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JP3466535B2 - Electrochemical device - Google Patents

Electrochemical device

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JP3466535B2
JP3466535B2 JP2000133901A JP2000133901A JP3466535B2 JP 3466535 B2 JP3466535 B2 JP 3466535B2 JP 2000133901 A JP2000133901 A JP 2000133901A JP 2000133901 A JP2000133901 A JP 2000133901A JP 3466535 B2 JP3466535 B2 JP 3466535B2
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JP
Japan
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electrode
gas
reference example
electrochemical device
water
Prior art date
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JP2000133901A
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Japanese (ja)
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Inventor
秀雄 前田
憲朗 光田
広明 漆畑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
Priority claimed from JP07511593A external-priority patent/JP3242736B2/en
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【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3−102
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】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、該ガス拡散電極の少なくとも一方に、複数の貫
通孔を形成し、これら貫通孔に前記固体高分子電解質の
一部を浸入させたものである。【0008】 (作用) この発明における電気化学デバイスは、ガス拡散電極の
少なくとも一方に形成した複数の貫通孔に固体高分子電
解質の一部を浸入させたことにより、ガス拡散電極と固
体高分子電解質との密着性が向上し、該固体高分子電解
質の変形を防止する。【0009】 【発明の実施の形態】 以下、この発明の実施の一形態
及び参考例について説明する。 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
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11
7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。【0010】 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。【0011】 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。【0012】 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。【0013】 参考例3.以下この発明の参考例3につい
て説明する。図2はこの参考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)、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。【0014】 次に動作について説明する。この参考例に
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。【0015】 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。【0016】 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。【0017】 次に動作について説明する。この参考例に
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。【0018】 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。【0019】 参考例4.以下、この発明の参考例4につ
いて説明する。この電気化学デバイスは、参考例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参考例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、参考例2の布のフッ
素化と同様である。【0020】 次に動作について説明する。この参考例に
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。【0021】 参考例5.以下、この発明の参考例5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4
1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、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。【0022】 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
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。【0023】 参考例6.この電気化学デバイスは、参考
例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/c
2 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。【0024】 次に動作について説明する。触媒効果に関
しては参考例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。【0025】 参考例7.以下、この発明の参考例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)。【0026】 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、12
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。【0027】 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。【0028】 E=RT/2F×1n(PH2/PR ) ・・・・・(3)【0029】 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。【0030】 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。【0031】 参考例8.以下この発明の参考例8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、12
W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1
2R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。【0032】 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。【0033】 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)【0034】 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。【0035】 実施の形態1.以下、実施の形態1につい
て図に基づき説明する。図6は本実施の形態の電気化学
デバイス53の概念的な断面図であり、図において5
4、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S
US316L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400
g/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1
17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。【0036】 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5
4、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。【0037】 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。【0038】 参考例9.以下参考例9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。【0039】 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。【0040】参考例10 .以下参考例10について説明
する。図8はこの実施の形態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3−2082
61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、SUS316
L繊維の焼結電極基材で、幅2mmのガス流路を形成し
た。【0041】 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。【0042】 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。【0043】 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
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。【0044】参考例11 .以下参考例11について説明
する。図9はこの実施の形態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0.05m
m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3m
m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)。【0045】 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。【0046】 実施の形態.以下実施の形態について
説明する。図10はこの発明の実施の形態の電気化学
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。【0047】 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。【0048】参考例12 .以下参考例12について説明
する。図11はこの発明の参考例12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
体、92は直流電源、93は被除湿匡体、94は匡体9
3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400
μm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。【0049】 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。また実施の形態2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。【0050】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13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30
0μm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2
cm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
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105
A〜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。【0051】 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。【0052】 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。【0053】参考例14 .以下参考例14について説明
する。図14は参考例14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、1
16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。【0054】 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。【0055】参考例15 .以下参考例15について説明
する。図15は参考例15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。【0056】 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。【0057】 【発明の効果】この発明によれば、ガス拡散電極の少な
くとも一方に、複数の貫通孔を形成し、これら貫通孔に
前記固体高分子電解質の一部を浸入させるように構成し
たので、ガス拡散電極と固体高分子電解質との密着性を
向上させることができ、該固体高分子電解質の変形を防
止できる効果がある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Electrochemical devices with excellent electrochemical stability, especially
Fuel cells that generate electricity using a chemical reaction
Used for refining equipment, gas sensors for detecting gas, etc.
It relates to a suitable electrochemical device. [0002] 2. Description of the Related Art An electrochemical device is an electrochemical reaction.
To generate electricity and purify gas
This is the device where the basic reaction takes place.
Widely applied to refining equipment, gas sensors, etc. For example
A fuel cell has a fuel cell on one of the electrodes in contact with both sides of the electrolyte body.
The fuel is supplied to the other side with an oxidizer, and the oxidation of the fuel is
Chemical energy can be directly
Converts to electrical energy, but is a solid polymer type
Taking fuel cell as an example, solid polymer as electrolyte
Refers to a membrane and a gas diffusion electrode, or an integrated product
Become. FIG. 16 shows a typical proton-conductive solid.
Electrochemical device 1 constituting a polymer electrolyte fuel cell
FIG. In the figure, 2 is a solid polymer electrolyte membrane
(Hereinafter abbreviated as an electrolyte membrane), 3 is an anode electrode,
Indicates a cathode electrode. The electrolyte membrane 2 is made of perfluorosulfur
Phonic acid film, anode electrode 3 and cathode electrode 4
Used carbon fiber carrying a platinum catalyst.
You. Next, the operation will be described. Hydrogen on anode 3
Supply oxygen to gas and cathode electrode 4 and pass through external circuit
Current from the anode electrode 3 and the cathode electrode 4
Upon release, the following reaction occurs. Anode reaction     HTwo→ 2H++ 2e-                ・ ・ ・ ・ ・ (1) Cathodic reaction     2H++ 2e-+ 1 / 2OTwo→ HTwoO ... (2) At this time, hydrogen becomes a proton on the anode electrode 3,
Moves through the electrolyte membrane 2 to the cathode electrode 4 and
It reacts with oxygen on the cathode electrode 4 to produce water. Therefore,
Of the gas and liquid in the pores of the electrode
Water flows in and out, and electrons flow in the electrode substrate.
Therefore, in order to perform such a reaction smoothly,
Inhibits the movement of reaction active material produced or consumed by
Not to hinder the transfer of electrons
It is necessary to Regarding the movement of the active material
When water is a liquid, the flow of the reaction gas
Access to water is especially important.
You. [0004] To this end, water is applied to a machine such as a pressure or flow path structure.
As a method of promoting movement with a natural force,
JP-A-1-309263, JP-A-2-86071
, JP-A-2-260371, JP-A-3-102
No. 774 has been proposed. Also desiccant and hydrophilic
Means to promote migration by using materials with different affinity for water
JP-A-1-140562 and JP-A-3-13-1
No. 49762, JP-A-3-182205, etc.
Proposed. As for the movement of electrons, a conductive material is used for the electrodes
When using electrodes, and therefore when manufacturing electrodes
Is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-25856.
Kneaded with conductive carbon powder and water repellent material or reinforcing agent
There is a method of binding and metal
As a method, Japanese Patent Laid-Open No. 2-152166 has been proposed.
ing. Also, it is better to support weak electrode materials with rigid structures.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-149762 proposes
Have been. In addition, electrochemical devices have various applications.
In addition to those listed in the above patents,
Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-59184 discloses a gas purifying apparatus.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-216714 proposes a dehumidifying element and the like.
You. [0005] SUMMARY OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
The electrochemical device is constructed as above
Therefore, as described above, the electrodes are mechanically
Brittle, cracks or drops when deformed
There was a problem that there was a possibility of doing. The present invention solves the above problems.
Excellent electrical characteristics and mechanical strength
And mass production while maintaining chemical stability.
The purpose is to obtain a chemical device. [0007] SUMMARY OF THE INVENTION The electrochemical according to the present invention
The device has gas diffusion electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte.
At least one of the gas diffusion electrodes is provided with a plurality of through holes.
Through holes are formed, and the through holes are filled with the solid polymer electrolyte.
It is partially infiltrated.[0008] (Action) The electrochemical device according to the present invention includes a gas diffusion electrode.
At least one through-hole formed in one of the
By infiltrating part of the degradation, the gas diffusion electrode and solid
The solid polymer electrolyte has improved adhesion to the solid polymer electrolyte.
Prevent quality deformation.[0009] BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
And a reference example will be described. Reference Example 1. FIG. 1 shows an electrochemical device of Reference Example 1 of the present invention.
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of
Is a metal fiber electrode substrate (gas diffusion electrode), 14 is a solid material
It is a secondary electrolyte membrane. SUS316L as metal fiber
Of a single fiber with a diameter of 12 μm and a length of 50 to 100 mm
400 g / cm of basis weight which was sintered after having been applied to the fiberTwoof
A cloth was used. Perfluoros on the solid polymer electrolyte membrane 14
Nafion 11 from DuPont, a commercial product of rufonic acid film
7, the electrode substrates 12, 13 and the polymer film 14
50 kg / cm at 190 ° CTwoHot pressing with surface pressure
When integrated by performing, the fibers of the electrode substrates 12 and 13
However, 50 μm was penetrated into the polymer film 14.[0010] Next, the operation will be described. This electrochemistry
The device 11 is an integrated product having a size of 10 cm square.
When manufactured, hold only one end by hand due to the steel nature of the electrode substrate.
May cause distortion that cannot be separated or reproduced.
There was no. Further, the electrochemical device 11 is
After immersion, repeat the operation of drying in air at 100 ° C three times
However, the electrode substrates 12, 13 and the polymer film 14 were completely separated.
And the shape did not change. This test can be performed with conventional
If the electrode substrate is used, cracks will be formed on the electrode substrate.
In other words, the substrate peeled off. In addition, in this reference example
When the electric resistance between the electrode base materials 12 and 13 was examined, it was found that the electric resistance was low.
Resistance could be maintained during this dipping and drying. Polymer electrolysis
Since the membrane 14 itself expands and contracts depending on the water content,
By this test, the adhesion between the polymer film 14 and the substrates 12, 13
Is very strong and, due to the strength of the metal fibers,
It is considered that the deformation of the was prevented. In addition, SUS316
The electric conductivity of L itself is about 10 times that of carbon
Electron transfer in the base material
Voltage loss can be kept low. In addition, metal fiber
Per unit volume when using a smaller diameter than this one
The reaction area increases due to the increase in the surface area of the
Since the overresistance increases, the weight per unit is smaller than this time
It is desirable to use gray cloth. Conversely, the fiber diameter is large
As for the one with large weight, you can use. In addition,
The steel of the electrode base material itself is
If you don't really need it, use felt that doesn't sinter
It is also possible to use.[0011] Reference example 2. Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
Will be described. This electrochemical device is the same as the electrode of Reference Example 1.
Gold constituting electrode bases 12 and 13 of electrochemical device 11
Fluorinated metal fiber, shape, mechanical operation
Is the same as that of the electrochemical device 11 of Reference Example 1.
You. The fluoridation of metal fiber cloths involves fluorinating or fluorinating the fibers.
This was performed by placing in hydrogen fluoride gas. Metal fiber board
Since the reaction area is large unlike fluorine or fluorine
Reduce the concentration of hydrogen gas to a few percent or less, or
The same number of moles as the number of moles of the monoatomic layer on the surface of the metal fiber
It is desirable to gradually introduce the reaction gas.[0012] Next, the operation will be described. In this reference example
When water is sprayed on the electrochemical device 11, the water is
It rolls in a spherical shape on the substrates 12 and 13. Therefore, this
Water adheres to the device using the electrochemical device 11
Also, since water does not enter the electrode bases 12 and 13,
The space through which the gas passes is secured, and
Is continuously supplied to the reaction section. Also, depending on the reaction
When water is generated, the electrode substrates 12, 13 are fluorinated.
Water-repellent properties,
The water becomes spherical and moves on the electrode substrates 12 and 13,
A large number of spaces are held in the electrode bases 12 and 13.
Reaction gas can easily flow through it,
Membrane required for the reaction is the reaction part and the electrode substrate 1
The reaction continues smoothly because it is continuously supplied to the interface with 2 and 13.
Done.[0013] Reference example 3. Hereinafter, Reference Example 3 of the present invention will be described.
Will be explained. FIG. 2 shows an electrochemical device 15 of this reference example.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of FIG.
Materials (gas diffusion electrodes), 21 and 31 are electrode substrates 16 and 17
Metal fibers 22 and 32 in the electrode substrates 16 and 17
1 shows a machine fiber. The organic fibers 22 and 32 are water-repellent
Hair was mixed at a weight ratio of 10% or less using a nitrogen-based fiber.[0014] Next, the operation will be described. In this reference example
Water is sprayed on the electrochemical device 15 in the
Since there is a water-repellent fluorine-based fiber, the electrode substrate 16,
17 and rolls. Therefore, this electrochemical
Even if water adheres to the device using the vise 15, the electrode substrate
Since water does not enter inside 16, 17
The reaction gas and the gas to be detected are
Supplied constantly. If water is generated by the reaction,
Fluorine fiber has the property of repelling water
In addition, water generated by the reaction partially
It becomes spherical and moves on the electrode substrates 16 and 17, and
Is attracted onto the metal fibers, so that the electrode bases 16, 1
Space will be maintained in the whole 7 and react inside it
The gas required for the reaction can be easily
It continues to be supplied to the interface between the electrolyte membrane 14 and the electrode.[0015] Note that electrons do not move through organic fibers.
Therefore, it is not desirable to increase the amount of organic fibers further.
No. For example, even if the weight ratio is 10%, fluorine-based
The specific gravity of the fiber is about 2.1, while the specific gravity of the metal fiber is
Since it is 8.0, the volume ratio is as high as 30%,
An insulating layer may be formed depending on the entanglement method. In that case
In this case, the movement of electrons in the electrode substrate is impeded,
You.[0016] Next, a modified example of the electrochemical device 15
Will be described. Here, the organic fibers 22 and 32 are used.
Use a hydrophilic aramid fiber and mix at a weight ratio of 3% or less.
I had hair.[0017] Next, the operation will be described. In this reference example
Water is sprayed on the electrochemical device 15 in the
Is absorbed by the hydrophilic aramid fiber, and the electrode substrate 16,
17 moves toward the electrolyte membrane 14. Therefore,
When liquid water is supplied to an electrochemical device,
Water can be supplied to the reaction section while securing
You. If water is generated by the reaction,
The water is drawn to the
Gas flow from the vicinity of the interface between the metallic fiber and the electrolyte
Interfering water is removed, and the gas required for the reaction is
Supply to the electrolyte membrane 14 and the electrode interface.[0018] Also here, electrons move through the organic fiber.
It is not desirable to increase the amount of organic fiber
Not good. For example, aramid fiber has a specific gravity as small as 1.5.
Also, because it is covered with moisture and the real volume increases,
It is necessary to minimize the content. In addition, hydrophilic
Other machine fibers include polyester and acrylic.
Natural fibers such as cotton and hemp can be used in addition to synthetic fibers
But not decomposed by the functional groups of the electrolyte membrane 14
Are not appropriate.[0019] Reference example 4. Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described.
Will be described. This electrochemical device is the same as the electrode of Reference Example 3.
Fluorine the metal fibers 21 and 31 of the electrochemical device 15
Reference Example 3 for the shape and mechanical operation
The same as the electrochemical device 15 using the hydrophilic fiber of
You. In addition, the fluorination of the metal fiber was performed using the cloth of Reference Example 2.
Same as prime.[0020] Next, the operation will be described. In this reference example
Water is sprayed on the electrochemical device 15 in the
Are the electrode bases 16 and 17 because of the water-repellent metal fibers.
This electrochemical device 15 was used because it rolled over
Even if water adheres to the device, water will be present in the electrode bases 16 and 17.
A space for gas to pass through is secured without entering
The gas to be detected is constantly supplied to the reaction section. Meanwhile, the reaction
Draws water towards the organic fibers
Metal that causes electron transfer and electrochemical reactions
Water that impedes gas flow from near the fiber-electrolyte interface
The gas required for the reaction is removed and the electrolyte membrane 14 serving as a reaction part is removed.
And the electrode substrates 16 and 17 are continuously supplied to the interface. Also,
Again, the electrons do not move through the organic fiber,
It is not desirable to increase the amount more than necessary.[0021] Reference example 5. Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described.
Will be described. FIG. 3 shows an electrochemical device 4 of this reference example.
1 is a schematic cross-sectional view of FIG.
Electrodes having catalyst particles supported on each of the electrode substrates 12 and 13 of Example 1
It is an electrode substrate (gas diffusion electrode). Platinum as catalyst particles
Black (platinum fine particles) was used. There are various loading methods
But for a lower alcohol solution containing 5% polymer electrolyte
The suspension containing 30% platinum black in weight by weight
1cm on the substrateTwoApply 4mg per coat and dry
I let it. Then, the hot press described in Reference Example 1
The polar bases 42 and 43 and the electrolyte membrane 14 were integrated.[0022] Next, the operation will be described. In this reference example
Flowing hydrogen through one electrode substrate 42 of the electrochemical device 41
And the other electrode base 43 is negative with respect to the electrode base 42.
Is applied, the electrochemical device 11 of Reference Example 1
Then, for the first time when the potential between both poles is applied 100 mV or more
The current flowed, and hydrogen was detected from the electrode substrate 13 side,
In this reference example, a current flows at 10 mV or more, and the electrode substrate
It was confirmed that hydrogen was generated from the 43 side. This
The platinum supported on the electrode substrates 42 and 43 serves as a catalyst.
It can be confirmed that the electrochemical reaction is accelerated
Was. As for the catalyst, the same platinum was used as the catalyst.
So-called platinum loaded with platinum supported on carbon fine particles
Carbon catalyst is applied by this method due to its low specific gravity
The amount of catalyst in the applied liquid is about 30% of that of platinum black.
When using a 20% supported catalyst, the amount of platinum is
It is reduced to about 5% compared to the time. Therefore, the amount of platinum is greatly
It can save, but the catalytic effect is somewhat reduced. As a catalyst
Not only platinum but also white metal elements and alloys containing them,
Is a commercially available catalyst
Use other types of catalyst particles
However, if the method of supporting the substrate by coating is adopted,
Need to be adjusted.[0023] Reference example 6. This electrochemical device is for reference
Platinum having a catalytic effect is applied to each of the electrode substrates 12 and 13 of Example 1.
It is plated. To perform platinum plating,
To remove impurities on the surfaces of the electrode substrates 12 and 13,
Wash with grease. In this state, the electrode substrates 12 and 13 are
The electrode substrates 12 and 13 are cleaned
Boil in water for several minutes or immerse in 1N hydrochloric acid for several seconds
You. Then, it moves to a plating process. Plating solutions are generally commercially available
Phosphoric acid-based acid type under standard conditions
Although used, there is no particular problem with other known liquid compositions.
However, unlike plating, the following
There was such a phenomenon. It is the water generated during plating
Elementary bubbles stay in the fiber to make contact between the fiber surface and the plating solution.
Fibers in the plating solution
Need to be vibrated. Further, the electrode substrate 12,
13 is flexible, so buoyancy acts on the part with air bubbles
May be lifted up on the four sides of the substrate or
Jigs that allow current to flow with both ends fixed are required.
Required (not shown). Regarding the plating amount, consider the electrode substrate as a flat plate.
When this was done, the plating amount was adjusted to an amount that resulted in a plating thickness of 1 μm.
Of course, it may be more, but do not consider the catalytic effect.
This amount was sufficient. 0.1A / c depending on application
mTwoEquipment that operates at low current densities below
The amount of the jack may be extremely reduced. Also, as a catalyst
Even if other elements or alloys are used,
A known plating technique according to the composition may be used.[0024] Next, the operation will be described. Regarding the catalytic effect
Then, it is the same as the electrochemical device 41 of Reference Example 5.
Omitted. The electrode substrate of this reference example was immersed in boiling water for 5 hours.
Even if the process of pickling and drying is repeated, the plating
No screeching occurred. This is similar to fuel cells and electrolyzers
The catalyst drops even when used under conditions where the reactants flow rapidly.
No stable characteristics can be maintained.[0025] Reference example 7. Hereinafter, a seventh embodiment of the present invention will be described.
Will be described. FIG. 4 shows a plurality of electronically independent
It is a top view of the electrochemical device 45 which has an electrode part.
In the figure, 12A, 12B, 12C and 12D are electronic
Are independent electrodes in the same plane. Thickness for electrode material
300 μm carbon paper was used. 10cm square
A 12 cm square electrolyte membrane 14 is placed on the electrode 13.
Furthermore, four independent electrodes 12A to 4 cm in diameter
12D and four independent electrodes 12A to 12D inside
The same 250 µm thick Teflon sheet 46 with holes
Arrange on a plane. Then, hot under the same conditions as in Reference Example 1.
Pressed. The surface pressure is based on the area of four independent electrodes.
I made it. In addition, a gas can flow through the electrode substrate 13.
A gas flow path, a flow path that allows different gases to flow through the four electrodes,
And set up terminals for reading the voltage of each electrode.
(Not shown).[0026] Next, the operation will be described. For electrode 13
Flows pure hydrogen and separate electrodes 12A-12D
Each contains the fuel exhaust gas from the four cells of the fuel cell stack
Shed. Each electrode12A, 12B, 12C, 12
DAnd the voltage generated between the electrodes 13 flows through the respective flow paths.
(3) according to the hydrogen partial pressure of the fuel exhaust gas
Voltage. Therefore, one electrochemical device
Thus, the concentrations of the four gases could be measured simultaneously.[0027] Here, the method to know the hydrogen concentration is explained
I do. Flow pure hydrogen on one pole and hydrogen on the other.
When the gas to be inspected is introduced, the Nernst equation (3)
Is generated between the two poles.
Knowing the hydrogen concentration in the gas to be inspected by measuring
Can be.[0028]   E = RT / 2F × 1n (PH2/ PR・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (3)[0029] Where R is gas constant and F is Faraday constant
Number, T is absolute temperature, PH2Is the hydrogen gas content in the test gas
Pressure, PRIndicates the pressure of pure hydrogen.[0030] In this reference example, 4
Although two electrodes 12A to 12D are arranged, a plurality of electronic
If the electrode is independent of the
It may be as follows. In this reference example, the counter electrode 3 is 1
Although it was composed of12A, 12B, 12C, 12D
Divided into four corresponding to each, four electronically independent
It is also possible to configure a battery that has been used. In that case,
By connecting four batteries in series, on average four times the power
Pressure can be generated.[0031] Reference Example 8. Hereinafter, Reference Example 8 of the present invention will be described.
Will be explained. FIG. 5 shows an electrochemical device 51 of this reference example.
FIG. 3A is a plan view of the same figure.
(B) is a sectional view thereof. In the figure, 12R, 12
W is an electronically independent co-planar electrode, and 52 is
It is a partition (sealing part) that blocks the electrode 12R from the outside air.
For the electrodes 12R and 12W, platinum-plated electrode substrates are used.
The electrode of Example 6 was used. Assembling of 10cm square electrode 13
A 12 cm square electrolyte membrane 14 is placed on top of the
An electrode 12R having a diameter of 1 cm and a hole having a diameter of 1.5 cm
The opened electrodes 12W of 10 cm square are arranged on the same plane.
Then, hot pressing was performed under the same conditions as in Reference Example 1.
The surface pressure was based on the area of the counter electrode 13. And electrode 1
Hole for voltage terminal to prevent outside air from flowing into 2R
Silicon rubber with a thickness of 0.2mm and a radius of 1.2cm
And a hemispherical cap made of rubber (septum 52). Soshi
And a 1 mm thick SUS304 package with a 2 mm hole
Sandwiching the electrode with a punching metal
And a terminal for reading the voltage of the electrode 12R.
(Not shown). At this time, one punching metal is
Electronically connected to pole 12W, the other punch
Metal is electrically connected to the electrode 13,
The electrode 12R is in an electrically insulated state except for the voltage terminal
Has become.[0032] Next, the operation will be described. This electrochemistry
The device 51 is placed in the air, and the electrode 12W-the counter electrode 13
During that time, a potential of 4 V is applied via a punching metal.
The moisture in the air in contact with the electrode 13 is calculated according to Equation 4 described later.
The electrode 12W forms hydrogen ions in the electrolyte membrane 14,
Move to 12R side. At the electrode 12W, the hydrogen ions
The acid in the air immediately after being reduced to hydrogen according to the equation (5)
Reacts with element to form water. On the other hand, the electrode 12R
On turns electrons into hydrogen as shown in equation 7 below.
However, since it is sealed by the rubber cap 52,
Filled with hydrogen gas, excess hydrogen only, rubber cap 5
2 and the membrane 14.[0033] Here, the movement of hydrogen ions will be described.
You. When DC voltage is applied to both electrodes in moist air,
Due to the electrochemical reaction, moisture in the air is charged on the anode side.
Loss of hydrogen and become hydrogen ions, and the cathode in the electrolyte membrane
Moving. 2HTwoO → 4H++ OTwo+ 4e-        ・
.... (4) Hydrogen ions obtain electrons on the cathode and become water
It is reduced to hydrogen, but reacts with oxygen in the air to form water.   4H++ OTwo+ 4e-→ 2HTwoO ... (5) Eventually, the water on the anode side moves to the cathode side.
This lowers the humidity of the space on the anode side. Ma
For example, when DC voltage is applied to both electrodes in water, electrochemical
Due to the reaction, water loses electrons at the anode and hydrogen ions
And oxygen gas, the oxygen gas is generated as a gas, hydrogen
The ions move to the cathode side in the electrolyte membrane. On the other hand,
In the sword, hydrogen ions generate electrons and generate hydrogen gas
I do.   2HTwoO → 4H++ OTwo+ 4e-      ・ ・ ・ ・ ・ (6)   4H++ 4e-→ 2HTwo                ・ ・ ・ ・ ・ (7)[0034] As described above, the electrode 12R is connected to the hydrogen reference electrode.
The voltage of the electrode 12R and the counter electrode 13 and the electrode 12R
By measuring the voltage of the electrode 12W, this electrochemical
Separate and measure the polarization of each pole in the reaction
Can be. So, between this voltage and 12W-13
Adjusting the applied voltage may cause corrosion of the electrodes.
To avoid the danger of applying abnormal voltage to the electrodes
In both cases, operation is possible with the maximum required voltage
Thus, the device can be made more compact.[0035] Embodiment 1 FIG. Hereinafter, the first embodiment will be described.
This will be described with reference to the drawings. FIG. 6 shows the electrochemistry of the present embodiment.
FIG. 5 is a conceptual cross-sectional view of the device 53, in which FIG.
Reference numerals 4 and 55 denote electrode substrates having through holes 56, and 14 denotes a polymer.
It is an electrolyte membrane. As the electrode substrate, S shown in Reference Example 1 was used.
US316L, diameter 12 μm, length 50-100 mm
Is sintered after passing through a fiber opening machine.
g / cmTwoCloth was used. Perfluorinated polymer film 14
Nafion 1 of DuPont as a commercial product of sulfonic acid membrane
17, the electrode substrates 54 and 55 and the polymer film 14 are used.
50 kg / cm at 190 ° CTwoHot pressing with surface pressure
When integrated by performing, the fibers of the electrode substrate
And the electrolyte membrane 14 has a through hole
I was digging in to fill 56.[0036] Next, the operation will be described. 10cm square
When manufacturing an electrochemical device 53 of a size
Even if it is not possible, hold only one end by hand due to the steel nature of the electrode substrate.
Even if you handle it, this unified material will separate and cause unreproducible distortion.
I didn't wake him. In addition, this one
After immersion in water, repeat the operation of drying in air at 100 ° C 10 times
The electrode substrates 54 and 55 and the polymer film 14 were completely separated.
Without releasing, the shape of this integrated product did not change. This trial
When the test is performed using a conventional electrode substrate, the electrode base
Cracks start from the hole made in the material, the base material cracks and peels
I fell down. Further, the electrode substrate 5 of the present embodiment
Examination of the electric resistance between 4, 55 showed that the low resistance
It could be maintained during immersion and drying. Polymer electrolyte membrane 14
The body expands and contracts depending on the moisture content.
Adhesion between the electrode base polymer film 14 and the bases 54 and 55
Is very strong and the strength of the metal fibers
It is thought that the movement of was able to be restricted.[0037] The electric conductivity of SUS316L itself is
Since it is about 10 times the electric conductivity of carbon,
Electron transfer is smooth and keeps voltage loss low
be able to. Also, when the electrolyte membrane enters the through hole,
So that the water that has entered the liquid directly touches the electrolyte membrane
This facilitated the supply of water to the membrane. In addition, gold
If the fiber diameter is smaller than this one,
Although the surface area around the volume increases, the reaction area increases,
In this case, the gas permeation resistance increases.
It is desirable to use a cloth with a small basis weight. Conversely, the fiber diameter
For large ones, those with a large basis weight can also be used. Fret
The base material of the electrode itself
When sintering is not so necessary
It is also possible to use[0038] Reference Example 9. Hereinafter, Reference Example 9 will be described.
You. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the electrochemical device 58 of this reference example.
FIG. Reference numeral 59 denotes a layer made of hydrophilic fibers. This
Here, a polyester fiber diameter of 1 μm and a thickness of 2 mm
Woven fabric was used.[0039] Next, the operation will be described. This electrochemistry
When water is sprayed on the device 58, the water is applied to the hydrophilic layer 59.
After being substantially uniformly distributed in the spread surface,
It reaches the electrolyte membrane 14. On the other hand, water is electrolyzed by the reaction
Excess water at the interface between the membrane 14 and the electrode 12
It is absorbed by the aqueous layer 59, spreads over the entire surface, and is removed.
It is. Space will be maintained throughout the substrate,
The reaction gas can easily flow through
Is supplied to the interface between the electrolyte membrane 14 as a reaction part and the electrode.
I can. However, since electrons do not move through organic fibers,
The exchange of electrons between the polar base material 12 and the outside is performed by the hydrophilic layer 59.
A terminal is taken out from between the electrolyte membranes 14 or hydrophilic.
It is necessary to make a hole in a part of the layer 59 so that only the terminal passes
Therefore, it is not suitable for operation in which a large current flows. Hydrophilic
Other fibers such as polyamide and polyethylene
In addition to synthetic fibers, natural fibers such as cotton and hemp can be considered.
Synthetic fibers that can freely control the pore size of are preferred. In addition,
In the above reference example, the one having a thickness of 2 mm was used.
If it is applied to the side that discharges water, thicker
Operating at room temperature without any problems and without directly touching the electrolyte membrane 14.
Restrictions on material selection, besides hydrophilicity
There is no need to do it. In addition, from inside the hydrophilic layer, further outside
It is also possible to carry a known water supply polymer.Reference Example 10 . Less thanReference example 10About
I do. FIG. 8 shows a bent electrode and an electrolyte membrane according to this embodiment.
Is an electrochemical device 61 in which
The gas diffusion electrodes 62 and 63 are bent, and the gas diffusion electrode 64 is bent.
Electrolyte membrane (solid polymer electrolyte). Also, 65
A gas flow path formed by the electrode 62, 66 is an electrode 63
It is a gas flow path formed by. Also, 68, 69
Is the conductive separator that forms the other end of this gas flow path.
It is a tar plate. 70 is an insulating spacer film.
A Teflon sheet having a thickness of 250 μm was used. Gas expansion
No special technique is required for bending the electrode
Can be carried out in the same manner as the sheet metal press. In addition,
When integrating the electrodes 62 and 63 and the electrolyte membrane 64,
For example, JP-A-3-84866, JP-A-3-2082
No. 61, JP-A-3-208262 and the like.
If the method is adopted, the film is formed into the shape of the bent electrode substrate.
Is easy to follow. Here, SUS316
A gas flow path having a width of 2 mm is formed from a sintered electrode substrate of L fiber.
Was.[0041] Next, the operation will be described. This electrochemistry
In the device 61, hydrogen gas which is one of electrochemical reactions
Perform a purification reaction. Hydrogen gas containing carbon dioxide as impurities
Is introduced into the gas passage 65 and the separator plate 68 is separated.
When a voltage of 0.5 V is applied to the heater plate 69, the electrode 6
2, a reaction of the formula 8 described below occurs, and only hydrogen gas is
And move in the electrolyte 64 toward the electrode 63
Then, the flow path 2 returns to the hydrogen gas by the reaction of Equation 9 described later.
3 will be introduced.[0042] Here, hydrogen containing impurities on the anode side
When flowing gas and applying voltage, only hydrogen gas reacts
It becomes hydrogen ions and moves to the cathode side in the electrolyte membrane.
You.   HTwo→ 2H++ 2e-                ・ ・ ・ ・ ・ (8)   2H++ 2e-→ HTwo                  ・ ・ ・ ・ ・ (9) On the cathode side, hydrogen ions obtain electrons and reduce them to hydrogen gas
Is done. Only hydrogen ions can move in the electrolyte membrane
Thus, pure hydrogen can be obtained on the cathode side.[0043] Therefore, electrons are separated from the electrode 62 by separation.
Through an external circuit through a separator plate 69,
It flows to the electrode 63. The thickness of the electrode substrate is about 0.3 mm
Although the metal fiber is highly conductive,
Separator from the top of the long flow path 65TBoard
There is almost no voltage loss even with the movement of electrons up to 68,
The reaction proceeds. At this time, the electrolysis per simple flat area
The reaction area is large because the interface area between the material and the electrode is doubled and wide.
It was secured tightly and it became possible to purify a large amount of gas. Further
While keeping the thickness of the electrode thin,
The thickness of the unit battery is very
Thinner, making the battery stack very compact
Can be configured. Regarding contact resistance between separator and electrode
Can maintain the contact pressure by utilizing the elasticity of metal fiber
Therefore, the voltage loss can be kept low.Reference Example 11 . Less thanReference Example 11About
I do. FIG. 9 shows an embodiment of the present invention,
Electrochemical device 71, and 72 is an elastic current collector.
, 73 is a current collector of a counter electrode, and 70 is an insulating spacer.
You. The material of the elastic current collector 72 is austenitic
Other than stainless steel and martensitic stainless steel,
It is possible to use metals and alloys with spring properties
Both use a plastic film coated with a conductive layer
It is possible, but it should be selected in consideration of corrosion resistance depending on operating conditions.
Need to be Here, dehumidification operated at room temperature and air
SUS316L thickness 0.05m for use in a container
A plate provided with holes for gas permeation was used. The hole is
Known, eg punching, etching or machining
Can be created. The size of the elastic current collector 72 is 10 cm square.
And is machined into an arc with a radius of 10 cm. Moth
SUS fiber felt is platinum plated
The electrode of Reference Example 6 is used. Assembling the current collector 73
The electrode 12, the electrolyte membrane 14, and the electrode 13 are stacked on the
Current collector 72 such that the center of the arc faces outward from above.
And sandwich it between frames 74. Frame 74 is 3m thick
m, made of hard polyethylene, using current collector 73 with screws, etc.
Fixed. The elastic current collector 72 has an end through which a current flows.
A child is attached (not shown).[0045] Next, the operation will be described. Current collection in the atmosphere
When a voltage of 4 V is applied to the current collector 73 on the body 72,
The reaction of the above-described formula 4 occurs on the pole 12, and the current collector 73 side
The water in the air is decomposed, and protons flow through the electrolyte 14.
Moving toward pole 13 and reacting in air
Combines with oxygen and comes out as water. At this time, the electrons are
12, the current collector 72 through an external circuit through the current collector 73,
It flows to the electrode 13. The contact resistance between the current collector 72 and the electrode 13
The resistance uses the elasticity of the current collector 72 to maintain the contact surface pressure.
As a result, the voltage loss could be kept low. Also one
Unintegrated electrodes and electrolyte membranes can also be used with this method.
Therefore, the integration step could be omitted. In addition,
In the present embodiment, the electrode substrate itself has a catalytic function.
Used, but the dissolution medium must be integrated with the electrode
Is not particularly specified, for example, as disclosed in JP-A-3-46764.
Insert a catalyst sheet between the electrode substrate and the electrolyte membrane
May be. The total thickness is very thin, 0.7mm
And compact when attached to various devices
Can be configured.[0046] Embodiment2. The following embodiment2about
explain. FIG. 10 shows an embodiment of the present invention.2Electrochemistry
Conceptual diagram of fuel cell 81 using device 53 (FIG. 6)
54 is a cross-sectional view, in which 54 is a cathode having a through hole 56, 55
Is an anode also having a through hole 56, and 68, 69
Is a separator plate having a gas passage made of carbon.
You. Effective surface of each electrode 54, 55 of the electrochemical device 81
The product is 100cmTwoWas used. In addition, the electrolyte membrane 14
Used was Nafion 115 manufactured by DuPont.[0047] Next, the operation will be described. Fuel cell 81
Is heated to 80 ° C. by an external heater (not shown),
Hydrogen gas humidified at 95 ° C.
Air humidified to 50 ° C. was introduced into the flow path 65. Sepa
Connecting the radiator plates 69-68 to an external circuit
On the gate 55, hydrogen emits an electron by the reaction of the equation (10).
To move to the cathode 54 through the membrane 14 with water.
You.   2HTwo→ 4H++ 4e-              ・ ・ ・ ・ ・ (10) At the cathode 54, hydrogen ions and oxygen combine to generate electrons.
The resulting water is produced.   4H++ OTwo+ 4e-→ 2HTwoO ... (11) At this time, the temperature of the cell depends on the dew point of the anode gas (95 ° C).
Is excessively low, so that excessive moisture
Condense. Although the droplets are carried in the flow path 66 by the dynamic pressure of the gas,
Touch the electrolyte membrane 14 filling the through hole 56 in the electrode.
And partly absorbed, and partly the electrolyte in the through-hole 56.
It flows into the electrolyte membrane 14 along the membrane 14. On the other hand Caso
Although there is excess water in the wire 54, the through hole 56 is filled.
The electrolyte membrane 14 is more hydrophilic than the electrode 54
The water moves along the through hole 56 into the flow path 65 and circulates.
Evaporates on contact with air. This makes it necessary for electrochemical reactions.
The supply of necessary water becomes possible, and the cathode electrode 54
Since the water inside can be quickly drained, supply oxygen necessary for the reaction.
Supply, and maintain high characteristics even when the current density is increased.
Can be.Reference Example 12 . Less thanReference Example 12About
I do. FIG.Reference Example 12The electrochemical debye
Is a dehumidifier 91 using a stiffener 71, and 72 is elastic.CollectionElectric
Body, 92 is a DC power supply, 93 is a housing to be dehumidified, 94 is a housing 9
3 is a window for dehumidification opened in the side wall, and the hole is a known example.
Such as punching, etching or machining
It may be a metal plate joined together. Here, the thickness is 0.
A 5 mm SUS304 punching metal was used.
Since the window 94 functions as a current collector, the insulating layer
It was unpainted so that it would not occur, but it was insulated from the enclosure 93
Fixed. Also, on the outside of the housing 93, there is a fixing device for fixing the dehumidifying element.
A frame 74 is provided. Frame 74 is welded to the same steel plate as the housing
And is attached to the housing. The outside is the same paint as the case
However, the inside is unpainted to conduct with the current collector 72.
did. The size of the current collector 72 is 10 cm square.
And is bent into an arc having a radius of 10 cm. Electrical
Chemical device 71 is used for gas diffusion electrode
Electrode of Reference Example 6 obtained by plating platinum on
117 film at 150 ° C, surface pressure 50 kg / cmTwoAnd unite with
Was used. The lower heating temperature is due to the electrode film
And the substantial thickness of the electrolyte membrane 14 is reduced.
This is to prevent backflow of water by keeping it thick.
The integration is somewhat poor, but it is pressed by the current collector 72.
There is no problem. The electrode 12 has a thickness of 400
μm 400g / cmTwoFelt, weight of electrode 13
Is 200 g / cm with a thickness of 200 μmTwoSet of Fell
Is used. The electrode 13 is assembled along the frame 74 during assembly.
Insert the electrochemical device so that it faces the body and
Insert the current collector 72 so that the center of the arc faces the outside of the housing.
Entered. The window 94 is connected to the + terminal of the DC power supply.
The negative terminal was grounded to the housing 93.[0049] Next, the operation will be described. Start the DC power supply
When it moves, a voltage of 4V is applied to the window 94 with respect to the housing 93.
You. The window 94 is electrically connected to the electrode 13, and the housing 93 is connected to the frame 7.
Since it is electrically connected to the electrode 12 through the four current collectors 72,
A voltage of 4 V is applied to the electrode 13 with respect to the electrode 12. Do
And the reaction of the formula 3 occurs on the electrode 13, and the air in the housing 93 is
The water inside is decomposed, and the protons pass through the electrolyte 14 in the electrode 1
2 to the oxygen in the outside air according to the reaction of Equation 4.
And come out as water. At this time, the electrons
Through the window 94, through the DC power supply 92, the enclosure 93, the frame 7
4. The current flows to the current collector 72 and the electrode 12. Current collector 72 and electricity
The contact resistance between the poles 12 is obtained by utilizing the elasticity of the current collector 72.
Since contact surface pressure can be maintained, voltage loss can be kept low
it can. In this method, the electrochemical device is a current collector
It is only fixed by the elasticity of the
It can be easily replaced simply by pulling out the chemical device 71.
When the volume of the housing 93 is about 10 liters,
Relative humidity should be about 40-50% lower than the atmosphere
did it. Further, the electrochemical device of Embodiment 2 was used.
In such cases, a large amount of gas can be dehumidified.
Prevents condensation inside the fins if placed on the windward side of the cooling fins
And oxygen enrichment is possible.Reference Example 13 . Less than,Reference Example 13About
I will tell. FIG. 12 shows a plurality of electronically independent electrodes in a plane.
Having a partReference Example 13Using the electrochemical device 45
FIG. 2 is a conceptual sectional view of a gas concentration sensor 101. In the figure
12A, 12B, 12C, and 12D are electronically independent.
The electrodes stand in the same plane. 30 for electrode material
0 μm carbon paper was used. 10cm square electrode
13cm, 12cm square over the circumference of 1cm
Is placed. In addition, 16 2
FIG. 13 shows a cm-cm independent electrode in a range where the electrode 13 is below.
As shown, the electrodes are arranged at intervals of 6 mm. Andthree
ExampleHot pressing was performed under the same conditions as in Example 1. In addition, surface pressure
Is an area of 64 independent electrodes 64cmTwoBased. Ma
In addition, a gas flow path 102 through which gas can flow through the counter electrode 13
And flow channels 103A to 103A through which different gases can flow through the 16 electrodes.
103P (103A to 103D in the figure) was provided.
A voltage terminal 104 is connected to the electrode 13 via a current collector (not shown).
And connected. The voltage terminals 105 are also provided on the electrodes 12A to 12P.
A to 105P were connected. In addition, the end plates 106 and 107
Polycarbonate was used. End plate 106 is a conductive metal
Although it is possible to use a material,
Since it is necessary to electrically insulate the poles 12A to 12P,
When using conductive materials such as metal or carbon
It is necessary to prevent the conductive portion from touching the electrode.[0051] Next, the operation will be described. In the flow path 102
Flow pure hydrogen, and each of the independent electrodes
The fuel exhaust gas from 16 cells of the pond stack was flushed. Each
The voltage generated between the electrodes 12A to 12P and the electrode 13 is
Depending on the hydrogen partial pressure of the fuel exhaust gas flowing through each flow path
It becomes the voltage shown by Formula 3. Each voltage 104-1
Monitor the voltage between 05A and 104-105P
And the exhaust gas of the 16 cells of the fuel cell stack
The hydrogen concentration could be measured at the same time. In this exam
Methane reforming simulation gas (hydrogen 80
%, Residual carbon dioxide). Each cell voltage in the stack
There was variation due to measurement, but what is this variation?
I didn't know if it was based. However, this concentration sensor
Is installed, the exhaust gas from the cell with low cell voltage is
The electrode voltage is higher than the other cells, and the hydrogen concentration
Was found to be extremely low. Fuel cell star
Since the current flowing through each cell is the same in
The same applies to the amount of hydrogen gas. Nevertheless hydrogen concentration
Low indicates that less fuel is flowing into the cell.
Problem with the distribution of gas in the stack
Understand that this voltage can be monitored by optimizing the flow path structure and gas flow rate.
Can be performed by
Tack characteristics have been greatly improved.[0052] BookReference exampleThen the electrode 13 with pure hydrogen flowing
Was measured and the gas concentration was measured.
If only the variation in concentration is measured as in
Neglecting the potential of the reference electrode 13, the potentials of 12A to 12P
The concentration distribution by monitoring only the
It is also possible to know. For example, the number of divided electrodes is limited to 2 cells.
The cells at both ends where gas distribution is most likely to be uneven.
The gas is introduced into the flow paths 103A and 103B to
When the exhaust gas is introduced into the flow path 102, the flow path 103A-1
If the voltage between 03B exceeds a certain value, the total gas flow rate
Driving method that keeps stack operation normal by increasing
It is also possible to adopt a law.Reference Example 14 . Less thanReference Example 14About
I do. FIG.Reference Example 14Using the electrochemical device 51
Is an electrolytic cell 111 used, 112 is an electrolytic cell container, 13
Is anode, 12W is cathode, 12R is independent cathode
113, an anode current collector 113, a cathode current collector 114,
52 is a silicone rubber cap, 115 is a water supply port, 1
16 is an oxygen outlet, 117 is a hydrogen outlet, 118 is an electrode
Current (voltage) terminal to 12R. The thickness of the electrode
0.1mm basis weight 100g / cmTwoStainless steel fiber baked
Electrodes 12W and 12R were plated with platinum using a tie.
The electrode 13 is made of iridium plating.
Was. The electrolyte membrane 14 is a perfluorosulfonic acid membrane
A Nafion membrane was used.[0054] Next, the operation will be described. Electrode 12W-
When a DC voltage is applied across the anode 13, 6
Water is decomposed by the reaction of the formula and oxygen is generated.
At 12 W, hydrogen gas is generated in accordance with equation (7). Also,
When the terminal 118 is short-circuited with the cathode, hydrogen is also
Occurs, the inside of the rubber cap 52 is filled with hydrogen, and
Overflowed from the gap between the membrane cap 52 and the membrane 14. Current
Density of 500mA / cmTwoWhen the current flows about 2
Although it was about V, operation was continued for a while at this current density.
Then, the voltage increased and the current stopped flowing. Terminal 11
8 and the terminal and anode when the cathode is disconnected
Measured the voltage between the terminal and the cathode.
When the voltage rises, the voltage between the terminal 118 and the anode 13 changes.
However, the voltage between the cathode and the terminal 118 almost changed.
Did not convert. Therefore, the characteristics of the electrolytic cell 111 deteriorate.
Because I could guess that there was a problem on the anode side
When the test is performed with attention to the anode, it occurs on the anode
It turns out that the supply of water was dripping with the bubble of oxygen
Was. Therefore, make the anode electrode base material half the thickness
The voltage did not rise. This
Thus, the circuit of the terminal 118 is cut off at regular intervals during operation.
When the voltage between the electrode 13 and the electrode 13 is measured,
If there is a problem with the
Or just before it breaks down
The problematic part can be repaired.Reference Example 15 . Less thanReference Example 15About
I do. FIG.Reference Example 15Using electrochemical device 61
It is the gas purification device 121 which was used. Electrochemical device (one
The lower part is the anode 62 and the upper part is
Is a cathode 63. The electrode substrate has a basis weight of 300 g /
cmTwoOf SUS316L fiber with thickness of 250 μm
A gas flow path with a width of 2 mm and a height of 2 mm is formed with the polar substrate
Was. 65 is a gas flow path formed by the electrode 62, 66
Is a gas flow path formed by the electrode 63. 68,
69 is a conductive end forming the other end of the gas flow path.
Plate, 122 is a conductive separator plate, whereby
Electrically, four purification units were connected in series.
You. The four devices are labeled A to D respectively.
Was. Each separator plate 122 is made of SUS304.
It is composed of a plate, gas seal with electrolyte membrane and bent
The manifold to the gas flow path with electrodes is made of Teflon resin
(Not shown). Finally, the laminate is
0.2kg / cmTwoEnd plate with surface pressure68-69Hold the gap
I'm wearing it.[0056] Next, the operation will be described. Diacid to impurities
Hydrogen gas containing activated carbon is introduced into gas flow paths 65A to 65D
Then, when a voltage of 2 V is applied to the end plate 68 with respect to the end plate 69,
The reaction of Formula 8 occurs on the electrodes 62A to 62D,
Only protons become protons in the electrolytes 14A to 14D.
Moving toward 3A-63D, depending on the reaction of Eq.
The raw gas is returned and introduced into the flow paths 66A to 66D. Ma
At this time, the interface area between the electrolyte and the electrode per simple flat area
Has been doubled, which is almost double that of a flat-plate electrode.
Was able to flow. This is the same gas area
This means that twice the gas amount could be processed with respect to the production equipment. Sa
Furthermore, while keeping the thickness of the electrode thin,
Since the flow path was constituted by 61 itself, the flow path was formed on the separator plate.
30% smaller per sheet than when digging
Therefore, the height became about 2/3. For this reason,
Size for gas purification unit of the same size is reduced to about 1/3
As a result, remarkable miniaturization has become possible. Also, separator
Since it is not necessary to dig a groove in the hole, as in this embodiment,
Commercially available thin plates can be used, significantly reducing costs
did it.[0057] According to the present invention, the number of gas diffusion electrodes is small.
At least on one side, a plurality of through holes are formed and these
The solid polymer electrolyte is configured to penetrate a part thereof.
The adhesion between the gas diffusion electrode and the solid polymer electrolyte
And prevents deformation of the solid polymer electrolyte.
There is an effect that can be stopped.

【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3】 この発明の参考例5の電気化学デバイスの構
成を示す断面図である。 【図4】 この発明の参考例7の電気化学デバイスの構
成を示す平面図である。 【図5】 この発明の参考例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1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9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10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11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12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13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13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14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15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、5
8 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。
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 a third embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 5 of the present invention. FIG. 4 is a plan view showing a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 7 of the present invention. FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 8 of the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the electrochemical device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 9 of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 10 of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electrochemical device according to Reference Example 11 of the present invention. FIG. 10 is a sectional view showing a fuel cell using the electrochemical device according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a dehumidifier using the electrochemical device of Reference Example 12 of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a gas concentration sensor using the electrochemical device of Embodiment 13 of the present invention. FIG. 13 is a plan view showing a configuration of an electrode of a gas concentration sensor using the electrochemical device of Embodiment 13 of the present invention. FIG. 14 is a sectional view showing an electrolytic cell using the electrochemical device of Reference Example 14 of the present invention. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a gas purification apparatus using the electrochemical device of Reference Example 15 of the present invention. FIG. 16 is a sectional view showing a conventional electrochemical device. [Description of Signs] 11 Electrochemical device, 12, 13 Metal fiber electrode base material (gas diffusion electrode), 14 Solid polymer electrolyte membrane, 15
Electrochemical device, 16, 17 Electrode substrate (gas diffusion electrode), 21, 31 Metal fiber, 22, 32 Organic fiber, 41 Electrochemical device, 42, 43 Electrode substrate (gas diffusion electrode), 45 Electrochemical device, 51 electrochemical device, 52 partition (sealing part), 53 electrochemical device, 54, 55 electrode base material, 56 through hole, 5
8 electrochemical device, 59 layer made of hydrophilic fiber, 61 electrochemical device, 62, 63 gas diffusion electrode, 64 electrolyte membrane (solid polymer electrolyte), 71 electrochemical device, 72 elastic current collector, 73 Electric body.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−262954(JP,A) 特開 昭63−82355(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 H01M 8/02 H01M 8/10 G01N 27/26 C25B 11/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-3-262954 (JP, A) JP-A-63-82355 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 4/86 H01M 8/02 H01M 8/10 G01N 27/26 C25B 11/00

Claims (1)

(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
極の少なくとも一方に、複数の貫通孔を形成し、これら
貫通孔に前記固体高分子電解質の一部を浸入させたこと
を特徴とする電気化学デバイス。
(57) [Claim 1] In an electrochemical device having gas diffusion electrodes provided on both sides of a solid polymer electrolyte, a plurality of through holes are formed in at least one of the gas diffusion electrodes. An electrochemical device wherein a part of the solid polymer electrolyte is penetrated into these through holes.
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