JP2000306591A

JP2000306591A - 流体流路

Info

Publication number: JP2000306591A
Application number: JP2000135180A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 秀雄前田; Kenro Mitsuta; 憲朗光田; Masanobu Kashiwabara; 正信柏原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 2000-05-08
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP3556570B2

Abstract

(57)【要約】【課題】均一なガスの分配を実現することが困難であ
るという課題があった。【解決手段】流路５１の内側に、所定の温度以上の温
度領域では流路５１の断面積を小さくする方向に変形
し、所定の温度未満の温度領域では流路５１の断面積を
大きくする方向に変形する調節板５２を設ける。

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、電気化学的な反
応を利用して発電、除湿、ガス濃度測定等を行なう電気
化学デバイスに用いることができる流体流路に関するも
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る。このデバイスの
一例である燃料電池は、電解質体の両側に接触した電極
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り、例え
ば、固体高分子型燃料電池では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２５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示す断面図である。図におい
て、１は固体高分子電解質膜、２はアノード電極、３は
カソード電極、４，５は導電性の流体流動板、６はアノ
ードガス流路、７はカソードガス流路である。固体高分
子電解質膜１としては、パーフルオロスルフォン酸膜が
近年高性能な膜として使用されている。また、電極２，
３としては、特開平３−２５８５６号公報に開示されて
いるように導電性材料に触媒粉末と結着剤を混練して成
形したものが使われている。

【０００４】次に動作について説明する。アノード電極
２に水素ガス、カソード電極３に酸素を供給して外部回
路を通してアノード電極２およびカソード電極３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^-＋１／２０₂→Ｈ₂Ｏ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（２）このときアノード電極２上で水素はプロトンとなり、水
を伴って電解質膜１中をカソード電極３まで移動しカソ
ード電極３上で酸素と反応して水を生ずる。従って、こ
の反応が生じている時、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。
このときに流す電流は、時には１Ａ／cm ²を越える大き
なものとなり、電池特性向上のためには、実際に反応が
行われる電解質膜１と電極の界面の面積を大きくするた
めに、例えば、特開平３−１６７７５２号公報に開示さ
れているように凹凸のある面を押し付ける工夫を行った
り、特公平２−４９７８号公報に開示されているように
膜の表面を研磨剤で削って粗面化したりする方法が提案
されている。また、電解質膜の表面に触媒や電極を定着
させるために、特公平２−４９７８号公報や特開平３−
２０８２６２号公報では、加熱プレスや、溶媒中での加
熱プレスの方法が提案されている。また、特開平４−３
２９２６４号公報等も提案されている。

【０００５】また、電気化学反応の継続には、ガスと水
の供給・排出と電流の取り出しが必要になる。そこで燃
料電池から電流を取り出し、しかもガスと水を効率よく
流通させる流体流動フィールド板としては、例えば特開
平３−２０５７６３号公報に開示されたものが提案され
ている。図２６は流体流動板５の平面図である。図にお
いて、１０は主表面、１１は電極支持部分、１２は流体
供給口、１３は流体入口、１４は流体出口、１５は流体
排出口である。流体供給口１２よりガスを供給すると供
給されたガスは主表面１０と電解質体１により空間を囲
まれるので流体入口１３よりカソード電極１３に入る。
ここではガスの主流はカソード電極３と電極支持部１１
に誘導されてカソードガス流路７に沿って流れ、カソー
ド電極３の各部分で消費されなかったガス及び発生した
ガスが流体出口１４を経て流体排出口１５より排出され
る。ここで酸素をガス流体供給口１２より供給してカソ
ードガス流路７に流通させて、同時にアノード側も水を
含んだ水素をアノードガス流路６に流通させ、流体流動
板４，５を電気的に外部で接続すれば、カソード電極３
上では式（２）の反応が起こり未反応ガスと水が流体出
口１４を経て流体排出口１５から排出される。一方、ア
ノード電極２でも同様に未反応ガスが排出される。この
場合、電子はアノード電極２から電極支持部分を経由し
て流体流動板４を通って流れる。上記のような代表的な
高分子電解質型燃料電池では電極面積あたり１Ａ／cm²
以上の高電流を取り出すことができ、例えば電極面積が
１００cm²程度の燃料電池では単セルを流れる電流は実
に１００Ａ以上となる。電流を流す際の抵抗ロスを少な
くするためには、断面積を広くかつ長さを短くすること
が基本となる。燃料電池の積層体の単セルの厚みは１cm
以下であり、抵抗ロスの少ない効率的な電流の経路をと
ると、導体でできた流体流動板を経由することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子電解
質型燃料電池は以上のように構成されているので、研磨
剤による粗面化が施された燃料電池では、高価な膜を無
駄にすることになり、また、凹凸のある面を有する電解
質膜では、膜に過大なストレスが加わり、歪んだり破れ
てしまう危険性があった。また、加熱してプレスする方
法では、複雑な装置を必要とし、また工程上も触媒粒子
と有機溶媒が共存する状態での加熱は危険を伴うもので
あった。また、電解質膜では、反応による水素イオンの
移動だけではなく、水素イオンに伴って水もカソード側
へ移動するために、カソード側で生じた水により、反応
に必要なガスの拡散が拡げられるなどの問題点があっ
た。そこで、薄い膜の導入が求められていた。また、積
層した構造体では、各セルへのガスの分配やセル内でも
各流路への均一なガスの分配が効率の高い運転には必要
であったが、流体流動板を薄くするために、流路が細く
なり均一なガスの分配を実現することが困難であるなど
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、容易かつ低コストで流体の流量
を制御できる流体流路を得ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る流体流路
は、流路の内側に、所定の温度以上の温度領域では該流
路の断面積を小さくする方向に変形し、所定の温度未満
の温度領域では前記方向と相反する方向、すなわち該流
路の断面積を大きくする方向に変形する流量制御部材を
設けたものである。

【０００９】この発明に係る流体流路は、流路の内側
に、所定の組成の流体に接した場合に膨潤する材料を用
いた流量制御部材を設けたものである。

【００１０】この発明に係る流体流路は、前記材料を水
分を吸収して膨潤する高分子吸水材としたものである。

【００１１】この発明に係る流体流路は、流路の内側
に、流体に含まれる所定の流体成分が所定の濃度以上の
濃度である場合に、該流体成分を吸収して膨潤し、所定
の濃度未満の濃度である場合に該流体成分を放出して収
縮する材料を用いた流量制御部材を設けたものである。

【００１２】この発明に係る流体流路は、前記材料を、
水素を吸収、放出する水素吸蔵合金としたものである。

【００１３】この発明に係る流体流路は、前記流路を、
並列に配置した複数の流路部としたものである。

【００１４】この発明に係る流体流路は、前記流量制御
部材を流路の出口側に設けたものである。

【００１５】この発明に係る流体流路は、前記流路を、
複数の溝が形成された流路板としたものである。

【００１６】（作用）この発明における流体流路は、流
路の内側に、温度により変形する流量制御部材を設けた
ことにより、所定の温度以上の温度領域では該流路の断
面積が小さくなり流体に対する抵抗が増加し、流れる流
体の流量が減少し、所定の温度未満の温度領域では該流
路の断面積が大きくなり、流体に対する抵抗が減少し、
流れる流体の流量が増加する。

【００１７】この発明における流体流路は、流路の内側
に、所定の組成の流体に接した場合に膨潤する材料を用
いた流量制御部材を設けたことにより、流路に所定の組
成と異なる組成の流体が流れた場合、流量制御部材が収
縮して流体に対する抵抗が減少し、該流体が通過し、該
流路に所定の組成の流体が流れた場合、流量制御部材が
膨潤して流体に対する抵抗が増加し、該流体の通過を阻
止する。

【００１８】この発明における流体流路は、前記材料を
高分子吸水材としたことにより、流体中の水分量が変化
することにより該高分子吸水材の吸水量が変化し、膨潤
の度合も変化する。該流体中の水分量が増加した場合高
分子吸水材が増加した水分を吸収して膨潤し、流体に対
する抵抗が増加して、該流体の流量が減少し、該流体中
の水分量が減少した場合、高分子吸水材が含有する水分
を放出して収縮し、流体に対する抵抗が減少して該流体
の流量が増加する。

【００１９】この発明における流体流路は、流路の内側
に、所定の流体成分の濃度により膨潤または収縮する流
量制御部材を設けたことにより、該濃度が所定の濃度以
上の場合前記流量制御部材が該流体成分を吸収して膨潤
し、流体に対する抵抗が増加して該流体の流量が減少
し、前記濃度が所定の濃度未満の場合前記流量制御部材
が含有する流体成分を放出して収縮し、流体に対する抵
抗が減少して該流体の流量が増加する。

【００２０】この発明における流体流路は、前記材料を
水素吸蔵合金としたことにより、流体中の水素濃度が所
定の濃度以上の場合該水素吸蔵合金が流体中の水素を吸
収して膨潤し、流体に対する抵抗が増加して該流体の流
量が減少し、水素濃度が所定の濃度未満の場合前記水素
吸蔵合金が含有する水素を放出して収縮し、流体に対す
る抵抗が減少して該流体の流量が増加する。

【００２１】この発明における流体流路は、前記流路を
並列に配置した複数の流路部としたことにより、各流路
部の流体の流量を制御する。

【００２２】この発明における流体流路は、流量制御部
材を流路の出口側に設けたことにより、流路の出口側か
ら流出する流体の流量を制御する。

【００２３】この発明における流体流路は、前記流路を
複数の溝が形成された流路板としたことにより、小スペ
ースの流体流路を具現化する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１は本発明の実施の形態１の電気化学
デバイスの構成を示す断面図であり、２１は高分子電解
質膜、２，３は電極である。高分子電解質膜２１は、厚
み６０μｍ、一辺が９５mmの正方形の膜であり、イソプ
ロパノール（ＩＰＡ）６０％水溶液に浸漬した高分子電
解質を膨潤した状態で厚み方向に収縮させ膜としたもの
である。

【００２５】次に、電気化学デバイスの製造方法につい
て説明する。図２は本実施の形態の薄い膜を製造する際
の１工程中の概念的な平面図であり、図において２２は
高分子電解質膜、２３は固定用の枠である。また図３に
はパーフルオロスルホン酸膜としてデュポン社から市販
されているナフィオン１１５膜を室温のイソプロパノー
ル水溶液中で膨潤させた時の長さ（縦、横）変化を示す
ものである。イソプロパノール（以下ＩＰＡと略す）の
濃度が６０wt％の水溶液では、横が１．４倍、縦が１．
６倍も延びているので面積は２．２４倍にも広がるが、
これを乾燥するとまたもとの大きさに戻る。本実施の形
態では厚さ１３５ミクロンのナフィオン１１５を６０mm
×７０mmの長方形に切断し、ＩＰＡ６０％水溶液に浸漬
した。この時膜２２は約１００×１００mmの正方形に広
がった。これを外寸９５mm角の２枚のポリカーボネート
製の枠２３で挟み、クリップではみ出た膜がずれないよ
うに挟みつけた。これを６０℃の空気中で乾燥すると、
９５mm角の内側の膜は乾燥で縮む際にも９５mm角のまま
縮まなければならないので、乾燥したときの体積を維持
するために、膜厚みが薄くなった。乾燥後に枠２３から
はみ出ている部分を切取り、膜２２を枠２３からはずす
と厚み６０μｍの９５mm角の正方形の膜２１が得られ
た。これにより、歪の無い薄い膜２１が簡単に得られた
と同時に、同じ面積のデバイスを製造するのに使用する
膜の量を従来の半分に減少させることができた。また、
図３に示すように膜の広がりはＩＰＡ水溶液の濃度で変
化するので、ナフィオン１１５の場合には、浸漬する液
組成の調整により、６０μｍ〜１３５μｍの任意の厚み
の膜を得られることがわかった。なお、この方法で薄膜
化した膜を液中に浸漬すると、再び膨潤するので、さら
に薄い膜を得ることも可能である。また、これは同じパ
ーフルオロスルホン酸膜であっても、分子構造が異なる
と延び方に大きな違いがあるので、異なった仕様のパー
フルオロスルホン酸膜であれば、製造条件を変更する必
要がある。

【００２６】図４は乾燥したナフィオン１１５のＸ線回
折図形を示すものであり、Ａ，Ｂのようなクラスターの
存在が示されている。また、ＩＰＡや水に浸漬したとき
のＸ線回折図形では、Ａ，Ｂのクラスター径が大きくな
っていることがわかる（図示せず）。しかし、この膜を
ＩＰＡと水の混合液中に浸漬すると図５のＣに示すよう
な新しいクラスターの出現が観測された。また、これと
並行して膨潤中の膜の抵抗を測定すると図６のように、
ＩＰＡ濃度によって大きく抵抗が変化することがわかっ
た。特にＩＰＡ濃度が５０％程度の時は膜の厚みが最大
になっているにもかかわらず、最小抵抗を示しており、
体積固有抵抗が最小になっていることを示している。こ
れは、新しいクラスターの出現により、イオン移動の新
たな経路ができたことに起因すると考えられる。膜をＩ
ＰＡ水溶液や、その他このＣ（２θ＝２７°）に相当す
るクラスターを出現させる状態で、例えば膨潤した状態
で使用することにより、電圧ロスが少ない運転を行なう
ことも可能である。

【００２７】実施の形態２．以下、この発明の実施の形
態２を図について説明する。図７はナフィオン１１５に
針を突き立て、圧力を変えていって針を侵入させた時の
針先の位置を示すものであり、縦軸は乾燥した膜の厚み
によって規格化している。Ｂが乾燥した膜、ＡがＩＰＡ
５０％水溶液中に膨潤させた膜を使用した結果である。
これにより、膨潤させた膜は圧力に応じて容易に変形す
ることがわかった。図８はこの試験結果に基づいて膜の
表面に凹凸をつけるためのプレスを行なう様子を示した
ものである。図中、２７，２８は凹凸をもつ型、２９，
３０はプレス板である。この状態で面圧を加えた後に型
と膜を合わせたまま乾燥した時の厚みの変化量を図９に
示す。膜厚みの両面に凹凸をつけたい場合は５０kg／cm
²程度の面圧を加えれば、ほぼ膜厚みに相当する厚みの
凹凸ができることがわかる。これによって膜表面にでき
た凹凸の実体顕微鏡写真を図１０に示す。

【００２８】実施の形態３．以下、この発明の実施の形
態３を図１１を用いて説明する。図１１において、３１
は膜表面に形成された凹凸である。電解質膜の一部にＩ
ＰＡ水溶液を塗布すると、上記実施の形態１に示したよ
うにＩＰＡ水溶液が染み込んだ部分は膨潤するが、液中
に浸漬した場合と異なり、膜が一様に延びず歪んでしま
うので、これを防止するために触媒を塗布する窓を開け
た固定用の枠２３に膜２２を挟み込む。続いて、塗布液
の調整であるが、この実施の形態においては液中に触媒
を含有するので、乾燥中に空気中の酸素とＩＰＡが反応
を起こす危険性があり、ＩＰＡ濃度を３０％以下に抑え
た。もちろん真空や、不活性ガス雰囲気中での作業を実
現できれば、ＩＰＡ濃度を高くすることも可能である。
また、これだけでは触媒は膜に付着させることはできる
が、触媒粒子と電解質膜２２の密着性を高めるために、
高分子電解質を９０％ＩＰＡ水溶液中でオートクレーブ
により溶解させた液を加えて、塗布液に２％の高分子電
解質を溶質として含有させた。液の調合はまず、白金黒
に水を加えて撹拌した後に高分子電解質を溶質として含
有するＩＰＡ溶液を加えて撹拌し、超音波振動を１０分
間加えて、白金粒子の分散化を行った。これを枠２３に
挟んだ膜２２にブラシで塗布した。塗布を行なうと、液
のついた部分が膨潤して歪んだが、真空中で５０℃で乾
燥させるとまた元のようにまっすぐな膜に戻った。膜の
塗布の時にブラシで膜をこすることにより、膜表面上に
は細かな溝が生じ、また、塗布する液の染み込み具合い
に分布が生じ、乾燥時の膜表面に細かな凹凸３１を形成
することができた。

【００２９】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。実施の形態２に示したように、
膨潤した膜２２に凹凸のある型２７，２８を押し付ける
と、膜２２が変形して型２７，２８の凹凸に対応した凹
凸が膜２２表面にできる。押し付ける型２７，２８の凹
凸の形状が複雑であり、例えば、繊維が絡み合った状態
のものでは、ある程度の面圧を越えると、膜２２と型２
７，２８は離れなくなる。そこで、図１２に示すよう
に、電極基材に用いられるカーボンペーパー４１，４２
を型２７，２８の代わりに挿入し、１００kg／cm²程度
の面圧を加えれば、面圧を開放してもカーボンペーパー
４１，４２と電解質膜２２は密着したままで一体化物と
なった。尚、電極に触媒を有する場合には、膨潤用の液
中の有機物含有量を３０％以下にする必要があるが、乾
燥工程が完了するまで不活性ガスで雰囲気をつくること
ができる場合は、有機物含有量を高くすることも可能で
ある。

【００３０】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１３は本実施の形態の寸法に
差のある電極を用いた電気化学デバイスの断面図であ
り、図１４は平面図である。ここで、４５，４６はスペ
ーサーであり、４７，４８は電極２−スペーサー４５、
電極３−スペーサー４６間の隙間を示す。電解質膜２１
には、ナフィオン１１５を実施の形態１の方法で６０μ
ｍに薄膜化した１５cm角のもの、電極２，３には厚み
０．３mmのカーボンペーパーを使用し、電極２は１０cm
角、電極３は１０．５cm角に切断した。スペーサーには
電極より５０μｍ薄い、厚み２５０μｍのアラミドペー
パーを使用した。スペーサー４５は外形１５cm角、内側
に１０．１cm角の穴を開け、スペーサー４６は外形１５
cm角、内側に１０．６cm角の穴を開けている。これらを
図１３，１４に示すような配置に、重ね、１９０℃、５
０kg／cm²の面圧でホットプレスを行った。この一体化
物をプレス装置から開放して厚みを測定すると、電極は
膜に６０μｍ程度食い込み、一体化物は５５０μｍの一
様な厚みを持った。この時、隙間４７，４８は０．５mm
程度であり、隙間の膜に対向する側には、電極３かスペ
ーサー４５が存在し、一体化物を片手で持っても電極と
スペーサーの強度により、変形をおこさず、まっすぐな
平面を保っていた。また、この一体化物を湿度が２０％
〜６０％変化する空気中に数日間放置したが、反りや歪
を生じなかった。また、この電気化学デバイスを固体高
分子電解質形燃料電池に用い、一度運転した後に、分解
しても何等形状に変化が見られず、また組み立てて使用
することができた。

【００３１】なお、本実施の形態においては、スペーサ
ーにアラミドペーパーを用いたが、その他、ＰＴＦＥや
ＰＦＡシート並びにポリイミドフィルムのように、製造
・運転時の条件に耐えられる耐熱性を有する物で有れば
使用可能である。しかし、アラミド紙やポリイミドはホ
ットプレスの温度でも軟化しないので、隙間を一定に保
つことができるが、ＰＴＦＥやＰＦＡのシートはホット
プレスの温度では軟化するので、隙間４７，４８が広が
ることがある。しかし、一度一体化した後は寸法安定性
が高く、運転中の温度や湿度の変化に対しても開けた穴
の位置や大きさが変化することは無い。

【００３２】実施の形態６．以下、この発明の実施の形
態６について説明する。図１５は温度により有効断面積
が変化する流路５１の進路方向の断面を示すものであ
り、５２は温度により変形する調節板（流量制御部材）
である。ここでは、７０℃以下で流路壁５３に沿い、８
０℃でほぼ９０°に曲がるバイメタルを使用した。ま
た、流路壁５３には、白金系の触媒が担持してある。

【００３３】ここで、流路５１に燃料排ガスと空気の混
合ガス（流体）５４を流し、余分な燃料を燃焼させる。
混合ガス５４の温度が７０℃の時は調節板５２は流路壁
５３に沿っていて、流路抵抗が小さく、燃焼は最大限に
行われるが、燃焼反応が拡大し、流路５１内の温度が上
昇して、７０℃を越えると調節板５２が反りだして、流
路５１の有効面積が減少し、混合ガス５４の流量が減少
する。流量の減少により、燃焼による発熱量が減少し、
温度が下がり始める。すると調節板５２がまた、流路壁
５３に沿って抵抗が減少し、流量が増加する。以上のよ
うに混合ガス５４の温度が７０℃付近になるようにこの
流路５１の断面積を自動的に調節することができる。ま
た、本実施例では、調節板５２をスポット溶接技術で取
り付けた。調節板５２の材質は温度に依って変形し、か
つ混合ガス５４によって冒されないもので有れば、例え
ば形状記憶合金や合成繊維を用いたものを使用すること
も可能であるし、接着やその他の方法で取り付けること
は可能である。また、運転条件により、実質的な変形が
行われる温度は任意に設定してよい。

【００３４】ここで、上記実施の形態の他の実施の形態
について説明する。図１６は本実施の形態の流体の組成
により膨潤・収縮する材料を流路壁に担持させて、流体
組成により有効断面積が変化する流路の垂直断面を示す
ものであり、５５は水を含むと膨潤する高分子材料（高
分子吸水材）、５６は流路を構成する材料であり、孔径
０．２mmの金属発砲材を用いたフィルターの一部を拡大
したものである。

【００３５】ここでこのフィルター５６にガソリンを流
すと、高分子材料５５は、ガソリン単独の時は収縮して
いるので、ガソリンはフィルター５６を通過することが
できる。しかし、ガソリン中に水が混入していると、高
分子材料５５は膨潤して、フィルター５６の流路５７が
塞がり、流れなくなるので、水が混入したガソリンが入
ることを防止できる。

【００３６】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１７は本実施の形態出口側流
路に高分子吸収材を担持した流路を持つ流体流路板の平
面図である。流動板４はカーボン板に機械加工により溝
を掘ったものであり、６０は主表面、６２は流体供給
口、６３は流体総入口、６は並列した流路、６４は流体
総出口、６５は流体排出口であり、６１は流体が反応す
るデバイスの支持部である。７１は高分子吸水材であ
り、実施の形態１で使用したパーフルオロスルホン酸を
イソプロパノールに溶かした液を各流路６の出口から１
cmまでのところに塗布・乾燥後、１９０℃の空気中で２
分間保持して、定着させた。また、図１８は流路６の概
念的な断面図である。

【００３７】流体供給口６２より、水分を含む流体を流
すと、流体は流体総入口６３を通って並列した流路６ａ
〜６ｍに分岐して流れ、流体総出口６４を経由して流体
排出口６５から出ていく。このとき、流体支持部６で支
えているデバイスで水分を消費する反応が行われている
と、流体総出口６５の流体の水分量は流体総入口６３の
中の水分より少なくなる。一方、各流路６ａ〜６ｍにつ
いて見ると、デバイスでの反応の面内分布や、各流路を
流れる流体の流量により、各流路の出口流体の水分量は
異なることになる。仮に、流路６ｉの部分での反応量が
流体流量に対して少ない場合は、流路６ｉ出口での水分
量が多くなる。そうすると流路６ｉ内の吸水材７１は図
１８の左の状態から右のように膨潤して流路断面積が減
少し、他の流路より抵抗が大きくなって、流路６ｉを流
れる流体量は減少し、他の抵抗の低い流路に流れる。こ
れが各流路で行われるので、各流路６ａ〜６ｍの出口で
の水分量はほぼ一定になるように流量分布が自動的に調
節される。

【００３８】また、この実施の形態では一つの流動板内
での流量分布についてのみ記述したが、例えばこのよう
な流路板と反応デバイスを複数積層して、各流体流動板
に流れる流体の流量を調節する場合には、各流動板の総
流体出口６４の部分に上記の様な吸水材を用いることも
可能である。また、高分子吸水材は、耐熱、耐薬品性の
点で運転条件に見合うならば、他の種類の材質のものを
用いることも可能である。

【００３９】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。図は図１７，１８に準ずる。流
動板４はＳＵＳ３１６に機械加工により溝を掘ったもの
であり、高分子吸水材７１の替わりに水素吸蔵合金を用
いたものである。この水素吸蔵合金はパラジウム／シル
バー合金から構成され、流路出口に孔径１０μｍのＳＵ
Ｓメッシュを設けて保持した。

【００４０】流体供給口６２より、水素を含んだガスを
流すと、ガスは流体総入口６３を通って並列した流路６
ａ〜６ｍに分岐して流れ、流体総出口６４を経由して流
体排出口６５から出ていく。このとき、流体支持部６１
で支えているデバイスで水素を消費する反応が行われて
いると、流体総出口６５のガス中の水素濃度は流体総入
口６３中の水素濃度より低くなる。一方、各流路６ａ〜
６ｍについて見ると、デバイスでの反応の面内分布や、
各流路を流れるガス流量により、各流路の出口ガスの水
素濃度は異なることになる。仮に、流路６ｉの部分での
水素ガス消費量がガス流量に対して少ない場合は、流路
６ｉ出口での水素濃度が高くなる。そうすると流路６ｉ
内の水素吸蔵合金は水素吸蔵量が膨潤して流路断面積が
減少し、他の流路より抵抗が大きくなって、流路６ｉを
流れるガス流量は減少し、他の抵抗の低い流路に流れ
る。これが各流路で行われるので、各流路の出口での水
素濃度がほぼ一定になるように流量分布が自動的に調節
される。また、この実施の形態では水素吸蔵合金として
パラジウム合金を用いたが、ランタン／ニッケル系その
他の合金を用いても差し支えない。

【００４１】実施の形態９．以下、実施の形態９につい
て説明する。図１９は上記実施の形態１の電気化学デバ
イスと実施の形態７の流路板を適用した除湿装置８１で
ある。流路板８２はポリプロピレンの成形品で、出口側
流路壁には凹凸があり、そこに高分子吸水剤を担持させ
ている。対向の流路板８３もポリプロピレン成形品で、
流路板８２の流路の１／６の流路断面積をもっている。
アノード電極２、カソード電極３は外部直流電源に接続
されている。

【００４２】次に動作について説明する。この除湿装置
８１は、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。２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（３）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^-→２Ｈ₂Ｏ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（４）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、アノード側の空間の湿度を下げることになる。

【００４３】ここで、空気を除湿装置８に流すと、上下
の流路での圧力損失の違いから、空気の９７％が流路６
に流れる。そこで、直流電源を起動すると流路６を流れ
る空気は、アノード電極２上で式（３）の反応が生じ、
空気中の水分が分解して、プロトンが電解質４中をカソ
ード電極３に向かって移動し、式（４）の反応に依って
流路７を流れる空気中の酸素と結合し、水となって出て
来る。ここで、並行した流路６で、流れる空気の量に分
布がある場合、出口ガスの水分量に差が生じるので、実
施の形態７において説明したように、各ガス流路に最適
にガスが配分され、効率よく空気を除湿するとともに、
酸素濃度を高めることができる。また、空気中に一酸化
炭素を含む場合には式（３）の反応より優先して、一酸
化炭素が酸化されて二酸化炭素に変換されるので、一酸
化炭素除去能力もある。この除湿装置８１に空気を送り
込むと相対湿度は元の場合より４０〜５０％も低くでき
ることが分かった。

【００４４】実施の形態１０．以下、実施の形態１０に
ついて説明する。図２０はこの実施の形態の空気清浄器
９０のガスフロー図であり、８１は上記実施の形態９の
除湿装置、９１はファン、９２は静電フィルター、９３
は水タンク、また９４はエアコンである。静電フィルタ
ーには、三井石油化学製のシンテックスＥＬ／ＥＢ−２
０Ｎを用いた。

【００４５】次に動作について説明する。電源（図示せ
ず）を投入すると、ファン９１が回り、空気は静電フィ
ルター９２で煙草の煙やほこり等の浮遊微粒子が除去さ
れ、除湿装置９０にはいる。除湿装置９０では空気中の
湿度を減少させるとともに、一酸化炭素を除去し、酸素
富化が行われた空気を排出する。また、対極では純水が
生成するので、これをタンク９３に蓄えることができ
る。この空気清浄器９０を例えば自動車に用いた時は、
車内は湿度が高く、また沿道には一酸化炭素が多いの
で、本質的な空気の浄化には最適である。また、除湿装
置８１に導入される空気は塵や煙が除かれているので、
電解質膜２１を汚染することが少なく、除湿装置８１の
寿命を大きく延ばすことができた。またこの空気清浄器
９０からの排出空気をエアコン９４に送れば、湿度が低
いので冷却フィンでの結露がなく、冷却時に空気吹き出
し口から真っ白な空気が出るようなことは無くなるとと
もに、フィンでの伝熱抵抗を低く保つことができるの
で、冷却効率が高くなる。

【００４６】実施の形態１１．以下、実施の形態１１に
ついて説明する。図２１は上記実施の形態１，３，５に
示した電気化学デバイスと実施の形態８の流路板を燃料
側に用いた燃料電池の積層体１００の概念的な断面図で
ある。膜２１はナフィオン１１５をＩＰＡ５０％水溶液
で膨潤・薄膜化したもので、それに触媒として白金黒を
実施の形態３に示す方法で塗布し、実施の形態５に示す
寸法構造で組み立てて一体化物とし、セパレーターに開
けられたガス供給・排出口および位置決めのための穴を
開けた。組立は一体化物もセパレーターも容易に手で扱
うことができるので、積層体端板（図示せず）の位置決
め穴に棒を立てて、その棒に各位置決め穴を通すように
してセパレーター板と一体化物を交互に重ねて１０セル
積層した。最後に片方の端板をのせて、皿バネを介して
電池での面圧が６kg／cm²になるように締め込んだ。

【００４７】次に動作について説明する。端板から加湿
した空気と水素を含んだ燃料を各電池の流路７，６に流
れるように流すと、スタック端板間で約１０Ｖの電圧を
発生した。外部回路でスタックに電流が流れるようにし
たところ、スタック内に電流が流れ熱の発生に依って、
スタックの温度が上がっていった。この時、アノード電
極２上では式（１）の反応により、水素が電子を放出し
て、膜２１中をカソード電極３に向かって移動する。一
方、カソード電極３では水素イオンと酸素が結び付き、
電子を得て式（２）の反応により水が生成する。燃料に
二酸化炭素を３０％含む水素ガスを使用した場合には、
燃料利用率が８０％の時、出口の水素ガス濃度は３２％
となる。並行した流路の入口での水素濃度はどの流路に
おいても７０％で同じであるが、出口では実際に反応し
た量と流れた燃料流量に差がある場合には、異なったも
のになる。その差が激しいときはセル面内の一部では反
応が起きなくなり、電流が一部に集中することにより、
特性が低下する。しかし、本実施の形態の燃料電池の燃
料側出口流路には水素吸蔵合金が仕込まれており、出口
水素の濃度を一定に保つように自動的に調節できるの
で、最低限の燃料を供給するだけで高特性を出すことが
できた。また、膜が非常に薄いので、抵抗が従来の半分
になり、高い電流密度でも高特性を維持することができ
た。尚、燃料に純水素を投入した場合には入口と出口で
水素濃度がほとんど変化しないので水素吸蔵合金を用い
た流量制御の効果は小さくなってしまう。しかし、式
（７）の反応が進むためにはアノード側の水も水素イオ
ンと共に膜中を移動するので、燃料ガス中の水分が消費
されることになり、実施の形態７の高分子吸水剤を用い
ることで流量分配の最適化を行うことは可能である。

【００４８】実施の形態１２．以下、実施の形態１２に
ついて説明する。図２２は実施の形態１の薄い電解質膜
２１を用いた水素ガス濃度センサー１１０の概念的な断
面図である。図において、２は被測定ガスに触れる電
極、３は空気極である。電極材料には直径５mmの従来の
ガス拡散電極を用いた。膜はＩＰＡ濃度を２０％にして
厚み８０μｍに調整した。１１１，１１２は一体のポリ
エチレン成形フレームで、フレーム１１１には被検査ガ
スを流す流路６が形成され、フレーム１１２には大気と
触れるように直径１mmの穴１１３が開口度５０％になる
ように形成されている。電極２，３には電圧取り出し用
の導線が接続されている。ポリエチレン成形フレーム１
１１，１１２を開いた状態で電極２，３と膜２１をのせ
て、挟みこむことで、一体の水素ガス濃度センサー１１
０を作成した。

【００４９】次に動作について説明する。この実施の形
態の水素ガス濃度計は、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（５）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。Ｅ＝ＲＴ／２Ｆ×１ｎ（Ｐ_H2／Ｐ_R）‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（５）ただし、Ｒは気体定数、Ｆはファラデー定数、Ｔは絶対
温度、Ｐ_H2は被検査ガス中の水素ガス分圧、Ｐ_Rは純水
素の圧力を示す。この実施の形態の水素ガス濃度センサ
１１０では、センサー１１０を空気中において、流路６
に燃料排ガスを流すと、電極２−３間には排ガスの水素
濃度Ｐ_H2に応じて式（６）の電圧が発生する。Ｅ＝ΔＧ／２Ｆ＋ＲＴ／２Ｆ・１ｎ（０．４５８Ｐ_H2） ‥‥‥‥（６） ΔＧ：水生成のギブス自由エネルギー変化そこで、この電圧を測定することにより、排ガス中の水
素濃度を測定することができる。またこの時被測定ガス
は原理的には被破壊であるので、そのまま水素回収装置
等へ戻すことが可能である。本実施の形態では膜の厚み
を８０μｍにしたが、実験の結果これより薄い場合には
ガスの透過により正確な電圧が生じないことがあった。
またこれ以上厚くても構わないが、薄い膜薄を使うこと
に依ってコストを低減することができた。

【００５０】実施の形態１３．以下、実施の形態１３に
ついて説明する。図２３は実施の形態２の凹凸を持った
膜２２に無電解白金メッキを行い、さらに実施の形態５
の構造とした電気化学デバイスを用いた電解槽１２０で
あり、２１が電解質膜、３がアノード、２がカソードで
ある。１２１はアノード集電体、１２２はカソード集電
体、１２３は水供給口、１２４は酸素排出口、１２５は
水素排出口である。尚、電極２，３の基材には厚さ０．
１mmのチタンエクスパンドメタルを用い、電極２には白
金メッキを、電極３にはイリジウムメッキを行った。電
解質膜２１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。

【００５１】次に動作について説明する。この電解槽１
２０は、例えばアノード側に水を供給し、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３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２側へ移動する。一方、カソード２では水素イオンは
電子を得て水素ガスとして発生する。このとき、電気化
学反応での抵抗が小さくなっているので、水から酸素と
水素を効率よく得ることができる。２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（７）４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（８）ここで、電極２，３間に直流電圧を印加すると、アノー
ド３上では（７）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２では、（８）式に従い水素ガスが
発生する。電極２，３間に２Ｖの電圧を印加すると、電
流密度が６００mA／cm²となり従来の平坦な膜に比べ
１．２倍もの電流を流すことができた。また、電極２と
電極３の大きさが違うので膜の強度が上がり、槽内の水
を抜き取って乾燥してしまった場合でも膜が損傷するこ
とが無くなった。

【００５２】実施の形態１４．以下、実施の形態１４に
ついて説明する。図２４は実施の形態２の凹凸を持った
膜に実施の形態３の方法で触媒を担持させて、チタンメ
ッシュと１５０℃でホットプレスを行った電気化学デバ
イスと実施の形態８の流路板を用いた水素精製装置１３
０の断面図である。電気化学デバイスの下側部分がアノ
ード３、上側部分がカソード２である。流路板８２はタ
ンタル製でパラジウムを流路６に張り付けてある。流路
板８３はＳＵＳ３１６Ｌ製で流路７が形成されている。

【００５３】次に動作について説明する。この水素ガス
精製装置１３０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^- ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（９）２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（１０）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。

【００５４】ここで、不純物に二酸化炭素を含む水素ガ
スをガス流路６に導入し、流路板８２に流路板８３に対
して２Ｖの電圧をかけるとアノード３上で式（９）の反
応が生じ、水素ガスのみがプロトンとなって電解質膜２
１をカソード２に向かって移動し、式（１０）の反応に
依って水素ガスに戻り流路７中に導入される。流路板８
２の各並行した流路６の出口側では流れる被精製ガスが
多いか、反応量が少ない場合水素濃度が高くなり、張り
付いていたパラジウムが膨潤して流路断面積が減少して
他の流路に回る。これにより、各流路から出る水素濃度
がほぼ一定となり、被精製ガス中のかなりの水素が回収
できるようになった。また、電解質膜の表面積が大きく
なったために、従来の精製装置に比べ処理流量が大幅に
増大し、効率が向上した。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、流路
の内側に、所定の温度以上の温度領域では該流路の断面
積を小さくする方向に変形し、所定の温度未満の温度領
域では前記方向と相反する方向に変形する流量制御部材
を設けるように構成したので、容易かつ低コストで流体
の流量を制御できる効果がある。

【００５６】この発明によれば、流路の内側に、所定の
組成の流体に接した場合に膨潤する材料を用いた流量制
御部材を設けるように構成したので、容易かつ低コスト
で流体の流量を制御できる効果がある。

【００５７】この発明によれば、前記材料を、水分を吸
収して膨潤する高分子吸水材のように構成したので、容
易かつ低コストで、水分を含有する流体の流量を制御で
きる効果がある。

【００５８】この発明によれば、流路の内側に、流体に
含まれる所定の流体成分が所定の濃度以上の濃度の場合
に該流体成分を吸収して膨潤し、所定の濃度未満の濃度
の場合に該流体成分を放出して収縮する材料を用いた流
量制御部材を設けるように構成したので、容易かつ低コ
ストで流体の流量を制御できる効果がある。

【００５９】この発明によれば、前記材料を、水素を吸
収、放出する水素吸蔵合金のように構成したので、容易
かつ低コストで水素を含有する流体の流量を制御できる
効果がある。

【００６０】この発明によれば、前記流路を、並列に配
置した複数の流路部のように構成したので、容易かつ低
コストで各流路部の流体の流量を制御することができ、
運転コストを低減できる効果がある。

【００６１】この発明によれば、流量制御部材を流路の
出口側に設けるように構成したので、流路の出口側から
流出する流体の流量を容易かつ低コストで制御すること
ができ、運転コストを低減できる効果がある。

【００６２】この発明によれば、前記流路を複数の溝が
形成された流路板のように構成したので、小スペースの
流体流路を具現化することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による電気化学デバ
イスを示す断面図である。

【図２】この発明の実施の形態１による電気化学デバ
イスの製造方法を示す平面図である。

【図３】液組成と膜の膨潤の関係を示す図である。

【図４】乾燥したナフィオン１１５のＸ線回折図形を
示す図である。

【図５】膨潤したナフィオン１１５のＸ線回折図形を
示す図である。

【図６】膜を膨潤させた場合の抵抗を示す図である。

【図７】この発明の実施の形態１による膜の針侵入試
験結果を示す図である。

【図８】この発明の実施の形態２による電気化学デバ
イスの製造方法を示す図である。

【図９】面圧と厚み変化量との関係を示す図である。

【図１０】この発明の実施の形態２による電気化学デ
バイスの膜表面の顕微鏡写真図である。

【図１１】この発明の実施の形態３による電気化学デ
バイスを示す断面図である。

【図１２】この発明の実施の形態４による電気化学デ
バイスの製造方法を示す断面図である。

【図１３】この発明の実施の形態５による電気化学デ
バイスを示す断面図である。

【図１４】この発明の実施の形態５による電気化学デ
バイスを示す平面図である。

【図１５】この発明の実施の形態６による流路を示す
断面図である。

【図１６】この発明の実施の形態６の他の実施の形態
の流路を示す流路方向の断面図である。

【図１７】この発明の実施の形態７による流体流路板
を示す平面図である。

【図１８】この発明の実施の形態７による流体流路板
の部分拡大断面図である。

【図１９】この発明の実施の形態９による除湿装置を
示す断面図である。

【図２０】この発明の実施の形態１０による空気清浄
器の構成を示すフロー図である。

【図２１】この発明の実施の形態１１による燃料電池
の構成を示す断面図である。

【図２２】この発明の実施の形態１２による水素ガス
濃度センサーを示す断面図である。

【図２３】この発明の実施の形態１３による電解槽を
示す断面図である。

【図２４】この発明の実施の形態１４によるガス精製
装置を示す断面図である。

【図２５】従来の燃料電池の構成を示す断面図であ
る。

【図２６】従来の燃料電池の流体流動板の構成を示す
平面図である。

【符号の説明】

２アノード電極（電極）、３カソード電極（電
極）、４流動板、６流路、２１高分子電解質膜、
２２高分子電解質膜、２３枠、３１凹凸、５１
流路、５２調節板（流量制御部材）、５３流路壁、
５４混合ガス（流体）、５５高分子材料（高分子吸
水材）、７１高分子吸水材、８２流路板、８３流
路板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体を供給する流体流路において、該流
路の内側に、所定の温度以上の温度領域では該流路の断
面積を小さくする方向に変形し、所定の温度未満の温度
領域では前記方向と相反する方向に変形する流量制御部
材を設けたことを特徴とする流体流路。
【請求項２】流体を供給する流体流路において、該流
路の内側に所定の組成の流体に接した場合に膨潤する材
料を用いた流量制御部材を設けたことを特徴とする流体
流路。
【請求項３】前記材料を、水分を吸収して膨潤する高
分子吸水材としたことを特徴とする請求項２記載の流体
流路。
【請求項４】流体を供給する流体流路において、該流
路の内側に、前記流体に含まれる所定の流体成分が、所
定の濃度以上の濃度の場合に該流体成分を吸収して膨潤
し、所定の濃度未満の濃度の場合に該流体成分を放出し
て収縮する材料を用いた流量制御部材を設けたことを特
徴とする流体流路。
【請求項５】前記材料を、水素を吸収、放出する水素
吸蔵合金としたことを特徴とする請求項４記載の流体流
路。
【請求項６】前記流路を、並列に配置した複数の流路
部としたことを特徴とする請求項１から請求項５のうち
のいずれか１項記載の流体流路。
【請求項７】前記流量制御部材を流路の出口側に設け
たことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいず
れか１項記載の流体流路。
【請求項８】前記流路を、複数の溝が形成された流路
板としたことを特徴とする請求項１から請求項５のうち
のいずれか１項記載の流体流路。