(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、前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質とを一体化し、前記ガス拡散電極の厚みを薄く保ったまま、一体化した前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質を屈曲させ、セパレーター板と前記ガス拡散電極との間にガス流路を備え、前記ガス流路は前記セパレーター板と前記ガス拡散電極とによって形成されたことを特徴とする電気化学デバイス。
【請求項２】
前記ガス拡散電極を金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかとし、前記金属繊維と前記有機繊維の親水性が異なることを特徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
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、前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質とを一体化し、一体化した前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質を屈曲させ、前記ガス拡散電極を金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、前記金属繊維をフッ素化したことを特徴とする電気化学デバイス。
【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３−１０２７７４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３−１４９７６２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。
【０００５】
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６１−２１６７１４号公報の除湿素子等が提案されている。
【０００６】
【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。
【０００７】
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。
【０００８】
【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、ガス拡散電極と固体高分子電解質とを一体化し、ガス拡散電極の厚みを薄く保ったまま、一体化したガス拡散電極と固体高分子電解質を屈曲させ、セパレーター板とガス拡散電極との間にガス流路を備え、前記ガス流路は前記セパレーター板と前記ガス拡散電極とによって形成されたものである。
【０００９】
この発明に係る電気化学デバイスは、前記ガス拡散電極を金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかとし、前記金属繊維と前記有機繊維の親水性が異なるものである。
【００１０】
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、ガス拡散電極と固体高分子電解質とを一体化し、一体化したガス拡散電極と固体高分子電解質を屈曲させ、前記ガス拡散電極を金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、前記金属繊維をフッ素化したものである。
【００１１】
（作用）  この発明における電気化学デバイスは、ガス拡散電極を屈曲させて固体高分子電解質と一体化したことにより、単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【００１２】
この発明における電気化学デバイスは、前記ガス拡散電極を親水性の異なる金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかとしたことにより、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止するとともに、親水性の異なる複数種の繊維により、電極上で生じた水が、一方の繊維に集中して集まり、他方の繊維には気体の通る空間が生じ、反応に必要な気体が反応部分に容易に流入し、反応に必要な水を液体の状態で容易に反応部に補給することができ、さらに単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【００１３】
この発明に係る電気化学デバイスは、ガス拡散電極を金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、金属繊維をフッ素化したことにより、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止するとともに、フッ素化により撥水性を付与するので、電気化学反応で電極上に生じた水が、電極基材の空間内を球状になって移動し、反応に必要な気体が反応部分に流入することが容易となり、さらに単位面積当りの電極面積が拡大し、電気化学反応がスムーズに進行する。
【００１４】
実施の形態１．  図１は本発明の実施の形態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 の布を用いた。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１１７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。
【００１５】
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、本実施の形態の電極基材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、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。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。
【００１６】
実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。
この電気化学デバイスは、実施の形態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実施の形態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。
【００１７】
次に動作について説明する。この実施の形態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１２、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。
【００１８】
実施の形態３．
以下この発明の実施の形態３について説明する。図２はこの実施の形態３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。
【００１９】
次に動作について説明する。この実施の形態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、１７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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に動作について説明する。この実施の形態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。
【００２３】
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。
【００２４】
実施の形態４．
以下、この発明の実施の形態４について説明する。
この電気化学デバイスは、実施の形態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実施の形態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、実施の形態２の布のフッ素化と同様である。
【００２５】
次に動作について説明する。この実施の形態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。
【００２６】
実施の形態５．
以下、この発明の実施の形態５について説明する。図３はこの実施の形態５の電気化学デバイス４１の断面模式図であり、図において、４２、４３は実施の形態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。そして実施の形態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。
【００２７】
次に動作について説明する。この実施の形態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、実施の形態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、この実施の形態では、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。
【００２８】
実施の形態６．
この電気化学デバイスは、実施の形態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／ｃｍ2 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。
【００２９】
次に動作について説明する。触媒効果に関しては実施の形態５の電気化学デバイス４１と同様であるので省略する。この実施の形態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。
【００３０】
実施の形態７．
以下、この発明の実施の形態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（登録商標）シート４６を同一平面上に並べる。そして実施の形態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）。
【００３１】
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、１２Ｄ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式（３）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。
【００３２】
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。
【００３３】
Ｅ＝ＲＴ／２Ｆ×１ｎ（ＰH2／ＰR ）    ・・・・・（３）
【００３４】
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。
【００３５】
尚、本実施の形態においては、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、本実施の形態では、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。
【００３６】
実施の形態８．
以下この発明の実施の形態８について説明する。図５はこの実施の形態８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、１２Ｗ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実施の形態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。そして実施の形態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１２Ｒ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。
【００３７】
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５２と膜１４の間から流出する。
【００３８】
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）
【００３９】
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。
【００４０】
実施の形態９．
以下、実施の形態９について図に基づき説明する。図６はこの実施の形態９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５４、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。電極基材としては実施の形態１で示したＳＵＳ３１６Ｌ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４００ｇ／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１１７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。
【００４１】
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５４、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。
【００４２】
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。
【００４３】
実施の形態１０．
以下実施の形態１０について説明する。図７はこの実施の形態１０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。
【００４４】
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、上記実施の形態では厚さ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。
【００４５】
実施の形態１１．
以下実施の形態１１について説明する。図８はこの実施の形態１１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（登録商標）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３−２０８２６１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、ＳＵＳ３１６Ｌ繊維の焼結電極基材で、幅２ｍｍのガス流路を形成した。
【００４６】
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６２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中に導入される。
【００４７】
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。
【００４８】
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からセパレーター板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。
【００４９】
実施の形態１２．
以下実施の形態１２について説明する。図９はこの実施の形態１２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０．０５ｍｍ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実施の形態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３ｍｍ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）。
【００５０】
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。
【００５１】
実施の形態１３．
以下実施の形態１３について説明する。図１０はこの発明の実施の形態１３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。
【００５２】
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。
【００５３】
実施の形態１４．
以下実施の形態１４について説明する。図１１はこの発明の実施の形態１４の電気化学デバイス７１を使用した除湿装置９１であり、７２が弾性集電体、９２は直流電源、９３は被除湿匡体、９４は匡体９３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実施の形態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４００μｍ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。
【００５４】
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７４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１２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７４、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１１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。
【００５５】
実施の形態１５．
以下、実施の形態１５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実施の形態７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３００μｍ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２ｃｍ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。そして実施の形態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１０５Ａ〜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。
【００５６】
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式（３）で示される電圧になる。それぞれの電圧１０４−１０５Ａ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。
【００５７】
尚、本実施の形態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−１０３Ｂ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。
【００５８】
実施の形態１６．
以下実施の形態１６について説明する。図１４は実施の形態１６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、１１６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。
【００５９】
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上では式（６）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、式（７）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２Ｖ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１１８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。
【００６０】
実施の形態１７．
以下実施の形態１７について説明する。図１５は実施の形態１７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（登録商標）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。
【００６１】
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６３Ａ〜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。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、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、前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質とを一体化し、前記ガス拡散電極の厚みを薄く保ったまま、一体化した前記ガス拡散電極と前記固体高分子電解質を屈曲させ、セパレーター板と前記ガス拡散電極との間にガス流路を備え、前記ガス流路は前記セパレーター板と前記ガス拡散電極とによって形成されているので、単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させることができ、また、小さな空間を有効に利用できるので、装置の著しい小型化が可能になる効果がある。
【００６３】
この発明によれば、前記ガス拡散電極を、親水性の異なる金属繊維と有機繊維の混毛織布または混毛不織布のいずれかのように構成したので、固体高分子電解質の変形を機械的に防止することができるとともに、反応に必要な気体を反応部分に容易に流入させ、気体の拡散を阻害する余分な水を容易に反応部から排出でき、さらに単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させる効果がある。
【００６４】
この発明によれば、前記ガス拡散電極を、金属繊維の織布または不織布のいずれかとし、金属繊維をフッ素化するように構成したので、ガス拡散電極が機械的に固体高分子電解質の変形を防止することができるとともに、反応に必要な気体を反応部分に容易に流入でき、さらに単位面積当りの電極面積を拡大させることができ、電気化学反応をスムーズに進行させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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２】  この発明の実施の形態３の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図３】  この発明の実施の形態５の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図４】  この発明の実施の形態７の電気化学デバイスの構成を示す平面図である。
【図５】  この発明の実施の形態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９の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態１０の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図８】  この発明の実施の形態１１の電気化学デバイスの構成を示す断面図である。
【図９】  この発明の実施の形態１２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１３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】  この発明の実施の形態１４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】  この発明の実施の形態１５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】  この発明の実施の形態１５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】  この発明の実施の形態１６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】  この発明の実施の形態１７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、５８  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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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