(57)【要約】  膜−電極アセンブリは、イオン流を制御するためのグリッド、膜物質及び／又はイオン的に不活性な物質の別々の層を、少なくとも一方の電極への、及び／又は、からの液体又は気体反応成分の透過のために含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜によって分離された電極を備え、また該膜を通過するイオンの流れを制御する手段を備えた膜−電極アセンブリ。
【請求項２】
前記膜は、前記手段として導電性グリッドを含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記グリッドは電気的及び／又はイオン的に抵抗性の物質でコーティングされていることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記アセンブリの少なくとも一部の間に電位差を与える手段と関連している請求項２又は請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
少なくとも二つのイオン物質の層によって分離された電極を備え、イオンが電極間及び隣接する層の界面を越えて流れることができることを特徴とする膜−電極アセンブリ。
【請求項６】
各電極で異なる触媒を含むことを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
【請求項７】
少なくとも一つの電極への、及び／又は、からの液体又は気体反応成分の透過のために膜がイオン的に不活性な物質を含む膜−電極アセンブリ。
【請求項８】
前記反応成分が水であることを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記イオン的に不活性な物質が親水性であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記膜がカチオン交換（CE）膜であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記膜がアニオン交換（AE）膜であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記膜がAE物質とCE物質を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記層が、それぞれ、CE物質及びAE物質の層であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記膜はCE膜であり、使用時に、前記イオン的に不活性な物質は、生成物である水が陰極から陽極へ拡散することを可能にすることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記膜はAE膜であり、使用時に、前記イオン的に不活性な物質は、生成物である水が陽極から陰極へ拡散することを可能にすることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記膜が親水性であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記膜は厚さが少なくとも0.5 mmであることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のアセンブリのスタック。
【請求項１９】
燃料電池又は電解槽としての、又は、における請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のアセンブリ又はスタックの利用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関し、詳しくは水管理／イオン流が制御された膜電極アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルで電解質として用いられる多くのイオン高分子膜は一種類の活性物質しか含まない。不活性物質がしばしば活性高分子のための土台及び機械的構造として用いられる。このような膜のあるものは、各電極で異なる性質を与えるように積層される。いずれの場合も、二つの膜電極表面の各々の各点において、性質及び材料は同じである。
【０００３】
電気化学セル内部での効果的な水管理は良い性能のために必要である。例えば、燃料電池で、性能は固体高分子電極（SPE）内部の水和制御に強く依存する。燃料電池の動作時に、イオンはSPEを通って移動する。そのさい、イオンは水分子をいっしょにつれてゆく。これは電気浸透抗力と呼ばれる。この現象の正味の結果として、例えばプロトン伝導、カチオン交換（CE）SPEにおいて、陽極が乾燥しやすくなり、陰極に水のフラッディング（flooding）が起こる。これはSPEにおけるイオン伝導を困難にし、陰極への酸素のアクセスを妨げることによって燃料電池の性能にマイナスの影響を及ぼす。電気化学反応の結果として陰極では水が生成されるので、陰極に水のフラッディングが起こるという問題は複合的である。ヒドロキシル・イオン伝導アニオン交換（AE）SPEでは、状況は逆転するが問題は同じである。水は陽極で生成されて陰極で使用される。したがって、陽極でフラッディングが起こりやすく、陰極が乾燥しやすくなる。
【０００４】
これらの問題を解決しようとする試みは二つのルートによって行われている。第一に、供給する燃料に水分を含ませて水をSPE膜の陽極側に放出させて乾燥を減少させた。これはプラントでかなりのバランスを必要とし、そのためにデバイスのコストが増加し出力パワーが減少すると同時に、陽極で水があふれる危険が生ずる。第二に、より薄いSPE膜が追求された。これは、陰極から陽極へ水が逆移動しなければならない距離を減らすためと思われるが、電気浸透抗力はこのメカニズムによる水の平衡も制限し、他方SPE膜は機械的により不安定になり、燃料のクロスオーバーが増加する。
【０００５】
燃料電池が生ずる電圧は、一般に、反応物質の電気化学的ポテンシャル及び用いる触媒の効率に依存する。電池が生ずる電流は、その実効面積、膜のイオン抵抗、及び触媒／膜界面における燃料の移動がどれほど効率的か、に依存する。出力は、電圧と電流との積であり、通常、スロットリング、すなわち、電池への燃料の流量を制限することによって、又は電池に無制限に燃料を供給し要求に対して過剰なエネルギーを制御することによって（例えばバッテリーへの投棄によって）制御される。出力を制御するこれらの方法は、主に非効率的であるという理由から望ましくない。
【０００６】
国際公開第03/023980号パンフレットは、燃料電池において、又は燃料電池として利用できる膜電極アセンブリ（MEA’s）における親水性高分子とその利用を開示している。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、MEAの膜の水生成及び／又はイオン流を制御するための手段を提供する。
【０００８】
本発明の第一の様態では、膜は少なくとも一つの電極への、及び／又は、からの液体又は気体反応成分の透過のためのイオン的に不活性な物質を含む。あるいはまた、膜はアニオン交換物質及びカチオン交換物質を含み、これらの物質はイオン的に不活性な物質によって分離される。親水性であるがイオン的に不活性な物質の分布によって電池における水理的条件、特に生成物の水の再分布を制御して、イオノマーの効率的な動作を維持し、Nafion（登録商標）をベースとする固体高分子燃料電池（又は他の低水分含有、低水透過膜）における共通の問題である触媒電極構造のフラッディングを防止する又は減少させることができる。
【０００９】
本発明の第二の様態では、膜は真正にイオン的に活性な物質のシート又は層、例えば一種以上のアニオン交換物質が一つ以上の薄い面平行な層の形になったもの、及び一種以上のカチオン物質が一つ以上の薄い面平行な層の形になったもの、そして層がイオン性接触し、一つの電極から別の電極へのイオンの流れが層間の界面を通して起こるように配置されたもの、を含む。一方のシステム（例えばCE）は陽極と接触し、他方の物質（例えばAE）は陽極と接触している。この場合、主たる電荷キャリアはCEにおけるプロトン及びAEにおけるOHイオンである。この配置は、各電極で触媒を独立に、一つは酸性環境で動作し、もう一つはアルカリ性環境で動作するように選ぶことができるということを意味する。さらに、酸素−水素燃料電池の場合、生成物の水は複合膜のAEエレメントとCEエレメントの界面で生成され、触媒−電極構造のフラッディングという問題を回避できる。
【００１０】
本発明の別の様態では、MEAは導電性のグリッド（単数又は複数）を含む。アセンブリの少なくとも一部に適当な異なる電位を印加することによってイオンの流れを制御することを含むこのアプローチは上述のスロットリングと投棄のやり方と全く異なる。これは、他のSPEテクノロジーに関連した水和の問題がない本質的に親水性の物質で用いるのに特に適している。
【００１１】
MEAは、複数のこのようなアセンブリをスタックにした形もある。MEA又はスタックは、セルに組み込むことができる。セルは燃料電池又は他の電気化学セル、例えば電解槽又は光電池、として又はその中で用いることができる。
【００１２】
本発明は、複数の活性物質、カチオン及びアニオン物質、及びオプションとしてはまた親水性物質及び／又はイオン的に不活性で親水性でない不活性物質を含む複合膜を提供する。これらは適当な前駆物質から、インサイチュウ（in situ：その場）での重合によって固体高分子複合電解質（SPCE）を生成したり、又は前駆物質を別に重合して最終の膜に含めることによって形成される。
【００１３】
電気化学セルにおけるSPCEの使用は、イオン的に活性な相（単数又は複数）を通るイオン伝導のルートを提供する。燃料電池の場合、通常のSPE物質の場合と同様に個々で電気浸透抗力が発生する。しかし、物質のイオン的に不活性な相（単数又は複数）を通るイオンの輸送はない。したがって、親水性のイオン的に不活性な相では、水はこの比較的高い拡散性経路を通して高濃度から低濃度へ自由に移動でき、動作中の水理的平衡を維持することを助ける。この相を通る水の移動は電気浸透抗力によって妨げられない。同じSPEにおいてAEとCE相を用いることで水和制御のための新たなルートが得られ、同時に、比を変えることによって多様な水生成／利用の組み合わせが可能になる。
【００１４】
本発明は、プラントの追加のバランスを必要としないルートによって、電気化学セルのSPE内部における効果的な水管理を可能にする。例えば、SPE内部における水理的な安定性が燃料電池の効率を維持することを助ける。水理的な安定性は、また、乾燥と再水和によるSPE内部の寸法変化を減少させる。この寸法変化は、従来のSPE物質を用いる燃料電池によく見られるもう一つの故障モードである触媒／SPE界面の層剥離の一因であると考えられている。
【００１５】
本発明に関連した別の利点は、セルの電気化学活性の直接制御がこれによって可能になるということである。特に、本発明は、燃料電池の電気出力を直接制御する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、水和の維持を改善する新しい複合材料を提供する。主要な実施形態は三つある。
【００１７】
第一の主要な実施形態は、イオン的に不活性な物質を組み込むものであり、その物質は、もし親水性であれば、膜内部における水移動のためのルートを提供し、これは電気浸透抗力によって妨げられない。燃料電池におけるCE物質の場合、これは陰極から陽極への水の逆拡散を可能にする。陰極で生成される過剰な水の一部がイオン的に不活性な活性成分を通して逆拡散するので陽極における乾燥は減少する。これにより、SPEを通る高いイオン伝導が維持されるので、高い効率を維持することができる。燃料電池におけるAE物質の場合、これによって陽極から陰極への逆拡散が可能になる：CE物質で用いた場合と同じ利益が得られる。追加の燃料加湿は必要ない。イオン的に不活性な物質は電気化学的に活性でないので、SPEC表面のその部分は触媒を必要としない。もしも有益なら、及び／又はもしも望むならば、非親水性の、イオン的に不活性な物質を加えて物理的強度と寸法安定性を高めることもできる。膜に、毛管作用による水の透過のために、ミクロ多孔質の、非親水性のイオン的に活性な物質を含ませることができる。
【００１８】
第二の主要な実施形態は、SPCEにおけるAEとCE相の組み合わせを利用して陽極及び陰極部位における水の生成と利用を制御する。燃料電池において、CE物質は陰極で水を発生し、AE物質は陰極で水を利用し陽極で水を生成するので、異なる比のAE及びCE物質を用いて陽極と陰極の両方における水の生成を制御することができる。イオン相を隔てるためにイオン的に不活性な相を用いなければならない：これは親水性のものにして水の拡散を高めるようにもできるし、非親水性のものにして、隔離を助け、強度と寸法安定性を高めるようにすることもできる。
【００１９】
第三の主要な実施形態はグリッドを用いるものである。これは、イオン流を制御するために用いることができる。
【００２０】
これら三つの実施形態は、別々に利用することも、一緒に利用して水和と膜を通るイオン流の制御への多面的なアプローチとすることもできる。
【００２１】
本発明の製品は、二つのステージを含むプロセスで、すなわち、イオン的に不活性な相（単数又は複数）の生成、及びイオン的に活性な親水性高分子（単数又は複数）による含浸、によって生産される。
【００２２】
イオン的に不活性な相
用途によって、イオン的に不活性な物質は親水性又は非親水性又はその組み合わせになる。
【００２３】
イオン的に不活性な相は、効果的な水輸送を可能にし、イオン的に活性な物質の妥当な面積（area）を与えるのに十分な寸法で生成されなければならない。この寸法は、最終製品の用途によって異なる。
【００２４】
イオン的に不活性な相の例は、厚さが10から2000μmの間で、孔径が100から100,000μmの間にあるメッシュである。孔の形状は任意である。
【００２５】
別の例は、イオン的に不活性な粉末で、直径が10から2000μmの間にある粒子が重合前にイオン的に活性な物質の間に散在しているものである。
【００２６】
ほとんどの高分子は、疎水性と記載されている場合でもある程度の水分を吸収している、例えば、疎水性であると考えられるものも含めてほとんどの高分子は、5%までの水を吸収する。高分子は、電気化学セルにおける水輸送条件にマッチするように選択しなければならない。
【００２７】
イオン的に不活性な非親水性の物質の具体的な例は、ポリエステル又はポリエチレンである。
【００２８】
親水性を有するモノマーの例は、アミノ−アルキル・アクリレート及びメタクリレート、特にアルキル基が1乃至4炭素原子を有するもの、例えばメチル又はエチル、である。アミノ基は、モノ−又はジ−置換されたものであってよく、置換基は好ましくはC1-4アルキル基、例えばメチル又はエチル、である。具体的な例としては、アミノエチル・アクリレート、ジメチルアミノエチル・アクリレート、メチルアミノエチル・メタクリレート、及びジエチルアミノエチル・メタクリレートがある。ハイドロアルキル・アクリレート及びメタクリレートも親水性モノマーとして用いることができ、その中でアルキル基は好ましくは1乃至4炭素原子を有するもの、例えばメチル又はエチル、である。具体的な例としてはヒドロキシエチル・メタクリレート（HEMA）がある。
【００２９】
好ましい親水性モノマーとしては、N-ビニルピロリドン（VP）及びその他のビニル・ラクタム、及びアクリルアミドとメタクリルアミド、及びそれらのN-置換誘導体がある。置換されたアクリルアミドとメタクリルアミド誘導体は、モノ−又はジ−置換されたものであってもよく、好ましい置換基はアルキル、ヒドロキシルアルキル、及びアミノアルキル（モノ−及びジ−置換アミノアルキルを含む）、例えばジ−アルキル・アミノアルキル基、である。好ましくは、含まれるアルキル基は1乃至4炭素原子を含み、メチルとエチルが特に好ましい。そのような誘導体の例としては、N-メチルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジメチルアミノメチルアクリルアミド、N,N-ジメチルアミノエチルアクリルアミド、及びN-メチルアミノイソプロピルアクリルアミドなどがある。
【００３０】
高分子は、好ましくは二種以上の、例えば上述のような親水性モノマーの、又は一種以上の親水性モノマーと一種以上の他のモノマーの、コポリマーである。好ましくは、親水性モノマーはアルキル・アクリレート又はメタクリレートと、特にアルキル基が1乃至4炭素原子を有するもの、例えばメチル又はエチル、又はアクリロニトリルと共重合される。コモノマーとしてスチレンを用いることもできる。適当なコポリマーの例は、VPとメチル・メタクリレート（MMA）、VPとHEMA、及びVP、スチレン及びアクリロニトリルのコポリマーである。テレフタル酸とVPのコポリマーも適当である。
【００３１】
高分子は架橋していることが好ましく、これは、モノマー・システムにジ−又はポリ−官能性架橋剤を組み込むことによって達成される。適当な架橋剤の例としては、二つ以上のエチレン的に不飽和な基を含む化合物、例えばアリル・メタクリレート、ジビニルベンゼン、エチレングリコール・ジメタクリレート、トリメチロールプロパン・トリメタクリレート、及びトリメチロールプロパン・トリメタクリレートがある。通常、架橋剤は、例えばモノマー・システムの重量の約1%という量で用い、高分子は比較的弱く架橋することが好ましい。
【００３２】
場合によっては、高強度高分子システム、例えばアクリロニトリルとVPから得られるようなもの、が好ましい。
【００３３】
例えば、メタクリル酸などを含む複合物質は、自分自身が内蔵するpHコントロール物質を含んで生成できる。そのような物質は同じ構造の成分として酸とアルカリ成分の両方を含み、それ自体で複合物質である。このような物質は、SPCE内のイオン的に活性な物質として、又はそれ自体で新しい複合SPCEとして用いることができる。メタクリル酸は、ガンマ照射及び熱的開始（initiation）などいくつかのルートによって、アクリロニトリル、MMA、HEMA、N,N,N-トリメチル塩化アンモニウム、ビニルベンゼン・トリメチル塩化アンモニウム、水、及びアリル・メタクリレートの一つ以上と重合させることができる。このような物質の一例は、メタクリル酸、アクリロニトリル、ビニルベンゼン・トリメチル塩化アンモニウム、水、及びアリル・メタクリレートから得られる。
【００３４】
イオン的に不活性な相の重合
親水性でイオン的に不活性な相の重合は、化学的な開始剤を用いて、加熱することによって、又は放射線を用いることによって実行でき、放射線を用いる場合は加熱することも開始剤も必要ない。電気重合も可能である。
【００３５】
特に満足な化学的開始剤は、アゾビスプロピルパーカルボネート、又は過酸化ベンゾイルなどの有機過酸化物である。30乃至80℃、好ましくは35乃至70℃の範囲の温度で加熱することが一般に適当であり、増加する温度の一連の段階で加熱を行うことがしばしば望ましい。
【００３６】
基本的な重合が行われた後にアフターキュア（post-cure）処理を、例えばポリマーを85乃至95℃の温度で、好ましくは真空下で、加熱することによって行うことができる。
【００３７】
重合を放射線によって実行しようとする場合、いろいろな形の放射線を用いることができる、電離放射、例えばUV線、X-線、又はガンマ線、又は粒子線、例えば電子線又はフォトン・ビーム、などを用いることができる。好ましくは、放射線はコバルト60源からの電離ガンマ線、又は電子ビームである。基本的な重合が完了した後、アフターキュア処理をさらに照射することによって行うことができる。
【００３８】
0.1乃至20 Mrの重合照射を用いることができるが、たいていの親水性高分子は、1乃至4 Mrの範囲の線量で重合させるのが好ましい。この好ましい線量を、1時間乃至10日間の期間にわたって印加しなければならない。
【００３９】
普通、重合を行わせようとする混合物は、モノマー（単数又は複数）、架橋剤、及び必要な開始剤から成るが、望むならば、一種以上のモノマーの溶媒、例えば水、を含めることもできる。
【００４０】
イオン的に不活性な相が調製されたら、イオン伝導性の物質を用いてイオン的に不活性な相が作り出した間隙を埋めることができる。次にこれをインサイチュウ重合させることができる。あるいはまた、これらの相は別々に重合させてから組み合わせて膜を作ることもできる。
【００４１】
イオン的に活性な相で用いる高分子
イオン的に活性な物質には二つの主なカテゴリーがある、すなわち、AE SPEとCE SPEである。これらの物質は国際公開第03/023890号パンフレットに記載されており、その内容は参照によって本明細書に組み込まれる。この発明によれば、これらの物質は、イオン的に不活性な相と別々に、又は組み合わせて用いられる。すべての場合に、AE 及び CE相はいくつかの異なる高分子混合物を、異なるイオン・グループ及び異なるイオン強度で含むことができる。
【００４２】
具体的な一例は、AE及びCE相をイオン的に不活性な親水性の相で隔離して用いるものであり、水素と酸素の燃料電池で用いられる。これは図１に示されている。CEとAEを1:1の比で用いるこの例では、次の反応が起こるであろう。すなわち、陽極では、4H2がイン、4H2Oがアウト、陰極では2O2がインである。
【００４３】
CE相は陽極からの水素、陰極からの酸素を用いて陰極で水を生成する。水はまた、浸透抗力によって膜を通して陰極の方へ引かれる。
【００４４】
AE相は陽極からの水素、陰極からの酸素と水を用いて陽極で水を生成する。浸透抗力はまた水を陰極から陽極へ引く。親水性経路は水が膜を通して拡散することを許す。
【００４５】
別の例は、CE：AEイオン相を3:1の比で、非親水性のイオン的に不活性な相によって隔離して用いる。酸素：水素燃料電池では、これは同じ量の水が陽極と陰極で生成するという結果になる。電気浸透抗力レベルに応じた正しいAE:CE比を用いると、ガス水和の必要がなく、自己水和性（self hydrating）SPEを与えるシステムを生成できる。
【００４６】
この第二のステージでのイオン的に活性な物質の重合は親水性の相で必要とされるのと同じ原理に従う。
【００４７】
AE-CE積層物の使用は、物理的に分離されているかどうかに関わりなく、各電極において触媒を別々に最適な応答が得られるように選ぶことを可能にし、単一膜を用いる場合と比べてセルからの高い開路電圧が得られる。さらに、燃料及び酸化剤として水素と酸素を用いる場合、生成物の水は膜構造内でAEとCE層の界面に生成される。これらの層は、生成物である水の静水圧によって引き離されるので、本発明のある好ましい実施形態は、相互に貫通しているネットワーク構造を用いていろいろな層の間の接合を形成し、複合構造の内部の（水理的及び電気的な）完全性を維持する。
【００４８】
積層物の間の接合は、水の蓄積とその結果としての水理的な力による分離を防止できるように十分に強くなければならない。これは適当な接着剤を用いても達成できるが、好ましいシステムは英国特許第1463301号明細書に記載されているような相互貫通ネットワーク高分子システムであり、この内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００４９】
制御グリッドの使用
ある好ましい実施形態では、本発明のセルはセルの膜内部に配置された導電性グリッドを備える。電極とグリッドの間に電圧を加えて、膜を通過するイオンの流れを制御することができる。実際には、グリッドは静電的スクリーンとして作用すると見られる。このようなグリッドの使用は、セルの電気的出力を正確に制御でき、セルの効率が向上するので望ましい。
【００５０】
グリッドは金属（例えば、金）又は炭素ファイバーで作ることができ、触媒を含むこともできる。グリッドを、電気的に及び／又はイオン的に抵抗性の物質でコーティングして、システムに電子を供与又はシステムから電子を排出することなく、膜の電位と異なる電位に維持することができる。このようなグリッドは、膜が単一イオン種だけを伝導する場合、例えばNafion（登録商標）などのプロトン交換膜の場合、特に好ましい。
【００５１】
本発明の特に好ましいある実施形態は、AE及びCE物質の層の間でイオンが層に流れる積層物である。このように、プロトン伝導層とOH伝導層によって積層物を作り、水が膜の表面ではなく層の界面に生成されるようにすることができる。このようにして、存在する触媒のフラッディングを回避することができる。二つの対向する層は、例えば上述のようなグリッドのオープンスペースを通して本質的にイオン接触している。この配置は制御可能な燃料電池を提供する。また、陰極と陽極で異なる触媒物質を使用することも可能になる。
【００５２】
次に、一例として、本発明のある実施形態を添付図面の図２を参照して説明する。この図は、膜によって分離された電極１aと１bを含む電気化学セルを示す。膜はアニオン交換物質２aの層とカチオン交換物質２bの層の積層物であり、これらの層はグリッド３のオープンスペースを通してイオン的に接触している。膜を通るイオン流の流量は電極とグリッドの間に電位差を印加することによって制御できる。この配置は制御可能な電気化学セルを提供する。
【００５３】
制御グリッドの使用は、一様な性質の膜に埋め込まれたときでも、すなわちAE-AE構造においても、顕著な効果があることが示された。
【００５４】
二つ以上のグリッド、例えば一対のグリッドを用いて、電位をグリッド間に、又はグリッドとMEAを形成する電極のいずれかとの間に、印加することができる。
時間変化する電位（a/c電位）を印加してセルの出力、又はセルの性質に生ずる変化も時間変化するようにできる（実質的に、本来d/cデバイスである燃料電池からa/c出力が生ずる）。
【００５５】
以下の実施例は本発明を例示するものである。
【００５６】
実施例１は、AE-CE組み合わせから成る燃料電池で用いた場合の単一の絶縁された制御グリッドの効果を示す。この場合、図に示されているようにセルの出力を大きく変えることができる。
【００５７】
実施例２は、AE-AE構造の膜における絶縁されない金グリッドの効果を示す。この場合、膜の実効導電度を制御して約30%変えることができる。
【００５８】
実施例１
テスト・セル
テスト・セルは、CE及びAEポリマーの両方を含み、それが金属メッシュ（金又はプラチナ）によって分離されているが隔離されず、メッシュはコーティングされて両ポリマーから電気的及びイオン的に隔離されている。CEポリマーは酸素源に隣接し、AEは燃料源に隣接していた。触媒は、カーボンクロスにコーティングされた白金黒であった。
【００５９】
電気回路
高インピーダンスの制御できる電圧源が制御グリッドに接続された。電気回路は図３に示されている。
【００６０】
テスト方式
A）燃料電池の陽極と陰極の間の電圧が、プロデジッド（Prodigit）電子負荷を用いて0.3 Vで一定に保たれた。この間、燃料電池から送給された電流が5分間にわたって記録された。制御グリッドに異なる電圧を印加してこの手順が繰り返された。
【００６１】
B）燃料電池の陽極と陰極の間の回路を開放して両者の間で電流が流れないようにした。セル電圧が開放から1分後と2分後に記録された。
【００６２】
C）ディケードボックス抵抗器を用いて燃料電池を分極させた。セル電流と電圧が記録され出力が計算された。
【００６３】
テスト方式AからCまでで得られた結果が、それぞれ、図４Aから４Cまでに示されている。それぞれは、セル電流（mA）を酸化電極と制御グリッドの間の電位差（V）に対してプロットしたグラフである。
【００６４】
実施例２
金グリッドが二つのAE層の間で圧縮された。このアセンブリと電気回路が図５に示されている。ソラルトロン複合インピーダンス（Solartron Complex Impedance）テスト装置が10 mVの変調を有する1 V DCバイアス電圧を供給した。グリッドを通る電流をモニターして、それが常にゼロになるようにした。
【００６５】
最初に、PSU（電源ユニット）をオンにしたが、グリッドを切り離して、ソラルトロンが膜に対する周波数スキャンを印加し、伝導率が完全に実数になる周波数を確定した。これは130 kHzであった。
【００６６】
次に、130 kHzという一定の周波数で膜が5秒毎のサンプリングで5分間スキャンされ、１分後に伝導率が3.40 mScm-1で安定化された。
【００６７】
次に、グリッドがPSUに接続され、それに1 Vが印加された。一定周波数スキャンが繰り返された。伝導率は4.66 mScm-1に増加した。
【００６８】
グリッドが切り離され、伝導率は3.36 mScm-1に減少した。グリッドが再接続され、伝導率は4.77 mScm-1に増加した。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、本発明の実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明を実施する回路を示す概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の動作で得られた結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の動作で得られた結果を示すグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の動作で得られた結果を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明を実施する他の回路を示す概略図である。
【図１】
2008503042.tif 000003
【図２】
2008503042.tif 000004
【図３】
2008503042.tif 000005
【図４Ａ】
2008503042.tif 000006
【図４Ｂ】
2008503042.tif 000007
【図４Ｃ】
2008503042.tif 000008
【図５】
2008503042.tif 000009
【国際調査報告】
2008503042.tif 000010
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