(57)【要約】本明細書では、電気化学セルのイオン交換膜および他の構成要素の種々の構成に関する、イオン交換膜、電気化学システム、ならびに方法が開示される。一側面では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）が提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する。前述の側面のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の前面および／または裏面から外へ突出する。
2018513912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）であって、前記内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、前記イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する、イオン交換膜。
【請求項２】
前記内蔵セパレータの前記１つまたはそれを上回る区分は、前記イオノマー膜の前面および／または裏面から外へ突出する、請求項１に記載のイオン交換膜。
【請求項３】
前記突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍである、請求項１または２に記載のイオン交換膜。
【請求項４】
前記突出の前記振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍである、請求項３に記載のイオン交換膜。
【請求項５】
前記イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍである、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項６】
前記内蔵セパレータは、メッシュ、布、発泡体、スポンジ、織り合わされた繊維または遮蔽物の重複もしくは積層面によって形成された平面メッシュ、繊維のコイルによって形成されたマットレス、拡張シート、複数の篩、複数のバッフル、または複数のカスケード段階、もしくはそれらの組み合わせである、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項７】
前記ＩＥＭの公称断面積に対する前記内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％である、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項８】
前記内蔵セパレータは、ポリマー、織物、およびガラス繊維から成る群から選択される材料で作製される、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項９】
前記突出は、繰り返しパターンを有する、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１０】
前記内蔵セパレータは、アノードから前記ＩＥＭを分離する、カソードから前記ＩＥＭを分離する、別のＩＥＭから前記ＩＥＭを分離する、またはそれらの組み合わせを行うように構成される、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１１】
前記ＩＥＭと統合されるガスケット材料をさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１２】
前記ガスケット材料は、前記ＩＥＭの縁に統合される、請求項１１に記載のイオン交換膜。
【請求項１３】
前記ガスケット材料は、前記ＩＥＭの前側、裏側、および両側で統合される、請求項１１または１２に記載のイオン交換膜。
【請求項１４】
前記ガスケット材料は、約０．０１ｍｍ〜５ｍｍの厚さである、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１５】
前記ガスケット材料は、シリコーン、バイトン、ゴム、コルク、フェルト、発泡体、プラスチック、繊維ガラス、可撓性黒鉛、マイカ、またはポリマーで作製される、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１６】
前記ポリマーは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、エチレンプロピレン、エチレンプロピレンジエン、ネオプレン、またはウレタンである、請求項１５に記載のイオン交換膜。
【請求項１７】
前記ガスケット材料は、平坦シートまたはコードシートから選択される設計である、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のイオン交換膜。
【請求項１８】
電気化学的方法であって、
アノードとカソードとの間に電圧を印加するステップと、
前記アノードをアノード電解質と接触させるステップであって、前記アノード電解質は、金属イオンを含み、前記アノードは、低酸化状態から高酸化状態まで前記金属イオンを酸化させる、ステップと、
前記カソードをカソード電解質と接触させるステップと、
前記アノード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）と接触させるステップ、および／または前記カソード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭと接触させるステップであって、前記内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、前記ＩＥＭの少なくとも１つの表面から外へ突出する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記内蔵セパレータは、剛性を前記ＩＥＭに提供し、付加的セパレータ構成要素の必要性を排除する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記内蔵セパレータの前記１つまたはそれを上回る区分は、前記ＩＥＭの前面および／または裏面から外へ突出する、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍである、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記内蔵セパレータは、前記アノードから前記ＩＥＭを分離する、前記カソードから前記ＩＥＭを分離する、別のＩＥＭから前記ＩＥＭを分離する、またはそれらの組み合わせである、請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
ガスケット材料を前記ＩＥＭに統合するステップをさらに含む、請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、もしくはデジタル印刷によって、前記ガスケット材料を統合するステップをさらに含む、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＩＥＭに統合される前記ガスケット材料は、剛性および強度を前記ＩＥＭに付与し、別個のガスケット構成要素の必要性を排除する、請求項２３または３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１５年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／１３３，７７７号の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
（政府支援）
本明細書中に記載されている仕事は、その全体または一部がエネルギー省によって助成された政府支援助成番号ＤＥ−ＦＥ０００２４７２を用いてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
電気化学セルは、アノードとカソードとの間に間置されるアニオンまたはカチオン交換膜等のイオン交換膜を含有する。膜は、イオン性、多孔質であり、あるイオンが膜を通過することを促進する。多くの場合、膜は、電極の間で圧迫され、温度、圧力、および液体流条件に耐えるために剛性かつ頑丈である必要がある。したがって、電気化学セル性能を向上させる機械的強度を伴う膜の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一側面では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）が提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する。前述の側面のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の前面および／または裏面から外へ突出する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、メッシュ、布、発泡体、スポンジ、織り合わされた繊維または遮蔽物の重複もしくは積層面によって形成された平面メッシュ、繊維のコイルによって形成されたマットレス、拡張シート、複数の篩、複数のバッフル、または複数のカスケード段階、もしくはそれらの組み合わせである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍである。
【０００５】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、ポリマー、織物、およびガラス繊維から成る群から選択される材料で作製される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出は、繰り返しパターンを有する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出は、相互から等距離である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭは、アニオン交換膜（ＡＥＭ）および／またはカチオン交換膜（ＣＥＭ）である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、アノードからＩＥＭを分離する、カソードからＩＥＭを分離する、別のＩＥＭからＩＥＭを分離する、またはそれらの組み合わせを行うように構成される。
【０００６】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭはさらに、ＩＥＭと統合されるガスケット材料を備える。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、ＩＥＭの縁に統合される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、ＩＥＭの前側、裏側、および両側で統合される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、約０．０１ｍｍ〜５ｍｍの厚さである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、シリコーン、バイトン、ゴム、コルク、フェルト、発泡体、プラスチック、繊維ガラス、可撓性黒鉛、マイカ、またはポリマーで作製される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ポリマーは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、エチレンプロピレン、エチレンプロピレンジエン、ネオプレン、またはウレタンである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、平坦シートまたはコードシートから選択される設計である。
【０００７】
一側面では、
アノードとカソードとの間に電圧を印加するステップと、
アノードをアノード電解質と接触させるステップであって、アノード電解質は、金属イオンを含み、アノードは、低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させる、ステップと、
カソードをカソード電解質と接触させるステップと、
アノード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）と接触させるステップ、および／またはカソード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭと接触させるステップであって、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、ＩＥＭの少なくとも１つの表面から外へ突出する、ステップと、
を含む、電気化学的方法が提供される。
【０００８】
前述の側面のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、剛性をＩＥＭに提供し、付加的セパレータ構成要素の必要性を排除する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、ＩＥＭの前面および／または裏面から外へ突出する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、アノードからＩＥＭを分離する、カソードからＩＥＭを分離する、別のＩＥＭからＩＥＭを分離する、またはそれらの組み合わせである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本方法はさらに、ガスケット材料をＩＥＭに統合するステップを含む。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本方法はさらに、スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、もしくはデジタル印刷によって、ガスケット材料を統合するステップを含む。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭに統合されるガスケット材料は、剛性および強度をＩＥＭに付与し、別個のガスケット構成要素の必要性を排除する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の新規の特徴が、添付の請求項で詳細に記載される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、本発明の原理が利用される例証的実施形態を記載する、以下の発明を実施するための形態、および付随の図面を参照することによって取得され得る。
【００１０】
【図１】図１は、電解槽に関連する、いくつかの実施形態の説明図である。
【００１１】
【図２Ａ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【図２Ｂ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【図２Ｃ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【図２Ｄ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【図２Ｅ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【図２Ｆ】図２Ａ−Ｆは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）に関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【００１２】
【図３】図３Ａ−Ｃは、取り付けられたガスケット材料を伴うＩＥＭに関連する、いくつかの実施形態を図示する。
【００１３】
【図４】図４は、イオノマー膜および内蔵セパレータを伴うＩＥＭを含有する、電気化学セルのいくつかの実施形態の説明図である。
【００１４】
【図５】図５Ａ−Ｃは、ガスケット材料を伴う、または伴わない、膜に取り付けられたセパレータ構成要素に関連する、いくつかの実施形態の説明図である。
【００１５】
【図６】図６は、実施例２に説明される実験に関連するデータである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書では、膜および／または電気化学セルの性能を向上させ得る、イオン交換膜、電気化学システム、ならびに同部品を作製する方法が開示される。
【００１７】
本発明がさらに詳細に説明される前に、本発明は、当然ながら、変動し得る等、説明される特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。また、本発明の範囲が、添付の請求項によってのみ限定されるであろうため、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、限定的であることを意図しないことを理解されたい。
【００１８】
値の範囲が提供される場合、文脈によって別途明示的に示されない限り、下限の単位の１０分の１まで、その範囲の上限と下限との間の各介在値と、その規定範囲内の任意の他の規定値または介在値とが、本発明の範囲内に包含されることを理解されたい。これらのより小範囲の上限および下限は、独立して、そのより小範囲内に含まれてもよく、また、本発明の範囲内に包含されるが、規定範囲内の任意の具体的に除外される極限の制限を受ける。規定範囲が、極限の一方または両方を含む場合、それらの含まれた極限の一方または両方を除外する範囲もまた、本発明に含まれる。
【００１９】
数値を用いて本明細書で提示される、ある範囲は、「およそ」の数値として解釈され得る。「およそ」は、それが先行する正確な数のための文言上のサポート、ならびに用語が先行する数に近い、またはほぼその数である数を提供するものである。数が具体的に記載された数に近いか、またはほぼその数であるかどうかを判定する際に、接近または近似する一方的な数は、それが提示される文脈で、具体的に記載された数の実質的均等物を提供する数であってもよい。
【００２０】
別途定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する当技術分野における当業者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有する。本明細書に説明されるものと類似または同等の任意の方法および材料もまた、本発明の実践または試験で使用されることができるが、代表的例証方法および材料がここで説明される。
【００２１】
本明細書に引用される全ての刊行物および特許は、各個々の刊行物または特許が、参照することによって組み込まれるように具体的かつ個々に示される場合と同様に、参照することによって本明細書に組み込まれ、それと関連して刊行物が引用される方法および／または材料を開示ならびに説明するように、参照することによって本明細書に組み込まれる。任意の刊行物の引用は、出願日前のその開示のものであって、本発明が、先行発明を理由として、そのような刊行物に先行する権限がないという承認として解釈されるべきではない。さらに、提供される刊行物の日付は、実際の公開日と異なり得、独立して確認される必要があり得る。
【００２２】
本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈によって別途明確に示されない限り、複数の参照を含むことに留意されたい。さらに、請求項は、任意の随意要素を除外するように草案され得ることに留意されたい。したがって、本記述は、請求要素の列挙または「負」の制限の使用と関連して、「単に」、「のみ」等の排他的用語の使用のための先行詞としての役割を果たすことが意図される。
【００２３】
本開示の熟読に応じて当業者に明白となるように、本明細書に説明および図示される個々の実施形態はそれぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され得る、またはそれと組み合わせられ得る、個別の構成要素および特徴を有する。任意の列挙される方法は、列挙される事象の順番または論理的に可能である任意の他の順番で実行されることができる。
【００２４】
膜、電気化学システム、および方法
典型的電気化学システムでは、アノードおよびアノード電解質を収納する、アノードチャンバがある。カソードおよびカソード電解質を収納する、カソードチャンバがあり、アノードチャンバおよびカソードチャンバは、イオン交換膜（ＩＥＭ）によって分離される。ＩＥＭは、アノードおよびカソードにおける所望の反応に応じて、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、または両方であってもよい。いくつかの電解槽では、電気化学システムは、第３の電解質を含有する第３のチャンバを中央に作成する、ＡＥＭおよびＣＥＭの両方によって分離される、アノードと、カソードとを含む。これらの構成要素の間で、種々の付加的セパレータ構成要素が、例えば、アノードからＡＥＭ、カソードからＣＥＭ、および／またはＣＥＭからＡＥＭを分離するとともに、機械的完全性を膜に提供するように、提供されてもよい。これらのセパレータ構成要素によって作成される空間はまた、より良好な電流をもたらす電解質流を促進するとともに、反りまたは汚染につながり得る、膜が他の構成要素に触れることを防止する。これらの構成要素に加えて、流体漏出からコンパートメントを密閉するように、かつ圧力が（例えば、フィルタプレス設計における）電気化学セルに印加されるときに構成要素の間の摩擦を防止するように、個々のガスケットフレームが、構成要素の間に提供されてもよい。
【００２５】
例えば、図１は、複数の個々の構成要素を伴う電解槽の断面図を図示する。図１に図示されるように、アノード電極アセンブリとカソード電極アセンブリとの間に、ＩＥＭと、セパレータと、ガスケットとを含む、整合させられる必要があり得る、１０個を超える構成要素があってもよい。図１から、カソード、アノード、ガスケット、セパレータ、膜、および中間チャンバの必要な平面性ならびに平行性を得ることが、どのようにして組立および操作中に顕著な困難を提示し得るかが明白である。電解槽の組立中に、スタッフが、膜の上のセパレータおよび各構成要素の間の適切なガスケット構成要素の位置付けを含む、全てのガスケット構成要素を連続的に位置付けなければならない。そのような組立順序の困難の間でも、最小限の不整合または下向きの摺動が、電極、膜、およびセパレータへの悪影響につながる、電流分布の不均一性をもたらし得るため、垂直位置付け中に下向きに摺動するセパレータの傾向、ならびに構成要素を相互に整合した状態で保つ必要性を含む。また、１つの構成要素の誤作動の場合でさえも、電解槽全体の全ての構成要素が、分解されて再び組み立てられる必要があり、これは、取扱中の付加的損傷につながり得る。
【００２６】
本出願者らは、組み立てやすさだけでなく、セルの構成要素の寿命および性能も向上させる、電気化学セル内の個々のセパレータ構成要素ならびにガスケット構成要素の数を削減する新規の方法を発見した。
【００２７】
本出願者らは、内蔵セパレータが、機械的完全性または補強をＩＥＭに提供するとともに、セル内のＩＥＭと他の構成要素との間に分離空間を作成する二重の目的を果たすように、内蔵セパレータと統合されたイオノマー膜を有する、ＩＥＭを考案した。本構成は、個々の膜およびセパレータ構成要素の必要性を排除するとともに、膜およびセルの性能を向上させる（本明細書の実施例２でも実証される）。
【００２８】
いくつかの実施形態では、本出願者らは、セル内の個々の構成要素の数を削減するため、かつ機械的完全性を構成要素に提供するために、セパレータ構成要素をＩＥＭに取り付ける（本実施形態では、セパレータは、ＩＥＭに内蔵されないが、ＩＥＭに取り付けられる）、および／またはガスケット材料を電気化学セルの１つもしくはそれを上回る構成要素に取り付ける新規の方法を見出した。
【００２９】
イオノマー膜と、内蔵セパレータとを備える、ＩＥＭに関連する、そのような構成の全て、イオン交換膜に取り付けられたセパレータを備える、ＩＥＭ、および電気化学セルの個々の構成要素に取り付けられたガスケット材料が、本明細書の以下で説明されている。
【００３０】
内蔵セパレータを伴うイオン交換膜
一側面では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）が提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する。
【００３１】
イオン交換膜（ＩＥＭ）は、アニオン交換膜（ＡＥＭ）またはカチオン交換膜（ＣＥＭ）であってもよい。本明細書で使用されるような「イオン交換膜」、または「ＩＥＭ」、または「ＡＥＭ」、または「ＣＥＭ」は、イオノマーで作製された伝導性ポリマー膜を含む。ＩＥＭは、伝導性ポリマー膜を横断してイオンを輸送する。アニオン交換膜は、移動アニオンとともに固定カチオン基を含有し、それらは、アニオンの通過を可能にし、カチオンを遮断する。カチオン交換膜は、移動カチオンとともに固定アニオン基を含有し、それらは、カチオンの通過を可能にし、アニオンを遮断する。ＩＥＭの伝導性ポリマー膜は、イオノマーから作製され、本明細書の「イオノマー膜」である。本明細書で使用されるような「イオノマー」は、ポリマー骨格に結合されたイオン化単位を含む、ポリマーを含む。本明細書で使用されるような「内蔵セパレータ」は、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出するように、ＩＥＭを形成するようにイオノマー膜に統合される、もしくは組み込まれる、任意のセパレータを含む。イオノマー膜と統合される内蔵セパレータは、補強または機械的支持をＩＥＭに提供するとともに、内蔵セパレータの突出を介して隣接する構成要素からＩＥＭを分離する。内蔵セパレータはまた、イオノマー膜表面における液体流の混合を増進し、境界層を破壊し、イオノマー膜を横断するイオンの輸送を向上させることによって、溶液抵抗を低減させる（本明細書の以下で詳細に説明される）。本明細書で使用されるような「セパレータ」は、液体流によって容易に横断または浸透されるために好適な任意の多孔質物質を含む。イオノマー膜および内蔵セパレータの実施例が、本明細書で提供されている。
【００３２】
内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭの実施例が、図２Ａ−Ｆで提供される。図２Ａに図示されるＩＥＭ  Ａの断面図は、内蔵セパレータ２と、イオノマー膜４とを備える。イオノマー膜の１つの表面から外へ突出する、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、図２Ａで３として図示されている。図２Ａは、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の片側から外へ突出している、ＩＥＭを図示するが、図２Ｂは、内蔵セパレータ２の１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜４の両側から突出している３、ＩＥＭ  Ｂの断面図を図示する。したがって、上記の側面のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の前面および／または裏面から外へ突出する、ＩＥＭが提供される。図２Ａおよび２Ｂは、例証のためにすぎず、単に、ＩＥＭおよび内蔵セパレータの実施例を表すことを理解されたい。他の設計、突出、および突出の頻度等の内蔵セパレータの他の構成は、変動し得、全てが本発明の範囲内である。
【００３３】
図２Ｃは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜４を備える、（図２Ｂに図示されるような）ＩＥＭの断面図の別の実施例を図示し、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の前面および裏面から外へ突出する３。突出の振幅は、図２Ｄの分解図で図示される。突出の振幅は、イオノマー膜表面から内蔵セパレータの最も遠い露出場所まで測定される（図２Ｄの二重矢印によって示される）。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０７ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０９ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．８ｍｍ〜２ｍｍ、または約１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０７ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０９ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．８ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０７ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０９ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．０７ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．０９ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０４ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０７ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０８ｍｍ〜０．１ｍｍ、または約０．０９ｍｍ〜０．１ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．３ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００３４】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、２つのイオノマー膜表面上の突出の異なる振幅を伴って外へ突出する。いくつかの実施形態では、突出の振幅は、イオノマー膜の頂面および底面の両方の上で同一である。いくつかの実施形態では、突出の振幅は、イオノマー膜の頂面および底面上で異なる。例えば、いくつかの実施形態では、イオノマー膜の頂面からの突出の振幅は、イオノマー膜の底面からの突出の振幅を上回る、またはその逆も同様である。
【００３５】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の波長（またはピッチ）もしくは突出の振幅の波長、すなわち、（図２Ｃに図示されるような）突出の振幅のピーク間値は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍである。突出の振幅は、内蔵セパレータが不織構造を有するときに、突出のピッチを含む。
【００３６】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、織物構造または不織構造であってもよい。例えば、内蔵セパレータは、メッシュ、布、発泡体、スポンジ、織り合わされた繊維または遮蔽物の重複もしくは積層面によって形成された平面メッシュ、繊維のコイルによって形成されたマットレス、拡張シート、複数の篩、複数のバッフル、または複数のカスケード段階、もしくはそれらの組み合わせである。
【００３７】
内蔵セパレータが織物構造である実施形態では、繊維またはシートは、１つの垂直繊維またはシートを通り越し、次いで、別の繊維またはシートの下を通過するにつれて、（上記で波長として記述される）ある種の正弦波経路を辿ってもよい。繊維は、繊維の長さに沿って各最大限および最小限の近傍でイオノマー膜から突出してもよい。内蔵セパレータの織物構造の実施例が、図２Ｃ−２Ｆに図示されている。図２Ｅおよび２Ｆは、それぞれ、内蔵セパレータが織物メッシュ等のメッシュである、内蔵セパレータと統合されたイオノマー膜の背面図および上面図の実施例を図示する。内蔵セパレータが不織構造である実施形態では、実施例は、限定ではないが、発泡体、スポンジ、拡張シート、篩またはバッフルのスタックを含み、不織構造は、（上記でピッチとして記述される）突出特徴の規則的アレイを備えてもよい。内蔵セパレータの不織構造の実施例が、図２Ａ−２Ｂに図示されている。例えば、不織構造内の突出は、拡張シートの開口部の壁であってもよい、または発泡体もしくはエッチングされたバッフルシートのいずれか一方の隣接細孔を分離する壁であってもよい。これらの突出はそれぞれ、ピッチと呼ばれ得る距離によって、その直接隣接する突出から分離される。
【００３８】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、織物または不織構造を有するかどうかにかかわらず、突出の（無作為ではない）繰り返しまたは反復パターンを有する。構造の繰り返しまたは反復パターンは、内蔵セパレータの繰り返し骨格構造で見られることができる。突出の波長またはピッチはまた、内蔵セパレータの突出の繰り返しパターンを反映してもよい。例えば、内蔵セパレータが、図２Ｆに示されるように、メッシュであるとき、メッシュは、突出が相互から等距離であるように、構造への繰り返しまたは反復パターンを有する。同様に、図２Ａまたは２Ｂは、拡張シートの開口部の壁、または発泡体もしくはエッチングされたバッフルシートのいずれか一方の隣接細孔を分離する壁等の不織構造を図示し、突出は、相互から等距離である。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータの本繰り返しまたは反復構造は、突出の間に等距離イオノマー膜をもたらし得る。繰り返しまたは反復パターンに起因する、これらの等距離突出は、ＩＥＭの全長を通して実質的に等しい機械的強度を提供するとともに、セル内の他の構成要素から実質的に等しい距離でＩＥＭ全体を保ってもよい。
【００３９】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の波長（またはピッチ）は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約１ｍｍ〜５０ｍｍ、または約２ｍｍ〜５０ｍｍ、または約５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約１０ｍｍ〜５０ｍｍ、または約１５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約２５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約３５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約４５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜３０ｍｍ、または約１ｍｍ〜３０ｍｍ、または約２ｍｍ〜３０ｍｍ、または約５ｍｍ〜３０ｍｍ、または約１０ｍｍ〜３０ｍｍ、または約１５ｍｍ〜３０ｍｍ、または約２５ｍｍ〜３０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜２５ｍｍ、または約１ｍｍ〜２５ｍｍ、または約２ｍｍ〜２５ｍｍ、または約５ｍｍ〜２５ｍｍ、または約１０ｍｍ〜２５ｍｍ、または約１５ｍｍ〜２５ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１５ｍｍ、または約１ｍｍ〜１５ｍｍ、または約２ｍｍ〜１５ｍｍ、または約５ｍｍ〜１５ｍｍ、または約１０ｍｍ〜１５ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約１ｍｍ〜１０ｍｍ、または約２ｍｍ〜１０ｍｍ、または約５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍ、または約０．６ｍｍ〜５ｍｍ、または約０．８ｍｍ〜５ｍｍ、または約１ｍｍ〜５ｍｍ、または約２ｍｍ〜５ｍｍ、または約３ｍｍ〜５ｍｍ、または約４ｍｍ〜５ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜３ｍｍ、または約０．６ｍｍ〜３ｍｍ、または約０．８ｍｍ〜３ｍｍ、または約１ｍｍ〜３ｍｍ、または約２ｍｍ〜３ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．６ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．８ｍｍ〜２ｍｍ、または約１ｍｍ〜２ｍｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の波長は、約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍ、または約１ｍｍ〜５ｍｍである。
【００４０】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、セルに好適であるような疎水特性または親水特性を有する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、限定されないが、ポリマー、織物、ガラス繊維、および同等物から選択される材料で作製される。セパレータは、例えば、ペルフルオロ化材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐食プラスチック材料であってもよい。ポリマーの他の実施例は、限定ではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、および同等物を含む。
【００４１】
内蔵セパレータは、薄い厚さでさえも高い強度、高いしわ／亀裂抵抗、および／または高い引裂強度を有し得る。内蔵セパレータは、酸、塩基、フリーラジカル、および／または金属イオンに対して実質的に化学的耐性があり得、約５０℃〜２００℃の温度から熱的に、かつ加水分解で安定し得る。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、少なくとも約９０℃の温度に対して熱的に、かつ加水分解で安定し得る。内蔵セパレータはまた、高温および高圧でさえも、機械的性質（引張強度等）、寸法安定性、ならびに（金属イオン、水蒸気、酸素、水素等のガスに対する）障壁性質を保有し得る。
【００４２】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの平均厚さおよびイオノマー膜の平均厚さは、個別に、ＩＥＭの所望の構成に応じて、同一であり得る、または異なり得る。例えば、図２Ａに図示されるＩＥＭは、イオノマー膜および内蔵セパレータの同一の厚さを有してもよいが、内蔵セパレータは、内蔵セパレータがイオノマー膜から外へ突出する１つまたはそれを上回る区分を有するような方法で、イオノマー膜に組み込まれる。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータの平均厚さは、統合されたときに、内蔵セパレータがイオノマー膜から外向きに突出もしくは突起するように、イオノマー膜の平均厚さを上回る（例えば、図２Ｂ）。イオノマー膜と比較して、様々な厚さの内蔵セパレータの実施例が、図２Ｅにも図示されている。内蔵セパレータの厚さがイオノマー膜と同一であるか、または異なるかどうかにかかわらず、２つの統合によって形成されるＩＥＭは、本発明によると、イオノマー膜の頂面および／または底面から突出する内蔵セパレータの１つもしくはそれを上回る区分を常に有するであろう。
【００４３】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本明細書で提供されるＩＥＭ内のイオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍ、または約５０μｍ〜２５０μｍ、または約７５μｍ〜２５０μｍ、または約１００μｍ〜２５０μｍ、または約１５０μｍ〜２５０μｍ、または約２００μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜２００μｍ、または約２０μｍ〜２００μｍ、または約５０μｍ〜２００μｍ、または約７５μｍ〜２００μｍ、または約１００μｍ〜２００μｍ、または約１５０μｍ〜２００μｍ、または約１０μｍ〜１５０μｍ、または約２０μｍ〜１５０μｍ、または約５０μｍ〜１５０μｍ、または約７５μｍ〜１５０μｍ、または約１００μｍ〜１５０μｍ、または約１２５μｍ〜１５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約２０μｍ〜１００μｍ、または約５０μｍ〜１００μｍ、または約７５μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、または約２０μｍ〜５０μｍ、または約２５μｍ〜５０μｍ、または約３０μｍ〜５０μｍ、または約４０μｍ〜５０μｍ、または約１０μｍ〜２５μｍ、または約２０μｍ〜２５μｍ、または約１０μｍ〜２０μｍ、または約１０μｍ〜１５μｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、イオノマー膜の平均厚さは、約２０μｍ〜５０μｍ、または約２５μｍ〜５０μｍ、または約３０μｍ〜５０μｍ、または約４０μｍ〜５０μｍである。
【００４４】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本明細書で提供されるＩＥＭ内の内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ（または０．０２ｍｍ〜２ｍｍ）である。内蔵セパレータが、イオノマー膜の表面から外向きに突起した突出を伴う織物または不織構造である、いくつかの実施形態では、内蔵セパレータが、織物構造を有するときに内蔵セパレータの長さに沿って最大限および最小限を有し、不織構造を有するときに突出の規則的アレイを有するため、内蔵セパレータの厚さは、平均厚さである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜１００μｍ、または約５０μｍ〜１００μｍ、または約７５μｍ〜１００μｍ、または約２０μｍ〜２００μｍ、または約５０μｍ〜２００μｍ、または約１００μｍ〜２００μｍ、または約１５０μｍ〜２００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍ、または約５０μｍ〜２５０μｍ、または約７５μｍ〜２５０μｍ、または約１００μｍ〜２５０μｍ、または約１５０μｍ〜２５０μｍ、または約２００μｍ〜２５０μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約５０μｍ〜５００μｍ、または約１００μｍ〜５００μｍ、または約２５０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜７５０μｍ、または約１００μｍ〜７５０μｍ、または約２５０μｍ〜７５０μｍ、または約５００μｍ〜７５０μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約５０μｍ〜１０００μｍ、または約１００μｍ〜１０００μｍ、または約２５０μｍ〜１０００μｍ、または約５００μｍ〜１０００μｍ、または約７５０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約１００μｍ〜１５００μｍ、または約５００μｍ〜１５００μｍ、または約１０００μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜２０００μｍ、または約１００μｍ〜２０００μｍ、または約２００μｍ〜２０００μｍ、または約５００μｍ〜２０００μｍ、または約１０００μｍ〜２０００μｍ、または約１５００μｍ〜２０００μｍである。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍである。
【００４５】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの構造は、液体流によって容易に横断および／または浸透されるように、十分に開いている、もしくは多孔質である。いくつかの実施形態では、イオノマー膜と、内蔵セパレータとを備える、ＩＥＭは、濃度勾配に依存していない、またはイオノマー膜を横断するイオンの輸送のために拡散律速ではない。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、イオンが対流によってイオノマー膜を横断して輸送され、拡散制御されないように、イオノマー膜表面への液体流のアクセスを促進する。これは、膜を横断するイオンの輸送を大いに増進することができる。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータ上の突出は、液体がＩＥＭの表面を覆って進むにつれて液体流（例えば、陽極液または陰極液もしくは食塩水）の混合を提供し、それによって、イオノマー膜表面におけるイオンの境界層を破壊し、イオンの輸送を向上させる。前述の利点のうちの１つまたはそれを上回るものは、ＩＥＭのスループレーン面積抵抗を低減させる、または最小限にする。前述の利点は、本明細書の実施例２で見られることができる。
【００４６】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜６０％、または約５〜５０％、または約５〜４０％、または約５〜３０％、または約５〜２０％、または約５〜１０％、または約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％、約２０〜７０％、または約２０〜６０％、または約２０〜５０％、または約２０〜４０％、または約２０〜３０％、約５〜２０％、または約１０〜２０％、または約５〜１０％である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％である。例えば、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比が５％である場合には、ＩＥＭの面積の５％は、内蔵セパレータであり、面積の９５％は、イオノマー膜である。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積のより小さい比は、イオノマー膜によって充填されている内蔵セパレータのより大きい細孔またはその中の空間に起因して、より高いイオノマー表面を提供する。例えば、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比が５％である場合、内蔵セパレータは、突出ならびに機械的強度をイオノマー膜に依然として提供しながら、イオノマー膜で充填される、より広い細孔面積（約９５％）を有する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００４９】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、または約２０μｍ〜５０μｍである。
【００５０】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、または約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００５１】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、または約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００５２】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％である。
【００５３】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％であり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００５４】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％であり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００５５】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍである。
【００５６】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％，であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００５７】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００５８】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍである。
【００５９】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００６０】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００６１】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍである。
【００６２】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００６３】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００６４】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％である。
【００６５】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍである。
【００６６】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００６７】
いくつかの実施形態では、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出し、内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約１０〜７０％、または約１０〜６０％、または約１０〜５０％、または約１０〜４０％、または約１０〜３０％、または約１０〜２０％であり、イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、約２０μｍ〜５０μｍであり、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜２ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、突出の振幅の波長は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。
【００６８】
いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるイオノマー膜を含有するＩＥＭは、適宜、電解液を含有する酸性および／または塩基性もしくは金属イオンの中で機能することができるように、選択されてもよい。本明細書で提供されるＩＥＭの他の望ましい特性は、室温から最高１５０℃またはそれより高い温度範囲内の酸性電解液、もしくは類似温度範囲内のアルカリ性溶液中で、高いイオン選択性、低いイオン抵抗、高い破裂強度、および高い安定性を含む。いくつかの実施形態では、ＩＥＭは、陽極液から陰極液へ、または逆も同様の金属イオンの輸送を防止する。いくつかの実施形態では、０℃〜２００℃、０℃〜１５０℃、０℃〜９０℃、または０℃〜８０℃、または０℃〜７０℃、または０℃〜６０℃、または０℃〜５０℃、または０℃〜４０℃、または０℃〜３０℃の範囲内で安定している膜が、使用されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質中で１つもしくは複数の生成物を達成するように、別のカチオンではなく１つのタイプのカチオンの移動、または別のアニオンではなく１つのタイプのアニオンの移動を可能にし得る、イオン特異的イオノマーをＩＥＭで利用することが有用であり得る。いくつかの実施形態では、膜は、上記の温度において、本システム内で所望の時間の長さ、例えば、数日、数週間、または数ヶ月、もしくは数年にわたって安定し、機能的であり得る。
【００６９】
典型的には、膜のオーム抵抗は、アノードおよびカソードにわたる電圧降下に影響を及ぼし得、例えば、膜のオーム抵抗が増加すると、アノードおよびカソードにわたる電圧が上昇し得、逆も同様である。本明細書で提供されるＩＥＭは、比較的低いオーム抵抗ならびに比較的高いイオン移動度を伴う膜、および／または温度とともに増加し、したがって、オーム抵抗を減少させる、比較的高い水和特性を伴う膜を含むが、それらに限定されない。より低いオーム抵抗を伴う膜のためのイオノマーを選択することによって、規定温度におけるアノードおよびカソードにわたる電圧降下は、低下させられることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、イオノマーを通して、酸性基を含むイオンチャネルが散乱させられてもよい。これらのイオンチャネルは、基質の内面から外面まで延在してもよく、酸性基は、水和水として可逆反応において水を容易に結合してもよい。その結果として、イオノマーは、比較的低いオームおよびイオン抵抗を提供するように選択されることができる一方で、内蔵セパレータは、動作温度の範囲にわたって本システム内で向上した強度および抵抗を提供する。
【００７１】
いくつかの実施形態では、電気化学セル内のＣＥＭ等の本明細書で提供されるＩＥＭは、濃縮腐食剤中で最小限の抵抗損失、９０％を上回る選択性、および／または高い安定性を有する膜を含む。いくつかの実施形態では、ＡＥＭ等の本明細書で提供されるＩＥＭは、本発明の方法およびシステムでは、濃縮金属塩陽極液および飽和食塩水流に暴露されてもよい。いくつかの実施形態では、ＡＥＭ内のイオノマーは、中間チャンバから、または（中間チャンバが存在しない場合）陰極液から陽極液への塩化物イオン等の塩イオンの通過を可能にするが、陽極液から中間チャンバまたは陰極液への金属イオン種を拒否する。いくつかの実施形態では、金属塩は、ＭＣｌ＋、ＭＣｌ２−、ＭＣｌ２０、Ｍ２＋等を含むが、それらに限定されない、種々のイオン種（カチオン性、アニオン性、および／または中性）を形成してもよく、そのような錯体がＡＥＭを通過しない、または膜を汚染しないことが望ましくあり得る。
【００７２】
ＣＥＭのためのイオノマーの実施例は、アニオン性基、例えば、スルホン酸および／またはカルボン酸基を含有する、ペルフルオロ化ポリマーを含むカチオン性イオノマーを含むが、それに限定されない。しかしながら、いくつかの実施形態では、電解質の間の具体的カチオンまたはアニオン種の移動を制限する、もしくは可能にする必要性に応じて、例えば、アノード電解質からカソード電解質の中への他のイオンの移動を制限しながら、アノード電解質からカソード電解質の中へのナトリウムイオンの移動を可能にするＣＥＭが、使用されてもよいため、より制限的であり、したがって、別のカチオン種の移動を制限しながら１つのカチオン種の移動を可能にするＣＥＭ内のイオノマーが、使用されてもよいことが理解され得る。同様に、いくつかの実施形態では、電解質の間の具体的アニオン種の移動を制限する、または可能にする必要性に応じて、例えば、カソード電解質からアノード電解質の中への水酸化物イオンの移動を制限しながら、カソード電解質からアノード電解質の中への塩化物イオンの移動を可能にするＡＥＭが、使用されてもよいため、より制限的であり、したがって、別のアニオン種の移動を制限しながら１つのアニオン種の移動を可能にするＡＥＭ内のイオノマーが、使用されてもよい。
【００７３】
いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるＡＥＭは、ＡＥＭが有機物と相互作用しない、および／またはＡＥＭが金属イオンを反応させない、もしくはそれを吸収しないように、有機化合物（アノード電解質中のリガンドまたはハロ炭化水素等の炭化水素、例えば、二塩化エチレン、クロロエタノール等）に実質的に耐性があり得る。いくつかの実施形態では、これは、一例のみとして、有機物または金属イオンとの反応ために利用可能なフリーラジカルもしくはアニオンを含有しないポリマーを使用することによって、達成されてもよい。一例のみとして、ポリマーを含有する、完全に四級化されたアミンが、ＡＥＭとして使用されてもよい。
【００７４】
膜を作製するために使用されるイオノマーは、フィルムにキャスティングされることが容易であり、内蔵セパレータと統合されてもよい。内蔵セパレータと統合されたイオノマー膜を備える、ＩＥＭは、任意の市販の方法によって加工されてもよい。例えば、イオノマーは、好適な溶媒中で可溶化され、好適なセパレータ材料上にフィルムとしてキャスティングされてもよい。溶媒蒸発および乾燥に応じて、内蔵セパレータは、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の頂面および／または底面から外へ突出するように、表面上に、またはセパレータ内にイオノマー膜を係止してもよい。吸収後ステップは、ＩＥＭの張力乾燥、伸張、および加熱プレスを含んでもよい。内蔵セパレータが、機械的および化学的安定性を提供する一方で、イオノマー膜は、高流束イオン交換経路を提供する。
【００７５】
セパレータに取り付けられたイオン交換膜
イオノマー膜と、内蔵セパレータとを備える、ＩＥＭに加えて、セパレータ構成要素が、一例のみとして、融合による、機械的に取り付けられる／結合される、または接着される等の種々の技法を通して、ＩＥＭに取り付けられる、いくつかの実施形態も提供される。結合は、超音波溶接または熱を通した結合を含む。セパレータを膜に取り付けるために使用されることができる任意の他の技法は、十分に本発明の範囲内である。したがって、いくつかの実施形態では、ＩＥＭと、膜に取り付けられたセパレータとを備える、ＩＥＭアセンブリが提供される。ＩＥＭに取り付けられたセパレータの実施例が、図５Ａに図示されている。図５Ａに示されるように、セパレータは、ＩＥＭの１つの表面、またはＩＥＭの前面および裏面の両方に取り付けられてもよい。セパレータのための材料は、内蔵セパレータのための上記で説明される材料と同一である。ＩＥＭもまた、本明細書に説明されている。
【００７６】
いくつかの実施形態では、膜に取り付けられたセパレータは、メッシュ、布、発泡体、スポンジ、織り合わされた繊維または遮蔽物の重複もしくは積層面によって形成された平面メッシュ、繊維のコイルによって形成されたマットレス、拡張シート、複数の篩、複数のバッフル、または複数のカスケード段階、もしくはそのような要素のうちの２つまたはそれを上回るものの組み合わせもしくは並置である。いくつかの実施形態では、セパレータは、セルに好適であるような疎水特性または親水特性を有する。セパレータは、例えば、ペルフルオロ化材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐食プラスチック材料であってもよい。いくつかの実施形態では、セパレータが膜に取り付けられるときのセパレータの厚さは、約０．１ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜２５ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜１５ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．１ｍｍ〜５ｍｍ、または０．１ｍｍ未満である。当業者は、電解質密度、放出される水頭の高さ、および／または必要流体力学的条件に応じて、メッシュもしくは布の好ましい厚さならびに幾何学形状を識別するであろう。
【００７７】
１つまたはそれを上回る構成要素と統合されたガスケット材料
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭ、個々のセパレータ構成要素、内蔵セパレータと統合されたイオノマー膜を備えるＩＥＭ、セパレータに取り付けられたＩＥＭ、構成要素の間のスペーサ、構成要素の間のパーコレータ、中間チャンバ等の電解槽内の個々の構成要素はさらに、構成要素に統合された、または直接取り付けられたガスケット材料を含む。典型的には、電解槽では、ガスケットフレームが、電解槽の構成要素の組立で使用される付加的構成要素であり、ガスケットフレームは、（図１に説明されるように）構成要素の間の流体の漏出および摩擦を防止するために、上記に列挙される個々の構成要素のそれぞれの間に挿入される。本出願者らは、別個のガスケット材料が必要とされないように、構成要素のフレーム領域上に直接、ガスケット材料を統合することによって、複数の構成要素の本問題への独特の解決策を考案した。これは、組立中の構成要素の数を削減し、時間を節約し、取扱中に生じる損傷を低減させる。さらに、構成要素上へのガスケット材料の印刷または取付は、構成要素の剛性および強度を向上させ、高圧条件中にそれらの歪曲を防止することができる。さらに、いくつかの実施形態では、構成要素上のガスケット材料の取付はまた、構成要素の間の摩擦を低減させ、または排除し、コンパートメントのより良好な密閉を提供することができる。いくつかの実施形態では、電気化学構成要素へのガスケット材料の取付は、より良好な流体流のために構成要素の間に十分な間隙またはチャンバを作成してもよい。
【００７８】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、ＩＥＭはさらに、ＩＥＭに取り付けられた、または統合されたガスケット材料を備える。
【００７９】
本明細書で使用されるような「ガスケット」または「ガスケット材料」は、セルの動作前、間、および／または後に、コンパートメントの間、もしくはセルの外側に漏出がない、または最小限の漏出があるように、電気化学セルの構成要素の間に液体および／またはガス障壁を提供する材料を含む。
【００８０】
ＩＥＭが、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備え、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する、ＩＥＭと統合されたガスケット材料の実施例が、図３Ａ−Ｃに図示されている。図３Ａは、イオノマー膜と、内蔵セパレータとを備える、ＩＥＭを図示し、図３Ｂは、縁の上にガスケット材料を伴うＩＥＭを図示する。縁の上のガスケット材料は、例証目的のためにすぎない。限定されないが、縁に沿ったガスケット材料のパッチ、角のみにおけるガスケット材料、上部および底部のみの上のガスケット材料、側面上のガスケット材料、セパレータもしくは膜の前面および／または裏面上のガスケット材料等のガスケット材料の他の構成が、全て本発明の範囲内である。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、（図３Ｂに図示されるように）孔または穿孔等のいかなる構造的切り込みも含有しない。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、（図３Ｃに図示されるように）ボルト孔または穿孔等の構造的切り込みを含有する。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、ＩＥＭの前側、裏側、または両側のいずれかに取り付けられてもよい。
【００８１】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、限定されないが、スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、もしくはデジタル印刷技法等の技法を使用して、構成要素上に印刷されてもよい。これらの技法は、当技術分野で周知である。
【００８２】
ＩＥＭを形成するようにイオノマー膜を内蔵セパレータと統合し、ガスケット材料をＩＥＭと統合することによって、複数の構成要素が排除される、電解槽の実施例が、図４に図示されている。いくつかの構成要素が（上記で説明されるように）組み立てられる必要があった、図１の電解槽と比較して、図４は、ＡＥＭが、イオノマー膜と、内蔵セパレータと、ガスケット材料とを備える、１つのユニットであるため、劇的に減少した数の構成要素を図示する。さらに、ＣＥＭは、ＣＥＭと、ＣＥＭと統合されたガスケット材料とを備える、単一のユニットである。イオノマー膜との内蔵セパレータの統合は、個々のセパレータ構成要素の必要性を排除し、ＩＥＭ上のガスケット材料の統合は、別個のガスケットフレームの必要性を排除する。ＣＥＭは、内蔵セパレータと統合されるように示されていないが、そのような実施形態は、本発明の範囲内であることが理解される。加えて、電気化学セルは、セル内にＡＥＭのみを有してもよい、またはＣＥＭのみを有してもよく、ＡＥＭもしくはＣＥＭは、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える。
【００８３】
本明細書で提供されるＩＥＭと統合されたガスケット材料に加えて、ガスケット材料は、限定されないが、セパレータ、規則的ＩＥＭ、中間チャンバ、スペーサ、パーコレータ等の他の個々の構成要素と統合されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、ＩＥＭと、ガスケット材料とを備える、ＩＥＭアセンブリが提供され、ガスケット材料は、ＩＥＭに直接取り付けられる、または統合される。いくつかの実施形態では、セパレータと、ガスケット材料とを備える、セパレータが提供され、ガスケット材料は、セパレータに直接取り付けられる、または統合される。
【００８４】
いくつかの実施形態では、パーコレータと、ガスケット材料とを備える、パーコレータが提供され、ガスケット材料は、パーコレータに直接取り付けられる、または統合される。典型的には、パーコレータは、液体がそれを通って横断することを可能にする多孔質要素で作製される、電気化学セルで使用される構成要素である。パーコレータは、その場所に応じて、アノード電解質、カソード電解質、および／または食塩水の均等な分布に役立ち得る。パーコレータはまた、機械的支持をアノード、カソード、および／またはイオン交換膜に提供することにも役立ち得る。例えば、パーコレータは、循環液体電解質の閉じ込めに寄与しながら、電気的導通を可能にするよう、ある圧力でアノードおよび／またはカソードに膜が押圧されることに役立ち得る。
【００８５】
いくつかの実施形態では、スペーサと、ガスケット材料とを備える、スペーサが提供され、ガスケット材料は、スペーサに直接取り付けられる、または統合される。スペーサは、多孔質要素で作製され、液体がそれを通って横断することを可能にする、電気化学セルで使用され得る別のタイプの構成要素である。スペーサは、アニオン交換膜およびカチオン交換膜を分離して支持する。いくつかの実施形態では、スペーサは、乱流プロモータであり、向上した電気伝導度のために食塩水を攪拌して摂動するように食塩水中で構成される。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ＡＥＭと、ガスケット材料とを備える、ＡＥＭアセンブリが提供され、ガスケット材料は、ＡＥＭに直接取り付けられる、または統合される。いくつかの実施形態では、ＣＥＭと、ガスケット材料とを備える、ＣＥＭアセンブリが提供され、ガスケット材料は、ＣＥＭに直接取り付けられる、または統合される。
【００８７】
前述の側面および実施形態では、ガスケット材料の構成は、限定されないが、縁に沿ったガスケット材料のパッチ、角のみにおけるガスケット材料等を含み、全て本発明の範囲内である。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、孔または穿孔等のいかなる構造的切り込みも含有しない。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、ボルト孔または穿孔等の構造的切り込みを含有する。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、膜および／またはセパレータの前側、裏側、もしくは両側のいずれか一方で取り付けられてもよい。
【００８８】
図５Ａに示され、上記で説明されるように、いくつかの実施形態では、セパレータは、ＩＥＭの片側、またはＩＥＭの前側および裏側の両方に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、ＩＥＭに取り付けられたセパレータはさらに、ガスケット材料と統合されてもよい。本実施形態は、図５Ｂに図示されている。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、孔または穿孔等のいかなる構造的切り込みも含有しない。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、ボルト孔または穿孔等の構造的切り込みを含有する（図５Ｃ）。
【００８９】
いくつかの実施形態では、ＩＥＭに取り付けられたセパレータ、またはＩＥＭ内の内蔵セパレータは、その場所に応じて、アノード電解質、カソード電解質、および／または食塩水の均等な分布に役立ち得る。セパレータはまた、機械的支持をアノード、カソード、および／またはイオン交換膜に提供することにも役立ち得る。例えば、膜に取り付けられたセパレータは、剛性および強度を膜に提供しながら、電気的導通を可能にするよう、所望の圧力でアノードおよび／またはカソードに膜が押圧されることに役立ち得る。
【００９０】
いくつかの実施形態では、ＩＥＭに取り付けられたセパレータ、またはＩＥＭ内の内蔵セパレータは、結果として生じる動作圧力が電極を氾濫させないが、あらゆる点で等しい圧力を及ぼすように、制御された圧力降下を下降電解質カラムに課すよう設計されてもよい。セパレータに取り付けられたＩＥＭ、または内蔵セパレータを伴うＩＥＭが、アノードおよび／またはカソードならびに／もしくは任意の他の構成要素に押圧され得る、圧力は、０．０１〜２ｋｇ／ｃｍ２、または０．０１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２、または０．０１〜１ｋｇ／ｃｍ２、または０．０１〜０．５ｋｇ／ｃｍ２、または０．０１〜０．０５ｋｇ／ｃｍ２、または０．１〜２ｋｇ／ｃｍ２、または０．１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２、または０．１〜１ｋｇ／ｃｍ２、または０．１〜０．５ｋｇ／ｃｍ２、または０．５〜２ｋｇ／ｃｍ２、または０．５〜１．５ｋｇ／ｃｍ２、または０．５〜１ｋｇ／ｃｍ２、または１〜２ｋｇ／ｃｍ２、または１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２、または１．５〜２ｋｇ／ｃｍ２の範囲内であってもよい。
【００９１】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、中央でＡＥＭおよび／またはＣＥＭに取り付けられ、それによって、ＣＥＭからＡＥＭを分離する中間空間を作成する。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、セパレータと取り付けられたＡＥＭに取り付けられる、または内蔵セパレータと統合される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、セパレータと取り付けられたＣＥＭに取り付けられる、または内蔵セパレータと統合される。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、平坦シートもしくはコードシートから選択される設計において、１つまたはそれを上回る構成要素（ＡＥＭ、ＣＥＭ、セパレータ構成要素、セパレータに取り付けられたＡＥＭ、内蔵セパレータと統合されたＡＥＭ、セパレータに取り付けられたＣＥＭ、内蔵セパレータと統合されたＣＥＭ、パーコレータ、スペーサ、および／または中間チャンバ等）に取り付けられる。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ガスケット材料は、２５〜１５０℃または４０〜１５０℃の温度に耐えることができる。
【００９２】
電気化学システム
別の側面では、上記の構成要素の１つまたはそれを上回る組み合わせを含有する、電気化学システムが提供される。そのような電気化学システムのいくつかの実施形態の一実施例が、図４に図示されている。
【００９３】
一側面では、アノード電解質と接触しているアノードを備える、アノードチャンバと、カソード電解質と接触しているカソードを備える、カソードチャンバと、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）とを備える、電気化学システムが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する。一側面では、アノード電解質と接触しているアノードを備える、アノードチャンバであって、アノード電解質が、金属イオンを含む、アノードチャンバと、カソード電解質と接触しているカソードを備える、カソードチャンバと、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備える、イオン交換膜（ＩＥＭ）とを備える、電気化学システムが提供され、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する。構造の材料およびイオノマー膜の構成、ならびに内蔵セパレータの平均厚さと、突出の振幅の寸法と、突出の振幅の波長またはピッチと、イオノマー膜の平均厚さと、ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積とを含む、内蔵セパレータに関連する、種々の実施形態が、本明細書に説明されており、これらの構成の全ては、前述の電気化学システムに適用可能である。前述の側面において、いくつかの実施形態では、アノードは、低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させるように構成される。例えば、いくつかの実施形態では、アノードは、Ｃｕ（Ｉ）ＣｌからＣｕ（ＩＩ）Ｃｌ２まで銅イオンを酸化させるように構成される。
【００９４】
さらに、一側面では、アノード電解質と接触しているアノードを備える、アノードチャンバと、カソード電解質と接触しているカソードを備える、カソードチャンバと、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、ＡＥＭとＣＥＭとの間の中間チャンバ、セパレータ、ＡＥＭに取り付けられたセパレータ、ＣＥＭに取り付けられたセパレータ、中央でＡＥＭおよびＣＥＭの両方に取り付けられたセパレータ、ＣＥＭに取り付けられたＡＥＭ、内蔵セパレータと統合されたＡＥＭ、内蔵セパレータと統合されたＣＥＭ、パーコレータ、スペーサ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、１つまたはそれを上回る構成要素とを備える、電気化学システムが提供され、１つまたはそれを上回る構成要素は、ガスケット材料と統合される。いくつかの実施形態では、アノード電解質と接触しているアノードを備える、アノードチャンバと、カソード電解質と接触しているカソードを備える、カソードチャンバと、ＡＥＭに取り付けられたセパレータ、ＣＥＭに取り付けられたセパレータ、内蔵セパレータと統合されたＡＥＭ、内蔵セパレータと統合されたＣＥＭ、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、１つまたはそれを上回る構成要素とを備える、電気化学システムが提供され、１つまたはそれを上回る構成要素は、ガスケット材料と統合される。
【００９５】
ガスケット材料の材料、寸法、および設計が、本明細書で詳細に説明されており、ガスケット材料に関連する全ての詳細は、１つまたはそれを上回る構成要素と統合されたこれらのガスケット材料を含有する、電気化学システムに適用可能である。前述の側面のいくつかの実施形態では、アノード電解質は、金属イオンを含み、アノードは、低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させるように構成される。
【００９６】
金属イオンの実施例は、限定ではないが、銅イオン、白金イオン、スズイオン、クロムイオン、鉄イオン等を含む。金属イオンは、金属ハロゲン化物または金属硫酸塩として存在してもよい。
【００９７】
前述のうちのいくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る構成要素は、１つまたはそれを上回る構成要素に直接取り付けられたガスケット材料を備える。電気化学セルまたはシステムが、図１および４に図示されており、セルは、アノードチャンバ内にアノードおよびアノード電解質、カソードチャンバ内にカソードおよびカソード電解質を収納する。２つのチャンバは、ＩＥＭ（取り付けられたセパレータまたは内蔵セパレータを伴う、もしくは伴わない、ＡＥＭまたはＣＥＭ等）、随意の中間チャンバ、および／または独立しているか、もしくはＡＥＭまたはＣＥＭに取り付けられるかのいずれかである、セパレータによって、分離されてもよい。多くのそのような組み合わせが可能であり、本発明の範囲内である。しかしながら、セルが、個別に、内蔵セパレータを伴うＡＥＭ、セパレータが取り付けられたＡＥＭ、内蔵セパレータを伴うＣＥＭ、セパレータが取り付けられたＣＥＭ、セパレータを伴う、または伴わない中間チャンバ、およびガスケット材料を伴う、ならびに伴わない任意の構成要素を有してもよいため、全ての構成要素が、セル内に存在する必要はない。
【００９８】
本明細書で提供される電気化学セルは、ＩＥＭを使用する任意の電気化学セルであってもよい。本発明の構成要素を使用する、電気化学セル内の反応は、塩素アルカリプロセスを含むが、それに限定されない、電気化学セル内で実行される任意の反応であってもよい。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、金属イオンを含有するアノード電解質を有し、アノードは、アノードチャンバ内で低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させる。そのような電気化学セルは、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１２年５月１７日に出願された米国出願公開第２０１２／０２９２１９６号で詳細に説明されている。
【００９９】
本明細書で提供される電気化学セルでは、カソード反応は、カソードチャンバ内でアルカリを形成する、または形成しない任意の反応であってもよい。そのようなカソードは、電子を消費し、水酸化物イオンおよび水素ガスを形成する水の反応、または水酸化物イオンを形成する酸素ガスおよび水の反応、または水素ガスを形成する塩酸等の酸からの陽子の還元、または水を形成する塩酸および酸素ガスからの陽子の反応を含むが、それらに限定されない、任意の反応を実行する。いくつかの実施形態では、電気化学セルは、セルのカソードチャンバ内でアルカリの産生を含んでもよい。
【０１００】
アノードにおいて生成される電子は、カソードにおいて反応を駆動するために使用される。カソード反応は、当技術分野で公知である任意の反応であってもよい。アノードチャンバおよびカソードチャンバは、限定されないが、いくつかの実施形態では、アノード電解質が塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウムである場合はカソード電解質へのナトリウムイオン、またはアノード電解質が塩化アンモニウム等である場合はアンモニウムイオン等のイオン、もしくは金属ハロゲン化物を含有する同等の溶液の通過を可能にし得る、本明細書で提供されるＩＥＭによって分離される。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、ＩＥＭは、カソード電解質が、例えば、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、または硫酸ナトリウム、もしくは同等の溶液である場合に、アノード電解質への、限定されないが、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、または硫酸イオン等のアニオンの通過を可能にする。ナトリウムイオンは、水酸化ナトリウムを形成するように、カソード電解質中の水酸化物イオンと合体する。アニオンは、金属ハロゲン化物または金属硫酸塩を形成するように、アノード電解質中の金属イオンと合体する。
【０１０２】
電気化学セルのいくつかの実施形態では、第３の電解質（例えば、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化アンモニウム、ＨＣｌ、またはそれらの組み合わせ、もしくは同等の溶液）は、（セパレータに取り付けられた、または内蔵セパレータと統合された）ＡＥＭと（セパレータに取り付けられた、または内蔵セパレータと統合された）ＣＥＭとの間に、もしくはＡＥＭとＣＥＭとの間の中間チャンバの中に配置される。第３の電解質からのイオン、例えば、ナトリウムイオンは、カソードチャンバ内で水酸化ナトリウムを形成するようにＣＥＭを通過し、第３の電解質からの塩化物、臭化物、またはヨウ化物イオン等のハロゲン化物アニオン、もしくは硫酸アニオンは、アノードチャンバ内でＨＣｌまたは金属ハロゲン化物もしくは金属硫酸塩のための溶液を形成するようにＡＥＭを通過する。第３の電解質は、イオンの移動後に、枯渇イオン溶液として中央チャンバから引き出されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、第３の電解質が塩化ナトリウム溶液であるとき、次いで、カソード電解質へのナトリウムイオンの移動およびアノード電解質への塩化物イオンの移動後に、枯渇塩化ナトリウム溶液は、中央チャンバから引き出されてもよい。
【０１０３】
本明細書で提供される方法およびシステムにおける電気化学セルは、膜電解槽である。電気化学セルは、単一のセルであってもよい、または直列もしくは並列に接続されたセルのスタックであってもよい。電気化学セルは、直列もしくは並列に接続された５個または６個または５０個または１００個もしくはそれを上回る電解槽のスタックであってもよい。各セルは、図に図示されるように、アノードと、カソードと、イオン交換膜と、随意に、セパレータとを備える。いくつかの実施形態では、本明細書で提供される電解槽は、単極電解槽である。単極電解槽では、電極は、全てのアノードおよび全てのカソードが並列に接続される、並列に接続されてもよい。そのような単極電解槽では、動作は、高いアンペア数および低い電圧で行われる。いくつかの実施形態では、本明細書で提供される電解槽は、双極電解槽である。双極電解槽では、電極は、全てのアノードおよび全てのカソードが直列に接続される、直列に接続されてもよい。そのような双極電解槽は、動作は、低いアンペア数および高い電圧で行われる。いくつかの実施形態では、電解槽は、単極および双極電解槽の組み合わせであり、ハイブリッド電解槽と呼ばれ得る。
【０１０４】
上記で説明されるような双極電解槽のいくつかの実施形態では、セルは、全体的な電解槽を直列に構成して積み重ねられ、２つの方法で電気的に接続される。双極電解槽では、バイポーラプレートと呼ばれる単一のプレートが、カソードおよびアノードの両方のためのベースプレートとしての機能を果たしてもよい。電解質溶液は、セルスタックの内部の共通マニホールドおよびコレクタを通して水圧で接続されてもよい。スタックは、典型的には、フィルタプレス設計と称される、全てのフレームおよびプレートを相互に対して密閉するように、外部から圧縮されてもよい。いくつかの実施形態では、双極電解槽はまた、一連のセルとして設計され、個別に密閉され、典型的には、単一要素設計として公知である、バックトゥバック接触を通して電気的に接続されてもよい。単一要素設計はまた、並列に接続されてもよく、その場合、これは、単極電解槽であろう。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、電気化学システムで使用されるアノードは、腐食安定性基礎支持体を含有してもよい。基礎材料の他の実施例は、ｘが約１．６７〜約１．９に及ぶ、式ＴｉＯｘを有する、マグネリ相準化学量論的酸化チタン等の準化学量論的酸化チタンを含むが、それに限定されない。亜酸化チタンのいくつかの実施例は、限定ではないが、酸化チタンＴｉ４Ｏ７を含む。基礎材料はまた、限定ではないが、ＭｘＴｉ４Ｏ７等のＭｘＴｉｙＯｚ等の金属チタン酸塩も含む。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、アノードは、電気触媒でコーティングされていない。いくつかの実施形態では、（アノードおよび／またはカソードを含む）本明細書に説明される電極は、電気化学的解離、例えば、カソードにおける酸素の還元、またはアノードにおける金属イオンの酸化に役立つための電気触媒を含有する。電気触媒の実施例は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の白金族金属の高度に分散した金属または合金、白金・ロジウム、白金・ルテニウム、金属酸化物と混合されたＰｔＩｒでコーティングされたチタンメッシュ、または亜鉛めっき白金でコーティングされたチタン等のそれらの組み合わせ、限定されないが、ＩｒＯ２等の電気触媒金属酸化物、銀、金、タンタル、炭素、黒鉛、有機金属大環状化合物、および酸素の電気化学的還元もしくは金属の酸化のための当技術分野で周知である他の電気触媒を含むが、それらに限定されない。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明される電極は、多孔質の均質複合構造ならびに異質の層状型複合構造に関し、各層は、氾濫、および３相界面の損失、ならびに結果として生じる電極性能を防止するように、明確に異なる物理および組成構成、例えば、多孔性および導電性基部を有してもよい。
【０１０８】
本明細書で提供されるカソードのうちのいずれかは、上記で説明されるアノードのうちのいずれかと組み合わせて使用されることができる。いくつかの実施形態では、本発明の電気化学システムで使用されるカソードは、水素ガス産生カソードである。いくつかの実施形態では、本発明の電気化学システムで使用されるカソードは、アルカリを形成しない水素ガス産生カソードである。水素ガスは、商業目的で、放出または捕捉され、貯蔵されてもよい。いくつかの実施形態では、本発明の電気化学システム内のカソードは、ガス拡散カソードであってもよい。いくつかの実施形態では、本明細書で使用されるようなガス拡散カソードは、酸素脱分極カソード（ＯＤＣ）である。カソードにおける酸素は、大気または任意の市販の酸素源であってもよい。いくつかの実施形態では、本発明の電気化学システム内のカソードは、水を形成するようにＨＣｌおよび酸素ガスを反応させる、ガス拡散カソードであってもよい。カソードにおける酸素は、大気または任意の市販の酸素源であってもよい。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明される電気化学システムおよび方法における電解質は、１重量％を上回る水を含有する、水媒体を含む。いくつかの実施形態では、水媒体は、１重量％を上回る水、５重量％を上回る水、または５．５重量％を上回る水、または６重量％を上回る水、または２０を上回る重量％水、または２５重量％を上回る水を含む。いくつかの実施形態では、水媒体は、例えば、水溶性有機溶媒等の有機溶媒を含んでもよい。
【０１１０】
本明細書に説明される方法およびシステムのいくつかの実施形態では、アノード電解質中の全金属イオンの量、またはアノード電解質中の銅の量、またはアノード電解質中の鉄の量、またはアノード電解質中のクロムの量、またはアノード電解質中のスズの量、または白金の量は、１〜１２Ｍ、または１〜１１Ｍ、または１〜１０Ｍ、または１〜９Ｍ、または１〜８Ｍ、または１〜７Ｍ、または１〜６Ｍ、または１〜５Ｍ、または１〜４Ｍ、または１〜３Ｍ、または１〜２Ｍである。いくつかの実施形態では、上記で説明されるようなアノード電解質中の全イオンの量は、高酸化状態における金属イオンの量を加えた、低酸化状態における金属イオンの量、または高酸化状態における金属イオンの総量、もしくは低酸化状態における金属イオンの総量である。
【０１１１】
本明細書に説明される方法およびシステムのいくつかの実施形態では、本明細書で提供される電気化学システムおよび方法内のアノード電解質は、４〜７Ｍの範囲内の高酸化状態における金属イオン、０．１〜２Ｍの範囲内の低酸化状態における金属イオン、および１〜３Ｍの範囲内の塩化ナトリウムを含有する。アノード電解質は、随意に、０．０１〜０．１Ｍ塩酸を含有してもよい。本明細書に説明される方法およびシステムのいくつかの実施形態では、アノード電解質は、金属イオンに加えて、別のカチオンを含有してもよい。他のカチオンは、限定されないが、リチウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム等のアルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンを含むが、それらに限定されない。アノード電解質に添加される他のカチオンの量は、０．０１〜５Ｍ、または０．０１〜１Ｍ、または０．０５〜１Ｍ、または０．５〜２Ｍ、または１〜５Ｍであってもよい。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるシステムおよび方法における、陰極液もしくはカソード電解質および／または陽極液もしくはアノード電解質を含む、水性電解質、またはＡＥＭとＣＥＭとの間に配置される第３の電解質は、塩水または淡水を含むが、それらに限定されない。塩水は、海水、食塩水、および／または半塩水を含むが、それらに限定されない。塩水は、淡水以外のいくつかの異なるタイプの水性流体を指すために、その従来の意味で採用され、塩水は、食塩水、ならびに淡水の塩分より高い塩分を有する他の生理食塩水を含むが、それらに限定されない。食塩水は、塩で飽和またはほぼ飽和した水であり、５０ｐｐｔ（千分率）またはそれを上回る塩分を有する。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、塩水等のカソード電解質および／またはアノード電解質ならびに／もしくは第３の電解質を含む、電解質は、１％を上回る塩化物内容物、例えば、ハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化カリウム等を含む、アルカリ金属ハロゲン化物、例えば、１％を上回るＮａＣｌ、または１０％を上回るＮａＣｌ、または５０％を上回るＮａＣｌ、または７０％を上回るＮａＣｌ、または１〜９９％ＮａＣｌ、または１〜７０％ＮａＣｌ、または１〜５０％ＮａＣｌ、または１〜１０％ＮａＣｌ、または１０〜９９％ＮａＣｌ、または１０〜５０％ＮａＣｌ、または２０〜９９％ＮａＣｌ、または２０〜５０％ＮａＣｌ、または３０〜９９％ＮａＣｌ、または３０〜５０％ＮａＣｌ、または４０〜９９％ＮａＣｌ、または４０〜５０％ＮａＣｌ、または５０〜９０％ＮａＣｌ、または６０〜９９％ＮａＣｌ、または７０〜９９％ＮａＣｌ、または８０〜９９％ＮａＣｌ、または９０〜９９％ＮａＣｌ、または９０〜９５％ＮａＣｌを含有する、水を含む。いくつかの実施形態では、上記に記載された割合は、電解質としての塩化アンモニウム、塩化鉄、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、または硫酸ナトリウムに適用される。本明細書に記載される割合は、重量％、または重量／重量％、もしくは重量／体積％を含む。塩化ナトリウムを含有する、本明細書に説明される全ての電気化学システムは、限定されないが、塩化アンモニウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、硫酸ナトリウム、カリウム塩、またはそれらの組み合わせ等の他の好適な電解質と置換され得ることを理解されたい。
【０１１４】
本明細書で使用されるように、「電圧」は、電気化学セル内のアノードとカソードとの間で所望の反応を駆動する、電気化学セルに印加される、またはそこから引き出される、電圧もしくはバイアスを含む。いくつかの実施形態では、所望の反応は、アルカリ性溶液、水、または水素ガスが、カソード電解質内で形成され、金属イオンがアノードにおいて酸化させられるように、アノードとカソードとの間の電子移動であってもよい。いくつかの実施形態では、所望の反応は、高酸化状態における金属イオンが、低酸化状態における金属イオンからアノード電解質内で形成されるように、アノードとカソードとの間の電子移動であってもよい。電圧は、電気化学セルのアノードおよびカソードにわたって電流を印加するための任意の手段によって、電気化学セルに印加されてもよい。そのような手段は、当技術分野で周知であり、限定ではないが、電源、燃料電池、太陽光によって給電されるデバイス、風によって給電されるデバイス、およびそれらの組み合わせ等のデバイスを含む。電流を提供する電源のタイプは、当業者に公知である任意の電源であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、電圧は、セルのアノードおよびカソードを外部直流（ＤＣ）電源に接続することによって印加されてもよい。電源は、ＤＣに整流される交流（ＡＣ）であり得る。ＤＣ電源は、必要量の電圧を電気化学セルに印加するように、調節可能な電圧および電流を有してもよい。
【０１１５】
方法
別の側面では、ＩＥＭ、本明細書に説明される１つまたはそれを上回る構成要素、および／または本明細書で提供される電気化学システムを使用する方法が提供される。
【０１１６】
一側面では、
アノードとカソードとの間に電圧を印加するステップと、
アノードをアノード電解質と接触させるステップと、
カソードをカソード電解質と接触させるステップと、
アノード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備えるＩＥＭと接触させるステップ、および／またはカソード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備えるＩＥＭと接触させるステップであって、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、ＩＥＭの少なくとも１つの表面から外へ突出する、ステップと、
を含む、電気化学的方法が提供される。
【０１１７】
一側面では、
アノードとカソードとの間に電圧を印加するステップと、
アノードをアノード電解質と接触させるステップであって、アノード電解質は、金属イオンを含み、アノードは、低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させる、ステップと、
カソードをカソード電解質と接触させるステップと、
アノード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備えるＩＥＭと接触させるステップ、および／またはカソード電解質を、内蔵セパレータを伴うイオノマー膜を備えるＩＥＭと接触させるステップであって、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、ＩＥＭの少なくとも１つの表面から外へ突出する、ステップと、
を含む、電気化学的方法が提供される。
【０１１８】
前述の側面では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍであり、
突出の振幅の波長（またはピッチ）は、約０．５ｍｍ〜５０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、または約０．５ｍｍ〜５ｍｍであり、
内蔵セパレータの平均厚さは、約２０μｍ〜２０００μｍ、または約２０μｍ〜１５００μｍ、または約２０μｍ〜１０００μｍ、または約２０μｍ〜５００μｍ、または約２０μｍ〜２５０μｍであり、
イオノマー膜の平均厚さは、約１０μｍ〜２５０μｍ、または約１０μｍ〜１００μｍ、または約１０μｍ〜５０μｍ、または約２０μｍ〜５０μｍであり、および／または
ＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積の比は、約５〜７０％、または約５〜５０％、または約５〜３０％、または約１０〜３０％である。
【０１１９】
上記の寸法の任意の組み合わせが、前述の側面に組み込まれてもよい。上記のようないくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、剛性をＩＥＭに提供し、付加的セパレータ構成要素の必要性を排除する。内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分は、ＩＥＭの前面および／または裏面から外へ突出する。
【０１２０】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、突出の振幅は、約０．０１ｍｍ〜１ｍｍである。内蔵セパレータの平均厚さ、突出の振幅、突出の振幅の波長、膜の平均厚さ、およびＩＥＭの公称断面積に対する内蔵セパレータの断面積に関連する、実施形態のうちの１つまたはそれを上回るものは、本明細書で提供される方法に適用可能である。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、内蔵セパレータは、アノードからＩＥＭを分離する、カソードからＩＥＭを分離する、別のＩＥＭからＩＥＭを分離する、またはそれらの組み合わせである。
【０１２１】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本方法はさらに、ガスケット材料をＩＥＭに統合するステップを含む。前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、本方法はさらに、スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、もしくはデジタル印刷によって、ガスケット材料を統合するステップを含む。
【０１２２】
前述の側面および実施形態のいくつかの実施形態では、ＩＥＭに統合されるガスケット材料は、剛性および強度をＩＥＭに付与し、別個のガスケット構成要素の必要性を排除する。
【０１２３】
一側面では、ガスケット材料をイオン交換膜に取り付けるステップを含む、方法が提供され、ガスケット材料は、イオン交換膜に直接取り付けられる、または統合される。一側面では、ガスケット材料をパーコレータに取り付けるステップを含む、方法が提供され、ガスケット材料は、パーコレータに直接取り付けられる、または統合される。一側面では、ガスケット材料をスペーサに取り付けるステップを含む、方法が提供され、ガスケット材料は、スペーサに直接取り付けられる、または統合される。一側面では、ガスケット材料をセパレータに取り付けるステップを含む、方法が提供され、ガスケット材料は、セパレータに直接取り付けられる、または統合される。ガスケット材料、セパレータ、パーコレータ、スペーサ、およびＩＥＭは、上記で詳細に説明されている。
【０１２４】
一側面では、セパレータをイオン交換膜に取り付けるステップを含む、方法が提供される。セパレータは、限定されないが、融合、機械的に取り付けられる、または接着される等の技法を使用して、膜に取り付けられてもよい。セパレータおよびイオン交換膜は、上記で詳細に説明されている。全ての上記の側面では、ガスケット材料は、構成要素の間で使用される個々のガスケット材料の数を最小限にしながら剛性および強度を提供するように、１つまたはそれを上回る構成要素に取り付けられてもよい。限定されないが、スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、デジタル印刷等の種々の技法が、ガスケット材料を膜および／またはセパレータに取り付けるために使用されてもよい。
【０１２５】
したがって、一側面では、
アノードをアノード電解質と接触させるステップと、
カソードをカソード電解質と接触させるステップと、
アノード電解質を、ＡＥＭ、セパレータ、ＡＥＭおよびセパレータの両方、ＡＥＭに取り付けられたセパレータ、またはイオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＡＥＭと接触させるステップと、
カソード電解質を、ＣＥＭ、セパレータ、ＣＥＭおよびセパレータの両方、ＣＥＭに取り付けられたセパレータ、またはイオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＣＥＭと接触させるステップと、
随意に、アノード電解質およびカソード電解質を中間チャンバと接触させるステップと、
ガスケット材料を、ＡＥＭ、ＣＥＭ、セパレータ、ＡＥＭに取り付けられたセパレータ、イオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＡＥＭ、ＣＥＭに取り付けられたセパレータ、イオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＣＥＭ、および／または中間チャンバに取り付けるステップと、
を含む、方法が提供される。
【０１２６】
前述の側面のいくつかの実施形態では、イオノマー膜と、内蔵セパレータとを備える、ＡＥＭまたはＣＥＭは、イオノマー膜の少なくとも１つの表面から外へ突出する、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分を有する。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、スクリーン印刷、超音波溶接または熱を通した結合、浸漬、重合、射出成形、押出加工、３Ｄ印刷、もしくはデジタル印刷によって、ガスケット材料を取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、ガスケット材料を、ＡＥＭ、ＣＥＭ、セパレータ、ＡＥＭに取り付けられたセパレータ、イオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＡＥＭ、ＣＥＭに取り付けられたセパレータ、イオノマー膜ならびに内蔵セパレータを備えるＣＥＭ、および／または中間チャンバの縁に取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、ガスケット材料をＡＥＭに取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、ガスケット材料をＣＥＭに取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、ガスケット材料を中間チャンバに取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法は、ガスケット材料をセパレータに取り付けるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、セパレータを使用してアノードからＡＥＭを分離するステップ、セパレータを使用してカソードからＣＥＭを分離するステップ、ＣＥＭからＡＥＭを分離するステップ、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、アノード電解質は、金属イオンを含み、本方法はさらに、アノードにおいて低酸化状態から高酸化状態まで金属イオンを酸化させるステップを含む。
【０１２７】
以下の実施例は、本発明を作製および使用する方法の完全な開示および説明を当業者に提供するよう提示され、本発明者らが発明と見なすものの範囲を限定することも、以下の実験が行われた全てまたは唯一の実験であることを表すことも意図していない。本明細書に説明されるものに加えて、本発明の種々の修正が、前述の説明および付随の図から当業者に明白となるであろう。そのような修正は、添付の請求項の範囲内に入る。使用される数字（例えば、量、温度等）に関して精度を確実にするように努力されているが、いくつかの実験誤差および偏差が考慮されるはずである。別途指示されない限り、部分は、重量での部分であり、分子量は、重量平均分子量であり、温度は、摂氏温度であり、圧力は、大気圧またはほぼ大気圧である。
【実施例】
【０１２８】
（実施例１）
構成要素およびガスケット材料を伴う電気化学システム
本実施例は、典型的電気化学セル内の構成要素のアセンブリを図示する。電気化学セルは、アノードから層毎に構築された。アノードのフランジを通して挿入されたガイドピンが、各後続の層の整合を可能にした。構築順序は、以下の通りであった。図１に図示されるように、セパレータフレームがアセンブリに含まれた場合、アノードアセンブリの上方にガスケットを追加した。所望に応じて、セパレータフレームを追加した。ガスケットを追加した。ＡＥＭを追加した。ガスケットを追加した（本ガスケットは、一体食塩水間隙セパレータを含み得た）。中間チャンバ／フレームを追加した。ガスケットを追加した。ＣＥＭを追加した。カソードセパレータフレームが利用された場合、ガスケットを追加した。所望に応じて、カソードセパレータフレームを追加した。ガスケットを追加した。カソードを追加した。フランジバーを追加した。密閉されたセルを生成するように、セルフランジをともにボルトで留めた。
【０１２９】
動作時、陽極液は、Ｃｕ１＋がアノードにおいてＣｕ２＋に酸化させられた、ＣｕＣｌ２およびＣｕＣｌ等の混合酸化状態の金属塩であった。カソードにおいて、水が、水酸化物イオンおよび水素ガスを形成するように還元させられた。食塩水が、中間チャンバの中へ送給され、アニオン交換膜を横断して塩化物イオン、カチオン交換膜を横断してナトリウムイオンを移動させることによって、電荷平衡を維持した。
【０１３０】
ガスケット材料を１つまたはそれを上回る構成要素に取り付けること、セパレータをＡＥＭまたはＣＥＭに取り付けること、もしくは内蔵セパレータをＡＥＭまたはＣＥＭに統合すること等の本発明で説明されるように種々の構成要素を取り付ける／統合することによって、電気化学アセンブリに必要とされる構成要素の数は、組み立てやすさ、効率、および費用を向上させるように削減されることができる。
【０１３１】
（実施例２）
イオノマー膜および内蔵セパレータを伴うＩＥＭ
インピーダンス研究が、内蔵セパレータを伴うＡＥＭ膜のスループレーン面積抵抗を測定するように行われた。イオノマー溶液を内蔵セパレータと統合することによって構築された第１のＡＥＭ膜は、イオノマー溶液がＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）織物補強内にキャスティングされる、キャスティング方法によって生成された。第１のＡＥＭ膜は、内蔵セパレータの突出を伴わずに、同一の厚さのイオノマー膜および（ＰＥＴで作製された）内蔵セパレータから成った。（上記と同一のプロセスによって構築された）第２の膜は、内蔵セパレータの１つまたはそれを上回る区分が、イオノマー膜表面から外へ突出しているように、第１の膜と同一の内蔵セパレータを有したが、低減したイオノマー厚さを有した。内蔵セパレータと統合されたＩＥＭのための種々のイオノマー膜厚さが、本明細書に説明されている。
【０１３２】
インピーダンス試験パラメータは、１０ｍＡの直流、５ｍＡの交流、および１００，０００Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数掃引を含んだ。試験溶液は、２５℃の温度における０．５Ｎ  ＮａＣｌであった。
【０１３３】
試験結果は、内蔵セパレータの突出を有していない第１のＡＥＭ膜が、低減したイオノマー膜厚さ（図６）および内蔵セパレータの突出を伴う第２の膜より高いスループレーン面積抵抗を有したことを示した。第２のＡＥＭ膜内のイオノマー膜厚さ層のみを低減させることが、内蔵セパレータの突出区分を介して表面安定性を増進しながら、スループレーン面積抵抗を有意に低下させた。内蔵セパレータの突出はまた、ＡＥＭイオン輸送およびアノード反応の両方から利益を得て、面積抵抗を低減させた、陽極液の徹底的な混合の領域も提供した。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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