および過酸化水素安定剤であり得る。
【００１１】
特に、不均一な支持は、ＭＥＡのｘ−ｙ平面であり得るが、ＭＥＡの通し平面（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｐｌａｎｅ）（ｚ方向）ではあり得ない。いくつかの実施形態において、膜分解に対してより感受性であるＭＥＡの領域における増加した量（ｌｏａｄｉｎｇ）の添加物が存在し得る。いくつかの実施形態において、そのような膜分解に対して感受性の増加した領域は、ＭＥＡの入口領域および／または出口領域である。
【００１２】
不均一な支持とは、添加物の量（ｌｏａｄｉｎｇ）がｘ−ｙ平面にわたって変わること、あるいは添加物がほとんど存在しない〜全く存在しないＭＥＡの領域が存在することを意味し得る。例えば、ｘ−ｙ平面において８０％未満の添加物の適用範囲が存在し得る。さらに特定の実施形態において、ｘ−ｙ平面において５０％未満または２５％未満の添加物の適用範囲が存在し得る。例えば、ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間、より詳細には１０％と２５％との間、さらにより詳細には１５％と２５％との間の添加物の適用範囲が存在し得る。
【００１３】
イオン交換膜に支持される添加物とは、添加物が膜内に分散されるか、または膜の表面に適用される別々の層にあるかのいずれかであることを意味する。同様に、アノード触媒層またはカソード触媒層に支持される添加物は、触媒層内に分散されるか、または触媒層に適用される別々の層にあるかのいずれかであり得る。添加物がイオン交換層または触媒層のいずれかにおける別々の層にある場合、その層は例えば、イオノマーをさらに含み得る。
【００１４】
ＭＥＡを製造することにおいて、イオン交換膜が２つの流体拡散電極間に置かれ得るか、または触媒コーティング膜が２つの流体拡散層間に結合され得るかのいずれかである。ある実施形態において、流体拡散電極は、流体拡散層および少なくとも１つの添加物を不均一に支持する触媒層を含む。
【００１５】
別の実施形態において、イオン交換膜は少なくとも１つの添加物を不均一に支持する。上記のように、支持とは、添加物がイオン交換膜内に分散されるか、またはイオン交換膜の表面上の別々の層にあるかのいずれかであることを意味する。添加物が膜の表面上の別々の層に支持される場合、その別々の層は触媒粒子をさらに含み得る。換言すると、このさらなる実施形態において、イオン交換膜は触媒コーティング膜であり、イオン交換膜および触媒層の両方が添加物を支持する。イオン交換膜は、添加物がその膜の表面上の別々の膜にあるように添加物を支持し、触媒層は、添加物がその層内に分散されるように添加物を支持する。
【００１６】
過酸化水素は、膜分解の主要な原因であると考えられる。そのようなものとして、燃料電池環境内の保護効果を提供し得る多くの様々なクラスの化合物が存在する。例えば、添加物は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、過酸化水素安定剤またはそれらの組成物であり得る。さらに、これらのクラスの化合物は必ずしも区別されず、その結果、いくつかの化合物は１より多いクラスに属し得る。
【００１７】
ラジカルスカベンジャーの例としては以下が挙げられる：ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋。膜架橋剤の例としては以下が挙げられる：Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋およびＺｎ２＋のような多価カチオン。
【００１８】
過酸化水素分解触媒の例としては以下が挙げられる：有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイト。過酸化水素分解触媒のさらなる例としては以下が挙げられる：Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、ＳｎおよびＷの塩、酸化物または有機金属錯体。過酸化水素安定剤の例としては、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質が挙げられる。
【００１９】
本発明のこれらの局面および他の局面は、添付の図面および以下の詳細な説明の参照により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（発明の詳細な説明）
イオン交換膜は、典型的なＰＥＭ燃料電池で見出される化学環境に供される場合に、時間とともに分解する。米国特許第６，３３５，１１２号では、炭化水素ベースの膜を過酸化水素から保護するために、膜内での抗酸化剤の使用が開示された。理論により束縛されることなく、過酸化水素は、カソードにおいて、以下の反応（２）のような典型的な４電子還元ではなく反応（１）のような水素イオンの存在下での酸素の部分的還元から形成すると考えられる：
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  ⇒  Ｈ２Ｏ２          （１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  ⇒  ２Ｈ２Ｏ         （２）
過酸化水素（そのラジカルを含む）は、ＰＥＭ燃料電池においてイオン交換膜のような構成要素に損傷を与えて分解し得る極めて反応性の種である。‘１１２特許は炭化水素ベースの膜を保護することに限定されたが、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のようなペルフルオロ膜（これらは、炭化水素ベースの膜よりも強固である）は依然として燃料電池環境内で膜分解を受け得る。
【００２１】
図１は、ＰＥＭ燃料電池で作動中のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１２の分解速度を示す。分解速度は、開路電圧での流出液の累積的な酸化剤出口伝導率（μＳ）測定し、作動時間（時間）で除算することによって決定された。酸化剤流出液の伝導率がより大きくなることは、より多くのＨＦが形成され、それゆえにより大きな程度の膜分解が生じたことを示す。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２について、分解速度は７８７μＳ／時間であると決定された。ペルフルオロ膜であることを考えても、有意な膜分解がこのようにして観察される。膜にＡｌ（ＩＩＩ）またはＭｎ（ＩＩ）のいずれかをドープした場合、膜分解の有意な減少が観察された。Ａｌ（ＩＩＩ）をドープした膜について、分解速度は１６μＳ／時間まで減少し、そしてＭｎ（ＩＩ）をドープした膜について、分解速度は６３μＳ／時間であった。他の試行では、膜に結合してＭＥＡを形成する前に、ＭｎＯ２を含む別々の層がカソード電極またはアノード電極のいずれかにコーティングされた。膜と結合する前に０．１６ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２層がカソード電極にコーティングされた場合、その後の膜分解速度はわずか１５μＳ／時間であった。同様に、膜と結合する前に０．２２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２層がアノード電極にコーティングされた場合、その後の膜分解速度はわずか３７μＳ／時間であった。
【００２２】
要約すると、図１は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２がＰＥＭ燃料電池で見出される作動条件下で有意な膜分解を受けること、ならびにＡｌ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）およびＭｎＯ２がそのような分解を有意に減少することを示す。添加物がアノード側もしくはカソード側のいずれかにおける膜にドープされるかまたはその膜に隣接する別々の層にドープされる場合には、効果はほとんど観察されない。Ａｌ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）およびＭｎＯ２について提案された機構が、以下により詳細に議論される。
【００２３】
図２では、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜と結合する前にカソード電極にコーティングされた別々の層としてのＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）が、０ｍｇ／ｃｍ２〜０．１７ｍｇ／ｃｍ２まで変えられ、次いで、その後の分解速度がμＳ／時間単位で図１を参照して上で議論されたように決定された。量（ｌｏａｄｉｎｇ）が０．０２ｍｇ／ｃｍ２ほど小さくても、膜分解の速度は、ＭｎＯ２が使用されない場合のベースラインＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１２と比較した場合に有意に減少される。一定の傾向がはっきりと観察され、その結果、膜におけるＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）が増加するにつれて、膜が分解する速度が減少する。
【００２４】
理論に束縛されることなく、ＭｎＯ２は、以下の機構を通して過酸化水素分解触媒として機能し得る：
２ＭｎＯ２＋Ｈ２Ｏ２  ⇒  Ｍｎ２Ｏ３＋Ｏ２＋Ｈ２Ｏ          （３）。
【００２５】
ＭｎＯ２に加えて、米国特許第６，３３５，１１２号および米国特許出願第２００３／０００８１９６号は、抗酸化剤挙動を有する広範囲の他の金属酸化物、金属塩および有機金属錯体またはそれらの組み合わせを開示する。多くの他の抗酸化物が当該分野で公知であり、触媒性または犠牲的のいずれかであり得る。特に、添加物は過酸化水素分解触媒（例えば、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒および亜リン酸塩）であり得る。有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体に適切な有機リガンドとしては、例えば、１，２−ジアミノシクロヘキサン四酢酸塩（ＣｙＤＴＡ）、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸（ＥＮＴＭＰ）、グルコネート、Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）プロピレンジアミン、ポルフォリン（ｐｏｒｐｈｏｒｙｎ）、フタロシアニン、フェナントロリン、ヒドラジン、ピロカテコール−３，５−二スルホン酸二ナトリウム塩、トリエチレンテトラアミン、シッフ（ｓｈｉｆｆ）塩基大環状分子およびＥＤＤＡが挙げられる。
【００２６】
理論に束縛されることなく、ＭｎＯ２は抗酸化剤特性を有することが公知であるにもかかわらず（‘１１２特許を参照のこと）、ＭｎＯ２は燃料電池環境でＭｎ２＋に還元され得る。特に、Ｍｎ２＋はまた、燃料電池環境中でラジカルスカベンジャーとしての役割を果たし得る。他のラジカルスカベンジャーとしては、ヒンダードアミン、ヒドロキシアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、５，５−ジメチル−１−ピロリン−Ｎ−オキシド（ＤＭＰＯ）、環状ニトロンおよび非環式ニトロン（例えば、α−フェニル−Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチルニトロン（ＰＢＮ）、ピリジン−Ｎ−オキシド−４−Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチルニトロン（ＰＯＢＮ）、アスコルビン酸、金−キトサンナノ複合体およびジメチルピロリン−Ｎ−オキシド（ＤＭＰＯ）およびキノン）が挙げられ得る。
【００２７】
理論に束縛されることなく、ラジカルスカベンジャーについての一般的な機構は以下のとおりであり得る：
Ａ＋ＯＨ・  ⇒  Ａ−ＯＨ          （４）
そして特に、サリチル酸についての反応（５）およびＤＭＰＯについての反応（６）は、以下のとおりである：
【００２８】
【化１】
2007515048.tif 000003
上のスキーム（４）〜（６）で示されるように、ラジカルスカベンジャーは、触媒性でもあり得るが犠牲的の傾向がある。
【００２９】
過酸化水素を分解するかまたはラジカルをスカベンジングする代わりに、添加物が過酸化水素を安定化し得、その結果、過酸化水素が電気化学的に還元されるようになり、ＰＥＭ燃料電池の排気中に除去されるかまたはその他の場合には存在する任意の膜を化学的に分解する前に処理される。過酸化水素安定剤の例としては以下が挙げられる：酸化第二スズ（ＳｎＯ２．ｘＨ２Ｏ）、アルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯｘ）、含水アルミナ（Ａｌ２Ｏ３．ｘＨ２Ｏ）、Ｚｎ２＋およびピロリン酸ナトリウム（Ｎａ４Ｐ２Ｏ７．１０Ｈ２Ｏ）またはその前駆物質。
【００３０】
燃料電池環境に存在するＭｎ２＋イオンのさらに有利な機構は、膜架橋剤としてであり得る。イオン交換膜内で強化された架橋は、例えば、過酸化水素の分解の際にラジカルを生成することが公知ではない多価カチオンの取り込みから生じ得る。Ｍｎ２＋に加えて、このような多価カチオンの例としては、Ａｌ３＋、Ｍｇ２＋およびＺｎ２＋が挙げられる。このようなカチオンは、イオン交換膜の寸法安定性、ガラス転移温度および熱安定性を増加し得る。しかし、このようなカチオンはまた、イオン交換膜の水取り込み、プロトン伝導性および水転移を変化し得、これは換言すると、電気化学燃料電池の減少した活性をもたらし得る。イオン交換膜の強化された架橋は、望ましい結果もあれば望ましくない結果もある。多価カチオンは、金属塩、酸化物または有機金属錯体として膜電極アセンブリに導入され得る。
【００３１】
Ｍｎ２＋に関して上で示されるように、単一の添加物が複数の機構を通して膜分解を減少し、膜安定性を高め得る。
【００３２】
不運にも、燃料電池の性能は、図３に示されるようにＭｎＯ２の存在下で損失を受ける。図３は、５つのセルスタックの燃料電池の性能を示す。実施例Ａは、ＭＥＡに存在するＭｎＯ２を用いないベースライン測定であった。実施例Ｂ〜Ｅは、カソードにそれぞれ、０．０２ｍｇ／ｃｍ２、０．０６ｍｇ／ｃｍ２、０．１０ｍｇ／ｃｍ２および０．１７ｍｇ／ｃｍ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を有した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２は、すべての実施例において膜として使用された。空気の化学量論を１．８に保ち、燃料の化学量論を１．５に保った；入口における温度は７０℃であった。最良の性能は、ＭｎＯ２が存在しない場合のベースラインＭＥＡに観察された。わずか０．０２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）である実施例Ｂを考えても、１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度における平均セル電圧で測定されるように性能の有意な低下あった。さらに、この結果は、量（ｌｏａｄｉｎｇ）を０．０２ｍｇ／ｃｍ２〜０．１７ｍｇ／ｃｍ２に増加するにつれて、性能の低下が大きくなることを示す。
【００３３】
図４では、同様の５つのセルスタックを、図３の条件下と同様の条件下で作動させた。実施例Ｆは、ＭｎＯ２が存在しない場合のベースラインＭＥＡである。実施例Ｇについて、０．１７ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）が、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜と結合する前にカソード電極にコーティングされた。実施例Ｈについて、０．２２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）が、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜と結合する前にアノード電極にコーティングされた。実施例Ｉについて、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜は、従来の電極と結合してＭＥＡを形成する前にＭｎ（ＩＩ）をドープされた。図３に示されるように、性能の有意な低下が、膜へのマンガンの取り込みとともに観察された。しかし、マンガンがカソードのＭｎＯ２層として加えられるか、アノードのＭｎＯ２層として加えられるか、または膜にＭｎ（ＩＩ）としてドープされるかどうかで、性能にほとんど相違はなかった。
【００３４】
図５ａおよび図５ｂは、作動後の従来の膜の走査型電子顕微鏡画像であり、膜分解を示している。図５ａでは、膜分解が膜の個々の領域かまたはディボット（ｄｉｖｏｔ）を薄くすることがはっきりと見られ得る。図５ｂでは、薄くなった膜が断裂をもたらしており、これが、高レベルの気体がアノードとカソードとの間をクロスオーバーすることを可能にし、燃料電池の故障を生じる。さらに、ディボットが、カソードの入口領域および出口領域に集まった。他の燃料電池アーキテクチャでは、ディボットは、ＭＥＡの他の領域で生じても、入口領域および出口領域の一方のみで生じてもよい。理論に拘束されることなく、本実施例における入口領域および出口領域は、これらの領域の膜の含水量がセルの残りの含水量より低くあり得る場合に、膜分解に対してより感受性であり得る。膜分解に対する増大した感受性についてのさらなる原因は、これらの領域が膜の他の領域よりも高い温度で作動することであり得る。いくつかのセル設計では、改質油ガスで作動する場合、空気抜き（ａｉｒ  ｂｌｅｅｄ）が水素ガスと酸素ガスとが混合する領域を生じそしてホットスポットの存在を生じ得る。このことは、換言すると、これらの領域における増大した膜分解をもたらし得る。さらにいくつかのセル設計は、冷却液出口に近接したより高い温度で作動する領域を有し得、この領域は、カソードの入口領域および出口領域と同一であっても異なっていてもよい。
【００３５】
従って、添加物は、膜を薄くすることに感受性である領域で膜または電極に取り込まれることのみを必要とする。図６では、カソード電極におけるＭｎＯ２の適用範囲を比較して、燃料電池の性能が観察された。実施例Ｊは、ＭｎＯ２なしで上述の図１のように準備されて作動された１５のベースラインＭＥＡの平均性能を示す。実施例Ｋは、ＭＥＡ表面のうちの１７％（入口領域でのＭＥＡの表面積の８．５％、出口領域でのＭＥＡの表面積の８．５％）を上回るカソード電極に０．２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を有する１５のＭＥＡの平均性能を示す。実施例Ｌは、カソード電極全体を覆う０．２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を有する１５のＭＥＡの平均性能を示す。実施例Ｋに示されるように依然として性能の低下が存在するが、ＭＥＡの完全な被覆と比較した場合にＭＥＡの部分的な被覆はそのような性能の低下をそれほど生じない。
【００３６】
さらに、燃料電池の寿命の有意な改善が、ＭＥＡの部分的な被覆のみでさらに観察され得る。図１について上で記載されるような１５の従来のＭＥＡおよびＭＥＡの１７％を覆うカソード電極での０．２ｍｇ／ｃｍ２のＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を取り込む１５のＭＥＡに基づき、３０セルスタックを試験した。その結果は以下の表１に示され、ここで、ＭＥＡのうちの３３％が１４００時間での膜の断裂に起因して故障し、１００％が２０００時間までに故障した。相対的に、ＭｎＯ２の部分的な被覆のみで３６００時間後に故障したＭＥＡはなかった。
【００３７】
【表１】
2007515048.tif 000004
従って、寿命の有意な改善が、ＭｎＯ２でのＭＥＡの部分的な被覆のみでさらに観察され得る。最大限の利益のために、膜分解に対してより感受性であるＭＥＡの領域に関する理解が有用である。上で言及されるように、入口および出口に局在するＭＥＡの領域が膜分解に対してより感受性であることが見出された。しかし、他の燃料電池アーキテクチャについて、ＭＥＡの異なる領域が膜分解に対してより感受性であり得る。膜の障害に対して作動される従来のＭＥＡのＳＥＭまたは目視検査さえもが、どの領域が分解に対してより感受性であるかを確認するために、当業者によって使用され得る。
【００３８】
ある実施形態において、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒および過酸化水素安定剤から選択される添加物は、膜、アノード触媒層またはカソード触媒層のうちの少なくとも１つによって不均一に支持される。支持されるとは、添加物が膜、アノード触媒層もしくはカソード触媒層のいずれかもしくはすべてに分散され得るか、またはそれらの表面に別々の層として存在し得ることを意味する。たとえ表面に別々の層として置かれても、依然として膜または触媒層のいずれかへのｚ方向の透過が存在し得る。さらに、燃料電池の作動中に、添加物はｘ−ｙ平面およびｚ方向のいずれかまたは両方に移動し得る。不均一な支持は、増加した量（ａｍｏｕｎｔ）の添加物が膜電極アセンブリの特定の領域（例えば、上で議論される実施例にあるように膜分解により感受性である領域）に局在されることを意味し得る。
【００３９】
さらなる実施形態において、添加物の不均一な分散は、膜、アノード触媒層またはカソード触媒層のいずれかまたはすべてのｘ−ｙ平面である。例えば、ｘ−ｙ平面において８０％未満の適用範囲、より詳細にはｘ−ｙ平面において５０％未満の適用範囲、さらにより詳細にはｘ−ｙ平面において２５％未満の適用範囲であり得る。さらに、ｘ−ｙ平面において１％を超える適用範囲、より詳細にはｘ−ｙ平面において１０％を超える適用範囲、さらにより詳細にはｘ−ｙ平面において１５％を超える適用範囲であり得る。添加物は分解に対して感受性の増加した膜領域内に（例えば、入口領域および出口領域のうちの一方または両方に）局在され得る。
【００４０】
ＭＥＡの完全な被覆は、有意な性能の低下を生じ得るが、十分な寿命を得るのに必要なわけではない。相対的に、不均一な被覆は、特に膜分解に対する感受性の増加した領域に局在される場合に、性能の低下をそれほど生じないが、依然として有意な寿命の改善を維持する。さらに、そのような不均一な被覆はまた、ＭＥＡの完全な被覆と比較して費用削減をもたらし得る。
【実施例】
【００４１】
（Ａｌ（ＩＩＩ）またはＭｎ（ＩＩ）をドープしたＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１２）
多価カチオンを、適切なカチオンの水溶液に膜を一晩浸すことによって、膜にイオン交換した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜を入手したとおりに使用した。試薬等級のＡｌ２（ＳＯ４）３．ｘＨ２Ｏ（Ａｌｄｒｉｃｈ）およびＭｎＳＯ４（Ａｌｄｒｉｃｈ）を、さらに精製せずに必要に応じて使用した。交換されるべきスルホン酸部位の割合に基づきカチオンの原子価を考慮に入れて加える塩の量（ａｍｏｕｎｔ）を計算した脱イオン水中で、溶液を調製した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２に対する１０５０ｇ／ｍｏｌの名目の当量値を使用して、膜１グラムあたりの利用可能なＳＯ３−部位のモルを計算した。次いで、膜を脱イオン水でリンスし、脱イオン水に数時間浸した。このプロセスを少なくとも３回終え、その後、膜をキムワイプの間で一晩風乾させた後、膜電極アセンブリに結合させた。
【００４２】
（カソードにおけるＭｎＯ２コーティング）
予め秤量したバイアルを、１１ｍＬの５％  Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）溶液（アルコール性）で満たした。ＭｎＯ２およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）の重量ベースで等量を得るために、０．６２ｇのＭｎＯ２（Ａｌｄｒｉｃｈ）をその溶液に加えた。次いで、このＭｎＯ２およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）溶液を含むバイアルを、超音波浴で約１時間超音波処理し、時折止めて現れた任意の堆積物を振盪した。各々のバイアルの懸濁液をスプレーガンにデカントし、手動で従来のカソードに噴霧した。脱イオン水を使用して、バイアルからのリンス液を洗浄してスプレーガンに入れ、次いで、手動でカソードに噴霧した。乾燥したら、カソードを秤量して全噴霧の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を決定した（約０．２ｍｇ／ｃｍ２）。
【００４３】
必要に応じて、５％  Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）溶液（アルコール性）に加えたＭｎＯ２の量（ａｍｏｕｎｔ）を変えて、異なるＭｎＯ２量（ｌｏａｄｉｎｇ）を得た。同様に、カソードの入口／出口領域にのみ適用される噴霧コーティングとともに、マスクがカソードに適用され得る。そのような場合において、使用するＮａｆｉｏｎ（登録商標）溶液の容積および加えるＭｎＯ２の量（ａｍｏｕｎｔ）を、コーティングされる減少した面積を反映するように適宜変えた。必要に応じて、アノードがカソードの代わりにコーティングされ得る。
【００４４】
上記のことから、本発明の特定の実施形態が例示の目的で本明細書中に記載されているが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の改変がなされ得ることが理解される。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によるものを除いては限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、イオン交換膜の分解速度におけるＡｌ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）およびＭｎＯ２の効果を示すグラフである。
【図２】図２は、イオン交換膜におけるＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）の関数として、イオン交換膜分解の速度を示すグラフである。
【図３】図３は、イオン交換膜におけるＭｎＯ２の量（ｌｏａｄｉｎｇ）の関数として、燃料電池の性能の損失を示すグラフである。
【図４】図４は、ＭｎＯ２またはＭｎ（ＩＩ）の位置の関数として、燃料電池の性能の損失を示すグラフである。
【図５】図５ａおよび図５ｂは、分解するイオン交換膜の走査型電子顕微鏡画像である。
【図６】図６は、イオン交換膜におけるＭｎＯ２の適用範囲の関数として、性能の損失を示すグラフである。
【図１】
2007515048.tif 000005
【図２】
2007515048.tif 000006
【図３】
2007515048.tif 000007
【図４】
2007515048.tif 000008
【図６】
2007515048.tif 000009
【図５】
2007515048.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月14日(2005.10.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリであって、
アノード流体拡散層およびカソード流体拡散層；
該アノード流体拡散層と該カソード流体拡散層との間に介在するイオン交換膜；ならびに
該イオン交換膜と個々の該流体拡散層との間に介在する、アノード触媒層およびカソード触媒層；
を備え、
該イオン交換膜、該カソード触媒層、および該アノード触媒層のうちの少なくとも１つは、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を不均一に支持し、
該添加物の不均一な支持は、該少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層のｘ−ｙ平面に存在し、そして
増大した量の該添加物が、該膜電極アセンブリの、膜分解に対してより感受性である領域に位置する
膜電極アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、増大した量の前記添加物が、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層の入口領域および／または出口領域に位置する、膜電極アセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項７】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、膜電極アセンブリ。
【請求項９】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層内に分散している、膜電極アセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、前記少なくとも１つのイオン交換膜、カソード触媒層、およびアノード触媒層の表面上に層の状態で存在する、膜電極アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、膜電極アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、膜電極アセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の膜電極アセンブリであって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、膜電極アセンブリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、膜電極アセンブリ。
【請求項１５】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、膜電極アセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ＣｙＤＴＡ、ＥＮＴＭＰ、グルコネート、Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）プロピレンジアミン、ポルフォリン、フタロシアニン、フェナントロリン、ヒドラジン、ピロカテコール−３，５−二スルホン酸二ナトリウム塩、トリエチレンテトラアミン、シッフ塩基大環状分子、およびＥＤＤＡから選択される有機リガンドを有する、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体である、膜電極アセンブリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の膜電極アセンブリであって、前記リガンドは、ＥＤＤＡである、膜電極アセンブリ。
【請求項１８】
請求項１５に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、膜電極アセンブリ。
【請求項１９】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｖ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、およびＷの、塩、酸化物、または有機金属錯体から選択される過酸化水素分解触媒である、膜電極アセンブリ。
【請求項２０】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、膜電極アセンブリ。
【請求項２１】
請求項１に記載の膜電極アセンブリであって、前記添加物が支持されている、膜電極アセンブリ。
【請求項２２】
請求項１に記載の膜電極アセンブリを含む、燃料電池。
【請求項２３】
少なくとも１つの請求項２２に記載の燃料電池を含む、燃料電池スタック。
【請求項２４】
電気化学燃料電池のためのイオン交換膜であって、
該電気化学燃料電池は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を含み、
該イオン交換膜は、該添加物を不均一に支持し、そして該添加物の不均一な支持は、該膜のｘ−ｙ平面に存在し、そして増大した量の該添加物が、該膜の、膜分解に対してより感受性である領域に位置する、イオン交換膜。
【請求項２５】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、増大した量の前記添加物が、該膜の入口領域および／または出口領域に位置する、イオン交換膜。
【請求項２６】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項２７】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項２８】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項２９】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３０】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３１】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、イオン交換膜。
【請求項３２】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、該膜内に分散している、イオン交換膜。
【請求項３３】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、該膜の表面上に層の状態で存在する、イオン交換膜。
【請求項３４】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、該膜の表面上の層が、触媒粒子をさらに含む、イオン交換膜。
【請求項３５】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、イオン交換膜。
【請求項３６】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、イオン交換膜。
【請求項３７】
請求項３６に記載のイオン交換膜であって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、イオン交換膜。
【請求項３８】
請求項３７に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、イオン交換膜。
【請求項３９】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、イオン交換膜。
【請求項４０】
請求項３９に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、イオン交換膜。
【請求項４１】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、イオン交換膜。
【請求項４２】
請求項２４に記載のイオン交換膜であって、前記添加物が支持されている、イオン交換膜。
【請求項４３】
流体拡散層と触媒層とを備える流体拡散電極であって、
該触媒層は、ラジカルスカベンジャー、膜架橋剤、過酸化水素分解触媒、および過酸化水素安定剤から選択される少なくとも１種の添加物を不均一に支持し、該添加物の不均一な支持は、該触媒層のｘ−ｙ平面に存在し、そして増大した量の該添加物が、該電極が膜電極アセンブリにおいて組み立てられた場合に分解に対するイオン交換膜感受性が増大した領域に対応する該触媒層の領域に位置する、流体拡散電極。
【請求項４４】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、増大した量の前記添加物が、該触媒層の入口領域および／または出口領域に位置する、流体拡散電極。
【請求項４５】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において８０％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項４６】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において５０％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項４７】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において２５％未満の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項４８】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項４９】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１０％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５０】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記触媒層は、前記ｘ−ｙ平面において１５％と２５％との間の前記添加物適用範囲を有する、流体拡散電極。
【請求項５１】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、前記触媒層内に分散している、流体拡散電極。
【請求項５２】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、前記触媒層の表面上に第二層の状態で存在する、流体拡散電極。
【請求項５３】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、ヒンダードアミン、ヒドロキシルアミン、アリールアミン、フェノール、ＢＨＴ、ホスファイト、ベンゾフラノン、サリチル酸、アズレニルニトロンおよびその誘導体、トコフェロール、ＤＭＰＯ、環状ニトロンおよび非環状ニトロン、金−キトサンナノ複合体、アスコルビン酸、およびＭｎ２＋から選択されるラジカルスカベンジャーである、流体拡散電極。
【請求項５４】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、多価カチオンを含む膜架橋剤である、流体拡散電極。
【請求項５５】
請求項５４に記載の流体拡散電極であって、前記多価カチオンは、Ａｌ３＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋、およびＺｎ２＋から選択される、流体拡散電極。
【請求項５６】
請求項５５に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、Ｍｎ２＋である、流体拡散電極。
【請求項５７】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、有機金属Ｍｎ（ＩＩ）錯体または有機金属Ｍｎ（ＩＩＩ）錯体、ＣｙＤＴＡ、ＥＮＴＭＰ、グルコネート、Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）プロピレンジアミン、ポルフォリン、フタロシアニン、酸化物触媒、混合酸化物触媒、およびホスファイトから選択される過酸化水素分解触媒である、流体拡散電極。
【請求項５８】
請求項５７に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、ＭｎＯ２、Ｍｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、またはＭｎ５Ｏ８である、流体拡散電極。
【請求項５９】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物は、酸化第二スズ、アルミン酸ナトリウム、含水アルミナ、Ｚｎ２＋、およびピロリン酸ナトリウムまたはその前駆物質から選択される過酸化水素安定剤である、流体拡散電極。
【請求項６０】
請求項４３に記載の流体拡散電極であって、前記添加物が支持されている、流体拡散電極。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
（比較実施例）
（Ａｌ（ＩＩＩ）またはＭｎ（ＩＩ）をドープしたＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１２）
多価カチオンを、適切なカチオンの水溶液に膜を一晩浸すことによって、膜にイオン交換した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２膜を入手したとおりに使用した。試薬等級のＡｌ２（ＳＯ４）３．ｘＨ２Ｏ（Ａｌｄｒｉｃｈ）およびＭｎＳＯ４（Ａｌｄｒｉｃｈ）を、さらに精製せずに必要に応じて使用した。交換されるべきスルホン酸部位の割合に基づきカチオンの原子価を考慮に入れて加える塩の量（ａｍｏｕｎｔ）を計算した脱イオン水中で、溶液を調製した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２に対する１０５０ｇ／ｍｏｌの名目の当量値を使用して、膜１グラムあたりの利用可能なＳＯ３−部位のモルを計算した。次いで、膜を脱イオン水でリンスし、脱イオン水に数時間浸した。このプロセスを少なくとも３回終え、その後、膜をキムワイプの間で一晩風乾させた後、膜電極アセンブリに結合させた。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
（実施例）
（カソードにおけるＭｎＯ２コーティング）
予め秤量したバイアルを、１１ｍＬの５％  Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）溶液（アルコール性）で満たした。ＭｎＯ２およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）の重量ベースで等量を得るために、０．６２ｇのＭｎＯ２（Ａｌｄｒｉｃｈ）をその溶液に加えた。次いで、このＭｎＯ２およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）溶液を含むバイアルを、超音波浴で約１時間超音波処理し、時折止めて現れた任意の堆積物を振盪した。各々のバイアルの懸濁液をスプレーガンにデカントし、手動で従来のカソードに噴霧した。脱イオン水を使用して、バイアルからのリンス液を洗浄してスプレーガンに入れ、次いで、手動でカソードに噴霧した。乾燥したら、カソードを秤量して全噴霧の量（ｌｏａｄｉｎｇ）を決定した（約０．２ｍｇ／ｃｍ２）。
【国際調査報告】
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