知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ クレイトン・ポリマーズ・ネーデルラント・ベー・フェーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023147271
(43)【公開日】2023-10-12
(54)【発明の名称】選択的透過性バリア層を有する膜電極アセンブリ
(51)【国際特許分類】
C25B 13/08 20060101AFI20231004BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20231004BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20231004BHJP
C25B 9/21 20210101ALI20231004BHJP
C25B 11/032 20210101ALI20231004BHJP
C08J 5/22 20060101ALI20231004BHJP
H01M 8/02 20160101ALN20231004BHJP
H01M 8/1004 20160101ALN20231004BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20231004BHJP
【ＦＩ】
C25B13/08 301
C25B9/23
C25B13/04 301
C25B9/21
C25B11/032
C08J5/22 CES
C08J5/22 CET
H01M8/02
H01M8/1004
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023051638
(22)【出願日】2023-03-28
(31)【優先権主張番号】63/362,080
(32)【優先日】2022-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】523064398
【氏名又は名称】クレイトン・ポリマーズ・ネーデルラント・ベー・フェー
(74)【代理人】
【識別番号】110001173
【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ロジャー・トチェット
(72)【発明者】
【氏名】リー・バーンズ
【テーマコード（参考）】
4F071
4K011
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4F071AA15X
4F071AA20X
4F071AA22X
4F071AA75
4F071AH02
4F071AH15
4F071FA05
4F071FB07
4K011AA12
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB16
4K021DB43
4K021DB53
5H126AA02
5H126GG18
5H126JJ00
5H126JJ05
(57)【要約】
【課題】ＭＥＡと、流体、分子、イオン等の移動を選択的に保持又は制御することを支援する選択的透過性バリア層とを含む、電気化学セルアセンブリを提供すること。
【解決手段】膜電極アセンブリ、及びスルホン化ポリマーを含む選択的透過性バリア層を含む電気化学セルが開示される。選択的透過性バリア層は、少なくとも１つの電極触媒層、例えば、アノード又はカソードに面して配置される。スルホン化ポリマー層は、分離又は後続の使用のために捕獲するために、流体及び／又は他の構成要素の電気化学セルアセンブリ内への又はその外への移動を制御することを支援する。
【選択図】図１
【解決手段】膜電極アセンブリ、及びスルホン化ポリマーを含む選択的透過性バリア層を含む電気化学セルが開示される。選択的透過性バリア層は、少なくとも１つの電極触媒層、例えば、アノード又はカソードに面して配置される。スルホン化ポリマー層は、分離又は後続の使用のために捕獲するために、流体及び／又は他の構成要素の電気化学セルアセンブリ内への又はその外への移動を制御することを支援する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気化学セルアセンブリ（１００）であって、
少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を、第１の構成要素及び第２の構成要素の少なくとも２つの構成要素に分解するための膜電極アセンブリ（１０１）であって、第１の電極触媒層（１０２）と、第２の電極触媒層（１０４）と、該第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜（１１０）とを含む、膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの外部に配置され、前記第１又は第２の電極触媒層に離間して面しているバリア層（１１２）であって、該バリア層が選択的透過性スルホン化ポリマー膜を含み、該スルホン化ポリマーが、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記スルホン化ポリマーが、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する、バリア層と
を含み、
前記バリア層が、該バリア層を前記第１又は第２の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくはフレームによって支持されており、
前記バリア層が、前記第１及び第２の成分並びに前記第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、前記バリア層が、
５：１超の前記第１の成分と前記第２の成分との透過性比、
５：１超の前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との透過性比、及び
５：１超の前記第１又は第２の成分と前記第１又は第２の構成要素との透過性比
の少なくとも１つを有し、前記成分及び前記構成要素の少なくとも１つの流れを制限する、
電気化学セルアセンブリ。
少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を、第１の構成要素及び第２の構成要素の少なくとも２つの構成要素に分解するための膜電極アセンブリ（１０１）であって、第１の電極触媒層（１０２）と、第２の電極触媒層（１０４）と、該第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜（１１０）とを含む、膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの外部に配置され、前記第１又は第２の電極触媒層に離間して面しているバリア層（１１２）であって、該バリア層が選択的透過性スルホン化ポリマー膜を含み、該スルホン化ポリマーが、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記スルホン化ポリマーが、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する、バリア層と
を含み、
前記バリア層が、該バリア層を前記第１又は第２の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくはフレームによって支持されており、
前記バリア層が、前記第１及び第２の成分並びに前記第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、前記バリア層が、
５：１超の前記第１の成分と前記第２の成分との透過性比、
５：１超の前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との透過性比、及び
５：１超の前記第１又は第２の成分と前記第１又は第２の構成要素との透過性比
の少なくとも１つを有し、前記成分及び前記構成要素の少なくとも１つの流れを制限する、
電気化学セルアセンブリ。
【請求項2】
前記スルホン化ポリマー膜が、１０～１００ｍｏｌ％のスルホン化度を有する、請求項１に記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項3】
前記スルホン化ポリマー膜が、０．７５～３．０ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する、請求項１に記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項4】
前記スルホン化ポリマー膜が、Ａ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｂ）ｎ（Ａ）、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎ、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ）ｎＸ、Ａ－Ｄ－Ｂ、Ａ－Ｂ－Ｄ、Ａ－Ｄ－Ｂ－Ｄ－Ａ、Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＡ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＡ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＸ、（Ａ－Ｄ－Ｂ－Ｄ－Ａ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｂ－Ａ）ｎＸ、又はこれらの混合物（式中、ｎは２～３０の整数であり、Ｘはカップリング剤の残基である。）の一般構成を有するスチレン系ブロックコポリマー前駆体のスルホン化によって得られる、スルホン化スチレン系ブロックコポリマーであり、
各ブロックＡが、パラ－メチルスチレン、パラ－エチルスチレン、パラ－ｎ－プロピルスチレン、パラ－イソ－プロピルスチレン、パラ－ｎ－ブチルスチレン、パラ－ｓｅｃ－ブチルスチレン、パラ－イソ－ブチルスチレン、パラ－ｔ－ブチルスチレン、パラ－デシルスチレンの異性体、パラ－ドデシルスチレンの異性体、及びこれらの混合物からなる群から選択される、重合パラ置換スチレンモノマーに由来し、
各ブロックＢが、非置換スチレン、オルト置換スチレン、メタ置換スチレン、アルファーメチルスチレン、１，１－ジフェニルエチレン、１，２－ジフェニルエチレン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合ビニル芳香族モノマーに由来し、
各ブロックＤが、イソプレン、１，３－ブタジエン、２，３－ジメチル－１，３－ブタジエン、１－フェニル－１，３－ブタジエン、１，３－ペンタジエン、１，３－ヘキサジエン、３－ブチル－１，３－オクタジエン、ファルネセン、ミルセン、ピペリレン、シクロヘキサジエン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合共役ジエンモノマーに由来する、
請求項１に記載の電気化学セルアセンブリ。
各ブロックＡが、パラ－メチルスチレン、パラ－エチルスチレン、パラ－ｎ－プロピルスチレン、パラ－イソ－プロピルスチレン、パラ－ｎ－ブチルスチレン、パラ－ｓｅｃ－ブチルスチレン、パラ－イソ－ブチルスチレン、パラ－ｔ－ブチルスチレン、パラ－デシルスチレンの異性体、パラ－ドデシルスチレンの異性体、及びこれらの混合物からなる群から選択される、重合パラ置換スチレンモノマーに由来し、
各ブロックＢが、非置換スチレン、オルト置換スチレン、メタ置換スチレン、アルファーメチルスチレン、１，１－ジフェニルエチレン、１，２－ジフェニルエチレン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合ビニル芳香族モノマーに由来し、
各ブロックＤが、イソプレン、１，３－ブタジエン、２，３－ジメチル－１，３－ブタジエン、１－フェニル－１，３－ブタジエン、１，３－ペンタジエン、１，３－ヘキサジエン、３－ブチル－１，３－オクタジエン、ファルネセン、ミルセン、ピペリレン、シクロヘキサジエン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合共役ジエンモノマーに由来する、
請求項１に記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項5】
前記イオン交換膜が、プロトン交換膜及びアニオン交換膜から選択される、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項6】
前記電気化学セルアセンブリが筐体（６０２、７０２）の外側に位置し、前記バリア層が、前記筐体と流体連通して配置されており、前記筐体から前記第１の電極触媒層への流体の流れを可能にし、少なくとも１種の構成要素の前記第１の電極触媒層から前記筐体への流れを制限している、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項7】
第２のバリア層（２０２、４０２）をさらに含み、前記バリア層、前記膜電極アセンブリ及び前記第２のバリア層が直列に配置され、前記第２のバリア層が、前記第２の電極触媒層に離間して面して配置されている、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項8】
前記膜電極アセンブリがガス拡散層（１２４、１２６）をさらに含む、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項9】
前記膜電極アセンブリに電圧を印加するように構成された電圧印加ユニットをさらに含む、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項10】
給湿、除湿、電気化学的変換、合成、ＣＯ２捕獲、ガススイートニング、電気分解装置、及び燃料電池用途のいずれかにおいて、流体の分離及び回収に使用される、請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項11】
筐体（６０２、７０２）と、
請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ（１００）と
を含む、流体分離アセンブリ（６００、７００）。
請求項１～４のいずれかに記載の電気化学セルアセンブリ（１００）と
を含む、流体分離アセンブリ（６００、７００）。
【請求項12】
除湿装置であり、前記電気化学セル内にバリア層を有さない流体分離アセンブリと比較して、前記筐体内の相対湿度を少なくとも１０％低減し、かつ酸素（Ｏ２）含有量を５％超低減するためのものである、請求項１１に記載の流体分離アセンブリ。
【請求項13】
電気化学セルアセンブリ（１００）であって、
少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を少なくとも２つの構成要素、第１の構成要素及び第２の構成要素に分解するための膜電極アセンブリ（１０１）であって、第１の電極触媒層（１０２）と、第２の電極触媒層（１０４）と、該第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜（１１０）とを含む、膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの外部に配置されている第１のバリア層（１１２）及び第２のバリア層（２０２、４０２）であって、前記第１のバリア層が、前記膜電極アセンブリの前記第１の電極触媒層に離間して面しており、前記第２のバリア層が、前記膜電極アセンブリの前記第２の電極触媒層に離間して面している、第１のバリア層（１１２）及び第２のバリア層（２０２、４０２）と、
を含み、
前記第１のバリア層及び前記第２のバリア層の少なくとも一方が、スルホン化ポリマー膜を含み、該スルホン化ポリマーが、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記スルホン化ポリマーが、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有し、
前記バリア層が、該バリア層を前記第１の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくはフレームによって支持されており、
前記バリア層が、前記第１及び第２の成分並びに前記第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、前記バリア層が、
５：１超の前記第１の成分と前記第２の成分との透過性比、
５：１超の前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との透過性比、及び
５：１超の前記第１又は第２の成分と前記第１又は第２の構成要素との透過性比
の少なくとも１つを有し、前記成分及び前記構成要素の少なくとも１つの流れを制限する、
電気化学セルアセンブリ。
少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を少なくとも２つの構成要素、第１の構成要素及び第２の構成要素に分解するための膜電極アセンブリ（１０１）であって、第１の電極触媒層（１０２）と、第２の電極触媒層（１０４）と、該第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜（１１０）とを含む、膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの外部に配置されている第１のバリア層（１１２）及び第２のバリア層（２０２、４０２）であって、前記第１のバリア層が、前記膜電極アセンブリの前記第１の電極触媒層に離間して面しており、前記第２のバリア層が、前記膜電極アセンブリの前記第２の電極触媒層に離間して面している、第１のバリア層（１１２）及び第２のバリア層（２０２、４０２）と、
を含み、
前記第１のバリア層及び前記第２のバリア層の少なくとも一方が、スルホン化ポリマー膜を含み、該スルホン化ポリマーが、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記スルホン化ポリマーが、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有し、
前記バリア層が、該バリア層を前記第１の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくはフレームによって支持されており、
前記バリア層が、前記第１及び第２の成分並びに前記第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、前記バリア層が、
５：１超の前記第１の成分と前記第２の成分との透過性比、
５：１超の前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との透過性比、及び
５：１超の前記第１又は第２の成分と前記第１又は第２の構成要素との透過性比
の少なくとも１つを有し、前記成分及び前記構成要素の少なくとも１つの流れを制限する、
電気化学セルアセンブリ。
【請求項14】
前記スルホン化ポリマー膜が、１０～１００ｍｏｌ％のスルホン化度を有する、請求項１３に記載の電気化学セルアセンブリ。
【請求項15】
前記スルホン化ポリマー膜が、Ａ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｂ）ｎ（Ａ）、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎ、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ）ｎＸ、Ａ－Ｄ－Ｂ、Ａ－Ｂ－Ｄ、Ａ－Ｄ－Ｂ－Ｄ－Ａ、Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＡ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＡ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＸ、（Ａ－Ｄ－Ｂ－Ｄ－Ａ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｂ－Ａ）ｎＸ、又はこれらの混合物（式中、ｎは２～３０の整数であり、Ｘはカップリング剤の残基である。）の一般構成を有するスチレン系ブロックコポリマー前駆体のスルホン化によって得られる、スルホン化スチレン系ブロックコポリマーであり、
各ブロックＡが、パラ－メチルスチレン、パラ－エチルスチレン、パラ－ｎ－プロピルスチレン、パラ－イソ－プロピルスチレン、パラ－ｎ－ブチルスチレン、パラ－ｓｅｃ－ブチルスチレン、パラ－イソ－ブチルスチレン、パラ－ｔ－ブチルスチレン、パラ－デシルスチレンの異性体、パラ－ドデシルスチレンの異性体、及びこれらの混合物からなる群から選択される、重合パラ置換スチレンモノマーに由来し、
各ブロックＢが、非置換スチレン、オルト置換スチレン、メタ置換スチレン、アルファーメチルスチレン、１，１－ジフェニルエチレン、１，２－ジフェニルエチレン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合ビニル芳香族モノマーに由来し、
各ブロックＤが、イソプレン、１，３－ブタジエン、２，３－ジメチル－１，３－ブタジエン、１－フェニル－１，３－ブタジエン、１，３－ペンタジエン、１，３－ヘキサジエン、３－ブチル－１，３－オクタジエン、ファルネセン、ミルセン、ピペリレン、シクロヘキサジエン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合共役ジエンモノマーに由来する、
請求項１３に記載の電気化学セルアセンブリ。
各ブロックＡが、パラ－メチルスチレン、パラ－エチルスチレン、パラ－ｎ－プロピルスチレン、パラ－イソ－プロピルスチレン、パラ－ｎ－ブチルスチレン、パラ－ｓｅｃ－ブチルスチレン、パラ－イソ－ブチルスチレン、パラ－ｔ－ブチルスチレン、パラ－デシルスチレンの異性体、パラ－ドデシルスチレンの異性体、及びこれらの混合物からなる群から選択される、重合パラ置換スチレンモノマーに由来し、
各ブロックＢが、非置換スチレン、オルト置換スチレン、メタ置換スチレン、アルファーメチルスチレン、１，１－ジフェニルエチレン、１，２－ジフェニルエチレン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合ビニル芳香族モノマーに由来し、
各ブロックＤが、イソプレン、１，３－ブタジエン、２，３－ジメチル－１，３－ブタジエン、１－フェニル－１，３－ブタジエン、１，３－ペンタジエン、１，３－ヘキサジエン、３－ブチル－１，３－オクタジエン、ファルネセン、ミルセン、ピペリレン、シクロヘキサジエン、及びこれらの混合物からなる群から選択される重合共役ジエンモノマーに由来する、
請求項１３に記載の電気化学セルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、膜電極アセンブリ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、及び流体の混合物からのある特定の流体の分離を促進するための選択的透過性バリア層を含む、電気化学セルアセンブリ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｅｌｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）に関する。
【背景技術】
【0002】
膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）は多くの用途、例えば、電気分解装置、固体高分子型燃料電池、水素／酸素空気燃料電池、直接メタノール型燃料電池等に使用されている。ＭＥＡの主要な機能は、電子供与反応（アノード）において遊離した電子の電子受容反応（カソード）へのフローを、効率的に制御することである。これは典型的に、プロトン、例えばＨ＋のみを伝導する膜を使用することにより、カソード反応をアノード反応から分離することによって達成される。
【0003】
典型的な５層ＭＥＡは、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）又はアニオン交換膜（「ＡＥＭ」）、２層の触媒層、並びに任意選択的にガス拡散層、支持フレーム及び他の用途固有の成分から構成される。ＭＥＡは、通常は電力供給の使用を伴い、アノード及びカソードの間の電圧の印加によって機能することができるが、電極供給を伴わずに受動的ＭＥＡとして稼働することもできる。５層ＭＥＡの代替版は３層ＭＥＡであり、３層ＭＥＡは、ＰＥＭ又はＡＥＭ、並びに両側のアノード及びカソードに適用された触媒層から構成される。
【0004】
加水分解反応において、ＭＥＡは、電子のフロー及び方向を制御するために使用され、Ｈ２Ｏを使用してＨ２及びＯ２を生成することができる（加水分解）か、Ｈ２及びＯ２からＨ２Ｏを生成することができる（燃料電池）かのいずれかである。加水分解に加えて、ＭＥＡを使用して他の化合物、例えば、二酸化炭素、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、塩化ナトリウム等を電気化学的に酸化することができる。ＭＥＡはまた、化合物、例えば、アンモニア、メタン、過酸化水素等を電気化学的に合成するために使用することもできる。
【0005】
先行技術のＭＥＡでは、ＭＥＡ中で分離した流体／イオンは、供給流又は他の発生源、例えば筐体に逆流することがあり、空間中の流体／イオンの量が増加するので望ましくないことがある。いくつかの例では、メタノール型燃料電池においてアノード及びカソードの間で起こるように、クロスオーバー汚染が起こることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
そのため、ＭＥＡと、流体、分子、イオン等の移動を選択的に保持又は制御することを支援する選択的透過性バリア層とを含む、電気化学セルアセンブリが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一態様では、電気化学セルアセンブリが開示される。電気化学セルアセンブリは、少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を、第１の構成要素及び第２の構成要素の少なくとも２つの構成要素に分解するための膜電極アセンブリであって、バリア層を含む。膜電極アセンブリは、第１の電極触媒層（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔ ｌａｙｅｒ）と、第２の電極触媒層と、第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜とを含む。バリア層は、膜電極アセンブリの外部にあり、膜電極アセンブリの第１又は第２の電極触媒層に離間して面している。バリア層はスルホン化ポリマー膜を含み、スルホン化ポリマーは、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、スルホン化ポリマーは、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する。バリア層は、バリア層を第１又は第２の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくは、フレームによって支持されている。バリア層は、第１及び第２の成分並びに第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、バリア層は、５：１超の第１の成分と第２の成分との透過性比、５：１超の第１の構成要素と第２の構成要素との透過性比、及び５：１超の第１又は第２の成分と第１又は第２の構成要素との透過性比の少なくとも１つを有し、成分及び構成要素の少なくとも１つの流れを制限する。
【0008】
一態様では、電気化学セルアセンブリが開示される。電気化学セルアセンブリは、少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体を、第１の構成要素及び第２の構成要素の少なくとも２つの構成要素に分解するための膜電極アセンブリであって、並びに第１及び第２のバリア層を含む。膜電極アセンブリは、第１の電極触媒層と、第２の電極触媒層と、第１及び第２の電極触媒層の間に配置されたイオン交換膜とを含む。第１のバリア層及び第２のバリア層は、膜電極アセンブリの外部にあり、膜電極アセンブリの第１又は第２の電極触媒層に離間して面している。バリア層はスルホン化ポリマー膜を含み、スルホン化ポリマーは、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリケトン、スルホン化ポリ（アリーレンエーテル）、及びこれらの混合物から本質的になる群から選択され、スルホン化ポリマーは、少なくとも０．５ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する。バリア層は、バリア層を第１又は第２の電極触媒層から分離するためのスペーサ層若しくはフレームによって支持されている。バリア層は、第１及び第２の成分並びに第１及び第２の構成要素に対して選択的透過性であり、バリア層は、５：１超の第１の成分と第２の成分との透過性比、５：１超の第１の構成要素と第２の構成要素との透過性比及び５：１超の第１又は第２の成分と第１又は第２の構成要素との透過性比の少なくとも１つを有し、成分及び構成要素の少なくとも１つの流れを制限する。
【0009】
筐体、及び筐体と流体連通するように配置され、流体を受け入れる又は筐体に提供するように適合させた電気化学セルアセンブリを含む、流体分離アセンブリ（ｆｌｕｉｄ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ）が開示される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】プロトン交換膜としてのイオン交換膜及びプロトン交換膜としてのバリア層を有する、膜電極アセンブリの模式図である。
【図2】プロトン交換膜としてのイオン交換膜及び２つのバリア層を有する、膜電極アセンブリの模式図である。
【図3】アニオン交換膜としてのイオン交換膜及びプロトン交換膜としてのバリア層を有する、膜電極アセンブリの模式図である。
【図4】アニオン交換膜としてのイオン交換膜及び２つのバリア層を有する、膜電極アセンブリの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本明細書において使用される以下の用語は、以下の意味を有する。
【0012】
「［Ａ、Ｂ及びＣなどの群］の少なくとも１つ」又は「［Ａ、Ｂ及びＣなどの群］のいずれか」は、群の単一のメンバー、群の１つ以上のメンバー又は群のメンバーの組み合わせを意味する。例えば、Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つは、例えば、Ａのみ、Ｂのみ若しくはＣのみ、並びにＡ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、又はＡ、Ｂ及びＣ、又はＡ、Ｂ及びＣの一切の他のすべての組み合わせを含む。
【0013】
「Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、…、Ｘｎ及びこれらの混合物から選択される」は、群の単一のメンバー若しくは群の２つ以上のメンバー、例えば、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、…Ｘｎ、又は群Ｘ１～Ｘｎのいくつか若しくはすべてのメンバーが存在することを意味する。
【0014】
「Ａ、Ｂ又はＣ」として提示される実施形態のリストは、実施形態Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、「Ａ若しくはＢ」、「Ａ若しくはＣ」、「Ｂ若しくはＣ」又は「Ａ、Ｂ若しくはＣ」を含むものとして解釈されるべきである。
【0015】
「分子量」又は「ＭＷ」は、ｇ／ｍｏｌにおける（別段の指示がない限り）、ポリマーブロック又はブロックコポリマーのスチレン当量分子量を指す。ＭＷは、ポリスチレン較正標準を使用したゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）によって測定することができ、例えば、ＡＳＴＭ ５２９６－１９に従って行われる。ＧＰＣ検出器は、紫外線検出器若しくは屈折率検出器又は組み合わせとすることができる。クロマトグラフは、市販のポリスチレン分子量標準を使用して較正される。このように較正されたＧＰＣを使用して測定されるポリマーのＭＷが、スチレン当量分子量又は見かけの分子量である。ここで表されるＭＷは、ＧＰＣ追跡のピークにおいて測定され、通例、スチレン当量「ピーク分子量」と称され、Ｍｐと呼ばれる。
【0016】
「イオン交換膜」又は「ＩＥＭ」は、ある特定の溶存イオンを輸送する一方で、他のイオン又はある特定の中性分子を阻止する半透膜を指す。そのため、イオン交換膜は、電気伝導性であり、電気分解プロセス中に一方の電極から他方の電極にイオンを移動させる。イオン交換膜の例としては、Ｈ＋カチオンを輸送するプロトン交換膜及びＯＨ－アニオンを輸送するアニオン交換膜が挙げられる。
【0017】
「筐体」は、分離、回収又は収集するべき流体を含む成分を含有し、電気化学セルから／へ流入及び流出する流れのための開口を有する、箱、容器などの狭い空間を指す。例示的な筐体としては、ヒュミドール、ワインセラー等が挙げられる。
【0018】
「流体（Ｆｌｕｉｄ」」又は「流体（ｆｌｕｉｄｓ）」は、液体、気体、又は応力若しくは外力の適用下で変形することができる他の材料である。
【0019】
「バリア層」は、ある特定の流体、分子又はイオンに対して選択的に透過性である一方で、他の流体、分子及び／又はイオンの通行を阻止する層又は構造を意味する。
【0020】
「透過性」は、材料を通して流体、分子及び／又はイオンを透過する、材料の能力を意味する。
【0021】
「選択的透過性」は、材料を通してある特定の流体、分子及び／又はイオンを透過する一方で、他のものの通行を阻止／抑制／限定する、材料の能力を意味する。
【0022】
「非透過性」（及び対応する形容詞「非透過性」）は、材料を通して流体又は構成要素（イオン、分子等）の通行を制限／阻止／限定する、又は非常に小さな相対量、０．５％未満、０．１％未満若しくは０．０５％未満若しくは０．０１％未満若しくは０．００１％未満を流れさせる、若しくは事実上何も流れさせない、材料の能力を指す。
【0023】
「透過性比」は、２種の異なる流体、分子及び／又はイオンに対する材料の透過性を比較した比であり、例えば２種の流体、すなわち、透過性の流体、及び透過性でない又は非透過性である第２の流体に対するバリア層の透過性比である。
【0024】
「電極触媒層」は、電気伝導性要素として機能する層であり、銅、アルミニウム、亜鉛、チタン、白金、金、インジウム、銀、ニッケル、黄銅、鉄などの金属及び他の金属、又は任意の他の電気伝導性要素から作製することができ、電極触媒層が電力供給源、例えば電池の端子に接続されている場合、電気分解反応時に電極、すなわちアノード又はカソードとして動作する。電極触媒層は、金属自体とすることもでき、触媒によって被覆された電気伝導性材料とすることもできる。電極触媒層は、ガス拡散層を含むことができる。
【0025】
「ガス拡散層」又は「ＧＤＬ」は、電極表面における、反応性の流体、分子及び／又はイオンの一様な拡散を増進し、外部電気回路への又は回路からの電子の輸送を促進する層である。ＧＤＬはまた、ＭＥＡアセンブリ技法に応じて、電極アセンブリにおける触媒含浸のための足場材料としても使用され得る。実施形態では、ガス拡散層は、炭素繊維をカーボンクロスに織り込むことによって、又は炭素繊維を一緒に圧縮してカーボンペーパーにすることによって作製された多孔質層であるが、多孔質の電気伝導性材料の形態、例えば、炭素繊維ペーパー、炭素繊維織布、炭素繊維布、金属又は合金のスクリーン、金属又は合金のネット及び金属化繊維布等であってもよい。
【0026】
「アノード」は、酸化反応が起こる電極であり、正電荷を有する。したがって、負に帯電したイオンは、電気分解反応中にアノードに向かって移動する。
【0027】
「カソード」は、還元反応が起こる電極であり、負電荷を有する。したがって、正に帯電したイオンは、電気分解反応中にカソードに向かって移動する。
【0028】
「構成要素」は、ＭＥＡにおいて処理／分離されたプロトン、電子又は流体の分子を指す。例えば、ＭＥＡにおいて、水は構成要素Ｈ２及びＯ２に分解される。
【0029】
「イオン交換容量」又はＩＥＣは、ポリマー中のイオン交換を担う全活性サイト又は官能基を指す。従来の酸塩基滴定法、例えば、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ、３９巻、１０号、２０１４年３月２６日、５０５４～５０６２頁、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ａｎｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ」を使用して、ＩＥＣを決定することができる。ＩＥＣは「当量」又はＥＷの逆数であり、ＥＷは、１モルの交換性プロトンを提供するために必要なポリマーの重量である。
【0030】
本開示は、膜電極アセンブリ及び選択的透過性スルホン化ポリマーバリア層を含む、電気化学セルアセンブリに関する。スルホン化ポリマーバリア層は、膜電極アセンブリの電極触媒層の少なくとも１つに面して配置される。スルホン化ポリマーバリア層は、分離又は後続の使用のために捕獲するために、流体、分子及び／又はイオンのＭＥＡ内への又はＭＥＡ外への移動を制御することを支援する。
【0031】
選択的透過性バリア層
電気化学セルアセンブリは、下記のスルホン化ポリマーを含む、又はスルホン化ポリマーから本質的になる、又はスルホン化ポリマーからなる、バリア層を含む。バリア層は、電極触媒層がイオン交換膜との間に配置され、バリア層及び電極触媒層の間に間隙を規定するように、膜電極アセンブリの電極触媒層の少なくとも１つに面して配置される。
電気化学セルアセンブリは、下記のスルホン化ポリマーを含む、又はスルホン化ポリマーから本質的になる、又はスルホン化ポリマーからなる、バリア層を含む。バリア層は、電極触媒層がイオン交換膜との間に配置され、バリア層及び電極触媒層の間に間隙を規定するように、膜電極アセンブリの電極触媒層の少なくとも１つに面して配置される。
【0032】
実施形態では、バリア層は、少なくとも第１の成分及び第２の成分を含有する流体の供給流に対して選択的透過性であり、第１及び第２の成分の１つを、間隙及び第１の電極触媒層まで通過させる。
【0033】
実施形態では、バリア層はある特定の流体が、間隙及び第１の電極触媒層まで通過させることを可能にし、ここで、流体が構成要素、例えば第１の構成要素及び第２の構成要素に還元される／分離する。実施形態では、バリア層は、流体の第１及び第２の構成要素の少なくとも１つに対して非透過性であり、供給又は筐体への逆流を防止する。構成要素は、間隙を通って漏出することができ、又は貯蔵のために捕獲することができる。
【0034】
別の実施形態では、バリア層は、第２の電極触媒層に隣接しており、透過性の流体及び／又は構成要素を通過させる一方で、後に捕獲又は放出するために、バリア層に対して非透過性の流体及び／又は構成要素を捕捉する。
【0035】
実施形態では、バリア層は、供給流中の成分又はその構成要素に対して選択的透過性であり、１５００：１超又は１０００：１超又は５００：１超又は２５０：１超又は１００：１超又は２０：１超又は１５：１超又は１０：１超又は５：１超の第１の成分と第２の成分との（又は第１の構成要素と第２の構成要素との）浸透性比を有し、これに対応して、１５００：１超又は１０００：１超又は５００：１超又は２５０：１超又は１００：１超又は２０：１超又は１５：１超又は１０：１超又は５：１超の比に向けて、第１の成分のフローを第２の成分に対して（又は第１の構成要素のフローを第２の構成要素に対して）より多くする。
【0036】
実施形態では、電気化学セルアセンブリが１つのバリア層のみを含む場合、バリア層は、スルホン化ポリマー、例えばスルホン化ブロックコポリマーを含む、又はこれから本質的になる、又はこれからなる。実施形態では、電気化学セルアセンブリが１つ以上のバリア層を含む場合、バリア層の少なくとも１つは、スルホン化ポリマーを含む、又はスルホン化ポリマーから本質的になる、又はスルホン化ポリマーからなる。バリア層は、バリアの選択性及び透過性、並びに所望の分離及び／又は電気化学セルアセンブリの用途に応じて、ＭＥＡのいずれかの側に（第１の電極触媒層又は第２の電極触媒層に）配置することができる。
【0037】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリマーの好適な溶媒中溶液を調製し、次いで、スルホン化ポリマー溶液をキャストしてフィルムを形成することによって形成されたフィルムである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、スペーサ材料に直接キャストされる。
【0038】
スルホン化ポリマーフィルムは、フレームに結合させる又は組み込むことができる。スルホン化ポリマーフィルムは、接着剤、ねじ又は他の機械的手段によって、フレームの端部周辺の箇所に保持することができる。フレームは、熱的又は機械的に形成することができ、好ましくは、硬質、半硬質又は実質的に硬質である。ここで使用される場合、硬質、半硬質又は実質的に硬質なフレームは、自重のもとで形状を維持することができる材料又は構造を含むフレームである。好適なフレーム材料としては、繊維ガラス、アルミニウム、炭素、又はポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ピリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、スチレン／アクリロニトリル／ブタジエンコポリマー、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、アラミド系ポリマー性繊維、金属、合金、セルロース、硝酸セルロース、酢酸セルロース及びこれらの組み合わせをベースとする硬質ポリマーが挙げられる。
【0039】
実施形態では、バリアは、スルホン化ポリマー、及び織布又は不織布の多孔質スペーサ材料を含有する複合層を含む。多孔質スペーサ材料の例としては、リネン繊維、アクリル系繊維、ビニロン、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン（ＰＥ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）繊維、ポリアクリレート繊維、ポリビニルアルコール繊維、ベンズアゾール繊維、ポリ（パラ－フェニレン）ベンゾビスオキサゾール繊維、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維、これらの混合物が挙げられる。実施形態では、多孔質スペーサ材料は、ポリエチレン／ＰＥＴ二成分不織布に熱的に結合された、微孔質ポリエチレンフィルムである。
【0040】
複合層は、スルホン化ポリマーの好適な溶媒中溶液を調製することによって、スルホン化ポリマーを多孔質スペーサ材料に塗布することによって形成することができるが、このとき、スルホン化ポリマー溶液を多孔質スペーサ材料にキャストして、キャスティングナイフを用いてフィルムの厚さを調整し、続いて乾燥させることによって形成することができる。実施形態では、スルホン化ポリマーは、多孔質スペーサ材料上でスルホン化ポリマーをスロットダイコーティング、ロール式ナイフコーティング、マイクログラビアコーティング、スプレーコーティング又はディップコーティングすることを含むが、これらに限定されない方法によって、多孔質スペーサ材料を被覆させる。複数の被覆を順次塗布することもできる。
【0041】
実施形態では、スルホン化ポリマーをキャストしてフィルムにする場合、フィルム厚さは、０．００５～２００μｍ若しくは０．００５～１００μｍ若しくは０．００５～５０μｍ若しくは０．００５～２５μｍ若しくは０．００５～２０μｍ若しくは０．０１～１５μｍ、０．０１～１０μｍ、又は０．００１μｍ超若しくは０．００５μｍ超、又は２００μｍ未満若しくは１００μｍ未満若しくは５０μｍ未満若しくは４０μｍ未満若しくは３０μｍ未満若しくは２５μｍ未満である。
【0042】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、０．００５～２００μｍ若しくは０．００５～１００μｍ若しくは０．００５～５０μｍ若しくは０．００５～２５μｍ若しくは０．００５～２０μｍ若しくは０．０１～１５μｍ、０．０１～１０μｍ、又は０．００１μｍ超若しくは０．００５μｍ超、又は２００μｍ未満若しくは１００μｍ未満若しくは５０μｍ未満若しくは４０μｍ未満若しくは３０μｍ未満若しくは２５μｍ未満の厚さで、スペーサ材料を被覆させる。
【0043】
実施形態では、多孔質スペーサ材料又はフレームは、バリア層のスルホン化ポリマーを隣接する電極触媒層から、少なくとも０．３ｎｍ、又は０．５ｎｍ超若しくは１ｎｍ超、又は１５０μｍ未満若しくは１２５未満若しくは１１５μｍ未満の空間だけ隔てる。
【0044】
スルホン化ポリマー
バリア層は、スルホン化ポリマーを含む、スルホン化ポリマーから本質的になる、又はスルホン化ポリマーからなる。スルホン化ポリマーは、スルホネート基、例えば－ＳＯ３を、酸形態（例えば－ＳＯ３Ｈ、スルホン酸）又は塩形態（例えば－ＳＯ３Ｎａ）のいずれかで有するポリマーを指す。「スルホン化ポリマー」という用語は、スルホネート含有ポリマー、例えばポリスチレンスルホネートも含む。
バリア層は、スルホン化ポリマーを含む、スルホン化ポリマーから本質的になる、又はスルホン化ポリマーからなる。スルホン化ポリマーは、スルホネート基、例えば－ＳＯ３を、酸形態（例えば－ＳＯ３Ｈ、スルホン酸）又は塩形態（例えば－ＳＯ３Ｎａ）のいずれかで有するポリマーを指す。「スルホン化ポリマー」という用語は、スルホネート含有ポリマー、例えばポリスチレンスルホネートも含む。
【0045】
スルホン化ポリマーは、スルホン化ブロックコポリマー、ペルフルオロスルホン酸ポリマー（例えばスルホン化テトラフルオロエチレン）、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリアミド、スルホン化ポリエステル、ポリスチレンスルホネート、スルホン化ポリオレフィン、スルホン化ポリスルホン、例えばポリエーテルスルホン、スルホン化ポリケトン、例えばポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリフェニレンエーテル及びこれらの混合物の群から選択される。
【0046】
スルホン化ポリマーは、十分に又は選択的にスルホン化されており、スルホン化されるモノマー単位又はブロックの数を基準として、１０～１００ｍｏｌ％のスルホン酸又はスルホネート塩官能基を含有するもの（スルホン化度）として特徴付けられる。実施形態では、スルホン化ポリマーは、少なくとも１０ｍｏｌ％、又は１５ｍｏｌ％超若しくは２０ｍｏｌ％超若しくは２５ｍｏｌ％超若しくは３０ｍｏｌ％超若しくは４０ｍｏｌ％超若しくは５０ｍｏｌ％超若しくは６０ｍｏｌ％超若しくは７０ｍｏｌ％超若しくは８０ｍｏｌ％超若しくは９０ｍｏｌ％超若しくは９９ｍｏｌ％超、又は１０～１００若しくは２０～９０若しくは３～８０ｍｏｌ％のスルホン化度を有する。スルホン化度は、ＮＭＲ又はイオン交換容量（ＩＥＣ）によって計算することができる。実施形態では、スルホン化ポリマーは、少なくとも０．５、又は０．７５超若しくは１．０超若しくは１．５超若しくは２．０超若しくは２．５超、又は５．０未満、又は０．５～３．５、０．７５～３．０若しくは０．５～２．６ｍｅｑ／ｇのイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する。
【0047】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）骨格を有する、スルホン化テトラフルオロエチレン；（２）クラスタ領域においてスルホン酸基で末端をなすビニルエーテル（例えば－Ｏ－ＣＦ２－ＣＦ－Ｏ－ＣＦ２－ＣＦ２－）の側鎖である。
【0048】
実施形態では、スルホン化ポリマーはポリスチレンスルホネートであり、例としては、２０，０００～１，０００，０００ダルトン、又は２５，０００ダルトン超若しくは４０，０００ダルトン超若しくは５０，０００ダルトン超若しくは７５，０００ダルトン超若しくは１００，０００ダルトン超若しくは４００，０００ダルトン超、又は２００，０００ダルトン未満若しくは８００，０００ダルトン未満、又は最大１，５００，０００ダルトンの分子量を有する、ポリスチレンスルホン酸カリウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム及びポリスチレンスルホン酸カリウムのコポリマー（例えば、ポリスチレンスルホネートコポリマー）が挙げられる。ポリスチレンスルホネートポリマーは、架橋又は非架橋のいずれであってもよい。実施形態では、ポリスチレンスルホネートポリマーは、非架橋であり、水溶性である。
【0049】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、芳香族ポリスルホン、ポリフェニレンスルホン、芳香族ポリエーテルスルホン、ジクロロジフェノキシスルホン、スルホン化置換ポリスルホンポリマー及びこれらの混合物の群から選択されるポリスルホンである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリエーテルスルホンコポリマーであり、これは、ヒドロキノン２－カリウムスルホネート（ＨＰＳ）などのスルホネート塩、を含む反応物質を、他のモノマー、例えばビスフェノールＡ及び４－フルオロフェニルスルホンとともに作製することができる。ポリマーにおけるスルホン化度は、ポリマー骨格中のＨＰＳ単位の量によって制御することができる。
【0050】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリエーテルケトンである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）をスルホン化することによって得られる、スルホン化ポリエーテルケトンケトン（ＳＰＥＫＫ）である。ポリエーテルケトンケトンは、ジフェニルエーテル及びベンゼンジカルボン酸誘導体を使用して製造することができる。スルホン化ＰＥＫＫは、例えば、基材を被覆するため又はスプレー用途における後続の使用のために、アルコール及び／又は水溶性生成物として利用することができる。
【0051】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、ペンダントスルホン酸基を含有するスルホン化ポリ（アリーレンエーテル）コポリマーである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリフェニレンオキシドと通例称される、スルホン化ポリ（２，６－ジメチル－１，４－フェニレンオキシド）である。実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリ（４－フェノキシベンゾイル１，４－フェニレン）（Ｓ－ＰＰＢＰ）である。実施形態では、スルホン化ポリマーは、ポリマー反復当たり２～６つのペンダントスルホン酸基を有し、０．５ｍｅｑ（ＳＯ３Ｈ）／ｇポリマー～５．０ｍｅｑ（ＳＯ３Ｈ）／ｇポリマー、又は少なくとも６ｍｅｑ（ＳＯ３Ｈ）／ｇポリマーを有するものとして特徴付けられるスルホン化ポリフェニレンである。
【0052】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、アミンペンダント基として、化学的に結合したスルホネート基がポリマー骨格中の窒素原子に提供されたスルホン化ポリアミド、例えば、ナイロン－６及びナイロン－６，６などの脂肪族ポリアミド、部分的に芳香族のポリアミド及びポリアリールアミド、例えばポリ（フェニルジアミドテレフタレート）である。スルホン化ポリアミドは、ポリアミドのバルク全体にわたるスルホン化によって、２０～最大１００％のスルホン化レベルのアミド基を有することができる。実施形態では、スルホン化は、表面における高密度のスルホネート基、例えば、表面（表面の５０ｎｍ以内）における１０％超、２０％超、３０％超若しくは４０％超、又は最大１００％のスルホン化アミド基に限定される。
【0053】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、１グラムのポリオレフィン当たり少なくとも０．１ｍｅｑ、又は２ｍｅｑ超若しくは３ｍｅｑ超若しくは５ｍｅｑ超、又は０．１～６ｍｅｑのスルホン酸を含有する、スルホン化ポリオレフィンである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化ポリエチレンである。スルホン化ポリオレフィンは、エチレン、プロピレン、ブテン－１，４－メチルペンテン－１、イソブチレン及びスチレンからなる群から選択されるオレフィン又はオレフィンの混合物の重合によって得られる固体ポリオレフィンのクロロスルホン化によって形成することができる。次いで、スルホニルクロリド基を、例えば、水酸化カリウムなどの水性塩基中で、又は水ジメチルスルホキシド（ＤＭＦ）混合物中で加水分解して、スルホン酸基を形成することができる。実施形態では、スルホン化ポリオレフィンは、粉末、繊維、編み糸、織布、フィルム、プリフォーム等のいずれかの形態におけるポリオレフィン対象を、三酸化硫黄（ＳＯ３）、三酸化硫黄前駆体（例えばクロロスルホン酸、ＨＳＯ３Ｃｌ）、二酸化硫黄（ＳＯ３）又はこれらの混合物を含有する液体に浸漬又は通過させることによって形成される。他の実施形態では、ポリオレフィン対象を、スルホン化ガス、例えばＳＯ２若しくはＳＯ３、又はガス状反応前駆体、又は高温においてガスＳＯｘ（ｘ＝１～４）を発生させるスルホン化添加剤に接触させる。
【0054】
スルホン化されるポリオレフィン前駆体は、例えば、ポリ－α－オレフィン、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、又は塩素化ポリオレフィン（例えば、ポリ塩化ビニル若しくはＰＶＣ）、又はポリジエン、例えば、ポリブタジエン（例えば、ポリ－１，３－ブタジエン若しくはポリ－１，２－ブタジエン）、ポリイソプレン、ジシクロペンタジエン、エチリデンノルボルネン若しくはビニルノルボルネン、又はこれらの均一若しくは不均一複合体若しくはそのコポリマー（例えば、ＥＰＤＭゴム、すなわち、エチレンプロピレンジエンモノマー）であってもよい。実施形態では、ポリオレフィンは、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、超低密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）及び超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）から選択される。
【0055】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、優れた化学的安定性及び高い弾性特性を有するスルホン化ポリイミド、例えば、熱可塑性及び熱硬化性の両方の形態における芳香族ポリイミドである。スルホン化ポリイミドは、モノマー単位の一方がスルホン酸、スルホン酸塩又はスルホン酸エステル基を含有する、二無水物とジアミンとの縮合重合によって調製することができる。ポリマーはまた、スルホン化剤、例えば、クロロスルホン酸、三酸化硫黄及び三酸化硫黄複合体を使用して、芳香族ポリイミド前駆体の直接スルホン化によって調製することもできる。
【0056】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、任意の形態、例えば、繊維、編み糸、織布、フィルム及びシート等の形態におけるポリエステル樹脂を、無水硫酸を含有する無水硫酸含有ガスによって、直接スルホン化することによって形成されたスルホン化ポリエステルである。
【0057】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、選択的にスルホン化された、負に帯電したアニオン性ブロックコポリマーである。「選択的にスルホン化された」という用語は、スルホン酸及び中和されたスルホン酸誘導体を含むものと定義される。スルホネート基は、金属塩、アンモニウム塩又はアミン塩の形態であってもよい。
【0058】
用途及び所望の特性に応じて、スルホン化ポリマーは、改質（若しくは官能化）又は他の材料と複合体化することができる。実施形態では、スルホン化ポリマーは、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び遷移金属を含む様々な金属対イオンのいずれかによって中和され、スルホン酸基の少なくとも１０％が中和されている。実施形態では、スルホン化ポリマーは、無機又は有機のカチオン性塩、例えば、リチウム、アンモニウム、ホスホニウム、ピリジニウム及びスルホニウム等をベースとするものによって中和されている。塩は、モノマー性、オリゴマー性又はポリマー性であってもよい。実施形態では、スルホン化ポリマーは、様々な第一級、第二級又は第三級アミン含有分子によって中和され、スルホン酸又はスルホネート官能基の１０％超が中和されている。
【0059】
一実施形態では、参照により本明細書に組み込む、Ｌ．Ａｎｓａｌｏｎｉ ｅｔ ａｌ．、「Ｓｏｌｖｅｎｔ－ｔｅｍｐｌａｔｅｄ ｂｌｏｃｋ ｉｏｎｏｍｅｒｓ ｆｏｒ ｂａｓｅ－ ａｎｄ ａｃｉｄ－ｇａｓ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ：ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｎ ａｍｍｏｎｉａ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．Ｉｎｔｅｒｆ．４（２０１７）に開示されている通り、スルホン化ブロックコポリマーの透過性は、金属イオン、例えば、Ｎａ＋、Ｋ＋及びＣａ２＋によって複合体化することによって調整され、超高透過性の場合、例えば、ＮＨ３の透過性は５０００Ｂａｒｒｅｒを超える。実施形態では、参照により本明細書に組み込む、Ｚｈｏｎｇｄｅ Ｄａｉ，ｅｔ ａｌ．、「Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｉｎｔｏ ａ ｍｉｄｂｌｏｃｋ－ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｍｕｌｔｉｂｌｏｃｋ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｏｒ ＣＯ２ ｃａｐｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１９年６月に開示されている通り、スルホン化ブロックコポリマーは、イオン液体を組み込むことによって改質され、その結果、スルホン化ブロックコポリマーは、他のガスと較べて高いＣＯ２溶解性及びＣＯ２選択性を有する。
【0060】
実施形態では、スルホン酸又はスルホネート官能基は、有効量の１４０～１０，０００の分子量を有するポリオキシアルキレンアミンとの反応によって改質される。アミン含有中和剤は、単官能性又は多官能性；モノマー性、オリゴマー性又はポリマー性であってもよい。代替的実施形態では、スルホン化ポリマーは、代替的なアニオン性官能基、例えば、ホスホン酸、又はアクリル酸若しくはアルキルアクリル酸によって改質される。
【0061】
実施形態では、アミン含有ポリマーは、スルホン化ポリマーの改質のために使用され、コアセルベートと呼ばれる材料のクラスのメンバーを形成する。実施例では、中和剤はポリマー性アミン、例えば、ベンジルアミン官能基を含有するポリマーである。例としては、参照により本明細書に組み込むＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ９，８４９，４５０に記載されている、４－ジメチルアミノスチレンのホモポリマー及びコポリマーが挙げられる。実施形態では、中和剤は、ビニルベンジルアミン官能基を含有するポリマー、例えば、臭素化－アミノ化戦略を介して、ポリ－ｐ－メチルスチレン含有ブロックコポリマーから、又はアミン含有スチレン系モノマーの直接アニオン性重合によって合成されるポリマーから選択される。官能化のためのアミン官能基の例としては、限定するものではないが、ｐ－ビニルベンジルジメチルアミン（ＢＤＭＡ）、ｐ－ビニルベンジルピロリジン（ＶＢＰｙｒ）、ｐ－ビニルベンジル－ビス（２－メトキシエチル）アミン（ＶＢＤＥＭ）、ｐ－ビニルベンジルピペラジン（ＶＢＭＰｉｐ）及びｐ－ビニルベンジルジフェニルアミン（ＶＢＤＰＡ）が挙げられる。実施形態では、対応するリン含有ポリマーも、スルホン化ポリマーの官能化のために使用することができる。
【0062】
実施形態では、アミン官能基又はホスフィン官能基を含有するモノマー又はブロックは、酸又はプロトン供与体によって中和されて、第四級アンモニウム又はホスホニウム塩を作製することができる。他の実施形態では、第三級アミンを含有するスルホン化ポリマーは、ハロゲン化アルキルと反応して、官能基、例えば第四級化塩を形成する。一部の実施形態では、スルホン化ポリマーは、カチオン性官能基及びアニオン性官能基の両方を含有して、いわゆる双性イオン性ポリマーを形成することができる。
【0063】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、選択的にスルホン化された、負に帯電したアニオン性ブロックコポリマーであり、ここで、「選択的にスルホン化された」ものは、スルホン酸及び中和されたスルホン酸誘導体を含む。スルホネート基は、金属塩、アンモニウム塩又はアミン塩の形態であってもよい。実施形態では、スルホン化ポリマーは、Ａ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｂ）ｎ（Ａ）、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎ、（Ａ－Ｂ－Ａ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ）ｎＸ、Ａ－Ｄ－Ｂ、Ａ－Ｂ－Ｄ、Ａ－Ｄ－Ｂ－Ｄ－Ａ、Ａ－Ｂ－Ｄ－Ｂ－Ａ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＡ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＡ、（Ａ－Ｄ－Ｂ）ｎＸ、（Ａ－Ｂ－Ｄ）ｎＸ又はこれらの混合物（式中、実施形態ではｎは０～３０又は２～２０の整数であり、Ｘ、はカップリング剤残基である。）の一般構成を有するスチレン系ブロックコポリマー前駆体のスルホン化によって得られる、スルホン化スチレン系ブロックコポリマーである。各Ａ及びＤブロックは、スルホン化に耐性のあるポリマーブロックである。各Ｂブロックは、スルホン化を受けやすい。複数のＡ、Ｂ又はＤブロックを有する構成の場合、複数のＡブロック、Ｂブロック又はＤブロックは、同一であっても異なってもよい。
【0064】
実施形態では、Ａブロックは、重合した（ｉ）パラ置換スチレンモノマー、（ｉｉ）エチレン、（ｉｉｉ）３～１８個の炭素原子のアルファオレフィン、（ｉｖ）１，３－シクロジエンモノマー、（ｖ）水素化前に３５ｍｏｌパーセント未満のビニル含有量を有する共役ジエンのモノマー、（ｖｉ）アクリル系エステル、（ｖｉｉ）メタクリル系エステル及び（ｖｉｉｉ）これらの混合物から選択される１つ以上のセグメントである。Ａセグメントが１，３－シクロジエン又は共役ジエンのポリマーである場合、ブロックコポリマーの重合に続いて、ブロックコポリマーのスルホン化の前に、セグメントが水素化される。Ａブロックはまた、最大１５ｍｏｌ％のビニル芳香族モノマー、例えばＢブロック中に存在するものを含有してもよい。
【0065】
実施形態では、Ａブロックは、パラ－メチルスチレン、パラ－エチルスチレン、パラ－ｎ－プロピルスチレン、パラ－イソ－プロピルスチレン、パラ－ｎ－ブチルスチレン、パラ－ｓｅｃ－ブチルスチレン、パラ－イソ－ブチルスチレン、パラ－ｔ－ブチルスチレン、パラ－デシルスチレンの異性体、パラ－ドデシルスチレンの異性体及び上記モノマーの混合物から選択される、パラ置換スチレンモノマーから選択される。パラ置換スチレンモノマーの例として、パラ－ｔ－ブチルスチレン及びパラ－メチルスチレンが挙げられ、パラ－ｔ－ブチルスチレンが最も好ましい。モノマーは、特定の供給源に応じて、モノマーの混合物であってもよい。実施形態では、パラ置換スチレンモノマーの総合的な純度は、少なくとも９０％又は９５％超又は９８％超である。
【0066】
実施形態では、ブロックＢは、非置換スチレンモノマー、オルト置換スチレンモノマー、メタ置換スチレンモノマー、アルファ－メチルスチレンモノマー、１，１－ジフェニルエチレンモノマー、１，２－ジフェニルエチレンモノマー及びこれらの混合物から選択される、１種以上の重合ビニル芳香族モノマーのセグメントを含む。述べられたモノマー及びポリマーに加えて、実施形態では、Ｂブロックはまた、このようなモノマーと、２０～８０ｍｏｌパーセントのビニル含有量を有する１，３－ブタジエン、イソプレン及びこれらの混合物から選択される共役ジエンとの水素化コポリマーを含む。水素化ジエンとのこれらのコポリマーは、ランダムコポリマー、テーパー状コポリマー、ブロックコポリマー又は制御分散コポリマーのいずれかとすることができる。ブロックＢは、選択的にスルホン化されており、モノマー単位の数を基準として、１０～１００ｍｏｌ％のスルホン酸又はスルホン酸塩官能基を含有する。実施形態では、Ｂブロックにおけるスルホン化度は、１０～９５ｍｏｌ％若しくは１５～８０ｍｏｌ％若しくは２０～７０ｍｏｌ％若しくは２５～６０ｍｏｌ％、又は２０ｍｏｌ％超若しくは５０ｍｏｌ％超の範囲内である。
【0067】
Ｄブロックは、イソプレン、１，３－ブタジエン及びこれらの混合物から選択される共役ジエンの水素化ポリマー又はコポリマーを含む。他の例では、Ｄブロックは、１０００超又は２０００超又は４０００超又は６０００超の数平均分子量を有する、アクリレート、シリコーンポリマー又はイソブチレンのポリマーのいずれかである。
【0068】
カップリング剤Ｘは、ポリアルケニルカップリング剤、ジハロアルカン、ハロゲン化ケイ素、シロキサン、多官能性エポキシド、ケイ素化合物、一価アルコールとカルボン酸とのエステル（例えば、安息香酸メチル及びアジピン酸ジメチル）並びにエポキシ化油を含む、当技術分野において公知のカップリング剤から選択される。
【0069】
スルホン化ポリマーの特性は多様であり得るが、スルホン化の量、スルホン酸基のスルホン酸塩への中和度を変動させること、及びスルホン化基の位置を制御することによって制御することができる。実施形態では、スルホン化ポリマーは、参照により組み込むＵＳ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．ＵＳ８０８４５４６の通り、所望の水分散特性又は機械的特性、例えば、コポリマーの内側ブロック若しくは中央ブロックに付着した、又は外側ブロックにおけるスルホン酸官能基を有することのために、選択的にスルホン化されている。外側（硬質）ブロックがスルホン化されている場合、水に曝露すると、硬質ドメインの水和によって、これらのドメインが可塑化及び軟化し、分散又は溶解性が生じることがある。
【0070】
実施形態におけるスルホン化コポリマーは、参照により本明細書に組み込む、Ｐａｔｅｎｔ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｓ．ＵＳ９８６１９４１、ＵＳ８２６３７１３、ＵＳ８４４５６３１、ＵＳ８０１２５３９、ＵＳ８３７７５１４、ＵＳ８３７７５１５、ＵＳ７７３７２２４、ＵＳ８３８３７３５、ＵＳ７９１９５６５、ＵＳ８００３７３３、ＵＳ８０５８３５３、ＵＳ７９８１９７０、ＵＳ８３２９８２７、ＵＳ８０８４５４６、ＵＳ８３８３７３５、ＵＳ１０２０２４９４及びＵＳ１０２２８１６８に開示されている通りである。
【0071】
実施形態では、スルホン化ブロックコポリマーは、一般構成Ａ－Ｂ－（Ｂ－Ａ）１～５（式中、各Ａは、非エラストマー性スルホン化モノビニルアレーンポリマーブロックであり、各Ｂは、実質的に飽和のエラストマー性アルファオレフィンポリマーブロックである。）を有し、前記ブロックコポリマーは、全ポリマー中に少なくとも１重量％の硫黄、及び各モノビニルアレーン単位について、最大１つのスルホン化構成要素を提供するのに十分な程度にスルホン化されている。スルホン化ポリマーは、酸、アルカリ金属塩、アンモニウム塩又はアミン塩の形態で使用することができる。
【0072】
実施形態では、スルホン化ブロックコポリマーは、ポリスチレン及びブタジエン又はイソプレンのスルホン化マルチブロック（２つ以上のブロックの）コポリマーであり、ブタジエン又はイソプレンセグメント（単数又は複数）においてスルホン化されている。実施形態では、スルホン化ブロックコポリマーは、骨格中にＣ＝Ｃサイトを有する、スルホン化ｔ－ブチルスチレン／イソプレンランダムコポリマーである。実施形態では、スルホン化ポリマーは、参照により組み込むＵＳ ６，１１０，６１６に開示されているスルホン化ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）である。実施形態では、スルホン化ポリマーは、参照により組み込むＵＳ ４，５０５，８２７に開示されている水分散性ＢＡＢトリブロックであり、Ｂは、アルキル又は（スルホン化されると親水性になる）ポリ（ｔ－ブチルスチレン）などの疎水性ブロックであり、Ａは、スルホン化ポリ（ビニルトルエン）などの親水性ブロックである。実施形態では、スルホン化ブロックコポリマーは、少なくとも１つのアルケニルアレーンポリマーブロックＡ及び少なくとも１つの実質的に完全に水素化された共役ジエンポリマーブロックＢを有し、スルホン性官能性ブロックの実質的にすべてが、アルケニルアレーンポリマーブロックＡにグラフトされている、官能化され、選択的に水素化されたブロックコポリマーである（参照により組み込むＵＳ５５１６８３１に開示されている）。実施形態では、スルホン化ポリマーは、参照により組み込むＵＳ４，４９２，７８５に開示されている、水溶性ポリマー、ｔ－ブチルスチレン／スチレンのスルホン化ジブロックポリマー又はｔ－ブチルスチレン－スチレン－ｔ－ブチルスチレンのスルホン化トリブロックポリマーである。実施形態では、スルホン化ブロックコポリマーは、部分的に水素化されたブロックコポリマーである。
【0073】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、中間ブロックスルホン化トリブロックコポリマー又は中間ブロックスルホン化ペンタブロックコポリマー、すなわち例えば、ポリ（ｐ－ｔｅｒｔ－ブチルスチレン－ｂ－スチレンスルホネート－ｂ－ｐ－ｔｅｒｔ－ブチルスチレン）又はポリ［ｔｅｒｔ－ブチルスチレン－ｂ－（エチレン－ａｌｔ－プロピレン）－ｂ－（スチレンスルホネート）－ｂ－（エチレン－ａｌｔ－プロピレン）－ｂ－ｔｅｒｔ－ブチルスチレン］である。
【0074】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、モノマー単位の数を基準として４０ｍｏｌ％超のスルホン酸又はスルホン酸塩官能基を含有する、スルホン化ブロックコポリマー、例えば、中間ブロックスルホン化ペンタブロックコポリマーである。
【0075】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、スルホン化のために利用可能な、又はスルホン化を受けやすいポリマー中のモノマー単位、例えばスチレンモノマーの数を基準として、１５ｍｏｌ％超又は２５ｍｏｌ％超又は３０ｍｏｌ％超又は４０ｍｏｌ％超又は６０ｍｏｌ％超のスルホン酸又はスルホン酸塩官能基を含有する。
【0076】
バリア層又はプロトン電極膜として使用するためのスルホン化ポリマーは、優れた水蒸気透過率（ＭＶＴＲ）の特徴及び優れたイオン交換容量（ＩＥＣ）を有する選択的透過性膜である。実施形態では、スルホン化ポリマーは、１日当たりのＭＶＴＲが１００ｇ／ｍ２超又は５００ｇ／ｍ２超又は１，０００ｇ／ｍ２超というＭＶＴＲを有するものとして特徴付けられる。ＡＳＴＭ Ｅ－９６Ｂ及びＡＳＴＭ Ｆ１２４９は、ＭＶＴＲを測定するための標準的方法を指定しており、一般的な試験条件は、５０℃の温度及び１０％の相対湿度である。実施形態では、スルホン化ポリマーは、１日当たり５ｇ／ｍ２未満の通気性を有するものとして特徴付けられる。
【0077】
実施形態では、参照により本明細書に組み込む、２０２３年１月３１日の出願日を有するＵ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏ．１８／１６１，９７７に開示されている通り、湿潤状態特性を改善するために、スルホン化ポリマーは架橋されており、又はスルホン化ポリマー組成物は非スルホン化ポリマーをさらに含む。
【0078】
実施形態では、スルホン化ポリマーは、好ましいイオン交換容量及びプロトン伝導性、並びに可撓性及び材料強度の両方を提供するガラス転移温度、並びに水和した場合でさえ、良好な安定性及び膨潤特性を有するものとして特徴付けられる。
【0079】
膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）：
電気化学セルアセンブリは、ＭＥＡをさらに含む。ＭＥＡは、イオン交換膜、並びにイオン交換膜の反対側に配置された一対の電極（アノード及びカソード）として、一対の電極触媒層を含む。電極触媒層の一方はアノード（第１の電極層）として作用し、他方の電極触媒層はカソード（第２の電極層）として作用する。実施形態では、アノード及びカソードは、触媒層によって被覆されている（したがって、「電極触媒」という用語である）。実施形態では、アノードが触媒によって被覆されており、ここで、金属又は合金、例えば、白金、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、スズ、イリジウム又はロジウムがカーボンブラックに支持されている触媒を含むが、これらに限定するものではない。実施形態では、カソードが触媒によって被覆されており、白金又はチタン等が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ又はカーボンナノホーン等に支持されている触媒を含むが、これらに限定するものではない。実施形態では、アノード、カソード又は両方が、触媒及びプロトン電極膜、例えばスルホン化ポリマーによって被覆されている。
電気化学セルアセンブリは、ＭＥＡをさらに含む。ＭＥＡは、イオン交換膜、並びにイオン交換膜の反対側に配置された一対の電極（アノード及びカソード）として、一対の電極触媒層を含む。電極触媒層の一方はアノード（第１の電極層）として作用し、他方の電極触媒層はカソード（第２の電極層）として作用する。実施形態では、アノード及びカソードは、触媒層によって被覆されている（したがって、「電極触媒」という用語である）。実施形態では、アノードが触媒によって被覆されており、ここで、金属又は合金、例えば、白金、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、鉄、モリブデン、タングステン、スズ、イリジウム又はロジウムがカーボンブラックに支持されている触媒を含むが、これらに限定するものではない。実施形態では、カソードが触媒によって被覆されており、白金又はチタン等が、カーボンブラック、カーボンナノチューブ又はカーボンナノホーン等に支持されている触媒を含むが、これらに限定するものではない。実施形態では、アノード、カソード又は両方が、触媒及びプロトン電極膜、例えばスルホン化ポリマーによって被覆されている。
【0080】
実施形態では、イオン交換膜は、カチオンに対して伝導性である一方で、アニオンに対して非伝導性である、プロトン交換膜（「ＰＥＭ」）である。実施形態では、イオン交換膜は、アニオンに対して伝導性である一方で、カチオンに対して非伝導性である、アニオン交換膜（「ＡＥＭ」）である。実施形態では、イオン交換膜は、第１の流体又はイオンに対して透過性であり、第２の流体又はイオンに対して非透過性である。
【0081】
実施形態では、ＭＥＡは、イオン交換膜及び電極触媒層の間に、ＧＤＬをさらに含む。ＧＤＬは、実施形態では、電極触媒層としても（又はガス拡散電極として）機能し、ここで、ＧＤＬは、イオン伝導層に面する側において、触媒層によって被覆されている。実施形態では、ＧＤＬは、ＰＥＭ材料、例えばスルホン化ポリマーによってさらに被覆されている。
【0082】
実施形態では、電気化学セルアセンブリは、ＭＥＡが受動的である、すなわち、電圧印加システムを必要としないように構成される。
【0083】
電池、交流等の電力供給源（「電圧印加ユニット」）の使用によって、電圧をＭＥＡに印加することもできる。実施形態では、透過物と反対側である供給物中に低濃度の透過性流体（バリア層の反対側における流体）がある場合に、電圧がＭＥＡに印加され、例えば、アセンブリを通電する必要はなく、流動が受動的に起こり得る。例として、ＭＥＡが、筐体から水分濃度を低減するように設計される場合、筐体中の水分含有率が、筐体の外側の水分濃度よりも低いときに、ＭＥＡが通電される。
【0084】
実施形態では、電気化学セルは１つ以上のＭＥＡを含み、ＭＥＡは直列に接続され、１つのＭＥＡからの出口が第２のＭＥＡに供給される。このような構成では、先行するＭＥＡの出口における構成要素は、後続のＭＥＡにおけるさらなる分離／処理のために、さらに分解すること又は別の供給流と組み合わせることができる。後続のＭＥＡには、第１のバリア層と同一である又は異なる材料から作製されたバリア層を提供することができ、選択的透過性は、処理される供給流に依存する。
【0085】
イオン交換膜としてプロトン交換膜を有するＭＥＡ：
実施形態では、ＭＥＡは、第１の電極触媒層（アノード）及び第２の電極触媒層（カソード）の間に、イオン交換膜としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を有する。バリア層は、第１の電極触媒層又は第２の電極触媒層に隣接することができる。
実施形態では、ＭＥＡは、第１の電極触媒層（アノード）及び第２の電極触媒層（カソード）の間に、イオン交換膜としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を有する。バリア層は、第１の電極触媒層又は第２の電極触媒層に隣接することができる。
【0086】
イオン交換部材としてＰＥＭを含むＭＥＡでは、流体は、アノードにおいて分離又は分解され、例えば、水は水素イオン及び酸素ガスなどの構成要素に変換される。正に帯電したイオン、例えば水素イオンは、イオン交換膜を通ってカソードに移動し、水素イオンＨ２又はＨ＋に変換され、これは、空気中に漏出する、又は捕捉して後の使用のために貯蔵することができる。バリア層が第１の電極触媒層（アノード）に隣接する実施形態では、アノードにおいて発生した酸素は、バリア層及びアノードの間の間隙に蓄積する。酸素は、バリア層が酸素に対して非透過性であるため、空気中に放出することができるか、後の使用のために捕捉して貯蔵することができるかのいずれかである。バリア層が第２の電極触媒層（カソード）に隣接する実施形態では、水素イオンがカソード及び第２のバリア層の間の間隙に蓄積して、カチオンを捕獲又は放出することが可能になる。
【0087】
実施形態では、筐体から除去する流体が湿気／水分である場合、流入管を通じて筐体から受け入れられた水分は、バリア層を通過して第１の電気化学セル（アノード）に達して、水素イオン及び酸素ガスに変換される。バリア層は、酸素ガスに対して非透過性であるため、酸素ガスの筐体に戻る通行を防止する。アノードにおいて発生した酸素ガスは、空気中に放出され、又はＭＥＡ及びバリア層の間の空間／間隙において収集され、後の使用のために迂回させる。さらに、アノードにおいて発生した水素イオンは、アノード及びカソードの間の電場の影響下、イオン交換膜を通ってカソードに移動する。カソードにおいて、水素イオンは水素ガスに変換される。発生した水素ガスは、流出管を通じて筐体の内側に移動する。
【0088】
ＰＥＭ材料：
ＰＥＭは、ここで記載されるスルホン化ポリマーを含んでも、スルホン化ポリマーから本質的になっても、スルホン化ポリマーからなってもよい。実施形態では、ＰＥＭは、ペルフルオロスルホン酸系フッ素イオン交換樹脂、より詳細には、炭化水素系イオン交換膜のＣ－Ｈ結合をフッ素等によって置換することによって得られるペルフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳポリマー）を含む。電気陰性度の高いフッ素原子を含むことによって、非常に高い化学的安定性、スルホン性基の高い乖離度及び高いイオン伝導度が可能になる。
ＰＥＭは、ここで記載されるスルホン化ポリマーを含んでも、スルホン化ポリマーから本質的になっても、スルホン化ポリマーからなってもよい。実施形態では、ＰＥＭは、ペルフルオロスルホン酸系フッ素イオン交換樹脂、より詳細には、炭化水素系イオン交換膜のＣ－Ｈ結合をフッ素等によって置換することによって得られるペルフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳポリマー）を含む。電気陰性度の高いフッ素原子を含むことによって、非常に高い化学的安定性、スルホン性基の高い乖離度及び高いイオン伝導度が可能になる。
【0089】
イオン交換膜としてアニオン交換膜を有するＭＥＡ：
実施形態では、ＭＥＡは、第１の電極触媒層（アノード）及び第２の電極触媒層（カソード）の間に、イオン交換膜としてアニオン交換膜（「ＡＥＭ」）を有する。バリア層は、第１の電極層又は第２の電極層に隣接することができる。
実施形態では、ＭＥＡは、第１の電極触媒層（アノード）及び第２の電極触媒層（カソード）の間に、イオン交換膜としてアニオン交換膜（「ＡＥＭ」）を有する。バリア層は、第１の電極層又は第２の電極層に隣接することができる。
【0090】
イオン交換部材としてＡＥＭを含むＭＥＡでは、流体、例えば水は、イオン、例えばヒドロキシルイオン及び水素に還元される。負に帯電したイオン、例えばヒドロキシルイオンは、イオン交換膜を通じて第２の電極触媒層（カソード）から第１の電極触媒層（アノード）に移動し、ここで、イオンを後の使用のために捕獲及び貯蔵すること、放出すること又は他のイオンと組み合わせた後、第２の流体、例えば水に変換することができる。バリア層が第１の電極触媒層（アノード）に隣接する実施形態では、負に帯電したイオンは、アノード及びバリア層の間の間隙に蓄積して、アニオンを捕獲又は放出することが可能になる。バリア層が第２の電極触媒層（カソード）に隣接する実施形態では、正に帯電したイオン、例えば水素は、バリア層及びカソードの間の間隙から収集し、空気中に放出又は後続の使用のために捕獲することができる。
【0091】
実施形態では、筐体から除去される流体が湿気／水分である場合、バリア層は筐体の内側の水素含有量が増加せずに維持する水素ガスに対して非透過性である。バリア層に隣接して配置された第２の電極触媒層は、ＭＥＡのカソードを規定し、第１の電極触媒はアノードとして規定される。第２の電極触媒層において筐体から受け入れられた水は、ヒドロキシルイオン及び水素ガスに変換される。ヒドロキシルイオンはイオン交換膜を通って第１の電極触媒層に移動し、水及び酸素ガス、又は過酸化水素又は水酸化ナトリウム、又は他の酸化若しくは還元された流体に変換される。第２の電極触媒層（カソード）において発生した水素ガスは、カソード及びバリア層の間の間隙の内側に蓄積し、空気中に放出させることができるか、後の使用のために貯蔵することができるかのいずれかである。
【0092】
ＡＥＭ材料：
ＡＥＭは、例えば、第四級アンモニウムポリスルホン（ＱＡＰＡ）及びベンジルトリメチルアンモニウムカチオン等を電解質として含むことによって、アニオン伝導性を有してもよい。実施形態では、ＡＥＭ電解質は、炭化水素系樹脂、例えばスチレンブロックコポリマー、例えば、ポリスチレン－ポリブタジエン－ポリスチレン（ＳＢＳ）、ポリスチレン－ポリ（エチレン－ｒａｎ－ブチレン）－ポリスチレン（ＳＥＢＳ）及び官能化ブロックコポリマーを含む。実施形態では、ＡＥＭはフッ素系樹脂を含む。
ＡＥＭは、例えば、第四級アンモニウムポリスルホン（ＱＡＰＡ）及びベンジルトリメチルアンモニウムカチオン等を電解質として含むことによって、アニオン伝導性を有してもよい。実施形態では、ＡＥＭ電解質は、炭化水素系樹脂、例えばスチレンブロックコポリマー、例えば、ポリスチレン－ポリブタジエン－ポリスチレン（ＳＢＳ）、ポリスチレン－ポリ（エチレン－ｒａｎ－ブチレン）－ポリスチレン（ＳＥＢＳ）及び官能化ブロックコポリマーを含む。実施形態では、ＡＥＭはフッ素系樹脂を含む。
【0093】
ハイブリッドＭＥＡ：
膜電極アセンブリは、ＰＥＭ及びＡＥＭを含むことによって、ハイブリッドタイプＭＥＡとして実施されてもよい。実施形態では、ＡＥＭは、ＰＥＭと接触してもよく、互いに部分的に又は完全に重なっていてもよい。実施形態では、ＰＥＭ及びＡＥＭは、エポキシ系接着剤などの接着剤を含む。
膜電極アセンブリは、ＰＥＭ及びＡＥＭを含むことによって、ハイブリッドタイプＭＥＡとして実施されてもよい。実施形態では、ＡＥＭは、ＰＥＭと接触してもよく、互いに部分的に又は完全に重なっていてもよい。実施形態では、ＰＥＭ及びＡＥＭは、エポキシ系接着剤などの接着剤を含む。
【0094】
電気化学セルアセンブリを使用するための方法
実施形態では、電気化学セルアセンブリは、バリア層の外側表面が筐体と流体連通して配置され（筐体に接続されたチューブ又は筐体の壁における開口を通じて）、間隙が、筐体の外側で、バリア層及びＭＥＡの第１の電極触媒層の間に配置されるように、筐体の外側に位置する。
実施形態では、電気化学セルアセンブリは、バリア層の外側表面が筐体と流体連通して配置され（筐体に接続されたチューブ又は筐体の壁における開口を通じて）、間隙が、筐体の外側で、バリア層及びＭＥＡの第１の電極触媒層の間に配置されるように、筐体の外側に位置する。
【0095】
実施形態では、電気化学セルアセンブリは、吸入管及び流出管を通じて、筐体と流体連通されている。吸入管は、筐体から電気化学セルに延びており、筐体の内側からバリア層の外側表面への流体のフローを可能にし、流出管は、ＭＥＡから空気中への構成要素のフロー、リザーバへの収集又は筐体への戻りを促進する。実施形態では、選択された流体又は構成要素の濾過／抽出を促進するために、複数のバリア層を使用してもよい。流出管はカソードを筐体、空気又は収集のための追加のリザーバに接続する。
【0096】
実施形態では、電気化学セルアセンブリは、筐体から電気化学セルアセンブリへの流体のフロー、及び電気化学セルアセンブリから筐体、リザーバ又は空気中への構成要素のフローを可能にするために、ポンプ又はファンを含んでもよい。
【0097】
用途：
ＭＥＡは、給湿又は除湿を含む加水分解、電気化学的変換及び合成、ＣＯ２捕獲、ガススイートニング、電気分解装置、燃料電池、例えば、水素、酸素、プロトン－電子、メタノール等に使用することができる。ＭＥＡを使用して、流体、分子及び／又はイオンを分離することができ、実施形態では、後の使用のための流体、分子及び／又はイオンの捕獲を可能にすることができる。実施形態では、ＭＥＡを使用して、筐体の内側の酸素含有量を増加させることなく、流体、例えばＨ２Ｏを筐体から除去することができる。実施形態では、酸素制御のためにバリア層を使用すること、例えば、給湿によって酸素を減少させること、又は水を加水分解し、プロセスにおける酸素を捕獲することによって酸素を増加させることができる。
ＭＥＡは、給湿又は除湿を含む加水分解、電気化学的変換及び合成、ＣＯ２捕獲、ガススイートニング、電気分解装置、燃料電池、例えば、水素、酸素、プロトン－電子、メタノール等に使用することができる。ＭＥＡを使用して、流体、分子及び／又はイオンを分離することができ、実施形態では、後の使用のための流体、分子及び／又はイオンの捕獲を可能にすることができる。実施形態では、ＭＥＡを使用して、筐体の内側の酸素含有量を増加させることなく、流体、例えばＨ２Ｏを筐体から除去することができる。実施形態では、酸素制御のためにバリア層を使用すること、例えば、給湿によって酸素を減少させること、又は水を加水分解し、プロセスにおける酸素を捕獲することによって酸素を増加させることができる。
【0098】
実施形態では、ＣＯ２の選択的除去及び後続の捕獲のために、バリア層は、ポリ［ｔｅｒｔ－ブチルスチレン－ｂ－（エチレン－ａｌｔプロピレン）－ｂ－（スチレン－ｃｏ－スチレンスルホネート）－ｂ－（エチレン－ａｌｔ－プロピレン）－ｂ－ｔｅｒｔ－ブチルスチレンという式を有する、Ｋｒａｔｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のスルホン化ペンタブロックポリマーを含む。スルホン化ペンタブロックポリマーは、環境汚染を低減するために、選択的除去のためのシステム中でのバリア層の使用及び後続の混合ガス流からのＣＯ２の捕獲に加えて、５０００Ｂａｒｒｅｒを超える超高ＮＨ３透過性、約１８６０の高ＮＨ３／Ｎ２透過性比、約１００Ｂａｒｒｅｒの中程度のＣＯ２透過性及び約５６のＣＯ２／Ｎ２透過性比のために改質することができる。
【0099】
実施形態では、ＭＥＡは、ＭＥＡがイオン交換膜としてＰＥＭを含む場合、水の水素への還元及び得られた水酸化物のナトリウムとの会合を通じて、塩化ナトリウムの水酸化ナトリウムへの反応に使用することができる。このような実施形態では、バリア層の機能は、バリア層が水酸化ナトリウムに対して非透過性であるため、（ＭＥＡのアノード側における）水素ガスの捕獲を可能にすることである。
【0100】
イオン交換膜がＡＥＭである場合の用途についての実施形態では、ＭＥＡは第２のＭＥＡと対となる。この構成によって、水酸化物イオンの酸化反応による過酸化水素の発生及び捕獲が可能になる。
【実施例0101】
以下の説明のための実施例は、非限定的であることが意図される。
【0102】
実施例において使用した成分としては、次のものが挙げられる。
【0103】
スルホン化ポリマーＳＰＢＣ：表１における特性を有する、構造ポリ［ｔｅｒｔ－ブチルスチレン－ｂ－（エチレン－ａｌｔ－プロピレン）－ｂ－（スチレン－ｃｏ－スチレン－スルホネート）－ｂ－（エチレン－ａｌｔ－プロピレン）－ｔｅｒｔ－ブチルスチレン］（ｔＢＳ－ＥＰ－ｓＰＳ－ＥＰ－ｔＢＳ）のスルホン化ペンタブロックコポリマーが、実施例のいくつかのために使用される。
【0104】
【表1】
【0105】
実施例１
スルホン化ポリマーのフィルムサンプルを、トルエン及び１－プロパノールの１：１混合物からキャストした。スルホン化ポリマーフィルムサンプルを、ＭＯＣＯＮガス透過速度試験に供し、単一のガスの透過性を使用して、フィルムサンプルを通したＮ２、ＣＯ、Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ２及びＨ２Ｏの透過速度を測定した。
スルホン化ポリマーのフィルムサンプルを、トルエン及び１－プロパノールの１：１混合物からキャストした。スルホン化ポリマーフィルムサンプルを、ＭＯＣＯＮガス透過速度試験に供し、単一のガスの透過性を使用して、フィルムサンプルを通したＮ２、ＣＯ、Ｏ２、Ｈ２、ＣＯ２及びＨ２Ｏの透過速度を測定した。
【0106】
【表2】
【0107】
実施例２
スルホン化ポリマーフィルムサンプルを、不織布スペーサとともに、選択的透過性バリア層としてＭＥＡ（１６ｃｍ２電気分解装置）のアノード側に加えた。ＭＥＡは、再構築可能な燃料電池キット（Ｈ－ＴＥＣ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ、製品コード１０７１０４２）の内側に組み立てた。ＭＥＡを、容器（２．３Ｌ筐体）の側面上の開口によって固定し、循環空気ポンプ（Ｙａｎｍｉｓ １２Ｖ、５Ｌ／分ポンプキット、コード４０１５１５００）を使用して、空気を筐体から、選択的透過性スルホン化ポリマーバリア層の表面を越えてＭＥＡを通過させ、空気を筐体に戻した。このプロセスにおいて、筐体の空気がスルホン化ポリマーバリア層を透過し、水分をバリア層及び電極触媒層の間に配置する。加水分解によって水が水素及び酸素に解離するにつれて、水素はＭＥＡを通過する一方で、酸素はバリア層スペーサ内に捕捉されたままであり、水素フロー方向に対して垂直に抜ける。このアセンブリの目的は、プロセス中の容器の酸素濃度を上昇させることなく、容器を除湿することであった。選択的透過性バリア層を有しないＭＥＡも、同様に試験した。結果は、それぞれ表３及び表４の通りである。
スルホン化ポリマーフィルムサンプルを、不織布スペーサとともに、選択的透過性バリア層としてＭＥＡ（１６ｃｍ２電気分解装置）のアノード側に加えた。ＭＥＡは、再構築可能な燃料電池キット（Ｈ－ＴＥＣ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ、製品コード１０７１０４２）の内側に組み立てた。ＭＥＡを、容器（２．３Ｌ筐体）の側面上の開口によって固定し、循環空気ポンプ（Ｙａｎｍｉｓ １２Ｖ、５Ｌ／分ポンプキット、コード４０１５１５００）を使用して、空気を筐体から、選択的透過性スルホン化ポリマーバリア層の表面を越えてＭＥＡを通過させ、空気を筐体に戻した。このプロセスにおいて、筐体の空気がスルホン化ポリマーバリア層を透過し、水分をバリア層及び電極触媒層の間に配置する。加水分解によって水が水素及び酸素に解離するにつれて、水素はＭＥＡを通過する一方で、酸素はバリア層スペーサ内に捕捉されたままであり、水素フロー方向に対して垂直に抜ける。このアセンブリの目的は、プロセス中の容器の酸素濃度を上昇させることなく、容器を除湿することであった。選択的透過性バリア層を有しないＭＥＡも、同様に試験した。結果は、それぞれ表３及び表４の通りである。
【0108】
【表3】
【0109】
【表4】
【0110】
膜電極アセンブリの様々な実施形態を示す図を参照する。
【0111】
図１は、本開示の実施形態による電気化学セルアセンブリ１００を図示している。電気化学セルアセンブリ１００は、電力供給源、例えば電池に接続された一対の電極１０６、１０８を規定する一対の電極触媒層１０２、１０４を含有し、電極触媒層１０２、１０４の対の間にイオン交換膜１１０が配置された、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０１、及びＭＥＡ１０１の外層１１４として配置されたバリア層１１２を含む。示されている通り、電極触媒層の対、例えば、第１の電極触媒層１０２及び第２の電極触媒層１０４は、互いに離間して対面して配置されており、それぞれ、ＭＥＡ１０１の第１の電極層１０６及び第２の電極層１０８を含む。図示された図１の実施形態では、第１の電極層１０６及び第２の電極層１０８の間に好適な電位を印加することによって、第１の電極層１０６がＭＥＡ１００のアノード１２０を規定する一方で、第２の電極層１０８がＭＥＡ１０１のカソード１２２を規定する。さらに、第１の電極触媒層１０２は、任意選択的に、イオン交換膜１１０及び第１の電極層１０６の間に配置された第１のＧＤＬ１２４を含んでもよく、第２の電極触媒層１０４は、任意選択的に、イオン交換膜１１０及び第２の電極層１０８の間に配置された第２のＧＤＬ１２６を含んでもよい。ＧＤＬ１２４、１２６及び電極層１０６、１０８は別々の層として示され、企図されているが、ＧＤＬ１２４、１２６がそれぞれの電極層１０６、１０８と一体化されていてもよいことが理解され得る。
【0112】
図１からわかるように、イオン交換膜１１０の第１の外表面は、第１のＧＤＬ１２４の内表面（すなわち、第１の電極触媒層１０２の内表面）と接触しており、イオン交換膜１１０の第２の外表面は、第２のＧＤＬ１２６の内表面（すなわち、第２の電極触媒層１０４の内表面）と接触している。図示された実施形態では、イオン交換膜１１０は、陽イオン、例えば水素イオンのフローを促進する一方で、陰イオン、例えば酸素のフローを阻止するＰＥＭ１４０である。水素イオンは、アノード１２０及びカソード１２２の間に発生した電場の影響下、アノード１２０からカソード１２２へ流れる。アノード１２０において、水が水素イオン及び酸素ガスに変換され、カソードにおいて、アノードから受け取られた水素イオンが水素ガスに変換される。
【0113】
追加的に、電気化学セルアセンブリ１００のバリア層１１２（すなわち第１のバリア層）は、ＭＥＡ１０１の第１の電極触媒層１０２の外表面１４２から離れて配置される。したがって、間隙１４４は、バリア層１１２及び第１の電極触媒層１０２（すなわちアノード１２０）の外表面１４２の間に規定される。実施形態では、バリア層１１２は、電気的に非伝導性であってもよい、スペーサ又はフレーム上に支持されている。一部の実施形態では、バリア層１１２は、不織布上に支持されている。スペーサは、第１の電極触媒層１０２の外表面１４２と接触して、バリア層１１２及びアノード１２０の間の間隙１４４を維持していてもよい。図示された実施形態では、バリア層１１２はスルホン化ポリマー１５０であり、第１の流体、例えば水に対して透過性であり、第２の流体、例えば酸素ガスに対して相対的に非透過性である。したがって、電気化学セルアセンブリ１００を使用して、分離又は後続の使用のために捕獲するために、流体、分子及び／又はイオンのＭＥＡ１０１内への又はＭＥＡ１０１外への移動を制御することができる。実施形態では、電気化学セルアセンブリ１００を使用して、当初の空間若しくは筐体の内側の対応するイオン含有量、例えば酸素ガスを増加させることなく、筐体の内側の流体、例えば水分の量を制御すること、及び／又は後に説明する通り、水分から対応するイオン、例えば酸素を捕獲することができる。実施形態では、筐体からバリア層１１２を通ってアノード１２０に流れる水分として、アノード１２０において、水が水素イオン及び酸素ガスに変換される。実施形態では、発生した酸素ガスは間隙１４４の内側に留まり、酸素ガスは空気中に排出されるか、後の使用のために収集及び貯蔵されるかのいずれかである一方で、水素イオンはＰＥＭ１４０を通ってカソード１２２に移動する。
【0114】
図２を参照すると、本開示の代替的な実施形態に従って、バリア層及びＭＥＡ１０１の外側表面の間の間隙において、流体及びその構成要素の両方を捕獲するのに好適な電気化学セルアセンブリ２００が示されている。電気化学セルアセンブリ２００は、電気化学セルアセンブリ１００が外側層２０４として第２のバリア層２０２を含み、これが、ＭＥＡ１０１のカソード１２２（すなわち第２の電極触媒層１０４）に面して配置され、間に第２の間隙２０６を規定するカソード１２２から離れていることを除いて、電気化学セルアセンブリ１００と同様である。第２のバリア層２０２は、第１の流体に対して透過性であり、第２の流体に対して相対的に非透過性である、スルホン化ポリマー又は別の選択的透過性バリア層２１０とすることができる。第１のバリア層１１２と同様に、第２のバリア層２０２は、スペーサ又はフレーム上に支持されていてもよい。第２のバリア層２０２の存在に起因して、カソード１２２において発生した流体及び／又はその構成要素は、第２の電極触媒層１０４及び第２のバリア層２０２の間の第２の間隙２０６の内側に移動／蓄積する。第２の間隙２０６の内側に存在する流体及び／又はその構成要素は、後の使用のために貯蔵されてもよい。
【0115】
図３を参照すると、なおも別の実施形態による電気化学セルアセンブリ３００が示されている。電気化学セルアセンブリ３００は、ＭＥＡ１０１のイオン交換膜１１０が、ＰＥＭの代わりにＡＥＭ３０２であることを除いて、電気化学セルアセンブリ１００と同様である。ＡＥＭ３０２は、陰イオン、例えばヒドロキシルイオンに対して透過性であり、陽イオン、例えば水素ガス／イオンに対して非透過性である。このような場合、カソード１２２に接触した第１の流体、例えば水は、好適な電位のもとで、対応する構成要素、例えば、ヒドロキシルイオン及び水素ガスに変換される。負に帯電したイオン、例えばヒドロキシルイオンは、アノード１２０及びカソード１２２の間に発生した電場の影響下、ＡＥＭ３０２を通ってアノード１２０に移動する。負に帯電したイオンは、別の流体、例えば水に変換することができ、これはバリア層１１２を通って空気中に移動すること、筐体に移動して筐体の内側の含有量を増加させること、又は後続の使用のためにこれを捕獲することができる。アノードにおいて発生した他のイオン又はガスは、バリア層１１２がＰＥＭ１５０である場合、後続の捕獲又は後の使用のための貯蔵のために、間隙１４４に蓄積させることができる。
【0116】
図４を参照すると、実施形態による電気化学セルアセンブリ４００が示されている。電気化学セルアセンブリ４００は、ＭＥＡ１０１が外側層４０４として第２のバリア層４０２を含み、これが、カソード１２２（すなわち第２の電極触媒層１０４）に面して配置され、間に第２の間隙４０６を規定するカソード１２２から離れていることを除いて、電気化学セルアセンブリ３００と同様である。第２のバリア層４０２は、流体、例えば水に対して透過性であり、その構成要素、例えば水素ガス又は第２の流体に対して相対的に非透過性である、スルホン化ポリマー又は別の選択的透過性バリア層４１０とすることができる。第１のバリア層１１０と同様に、第２のバリア層４０２は、スペーサ又はフレーム上に支持されていてもよい。第２のバリア層４０２の存在に起因して、カソード１２２において発生した第２の流体、例えば水素ガスは、第２の電極触媒層１０４及び第２のバリア層４０２の間の第２の間隙４０６の内側に移動／蓄積する。第２の間隙４０６の内側に存在する第２の流体、例えば水素ガスは、後の使用のために貯蔵されてもよい。
【0117】
図５を参照すると、電気化学セルアセンブリ１００を有する筐体アセンブリ６００が開示されている。示される通り、筐体アセンブリ６００は、貯蔵目的のために少なくとも１種の物品を受け入れるチャンバ６０４、及びチャンバ６０４へのアクセスを提供する開口６０８を規定する、筐体６０２を含む。さらに、電気化学セルアセンブリ１００は、バリア層１１２（すなわちＰＥＭ１５０）が開口６０８を覆うように配置され、その結果、バリア層１１２の第１の表面６１０が、筐体６０２のチャンバ６０４の内部に面して配置され、第１の表面６１０の反対側に配置された第２の表面が、筐体６０２の外部に面して配置されるように、筐体６０２に装着され／取り付けられている。したがって、筐体６０２の内側に存在する流体は、バリア層１１２を通って、筐体６０２の外側にのみ移動することができる。電気化学セルアセンブリ１００は、間隙１４４が筐体６０２の外側に配置されるように、筐体６０２に取り付けられ又は装着されている。したがって、ＭＥＡ１０１のアノード１２０において発生した陰イオン（構成要素）は、バリア層１１２が前記陰イオンに対して非透過性である場合、間隙１４４に留まる。間隙１４４の内側に存在する陰イオン／ガス、例えば酸素ガスは、ＭＥＡ１０１の端部に沿って規定された１つ以上の開口を通って空気中に排出され得るか、使用のために捕獲することができるかのいずれかである。この方法では、電気化学セルアセンブリ１００によって、筐体６０２の内側の構成要素、例えば酸素の含有量を増加させることなく、筐体６０２の内側の流体、例えば水分を減少させることができる。
【0118】
図６を参照すると、電気化学セルアセンブリ１００を有する筐体アセンブリ７００が開示されている。筐体アセンブリ７００は、１種以上の成分／物品を貯蔵するためのチャンバ７０４を規定する筐体７０２を含み、電気化学セルアセンブリ１００は、流入管７１０及び流出管７１２を通じて、筐体７０２と流体連通されている。さらに、筐体アセンブリ７００は、チャンバ７０４からＭＥＡ１００への流体、例えば水分を含有する空気のフロー（すなわち流入空気）、及び電気化学セルアセンブリ１００を出て流体管７１２を通じてチャンバ７０４へ向かう空気のフロー（すなわち流出空気）を可能にするために、吸入管７１０の出口に配置されたファン７１４を含んでもよい。ファン７１４は、流入管７１０の出口に配置されたように示されているが、ファン７１４が流入管７１０に沿った任意のところに配置されることが理解され得る。また、ファン７１４は、流出管７１２の入り口、流出管７１２の出口又は流出管７１２の全長に沿った任意の他の位置に設置されてもよい。流体、例えば水分は、チャンバ７０４から流入管７１０を通って流れ、バリア層１１２が流体、例えば水に対して透過性である場合、バリア層１１２（すなわちスルホン化ポリマー１５０）を通って電気化学セルアセンブリの間隙１４４に入る。バリア層１１２を通るとすぐに、流体、例えば水は、ＭＥＡ１０１のアノード１２０に接触し、ここで、流体はその構成要素、例えば、水素イオン及び酸素ガスに変換される。バリア層１１２及びイオン交換膜１１０（すなわちＰＥＭ１４０）が両方とも、負に帯電した構成要素、例えば酸素ガスに対して相対的に非透過性である場合、負に帯電した構成要素、例えば酸素ガスは間隙１４４の内側に留まるのに対して、正に帯電した構成要素、例えば水素イオンは、ＭＥＡ１０１のアノード１２０及びカソード１２２の間に印加された電場の影響下、ＰＥＭ１５０を通過してカソード１２２に到達する。カソード１２２において、正に帯電した構成要素、例えば水素ガスが生じ、これは流出管７１２を通ってチャンバ７０４に移動する。電気化学セルアセンブリ１００の間隙１４４の内側に存在する負に帯電した構成要素、例えば酸素ガスは、電気化学セルアセンブリ１００の端部に沿って規定されている、電気化学セルアセンブリ１００の１つ以上の排出開口を通じて空気中に排出される。この方法では、電気化学セルアセンブリ１００によって、筐体７０２の内側の構成要素、例えば酸素の含有量を増加させることなく、筐体７０２の内側の流体、例えば水分の含有量を減少させることができる。
【0119】
図７を参照すると、電気化学セルアセンブリ３００を有する筐体アセンブリ８００が開示されている。電気化学セルアセンブリ３００は、ＡＥＭ３０２としてイオン交換膜１１０を含む。示される通り、筐体アセンブリ８００は、貯蔵目的のために少なくとも１種の物品を受け入れるチャンバ８０４、及びチャンバ８０４へのアクセスを提供する開口８０８を規定する、筐体８０２を含む。さらに、電気化学セルアセンブリ３００は、スルホン化ポリマー１５０であるバリア層１１２が開口８０８を覆うように配置され、その結果、バリア層１１２の第１の表面６１０が、筐体８０２のチャンバ８０４に面して配置されるように、筐体８０２に装着され／取り付けられている。電気化学セルアセンブリ３００は、間隙１４４が筐体８０２の外側に配置されるように、筐体８０２に取り付けられ又は装着されている。実施形態では、アノード１２０において発生した負の構成要素、例えばヒドロキシルイオンは、バリア層１１２が負の構成要素、例えば酸素ガスに対して非透過性である場合、間隙１４４の内側に留まる一方で、アノードにおいて発生した流体、例えば水は、バリア層１１２及び開口８０８を通ってチャンバ８０４に入る。間隙１４４の内側に存在する負の構成要素は、電気化学セルアセンブリ３００の端部に沿って規定された１つ以上の開口を通って空気中に排出され得るか、使用のために捕獲することができるかのいずれかである。実施形態では、電気化学セルアセンブリ３００によって、筐体８０２の内側の酸素含有量を増加させることなく、筐体８０２の内側の水分含有量（すなわち湿度）を増加させることができる。
【0120】
実施形態では、筐体６００又は７００は、１種以上の物品を安全に貯蔵するための貯蔵箱であってもよい。例えば、筐体６００又は７００は、食品を貯蔵することに適合させた食品貯蔵箱であってもよい。ＭＥＡ１０１を含有する電気化学セルアセンブリ１００、２００、３００又は４００を使用して、他の化合物、例えば二酸化炭素、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸等を電気化学的に酸化することができ、化合物、例えば、アンモニア、メタン等を電気化学的に合成することができる。実施形態では、ＭＥＡ１０１を含有する電気化学セルアセンブリ１００、２００又は４００は、酸素含有量を増加させることなく水分を除去し、筐体の内側に貯蔵されている食品の保存期間の増加を促進する。一部の実施形態では、筐体６００及び７００は、アンティーク物品の保存を促進する、電気化学セルアセンブリ１００を有するアンティーク物品容器であってもよい。この方法では、電気化学セルアセンブリ１００、２００、３００又は４００は、湿度を制御するため、筐体の内側の酸素含有量を制御するため、筐体の内側の水素含有量を制御するため、酸素ガスを捕獲するため及び水素ガスを捕獲するため等に利用することができる。電気化学セルアセンブリ１００、２００又は３００は、湿度及び酸素含有量の制御、化学処理、楽器、タバコ／大麻貯蔵のため、又は冷蔵庫の抽斗として使用することができる。
【0121】
ここで使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、用語に続く特定された要素又はステップを含むことを意味するが、一切のこのような要素又はステップは網羅的ではなく、一実施形態は、他の要素又はステップを含むことができる。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、様々な態様を記載するためにここで使用されているが、「～から本質的になる」及び「～からなる」という用語は、本開示のより詳細な態様を提供するために、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の代わりに使用されることがあり、また開示される。
【0122】
この明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、明示的かつ明白に１つの指示対象に限定されない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。ここで使用される場合、単語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及びその文法的変形は非限定的であることが意図され、その結果、リスト中の項目の列挙は、リスト中の項目に代替する又は加えることができる他の同様の項目を除外するものではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【外国語明細書】