(57)【要約】  本発明は、少なくともアノードを有するアノード半セル、カソードとしてのガス拡散電極を有するカソード半セル、および前記アノード半セルと前記カソード半セルの間に配置された、少なくともパーフルオロスルホン酸ポリマーから成るイオン交換膜を具備し、前記ガス拡散電極およびイオン交換膜が、互いに隣接している電気化学セルであって、２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、前記ガス拡散電極と前記イオン交換膜が、その幾何学的面積に対して少なくとも５０％の接触面積を有することを特徴とする、塩化水素の水溶液を電解するための電気化学セルを記載するものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアノードを有するアノード半セルと、
カソードとしてのガス拡散電極を有するカソード半セルと、
前記アノード半セルと前記カソード半セルの間に配置され、少なくともパーフルオロスルホン酸ポリマーから成るイオン交換膜を具備し、
前記ガス拡散電極および前記イオン交換膜が、互いに隣接している電気化学セルであって、
前記イオン交換膜に面している前記ガス拡散電極の面および前記ガス拡散電極に面している前記イオン交換膜の面が、平滑であることを特徴とする、塩化水素の水溶液を電解するための電気化学セル。
【請求項２】
少なくともアノードを有するアノード半セルと、
カソードとしてのガス拡散電極を有するカソード半セルと、
前記アノード半セルと前記カソード半セルの間に配置され、少なくともパーフルオロスルホン酸ポリマーから成るイオン交換膜を具備し、
前記ガス拡散電極および前記イオン交換膜が、互いに隣接している電気化学セルであって、
２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、前記ガス拡散電極と前記イオン交換膜が、その幾何学的面積に対して少なくとも５０％の接触面積を有することを特徴とする、塩化水素の水溶液を電解するための電気化学セル。
【請求項３】
前記接触面積が、少なくとも７０％であることを特徴とする、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記イオン交換膜が、パーフルオロスルホン酸ポリマーの層を１つ有し、支持材が、そのパーフルオロスルホン酸ポリマーの層に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記イオン交換膜が、パーフルオロスルホン酸ポリマーの層を少なくとも２つ有し、支持構造が、そのパーフルオロスルホン酸ポリマーの２つの層の間または２つの層のうちの一方に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記イオン交換膜が、異なる当量を有する層を少なくとも２つ有することを特徴とする、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記パーフルオロスルホン酸ポリマーの層が、６００から２５００、好ましくは９００から２０００の当量を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記ガス拡散電極に面している層が、他の層より高い当量を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記ガス拡散電極ための触媒層が、前記イオン交換膜に塗布されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記イオン交換膜が、可塑的にまたは弾力的に変形しうる材料、好ましくは金属、プラスチック、炭素および／またはガラス繊維、の細目金網、織布、ブレード、編生地、不織布または発泡体の支持構造を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソードとしてガス拡散電極を有する、特に塩化水素の水溶液の電解に適する電気化学セルを提供する。
【０００２】
塩化水素の水溶液の電解方法は、例えば、米国特許第５，７７０，０３５号に開示されている。ルテニウム、イリジウムおよびチタンの混合酸化物が塗布されているチタン／パラジウム合金の基質を例えば含む、適当なアノードを有するアノード室に、塩化水素の水溶液が、充填される。そのアノードで生成された塩素は、アノード室から抜け出し、適当な回収プロセスに供給される。このアノード室は、市販のカチオン交換膜によりカソード室と分けられている。カソード側には、そのカチオン交換膜にガス拡散電極が取り付けられている。そのガス拡散電極は、電流分配器にも取り付けられている。ガス拡散電極は、例えば、酸素枯渇カソード（ｏｘｙｇｅｎ  ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｃａｔｈｏｄｅ：ＯＤＣ）である。ガス拡散電極としてＯＤＣが、使用されるとき、空気、酸素富化空気または純粋な酸素が、通常、カソード室に導入され、これがＯＤＣで還元される。
【０００３】
市販のイオン交換膜は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から製造された、織布、細目金網またはブレードなどの平坦な支持構造を有し、その一方の面には、例えば、ＤｕＰｏｎｔ製の市販品であるＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーが塗布されている。このタイプのイオン交換膜が、塩化水素の水溶液の電解のための、酸素枯渇カソードとしてガス拡散電極を有する電解セルで使用される場合、５ｋＡ／ｍ２で１．２５から１．３Ｖの範囲の比較的高い動作電圧を必要とする。
【０００４】
従って、本発明の目的は、動作電圧ができる限り低い、特に塩化水素の水溶液の電解のための、カソードとしてガス拡散電極を有する膜電解セルを提供することである。
【０００５】
本発明は、少なくともアノードを有するアノード半セル、カソードとしてのガス拡散電極を有するカソード半セル、および前記アノード半セルと前記カソード半セルの間に配置された、少なくともパーフルオロスルホン酸ポリマーから成るイオン交換膜を具備し、前記ガス拡散電極およびイオン交換膜が、互いに隣接している電気化学セルであって、前記イオン交換膜に面しているガス拡散電極の面および前記ガス拡散電極に面しているイオン交換膜の面が、平滑であることを特徴とする、塩化水素の水溶液を電解するための電気化学セルを提供する。
【０００６】
本発明は、少なくともアノードを有するアノード半セル、カソードとしてのガス拡散電極を有するカソード半セル、および前記アノード半セルと前記カソード半セルの間に配置された、少なくともパーフルオロスルホン酸ポリマーから成るイオン交換膜を具備し、前記ガス拡散電極およびイオン交換膜が、互いに隣接している電気化学セルであって、２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、前記ガス拡散電極と前記イオン交換膜が、その幾何学的面積に対して少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％の接触面積を有することを特徴とする、塩化水素の水溶液を電解するための電気化学セルも提供する。
【０００７】
２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、ガス拡散電極とイオン交換膜の間の本発明による接触面積は、例えば実施例５で説明するように決定することができる。実施例５の試験は、動作しているときの本発明の電気化学セルにおける圧力および温度条件をシミュレートするものである。
【０００８】
イオン交換膜は、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーの少なくとも１つの層から成る。本発明の電解セルに使用することができる他のパーフルオロスルホン酸ポリマーは、例えば欧州特許出願公開第１，２９２，６３４号に記載されている。イオン交換膜は、支持材を有することもあり、または機械的補強のために含まれるマイクロファイバを含有することもある。
【０００９】
イオン交換膜用の支持材は、好ましくは、可塑的にまたは弾力的に変形しうる材料、特に好ましくは金属、プラスチック、炭素および／またはガラス繊維、の細目金網、織布、ブレード、編生地、不織布または発泡体である。ＰＴＦＥ、ＰＶＣまたはＰＶＣ−ＨＴは、プラスチック材料として特に適する。
【００１０】
イオン交換膜の好ましい実施形態において、支持材は、パーフルオロスルホン酸ポリマーの１つの層の中または少なくとも２つの層の間に埋め込まれる。このイオン交換膜は、特に好ましくは、少なくとも２つのパーフルオロスルホン酸層からできており、この場合、そのイオン交換膜のための支持材は、パーフルオロスルホン酸ポリマーの層間または２つの層のうちの一方に埋め込まれている。これは、例えば、支持材の２つの面の各々に少なくとも１つのパーフルオロスルホン酸ポリマー層を塗布することによって行うことができる。支持材が、パーフルオロスルホン酸ポリマーの１つの層の中または少なくとも２つの層の間に埋め込まれている場合、そのイオン交換膜は、支持材の一方の面しかパーフルオロスルホン酸の層を有さないイオン交換膜より平滑な表面を有する。イオン交換膜の表面は、平滑であるほど、良好にガス拡散電極と接触することができる。イオン交換膜の表面が平滑であるほど、そのイオン交換膜が隣接するガス拡散電極と接触する面積は、大きくなる。
【００１１】
前記ガス拡散電極は、炭素、金属または焼結金属で製造された織布、ブレード、細目金網または不織布で好ましくは製造された導電性支持材を含む。この金属または焼結金属は、塩酸に耐性でなければならない。これらには、例えば、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、タンタルおよび一部のＨａｓｔａｌｌｏｙ合金が挙げられる。導電性支持材には、アセチレンブラック／ポリテトラフルオロエチレン混合物を含有する塗料材料が場合によっては施されている。この塗料材料は、ナイフで塗り広げることにより導電性支持材に塗布することができ、その後、約３４０℃の温度で焼結する。この塗料材料が、ガス拡散層として働く。このガス拡散層は、導電性支持材の全表面積に塗布することができる。それは、支持材、すなわち織布、ブレードまたは細目金網などの開気孔構造のすべてまたは一部にも埋め込んでもよい。アセチレンブラック／ポリテトラフルオロエチレン混合物のガス拡散層が設けられている炭素不織布製の電導性支持材は、例えばＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｇｒｏｕｐから市販されている。
【００１２】
ガス拡散電極は、触媒層とも呼ばれる触媒含有層も含有する。このガス拡散電極のための触媒として、次のものを使用することができる：貴金属、例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｐｄ、貴金属合金、例えばＰｔ−Ｒｕ、貴金属含有化合物、例えば貴金属含有硫化物および酸化物、ならびにシェブレル相、例えばＭｏ４Ｒｕ２Ｓｅ８またはＭｏ４Ｒｕ２Ｃ８（これらは、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｐｄなども含有しうる）。
【００１３】
本発明の電解セルでの使用に適するガス拡散電極およびその製造は、例えば、国際公開第０４／０３２２６３号に開示されている。ガス拡散電極との電気的接触は、電流分配器によって達成され、ガス分散電極は、その電流分配器の上に位置する。
【００１４】
本発明の電気化学セルにおいて、イオン交換膜の全面積と、そのセルが動作しているときにカソードとしての機能を果たすガス拡散電極の全面積は、隣接しており、この場合、２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、イオン交換膜とガス拡散電極は、少なくとも５０％の接触面積を有する。一般に、本発明のタイプの電気化学セルは、０．２から０．５ｋｇ／ｍ２の圧力下、４０から６５℃の温度で作動させる。ガス拡散電極のためにも、できる限り平滑な表面が望ましい。できる限り平滑な表面は、イオン交換膜との接触を向上させるためである。できる限り平滑な表面を作るために、ガス拡散層および／または触媒層は、例えば噴霧法によって塗布することができ、この場合、噴霧される分散液の液滴は、できる限り均等に流れなければならない。適する噴霧法は、国際公開第０４／０３２２６３号に開示されている。開気孔型電導性支持材（この場合、気孔は、ガス拡散層によって塞がれる）を、好ましくは使用する。ガス拡散層および／または触媒層は、ローラーまたはブラシを使用する機械によって塗布することもできる。
【００１５】
できる限り大きな接触面積は、ガス拡散電極およびイオン交換膜の適切な選択によって作られる。これらの両方が、できる限り平滑な表面を有さなければならず、同時に、できる限り良好なミクロ変形性、すなわちマイクロメートル範囲での良好な変形性を有さなければならない。
【００１６】
本発明の電解セルの特別な実施形態において、ガス拡散電極のための触媒層は、イオン交換膜に塗布される。この触媒層は、例えば、噴霧により、または先行技術分野において開示されているフィルムキャスティング法により、イオン交換膜に塗布することができる。このようにして、イオン交換膜および触媒層が、膜電極ユニット（ＭＥＵ）を形成する。この場合、ガス拡散層を有する電導性支持材が、その触媒層に隣接している。ここで、２５０ｇ／ｃｍ２の圧力下、６０℃の温度で、その幾何学面積に関して少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％の本発明による接触面積が、ガス拡散層とそのＭＥＵの触媒層の間にある。
【００１７】
本発明の電解セルは、塩化水素（塩酸）の水溶液の電解中、１００から３００ｍＶのより低い動作電圧を有する。
【００１８】
好ましい実施形態において、イオン交換膜は、異なる当量を有する少なくとも２つの層からできている。本発明の文脈での当量は、１Ｎの苛性ソーダ溶液１リットルを中和するために必要なパーフルオロスルホン酸ポリマーの量であると考える。従って、当量は、イオン交換性スルホン酸基の濃度の尺度である。イオン交換膜の当量は、好ましくは６００から２５００、特に９００から２０００である。
【００１９】
イオン交換膜が、異なる当量を有する幾つかの層からできている場合には、原則として、それらの層は、互いに対して全く如何様に配列してもよい。しかし、ガス拡散電極に面している、すなわちガス拡散電極に隣接しているイオン交換膜の層が、他の層より高い当量を有するイオン交換膜が、好ましい。例えば、そのイオン交換膜が、２つの層からできている場合には、アノードに面している層の当量は、６００から１１００であり、ガス拡散電極に面している層の当量は、１４００から２５００である。２つまたはそれ以上の層が存在する場合には、当量は、アノードに面している層からガス拡散電極に面している層に向かって増大しうる。しかし、より高い当量の層とより低い当量の層を交互に配列することも可能であり、この場合、ガス拡散電極に隣接している層が、最も高い当量を有する。
【００２０】
イオン交換膜を通る塩素輸送は、当量を選択することおよび異なる当量を有する層を選択することによって減少させることができる。イオン交換膜を通る塩素の移動は、できる限り少ないことが望ましい。理想的なケースでは、塩素が、ガス拡散電極の触媒層において塩化物に還元され、カソード半セル内で生成された反応水とともに希塩酸を生成するため、塩素の移動は、完全に抑えられるべきであろう。一方で、これは、再び使用することができず、従って、処理しなければならない。他方で、希塩酸とガス拡散電極との接触は、過電圧を導き、ガス拡散電極内に存在する触媒に腐食性の損傷をもたらす可能性もある。
【００２１】
さらに、イオン交換膜を通るアノード半セルからカソード半セルへの水の輸送が、本発明の電気化学セルでは、約三分の一に低減されるべきであろう。これも、このようにしてカソード半セル内で生成される、処理しなければならない希塩酸が少なくなるため、有利である。水の輸送程度が低いことのもう１つの利点は、ガス拡散電極の表面に水の薄膜が形成される危険性が、少なくなることである。これは、結果として、ガス拡散電極を通る酸素輸送を向上させる。
【００２２】
本発明の電気化学セルにおけるアノードは、好ましくは、Ｒｕ−Ｔｉ混合酸化物の塗膜が例えば設けられている、例えばＰｄ安定化チタンのエキスパンデットメタルの、細目金網、織布、編生地またはブレードなどから成る。適するアノードは、例えば国際公開第０３／０５６０６５号に開示されている。
【００２３】
実施例
実施例１
米国特許第６，４０２，９３０号および米国特許第６，１４９，７８２号に開示されているようなガス拡散電極を、１００ｃｍ２の電気化学的作用面積を有する実験室用セルを使用する実験室試験において、９５０の当量を有する、Ｆｕｍａｔｅｃｈによって供給されたパーフルオロスルホン酸タイプのプロトン導電性イオン交換膜を用いて試験した。
【００２４】
このイオン交換膜は、支持材としてガラス繊維の内在支持布を有するものだった（すなわち、この支持材は、パーフルオロスルホン酸ポリマーに埋め込まれていた）。使用したイオン交換膜は、欧州特許出願公開第１２９２６３４号に記載されている。
【００２５】
このガス拡散電極は、次の構造を有するものだった：炭素繊維の導電性層に、アセチレンブラック／ポリテトラフルオロエチレン混合物を含むガス拡散層を設けた。ガス拡散層を設けたこの支持体に、触媒／ポリテトラフルオロエチレン混合物を含む触媒層を塗布した。その硫化ロジウム触媒は、カーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ（登録商標）ＸＣ７２）に吸着されているものだった。このガス拡散電極は、イオン交換膜と直接接触した状態で作動させるので、より良好にイオン交換膜に結合するようにＮａｆｉｏｎ（登録商標）、プロトン導電性アイオノマーの層も設けた。酸素枯渇カソードの表面は、製造工程に起因する典型的な収縮亀裂を除けば、ほぼ平滑であった。使用した酸素枯渇カソードは、米国特許第６，１４９，７８２号に記載されている。この酸素枯渇カソード内の電流分配器は、Ｔｉ／Ｒｕ混合酸化物塗膜を有するエクスパンデットチタンメタルであった。
【００２６】
チタン／ルテニウム混合酸化物塗膜を有するエクスパンデットチタン／パラジウムメタルの市販アノードを、アノードとして使用した。
【００２７】
５ｋＡ／ｍ２、６０℃、１４％工業用塩酸、およびアノードと２００ｍｂａｒの静水圧力下でカソードにプレスされたイオン交換膜との間の距離３ｍｍという動作条件下で、１６日間、連続的に作動させたとき、この試験セルは、１．１６Ｖの動作電圧を示した。
【００２８】
実施例２（比較例）
実施例１で説明した酸素枯渇カソードを、幾つかの比較試験において、実施例１で説明した条件下、ＤｕＰｏｎｔ製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）３２４タイプのプロトン導電性イオン交換膜を用いて試験した。
【００２９】
この酸素枯渇カソードは、実施例１で使用した酸素枯渇カソードと同じ製造バッチからのものであった。
【００３０】
そのイオン交換膜の両面ではなく一方の面のみに、パーフルオロスルホン酸ポリマーを塗布し、この場合、支持材は、支持布の形態で酸素枯渇カソードに取り付けた。これは、その酸素枯渇カソードとそのイオン交換膜上のパーフルオロスルホン酸ポリマーの間の適切な面接触が可能でなかったことを意味する。この支持布の構造によって表面の粗さが増した。
【００３１】
これらの比較試験中、１．３１から１．３３の動作電圧が認められた。
【００３２】
実施例３
異なる表面粗さを有する酸素枯渇カソードを用いる試験を、実施例１で説明した装置で、実施例１で定義した動作条件下で行った。
【００３３】
第一試験では、ガス拡散層（実施例１で説明したとおり）を充填し、Ｖｕｌｃａｎ（登録商標）ＸＣ７２タイプのカーボンブラックに担持された３０％硫化ロジウムおよびＮａｆｉｏｎ（登録商標）アイオノマー溶液を含む触媒層を噴霧した、炭素不織布から成る酸素枯渇カソードを用いて、Ｆｕｍａｔｅｃｈ製のイオン交換膜を試験した。この酸素枯渇カソードは、約１４０μｍの表面粗さを有した；実施例５参照。この電極は、１．２８Ｖの安定な動作電圧を示した。
【００３４】
第二試験では、ＤｕＰｏｎｔ製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）３２４タイプのイオン交換膜を用いて、この酸素枯渇カソードを試験した。１．３２Ｖの電圧が認められた。従って、これにより、イオン交換膜とガス拡散電極の間の大きな接触面積には、その膜の平滑さも、酸素枯渇カソードの平滑さも、重要であることが明らかになった。
【００３５】
実施例４
異なるイオン交換膜を通る塩素拡散を試験した。これは、動作条件下での水輸送指数との組み合わせで、カソード液中の異なる塩酸濃度として表す。電流ゼロの状態での開回路条件下で以下の膜を試験した：
−Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７：１１００の当量を有する単層のもの；支持布なし
−Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４：１１００および１５００の当量をそれぞれ有する二層；酸素枯渇カソードに面している外付けの支持布を有するもの、すなわち、支持材がパーフルオロスルホン酸ポリマーに埋め込まれていないもの
−Ｆｕｍａｔｅｃｈ製のイオン交換膜：９５０の当量および内在支持布を有する単層のもの、すなわち、支持材がパーフルオロスルホン酸ポリマーに埋め込まれたもの（以後、Ｆｕｍａｔｅｃｈ膜９５０と呼ぶ）
７時間試験において、塩素拡散に関して以下の挙動が観察された：
Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７：３５１１ｍｇの塩素
Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４：５０３ｍｇの塩素
Ｆｕｍａｔｅｃｈ膜９５０：１１４４ｍｇの塩素
加えて、これら３タイプの膜を同等に作動させたところ、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜は、実施例１で述べた条件下、約１の水輸送指数（すなわち、膜を通過するプロトン１ｍｏｌあたり１ｍｏｌのＨ２Ｏ）を有し、これに対してＦｕｍａｔｅｃｈ膜は、０．３７、すなわち約三分の一、の水輸送指数しか有していないことが判明した。
【００３６】
単層型Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７膜およびＦｕｍａｔｅｃｈ膜９５０は、３倍より大きく異なる塩素拡散を有する（この場合、低い当量にもかかわらず、Ｆｕｍａｔｅｃｈ膜が有利である）ことが明らかになった。
【００３７】
他方、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４は、カソード表面上の層のほうが高い当量を有する組み合わせで２つの層を有することにより、結果的に、塩素輸送をＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７と比較して約１／７、Ｆｕｍａｔｅｃｈ膜９５０と比較して約半分に低減させた。
【００３８】
この低い塩素拡散を考慮して、異なる当量を有し、その当量が酸素枯渇カソードに向かって増加する、２つまたはそれ以上の層の組み合わせを有するイオン交換膜が、好ましい。塩素拡散の少なからぬ低減、場合によっては約ゼロまでの低下を、このようにして生じることができる。Ｆｕｍａｔｅｃｈ膜の非常に低いこの水輸送指数、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜と比較して約１／３、が、湿性（ｍｏｉｓｔ）状態（すなわち湿潤（ｗｅｔ）状態ではない）での酸素枯渇カソードの作動を可能にする。湿潤状態での作動は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜について知られている。
【００３９】
実施例５
電解セルにおいて広く行われている条件をシミュレートしながら、ガス拡散電極（ＧＤＥ）とイオン交換膜の間の接触面積を、以下の実験室試験を利用して測定した。
【００４０】
約３×７ｃｍ２のイオン交換膜の細片の一方の面を３０μｌの蛍光溶液に浸漬した。この蛍光溶液は、グリセリン／水混合物中で製造した。このために、フルオレセイン粉末を水に溶解し、そこにグリセリンを添加した。水：グリセリン比は、１：１であった（８０ｍｇのフルオレセイン、４．７ｇの水、４．７ｇのグリセリン）。
【００４１】
その一方の面を浸漬したイオン交換膜を、浸漬面がネオプレン微細発泡クッションと隣接するようにネオプレン微細発泡クッション上で伸長した。その微細発泡クッションの方に向いたこの面を、以後、下面とも呼ぶ。このネオプレン発泡クッション基質は、２．２×２．２ｃｍ２のサイズを有した。
【００４２】
そのイオン交換膜の上面も、３０μｌの蛍光溶液で湿潤させた。その後、その表面にガラス板をかぶせ、そこに約２００ｇの重量を掛けた。これによって、そのイオン交換膜の上面および下面上の蛍光溶液をそれら２つの面、全面に、均一に分散させた。
【００４３】
このようにして浸漬し、微細発泡クッションにあてがったイオン交換膜を、デシケータ内で、３時間、湿度１００％、室温で保管した。この時、その膜は、端から端まで完全に濡れていた。デシケータ内で保管した後、一切の残留液体薄膜を、そのイオン交換膜の２つの面から除去した。
【００４４】
２．２×２．２ｃｍ２の面積を有するガス拡散電極をそのイオン交換膜の上に置いた（イオン交換膜の方に向いた面を、以後、上面とも呼ぶ）。電流分配器をそのガス拡散電極の裏面、すなわちイオン交換膜とは反対向きの面、に取り付けた。２５０ｇ／ｃｍ２の加圧力を生じる適切な重量を、そこに掛けた。この構造体全体を、湿度１００％、６０℃の乾燥保管庫内のデシケータの中で１９時間保管した。
【００４５】
保管後、そのガス拡散電極を取り出し、微視的評価のために、顕微鏡用スライドガラス上に固定した。
【００４６】
共焦点レーザー走査顕微鏡Ｌｅｉｃａ  ＴＣＳ  ＮＴを使用する評価：
ＧＤＥ表面の総合的な画像を、後方散乱および蛍光対比で得た。画像領域は、６．２５０×６．２５０ｍｍ２であった。後方散乱チャネルの光電子倍増管のゲインは、フルのレーザーパワー（レーザー出力、約２２ｍＷ）のために３２２ボルトに設定した。蛍光チャネルについての光電子倍増管電圧は、１０００Ｖであった。画像は、モード４８８／＞５９０ｎｍで撮った。この設定を使用して、前記スライドガラスをＡｒ＋レーザーからの波長４８８ｎｍで照射した。同波長で後方散乱画像を記録した。蛍光チャネルでの画像は、５９０ｎｍより長い波長であるサンプル表面からの蛍光から作成した。
【００４７】
評価するための画像は、対物レンズｘ１０／０．３空気で撮った。この時、画像領域は、１．０×１．０ｍｍ２であった。統計学上の理由で、８つの画像領域を撮った。表面が、明らかなトポグラフ的構造を有したので、一連の断面図を撮った。実施例１のガス拡散電極（カーボンティッシュ電極）での、克服すべき高さの差は、７０μｍであり、炭素不織布電極では、それは約１４０μｍであった。モード４８８／＞５９０ｎｍでの画像も記録した。カーボンティッシュ電極の場合、６３の個別の切片で、７２．９μｍの一連の断面図を、各回、撮った。後方散乱チャネルでのゲインは、２３１ボルトであり、蛍光チャネルでのゲインは、６７２ボルトであった。
【００４８】
炭素不織布電極の場合、１２７の個別の切片で、１４３μｍの一連の断面図を、各回、撮った。後方散乱チャネルでのゲインは、２６６ボルトであり、蛍光チャネルでのゲインは、６７２ボルトであった。
【００４９】
トポグラフィー画像は、後方散乱チャネルからの画像データのセットから作成した。投影画像は、蛍光チャネルからの画像データのセットから生じさせた。この投影画像では、ｚ方向に連続している一連の断面図から最も色の薄いポイントのみが、各ｘｙ座標に示された。この画像を表面塗膜のさらなる画像分析評価に使用した。
【００５０】
２６１６３２ピクセルの包囲領域を有する固定画像フレームで、ヒストグラムをプロットした。各強度（０〜２５５）発生頻度は、このヒストグラムから判定した（表１参照）。
【００５１】
下に与える表１は、このようにして判定した接触面積を百分率として、ならびにイオン交換膜とガス拡散電極の異なる組み合わせについての８つの測定値に対する平均二乗偏差を与えるものである。ガス拡散電極として以下のものを使用した：実施例１のカーボンティッシュ電極（以後、Ａタイプとも呼ぶ）；炭素不織布にガス拡散層を充填し、硫化ロジウム触媒層およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）アイオノマー溶液を噴霧した、実施例３の炭素不織布電極（以後、Ｂタイプとも呼ぶ）；ならびに開気孔型ガス拡散層を塗布し、硫化ロジウム触媒層およびＮａｆｉｏｎ（登録商標）アイオノマー溶液を噴霧した、炭素不織布電極（以後、Ｃタイプとも呼ぶ）。開気孔型塗膜は、炭素不織布などの中の気孔を塞がない塗膜であると、ここでは考える。開気孔型塗膜は、例えば、支持材、例えば炭素不織布を浸漬することにより製造することができ、これに対して閉気孔（すなわち充填）型塗膜の場合、例えば支持材に、その支持材の気孔に充填するガス拡散層を塗布する。
【００５２】
以下の市販の膜をイオン交換膜として使用した：実施例１の内在的（すなわち埋め込まれた）支持材を有するＦｕｍａｔｅｃｈ製のパーフルオロスルホン酸タイプのイオン交換膜（Ｆｕｍａｔｅｃｈ  ９５０と呼ぶ）、実施例２の外部（すなわち埋め込まれていない）支持材を有するＤｕＰｏｎｔ製のパーフルオロスルホン酸タイプのイオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）３２４と呼ぶ）、ならびに支持材を有さないＤｕＰｏｎｔ製のパーフルオロスルホン酸タイプのイオン交換膜（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１０５と呼ぶ）。
【００５３】
電圧は、５ｋＡ／ｍ２、６０℃で測定した。
【００５４】
表１の結果は、イオン交換膜とガス拡散電極の間の大きな接触面積が、小さな接触面積のものより低いセル電圧を伴うことを示している。
【表１】
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【国際調査報告】
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