JP2004006374A - Electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は機械的強度及び化学的安定性に優れた電気化学デバイスに係り、特に、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池、ガスを精製する精製装置、ガスを検知するガスセンサ等に用いて好適な電気化学デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気化学デバイスは、電気化学的な反応を利用して発電したり、ガスを精製したりするための基本的な反応が行われるデバイスであり、燃料電池、ガス精製装置、ガスセンサ等に広く適用されている。例えば燃料電池は、電解質体の両面に接触した電極の一方に燃料を他方には酸化剤を供給し、燃料の酸化を電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであるが、固体高分子型燃料電池で例をあげると、電解質体としての固体高分子膜とガス拡散電極、あるいはその一体化物を指すことになる。
【0003】
図16は典型的な、プロトン導電性の固体高分子電解質型燃料電池を構成する電気化学デバイス1の断面図である。図において2は固体高分子電解質膜(以下、電解質膜と略称する)、3はアノード電極、4はカソード電極を示す。電解質膜2はパーフルオロスルフォン酸膜、また、アノード電極3及びカソード電極4は炭素繊維に白金触媒を担持しているものが使われている。
次に動作について説明する。アノード電極3に水素ガス、カソード電極4に酸素を供給して外部回路を通してアノード電極3およびカソード電極4より電流を取り出すと下記のような反応が起こる。
アノード反応
H2 →2H+ +2e− ・・・・・(1)
カソード反応
2H+ +2e− +1/2O2 →H2 O ・・・・・(2)
このときアノード電極3上で水素はプロトンとなり、水を伴って電解質膜2中をカソード電極4まで移動しカソード電極4上で酸素と反応して水を生ずる。従って、この反応を生じている時、電極の細孔内ではガスと液体の水が出入りし、かつ電極の基材内は電子が流れている。従って、このような反応を円滑に行なうためには、反応によって生成あるいは消費する反応活物質の移動を阻害しないようにすることと、電子の移動を阻害しないようにすることが必要である。前記活物質の移動に関しては水が液体で存在する場合には液滴によって反応ガスの流通が阻止されることがあり、水の移動は特に重要である。
【0004】
そのために、水を圧力や流路構造等の機械的な力で移動を促進させる方法としては、すでに、特開平1−309263号公報、特開平2−86071号公報、特開平2−260371号公報、特開平3−102774号公報等が提案されている。また乾燥剤や親水性材料を用いて水との親和性の違いで移動を促進する手段としては特開平1−140562号公報、特開平3−149762号公報、特開平3−182052号公報等が提案されている。電子の移動としては電極に導電性の材料を使用することになり、従って電極を製造する場合は、例えば特開平3−25856号公報に示されるように、導電性のカーボン粉末と撥水性材料や補強剤を混練して結着するような方法があり、また金属を結着する方法としては特開平2−152166号公報等が提案されている。
【0005】
また、弱い電極材料を剛性構造物で支持する方法もあり、例えば特開平3−149762号公報が提案されている。また、電気化学デバイスには様々な用途があり、上記の各特許に記されているものの他にも、特公昭62−59184号公報のガス精製装置や、特開昭61−216714号公報の除湿素子等が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池等に使われている電気化学デバイスは以上のように構成されているので、上記のように電極は構造体としては機械的にもろく、変形させるとひび割れを起こしたり欠落を起こしたりする恐れがあるなどの問題点があった。
【0007】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電気的特性に優れ、機械的強度および化学的安定性を保ちながら、大量生産が可能な電気化学デバイスを得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電気化学デバイスは、固体高分子電解質の両面部にガス拡散電極を設け、該ガス拡散電極を屈曲させて前記固体高分子電解質と一体化したものである。
【0009】
この発明に係る電気化学デバイスは、前記ガス拡散電極を金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかとし、前記金属繊維と前記有機繊維の親水性が異なるものである。
【0010】
この発明に係る電気化学デバイスは、前記ガス拡散電極を金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、前記金属繊維をフッ素化したものである。
【0011】
(作用) この発明における電気化学デバイスは、ガス拡散電極を屈曲させて固体高分子電解質と一体化したことにより、単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【0012】
この発明における電気化学デバイスは、前記ガス拡散電極を親水性の異なる金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかとしたことにより、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止するとともに、親水性の異なる複数種の繊維により、電極上で生じた水が、一方の繊維に集中して集まり、他方の繊維には気体の通る空間が生じ、反応に必要な気体が反応部分に容易に流入し、反応に必要な水を液体の状態で容易に反応部に補給することができ、さらに単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【0013】
この発明に係る電気化学デバイスは、ガス拡散電極を金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、金属繊維をフッ素化したことにより、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止するとともに、フッ素化により撥水性を付与するので、電気化学反応で電極上に生じた水が、電極基材の空間内を球状になって移動し、反応に必要な気体が反応部分に流入することが容易となり、さらに単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【0014】
実施の形態1. 図1は本発明の実施の形態1の電気化学デバイス11の概念的な断面図であり、図において12、13は金属繊維電極基材(ガス拡散電極)、14は固体高分子電解質膜である。金属繊維としてはSUS316Lの、直径12μm、長さ50〜100mmの単繊維を開繊維にかけた後に焼結した、目付け400g/cm2 の布を用いた。固体高分子電解質膜14にパーフルオロスルホン酸膜の市販品であるデュポン社のナフィオン117を用いた場合に、電極基材12、13と高分子膜14を190℃で50kg/cm2 の面圧でホットプレスを行って一体化した場合には、電極基材12、13の繊維が高分子膜14に50μmも食い込んでいた。
【0015】
次に動作について説明する。この電気化学デバイス11は、10cm角の大きさの一体化物として製造した場合、電極基材の鋼性により一端のみを手で持って取り扱っても、離れたり再生不可能な歪をおこすことはなかった。さらに、この電気化学デバイス11を水中浸漬後、100℃で空中乾燥する操作を3回繰り返したが、電極基材12、13と高分子膜14は全く分離せず、また、形状も変化しなかった。この試験を従来の電極基材を用いたものでおこなうと、電極基材にヒビがはいり、基材が剥がれ落ちてしまった。また、本実施の形態の電極基材12、13間の電気抵抗を調べたところ、低い抵抗がこの浸漬・乾燥の間でも保持できた。高分子電解質膜14自体は、含水率によって膨張・収縮するので、この試験により高分子膜14と基材12、13間の密着は、非常に強く、金属繊維の強度により、高分子膜14の変形を防止できたと考えられる。また、SUS316L自体の電気電導度はカーボンの電気電導度の10倍程度もあるので、基材中の電子の移動がスムーズに行われ、電圧ロスを低く保つことができる。尚、金属繊維は今回のものより小さい径のものを用いると単位体積辺りの表面積が増加して、反応面積が増加するが、気体の透過抵抗が増大するので、その際は今回よりも小さな目付けの布を用いることが望ましい。逆に繊維径が大きいものは、大きな目付けのものも使用できる。また、フレーム等で締め付けることにより、電極基材自体の鋼性がそれほど必要でないときには、焼結を行わないフェルトを使うことも可能である。
【0016】
実施の形態2.
以下、この発明の実施の形態2について説明する。
この電気化学デバイスは、実施の形態1の電気化学デバイス11の電極基材12、13を構成する金属繊維をフッ素化したものであり、形状、機械的な動作については実施の形態1の電気化学デバイス11と同様である。金属繊維布のフッ素化は、繊維をフッ素あるいはフッ化水素ガス中に置くことにより行った。金属繊維は板と違って反応面積が大きいので、フッ素あるいはフッ化水素ガスの濃度は数%以下に抑えるか、真空に引いた状態て、金属繊維表面の単原子層のモル数と同モル数以下の反応ガスを徐々に導入して行なうことが望ましい。
【0017】
次に動作について説明する。この実施の形態の電気化学デバイス11に水を吹き付けた場合、水は電極基材12、13上を球状になって転がる。従って、この電気化学デバイス11を使用した装置に水が付着しても、電極基材12、13内には水が入り込まないので、ガスの通る空間が確保されており、反応ガスや被検知ガスが、反応部に絶えず供給される。また、反応によって水が生ずる場合、電極基材12、13は、フッ素化により水を弾く性質を有しているために、反応によって生じた水は、球状になって電極基材12、13上を移動し、電極基材12、13内には空間が多数保持されることになり、その中を反応ガスが容易に流通できるので、反応に必要なガスが反応部である電解質膜14と電極基材12、13との界面に供給され続けるので、反応が順調に行われる。
【0018】
実施の形態3.
以下この発明の実施の形態3について説明する。図2はこの実施の形態3の電気化学デバイス15の断面模式図であり、図において、16、17は電極基材(ガス拡散電極)、21、31は電極基材16、17中の金属繊維、22、32は電極基材16、17中の有機繊維を示す。有機繊維22、32としては撥水性のフッ素系繊維を用い、重量比で10%以下で混毛した。
【0019】
次に動作について説明する。この実施の形態における電気化学デバイス15に水を吹き付けた場合、水は撥水性のフッ素系繊維があるために、電極基材16、17上を球状になって転がる。従って、この電気化学デバイス15を使用した装置に水が付着しても、電極基材16、17内には水が入り込まないので、ガスの通る空間が確保されており、反応ガスや被検知ガスが、反応部に絶えず供給される。また、反応によって水が生ずる場合、フッ素系繊維は、水を弾く性質を有しているために、反応によって生じた水は、一部はフッ素系繊維上を球状になって電極基材16、17上を移動し、また一部は金属繊維上に引き寄せられるので、電極基材16、17全体では空間が保持されることになり、その中を反応ガスが容易に流通できるので、反応に必要なガスが反応部である電解質膜14と電極界面に供給され続ける。
【0020】
なお、電子は有機繊維中は移動しないので、有機繊維の量をこれ以上多くすることは望ましくない。例えば重量比で10%の場合であっても、フッ素系繊維の比重が約2.1であり、一方金属繊維の比重が8.0であるから、体積比では30%にもなり、繊維の絡み方次第では絶縁層を形成することもある。その場合には電極基材中の電子の移動が妨げられて特性が低下する。
【0021】
次に、上記電気化学デバイス15の変形例について説明する。ここでは、有機繊維22、32として親水性のアラミド繊維を用い、重量比で3%以下で混毛した。
【0022】
次に動作について説明する。この実施の形態における電気化学デバイス15に水を吹き付けた場合、水は親水性のアラミド繊維に吸収されて、電極基材16、17中を電解質膜14に向かって移動する。従って、この電気化学デバイスに液体の水を供給すると、ガスの通る空間を確保しつつ、水を反応部に供給することができる。また、反応によって水が生ずる場合、有機繊維の方に水が引き寄せられるので、電子の受渡しと電気化学反応が生じる金属繊維と電解質界面近傍からガスの流通を妨げる水が取り除かれ、反応に必要なガスが反応部である電解質膜14と電極界面に供給され続ける。
【0023】
また、ここでも電子は有機繊維中は移動しないので、有機繊維の量をこれ以上多くすることは望ましくない。例えばアラミド繊維は比重が1.5と小さく、また、水分で覆われて実質体積が大きくなるので、含有量を極力小さくする必要がある。また、親水性の有機繊維としては、この他にもポリエステルやアクリル等の合成繊維の他に綿や麻等の天然繊維を用いることも可能であるが、電解質膜14の官能基によって分解を生ずるようなものは不適当である。
【0024】
実施の形態4.
以下、この発明の実施の形態4について説明する。
この電気化学デバイスは、実施の形態3の電気化学デバイス15の金属繊維21、31をフッ素化したものであり、形状、機械的な動作については実施の形態3の親水性繊維を用いた電気化学デバイス15と同様である。また、金属繊維のフッ素化は、実施の形態2の布のフッ素化と同様である。
【0025】
次に動作について説明する。この実施の形態における電気化学デバイス15に水を吹き付けた場合、水は撥水性の金属繊維があるために、電極基材16、17上を転がるので、この電気化学デバイス15を使用した装置に水が付着しても、電極基材16、17内には水が入り込まずに、ガスの通る空間が確保され、反応ガスや被検知ガスは、反応部に絶えず供給される。一方、反応によって水が生ずる場合、有機繊維の方に水が引き寄せられるので、電子の受渡しと電気化学反応が生じる金属繊維と電解質界面近傍からガスの流通を妨げる水が取り除かれ、反応に必要なガスが反応部である電解質膜14と電極基材16、17界面に供給され続ける。また、ここでも電子は有機繊維中は移動しないので、有機繊維の量を必要以上に多くすることは望ましくない。
【0026】
実施の形態5.
以下、この発明の実施の形態5について説明する。図3はこの実施の形態5の電気化学デバイス41の断面模式図であり、図において、42、43は実施の形態1の電極基材12、13各々に触媒粒子を担持した電極基材(ガス拡散電極)である。
触媒粒子としては白金黒(白金微粒子)を使用した。担持の方法には色々有るが、高分子電解質を5%含む低級アルコール溶液に対して重量比で白金黒を30%懸濁させた液を、白金が電極基材に1cm2 あたり4mgになるように塗布し、乾燥させた。そして実施の形態1記載のホットプレスにより、電極基材42、43と、電解質膜14とを一体化させた。
【0027】
次に動作について説明する。この実施の形態の電気化学デバイス41の一方の電極基材42に水素を流し、もう一方の電極基材43に電極基材42に対して負の電位をかけた場合、実施の形態1の電気化学デバイス11では、両極間の電位を100mV以上かけた時に初めて電流が流れ、電極基材13側から水素が検出されたが、この実施の形態では、10mV以上で電流が流れ、電極基材43側から水素が発生することが確認できた。これにより、電極基材42、43に担持されている白金が触媒となって、電気化学反応が促進されることが、確認できた。なお、触媒に関しては同じ白金を触媒とした場合でもカーボン微粒子に白金を担持させたいわゆる白金担持カーボン触媒は比重が小さいのでこの方法で塗布すると、塗布する液中の触媒量は白金黒の時の3割程度になり、20%担持の触媒を使った場合の白金量は白金黒の時と比べて5%程度に減少する。従って白金量は大幅に節約できるが、触媒効果が多少減少する。触媒としては白金に限らず、白金属元素や、それらを含む合金、または一般的に市販されている触媒効果を有するものであれば、他の種類の触媒粒子をつかっても差し仕えはないが、塗布による基材への担持法を採る場合には、液の調整を行なう必要がある。
【0028】
実施の形態6.
この電気化学デバイスは、実施の形態1の電極基材12、13各々に触媒効果のある白金をメッキしたものである。白金メッキを行なうには、まず電極基材12、13の表面の不純物を取り去るために脱脂洗浄をする。この状態では電極基材12、13がメッキ液をはじくことがあるので、電極基材12、13を精製水中で数分間煮沸するか1N塩酸中に数秒間浸漬する。続いてメッキ工程に移る。メッキ液は一般的に市販されている燐酸系の酸性タイプのものをその標準条件で使用したが、その他公知の液組成でも特に問題はない。ただし、布にメッキするために板状のものと違って次のような現象があった。それは、メッキの際に発生する水素気泡が繊維中に留まって繊維表面とメッキ液の接触を妨げ、メッキの進行を阻害するので、メッキ液中の繊維に振動を与えてやる必要がある。また、電極基材12、13は柔軟であるので、気泡のついた部分に浮力が働いて浮き上がってくるおそれがあり、基材の4辺あるいは両端を固定して電流を流すことができるような治具を必要とした(図示せず)。メッキ量は電極基材を平板と見なした場合に1μmのメッキ厚みになる量に調整した。もちろんこれより多くてもよいが、触媒効果を考えるならこの量で充分であった。また用途により0.1A/cm2 以下の低い電流密度で運転するような装置では、メッキ量を極端に減少させても構わない。また、触媒としてその他の元素あるいは合金を用いる場合でも、その組成に応じた公知のメッキ技術を用いればよい。
【0029】
次に動作について説明する。触媒効果に関しては実施の形態5の電気化学デバイス41と同様であるので省略する。この実施の形態の電極基材を沸騰水に5時間浸漬し、乾燥するという工程を繰り返しても、メッキの剥がれは生じなかった。これは、燃料電池や電解槽のように反応物質の流動が激しい条件で使用しても触媒の脱落がなく、安定した特性を維持できることを示している。
【0030】
実施の形態7.
以下、この発明の実施の形態7について説明する。図4は平面内に電子的に独立した複数の電極部を有する電気化学デバイス45の平面図である。図において、12A、12B、12C、12Dは電子的に独立した同一平面内の電極である。
電極材料には厚み300μmのカーボンペーパーを用いた。10cm角の電極13の上に、12cm角の電解質膜14をのせる。さらに、その上に4つの直径4cmの独立電極12A〜12Dと、内側に4つの独立電極12A〜12Dが入る穴を開けた厚さ250μmのテフロン(登録商標)シート46を同一平面上に並べる。そして実施の形態1と同様の条件でホットプレスを行った。尚、面圧は独立電極4枚の面積を基準にした。また、電極基材13にガスを流すことができるガス流路と、4つの電極に異なったガスを流せる流路および、それぞれの電極の電圧を読むための端子を設置した(図示せず)。
【0031】
次に動作について説明する。電極13には、純粋な水素を流し、独立した電極12A〜12Dの各々には燃料電池スタックの4つのセルの燃料排ガスを流した。それぞれの電極12A、12B、12C、12Dと電極13間に生ずる電圧は、それぞれの流路に流れる燃料排ガスの水素分圧に応じて下記の式(3)で示される電圧になる。よって1枚の電気化学デバイスにおいて、4つのガスの濃度を同時に測定することができた。
【0032】
ここで、水素濃度を知る方法について説明する。片側の極に純水素を流し、もう一方の極に水素を含んだ被検査ガスを導入すると、ネルンストの式(3)に対応した電位Eが両極間に発生するので、その電圧を測定することにより被検査ガス中の水素濃度を知ることができる。
【0033】
E=RT/2F×1n(PH2/PR ) ・・・・・(3)
【0034】
ただし、Rは気体定数、Fはファラデー定数、Tは絶対温度、PH2は被検査ガス中の水素ガス分圧、PR は純水素の圧力を示す。
【0035】
尚、本実施の形態においては、同一平面内に4つの電極12A〜12Dを配しているが、複数の電子的に独立な電極で有れば、それ以上であってもまた、それ以下であってもよい。
また、本実施の形態では、対極3は1枚で構成したが、電極12A、12B、12C、12D各々に対応させて4つに分割し、4つの電子的に独立した電池を構成させることも可能である。その場合には、4つの電池を直列につなぐことにより、平均で4倍の電圧を発生することができる。
【0036】
実施の形態8.
以下この発明の実施の形態8について説明する。図5はこの実施の形態8の電気化学デバイス51の概念を示す図であり、同図(a)はその平面図、同図(b)はその断面図である。図において、12R、12Wは電子的に独立した同一平面内の電極であり、52は電極12Rを外気から遮断する隔壁(封止部)である。電極12R、12Wには電極基材に白金をメッキした実施の形態6の電極を用いた。組立は10cm角の電極13の上に、12cm角の電解質膜14をのせ、さらに、その上に直径1cmの電極12Rと、直径1.5cmの穴の開いた10cm角の電極12Wを同一平面上に並べる。そして実施の形態1と同様の条件でホットプレスを行った。尚、面圧は対極13の面積を基準にした。そして電極12Rに外気が流入するのを防ぐために、電圧端子用の穴のあいた厚さ0.2mm、半径1.2cmのシリコンゴム製の半球形のキャップ(隔壁52)をかぶせた。そして、2mmの穴の開いた厚さ1mmのSUS304製パンチングメタルで電極を挟みつけて、両パンチングメタルおよび、電極12Rの電圧を読むための端子を設置した(図示せず)。この時、一方のパンチングメタルは電極12Wと電子的につながっており、もう一方のパンチングメタルは電極13と電子的につながることになり、電極12Rは電圧端子以外は電子的に絶縁された状態になっている。
【0037】
次に動作について説明する。この電気化学デバイス51を空気中に置いて、電極12W−対極13間に4Vの電位をパンチングメタルを介して印加する。電極13に側接する空気中の水分は後述する式(4)に従い、水素イオンとなって電解質膜14中を電極12W、12R側に移動する。電極12Wでは、水素イオンは後述する式(5)に従って水素に還元されてすぐに空気中の酸素と反応して水となる。一方、電極12Rでは、水素イオンは後述する式(7)に示すように電子を得て水素にはなるが、ゴムキャップ52により、密閉されているので、水素ガスで充満され、過剰な水素のみ、ゴムキャップ52と膜14の間から流出する。
【0038】
ここで水素イオンの移動について説明する。水分のある空気中で両極に直流電圧を印加すると、電気化学反応により、アノード側では空気中の水分が電子を失って水素イオンとなり電解質膜中をカソード側に移動する。
2H2 O→4H+ +O2 +4e− ・・・・・(4)
水素イオンはカソード上で電子を得て水素に還元されるが、空気中の酸素と反応して水になる。
4H+ +O2 +4e− →2H2 O ・・・・・(5)
結局、アノード側の水はカソード側に移動することになり、アノード側に空間の湿度を下げることになる。
また、例えば水中で両極に直流電圧を印加すると電気化学反応により、アノードでは水は電子を失って水素イオンと酸素ガスになり、酸素ガスは気体として発生し、水素イオンは電解質膜中をカソード側へ移動する。一方、カソードでは水素イオンは電子を得て水素ガスとして発生する。
2H2 O→4H+ +O2 +4e− ・・・・・(6)
4H+ +4e− →2H2 ・・・・・(7)
【0039】
以上により、電極12Rは水素参照電極となり、電極12Rと対極13の電圧および電極12Rと電極12Wの電圧を測定することにより、この電気化学反応において、各々の極の分極を分離して測定することができる。そこでこの電圧を基準に12W−13間にかける電圧を調整すれば、電極の腐食を引き起こすような異常な電圧を電極にかける危険を避けることができるとともに、必要最大限の電圧により運転が可能になるので、装置のコンパクト化が可能になる。
【0040】
実施の形態9.
以下、実施の形態9について図に基づき説明する。図6はこの実施の形態9の電気化学デバイス53の概念的な断面図であり、図において54、55は貫通孔56を有する電極基材、14は高分子電解質膜である。電極基材としては実施の形態1で示したSUS316Lの、直径12μm、長さ50〜100mmの単繊維を開繊機にかけた後に焼結した、目付け400g/cm2 の布を用いた。高分子膜14にパーフルオロスルホン酸膜の市販品としてデュポン社のナフィオン117を用いた場合、電極基材54、55と高分子膜14を190℃で50kg/cm2 の面圧でホットプレスを行って一体化した場合、電極基材の繊維が高分子膜14に50μmも食い込み、さらに、電解質膜14が貫通孔56を埋めるように食い込んでいた。
【0041】
次に動作について説明する。10cm角の大きさの一体化物の電気化学デバイス53を製造した場合でも、電極基材の鋼性により一端のみを手で持って取り扱っても、この一体化物は離れたり再生不可能な歪をおこすことはなかった。さらに、今度はこの一体化物を水中浸漬後、100℃で空中乾燥する操作を10回繰り返したが、電極基材54、55と高分子膜14は全く分離せず、この一体化物の形状も変化しなかった。この試験を従来の電極基材を用いたものでおこなうと、電極基材に開けた穴を起点にヒビがはいり、基材が割れて剥がれ落ちてしまった。また、本実施の形態の電極基材54、55間の電気抵抗を調べたところ、低い抵抗がこの浸漬・乾燥の間でも保持できた。
高分子電解質膜14自体は、含水率によって、膨張・収縮するので、この試験により電極基材高分子膜14と基材54、55間の密着は、非常に強かったことと、金属繊維の強度により、膜の動きを制限できたと考えられる。
【0042】
また、SUS316L自体の電気電導度はカーボンの電気電導度の10倍程度もあるので、基材中の電子の移動がスムーズに行われ、電圧ロスを低く保つことができる。また、電解質膜が貫通孔に浸入してきているので、液状で入ってきた水が直接電解質膜に触れることに依って、膜への水の供給が容易になった。尚、金属繊維は今回のものより小さい径のものを用いると単位体積辺りの表面積が増加して、反応面積が増加するが、気体の透過抵抗が増大するので、その際は今回よりも小さな目付けの布を用いることが望ましい。逆に繊維径が大きいものは、大きな目付けのものも使用できる。フレーム等で締め付けることにより、電極基材自身での鋼性がそれほど必要でないときには、焼結を行わないフェルトを使うことも可能である。
【0043】
実施の形態10.
以下実施の形態10について説明する。図7はこの実施の形態10の電気化学デバイス58の断面模式図を示す。59は親水性の繊維でできた層である。ここでは、ポリエステルの繊維径1μmの厚さ2mmの不織布を用いた。
【0044】
次に動作について説明する。この電気化学デバイス58に水を吹き付けた場合、水は親水層59に広がり面内にほぼ均一に分布した後、電極12を介して電解質膜14に到達する。一方、反応によって水が電解質膜14と電極12の界面で生ずる場合、過剰な水は親水性層59に吸い取られて、面全体にひろがり、除去される。基材全体では空間が保持されることになり、その中を反応ガスが容易に流通できるので、反応に必要なガスが反応部である電解質膜14と電極界面に供給され続ける。ただし、電子は有機繊維中は移動しないので、電極基材12と外部との電子のやりとりは、親水層59と電解質膜14の間から端子を取り出すか、あるいは親水層59の一部に穴をあけて端子のみ通すようにする必要があり、大電流を流す運転には不向きである。親水性の繊維としてはその他ポリアミドやポリエティレン等の合成繊維の他、綿や麻等の天然繊維も考えられるが、層中の孔径を自在に制御できる合成繊維が好ましい。なお、上記実施の形態では厚さ2mmのものを用いたが、除湿素子の水を排出する側に適用する場合はさらに厚くしても問題なく、また直接電解質膜14に触れず、室温で運転されるので材料選択の制限は親水性の他にはそれほど考慮する必要は無い。また、親水層の中から、さらに外側に公知の給水高分子を担持させることも可能である。
【0045】
実施の形態11.
以下実施の形態11について説明する。図8はこの実施の形態11の屈曲した電極と電解質膜を一体化した電気化学デバイス61を示したものであり、62、63が屈曲したガス拡散電極、64が屈曲した電解質膜(固体高分子電解質)である。また、65は電極62によって形成されたガス流路、66は電極63によって形成されたガス流路である。また、68、69は、このガス流路のもう一端を形成する導電性セパレーター板である。また70は絶縁スペーサーフィルムであり、厚さ250μmのテフロン(登録商標)シートを用いた。ガス拡散電極の屈曲に際して特別な技術は特に必要なく、公知の板金プレスの要領で実施することができる。また、電極62、63と電解質膜64との一体化に際しては、例えば特開平3−84866号公報、特開平3−208261号公報、特開平3−208262号公報等に開示されている方法をとれば、屈曲させた電極基材の形状に膜を沿わせることが容易になる。ここでは、SUS316L繊維の焼結電極基材で、幅2mmのガス流路を形成した。
【0046】
次に動作について説明する。この電気化学デバイス61では、電気化学反応の一つである水素ガス精製反応を行なう。不純物に二酸化炭素を含む水素ガスをガス流路65に導入し、セパレーター板68にセパレーター板69に対して0.5Vの電圧をかけると電極62上で後述する式(8)の反応が生じ、水素ガスのみがプロトンとなって電解質64中を電極63に向かって移動し、後述する式(9)の反応に依って水素ガスに戻り流路中に導入される。
【0047】
ここでは、アノード側に不純物を含む水素ガスを流し、電圧を印加すると水素ガスだけが反応して水素イオンとなり、電解質膜中をカソード側へ移動する。
H2 →2H+ +2e− ・・・・・(8)
2H+ +2e− →H2 ・・・・・(9)
カソード側では水素イオンが電子を得て水素ガスに還元される。電解質膜中は水素イオンしか移動できないので、カソード側では純粋な水素を得ることができる。
【0048】
したがって、電子は電極62からセパレーター板68を通り外部回路を経てセパレーター板69、電極63へと流れる。電極基材の厚みは0.3mm程度の厚みであるが、金属繊維は導電性が高いので、もっとも経路の長い流路のてっぺん65Tからセパレーター板68までの電子の移動でも電圧のロスがほとんどなく、反応が進行する。また、この時単純平面積あたりの電解質と電極の界面面積が倍になり広いので、反応面積が大きく確保され、大量のガスの精製が可能となった。さらに、電極の厚みを薄く保ったまま、電気化学デバイス自身で流路を構成しているので、単位電池の厚みが非常に薄くなり、電池を積層した積層体が非常にコンパクトに構成できる。セパレーターと電極間の接触抵抗に関しても、金属繊維の弾性を利用して、接触面圧を維持できるので、電圧ロスを低く保つことができる。
【0049】
実施の形態12.
以下実施の形態12について説明する。図9はこの実施の形態12の弾性のある集電体で挟持させた電気化学デバイス71であり、72が弾性集電体、73が対極の集電体、70が絶縁スペーサーである。弾性集電体72の材質としては、オーステナイト系ステンレスや、マルテンサイト系ステンレスの他、公知のバネ性を有する金属や合金を使用することができるとともに、導電層を塗布したプラスチックフィルムを使用可能であるが、運転条件による耐食性を考慮して選定する必要がある。ここでは室温・空気中で運転させる除湿器に使用するために、SUS316Lの厚み0.05mmの板にガス透過用の穴を設けたものを使用した。穴は公知の例えばパンチングや、エッチングまたは機械加工で作成できる。弾性集電体72の大きさは、10cm角のものであり、半径10cmの円弧に加工している。ガス拡散電極は、SUS繊維フェルトに白金メッキを行った実施の形態6の電極を使用している。組立は、集電体73の上に、電極12、電解質膜14、電極13を重ねてその上から円弧の中心が外側を向くように弾性集電体72をのせ、フレーム74で挟む。フレーム74は厚さ3mmの硬質ポリエチレン製で集電体73にネジ等を用いて固定した。また弾性集電体72には電流を流すための端子を取り付けている(図示せず)。
【0050】
次に動作について説明する。大気中で集電体72に集電体73に対して4Vの電圧をかけると、電極12上で上述した式(4)の反応が生じ、集電体73側の空気中の水分が分解して、プロトンが電解質14中を電極13に向かって移動し、式(5)の反応に依って空気中の酸素と結合し、水となって出て来る。この時電子は電極12から集電体73を通り外部回路を経て集電体72、電極13へと流れる。集電体72と電極13間の接触抵抗は、集電体72の弾性を利用して、接触面圧を維持できるので、電圧ロスを低く保つことができた。また、一体化していない電極と電解質膜もこの方法では使用できるので、一体化の工程を省略することができた。なお、本実施の形態では、電極基材自身に触媒機能をもたしたものを使用したが、解媒は電極と一体になっている必要は特に無く、例えば特開平3−46764号公報に示されるような触媒シートを電極基材と電解質膜の間に挿入してもよい。
また、総厚みは0.7mmと非常に薄くできており、各種機器に取り付けた場合にもコンパクトに構成することができる。
【0051】
実施の形態13.
以下実施の形態13について説明する。図10はこの発明の実施の形態13の電気化学デバイス53(図6)を用いた燃料電池81の概念的な断面図であり、54は貫通孔56のあるカソード、55は同じく貫通孔56のあるアノードであり、68、69はカーボン製のガス流路を有するセパレーター板である。電気化学デバイス81の各電極54、55の有効面積は100cm2 のものを用いた。また、電解質膜14にはデュポン社のナフィオン115を用いた。
【0052】
次に動作について説明する。燃料電池81を外部ヒーター(図示せず)により、80℃に加温し、アノード流路66に95℃で加湿した水素ガスを、カソード流路65に50℃に加湿した空気を導入した。セパレーター板69−68間を外部回路につなぐと、アノード55上では式(10)の反応により、水素が電子を放出して水を伴い膜14中をカソード54に向かって移動する。
2H2 →4H+ +4e− ・・・・・(10)
カソード54では水素イオンと酸素が結び付き、電子を得て水が生成する。
4H+ +O2 +4e− →2H2 O ・・・・・(11)
この時、セルの温度はアノードガスの露点(95℃)より低いので、流路66内で、過剰な水分が液滴となって凝縮する。液滴は流路66内をガスの動圧で運ばれながら、電極内の貫通孔56を埋めている電解質膜14に触れ、一部は吸収され、また一部は貫通孔56内の電解質膜14に沿って電解質膜14内部へ流入する。一方カソード54では、余分な水分があるが、貫通孔56を埋めている電解質膜14は電極54より親水性が高いために水は貫通孔56に沿って流路65内に移動し、流通する空気に触れて蒸発する。これにより、電気化学反応に必要な水の供給が可能になるとともに、カソード電極54内の水を速やかに排出できるので反応に必要な酸素の供給が保たれ、電流密度を上げても高い特性を維持することができる。
【0053】
実施の形態14.
以下実施の形態14について説明する。図11はこの発明の実施の形態14の電気化学デバイス71を使用した除湿装置91であり、72が弾性集電体、92は直流電源、93は被除湿匡体、94は匡体93の側壁に開けられた除湿用の窓であり、穴は公知の例えばパンチングや、エッチングまたは機械加工で作成した金属性の板を接合したものでよい。ここでは厚さ0.5mmのSUS304のパンチングメタルを使用した。尚、この窓94は集電板の働きをもたすため、絶縁層が生じないように無塗装としたが、匡体93とは絶縁して固定した。また、匡体93の外側には除湿素子固定用の枠74を設けている。
枠74は匡体と同質の鋼板を溶接で匡体に取り付けられている。外側は匡体と同じ塗装を施したが、内側は集電体72と導通するために無塗装とした。また、集電体72の大きさは、10cm角のものであり、半径10cmの円弧に曲げ加工している。電気化学デバイス71はガス拡散電極に、SUS繊維フェルトに白金メッキを行った実施の形態6の電極と、ナフィオン117膜を150℃で面圧50kg/cm2 で一体化したものを使用した。加熱温度を低くしたのは、電極の膜への食い込みを少なくして、電解質膜14の実質厚みを厚く保つことにより、水の逆流を防止するためである。その分、一体性が多少劣るが、集電体72により押し付けられるので問題はない。また、電極12は厚み400μmの400g/cm2 の目付けのフェルト、電極13は厚み200μmの200g/cm2 の目付けのフェルトを用いている。組立は、枠74に沿って電極13が匡体側を向くように電気化学デバイスを挿入し、その上から円弧の中心が匡体の外側を向くように集電体72を挿入した。そして、窓94には直流電源の+の端子が接続されており、−の端子は匡体93にアース接続した。
【0054】
次に動作について説明する。直流電源を起動すると窓94には匡体93に対して4Vの電圧がかかる。窓94は電極13と導通しており、匡体93は枠74集電体72を介して電極12と導通しているので、電極13には電極12に対して4Vの電圧がかかる。すると、電極13上で式(3)の反応が生じ、匡体93内の空気中の水分が分解して、プロトンが電解質14中を電極12に向かって移動し、式(4)の反応に依って外気中の酸素と結合し、水となって出て来る。この時電子は電極13から窓94を通り直流電源92を経て匡体93、枠74、集電体72、電極12へと流れる。集電体72と電極12間の接触抵抗は、集電体72の弾性を利用して、接触面圧を維持できるので、電圧ロスを低く保つことができる。また、この方式では電気化学デバイスは集電板の弾性で固定されているだけなので、修理の際には電気化学デバイス71部分を抜くだけで簡単に交換できる。匡体93の体積が10リットル程度の時、匡体93内の相対湿度は大気より40〜50%程度低く抑えることができた。また実施の形態11の電気化学デバイスを用いた場合には、大量のガスの除湿ができるので、エアコンの冷却フィンの風上につければ、フィン内での結露が防止でき、また、酸素富化が可能になる。
【0055】
実施の形態15.
以下、実施の形態15について説明する。図12は平面内に電子的に独立した複数の電極部を有する実施の形態7の電気化学デバイス45を用いたガス濃度センサー101の概念的な断面図である。図において、12A、12B、12C、12Dは電子的に独立した同一平面内の電極である。電極材料には厚み300μmのカーボンペーパーを用いた。10cm角の電極13の上に、周囲1cmづつはみ出すように12cm角の電解質膜14をのせる。さらに、その上に16個の2cm角の独立電極を電極13が下にある範囲で図13に示すように各電極間が6mmの間隔で並べる。そして実施の形態1と同様の条件でホットプレスを行った。尚、面圧は独立電極16枚の面積64cm2 を基準にした。また、対極13にガスを流すことができるガス流路102と、16の電極に異なったガスを流せる流路103A〜103P(図では103A〜103Dまで)を設けた。電極13には電圧端子104を集電板(図示せず)を介して接続した。電極12A〜12Pにも電圧端子105A〜105Pを接続した。尚、端板106、107にはポリカーボネートを用いた。端板106は導電性の金属材料を用いることも可能ではあるが、端板107では電極12A〜12Pを電子的に絶縁する必要があるので、もし、金属やカーボンのような導電性材料を使うときは、電極に導電部が触れないようにする必要がある。
【0056】
次に動作について説明する。流路102には、純粋な水素を流し、独立した電極の各々には燃料電池スタックの16のセルの燃料排ガスを流した。それぞれの電極12A〜12Pと電極13間に生ずる電圧は、それぞれの流路に流れる燃料排ガスの水素分圧に応じて式(3)で示される電圧になる。それぞれの電圧104−105A間〜104−105P間の電圧をモニターすることによって燃料電池スタックの16枚のセルの排ガスの水素濃度を同時に測定することができた。この試験では燃料電池に燃料としてメタン改質模擬ガス(水素80%、残二酸化炭素)を流した。スタック内の各セル電圧は測定によりバラツキがあったが、このバラツキが何に基づくものか分からなかった。しかし、この濃度センサーを設置したところ、セル電圧が低いセルの排ガスを通した電極の端子間電圧が他のセルよりも高く、水素濃度が極端に低くなっていることがわかった。燃料電池スタックでは各セルに流れる電流は同じであるので、消費する水素ガスの量も同じである。
にもかかわらず水素濃度が低いのはそのセルに流入する燃料が少ないことを示しており、スタック内でのガスの分配に問題があることがわかり、流路構造とガス流量の最適化をこの電圧をモニターすることにより行うことが可能になり、燃料電池スタックの特性が大幅に向上した。
【0057】
尚、本実施の形態では純水素を流した電極13との電圧を測定して、ガス濃度を測定したが、この場合のように濃度のバラツキのみを測定する場合で有れば、基準電極13の電位を無視して、12A〜12Pの電位のバラツキのみをモニターすることによって濃度分布を知ることも可能である。例えば分割電極数を2セルに限定し、もっともガスの配分が偏りやすい両端のセルの排ガスを流路103A、103Bに導入して中央のセルの排ガスを流路102に導入した場合、流路103A−103B間の電圧が一定値を越える場合には全ガス流量を増加させてスタックの運転を正常に保つといった運転方法を採ることも可能である。
【0058】
実施の形態16.
以下実施の形態16について説明する。図14は実施の形態16の電気化学デバイス51を使用した電解槽111であり、112は電解槽容器、13はアノード、12Wはカソード、12Rは独立カソード、113アノード集電体、114はカソード集電体、52はシリコン性ゴムキャップ、115は水供給口、116は酸素排出口、117は水素排出口、118は電極12Rへの電流(電圧)端子である。尚、電極には厚さ0.1mm目付け100g/cm2 のステンレス繊維焼結布を用い、電極12W、12Rには白金メッキしたものを、電極13にはイリジウムメッキしたものを用いた。電解質膜14にはパーフルオロスルホン酸膜としてナフィオン膜を使用した。
【0059】
次に動作について説明する。電極12W−13間に直流電圧を印加すると、アノード13上では式(6)の反応により水が分解して酸素が発生し、一方カソード12Wでは、式(7)に従い水素ガスが発生する。また、端子118をカソードと短絡すると12Rからも水素が発生し、ゴムキャップ52内は水素で充満し、一部はゴムキャップ52と膜14の隙間から溢れ出ていた。電流密度を500mA/cm2 程度流すと、電極間電圧は2V程度であったが、この電流密度でしばらく運転を続けると、電圧が上昇して電流が流れなくなった。端子118とカソード極を切り離した時の端子とアノードあるいは端子とカソード間の電圧を測定していたところ、電圧が上昇する時に端子118とアノード13との電圧が変化していたが、カソードと端子118間の電圧は殆ど変化しなかった。従って、電解槽111の特性が悪くなったのはアノード電極側に問題があることが推測できたのでアノードに注意して試験をすると、アノード上で発生した酸素の泡で、水の供給がたたれていたことがわかった。
そのため、アノードの電極基材を半分の厚みのものに変えたところ、電圧の上昇は起こらなかった。このように、運転中にある一定時間毎に端子118の回路を切り離して電極13との電圧を測定すると、電解槽111に問題があった場合や、特性が悪化し始めた時に、原因を突き止めることができたり、あるいは故障する直前に問題のある箇所を補修できるようになった。
【0060】
実施の形態17.
以下実施の形態17について説明する。図15は実施の形態17の電気化学デバイス61を用いたガス精製装置121である。電気化学デバイス(一本の曲線で表示)の下側部分がアノード62、上側部分がカソード63である。電極基材は、目付け300g/cm2 、厚み250μmのSUS316L繊維の焼結電極基材で、幅2mm、高さ2mmのガス流路を形成した。65は電極62によって形成されたガス流路、66は電極63によって形成されたガス流路である。68、69は、このガス流路のもう一端を形成する導電性端板、122は導電性セパレーター板であり、これにより電気的には直列に4つの精製装置を接続したことになる。4つのデバイスにはそれぞれA〜Dの記号を付けた。それぞれのセパレーター板122はSUS304の板で構成しており、電解質膜とのガスシールや屈曲した電極によるガス流路へのマニホールドは、テフロン(登録商標)樹脂を使用した(図示せず)。また、最終的には積層体は、0.2kg/cm2 の面圧で端板68−69間を押さえつけている。
【0061】
次に動作について説明する。不純物に二酸化炭素を含む水素ガスをガス流路65A〜65Dに導入し、端板68に端板69に対して2Vの電圧をかけると電極62A〜62D上で式(8)の反応が生じ、水素ガスのみがプロトンとなって電解質14A〜14D中を電極63A〜63Dに向かって移動し、式(9)の反応に依って水素ガスに戻り流路66A〜66D中に導入される。また、この時単純平面積あたりの電解質と電極の界面面積が倍になったので、平板型の電極を用いた場合のほぼ倍の電流を流すことができた。これは同じ底面積のガス精製装置に対し、倍のガス量を処理できたことになる。さらに、電極の厚みを薄く保ったまま、電気化学デバイス61自体で流路を構成したので、セパレーター板に流路を掘った場合に比べ1枚あたり、厚みが3割小さくなったので、高さが約2/3になった。このため、平板型の同じ大きさのガス精製装置に対する大きさは約1/3になり、著しい小型化が可能になった。また、セパレーターに溝を掘る必要がないので、本実施の形態のように、市販の薄板を使用することができ、コストが大幅に低減できた。
【0062】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ガス拡散電極を屈曲させて前記固体高分子電解質と一体化するように構成したので、単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させることができ、また、小さな空間を有効に利用できるので、装置の著しい小型化が可能になる効果がある。
【0063】
この発明によれば、前記ガス拡散電極を、親水性の異なる金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかのように構成したので、固体高分子電解質の変形を機械的に防止することができるとともに、反応に必要な気体を反応部分に容易に流入させ、気体の拡散を阻害する余分な水を容易に反応部から排出でき、さらに単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させる効果がある。
【0064】
この発明によれば、前記ガス拡散電極を、金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、金属繊維をフッ素化するように構成したので、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止することができるとともに、反応に必要な気体を反応部分に容易に流入でき、さらに単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図2】この発明の実施の形態3の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図3】この発明の実施の形態5の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図4】この発明の実施の形態7の電気化学デバイスの構成を示す平面図である。
【図5】この発明の実施の形態8の電気化学デバイスの構成を示す平面図及び断面図である。
【図6】この発明の実施の形態9の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図7】この発明の実施の形態10の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図8】この発明の実施の形態11の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図9】この発明の実施の形態12の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図10】この発明の実施の形態13の電気化学デバイスを用いた燃料電池を示す断面図である。
【図11】この発明の実施の形態14の電気化学デバイスを用いた除湿装置を示す断面図である。
【図12】この発明の実施の形態15の電気化学デバイスを用いたガス濃度センサーを示す断面図である。
【図13】この発明の実施の形態15の電気化学デバイスを用いたガス濃度センサーの電極の構成を示す平面図である。
【図14】この発明の実施の形態16の電気化学デバイスを用いた電解槽を示す断面図である。
【図15】この発明の実施の形態17の電気化学デバイスを用いたガス精製装置を示す断面図である。
【図16】従来の電気化学デバイスを示す断面図である。
【符号の説明】
11 電気化学デバイス、12,13 金属繊維電極基材(ガス拡散電極)、14 固体高分子電解質膜、15 電気化学デバイス、16,17 電極基材(ガス拡散電極)、21,31 金属繊維、22,32 有機繊維、41 電気化学デバイス、42,43 電極基材(ガス拡散電極)、45 電気化学デバイス51 電気化学デバイス、52 隔壁(封止部)、53 電気化学デバイス、54,55 電極基材、56 貫通孔、58 電気化学デバイス、59 親水性の繊維でできた層、61 電気化学デバイス、62,63 ガス拡散電極、64電解質膜(固体高分子電解質)、71 電気化学デバイス、72 弾性集電体、73 集電体。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrochemical device having excellent mechanical strength and chemical stability, and more particularly to a fuel cell that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction, a purifying apparatus that purifies a gas, a gas sensor that detects a gas, and the like. The present invention relates to an electrochemical device suitable for use.
[0002]
[Prior art]
An electrochemical device is a device that performs a basic reaction for generating power or purifying a gas by utilizing an electrochemical reaction, and is widely applied to a fuel cell, a gas purification device, a gas sensor, and the like. ing. For example, in a fuel cell, chemical energy is directly converted into electric energy by supplying fuel to one of the electrodes in contact with both surfaces of the electrolyte body and an oxidizing agent to the other, and electrochemically reacting the oxidation of the fuel in the cell. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, for example, it refers to a solid polymer membrane as an electrolyte and a gas diffusion electrode, or an integrated product thereof.
[0003]
FIG. 16 is a sectional view of an electrochemical device 1 constituting a typical proton conductive solid polymer electrolyte fuel cell. In the figure, 2 is a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as an electrolyte membrane), 3 is an anode electrode, and 4 is a cathode electrode. The
Next, the operation will be described. When hydrogen gas is supplied to the anode electrode 3 and oxygen is supplied to the cathode electrode 4 and current is taken out from the anode electrode 3 and the cathode electrode 4 through an external circuit, the following reaction occurs.
Anode reaction
H 2 → 2H + + 2e − ・ ・ ・ ・ ・ (1)
Cathodic reaction
2H + + 2e − + 1 / 2O 2 → H 2 O ... (2)
At this time, hydrogen becomes a proton on the anode electrode 3, moves along with the water through the
[0004]
For this purpose, as a method of promoting the movement of water by a mechanical force such as pressure or a channel structure, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 1-309263, Hei 2-86071 and Hei 2-260371 have already been described. And Japanese Patent Laid-Open Publication No. 3-102774. Japanese Patent Application Laid-Open (JP-A) Nos. 1-140562, 3-149762, and 3-182052 disclose means for promoting the transfer of water using a desiccant or a hydrophilic material due to a difference in affinity with water. Proposed. Electrons are transferred by using a conductive material for the electrodes. Therefore, when manufacturing the electrodes, for example, as shown in JP-A-3-25856, a conductive carbon powder and a water-repellent material or There is a method in which a reinforcing agent is kneaded and bound, and as a method of binding a metal, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-152166 is proposed.
[0005]
There is also a method of supporting a weak electrode material with a rigid structure. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-149762 has been proposed. Electrochemical devices have various uses. In addition to those described in the above patents, the gas purifying apparatus disclosed in Japanese Patent Publication No. 62-59184 and the dehumidifying apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-216714 may be used. Devices and the like have been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since the electrochemical devices used in conventional fuel cells and the like are configured as described above, the electrodes are mechanically brittle as a structure as described above, and when deformed, they may cause cracking or chipping. There was a problem that there was a risk of doing so.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above problems, and has as its object to obtain an electrochemical device which is excellent in electric characteristics and can be mass-produced while maintaining mechanical strength and chemical stability. And
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the electrochemical device according to the present invention, gas diffusion electrodes are provided on both sides of the solid polymer electrolyte, and the gas diffusion electrodes are bent to be integrated with the solid polymer electrolyte.
[0009]
In the electrochemical device according to the present invention, the gas diffusion electrode is either a mixed woven fabric or a mixed nonwoven fabric of metal fibers and organic fibers, and the metal fibers and the organic fibers have different hydrophilicity.
[0010]
In the electrochemical device according to the present invention, the gas diffusion electrode is made of either a woven or non-woven metal fiber, and the metal fiber is fluorinated.
[0011]
(Function) In the electrochemical device according to the present invention, the gas diffusion electrode is bent and integrated with the solid polymer electrolyte, whereby the electrode area per unit area is increased, and the electrochemical reaction proceeds smoothly.
[0012]
In the electrochemical device according to the present invention, the gas diffusion electrode is made of either a mixed woven fabric or a mixed nonwoven fabric of metal fibers and organic fibers having different hydrophilicities, so that the gas diffusion electrode mechanically deforms the solid polymer electrolyte. In addition to preventing water, the water generated on the electrode is concentrated and concentrated on one fiber by the plural kinds of fibers with different hydrophilicity, and the other fiber creates a space where gas passes, and the gas required for the reaction reacts. The water easily flows into the part, and water required for the reaction can be easily supplied to the reaction part in a liquid state. Further, the electrode area per unit area is enlarged, and the electrochemical reaction proceeds smoothly.
[0013]
In the electrochemical device according to the present invention, the gas diffusion electrode is made of either woven or non-woven metal fiber, and the metal fiber is fluorinated, so that the gas diffusion electrode mechanically prevents deformation of the solid polymer electrolyte. At the same time, water repellency is imparted by fluorination, so that water generated on the electrode by the electrochemical reaction moves in a spherical shape in the space of the electrode base material, and gas required for the reaction flows into the reaction part. And the electrode area per unit area is increased, and the electrochemical reaction proceeds smoothly.
[0014]
Embodiment 1 FIG. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of an
[0015]
Next, the operation will be described. When this
[0016]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
This electrochemical device is obtained by fluorinating the metal fibers constituting the electrode bases 12 and 13 of the
[0017]
Next, the operation will be described. When water is sprayed on the
[0018]
Embodiment 3 FIG.
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
[0019]
Next, the operation will be described. When water is sprayed on the
[0020]
Since electrons do not move in the organic fibers, it is not desirable to further increase the amount of the organic fibers. For example, even when the weight ratio is 10%, the specific gravity of the fluorine-based fiber is about 2.1 and the specific gravity of the metal fiber is 8.0, so that the volume ratio becomes 30%, and An insulating layer may be formed depending on the entanglement method. In that case, the movement of the electrons in the electrode substrate is hindered, and the characteristics deteriorate.
[0021]
Next, a modification of the
[0022]
Next, the operation will be described. When water is sprayed on the
[0023]
Also, here, the electrons do not move in the organic fibers, so that it is not desirable to increase the amount of the organic fibers further. For example, the specific gravity of aramid fiber is as small as 1.5, and the volume is substantially increased by being covered with moisture. In addition, as the hydrophilic organic fiber, natural fibers such as cotton and hemp can be used in addition to synthetic fibers such as polyester and acrylic, but decomposition occurs due to the functional group of the
[0024]
Embodiment 4 FIG.
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described.
This electrochemical device is obtained by fluorinating the
[0025]
Next, the operation will be described. When water is sprayed on the
[0026]
Embodiment 5 FIG.
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an
Platinum black (platinum fine particles) was used as the catalyst particles. There are various loading methods, and a solution in which 30% of platinum black is suspended in a weight ratio with respect to a lower alcohol solution containing 5% of a polymer electrolyte is applied to the electrode substrate by 1 cm. 2 Per 4 mg and dried. Then, the
[0027]
Next, the operation will be described. When hydrogen is supplied to one
[0028]
Embodiment 6 FIG.
This electrochemical device is obtained by plating platinum having a catalytic effect on each of the
[0029]
Next, the operation will be described. Since the catalytic effect is the same as that of the
[0030]
Hereinafter, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a plan view of an
A 300 μm thick carbon paper was used as an electrode material. A 12 cm
[0031]
Next, the operation will be described. Pure hydrogen was supplied to the
[0032]
Here, a method of knowing the hydrogen concentration will be described. When pure hydrogen is passed through one of the poles and a test gas containing hydrogen is introduced into the other pole, a potential E corresponding to Nernst equation (3) is generated between the two poles. Thus, the hydrogen concentration in the gas to be inspected can be known.
[0033]
E = RT / 2F × 1n (P H2 / P R ・ ・ ・ ・ ・ (3)
[0034]
Where R is the gas constant, F is the Faraday constant, T is the absolute temperature, P H2 Is the partial pressure of hydrogen gas in the test gas, P R Indicates the pressure of pure hydrogen.
[0035]
In this embodiment, the four
Further, in the present embodiment, the counter electrode 3 is constituted by one sheet. However, the counter electrode 3 may be divided into four parts corresponding to the
[0036]
Embodiment 8 FIG.
Hereinafter, an eighth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a view showing the concept of an
[0037]
Next, the operation will be described. The
[0038]
Here, the movement of hydrogen ions will be described. When a DC voltage is applied to both electrodes in moist air, the water in the air loses electrons on the anode side to become hydrogen ions due to an electrochemical reaction, and moves to the cathode side through the electrolyte membrane.
2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e − ・ ・ ・ ・ ・ (4)
The hydrogen ions obtain electrons on the cathode and are reduced to hydrogen, but react with oxygen in the air to become water.
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O ... (5)
Eventually, the water on the anode side moves to the cathode side, and lowers the humidity of the space on the anode side.
Also, for example, when a DC voltage is applied to both electrodes in water, the water loses electrons at the anode and becomes hydrogen ions and oxygen gas at the anode due to an electrochemical reaction, oxygen gas is generated as gas, and hydrogen ions pass through the electrolyte membrane on the cathode side. Move to. On the other hand, at the cathode, hydrogen ions obtain electrons and are generated as hydrogen gas.
2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e − ・ ・ ・ ・ ・ (6)
4H + + 4e − → 2H 2 ・ ・ ・ ・ ・ (7)
[0039]
As described above, the
[0040]
Embodiment 9 FIG.
Hereinafter, a ninth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a conceptual sectional view of an
[0041]
Next, the operation will be described. Even when manufacturing an integrated
Since the
[0042]
Further, since the electric conductivity of SUS316L itself is about 10 times that of carbon, electrons in the base material can be smoothly moved, and the voltage loss can be kept low. In addition, since the electrolyte membrane has penetrated into the through-holes, the water that has entered in a liquid state directly contacts the electrolyte membrane, thereby facilitating the supply of water to the membrane. If the diameter of the metal fiber is smaller than this time, the surface area per unit volume increases and the reaction area increases, but the gas permeation resistance increases. It is desirable to use a cloth. Conversely, those having a large fiber diameter can be used having a large basis weight. By tightening with a frame or the like, when the steel properties of the electrode base material itself are not so required, it is also possible to use a felt that does not perform sintering.
[0043]
Embodiment 10 FIG.
Embodiment 10 will be described below. FIG. 7 is a schematic sectional view of an
[0044]
Next, the operation will be described. When water is sprayed on the
[0045]
[0046]
Next, the operation will be described. In the
[0047]
Here, when a hydrogen gas containing impurities is caused to flow on the anode side and a voltage is applied, only the hydrogen gas reacts to become hydrogen ions, and moves to the cathode side in the electrolyte membrane.
H 2 → 2H + + 2e − ・ ・ ・ ・ ・ (8)
2H + + 2e − → H 2 ・ ・ ・ ・ ・ (9)
On the cathode side, hydrogen ions obtain electrons and are reduced to hydrogen gas. Since only hydrogen ions can move in the electrolyte membrane, pure hydrogen can be obtained on the cathode side.
[0048]
Therefore, the electrons flow from the electrode 62 through the
[0049]
[0050]
Next, the operation will be described. When a voltage of 4 V is applied to the
Further, the total thickness is as thin as 0.7 mm, so that it can be made compact even when attached to various devices.
[0051]
[0052]
Next, the operation will be described. The
2H 2 → 4H + + 4e − ・ ・ ・ ・ ・ (10)
At the
4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O ... (11)
At this time, since the temperature of the cell is lower than the dew point (95 ° C.) of the anode gas, excess water is condensed as droplets in the
[0053]
The
[0054]
Next, the operation will be described. When the DC power supply is started, a voltage of 4 V is applied to the
[0055]
Hereinafter, a fifteenth embodiment will be described. FIG. 12 is a conceptual cross-sectional view of a
[0056]
Next, the operation will be described. Pure hydrogen was passed through the
Nevertheless, the low hydrogen concentration indicates that the fuel flowing into the cell is small, and it is clear that there is a problem in the distribution of gas in the stack. This can be performed by monitoring the voltage, and the characteristics of the fuel cell stack have been greatly improved.
[0057]
In the present embodiment, the gas concentration is measured by measuring the voltage with the
[0058]
[0059]
Next, the operation will be described. When a DC voltage is applied between the
Therefore, when the electrode substrate of the anode was changed to one having a half thickness, no increase in voltage occurred. As described above, when the voltage of the
[0060]
Hereinafter, a seventeenth embodiment will be described. FIG. 15 shows a
[0061]
Next, the operation will be described. When a hydrogen gas containing carbon dioxide as an impurity is introduced into the
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the gas diffusion electrode is configured to be bent and integrated with the solid polymer electrolyte, the electrode area per unit area can be increased, and the electrochemical reaction can be performed. Since the device can be smoothly advanced and a small space can be effectively used, there is an effect that the device can be significantly reduced in size.
[0063]
According to this invention, since the gas diffusion electrode is configured as either a mixed woven fabric or a mixed nonwoven fabric of metal fibers and organic fibers having different hydrophilic properties, the deformation of the solid polymer electrolyte is mechanically prevented. The gas required for the reaction can easily flow into the reaction portion, and excess water that inhibits gas diffusion can be easily discharged from the reaction portion, and the electrode area per unit area can be increased. The effect is that the electrochemical reaction proceeds smoothly.
[0064]
According to the present invention, since the gas diffusion electrode is made of either a woven or non-woven metal fiber and the metal fiber is fluorinated, the gas diffusion electrode mechanically deforms the solid polymer electrolyte. In addition to this, the gas required for the reaction can easily flow into the reaction portion, and the electrode area per unit area can be increased, so that the electrochemical reaction can smoothly proceed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of an electrochemical device according to
FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to Embodiment 10 of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of an electrochemical device according to
FIG. 10 is a sectional view showing a fuel cell using an electrochemical device according to
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a dehumidifier using an electrochemical device according to
FIG. 12 is a sectional view showing a gas concentration sensor using an electrochemical device according to
FIG. 13 is a plan view showing a configuration of an electrode of a gas concentration sensor using an electrochemical device according to
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell using an electrochemical device according to
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a gas purifying apparatus using an electrochemical device according to
FIG. 16 is a sectional view showing a conventional electrochemical device.
[Explanation of symbols]
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