(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素を搬出する為の多量の流れによるポンピングコスト等が高くなることを防止できるプロトン交換膜の提供。【解決手段】第１の材料から成る第１の層と第２の層とを有し、プロトン交換膜がさらに、第１の層と第２の層との間に配置された第２の材料から成る第３の層を有し、第１の材料は、３ＭＰａの水素差圧のもとで、最大で９・１０−５ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも０.５Ｓ／ｍの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも１５重量パーセントの吸湿量を有しており、第２の材料は開気孔を有している材料であり、プロトン交換膜１を有する電気化学セルは、プロトン交換膜１の第１の部分では、第１の層は第１の電極２の触媒層と接触しており、第２の層は第２の電極３の触媒層と接触しており、プロトン交換膜１の第２の部分では、第３の層が媒質供給部内に突出しているプロトン交換膜１。【選択図】図３
2016023371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン交換膜（１）であって、
当該プロトン交換膜（１）は、第１の層（１１）と第２の層（１２）と第３の層（１３）とを有しており、
前記第１の層（１１）と第２の層（１２）は第１の材料から成り、
前記第３の層（１３）は、前記第１の層（１１）と前記第２の層（１２）との間に配置されており、かつ、第２の材料から成る、プロトン交換膜において、
前記第１の材料は、３ＭＰａの水素差圧のもとで、最大で９・１０−５ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも０.５Ｓ／ｍの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも１５重量パーセントの吸湿量を有しており、
前記第２の材料は、開気孔を有している材料である、
ことを特徴とするプロトン交換膜（１）。
【請求項２】
前記第１の層（１１）の厚さ（ｄ１１）と前記第２の層（１２）の厚さ（ｄ１２）は、それぞれ５μｍ乃至５０μｍの範囲にあり、前記第３の層（１３）の厚さ（ｄ１３）は、２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にある、請求項１記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項３】
前記第１の材料は、パーフルオロスルホン酸をベースにしたポリマーを含んでいる、請求項１または２記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項４】
前記第２の材料の導電率は、１０−８Ｓ／ｍを下回る、請求項１から３までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項５】
水と前記第２の材料との間の接触角は５°を下回る、請求項１から４までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項６】
前記第２の材料の孔の大きさは算術平均で、１μｍ乃至１００μｍの範囲にある、請求項１から５までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項７】
前記第２の材料の多孔率は、５０％を上回る、請求項１から６までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項８】
前記第２の材料は、高分子発泡体、発泡金属、焼結多孔質材料およびそれらの混合物から成るグループから選択されている、請求項１から７までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項９】
前記第１の層（１１）と前記第３の層（１３）との間に第４の層（１４）が配置されており、前記第２の層（１２）と前記第３の層（１３）との間に第５の層（１５）が配置されており、
前記第４の層（１４）と前記第５の層（１５）はそれぞれ第３の材料から成り、当該第３の材料は、前記第２の材料よりも、算術平均での孔の大きさが小さい開気孔を有する材料である、請求項１から８までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１０】
前記第４の層（１４）の厚さ（ｄ１４）と前記第５の層（１５）の厚さ（ｄ１５）は、それぞれ１０μｍ乃至２００μｍの範囲にあり、前記第３の層（１３）の厚さ（ｄ１３）と、前記第４の層（１４）の厚さ（ｄ１４）と、前記第５の層（１５）の厚さ（ｄ１５）との総計は、２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にある、請求項９記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１１】
前記第３の材料の孔の大きさは算術平均で、１００ｎｍ乃至１０μｍの範囲にある、請求項９または１０記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１２】
前記第３の材料の多孔率は、３５％乃至６５％の範囲にある、請求項９から１１までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１３】
前記複数の材料はそれぞれ、少なくとも０．０３ｋＮ／ｍｍ２の弾性率を有している、請求項１から１２までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１４】
電気化学セルであって、
当該電気化学セルは、請求項１から１３までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）を有しており、
前記プロトン交換膜（１）の第１の部分では、前記第１の層（１）は第１の電極（２）の触媒層（２１）と接触しており、前記第２の層（１２）は第２の電極（３）の触媒層（３１）と接触しており、
前記プロトン交換膜（１）の第２の部分では、前記第３の層（１３）は媒質供給部（４）内に突出している、
ことを特徴とする電気化学セル。
【請求項１５】
前記媒質供給部（４）は、最大で３．５のｐＫｓ値と１０重量パーセント乃至５０重量パーセントの範囲にある濃度とを有する、水で希釈された酸（６）を含んでいる、請求項１４記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、プロトン交換膜に関する。さらに本願は、本願に記載されているプロトン交換膜を含んでいる電気化学セル、殊に電解セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
水電解は、いわゆるスタックの形態で存在するＰＥＭ（プロトン交換膜：Proton Exchange Membrane）電気分解装置において行われる。ＰＥＭ電気分解装置は、一般に二極式の、積層されている複数の電気化学セルから成る。各電気化学セルは、イオンを通す膜によって分けられているアノードとカソードとを一つずつ有している。この膜は、ＰＥＭ電気分解装置の場合には、プロトンを通す。
【０００３】
一般に、電気分解される水はアノード側に供給され、電極面にわたって流れる。この流れは、平行して配置されたまたはメアンダ状に配置された複数の水路によって、または、任意の多孔質構造体を介して分配される。この流れ分配構造体と触媒層との間に、フロー分配構造体が配置されている。このフロー分配構造体は、流れ分配構造体から触媒層へ反応用の水を搬送する、および、水電解時にアノードで生じる酸素を触媒層から流れ分配構造体へ搬送する、および、水電解時に放出された電子を搬送する。搬送による過電圧のためにセル電圧が高くなることなく、ひいては、電気分解装置の効率が低くなることなく、発生した気体の酸素を搬出するために、流れ分配構造体には、化学量論量を越えた（λ）多量の流水が供給されなければならない。ここでは、λ＝１００の値が典型的である。この結果、システム側で高いポンピングコストが発生し、水の準備および処理時にも高いコストが発生する。
【０００４】
アノードの触媒層には直接的に、プロトン透過膜が接する。このプロトン透過膜は、水電解時に生じたプロトンがカソードへ搬送されることを保証する。ここで水電解は、圧力および温度が標準的な状態である場合には、標準水素電極（Normal Hydrogen Elektrode;
ＮＨＥ）に対して１．２３Ｖを上回る電圧で起こる。膜材料としては、主に、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ベースのポリマーが使用される。
【０００５】
カソード側には、水素発生反応を促す、別の触媒層が続く。この触媒層にもフロー分配層が接している。このフロー分配層は、発生した水素ガスを触媒層から導き出すとともに、水素発生反応に必要な電子を供給する。カソードのフロー分配層は、水素を流れ分配構造体内に導く。流れ分配構造体は、アノードの場合と同様に、水路構造体として、または、多孔質構造体として形成され得る。流れ分配構造体は、水素をセルから搬出して、媒質路に供給する。この媒質路は、全てのセルから水素を集めて、最終的に、スタックの外に出す。カソードの流れ分配構造体内には主に、高圧下で気体の水素が搬送されるので、カソードの流れ分配構造体を、アノード側の流れ分配構造体よりも格段に薄く構成することができる。これによって、構築スペースとコストを抑えることができる。
【０００６】
通常は、スタックを冷却するために、電気分解される水が使用される。この水は、アノードの流れ分配構造体を通って流れる。択一的に、あるセルのアノードと、このセルに隣接するセルのカソードとの間に、冷媒が流れる付加的な流れ分配プレートを配置することもできる。冷媒は、例えば水または水とグリコールとの混合物である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願はプロトン交換膜に関し、当該プロトン交換膜は、第１の層と第２の層と第３の層とを有しており、前記第１の層と第２の層は第１の材料から成り、前記第３の層は、前記第１の層と前記第２の層との間に配置されており、かつ、第２の材料から成る。前記第１の材料は、３ＭＰａの水素差圧のもとで、最大で９・１０−５ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも０.５Ｓ／ｍの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも１５重量パーセントの吸湿量を有しており、前記第２の材料は、開気孔を有している材料である。
【０００８】
本願は電気化学セルに関し、当該電気化学セルは上記のプロトン交換膜を有しており、前記プロトン交換膜の第１の部分では、前記第１の層は第１の電極の触媒層と接触しており、前記第２の層は第２の電極の触媒層と接触しており、前記プロトン交換膜の第２の部分では、前記第３の層は媒質供給部内に突出している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願の第１の実施例に即したプロトン交換膜の概略的な断面図
【図２】本願の第１の実施例に即した、電気化学セルのアノードとカソードとの間の、図１に示されたプロトン交換膜装置の概略的な断面図
【図３】図２に示されている、本願の実施例に即した電気化学セル内の構成部分が、どのように媒質供給部と接続されているのかを示す概略的な断面図
【図４】本願の他の実施例に即したプロトン交換膜の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明の開示
本願のプロトン交換膜は、第１の層と、第２の層とを有している。これらの層はそれぞれ、第１の材料から成る。さらに、本願のプロトン交換膜は、第１の層と第２の層との間に配置された第３の層を有している。この第３の層は、第２の材料から成る。第１の材料は、最大で６・１０−９ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度を有している。これは、規格ＩＳＯ９２３７に従って、差圧２００Ｐａのもとで測定されたものである。この水素透過度は、３ＭＰａの水素差圧のもとでの、最大で９・１０−５ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度に相当する。さらに、第１の材料は、３２３Ｋの温度のもとで、少なくとも０．５Ｓ／ｍのプロトン伝導度を有している。このプロトン伝導度は、１Ｍの硫酸内の２つの白金電極から成る測定用セルにおいて、１ｋＨｚの周波数のもとで、小信号範囲（ΔＵ＝２０ｍＶ）でのＡＣ抵抗を測定することによって求められる。測定用セルは一度、セパレータとして第１の材料から成る層が無い状態で動かされ、一度、第１の材料から成る層を有している状態で動かされる。層が有る場合の抵抗と、層が無い場合の抵抗との差は、層の抵抗を表す。膜の厚さが既知である場合には、ここから、プロトン伝導度が計算される。最終的に、第１の材料は、少なくとも１５重量パーセントの吸湿量（吸収された水の質量／第１の材料の乾物量）を有する。この吸湿量は、気圧下で、かつ、２９８Ｋの温度下で、水に１０時間浸した後に、第１の材料から成る層の質量増大分を測定することによって求められる。ここでは、水に浸す前と直後に計量が行われる。第２の材料は、開気孔を有する材料である。
【００１１】
本願の膜構造体によって、ポンプを用いずに、電気分解反応に必要な量の水を提供することが可能になる。水の搬送は自発的に、膜構造体内での毛管力と拡散とを介して行われる。これによって、電気分解装置内で必要な、電解される水のためのポンプを、従来の電気分解装置の場合と比べて約１００分の１の大きさにすることができる。ここでこのポンプは、５μS／ｃｍ、むしろ０．５μS／ｃｍを下回る導電率を有する脱イオン水用に設計されていなければならない。設備が比較的小さい場合、および、中規模の場合には、このポンプを完全に省くことができる。殊に、本願のプロトン交換膜と接続されている媒質供給部の水接続部の管路圧が、必要な体積の水流を提供するのに足りている場合に、ポンプを省くことができる。第１の層の水透過度と第２の層の水素透過度は低いので、本願のプロトン交換膜は、気密性が高い。
【００１２】
第１の層の厚さと第２の層の厚さはそれぞれ有利には５μｍ乃至５０μｍの範囲にあり、特に有利には１０μｍ乃至１８μｍの範囲にあり、極めて有利には８μｍ乃至１８μｍの範囲にある。この厚さは、第１の材料の本願の水素透過度と相まって、本願のプロトン交換膜に高い気密性を付与するのに十分である。
【００１３】
第３の層の厚さは、有利には２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にあり、特に有利には５００μｍ乃至１０００μｍの範囲にある。これによって本願のプロトン交換膜に高い水搬送能力が与えられ、水をプロトン交換膜の近傍に導くためのポンプを、上述したように、従来の電気分解装置の場合よりも格段に小さくすることができる、むしろこのポンプを完全に省くことができる。同時にこのプロトン交換膜は、冒頭に記載されたようなプロトン交換膜において通常の弾性を伴って構成されるのに、十分な薄さを保っている。
【００１４】
第１の材料は有利には、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ベースのポリマーであり、殊に、スルホン化されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。これは、プロトンに対して選択的伝導性であり、同時に、アニオンに対して遮断作用を有している。
【００１５】
第２の材料の導電率は、有利には１０−８Ｓ／ｍを下回る。従って、これは電気的な絶縁体として機能する。従って、第１の層または第２の層が小さい孔を有する場合には、電気化学セル内での本願のプロトン交換膜の使用時に、第３の層が短絡を阻止することができる。
【００１６】
水と第２の材料との間の接触角は、有利には５°を下回り、特に有利には１°を下回る。この結果、水溶液によって、第３の層の内側面は良好に濡れる。接触角は液滴法に従って求められる。このために、第２の材料から成る平坦な層の上に、所定の体積の水滴が（ピペットから）出される。広がった滴が球形キャップの形を有すると仮定し、さらに、既知の液体体積を用いて、広がった滴の直径を静止状態において測定することによって、単なる幾何学的観察から接触角を計算することができる。
【００１７】
第２の材料の孔の大きさは算術平均で、有利には１μｍ乃至１００μｍの範囲にあり、特に有利には１０μｍ乃至５０μｍの範囲にある。このような孔の大きさの範囲においては、５００ｍＡ／ｃｍ２乃至３０００ｍＡ／ｃｍ２、殊に１０００ｍＡ／ｃｍ２乃至２０００ｍＡ／ｃｍ２の、電解セル内で得ようとされている電流密度において、水ないしは水溶液の最大の毛管上昇に達する。これは殊に、２００ｍｍ乃至５００ｍｍの範囲にある。
【００１８】
第２の材料の多孔率は、有利には５０％を上回る。特に有利にはこれは、５０％を超えて８０％までの領域にある。
【００１９】
第２の材料の、本願に記載された有利な物理的特性を容易に実現するために、有利には、第２の材料は高分子発泡体、発泡金属、焼結多孔質材料およびそれらの混合物から成るグループから選択される。適切な高分子発泡体は有利には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、スチレン−アクリロニトリル（ＳＡＮ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＦＤＶ）およびフッ化物−ポリマー−ゴム（ＦＫＭ）から成るグループのうちの一つの材料または複数の材料の組み合わせから成る。これらの高分子発泡体を、殊にセラミック粒子を用いて硬化させることができる。焼結多孔質材料は、殊に粒子焼結物または焼結繊維または切りくずである。
【００２０】
有利には、第１の層と第３の層との間に第４の層が配置されており、第２の層と第３の層との間には第５の層が配置されている。第４の層と第５の層はそれぞれ、第３の材料から成る。第３の材料は、算術平均で、第２の材料と比べて孔の大きさが小さい開気孔を有する材料である。この微細な孔と、この結果生じる強い毛管力とによって、第３の層と第４の層との間ないしは第３の層と第５の層との間で、特に均一な濡れが得られ、ひいては、第１の層および第２の層上で、第３の層によって吸収された電解水の特に均一な分布が得られる。内部に本願のプロトン交換膜が構築されている電気化学セルの電極空間の間に圧力差が存在する場合には、プロトン交換膜は、付加的な第４の層および第５の層によって、より良好に機械的に支持される。なぜなら、第３の材料においては、隣接する孔のブリッジ間の自立領域の長さが、第２の材料の場合よりも短いからである。
【００２１】
特に有利には、第４の層の厚さと第５の層の厚さは、それぞれ１０μｍ乃至２００μｍの範囲にあり、極めて有利には５０μｍ乃至１００μｍの範囲にある。同時に、第３の層の厚さと、第４の層の厚さと、第５の層の厚さとの総計は、特に有利には２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にあり、極めて有利には５００μｍ乃至１０００μｍの範囲にある。これによって、孔が大きい第３の層と孔が小さい第４の層および第５の層との間の厚さの釣り合いがとれ、これによって、第３の層から、第４の層を介した、第１の層への特に良好な水の搬送、および、第３の層から、第５の層を介した、第２の層への特に良好な水の搬送が可能になる。
【００２２】
さらに特に有利には、第３の材料の孔の大きさは算術平均で１００ｎｍ乃至１０μｍの範囲にあり、極めて有利には、１μｍ乃至５μｍの範囲にある。これによって、第２の材料と第３の材料との間の孔の大きさの釣り合いがとれる。これは、より強い毛管力を得るのに有利である。
【００２３】
第３の材料の多孔率は、特に有利には３５％乃至６５％の範囲にあり、極めて有利には４５％乃至５５％の範囲にある。第３の材料のこの多孔率は、第２の材料の多効率と相まって、本願のプロトン交換膜に最適な剛性を与える。
【００２４】
本願のプロトン交換膜に良好な剛性と耐圧性とを与えるために、有利には、材料、すなわち第１の材料、第２の材料および場合によっては第３の材料はそれぞれ、少なくとも０．０３ｋＮ／ｍｍ２の弾性率を有する。この弾性率は、規格ＤＩＮ５３４５７に即して引張試験から求められる。第２の材料および場合によっては第３の材料を殊に、繊維を織り込むことによって堅くすることができる。この繊維は有利には、金属繊維、ポリマー繊維、ガラス繊維、炭素繊維およびこれらの組み合わせから成るグループから選択される。
【００２５】
本願の電気化学セル、殊に電解セルは、本願のプロトン交換膜を有している。このプロトン交換膜の第１の部分では、第１の層は第１の電極の触媒層に接触し、第２の層は第２の電極の触媒層に接触する。プロトン交換膜の第２の部分では、第３の層は媒質供給部内に突出している。酸を用いた水電解に必要な水は、ここでは媒質供給部を介して、さらには、プロトン交換膜の第３の層を介して電気化学セルに供給される。従って従来のように、電極の流れ分配構造体を介す必要はない。これによって、アノード側の水を循環させるために必要であったポンプを省くことができ、エネルギー消費量が削減され、システム全体のエネルギー効率が高まる。本願の電気化学セルでは、プロトン交換膜から蒸発した水だけが、従来の電気化学セルと同様に、電気化学セルのアノードおよびカソードの流れ分配構造体に達する。本願のプロトン交換膜の第１の層と第２の層は気密性が高いので、この電気化学セルを電気分解装置として用いる場合には、僅かな水素しか酸素側に達しない、また、僅かな酸素しか水素側に達しない。
【００２６】
媒質供給部は、有利には、最大で３．５のｐＫｓ値と１０重量パーセント乃至５０重量パーセントの範囲の濃度を有する、水で希釈された酸を含んでいる。特に有利には、この濃度は、２０重量パーセント乃至４０重量パーセントの範囲にある。この酸は特に有利には、硫酸、希硝酸および燐酸から成るグループから選択される。極めて有利なのは、硫酸である。これによって、酸を用いた水電解が実現される。ここでは本願のプロトン交換膜の傑出した濡れが実現されるのと同時に、プロトン交換膜は、使用されている酸に対して耐性を有する。
【００２７】
本願の実施例を図示し、以降の明細書において詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
本願の第１の実施例では、図１に示されているプロトン交換膜１は、第１の層１１と、第２の層１２と、第３の層１３とから成る。第１の層１１と第２の層１２はそれぞれ、ＰＦＳＡをベースにした、スルホン化されたＰＴＦＥから成る（例えば、DuPont de Nemours社（米国）のナフィオン(R)）。第１の層と第２の層はここでは、それぞれ１３μｍである厚さｄ１１、ｄ１２を有している。第１の層１１と第２の層１２との間に第３の層１３が配置されている。第３の層は７５０μｍの厚さｄ１３を有している。第３の層はここでは、開気孔を有するポリプロピレン発泡体から成る。これは、６５％の多孔率と、３０μｍの孔の大きさ（算術平均）とを有する。全ての層１１、１２、１３は電気的絶縁性である。従って、外側の層１１、１２の損傷時にも、プロトン交換膜１の短絡を避けることができる。
【００２９】
電気分解装置の電気化学セル内への組み込みの際に、図２に示されているように、プロトン交換膜１は、第１の電極２と第２の電極３との間に配置される。第１の電極２は以降でアノードとして用いられ、第２の電極３はカソードとして用いられる。第１の電極２は、相互に重なって、触媒層２１と、フロー分配層２２と、流れ分配層２３とを有する。第２の電極３も同様に、相互に重なって、触媒層３１と、フロー分配層３２と、流れ分配層３３とを有する。第１の電極２の触媒層２１は、プロトン交換膜１の長さの一部分にわたって、プロトン交換膜１の第１の層１１と接触するように配置されている。プロトン交換膜１の長さの同一部分にわたって、第２の電極３の触媒層３１は、プロトン交換膜１の第２の層１２と接触する。プロトン交換膜１の、第１の電極２および第２の電極３と接触していない領域は、これら２つの電極２、３から突出している。
【００３０】
図３に示されているように、プロトン交換膜１と、２つの電極２、３とから成るこの装置は、湿気を帯びた部分として構成されている媒質供給部４と次のように接続される。すなわち、プロトン交換膜１がこの媒質供給部４内に突出するように接続される。媒質供給部４と２つの電極２、３との間の封止並びにプロトン交換膜１と２つの電極２、３の外部に対する封止並びに媒質供給部４の外部に対する封止は、非導電性プラスチックから成るシーリングフレーム５によって行われる。酸を用いた水電解用の電解セルとしてこの電気化学セルが動作される場合、媒質供給部４に、３０重量パーセントの硫酸が酸６として充填される。図３において、矢印によって示されているように、酸６は、プロトン交換膜1の第３の層１３内での毛管力によって、この層内へ導き入れられ、プロトン交換膜１の外側の層１１、１２も濡らす。電気分解の経過において、プロトン交換膜１から蒸発した水は、アノード２に達する。アノード側の触媒層２１内では、酸素、プロトンおよび電子への水の酸化が行われる。プロトンは、第１の層１１を通り、第３の層１３内の酸６を通り、さらに、第２の層１２を通って、カソード側の触媒層３１内に搬送される。プロトンはそこで、外部の電流回路（図示されていない）を介して搬送された電子によって気体の水素に変換される。
【００３１】
本願の第１の実施例に即した複数の電解セルは、スタック状に垂直に配置される。ここでこのスタックの全てのプロトン交換膜１は、自身の活性面を越えて、下方にある媒質供給部４の領域内に突出する。
【００３２】
図４に示されている、本願のプロトン交換膜１の第２の実施例では、プロトン交換膜１の第１の層１１と第２の層１２は、それぞれ、本願の第１の実施例における第１の層と第２の層に相当する。第３の層１３の厚さｄ１３は僅か６００μｍである。第１の層１１と第３の層１３との間に、第４の層１４が配置されている。第２の層１２と第３の層１３との間に、第５の層１５が配置されている。第４の層１４の厚さｄ１４と、第５の層１５の厚さｄ１５はそれぞれ７５μｍであり、本願の第２の実施例における第３の層１３と第４の層１４と第５の層１４の厚さの総計は、本願の第１の実施例における第３の層１３の厚さｄ１３に相当する。本願のプロトン交換膜１の第２の実施例における第３の層１３の材料多孔率と孔の大きさ（算術平均）は、第１の実施例における材料多効率と孔の大きさ（算術平均）に相当する。第４の層１４と第５の層１５は、第３の層１３と同じ材料から成る。しかし、この２つの層１４および１５の多孔率は僅か５０％であり、これらの層の孔の大きさ（算術平均）は僅か３μｍである。この結果、第３の層１３と第４の層１４との間、並びに、第３の層１３と第５の層１５との間に強い毛管力が生じ、第１の層１１と第２の層１２は、第３の層１３によって媒質供給部４から吸収された水ないしは水で希釈された酸６によって特に良好に濡れる。
【符号の説明】
【００３３】
１  プロトン交換膜、  ２  第１の電極、  ３  第２の電極、  ４  媒質供給部、  ５  シーリングフレーム、  ６  酸、  １１  第１の層、  １２  第２の層、  １３  第３の層、  １４  第４の層、  １５  第５の層、  ２１  触媒層、  ２２  フロー分配層、  ２３  流れ分配層、  ３１  触媒層、  ３２  フロー分配層、  ３３  流れ分配層
【図１】
2016023371.tif 000003
【図２】
2016023371.tif 000004
【図３】
2016023371.tif 000005
【図４】
2016023371.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月24日(2015.7.24)
【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】
プロトン交換膜（１）であって、
当該プロトン交換膜（１）は、第１の層（１１）と第２の層（１２）と第３の層（１３）とを有しており、
前記第１の層（１１）と第２の層（１２）は第１の材料から成り、
前記第３の層（１３）は、前記第１の層（１１）と前記第２の層（１２）との間に配置されており、かつ、第２の材料から成る、プロトン交換膜において、
前記第１の材料は、３ＭＰａの水素差圧のもとで、最大で９・１０−５ｍ３／ｍ２ｓの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも０.５Ｓ／ｍの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも１５重量パーセントの吸湿量を有しており、
前記第２の材料は、開気孔を有している材料である、
ことを特徴とするプロトン交換膜（１）。
【請求項２】
前記第１の層（１１）の厚さ（ｄ１１）と前記第２の層（１２）の厚さ（ｄ１２）は、それぞれ５μｍ乃至５０μｍの範囲にあり、前記第３の層（１３）の厚さ（ｄ１３）は、２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にある、請求項１記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項３】
前記第１の材料は、パーフルオロスルホン酸をベースにしたポリマーを含んでいる、請求項１または２記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項４】
前記第２の材料の導電率は、１０−８Ｓ／ｍを下回る、請求項１から３までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項５】
水と前記第２の材料との間の接触角は５°を下回る、請求項１から４までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項６】
前記第２の材料の孔の大きさは算術平均で、１μｍ乃至１００μｍの範囲にある、請求項１から５までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項７】
前記第２の材料の多孔率は、５０％を上回る、請求項１から６までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項８】
前記第２の材料は、高分子発泡体、発泡金属、焼結多孔質材料およびそれらの混合物から成るグループから選択されている、請求項１から７までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項９】
前記第１の層（１１）と前記第３の層（１３）との間に第４の層（１４）が配置されており、前記第２の層（１２）と前記第３の層（１３）との間に第５の層（１５）が配置されており、
前記第４の層（１４）と前記第５の層（１５）はそれぞれ第３の材料から成り、当該第３の材料は、前記第２の材料よりも、算術平均での孔の大きさが小さい開気孔を有する材料である、請求項１から８までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１０】
前記第４の層（１４）の厚さ（ｄ１４）と前記第５の層（１５）の厚さ（ｄ１５）は、それぞれ１０μｍ乃至２００μｍの範囲にあり、前記第３の層（１３）の厚さ（ｄ１３）と、前記第４の層（１４）の厚さ（ｄ１４）と、前記第５の層（１５）の厚さ（ｄ１５）との総計は、２５０μｍ乃至２０００μｍの範囲にある、請求項９記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１１】
前記第３の材料の孔の大きさは算術平均で、１００ｎｍ乃至１０μｍの範囲にある、請求項９または１０記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１２】
前記第３の材料の多孔率は、３５％乃至６５％の範囲にある、請求項９から１１までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１３】
前記第１、第２および第３の材料はそれぞれ、少なくとも０．０３ｋＮ／ｍｍ２の弾性率を有している、請求項９から１２までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）。
【請求項１４】
電気化学セルであって、
当該電気化学セルは、請求項１から１３までのいずれか一項記載のプロトン交換膜（１）を有しており、
前記プロトン交換膜（１）の第１の部分では、前記第１の層（１）は第１の電極（２）の触媒層（２１）と接触しており、前記第２の層（１２）は第２の電極（３）の触媒層（３１）と接触しており、
前記プロトン交換膜（１）の第２の部分では、前記第３の層（１３）は媒質供給部（４）内に突出している、
ことを特徴とする電気化学セル。
【請求項１５】
前記媒質供給部（４）は、最大で３．５のｐＫｓ値と１０重量パーセント乃至５０重量パーセントの範囲にある濃度とを有する、水で希釈された酸（６）を含んでいる、請求項１４記載の電気化学セル。