JP3556570B2 - Fluid flow plate - Google Patents
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Description
【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動板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 →H2 O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(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/cm2 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4−329264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、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動板を得ることを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る流体流動板は、並列に並んだ複数の流路部を有し、各流路部の出口側に、各流路部を流れる流体中に含まれる水分を吸収して膨潤する高分子吸水材を用いた流体制御部材を設けたものである。
この発明に係る流体流動板は、並列に並んだ複数の流路部を有し、各流路部の出口側に、各流路部を流れる流体中に含まれる水素が所定の濃度以上の場合に該水素を吸収して膨潤し所定の濃度未満の場合に該水素を放出して収縮する水素吸蔵合金を用いた流体制御部材を設けたものである。
【0019】
(作用)
この発明における流体流動板は、高分子吸収材が流体中の水分量の変化により吸水量が変化し膨潤の度合が変化することから、並列に並んだ複数の流路部における各流路部の出口側に、高分子吸水材を用いた流体制御部材を設けたことにより、各流路部の出口側から流出する流体の流量を制御する。
この発明における流体流動板は、水素吸蔵合金が流体中の水素が所定の濃度以上の場合に水素を吸収して膨潤し所定の濃度未満の場合に水素を放出して収縮することから、並列に並んだ複数の流路部における各流路部の出口側に、水素吸蔵合金を用いた流体制御部材を設けたことにより、各流路部の出口側から流出する流体の流量を制御する。
【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。
参考例1.
以下、この発明の参考例1について説明する。図1は本参考例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は本参考例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。本参考例では厚さ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IPA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】
参考例2.
以下、この発明の参考例2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IPA50%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/cm2 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】
参考例3.
以下、この発明の参考例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IPA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】
参考例4.
以下、この発明の参考例4について説明する。参考例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27,28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】
参考例5.
以下、この発明の参考例5について説明する。図13は本参考例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を参考例1の方法で60μm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15cm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℃、50kg/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、本参考例においては、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】
参考例6.
以下、この発明の参考例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、80℃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、本参考例では、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、上記参考例の他の参考例について説明する。図16は本参考例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1.
以下、この発明の実施の形態1について説明する。図17は本実施の形態の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、参考例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1cm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2.
以下、この発明の実施の形態2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SUS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3.
以下、実施の形態3について説明する。図19は上記参考例1の電気化学デバイスと実施の形態1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。
2H2 O→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− →2H2 O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(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1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4.
以下、実施の形態4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3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−20N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5.
以下、実施の形態5について説明する。図21は上記参考例1,3,5に示した電気化学デバイスと実施の形態2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参考例3に示す方法で塗布し、参考例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】
参考例7.
以下、参考例7について説明する。図22は参考例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111,112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110を作成した。
【0049】
次に動作について説明する。
この参考例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(PH2/PR )‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥(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、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。
この参考例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PH2に応じて式(6)の電圧が発生する。
E=ΔG/2F+RT/2F・1n(0.458PH2) ‥‥‥‥(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。本参考例では膜の厚みを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】
参考例8.
以下、参考例8について説明する。図23は参考例2の凹凸を持った膜22に無電解白金メッキを行い、さらに参考例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120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。
2H2 O→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6.
以下、実施の形態6について説明する。図24は参考例2の凹凸を持った膜に参考例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2の流路板を用いた水素精製装置130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21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82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。
【0058】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、燃料電池または除湿装置のアノード電極に酸素を含んだ流体を供給するための流体流動板に設けた並列に並んだ複数の流路部における各流路部の出口側に、高分子吸水材を用いた流体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各流路部の出口側から流出する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。
この発明によれば、燃料電池または水素精製装置のアノード電極に水素を含んだ流体を供給するための流体流動板に設けた並列に並んだ複数の流路部における各流路部の出口側に、水素吸蔵合金を用いた流体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各流路部の出口側から流出する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。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の参考例1による電気化学デバイスを示す断面図である。
【図2】この発明の参考例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】この発明の参考例2による膜の針侵入試験結果を示す図である。
【図8】この発明の参考例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】この発明の参考例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】この発明の参考例3による電気化学デバイスを示す断面図である。
【図12】この発明の参考例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】この発明の参考例5による電気化学デバイスを示す断面図である。
【図14】この発明の参考例5による電気化学デバイスを示す平面図である。
【図15】この発明の参考例6による流路を示す断面図である。
【図16】この発明の参考例6の他の参考例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1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1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3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4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5による燃料電池の構成を示す断面図である。
【図22】この発明の参考例7による水素ガス濃度センサーを示す断面図である。
【図23】この発明の参考例8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6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。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an electrochemical device that performs power generation, dehumidification, gas concentration measurement, and the like using an electrochemical reaction.Fluid flow plateIt is about.
[0002]
[Prior art]
An electrochemical device is a device in which a basic reaction for generating power or purifying a gas is performed by utilizing an electrochemical reaction. A fuel cell, which is an example of this device, supplies chemical to one of the electrodes in contact with both sides of the electrolyte body and a oxidant to the other, and electrochemically reacts the oxidation of the fuel in the cell to generate chemical energy. It directly converts the energy into electric energy. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, it refers to a solid polymer membrane as an electrolyte and a gas diffusion electrode, or an integrated product thereof.
[0003]
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a typical proton conductive solid polymer electrolyte fuel cell. In the figure, 1 is a solid polymer electrolyte membrane, 2 is an anode electrode, 3 is a cathode electrode, 4 and 5 are conductive fluid flow plates, 6 is an anode gas flow path, and 7 is a cathode gas flow path. As the
[0004]
Next, the operation will be described. When hydrogen gas is supplied to the
Anode reaction
H2→ 2H++ 2e− ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (1)
Cathodic reaction
2H++ 2e−+1/202→ H2O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)
At this time, hydrogen becomes a proton on the
Further, in order to fix the catalyst and the electrode on the surface of the electrolyte membrane, Japanese Patent Publication No. 2-4978 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-208262 propose a method of hot pressing or hot pressing in a solvent. . Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-329264 has been proposed.
[0005]
In addition, in order to continue the electrochemical reaction, it is necessary to supply and discharge gas and water and to extract current. Therefore, as a fluid flow field plate for extracting a current from a fuel cell and for efficiently flowing gas and water, for example, a fluid flow field plate disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-205763 has been proposed. FIG. 26 is a plan view of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional solid polymer electrolyte fuel cell is configured as described above,,productIn the stratified structure, the distribution of gas to each cell and the uniform distribution of gas to each flow path inside the cell were necessary for highly efficient operation. There are problems such as a narrow path and difficulty in achieving uniform gas distribution.
[0007]
The present invention has been made to solve the above problems, and can control the flow rate of a fluid easily and at low cost.Fluid flow plateThe purpose is to get.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to this inventionFluid flow plateIsA fluid control member having a plurality of flow passages arranged in parallel and using a polymer water-absorbing material that swells by absorbing moisture contained in the fluid flowing through each flow passage at the outlet side of each flow passage.Is provided.
Fluid flow plate according to the present inventionIsIt has a plurality of flow passages arranged in parallel, and at the outlet side of each flow passage, when hydrogen contained in the fluid flowing through each flow passage has a predetermined concentration or more, it absorbs the hydrogen and swells. A fluid control member using a hydrogen storage alloy that releases and contracts the hydrogen when the concentration is less than a predetermined concentration is provided.Things.
[0019]
(Action)
In this inventionFluid flow plateIsSince the amount of water absorption of the polymer absorbent changes due to the change in the amount of water in the fluid, and the degree of swelling changes, the polymer absorbent material is placed at the outlet side of each flow path in a plurality of flow paths arranged in parallel. The flow rate of the fluid flowing out from the outlet side of each flow path portion is controlled by providing the fluid control member using.
In this inventionFluid flow plateIsSince the hydrogen storage alloy absorbs hydrogen when the hydrogen in the fluid is at or above a predetermined concentration and swells and releases and contracts when the hydrogen in the fluid is at or below the predetermined concentration, the hydrogen storage alloy in a plurality of flow passages arranged in parallel By providing a fluid control member using a hydrogen storage alloy on the outlet side of each flow path section, the flow rate of the fluid flowing out from the outlet side of each flow path section is controlled.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
Reference example1.
Hereinafter,
The
[0025]
Next, a method for manufacturing an electrochemical device will be described.
Figure 2 is a bookReference exampleFIG. 2 is a conceptual plan view in one step in manufacturing a thin film having a thin film, in which 22 is a polymer electrolyte membrane, and 23 is a fixing frame. FIG. 3 shows the change in length (length and width) when a Nafion 115 membrane commercially available from DuPont as a perfluorosulfonic acid membrane was swollen in an isopropanol aqueous solution at room temperature. In an aqueous solution having a concentration of 60 wt% of isopropanol (hereinafter abbreviated as IPA), the area is expanded as much as 1.4 times and 1.6 times as long, so the area is as large as 2.24 times. Return to the original size. BookReference exampleIn this example, Nafion 115 having a thickness of 135 μm was cut into a rectangle of 60 mm × 70 mm and immersed in a 60% aqueous solution of IPA. At this time, the
[0026]
FIG. 4 shows an X-ray diffraction pattern of the dried Nafion 115, showing the presence of clusters such as A and B. Also, in the X-ray diffraction pattern when immersed in IPA or water, it can be seen that the cluster diameters of A and B are large (not shown). However, when this film was immersed in a mixed solution of IPA and water, the appearance of new clusters as shown in FIG. 5C was observed. In parallel with this, when the resistance of the film during swelling was measured, it was found that the resistance greatly changed depending on the IPA concentration as shown in FIG. In particular, when the IPA concentration is about 50%, the minimum resistance is shown even though the thickness of the film is the maximum, indicating that the volume resistivity is the minimum. This is considered to be due to the fact that a new path of ion migration was created by the appearance of a new cluster. When the membrane is used in a state in which an IPA aqueous solution or other clusters corresponding to C (2θ = 27 °) appear, for example, in a swollen state, it is possible to perform an operation with small voltage loss.
[0027]
Reference example2.
Hereinafter, the present inventionReference Example 2Will be described. FIG. 7 shows the position of the needle tip when the needle is pushed into the Nafion 115 and the pressure is changed to cause the needle to penetrate, and the vertical axis is normalized by the thickness of the dried film. B is a result of using a dried film, and A is a result of using a film swollen in a 50% aqueous solution of IPA. Thus, it was found that the swollen film easily deformed according to the pressure. FIG. 8 shows a state in which a press for forming irregularities on the surface of the film is performed based on the test results. In the figure, 27 and 28 are molds having irregularities, and 29 and 30 are press plates. FIG. 9 shows the amount of change in thickness when drying is performed with the mold and the film together after applying surface pressure in this state. 50kg / cm if you want to make irregularities on both sides of the film thickness2It can be seen that when a certain surface pressure is applied, unevenness having a thickness substantially corresponding to the film thickness can be obtained. FIG. 10 shows a stereomicrograph of the unevenness formed on the film surface by this.
[0028]
Reference example3.
Hereinafter, the present inventionReference example3 will be described with reference to FIG. In FIG. 11,
[0029]
Reference example4.
Hereinafter, the present inventionReference example4 will be described.Reference exampleAs shown in FIG. 2, when the
[0030]
Reference example5.
Hereinafter, the present inventionReference example5 will be described. Figure 13 is a bookReference exampleFIG. 14 is a cross-sectional view of an electrochemical device using an electrode having a difference in the dimensions of FIG.
Here, 45 and 46 are spacers, and 47 and 48 are gaps between the electrode 2-
Further, the electrochemical device was used for a solid polymer electrolyte fuel cell, and after operating once, no change was observed in the shape even when disassembled, and the device could be assembled and used.
[0031]
The bookReference exampleIn the above, aramid paper was used for the spacer, but other materials such as PTFE, PFA sheet, and polyimide film can be used as long as they have heat resistance that can withstand the conditions during production and operation. However, since the aramid paper or the polyimide does not soften even at the temperature of the hot press, the gap can be kept constant. However, since the sheet of PTFE or PFA softens at the temperature of the hot press, the
[0032]
Reference example6.
Hereinafter, the present inventionReference example6 will be described. FIG. 15 shows a cross section in the traveling direction of the
[0033]
Here, a mixed gas (fluid) 54 of the fuel exhaust gas and the air is caused to flow through the
[0034]
WhereReference exampleOtherReference exampleWill be described. Figure 16 is a bookReference exampleA material that swells and shrinks due to the composition of the fluid is supported on the flow channel wall, and the vertical cross section of the flow channel whose effective cross-sectional area changes according to the fluid composition is shown. 55 is a polymer material that swells when containing water (Polymer water-absorbing material) 56 is a material constituting a flow path, which is a partially enlarged filter using a metal foam material having a hole diameter of 0.2 mm.
[0035]
Here, when gasoline flows through the
[0036]
Embodiment1.
Hereinafter, embodiments of the present invention.1Will be described. FIG. 17 shows the present embodiment.ofFIG. 4 is a plan view of a fluid flow channel plate having a flow channel carrying a polymer absorbent in an outlet flow channel.
[0037]
When a fluid containing water flows from the
[0038]
Further, in this embodiment, only the flow rate distribution in one fluidized plate is described. For example, a plurality of such flow path plates and reaction devices are stacked to adjust the flow rate of the fluid flowing through each fluidized flow plate. In such a case, it is also possible to use the above-mentioned water absorbing material in the portion of the total
[0039]
Embodiment2.
Hereinafter, embodiments of the present invention.2Will be described. The figure conforms to FIGS. The
[0040]
When a gas containing hydrogen flows from the
Then, the hydrogen storage alloy in the flow path 6i has a swelling amount of hydrogen storage, the cross-sectional area of the flow path is reduced, the resistance is larger than the other flow paths, the gas flow rate flowing through the flow path 6i is reduced, and the other resistance is reduced. Flow through a low flow path. Since this is performed in each flow path, the flow rate distribution is automatically adjusted so that the hydrogen concentration at the outlet of each flow path becomes substantially constant.
Also, in this embodiment, a palladium alloy is used as the hydrogen storage alloy, but a lanthanum / nickel-based alloy or another alloy may be used.
[0041]
Embodiment3.
Hereinafter, the embodiment3Will be described. FIG.Reference example1. Electrochemical device and embodiment1This is a
[0042]
Next, the operation will be described.
When a DC voltage is applied to both electrodes in the air, the
2H2O → 4H++ O2+ 4e− ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (3)
The hydrogen ions obtain electrons on the cathode and are reduced to hydrogen, but react with oxygen in the air to become water.
4H++ O2+ 4e−→ 2H2O ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (4)
Eventually, the water on the anode side moves to the cathode side, and lowers the humidity of the space on the anode side.
[0043]
Here, when the air flows through the dehumidifier 8, 97% of the air flows through the
Further, when carbon monoxide is contained in the air, the carbon monoxide is oxidized and converted into carbon dioxide in preference to the reaction of the formula (3), so that there is also a carbon monoxide removing ability.
It was found that when air was sent into the
[0044]
Embodiment4.
Hereinafter, the embodiment4Will be described. FIG. 20 is a gas flow diagram of the
[0045]
Next, the operation will be described. When a power supply (not shown) is turned on, a
[0046]
Embodiment5.
Hereinafter, the embodiment5Will be described. FIG. 21 shows the aboveReference exampleElectrochemical devices shown in 1, 3 and 5 and embodiments2FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view of a
[0047]
Next, the operation will be described. When fuel containing humidified air and hydrogen was flowed from the end plates so as to flow through the
[0048]
Reference Example 7.
Less than,Reference Example 7Will be described. FIG.Reference exampleFIG. 2 is a conceptual cross-sectional view of a hydrogen
[0049]
Next, the operation will be described.
thisReference exampleWhen a pure gas flows through one of the electrodes and a test gas containing hydrogen is introduced into the other electrode, a potential E corresponding to Nernst equation (5) is generated between the two electrodes. By measuring the voltage, the hydrogen concentration in the gas to be inspected can be known.
E = RT / 2F × 1n (PH2/ PR) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (5)
Where R is the gas constant, F is the Faraday constant, T is the absolute temperature, PH2Is the partial pressure of hydrogen gas in the test gas, PRIndicates the pressure of pure hydrogen.
thisReference exampleWhen the fuel exhaust gas flows through the
E = ΔG / 2F + RT / 2F · 1n (0.458PH2) ‥‥‥‥ (6)
ΔG: Gibbs free energy change in water production
Thus, by measuring this voltage, the hydrogen concentration in the exhaust gas can be measured. At this time, since the gas to be measured is destroyed in principle, it can be returned to the hydrogen recovery device or the like as it is. BookReference exampleIn this example, the thickness of the film was set to 80 μm. However, as a result of an experiment, if the thickness was smaller than this, an accurate voltage was not generated due to gas permeation in some cases. Although the thickness may be larger than that, the cost can be reduced by using a thin film.
[0050]
Reference Example 8.
Less than,Reference Example 8Will be described. FIG.Reference exampleElectroless platinum plating is performed on the
[0051]
Next, the operation will be described.
In the
2H2O → 4H++ O2+ 4e−‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (7)
4H++ 4e−→ 2H2 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (8)
Here, when a DC voltage is applied between the
Further, the size of the
[0052]
Embodiment6.
Hereinafter, the embodiment6Will be described. FIG.Reference exampleTo a film with two irregularitiesReference example3. An electrochemical device having a catalyst supported by the method of 3 and hot-pressed at 150 ° C. with a titanium mesh and an embodiment2FIG. 3 is a cross-sectional view of a
[0053]
Next, the operation will be described.
In this hydrogen
H2→ 2H++ 2e− ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (9)
2H++ 2e−→ H2 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (10)
On the cathode side, hydrogen ions obtain electrons and are reduced to hydrogen gas. Since only hydrogen ions can move in the electrolyte membrane, pure hydrogen can be obtained on the cathode side.
[0054]
Here, when a hydrogen gas containing carbon dioxide as an impurity is introduced into the
At the outlet side of each of the
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the fuel cellOr dehumidifierofanodeA fluid control member using a polymer water-absorbing material is provided on the outlet side of each of the plurality of flow passages arranged in parallel on a fluid flow plate for supplying a fluid containing oxygen to the electrodes. Therefore, the flow rate of the fluid flowing out from the outlet side of each flow path portion can be controlled easily and at low cost, and the operation cost can be reduced.
According to the present invention, a fuel cellOr hydrogen purification equipmentA fluid control member using a hydrogen storage alloy is provided on the outlet side of each of the plurality of flow passages arranged in parallel provided on a fluid flow plate for supplying a fluid containing hydrogen to the anode electrode. With such a configuration, the flow rate of the fluid flowing out from the outlet side of each flow path can be controlled easily and at low cost, and there is an effect that the operating cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present invention.Reference example1 is a sectional view showing an electrochemical device according to Example 1.
FIG. 2 of the present invention.Reference exampleFIG. 2 is a plan view showing the method for manufacturing an electrochemical device according to No. 1;
FIG. 3 is a view showing a relationship between a liquid composition and swelling of a film.
FIG. 4 is a view showing an X-ray diffraction pattern of dried Nafion 115.
FIG. 5 is a view showing an X-ray diffraction pattern of swollen Nafion 115.
FIG. 6 is a diagram showing resistance when a film is swollen.
FIG. 7 of the present invention.Reference Example 2FIG. 7 is a diagram showing the results of a needle penetration test of a membrane by the method shown in FIG.
FIG. 8 of the present invention.Reference exampleFIG. 4 is a diagram showing a method of manufacturing an electrochemical device according to No. 2;
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a surface pressure and a thickness change amount.
FIG. 10 of the present invention.Reference exampleFIG. 2 is a micrograph of the film surface of the electrochemical device according to FIG.
FIG. 11 of the present invention.Reference example3 is a sectional view showing an electrochemical device according to FIG.
FIG. 12 of the present invention.Reference exampleFIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing an electrochemical device according to Example 4.
FIG. 13 of the present invention.Reference example5 is a cross-sectional view showing an electrochemical device according to FIG.
FIG. 14 of the present invention.Reference example5 is a plan view showing an electrochemical device according to FIG.
FIG. 15 of the present invention.Reference example6 is a sectional view showing a flow path according to the sixth embodiment.
FIG. 16 of the present invention.Reference example6 otherReference exampleFIG. 3 is a cross-sectional view in the flow channel direction showing the flow channel of FIG.
FIG. 17 is an embodiment of the present invention.1It is a top view which shows the fluid flow path plate by.
FIG. 18 is an embodiment of the present invention.1FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of a fluid flow path plate according to the first embodiment.
FIG. 19 is an embodiment of the present invention.3It is a sectional view showing a dehumidifying device according to the present invention.
FIG. 20 is an embodiment of the present invention;4It is a flowchart which shows the structure of the air purifier based on FIG.
FIG. 21 is an embodiment of the present invention;51 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 22 of the present invention.Reference Example 7FIG. 2 is a sectional view showing a hydrogen gas concentration sensor according to the first embodiment.
FIG. 23 of the present invention.Reference Example 81 is a cross-sectional view showing an electrolytic cell according to the present invention.
FIG. 24 is an embodiment of the present invention;61 is a cross-sectional view showing a gas purification device according to the present invention.
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional fuel cell.
FIG. 26 is a plan view showing a configuration of a fluid flow plate of a conventional fuel cell.
Claims (2)
前記流体流路は、前記流体を分岐して流す並列に並んだ複数の流路部を有し、
各流路部の出口側に、各流路部を流れる流体中に含まれる水分を吸収して膨潤する高分子吸水材を用いた流体制御部材を設けた
ことを特徴とする流体流動板。Fluid flow path for supplying a fluid containing moisture to the anode electrode of a fuel cell or fluid for supplying a fluid containing moisture to the anode electrode of a dehumidifier that applies a DC voltage to perform dehumidification by an electrochemical reaction A fluid flow plate having a flow path ,
The fluid flow path has a plurality of flow path portions arranged in parallel to branch and flow the fluid,
A fluid flow plate, wherein a fluid control member using a polymer water-absorbing material that absorbs and swells water contained in a fluid flowing through each flow path is provided on an outlet side of each flow path.
前記流体流路は、前記流体を分岐して流す並列に並んだ複数の流路部を有し、
各流路部の出口側に、各流路部を流れる流体中に含まれる水素が所定の濃度以上の場合に該水素を吸収して膨潤し所定の濃度未満の場合に該水素を放出して収縮する水素吸蔵合金を用いた流体制御部材を設けた
ことを特徴とする流体流動板。To supply a fluid containing hydrogen to the anode electrode of a hydrogen purifier that purifies hydrogen by an electrochemical reaction by applying a DC voltage or a fluid flow path for supplying a fluid containing hydrogen to the anode electrode of a fuel cell A fluid flow plate having a fluid flow path of
The fluid flow path has a plurality of flow path portions arranged in parallel to branch and flow the fluid,
At the outlet side of each flow path, the hydrogen contained in the fluid flowing through each flow path absorbs the hydrogen when the concentration is equal to or higher than a predetermined concentration, swells and releases the hydrogen when the concentration is lower than the predetermined concentration. A fluid flow plate provided with a fluid control member using a contracting hydrogen storage alloy.
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