JP3242736B2

JP3242736B2 - 電気化学デバイス

Info

Publication number: JP3242736B2
Application number: JP07511593A
Authority: JP
Inventors: 秀雄前田; 憲朗光田; 広明漆畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 2001-12-25
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JPH06267555A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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→Ｈ₂Ｏ・・・・・（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３−１０２
７７４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３−１
４９７６２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。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６
１−２１６７１４号公報の除湿素子等が提案されてい
る。

【０００５】

【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。

【０００６】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１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。

【０００８】請求項２の発明に係る電気化学デバイス
は、前記金属繊維を下記イ〜ホのいずれか１種または２
種以上としたものである。イ．オーステナイト系ステンレススチールロ．周期表５Ａ族元素ハ．周期表６Ａ族元素ニ．周期表８族元素ホ．周期表１Ｂ族元素

【０００９】請求項３の発明に係る電気化学デバイス
は、前記金属繊維をフッ素化したものである。

【００１０】

【００１１】請求項４の発明に係る電気化学デバイス
は、前記有機繊維を撥水性繊維としたものである。

【００１２】請求項５の発明に係る電気化学デバイス
は、前記有機繊維を親水性繊維としたものである。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【作用】請求項１の発明における電気化学デバイスは、
親水性が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ガス拡散電極により、固体高
分子電解質が温度や含水量の変化により変更しようとし
ても前記ガス拡散電極が機械的に該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、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する。

【００１９】請求項２の発明における電気化学デバイス
は、金属繊維を下記イ〜ホのいずれか１種または２種以
上としたことにより、ガス拡散電極の電気抵抗を小さく
させ、電圧ロスを低減する。イ．オーステナイト系ステンレススチールロ．周期表５Ａ族元素、すなわちＶ、Ｎｂ、Ｔａの３
種ハ．周期表６Ａ族元素、すなわちＣｒ、Ｍｏ、Ｗの３
種ニ．周期表８族元素、すなわちＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒ
ｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔの９種ホ．周期表１Ｂ族元素、すなわちＣｕ、Ａｇ、Ａｕの
３種

【００２０】請求項３の発明における電気化学デバイス
は、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し、且つ電気
抵抗を小さくさせるとともに、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る。

【００２１】請求項４の発明における電気化学デバイス
は、有機繊維を撥水性繊維としたことにより、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
ことが容易となる。

【００２２】請求項５の発明における電気化学デバイス
は、有機繊維を親水性繊維としたことにより、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し、且つ
電気抵抗を小さくさせるとともに、親水性繊維があるの
で、電極上に生じた水が、親水性の繊維に集中して集ま
り、金属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、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する。

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。参考例１．図１は本発明の参考例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１２μ
ｍ、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５
０kg／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。

【００２９】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、本参考例の
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、ＳＵＳ３１６
Ｌ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。

【００３０】参考例２．以下、この発明の参考例２について説明する。この電気
化学デバイスは、参考例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参考例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。

【００３１】次に動作について説明する。この参考例の
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１
２、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。

【００３２】実施例１．以下この発明の実施例１について説明する。図２はこの
実施例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）、２
１、３１は電極基材１６、１７中の金属繊維、２２、３
２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。

【００３３】次に動作について説明する。この実施例に
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、１
７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。

【００３４】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。

【００３５】次に、上記電気化学デバイス１５の変形実
施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。

【００３６】次に動作について説明する。この実施例に
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。

【００３７】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。

【００３８】実施例２．以下、この発明の実施例２について説明する。この電気
化学デバイスは、実施例１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例１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、参考例２の布のフッ素化と同様である。

【００３９】次に動作について説明する。この実施例に
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。

【００４０】参考例３．以下、この発明の参考例３について説明する。図３はこ
の参考例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は参考例１の電極基材１２、１
３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４
ｍｇになるように塗布し、乾燥させた。そして参考例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。

【００４１】次に動作について説明する。この参考例の
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、参考例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
の参考例では、１０ｍＶ以上で電流が流れ、電極基材４
３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。

【００４２】参考例４．この電気化学デバイスは、参考例１の電極基材１２、１
３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。

【００４３】次に動作について説明する。触媒効果に関
しては参考例３の電気化学デバイス４１と同様であるの
で省略する。この参考例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。

【００４４】参考例５．以下、この発明の参考例５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、１
２Ｂ、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、１２ｃ
ｍ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２５０μ
ｍのテフロンシート４６を同一平面上に並べる。そして
参考例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）。

【００４５】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２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ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（３）式で示される電圧
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。

【００４６】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。

【００４７】Ｅ＝ＲＴ／２Ｆ×１ｎ（Ｐ_H2／Ｐ_R）・・・・・（３）

【００４８】ただし、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定
数、Ｔは絶対温度、Ｐ_H2は被検査ガス中の水素ガス分
圧、Ｐ_Rは純水素の圧力を示す。

【００４９】尚、本参考例においては、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、本参考例では、対極３は１
枚で構成したが、電極２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ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。

【００５０】参考例６．以下この発明の参考例６について説明する。図５はこの
参考例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参考例４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１
２Ｒ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。そして参考例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０．２ｍ
ｍ、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。

【００５１】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５
２と膜１４の間から流出する。

【００５２】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。２Ｈ₂Ｏ→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^-→２Ｈ₂Ｏ・・・・・（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。２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- ・・・・・（６）４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂ ・・・・・（７）

【００５３】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。

【００５４】参考例７．以下、参考例７について図に基づき説明する。図６は本
参考例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。電極基材としては参
考例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１
４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、５
５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。

【００５５】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、本参考例の電極基材５４、５
５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。

【００５６】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。

【００５７】参考例８．以下参考例８について説明する。図７はこの参考例の電
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。

【００５８】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、
上記参考例では厚さ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。

【００５９】参考例９．以下参考例９について説明する。図８はこの参考例の屈
曲した電極と電解質膜を一体化した電気化学デバイス６
１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３−２０８
２６２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２
ｍｍのガス流路を形成した。

【００６０】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６
２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２
３中に導入される。

【００６１】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。

【００６２】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６
８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。

【００６３】参考例１０．以下参考例１０について説明する。図９はこの参考例の
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、ＳＵＳ３１
６Ｌ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参考例４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１
４、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）。

【００６４】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、
本参考例では、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。

【００６５】参考例１１．以下参考例１１について説明する。図１０はこの発明の
参考例７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５
４、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。

【００６６】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^-→２Ｈ₂Ｏ・・・・・（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。

【００６７】参考例１２．以下参考例１２について説明する。図１１は参考例１０
の電気化学デバイス７１を使用した除湿装置９１であ
り、７２が弾性種電体、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参考例４
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／ｃｍ
²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。

【００６８】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７
４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１
２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７
４、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。また参考例９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。

【００６９】参考例１３．以下、参考例１３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参考例５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、１
２Ｃ、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。そして参考例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６４
ｃｍ²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〜１
０３Ｄ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〜１
２Ｐ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。

【００７０】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
３式で示される電圧になる。それぞれの電圧１０４−１
０５Ａ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。

【００７１】尚、本参考例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−１
０３Ｂ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。

【００７２】参考例１４．以下参考例１４について説明する。図１４は参考例６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、１
１４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、１
２Ｒ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。

【００７３】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６
式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、７式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２
Ｖ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１１
８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。

【００７４】参考例１５．以下参考例１５について説明する。図１５は参考例９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Ｓ
ＵＳ３１６Ｌ繊維の焼結電極基材で、幅２ｍｍ、高さ２
ｍｍ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８−９
間を押さえつけている。

【００７５】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６
３Ａ〜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、本参考例のように、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。

【００７６】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、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る効果がある。

【００７７】請求項２の発明によれば、金属繊維を、下
記イ〜ホのいずれか１種または２種以上のように構成し
たので、ガス拡散電極の電気抵抗を小さくさせることが
でき、電圧ロスを低減させる効果がある。イ．オーステナイト系ステンレススチールロ．周期表５Ａ族元素ハ．周期表６Ａ族元素ニ．周期表８族元素ホ．周期表１Ｂ族元素

【００７８】請求項３の発明によれば、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し、かつ電気抵抗を小さ
くさせることができ、また、撥水性を付与することによ
り、反応に必要な気体を反応部分に容易に流入できる効
果がある。

【００７９】請求項４の発明によれば、有機繊維を撥水
性繊維のように構成したので、反応に必要な気体を反応
部分に容易に流入できる効果がある。

【００８０】請求項５の発明によれば、有機繊維を親水
性繊維のように構成したので、反応に必要な気体を反応
部分に容易に流入させることができ、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る効果があ
る。

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の参考例１の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例１の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図３】この発明の参考例３の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図４】この発明の参考例５の電気化学デバイスの構成
を示す平面図である。

【図５】この発明の参考例６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】この発明の参考例７の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図７】この発明の参考例８の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図８】この発明の参考例９の電気化学デバイスの構成
を示す断面図である。

【図９】この発明の参考例１０の電気化学デバイスの構
成を示す断面図である。

【図１０】この発明の参考例７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】この発明の参考例１０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】この発明の参考例５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】この発明の参考例５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】この発明の参考例６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】この発明の参考例９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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｍ 8/10 Ｇ０１Ｎ 27/58 Ｚ (56)参考文献特開平４−311587（ＪＰ，Ａ) 特開平５−41230（ＪＰ，Ａ) 特開平５−283094（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−42967（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10 H01M 4/86 - 4/98 H01M 10/40 H01M 6/18 C25B 11/00 - 11/20 G01N 27/58

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質の両面部にガス拡散電
極を設けた電気化学デバイスにおいて、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
異なることを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項２】前記金属繊維は下記イ〜ホのいずれか１
種または２種以上であることを特徴とする請求項１記載
の電気化学デバイス。イ．オーステナイト系ステンレススチールロ．周期表５Ａ族元素ハ．周期表６Ａ族元素ニ．周期表８族元素ホ．周期表１Ｂ族元素
【請求項３】前記金属繊維をフッ素化したことを特徴
とする請求項１または請求項２記載の電気化学デバイ
ス。
【請求項４】前記有機繊維は撥水性繊維であることを
特徴とする請求項１または請求項２記載の電気化学デバ
イス。
【請求項５】前記有機繊維は親水性繊維であることを
特徴とする請求項１または請求項２記載の電気化学デバ
イス。