特許 7530626 電気化学単セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】電気化学単セル

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/63 20210101AFI20240801BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240801BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

C25B9/63

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/23

H01M8/02

H01M8/0271

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020062101

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021161468

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-02-08

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１８年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 水素利用等先導研究開発事業／水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100096714

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124121

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 由美子

(74)【代理人】

【識別番号】100176566

【弁理士】

【氏名又は名称】渡耒 巧

(74)【代理人】

【識別番号】100180253

【弁理士】

【氏名又は名称】大田黒 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100169236

【弁理士】

【氏名又は名称】藤村 貴史

(72)【発明者】

【氏名】光島 重徳

(72)【発明者】

【氏名】長澤 兼作

(72)【発明者】

【氏名】黒田 義之

【審査官】祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０８１９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６４－０３８７６５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－３０２７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０９７０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２３－５２０２８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／００－９／７７

Ｈ０１Ｍ ８／０２７１

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルカリ水電解、固体高分子水電解又は固体高分子形燃料電池の性能評価又は実機に用いられ、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、
前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項2】

請求項１記載の電気化学単セルにおいて、前記圧力調整機構が圧力調整用ばね及びばね縮み調整用ねじを有し、前記圧力計測機構が前記圧力調整用ばねのばね縮み量を読み取る目盛り付きバーを有することを特徴とする電気化学単セル。

【請求項3】

請求項２に記載の電気化学単セルにおいて、前記ばね縮み調整用ねじを回転させることによって前記圧力調整用ばねの伸縮量を調整し、前記圧力調整用ばねの弾性力を、前記電極流路ブロックを通じて前記電極に加えることで、セルを分解することなく前記膜・電極体にかかる圧力を精密かつ容易に調整することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路パターン及び前記陽極の流路パターンの少なくとも一方を変更することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路サイズ及び前記陽極の流路サイズの少なくとも一方を変更することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記膜・電極体の電極サイズを０．５ｃｍ×０．５ｃｍから４ｃｍ×４ｃｍの範囲の大きさとすることで少量触媒の評価が可能なことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記他方の電極用エンドプレートに参照極が設置され、膜の表面のうち電極が接触している部分とは異なる領域に対し、電解液を介して電気的に接触することにより、陰極電位及び陽極電位を測定することが可能なことを特徴とする電気化学単セル。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項に記載の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレートにカーボン素材を、前記他方の電極用エンドプレートにチタン素材を、前記電極流路ブロックに白金メッキしたチタン素材をそれぞれ使用することにより、アルカリ水電解及び固体高分子水電解のいずれかの測定に用いることを特徴とする電気化学単セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルカリ水電解、固体高分子水電解や固体高分子形燃料電池の触媒等の材料性能を電気化学的試験によって評価するのに用いて好適な電気化学単セルに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、板状部材が多数重ねられたセル積層体について、両エンドプレートを所定の圧力で均等に押圧して締付ける締付構造（特許文献１参照）や、複数部位に対して独立した締付力を付与可能な構造体を持つ固体高分子水電解セルが知られている（特許文献２参照）。例えば特許文献２の固体高分子水電解セルは、固体高分子電解質膜を用いたセルと、前記セルに積層されるエンドプレートと、前記セルと前記エンドプレートとを含む積層体を挟んで前記積層体に締付力を付与するための第１のフランジ及び第２のフランジ部と、支持部材と、前記支持部材に設けられ、前記第１のフランジ部の中央部の複数部位に対して、それぞれ独立した制御の下に押圧力を付与可能な複数の締付力調整部材とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－９７０５４号公報

【文献】特開２００２－３０２７８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来のアルカリ水電解、固体高分子水電解及び固体高分子形燃料電池の基本構造である単セルは、電解質膜及びその両面にそれぞれ配置した陽極及び陰極の電極からなるセルと、エンドプレートとが積層された構造となっており、積層による内部抵抗の増加を抑制するために、少なくとも片方のエンドプレートをもう一方のエンドプレート又は中間プレートに対して調整ボルト又は調整ばねによって所定の圧力で締付けて接触性を高め、接触抵抗を低く抑えている。

【0005】

例えば固体高分子形燃料電池において、電極及び集電体面にかかる加圧力の増加は接触抵抗を低く抑えるため性能向上効果を与えるが、同時に拡散層が加圧されることで空隙率が減少し、拡散の低下をもたらすことは性能の低下を引き起こす。
また、二枚のエンドプレートの内側の積層体は、積層面内においてガスケットと対向する領域（以下、「ガスケット面領域」ともいう。）と、隔膜又は電解質膜等の膜、電極、拡散層及び集電体等を有する領域（以下、「電極面領域」ともいう。）とがある。電極面領域への加圧力を高くする設計、すなわちガスケット厚の低減又はガスケット材を弾性変形し易い材料に変更することは、膜、電極、拡散層及び集電体の面内の接触抵抗の低減をもたらすが、同時にガスケットからの液漏れを引き起こすおそれがある。逆にガスケット厚の増加又はガスケット材を弾性変形し難い材料に変更することはガスケットからの液漏れを防止するが、電極面領域への加圧力が低くなり、膜、電極、拡散層及び集電体の面内の接触抵抗が増加し性能低下を引き起こすおそれがある。このためセル設計において性能を最適化するには、ガスケットからの液漏れを防止しつつ、電極面領域にかかる圧力を適切に調整すること、その領域の圧力を正確に把握することが必要である。

【0006】

しかしながら、エンドプレートに対して調整ボルト又は調整ばねによって所定の締結力で締付け、内部の積層体に圧力を付与する従来の構造は、エンドプレートの締結力により、ガスケット面領域と、電極面領域との二面域を同時に加圧するため、電極面領域にかかる圧力を正確に把握することは困難であった。

【0007】

アルカリ水電解や固体高分子水電解でも同様に、セル設計において性能を最適化するには電極にかかる圧力を正確に把握する必要があるところ、従来の構造においては、電極にかかる圧力を正確に把握することは困難であった。

【0008】

本発明は、上記課題に着目してなされたものでアルカリ水電解や固体高分子水電解や固体高分子形燃料電池において、電極に対する圧力を正確に測定し、調整することができる電気化学単セルを提供することを目的とする。このような電気化学単セルの実現により、電気化学単セルにおいて容易に加圧力の最適化を行うことができると共に、性能比較における評価結果の信頼性が向上し、更には標準化された試験装置、試験条件により膜や電極を評価することも可能になる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本発明の電気化学単セルは、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、
前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したことを特徴とする。

【0010】

本発明の電気化学単セルにおいて、前記圧力調整機構が圧力調整用ばね及びばね縮み調整用ねじを有し、前記圧力計測機構が前記圧力調整用ばねのばね縮み量を読み取る目盛り付きバーを有することができる。前記ばね縮み調整用ねじを回転させることによって前記圧力調整用ばねの伸縮量を調整し、前記圧力調整用ばねの弾性力を、電極流路ブロックを通じて前記電極に加えることで、セルを分解することなく膜・電極体にかかる圧力を精密かつ容易に調整することが可能である。
また、本発明の電気化学単セルにおいて、前記電極流路プレート及び前記電極流路ブロックをそれぞれ交換可能な部品とすることで、前記陰極の流路パターン及び前記陽極の流路パターンの少なくとも一方を変更することが可能であり、また、前記陰極の流路サイズ及び前記陽極の流路サイズの少なくとも一方を変更することが可能である。
前記膜・電極体の電極サイズは、例えば０．５ｃｍ×０．５ｃｍから４ｃｍ×４ｃｍの範囲の大きさとすることで少量触媒の評価が可能である。
前記電極流路プレート及び前記他方の電極用エンドプレートは参照極を設置することができる。これにより、膜の表面のうち電極が接触している部分とは異なる領域に対し、電解液を介して電気的に接触することにより、陰極電位及び陽極電位を測定することが可能である。
また、前記電極流路プレートにカーボン素材を、前記他方の電極用エンドプレートにチタン素材を、前記電極流路ブロックに白金メッキしたチタン素材をそれぞれ使用することにより、アルカリ水電解と固体高分子水電解の両電解の測定が可能である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、電極に対する圧力を正確に測定し、調整することができる。したがって、電気化学セルにおける膜、電極、拡散層を変更したり、又は集電体の材質、構造、又は形状を変更したりしたときに、膜、電極、拡散層及び集電体への圧力を容易かつ精密に変更することができる。この結果、膜、電極、拡散層、又は集電体の材質、構造、又は形状の変更による性能評価の際、それぞれ別のガスケットを用意することなく、性能比較するときに加圧力の最適化を容易に行うことができ、かつ評価結果の信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１の電気化学単セルを示す全体斜視図である。

【図2】実施例１の電気化学単セルを示す分解斜視図である。

【図3】実施例１の電気化学単セルにおいて陰極側部品であり交換可能な部品である陰極流路プレートの一例を示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図4】実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品である陰極流路プレートの別の例を示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図5】実施例１の電気化学単セルにおいて陰極側部品であり共通部品である陰極エンドプレートの一例を示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図6】実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり共通部品である陽極エンドプレートを示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図7】実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品の一例である陽極流路ブロックを示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図8】実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり交換可能な部品の一例である陽極流路ブロックを示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【図9】実施例１の電気化学単セルにおいて圧力調整用部品であり共通部品であるバスバーを示す側面図（a）及び正面図（b）である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の電気化学単セルの実施形態を、図面に基づいて説明する。

【0014】

（実施例１）
実施例１の電気化学単セルは、電極に対する圧力をガスケットに対する圧力とは独立して、容易に加えることができる構造を持つ電気化学単セルである。実施例１の電気化学単セルにより、アルカリ水電解、固体高分子水電解の触媒や固体高分子形燃料電池の材料性能等を電気化学試験によって評価することができる。そのために実施例１の電気化学単セルは、膜の一方の面に陰極及び陽極のうちの一方の電極を配置し、前記膜の他方の面に前記陰極及び陽極のうちの他方の電極を配置した膜・電極体の前記一方の電極側に、前記一方の電極用の開口部を有するガスケットと、電極流路プレートと、前記一方の電極用エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記他方の電極側に、前記他方の電極用の開口部を有するガスケットと、前記他方の電極用エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記一方の電極用エンドプレートと前記他方の電極用エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記一方の電極側のガスケット及び前記他方の電極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、前記他方の電極用エンドプレートが前記他方の電極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記他方の電極に向けて押圧可能な電極流路ブロックを、前記他方の電極用エンドプレートとは独立して前記他方の電極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記電極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置したものである。
実施例１の電気化学単セルＡについて、以下では、具体例として上記「陰極及び陽極のうちの一方の電極」を「陰極」とし、上記「陰極及び陽極のうちの他方の電極」を「陽極」とし、上記「電極流路プレート」を「陰極流路プレート」とし、上記「一方の電極用エンドプレート」を「陰極エンドプレート」とし、上記「他方の電極用エンドプレート」を「陽極エンドプレート」とし、上記「電極流路ブロック」を「陽極流路ブロック」とした例について述べる。
以下、実施例１の電気化学単セルＡの構成を、「全体構成」、「陰極側部品構成」、「陽極側部品構成」「圧力調整用部品」に分けて説明する。

【0015】

［全体構成］
図１は、実施例１の電気化学単セルＡを示す全体斜視図であり、図２は、実施例１の電気化学単セルＡを示す分解斜視図である。図１、図２に示す電気化学単セルＡは、膜・電極体１の陽極側に、圧力調整機構及び圧力計測機構を配置している。

【0016】

電気化学単セルＡは、図１及び図２に示すように、膜・電極体１と、ガスケット２と、陰極流路プレート３と、陰極エンドプレート４と、陽極エンドプレート５と、陽極流路ブロック６と、バスバー７と、ボアドスルー継手８と、圧力調整用ばね９と、目盛付きバー１０と、固定プレート１１と、ばね縮み調整用ねじ１２と、回転棒１３と、セル固定用ボルト１４と、セル固定用スペーサ１５と、固定プレート固定用ボルト１６と、を備えている。

【0017】

これらの構成要素は、図２に示すように、膜・電極体１の電極のうちの陰極１ｂ側は、ガスケット２と、陰極流路プレート３と、陰極エンドプレート４とを順次配置している。また、膜・電極体１の陽極１ｃ側は、膜・電極体１の膜に対向する領域（ガスケット面領域）ではガスケット２と、陽極エンドプレート５とを順次配置し、膜・電極体１の陽極に対向する領域（電極面領域）では陽極流路ブロック６とバスバー７と圧力調整用ばね９と目盛付きバー１０とばね縮み調整用ねじ１２を順次配置している。陽極流路ブロック６は、陽極エンドプレート５に形成された開口部の内側において陽極に向けて移動可能に配置している。陽極流路ブロック６の外側端部にバスバー７がねじ結合されている。バスバー７はボアドスルー継手８を通して陽極エンドプレート５を貫通している。ボアドスルー継手８は陽極エンドプレート５に固定されている。バスバー７は、ボアドスルー継手８が未締結時は軸線方向に移動可能になっていて、締結後はボアドスルー継手８によって固定される。
陰極エンドプレート４、陰極流路プレート３、ガスケット２、膜・電極体１、ガスケット２、及び陽極エンドプレート５を貫通してセル固定用ボルト１４を配置している。セル固定用ボルト１４の先端は、棒状のセル固定用スペーサ１５と螺合する。セル固定用スペーサ１５は、両端がめねじとなっており、セル固定用スペーサ１５の一方の端部とセル固定用ボルト１４とが螺合することで膜・電極体１とガスケット２と陰極流路プレート３と陰極エンドプレート４と陽極エンドプレート５を締結する。セル固定用スペーサ１５の他方の端部近傍には固定プレート１１を貫通して配置し、セル固定用スペーサ１５のめねじと、固定プレート固定用ボルト１６とが螺合することで固定プレート１１を固定する。固定プレート１１は、バスバー７の軸線方向にねじ穴１１ａが形成されている。このねじ穴１１ａにばね縮み調整用ねじ１２が螺合され、ばね縮み調整用ねじ１２の回動により、ばね縮み調整用ねじ１２は軸線方向に移動可能になっている。ばね縮み調整用ねじ１２の基端近傍に、ばね縮み調整用ねじ１２を正回転又は逆回転に回転させるための回転棒１３が取り付けられる。もっとも、ばね縮み調整用ねじ１２を回転させる手段は、図示した回転棒に限られない。例えば、ばね縮み調整用ねじ１２に歯車を取り付けて、この歯車をモータで駆動してばね縮み調整用ねじ１２を回転させるようにしてもよい。ばね縮み調整用ねじ１２の先端は、目盛付きバー１０の一端と当接している。目盛付きバー１０は、バスバー７の一端に形成されたばね格納用穴７ｂ内に格納された圧力調整用ばね９を押圧可能になっている。圧力調整用ばね９の弾性力により、バスバー７及び陽極流路ブロックを介して膜・電極体１の陽極１ｃに圧力を独立して加えることができる。

【0018】

膜・電極体１は、実施例１では、アルカリ水電解や固体高分子水電解用や固体高分子形燃料電池用の膜・電極体１を有する単セル構造の例を示している。図示した例では四角形の平面形状のイオン交換膜１ａの両端面に、電極である陰極１ｂと陽極１ｃが設置又は接合されている。膜・電極体１は、イオン交換膜１ａの代わりに、多孔質膜に電解質を含侵したイオン電導性の膜を有するものであってもよい。膜・電極体１は、一般に膜・電極接合体又はＭＥＡと呼ばれるものを用いることができるが、膜と電極とが接合されたものに限られず、両者が非接合で接触しているものも含めて膜・電極体１という。また、膜・電極体１は、両電極の外側に拡散層又は集電体が設置されることがある。
電極である陰極１ｂと陽極１ｃの縦と横の長さによる電極サイズは様々であり、特に実験、研究に用いられるものでは、例えば、少量サンプルの性能評価を行う小サイズのものや量産に向けた実セルを見通した性能評価を行う大サイズものがある。なお、イオン交換膜１ａには、図２に示すように、セル固定用ボルト１４を挿通する位置決め用穴１ｄが開けられている。

【0019】

ガスケット２は同じ構成のものが一対用意される。ガスケット２は、中央部に電極用開口部２ａを有し、膜・電極体１を陰極流路プレート３又は陽極流路ブロック６により挟持した状態で締め付け固定したときのガス又は液シール機能を発揮するシール部材である。ガスケット２は、例えば、フッ素ゴムシート等の電気絶縁素材からなる。なお、ガスケット２には、図２に示すように、位置決め用穴２ｂ及び参照極用開口部２ｃが開けられている。

【0020】

膜・電極体１、ガスケット２、陰極流路プレート３、陰極エンドプレート４、及び陽極エンドプレート５の位置決め用穴１ｄ、２ｂ、３ｉ、４ｂ、５ｈは、全く同じ位置に開けられ、電気化学単セルＡの組み付け時に、絶縁チューブの施されたセル固定用ボルト１４を挿通する。また、固定プレート１１の位置決め用穴１１ｂは、固定プレート固定用ボルトを挿通する。これにより、膜・電極体１とガスケット２と陰極流路プレート３と陰極エンドプレート４と陽極エンドプレート５と固定プレート１１との互いの位置ずれを抑えて適正な位置関係とする位置決めを行うことができる。

【0021】

セル固定用ボルト１４と陰極エンドプレート４との間、セル固定用ボルト１４と陽極エンドプレート５の間、及び、固定プレート固定用ボルト１６と固定プレート１１との間は、それぞればね座金、座金、及び絶縁座金が設けられる構成としている。絶縁座金は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材からなる。

【0022】

［陰極側部品構成］
図３及び図４は、実施例１の電気化学単セルにおいて陰極側部品であって複数のバリエーションを用意して、相互に交換可能な部品である陰極流路プレート３の一例（図３）及び別の例（図４）を示し、図５は、実施例１の電気化学単セルにおいて陰極側部品であって共通部品である陰極エンドプレート４を示す。

【0023】

陰極流路プレート３は、膜・電極体１の陰極１ｂに対向して陰極液流路３ａが形成され、膜・電極体１の陰極１ｂに対して電気化学反応に必要な反応基質（アルカリ水電解の場合は電解液、固体高分子水電解の場合は水、固体高分子形燃料電池の場合は燃料極として加湿水素）を送る機能を持つ。また、液充填管３ｂが陰極流路プレート３に埋設されている。液充填管３ｂはイオン交換膜１ａに対向して参照極用開口部３ｃを有し、参照極１７が、液充填管３ｂに充填された電解質液を通して、参照極用開口部３ｃにおいてイオン交換膜１ａと電気的に接触する構造を持つ。液充填管３ｂは参照極用開口部３ｃまで電解液と周辺部材の間を電気的に絶縁するために、例えばポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材が用いられる。また陰極流路プレート３は、セル温度管理、計測用の熱電対用穴３ｄ、電流及び電圧の印加、計測用の端子取り付け用穴３ｅを備えることができる。液充填管３ｂ、参照極１７、参照極１７用のボアドスルー継手３ｆ、入口継手３ｇ、出口継手３ｈを除いた、この陰極流路プレート３の材質は、例えば、チタン素材やカーボン等の熱伝導性部材が用いられる。
この陰極流路プレート３の別の例としては、外形寸法（縦、横、高さ寸法）と材質（例えば、カーボン素材等の導電性部材）が同じであって、例えば流路パターンを変更した図４の陰極流路プレート３を用意することができる。なお、陰極流路プレート３には、図３に示すように、セル固定用ボルト１４を挿通する位置決め用穴３ｉが開けられている。

【0024】

陰極エンドプレート４は、ヒーター用穴４ａを有した熱伝導部材である。この陰極エンドプレート４は、例えばステンレス材で構成される。なお、陰極エンドプレート４には、図５に示すように、セル固定用ボルト１４を挿通する位置決め用穴４ｂが開けられている。

【0025】

［陽極側部品構成］
図６は、実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり共通部品である陽極エンドプレート５を示し、図７及び図８は、実施例１の電気化学単セルにおいて陽極側部品であり複数のバリエーションを用意して、相互に交換可能な部品である陽極流路ブロック６の一例（図７）及び別の例（図８）を示す。

【0026】

陽極エンドプレート５は、膜・電極体１の陽極１ｃに対向して開口部５ａが形成され、この開口部５ａ内に陽極流路ブロック６を格納し、膜・電極体１の陽極１ｃに対して電解に必要な反応基質（アルカリ水電解の場合は電解液、固体高分子水電解の場合は水、固体高分子形燃料電池の場合は酸素極として加湿空気）を送る機能を持つ。また、液充填管５ｂが陽極エンドプレート５に埋設されている。液充電管５ｂはイオン交換膜１ａに対向して参照極用開口部５ｃを有し、参照極１７が液充電管５ｂに充填された電解質液を通して、参照極用開口部５ｃにおいてイオン交換膜と電気的に接触する構造を持つ。液充填管５ｂは参照極用開口部５ｃまで電解液と周辺部材の間を電気的に絶縁するために、例えばポリエーテルエーテルケトン素材等の耐薬品性、絶縁性部材が用いられる。また陽極エンドプレート５は、セル加熱用のヒーター用穴５ｄを備えることができる。液充填管５ｂ、参照極１７、参照極１７用のボアドスルー継手５ｅ、入口継手５ｆ、出口継手５ｇを除いた、この陽極エンドプレート５の材質は、例えば、チタン素材やカーボン等の熱伝導性部材が用いられる。なお、陽極エンドプレート５は、図６に示すように、セル固定用ボルト１４を挿通する位置決め用穴５ｈが開けられるとともに、バスバー７を移動可能に挿通したボアドスルー継手８を螺合するためのめねじ５ｉが開けられている。

【0027】

陽極流路ブロック６は、膜・電極体１の陽極１ｃに対向して陽極液流路６ａを形成するとともに、バスバー７の一端を螺合するためのめねじ６ｂを形成している。めねじ６ｂに結合されたバスバー７から伝えられる圧力を膜・電極体１の電極面域に伝える機能を持つ。陽極流路ブロック６は陽極エンドプレート５の開口部５ａに格納された状態で膜・電極体１の陽極１ｃに向けて進退する方向にのみ可動する。
この陽極流路ブロック６の別の例を図８に示す。図８の陽極流路ブロック６は、外形寸法（縦、横、高さ寸法）と材質（例えば、白金メッキしたチタン素材等の電気伝導性、熱伝導性、耐食性部材）が図７の陽極流路ブロック６と同じであって、例えば流路パターンを変更したものを用意することができる。

【0028】

［圧力調整用部品］
図９は、実施例１の電気化学単セルにおいて圧力調整用部品であって共通部品であるバスバー７を示す。

【0029】

棒状のバスバー７は、一端に形成されたおねじ７ａが陽極流路ブロック６のめねじ６ｂと結合し、他端にばね格納用穴７ｂが形成されており、このばね格納用穴７ｂに圧力調整用ばね９が格納される。ばね格納用穴７ｂ内で圧力調整用ばね９は、ばね縮み調整用ねじ１２の軸線方向の移動により目盛付きバー１０を介して圧縮され、その弾性力から得られる圧力を陽極流路ブロック６に伝える。また、バスバー７の端子用穴７ｃに設置された端子と陽極流路ブロック６との間を通電する機能を持つ。このバスバー７の材質は、例えば、チタン素材等の電気伝導性部材が用いられる。

【0030】

次に、本発明の電気化学単セルの作用効果を、実施例１の電気化学単セルＡを具体例として説明する。本発明の電気化学単セルは、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の材料性能の評価等に用いて好適である。

【0031】

従来から、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の材料性能は、触媒は回転ディスク電極法による試験によって評価し、又は触媒を含むその他の材料は単セルを用いた電解による試験によって評価することが一般的である。

【0032】

回転ディスク電極法による三電極式試験による触媒評価は、実機に即した燃料電池用触媒評価と異なり、ガス発生反応であり、回転ディスク電極セルの構造上、触媒にガスが滞留するため、精度の高い測定は一般的に難しい。

【0033】

一方、単セルを用いた電解による試験によって評価するにしても、材料開発者が単セルまで設計製作して評価を行うことは困難である。そのため、試験研究用の単セルがいくつか販売使用されている。

【0034】

しかし、従来の試験研究用の単セルは、組み立てて電解評価を行うことには技術を要していた。また、セル組み技術の差による性能差が生じることがあり、従来の単セルを用いて材料を評価するときに、同じ材料であっても評価者ごとに性能が異なることが多く、ましてや異なる材料開発者間で性能を比較することは困難であった。それゆえ適切な材料評価が困難であった。

【0035】

従来の単セルにおいて、測定された絶対性能が試験ごとに、または評価者ごとに異なる大きな要因の一つが膜、電極、拡散層、集電体等にかかる圧力の制御が困難であることであった。これは単セルのエンドプレートをボルト及びナットで締結した圧力がセパレータに挟まれている電極とガスケットの両方にかかるため、電極にかかる圧力を精度良く知ることは難しいためである。また、圧力の調整もエンドプレートをボルト及びナットで締結する締結トルクの管理とその調整によって行われることから、精密に調整することが難しかった。

【0036】

また、電極にかかる圧力を制御し性能の最適化を行うことが材料開発の上で必要となるが、電極にかかる圧力はガスケットの厚さ、弾性、面積と膜、電極、拡散層、集電体等の厚さ、弾性、面積に影響される。更にガスケットのシール性も確保する必要も生じることから電極にかかる圧力を精度よく制御することは困難であった。

【0037】

一方、試作レベルの新規触媒等では、作製できるサンプル量が非常に少量であるため、例えば１ｃｍ角程度の小面積の触媒層しか作製できない場合がある。この場合、セルのハンドリングを考慮するとセル本体はある程度の大きさ（例えば５～１０ｃｍ角程度）が必要となる。この設計では必然的に電極面積に対するガスケット面積の比率が大きくなり、ボルト及びナットで締結した圧力のほとんどがガスケットにかかってしまう。この為に電極面への加圧制御の困難さは電極小面積化することで更に増加する。

【0038】

これに対して、本発明の電気化学単セルでは、図面を用いて説明した電気化学単セルＡのように陽極側において、電極面領域に接する部材を陽極流路ブロック６とし、ガスケット面領域に接する部材を陽極エンドプレート５として、それぞれ独立した別部品としている。陽極流路ブロック６をセル外部からバスバー７を介して圧力調整用ばね９の弾性により加圧することで、膜、電極、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密に制御することが可能な構造を採用した。

【0039】

上記構造を採用した電気化学単セルＡによって以下の作用効果が得られる。
・ガスケット２の厚さ、弾性、面積の影響及び膜・電極体１、拡散層、集電体等の厚さ、弾性、面積及びセル固定用ボルト１４とセル固定用スペーサ１５の螺合による電気化学セルの締結圧に影響されることなく膜・電極体１、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密に制御できる。このため、ガスケット材料、形状の選定やセル締結圧の調整により、電極にかかる圧力を制御する時間が大幅に短縮される。
・電極面への圧力を段階的に変更し、電解性能を最適化する評価試験において、電気化学セルを分解することなく、実験中に容易かつ精度よく変更することができる。
・本電気化学単セルＡのセル固定用ボルト１４とセル固定用スペーサ１５によるセル締結はガスケット２からの液漏れを防ぐことのみに注意すれば良いため、従来の電気化学セルで求められるセル締結の際の厳重な締結トルク管理が不要となる。
・評価者間のセル組み技術の差による性能差が極めて低く抑えられるため、材料開発者間で統一した基準での材料性能比較ができる。

【0040】

本発明の電気化学単セルの使用方法の一例として、触媒等の材料性能を評価する電気化学試験について、電気化学単セルの組み立て方法を含めて以下説明する。
膜・電極体１、拡散層、集電体等の性能を評価するために電気化学試験が実施される。この電気化学試験において、試作レベルの新規触媒等でサンプル量が非常に少量である場合には、電極サイズが小さい（例えば１ｃｍ角）電解セルを使用する。サンプル量が大量である場合であっても、電極サイズを例えば１ｃｍ角と標準化して、サンプル量が非常に少量である場合の電極サイズと統一することにより、標準化された試験を実施することができ、各サンプル同士の性能比較を容易に行うことができるようになる。電極サイズは１ｃｍ角のものに限られず、例えば０．５ｃｍ×０．５ｃｍから４ｃｍ×４ｃｍの範囲の大きさとすることができる。電極の平面形状は正方形に限られず、一辺が０．５～４．０ｃｍの範囲の長方形とすることもできる。

【0041】

膜・電極体１のサイズに応じた最適なガスケット２、陰極流路プレート３、陽極エンドプレート５、陽極流路ブロック６、試験条件に応じた圧力調整用ばね９が選択される。そして、共通部品である陰極エンドプレート４、バスバー７、ボアドスルー継手８、目盛付きバー１０、固定プレート１１、ばね縮み調整用ねじ１２、回転棒１３、セル固定用ボルト１４、セル固定用スペーサ１５、固定プレート固定用ボルト１６、参照極１７と、用意された膜・電極体１、拡散層、集電体等と選択したガスケット２、陰極流路プレート３、陽極エンドプレート５、陽極流路ブロック６、圧力調整用ばね９とを組み合わせることで、電気化学単セルＡが構成される。

【0042】

ボアドスルー継手８、ばね縮み調整用ねじ１２、セル固定用ボルト１４、セル固定用スペーサ１５、固定プレート固定用ボルト１６及び参照極１７は市販の規格品を使用することが可能である。また、陰極流路プレート３の構成部材であるボアドスルー継手３ｆ、入口継手３ｇ、出口継手３ｈや、陽極エンドプレート５の構成部材であるボアドスルー継手５ｅ、入口継手５ｆ、出口継手５ｇもまた、市販の規格品を使用することが可能である。

【0043】

所定の膜・電極体１、ガスケット２、陰極流路プレート３、陰極エンドプレート４、陽極流路ブロック６を並べ置き、陽極流路ブロック６のめねじ６ｂにバスバー７のおねじ７ａを螺合して陽極流路ブロック６を陽極エンドプレート５の開口部５ａに挿入する。上記膜・電極体１、ガスケット２、陰極流路プレート３、陰極エンドプレート４及び陽極エンドプレート５のそれぞれの位置決め用穴１ｄ、位置決め用穴２ｂ、位置決め用穴３ｉ、位置決め用穴４ｂ、位置決め用穴５ｈにセル固定用ボルト１４とセル固定用スペーサ１５を螺合することでセルを締結する。この時セルの短絡を防止するため、セル固定用ボルト１４のねじ部には絶縁チューブ、両端には絶縁ブッシュが取り付けられる。セル固定用ボルト１４とセル固定用スペーサ１５の締結トルクは厳密な最適化は不要であり、ガスケット２のシール性を確保する適切な値で良い。

【0044】

陽極エンドプレート５のめねじ５ｉとボアドスルー継手８を締結し、バスバー７とボアドスルー継手８は最初は未締結としてボアドスルー継手８内でバスバー７が軸線方向に移動可能にしておく。バスバー７のばね格納用穴７ｂ内に圧力調整用ばね９、目盛り付きバー１０の順に設置する。固定プレート１１の位置決め用穴１１ｂａを通してセル固定用スペーサ１５と固定プレート固定用ボルト１６とを螺合することで締結する。ばね縮み調整用ねじ１２を固定プレート１１のねじ穴１１ａに取り付け、ばね縮み調整用ねじ１２の回転棒用穴１２ａに回転棒１３を取り付ける。

【0045】

回転棒１３を用いてばね縮み調整用ねじ１２を正回転させることで目盛り付きバー１０が移動し、圧力調整用ばね９が圧縮し、ばね縮み調整用ねじ１２を逆回転させることで目盛り付きバー１０が移動し、圧力調整用ばね９が伸長する。この圧力調整用ばね９の弾性力がバスバー７、陽極流路ブロック６を経由して、膜・電極体１の陰極１ｂ及び陽極１ｃ及びイオン交換膜１ａの電極面領域、拡散層、集電体等に圧力をかける。目盛り付きバー１０には目盛りが付けられており、圧力調整用ばね９の自然長時と縮み時の目盛り付きバー１０の位置から圧力調整用ばね９の縮み長さを求める。この長さと圧力調整用ばね９の弾性係数から容易に圧力を求めることができるとともに、ばね縮み調整用ねじ１２を回転させて目盛り付きバー１０を微小移動させることで、圧力の精密制御が可能である。

【0046】

所定の圧力に設定した後、バスバー７とボアドスルー継手８を締結する。

【0047】

図１に示す電気化学単セルＡの組立て状態において、所定のセル温度で膜・電極体１の陰極１ｂと陽極１ｃに対して電解に必要な反応基質をそれぞれ送ることで電気化学試験が行われる。

【0048】

セル温度は陰極エンドプレート４のヒーター用穴４ａと陽極エンドプレート５のヒーター用穴５ｄに設置されたロッドヒーターでセルを加熱し、陰極流路プレート３の熱電対用穴３ｄに設置された熱電対で温度計測及び制御を行う。熱電対の先端は陰極流路プレート３の陰極液流路３ａの中心部近くに設置されるため、膜・電極体１の陰極１ｂ及び陽極１ｃ、拡散層、集電体等の温度に近い値を測定することができる。これは評価材料の実際の温度と設定したセル温度の間の乖離を最小限に抑え、実験精度が向上する効果を持つ。

【0049】

陰極側においては図３陰極流路プレート３において、供給された液が入口継手３ｇ→入口管３ｊ→入口マニホールド３ｋを経由して陰極液流路３ａ及び膜・電極体１の陰極１ｂに流れ込む。そして出口マニホールド３ｌ→出口管３ｍ→出口継手３ｈを経由して水素ガスと液が排出される。一方、ボアドスルー継手３ｆによって固定された参照極１７は液充填管３ｂで充填された電解質液と接触している。電解質液は参照極用開口部３ｃを経由してガスケット２の参照極用開口部２ｃまで充填され、イオン交換膜と電気的に接触しているため、参照極１７と端子取り付け用穴３ｅに接続した端子の間で陰極電位を測定することができる。

【0050】

陽極側においては図６の陽極エンドプレート５の開口部５ａに図７の陽極流路ブロック６が挿入されており、図６の陽極エンドプレート５において、供給された液が入口継手５ｆ→入口管５ｊ→入口マニホールド５ｋを経由して図７に示す陽極液流路６ａ及び膜・電極体１の陽極１ｃに流れ込む。そして出口マニホールド５ｌ→出口管５ｍ→出口継手５ｇを経由して酸素ガスと液が排出される。一方、ボアドスルー継手５ｅによって固定された参照極１７は液充填管５ｂで充填された電解質液と接触している。電解質液は参照極用開口部５ｃを経由してガスケット２の参照極用開口部２ｃまで充填され、イオン交換膜と電気的に接触している為、参照極１７とバスバー７の端子用穴７ｃに接続した端子の間で陽極電位を測定することができる。

【0051】

セル全体の性能は陰極流路プレート３の端子取り付け用穴３ｅに取り付けられた端子とバスバー７の端子用穴７ｃに取り付けられた端子間で測定する。測定時にはセルを分解することなくばね縮み調整用ねじ１２及び回転棒１３を回転させることで膜・電極体１、拡散層、集電体等にかかる圧力を精密かつ容易に制御することができる。

【0052】

以上、本発明の電気化学単セルを実施例１に基づき説明してきた。しかし、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

【0053】

例えば、実施例１では、陰極流路プレート３、陽極流路ブロック６として、平行流路の場合（図３、図７参照）と、流路なしの場合（図４、図８参照）の２種類の流路パターンを用意している例を示した。しかし、陰極流路プレート３、陽極流路ブロック６の流路としては、この二種類に限られたものではなく目的に応じてサーペンタイン流路や櫛型流路等を用意しても良い。

【0054】

実施例１では、電気化学単セルとして、アルカリ水電解、固体高分子水電解、固体高分子形燃料電池の触媒等の材料性能を電気化学試験によって評価する電気化学単セルＡの例を示した。しかし、本発明において開示した電気化学解単セルの構成を、実機における電気化学単セルの構成や技術思想として流用する例であっても良い。

【0055】

実施例１では、圧力調整機構は圧力調整用ばね９とばね縮み調整用ねじ１２とを含むものであるが、圧力調整機構は、圧力調整用ばね９とばね縮み調整用ねじ１２を含むものに限られない。陽極流路ブロック６及びバスバー７を直線的に移動可能な手段であればよく、例えば、リニアアクチュエータ等を圧力調整機構に用いることができる。もっとも、実施例１に示した圧力調整機構は、シンプルで機械的な構造により安価で故障の少ない圧力調整を実現することができる。
また、圧力計測機構は、圧力調整用ばね９に組み合わされた目盛付きバー１０を含むものであるが、この目盛付きバー１０を含むものに限られない。例えば、圧力調整用ばね９の変位量（圧縮量）を計測することができるセンサであってもよい。また、バスバー７に取り付けられたロードセルであってもよい。もっとも、実施例１に示した圧力計測機構は、シンプルで機械的な構造により安価で故障の少ない圧力計測調整を実現することができる。

【0056】

また、以上述べた実施例１では、電気化学単セルＡは、膜・電極体１の陽極側に、圧力調整機構及び圧力計測機構を配置した例を示したが、圧力調整機構及び圧力計測機構は、膜・電極体１の陰極側に配置してもよい。この場合の電気化学単セルの構成は、膜の一方の面に電極のうちの陽極を配置し、前記膜の他方の面に前記電極のうちの陰極を配置した膜・電極体の前記陽極側に、前記陽極用の開口部を有するガスケットと、陽極流路プレートと、陽極エンドプレートとを順次に配置し、前記膜・電極体の前記陰極側に、前記陰極用の開口部を有するガスケットと、陰極エンドプレートとを順次配置し、締結部材にて前記陽極エンドプレートと前記陰極エンドプレートとに挟まれた前記膜を、前記陽極側のガスケット及び前記陰極側のガスケットと共に締付け固定する電気化学単セルであって、前記陰極エンドプレートが前記陰極と対向する位置に開口部を有し、前記開口部内に前記陰極に向けて押圧可能な陰極流路ブロックを、前記陰極用エンドプレートとは独立して前記陰極に向かう方向に移動可能に配置し、かつ、前記陰極流路ブロックに対する圧力調整機構及び圧力計測機構を配置している。すなわち、本発明の電気化学単セルにおいて、具体例として上記「陰極及び陽極のうちの一方の電極」を「陽極」とし、上記「陰極及び陽極のうちの他方の電極」を「陰極」とし、上記「電極流路プレート」を「陽極流路プレート」とし、上記「一方の電極用エンドプレート」を「陽極エンドプレート」とし、上記「他方の電極用エンドプレート」を「陰極エンドプレート」とし、上記「電極流路ブロック」を「陰極流路ブロック」とした構成とすることができる。この構成においても、図１、図２を用いて先に述べた構成と同様の効果を有している。

【符号の説明】

【0057】

Ａ 電気化学単セル
１ 膜・電極体
１ａ イオン交換膜（多孔質膜）
１ｂ 陰極
１ｃ 陽極
１ｄ 位置決め用穴
２ ガスケット
２ａ 電極用開口部
２ｂ 位置決め用穴
２ｃ 参照極用開口部
３ 陰極流路プレート
３ａ 陰極液流路
３ｂ 液充填管
３ｃ 参照極用開口部
３ｄ 熱電対用穴
３ｅ 端子取り付け用穴
３ｆ ボアドスルー継手
３ｇ 入口継手
３ｈ 出口継手
３ｉ 位置決め用穴
３ｊ 入口管
３ｋ 入口マニホールド
３ｌ 出口マニホールド
３ｍ 出口管
４ 陰極エンドプレート
４ａ ヒーター用穴
４ｂ 位置決め用穴
５ 陽極エンドプレート
５ａ 開口部
５ｂ 液充填管
５ｃ 参照極用開口部
５ｄ ヒーター用穴
５ｅ ボアドスルー継手
５ｆ 入口継手
５ｇ 出口継手
５ｈ 位置決め用穴
５ｉ めねじ
５ｊ 入口管
５ｋ 入口マニホールド
５ｌ 出口マニホールド
５ｍ 出口管
６ 陽極流路ブロック
６ａ 陽極液流路
６ｂ めねじ
７ バスバー
７ａ おねじ
７ｂ ばね格納用穴
７ｃ 端子用穴
８ ボアドスルー継手
９ 圧力調整用ばね
１０ 目盛付きバー
１１ 固定プレート
１１ａ ねじ穴
１１ｂ 位置決め用穴
１２ ばね縮み調整用ねじ
１２ａ 回転棒用穴
１３ 回転棒
１４ セル固定用ボルト
１５ セル固定用スペーサ
１６ 固定プレート固定用ボルト
１７ 参照極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】