(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置に使用され、ガス流路用の開口部のあるアノード支持体（１０）に取り付けられるように構成される電気化学装置構成部品（２０）において、
アノード支持体（１０）の前記開口部に繋がるガス流路用の開口部（１２、１３）を有する導電性の柔軟な薄片(foil)から成るアノード電流コレクタ（１）と、
カソード電流コレクタ（２）と、
イオン伝導性のある固体高分子電解質膜（４）、アノード（５）、アノードガスバッキング（６）、カソード（７）およびカソードガスバッキング（８）を有する膜／電極接合体（３）とを備え、
膜／電極接合体（３）は、アノードガスバッキング（６）が向けられたアノード電流コレクタ（１）と、カソードガスバッキング（８）が向けられたカソード電流コレクタ（２）との間に配置され、
膜／電極接合体（３）は、アノード電流コレクタ（１）に具備された接着剤層（９）によってアノード電流コレクタ（１）に直接取り付けられており、
接着剤層（９）は、アノードガスバッキング（６）に隣接して対応した第一領域（９ａ）と、第一領域（９ａ）を囲む第二領域（９ｂ）とに広がり、それによって膜／電極接合体（３）とアノード電流コレクタ（１）との間にシーリングを作り、アノードガス室を形成し、
接着剤層（９）が少なくとも第一領域（９ａ）において導電性を有し、
アノード電流コレクタ（１）の膜／電極接合体（３）と反対側に向けられた面は、接着剤層（１５）と取り外し可能な保護シート（１７）を有し、保護シート（１７）は当該電気化学装置構成部品（２０）の使用前に取り外されることが意図されていることを特徴とする電気化学装置構成部品（２０）。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学装置構成部品（２０）において、
膜／電極接合体（３）は、接着手段（１４）によってカソード電流コレクタ（２）に取り付けられており、
接着手段（１４）のカソードガスバッキング（８）に隣接した少なくとも一部（１４ａ）は、導電性があることを特徴とする電気化学装置構成部品（２０）。
【請求項３】
請求項１に記載の電気化学装置構成部品（２０）において、
カソード電流コレクタ（２）は、膜／電極接合体（３）及びアノード電流コレクタ（１）とを締め付けるために、導電性メッシュ（２０２）とクランプ手段（２１９）を備えていることを特徴とする電気化学装置構成部品（２０）。
【請求項４】
請求項３に記載の電気化学装置構成部品（２０）において、
クランプ手段（２１９）は、１つ以上の通気用の穴を有するプリント回路基板であることを特徴とする電気化学装置構成部品（２０）。
【請求項５】
請求項１に記載の電気化学装置構成部品（２０）をアノード支持体（１０）に取り付けて構成された電気化学装置において、
アノード電流コレクタ（１）は、非導電性のアノード支持体（１０）に取り付けられた導電性の層であり、アノード電流コレクタ（１）とアノード支持体（１０）とはアノード電流コレクタ接合体（１１）を形成し、アノード電流コレクタ接合体（１１）は、アノード電流コレクタ（１）のガス流路用の開口部（１２、１３）とアノード支持体（１０）の前記ガス流路用開口部を含むガス流路を備えていることを特徴とする電気化学装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学装置において、
アノード電流コレクタ（１）は、接着テープの一部を形成し、この接着テープは膜／電極接合体（３）に向けられた第一の面と膜／電極接合体（３）の反対側に向けられた第二の面とを有する伝導性の基質薄片(substrate foil)を含み、
前記第一の面は接着剤層（９）を有し、前記第二の面は接着剤層（１５）を備えていることを特徴とする電気化学装置。
【請求項７】
請求項５に記載の電気化学装置において、
カソード電流コレクタ（２）は、導電性のある接着手段（１４）によって、カソードガスバッキング（８）に電気接続されていることを特徴とする電気化学装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載された電気化学装置を直列に接続した配置を有することを特徴とするマルチセル。
【請求項９】
請求項８に記載されたマルチセルにおける前記電気化学装置は、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池であることを特徴とするマルチセル。
【請求項１０】
平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置に使用される電気化学装置構成部品を複数個（１２０、１２０’）、ガス流路用の開口部のあるアノード支持体（１１０）に、直列に取り付けてなるマルチセルにおいて、
複数個の電気化学装置構成部品（１２０、１２０’）のうちの一つの電気化学装置構成部品（１２０）は、
カソード電流コレクタ部分（１０２）と、隣接する電気化学装置構成部品（１２０’）のアノード電流コレクタ部分（１０１）とから構成される導電性のある柔軟な薄片から成る電流コレクタ要素（１１８）と、
イオン伝導性のある固体高分子電解質膜（１０４）、アノード（１０５）、アノードガスバッキング（１０６）、カソード（１０７）およびカソードガスバッキング（１０８）を含む膜／電極接合体（１０３）とを備え、
膜／電極接合体（１０３）は、カソードガスバッキング（１０８）が電流コレクタ要素（１１８）のカソード電流コレクタ部分（１０２）に向けられ、アノードガスバッキング（１０６）が電流コレクタ要素（１１８）と反対側に向くように配置され、
膜／電極接合体（１０３）は、電流コレクタ要素（１１８）のカソード電流コレクタ（１０２）部分にある接着剤層（１１４）によって、電流コレクタ要素（１１８）に取り付けられており、接着剤層（１１４）は少なくともカソードガスバッキング（１０８）に隣接した領域（１１４ａ）に広がり、少なくともその領域（１１４ａ）では導電性があり、
電流コレクタ要素（１１８）のアノード電流コレクタ部分（１０１）は、電流コレクタ要素（１１８）が隣接して直列接続された電気化学装置構成部品（１２０’）の、膜／電極接合体（１０３）に相当する膜／電極接合体（１０３’）とアノード支持体（１１０）との間に伸び、隣接して直列接続された電気化学装置構成部品（１２０’）のアノード電流コレクタとして機能し、
アノード電流コレクタ部分（１０１）は、ガス流路用の開口部（１１２、１１３）を有し、表面に接着剤層（１０９）を備え、接着材層（１０９）は使用時には電気化学装置構成部品（１２０’）の膜／電極接合体（１０３’）側に向けられ、
接着剤層（１０９）は、膜／電極接合体（１０３’）のアノードガスバッキング（１０６’）に隣接して対応する第一領域（１０９ａ）と、第一領域（１０９ａ）を囲む第二領域（１０９ｂ）とに広がり、接着剤層（１０９）は少なくとも第一領域（１０９ａ）では導電性があり、これによって電気化学装置構成部品（１２０’）の膜／電極接合体（１０３’）とアノード電流コレクタ（１０１）との間にシーリングを形成することが可能になり、
電気化学装置構成部品（１２０）のアノード電流コレクタ（１０１’’）の膜／電極接合体（１０３）と反対側に向けられた面は、接着剤層（１１５’’）を有し、接着剤層（１１５’’）がアノード支持体（１１０）に接着され、アノード電流コレクタ（１０１’’）のガス流路用の開口部（１１２’、１１３’）がアノード支持体（１１０）の前記ガス流路用の開口部に繋がり、
隣接する電気化学装置構成部品（１２０’）のアノード電流コレクタ（１０１）の膜／電極接合体（１０３’）と反対側に向けられた面は、接着剤層（１１５）を有し、接着剤層（１１５）がアノード支持体（１１０）に接着され、さらにアノード電流コレクタ（１０１）のガス流路用の開口部（１１２、１１３）もアノード支持体（１１０）に形成された別のガス流路用開口部に繋がることを特徴とするマルチセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形電気化学装置、および平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置のための電気化学装置構成部品に関連する。電気化学装置は、燃料電池としても電解槽としても使用できる。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池とは化学反応のエネルギーを電気に変換する装置である。燃料電池は、燃料と酸化剤がセル外に格納されている点で電池とは異なり、そのため燃料と酸化剤が供給されている限り発電することができる。燃料電池は、電解質によって分離された２つの適当な電極によって、燃料と酸化剤を接触させることにより起電力を生み出す。電解槽は、燃料電池とは反対の機能を備えた装置である。電解槽は電気エネルギーを、水素と酸素の形で化学エネルギーに変換する。固体高分子形燃料電池では、水素ガスなどの燃料が一方の電極に供給され、式（１）に示すように負極（アノード）の電極触媒上で水素イオンと電子に解離される。電子は、電極の導電性構造を通過して、前述の燃料電池によって駆動される外部電気回路に送られる。最初の電極における水素の解離によって生じた水素イオンは、電解質膜を通って第二の電極に移動する。同時に、酸素ガスや空気といった酸化剤が第二の電極に供給され、負極(カソード)の電極触媒の表面に吸着し、燃料電池によって駆動される外部電気回路から移動してきた電子によって表面酸化物種(surface oxide species)が形成され、これによって酸化剤は電気化学的に還元される。この表面酸化物が電解質膜を通ってきた水素イオンと反応して水になり、これは全体の反応における生成物となる。水は電極から脱離し、カソードのセルから排出される。生成した水の一部は、凝縮した形で、カソード内と吸湿膜にとどまる。水素消費型の燃料電池の２つの電極における半電池反応はそれぞれ次の通りである。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  （１）；  1/2Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ  （２）
２つの電極を、外部回路を介してつなぐことによって、回路内に電流が流れ、電池から電気を引き出す。全体的な燃料電池の反応は、個々の上述した半電池反応の合計であり、電気エネルギーと熱を生じる。
【０００３】
単セルを使用するような応用の仕方もあるが、実地では燃料電池は個々のセルのポテンシャルを付加的に一体化させてさらに大きく有益なポテンシャルを得るために、しばしば直列に連結される。直列につながれたセルは、一つのセルのアノードと隣のセルのカソードが接触するように単一構成部品の異なる面をそれぞれ直接に接続したり、外部の電気結合(electrical linkage)を介して接続したりすることができる。燃料電池を直列に積層したものは、燃料電池スタックと称されているが、２種類のガスを供給するために、通常はマニホールドシステムを備えている。燃料と酸化剤はマニホールドによって正しい電極に導かれ、反応物質もしくは冷却媒体によって冷却される。また、スタックの中には電流コレクタ、セル間シール及びその他の構成部品がある。スタックと、関連するハードウェアとが、燃料電池モジュールを構成している。
【０００４】
固体高分子電解質膜を使用する燃料電池において、膜は反応ガスの混合を防ぐ障壁になるとともに、電解質膜の役割も果たす。ＰＥＭ燃料電池は、その詳細がDhar, U.S. Pat. No. 5,242,764に記載されており、参照して本明細書に組み入れられている。プロトン交換膜形（“ＰＥＭ”）燃料電池における出力に対する重量の比を向上させるために、多くの研究と開発が行われてきた。このうちほとんどの研究が、比較的重いスタックの単位体積当たりの電力を増大させることに関わっていた。
【０００５】
本発明の固体高分子形電気化学装置は、小さい装置である。定置型や移動型への応用（１−２００ｋＷ）への状況とは異なり、小型固体高分子形燃料電池（マイクロワットから何百ワットまで）を開発する主な動機は、環境面の利点ではなく、一次電池や二次電池の既存技術と比較して技術的な向上が予測可能な点である。さらに、電池は比較的高額であるため、移動型への応用よりは材料費が安い。電池に対して固体高分子形燃料電池（“ＰＥＦＣ”）が期待される利点は、より高いエネルギー密度（Ｗｈ  ｇ−１）と再充電時間が必要ないことである。
【０００６】
今まで、ＰＥＦＣは大型セル用に主に開発されてきた。そこでは特定の制限（温度、反応物質流量および湿度）があることのメリットが、関連した補助構成部品（冷却システム、コンプレッサおよびファン、加湿器）の予想重量と電力消費量にまさることはなかった。さらに最近では、重量のある炭素成分を、より薄く軽い金属成分に切り替えることにより、スタック重量を減らすための努力がなされた。しかしながら、これらのユニットは大規模な応用のために設計されたもので、３０ｋＷのものも含まれている。したがって、上記と同様のスタック補助設備を必要とする。さらに、これらのシステムではスタックに付属した補助設備は、キロワットのレベルで効率的に機能するように設計されている。これらシステムをスケールダウンしたものは、より低電力、例えば５０〜１５０ワットの範囲が要求される用途への応用が試みられた。ただし、これらのシステムは、ポンプやコンプレッサなどの回転構成部品のスケールダウンが適切にできないので、何十、何百ワットといったスタック出力には最適ではない。結果として、この設計ではスケールダウンしても、多くの小規模の用途、例えば携帯用の用途や個人用の用途には重すぎる。
【０００７】
携帯用および個人用の用途において、重要な課題は単位体積当たりのワット数、単位重量当たりのワット数、つまりＷ／ｃｍ３およびＷ／ｇである。
【０００８】
小型燃料電池は、最小限の制御で機能するように設計されている必要がある。その設計では必然的にスタックから平面セルへ移行した。なぜなら、平面セルが熱除去とカソードへの空気供給に優れているからである。すべての平面構造は、次に直列接続において伝導体・絶縁体の混合パターンを含んでいる。平面セル間の直列接続には二つの方法がある。第一は、しばしば積層設計と称されるものであるが、カソードが一方に配置され、他方にアノードが配置されており、それぞれのセルのカソードが次の隣接するセルのアノードに接続されているものである。接続は膜の中央に切れ目(breaches)を入れるか、活性部分(active area)を避けて膜の縁を超えて電流を導くことによって行われる。後者を選択すると、膜を切ることを回避し、それによって各アノードの締め付けに最新の注意を払うことを防いでいる。平面セルを直列に接続する第二の方法は、フリップフロップ設計と俗に呼ばれているもので、セルを内蔵した２枚のプレート(cell-house plate)を構築し、それぞれの表面に沿って交互にカソードとアノードを配置している。そして、一つのセルのカソードが、隣のセルのアノードに電気的に接続されている。受動型ＰＥＦＣでは、水が燃料電池反応からのみ生成される場合でも、面内直列接続を選択した設計にも関わらず、低抵抗の膜を必要とする。この事実は、燃料のクロスオーバーが問題とならない限り、薄い膜を要求する。仮にＰＥＦＣが平均して電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２以上で機能するなら、燃料のクロスオーバーは問題ではなく、膜の薄さはその機械的完全性のみによって制限される。小さい界面抵抗を維持しつつ、低圧縮が加えられると有利である。このことが特に、カソードへの空気の拡散に有利に働く。低圧縮は、ガスバッキング(gas backing)の高い空隙率(high porosity)を維持するための助けになっており、カソードへの空気の拡散に有利に働く。
【０００９】
小型ＰＥＦＣについて、３種の材質とその関連技術が今までのところ研究されている。
（１）電流コレクタおよびセルハウジングに黒鉛もしくはステンレス鋼製のプレートを用いた従来のＰＥＦＣ構造の小型化。
（２）シリコン技術：シリコンウエハーにおける導電・非導電パスのパターニングもしくはウエハー内に多孔質シリコン層の複雑な構造を反応ガスの流路の上に作る方法の開発。
（３）プリント基板（ＰＣＢ）技術：電気絶縁複合材に対する薄い銅の層の使用。
【００１０】
本発明は、これらの技術に限定されるものではない。なぜなら、ガスタイトな材料（例えば、金属、プラスチック、紙または紙の合成物）ならどのようなものからでも作ることが可能なガス供給用の支持板のみしか要求しないからである。
【００１１】
燃料電池を改善し、簡素化する要望がある。いろいろな試みがなされ、それには接着による結合によってクランプ材(clamping means)を部分的に代用することを含んでいる。US 2004/0161655に一つの手法が記載されており、所望の個数の膜／電極接合体とバイポーラプレートを使用して、膜／電極接合体の非活性な周囲(non-active perimeter)をバイポーラプレートの片側の周囲フレームに接着することによって電気化学的スタックを組み立てる方法が開示されている。硬化性(curable)もしくは熱可塑性の接着剤が薄くシール部に設置され、接着剤が完全に固定し、セルフレームと膜／電極接合体を接着するまで、セルフレームと膜／電極接合体が押さえつけられる。この手法で注意すべきことは、一つの膜／電極接合体のカソード側が、膜／電極接合体を接着するバイポーラグリッドもしくはバイポーラプレートのカソード側へ確実に向くように正しく配置する必要があるということである。さらに、接着剤は、バイポーラ部品のどの部分、例えばバイポーラ部品の流れ場やマニホールド、チャネル(channel)、コンビネーション(combinations)などの周囲に付ける場合でも、注意深く接着を行う必要があり、これによって反応流体、冷却流体、加熱流体にそれぞれの領域を逸脱させないために必要な流体シールを提供することができる。また、この手法によって生産されたセルスタック、特に大型のセルは、それでもやはり圧着力を必要とする。
【００１２】
したがって、より優れた出力密度を提供し、多くの補助設備を必要としない軽量の燃料電池システムが求められている。また、生産が容易で扱いやすい高パフォーマンスの燃料電池、あるいは電解槽のニーズもある。したがって、本発明の目的は、燃料電池としても電解槽としても機能可能な改良された電気化学装置を提供することである。本発明のもう一つの目的は、型締め力(clamping pressure)を必要としない電気化学装置を提供することである。さらに、本発明の別の目的は、能動部品（活性部分）を容易に交換できる電気化学装置を提供することである。
【発明の開示】
【００１３】
上記の目的は、本発明の固体高分子形電気化学装置と電気化学装置構成部品によって実現される。固体高分子形電気化学装置とは、プロトン伝導膜などのイオン伝導性のある高分子電解質膜、もしくは液体電解質を固定する高分子マトリックスでできた高分子膜を備えた電気化学装置を意味する。固定された液体電解質とは、例えば水酸化カリウムや水である。このような装置の例には、水素供給型の高分子電解質の燃料電池、直接メタノール形燃料電池や固体高分子形電解槽がある。簡単にするために、後続する本文では燃料電池のアノードとカソードについて言及しているが、この技術に精通した者であればアノードとカソードの表記は電解槽の場合には逆になることを理解している。
【００１４】
本発明の電気化学装置は、アノード電流コレクタ、アノードとカソードのガスバッキングを備えた膜／電極接合体およびカソード電流コレクタによって構成されている。膜／電極接合体は密閉され、接着剤によって少なくともアノード電流コレクタに取り付けられており、アノードガス室を構成している。電気化学装置は、複数セルを直列に接続した配置での使用に好適な設計になっている。電気化学装置の中の、膜／電極接合体とアノード電流コレクタの間にある接着剤の少なくとも一部は、十分な接着と電気接触を得るために導電性である。
【００１５】
本電気化学装置は、平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置で、アノード電流コレクタ、カソード電流コレクタおよび膜／電極接合体を含んでいる。膜／電極接合体は、イオン伝導性のある固体高分子電解質膜、アノード、アノードガスバッキング、カソードおよびカソードガスバッキングを有しており、アノードガスバッキングがアノード電流コレクタに向かって取り付けられ、カソードガスバッキングがカソード電流コレクタに向かって取り付けられるように、膜／電極接合体はアノード電流コレクタとカソード電流コレクタの間に配置されている。膜／電極接合体は密閉されて、アノード電流コレクタに接着剤によって直接取り付けられている。接着剤は、アノードガスバッキングに隣接して対応した第一領域に広がっており、第一領域を囲む第二領域にも広がっている。したがって、膜／電極接合体とアノード電流コレクタとの間にシールが作られ、その結果アノードガス室が形成される。接着剤は、少なくとも第一領域においては導電性がある。この配置によって、膜／電極接合体はアノード電流コレクタに容易かつ効果的に取り付けられ、クランプ用の器具を全く要することなくアノードガスバッキングとアノード電流コレクタとの間に十分な接触が実現される。構造は非常に簡単であり、なおかつ最大出力が完全受動形で３００ｍＷ ｃｍ−２と高く、各電極の白金負荷(Pt loading)が０．３ｍｇ ｃｍ−２である場合に制御された水素流量のために節約する。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態の一つでは、アノード電流コレクタが導電層になっており、これが非導電性の支持体に取り付けられている。アノード電流コレクタと支持体はアノード電流コレクタ接合体を形成し、これはガス流路用の開口部を一つもしくは多数備えている。そのため、アノード電流コレクタと支持体は異なる材質でできていてもよい。アノード電流コレクタは接着テープであることが望ましく、導電性のある基質薄片を含んでいる。薄片は、膜／電極接合体に向けられた第一の面と、膜／電極接合体と反対側に向けられた第二の面を有し、第一の面には接着剤層がある。柔軟な薄片でできたアノード電流コレクタにより、支持体は弓形もしくはアーチ形などの非平面の面を持つことができる。接着テープの簡易な取り付けにより、速く簡単に装置を組み立てることができるので、装置の生産に都合がよい。任意に、第二の面にも接着剤層を持たせて、支持体に簡単に取り付けられるようにすることができる。
【００１７】
別の実施形態では、カソード電流コレクタがカソードガスバッキングに導電性のある接着剤で電気的に接続されることにより、さらに装置の組み立てを容易にしている。
【００１８】
また、本発明は平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置に使用される構成部品にも関連している。構成部品は単セル、もしくは直列接続配置で使用することができ、構成部品の構造は目的とする配置によって若干異なる。
【００１９】
平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置に使用される電気化学装置構成部品は、例えば上記に定義したものがあるが、ガス流路用の一つもしくは多数の開口部を備えたアノード支持体に取り付けられるように構成されている。構成部品は、ガス流路用の開口部を一つもしくは多数備えた導電性の薄片から成るアノード電流コレクタ、カソード電流コレクタおよび膜／電極接合体を備えている。膜／電極接合体は、イオン伝導性のある固体高分子電解質膜、アノード、アノードガスバッキング、カソードおよびカソードガスバッキングを有し、アノードガスバッキングがアノード電流コレクタに向き、カソードガスバッキングがカソード電流コレクタに向くように、膜／電極接合体はアノード電流コレクタとカソード電流コレクタとの間に配置されている。膜／電極接合体は、アノード電流コレクタにある接着剤層によって、アノード電流コレクタに直接取り付けられており、前述の接着剤層はアノードガスバッキングに隣接して対応する第一領域と、第一領域を囲む第二領域に広がっている。その結果、膜／電極接合体とアノード電流コレクタとの間にシーリングが作られ、これによってアノードガス室が形成される。接着剤層は、少なくとも第一領域において導電性がある。したがって構成部品は、燃料電池に不可欠である部分をすべて含み、ガス流路を与えた支持体に取り付けられることのみを必要とする。構成部品は交換可能で、即時使用のできる構成部品であり、さまざまな材質および形状の支持体に容易に取り付けることができる。
【００２０】
上述のアノード電流コレクタの第二の面は、接着剤層と取り外し可能な保護シートを備えていてもよい。保護シートは、構成部品の使用前に取り外されることを意図している。構成部品が燃料電池に使用される際には、保護シートは外され、構成部品は容易に支持体に取り付けられる。
【００２１】
膜／電極接合体は、接着剤によってカソード電流コレクタに取り付けられてもよく、カソードガスバッキングに隣接している接着剤の少なくとも一部は導電性がある。これにより、カソード電流コレクタの膜／電極接合体への効果的で簡単な取り付けが実現される。
【００２２】
本発明に係る電気化学装置構成部品は、平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置における直列接続配置での使用を目的としたもので、一つもしくは多数の同様の構成部品に直列接続し、尚且つガス流路用の開口部を有するアノード支持体に取り付けられるように構成されている。この構成部品は、カソード電流コレクタ部分とアノード電流コレクタ部分で構成される導電性のある薄片から成る電流コレクタ要素を含んでいる。構成部品は、さらに膜／電極接合体を含み、膜／電極接合体はイオン伝導性のある固体高分子電解質膜、アノード、アノードガスバッキング、カソードおよびカソードガスバッキングを含んでいる。膜／電極接合体は、カソードガスバッキングが電流コレクタ要素のカソード部分に向けられて、アノードガスバッキングが電流コレクタ要素の反対側に向くように、構成部品内で配置されている。膜／電極接合体は、電流コレクタ要素のカソード部分にある接着剤層によって電流コレクタ要素に取り付けられている。前述の接着剤層は、少なくともカソードガスバッキングに隣接して対応する領域に広がっており、少なくともその領域において伝導性がある。電流コレクタ要素のアノード部分は、カソード電流コレクタ部分から横に伸びて、使用時には隣接する直列接続された構成部品に対してアノード電流コレクタとして機能する。アノード電流コレクタ部分は、ガス流路用の開口部を有し、電流コレクタ要素の表面に接着剤層がある。この接着剤層は、使用時には、構成部品の膜／電極接合体のカソード側と反対側に向けられ、隣接する電気化学装置構成部品の膜／電極接合体のアノード側に向けられている。アノード部分にある接着剤層は、隣接する構成部品のアノードガスバッキングに隣接して対応する第一領域、および第一領域を囲む第二領域に広がっている。接着剤層は、少なくとも前述の第一領域において導電性があり、それによって隣接する構成部品の膜／電極接合体とアノード電流コレクタとの間にシールを作ることを可能にする。この構成部品は、直列接続された燃料電池構成部品の容易な組み立てを可能にする。
【００２３】
本発明は、２つ以上の上記の電気化学装置構成部品を含む固体高分子形電気化学装置にも関連する。構成部品はアノード電流コレクタ支持体上に直列に配置され、一つの構成部品の電流コレクタ要素のアノード電流コレクタ部分が、隣接する構成部品のカソード電流コレクタとして機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
固体高分子形電気化学装置について、添付した図への言及を交えてここで詳細に説明する。図において「’」や「’’」で示した参照番号は、別の実施形態もしくは表にある対応部分にも関連する。
【００２５】
本発明に係る平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置を表す図１について言及すると、装置はアノード電流コレクタ（１）、カソード電流コレクタ（２）および膜／電極接合体（ＭＥＡ）（３）によって構成されている。明確にする理由により、図１は正確な縮尺では図示していない。実際のＭＥＡは非常に薄い。膜は通常１５〜１５０μｍの厚さ、触媒活性の電極は通常１〜２０μｍの厚さ、そしてガスバッキングは通常５０〜５００μｍの厚さである。膜／電極接合体はイオン伝導性のある固体高分子電解質膜（４）を備え、その一方の面にアノード（５）およびアノードガスバッキング（６）、反対側の面にカソード（７）およびカソードガスバッキング（８）を備えている。電極（アノードおよびカソード）は、通常、多孔質マトリックスを形成するためにイオン伝導性のある高分子によって固定された炭素粒子（例：Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２）で構成されている。炭素粒子には触媒粒子が分散している。アノードに使用される触媒粒子は、通常白金および白金ルテニウム合金でできている。カソードに使用される触媒粒子は、通常白金および非貴金属酸化物も含むことができる。イオン伝導膜は、通常、スルホン酸化した芳香族系アイオノマー（例：ナフィオン）からできている。電気化学装置の出力密度を増大させるには、膜が薄く、つまり５０マイクロメートル未満で、さらに多孔質パーフルオロ高分子（例：テフロン(登録商標)）などによって強化されていると有利である。ゴア社(Gore Inc.)のＰＲＩＭＥＡ製品に使用されている膜は、そのような膜の例である。ガスバッキングは支持層と微多孔層で構成されていることが望ましい。支持層は、通常疎水化された炭素繊維布もしくはカーボン紙によって構成されている（テフロン(登録商標)など、パーフルオロ高分子で固定された炭素粒子で構成されている）。微多孔層は、ガスバッキングの接触電気抵抗と水管理性を高めている。ＭＥＡの相対する二面には、それぞれ活性部分と非活性部分がある。活性部分はアノードもしくはカソードとそれぞれのガスバッキングによって覆われているが、非活性部分は裸のままである。非活性部分はフレームの形をしているが、フレーム幅は１〜１０ｍｍである。十分なシーリングが実現できる程度の大きさであるべきだが、一方で装置の非活性領域に対する活性領域の大きさを最大化するために大きすぎてもいけない。前述の形成されたシールは、完全にガスタイトである必要はないが、酸素のアノードガス室への逆拡散を軽微な程度に抑えるのに十分なガスタイト性は必要である。
【００２６】
固体高分子電解質膜（４）の表面積は、アノードとカソード、および、それらのガスバッキングの表面積よりも大きい。したがって、非活性部分が活性部分を取り囲んでいる。ＭＥＡは、アノード電流コレクタ（１）とカソード電流コレクタ（２）の間に配置され、アノードガスバッキング（６）の自由表面(free surface)がアノード電流コレクタ（１）に向けられて取り付けられ、カソードガスバッキング（８）の自由表面がカソード電流コレクタ（２）に向けられて取り付けられるようになっている。
【００２７】
ＭＥＡ（３）は密閉され、接着剤（９）によってアノード電流コレクタ（１）に直接取り付けられている。接着剤は、通常導電性のある粒子に満ちたアクリル酸系接着剤であり、これらの導電性のある粒子は導電性のある金属（例えば、銀もしくは金）で被覆されたプラスチック球である。接着剤層の電気抵抗は、通常（メソッド３ ０７を５ｐｓｉ状態下でＭＩＬ−ＳＴＤ−２０２に基づいて測定されたとき）毎6.4516平方センチメートル（毎平方インチ）当たり１０ミリオーム未満である。接着剤は、アノードガスバッキング（６）に隣接して対応している第一領域（９ａ）（ＭＥＡの活性部分）と、第一領域（９ａ）を囲む第二領域（９ｂ）（ＭＥＡの非活性部分）に付けられている。ＭＥＡとアノード電流コレクタが装置において接合されると、アノード電流コレクタはＭＥＡの活性部分（すなわちアノードガスバッキング（６））と非活性部分の両方に接触する。そのため、接着剤は、アノード電流コレクタの表面部分に付けられており、その表面部分は膜／電極接合体（３）とアノード電流コレクタ（１）との間にシールを形成するために十分な大きさと形状を有している。したがって、ＭＥＡのアノード側の活性部分と非活性部分はともに、アノード電流コレクタに接着剤によって取り付けられている。その結果、密閉されたアノードガス室が、アノード（５）とアノード電流コレクタ（１）との間のガスバッキングに形成される。電流コレクタの構成部品が導電性のある薄片である場合には、電流コレクタに選ばれた材質のバルク抵抗は１０−８〜１０−７Ωｍの範囲であることが望ましい。アルミニウム、銅、銀のバルク伝導の範囲は１．５−２．５・１０−８Ωｍである。数多くの合金がこの範囲に当てはまる。例えば、銅ニッケル合金（１０％）もしくは鉄ニッケル合金（１％）は、１０−７Ωｍのバルク抵抗を有する。カソード電流コレクタ（２）もしくはカソード電流コレクタ部分（１０２）は、炭素繊維紙もしくは炭素繊維織布であってもよく、任意でカソードガスバッキングと一体となっていてもよい。装置の運転時には、燃料ガスがガス流路開口部（１２）より流入し、多孔質ガスバッキング（６）のガス室を通ってアノードと接触し、電気化学反応が起こり、開口部（１３）より余分な燃料ガスが排出される。
【００２８】
ガスバッキング（６）とアノード電流コレクタ（１）との間には、電気接触が必要である。したがって、接着剤は、少なくともＭＥＡの活性部分に接触している第一領域（９ａ）では導電性が必要である。さらに、接着剤は第一領域を取り囲む第二領域（９ｂ）においても導電性があってもよい。なぜなら、それによって電流コレクタへ接着剤を付ける際に活性・非活性領域の位置に関係なく接着剤を付けることができるので、装置の製造をさらに容易にする。
【００２９】
この実施形態におけるアノード電流コレクタ（１）は、導電性のある層で、非導電性の支持体（１０）に取り付けられている。アノード電流コレクタ（１）と支持体（１０）は、アノード電流コレクタ接合体（１１）を形成する。アノード電流コレクタ接合体は、ガス流路用の開口部（１２、１３）を有する。支持体（１０）は、図１において平板として示しているが、支持体の表面は、弓形、アーチ形、円筒形もしくは円錐形など、さまざまな形状を持つことが可能である。また、支持板は一つもしくは多数の縁を有することができる。このように支持板が一つもしくは多数の縁を有することができる理由としては、アノード電流コレクタが支持体に直接コーティングされた薄い層であるか、あるいは柔軟な素材でできた薄い層であるためである。ここで、柔軟な素材とは、伝導性のある薄片、伝導性のあるテープ、もしくは独立して(self-sustaining)伝導性のある接着剤層などである。接着テープをアノード電流コレクタに用いる場合、テープは少なくとも第一の面に接着剤層（９）を備えた伝導性のある基質薄片として構成されている。第一の面は、膜／電極接合体（３）に向けられている。接着剤層（１５）は、ＭＥＡと反対側に向けられた第二の面にある。この第二の面の接着剤層は、その後にアノード電流コレクタを支持体（１０）に取り付けるために使用される。接着剤付きのテープは便利なため、特に都合がよい。
【００３０】
図１に示す実施形態の電気化学装置は、伝導性のある接着剤（１４）によってカソードガスバッキング（８）に電気的に接続されたカソード電流コレクタを有する。カソード電流コレクタは、少なくとも部分的にカソードガスバッキング（８）を覆っている伝導性のある薄片（２）である。通気性を持たすために、カソード電流コレクタ薄片と接着剤層は、カソードガスバッキングに対応した部分に位置する開口部（１６）を備えている。膜／電極接合体とカソード電流コレクタとの間に位置する接着剤（１４）の少なくとも一部（１４ａ）には、導電性がある。電流コレクタ薄片の穴の部分が、カソードへ十分な空気を供給できる程度に大きいことは重要である。一方で、カソード電流コレクタの電気抵抗とカソード電流コレクタのガスバッキングに対する接触抵抗は、カソードガスバッキングの覆われている部分が少ないほど増大する。したがって、高パフォーマンスの装置は、特定の接触抵抗では、カソードガスバッキングの被覆された部分と被覆されていない部分との間のバランスを最適にしなければならない。電気化学装置に接着テープもしくは接着剤層を使用することにより、活性構成部品および装置自体の組み立てが素早く容易にできる。
【００３１】
図２は、図１に示した平面構造で給排気する固体高分子型電気化学装置に使用される電気化学装置構成部品（２０）を描写している。構成部品は、ガス流路用の開口部のあるアノード支持体（１０）に取り付けられるように構成されている。この構成部品は、上記電気化学装置について記載されたものと同一の要素を含んでいるが、アノード支持体は含んでいない。アノード電流コレクタは、ＭＥＡと反対側に向けられた面に接着剤層（１５）を有している。この接着剤層は、構成部品を支持体へ取り付けることを目的としたもので、取り外し可能な保護シート（１７）によって保護されている。電気化学装置に構成部品を使用する際には、保護シートを外し、これによって構成部品の接着剤層が露出して、構成部品を選択した支持体に容易に取り付けることができる。
【００３２】
図３ａと図３ｂは、平面構造で給排気する固体高分子形電気化学装置の直列接続配置用の電気化学装置構成部品（１２０）を描写している。図３ａは装置の上面図、図３ｂは装置の側断面図である。直列配置する構成部品の原理は上述したのと同様であるが、アノードとカソードに別々に電流コレクタを有する代わりに、隣接する構成部品は電流コレクタ要素を共有している。共有された電流コレクタ要素は一つのセルに対してはカソード電流コレクタとして機能し、隣接するセルに対してはアノード電流コレクタとして機能する。したがって、構成部品（１２０）は、一つもしくは多数の同様の構成部品（１２０’）に直列接続することができ、尚且つガス流路用の開口部（１１２、１１３）を有するアノード支持体（１１０）に取り付けられるように構成されている。それゆえ、構成部品（１２０）は、電流コレクタ要素（１１８）および膜／電極接合体（ＭＥＡ）（１０３）を含んでいる。電流コレクタ要素（１１８）は、カソード電流コレクタ部分（１０２）とアノード電流コレクタ部分（１０１）とで構成された導電性のある薄片で形成されている。ＭＥＡ（１０３）は、イオン伝導性のある固体高分子電解質膜（１０４）、アノード（１０５）、アノードガスバッキング（１０６）、カソード（１０７）およびカソードガスバッキング（１０８）で構成されている。構成部品（１２０）において、カソードガスバッキング（１０８）は電流コレクタ要素（１１８）のカソード部分（１０２）に向けられて配置され、アノードガスバッキング（１０６）は電流コレクタ要素（１１８）と反対側に向くように、ＭＥＡ（１０３）は配置されている。ＭＥＡは、電流コレクタ要素（１１８）のカソード部分（１０２）が有する接着剤層（１１４）によって電流コレクタ要素（１１８）に取り付けられており、前述の接着剤層（１１４）はカソードガスバッキング（１０８）に隣接して対応した部分（１１４ａ）に付けられており、少なくともその部分（１１４ａ）には導電性がある。本実施態様に基づいた構成部品のさまざまな要素および接着剤層は、上記の単セルの構成部品と同一であってもよい。
【００３３】
電流コレクタ要素（１１８）のアノード部分（１０１）は、カソード電流コレクタ部分（１０２）から横に伸びており、使用時には隣接する直列接続された構成部品（１２０’）用のアノード電流コレクタとして機能する。アノード電流コレクタ部分（１０１）はガス流路用の開口部（１１２、１１３）を有し、構成部品（１２０）の膜／電極接合体（１０３）のカソード側と反対側に向けられ（図３ｂでは上方に向けられた）、電流コレクタ要素（１１８）上にある接着剤層（１０９）を備えている。したがって、接着剤層（１０９）は、使用時には隣接する電気化学装置構成部品（１２０’）の膜／電極接合体（１０３’）のアノード側に向けられる。接着剤層（１０９）は、隣接する構成部品（１２０’）のアノードガスバッキング（１０６’）に近接して対応した第一領域（１０９ａ）と、第一領域（１０９ａ）を囲む第二領域（１０９ｂ）とに広がっている。その結果、隣接する構成部品の膜／電極接合体（１０３’）とアノード電流コレクタ（１０１）との間にシールが作られ、これによってガス室が上記電気化学装置と同様に形成される。接着剤層は、少なくとも第一領域（１０９ａ）において導電性があるが、第一領域を取り囲む第二領域（１０９ｂ）においても導電性があってもよい。アノード電流コレクタ部分（１０１）は、近接する構成部品のＭＥＡと反対側に向いた面に接着剤層（１１５）を備えていてもよく、この接着剤層（１１５）は構成部品を支持体に取り付けることを目的としている。接着剤層（１０９、１１５）はともに、輸送および保管されている間、取り外し可能なシート（図示なし）によって保護されていてもよい。最初のアノード部分と最後のカソード部分は、効率的な電流収集を可能にするために、異なる構造を備えていてもよい。
【００３４】
図３ａでは、アノード部分（１０１’）にある接着剤層（１０９ｃ’）を左側に図示している。接着剤層の第一領域（１０９ａ’）は、ガス流路の開口部が位置する場所にあり、これはまだ装置に取り付けられていない追加される構成部品のＭＥＡの活性部分に対応している。第一領域は、ＭＥＡの非活性部分に対するシールを目的とした第二領域（１０９ｂ’）に囲まれている。図３ａの真ん中には、完全な燃料電池が表示されている。図３ａの右側には、活性部分（１０９ａ”および１１４ａ）、膜（１０４）、カソード電流コレクタ部分（１０２）およびアノード電流コレクタ部分（１０１”）を図示した装置構成部品の透視図を表している。
【００３５】
アノード電流コレクタ支持体（１１０）に一つもしくは多数の構成部品（１２０、１２０’）が直列接続されると、固体高分子形電気化学装置が得られ、一つの構成部品（１２０）の電流コレクタ要素のアノード電流コレクタ部分（１０１）が、隣接する構成部品（１２０’）のアノード電流コレクタとして機能する。したがって、支持体に配置されると、一つの構成部品（１２０）は部分的に隣接する構成部品（１２０’）と重なり、隣接する構成部品（１２０’）のアノードガスバッキングがアノード電流コレクタ部分（１０１）の上側に位置するようになる。これにより電気化学セルが形成される。
【００３６】
単セルもしくは直列配置で使用される上記の電気化学装置構成部品は、電気化学装置の交換可能な活性部分もしくは構成部品であり、使用済みもしくは動作しなくなった構成部品を剥がして新しいものに取り替えられるようなものである。この交換可能な活性部分は、簡単に剥がして新しいものと交換できる絆創膏に似ている。
【００３７】
図４は、図１から図３に示した実施形態と同様にＭＥＡをアノード電流コレクタに対してシーリングするような配置を有する別の実施形態を図示している。この実施形態は、ステンレス鋼などでできた導電性メッシュ（２０２）と、クランプ材（２１９）とを含んだカソード電流コレクタを有する。クランプ材は、通気用の穴を有するプリント基板のプレートで構成されていることが望ましい。クランプ材が適用される場合、各種構成部品間の電気接触を良好にする以外の役割はない。水素区画(ガス室)から空気を遮断するために使用されるわけではない。アノード電流コレクタ上に位置する導電性のある接着剤層へ膜を接着することによって、ガス室は密閉されている。大規模な製法では、この位置の接着剤は導電性がなくてもよい。アノード電流コレクタとアノードガスバッキングとの間にある接着剤層のみに導電性があればよい。アノード区画の締め付けに、マスク(mask)も圧縮力も必要としないという事実は、構造を単純化し、連続的にボードに接続された二つの連続したセルの間の距離を縮める助けとなる。
【００３８】
電気化学装置がクランプされている場合は、電流コレクタ薄片とガスバッキングとの間の導電性のある接着剤を省くことができる。クランプ材は、一つもしくは多数のガス流路用の穴を有するプリント基板（ＰＣＢ）を具備している。クランプ材の形状には、さまざまなデザインが可能である。例えば、直線状に配置された穴が多数ある細片、単一の穴もしくは多くの連なった穴を有する四角などである。クランプ材は、普通のプリント基板（ＰＣＢ）から切り出されたものでもよい。ＰＣＢとは、例えば市販のエポキシガラス複合材で片側が均等に３０μｍの厚さを有する銅の層で覆われているものである。
【００３９】
電気化学装置に使用されている膜は、プロトン（酸燃料電池）、水酸化物イオン（アルカリ形燃料電池）のいずれにとっても十分な伝導性を備え、十分な機械的完全性を備えた高分子膜ならどのようなものでもよい。最先端の酸高分子電解質の燃料電池では、ナフィオンが最もよく知られているが（デュポン社(Dupont)の膜）、ゴア社のＭＥＡのように、より優れた機械的特性を備えた別の高分子マトリックスに流し込むこともできる。電極は、膜もしくは膜に向かい合うバッキングの側面に被着させることができる。酸燃料電池か、アルカリ形燃料電池か、電解槽(酸もしくはアルカリ)かによって電気化学反応が異なるため、それらに対する最適な触媒も異なり、それゆえに本発明は使用する触媒によって限定されるわけではない。ＭＥＡの電極は、炭素を含有する触媒およびアイオノマーで構成されていてもよい。電極は、膜部分のすべてを覆っているわけではない。触媒を節約するために、電極はガスバッキングが取り付けられている活性部分のみに設けられていることが望ましい。（製品例：ゴア社製のＰｒｉｍｅａ５５１０（０．３ｍｇ Ｐｔ ｃｍ−２、膜の厚さ２５μｍ））。ガスバッキングは電極支持手段を意味するもので、膜／電極接合体に含まれていても含まれていなくてもよい。電極が自己支持可能であれば、電極はガスバッキングと電極の両方を含むものと理解されるべきである。ガスバッキングは、適当な疎水性・親水性の特性を備えた電気的な多孔質の支持体であればよく、例えばＭＥＡとは反対方法を向いた微多孔質の層を有する疎水化された炭素布（製品例：ゴア社製のＣａｒｂｅｌ製品）である。アノード電流コレクタは、電子伝導性のある接着剤が片側もしくは両側に備わった銅薄片からできていてもよい。接着剤は、銀で満たされたアクリル材(silver-filled acrylic substance)をもとにしていてもよい。接着剤フィルムと銅薄片の厚さは、それぞれ５および７０μｍが望ましい。アノード電流コレクタの支持体はプレキシグラスシートでもよく、シートのガス流路が彫られた(milled)箇所は５ｍｍの厚さが望ましい。
【００４０】
使用される接着剤(ガスバッキングおよび膜／電極接合体に接続されているもの)が、固体高分子形電気化学装置の化学的・電気化学的環境において、十分に化学的に不活性であるべきことを特記しておくことは大切なことである。これは、膜アイオノマーもしくは触媒を被毒させないために重要である。接着剤も、電流コレクタ薄片に対する保護層としての役割を果たすことが望ましい。
【００４１】
〔実施例１〕
図５と図６は、金メッキされたステンレススチールネット(stainless steel net)（１５×１５ｍｍ）のカソード電流コレクタを有する単セルの結果を示している。クランプ材（および電流コレクタ）は、普通のプリント基板（ＰＣＢ）から切り出されたものであった。ＰＣＢは、片側が３０μｍの厚さを有する銅の層で均一に覆われた市販のエポキシグラス複合材であった。膜／電極接合体（ＭＥＡｓ）は、ゴア社のＰｒｉｍｅａ５５１０（０．３ｍｇ  Ｐｔ  ｃｍ−２、膜の厚さ２５μｍ）であった。ガスバッキングはゴア社のＣａｒｂｅｌ製品で、疎水性の面がＭＥＡとは反対の方向に向いている。アノード電流コレクタは、片側に電子伝導性フィルムのある銅薄片でできていた。製造者はＴＥＳＡ（製品番号４３８４）であった。接着剤は銀で満たされたアクリル材をもとにしていた。接着フィルムと銅薄片の厚さは、それぞれ５μｍと７０μｍであった。アノード電流コレクタは、ガス流路が圧延された５ｍｍの厚さを有するプレキシグラスシートのセルハウスによって支持されていた。単セルを形成するためのこれらさまざまな要素の配置がここに記載されている（図４）。プレキシグラス材は、切られて、上部には後に水素を伝導するためのＴ字型の流路が彫られた。３Ｍの非伝導性の接着両面テープが、プレキシグラスの上面を完全に覆って、元々開いていた流路を閉じるようにプレキスグラスに貼られた。接着テープ上側の保護層は剥がされ、すぐに銅薄片が接着され、アノード電流コレクタが形成された。次に、Ｔ字型流路に向かい合っていた箇所を覆っていた部分を２層サンドイッチ（接着銅薄片・接着テープ）から切り出して、水素の入口と出口が形成された。そして、銅薄片の上部保護層を取り除いた後に、１４×１４ｍｍ（２ｃｍ２）のＣａｒｂｅｌバッキングの一片が、ガス流入口と流出口を覆うように中央に配置され、アノード銅薄片上に静かに接合された。このバッキングの寸法が、セルの活性部分を決定した。その後、２５×２５ｍｍの寸法であるＭＥＡの一片が切り出され、アノードバッキング(anode backing)の上部中央に設置された。バッキングを覆わないＭＥＡの表面は、凹凸のないテフロン(登録商標)片でＭＥＡを優しく拭くことによって、アノード銅薄片に対してシールされた。セルは、カソード電流コレクタを形成することによって完成した。アノードバッキングと同一のバッキング一片が、アノードバッキング-ＭＥＡに並べられ、その上に金メッキされたステンレス鋼グリッドが設置された。プレキシグラス支持体に２本のねじとボルトによって押し付けられたカソード電流コレクタによって、サンドイッチ全体は最終的にクランプされた。カソードが静止した空気雰囲気(still air atmosphere)に接触している間に、純粋な乾燥水素がアノードで使用された。両側におけるガス圧は、室内雰囲気(room atmosphere)と均衡していた。水素流量は質量流量計（Ｂｒｏｏｋｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）によって制御された。水素流速は２５ｍＬ  ｍｉｎ−１であった。水素流量の制御以外では、セルは完全な受動モードで運転した。すべての報告にある測定結果は、セルが水平でカソードが上にある状態で記録された。
【００４２】
図５は、このセルで計測された２つの分極曲線を示している。これらの曲線は、このセルの高パフォーマンス性を明示している。セル電圧０．５Ｖのときに、出力密度３００ｍＷ  ｃｍ−２に到達した。曲線（ａ）は、セルの取り付け後すぐに記録されたもので、曲線（ｂ）ほど優れてはいない。分極曲線（ｂ）は、セルが０．５Ｖの電圧下で６０時間経過した後の３時間に記録された。相違した理由は、ＭＥＡが開始時においてより乾燥していたことによる可能性が高い。曲線（ｂ）以後に繰り返された分極実験(polarization experiment)は、一様であった。この場合に（ａ）から（ｂ）へ増加した理由は、主に酸素還元反応（９００ｍＶ下で０．４から３ｍＡ  ｃｍ−２への上昇）の向上によるものであり、一方で抵抗損における変化は小さかった。電気化学的インピーダンス分光法によって測定されたところによると、セルは１７０ｍΩ  ｃｍ２のオーム抵抗を有していた。図６は、６０時間にわたる０．５Ｖの一定セル電圧下での出力密度の経時的変化を示している。
【００４３】
実施例１に関するコメント：一般的に、実施例１に基づいて作られたセルは再現可能な特徴を有し、簡単に取り付けることができる。図５の分極曲線を見ると、０．５Ｖのセル電圧下において、電圧ロス(loss)（７００ｍＶ）は、酸素還元反応による７１％の電圧ロス（タフェル・スロープ(Tafel slope)の推定により得られた）と、カソードで起こったと推定される熱と質量の移動による１７％（推定されたタフェル・スロープとｉＲ補正曲線(iR-corrected curve)の差）と、抵抗損による１２％（電流遮断によって得られた）とに分けられる。これらのデータは状況の概観を示している。カソードの白金負荷を大幅に上げない限り、反応ロス(kinetic losses)を減らすことは困難である。例えカソードの白金負荷を大幅に上げたとしても、高電流下で反応増幅(kinetic gain)を有効にするためには、カソードの質量移動の特性も同時に改善されなければならない。
【００４４】
〔実施例２：クランプ力なし〕
別の実施例では、クランプ力が適用されない状態でセルが組み立てられ、実験された。構成部品は、カソード電流コレクタのスチールネットとＰＣＢボード以外は前述したセルに使用されたものと同様である。代わりに、カソード電流コレクタとして、伝導性のある有孔テープ（片側に電子伝導性のある接着フィルムを有する銅薄片）を使用した。セルを組み立てる前に、ＭＥＡとガスバッキングは摂氏１１０度でホットプレスされ、互いに統合されて一つのユニットにされた。統合されたガスバッキングとＭＥＡは、アノード電流コレクタに取り付けられて密閉された。優れたシーリングを形成し、かつ、アノード電流コレクタおよびカソード電流コレクタが互いにショートカット(short cut)しない程度にＭＥＡは大きく形成された。最後に、カソード電流コレクタの伝導性のあるテープがカソードガスバッキングに接続された。活性セル領域は２ｃｍ２であった。純粋な水素を用いた電気化学的セルの実験において、セルはセル電圧０．３Ｖの下で５００ｍＡの発電をした。
【００４５】
〔実施例３〕
この実施例では、セル部分および電流コレクタの材料は実施例２と同一のものが使用された。電極はＥＬＡＴ電極（ＥＴＥＫ製）で、ガスバッキング層と電気化学的に活性化した層をともに含み、０．５ｍｇ／ｃｍ２の白金負荷を有する。膜はナフィオン１０３５（デュポン社製）であった。膜／電極接合体は摂氏１１０度でホットプレスされて形成された。ホットプレスする前に、膜は３％の過酸化水素に１時間、硫酸に１時間、最後に２回純水で１時間煮沸することによって前処理された。電気化学的実験は純粋な水素で実施され、表１に結果が示されている。
【表１】
0005438900.tif 000002
【００４６】
〔実施例４〕
この実施例では、実施例１で使用した材料と同一のものを使用した３つのセルを含む装置が使用されている。各セルの活性部分領域の面積（ガスバッキングの寸法、Ｃａｒｂｅｌ）は１５×２５ｍｍ、各膜／電極接合体（Ｐｒｉｍｅａ５５１０、ゴア社）の寸法は２５×３５ｍｍである。各セル間の相互接続部分は、アノード電流コレクタからカソード電流コネクタの金メッキネットに続いている伝導性のある銅テープである。この実施例では、ＰＣＢボードは金メッキネット上部におけるクランプ材としてしか機能していない。純粋な水素を用いた電気化学的な実験の結果が表２に示されている。
【表２】
0005438900.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】単セル配置用に構成された電気化学装置構成部品を含む固体高分子形電気化学装置の図式的な側断面図である。
【図２】図１に示した単セル配置用の電気化学装置構成部品の図式的な側断面図である。
【図３ａ】直列接続用に構成された電気化学装置構成部品を含む固体高分子形電気化学装置の図式的な上面図である。
【図３ｂ】図３ａに示した固体高分子形電気化学装置の図式的な側断面図である。
【図４】カソード電流コレクタが導電性のあるメッシュとプリント基板（ＰＣＢ）で構成された固体高分子形電気化学装置の実施形態における図式的な側断面図である。ＰＣＢはクランプ機構としても機能している。
【図５】細片(strip)ＰＣＢカソード電流コレクタを有するセルの電流密度に対するセル電圧と、電流密度に対する出力密度とを示したものである（実施例１参照）。曲線（ａ）は初期パフォーマンス、曲線（ｂ）は０．５Ｖ下において６０時間を経過したときのパフォーマンスを示す。分極の前に前処理(preconditioning)を行っていない。掃引速度は０．４ｍ ｓ−１である。
【図６】細片ＰＣＢカソード電流コレクタを有するセルの０．５Ｖ下における長時間試験の結果を示す。セルに前処理は施していない（実施例１参照）。
【図１】
0005438900.tif 000004
【図２】
0005438900.tif 000005
【図３ａ】
0005438900.tif 000006
【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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