(57)【要約】  ガス拡散電極を製造するプロセスであって、このプロセスが、第１の結合剤の溶液中の電気伝導性材料の粒子の懸濁液を用いて多孔性電気伝導性ウェブをキャスティングし、電気化学的に活性な層（ＡＬ）（２）である第１の層を提供する工程、この第１の層上に、第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液をキャスティングして、第２の層を提供する工程、およびこの第１および第２の層を相転換に供することによって、この第１の層およびこの第２の層の両方において多孔性を実現する工程を含み、ここでこの第２の層を相転換に供することによって、撥水性層（３）を実現し、このプロセスを用いて得られたガス拡散電極、ガス拡散電極の膜電極接合体における使用、ガス拡散電極を含む膜電極接合体、および膜電極接合体の製造方法が実現され、この膜電極接合体は、少なくとも１つがガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここでこの方法は、単一パスで前記膜電極接合体をキャスティングする工程を含む。
2013536541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散電極を製造するプロセスであって、前記プロセスが、第１の結合剤の溶液中の電気伝導性材料の粒子の懸濁液を用いて多孔性電気伝導性ウェブをキャスティングし、電気化学的に活性な層である第１の層を提供する工程、前記第１の層上に、第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液をキャスティングして、第２の層を提供する工程、および前記第１および第２の層を相転換に供することによって、前記第１の層および前記第２の層の両方において多孔性を実現する工程を含み、ここで前記第２の層を相転換に供することによって、撥水性層を実現することを特徴とするプロセス。
【請求項２】
前記第１の層が、相転換に供されることによって、前記第２の層をキャスティングする前に前記第１の層における多孔性を実現する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記第１および第２の結合剤の少なくとも１つがポリスルホンである、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記疎水性材料が、フッ素化ポリマーまたは電気的に非伝導性鉱物である、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５】
前記フッ素化ポリマーがポリ（テトラフルロエチレン）（ＰＴＦＥ）またはペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマー（ＦＥＰ）である、請求項４に記載のプロセス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のガス拡散電極を製造するためのプロセスによって得られるガス拡散電極。
【請求項７】
請求項６に記載のガス拡散電極の膜電極接合体における使用。
【請求項８】
前記膜電極接合体が燃料電池またはバッテリである、請求項７に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項９】
前記燃料電池が生物学的燃料電池である、請求項８に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項１０】
前記生物学的燃料電池が微生物または酵素燃料電池である、請求項９に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項１１】
請求項６に記載のガス拡散電極を含む膜電極接合体。
【請求項１２】
前記膜電極接合体が燃料電池またはバッテリである、請求項１１に記載の膜電極接合体。
【請求項１３】
膜電極接合体を製造する方法であって、前記膜電極接合体が、少なくとも１つの電極がガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここで前記方法は、前記膜電極接合体を単一パスにてキャスティングする工程および少なくとも１つの相転換工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法によって得られる膜電極接合体。
【請求項１５】
ガス拡散電極の撥水性層であって、前記撥水性層が、第２の結合剤と疎水性粒子とを含む層の相転換によって得られる、撥水性層。
【請求項１６】
前記層はさらに、前記第２の結合剤のための少なくとも１つの溶媒を含む、請求項１５に記載のガス拡散電極の撥水性層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散電極、その製造方法、それを含む膜電極接合体（組立体）、およびそれを含む膜電極接合体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第３，５５３，０３２号明細書（特許文献１）には、銀の薄いコーティングを有する撥水性ポリマー粒子の多孔性の結合マトリックス、およびそこに散在し、このマトリックスに接着した電気伝導性材料の粒子を含む燃料電池電極を製造する方法が開示されており、この方法は、撥水性ポリマー、電気伝導性材料の粒子、および炭化銀の粒子の混合物を形成する工程、圧力下でこの混合物を成形して、コヒーレント構造を形成する工程、および得られたコヒーレント構造をこの炭化銀の分解温度を超えるが、このポリマーの軟化点未満の温度に加熱し、それによって銀を形成し、二酸化炭素ガスを遊離させる工程を含み、このガスがこの構造を通って拡散し、実質的に多孔性にする。米国特許第３，５５３，０３２号明細書には、冷焼結可能なフッ素化樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレン−プロピレン、クロロトリフルオロエチレン、およびポリフッ化ビニリジンに代わる結合剤の使用は教示されていない。
【０００３】
英国特許第ＧＢ２，３１６，８０１Ａ号（特許文献２）には、マトリックスがガスフローに対して側方方向に均質な多孔性を有し、ガスフローの方向のガスに対しては非対称に多孔性を有するように、炭素粒子およびポリ（フッ化ビニリデン）がその中に分配された多孔性炭素マトリックスで構成された異方性ガス拡散層を含む燃料電池のための電極触媒ガス拡散電極が開示されており、このガス拡散層の多孔性は、ガスフローの方向において低下し、このガス拡散層は、約５０μｍ〜約３００μｍの厚さを有し、触媒炭素粒子および熱可塑性ポリマーを含有する凝集された「インク」懸濁液で構成される触媒層を有し、この触媒層は、ガス拡散層の小さい孔表面を被覆し、この触媒層は、約７μｍ〜約５０μｍの厚さおよび約０．１ｍｇ／ｃｍ２〜約０．５ｍｇ／ｃｍ２の金属触媒充填量を有する。
【０００４】
欧州特許第ＥＰ１９３０９７４Ａ１号（特許文献３）には、１．可逆固体酸化物電池を製造する方法が開示され、この方法は、支持体（１）上にアノード支持体層をテープキャスティングする工程、支持体（２）上にアノード層をテープキャスティングする工程、支持体（３）上に電解質層をテープキャスティングする工程を含み、このアノード支持体層の頂部上にアノード層を積層する工程、このアノード層からこの支持体（２）を除去する工程、このアノード層の頂部上にこの電解質層を積層する工程、および多層構造を焼結する工程、またはこの電解質層の頂部上にこのアノード層を積層する工程、このアノード層からこの支持体（２）を除去する工程、このアノード層の頂部上にアノード支持体層を積層する工程、および多層構造を焼結する工程のいずれかを含む。
【０００５】
国際公開特許第ＷＯ０３／０８２９５６Ａ１号（特許文献４）には、膜電極接合体が開示されており、この接合体が、アノード、カソード、およびこのアノードとカソードとの間に配置されたプロトン交換膜を含み、これらアノード、カソード、およびプロトン交換膜の少なくとも１つが、以下の化学構造を有するスルホネートコポリマーを含む。
【０００６】
【数１】
2013536541.tif 000003
【０００７】
式中、ｎ／ｎ＋ｍは、約０．００１〜約１の範囲であり、Ｙは、−Ｓ−、Ｓ（Ｏ）、Ｓ（Ｏ）２、Ｃ（Ｏ）、またはＰ（Ｏ）（Ｃ６Ｈ５）、およびこれらの組み合わせであってもよく、Ｚは、直接炭素−炭素単結合、Ｃ（ＣＨ３）２、Ｃ（ＣＦ３）２、Ｃ（ＣＦ３）（Ｃ６Ｈ５）、Ｃ（Ｏ）、Ｓ（Ｏ）２、またはＰ（Ｏ）（Ｃ６Ｈ５）であってもよい。
【０００８】
米国特許第７，３０１，００２Ｂ１号明細書（特許文献５）には、スルホネート化剤を用いてポリフェニレンポリマーを制御可能にスルホン化することによって誘導されたスルホネート化ポリフェニレンポリマーが開示されており、このスルホネート化ポリフェニレンポリマーが、以下の構造１の繰り返し単位を有する。
構造１
【０００９】
【数２】
2013536541.tif 000004
【００１０】
式中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は同一または異なり、ここで各Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、Ｈまたは非置換または不活性置換された芳香族部分であり、Ａｒ１およびＡｒ２は、同一または異なり、ここで各Ａｒ１およびＡｒ２は、非置換芳香族部分または不活性置換された芳香族部分であり、ここでスルホニル基のペンダント側鎖は、炭素原子に結合し、ここで１から６個のスルホニル基は、繰り返しユニット毎に結合され、ここでｎ≦２であり、ここでＲ１、Ｒ２およびＲ３およびＡｒ１およびＡｒ２の任意の組み合わせは、ａ）Ｒ１がＲ２と異なり、ｂ）Ｒ１がＲ３と異なり、ｃ）Ｒ２はＲ３と異なり、ｄ）Ａｒ１はＡｒ２と異なり、ｅ）Ｒ１．＝Ｒ２．＝Ｒ３＝Ａｒ１．＝Ａｒ２．からなる群から選択されるサブコンビネーションを含む。
【００１１】
２００４年のＭ．ＣｉｆｒａｉｎらのＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１２７巻、２３４−２４２頁（非特許文献１）においては、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）は、高効率であることは既知であるが、それらの高い価格、それらの短い寿命およびそれらの高い二酸化炭素感受性により宇宙用途についてのみ有用であると考えられていたこと、およびＡＦＣが、車両およびバックアップシステムのために十分な寿命を有しながら、低コストおよび低ＣＯ２で構築できることが報告されていた。それらには、膜システムが有する多くの問題、例えば水および熱の管理を回避する液体循環電解質が重要であることが報告されていた。さらに、Ｍ．Ｃｉｆｒａｉｎらは、標準ＡＦＣ−電極は、場合によっては他の疎水性材料、例えばパラフィンワックスまたは他のプラスチック、例えばポリエチレン（ＰＥ）またはポリスルホン（ＰＳＵ）も含有するいくつかのＰＴＦＥ結合したカーボンブラック層からなること、他の添加剤が、グラファイト（電気伝導性を増大させるため）および孔形成剤（例えば糖）であること、および場合によっては多孔性ＰＴＦＥ箔が、ガス側にプレス加工され、この電極がロール加工、プレス加工および焼結手順によって製造されることを報告していた。
【００１２】
Ｆ．Ｂｉｄａｕｌｔらの２００９年におけるＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１８７巻、３９−４８頁（非特許文献２）には、アルカリ燃料電池のためのガス拡散カソードが再検討されており、全体性能および安定性は、カソードの挙動によって支配されるので、カソード開発に対して研究努力が注がれていることが報告されていた。それらにはさらに、ガス拡散電極の性能および耐久性は、層構造が、炭素およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から製作される様式に非常に大きく依存し、炭素支持体の選択および処理が、最終的な触媒活性に対して最も重要であることが記述されていた。それらには、一般に、ＡＦＣ電極は、異なる機能を満たすいくつかのＰＴＦＥ結合したカーボンブラック層からなること、最新の電極が高い表面積の炭素支持触媒およびＰＴＦＥを使用して、必須の３相境界（ＴＰＢ）を得る傾向にあること、およびプレス加工、ロール加工、スクリーン印刷および噴霧方法がＡＦＣ電極の製造に使用されることが報告されていた。
【００１３】
Ｖ．Ｎｅｂｕｒｃｈｉｌｏｖらの２０１０年のＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１９５巻、１２７１−１２９１頁（非特許文献３）では、アルカリ亜鉛−空気燃料電池のための空気カソードの組成物、設計および製作方法が再検討されており、空気電極のためのより有望な組成物は、スピネル、ペロブスカイト、またはパイロクロア構造を有する個々の酸化物、またはこれらの混合物：ＭｎＯ２、Ａｇ、Ｃｏ３Ｏ４、Ｌａ２Ｏ３、ＬａＮｉＯ３、ＮｉＣｏ２Ｏ４、ＬａＭｎＯ３、ＬａＮｉＯ３などに基づき、ＯＲＲ活性とアルカリ電解質中の化学的安定性の最適なバランスを提供することが報告されていた。それらにはさらに、ゾル−ゲルおよび逆ミセル方法が、炭素上の触媒の最も均一な分配、および最も高い触媒ＢＥＴ表面積を供給すること、および種々のカーボンブラック、結合剤、集電体、Ｔｅｆｌｏｎ膜、ガス拡散層の熱処理および触媒層を含む空気カソードの設計が、性能に強力な影響を及ぼすことが報告されていた。
【００１４】
国際公開特許第ＷＯ９９／４５６０４Ａ号（特許文献６）には、電極フィルムを調製するための方法が開示され、この方法は、（ａ）アノード性材料またはカソード活性材料のいずれか、ポリマーおよびキャリア溶媒を含む電極混合物を形成する工程、および（ｂ）この電極混合物とポリマー非溶媒とを接触させて、電極混合物からキャリア溶媒の少なくとも一部を抽出し、電極フィルムを形成する工程を含むが、疎水性層は開示されていない。
【００１５】
米国特許第６，５２１，３８１号（特許文献７）には、電極構造を製造する方法が開示されており、この方法が、（ａ）集電体シートを提供する工程、（ｂ）プロトン伝導性材料および炭素粒子を含む混合物を形成する工程、（ｃ）この混合物を集電体シートに適用し、この混合物からフィルムを形成する工程であって、このフィルムが第１および第２の表面を有し、第１の表面がシートに接着されている工程、および次いで（ｄ）金属原子のフラックスを生じさせ、フィルムの第２の表面上に原子を収集し、フィルムの第２の表面に分散された金属性多結晶を形成する工程を含み、ここで金属原子のフラックスが、物理蒸着によって生じ、この物理蒸着は、発生および収集全体にわたって金属原子の物理的特徴を維持する様式で生じる。しかし、熱プレス加工製造技術は開示されているが、相転換についてもコーティング技術の使用についても記述されていない。
【００１６】
米国公開公報第ＵＳ２００２−０１２７４７４Ａ号（特許文献８）には、（ａ）アノード、（ｂ）カソード、および（ｃ）その間に配設され、このアノードおよびこのカソードと連通した選択的プロトン伝導膜を含む電気化学電池を含む電気化学システムが開示されており、この膜が、（ａ）疎水性マトリックスポリマーおよび（ｂ）親水性非イオン性ポリマーを含み、ここでこの疎水性ポリマーおよびこの親水性ポリマーが共に選択的プロトン伝導膜を形成する。ＵＳ２００２／０１２７４７４Ａ１には、相転換技術を使用して、非対称膜を提供することが例示されており、この膜は、プロトン通過に対して選択的である孔を一方の面に含有し、一方で少なくとも部分的に他のカチオン、アニオンおよび一部の中性分子を拒絶する。
【００１７】
米国公開公報第２００４／００２８８７５Ａ１（特許文献９）には、ミクロからナノサイズの構造を有する製品を、対応する構造をモールド面に有するモールドを用いて製造する方法が開示されており、ここでキャスティング材料を含有する流体がこのモールド表面と接触し、この流体が、そこで相分離を誘導する処理に供されること、このキャスティング材料が、モールド表面において少なくとも部分的に固化されること、および得られた製品がモールド表面から離型されることを特徴とする。
【００１８】
米国公開公報第ＵＳ２００９／０２２６６３６Ａ１号（特許文献１０）には、リチウム電気化学電池のための電極シートを製造するためのプロセスが開示されており、この方法が、ａ）水に可溶性のポリエーテルポリマーまたはコポリマー、少なくとも１つのリチウム塩、少なくとも１つの電気化学的に活性な材料、水および水と混和性の有機溶媒を、コーティングにおける水／有機溶媒比が最大５０体積％の有機溶媒にて混合し、少なくとも２０重量％の活性電極材料、少なくとも５重量％のポリエーテルポリマーまたはコポリマー、および少なくとも１．５重量％のリチウム塩を含有する水系溶液／懸濁液を形成する工程、ｂ）電極の薄いフィルムの形態で水系溶液／懸濁液を電極支持体上にコーティングする工程、およびｃ）電極の薄いフィルムを乾燥させ、１０００ｐｐｍ未満の残留水を有する電極の薄いシートを得る工程を含む。コーティングは、集電体上で行われ、相転換は、乾燥させて溶媒を除去することによって実現される。
【００１９】
国際公開特許第ＷＯ２００６／０１５４６２Ａ号（特許文献１１）には、イオン透過性のウェブ補強されたセパレータ膜を調製するためのプロセスが開示されており、ウェブ（２Ａ）および好適なペースト（５）を提供する工程、このウェブ（２Ａ）を垂直位置に導く工程、このウェブの両面をこのペーストを用いて等しくコーティングして、ペーストコーティングされたウェブ（２Ｂ）を製造する工程、および対称性の表面孔形成工程および対称性の凝集工程をこのペーストコーティングされたウェブに適用し、ウェブ補強されたセパレータ膜を製造する工程を含む。国際公開特許第ＷＯ２００６／０１５４６２Ａ号には、ポリマー性ウェブ上にコーティングすることによるコーティングの補強が開示されている。アルカリ水電解の用途、バッテリ（酸およびアルカリ）、燃料電池およびそれらの組み合わせが想定されていた。
【００２０】
燃料電池の幅広い使用は、燃料電池、例えばアルカリ燃料電池において長期間効率良く機能するために必要な特性バランスを有するガス拡散電極が高コストであり、使用される製造技術のためにサイズが制限され、従来の製造技術では連続製造ラインでの使用に適合できないため、阻害されている。
【００２１】
そのため、燃料電池において効率良く長期間機能するために必要な特性バランスを維持しながら、燃料電池のためのガス拡散電極を製造するための根本的に異なる手法を開発することが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第３，５５３，０３２号明細書
【特許文献２】英国特許第ＧＢ２，３１６，８０１Ａ号
【特許文献３】欧州特許第ＥＰ１９３０９７４Ａ１号
【特許文献４】国際公開特許第ＷＯ０３／０８２９５６Ａ１号
【特許文献５】米国特許第７，３０１，００２Ｂ１号
【特許文献６】国際公開特許第ＷＯ９９／４５６０４Ａ号
【特許文献７】米国特許第６，５２１，３８１号
【特許文献８】米国公開公報第２００２−０１２７４７４Ａ号
【特許文献９】米国公開公報第２００４／００２８８７５Ａ１号
【特許文献１０】米国公開公報第２００９／０２２６６３６Ａ１号
【特許文献１１】国際公開特許第ＷＯ２００６／０１５４６２Ａ号
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｍ．Ｃｉｆｒａｉｎら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１２７巻、２３４−２４２頁、２００４年
【非特許文献２】Ｆ．Ｂｉｄａｕｌｔら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１８７巻、３９−４８頁、２００９年
【非特許文献３】Ｖ．Ｎｅｂｕｒｃｈｉｌｏｖら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、１９５巻、１２７１−１２９１頁、２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
先行技術のガス拡散電極は、ロール加工技術を用いて製造され、燃料電池において効率良く長期間機能するために必要な触媒の存在下、電気伝導性構成成分、例えば炭素、グラファイトおよび金属粒子の分散の結果として電気伝導性マトリックス中に疎水性孔および親水性孔の必要とされる混合物を提供する。先行技術の多層電極においては、ポリ（テトラフルオロエチレン）［ＰＴＦＥ］またはペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマー［ＦＥＰ］が、ガス輸送のための疎水性チャネルを提供するための疎水性構成成分として、および結合剤としての両方として使用される。ＰＴＦＥは不溶性であるが、室温付近での転移温度の結果としてクリープし、故に冷ロール加工条件下で共に成形され、故に多層ガス拡散電極を共に結合できる。そのため、ＰＴＦＥは、冷焼結された連続構造として存在する。さらに、英国特許第ＧＢ２，３１６，８０１Ａ号、欧州特許第ＥＰ１９３０９７４Ａ号および国際公開特許第ＷＯ０２／０８２９５６Ａ１号に開示されたガス拡散電極は、撥水性層を有していないので、反応体がガス状であり、電解質は水溶液であるガルバニ電池、例えば燃料電池またはバッテリ（蓄電池、電池）における用途に好適ではない。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
驚くべきことに、疎水性粒子、例えばＰＴＦＥ粒子を、溶媒可溶性のポリマー、例えばポリスルホンの相転換によって製造される膜に存在させることにより、電解質の漏出を生じることなく、ＰＴＦＥ粒子を共に冷焼結させる必要なく、すなわちＰＴＦＥは結合剤でなく、多層ガス拡散電極に必要な疎水性チャネルを提供することが見出された。標準キャスティング技術を用い、その後に相転換（すなわち、例えば溶媒蒸発による、あるいは非溶媒（１つ以上の非溶媒）または非溶媒（１つ以上の溶媒）と溶媒（１つ以上の溶媒）との混合物中への含浸による溶媒（１つ以上の溶媒）の除去）が続く多層ガス拡散電極の製造は、以前から使用されていた技巧により施される抜本的な技術的ブレークスルーであり、実質的なコストの削減を可能にし、良好なパラメータ制御を可能にし、先行技術に固有のサイズ制限をなくす。相転換技術は電極に使用するための層の実現化に際して開示されていたが、本発明者の知る限りでは、こうした技術は、ガス拡散電極の製造に適用されていない。さらに、キャスティング技術は、ｍ２あたりのコストを大幅に削減しながら連続および自動化大規模製造に特に適する。冷焼結（例えば冷ロール加工またはカレンダ加工）されたＰＴＦＥガス拡散電極に比べて、キャスト電極の寸法は、実質的に制限されない。加えてキャスト電極の再現性および均質性は、バッチプロセスにおいて製造されるＰＴＦＥ電極の場合よりも非常に良好である。
【００２６】
本発明の第一の目的は、電気化学電池において効率良く長期間機能するために必要な特性のバランスを保持しながら、電気化学電池のためのガス拡散電極の製造に対する根本的に異なる手法の開発である。
【００２７】
本発明の利点は、液体電解質に使用されるべきガス拡散電極は、先行技術の制限によってもはや制限されないことである。
【００２８】
本発明の別の利点は、ガス拡散電極の製造複雑性を顕著に低減し、故にコストを削減することである。
【００２９】
本発明の別の利点は、キャスティング技術の使用であり、大規模連続製造に役立つ。
【００３０】
本発明の別の利点は、電極分野の現状では焼却によって生じる高度に腐食性であり毒性のフッ化水素を生じることなく、有機溶媒を用いて溶解させることによってガス拡散電極を環境応答性の様式で処理する可能性である。
【００３１】
本発明の別の利点は、単一パスにて膜電極接合体をキャスティングする可能性である。
【００３２】
本発明の第１の態様によれば、第１の結合剤の溶液中の電気伝導性材料の粒子の懸濁液を用いて多孔性電気伝導性ウェブ（織布）をキャスティングし（成型、投与し）、電気化学的に活性な層［ＡＬ］である第１の層を提供する工程、この第１の層上に、第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液をコーティング（キャスティング）して第２の層を提供する工程、およびこの第１および第２の層を相転換に供することによって、この第１の層およびこの第２の層の両方において多孔性を実現する工程を含む、ガス拡散電極を製造するためのプロセスであって、ここでこの第２の層を相転換に供することによって、疎水性ガス拡散層［撥水性層（ＷＲＬ）］を実現する、プロセス。ガスは、このＷＲＬを通って、ＡＬまで拡散し、ここでガスおよび液体電解質は互いに相互作用する。
【００３３】
本発明に従う第２の態様によれば、ガス拡散電極は、ガス拡散電極を製造するための上述のプロセスによって得られて実現される。
【００３４】
本発明に従う第３の態様によれば、上述のガス拡散電極を膜電極接合体（組立体、アセンブリ）に使用することが実現される。
【００３５】
本発明の第４の態様によれば、膜電極接合体（膜電極組立体）は、上述のガス拡散電極を含んで実現される。
【００３６】
本発明に従う第５の態様によれば、膜電極接合体を製造する方法が実現され、この膜電極接合体は、少なくとも１つの電極がガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここでこの方法は、この膜電極接合体を単一パスにてキャスティングする工程を含み、この方法は、好ましくは少なくとも１つの相転換工程を含む。
【００３７】
本発明に従う第６の態様によれば、膜電極接合体は、上述の方法によって得られる。
【００３８】
本発明に従う第７の態様によれば、撥水性（疎水性ガス拡散）層が実現され、この撥水性（疎水性ガス拡散）層は、第２の結合剤および疎水性粒子を含む層の相転換を含むプロセスによって得られる。
【００３９】
本発明に従う第８の態様によれば、
この分野においてデバイスの一定の改善、変更および革新は行われているが、本発明の概念は、先行する慣習からの脱却を含む実質的に新しい新規な改善を示すと考えられ、結果としてこの性質を有するより効率の良い安定な信頼できるデバイスを提供する。
【００４０】
本発明の上記のおよび他の特性、特徴および利点は、例として本発明の原理を例示する添付の図面と関連させて以下の詳細な説明から明らかになる。この説明は、本発明の範囲を限定することなく、例としてのみ与えられる。以下に引用された参照図は、添付の図面について言及している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】活性層（ＡＬ）の内部構造を表す。
【図２】活性層（ＡＬ）について、μｍ単位の孔直径（ＰＤ）の関数として、％単位の相対孔体積（ＲＰＶ）を表す。
【図３】撥水性層（ＷＲＬ）の内部構造を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図４】撥水性層（ＷＲＬ）についてμｍ単位の孔直径（ＰＤ）の関数として、％単位の相対孔体積（ＲＰＶ）を表す。
【図５】７５重量％のＦＥＰ／２５重量％のポリスルホンを含むＷＲＬを備えたガス拡散電極１０／Ｖ０２１およびＰＢＳ＋アセテート＋バクテリアを含む電解質を用いた微生物燃料電池の作動条件下でのカソード半電池における酸素還元反応についての分極特性を表す。
【図６】７５重量％のＦＥＰ／２５重量％のポリスルホンを含むＷＲＬを備えたガス拡散電極１０／Ｖ０２１およびＰＢＳ＋アセテート＋バクテリアを含む電解質について、−１００ｍＶの電圧を印加した後、カソード半電池における時間の関数として生じる電流密度を表す。
【図７】７５重量％のＦＥＰ／２５重量％のポリスルホンを含むＷＲＬを備えたガス拡散電極１０／Ｖ０４０およびＰＢＳ＋アセテートを含む電解質について、−１００ｍＶの電圧を印加した後、カソード半電池における時間の関数として生じる電流密度を表す。
【図８】純粋ポリスルホン（すなわち疎水性粒子を有していない）を含むＷＲＬを備えたガス拡散電極１０／Ｖ００１およびＰＢＳを含む電解質についてのカソード半電池における酸素還元反応についての分極特性を表す。
【図９】ＷＲＬを備えないガス拡散電極０９／Ｖ０９３およびＰＢＳ＋アセテート＋バクテリアを含む電解質を用いたカソード半電池における分極特性を表す。
【図１０】本発明に従う多層ガス拡散電極の概略図であり、ここで（１）はステンレス鋼メッシュ（集電体）であり、（２）は活性層（ＡＬ）であり、（３）は撥水性層（ＷＲＬ）である。
【図１１】電極の特徴化のために使用されるカソード半電池の概略図（側面図）であり、ここで（４）はガス拡散電極であり、（５）はイオン透過性膜であり、（６）は電解質（ＭＦＣ培地）再循環、２０ｍＬ／分であり、（７）は空気フィード、５ｍｂａｒｇ過圧であり、（８）は（９）チタンプレート上のＰｔディスクであり（対電極）、（１０）はプローブ参照電極Ａｇ／ＡｇＣｌ、３ＭのＫＣｌであり、（１１）はガスチャンバ（ＰＶＤＦハウジング）であり、（１２）は電解質チャンバ（ＰＶＤＦハウジング）である。
【００４２】
異なる図において、同じ参照記号は、同じまたは同類の要素を言及する。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
例示的な実施形態の記載
特定の実施形態に関して、特定の図面を参照して本発明を記載するが、本発明はそれらに限定されずに、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載される図面は、概要に過ぎず、限定ではない。図面において、一部の要素のサイズは誇張される場合があり、例示の目的のためのスケールでは記載されていない場合がある。寸法および相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小には対応していない。
【００４４】
さらに、本明細書および特許請求の範囲における用語 第１、第２、第３などは、同様の要素間での区別のために使用されており、時間的、空間的、順位または他の任意の様式のいずれかにおいて配列を記載するためには必要ではない。このように使用される用語は、適切な状況の下で互いに交換可能であること、および本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書に記載されるまたは例示される他の配列においても作動可能であることを理解すべきである。
【００４５】
さらに、本明細書および特許請求の範囲において用語 頂部、底部、〜の上に、〜の下でなどは、説明の目的のために使用され、必ずしも相対的な位置を説明するためのものではない。このように使用される用語は、適切な状況の下で交換可能であること、および本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書に記載されるまたは例示される他の配向においても作動可能であることを理解すべきである。
【００４６】
特許請求の範囲に使用される用語「含む」は、以降で列挙される手段に制限されるものとして解釈されるべきではなく、それは他の要素または工程を排除しないことに留意すべきである。故に、それは、言及される場合、記述される特徴、整数、工程または構成成分の存在を特定するものとして解釈されるべきであるが、１つ以上の他の特徴、整数、工程または構成成分またはそれらの群の存在または追加を排除しない。故に、表現「手段ＡおよびＢを含むデバイス」の範囲は、構成成分ＡおよびＢだけからなるデバイスに限定されるべきではない。本発明に関して、デバイスにのみ関連する構成成分はＡおよびＢであることを意味する。
【００４７】
同様に、特許請求の範囲において同様に使用される用語「カップリングされた」は、直接接続のみに制限されるように解釈されるべきではないことに留意すべできである。それらの派生語に加えて用語「カップリングされた」および「接続された」が使用されてもよい。これらの用語は、互いに同義語として意図されてはいないことを理解すべきである。故に、表現「デバイスＢにカップリングされたデバイスＡ」の範囲は、デバイスＡの出力が、デバイスＢの入力に直接接続されているデバイスまたはシステムに制限されるべきではない。他のデバイスまたは手段を含むパスであってもよい、Ａの出力とＢの入力との間のパスが存在することを意味する。「カップリングされた」とは、２つ以上の要素が直接物理的に接触または電気的に接触した状態のいずれかであること、または２つ以上の要素が、互いに直接接触した状態ではないが、依然として互いに協働または相互作用することを意味してもよい。
【００４８】
本明細書を通して「１つの実施形態」または「ある実施形態」という言及は、この実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。故に、本明細書全体を通して種々の場所で「１つの実施形態において」または「ある実施形態において」という語句が出現することは、必ずしも同じ実施形態についての言及である必要はないが、そうであってもよい。さらに、１つ以上の実施形態において、特定の特徴、構造、または特性は、本開示から当業者にとって明らかであるように、任意の好適な様式において組み合わされてもよい。
【００４９】
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の種々の特徴は、開示の合理化および１つ以上の種々の発明の態様を理解する助けになるために、場合により、単一の実施形態、図またはそれらの説明において共にグループ化されることを理解すべきである。しかし、この開示方法は、特許請求された発明が、各請求項において明確に列挙されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。さらに、以下の特許請求の範囲を考慮するときに、本発明の態様は、先に開示された単一の実施形態のすべての特徴よりも少ない。故に、詳細な説明の後の特許請求の範囲は、この詳細な説明に明確に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として独立している。
【００５０】
さらに、本明細書に記載される一部の実施形態が一部の特徴は含むが、他の実施形態に含まれる他の特徴は含まない一方で、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内であること、および異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求された実施形態のいずれかは、任意の組み合わせにおいて使用できる。
【００５１】
本明細書に提供される説明において、数値により具体的に詳細が記載される。しかし、本発明の実施形態はこれらの具体的な詳細を用いずに実施され得ることが理解されよう。他の例では、周知の方法、構造および技術は、この説明の理解を曖昧にしないために詳細には示されていない。
【００５２】
以下の用語は、本発明の理解を助けるためにのみ提供される。
【００５３】
定義
本発明を開示する際に使用される場合に、ガス拡散電極は、固体、液体およびガスの界面が実現可能となり、電気伝導触媒が、液相と気相との間の電気化学的反応を支持し、通常、集電体（多孔性電気伝導性ウェブ）、電気化学的反応が生じ、高い電気伝導度ならびにガスおよび電解質に対する多孔性を有する電気化学的に活性な層（ＡＬ）を含み、この１つの表面では電解質との界面と、他方の面では撥水性（疎水性ガス拡散）層（ＷＲＬ）を有する電極である。撥水性層（ＷＲＬ）は、ガスと接触する外表面を有し、ガスに対する多孔性を有し、ガス拡散層の外表面に電解質が漏出することを防止できる。
【００５４】
本発明を開示する際に使用される場合、用語「膜電極接合体」は、２つの電極間に狭持される膜を意味し、燃料電池、バッテリ（電池、蓄電池）およびそれらのハイブリッド構成を包含する。
【００５５】
本発明を開示する際に使用される場合、用語結合剤は、機械的強度を有して存在する層を与える樹脂状またはポリマー性材料を意味し、すなわち層と文字通りに結合し、層中の粒子として単に懸濁しているポリマーを排除する。
【００５６】
本発明を開示する際に使用される場合、用語「バッテリ」とは、電気化学的デバイスを意味し、これはアノードおよびカソードにおいて反応を生じさせることを許容する。その燃料は、バッテリハウジングによって内部に含有されるか、または大気中の空気である。こうして定義されるようなバッテリは、アノードにおいては溶液中で金属がそれらのイオンに酸化され、大気からの空気は還元されヒドロキシルイオンを形成する金属−空気電池を包含する。
【００５７】
本発明を開示する際に使用される場合、用語「燃料電池」は、燃料電池ハウジングの外側から供給されるソース燃料を電流に転化する電気化学電池を意味する。それは、アノードにおける酸化反応およびカソードにおける還元反応を通して電池内部で電気を発生させ、この酸化により、電気的作業を行う外部回路を介してカソードに輸送される電子を放出する。回路は、例えば正のイオンの形態において、電解質を通して釣り合う電荷を移動させることによって完了する。燃料電池は、共に狭持された３つのセグメント、アノード、電解質、およびカソードで構成される。
【００５８】
本発明を開示する際に使用される場合、用語「生物学的燃料電池（バイオ燃料電池）」は、生化学的経路を含む、電気化学的反応を介して化学的エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるデバイスを意味する。バイオ燃料電池は、酵素および非酵素タンパク質、例えば微生物を含むバイオ触媒を使用する。
【００５９】
相転換は、ポリマー溶液の相分離を含む膜調製に使用され、多孔性ポリマー性フィルムを製造する。相分離に必要とされる脱混合を誘導する３つの主要な方法がある。ポリマー溶液の界面における温度を変更し、それによって熱が交換され、脱混合が誘導される（いわゆる温度誘導相分離またはＴＩＰＳ）、元々の溶液を相分離が生じる反応に供する（いわゆる反応誘導相分離またはＲＩＰＳ）、および蒸気または液体とポリマー溶液とを接触させ、得られた拡散質量交換が、ポリマーフィルムの局所的な組成変化を誘導し、脱混合を生じる（いわゆる拡散誘導相分離またはＤＩＰＳ）。３つのタイプの技術が、ＤＩＰＳを実現するために開発されている。気相からの非溶媒の吸収による凝集、溶媒蒸発および非溶媒浴への含浸。含浸沈降は、凝集浴からポリマーフィルムへの非溶媒の拡散およびポリマー溶液から非溶媒浴への溶媒の拡散によって達成される。
【００６０】
本願を開示する際に使用される場合、用語「粒子」は、異なる形状を包含し、繊維、管、アグロメレート、丸い物体などを含む。
【００６１】
本願において使用される場合に略語ＰＴＦＥは、ポリ（テトラフルオレテン）としても既知の、ポリ（テトラフルオロエチレン）を表す。
【００６２】
本願を開示する際に使用される場合に略語ＦＥＰは、ペルフッ素化エタン−プロペンコポリマーとしても既知のペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマーを表す。
【００６３】
本願を開示する際に使用される場合に略語ＰＳｆおよびＰＳＵは、ポリスルホンを表す。
【００６４】
ここで本発明は、本発明のいくつかの実施形態の詳細な説明によって説明される。本発明の他の実施形態は、本発明の真の趣旨または技術的教示から逸脱することなく、当業者の知識に従って構成されることができ、本発明は、添付の特許請求の範囲の用語によってのみ限定されることは明らかである。
【００６５】
好ましい実施形態、特定の構築および構成、ならびに材料は本発明に従うデバイスについて本明細書で議論されているが、形態および詳細における種々の変更または修正は、本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解すべきである。例えば、上記で与えられるいずれかの式は、使用され得る手順を単に表示する。機能性は、ブロック図から加えられまたは削除されることができ、作動は機能性ブロックの間で相互交換されてもよい。工程は、本発明の範囲内にて記載される方法に加えられまたは削除されてもよい。
【００６６】
ガス拡散電極を製造するための工程
本発明の第１の態様によれば、ガス拡散電極を製造するための以下の工程を備える。すなわち、第１の結合剤の溶液中の電気伝導性材料の粒子の懸濁液を用いて多孔性電気伝導性ウェブをキャスティングし、電気化学的に活性な層（ＡＬ）である第１の層を提供する工程、この第１の層上に、第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液をコーティング（キャスティング）して第２の層を提供する工程、およびこの第１および第２の層を相転換に供することによって、この第１の層およびこの第２の層の両方において多孔性を実現する工程を含む。ここで、ガス拡散電極を製造するための工程は、この第２の層を相転換に供することによって、撥水性（疎水性ガス拡散）層（ＷＲＬ）を実現することを特徴とする。
【００６７】
第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液を調製する際に、例えばＰＴＦＥ粒子がＮ−エチルピロリジノン中のポリスルホンの溶液中に分散される場合、疎水性材料の粒子の斥力により、顕著なフォーミングが生じる場合がある。こうした場合、懸濁液は、こうした懸濁液を用いて第１の層をコーティングする前に、フォームが弱まるまで放置すべきである。
【００６８】
本発明の第１の態様の好ましい実施形態によれば、この第１の層は、相転換に供されることによって、第２の層をキャスティングする前に第１の層における多孔性を実現する。
【００６９】
本発明の第１の態様のさらに好ましい実施形態によれば、この第１の層および第２の層は、相転換に同時に供されることによって、第１および第２の層の両方における多孔性を実現する。
【００７０】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、相転換は、非溶媒または溶媒／非溶媒混合物中への含浸によって実現される。好適な非溶媒としては、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノールおよび水が挙げられる。
【００７１】
好適な電気伝導性粒子は、１ｍ２／ｇ〜１５００ｍ２／ｇの範囲の比表面積を有する電気伝導性粒子、例えば金属粒子および炭素粒子であり、少なくとも１００ｍ２／ｇの比表面積を有する高い電気伝導性炭素粒子が好ましい。高い比表面積を有する好適な高い電気伝導性炭素粒子としては、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、例えばＮｏｒｉｔＳＸ−１Ｇ、Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２、Ｋｅｔｊｅｎｂｌａｃｋが挙げられる。
【００７２】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、この電気伝導性材料は炭素または金属である。
【００７３】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、第１の結合剤の溶液中、電気伝導性材料の粒子の懸濁液における電気伝導性粒子と第１の結合剤との重量比は、６０〜９５重量％の範囲であり、７０〜８０重量％が好ましい。
【００７４】
相転換の原理と組み合わせたキャスティング技術は、ガス拡散電極の最も重要な特性、例えば厚さ、多孔性、孔分布、構造（孔形状）、機械的特性、寸法、特に電極を通して電解質を拡散させることができる親水性チャネル、ガスを電極に拡散させ、ガス拡散電極の外表面からの電解質の漏出および過電圧を防止する疎水性チャネルを制御できる。このことは、キャスティングヘッドのスロットまたはダイのスリット幅、電極を共に結合させるポリマーの選択、使用されるいずれかの孔形成剤の量および粒子サイズ、ポリマーと電極材料との体積比、ポリマーと溶媒との重量比、使用される溶媒のタイプ、使用される非溶媒のタイプ、および抽出、すなわち凝集が生じる温度を変動させることによって実現できる。しかし、ガス拡散電極をキャスティング可能にするためには、結合剤は可溶性でなければならず、大部分の可溶性ポリマーは、高い表面エネルギー（例えばＰＳｆについて４１ｍＪ／ｍ２）を有する。先行技術の多層電極について選択されたＰＴＦＥ結合剤は不溶性であるが、室温付近での転移温度の結果としてクリープする能力のために、結合剤として機能でき、故に冷ロール加工条件下で共に成形されることができ、冷焼結されたＰＴＦＥをもたらし、これがガス輸送のための疎水性チャネルを与え、親水性電解質の表面漏出を防止しながら、多層ガス拡散電極を共に結合させる。
【００７５】
驚くべきことに、本発明者らは、高い表面エネルギーを有する溶媒可溶性結合剤、例えばポリスルホンの相転換によって生じる多孔性層中の疎水性粒子、例えばＰＴＦＥ粒子の存在が、ガス輸送のための疎水性チャネルを提供し、これがまた、疎水性粒子、例えばＰＴＦＥ１８ｍＪ／ｍ２と溶媒可溶性結合剤、例えばＰＳｆについては４１ｍＪ／ｍ２との間の表面エネルギーの非常に大きな差異にもかかわらず、液体（親水性）電解質の表面漏出を防止することを見出した。さらに、必要な親水性および疎水性チャネルは、この場合、互いに非常に正確に接続されることができ、それによって液体電解質およびガスは、非常に効率の良い様式にて電気化学的に活性な層（ＡＬ）にて共に出会うことができ、電気化学反応を実現できることは明らかである。ガス拡散電極の電気化学的に活性な層（ＡＬ）におけるこうした組み合わせは、ガス拡散電極についての理想の特性の組み合わせであるガス拡散電極の表面からの電解質漏出を防止しながら、より最適な３相接触、すなわちガス−液体−固体界面を有する高性能ガス拡散電極をもたらす。
【００７６】
単一溶媒または溶媒混合物が使用されてもよい。溶媒混合物における変動が、異なるフィルムモルホロジーを生じ、故に電極性能においても生じる。好適な溶媒としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ホルムアミド、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）、アセトニトリル、アセトアミド、トリクロロエチレン、クロロホルム、ジクロロメタン、Ｎ−メチル−ピロリジノン（ＮＭＰ）およびＮ−エチル−ピロリジノン（ＮＥＰ）が挙げられる。
【００７７】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、この撥水性層は電解質漏出を防止できる。
【００７８】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、この第２の結合剤の溶液中、疎水性材料の粒子の懸濁液はさらに、疎水化剤を含む。
【００７９】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、第１の結合剤の溶液中、電気伝導性材料の粒子の懸濁液および／またはこの第２の結合剤の溶液中、疎水性材料の粒子の懸濁液は、孔形成促進剤を含有する。
【００８０】
好適な孔形成促進材料としては、親水性ポリマーが挙げられる。好適な親水性ポリマーとしては、ポリ（ビニルピロリドン）（ＰＶＰ）、架橋されたポリビニルピロリドン（ＰＶＰＰ）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（ビニルアセテート）、メチルセルロースおよびポリエチレンオキシドが挙げられる。好適なサイズ分布を有する無機粉末も使用することができ、異なる層における孔サイズの微調整を改善できる。粉末、例えばＺｎＯまたはＣａＣＯ３は、酸またはアルカリ溶液を用いて最終電極から容易に洗脱できる。
【００８１】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、第１の結合剤の溶液中、電気伝導性材料の粒子のこの懸濁液はさらに、触媒を含む。好適なカソード触媒材料としては、貴金属、例えば白金および銀、非貴金属、酸化マンガン、ペロブスカイトおよびスピネルが挙げられる。好適なアノード触媒材料としては、ニッケル、ラネーニッケル、セリアおよび組成Ｍｘ／Ｐｔｙ／Ｓｕｂを含む表面組成を有する材料が挙げられ、ここでＭは、元素Ｆｅ、Ｃｏ、ＲｈおよびＩｒの群から選択され、またはここでＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＳｎを含む群から選択される２つの異なる元素を表す、ここでＳｕｂは、ＲｕおよびＯｓから選択される基材材料を表し、それぞれの構成成分が特定の範囲内で存在する。
【００８２】
集電体（多孔性電気伝導性ウェブ）
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、多孔性電気伝導性ウェブは、炭素電極、例えばピッチ結合した炭素電極または炭素フォーム、金属キャスト電極または金属性電極、例えば穿孔金属シート、織布金属性材料、金属性メッシュ、金属性スクリーン、金属ガーゼ、金属性フォームまたは電気伝導ネットである。多孔性電気伝導性ウェブのための材料選択は、用途の必要性に依存する。好適な材料としては、ステンレス鋼およびニッケルが挙げられる。多孔性電気伝導性ウェブにおける孔サイズは、好ましくは１４９μｍ〜８４０μｍの範囲である。
【００８３】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、多孔性電気伝導性ウェブは、例えば強い酸性の電解質における腐食を回避するために、化学的または熱的に処理される。
【００８４】
疎水性粒子
好適な疎水性粒子としては、フッ素化ポリマー、例えばＰＴＦＥまたはＦＥＰおよびタルクのような鉱物が挙げられる。直径数ミクロンのＰＴＦＥ粒子は、特に有用であることがわかった。
【００８５】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、第２の結合剤の溶液中、疎水性材料の粒子の懸濁液における疎水性粒子と第２の結合剤との重量比は、１．２５〜２０の範囲であり、２．５〜６が好ましい。
【００８６】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、第２の層における疎水性粒子の濃度は、５〜８０重量％の範囲であり、５０〜７５重量％が好ましい。
【００８７】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、疎水性粒子の粒子サイズは、０．２〜４７０μｍの範囲であり、２０〜３００μｍが好ましい。
【００８８】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、疎水性粒子の数平均粒子サイズは、５０〜２６０μｍの範囲であり、７０〜１６０μｍが好ましい。
【００８９】
本発明の第１の態様の別の好ましい実施形態によれば、この疎水性材料は、フッ素化ポリマーであり、ポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）またはペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマー（ＦＥＰ）が好ましく、または鉱物、例えばタルクであり、この鉱物は好ましくは非伝導性である。
【００９０】
結合剤（バインダ）
第１および第２の結合剤として使用するのに好適なポリマーとしては、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、塩素化ポリ塩化ビニル（Ｃ−ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ（アクリロニトリル）（ＰＡＮ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリメチルメタクリレートまたはそれらのコポリマーが挙げられる。ＰＶＤＦ、ＶＤＦ−コポリマーおよび主にＰＶＤＦで構成される有機ポリマー化合物は酸化／還元抵抗およびフィルム形成特性の観点から特に好ましい。これらのうち、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）およびクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）のターポリマーは、それらの優れた膨潤特性、熱抵抗、および電極への接着に関して好ましい。
【００９１】
本発明の第１の態様の好ましい実施形態によれば、この第１および第２の結合剤は同じ結合剤である。
【００９２】
本発明の第１の態様のさらに好ましい実施形態によれば、この第１および第２の結合剤の少なくとも１つはポリスルホンである。
【００９３】
ガス拡散電極
本発明に従う第２の態様によれば、ガス拡散電極は、ガス拡散電極を製造するための上述のプロセスによって得られて実現される。
【００９４】
本発明のガス拡散電極に使用される多くの構成成分はまた、従来の製造方法によって製造されるガス拡散電極にも存在するが、本発明のガス拡散電極は、少なくとも１つの基本的な観点、すなわち本発明のガス拡散電極において、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）粒子は本発明のガス拡散電極に存在するが、それらが従来のガス拡散電極の機械的安定性のために必要とされるような冷フローによって共に焼結されないという点において、異なる。これは、本発明に従う多層ガス拡散電極の空間的一体性は、本発明のプロセスに使用される可溶性ポリマーのための溶媒と接触する際に喪失されるのに対し、従来のガス拡散電極はそれらの空間的一体性を維持することを意味する。
【００９５】
本発明の第２の態様の好ましい実施形態によれば、この撥水性層（ＷＲＬ）は電解質の漏出を防止できる。
【００９６】
膜電極接合体
膜電極接合体について、効率の良い接触を操作するためには、三相、ガス、液体（電解質）および固体電極が同時に存在するようにしなければならない。本発明に従う第４の態様によれば、膜電極接合体は、第３の態様に従うガス拡散電極を含んで実現される。
【００９７】
本発明の第４の態様の好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体は燃料電池である。
【００９８】
本発明の第４の態様のさらに好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体はバッテリである。
【００９９】
本発明の第４の態様の別の好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体は、生物学的燃料電池であり、微生物または酵素燃料電池が好ましい生物学的燃料電池である。
【０１００】
燃料電池は、アルカリ性燃料電池、例えば亜鉛−空気アルカリ性燃料電池またはＲ．Ａ．ＢｕｌｌｅｎらのＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２１巻，２０１５−２０４５頁（２００６）に記載されるような微生物もしくは酵素バイオ燃料電池であることができ、ここではバイオ燃料電池およびそれらの開発が、電極−酵素−基材相互作用の化学反応の開発に焦点をあてたこの１０年間の多くの作業に関して再検討されており、これはよりロバストで活性な微生物および酵素の同定をもたらしており、酵素活性サイトシステムおよび改善されたメディエータ配置の場合に非常に近い電位を有するメディエータの開発をもたらす。メディエータを含まない微生物燃料電池は、メディエータを必要としないが、電気化学的に活性なバクテリアを使用し、電子を電極に輸送する（電子はバクテリアの呼吸酵素から電極へ直接運ぶ）。電気化学的に活性なバクテリアには、シュワネラ・プトレファシエンス（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ  ｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ）およびエロモナス・ヒドロフィラ（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ  ｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ）がある。外部膜に線毛を有する一部のバクテリアは、これらの線毛を介して電子の製造を輸送できる。メディエータを含まないＭＦＣにおけるバクテリアは、通常、その外膜に電気化学的に活性な酸化還元酵素、例えばシトクロムを有し、それが電子を外部材料に輸送できる。
【０１０１】
ガス拡散電極の使用
本発明に従う第３の態様によれば、上述のガス拡散電極を膜電極接合体に使用することが実現される。
【０１０２】
本発明の第３の態様の好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体は燃料電池である。
【０１０３】
本発明の第３の態様のさらに好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体はバッテリである。
【０１０４】
本発明の第３の態様の別の好ましい実施形態によれば、この膜接合体は、生物学的燃料電池であり、生物学的燃料電池は微生物または酵素燃料電池が好ましい。
【０１０５】
本発明に従うガス拡散電極は、燃料電池、例えばアルカリ水素−空気燃料電池、アルカリ亜鉛−空気燃料電池、電気化学コジェネレーション電池、生物学的燃料電池、例えば微生物燃料電池、塩素アルカリ電池、バッテリおよび水電解に使用できる。
【０１０６】
電気化学コジェネレーション燃料電池システムにおいて、多孔性ガス拡散電極を必須とする燃料電池の作動を介して電気エネルギーに加えて、特定の化学物質が生じる。
【０１０７】
微生物燃料電池において、廃水を精製し、多孔性ガス拡散電極にて、特定の構成成分が転化されることによって、エネルギーが同時に生じる、例えば空気からの酸素が還元される。
【０１０８】
塩素アルカリ産業において、現在の水素カソードの代わりに空気−カソードの使用が考慮されている。空気−カソードを使用すれば、電池電圧が顕著に低下し（電気消費の削減）：理論的電池電圧は、２．１９Ｖから０．９６Ｖまで低下するはずである。実際、塩素１トンあたり５００ｋＷｈを節約できる。
【０１０９】
本発明の第３の態様の好ましい実施形態によれば、膜電極接合体は、アルカリ燃料電池であり、金属−空気アルカリ燃料電池、例えば亜鉛−空気アルカリ燃料電池は、好ましいアルカリ燃料電池である。
【０１１０】
本発明の第３の態様のさらに好ましい実施形態によれば、この膜電極接合体は、バイオ電気化学システムであり、微生物燃料電池、酵素燃料電池および微生物電解電池が好ましいバイオ電気化学システムである。
【０１１１】
すべてのこれらのシステムにおけるブレークスルーは、大部分において、多孔性ガス拡散電極の性能に依存している。現在の多孔性ガス拡散電極において、次の重要な改善および最適化が必要とされている、過電圧、コスト価格、寿命および寸法（確実にはＭＦＣおよび塩素アルカリ電池の場合）。
【０１１２】
膜電極接合体の製造方法
さらに、ガス拡散電極をキャスティングできるだけでなく、単一の電池ユニット（ＭＥＡ：膜電極接合体）をキャスティングできる。アノード、カソードおよび膜は、単一パスにてキャスティングされて、ユニット電池を提供できる。このことは、高度なコスト削減に加えて、電極と膜との改善された界面の利点を有する。別個の構成成分（電極および膜）がこの２つの構成成分間の界面において効率良く接触していない場合に、質量輸送問題がこれらの異なる構成成分間の界面で生じ得る。キャスティングの間の界面の最適な質の利点に加えて、電極と膜との間の理想的な接着を実現するという追加の利点がある。
【０１１３】
本発明に従う第５の態様によれば、膜電極接合体を製造する方法が実現され、この膜電極接合体は、少なくとも１つの電極がガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここでこの方法は、この膜電極接合体を単一パスにてキャスティングする工程を含む。
【０１１４】
撥水性層（ＷＲＬ）
本発明に従う第７の態様の好ましい実施形態によれば、ガス拡散電極の撥水性（疎水性ガス拡散）層が実現され、ガス拡散電極のこの撥水性（疎水性ガス拡散）層は、第２の結合剤および疎水性粒子を含む層の相転換を含むプロセスによって得られる。
【０１１５】
本発明に従う第７の態様の好ましい実施形態によれば、層はさらに、第２の結合剤について少なくとも１つの溶媒、および場合により第２の結合剤について少なくとも１つの非溶媒を含む。
【０１１６】
本発明に従う第７の態様の別の好ましい実施形態によれば、この相転換は、第２の結合剤についての少なくとも１つの溶媒中への含浸によって実現され、さらに場合によりこの第２の結合剤について少なくとも１つの溶媒を含む。
【０１１７】
主要な特徴化技術（実施例７、８および９を参照のこと）
厚さ
厚さは、Ｍｉｔｕｔｏｙｏマイクロメータを用いて測定される。このマイクロメータは、多孔性電極が厚さの測定の間に圧縮されることを回避するためにスリップカップリングを備える。厚さは、信頼性の高い平均値を得ることができるように、４つの異なる点にて測定される。
【０１１８】
多孔性
電気化学的に活性な層（ＡＬ）の多孔性は非常に重要であることは明らかである。しかし、疎水性多孔性と親水性多孔性とを区別することが非常に重要である。実際、疎水性孔は、電解質（例えば廃水）の吸収のために必要とされ、疎水性の多孔性は、炭素の活性部位への空気（Ｏ２）の輸送のために必要とされる。
【０１１９】
ＡＬを水中に含浸させ、吸収される水の総量から、親水性孔の絶対体積を計算できる。サンプルの体積と比較して、次いでこれらの親水性孔の相対体積を計算することができ、これは親水性多孔性（ＰＨ２Ｏ）として表現されることができる。イソプロパノール（ＩＰＡ）は、総多孔性（ＰＩＰＡ）を決定するために使用され、これは、疎水性多孔性を含む。これは、ＩＰＡの非常に低い表面張力が、ＡＬを完全に湿潤可能にするためであり、ＩＰＡの表面張力は、２２ｍＮｍ−１であるのに比較して、水については７３ｍＮｍ−１である。
【０１２０】
孔サイズ分布
孔サイズ分布の測定のために、通常Ｈｇ貫入ポロシメトリーを使用する（機器タイプ：Ｐａｓｃａｌ２４０）。サンプルを電池に含浸し、それを次いで、水銀で満たした。連続的に圧力を増大させ、水銀の体積上昇は、サンプルの孔内に強いられる。
【０１２１】
孔直径はまた、ガス透過技術（キャピラリーフローポロシメトリー）を用いて決定された。まず、ガスフローは、圧力関数としての乾燥電極を通して測定し、直線が一般に得られる。次いで電極を湿潤させ、再びガスフローを、適用圧力の関数として決定する。非常に低い圧力では、孔は湿潤液体でなおも満たされるが、特定の圧力では最大の孔は、空であり、ガスフローは、これらの孔を通した対流フローによって増大する。ここで、層の片側から他方の側で移動し、それが測定されるのは開放孔のみである。
【０１２２】
吸水動力学
ＡＬ層の選択プロセスにおいて、吸水動力学を定量化することが重要である。キャピラリティによって吸収される水の量は、以下の式によって表現され得る。
【０１２３】
Ｑ＝Ａｔ１／２
【０１２４】
式中、Ｑは、表面ユニットあたりに吸収される水の量（ｍｇ  ｃｍ−２）であり、Ａは、吸収係数（ｍｇ  ｃｍ−２ｓ−１／２）であり、ｔは時間（ｓ）である。
【０１２５】
電気抵抗
電気抵抗は、２つの平滑なＰｔ／Ｐｄ電極を備えた自製の電池にて測定されたが、スクリューにより、電極は互いに固定されることができ、または互いに離れることができる。電池は、直径２４ｍｍまでのサンプルのために設計されていた。単一キャストの電気化学的に活性な層（ＡＬ）を２つの電極間に置き、次いでこれらの電極は互いにねじ込められ、活性層（ＡＬ）と接触させる。その時点で、Ｐｔ／Ｐｄ電極間の抵抗が測定される。しかし、測定された値は、ＡＬ表面とＰｔ／Ｐｄ電極との間に生じる２つの接触抵抗を伴うＡＬ抵抗を含む。この問題を解決するために、一連の測定が必要である。第１の実験に関して、１つのＡＬは、Ｐｔ／Ｐｄ電極間に置かれ、第２の実験に関して、２つのＡＬが互いに接触され、Ｐｔ／Ｐｄ電極間に置かれ、これを、少なくとも４つのサンプルが共に測定されるまで繰り返す。次いで総ＡＬ抵抗値を、それらそれぞれの総厚さに対してプロットする。こうして直線が得られ、その傾きがΩ／ｍｍとして表される抵抗である。接触抵抗の合計は、抵抗軸に関して直線の切片によって決定される。
【０１２６】
比表面積
ＡＬの比表面積（ＳＢＥＴ）は、電極の多孔性構造の内部の遊離活性Ｃ部位の量についての大きさであり、これらの部位の量が多くなるにつれて、電極の反応性が高くなる。比表面積が、周知のＮ２吸着技術を用いて測定されている。
【実施例】
【０１２７】
実施例１：
実施例１は、本発明のプロセスに従って調製されたガス拡散電極（１０／Ｖ０２１）の調製および微生物燃料電池におけるそれらの評価を記載する。微生物燃料電池は、電気を生じるだけでなく、廃水を精製もするので、この電池中の酸素／空気拡散電極は触媒を含有していない。こうした環境において、触媒は、廃水中に存在する不純物によって非常に迅速に汚染され、それによって迅速にその活性を失うことは明らかである。さらに、この電極は、ｐＨ＝７にて非常に不完全な伝導培地中にて試験された。
【０１２８】
ガス拡散電極１０／Ｖ０２１の調製は、張力下でフレーム中にステンレス鋼ネットを置く工程、電気化学的に活性な層（ＡＬ）のための懸濁液を調製する工程、ガス拡散電極の電気化学的に活性な層（ＡＬ）をキャスティングする工程、電気化学的に活性な層（ＡＬ）の後処理工程、撥水性層（ＷＲＬ）のための懸濁液の調製工程、電気化学的に活性な層（ＡＬ）上にＷＲＬをキャスティングする工程、およびＷＲＬを後処理してガス拡散電極を実現させる。
【０１２９】
張力下でフレーム中にステンレス鋼ネットを置く工程
ステンレス鋼ネットを、金属性（ステンレス鋼）フレーム上にて、正確な張力にもたらされたモーメントキーの補助の下でクランプした。次の通りである。このネットをまず切断し、次いでこのネットに必要なホールを与え、ボルトおよびクランプバーを用いてフレーム上にクランプした。次いでこのボルトをトルクレンチおよび決定された張力を用いて締めた。次いでこのネットを、一晩設定状態にして、張力を再び確認し、必要に応じて調節した。
【０１３０】
電気化学的に活性層（ＡＬ）のための懸濁液Ｃ１２／７０−３０の調製
懸濁液を、使い捨て缶においてミキサ（Ｄｉｓｓｍａｘ）の補助により調製した。新しい缶を選択し、少量のエタノールで洗浄し、空研きした。この缶をはかりに置き、ｔａｒａを０に設定した。次いで３５２ｇのＮ−エチルピロリジノン（ＮＥＰ）を缶に計量し、次いで撹拌器プラットフォームに置き、そこでクランプし、撹拌器を液体の方に下げ、撹拌器を約１０００ｒｐｍに設定した。４８ｇのポリスルホン（ＵＤＥＬ  Ｐ−１８００ＮＴ１１）をグラスビーカーに計量し、次いでＮＥＰに漏斗を用いて徐々に添加し、撹拌器の速度を約２０００ｒｐｍに上昇させて、渦が缶内に明らかに見えるようにした。次いで缶の偏心回転を開始し、混合物をさらに６０分間撹拌した。次いで１１２ｇの活性炭（Ｎｏｒｉｔ  ＳＸ−１Ｇ）を計量し、漏斗で徐々に添加し、撹拌器速度を約２４００ｒｐｍに増大させ、大きな渦が存在するのを確実にした。さらに１５分間混合した後、混合を停止し、撹拌器を引き込み、混合缶の上方壁、撹拌器ロッドの上方部分およびブレードからスパチュラを用いて粉末をかき落とし、粉末を混合缶に入れた。次いで撹拌器を混合缶の下方に向け、再度約２４００ｒｐｍにて偏心移動させながら撹拌した。４５分のさらなる混合後、蓋を缶の上に置き、内容物を少なくとも一晩ローラテーブル上でさらに混合した。
【０１３１】
電気化学的に活性な層（ＡＬ）のキャスティング
懸濁液を、ローラテーブルから取り除き、５０ｍｂａｒの圧力にて室温で静的に２時間脱気し（Ｈｅｒａｅｕｓ真空オーブン中）、その後真空オーブン圧力を徐々に大気圧まで上昇させた。次いで懸濁液をキャスティングのために準備した。浸漬浴をまず、脱塩水で満たし、キャスティングヘッドを３００μｍに設定した。次いでガラスプレートおよび張力フレームを浸漬ブラケットに載置し、ガラスプレートをステンレス鋼ネットの底面よりも２００μｍ下方になるように調節した。アルコールを用いてガラスプレートおよびステンレス鋼ネットを脱脂した後、グローブを用いて浸漬ブラケット上のガラスプレートおよびステンレス鋼ネットを置き換えた。次いで全体の構成をキャスティングテーブルに置き（Ａｕｔｏ  Ｆｉｌｍ  Ａｐｐｌ．ＢＲＡＩＶＥ）、キャスティングヘッドをステンレス鋼ネットに入れ、キャスティングテーブルをスタンド３に設定した（０．９２ｍ／分）。次いでキャスティングヘッドを懸濁液で満たし、キャスティングテーブルの長手方向の移動を開始した。キャスティングヘッドが端部まで到達したときに、構成全体を徐々に、一定の移動で、水浴に浸漬させた。２０分の浸漬後、構成全体を水浴から取り除き、次いでさらに以下に記載されるように処理した。
【０１３２】
電気化学的に活性な層（ＡＬ）の後処理：
次いで全体の構成を１００℃にて６０分間脱塩水に含浸させ、次のように残留ＮＥＰを除去した。沸騰浴を３６Ｌの脱塩水で満たし、構成全体を沸騰浴に含浸させた。次いで沸騰浴を閉じ、加熱スイッチをオンにして、スタンド６に設定した。沸点に到達したら、設定をスタンド５に低下させた。スタンド５にて少なくとも６０分経過後、加熱を止め、蓋を取り除いて、浴を冷却できた。６０分間の冷却後、構成全体を依然として渡した状態で浴から取り除き、室温にて一晩乾燥させた。
【０１３３】
撥水性層（ＷＲＬ）のための懸濁液Ｆ１５／７５−２５の調製：
懸濁液を、使い捨て缶においてミキサ（Ｄｉｓｓｍａｘ）の補助により調製した。新しい缶を選択し、少量のエタノールで洗浄し、空研きした。この缶をはかりに置き、ｔａｒａを０に設定した。次いで３４０ｇのＮ−エチル−ピロリジノン（ＮＥＰ）を缶に計量し、次いで撹拌器プラットフォームに置き、そこでクランプし、撹拌器を液体の方に下げ、撹拌器を約９００ｒｐｍに設定した。６０ｇのポリスルホン（ＵＤＥＬ  Ｐ−１８００ＮＴ１１）をグラスビーカーに計量し、次いでＮＥＰに漏斗を用いて徐々に添加し、撹拌器の速度を約１９００ｒｐｍに上昇させて、渦が缶内に明らかに見えるようにした。次いで缶の偏心回転を開始し、混合物をさらに６０分間撹拌した。次いで１８０ｇのＦＥＰ（Ｔｅｔｒａｃｈｉｍ５３２８０００）を計量し、漏斗で徐々に添加し、撹拌器速度を約２３００ｒｐｍに増大させ、大きな渦が存在するのを確実にした。さらに１５分間混合した後、混合を停止し、撹拌器を引き込み、混合缶の上方壁、および撹拌器ロッドの上方部分およびブレードからスパチュラを用いて任意の粉末をかき落とし、粉末を混合缶に入れた。次いで撹拌器を混合缶の下方に向け、再度約２３００ｒｐｍにて偏心移動させながら撹拌した。４５分のさらなる混合後、蓋を缶の上に置き、内容物を少なくとも一晩ローラテーブル上でさらに混合した。
【０１３４】
ガス拡散電極の最外疎水性層の撥水性層（ＷＲＬ）のキャスティング：
懸濁液を、ローラテーブルから取り除き、５０ｍｂａｒの圧力にて室温で３０分間脱気し（Ｈｅｒａｅｕｓ真空オーブン中）、その後真空オーブン圧力を徐々に大気圧まで上昇させた。次いで懸濁液を、２日間にわたって４０℃にて静的に脱気し、懸濁液をスパチュラで軽く撹拌した。次いで懸濁液を、最後の空気泡を除去するために、冷却目的で２時間室温で静的に脱気した。次いで懸濁液をキャスティングのために準備した。浸漬浴をまず、脱塩水で満たし、キャスティングヘッドを５５０μｍに設定した。次いで構成全体をキャスティングテーブル上に再び置き（Ａｕｔｏ  Ｆｉｌｍ  Ａｐｐｌ．ＢＲＡＩＶＥ）、電極の頂部層上の任意のダストを圧縮空気を用いて吹き払った。次いでキャスティングヘッドを電極の頂部層上に置き、キャスティングテーブルをスタンド３（０．９２ｍ／分）に設定した。次いでキャスティングヘッドを懸濁液で満たし、キャスティングテーブルの長手方向の移動を開始した。キャスティングヘッドが端部まで到達したときに、構成全体を徐々に、一定の移動で、水浴に浸漬させた。２０分の浸漬後、構成全体を水浴から取り除き、次いでさらに以下に記載されるように処理した。
【０１３５】
撥水性層（ＷＲＬ）の後処理：
次いで全体の構成を１００℃にて６０分間脱塩水中に含浸させ、次のように残留ＮＥＰを除去した。沸騰浴を３６Ｌの脱塩水で満たし、構成全体を沸騰浴に含浸させた。次いで沸騰浴を閉じ、ヒーターのスイッチをオンにして、スタンド６に設定した。沸点に到達したら、設定をスタンド５に低下させた。スタンド５にて少なくとも６０分経過後、加熱を止め、蓋を取り除いて、浴を冷却できた。６０分間の冷却後、構成全体を依然として渡した状態で浴から取り除き、室温にて一晩乾燥させた。次いでガス拡散電極を評価のために準備した。
【０１３６】
厚さの測定および切断：
ガス拡散電極全体（ネット＋ＡＬ＋ＷＲＬ）が徐々に収縮し得るように張力を徐々に低下させた。これを約４時間行った。次いで厚さを測定し、ガス拡散電極を適当なサイズに切断した。図１０は、得られた多層ガス拡散電極の概略図を示す。
【０１３７】
試験  １０／Ｖ０２１
電極は、ステンレス鋼メッシュ、７０％Ｃ＋３０％ＰＳｆを含有するＡＬ、および７５％ＦＥＰ＋２５％ＰＳｆを含むＷＲＬを含んでいた。
【０１３８】
作動試験を図１１に示すようなカソードの半電池を用いて行った、例えばポンプの流速、リン酸塩緩衝溶液（ＰＢＳ）および空気についてのフロー方向。
【０１３９】
【表１】
2013536541.tif 000005
【０１４０】
ＭＦＣ培地のｐＨを、５Ｍの水酸化ナトリウムを添加することによってｐＨ７に調節した。電池を使用前にオートクレーブにて滅菌し、次いで試験を開始する前に窒素でスプールし、緩衝液を用いてさらなる曲線を決定した。次いで１０ｍＭのアセテートを添加し、第２の曲線を決定した（緩衝液＋アセテート）。最後に接種源を添加し、標準条件の曲線を決定した（緩衝液＋アセテート＋バクテリア）。
【０１４１】
実験に使用される微生物培養液は、３つの天然の混合培養液接種源の混合コンソーシアム、すなわち枯れ草地の廃棄堆肥と、ソースの異なる台所ごみおよびリサイクルできない廃棄紙の好熱性の嫌気性堆肥（ＩＧＥＡＮ，Ｂｒｅｃｈｔ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）と、下水処理場（Ａｑｕａｆｉｎ，Ｄｅｓｓｅｌ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）の活性汚泥であったが、さらにＤＳＭＺ  ｃｕｌｔｕｒｅ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎから製造されるゲオバクター・スルフレデュセンス（Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ  ｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓ）株の純粋培養液（Ｎｏ．１２１２７）を接種源ミックスに添加したが、バクテリアの選択はカソードの機能化に重要でない。
【０１４２】
電極を使用して、カソード半電池構成における酸素還元電極として試験した。Ｅ−ｊ分極曲線の測定のために、電極電位を毎秒１ｍＶの速度で変動させた。−１００ｍＶ電位にて、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して、電流密度ｃｍ２あたり０．３ｍＡを室温で測定した。これは、伝導性が乏しい電解質、さらには白金族金属（ＰＧＭ）触媒を有していない電解質における電極の観点では相対的に高い電流密度である。時間の関数としてのＥ−ｊ分極曲線を図５に示す。
【０１４３】
触媒を使用し、故に電解質が強い伝導性である電気化学的電池／用途に関してはさらに高い電流密度が、特定の電位／過電圧について予測されるべきである。
【０１４４】
性能は、極めて安定であり、電極漏出も電極を通した浸出も試験期間全体にわたって認められなかった。
【０１４５】
実施例２：
実験は、３つのタイプの疎水性材料の粉末を異なる量でＮ−エチル−ピロリジノン中の１５重量％のポリスルホン溶液に添加することによって、層組成の機能としての撥水性層（ＷＲＬ）の電解質透過性を決定するために行った。ＦＥＰ８００（ＤｕＰｏｎｔ製）、ＰＴＦＥ  Ａｌｇｏｆｌｏｎ（Ｓｏｌｖａｙ  Ｓｏｌｅｘｉｓ  Ｓｐａｎ製）およびＰＴＦＥ６３６Ｎ（ＤｕＰｏｎｔ製）、重量平均直径はそれぞれ９６、９５および１５７μｍ。約１００μｍ（９１〜１１８μｍ）の厚さを有する自立型ＰＳｆ系シートを、一次的な支持体としてのガラスプレート上にキャスティングさせ、層を水中に含浸させ、一時的な支持体から層を取り除くことによって、このキャスティングを相転換に供することによって調製した。
【０１４６】
ＷＲＬの番号１から９の多孔性を、自立型ＷＲＬの水およびイソプロパノール両方に含浸することによって吸い上げられた液体の量から決定したが、イソプロパノールで得られたこの値はガス拡散層の多孔性全体の大きさである。結果を表１に示す。湿潤％は、水の吸収の大きさであり、これは時間の関数として、電極の漏電を回避することができる程度に低くなければならない。
【０１４７】
ＷＲＬの湿潤は、水中に完全に含浸される場合に、ＷＲＬによって吸収された水の量として規定された。表１は、湿潤の程度が、疎水性ポリマーの濃度が増大するにつれて低下することを示す。湿潤値が低下するにつれて、時間の関数として予測できる電解質の漏出または滲出の量が小さくなる。ＨＧＤＬの総多孔性は、層の約７０±約１０体積％のレベルにて、疎水性ポリマーの濃度に実質的に独立していた。
【０１４８】
【表２】
2013536541.tif 000006
【０１４９】
撥水性層ＷＲＬ番号１は、追加の疎水性ポリマーなしでの、最大の水湿潤容量を示した。疎水性粉末の各タイプの添加により、非常に低い充填量（１０重量％）であってもＷＲＬの湿潤を低下させた。長期間の産業用途において電解質の漏出を防止するための最も効率の良いＷＲＬは、疎水性粒子、例えばＦＥＰおよびＰＴＦＥ粒子を可能な限り高い濃度で含有すべきであることが表１からわかる。
【０１５０】
表２に示される最大充填値は、ＨＧＤＬの必要とされる質に関連するので、指標に過ぎない。粘度および粒子サイズの両方は、必要とされる質に同じく関連する関連パラメータである。
【０１５１】
【表３】
2013536541.tif 000007
【０１５２】
実施例３：
ポテンショスタットにより−１００ｍＶの電位を外部から適用することによって実施例１のガス拡散電極を時間の関数として試験した。実施例１に使用されるバクテリアを含む上述の微生物燃料電池培地を３５日間電解質として使用した。生じた電流密度を、時間の関数として測定したが、それを図６に示す。
【０１５３】
性能は、極めて安定であり、試験期間全体を通して漏出も浸出さえも認められなかった。
【０１５４】
実施例４：
電解質としてバクテリアを用いずに３５日間上述の微生物燃料電池培地を用いてカソード半電池にポテンショスタットによって外部から−１００ｍＶの電位を適用することによって、実施例１に関して記載されたように製作されたガス拡散電極１０／Ｖ０４０を試験した。
【０１５５】
生じた電流密度を、時間の関数として４５日間測定したが、それを図３に示す。性能はバクテリアが存在する場合よりも安定ではなかった。試験期間全体にわたって漏出も浸出さえも認められなかった。
【０１５６】
実施例５：
１０×１０ｃｍ２のガス拡散電極１０／Ｖ００１を、ＷＲＬが疎水性粒子を含有しなかった、すなわち１００重量％のポリスルホンであった以外、実施例１に記載されるように製作した。このガス拡散電極を、電解質にアセテートまたはバクテリアを添加することなく、上述の微生物燃料電池培地を用いて試験した。Ｅ−ｊ分極曲線を図８に示す。
【０１５７】
ガス拡散層表面の平方ｃｍあたり約２〜３ｍｍ直径の２〜３個の液滴として、ガス拡散電極を通して電解質の滲出が認められた。電極は浸出した。
【０１５８】
実施例６：
１０×１０ｃｍ２のガス拡散電極０９／Ｖ０９３を、ＷＲＬを活性層上にキャスティングしなかった以外、実施例１に記載されるように製作した。アセテートおよび実施例１の場合と同じバクテリアを添加した電解質としての上述の微生物燃料電池培地を用いてこのガス拡散電極を試験した。Ｅ−ｊ分極曲線を図９に示す。
【０１５９】
このガス拡散電極は連続的に電解質が漏出し、約１００ｍＬの電解質が、２４時間の期間にわたって電極から漏出した。
【０１６０】
表３には、異なるガス拡散電極構成を用いて認められた電解質の滲出および浸潤の発生率を要約する。
【０１６１】
【表４】
2013536541.tif 000008
【０１６２】
実施例７：
活性層（ＡＬ）の特性に対する非溶媒のタイプの効果を決定するために実験を行ったが、結果を以下の表４に示す。
【０１６３】
【表５】
2013536541.tif 000009
【０１６４】
実施例８：
活性層ＡＬの特性に対するＣの量の効果を決定するために実験を行ったが、結果を以下の表５に示す。
【０１６５】
【表６】
2013536541.tif 000010
【０１６６】
実施例９：
活性層（ＡＬ）の特性に対するポリマーのタイプの効果を決定するために実験を行ったが、結果を以下の表６に示す。
【０１６７】
【表７】
2013536541.tif 000011
【０１６８】
本発明の特定のおよび好ましい態様は、添付の独立および従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴は、その請求項にて明確に記載されているだけでなく、適宜、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と組み合わせてもよい。
【図１】
2013536541.tif 000012
【図２】
2013536541.tif 000013
【図３】
2013536541.tif 000014
【図４】
2013536541.tif 000015
【図５】
2013536541.tif 000016
【図６】
2013536541.tif 000017
【図７】
2013536541.tif 000018
【図８】
2013536541.tif 000019
【図９】
2013536541.tif 000020
【図１０】
2013536541.tif 000021
【図１１】
2013536541.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月9日(2012.3.9)
【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】
ガス拡散電極を製造するプロセスであって、前記プロセスが、第１の結合剤の溶液中の電気伝導性材料の粒子の懸濁液を用いて多孔性電気伝導性ウェブをキャスティングし、電気化学的に活性な層である第１の層を提供する工程、前記第１の層上に、第２の結合剤の溶液中の疎水性材料の粒子の懸濁液をキャスティングして、第２の層を提供する工程、および前記第１および第２の層を相転換に供することによって、前記第１の層および前記第２の層の両方において多孔性を実現する工程を含み、ここで前記第２の層を相転換に供することによって、撥水性層を実現し、
前記疎水性材料が、フッ素化ポリマーまたは電気的に非伝導性鉱物であることを特徴とするプロセス。
【請求項２】
前記第１の層が、相転換に供されることによって、前記第２の層をキャスティングする前に前記第１の層における多孔性を実現する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記第１および第２の結合剤の少なくとも１つがポリスルホンである、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記フッ素化ポリマーがポリ（テトラフルロエチレン）（ＰＴＦＥ）またはペルフッ素化エチレン−プロピレンコポリマー（ＦＥＰ）である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のガス拡散電極を製造するためのプロセスによって得られる、ガス拡散電極。
【請求項６】
請求項５に記載のガス拡散電極の、膜電極接合体における使用。
【請求項７】
前記膜電極接合体が燃料電池またはバッテリである、請求項６に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項８】
前記燃料電池が生物学的燃料電池である、請求項７に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項９】
前記生物学的燃料電池が微生物または酵素燃料電池である、請求項８に記載のガス拡散電極の使用。
【請求項１０】
請求項５に記載のガス拡散電極を含む膜電極接合体。
【請求項１１】
前記膜電極接合体が燃料電池またはバッテリである、請求項１０に記載の膜電極接合体。
【請求項１２】
膜電極接合体を製造する方法であって、前記膜電極接合体が、少なくとも１つの電極がガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここで前記方法は、前記膜電極接合体を単一パスにてキャスティングする工程および少なくとも１つの相転換工程を含む、方法。
【請求項１３】
膜電極接合体を製造する方法であって、前記膜電極接合体が、少なくとも１つの電極がガス拡散電極である２つの電極の間に狭持された膜を含み、ここで前記方法は、前記膜電極接合体を単一パスにてキャスティングする工程および少なくとも１つの相転換工程を含み、前記ガス拡散電極が、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセスによって得られることを特徴とする膜電極接合体を製造する方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法によって得られる膜電極接合体。
【請求項１５】
ガス拡散電極の撥水性層であって、前記撥水性層が、請求項１記載の第２の結合剤と、疎水性粒子と、を含む層の相転換によって得られ、前記疎水性粒子が、フッ素化ポリマーの粒子または電気的に非伝導性鉱物の粒子であることを特徴とする撥水性層。
【請求項１６】
前記層はさらに、前記第２の結合剤のための少なくとも１つの溶媒を含む、請求項１５に記載のガス拡散電極の撥水性層。
【国際調査報告】
2013536541.tif 000023
2013536541.tif 000024
2013536541.tif 000025
2013536541.tif 000026
2013536541.tif 000027
2013536541.tif 000028