JPH03182052A - 多孔質電極及びその使用方法 - Google Patents

多孔質電極及びその使用方法

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JPH03182052A
JPH03182052A JP1319009A JP31900989A JPH03182052A JP H03182052 A JPH03182052 A JP H03182052A JP 1319009 A JP1319009 A JP 1319009A JP 31900989 A JP31900989 A JP 31900989A JP H03182052 A JPH03182052 A JP H03182052A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、アルカリ電解液や固体高分子電解質などを用
いたガス燃料電池あるいは水電解プロセス等に用いて有
用な多孔質電極及びその使用方法に関する。
〈従来の技術〉 従来より、アルカリ電解液燃料電池、固体高分子電解質
燃料電池などのガス燃料電池は、水素やメタノールなど
の燃料ガスと酸素とを用いて高効率で電気エネルギを得
るものとして周知である。これらガス燃料電池は、アル
カリ電解液を吸蔵する電解質膜あるいは固体電解質膜の
両面に接合されるガス拡散電極を有しており、これらの
ガス拡散電極と電解質との接触面で主に電池反応を生じ
させて電気ニネルギを取り出すものである。一方、同様
の構成として、画電極に通電することにより水電解を行
う水電解プロセスも知られている。
このようなガス燃料電池や水電解プロセスで用いられろ
ガス拡散′:4極は、導電性の他、電解液若しく:よ電
解質中の水;よ通過させないが燃料ガスや酸素は通過さ
せるという性質を有する必要がある。したがって、従来
のガス拡散電極は一般に第7図に示すような構造を有し
ている。
第7図に示すように、このガス拡散膜Jli01は反応
y、02にガス拡散膜03を接合してなる。ここで、反
応膜02は疎水性カーボン及びフッ素樹脂などの疎水性
樹脂からなり、これに触媒を担持させた親水性カーボン
微粒子若しくは触媒微粒子を分散させたものである。
電解質と接触するの:よこの反応膜02であり、反応膜
021よ電解液や水を透過させる性質を有している。一
方、ガス拡散膜03iよ、通気性はあるが通水性は有さ
ないものであり、疎水性カーボン及びフッ素樹脂などの
疎水性樹脂からなる。
〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上述した従来のガス拡散電極01ばガス
拡散膜03が撥水性を有するので次のような問題が生じ
る。
例えば固体電解質燃料電池では、固体電解質を常に湿潤
状態とするために加湿する必要があるが、この加湿のた
めに水蒸気を用いなければならない。したがって、急速
に負荷が上昇したときにも加湿速度を大きくできず、急
速な負荷増加に伴う発熱で電解質が乾燥して性能が急速
に低下してしまうという問題がある。
また、水電解プロセスにおいても、ガス拡散電極を介し
て電解質に水を供給することができないので連続して水
電解を行うことができないという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、接触する電解質に水分
をも供給できる多孔質電極及びその使用方法を提供する
ことを目的とする。
〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成する本発明に係る多孔質電極;よ、疎水
性カーボン及び疎水性樹脂からなり通気性を有するガス
拡散膜に、触媒を担持させた親水性カーボン微粒子若し
くは触媒微粒子を含有する、疎水性カーボン及び疎水性
樹脂からなる反応膜を接合してなる電極であって、少な
くとも上記ガス拡散膜をその厚さ方向に貫通する貫通部
を有し、該貫通部内には必要に応じて親水部が存在する
ことを特徴とする。また、その使用方法は、上記構成の
多孔質電極をガス燃料電池又は水電解プロセスの陽極及
び/又は陰極とし、反応膜を有しない側から反応膜側へ
気液混相流を供給することを特徴とし、また、上記構成
の多孔質電極をガス燃料電池又は水電解プロセスの陽極
及び/又は陰極とし、上記貫通部には電解液若しくは水
を、他の部分にはガスをそれぞれ反応膜を有しない側か
ら反応膜何へ供給することを特徴とする。
上記構成の多孔質電極;よ、貫通部若しくは貫通部内に
存在する親木部を有しているので、これらを介して電解
質に電解液若しくは液体状態の水を供給できるという特
性を有する。
ここで、貫通部は少なくともガス拡散膜を貫通するよう
に設けられていればよいが、反応膜をも貫通するように
設けられていてもよく、その形状は円形状、長孔、長溝
状など特に限定されない。また、貫通部内には必要に応
じて親水部を充填するとよい。この親水部としては、親
水性カーボン及びフッ素樹脂などの疎水性樹脂に必要に
応じて疎水性カーボンを混合することにより適度の親水
性を有するようにしたものなどを挙げることができる。
このように親水部を設けろ場合、親水部に適当な親水性
を持たせると共に、該親水部が設けられている貫通部の
寸法を適宜調節することにより、水等が浸透するには適
当な圧力が必要であるようにすることができる。また、
親水部の形状:よ上記貫通部の形状に合せ、円柱状、長
円柱状、角柱状などとなる。
なお、本発明の多孔質電解の親水部以外の基本構成は従
来のガス拡散電極と同様でよく、特に限定されない。
以上説明した多孔質電極を燃料電池若しくは水電解プロ
セス等の電極として用いた場合、燃料ガス若しくは酸素
などのガスと共に、電解液や液体状態の水を併せて電解
質へ供給することができる。また、この方法は特に限定
されないが、多孔質電極の電解質との接触面とは反対側
(反応膜とは反対側)から上述したような気液の混相流
を供給するようにするのが好適である。勿論、貫通部に
は対応する部分に電解液若しくは水を、その他の部分に
はガスを、それぞれ別々に供給することもできる。
く実 施 例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
第1図(al、(blには一実施例に係る多孔質電極の
断面及びその人矢視を示す。両図に示すように、この多
孔′J!;を電極1は反応膜2とガス拡散膜3とを接合
したものであり、ガス拡散膜3は通気性を有する疎水部
4と通水性を有する円柱状の親木部5とからなる。親水
部5はガス拡散膜3を厚さ方向に貫通する貫通部6内に
設けられており、貫通部6はガス拡散膜3の表面にほぼ
均一に点在するように設けられている。
この多孔質電極1の一製造例について説明する。
まず、疎水性カーボンブラック(デンカブラック;電気
化学工業社製)及びポリテトラフルオロエチレンからな
る0、5+o+厚のガス拡散膜を製造し、このガス拡散
膜に上述した貫通部6として1++nφの穴を5胴毎に
形成する。
この貫通部に、親水性カーボンにポリテトラフルオロエ
チレン(10%)を混合してなる親水部5を充填し、一
体化する。かかるガス拡散yI3に、触媒としての白金
粉末、親水注力−ボンブランク、疎水性カーボンブラッ
ク及びプリテトラフルオコエチνンよりなる0、 1+
m厚の反応M2を380℃、500kg/cIiプレス
成型により接合し、多孔質電極1とする。
次に、かかる多孔質電極1を陰極として用いた固体高分
子電解質燃料電泊について説明する。なお、この例では
陽極には従来と同様のガス拡散電極を用いている。
第2図にはその燃料電池の基本構造を示す。
同図に示すように、固体高分子電解質膜7の両側に、上
記多孔質電極1及びガス拡散電極8をポットプレスによ
り接合して電池本体としてし)る。ここて、電解質膜7
としては厚さ0.17++a++のデュポン社製のナフ
ィオン(商品名)を用いている。
このような構成において、陰緬としての多孔質電極1側
に設けた通路9からは水素と液体の水との気液混相を、
陽極としてのガス拡散電極8側に設けた通路10からは
飽和水蒸気を含む空気を、それぞれ供給した。この場合
、多孔質電極1側ではH2は疎水部4を介して、また、
液体の水は親木部5を介してそれぞれ固体高分子電解質
!il!7と反応膜2との接触面へ供給される。このよ
うに液体の水を供給することができるので、固体高分子
膜7を十分に湿潤することができ、急激な負荷上昇にも
対応することができろ。
なお、上記実施例と、従来のガス拡散電極を用いた比較
例とについての電池特性の比較を第3図に示す。
また、第4図には第1図に示すガス拡散電極1の親水部
5に電解液若しくは水を、他の部分に燃料ガス若しくは
酸素を、それぞれ別別に供給するためのガスセパレータ
の一例を示す。同図に示すように、ガスセパレータ11
はガス拡散電極1の反応膜2とは反対側に密着されるも
のであり、内側にガス通路12、外側に水通路13を有
しており、この水通路13と親水部5とを連通ずる連通
路14がガス通路12内に設けられている。なお、これ
ら連通路14;よ各親水部5に対応するように設ニブら
れている。
第5図:こ:よ他のガスセパレータ15を示す。
このガスセパレータ15のガス拡散電極1とのV!着面
にCよ水供給溝16とガス供給溝17とが交互に形成さ
れている。水供給溝16;よそれぞれ並らんだ親水部5
の一列に対応するようになっており、ガス供給溝17は
各水供給溝16の間に形成されている。また、各水供給
溝16は水運通路18A、18Bにより、各ガス供給溝
17はガス連通路19 A、 19 Bにより、それぞ
れ連結されており、水やガスはそれぞれ水運通路18A
、18B及び:l/ス連通路19A、19Bを介して供
給されるようになっている。
また、第6図(a)〜fc)には親水部と疎水部との配
置例を示す。第6図falは疎水部4A中に、上記親水
部5を一列連結したような貫通部を設け、この中に四角
柱状の親水部5Aを配したものである。一方、第6図f
blは疎水部4Bと親水部5Bとを図中上下で分けたも
のである。よた、第6図(C):よ疎水部4Cの中央に
太きく形成した四角の貫通部内に親水部4Cを配置した
ものであろう 以上、ガス拡散電極、ガスセパレータについて種々の例
令挙げて説明したが、これらに限定されるものではない
ことは言うまでもない0 なお、上述した例では多孔質電極を陰極としてのh用い
たが、勿論、陽極のみ、あるいは両方に用いてもよい。
また、固体高分子電解yR膜の代りに、例えば苛性カリ
水溶液を含有させた石綿マ) IJソックス用し)ろよ
うなアルカリ電解液燃料電池の場合には、例え:ゴ陰極
に用いた多孔質電極から、水素と共に苛性カリ水溶液を
供給するようにすればよいっ さらに、以上説明した燃料電池と同様にして、水電解ブ
;セス、HC1電解、I2− CI2燃料電池aどに本
発明の多孔質電極を用いれば、電解液若しく(=水を供
給しながら水電解等を連続的に行うことができる。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る多孔質電極を用いれ
ば、燃料ガスや酸素と共に液体状態の水や電解液を電解
質に供給することができるので、加湿が十分に行うこと
ができる。
したがって、燃料電池の性能を大幅に向上させ、また、
水電解等を連続的に行うことができるという効果を秦す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(lll lよ本発明の一実施例に係る多孔質電
極の断面図、第1図+blはその人矢視図、第2図はそ
の多孔質電極を用いた固体高分子電解質燃料電ず也の基
本構造図、第3図は実施例1及び比較例の電池特性図、
第4図及び第5図はガス拡散電極に水及びガスを供給す
るためのガスセパレータの例を示す説明図、第6図ta
+〜(c)は他のガス拡散1極の例を示す説明図、第7
図は従来技術に係るガス拡散電極を示す断面図である。 図  面  中、 1は多孔質電極、 2は反応膜、 3はガス拡散膜、 4.4A、4B、4Cは疎水部、 5.5A、5B、5Cは親水部、 6は貫通部、 7は固体高分子電解質膜、 8はガス拡散膜、 9.10は通路、 11.15はガスセパレータである。 特  許  出  願  人 三菱重工業株式会社 代    理     人

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)疎水性カーボン及び疎水性樹脂からなり通気性を
    有するガス拡散膜に、触媒を担持させた親水性カーボン
    微粒子若しくは触媒微粒子を含有する、疎水性カーボン
    及び疎水性樹脂からなる反応膜を接合してなる電極であ
    って、少なくとも上記ガス拡散膜をその厚さ方向 に貫通する貫通部を有し、該貫通部内には必要に応じて
    親水部が存在することを特徴とする多孔質電極。
  2. (2)請求項1記載の多孔質電極をガス燃料電池又は水
    電解プロセスの陽極及び/又は陰極とし、反応膜を有し
    ない側から反応膜側へ気液混相流を供給することを特徴
    とする多孔質電極の使用方法。
  3. (3)請求項1記載の多孔質電極をガス燃料電池又は水
    電解プロセスの陽極及び/又は陰極とし、上記貫通部に
    は電解液若しくは水を、他の部分にはガスをそれぞれ反
    応膜を有しない側から反応膜側へ供給することを特徴と
    する多孔質電極の使用方法。
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