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▶ グリーンライザー ユーエス，インコーポレイティドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-04-11
(54)【発明の名称】アニオン交換膜を利用する水電解装置
(51)【国際特許分類】
C25B 13/08 20060101AFI20240404BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240404BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240404BHJP
C25B 11/073 20210101ALI20240404BHJP
C25B 11/055 20210101ALI20240404BHJP
【ＦＩ】
C25B13/08 301
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B11/073
C25B11/055
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023561764
(86)(22)【出願日】2022-04-05
(85)【翻訳文提出日】2023-12-04
(86)【国際出願番号】 US2022023513
(87)【国際公開番号】W WO2022216728
(87)【国際公開日】2022-10-13
(31)【優先権主張番号】17/222,553
(32)【優先日】2021-04-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523380184
【氏名又は名称】グリーンライザー ユーエス，インコーポレイティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(74)【代理人】
【識別番号】100126848
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 昭雄
(72)【発明者】
【氏名】リチャード アイ．マーゼル
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K011AA29
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB36
(57)【要約】
水電解装置には、少なくとも２つの電気化学セルを含む電解装置スタックが含まれる。各セルは、アニオン交換膜、卑金属アノード電解触媒、卑金属カソード電解触媒および、分流がスタックに供給される総電流の１％未満になるような隣接セル間の充分に長いイオン伝導経路、を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解装置スタックを含む、水素ガスを製造するための水電解装置において、前記電解装置スタックが少なくとも２つの電気化学セルを含み、前記電気化学セルの各々が：（ａ）アノードガス拡散層（ＧＤＬ）および一定量のアノード電解触媒を含むアノードと；
（ｂ）カソードＧＤＬおよび一定量のカソード電解触媒を含むカソードと；
（ｃ）前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも１つに対して導かれる水を含む溶液の供給源と；
（ｄ）前記アノードと前記カソードの間に間置されたアニオン交換膜と、
を含み、
前記アニオン交換膜の各々が平均厚み（ｔ）を有し、
前記電解装置スタック内の前記電気化学セルのいずれか２つの前記アノードＧＤＬ間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＡ）が；
ＬＧＤＬＡ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
であり、式中、σｓｏｌは６０℃における前記溶液の伝導率（Ｓ／ｃｍ）であり、σｍｅｍは６０℃における１ＭのＫＯＨ中で測定した前記アニオン交換膜の各々の伝導率であり、
ＬＧＤＬＡ＞１．５ｃｍである、
水電解装置。
【請求項2】
ＬＧＤＬＡ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項3】
ＬＧＤＬＡ＞３ｃｍである、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項4】
前記電解装置スタック内の前記電気化学セルのうちのいずれか２つの前記カソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＣ）が：ＬＧＤＬＣ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項5】
前記溶液が２５℃で８超のｐＨを有する、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項6】
前記溶液が２５℃で１２超のｐＨを有する、請求項５に記載の水電解装置。
【請求項7】
前記溶液が２５℃で０．０５Ｓ／ｃｍ超の伝導率を有する、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項8】
前記電気化学セルの各々の中の前記カソード電解触媒が、非担持粒子または導電性担体上に担持された粒子の形をしており、前記粒子が０．６ｎｍ～１００ｎｍの平均サイズを有する、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項9】
前記電気化学セルの各々の中の前記アノード電解触媒が卑金属触媒を含む、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項10】
前記電気化学セルの各々の中の前記カソード電解触媒が卑金属触媒を含む、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項11】
前記電気化学セルの各々の中の前記アノード電解触媒が本質的に１つ以上の卑金属触媒からなる、請求項９に記載の水電解装置。
【請求項12】
前記電気化学セルの各々の中の前記カソード電解触媒が本質的に１つ以上の卑金属触媒からなる、請求項１０に記載の水電解装置。
【請求項13】
前記電気化学セルのうちの少なくとも１つの中の前記アニオン交換膜が正荷電アミンを含む、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項14】
前記電気化学セルのうちの少なくとも１つの中の前記アニオン交換膜が正荷電環状アミンを含む、請求項１３に記載の水電解装置。
【請求項15】
前記正荷電アミンがイミダゾリウム、ピペリジニウムまたはピリジニウムである、請求項１４に記載の水電解装置。
【請求項16】
前記アニオン交換膜が、（ｉ）スチレンとクロロメチルスチレンのコポリマ；
（ｉｉ）ベンゼン環を含有するポリマ；
（ｉｉｉ）フェニレン基を含有するポリマ；
（ｉｖ）本質的に炭素と水素で構成されたポリマ鎖；および
（ｖ）本質的に炭素、水素およびフッ素で構成されたポリマ鎖、
のうちの少なくとも１つを含んでいる、請求項１３に記載の水電解装置。
【請求項17】
前記アニオン交換膜がスチレンおよび／またはフェニレンを含む、請求項１５に記載の水電解装置。
【請求項18】
前記アニオン交換膜が本質的に炭素、水素、窒素、酸素およびフッ素からなる、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項19】
前記電気化学セルの各々の中の前記カソードがイオノマーを含む、請求項１に記載の水電解装置。
【請求項20】
水電解装置。
【請求項21】
水電解装置を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、「アニオン交換膜を利用する水電解装置」という名称の２０２１年４月５日出願の米国特許出願第１７／２２２，５５３号に関連し、それに対する優先権の利益を主張するものである。’５５３出願は、その全体が参照により本明細書に組込まれている。
本発明の分野は電気化学である。本明細書中で説明されているデバイス、システムおよび組成物には、水の電気分解が関与する。
本出願は、「アニオン交換膜を利用する水電解装置」という名称の２０２１年４月５日出願の米国特許出願第１７／２２２，５５３号に関連し、それに対する優先権の利益を主張するものである。’５５３出願は、その全体が参照により本明細書に組込まれている。
本発明の分野は電気化学である。本明細書中で説明されているデバイス、システムおよび組成物には、水の電気分解が関与する。
【背景技術】
【0002】
水の電気分解は現在、例えば水素スタンドおよび化学プラントにおける水素供給源として、および「パワーツーガス」と呼ばれる技術を用いる余剰の再生可能エネルギの貯蔵方法として使用されている。
【0003】
低温電解装置には、プロトン交換膜（ＰＥＭ）電解装置とアルカリ水電解装置という２つの主要なタイプが存在する。ＰＥＭ電解装置は、２Ｖ未満のセル電圧で１Ａ／ｃｍ２前後の電流密度で動作でき、迅速なオンオフ切換えが可能である。残念なことに、ＰＥＭ電解装置は典型的に、白金またはイリジウムなどの貴金属触媒の使用を必要とする。これは、経済的に大きな制約となる。
【0004】
対照的に、アルカリ水電解装置の現世代は、貴金属の使用を必要とせず、代って卑金属触媒を使用することができる。残念ながら、アルカリ水電解装置の現世代は典型的に、ＰＥＭ電解装置よりも低い電流密度で動作する。これにより、資本設備コストが上昇する。
【0005】
例えば、特許文献１は、アルカリ水電解装置が、１．８～２Ｖのセル電位で２００～３００ｍＡ／ｃｍ２（０．２～０．３Ａ／ｃｍ２）で動作すると指摘している。特許文献１は同様に、セル温度を１１０℃まで上昇させることにより１Ａ／ｃｍ２の電流を得ることができると標示しているが、特許文献２中で指摘されているように、８０～９０℃を超えると過度の腐食がこれらの高ｐＨシステム（典型的には１ＭのＫＯＨ電解質）において観察されることから、実用的アルカリ水電解装置の温度上限は、８０～９０℃である。最近になって、特許文献３が、８０℃、１．９Ｖで４０Ａ／ｄｍ２（０．４Ａ／ｃｍ２）を得ることのできる改良型電解装置設計を開示している。これは大幅な改善であるが、それでもなおＰＥＭ電解装置の性能を下回っている。
【0006】
従来のアルカリ水電解装置の代用品としてのアニオン交換膜（ＡＥＭ）水電解装置をめぐる文献中の議論も同様に始まっている。ＶｉｎｃｅｎｔおよびＢｅｓｓａｒａｂｏｖによる最近の書評（非特許文献１）では、「ＡＥＭ水電解」について公表されている研究論文はわずかである（２０件未満）」と記されている。
【0007】
２０１８年以降多くの追加論文が公開されてきたが、ほとんどが単一のセル性能しか検討していない。多数のセルを組合せた電解装置スタックが求められており、スタックの設計は広範に検討されていない。
【0008】
しかしながら、小規模電解装置スタックを格納する小型の業務用のＡＥＭ電解装置がＥｎａｐｔｅｒ社から入手可能である。Ｅｎａｐｔｅｒ社のセル設計は、特許文献４に記載されている。Ｅｎａｐｔｅｒ社のＡＥＭ電解装置が設計された時点では、利用可能なＡＥＭは、１％超のＫＯＨ濃度において安定していなかった。その結果、Ｅｎａｐｔｅｒ社は、１重量％のＫＯＨ（０．１７Ｍ）溶液をセル内に補給することによって動作するように、自社の電解装置を設計した。
【0009】
しかしながら、より最近では、Ｍａｓｅｌの特許文献５および特許文献６が、室温で９ＭのＫＯＨにおいて安定しているＡＥＭを実証した。これにより、Ｍａｓｅｌおよびその共同研究者達は、特許文献７に記載されているようなより高いＫＯＨ濃度で動作するＡＥＭ電解装置を開発することができた。これらのＡＥＭ電解装置の利点は、以下の通りである：
（ａ）セル電流ははるかに高く、したがって、セルははるかに多くの水素を生成することができる、
（ｂ）卑金属はより高いｐＨで安定していることから、貴金属触媒の使用を回避できる。
（ａ）セル電流ははるかに高く、したがって、セルははるかに多くの水素を生成することができる、
（ｂ）卑金属はより高いｐＨで安定していることから、貴金属触媒の使用を回避できる。
【0010】
より高いＫＯＨ濃度の使用は、主要な課題を提示する。すなわち、特許文献８および特許文献９に記載されているように、ＫＯＨ濃度が増大するにつれて、分流が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】米国特許第４，４４５，９９４号明細書
【特許文献2】米国特許出願第１５／０２９，９５２号明細書（米国特許出願公開第２０１６／０２３７５７８号明細書）
【特許文献3】米国特許出願第１５／１０３，９２４号明細書（米国特許出願公開第２０１６／０３１２３７１号明細書）
【特許文献4】米国特許第９，３４０，８８２号明細書
【特許文献5】米国特許第９，３７０，７７３号明細書
【特許文献6】米国特許第９，５８０，８２４号明細書
【特許文献7】米国特許第１０，６４７，６５２号明細書
【特許文献8】米国特許第４，３７１，４３３号明細書
【特許文献9】蘭国登録特許第１０１３６３０号明細書
【非特許文献】
【0012】
【非特許文献1】Ｖｉｎｃｅｎｔ ａｎｄ Ｂｅｓｓａｒａｂｏｖ著（Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ、第８１巻ｐ１６９０～１７０４（２０１８年））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
当該ＡＥＭ電解装置設計は、分流を最小限に抑えるかまたは少なくとも軽減し、１Ａ／ｃｍ２以上の電流で動作する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
水素ガスを製造するための水電解装置は、少なくとも２つの電気化学セルを含む電解装置スタックを含むことができる。前記セルのうちの各々のセルは、
（ａ）アノードガス拡散層（ＧＤＬ）および一定量のアノード電解触媒を含むアノードと；
（ｂ）カソードＧＤＬおよび一定量のカソード電解触媒を含むカソードと；
（ｃ）前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも１つに対して導かれる水を含む溶液の供給源と；
（ｄ）前記アノードと前記カソードの間に間置されたアニオン交換膜と、
を含むことができ、ここで、
（ｉ）前記溶液は、６０℃で少なくとも０．０５Ｓ／ｃｍの伝導率（σｓｏｌ）を有し、
（ｉｉ）前記アニオン交換膜の各々は、平均厚み（ｔ）および１ＭのＫＯＨ中６０℃での伝導率（σｍｅｍ）を有し、
（ｉｉｉ）ここで、セルのうちのいずれか２つのアノードＧＤＬとスタック内の任意の異なるセルのアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＡ）は：
ＬＧＤＬＡ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
（ａ）アノードガス拡散層（ＧＤＬ）および一定量のアノード電解触媒を含むアノードと；
（ｂ）カソードＧＤＬおよび一定量のカソード電解触媒を含むカソードと；
（ｃ）前記アノードおよび前記カソードのうちの少なくとも１つに対して導かれる水を含む溶液の供給源と；
（ｄ）前記アノードと前記カソードの間に間置されたアニオン交換膜と、
を含むことができ、ここで、
（ｉ）前記溶液は、６０℃で少なくとも０．０５Ｓ／ｃｍの伝導率（σｓｏｌ）を有し、
（ｉｉ）前記アニオン交換膜の各々は、平均厚み（ｔ）および１ＭのＫＯＨ中６０℃での伝導率（σｍｅｍ）を有し、
（ｉｉｉ）ここで、セルのうちのいずれか２つのアノードＧＤＬとスタック内の任意の異なるセルのアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＡ）は：
ＬＧＤＬＡ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
【0015】
いくつかの好ましい実施形態において、ＬＧＤＬＡは、
ＬＧＤＬＡ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
ＬＧＤＬＡ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
【0016】
いくつかのより好ましい実施形態において、ＬＧＤＬＡは、少なくとも１．５ｃｍ、好ましくは少なくとも２ｃｍ、３ｃｍ、４ｃｍ、５ｃｍ、６ｃｍ、７ｃｍ、８ｃｍ、９ｃｍまたは１０ｃｍである。
【0017】
いくつかの実施形態において、スタック内のセルのうちのいずれか２つのセルのカソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＣ）は：
ＬＧＤＬＣ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
ＬＧＤＬＣ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ
である。
【0018】
いくつかの好ましい実施形態において、溶液は２５℃で８超のｐＨを有する。いくつかのより好ましい実施形態において、溶液は２５℃で１０超のｐＨを有する。いくつかのより一層好ましい実施形態において、溶液は、２５℃で１２以上のｐＨを有する。
【0019】
いくつかの好ましい実施形態において、σｓｏｌ＞０．０５Ｓ／ｃｍである。いくつかのより好ましい実施形態において、σｓｏｌ＞０．１Ｓ／ｃｍである。
【0020】
いくつかの好ましい実施形態において、電解装置は、スタック内の１つのセルのアノードをスタック内の異なるセルのアノードに対し流体連結する導管を含み、水を含む溶液の供給源はこの導管へと導かれている。
【0021】
いくつかの好ましい実施形態において、電解装置は、スタック内の１つのセルのアノードとスタック内の異なるセルのカソードの間に電気接続を含んでいる。
【0022】
いくつかの好ましい実施形態において、電解装置は、スタック内の１つのセルのカソードとスタック内の異なるセルのアノードの間に、電位供給源を含んでいる。
【0023】
いくつかの好ましい実施形態において、電解装置は、スタック内の１つのセルのカソードをスタック内の異なるセルのカソードに流体連結する導管を含む。
【0024】
いくつかの好ましい実施形態において、前記セルの各々の中のカソード電解触媒が、非担持粒子または導電性担体上に担持された粒子の形をしており、粒子は０．６ｎｍ～１００ｎｍの平均サイズを有する。
【0025】
いくつかの好ましい実施形態において、前記セルの各々の中の前記アノード電解触媒は卑金属触媒を含む。より好ましくは、アノード電解触媒は本質的に１つ以上の卑金属触媒からなる。
【0026】
いくつかの好ましい実施形態において、前記セルの各々の中のカソード電解触媒は卑金属触媒を含む。いくつかのより好ましい実施形態において、カソード電解触媒は本質的に１つ以上の卑金属触媒からなる。
【0027】
いくつかの好ましい実施形態において、前記セルのうちの少なくとも１つの中の膜は、正荷電アミンを含む。いくつかの好ましい実施形態において、前記セルのうちの少なくとも１つの中の膜は、正荷電環状アミンを含む。
【0028】
いくつかの好ましい実施形態において、正荷電アミンはイミダゾリウム、ピペリジニウムまたはピリジニウムである。
【0029】
いくつかの好ましい実施形態において、膜は、
（ｉ）スチレンとクロロメチルスチレンのコポリマ；
（ｉｉ）ベンゼン環を含有するポリマ；
（ｉｉｉ）フェニレン基を含有するポリマ；
（ｉｖ）本質的に炭素と水素で構成されたポリマ鎖；および
（ｖ）本質的に炭素、水素およびフッ素で構成されたポリマ鎖、
のうちの少なくとも１つを含んでいる。
（ｉ）スチレンとクロロメチルスチレンのコポリマ；
（ｉｉ）ベンゼン環を含有するポリマ；
（ｉｉｉ）フェニレン基を含有するポリマ；
（ｉｖ）本質的に炭素と水素で構成されたポリマ鎖；および
（ｖ）本質的に炭素、水素およびフッ素で構成されたポリマ鎖、
のうちの少なくとも１つを含んでいる。
【0030】
いくつかの好ましい実施形態において、膜はスチレンおよび／またはフェニレンを含む。
【0031】
いくつかの好ましい実施形態において、膜は本質的に炭素、水素、窒素、酸素およびフッ素からなる。
【0032】
いくつかの好ましい実施形態において、少なくとも１つのカソードは、イオノマーを含む。いくつかの好ましい実施形態において、前記セルの各々の中のカソードは、イオノマーを含む。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【0034】
【0035】
【0036】
【0037】
【0038】
【発明を実施するための形態】
【0039】
本明細書中に記載の特定の方法、プロトコルおよび試薬は、ここで関与している技術の当業者であれば認識する通り変動し得ることから、該プロセスはこれらの方法、プロトコルおよび試薬に限定されるものではないということが理解される。同様に、本明細書中で使用されている専門用語は特定の実施形態を説明する目的でのみ使用されており、当該プロセスの範囲を限定するように意図されていない、ということも理解すべきである。同様に、本明細書中および添付クレーム中に使用されている単数形態「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」には、文脈上明らかに別段の指示がなされているのでないかぎり、複数の言及も含まれるということも指摘しておくべきである。したがって、例えば、「リンカ（ａ ｌｉｎｋｅｒ）」に対する言及は、当業者にとって公知の１つ以上のリンカおよびその等価物に対する言及である。同様にして、「および／または」なる言い回しは、記載されている一方または両方の事例が発生し得ることを標示するために使用され、Ａおよび／またはＢには（ＡおよびＢ）および（ＡまたはＢ）が含まれる。
【0040】
別段の定義が無いかぎり、本明細書中で使用されている技術的および科学的用語は、該プロセスが関係する技術の当業者が一般に理解するものと同じ意味を有する。該プロセスおよびそのさまざまな特徴および有利な詳細の実施形態は、非限定的な実施形態に関連してより完全に説明され、かつ／または添付図面中で例示され、以下の明細書の中で詳述される。図面中に例示されている特徴は、必ずしも原寸に比例して描かれておらず、たとえ本明細書中に明示的に記載されていなくても、１つの実施形態の特徴は、当業者であれば認識すると考えられるように、他の実施形態でも利用可能である。
【0041】
本明細書中で列挙されているいずれかの数値範囲は、いずれかの低位値といずれかの高位値の間に少なくとも２単位の分離が存在することを条件として、１単位の増分で下位値から上位値までの全ての値を含む。一例として、構成成分の濃度または例えばサイズ、角度サイズ、圧力、時間などのプロセス変数の値が例えば１～９８、具体的には２０～８０、より具体的には３０～７０であると記されている場合、本明細書には、１５～８５、２２～６８、４３～５１、３０～３２などの値が明示的に列挙されるように意図されている。１より小さい値については、１単位は適宜０．０００１、０．００１、０．０１、または０．１であるものとみなされる。これらは単に、具体的に意図されているものの一例にすぎず、最小値と最大値の間の数値の考えられる全ての組合せが、同じように扱かわれるものとする。
【0042】
さらに、以下に提供するのは「定義」の項であり、ここでは該プロセスに関連するいくつかの用語が具体的に定義される。特定の方法、デバイスおよび材料が説明されているが、本明細書に記載されているものに類似したまたはそれと等価のあらゆる方法および材料をプロセスの実践または試験において使用することが可能である。
【0043】
定義
本明細書中で使用される「ポリマ電解質膜」とは、概して多数の共有結合した負荷電基を有するポリマを含むカチオン交換膜と、概して多数の共有結合した正荷電基を有するポリマを含むアニオン交換膜の両方を意味する。典型的なカチオン交換膜には、プロトン伝導性膜、例えばＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ．からＮＡＦＩＯＮの商品名で入手可能なペルフルオロスルホン酸ポリマなどのプロトン伝導性膜が含まれる。
本明細書中で使用される「ポリマ電解質膜」とは、概して多数の共有結合した負荷電基を有するポリマを含むカチオン交換膜と、概して多数の共有結合した正荷電基を有するポリマを含むアニオン交換膜の両方を意味する。典型的なカチオン交換膜には、プロトン伝導性膜、例えばＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、ＤＥ．からＮＡＦＩＯＮの商品名で入手可能なペルフルオロスルホン酸ポリマなどのプロトン伝導性膜が含まれる。
【0044】
本明細書中で使用される「アニオン交換膜電解装置」なる用語は、カソードからアノードを分離するアニオン伝導性ポリマ電解質膜を伴う電解装置を意味する。
【0045】
本明細書中で使用される「水素発生反応」、略して「ＨＥＲ」なる用語は、電気化学反応２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２を意味する。
【0046】
本明細書中で使用される「ＭＥＡ」なる用語は、膜電極アセンブリを意味する。
【0047】
本明細書中で使用される「ＵＥＡ」なる用語は、ユニット化電極アセンブリを意味する。
【0048】
本明細書中で使用される「ミリポア水」なる用語は、少なくとも１８．２メガオーム－ｃｍの抵抗率を有するミリポアろ過システムにより製造される水を意味する。
【0049】
本明細書中で使用される「イミダゾリウム」なる用語は、イミダゾール基を含有する正荷電リガンドを意味する。これには、素のイミダゾールまたは置換イミダゾールが含まれる。
という形態のリガンドが具体的に含まれ、ここで、Ｒ１～Ｒ５は各々独立して、水素、ハロゲン化物、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールおよびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマの中から選択される。
【化1】
【0050】
本明細書中で使用される「ピリジニウム」なる用語は、ピリジン基を含有する正荷電リガンドを意味する。これには、素のピリジンまたは置換ピリジンが含まれる。
という形態のリガンドが具体的に含まれ、ここで、Ｒ６～Ｒ１１は各々独立して、水素、ハロゲン化物、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールおよびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマの中から選択される。
【化2】
【0051】
本明細書中で使用される「ホスホニウム」なる用語は、リンを含有する正荷電リガンドを意味する。これには、置換リンが含まれる。
Ｐ＋（Ｒ１２Ｒ１３Ｒ１４Ｒ１５）
という形態のリガンドが具体的に含まれ、ここで、Ｒ１２～Ｒ１５は各々独立して、水素、ハロゲン化物、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールおよびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマの中から選択される。
Ｐ＋（Ｒ１２Ｒ１３Ｒ１４Ｒ１５）
という形態のリガンドが具体的に含まれ、ここで、Ｒ１２～Ｒ１５は各々独立して、水素、ハロゲン化物、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールおよびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマの中から選択される。
【0052】
本明細書中で使用される「ピペリジニウム」なる用語は、
という形態の正荷電リガンドを意味し、ここで、Ｒ１９～Ｒ２５は各々独立して、水素、ハロゲン化物、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールおよびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマの中から選択される。
【化3】
【0053】
本明細書中で使用される「正荷電環状アミン」なる用語は、環状アミンを含有する正荷電リガンドを意味する。これには具体的に、イミダゾリウム、ピリジニウム、ピラゾリウム、ピロリジニウム、ピロリウム、ピリミジウム、ピペリジニウム、インドリウム、トリアジニウム、およびそれらのポリマ、例えば本明細書中に記載のビニルベンジルコポリマが含まれる。
【0054】
本明細書中で使用される「単純なアミン」なる用語は：
Ｎ（Ｒ１６Ｒ１７Ｒ１８）
という形態の種を意味し、ここで、Ｒ１６～Ｒ１８は各々独立して、水素、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールの中から選択されるが、ポリマは選択されない。
Ｎ（Ｒ１６Ｒ１７Ｒ１８）
という形態の種を意味し、ここで、Ｒ１６～Ｒ１８は各々独立して、水素、直鎖アルキル、分岐アルキル、環状アルキル、ヘテロアルキル、アリール、ヘテロアリール、アルキルアリール、ヘテロアルキルアリールの中から選択されるが、ポリマは選択されない。
【0055】
本明細書中で使用される「貴金属」なる用語は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＡｕのうちの１つ以上を意味する。
【0056】
本明細書中で使用される「卑金属触媒」なる用語は、実質的に貴金属を含まない触媒を意味する。
【0057】
本明細書中で使用される「分流」なる用語は、膜を通してではなくむしろ隣接するセル間の流体連結を通る経路をたどるスタックに印加された電流の一部分を意味する。電流は、連結部内の流体を通ってかまたは導管および接続金具（ｆｉｔｔｉｎｇ）を通って伝達され得る。
【0058】
本明細書中で使用される「双極板」なる用語は、１つのセルのためのカソードまたはカソード流動場およびスタック内の隣接するセルのためのアノードまたはアノード流動場として役立つ単一の導電性板である。
【0059】
本明細書中で使用される「隣接するセルのアノード間の最短イオン伝導経路」なる用語は、所与のセルのアノードからそして隣接するセルのアノードまでの最短イオン伝導経路を意味する。
【0060】
「水電解装置」なる用語は、電気を使用して水を分解し水素を製造するためのデバイスである。
【0061】
アルカリ水電解装置またはアニオン交換膜（ＡＥＭ）水電解装置の全てではないにせよ大部分の実施形態において、水素は以下の反応を通して生成される：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－
【0062】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）電解装置の全てではないにせよ大部分の実施形態において、水素は以下の反応を通して生成される：
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
【実施例】
【0063】
具体例１
この実施例の目的は、０．１Ｓ／ｃｍ超の伝導率を有する溶液が補給されるときに低い分流を有する電解装置設計を提供することにある。
この実施例の目的は、０．１Ｓ／ｃｍ超の伝導率を有する溶液が補給されるときに低い分流を有する電解装置設計を提供することにある。
【0064】
図１Ａは、３セル電解装置スタックの略図を示す。スタックは、以下のものからなる：
（ａ）アノード１０１ａおよびカソード１０１ｃを含む電解装置セル１０１、
（ｂ）アノード１０２ａおよびカソード１０２ｃを含む電解装置セル１０２、
（ｃ）アノード１０３ａおよびカソード１０３ｃを含む電解装置セル１０３、
（ｄ）アノード入口マニホルド１１０、
（ｅ）それぞれのアノード１０１ａ、１０２ａおよび１０３ａに対してアノード入口マニホルド１１０を連結するパイプ１１１、１１２および１１３、
（ｆ）カソード入口マニホルド１２０、
（ｇ）カソード１０１ｃにカソード入口マニホルド１２０を連結するパイプ１２１。カソード入口マニホルド１２０をそれぞれのカソード１０２ｃおよび１０３ｃに連結する、１２２および１２３と番号付けされたパイプ（図１Ａでは隠れている）も存在する。
（ｈ）アノード出口マニホルド１３０、
（ｉ）アノード出口マニホルド１３０をそれぞれのアノード１０１ａ、１０２ａおよび１０３ａに連結するパイプ１３１、１３２および１３３、
（ｊ）カソード出口マニホルド１４０および、
（ｋ）カソード出口マニホルド１４０をそれぞれのカソード１０１ｃ、１０２ｃおよび１０３ｃに連結するパイプ１４１、１４２、および１４３。
（ａ）アノード１０１ａおよびカソード１０１ｃを含む電解装置セル１０１、
（ｂ）アノード１０２ａおよびカソード１０２ｃを含む電解装置セル１０２、
（ｃ）アノード１０３ａおよびカソード１０３ｃを含む電解装置セル１０３、
（ｄ）アノード入口マニホルド１１０、
（ｅ）それぞれのアノード１０１ａ、１０２ａおよび１０３ａに対してアノード入口マニホルド１１０を連結するパイプ１１１、１１２および１１３、
（ｆ）カソード入口マニホルド１２０、
（ｇ）カソード１０１ｃにカソード入口マニホルド１２０を連結するパイプ１２１。カソード入口マニホルド１２０をそれぞれのカソード１０２ｃおよび１０３ｃに連結する、１２２および１２３と番号付けされたパイプ（図１Ａでは隠れている）も存在する。
（ｈ）アノード出口マニホルド１３０、
（ｉ）アノード出口マニホルド１３０をそれぞれのアノード１０１ａ、１０２ａおよび１０３ａに連結するパイプ１３１、１３２および１３３、
（ｊ）カソード出口マニホルド１４０および、
（ｋ）カソード出口マニホルド１４０をそれぞれのカソード１０１ｃ、１０２ｃおよび１０３ｃに連結するパイプ１４１、１４２、および１４３。
【0065】
カソード１０１ｃは、アノード１０２ａと電気的接触状態にある。カソード１０２ｃはアノード１０３ａと電気的接触状態にある。図１Ａは、隣接するアノードおよびカソード（例えばカソード１０１ｃおよびアノード１０２ａ）を別個の構成要素として示しているが、隣接する構成要素を単一の双極板に組合せることができる。
【0066】
図２は、図１Ａ中に例示されたスタック内のセルのうちの１つのセルを分解したものを例示する。セル３０は、剛性流動場板３４および３６の間に間置された膜電極アセンブリ３２を含む。膜電極アセンブリ３２は、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）、すなわちアノードＧＤＬ４４およびカソードＧＤＬ４６の間に間置されたアニオン交換膜４２を含む。アノードＧＤＬ４４およびカソードＧＤＬ４６は典型的に、炭素繊維紙またはニッケル繊維紙などの多孔質導電性シート材料で形成され、平面状の主要表面を有する。アノードＧＤＬ４４およびカソードＧＤＬ４６は、膜４２との界面でそれらの主要表面上に配置された触媒材料の薄層を有し、これらの表面を電気化学的に活性なものにしている。アノード流動場板３４は、膜電極アセンブリ３２に対面するその主要表面の中に形成された少なくとも１つの開放面チャネル３４ａを有する。同様にして、カソード流動場板３６は、膜電極アセンブリ３２に対面するその主要表面の中に形成された少なくとも１つの開放面チャネル３６ａを有する。アノードＧＤＬ４４とカソードＧＤＬ４６の協働する表面に接して組立てられた場合、チャネル３４ａおよび３６ａは、それぞれアノード反応物質（燃料）流およびカソード反応物質（酸化剤）流のための反応物質の流動場通路を形成する。
【0067】
セルは同様に、ＧＤＬと流動板の間に、金属メッシュ、有孔金属シートまたは金属発泡体を格納し得る。最適な開口部は１～２０ｍｍである。流動板は、その本体内に機械加工された流路を有することができ、あるいは、平坦な板を使用することができ、金属メッシュまたは金属板は流路として役立つ。
【0068】
代替的には、膜の上に直接的に触媒材料を被着させることができる。
【0069】
ＡＥＭ水電解装置の場合、アニオン交換膜４２（図２参照）は、正荷電アミンおよび炭化水素骨格、例えば非限定的に：
ｉ）スチレンとクロロメチルスチレンのコポリマ；
ｉｉ）ベンゼン環を含有するポリマ；
ｉｉｉ）フェニレン基を含有するポリマ；
ｉｖ）本質的に炭素および水素で構成されているポリマ鎖；および
ｖ）本質的に炭素、水素およびフッ素で構成されたポリマ鎖；
を含む。典型的には、イミダゾリウム、ピペリジニウムおよび／またはピリジニウムなどの正荷電環状アミンが利用される。
ｉ）スチレンとクロロメチルスチレンのコポリマ；
ｉｉ）ベンゼン環を含有するポリマ；
ｉｉｉ）フェニレン基を含有するポリマ；
ｉｖ）本質的に炭素および水素で構成されているポリマ鎖；および
ｖ）本質的に炭素、水素およびフッ素で構成されたポリマ鎖；
を含む。典型的には、イミダゾリウム、ピペリジニウムおよび／またはピリジニウムなどの正荷電環状アミンが利用される。
【0070】
特許文献４は、カソード上の触媒層はいかなるイオノマーも含有すべきでないことを教示しているが、イオノマーが使用された場合、本発明の電解装置内ではより優れた性能が見られた。膜４２およびアノードＧＤＬ４４およびカソードＧＤＬ４６が共に結合されてユニット化電極アセンブリ（ＵＥＡ）を形成する場合にも同様に、より優れた性能が見られた。
【0071】
動作中、水と塩基を含む混合物がアノードおよび／またはカソード入口マニホルド内に補給される。溶液は、セルを通って流動し、出口マニホルドを通って外に出る。溶液は典型的に、８超のｐＨを有し、海水、塩分および他の構成成分を含有し得る。
【0072】
１Ａ／ｃｍ２以上の高電流が望まれる場合、溶液は少なくとも１２のｐＨを有していなければならない。
【0073】
経験的に、溶液の伝導率が０．０５Ｓ／ｃｍ超である場合に好適な性能が得られ、溶液の伝導率が０．１～０．４Ｓ／ｃｍである場合に最高の性能が得られる、ということが発見された。
【0074】
ひとたび溶液が流動するようになると、セルのうちの１つのセルのアノード（例えばアノード１０１ａ）と異なるセルのカソード（例えばカソード１０３ｃ）の間に電圧が印加され、所望の電気化学的反応が促進される。ＡＥＭ水電解装置内では、カソードにおいて以下の反応が発生する：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－（１）
このとき、水酸基は膜内を通過し、ここでこれらはアノードにおいて反応して酸素を生成する：
２ＯＨ－→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－（２）
正味の反応は、以下のようになる：
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋Ｈ２（３）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋２ＯＨ－（１）
このとき、水酸基は膜内を通過し、ここでこれらはアノードにおいて反応して酸素を生成する：
２ＯＨ－→１／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ－（２）
正味の反応は、以下のようになる：
Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋Ｈ２（３）
【0075】
セルに供給された電流の全てが水素および酸素の製造に使われることが極めて望ましいと思われるが、実際には、「分流」と呼ばれる電流の一部分がＭＥＡを迂回する。例えば、図１Ａにおいてアノード入口マニホルド１１０内に流入する溶液が良導体である場合には、電流はパイプ１１１から出てアノード１０１ａからアノード入口マニホルド１１０内へ流動し、パイプ１１２内に戻り、その後、セル１０１内のＭＥＡを迂回してアノード１０２ａへと流動することができる。ＭＥＡを迂回する電流は、いかなる反応生成物も生成しないことから無駄になり、したがって、分流を除去または軽減することが望ましい。
【0076】
先行特許文献には、電解装置内で分流を回避するためのいくつかの方法が記載されている。概して、このアプローチは、隣接するセル間の流動経路内にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または他の疎水性材料を含み入れることであった。流動経路内で電気化学プロセス中に生成された気泡が増大し、それによって分流が遮断される。このようなアプローチは、セルの入口および出口近くで充分なガスが発達する場合には機能するが、商業規模のＡＥＭ水電解装置については、セルのカソードおよびアノードへの入口近くにはほとんどまたは全く気泡が存在せず、溶液の流速が高く気泡が蓄積しないことから、このアプローチは機能しない。したがって、分流を削減するための異なるアプローチが求められる。
【0077】
図１ＡのＡＥＭ電解装置設計は、分流を削減するために以下の２つの異なるアプローチを利用する：
（ａ）連結用管（パイプ）１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２、１３３、１４１、１４２および１４３は全て非導電材料で形成され、こうして金属を介した電子伝導による分流の経路を除去する。
（ｂ）マニホルドを通って戻るイオン経路は長く、こうしてアノード１０１ａからアノード１０２ａまで流動するイオンは極めて少ないものとなる。
（ａ）連結用管（パイプ）１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３、１３１、１３２、１３３、１４１、１４２および１４３は全て非導電材料で形成され、こうして金属を介した電子伝導による分流の経路を除去する。
（ｂ）マニホルドを通って戻るイオン経路は長く、こうしてアノード１０１ａからアノード１０２ａまで流動するイオンは極めて少ないものとなる。
【0078】
図３は、セル１０１および１０２のアノード間の最短イオン伝導経路を例示している。この場合、最短伝導経路２００は、接続金具近くのアノード上の点からパイプ１１１を通って下へ、アノード入口マニホルド１１０を通り、パイプ１１２を通って上へ戻るように延在する。
【0079】
スタック内の各セルについて、スタック内の異なるセルのアノード間の最短イオン伝導経路（Ｌａｎｏ）の長さが、
Ｌａｎｏ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（４）
である場合、セル電流の５％未満まで分流を低下させることができる、ということが発見された。なお式中、ｔは膜厚みであり、σｓｏｌはＳ／ｃｍ単位で表わしたアノード内に補給中の溶液の伝導率であり、σｍｅｍは、動作温度で溶液中において測定された膜のイオン伝導率である。典型的に、σｍｅｍは６０℃で１ＭのＫＯＨ中において測定される。
Ｌａｎｏ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（４）
である場合、セル電流の５％未満まで分流を低下させることができる、ということが発見された。なお式中、ｔは膜厚みであり、σｓｏｌはＳ／ｃｍ単位で表わしたアノード内に補給中の溶液の伝導率であり、σｍｅｍは、動作温度で溶液中において測定された膜のイオン伝導率である。典型的に、σｍｅｍは６０℃で１ＭのＫＯＨ中において測定される。
【0080】
Ｌａｎｏは、以下の方法によって計算される：
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのアノードとセルｊのアノードの間の最短イオン伝導経路（Ｌａｎｏ（ｉ，ｊ）、）を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）Ｌａｎｏは、計算された全てのＬａｎｏ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのアノードとセルｊのアノードの間の最短イオン伝導経路（Ｌａｎｏ（ｉ，ｊ）、）を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）Ｌａｎｏは、計算された全てのＬａｎｏ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
【0081】
例えば、スタックが１、２、３および４と付番された４つのセルを有する場合、６つのセル対（１，２）、（１，３）、（１，４）、（２，３）、（２，４）、（３，４）が存在する。このとき、Ｌａｎｏ（１，２）、Ｌａｎｏ（１，３）、Ｌａｎｏ（１，４）、Ｌａｎｏ（２，３）、Ｌａｎｏ（２，４）、Ｌａｎｏ（３，４）が計算または測定されるであろう。Ｌａｎｏ＝最小値（Ｌａｎｏ（１，２）、Ｌａｎｏ（１，３）、Ｌａｎｏ（１，４）、Ｌａｎｏ（２，３）、Ｌａｎｏ（２，４）、Ｌａｎｏ（３，４））。
【0082】
同様にして、隣接するアノード間の分流は典型的に：
Ｌａｎｏ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（５）
である場合、セル電流の１％未満となる。
Ｌａｎｏ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（５）
である場合、セル電流の１％未満となる。
【0083】
カソード間の分流も同様に考慮しなければならない。隣接するカソード間の分流は：
Ｌｃａｔ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（６）
である場合、セル電流の５％未満となる。なお式中、Ｌｃａｔは、以下の方法によって計算されるスタック内の２つの異なるセルのカソード間の最短イオン伝導経路の長さである：
（ａ）セルを付番する：１、２、３・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのカソードとセルｊのカソードの間の最短イオン伝導経路（Ｌｃａｔ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）Ｌｃａｔは、計算された全てのＬｃａｔ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
Ｌｃａｔ＞１０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（６）
である場合、セル電流の５％未満となる。なお式中、Ｌｃａｔは、以下の方法によって計算されるスタック内の２つの異なるセルのカソード間の最短イオン伝導経路の長さである：
（ａ）セルを付番する：１、２、３・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのカソードとセルｊのカソードの間の最短イオン伝導経路（Ｌｃａｔ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）Ｌｃａｔは、計算された全てのＬｃａｔ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
【0084】
同様にして、隣接するカソード間の分流は：
Ｌｃａｔ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（７）
である場合、セル電流の１％未満となる。
Ｌｃａｔ＞５０＊ｔ＊σｓｏｌ／σｍｅｍ（７）
である場合、セル電流の１％未満となる。
【0085】
図４は、実際のＡＥＭ水電解装置の例示である。電解装置は、セル２０１、２０２および２０３をカソードヘッダ２２０に連結するための長い管２２１、２２２および２２３を有することに留意されたい。長い管は、分流を最小限に抑えるかまたは少なくとも軽減する。
【0086】
具体例２
図１Ａのアノード入口マニホルド１１０は、スタックの外部にある。具体例２は、入口マニホルドがスタックの内部にあり金属板から絶縁されているＡＥＭ水電解装置の代替的設計を記述している。
図１Ａのアノード入口マニホルド１１０は、スタックの外部にある。具体例２は、入口マニホルドがスタックの内部にあり金属板から絶縁されているＡＥＭ水電解装置の代替的設計を記述している。
【0087】
図５は、内部入口マニホルドを伴うこのような設計を例示している。図示されているスタックは、セル３０１、３０２、３０３、３０４および３０５を含む。セル３０５は、以下のものを含む：
（ａ）所与のセルのアノードおよび隣接するセルのカソードとして役立つ双極板３５５；
（ｂ）プラスチックフレーム３６５；
（ｃ）アノードヘッダ３１０として役立つプラスチックフレームを通る開口部；
（ｄ）アノードヘッダ３１０とアノードＧＤＬ３７５の間の連結部として役立つノッチ３１５；
（ｅ）アノードヘッダ３１０およびノッチ３１５から双極板３５５を隔離する絶縁用ガスケット３８５；および
（ｆ）カソードヘッダとして役立つ第２の孔３２０。
（ａ）所与のセルのアノードおよび隣接するセルのカソードとして役立つ双極板３５５；
（ｂ）プラスチックフレーム３６５；
（ｃ）アノードヘッダ３１０として役立つプラスチックフレームを通る開口部；
（ｄ）アノードヘッダ３１０とアノードＧＤＬ３７５の間の連結部として役立つノッチ３１５；
（ｅ）アノードヘッダ３１０およびノッチ３１５から双極板３５５を隔離する絶縁用ガスケット３８５；および
（ｆ）カソードヘッダとして役立つ第２の孔３２０。
【0088】
このような場合、最短イオン伝導経路は隣接するアノード／双極板の間にない可能性がある。その代りに、最短イオン伝導経路は、１つのセル内のアノードＧＤＬと第２のセル内のアノードＧＤＬの間にあり得る。その場合、等式４、５、６および７を以下の等式で置き換える必要がある：
ＬＧＤＬＡ＞１０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （８）
ＬＧＤＬＡ＞５０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （９）
ＬＧＤＬＣ＞１０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （１０）
ＬＧＤＬＣ＞５０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （１１）
なお式中、ＬＧＤＬＡは、スタック内の１つのセルのアノードＧＤＬとスタック内の別のセル中のアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路の長さである。ＬＧＤＬＣは、スタック内の１つのセルのカソードＧＤＬとスタック内の別のセル内のカソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路の長さである。
ＬＧＤＬＡ＞１０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （８）
ＬＧＤＬＡ＞５０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （９）
ＬＧＤＬＣ＞１０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （１０）
ＬＧＤＬＣ＞５０*ｔ*σｓｏｌ／σｍｅｍ （１１）
なお式中、ＬＧＤＬＡは、スタック内の１つのセルのアノードＧＤＬとスタック内の別のセル中のアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路の長さである。ＬＧＤＬＣは、スタック内の１つのセルのカソードＧＤＬとスタック内の別のセル内のカソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路の長さである。
【0089】
ＬＧＤＬＡは、以下の方法によって計算される：
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのアノードＧＤＬとセルｊのアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＡ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）ＬＧＤＬＡは、計算された全てのＬＧＤＬＡ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのアノードＧＤＬとセルｊのアノードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＡ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）ＬＧＤＬＡは、計算された全てのＬＧＤＬＡ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
【0090】
ＬＧＤＬＣは、以下の方法によって計算される：
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのカソードＧＤＬとセルｊのカソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＣ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）ＬＧＤＬＣは、計算された全てのＬＧＤＬＣ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
（ａ）セルを付番する：１、２、３、・・・；
（ｂ）全てのセル対のリストを作成する；
（ｃ）セルｉのカソードＧＤＬとセルｊのカソードＧＤＬの間の最短イオン伝導経路（ＬＧＤＬＣ（ｉ，ｊ））を、スタック内の全てのセル対について計算する；
（ｄ）ＬＧＤＬＣは、計算された全てのＬＧＤＬＣ（ｉ，ｊ）値の最小値に等しい。
【0091】
等式９および１１が満たされた場合、分流は総セル電流の１％未満となる。
【0092】
本発明の特定の要素、実施形態および利用分野が図示され説明されてきたが、本発明はそれに限定されず、当業者であれば特に以上の教示に照らして本開示の範囲から逸脱することなく修正を行なうことができることが理解される。
【0093】
以上に示された実施例は、単なる例示であり、当該電気化学デバイスの考えられる全ての実施形態、利用分野または修正の網羅的リストであるように意図されたものではない。したがって、当業者には、本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明の記述された方法およびシステムのさまざまな修正および変形形態が明らかとなるものである。本発明は、具体的実施形態に関連して説明されてきたものの、請求されている通りの本発明はこのような具体的実施形態に不当に限定されるべきではないということを理解すべきである。実際、本発明の実施を目的とする、記載されている態様のさまざまな修正が化学技術または関連分野の当業者にとって明白であり、添付クレームの範囲内に入るように意図されている。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【国際調査報告】