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JP7551522B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、電気化学セルに関する。
電気化学セルは、電解質膜などの隔膜を挟んで配置したアノード電極とカソード電極の少なくとも一方に液体または気体または液体と気体の混合体から成る流体を供給した状態で、アノード電極とカソード電極の間に外部から電位差を負荷し電流を流して、イオン化した物質が隔膜を通過させられることで、電気化学反応を発生させる。例えば、アノード側に水(HO)を供給し、カソード出口側から水素(H)を取り出す水電解や、アノード側に水(HO)とカソード側に二酸化炭素(CO)を供給しカソード出口側から一酸化炭素(CO)を取り出す二酸化炭素電解などに用いられる。また、アノード流体またはカソード流体には電気化学反応を促進する目的で、反応に必要な液体に少量のイオン性物質を溶解させた電解質溶液が用いられる場合もある。
アノード電極とカソード電極にアノード流体とカソード流体を供給するためには、アノード電極とカソード電極に隣接して流路板が設置される。流路板と電極板の間にはアノード流体とカソード流体が流通するための流路が形成されており、更に電極板と流路板を複数個積層した状態でそれぞれの電極が直列に接続されるように、流路板は導電性の物質で構成されている。また、流路板には、電気化学セルの外部からアノード流体とカソード流体を流通するために積層方向に連通した複数の連通孔が有り、流路板表面の流路はこの連通孔まで接続されている。
特許第6385788号公報
しかし、アノード流体またはカソード流体は、純水を使用しても流体中に混入する不純物の影響で導電率をゼロにすることは困難であり、複数積層された流路板の連通孔を通して、異なる流路板の間で電流が流れ、電気化学反応のために使用すべき電流の一部がリーク電流として消費されてしまう。また、流体として電解質溶液を使用する場合には、更に導電率が増加してしまいリーク電流も増加する。アノード流体またはカソード流体が主に気体の流体であっても、含有されている物質の一部が凝縮して連通孔の壁面に付着することで、同様にリーク電流が発生する原因となる。
本実施形態に係る電気化学セルは、上述の課題に鑑みてなされたものであり、アノード流体またはカソード流体の連通孔で発生するリーク電流を低減することのできる電気化学セルを提供することを目的とする。
実施形態の電気化学セルは、複数の単位セルが積層された電気化学セルであって、前記複数の単位セルのそれぞれは、隔膜の両側に配置されたアノード電極とカソード電極とを備える電気化学反応部を有する電極板と、前記電極板に接して配置され、前記アノード電極にアノード流体を流通させるアノード流路と、前記カソード電極にカソード流体を流通させるカソード流路とを形成する流路板と、前記電極板に接合された電極板外枠と、前記流路板に接合された流路板外枠とを備えており、前記流路板は、薄板状の部材を曲げて凹凸を形成することにより、両面にそれぞれ前記アノード流路と前記カソード流路が成形されており、前記電極板外枠と前記流路板外枠は、前記単位セルを複数個積層した状態で前記単位セルの積層方向にそれぞれ連通するアノード流体連通孔とカソード流体連通孔とを有し、前記流路板外枠は、前記アノード流体連通孔から前記流路板の前記アノード流路にアノード流体を流通させる流路板外枠のアノード流路と前記カソード流体連通孔から前記流路板の前記カソード流路にカソード流体を流通させる流路板外枠のカソード流路とを有し、前記電極板外枠及び前記流路板外枠とアノード流体及びカソード流体とのそれぞれの接触部分が電気絶縁性の材料で構成され、前記流路板外枠のアノード流路及び前記流路板外枠のカソード流路は、前記アノード流体と前記カソード流体とで導電率がより高い方の流体が流通する流路の方が他方の流路よりも長い、ことを特徴とする電気化学セル。
本発明の実施形態により、アノード流体またはカソード流体の連通孔で発生するリーク電流を低減することのできる電気化学セルを提供することができる。
第1実施形態に係る電極板と電極板外枠の正面図。 図1中のA-A’線における断面図。 第1実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図3の流路板と流路板外枠を裏側から見た図。 図3、図4中のB-B’線における断面図。 図2の電極板と電極板外枠と図5の流路板と流路板外枠からなる単位セルを複数積層した状態の断面図。 第2実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図7の流路板と流路板外枠を裏側から見た図。 図7、図8中のC-C’線における断面図。 第3実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図10の流路板と流路板外枠を裏側から見た図。 図10、図11中のD-D’線における断面図。 第4実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図13中のE-E’線における断面図。 第4実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図15の流路板と流路板外枠を裏側から見た図。 図15、図16中のF-F’線における断面図。 第5実施形態に係る流路板と流路板外枠の正面図。 図18の流路板と流路板外枠を裏側から見た図。 図18、図19中のG-G’線における断面図。 図14に示す電極板外枠をシート材の貼合わせ構成にした場合の断面図。 図20に示す流路板外枠をシート材の貼合わせ構成にした場合の断面図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合のみ行うこととする。
(第1実施形態)
(構成)
以下、第1実施形態に係る電気化学セルの各構成について説明する。
図1は、第1実施形態に係る電極板10と電極板外枠11の正面図であり、図2は、図1中のA-A’線における断面図である。本実施形態に係る電極板10は、図2に示すように、隔膜16を挟んでアノード電極17とカソード電極18が設置されており、電極板10の外周には電極板外枠11が接合されている。電極板外枠11には、図1に示すように、電極板10から離れた位置に、アノード流体入口連通孔12、アノード流体出口連通孔13、カソード流体入口連通孔14、カソード流体出口連通孔15が設けられている。
ここで、隔膜16は、固体高分子膜(イオン交換膜)や固体電解質膜(電解質膜)などのイオン濾過膜である。アノード電極17とカソード電極18は、カーボンまたは金属を原料としたガス透過性を有する基材にニッケル、イリジウム、金、銀、または白金などの金属や、酸化ニッケル、二酸化イリジウムまたは酸化コバルトなどの金属酸化物を含む触媒を付着させて構成されている。
電極板外枠11は、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)などの樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)などのゴム材料などの電気絶縁性の材料から構成するか、導電性の基材の表面の流体に接する範囲に電気絶縁性の材料を設置して構成されている。
図3は、第1実施形態に係る流路板20と流路板外枠21の正面図であり、図4は、図3の流路板20と流路板外枠21を裏側から見た図であり、図5は、図3及び図4中のB-B’線における断面図である。本実施形態に係る流路板20は、両面にそれぞれアノード流路溝26とカソード流路溝28とを有しており、流路板20の外周には流路板外枠21が接合されている。
ここで、流路板20は、カーボン、カーボンと樹脂の混合物、金属などの導電性の材料もしくは、導電性の材料の表面に腐食電位を高くしたり接触抵抗を低減する目的で導電性のメッキやコーティングを付加した材料から構成されている。流路板外枠21は、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)などの樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)などのゴム材料などの電気絶縁性の材料から構成するか、導電性の基材の表面の流体に接する範囲に電気絶縁性の材料を設置して構成されている。
流路板外枠21には、流路板20から離れた位置に、アノード流体入口連通孔22、アノード流体出口連通孔23、カソード流体入口連通孔24、カソード流体出口連通孔25が設置されている。図3に示すように、アノード流体入口連通孔22とアノード流体出口連通孔23とは、流路板外枠21のアノード流路溝27を介して流路板20のアノード流路溝26に連通されている。同様に、図4に示すように、カソード流体入口連通孔24とカソード流体出口連通孔25とは、流路板外枠21のカソード流路溝29を介して流路板20のカソード流路溝28に連通されている。
図6は、図2に断面構成を示した電極板10及び電極板外枠11と、図5に断面構成を示した流路板20及び流路板外枠21とからなる単位セルを、複数積層した状態を示す断面図である。電極板外枠11と流路板外枠21のアノード流体入口連通孔12,22と、アノード流体出口連通孔13,23と、カソード流体入口連通孔14,24と、カソード流体出口連通孔15,25とは積層状態でそれぞれ積層方向に連通される。
ここで、カソード流路溝28,29およびアノード流路溝26,27を流通するカソード流体およびアノード流体は、流路溝の範囲の外側に漏洩しないことが必要であり、積層された電極板外枠11と流路板外枠21の接触面は、互いに近接する方向に締付けて密着させるか、接触面を接着材で互いに接着するか、電極板外枠11か流路板外枠21の少なくとも一部に凹部を設け、そこにゴム材料などの弾性変形の比較的大きい部材を設置することで、シールしている。
(作用及び効果)
以上が、本実施形態に係る電気化学セルの各構成の説明であるが、次に、本実施形態に係る電気化学セルの動作について説明する。
電気化学セルのカソード流体入口連通孔14,24に供給されたカソード流体は、流路板外枠のカソード流路溝29を流通して流路板のカソード流路溝28に導入されカソード電極18に接触する。同様に、アノード流体入口連通孔12,22に供給されたアノード流体は、流路板外枠のアノード流路溝27を流通して流路板のアノード流路溝26に導入されアノード電極17に接触する。カソード電極18に接触したカソード流体と、アノード電極17に接触したアノード流体の構成物質の少なくとも一部は電極に付着した触媒と反応してイオン化する。
この状態で、積層された単位セルの積層両端に所定の電圧を付加すると、電極板10の電気絶縁性の隔膜16を挟んでカソード電極18とアノード電極17との間に電位差が生じ、流体中のイオン化した特定の物質が隔膜16を通過する現象が発生し、カソード流体とアノード流体の物質構成が変化する。
例えば、アノード側に水(HO)を供給し、カソード側に二酸化炭素(CO)を供給し、カソード出口側から一酸化炭素(CO)を含む混合ガスを取り出す二酸化炭素電解などの反応が得られる。
このとき、電極板10と流路板20を複数積層して外部から電圧を付加する場合には、積層されたそれぞれの電極板10の隔膜16を挟んだそれぞれのカソード電極18とアノード電極17との間に電位差が生じるが、流路板20を挟んで隣接する2枚の電極板10のそれぞれが同一の流路板20に接しているカソード電極18とアノード電極17は、流路板20とカソード電極18とアノード電極17が導電性であることからほぼ同電位となる。そのため、電極板10を挟んだ異なる流路板20の間には、隔膜16を挟んだカソード電極18とアノード電極17との間に生じる電位差とほぼ同じ電位差が発生する。
ここで、流路板20と流路板外枠21が1枚の導電性の材料で構成されている場合は、電極板外枠11を挟んで隣接する流路板外枠21の部分は、カソード流体入口連通孔24、カソード流体出口連通孔25、アノード流体入口連通孔22、アノード流体出口連通孔23に流通する流体に接する部分では、電極板外枠11の厚さ分の距離しか離れていない。そのため、電極板外枠11を挟んで隣接する流路板外枠21の部分に電位差があると、連通孔に流通する流体の導電率がゼロで無い場合には、電極板外枠11を挟んで隣接する流路板外枠21の間でリーク電流が発生してしまう。リーク電流の大きさは流体の導電率が大きいほど大きくなり、電極板外枠11を挟んで隣接するお互いの流路板外枠21の流体と接する範囲の距離が近いほど大きくなる。
一般的に、電極板10および電極板外枠11の厚さは0.5mm~2mm程度であり、アノード流体またはカソード流体のどちらかに水(HO)などの液体に少量のイオン性物質を溶解させた電解質溶液を使用する場合には、電解質溶液の導電率はゼロではないことから、電極板外枠11の厚さに応じたリーク電流が発生する。
さらに、純粋な水(HO)などの導電率が比較的小さい流体を使用する場合でも、流体が電気化学セルの内外を循環する過程で微量の不純物が混入し、導電率が上昇することによりリーク電流が発生する。流体が主に気体の流体であっても、含有されている物質の一部が凝縮して連通孔の壁面に付着することで、液体の場合と同様にリーク電流が発生する原因となる。
一方、本実施形態に係る電気化学セルでは、電極板外枠11と流路板外枠21の流体に接する範囲は電気絶縁性の材料で構成されているため、電極板10を挟んで隣接する流路板20の間の電気的な経路は、流路板20の端部から流路板外枠21の流路溝を経由し連絡孔に到達し、連通孔を介して電極板外枠11を挟んで隣接する流路板外枠21の流路溝に入り、その流路溝を経由して流路板20の端部に到達する。そのため、電極板10を挟んで隣接する流路板20の間に流れる電流は、流路板外枠21の流路溝に存在する流体の電気抵抗の大きさに比例して小さくなる。
以上で説明したように、本実施形態に係る電気化学セルでは、電極板10と流路板20の外周に、電極板外枠11と流路板外枠21が設置されており、連通孔と流路板20の間の流路溝では流体に接する範囲が絶縁されているので、電極板10を挟んで隣接する流路板20の間に流れるリーク電流を低減することができる。
(第2実施形態)
(構成)
次に、図7、図8、図9を参照して、第2実施形態について説明する。図7は、第2実施形態に係る電気化学セルの流路板20及び流路板外枠21の正面図であり、図8は、図7の流路板20及び流路板外枠21を裏側から見た図、図9は、図7及び図8に中のC-C’線における断面図である。図7に示すように、第2実施形態では、第1の実施形態の場合に比べて、流路板外枠のアノード流路溝27の連通孔から流路板20までの流路に沿った距離を長くしている。
(作用及び効果)
作用及び効果は、第1実施形態と同様であり、加えて、アノード流体の導電率がカソード流体の導電率よりも大きい場合に、よりリーク電流を低減することができる。また、アノード流路溝とカソード流路溝の両方の距離を長くする場合よりも、構造が簡単で製造コストが低減することができる。また、カソード流体に対して圧損が上昇ることを防止することができる。この場合、例えばアノード側に水(HO)を供給し、カソード側に二酸化炭素(CO)を供給し、カソード出口側から一酸化炭素(CO)を含む混合ガスを取り出す二酸化炭素電解反応を行う場合等に有効である。
(第3実施形態)
(構成)
次に、図10、図11、図12を参照して、第3実施形態について説明する。図10は、第3実施形態に係る電気化学セルの流路板20及び流路板外枠21の正面図であり、図11は、図10の流路板20及び流路板外枠21を裏側から見た図、図12は、図10及び図11中のD-D’線における断面図である。図10に示すように、第2実施形態では、第1実施形態の場合に比べて、流路板外枠のアノード流路溝27の連通孔から流路板20までの流路に沿った距離を長くしている。また、第2実施形態との違いは、流路板のアノード流路溝26の形状を面内で折返しを含むサーペンタイン方式から、流路の分岐と合流を含み、流路板20の中央ではすべての流路が平行になる平行流方式に変更した点である。
(作用及び効果)
作用及び効果は、第2実施形態と同様であり、加えて、流路板外枠のアノード流路溝27を長くしたためにアノード流体を流したときの圧損が増加するが、流路板のアノード流路溝26を平行流にすることでアノード流体の圧損を低減することができる。
(第4実施形態)
(構成)
次に、図13乃至図17を参照して、第4実施形態について説明する。図13は、第4実施形態に係る電気化学セルの電極板10と電極板外枠11の正面図、図14は、図13中のE-E’線における断面図、図15は、流路板20と流路板外枠21の正面図、図16は、図15の流路板20及び流路板外枠21を裏側から見た図、図17は、図15及び図16中のF-F’線における断面図である。
図14に示すように、第4実施形態では、電極板10と電極板外枠11との接合部に、積層方向に重ね合わせた部分を設けて接合している。また、図17に示すように、第4実施形態では、流路板20と流路板外枠21との接合部に、積層方向に重ね合わせた部分を設けて接合している。すなわち、図14に示す例では、カソード電極18が、隔膜16及びアノード電極17よりも小さいサイズとされており、アノード電極17と隔膜16との部分に段差が形成されている。そして、この段差の部分を覆うように電極板外枠11が接合されている。また、図17に示すように、流路板20には、図17中上側が下側よりも小さいサイズとなるように段差が形成されている。そして、この段差の部分を覆うように流路板外枠21が接合されている。
(作用及び効果)
作用及び効果は第2実施形態と同様である。加えて、第2実施形態よりも、電極板10と電極板外枠11との接合部、及び、流路板20と流路板外枠21との接合部の接合面積を広くすることができ、接合部でのシール性を高くすることができる。なお、接合部は、接合部でアノード側とカソード側との間で流体が互いに漏洩しないことが必要とされている。
(第5の実施形態)
(構成)
次に、図18、図19,図20を参照して、第5実施形態について説明する。図18は、第5実施形態に係る電気化学セルの流路板20と流路板外枠21の正面図、図19は、図18の流路板20及び流路板外枠21を裏側から見た図、図20は、図18及び図19中のG-G’線における断面図である。第2の実施形態との違いは、流路板20を、薄板をプレス加工して、両面に流路板のアノード流路溝26と流路板のカソード流路溝28を成形した物にした点である。流路板20は、金属などの導電性の材料もしくは、導電性の材料の表面に腐食電位を高くしたり接触抵抗を低減する目的で導電性のメッキやコーティングを付加した材料から構成されている。
(作用及び効果)
作用及び効果は、第2の実施形態と同様である。加えて、流路板20を比較的安価に製作することができる、プレス加工で作れるので大量生産に適している、流路板20の軽量化に適している、等の効果がある。
(第6の実施形態)
(構成)
次に、図21、図22を参照して、第6実施形態について説明する。図21は、第6実施形態に係る電気化学セルの電極板10と電極板外枠11の断面図、図22は、流路板20と流路板外枠21の断面図である。第5実施形態との違いは、電極板外枠11と流路板外枠21を、複数のシート材料を重ね合わせた構成とした点である。
図21に示す電極板外枠11の例では、電極板外枠シート材11a,11bの2枚のシート材料を重ね合わせた構成とされており、上側の電極板外枠シート材11aの内側部分が電極板10の段差部の上側を覆うように配設され接合されている。
また、図22に示す流路板外枠21の例では、流路板外枠シート材21a,21b,21c,21d,21eの5枚のシート材料を重ね合わせた構成とされており、流路板20の外側端部は、流路板外枠シート材21bと、流路板外枠シート材21dとの間に挟み込まれるようにして接合されている。
電極板外枠11と流路板外枠21のシート材は、フッ素樹脂、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)などの樹脂材料またはフッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)などのゴム材料などの電気絶縁性の材料から構成するか、流体に接しない層は、金属板などの剛性の高い部材を使用し、流体に接する層のシートは電気絶縁性の材料から構成するか、金属板などの導電性の基材の表面の流体に接する範囲に電気絶縁性の材料を設置して構成されている。重ね合わせたシート間は、互いに近接する方向に締付けて密着させるか、接触面を接着材で互いに接着するか、部材の少なくとも一部に凹部を設け、そこにゴム材料などの弾性変形の比較的大きい部材を設置することで、シールしている。
(作用及び効果)
作用及び効果は、第2の実施形態と同様である。加えて、電極板外枠11と流路板外枠21を比較的安価に製作することができる。
(他の実施形態)
以上説明した実施形態は、本発明の実施形態の一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本発明の実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等な範囲に含まれる。
例えば、流路板20の溝の幅および本数や断面形状、サーペンタイン型流路の折り返し回数や押し返し部の面取り形状、平行流型流路の分岐部や合流部の形状等は図示の内容に限定されるものではない。また、図7等では、アノード流体がカソード流体よりも導電率が高い場合を想定して流路板外枠のアノード流路溝27を長くしているが、アノード流体がカソード流体よりも導電率が低い場合は、各図のアノード流路溝とカソード流路溝の表記は逆になる。
また、図21、図22に示した電極板外枠11と流路板外枠21の重ね合わせシートの構成も図示とは違う構成にすることも可能であり、図21では、電極板外枠11は2層、図21では、流路板外枠21が5層の構成で図示されているが、図示の層間に両面に接着材を塗布したシートを挿入したり、流路板外枠21の流路溝の溝底部分までを同一のシートとするなどの構成も取り得る。
10……電極板、11……電極板外枠、12……アノード流体入口連通孔、13……アノード流体出口連通孔、14……カソード流体入口連通孔、15……カソード流体出口連通孔、16……隔壁、17……アノード電極、18……カソード電極、20……流路板、21……流路板外枠、22……アノード流体入口連通孔、23……アノード流体出口連通孔、24……カソード流体入口連通孔、25……カソード流体出口連通孔、26……流路板のアノード流路溝、27……流路板外枠のアノード流路溝、28……流路板のカソード流路溝、29……流路板外枠のカソード流路溝。

Claims (5)

  1. 複数の単位セルが積層された電気化学セルであって、
    前記複数の単位セルのそれぞれは、
    隔膜の両側に配置されたアノード電極とカソード電極とを備える電気化学反応部を有する電極板と、
    前記電極板に接して配置され、前記アノード電極にアノード流体を流通させるアノード流路と、前記カソード電極にカソード流体を流通させるカソード流路とを形成する流路板と、
    前記電極板に接合された電極板外枠と、
    前記流路板に接合された流路板外枠と
    を備えており、
    前記流路板は、薄板状の部材を曲げて凹凸を形成することにより、両面にそれぞれ前記アノード流路と前記カソード流路が成形されており、
    前記電極板外枠と前記流路板外枠は、前記単位セルを複数個積層した状態で前記単位セルの積層方向にそれぞれ連通するアノード流体連通孔とカソード流体連通孔とを有し、
    前記流路板外枠は、前記アノード流体連通孔から前記流路板の前記アノード流路にアノード流体を流通させる流路板外枠のアノード流路と前記カソード流体連通孔から前記流路板の前記カソード流路にカソード流体を流通させる流路板外枠のカソード流路とを有し、
    前記電極板外枠及び前記流路板外枠とアノード流体及びカソード流体とのそれぞれの接触部分が電気絶縁性の材料で構成され
    前記流路板外枠のアノード流路及び前記流路板外枠のカソード流路は、
    前記アノード流体と前記カソード流体とで導電率がより高い方の流体が流通する流路の方が他方の流路よりも長い、
    ことを特徴とする電気化学セル。
  2. 前記電極板と前記電極板外枠の接合部の少なくとも一部は、前記単位セルの積層方向に重ね合わせた状態で接合されている、請求項1に記載の電気化学セル。
  3. 前記流路板と前記流路板外枠の接合部の少なくとも一部は、前記単位セルの積層方向に重ね合わせた状態で接合されている、請求項1又は2に記載の電気化学セル。
  4. 前記電極板外枠は、複数のシート状の部材を重ね合わせて形成されている、請求項1乃至のいずれか1項に記載の電気化学セル。
  5. 前記流路板外枠は、複数のシート状の部材を重ね合わせて形成されている、請求項1乃至のいずれか1項に記載の電気化学セル。
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