JP3856769B2 - 水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体およびそれを用いた水の電気分解装置付き燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体に係り、特に、固体高分子電解質膜、この膜の両面に接合された酸素極および水素極を有してなる膜・電極接合体、およびそれを利用した水素発生装置を備えた燃料電池として使用することができる水の電気分解装置付き燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、燃料電池は、環境にやさしく、高効率の発電装置として注目され、実用に供するよう開発されている。この燃料電池には、燃料として水素、ＬＰＧ（液化天然ガス）、アルコール等が使用されているが、特に、環境を考えると水素が最も好ましく、水素を封入したボンベ、水素吸蔵合金を内蔵したボンベから供給される水素を利用している。
【０００３】
このための水素を得るために、水の電気分解が行われており、それによる水素を発生する装置としては、特に供給水として海水等の塩水を用いたイオン交換膜を使用した水素発生装置がある（例えば引用文献１参照）。
【０００４】
また、塩水の電気分解に用いられる不溶性電極としては、高電流密度条件や高電圧条件下での基材の損傷を抑制することができるようにしたものがあるが、水素発生効率が高く、長寿命を達成する白金イリジウム系電極がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−６４０８０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６９６８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような水素を製造する方法を実施する水の電気分解装置では、一般的には、水を酸性またはアルカリ性の状態で通電することにより水素を発生させており、この場合、使用される酸、または塩基はそれぞれ強酸、強アルカリであり、安全上問題となる。
【０００７】
本発明は、以上述べたような問題点に鑑みてなされたものであり、安全に水を電気分解することにより、燃料電池の燃料として使用できる水素の発生を可能にした水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体を提供することを目的とするものである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体を使用して、使用上安全であるとともに水素を得ながらその水素で発電することができる水の電気分解装置付き燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池は、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の一方側に接合される酸素極、および固体高分子電解質膜の他方側に接合される水素極を有する水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体をそれぞれ備え、エンドプレートを挟むとともに、両外側のエンドプレート間に位置される少なくとも一対の膜・電極接合体、この膜・電極接合体の中心部に貫通して形成された流体の流通を可能にする水素流路、これらの部材を一体にするために膜・電極接合体の中心部の水素流路に通される一本のタイ・ボルト、およびこのタイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に膜・電極接合体を一体に締め付けるための固定用ナットからなる水の電気分解装置付き燃料電池であって、膜・電極接合体における水の電気分解機能を有する膜・電極接合体は、酸素極が、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層とを含み、水素極が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含み、そして、膜・電極接合体における発電機能を有する膜／電極接合体は、酸素極および水素極の両方が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（白金）および／またはＰｔ（白金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含む、膜・電極接合体が、それぞれ酸素極側に隣接した流路板と、この流路板の外側および水素極側の外側に隣接して設けられた集電板をなすセパレータ板とを有し、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体が水中に浸されるとともに、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体のセパレータ板には直流電源が接続されていることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明による水の電気分解装置付き燃料電池においては、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体において、酸素極が多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、その表面にカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層を形成することにより製造され、そして、水素極が、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第１のコーティング層を形成し、さらに、その表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第２のコーティング層を形成することにより製造され、また、発電機能を有する膜電極接合体において、酸素極および水素極の両方が、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第１のコーティング層を形成し、さらに、その表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第２のコーティング層を形成することにより製造され、このようにして形成した酸素極と水素極とのそれぞれの第２のコーティング層間に固体高分子電解質膜を挟んで、プレスで一体化して得られる水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体をそなえているので、固体高分子電解質膜を挟む酸素極と水素極の外側に、酸素極側には酸素流路板を介して集電板をなすセパレータ板を、水素極側には直接同様な集電板をなすセパレータ板を配置して、一体にされて水に浸され、セパレータ板から電気を流すと、固体高分子電解質膜はイオン交換膜であるため水素イオンである陽イオンのみの透過により、それぞれの極において酸素と水素を発生させることができる。
【００１５】
この場合、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体の酸素極においては、多孔性のカーボン上にイリジウムめっきがされているので、１．６Ｖの電圧をかけることにより、イリジウムのみが機能して、電気分解を行い、酸素の発生を行うことができる。
【００１６】
また、この膜・電極接合体においては、水素極にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂の混合物を含むコーティング層において、Ｐｔ（合金）が触媒として作用するので、水素極に水素を供給し、酸素流路板から空気によって酸素が供給されると、通常の燃料電池として機能し、セパレータ板から電流を取り出すことができる。
【００１７】
なお、カーボンと固体高分子膜用樹脂のほかに、多孔性のシート状カーボン素材との接着性を向上するために、更に、ＰＴＦＥが添加された混合物を塗布してコーティング層としてもよい。
【００１８】
また、酸素極にはＰｔおよびＰｔ合金が使用されているが、電極のカーボンが損傷を受けない電圧１．６Ｖで使用され、かつその電圧で水の電気分解を可能にするためにイリジウムのめっきが施される。これによって、カーボンが損傷受けることなく耐久性にも優れた膜・電極接合体が提供される。そして、同じものが燃料電池として使用されるときには、イリジウムは燃料電池の触媒しては機能せず、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）の担持カーボンは、Ｐｔが触媒として機能し、水素イオンと電子と酸素との結合により水を生成させる触媒として作用する。したがって、システムとして耐久性に優れたものが得られる。
【００１９】
さらに、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体が、一対の膜・電極接合体の間にセパレータ板を挟んで、さらに両外側にエンドプレートを設けてエンドプレート間に膜・電極接合体を位置させ、この一対の膜・電極接合体の中心部に貫通して位置される流体の流通を可能にした水素流路を設けるとともに、この水素流路に中心を合わせて連通するように酸素流路板、セパレータ板、エンドプレートのそれぞれにも中心部に水素流路を設け、これらの部材を一体にするために膜・電極接合体の中心部の水素流路を通される一本のタイ・ボルト、および、このタイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に膜・電極接合体を固定用ナットにより一体に締め付けることにより提供される。その際、上記構成の膜・電極接合体を一対としてだけでなく、それぞれ複数個積み重ねることにより、必要に応じた酸素または水素を発生させることができる。そして、発生した水素を燃料電池として機能する膜・電極接合体に供給して、発電作用をさせることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体およびそれを用いた水の電気分解装置付き燃料電池について、以下、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る水の電気分解機能および発電機能を有する膜・電極接合体を示す概略図であり、図２は、この膜・電極接合体を使用した水の電気分解装置付き燃料電池の概略説明図であり、そして、図３は、比較される燃料電池に使用されている固体高分子電解質膜と電極との接合体の概略図である。
【００２３】
まず、本発明による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０と対比される燃料電池の膜・電極接合体１０′について、図３を参照して説明すると、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜１２′、この固体高分子電解質膜１２′の両面に配置される水素極１３′と酸素極１４′が結合されている。水素極１３′は、多孔性のシート状カーボン素材１３ａ′と、その表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１３ｂ′を形成し、さらに、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１３ｃ′を形成したものである。
【００２４】
この水素極１３′に対して固体高分子電解質膜１２′の反対側面の酸素極１４′は、多孔性のシート状のカーボン素材１４ａ′と、その表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１４ｂ′を形成し、さらに、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１４ｃ′を形成したものである。
【００２５】
上記水素極１３′と酸素極１４′との間に固体高分子電解質膜１２′を挟んで、プレスで一体化した接合体が水素を燃料とする燃料電池に用いられる。この接合体に対して、水素極１３′と酸素極１４′との外側に配置されるステンレス製のセパレータ板を設けることにより、酸素極１４′側に供給される酸素と、水素極１３′へ供給される水素との間で触媒と固体高分子電解質膜１２′の働きにより水素イオンのみを固体高分子電解質膜１２′を透過させて、集電板となるセパレータ板から電流を取り出すことができるものである。
【００２６】
この膜・電極接合体１０′は、電極と触媒とイオン交換膜が一体化されたものであり、触媒としては、Ｐｔおよび／またはＰｔ合金とそれらの担持カーボンが使用されていて、固体高分子電解質膜１２′はイオン交換膜として、陽イオンのみ透過するものとして使用されている。
【００２７】
本発明の膜・電極接合体１０は、上記膜・電極接合体１０′の発電作用だけでなく、酸素と水素の発生を行うことができるように水の電気分解の機能も有するようにしたものであり、以下のような構成を有するものである。図１に示されるように、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０は、燃料電池の場合と同様にパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜１２を挟んで水素極１３と酸素極１４が配置されてなるものである。
【００２８】
水素極１３は、多孔性のシート状カーボン素材１３ａにＰＴＦＥによる撥水処理をして、その表面にカーボン、ＰＴＦＥおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第１のコーテング層１３ｂを形成して、さらに、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第２のコーティング層１３ｃを形成したものである。
【００２９】
そして、酸素極１４は、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材１４ａの表面にカーボン、ＰＴＦＥおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第１のコーティング層１４ｂを形成したものである。さらに、水素極１３と同様に、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布した第２のコーティング層１４ｃを形成したものである。
【００３０】
このような構造の水素極１３と酸素極１４との間に固体高分子電解質膜１２を挟み、プレスで一体化することにより水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０が構成される。
【００３１】
以上のように構成された膜・電極接合体１０は、水の電気分解により水素を発生しながら、発生した水素により発電を行うことができるように、水素発生用の膜・電極接合体１０１と、燃料電池用の膜・電極接合体１０２として使用され、図２に示すような水の電気分解装置付き燃料電池１００を構成することができる。以下、図２を参照して、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池１００を説明する。
【００３２】
この水の電気分解装置付き燃料電池１００は、上記構成の膜・電極接合体１０１、１０２において中心部に開口が設けられ、水素発生用膜・電極接合体１０１に対して、燃料電池と同様に水素極１３１側においては、その領域に発生した水素を中心部の後述する水素流路４４に向けるためのアウターシール１６１が設けられ、さらに、その外側面にはステンレス製の集電板として機能するセパレータ板３４１が密接して設けられ、さらにセパレータ板３４１の外側面にはＥＰＤＭのような合成ゴム製のエンドガスケット２２を介してエポキシ樹脂製のエンドプレート２４が配置されている。また、酸素極１４１側には、カーボン素材からなる酸素流路板１８１が隣接して設けられ、その軸線方向の外側に集電板の機能を有するセパレータ板３４１が隣接して設けられ、その軸線方向の外側にＥＰＤＭのような合成ゴムからなるエンドガスケット２２を挟んでエンドプレート２４が設けられる。そして、膜・電極接合体１０１の中心部の開口に対応して、両セパレータ板３４１、３４１、両エンドガスケット２２、２２、両エンドプレート２４、２４には、中心部に貫通孔を形成するように、水素流路４４が設けられている。このように構成された水素発生用膜・電極接合体１０１は、水槽６０内の水７０に浸されるとともに、水槽６０から外側に突出されたセパレータ板３４１、３４１の端部が電源８０に接続される。その際、水素流路４４への酸素の流入を阻止するために、酸素極１４１と酸素流路板１８１との中心部の開口に面した内周部には、水素流路４４に対応した内径を有するインナーシール２８１が設けられている。
【００３３】
また、水槽６０の外側に位置する水素発生用膜・電極接合体１０１のエンドプレート２４に対しては、エンドガスケット２２を挟んで燃料電池用膜・電極接合体１０２が積み重ねるように設けられる。この燃料電池用膜・電極接合体１０２は、水素発生用膜・電極接合体１０１と同じ構成を有し、膜・電極接合体１０２の中心部には開口が設けられ、水素流路４４内の水素が導かれる水素極１３２には、水素発生用膜・電極接合体１０１に発生した水素を中心部の水素流路４４から受けて留めるためのアウターシール１６２が設けられ、さらに、その外側面に重ねられるようにステンレス製の集電板として機能するセパレータ板３４２が密接して設けられている。また、酸素極１４２側には、カーボン素材からなる酸素流路板１８２が隣接して設けられ、その軸線方向の外側に集電板の機能を有するセパレータ板３４２が隣接して設けられ、その軸線方向の外側にＥＰＤＭのような合成ゴムからなるエンドガスケット２２を挟んでエンドプレート２４が設けられる。そして、膜・電極接合体１０２の中心部の開口に対応して、両セパレータ板３４２、３４２、両エンドガスケット２２、２２、両エンドプレート２４、２４には、中心部に貫通孔を形成するように、水素流路４４が設けられている。酸素極１４２および酸素流路板１８２の水素流路４４に面した内面には、水素流路４４との連通を阻止するようにインナーシール２８２が設けられている。このように構成された、燃料電池用膜・電極接合体１０２は、水槽６０内の水７０に浸されることなく大気中に位置するように、水槽６０から外側に露出された状態で設置される。
【００３４】
このように積み重ねられた水素発生用膜・電極接合体１０１および燃料電池用膜・電極接合体１０２は、その中心部を貫通する水素流路４４の中心を通され両端部にねじを切ったタイ・ボルト２６が設けられ、両エンドプレート２４の軸線方向の外側面に対してナット４０、５０が締め付けられることにより一体構造にされている。
【００３５】
さらに、このように構成された膜・電極接合体１０の一体構造部は、水槽６０内に水７０中に少なくとも酸素極１４１外側のセパレータ板３４１の部分まで浸されるように位置されて設置され、水の電気分解装置付き燃料電池１００をなすものである。
【００３６】
上記構成の水の電気分解装置付き燃料電池１００における水の電気分解用膜・電極接合体１０１においては、酸素発生側の酸素極１４１において、Ｐｔがコーティングされた場合、水の電気分解のためには、電圧を２Ｖ以上にする必要がある。しかし、このような電圧では酸素極１４１のシート状カーボン１４ａが損傷を受けるので、耐久性が問題となる。このために、酸素極１４１における多孔性のシート状カーボン１４ａには、イリジウムを施すことによって１．６Ｖ以上で水の電気分解が可能となり、また、カーボンの損傷を回避され、耐久性の優れたものとすることができる。
【００３７】
このような酸素極１４１側の触媒Ｐｔとイリジウムの電気分解電圧と、酸素ガス発生と、カーボンの損傷とを対比すると以下のようになる。
【００３８】
【表１】
【００３９】
上記の水の電気分解装置付き燃料電池１００における膜・電極接合体１０１においては、膜・電極接合体１０１、酸素流路板１８１およびセパレータ板３４１までが水７０に浸されているので、電源８０によって両セパレータ板３４１、３４１に通電すると、水素極１３１には酸素極１４１側から陽イオンである水素イオンのみが固体高分子電解質膜１２１を透過し、水素極１３１にコーティングされたＰｔ（合金）に達して、そこで反応し水素を発生する。発生した水素は、水素極１３１の外周部をＥＰＤＭのような合成ゴムからなるアウターシール１６１で覆っているために、多孔性のシート状カーボン素材１３ａを通過して水素流路４４へと供給され、水槽６０の外に位置する発電用膜・電極接合体１０２側の水素流路４４へ送られ、水素流路４４のナット５０側は閉じられているために、発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２へ黒矢印のように供給される。
【００４０】
一方、酸素極１４１側では、酸素極１４１および酸素流路板１８１が白矢印のように水槽６０から供給される水に浸されていて、セパレータ板３４１は通電されているため、水素極１３１と同様にイリジウムめっきの触媒作用により酸素を発生する。発生した酸素は、酸素流路板１８１が多孔性のカーボン素材からなっているため、また、水素流路４４に面した内周部にはインナーシール２８１が配置されているために、発生した酸素を酸素極１４１の外周部へと送り出して、黒矢印で示すように水槽６０の水７０の中に導かれ、大気へと放出される。
【００４１】
以上の通り、燃料電池１００の水の電気分解用膜・電極接合体１０１の水素極１３１によって発生された水素は、中心部の水素流路４４から黒矢印方向に導かれ、発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２に達する。水素極１３２に導かれた水素と、酸素流路板１８２から空気として大気から酸素極１４２に供給された酸素とは、水素極１３２と酸素極１４２との間の固体高分子電解質膜１２２の反応により、発電機能を達成することができる。そして、発生された電流は、集電板として機能するセパレータ板３４２、３４２からそれらに接続されたモーター等の電動負荷９０へ供給することができる。
【００４２】
なお、上記構成の燃料電池１００の発電用膜・電極接合体１０２は、水の電気分解用膜・電極接合体１０１と同じ構成を有するものを使用しているが、酸素極１４２に対して、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきを施さない図３に示すものを使用してもよい。
【００４３】
即ち、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体１０１は、酸素極１４１が、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材１４ａと、固体高分子電解質膜１２に接する側のシート状カーボン素材１４ａの面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層１４ｂとを含む。水素極１３１が、多孔性のシート状カーボン素材１３ａと、固体高分子電解質膜１２に接する側のシート状カーボン素材１３ａの面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層１３ｂと、この第１のコーティング層１３ｂに塗布されるＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層１３ｃとを含む。そして、発電機能を有する膜／電極接合体１０２は、酸素極１４２および水素極１３２の両方が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜１２２に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（白金）および／またはＰｔ（白金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含むことからなる。
このために、イリジウムを使用しないので、発電機能を有する膜・電極接合体１０２に安価なものを採用することができるので、水の電気分解装置付き燃料電池として経費の節減を行うことができる。
【００４４】
また、上記構成の燃料電池においては、始動時における水素流路４４内の残留空気等を抜くために、ナット５０には水素流路４４と大気に通じるブリーダバルブ４６を設けて、発生した水素を発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２への供給をスムーズに行うようにしてもよい。
【００４５】
また、水の電気分解用膜・電極接合体１０１の水素極１３１における水素発生を行うために、水素流路４４内に水７０を満たすためにナット４０に複数個の連通孔４２を設けてもよい。
【００４６】
また、本発明による上記の水の電気分解装置付き燃料電池１００においては、２つの膜・電極接合体１０１、１０２のみを用いた場合を説明したが、要求される出力電流に応じて複数個の膜・電極接合体１０１、１０２を積み重ねて、積み重ねたものをそれぞれを水素発生用膜・電極接合体および発電用膜・電極接合体として、エンドプレート２４、２４間に配置し、一体化したものであってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体は、以上説明した構成により以下のような効果を奏する。
上記構成の膜・電極接合体においては、酸素発生側の電極にイリジウムめっきした多孔性のシート状カーボン素材が用いられているので、電気分解時には１．６Ｖの電圧でイリジウムのみが機能し、発電時にはＰｔ（合金）担持カーボンにおいてＰｔが触媒として機能し、イリジウムは発電のための触媒として機能せず、カーボンが損傷を受けることなく電気分解あるいは発電の両方に対応することができ、耐久性に優れた膜・電極接合体が得られるという優れた効果がある。
【００４８】
また、本発明による膜・電極接合体の少なくとも一対によって得られる水の電気分解装置付き燃料電池においては、一方の膜・電極接合体のユニットを水槽内に浸すことにより、水素発生用膜・電極接合体とし、これを酸素極側には酸素流路を挟んで設けたセパレータ板と、水素極側には隣接して設けたセパレータ板に通電させることにより、水の電気分解を行うことができるので、水の電気分解により水素を発生させることができ、その発生した水素をもう一方の発電用膜・電極接合体に中心部の水素流路を通して水素極に供給し、酸素流路板を通して供給される酸素とによって発電させることができる燃料電池が得られ、水素を得るために強酸、強アルカリの水による電気分解を行う必要がないだけでなく、燃料電池のための水素の供給をボンベ等に保存することなく水素の供給を行うことができ、安全な水の電気分解装置を備えた燃料電池を提供することができるという効果がある。
【００４９】
また、水の電気分解装置付き燃料電池において、発電用膜・電極接合体における酸素極には、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきをしないものを採用することができ、安価な膜・電極接合体を使用した水素発生機能を有する燃料電池を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体の概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態による膜・電極接合体を用いた水の電気分解装置付き燃料電池の概略説明図である。
【図３】本発明の実施の形態による膜・電極接合体に相当する一般に使用される燃料電池に用いることができる膜・電極接合体の概略図である。
【符号の説明】
１０ 膜・電極接合体
１２ 固体高分子電解質膜
１３ 水素極
１３ａ 多孔性シート状カーボン素材
１３ｂ カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１３ｃ Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１４ 酸素極
１４ａ イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材
１４ｂ カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１４ｃ Ｐｔ（合金）／Ｐｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
２２ エンドガスケット
２４ エンドプレート
２６ タイ・ボルト
４０ ナット
４２ 連通孔
４４ 水素流路
４６ ブリーダバルブ
５０ ナット
６０ 水槽
７０ 水
８０ 直流電源
９０ 電動負荷
１００ 水の電気分解装置付き燃料電池
１０１ 水の電気分解用膜・電極接合体
１０２ 発電用膜・電極接合体
１２１、１２２ 固体高分子電解質膜
１３１、１３２ 水素極
１４１、１４２ 酸素極
１６１、１６２ アウターシール
１８１、１８２ 酸素流路板
２８１、２８２ インナーシール
３４１、３４２ セパレータ板
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体に係り、特に、固体高分子電解質膜、この膜の両面に接合された酸素極および水素極を有してなる膜・電極接合体、およびそれを利用した水素発生装置を備えた燃料電池として使用することができる水の電気分解装置付き燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、燃料電池は、環境にやさしく、高効率の発電装置として注目され、実用に供するよう開発されている。この燃料電池には、燃料として水素、ＬＰＧ（液化天然ガス）、アルコール等が使用されているが、特に、環境を考えると水素が最も好ましく、水素を封入したボンベ、水素吸蔵合金を内蔵したボンベから供給される水素を利用している。
【０００３】
このための水素を得るために、水の電気分解が行われており、それによる水素を発生する装置としては、特に供給水として海水等の塩水を用いたイオン交換膜を使用した水素発生装置がある（例えば引用文献１参照）。
【０００４】
また、塩水の電気分解に用いられる不溶性電極としては、高電流密度条件や高電圧条件下での基材の損傷を抑制することができるようにしたものがあるが、水素発生効率が高く、長寿命を達成する白金イリジウム系電極がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−６４０８０号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６９６８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような水素を製造する方法を実施する水の電気分解装置では、一般的には、水を酸性またはアルカリ性の状態で通電することにより水素を発生させており、この場合、使用される酸、または塩基はそれぞれ強酸、強アルカリであり、安全上問題となる。
【０００７】
本発明は、以上述べたような問題点に鑑みてなされたものであり、安全に水を電気分解することにより、燃料電池の燃料として使用できる水素の発生を可能にした水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体を提供することを目的とするものである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体を使用して、使用上安全であるとともに水素を得ながらその水素で発電することができる水の電気分解装置付き燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するために、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池は、固体高分子電解質膜、この固体高分子電解質膜の一方側に接合される酸素極、および固体高分子電解質膜の他方側に接合される水素極を有する水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体をそれぞれ備え、エンドプレートを挟むとともに、両外側のエンドプレート間に位置される少なくとも一対の膜・電極接合体、この膜・電極接合体の中心部に貫通して形成された流体の流通を可能にする水素流路、これらの部材を一体にするために膜・電極接合体の中心部の水素流路に通される一本のタイ・ボルト、およびこのタイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に膜・電極接合体を一体に締め付けるための固定用ナットからなる水の電気分解装置付き燃料電池であって、膜・電極接合体における水の電気分解機能を有する膜・電極接合体は、酸素極が、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層とを含み、水素極が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含み、そして、膜・電極接合体における発電機能を有する膜／電極接合体は、酸素極および水素極の両方が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（白金）および／またはＰｔ（白金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含む、膜・電極接合体が、それぞれ酸素極側に隣接した流路板と、この流路板の外側および水素極側の外側に隣接して設けられた集電板をなすセパレータ板とを有し、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体が水中に浸されるとともに、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体のセパレータ板には直流電源が接続されていることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明による水の電気分解装置付き燃料電池においては、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体において、酸素極が多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきされ、その表面にカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層を形成することにより製造され、そして、水素極が、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第１のコーティング層を形成し、さらに、その表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第２のコーティング層を形成することにより製造され、また、発電機能を有する膜電極接合体において、酸素極および水素極の両方が、多孔性のシート状カーボン素材の表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第１のコーティング層を形成し、さらに、その表面にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物を塗布することにより第２のコーティング層を形成することにより製造され、このようにして形成した酸素極と水素極とのそれぞれの第２のコーティング層間に固体高分子電解質膜を挟んで、プレスで一体化して得られる水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体をそなえているので、固体高分子電解質膜を挟む酸素極と水素極の外側に、酸素極側には酸素流路板を介して集電板をなすセパレータ板を、水素極側には直接同様な集電板をなすセパレータ板を配置して、一体にされて水に浸され、セパレータ板から電気を流すと、固体高分子電解質膜はイオン交換膜であるため水素イオンである陽イオンのみの透過により、それぞれの極において酸素と水素を発生させることができる。
【００１５】
この場合、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体の酸素極においては、多孔性のカーボン上にイリジウムめっきがされているので、１．６Ｖの電圧をかけることにより、イリジウムのみが機能して、電気分解を行い、酸素の発生を行うことができる。
【００１６】
また、この膜・電極接合体においては、水素極にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子電解質膜用樹脂の混合物を含むコーティング層において、Ｐｔ（合金）が触媒として作用するので、水素極に水素を供給し、酸素流路板から空気によって酸素が供給されると、通常の燃料電池として機能し、セパレータ板から電流を取り出すことができる。
【００１７】
なお、カーボンと固体高分子膜用樹脂のほかに、多孔性のシート状カーボン素材との接着性を向上するために、更に、ＰＴＦＥが添加された混合物を塗布してコーティング層としてもよい。
【００１８】
また、酸素極にはＰｔおよびＰｔ合金が使用されているが、電極のカーボンが損傷を受けない電圧１．６Ｖで使用され、かつその電圧で水の電気分解を可能にするためにイリジウムのめっきが施される。これによって、カーボンが損傷受けることなく耐久性にも優れた膜・電極接合体が提供される。そして、同じものが燃料電池として使用されるときには、イリジウムは燃料電池の触媒しては機能せず、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）の担持カーボンは、Ｐｔが触媒として機能し、水素イオンと電子と酸素との結合により水を生成させる触媒として作用する。したがって、システムとして耐久性に優れたものが得られる。
【００１９】
さらに、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池は、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体が、一対の膜・電極接合体の間にセパレータ板を挟んで、さらに両外側にエンドプレートを設けてエンドプレート間に膜・電極接合体を位置させ、この一対の膜・電極接合体の中心部に貫通して位置される流体の流通を可能にした水素流路を設けるとともに、この水素流路に中心を合わせて連通するように酸素流路板、セパレータ板、エンドプレートのそれぞれにも中心部に水素流路を設け、これらの部材を一体にするために膜・電極接合体の中心部の水素流路を通される一本のタイ・ボルト、および、このタイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に膜・電極接合体を固定用ナットにより一体に締め付けることにより提供される。その際、上記構成の膜・電極接合体を一対としてだけでなく、それぞれ複数個積み重ねることにより、必要に応じた酸素または水素を発生させることができる。そして、発生した水素を燃料電池として機能する膜・電極接合体に供給して、発電作用をさせることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体およびそれを用いた水の電気分解装置付き燃料電池について、以下、図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る水の電気分解機能および発電機能を有する膜・電極接合体を示す概略図であり、図２は、この膜・電極接合体を使用した水の電気分解装置付き燃料電池の概略説明図であり、そして、図３は、比較される燃料電池に使用されている固体高分子電解質膜と電極との接合体の概略図である。
【００２３】
まず、本発明による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０と対比される燃料電池の膜・電極接合体１０′について、図３を参照して説明すると、パーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜１２′、この固体高分子電解質膜１２′の両面に配置される水素極１３′と酸素極１４′が結合されている。水素極１３′は、多孔性のシート状カーボン素材１３ａ′と、その表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１３ｂ′を形成し、さらに、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１３ｃ′を形成したものである。
【００２４】
この水素極１３′に対して固体高分子電解質膜１２′の反対側面の酸素極１４′は、多孔性のシート状のカーボン素材１４ａ′と、その表面にカーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１４ｂ′を形成し、さらに、その上にＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンと固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布してコーティング層１４ｃ′を形成したものである。
【００２５】
上記水素極１３′と酸素極１４′との間に固体高分子電解質膜１２′を挟んで、プレスで一体化した接合体が水素を燃料とする燃料電池に用いられる。この接合体に対して、水素極１３′と酸素極１４′との外側に配置されるステンレス製のセパレータ板を設けることにより、酸素極１４′側に供給される酸素と、水素極１３′へ供給される水素との間で触媒と固体高分子電解質膜１２′の働きにより水素イオンのみを固体高分子電解質膜１２′を透過させて、集電板となるセパレータ板から電流を取り出すことができるものである。
【００２６】
この膜・電極接合体１０′は、電極と触媒とイオン交換膜が一体化されたものであり、触媒としては、Ｐｔおよび／またはＰｔ合金とそれらの担持カーボンが使用されていて、固体高分子電解質膜１２′はイオン交換膜として、陽イオンのみ透過するものとして使用されている。
【００２７】
本発明の膜・電極接合体１０は、上記膜・電極接合体１０′の発電作用だけでなく、酸素と水素の発生を行うことができるように水の電気分解の機能も有するようにしたものであり、以下のような構成を有するものである。図１に示されるように、水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０は、燃料電池の場合と同様にパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜１２を挟んで水素極１３と酸素極１４が配置されてなるものである。
【００２８】
水素極１３は、多孔性のシート状カーボン素材１３ａにＰＴＦＥによる撥水処理をして、その表面にカーボン、ＰＴＦＥおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第１のコーテング層１３ｂを形成して、さらに、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第２のコーティング層１３ｃを形成したものである。
【００２９】
そして、酸素極１４は、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材１４ａの表面にカーボン、ＰＴＦＥおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布して第１のコーティング層１４ｂを形成したものである。さらに、水素極１３と同様に、Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物を塗布した第２のコーティング層１４ｃを形成したものである。
【００３０】
このような構造の水素極１３と酸素極１４との間に固体高分子電解質膜１２を挟み、プレスで一体化することにより水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体１０が構成される。
【００３１】
以上のように構成された膜・電極接合体１０は、水の電気分解により水素を発生しながら、発生した水素により発電を行うことができるように、水素発生用の膜・電極接合体１０１と、燃料電池用の膜・電極接合体１０２として使用され、図２に示すような水の電気分解装置付き燃料電池１００を構成することができる。以下、図２を参照して、本発明による水の電気分解装置付き燃料電池１００を説明する。
【００３２】
この水の電気分解装置付き燃料電池１００は、上記構成の膜・電極接合体１０１、１０２において中心部に開口が設けられ、水素発生用膜・電極接合体１０１に対して、燃料電池と同様に水素極１３１側においては、その領域に発生した水素を中心部の後述する水素流路４４に向けるためのアウターシール１６１が設けられ、さらに、その外側面にはステンレス製の集電板として機能するセパレータ板３４１が密接して設けられ、さらにセパレータ板３４１の外側面にはＥＰＤＭのような合成ゴム製のエンドガスケット２２を介してエポキシ樹脂製のエンドプレート２４が配置されている。また、酸素極１４１側には、カーボン素材からなる酸素流路板１８１が隣接して設けられ、その軸線方向の外側に集電板の機能を有するセパレータ板３４１が隣接して設けられ、その軸線方向の外側にＥＰＤＭのような合成ゴムからなるエンドガスケット２２を挟んでエンドプレート２４が設けられる。そして、膜・電極接合体１０１の中心部の開口に対応して、両セパレータ板３４１、３４１、両エンドガスケット２２、２２、両エンドプレート２４、２４には、中心部に貫通孔を形成するように、水素流路４４が設けられている。このように構成された水素発生用膜・電極接合体１０１は、水槽６０内の水７０に浸されるとともに、水槽６０から外側に突出されたセパレータ板３４１、３４１の端部が電源８０に接続される。その際、水素流路４４への酸素の流入を阻止するために、酸素極１４１と酸素流路板１８１との中心部の開口に面した内周部には、水素流路４４に対応した内径を有するインナーシール２８１が設けられている。
【００３３】
また、水槽６０の外側に位置する水素発生用膜・電極接合体１０１のエンドプレート２４に対しては、エンドガスケット２２を挟んで燃料電池用膜・電極接合体１０２が積み重ねるように設けられる。この燃料電池用膜・電極接合体１０２は、水素発生用膜・電極接合体１０１と同じ構成を有し、膜・電極接合体１０２の中心部には開口が設けられ、水素流路４４内の水素が導かれる水素極１３２には、水素発生用膜・電極接合体１０１に発生した水素を中心部の水素流路４４から受けて留めるためのアウターシール１６２が設けられ、さらに、その外側面に重ねられるようにステンレス製の集電板として機能するセパレータ板３４２が密接して設けられている。また、酸素極１４２側には、カーボン素材からなる酸素流路板１８２が隣接して設けられ、その軸線方向の外側に集電板の機能を有するセパレータ板３４２が隣接して設けられ、その軸線方向の外側にＥＰＤＭのような合成ゴムからなるエンドガスケット２２を挟んでエンドプレート２４が設けられる。そして、膜・電極接合体１０２の中心部の開口に対応して、両セパレータ板３４２、３４２、両エンドガスケット２２、２２、両エンドプレート２４、２４には、中心部に貫通孔を形成するように、水素流路４４が設けられている。酸素極１４２および酸素流路板１８２の水素流路４４に面した内面には、水素流路４４との連通を阻止するようにインナーシール２８２が設けられている。このように構成された、燃料電池用膜・電極接合体１０２は、水槽６０内の水７０に浸されることなく大気中に位置するように、水槽６０から外側に露出された状態で設置される。
【００３４】
このように積み重ねられた水素発生用膜・電極接合体１０１および燃料電池用膜・電極接合体１０２は、その中心部を貫通する水素流路４４の中心を通され両端部にねじを切ったタイ・ボルト２６が設けられ、両エンドプレート２４の軸線方向の外側面に対してナット４０、５０が締め付けられることにより一体構造にされている。
【００３５】
さらに、このように構成された膜・電極接合体１０の一体構造部は、水槽６０内に水７０中に少なくとも酸素極１４１外側のセパレータ板３４１の部分まで浸されるように位置されて設置され、水の電気分解装置付き燃料電池１００をなすものである。
【００３６】
上記構成の水の電気分解装置付き燃料電池１００における水の電気分解用膜・電極接合体１０１においては、酸素発生側の酸素極１４１において、Ｐｔがコーティングされた場合、水の電気分解のためには、電圧を２Ｖ以上にする必要がある。しかし、このような電圧では酸素極１４１のシート状カーボン１４ａが損傷を受けるので、耐久性が問題となる。このために、酸素極１４１における多孔性のシート状カーボン１４ａには、イリジウムを施すことによって１．６Ｖ以上で水の電気分解が可能となり、また、カーボンの損傷を回避され、耐久性の優れたものとすることができる。
【００３７】
このような酸素極１４１側の触媒Ｐｔとイリジウムの電気分解電圧と、酸素ガス発生と、カーボンの損傷とを対比すると以下のようになる。
【００３８】
【表１】
上記の水の電気分解装置付き燃料電池１００における膜・電極接合体１０１においては、膜・電極接合体１０１、酸素流路板１８１およびセパレータ板３４１までが水７０に浸されているので、電源８０によって両セパレータ板３４１、３４１に通電すると、水素極１３１には酸素極１４１側から陽イオンである水素イオンのみが固体高分子電解質膜１２１を透過し、水素極１３１にコーティングされたＰｔ（合金）に達して、そこで反応し水素を発生する。発生した水素は、水素極１３１の外周部をＥＰＤＭのような合成ゴムからなるアウターシール１６１で覆っているために、多孔性のシート状カーボン素材１３ａを通過して水素流路４４へと供給され、水槽６０の外に位置する発電用膜・電極接合体１０２側の水素流路４４へ送られ、水素流路４４のナット５０側は閉じられているために、発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２へ黒矢印のように供給される。
【００４０】
一方、酸素極１４１側では、酸素極１４１および酸素流路板１８１が白矢印のように水槽６０から供給される水に浸されていて、セパレータ板３４１は通電されているため、水素極１３１と同様にイリジウムめっきの触媒作用により酸素を発生する。発生した酸素は、酸素流路板１８１が多孔性のカーボン素材からなっているため、また、水素流路４４に面した内周部にはインナーシール２８１が配置されているために、発生した酸素を酸素極１４１の外周部へと送り出して、黒矢印で示すように水槽６０の水７０の中に導かれ、大気へと放出される。
【００４１】
以上の通り、燃料電池１００の水の電気分解用膜・電極接合体１０１の水素極１３１によって発生された水素は、中心部の水素流路４４から黒矢印方向に導かれ、発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２に達する。水素極１３２に導かれた水素と、酸素流路板１８２から空気として大気から酸素極１４２に供給された酸素とは、水素極１３２と酸素極１４２との間の固体高分子電解質膜１２２の反応により、発電機能を達成することができる。そして、発生された電流は、集電板として機能するセパレータ板３４２、３４２からそれらに接続されたモーター等の電動負荷９０へ供給することができる。
【００４２】
なお、上記構成の燃料電池１００の発電用膜・電極接合体１０２は、水の電気分解用膜・電極接合体１０１と同じ構成を有するものを使用しているが、酸素極１４２に対して、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきを施さない図３に示すものを使用してもよい。
【００４３】
即ち、水の電気分解機能を有する膜・電極接合体１０１は、酸素極１４１が、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材１４ａと、固体高分子電解質膜１２に接する側のシート状カーボン素材１４ａの面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層１４ｂとを含む。水素極１３１が、多孔性のシート状カーボン素材１３ａと、固体高分子電解質膜１２に接する側のシート状カーボン素材１３ａの面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層１３ｂと、この第１のコーティング層１３ｂに塗布されるＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層１３ｃとを含む。そして、発電機能を有する膜／電極接合体１０２は、酸素極１４２および水素極１３２の両方が、多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜１２２に接する側のシート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、この第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（白金）および／またはＰｔ（白金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含むことからなる。
このために、イリジウムを使用しないので、発電機能を有する膜・電極接合体１０２に安価なものを採用することができるので、水の電気分解装置付き燃料電池として経費の節減を行うことができる。
【００４４】
また、上記構成の燃料電池においては、始動時における水素流路４４内の残留空気等を抜くために、ナット５０には水素流路４４と大気に通じるブリーダバルブ４６を設けて、発生した水素を発電用膜・電極接合体１０２の水素極１３２への供給をスムーズに行うようにしてもよい。
【００４５】
また、水の電気分解用膜・電極接合体１０１の水素極１３１における水素発生を行うために、水素流路４４内に水７０を満たすためにナット４０に複数個の連通孔４２を設けてもよい。
【００４６】
また、本発明による上記の水の電気分解装置付き燃料電池１００においては、２つの膜・電極接合体１０１、１０２のみを用いた場合を説明したが、要求される出力電流に応じて複数個の膜・電極接合体１０１、１０２を積み重ねて、積み重ねたものをそれぞれを水素発生用膜・電極接合体および発電用膜・電極接合体として、エンドプレート２４、２４間に配置し、一体化したものであってもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体は、以上説明した構成により以下のような効果を奏する。
上記構成の膜・電極接合体においては、酸素発生側の電極にイリジウムめっきした多孔性のシート状カーボン素材が用いられているので、電気分解時には１．６Ｖの電圧でイリジウムのみが機能し、発電時にはＰｔ（合金）担持カーボンにおいてＰｔが触媒として機能し、イリジウムは発電のための触媒として機能せず、カーボンが損傷を受けることなく電気分解あるいは発電の両方に対応することができ、耐久性に優れた膜・電極接合体が得られるという優れた効果がある。
【００４８】
また、本発明による膜・電極接合体の少なくとも一対によって得られる水の電気分解装置付き燃料電池においては、一方の膜・電極接合体のユニットを水槽内に浸すことにより、水素発生用膜・電極接合体とし、これを酸素極側には酸素流路を挟んで設けたセパレータ板と、水素極側には隣接して設けたセパレータ板に通電させることにより、水の電気分解を行うことができるので、水の電気分解により水素を発生させることができ、その発生した水素をもう一方の発電用膜・電極接合体に中心部の水素流路を通して水素極に供給し、酸素流路板を通して供給される酸素とによって発電させることができる燃料電池が得られ、水素を得るために強酸、強アルカリの水による電気分解を行う必要がないだけでなく、燃料電池のための水素の供給をボンベ等に保存することなく水素の供給を行うことができ、安全な水の電気分解装置を備えた燃料電池を提供することができるという効果がある。
【００４９】
また、水の電気分解装置付き燃料電池において、発電用膜・電極接合体における酸素極には、多孔性のシート状カーボン素材にイリジウムめっきをしないものを採用することができ、安価な膜・電極接合体を使用した水素発生機能を有する燃料電池を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体の概略図である。
【図２】本発明の一実施の形態による膜・電極接合体を用いた水の電気分解装置付き燃料電池の概略説明図である。
【図３】本発明の実施の形態による膜・電極接合体に相当する一般に使用される燃料電池に用いることができる膜・電極接合体の概略図である。
【符号の説明】
１０ 膜・電極接合体
１２ 固体高分子電解質膜
１３ 水素極
１３ａ 多孔性シート状カーボン素材
１３ｂ カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１３ｃ Ｐｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１４ 酸素極
１４ａ イリジウムめっきされた多孔性シート状カーボン素材
１４ｂ カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
１４ｃ Ｐｔ（合金）／Ｐｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子膜用樹脂を含む混合物のコーティング層
２２ エンドガスケット
２４ エンドプレート
２６ タイ・ボルト
４０ ナット
４２ 連通孔
４４ 水素流路
４６ ブリーダバルブ
５０ ナット
６０ 水槽
７０ 水
８０ 直流電源
９０ 電動負荷
１００ 水の電気分解装置付き燃料電池
１０１ 水の電気分解用膜・電極接合体
１０２ 発電用膜・電極接合体
１２１、１２２ 固体高分子電解質膜
１３１、１３２ 水素極
１４１、１４２ 酸素極
１６１、１６２ アウターシール
１８１、１８２ 酸素流路板
２８１、２８２ インナーシール
３４１、３４２ セパレータ板
Claims (1)
- 固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜の一方側に接合される酸素極、および前記固体高分子電解質膜の他方側に接合される水素極を含む水の電気分解および発電機能を有する膜・電極接合体をそれぞれ備え、
エンドプレートを挟むとともに、両外側のエンドプレート間に位置される少なくとも一対の膜・電極接合体、該膜・電極接合体の中心部に貫通して形成された流体の流通を可能にする水素流路、これらの部材を一体にするために前記膜・電極接合体の中心部の前記水素流路に通される一本のタイ・ボルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に前記膜・電極接合体を一体に締め付けるための固定用ナットからなる水の電気分解装置付き燃料電池であって、
前記膜・電極接合体における水の電気分解機能を有する膜・電極接合体は、酸素極が、イリジウムめっきされた多孔性のシート状カーボン素材と、固体高分子電解質膜に接する側の前記シート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物のコーティング層とを含み、
水素極が、多孔性のシート状カーボン素材と、前記固体高分子電解質膜に接する側の前記シート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、該第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含み、
前記膜・電極接合体における発電機能を有する膜／電極接合体は、酸素極および水素極の両方が、多孔性のシート状カーボン素材と、前記固体高分子電解質膜に接する側の前記シート状カーボン素材の面に塗布されるカーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第１のコーティング層と、該第１のコーティング層に塗布されるＰｔ（白金）および／またはＰｔ（白金）担持カーボンおよび固体高分子電解質膜用樹脂を含む混合物の第２のコーティング層とを含み、
前記膜・電極接合体が、それぞれ前記酸素極側に隣接した流路板と、該流路板の外側および前記水素極側の外側に隣接して設けられた集電板をなすセパレータ板とを含み、前記水の電気分解機能を有する膜・電極接合体が水中に浸されるとともに、前記水の電気分解機能を有する膜・電極接合体のセパレータ板には直流電源が接続されていることを特徴とする水の電気分解装置付き燃料電池。
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