JP2934632B2 - 平板状多重接合電気化学式セル - Google Patents

平板状多重接合電気化学式セル

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JP2934632B2 JP6316322A JP31632294A JP2934632B2 JP 2934632 B2 JP2934632 B2 JP 2934632B2 JP 6316322 A JP6316322 A JP 6316322A JP 31632294 A JP31632294 A JP 31632294A JP 2934632 B2 JP2934632 B2 JP 2934632B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は一般的に電気機械式装置
に関し、さらに詳細には電気化学式セルの構成に係わる
ものである。 【０００２】 【従来の技術】電気化学式セルは、一般に電解膜が陰極
と陽極との間に位置するとともにこレら両極と接触する
ように形成されており、エネルギーの生成（電池）又は
仕事を行う（ポンプ）に使用することができる。この種
のセルを電池として構成する場合には、燃料ガス、例え
ば水素等は陽極に、ガス状酸化体、例えば酵素等は陰極
に供給する。電流が発生する一方、水が副産物として生
ずる。米国特許第3,418,168 号明細書にはこの種の単一
のセルを使用して電力を得るものが開示されている。
又、電気化学式セルをポンプとして構成する場合には、
電圧を陽極及び陰極の両端に印加する。続いて、酸化還
元反応が可能なガスを陽極側に供給する。陰極におい
て、ガスはイオン化した上、電解膜両端の電圧こう配に
より電解膜中を透過する。陰極において、イオンはガス
分子に再び変換し、これにより陰極側の圧力が増加し、
陰極側の圧力が減少する。その結果、電解膜両端におい
て陽極から陰極方向にポンプ作用が生ずる。米国特許第
4,402,817 号明細書はこの種の単一のセルをポンプとし
て使用したものを開示している。 【０００３】 【発明が解決しようとする問題点】個々の電気化学式セ
ルは、電池として構成する場合でも、ポンプとして構成
する場合でも、一般に比較的小さな電圧電流を動作す
る。電圧が小さいため、電解膜の破壊が防止されるとと
もにセルの効率を向上させることができる。個々のセル
は小さな電圧電流で動作するが、電気化学装置全体とし
ては標準電池及び電気装置に適合可能なはるかに高い電
圧値で動作しなけれぱならない。一般に、単独のセルが
機械的に積重ねられ、隣接したセルの壁部が接続され
る。この方法は、一般に大規模な装置を考える時には容
認可能である。しかしながら、用途により、特に小規模
な装置を必要とする場合にはこの方法は受けいれがたい
ものになる。従ってこの種の用途のために単独のセルを
構成する方法の改良が待たれている。 【０００４】 【問題点を解決するための手段】本発明は複数の独立し
たセルを単一の電解膜上に配し、これを一つの室内に収
納させ、同セルを直列及び又は並列に電気接続した電気
化学式セルの改良構成にある。上記構成により、個々の
セルの仕切が不要となるため、機械的な積重ね構成に比
べ容積及び重量をかなり減少させることが可能である。
この改良構成は、又、セルの信頼性及び効率を向上させ
るとともにセルの製造コストが削減できるとう効果があ
る。 【０００５】 【作用】本発明の特徴は、例えば、単一の電解膜上に三
つのセルを配し電気的に直列接続とした構成により、単
一のセルを使用した場合と同様のガス流量を達成するこ
とが可能となる上、発生する電圧値も三倍に増加すると
いう点にある。同様に、本発明の改良構成によって取り
出される電流量は三分の一に減少するため、消費電力は
常に一定となる。又、本発明の改良構成は、電圧が三倍
増加しながらも電解膜の総面積は変化しないため、標準
型の乾電池に比肩しうるものである。 【０００６】 【発明の効果】電圧を三倍高めるには、三つのセルを機
械的に積重ねた構成とし、これら三つのセルを単純に接
合した電気的に直接接続としたものによっても達成可能
である。電圧は必要に応じて増加させることが可能であ
るが、ガス流量、電流値及び寸法も三倍増となってしま
う。本発明の改良三セル構成に比肩しうるガス流量、及
び電池値で動作させるために、上記三セル構成を三分の
一に小型化すればよいかもしれないが、これは、小型の
機械的積重ね構成から生ずる多数の仕切用壁部並びに入
口側及び出口側のライン数による重量、容積及び複雑さ
に限定されるという問題がある。本発明の改良構成によ
れば、機械的積重ね構成に比べ重量、容積及び複雑さや
を軽減できるばかりでなく、一つの電解膜と一組の入口
側及び出口側ライン以外の余分な要素はすべて排除でき
る上、極めてローコスト且つ大幅に単純化された製造工
程により効率及び信頼性の向上が図れるのである。上記
記載から、本発明が当該分野における著しい進歩を促す
ものであることは理解されよう。本発明の他の特徴並び
に効果は、本発明の原理を例示するための添付図面を参
照しながら以下に行う詳細な説明により明らかとなろ
う。 【０００７】 【実施例】図面から明らかなように、本発明の電気化学
式セルの新規構成に係わるものである。一般的なセル動
作電圧は、乾電池等の従来の電源の電圧に比べはるかに
低い。セルを機械的に積重ね電気的に直列接続とすれば
上記の電圧問題は解決するが、容積、重量及びガス流量
の増加を犠牲にする必要がある。本発明によれば、多数
の電気化学式セルを単一の電解膜上に配し、これを一つ
の室内に収納させ、所望の動作電圧を得るように該セル
電気接続する。図１は、ポンプ用途に適するよう、三つ
の電気化学式セル１０、１２、１４を単一の電解膜１６
上に配した構成を示す。密閉容器１８はポンプ室を構成
し、電解膜１６は該ポンプ室を入口室２０と出口室２２
に分離する。電解膜１６の両端に電圧を印加すると、入
口室２０に封入した電気化学的に活性の液体が出口室２
２に吸い出される。膜１６は又、三つの電気化学式セル
１０、１２、１４の基礎構造を構成する。夫々の電気化
学式セルは、電解膜１６の両面上に設けた一対の導電性
電極、セル電極を電気接続するための一対の電気接点、
並びにセル電極と接触した膜１６の当該部分から成って
いる。例えば、電気化学式セルは電極２４、２６、電気
接点２８、３０並びに膜１６を含む。電気化学式セル１
２は電極３２、３４、電気接点３６、３８並びに膜１６
を含む。電気化学式セル１４は電極４０、４２、電気接
点４４、４６並びに膜１６を含む。 【０００８】各電極は、膜１６両端に対する印加電圧の
こう配に応じて、入口室２０内のガス分子をイオン化
し、これがガスイオンを出口室２２において再度ガス分
子に変換させる触媒として働く、いずれの導電性材料に
よっても構成可能である。膜１６は、陰イオン又は、陽
イオンを移送することができる分離した各機能群を含
む、いずれの固体電解物質によっても構成可能である。
各電気接点はいずれの導電性材料によっても構成可能で
ある。図１に示す電気化学的ポンプは容易に構成され
る。密閉容器１８は壁部片５６、５８により形成され、
部片５６、５８は金属、ガラス又はプラスチック等の、
ガス不浸透性材料により構成すればよい。ガスケット６
０、６２は、部片５６、５８を接続し容器１８を形成す
る際に密閉性を確保するためのものである。部片５６は
入口室２０に通じるガス入口６４及び逆止め弁６６を含
む。部片５８は出口室２２から通じるガス出口６８を含
む。電気接点２８、３０、３６、３８、４４及び４６は
容器１８内に延び、容器１８中で電気的に接続される。
図２は直列接続した三つの電気化学式セルの接続状態を
示す図である。電気接点２８は適当な電源の陽極側に接
続され、電気接点３０及び３６は、互いに電気的に接続
される。電気接点３８及び４４は、互いに電気的に接続
され、電気接点４６は電源の陰極側に接続される。この
様に、各接点を電気的に接続することによって夫々のセ
ルの電圧に関し、装置全体の電圧は三倍に増加する。 【０００９】図１に示す装置は、電極２４、３２、４０
と反応してイオンを生成し、電解膜１６を透過した後電
極２６、３４、４２により再度分子状態に変換するよう
な、電気化学上可逆的に活性の物質であれば、いかなる
酸化一還元物質を用いても動作する。ガス状の水素分子
は好適な一例である。電極２４、３２、４０において
は、陽極反応が生じ、これは式 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- により表される。従って、入口室２０内の水素分子は電
解膜１６の両側における電圧こう配により膜１６を透過
するイオンに電離する。電極２６、３４、４２において
は、陰極反応が生じ、これは式 ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2 により表される。従って、水素イオン水素分子に再度変
換され、出口室２２に放出される。単一の電解膜上にお
ける電気化学式セルの直列構成において、装置の総電圧
値は、セル間の「漏話」即ちイオン電解質の漏れがない
ことを条件とし、各セル電圧の合計値と等しくすべきで
ある。 【００１０】図３は二つの単独セル及び一つの二重セル
により得られた実験結果例を示す。電圧（単位：ボル
ト）は縦軸に、電流（単位：ミリアンペア）は横軸に示
す。最初に単独のセル電流の夫々を電圧の関数として示
す。次に、これらの電圧電流曲線を加え合わせ計算上の
合計曲線を得る。この合計曲線は直列接続の二つのセル
の実験結果と等しくなるはずである。故に、二つの曲線
は相似するため、「漏話」は小さくなる。これは、大部
分、隣接した電極間の距離と電解膜の厚みとの比が高い
ために生じた結果である。図４乃至図６は、単一の電解
膜上六つの電気化学式セルを配した電気化学式ポンプの
構成を簡潔に示す図である。モジュール型電気化学式ポ
ンプ７０は、参照番号７２、７４、７６、７８、８０、
８２及び８４が指示する七つの円形部材により構成され
る。中心部材７８は固体の電解膜を含む。部材７８の膜
の両側には電極形成層８６が被着される。二つの環状部
材７６、８０は部材７８の膜の支持構造体となる。次順
の外側部材７４、８２も環状に形成され、集電装置８
８、９０を有するとともに入口室９２及び出口室９４を
構成する。外側部材７２、８４はポンプ７０の上側壁部
と下側壁部を構成する。流体は部材７２に含まれた流体
入口９６から入口室９２に流入する。入口室９２に流入
した流体は電気化学的に活性なので、部材７８の両側に
おける電圧こう配の作用により、膜を透過して、出口室
９４内に吸い込まれる。該出口室は部材８４に含まれた
流体出口９８に通じる。 【００１１】六つの電気化学式セルは部材７４、７８、
８２の組合わせにより構成され、夫々が導電性の電極及
び該電極と接触する部材７８の膜の当該部分を含む。部
材７８の電解膜は六つのフル夫々を設けるための基礎を
構成する。部材７８の両面には、所望の形状の電極を得
るように、金属薄膜を被着し電極形成層８６を形成す
る。本実施例の電極形成層８６は実質的に平行な六つの
帯状金属膜を有し、夫々の金属膜がほぼ同一の表面積を
有している。集電装置８８、９０は電極形成層８６に上
設される。六つの電気化学式セルの集電装置は各部材の
外周部に設けた穴に挿通された一連の接触ピンを介して
電気的に内部接続される。又、線状の金属を外側部材７
２、８４の内側に直接被着する。例えば、接触ピン１０
０は被着金属線１０２と１０４との間の電気接続を構成
する。又、被着金属線１０２は集電装置１０６と、被着
金属線１０４、集電装置１０８と、夫々電気接続を形成
する。接触ピンは更に、各部材が結合された時に芯出し
及び構造上の統一性をもたらす役割を果たす。上記実施
例により、本発明に係わる単一の電解膜上に対するセル
の構成配置は極めて効率的且つ小型の電気化学式セル構
造体を実現するものであることは十分理解できるであろ
う。本発明の幾つかの実施例を説明してきたが、本発明
の真正な精神と範囲を逸脱することなく、他の応用や変
形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】 【図１】単一の平板表面上に三つのセルを有する平板状
多重接合セルを部分断面にして示す立面図である。 【図２】三つのセルの直列電気接続を示す膜式図であ
る。 【図３】例示の単独電気化学式セルと二重電気化学式セ
ルの電圧一電流曲線を示すグラフである。 【図４】単一の平板表面上に六つのセルを有する平板状
多重接合セルの分解斜視図である。 【図５】図４の平板状多重接合電気化学式セルの平面図
である。 【図６】図５の線６−６に実質的に沿う断面図である。 【符号の説明】 １０、１２、１４ 電気化学式セル １６ 電解膜 １８ 容器 ２０ 第１の部屋（入口室） ２２ 第２の部屋（出口室） ２４、２６、３２、３４、４０、４２ 電極 ２８、３０、３６、３８、４４、４６ 電気接点 ７０ 電気化学式ポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−161266（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−200666（ＪＰ，Ａ) 特公 昭39−11317（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 １．平板状多重接合電気化学式セルにおいて、 単一の容器と、 前記容器内部に設けられ、第１及び第２の部屋を構成す
    るように前記容器内部において固定された単一の電解膜
    と、 前記電解膜の一方の側に設けられた複数の陽極と、 複数の陽極と陰極との対を形成するように前記電解膜の
    他方の側に前記複数の陽極に対応するようにそれぞれ整
    列された複数の陰極とを備え、 前記陽極と陰極のそれぞれの対が該対を電気的に接続す
    る電気接点を有しており、前記対が１つのセルを形成し
    ており、さらに、 前記第１の部屋に燃料ガスを供給するための手段と、 前記第２の部屋にガス状酸化体を供給するための手段と
    を有してなることを特徴とする平板状多重接合電気化学
    式セル。 ２．平板状多重接合電気化学式セルにおいて、 単一の容器と、 前記容器内部に設けられ、第１及び第２の部屋を構成す
    るように前記容器内部において固定された単一の電解膜
    と、 前記電解膜の一方の側に設けられた複数の陽極と、 複数の陽極と陰極との対を形成するように前記電解膜の
    他方の側に前記複数の陽極に対応するようにそれぞれ整
    列された複数の陰極とを備え、 前記陽極と陰極のそれぞれの対が該対を電気的に接続す
    る電気接点を有しており、前記対が１つのセルを形成し
    ており、さらに、 前記第１の部屋に燃料ガスを供給するための手段と、 前記第２の部屋にガス状酸化体を供給するための手段
    と、 発電の流体副産物を容器から排出する流体出口とを有し
    てなることを特徴とする平板状多重接合電気化学式セ
    ル。 ３．前記陽極と陰極のそれぞれの対を直列に電気接続す
    るための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の
    平板状多重接合電気化学式セル。 ４．前記陽極と陰極のそれぞれの対を並列に電気接続す
    るための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の
    平板状多重接合電気化学式セル。 ５．前記陽極及び陰極は夫々、前記電解膜上に直接被着
    された金属薄膜を含むことを特徴とする請求項１に記載
    の平板状多重接合電気化学式セル。 ６．前記陽極と陰極のそれぞれの対を電気接続するため
    の手段が設けられており、該手段が前記容器の壁部内側
    に被着された複数の銅線を接続する複数の接触ピンを含
    むことを特徴とする請求項１に記載の平板状多重接合電
    気化学式セル。 ７．前記燃料ガスは水素を含むことを特徴とする請求項
    ２に記載の電気化学式セル。 ８．前記ガス状酸化体を酸素を含むことを特徴とする請
    求項７に記載の電気化学式セル。
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