JPH09213352A - 電極用パッキングおよび電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電解液の液漏れのない電極用パッキングと、各
電極間の距離を極小まで縮めることができる電極を提供
しようとする。 【解決手段】平板多孔体の外周を使用流体不浸透性の物
質で埋めるとともに、一部は多孔体のままとし、そこに
使用流体を流すことを可能としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池に使用す
る電極に関し、酸素極および水素極の極間を狭くして電
解液抵抗を小さくすることができるとともに、電解液か
らなる流体の液漏れを解消した電極用パッキングおよび
それを使用した電極を提供しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池に使用する電極として
は、水素−酸素燃料電池を例に取れば、図９に示すよう
なものが知られている。この燃料電池は陰極および陽極
をなす一対の多孔性炭素電極１０１，１０２間に電解液
１０３を充満させ、かつ水素１０４および酸素１０５は
それぞれの隔室１０６に供給され、多孔性炭素電極１０
１，１０２の細孔を通って内部に浸透し、反応を起こす
ものである。陰極における反応は Ｈ₂＋２ＯＨ^-→２Ｈ₂Ｏ＋２ｅ 陽極における反応は Ｈ₂Ｏ＋1/2Ｏ₂＋２ｅ→２ＯＨ^- となり、２ｅが負荷１０７へ供給される。陰極と陽極で
の全反応は水素と酸素が反応し、電力と水および熱が生
じる。反応は水素１０４および酸素１０５を供給するこ
とによって連続的に行なわれるので、燃料が続く限り電
力が供給される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記燃料電池において
その性能は、抵抗性分を小さくするほど向上する。酸素
を供給する陽極と水素を供給する陰極との極間が狭いほ
ど電解液抵抗が小さくなり、抵抗損による電力ロスが小
さくなる。そのため極間を狭くすることが必要である。

【０００４】しかしながら、電解液の出入りは必要なの
で、電極と流体の通路における液漏れが問題となってお
り、陽極と陰極との極間を狭くしながら液漏れを防止す
ることは非常に困難であった。

【０００５】この発明は従来例の上記欠点を解消し、電
解液の液漏れのない電極用パッキングと、各電極間の距
離を極小まで縮めることができる電極を提供しようとす
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明の電極
用パッキングは、平板多孔体の外周を使用流体不浸透性
の物質で埋めるとともに、一部は多孔体のままとし、そ
こに使用流体を流すことを可能としたことを特徴とする
ものである。

【０００７】またこの発明の電極は、平板多孔体の外周
を使用流体不浸透性の物質で埋めるとともに、一部は多
孔体のままとし、そこに使用流体を流すことを可能とし
た電極用パッキングの残りの多孔体部に、ガス拡散電極
の反応層または／およびガス供給層が接合されたことを
特徴とするものである。

【０００８】さらにこの発明の電極は、平板多孔体の外
周を使用流体不浸透性の物質で埋めるとともに、一部は
多孔体のままとし、そこに使用流体を流すことを可能と
した電極用パッキングと、上記電極用パッキングの残り
の多孔体部に、ガス拡散電極の反応層または／およびガ
ス供給層が接合された電極とを接合したことをも特徴と
している。

【０００９】この発明は以上のように構成したので、電
解液の液漏れのない電極用パッキングが提供でき、した
がって各電極間の距離を大幅に小さくすることができる
ようになった。

【００１０】またこの発明においては、電解液を送り込
む通路とパッキングとが兼用となり、各電極間の距離を
極小まで小さくすることができるようになった。

【００１１】そして燃料電池および電気化学リアクター
に適用できる、簡単なセル構造の電極を提供することが
可能となった。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の電極用パッキン
グおよび電極の実施の形態を図面に基いて詳細に説明す
る。

【００１３】図１にこの発明の電極用パッキングと電極
との接合体を示す。図１において１は電極で、２は平板
多孔体２である。この平板多孔体２はプラスチックまた
は金属の網状物からなるシートであっても、硬質無機発
泡体からなるシートであってもよい。

【００１４】上記平板多孔体２が、プラスチックまたは
金属の網状シートの場合は、通常の網、ラス材、パンチ
ングメタルや織布状、不織布状のものが好適に使用でき
る。なお、上記の網状シートは、２枚以上の複数枚を積
層したものとして使用することが望ましい。

【００１５】上記硬質無機多孔体からなるシートとして
は、圧縮強度が大きく硬い金属系の発泡体や焼結体が望
ましく、例えばセルメット（住友電気工業株式会社製
商品名）等の発泡ニッケルクロム合金が好適に使用でき
る。

【００１６】上記平板多孔体２は、その外周を使用流体
不浸透性の物質、すなわち電解液からなる使用流体３を
通さないパッキング４で埋められており、かつ一部は多
孔体のままとなっているので、そこに使用流体３を流す
ことが可能である。

【００１７】平板多孔体２は用途や素材、その他の条件
に応じて電解液と接する部分に撥水処理を施したり、親
水処理を施すことが必要になる。撥水処理としてはテフ
ロン樹脂等で平板多孔体２の表面をコーティングした
り、テフロン樹脂等のディスパージョンで分散メッキす
ることが挙げられる。また親水処理としては、平板多孔
体２内に酸化マグネシウムや酸化ジルコニウム、酸性シ
リカ等を練り込んだり、コーティングすることが挙げら
れる。

【００１８】上記使用流体３を通さないパッキング４
は、硬質ゴムからなるシートでもよいが、当該部分を熱
可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂で包むように、樹脂モ
ールドしたものであることが望ましい。

【００１９】上記構成からなる電極用パッキングには、
平板多孔体２側周および背面の残りの部分にガス拡散電
極の反応層５およびガス供給層６が配置されている。ガ
ス拡散電極の反応層５の素材は炭素粉末等の導電性物質
からなる焼結多孔体からなり、ガス供給層６の素材もガ
スは通すが電解液を通さない多孔性シートであることが
望ましい。液透過型の多孔性シートを液不透過型とする
には、多孔性シートに撥水処理を施せばよい。

【００２０】なお、上記ガス拡散電極のガス供給層６の
適所には、電解液からなる使用流体の通路が開口されて
おり、エンドプレート７に設けた使用流体３の供給口８
から電解液が供給される。９はガス供給層６とエンドプ
レート７との間に介在させたパッキングである。

【００２１】またガス拡散電極のガス供給層６には、エ
ンドプレート７に設けたガス供給口１０から水素ガスも
しくは酸素ガスが供給される。

【００２２】上記実施例においては、エンドプレート７
に設けた使用流体３の供給口８からガス拡散電極のガス
供給層６の適所に設けた通路を経て、平板多孔体２を通
り、この平板多孔体２とパッキング４との間隙に電解液
が供給される。その際、上記間隙に位置する平板多孔体
２の一部をなすガス拡散電極の反応層５に、電解液が接
触する。

【００２３】同時にガス拡散電極のガス供給層６に、エ
ンドプレート７に設けたガス供給口１０から水素ガスも
しくは酸素ガスが供給され、ガス供給層６から平板多孔
体２の一部に設けたガス拡散電極の反応層５にガスが接
触する。

【００２４】したがってこれらの電極の反応層５におい
て上述のような反応が発生する。それゆえ上記電極を一
対設け、各電極間を負荷を介して接続することにより、
燃料が続くかぎり電極間の負荷に電力が供給される。

【００２５】図２は電極用パッキングの例を示す断面図
（イ）および平面図（ロ）である。図においては平板多
孔体２の背面に反応層５が配置されている。また平板多
孔体２の側周は、使用流体３を通さない硬質ゴムまたは
樹脂のパッキング４で取り囲んである。１１は、ガス拡
散電極のガス供給層６の適所に設けた電解液からなる使
用流体の通路である。

【００２６】上記ガス拡散電極のガス供給層６の適所に
設けた電解液からなる使用流体の通路１１としては、図
３（イ）および（ロ）のようにガス供給層６自体に形成
することもできる。図３（イ）では所定の間隔の縦縞状
に、また図３（ロ）では斜めの格子状に形成されてお
り、当該部分を親水性の素材としたり、親水処理を施し
たものとすることにより、電解液からなる使用流体の通
過を可能としている。もちろん、親水性素材からなるガ
ス供給層６の適所を電解液からなる使用流体の通路を残
して撥水処理してすることにより、使用流体の通路をガ
ス供給層６に設けることもできる。

【００２７】図４に電極用パッキングの他の例を示す。
図４（イ）において、平板多孔体２の側周は、使用流体
を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパッキング４で取り囲
まれている。

【００２８】図４（ロ）において、平板多孔体２の側周
は、使用流体を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパッキン
グ４で取り囲まれており、かつ平板多孔体２の中央には
使用流体の通路１１が形成されている。

【００２９】図４（ハ）において、平板多孔体２の側周
は、使用流体を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパッキン
グ４で取り囲まれており、かつ平板多孔体２の中央には
反応層５と平板多孔体２と同様の材質からなるガス供給
層６との積層体が配置されている。１２は第２の平板多
孔体２の側周を取り巻く第２のパッキングである。

【００３０】図４（ニ）において、平板多孔体２の側周
は、使用流体を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパッキン
グ４で取り囲まれており、かつ平板多孔体２の片面中央
には反応層５とガス供給層６との積層体が配置されてい
る。

【００３１】図４（ホ）において、平板多孔体２の側周
は、使用流体を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパッキン
グ４で取り囲まれており、かつ平板多孔体２の片面中央
には反応層５が配置され、さらにその面にはガス供給層
６を介してパッキング４で側周を取り囲まれた第２の平
板多孔体２が積層されている。

【００３２】図４（ヘ）はバイポーラ型の電極用パッキ
ングを示し、導電性もしくは絶縁性を持つ平板多孔体２
の側周は、使用流体を通さない硬質ゴムまたは樹脂のパ
ッキング４で取り囲まれており、かつ平板多孔体２の片
面中央には反応層５が配置され、さらにその面にはガス
供給層６を介してパッキング４で側周を取り囲まれた第
２の平板多孔体２が積層されている。

【００３３】そしてさらにその面には、シート状のパッ
キング１３を介して、パッキング４で側周を取り囲まれ
た第３の平板多孔体２が積層されている。そして第３の
平板多孔体２の表面中央にはガス供給層６と反応層５と
の積層体が配置され、反応層５の周囲にはパッキング１
４が取り付けられている。

【００３４】なお、上記シート状のパッキング１３と第
２の平板多孔体２、第３の平板多孔体２のサンドイッチ
構造部分は導電性を付与されている。

【００３５】図５ないし図８に上記電極用パッキングを
用いた電極の他の例を示す。図５（イ）および（ロ）に
おいて、上記平板多孔体２は、その側周を電解液からな
る使用流体を通さないパッキング４で取り囲まれてお
り、かつ平板多孔体２の片面中央には反応層５とガス供
給層６との積層体が配置されている。

【００３６】なお、上記電極用パッキングのガス拡散電
極のガス供給層６の面には、平板多孔体２と同様の材質
の気室２１を介して、エンドプレート７に設けたガス供
給口１０から水素ガスもしくは酸素ガスが供給される。
また気室２１の周囲に取り付けたパッキング２２には電
解液からなる使用流体の通路２３が開口して、平板多孔
体２を貫通する通路２４に通じており、エンドプレート
７に設けた使用流体３の供給口８から電解液が供給され
る。

【００３７】一方、電極用パッキングの他方の面には、
パッキング２５が取り付けられている。

【００３８】上記実施例においては、エンドプレート７
に設けた使用流体３の供給口８からパッキング２２を通
り、平板多孔体２を貫通する通路２４に電解液が供給さ
れる。そして通路２４から平板多孔体２内のガス拡散電
極の反応層５に、電解液が接触する。

【００３９】同時にガス拡散電極のガス供給層６に、気
室２１を経てエンドプレート７に設けたガス供給口１０
から水素ガスもしくは酸素ガスが供給され、ガス供給層
６から平板多孔体２の一部に設けたガス拡散電極の反応
層５にガスが接触して上述のような反応が発生する。

【００４０】図５（ハ）は上記電極用パッキングの他の
例を示し、平板多孔体２は、その側周にプレス加工を施
した上ではめ込んだ、電解液からなる使用流体を通さな
いパッキング４で取り囲んでおり、かつ平板多孔体２の
片面中央には反応層５とガス供給層６との積層体が配置
されている。

【００４１】また図５（ニ）の例では、平板多孔体２
は、その側周の両面を電解液からなる使用流体を通さな
い金属板２６で取り囲んで液導入口２７が設けられてお
り、かつ平板多孔体２の片面中央には反応層５とガス供
給層６との積層体が、また他面には平板多孔体２を貫通
する使用流体３の液導入部２８が配置されている。

【００４２】上記において、平板多孔体２と反応層５と
の間はパラフィンで遮断し、平板多孔体の親水部に反応
層５が入り込まないようにしておくことが望ましい。ま
た反応層５とガス供給層６とを積層した一体シートを、
平板多孔体２に形成した凹所にプレスして押し込むこと
ができる。

【００４３】上記電極用パッキングを用いた電極の他の
例を示す図６（イ）および（ロ）において、中央に使用
流体の通路３１を形成された平板多孔体２の片面には反
応層５が配置され、さらにその面にはパッキング３２で
側周を取り囲まれた気室３３が積層されている。

【００４４】なお、上記電極用パッキングには、気室３
３を介して、エンドプレート７に設けたガス供給口１０
から水素ガスもしくは酸素ガスが供給される。また気室
３３の周囲に取り付けたパッキング３２には電解液から
なる使用流体の通路３４が開口して、平板多孔体２を貫
通する通路３５に通じており、エンドプレート７に設け
た使用流体３の供給口８から電解液が供給される。

【００４５】一方、電極用パッキングの他方の面には、
パッキング３６が取り付けられている。

【００４６】上記実施例においては、エンドプレート７
に設けた使用流体３の供給口８からパッキング３２を通
り、平板多孔体２を貫通する通路３４に電解液が供給さ
れる。そして通路３４から平板多孔体２中央の通路３１
を経て、ガス拡散電極の反応層５に電解液が接触する。

【００４７】同時に気室３３を経てエンドプレート７に
設けたガス供給口１０から水素ガスもしくは酸素ガスが
供給され、ガス拡散電極の反応層５にガスが接触して上
述のような反応が発生する。

【００４８】図６（ハ）は上記電極用パッキングの他の
例を示し、平板多孔体２は、その側周にプレス加工を施
して電解液からなる使用流体を通さないパッキング４で
取り囲まれている。

【００４９】また図６（ニ）の例では、平板多孔体２
は、その側周の両面を電解液からなる使用流体を通さな
い金属板３７で取り囲まれている。

【００５０】上記電極用パッキングを用いた電極の他の
例を示す図７（イ）および（ロ）において、平板多孔体
２の片面には反応層５が配置され、さらにその面にはガ
ス供給層６を介してパッキング４で側周を取り囲まれた
気室４１が積層されている。

【００５１】なお、上記電極用パッキングには、気室４
１を介して、エンドプレート７に設けたガス供給口１０
から水素ガスもしくは酸素ガスが供給される。また気室
４１の周囲に取り付けたパッキング４には電解液からな
る使用流体の通路４２が開口して、平板多孔体２を貫通
する通路４３に通じており、エンドプレート７に設けた
使用流体３の供給口８から電解液が供給される。

【００５２】一方、電極用パッキングの他方の面には、
パッキング４４が取り付けられている。

【００５３】上記実施例においては、エンドプレート７
に設けた使用流体３の供給口８からパッキング４を通
り、平板多孔体２を貫通する通路４２に電解液が供給さ
れる。そして通路４２から平板多孔体２の片面に設けた
ガス拡散電極の反応層５に、電解液が接触する。

【００５４】同時に気室４１を経てエンドプレート７に
設けたガス供給口１０から水素ガスもしくは酸素ガスが
供給され、ガス拡散電極の反応層５にガスが接触して上
述のような反応が発生する。

【００５５】図７（ハ）は上記電極用パッキングの他の
例を示し、平板多孔体２の片面中央には反応層５とガス
供給層６との積層体が配置されている。そしてさらにガ
ス供給層６を介してパッキング４で側周を取り囲まれた
気室４１が積層されている。

【００５６】またこの積層体は、側周の両面を電解液か
らなる使用流体を通さない金属板４５で取り囲まれてい
る。

【００５７】図７（ニ）は上記電極用パッキングの別の
例を示し、電極用パッキングの周囲を金属板等で取り囲
んで表面を平滑化した状態を示している。

【００５８】図８（イ）は上記電極用パッキングおよび
電極の接合体の例を示し、平板多孔体２は、その側周を
射出成形による樹脂モールドによって形成した、電解液
からなる使用流体を通さないパッキング４で取り囲まれ
ている。

【００５９】図８（ロ）のように、平板多孔体２の片面
中央には反応層５が取り付けられ、ガス供給層６を介し
て酸素ガス供給層５１および水素ガス供給層５２との積
層体が配置されている。さらにその表面にはガス供給層
６を介して反応層５が取り付けられている。５３は酸素
ガス供給層５１と水素ガス供給層５２との間に介装した
シート状パッキングである。

【００６０】そしてこのようなユニットが複数積層され
て燃料電池が構成される。

【００６１】上記実施例においては、第１のユニットの
平板多孔体２に電解液が供給されてガス拡散電極の反応
層５に、電解液が接触する。同時に酸素ガス供給層５１
から酸素ガスが供給され、ガス拡散電極の反応層５にガ
スが接触する。

【００６２】他方、第２のユニットのガス拡散電極の反
応層５には水素ガス供給層５２から水素ガスも供給さ
れ、また第２のユニットの平板多孔体２に電解液が供給
されて、第２のユニットのガス拡散電極の反応層５に電
解液が接触する。そして上述のような両電極における反
応が完結する。

【００６３】上記において、各部の素材として金属が使
用される場合、必要に応じて電解液と接する部分は絶縁
することが望ましい。

【００６４】

【発明の効果】この発明は以上のように構成したので、
電解液の液漏れのない電極用パッキングが提供でき、し
たがって各電極間の距離を大幅に小さくすることができ
るようになった。

【００６５】またこの発明においては、電解液を送り込
む通路とパッキングとが兼用となり、各電極間の距離を
極小まで小さくすることができるようになった。

【００６６】そして燃料電池および電気化学リアクター
に適用できる、簡単なセル構造の電極を提供することが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の電極用パッキングと電極との接合体
の一実施例を示す断面図である。

【図２】電極用パッキングの例を示す断面図（イ）およ
び平面図（ロ）である。

【図３】（イ）および（ロ）はガス拡散電極のガス供給
層の適所に設けた電解液からなる使用流体の通路の例を
示す平面図である。

【図４】（イ）〜（ヘ）は電極用パッキングの他の例を
示す断面図である。

【図５】電極用パッキングを用いた電極の他の例を示
し、（イ）は平面図、（ロ）は断面図、（ハ）および
（ニ）はそこで用いられる電極用パッキングの他の例を
示す断面図である。

【図６】電極用パッキングを用いた電極の他の例を示
し、（イ）は平面図、（ロ）は断面図、（ハ）および
（ニ）はそこで用いられる電極用パッキングの他の例を
示す断面図である。

【図７】電極用パッキングを用いた電極の他の例を示
し、（イ）は平面図、（ロ）は断面図、（ハ）はそこで
用いられる電極用パッキングの他の例を示す断面図、
（ニ）は上記電極用パッキングの別の例を示す断面図で
ある。

【図８】電極用パッキングおよび電極の接合体の例を示
し、（イ）は平面図、（ロ）は断面図である。

【図９】燃料電池の原理図である。

【符号の説明】

１ 電極 ２ 平板多孔体 ３ 使用流体 ４ パッキング ５ 反応層 ６ ガス供給層 ７ エンドプレート ８ 供給口 ９ パッキング １０ ガス供給口 １１ 使用流体の通路 １２ 第２のパッキング １３ シート状パッキング １４ パッキング ２１ 気室 ２２ パッキング ２３ 使用流体の通路 ２４ 通路 ２５ パッキング ２６ 金属板 ２７ 液導入口 ２８ 液導入部 ３１ 使用流体の通路 ３２ パッキング ３３ 気室 ３４ 使用流体の通路 ３５ 通路 ３６ パッキング ３７ 金属板 ４１ 気室 ４２ 使用流体の通路 ４３ 通路 ４４ パッキング ４５ 金属板 ５１ 酸素ガス供給層 ５２ 水素ガス供給層 ５３ シート状パッキング

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板多孔体の外周を使用流体不浸透性の
   物質で埋めるとともに、一部は多孔体のままとし、そこ
   に使用流体を流すことを可能としたことを特徴とする電
   極用パッキング。
2. 【請求項２】 平板多孔体がプラスチックまたは金属の
   網状物である請求項１に記載の電極用パッキング。
3. 【請求項３】 平板多孔体が硬質無機多孔体である請求
   項１に記載の電極用パッキング。
4. 【請求項４】 使用流体不浸透性の物質がゴムまたは樹
   脂である請求項１ないし３のいずれかに記載の電極用パ
   ッキング。
5. 【請求項５】 平板多孔体の外周を使用流体不浸透性の
   物質で埋めるとともに、一部は多孔体のままとし、そこ
   に使用流体を流すことを可能とした電極用パッキングの
   残りの多孔体部に、ガス拡散電極の反応層または／およ
   びガス供給層が接合されたことを特徴とする電極。
6. 【請求項６】 平板多孔体の外周を使用流体不浸透性の
   物質で埋めるとともに、一部は多孔体のままとし、そこ
   に使用流体を流すことを可能とした電極用パッキング
   と、上記電極用パッキングの残りの多孔体部に、ガス拡
   散電極の反応層または／およびガス供給層が接合された
   電極とを接合したことを特徴とする電極。
7. 【請求項７】 平板多孔体がプラスチックまたは金属の
   網状物である請求項５または６に記載の電極。
8. 【請求項８】 平板多孔体が硬質無機多孔体である請求
   項５または６に記載の電極。
9. 【請求項９】 使用流体不浸透性の物質がゴムまたは樹
   脂である請求項５ないし８のいずれかに記載の電極。