JPH07302601A - 電気化学電池 - Google Patents

電気化学電池

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JPH07302601A
JPH07302601A JP7108352A JP10835295A JPH07302601A JP H07302601 A JPH07302601 A JP H07302601A JP 7108352 A JP7108352 A JP 7108352A JP 10835295 A JP10835295 A JP 10835295A JP H07302601 A JPH07302601 A JP H07302601A
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diffusion
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カルル−ハインツ・テツラッフ
Ruediger Walz
リュディガー・ヴァルツ
Freddy Helmer-Metzmann
フレディ・ヘルマー−メッツマン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体（移動性）電解質を含む電気化学電池の
特徴と固体（固定）電解質を含む電気化学電池の特徴と
を、これらに伴う欠点を招くことなく共に有する電気化
学電池を提供することである。 【構成】 活性触媒粒子を含みかつそれぞれの背後に気
体のための隣接区分室が設けられた２つの拡散電極が配
置されたハウジングよりなり、液体電解質のための区分
室が拡散電極の間に設けられている電気化学電池であっ
て、拡散電極の間に、少なくとも１種のイオン交換膜が
直接、拡散電極の１つの前面に配置されている、上記の
電気化学電池を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は請求項に記載の電気化学
電池に関する。
【０００２】この装置は、気体を発生する電解プロセ
ス、例えば水の電気分解またはアルカリ金属塩化物の電
気分解、並びに気体を消費する逆のプロセス、例えば燃
料電池による水素および酸素からの電気の生成のいずれ
にも適している。
【０００３】
【従来の技術】文献でしばしば気体拡散電極と呼ばれる
拡散電極は、多孔質構造を有する電極であり、その細孔
システムが一部は気体を透過し、一部はイオンを導く媒
質を透過する電極として理解されている。しばしばこれ
らの拡散電極は、電気化学触媒を含む粒状物質から製造
される。湿潤特性を調整しそして結合剤として作用させ
るために、プラスチック、例えばポリテトラフルオロエ
チレンを混合する。
【０００４】公知の電気化学電池では、拡散電極は直接
またはダイヤフラムを経て前方から液体電解質によって
湿らされ、そして反応気体は後方からそれぞれ供給また
は排出される。この装置では、特定の電位のいくつかの
銀含有拡散電極で公知のように、拡散電極の触媒粒子は
侵食により、流れている電解質により、または電解質に
溶解することにより除かれる。
【０００５】他の公知の電気化学電池は、拡散電極間で
固体（固定）電解質、例えばイオン交換膜を使用するだ
けである。これらの電池では水の動き（ｂｕｄｇｅｔ）
および熱の流れを制御することが非常に難しく、水電解
電池または自動車用燃料電池におけるような厳しい動的
要求をこれらの電池で十分に抑制することもまたできな
い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、液体
（移動性）電解質を含む電気化学電池の特徴と固体（固
定）電解質を含む電気化学電池の特徴とを、これらに伴
う欠点を招くことなく共に利用することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】従って、拡散電極の間
に、少なくとも１つのイオン交換膜が拡散電極の１つの
前に直接配置されているという特徴を有する、初めに述
べた種類の電気化学電池を提供する。
【０００８】使用液体電解質は塩溶液、酸または塩基で
ある。用いるイオン交換膜は陽イオン交換膜でも陰イオ
ン交換膜でもよい。これに関連して、アルカリ性燃料電
池におけるＯＨ-イオンの輸送におけるように強電解質
が含まれる場合、陽イオン交換膜を陰イオンの輸送のた
めに用いることも可能である。そのような配置の特徴に
ついては以下の実施例でより詳しく記載する。
【０００９】本発明の別の具体例では、イオン交換膜を
拡散電極の前面に直接配置すると有利である。これはイ
オン交換膜を拡散電極に永久的に結合することによって
なされる。永久的な結合は例えば、プレスまたは圧延に
よって得られる。この操作は、部分溶融または溶媒和イ
オン交換膜によって維持することができる。イオン交換
体を含む溶液またはイオン交換体メルトを十分に低い粘
度に設定するならば、拡散電極をそれ自体公知の方法に
よって被覆してもよい。この場合、電気触媒または触媒
を含有する粒子をイオン交換体に全体的にまたは部分的
に埋め込んでもよい。あるいは、触媒含有粒子をまずそ
れ自体公知の方法により薄いイオン交換体層によって封
入し、次いで、これらの粒子から拡散電極を製造する。
そのようにすることで、粒子間の導電性が確実に適切な
ものとなるように注意を払うべきである。
【００１０】とりわけ陰極が電気触媒として銀を含有し
ているならば、イオン交換膜を酸素消費陰極に結合する
と特に有利であることが分かった。そのような陰極はア
ルカリ性燃料電池、またはアルカリ金属塩化物の電気分
解のような電解プロセスに用いることができる。一般に
受け入れられている考えに反して、この場合は陽イオン
交換膜を使用することも可能であり、これは一般に、陰
イオン交換膜よりもアルカリに対してすぐれた安定性を
示す。
【００１１】本発明の電気化学電池では、イオン交換膜
は陽極の前および陰極の前のいずれにも配置することが
できる。
【００１２】特に適したイオン交換膜は、スルホン化ポ
リエールエーテルケトンでつくられた膜である。それ
は、この物質が市販の溶剤に容易に溶解し、従って使用
が容易であるからである。安定性を高めるために、ポリ
エーテルエーテルケトンおよびポリスルホンの均質配合
物を用いることも可能である。
【００１３】本発明の電気化学電池は燃料電池および水
の電気分解に有意な多くの利点を有する：電解質を熱交
換機を経て循環させることによって、熱交換を簡単な方
法でかつ素早い応答で安定化することができる。
【００１４】燃料電池の場合の反応水の除去および水の
電気分解の場合の水の除去は、液体電解質によって簡単
な方法で行われ、公知の膜電池のように気相によって行
う必要はない。
【００１５】液体電解質のおかげで、イオン交換膜の水
の動きは、これを気相によって制御しなければならない
公知の膜電池の場合よりも、効果的に安定化することが
できる。
【００１６】拡散電極とイオン交換膜との間の結合によ
り、触媒が電解質へ移ることはいまや実質的に不可能で
ある。
【００１７】水の電気分解のような気体を形成する反応
の場合、電極の前面における気体のどのような発生も確
実に妨げられる。
【００１８】拡散電極とイオン交換膜との間の結合によ
り、気体の漏れは確実に妨げられる。従って電気化学電
池の操作の信頼性は著しく高まる。
【００１９】本発明を図１−２を参考にして実施例によ
って説明する：図１は、電気化学電池の断面図である。
【００２０】図２は、イオン交換膜を有する拡散電極の
詳細図である。
【００２１】電気化学電池１、例えば燃料電池は、２つ
の拡散電極２および３よりなる。拡散電極３はイオン交
換膜４を有する。図２は拡散電極３およびイオン交換膜
４の詳細図である。
【００２２】イオン交換膜４はスルホン基、カルボキシ
ル基または第３アミンのような官能基を有するそれ自体
公知の重合体物質でよい。拡散電極３およびイオン交換
膜４は緊密に結合しているのが有利である。これは、拡
散電極およびイオン交換膜をホットプレスするような公
知の被覆法によって、またはイオン交換膜４を溶剤に溶
解し、そして拡散電極３にこの溶液を被覆することによ
って行うことができる。電気化学電池では、両方の拡散
電極をイオン交換膜で被覆することも可能である。拡散
電極の間には、電解質のための区分室５が配置されてい
る。液体電解質はオリフィス１１および１２を経て、物
質移送および熱交換のための外部回路につながっている
のが好ましい。電解質として特に適しているのは強アル
カリまたは酸である。
【００２３】拡散電極２の後ろに、気体を取り込んだり
または気体を放出するように設計された区分室７があ
る。気体はオリフィス９および１０を通して供給または
排出することができる。同様に、拡散電極３は、ハウジ
ング８内に後部区分室６並びにオリフィス１３および１
４を有する。
【００２４】
【実施例】製法がＤＥ−Ａ ３３０３７７９ Ａ１に記
載の銀含有拡散電極に、スルホン化ポリエーテルエーテ
ルケトン（ｏ−フェニル−ｏ−単位のスルホン化度７０
％）６０％およびポリスルホン（ウルトラソン、商標）
４０％の組成の陽イオンを導く重合体約２０重量％を含
有する溶剤Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を含む溶液
をナイフ塗布して２０μｍの層にした。このようにして
得たサンドイッチを２４時間、乾燥オーブン中で１００
ミリバール（絶対）、８０℃にて乾燥した。得られた厚
さが約１０−２０μｍの重合体フィルムは、電極に均質
な層で付着した。
【００２５】被覆拡散電極を、２．２５ｍ2の活性電極
面積を有する半電池配置で調べた。水素を発生するラニ
ーニッケル陰極は参照電極として働いた。拡散電極に
は、拡散電極から１．０６ｍｍ離れて配置された直径
０．８ｍｍのラギン細管を経て純粋な酸素が供給され
た。使用電解質は３０％濃度の水性水酸化カリウムであ
った。実験は大気圧下、８０℃で行った。電子断続回路
のため、純過電位および電位（ＲＨＥ）のそれぞれ、並
びにラギン細管の先端と拡散電極の活性帯域との間の抵
抗電圧降下（ＩＲ）を測定することが可能であった。
【００２６】１アンペアの電流の場合、電位（ＲＨＥ）
は−９０３ｍＶであり、ＩＲフラクションは１８ｍＶで
あった。
【００２７】非被覆対照試料では、同じ電流の場合の電
位（ＲＨＥ）は−９００ｍＶであり、ＩＲフラクション
は２９ｍＶであった。
【００２８】試験を約４６時間続けた後、被覆に変化は
見られなかった。このプロセスでは、陰極における負荷
は８０℃で６アンペアにまでなり、全圧は２６バールで
あった。
【００２９】測定から分かるように、この陽イオン交換
膜での被覆によるさらなる電圧降下（ＩＲフラクショ
ン）は観察されないばかりでなく、反応に必要な水の輸
送も妨げられることはなかった： Ｏ2 ＋ ２Ｈ2Ｏ ＋ ４ｅ → ４ＯＨ- 一般的な考えによると、ＯＨ-の陽イオン交換膜を通し
ての輸送は可能であるはずはない。実施例が示すよう
に、陽イオン交換膜が薄く、アルカリ濃度が高ければ、
すぐれた結果が得られる。
【００３０】上記の結果は、イオン交換膜による過電位
における改良およびＩＲフラクションの改良を示してい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気化学電池の断面図である。
【図２】イオン交換膜を有する拡散電極の詳細図であ
る。
【符号の説明】 １ 電気化学電池 ２および３ 拡散電極 ４ イオン交換膜 ５ 電解質区分室 ６ 後部区分室 ７ 気体の取り込みまたは放出区分室 ８ ハウジング ９、１０、１１、１２、１３および１４ オリフィス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレディ・ヘルマー−メッツマン ドイツ連邦共和国デー−55128 マインツ, ペーター−マイゼンベルガー−ヴェーク ２

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 活性触媒粒子を含みかつそれぞれの背後
    に気体のための隣接区分室が設けられた２つの拡散電極
    が配置されたハウジングよりなり、液体電解質のための
    区分室が拡散電極の間に設けられている電気化学電池で
    あって、拡散電極の間に、少なくとも１種のイオン交換
    膜が直接、拡散電極の１つの前面に配置されている、上
    記の電気化学電池。
  2. 【請求項２】 イオン交換膜が拡散電極の１つに永久的
    に結合している、請求項１の電気化学電池。
  3. 【請求項３】 イオン交換膜が活性触媒粒子を囲んでい
    る、請求項１の電気化学電池。
  4. 【請求項４】 電解質がアルカリ性であり、使用イオン
    交換膜が陽イオン交換膜である、請求項１の電気化学電
    池。
  5. 【請求項５】 陽イオン交換膜が酸素を消費する拡散電
    極に結合されている、請求項１の電気化学電池。
  6. 【請求項６】 拡散電極が銀を含む、請求項４の電気化
    学電池。
  7. 【請求項７】 イオン交換膜が水素を発生する拡散電極
    に結合されている、請求項１の電気化学電池。
  8. 【請求項８】 イオン交換膜が酸素を発生する拡散電極
    に結合されている、請求項１の電気化学電池。
  9. 【請求項９】 使用イオン交換膜がスルホン化ポリエー
    テルケトンである、請求項４の電気化学電池。
  10. 【請求項１０】 使用イオン交換膜が、スルホン化ポリ
    エーテルケトンおよびポリスルホンよりなる均質配合物
    である、請求項１の電気化学電池。
JP7108352A 1994-05-04 1995-05-02 電気化学電池 Pending JPH07302601A (ja)

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DE4415678A DE4415678A1 (de) 1994-05-04 1994-05-04 Elektrochemische Zelle
DE4415678.2 1994-05-04

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EP (1) EP0681339B1 (ja)
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