JP3663629B2 - 電気化学的水素流量制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的水素流量制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスを電極活性物質とする燃料電池が、既に社会に提供されている。燃料電池は、環境負荷が少ないエネルギーとして、その今後の発達が注目されており、水素ガスを如何に制御するかが、燃料電池の普及の技術面より見た一つの焦点となっている。
【０００３】
将来は社会に水素ガスが広範囲に普及し、例えば、各家庭に水素ガスが直接配達され、容易に直接の入手が可能となることが予想される。現在のところ、水素ガスの流量制御には、浮式流量計が多用されているが、この方式は誤差が大きいので、より正確な水素流量制御装置が重要となってくる。
【０００４】
一方、水素ガスの流量を電気的に制御する方法としては、従来から、浮式流量制御装置の誤差を電気的に読み取り、微調整をしながら水素ガスの流量を制御する方法が採用されている。しかしながら、この方法では、装置は大型化してしまうので、個人が容易に水素ガスを制御することができるパーソナルユースという観点からは、従来の水素流量制御装置は適当ではない。
【０００５】
これを改善する技術として、プロトン伝導体を利用して水素ガスをプロトンに転化させることによって、水素量を電気量として制御する方法が提案されており、これによれば、より正確に水素ガスの流量を制御することができる。
【０００６】
従来のプロトン導電体としては、室温付近で運転が可能であるポリテトラフルオロエチレンなどを基材とする陽プロトン交換膜、例えば固体高分子プロトン導電性膜（例えばデュポン社製のナフィオン）等が知られている。
【０００７】
図６は、プロトン伝導体として固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の水素ガス制御装置の断面を拡大して示す図で、同図において、５１は約０．２ｍｍの厚みを有する固体高分子プロトン導電性膜としての、例えばナフィオン、５２は白金等の触媒を担持した陽極のガス拡散性電極、５３は陽極５２と同様の触媒を担持した陰極のガス拡散性電極、５４は陽極５２側のガス流路、５５は陰極５３側のガス流路、５６は陽極５２側の金属集電体、５７は陰極５３側の金属集電体である。
【０００８】
以下、この装置の動作原理について説明する。水素ガスがガス拡散性電極５２側のガス流路５４に供給されると、この水素ガスは、ガス拡散性電極５２上で電子を失い、下記式（１）に従ってＨ3Ｏ+イオンを生成する。
Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ→２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+…式（１）
【０００９】
次いで、上記発生したＨ3Ｏ+イオンは、固体高分子プロトン導電性膜５１中の水を伴って、電圧を駆動力として、他方のガス拡散性電極５３まで進み、このガス拡散性電極５３上で電子を受け取り、下記式（２）に従って再び水素ガスに転化される。
２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+→Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ…式（２）
【００１０】
なお、ガス拡散性電極５３上で生成した水素ガスは、固体高分子プロトン導電性膜５１を通ることができず、電圧によるイオンの移動力は大きい。また、金属集電体５６及び５７が各ガス拡散性電極５２及び５３に電圧を印加すると共に、ガス拡散性電極５２、５３及び固体高分子プロトン導電性膜５１を機械的に補強する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したような、従来の電気化学的な水素ガス流量制御装置で使用されている固体高分子プロトン導電性膜５１、例えばナフィオンは、充分なプロトン導電性が得られる動作温度が８０〜１００℃であるため、動作温度に起因するような不都合は生じない。
【００１２】
しかしながら、プロトン導電性を維持するためには、プロトン導電性膜５１に十分な水分が必要であり、また上述したように、Ｈ3Ｏ+イオンが膜中を移動する際に、水分も一緒に移動するため、陽極５２にも水分を補給する必要があった。このために、従来の水素ガス流量制御装置は大規模な加湿装置などを設置する必要があり、装置の大型化は避けられない。
【００１３】
また、装置自体に大量の水を含ませる必要があると共に、上記式（２）に示したように、陰極５３側で水素ガスが発生すると同時に、水も発生してしまい、陰極５３側で発生する水素ガスはかなり多くの水分を含有しているので、水素ガス発生量の制御が困難である。
【００１４】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、室温、無加湿雰囲気下で動作することができ、軽量かつコンパクト化が可能である電気化学的水素流量制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、プロトン（Ｈ+）を生成する第１極と、前記第１極で発生した前記プロトンを水素ガスに転化する第２極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導性固体電解質膜とからなる電気化学セルと；前記第２極側に所定量の水素ガスを発生させる水素流量制御部と；を有し、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなる、電気化学的水素流量制御装置に係わるものである。
【００１６】
ここで、前記「プロトン解離性の基」とは、プロトンが電離により離脱し得る官能基を意味し、また「プロトンの解離」とは、電離によりプロトンが官能基から離れることを意味する。
【００１７】
本発明によれば、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなり、かつ前記水素流量制御部を有するので、装置を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００１８】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の寿命の向上を図ることができる。
【００１９】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、前記第２極側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、前記水素流量制御部によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置は、前記第１極の前記プロトン伝導性固体電解質膜が配されていない面側に水素ガスが供給され、前記水素流量制御部より前記第１極及び前記第２極に所定の電流が与えられ、前記水素ガスが、前記第１極にて前記電流量に対応した量の前記プロトンに電気分解され、この発生した前記プロトンを前記プロトン伝導性固体電解質膜を通して前記第２極へ移動させ、前記第２極で前記プロトンを再び水素ガスに転化することにより、前記第２極側にて一定量の水素ガスを得ることが望ましい。
【００２１】
即ち、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置は、前記プロトン伝導性固体電解質膜に電圧を印加すると、前記第１極で発生した前記プロトンは前記プロトン伝導性固体電解質膜内で電圧の印加方向と逆向きに移動し、移動した前記プロトンは前記第２極側の前記プロトン伝導性固体電解質膜の表面で水素ガスに再び転化される。
【００２２】
このようにして生じる水素ガス量は、前記プロトン伝導性固体電解質膜における下記式（３）で表される通電量によって決まるため、前記水素流量制御部を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００２３】
Ｅ＝Ｅ0＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ…式（３）
（但し、上記式（３）において、Ｅ0は水素ガスのイオン化電位、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、Ｐ１は前記第１極側の水素ガス圧力、Ｐ２は前記第２極側の水素ガス圧力、ｉは電流、ｒは電気抵抗である。）
【００２４】
ここで前記両極にかかる電圧について内訳を見ると、右辺第１項のイオン化電位Ｅ0はほぼ０Ｖに等しく、第２項はいわゆるネルンスト加電圧であり、この加電圧は前記両極のガス圧力で決まるが、両極のガス圧力が１気圧の時、０Ｖである。そして、第３項の抵抗は膜抵抗が主なものであり、全電圧の大半を占めている。
【００２５】
例えば、この時の水素流量（Ｓ（ｍｌ／ｍｉｎ））は、下記式（４）のように示される。
【００２６】
Ｓ＝（ｉ／１９３０００）×２２４００×６０…式（４）
（但し、上記式（４）において、
１Ａ・ｓ＝１Ｃ、
２Ｆ＝１９３０００Ｃ／ｍｏｌ、
Ｈ2（１モル）＝２２４００ｍｌ、
である。）
【００２７】
図１は、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置の概略断面図である。
【００２８】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１は、電気化学セル２と、水素流量制御部３と、ガス流路４及び５とから構成されている。
【００２９】
電気化学セル２は、白金等の触媒を担持した前記第１極としての陽極のガス拡散性電極６と、白金等の触媒を担持した前記第２極としての陰極のガス拡散性電極７と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導性固体電解質膜８と、陽極６側の金属集電体９と、陰極７側の金属集電体１０とから構成されている。即ち、陽極６と、陰極７との間に膜状のプロトン伝導性固体電解質膜８が挟持されている、メンブレン（薄膜）と電極の多層膜（ＭＥＡ膜：Membrane & electroassembly）である。
【００３０】
前記多層膜の作製方法としては、例えば、前記フラーレン誘導体を原料としたプロトン伝導性固体電解質膜８、同材料を多孔性の膜に含浸させてなるプロトン伝導性固体電解質膜８、又は同材料をバインダーと共に混合してなるプロトン伝導性固体電解質膜８の両面に、前記触媒を担持させたガス拡散性電極６及び７を重ねてプレスすることにより、プロトン伝導性の固体電解質膜８とガス拡散電極６、７とからなる前記多層膜（ＭＥＡ膜）を作製することができる。なお、ＭＥＡ膜の面積は、例えば１２ｃｍ2である。
【００３１】
プロトン伝導性固体電解質膜８は、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、例えば約０．０３ｍｍの厚みを有している。また、その両面に触媒層が設けられていることが好ましく、前記触媒層を設けることによって、水素の電気化学的な分解の効率をより良好にし、一層プロトン発生効率の向上を図ることが可能である。
【００３２】
ガス拡散性電極６、７は、耐熱性を有し、できるだけ表面積の大きいこと、また表面に担持された前記触媒を介してプロトン伝導性固体電解質膜８と電極６、７が全面にわたって密着可能であること、プロトン伝導性固体電解質膜８に密着できるように、ある程度の柔軟性を有すること、更に活性化電極であることが好ましい。
【００３３】
従って、陽極６及び陰極７は、多孔性又はメッシュ状であることが好ましく、例えばカーボンファイバーや多孔質カーボンを材料として、これらをシート状にし、プロトン伝導性固体電解質膜８と密着する側に、活性な触媒を担持させることによって、作製することができる。また、このようなシート状電極材には、心材として金属線を編んで作った網状のものを入れたり、貼り付けることも可能である。金属心材を入れたり、貼り付けることにより、電極自体の導電性が向上し、全面にわたり均一な電流分布が期待できる。
【００３４】
前記触媒は、例えば白金や酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の微粒子であることが望ましく、また銀など他の電極物質でも本目的の反応が進行するものであってもよい。
【００３５】
ガス拡散性電極６、７への前記触媒の担持は通常の方法でよく、例えば、炭素粉末の表面に前記触媒物質又はその前駆体を担持し、それに加熱などの処理を加えて、触媒粒子を形成し、それを電極面にフッ素樹脂と共に焼き付ける方法でもよく、また前記触媒物質を担持していない電極体を予め作製し、その後に前記触媒物質の前駆体、例えば塩化白金酸と塩化ルテニウム酸の混合水溶液、又はブチルアルコール溶液を塗布液として、これを電極面に塗布した後、水素を含有する還元雰囲気中で、２００から３５０℃で焼成することにより、白金とルテニウムの合金を電極表面に形成できる。
【００３６】
また、電気化学セル２は、プロトン伝導性固体電解質膜８と、ガス拡散性電極６、７とが交互に積層されて一体構造に形成されていてもよく、この場合は、より高い水素発生率を容易に得られるという効果がある。
【００３７】
水素流量制御部３は、陽極６及び陰極７に所定の電流を供給し、陽極６にて前記電流量に対応した量の前記プロトンを発生させることにより、陰極７側で発生させる水素ガスの発生量の制御を行う。なお、水素流量制御部３は、電極６、７に流れる電流を制御するものであるので、電流値が任意に変化可能な、可変定電流源であればどのような制御方式であってもよい。
【００３８】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１は、プロトン伝導性固体電解質膜８に電圧を印加すると、陽極６側のガス流路４に供給された水素ガスが、陽極６上でプロトンに分離され、このプロトンはプロトン伝導性固体電解質膜８内で電圧の印加方向と逆向きに移動し、移動したプロトンは陰極７側のプロトン伝導性固体電解質膜８の表面で水素ガスに再び転化され、陰極７側のガス流路５へと流れる。陰極７側のガス流路５には、所定量の窒素ガス又は水素ガスが供給されており、陰極７側で発生した水素ガスは前記窒素ガス又は水素ガスと共に、吸引ポンプ１１によって陰極７側のガス流路５に設けられたガスクロマトグラフィー１２へと流れ、このガスクロマトグラフィー１２を用いて定量分析される。
【００３９】
このようにして生じる水素ガス量は、プロトン伝導性固体電解質膜８における上記式（３）で表される通電量によって決まるため、水素流量制御部３を用いてプロトン伝導性固体電解質膜８における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００４０】
以下に、水素ガスの発生メカニズムについて説明する。
【００４１】
陽極６側の水素ガス流路４に供給された水素ガスは、ガス拡散性電極６上で電子を失い、下記式（５）に従ってプロトンを生成する。
Ｈ2→２ｅ-＋２Ｈ+…式（５）
【００４２】
陽極６にて生成したプロトンは、電圧を駆動力として、プロトン伝導性固体電解質膜８を通過してガス拡散性電極７まで進み、ガス拡散性電極７上で電子を受け取ることで、下記式（６）に従って再び水素ガスに転化される。
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2…式（６）
【００４３】
この反応における望ましい温度域は−５０℃から３００℃であり、更に望ましくは−４０℃から１６０℃である。
【００４４】
ガス拡散性電極７上で生成した水素ガスは、プロトン伝導性固体電解質膜８を通ることができず、電圧によるイオンの移動力は大きい。
【００４５】
また、金属集電体９、１０が各ガス拡散性電極６、７に電圧を印加すると共に、ガス拡散性電極６、７及びプロトン伝導性固体電解質膜８を機械的に補強する役目を持つ。この金属集電体９及び１０の材質は特に限定されないが、耐熱性、耐食性を有する金属からなることが望ましく、例えば、チタンメッシュ表面に酸化ルテニウムなどの導電性の安定な導電性酸化物を被覆したものなどが好ましく用いられる。
【００４６】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１によれば、プロトン伝導性固体電解質膜８が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、かつ水素流量制御部３を有するので、装置１を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置１の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００４７】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置１を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８の寿命の向上を図ることができる。
【００４８】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、陰極７側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、水素流量制御部３によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００４９】
また、本発明に基づく装置１によれば、無加湿雰囲気下で動作する前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８を使用するので、電気化学セル２の陽極６側のガス流路４に空気を送り込み、水の電解電圧１．２３Ｖ以上の電圧を印加することによって、空気中に含まれる水蒸気成分を分解し、水素ガスを製造し、水素流量制御することもできる。この場合において、陽極６及び陰極７では下記式（７）及び（８）に示される反応が起こる。
【００５０】
陽極反応：Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-（１．２３Ｖ）…式（７）
陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2（０．０Ｖ）…式（８）
（トータル：Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2）
【００５１】
なお、理論分解電圧は１．２３Ｖであるが、実際にはこれに電極過電圧、電気抵抗などが加わって、電解電圧は１．５Ｖから２Ｖ程度になる。この方法によれば、水の電気化学分解による水素製造流量制御機能を有する軽量かつコンパクトな電気化学的水素流量制御装置を実現することができる。
【００５２】
ここで、水素流量制御部３は着脱可能な構造であってもよく、水素流量制御部３をはずした状態では、本発明に基づく装置１は例えば燃料電池としても使用可能となり得る。この場合は、陰極７側のガス流路５の窒素ガス又は水素ガスに代えて、酸素ガスを供給すればよい。
【００５３】
前記プロトン解離性の基の導入対象となる母体としての前記フラーレン分子は、球殻状クラスター分子Ｃｍ（ｍはＣｍが球殻状構造を形成し得る自然数。）であれば特に限定しないが、通常はＣ36、Ｃ60、Ｃ70、Ｃ76、Ｃ78、Ｃ80、Ｃ82、Ｃ84、Ｃ86、Ｃ88、Ｃ90、Ｃ92、Ｃ94、Ｃ96などから選ばれるフラーレン分子の単体、若しくはこれらの２種類以上の混合物が好ましく用いられる。
【００５４】
これらのフラーレン分子は、１９８５年に炭素のレーザーアブレーションによるクラスタービームの質量分析スペクトル中に発見された（Kroto, H.W.; Heath, J.R.; O'Brien, S.C.; Curl, R.F.; Smalley, R.E. Nature 1985. 318,162.）。実際にその製造方法が確立されるのは更に５年後のことで、１９９０年に炭素電極のアーク放電法による製造法が見出され、それ以来、フラーレンは炭素系半導体材料等として注目されてきた。
【００５５】
図２に示す如く、フラーレン分子に複数の水酸基を付加した構造を持つフラレノール（Fullerenol）は、１９９２年にChiangらによって最初に合成例が報告された（Chiang, L.Y.; Swirczewski, J.W.; Hsu, C.S.; Chowdhury, S.K.; Cameron, S.; Creegan, K., J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791）。
【００５６】
そうしたフラレノールを図３（Ａ）に概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に相互作用が生じるようにすれば、この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのＨ+の解離性）を発揮することができる。
【００５７】
本実施の形態によれば、上記フラレノール以外に例えば複数の−ＯＳＯ3Ｈ基をもつフラーレンの凝集体を前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いることもできる。ＯＨ基がＯＳＯ3Ｈ基と置き換わった図３（Ｂ）に示すようなポリ水酸化フラーレン、即ち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらによって１９９４年に報告されている（Chiang, L.Y.; Wang, L.Y.; Swirczewski, J.W.; Soled, S.; Cameron, S., J. Org. Chem. 1994, 59, 3960）。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、ひとつの分子内にＯＳＯ3Ｈ基のみを含むものもあるし、或いはこの基と水酸基をそれぞれ複数、持たせることも可能である。
【００５８】
上述したフラレノール及び硫酸水素エステル化フラレノールを多数凝集させた時、どれがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ3Ｈ基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、乾燥雰囲気下においても、継続的に使用することができる。
【００５９】
また、これらの分子の基体となっているフラーレンは特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いＯＳＯ3Ｈ基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられ、優れたプロトン伝導性を示す。また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基及びＯＳＯ3Ｈ基等を導入することができるため、伝導に関与するプロトンの、伝導体の単位体積あたりの数密度が非常に多くなるので、実質的な伝導率を発現する。
【００６０】
上記フラレノール及び硫酸水素エステル化フラレノールは、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみて、フラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【００６１】
さらに、上記プロトン解離性の基は、前述した水酸基やＯＳＯ3Ｈ基に限定する必要はない。
【００６２】
即ち、この解離性の基は式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であればよい。更には、この基は式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表され、Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であればよい。
【００６３】
具体的には、上記プロトン解離性の基としては、上記−ＯＨ、−ＯＳＯ3Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−ＳＯ3Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）2、−Ｃ6Ｈ4−ＳＯ3Ｈのいずれかが好ましい。
【００６４】
本発明に使用可能な上記フラレノール等を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、例えば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望の基を導入することができる。
【００６５】
そして、得られる上記フラーレン誘導体を塗布や蒸着法により膜状に形成して、前記電気化学セルの前記プロトン伝導性固体電解質膜に利用することができる。
【００６６】
前記プロトン伝導性固体電解質膜が実質的にフラーレン誘導体のみからなるか、或いは結合剤によって結着されていてもよい。
【００６７】
前記プロトン伝導性固体電解質膜が、実質的にフラーレン誘導体のみからなる場合、上記フラーレン誘導体を加圧成形してなる膜状の前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いることができる。結合剤によって結着されている上記フラーレン誘導体を、前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いる場合、上記結合剤によって強度の十分な前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成できる。
【００６８】
上記結合剤として使用可能な高分子材料としては、公知の成膜性を有するポリマーの１種又は２種以上が用いられる。このような構成のプロトン伝導性固体電解質膜も、上記フラーレン誘導体のみからなるプロトン伝導性固体電解質膜と同様のプロトン伝導性を発揮することができる。
【００６９】
しかも、フラーレン誘導体単独の場合と違って、高分子材料に由来する成膜性が付与されており、フラーレン誘導体の粉末圧縮成形品に比べ、強度が大きく、かつガス透過防止能を有する柔軟な前記プロトン伝導性薄膜（厚みは通常３００μｍ以下）として用いることができる。
【００７０】
なお、前記高分子材料としては、プロトンの伝導性をできるだけ阻害（フラーレン誘導体との反応による）せず、成膜性を有するものなら、特に限定はしない。通常は、電子伝導性を持たず、良好な安定性を有するものが用いられ、その具体例を挙げると、ポリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等があり、これらは次に述べる理由からも、好ましい高分子材料である。
【００７１】
まず、ポリテトラフルオロエチレンが好ましいのは、他の高分子材料に比べ、少量の配合量で強度のより大きな薄膜を容易に成膜できるからである。この場合の配合量は、３重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％と少量ですみ、薄膜の厚みは通常、１００μｍから１μｍまでと薄くできる。
【００７２】
また、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールが好ましいのは、より優れたガス透過防止能を有するプロトン伝導性薄膜が得られるからである。この場合の配合量は５〜１５重量％の範囲とするのがよい。
【００７３】
ポリフルオロエチレンにせよ、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールにせよ、それらの配合量が上述したそれぞれの範囲の下限値を下回ると、成膜に悪影響を及ぼすことがある。
【００７４】
本実施の形態の各フラーレン誘導体が結合剤によって結着されてなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の薄膜を得るには、加圧成形や押出し成形をはじめ、公知の成膜法を用いればよい。
【００７５】
なお、本発明に基づく装置は、取り扱い、小型化の点からは、前記ガス透過性電極と前記プロトン伝導性固体電解質膜としてのフラーレン誘導体とが、物理的に十分な強度を有する、フレキシブルなシート状であることが好ましい。
【００７６】
前記電気化学セルは、大気中で良好に機能することができるため、動作時の温度、湿度等の調整を行わなくても、効率的に水素ガスを製造し、流量制御することができる。
【００７７】
また、フラレノール等のフラーレン分子を構成する炭素原子に前記プロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体を前記プロトン伝導性固体電解質膜の構成材料として使用するので、Ｈ3Ｏ+イオン伝導体であるナフィオンを用いた場合と違い、加湿装置等を設置する必要はなく、乾燥状態において好適に機能し、前記プロトン伝導性固体電解質膜の長寿命化を図ることができる。
【００７８】
Ｈ3Ｏ+イオン伝導体であるナフィオンを用いた場合、水素ガスの製造と共に、水も発生してしまうため、除湿装置を必要とするのに対して、本実施の形態は、発生する水素ガスが水分を含まないので、除湿装置等がなくても、水素ガスの製造を可能とし、正確な水素ガスの流量制御を行うことができる。
【００７９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
【００８０】
実施例１
まず、前記フラーレン誘導体を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成し、図１に示すような電気化学的水素流量制御装置１を作製した。
【００８１】
そして、室温及び乾燥雰囲気下で、陰極７側のガス流路５に窒素ガスを流し、ガス流路５の内部を窒素ガスで置換した。次いで、陽極６側のガス流路４を介して、陽極６の電極表面に水素ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給しながら両電極間に０〜１Ａの電流を流した。供給された水素ガスは陽極６側でプロトンに分離され、このプロトンはフラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８内を通過し、陰極７上で再び水素ガスに転化され、陰極７側のガス流路５の窒素ガス中に排出された。このときの陰極７側のガス流路５における窒素ガス中の水素分圧変化をガスクロマトグラフィー１２を用いて測定した。結果を図４に示す。
【００８２】
図４より明らかなように、０〜１Ａの電流を流した時、水素分圧の上昇速度は電流に比例している。また、プロトン伝導性固体電解質膜８を通過したプロトン量の理論値は、プロトン伝導性固体電解質膜８を流れた電流量をもとに、プロトン伝導性固体電解質膜８を流れる電流が全てプロトンの移動によるものとして算出できる。従って、製造された水素ガスの理論モル量ｍはファラデーの法則から電流Ｉと時間ｔの積分で表され、下記式（９）のように示される。
【００８３】
【数１】
（但し、上記式（９）において、ｍは水素ガスの理論モル量、Ｉは電流、ｔは時間、Ｆはファラデー定数である。）
【００８４】
上記式（９）に従って得られた透過水素量の実測値と理論値とを比較した結果、フラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８はいずれも、１００％に近い電流効率を有することが示された。即ち、フラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８を透過したプロトン量の実測値と、電流値から算出した透過プロトン量の理論値とはほぼ一致した。
【００８５】
実施例２
まず、前記フラーレン誘導体を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成し、図１に示すような電気化学的水素流量制御装置１を作製した。
【００８６】
そして、室温及び乾燥雰囲気下で、陰極７及び陽極６側のガス流路４及び５に窒素ガスを流し、ガス流路４及び５の内部を窒素ガスで置換した。次いで、陽極６側のガス流路４を介して、陽極６の電極表面に水素ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給し、０．２Ａの電流を供給した。このときの陰極７側の水素ガス、窒素ガス、水の濃度変化を測定した。なお、この時の印加電圧は変化していない。結果を図５に示す。
【００８７】
図５より明らかなように、陰極７側で発生した水素ガスに対する水分の量は、２４時間で１％以下であった。
【００８８】
以上より明らかなように、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１によれば、陰極７側で生じる水素ガス量は、プロトン伝導性固体電解質膜８における上記式（３）で表される通電量によって決まるため、水素流量制御部３を用いてプロトン伝導性固体電解質膜８における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００８９】
また、プロトン伝導性固体電解質膜８が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、かつ水素流量制御部３を有するので、装置１を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置１の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００９０】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置１を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８の寿命の向上を図ることができる。
【００９１】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、陰極７側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、水素流量制御部３によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなり、かつ前記水素流量制御部を有するので、装置を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００９３】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の寿命の向上を図ることができる。
【００９４】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、前記第２極側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、前記水素流量制御部によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による電気化学的水素流量制御装置の概略断面図である。
【図２】本実施の形態に使用可能なフラーレン誘導体の一例であるポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図３】同、フラーレン誘導体の例を示す模式図である。
【図４】本実施例による電流と水素分圧の関係を示すグラフである。
【図５】同、時間による水素ガス、窒素ガス及び水の濃度変化を示すグラフである。
【図６】従来例による水素流量制御装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…電気化学的水素流量制御装置、２…電気化学セル、３…水素流量制御部、
４、５…ガス流路、６…（陽極）ガス拡散性電極、
７…（陰極）ガス拡散性電極、８…プロトン伝導性固体電解質膜、
９、１０…金属集電体、１１…吸引ポンプ、１２…ガスクロマトグラフィー
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学的水素流量制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスを電極活性物質とする燃料電池が、既に社会に提供されている。燃料電池は、環境負荷が少ないエネルギーとして、その今後の発達が注目されており、水素ガスを如何に制御するかが、燃料電池の普及の技術面より見た一つの焦点となっている。
【０００３】
将来は社会に水素ガスが広範囲に普及し、例えば、各家庭に水素ガスが直接配達され、容易に直接の入手が可能となることが予想される。現在のところ、水素ガスの流量制御には、浮式流量計が多用されているが、この方式は誤差が大きいので、より正確な水素流量制御装置が重要となってくる。
【０００４】
一方、水素ガスの流量を電気的に制御する方法としては、従来から、浮式流量制御装置の誤差を電気的に読み取り、微調整をしながら水素ガスの流量を制御する方法が採用されている。しかしながら、この方法では、装置は大型化してしまうので、個人が容易に水素ガスを制御することができるパーソナルユースという観点からは、従来の水素流量制御装置は適当ではない。
【０００５】
これを改善する技術として、プロトン伝導体を利用して水素ガスをプロトンに転化させることによって、水素量を電気量として制御する方法が提案されており、これによれば、より正確に水素ガスの流量を制御することができる。
【０００６】
従来のプロトン導電体としては、室温付近で運転が可能であるポリテトラフルオロエチレンなどを基材とする陽プロトン交換膜、例えば固体高分子プロトン導電性膜（例えばデュポン社製のナフィオン）等が知られている。
【０００７】
図６は、プロトン伝導体として固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の水素ガス制御装置の断面を拡大して示す図で、同図において、５１は約０．２ｍｍの厚みを有する固体高分子プロトン導電性膜としての、例えばナフィオン、５２は白金等の触媒を担持した陽極のガス拡散性電極、５３は陽極５２と同様の触媒を担持した陰極のガス拡散性電極、５４は陽極５２側のガス流路、５５は陰極５３側のガス流路、５６は陽極５２側の金属集電体、５７は陰極５３側の金属集電体である。
【０００８】
以下、この装置の動作原理について説明する。水素ガスがガス拡散性電極５２側のガス流路５４に供給されると、この水素ガスは、ガス拡散性電極５２上で電子を失い、下記式（１）に従ってＨ3Ｏ+イオンを生成する。
Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ→２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+…式（１）
【０００９】
次いで、上記発生したＨ3Ｏ+イオンは、固体高分子プロトン導電性膜５１中の水を伴って、電圧を駆動力として、他方のガス拡散性電極５３まで進み、このガス拡散性電極５３上で電子を受け取り、下記式（２）に従って再び水素ガスに転化される。
２ｅ-＋２Ｈ3Ｏ+→Ｈ2＋２Ｈ2Ｏ…式（２）
【００１０】
なお、ガス拡散性電極５３上で生成した水素ガスは、固体高分子プロトン導電性膜５１を通ることができず、電圧によるイオンの移動力は大きい。また、金属集電体５６及び５７が各ガス拡散性電極５２及び５３に電圧を印加すると共に、ガス拡散性電極５２、５３及び固体高分子プロトン導電性膜５１を機械的に補強する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示したような、従来の電気化学的な水素ガス流量制御装置で使用されている固体高分子プロトン導電性膜５１、例えばナフィオンは、充分なプロトン導電性が得られる動作温度が８０〜１００℃であるため、動作温度に起因するような不都合は生じない。
【００１２】
しかしながら、プロトン導電性を維持するためには、プロトン導電性膜５１に十分な水分が必要であり、また上述したように、Ｈ3Ｏ+イオンが膜中を移動する際に、水分も一緒に移動するため、陽極５２にも水分を補給する必要があった。このために、従来の水素ガス流量制御装置は大規模な加湿装置などを設置する必要があり、装置の大型化は避けられない。
【００１３】
また、装置自体に大量の水を含ませる必要があると共に、上記式（２）に示したように、陰極５３側で水素ガスが発生すると同時に、水も発生してしまい、陰極５３側で発生する水素ガスはかなり多くの水分を含有しているので、水素ガス発生量の制御が困難である。
【００１４】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、室温、無加湿雰囲気下で動作することができ、軽量かつコンパクト化が可能である電気化学的水素流量制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、プロトン（Ｈ+）を生成する第１極と、前記第１極で発生した前記プロトンを水素ガスに転化する第２極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導性固体電解質膜とからなる電気化学セルと；前記第２極側に所定量の水素ガスを発生させる水素流量制御部と；を有し、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなる、電気化学的水素流量制御装置に係わるものである。
【００１６】
ここで、前記「プロトン解離性の基」とは、プロトンが電離により離脱し得る官能基を意味し、また「プロトンの解離」とは、電離によりプロトンが官能基から離れることを意味する。
【００１７】
本発明によれば、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなり、かつ前記水素流量制御部を有するので、装置を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００１８】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の寿命の向上を図ることができる。
【００１９】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、前記第２極側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、前記水素流量制御部によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置は、前記第１極の前記プロトン伝導性固体電解質膜が配されていない面側に水素ガスが供給され、前記水素流量制御部より前記第１極及び前記第２極に所定の電流が与えられ、前記水素ガスが、前記第１極にて前記電流量に対応した量の前記プロトンに電気分解され、この発生した前記プロトンを前記プロトン伝導性固体電解質膜を通して前記第２極へ移動させ、前記第２極で前記プロトンを再び水素ガスに転化することにより、前記第２極側にて一定量の水素ガスを得ることが望ましい。
【００２１】
即ち、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置は、前記プロトン伝導性固体電解質膜に電圧を印加すると、前記第１極で発生した前記プロトンは前記プロトン伝導性固体電解質膜内で電圧の印加方向と逆向きに移動し、移動した前記プロトンは前記第２極側の前記プロトン伝導性固体電解質膜の表面で水素ガスに再び転化される。
【００２２】
このようにして生じる水素ガス量は、前記プロトン伝導性固体電解質膜における下記式（３）で表される通電量によって決まるため、前記水素流量制御部を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００２３】
Ｅ＝Ｅ0＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ…式（３）
（但し、上記式（３）において、Ｅ0は水素ガスのイオン化電位、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、Ｐ１は前記第１極側の水素ガス圧力、Ｐ２は前記第２極側の水素ガス圧力、ｉは電流、ｒは電気抵抗である。）
【００２４】
ここで前記両極にかかる電圧について内訳を見ると、右辺第１項のイオン化電位Ｅ0はほぼ０Ｖに等しく、第２項はいわゆるネルンスト加電圧であり、この加電圧は前記両極のガス圧力で決まるが、両極のガス圧力が１気圧の時、０Ｖである。そして、第３項の抵抗は膜抵抗が主なものであり、全電圧の大半を占めている。
【００２５】
例えば、この時の水素流量（Ｓ（ｍｌ／ｍｉｎ））は、下記式（４）のように示される。
【００２６】
Ｓ＝（ｉ／１９３０００）×２２４００×６０…式（４）
（但し、上記式（４）において、
１Ａ・ｓ＝１Ｃ、
２Ｆ＝１９３０００Ｃ／ｍｏｌ、
Ｈ2（１モル）＝２２４００ｍｌ、
である。）
【００２７】
図１は、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置の概略断面図である。
【００２８】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１は、電気化学セル２と、水素流量制御部３と、ガス流路４及び５とから構成されている。
【００２９】
電気化学セル２は、白金等の触媒を担持した前記第１極としての陽極のガス拡散性電極６と、白金等の触媒を担持した前記第２極としての陰極のガス拡散性電極７と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導性固体電解質膜８と、陽極６側の金属集電体９と、陰極７側の金属集電体１０とから構成されている。即ち、陽極６と、陰極７との間に膜状のプロトン伝導性固体電解質膜８が挟持されている、メンブレン（薄膜）と電極の多層膜（ＭＥＡ膜：Membrane & electroassembly）である。
【００３０】
前記多層膜の作製方法としては、例えば、前記フラーレン誘導体を原料としたプロトン伝導性固体電解質膜８、同材料を多孔性の膜に含浸させてなるプロトン伝導性固体電解質膜８、又は同材料をバインダーと共に混合してなるプロトン伝導性固体電解質膜８の両面に、前記触媒を担持させたガス拡散性電極６及び７を重ねてプレスすることにより、プロトン伝導性の固体電解質膜８とガス拡散電極６、７とからなる前記多層膜（ＭＥＡ膜）を作製することができる。なお、ＭＥＡ膜の面積は、例えば１２ｃｍ2である。
【００３１】
プロトン伝導性固体電解質膜８は、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、例えば約０．０３ｍｍの厚みを有している。また、その両面に触媒層が設けられていることが好ましく、前記触媒層を設けることによって、水素の電気化学的な分解の効率をより良好にし、一層プロトン発生効率の向上を図ることが可能である。
【００３２】
ガス拡散性電極６、７は、耐熱性を有し、できるだけ表面積の大きいこと、また表面に担持された前記触媒を介してプロトン伝導性固体電解質膜８と電極６、７が全面にわたって密着可能であること、プロトン伝導性固体電解質膜８に密着できるように、ある程度の柔軟性を有すること、更に活性化電極であることが好ましい。
【００３３】
従って、陽極６及び陰極７は、多孔性又はメッシュ状であることが好ましく、例えばカーボンファイバーや多孔質カーボンを材料として、これらをシート状にし、プロトン伝導性固体電解質膜８と密着する側に、活性な触媒を担持させることによって、作製することができる。また、このようなシート状電極材には、心材として金属線を編んで作った網状のものを入れたり、貼り付けることも可能である。金属心材を入れたり、貼り付けることにより、電極自体の導電性が向上し、全面にわたり均一な電流分布が期待できる。
【００３４】
前記触媒は、例えば白金や酸化ルテニウム、酸化イリジウム等の微粒子であることが望ましく、また銀など他の電極物質でも本目的の反応が進行するものであってもよい。
【００３５】
ガス拡散性電極６、７への前記触媒の担持は通常の方法でよく、例えば、炭素粉末の表面に前記触媒物質又はその前駆体を担持し、それに加熱などの処理を加えて、触媒粒子を形成し、それを電極面にフッ素樹脂と共に焼き付ける方法でもよく、また前記触媒物質を担持していない電極体を予め作製し、その後に前記触媒物質の前駆体、例えば塩化白金酸と塩化ルテニウム酸の混合水溶液、又はブチルアルコール溶液を塗布液として、これを電極面に塗布した後、水素を含有する還元雰囲気中で、２００から３５０℃で焼成することにより、白金とルテニウムの合金を電極表面に形成できる。
【００３６】
また、電気化学セル２は、プロトン伝導性固体電解質膜８と、ガス拡散性電極６、７とが交互に積層されて一体構造に形成されていてもよく、この場合は、より高い水素発生率を容易に得られるという効果がある。
【００３７】
水素流量制御部３は、陽極６及び陰極７に所定の電流を供給し、陽極６にて前記電流量に対応した量の前記プロトンを発生させることにより、陰極７側で発生させる水素ガスの発生量の制御を行う。なお、水素流量制御部３は、電極６、７に流れる電流を制御するものであるので、電流値が任意に変化可能な、可変定電流源であればどのような制御方式であってもよい。
【００３８】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１は、プロトン伝導性固体電解質膜８に電圧を印加すると、陽極６側のガス流路４に供給された水素ガスが、陽極６上でプロトンに分離され、このプロトンはプロトン伝導性固体電解質膜８内で電圧の印加方向と逆向きに移動し、移動したプロトンは陰極７側のプロトン伝導性固体電解質膜８の表面で水素ガスに再び転化され、陰極７側のガス流路５へと流れる。陰極７側のガス流路５には、所定量の窒素ガス又は水素ガスが供給されており、陰極７側で発生した水素ガスは前記窒素ガス又は水素ガスと共に、吸引ポンプ１１によって陰極７側のガス流路５に設けられたガスクロマトグラフィー１２へと流れ、このガスクロマトグラフィー１２を用いて定量分析される。
【００３９】
このようにして生じる水素ガス量は、プロトン伝導性固体電解質膜８における上記式（３）で表される通電量によって決まるため、水素流量制御部３を用いてプロトン伝導性固体電解質膜８における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００４０】
以下に、水素ガスの発生メカニズムについて説明する。
【００４１】
陽極６側の水素ガス流路４に供給された水素ガスは、ガス拡散性電極６上で電子を失い、下記式（５）に従ってプロトンを生成する。
Ｈ2→２ｅ-＋２Ｈ+…式（５）
【００４２】
陽極６にて生成したプロトンは、電圧を駆動力として、プロトン伝導性固体電解質膜８を通過してガス拡散性電極７まで進み、ガス拡散性電極７上で電子を受け取ることで、下記式（６）に従って再び水素ガスに転化される。
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2…式（６）
【００４３】
この反応における望ましい温度域は−５０℃から３００℃であり、更に望ましくは−４０℃から１６０℃である。
【００４４】
ガス拡散性電極７上で生成した水素ガスは、プロトン伝導性固体電解質膜８を通ることができず、電圧によるイオンの移動力は大きい。
【００４５】
また、金属集電体９、１０が各ガス拡散性電極６、７に電圧を印加すると共に、ガス拡散性電極６、７及びプロトン伝導性固体電解質膜８を機械的に補強する役目を持つ。この金属集電体９及び１０の材質は特に限定されないが、耐熱性、耐食性を有する金属からなることが望ましく、例えば、チタンメッシュ表面に酸化ルテニウムなどの導電性の安定な導電性酸化物を被覆したものなどが好ましく用いられる。
【００４６】
本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１によれば、プロトン伝導性固体電解質膜８が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、かつ水素流量制御部３を有するので、装置１を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置１の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００４７】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置１を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８の寿命の向上を図ることができる。
【００４８】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、陰極７側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、水素流量制御部３によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００４９】
また、本発明に基づく装置１によれば、無加湿雰囲気下で動作する前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８を使用するので、電気化学セル２の陽極６側のガス流路４に空気を送り込み、水の電解電圧１．２３Ｖ以上の電圧を印加することによって、空気中に含まれる水蒸気成分を分解し、水素ガスを製造し、水素流量制御することもできる。この場合において、陽極６及び陰極７では下記式（７）及び（８）に示される反応が起こる。
【００５０】
陽極反応：Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-（１．２３Ｖ）…式（７）
陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2（０．０Ｖ）…式（８）
（トータル：Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2）
【００５１】
なお、理論分解電圧は１．２３Ｖであるが、実際にはこれに電極過電圧、電気抵抗などが加わって、電解電圧は１．５Ｖから２Ｖ程度になる。この方法によれば、水の電気化学分解による水素製造流量制御機能を有する軽量かつコンパクトな電気化学的水素流量制御装置を実現することができる。
【００５２】
ここで、水素流量制御部３は着脱可能な構造であってもよく、水素流量制御部３をはずした状態では、本発明に基づく装置１は例えば燃料電池としても使用可能となり得る。この場合は、陰極７側のガス流路５の窒素ガス又は水素ガスに代えて、酸素ガスを供給すればよい。
【００５３】
前記プロトン解離性の基の導入対象となる母体としての前記フラーレン分子は、球殻状クラスター分子Ｃｍ（ｍはＣｍが球殻状構造を形成し得る自然数。）であれば特に限定しないが、通常はＣ36、Ｃ60、Ｃ70、Ｃ76、Ｃ78、Ｃ80、Ｃ82、Ｃ84、Ｃ86、Ｃ88、Ｃ90、Ｃ92、Ｃ94、Ｃ96などから選ばれるフラーレン分子の単体、若しくはこれらの２種類以上の混合物が好ましく用いられる。
【００５４】
これらのフラーレン分子は、１９８５年に炭素のレーザーアブレーションによるクラスタービームの質量分析スペクトル中に発見された（Kroto, H.W.; Heath, J.R.; O'Brien, S.C.; Curl, R.F.; Smalley, R.E. Nature 1985. 318,162.）。実際にその製造方法が確立されるのは更に５年後のことで、１９９０年に炭素電極のアーク放電法による製造法が見出され、それ以来、フラーレンは炭素系半導体材料等として注目されてきた。
【００５５】
図２に示す如く、フラーレン分子に複数の水酸基を付加した構造を持つフラレノール（Fullerenol）は、１９９２年にChiangらによって最初に合成例が報告された（Chiang, L.Y.; Swirczewski, J.W.; Hsu, C.S.; Chowdhury, S.K.; Cameron, S.; Creegan, K., J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791）。
【００５６】
そうしたフラレノールを図３（Ａ）に概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に相互作用が生じるようにすれば、この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのＨ+の解離性）を発揮することができる。
【００５７】
本実施の形態によれば、上記フラレノール以外に例えば複数の−ＯＳＯ3Ｈ基をもつフラーレンの凝集体を前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いることもできる。ＯＨ基がＯＳＯ3Ｈ基と置き換わった図３（Ｂ）に示すようなポリ水酸化フラーレン、即ち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらによって１９９４年に報告されている（Chiang, L.Y.; Wang, L.Y.; Swirczewski, J.W.; Soled, S.; Cameron, S., J. Org. Chem. 1994, 59, 3960）。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、ひとつの分子内にＯＳＯ3Ｈ基のみを含むものもあるし、或いはこの基と水酸基をそれぞれ複数、持たせることも可能である。
【００５８】
上述したフラレノール及び硫酸水素エステル化フラレノールを多数凝集させた時、どれがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ3Ｈ基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、乾燥雰囲気下においても、継続的に使用することができる。
【００５９】
また、これらの分子の基体となっているフラーレンは特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いＯＳＯ3Ｈ基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられ、優れたプロトン伝導性を示す。また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基及びＯＳＯ3Ｈ基等を導入することができるため、伝導に関与するプロトンの、伝導体の単位体積あたりの数密度が非常に多くなるので、実質的な伝導率を発現する。
【００６０】
上記フラレノール及び硫酸水素エステル化フラレノールは、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみて、フラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【００６１】
さらに、上記プロトン解離性の基は、前述した水酸基やＯＳＯ3Ｈ基に限定する必要はない。
【００６２】
即ち、この解離性の基は式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であればよい。更には、この基は式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表され、Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であればよい。
【００６３】
具体的には、上記プロトン解離性の基としては、上記−ＯＨ、−ＯＳＯ3Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−ＳＯ3Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）2、−Ｃ6Ｈ4−ＳＯ3Ｈのいずれかが好ましい。
【００６４】
本発明に使用可能な上記フラレノール等を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、例えば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望の基を導入することができる。
【００６５】
そして、得られる上記フラーレン誘導体を塗布や蒸着法により膜状に形成して、前記電気化学セルの前記プロトン伝導性固体電解質膜に利用することができる。
【００６６】
前記プロトン伝導性固体電解質膜が実質的にフラーレン誘導体のみからなるか、或いは結合剤によって結着されていてもよい。
【００６７】
前記プロトン伝導性固体電解質膜が、実質的にフラーレン誘導体のみからなる場合、上記フラーレン誘導体を加圧成形してなる膜状の前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いることができる。結合剤によって結着されている上記フラーレン誘導体を、前記プロトン伝導性固体電解質膜として用いる場合、上記結合剤によって強度の十分な前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成できる。
【００６８】
上記結合剤として使用可能な高分子材料としては、公知の成膜性を有するポリマーの１種又は２種以上が用いられる。このような構成のプロトン伝導性固体電解質膜も、上記フラーレン誘導体のみからなるプロトン伝導性固体電解質膜と同様のプロトン伝導性を発揮することができる。
【００６９】
しかも、フラーレン誘導体単独の場合と違って、高分子材料に由来する成膜性が付与されており、フラーレン誘導体の粉末圧縮成形品に比べ、強度が大きく、かつガス透過防止能を有する柔軟な前記プロトン伝導性薄膜（厚みは通常３００μｍ以下）として用いることができる。
【００７０】
なお、前記高分子材料としては、プロトンの伝導性をできるだけ阻害（フラーレン誘導体との反応による）せず、成膜性を有するものなら、特に限定はしない。通常は、電子伝導性を持たず、良好な安定性を有するものが用いられ、その具体例を挙げると、ポリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等があり、これらは次に述べる理由からも、好ましい高分子材料である。
【００７１】
まず、ポリテトラフルオロエチレンが好ましいのは、他の高分子材料に比べ、少量の配合量で強度のより大きな薄膜を容易に成膜できるからである。この場合の配合量は、３重量％以下、好ましくは０．５〜１．５重量％と少量ですみ、薄膜の厚みは通常、１００μｍから１μｍまでと薄くできる。
【００７２】
また、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールが好ましいのは、より優れたガス透過防止能を有するプロトン伝導性薄膜が得られるからである。この場合の配合量は５〜１５重量％の範囲とするのがよい。
【００７３】
ポリフルオロエチレンにせよ、ポリフッ化ビニリデンやポリビニルアルコールにせよ、それらの配合量が上述したそれぞれの範囲の下限値を下回ると、成膜に悪影響を及ぼすことがある。
【００７４】
本実施の形態の各フラーレン誘導体が結合剤によって結着されてなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の薄膜を得るには、加圧成形や押出し成形をはじめ、公知の成膜法を用いればよい。
【００７５】
なお、本発明に基づく装置は、取り扱い、小型化の点からは、前記ガス透過性電極と前記プロトン伝導性固体電解質膜としてのフラーレン誘導体とが、物理的に十分な強度を有する、フレキシブルなシート状であることが好ましい。
【００７６】
前記電気化学セルは、大気中で良好に機能することができるため、動作時の温度、湿度等の調整を行わなくても、効率的に水素ガスを製造し、流量制御することができる。
【００７７】
また、フラレノール等のフラーレン分子を構成する炭素原子に前記プロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体を前記プロトン伝導性固体電解質膜の構成材料として使用するので、Ｈ3Ｏ+イオン伝導体であるナフィオンを用いた場合と違い、加湿装置等を設置する必要はなく、乾燥状態において好適に機能し、前記プロトン伝導性固体電解質膜の長寿命化を図ることができる。
【００７８】
Ｈ3Ｏ+イオン伝導体であるナフィオンを用いた場合、水素ガスの製造と共に、水も発生してしまうため、除湿装置を必要とするのに対して、本実施の形態は、発生する水素ガスが水分を含まないので、除湿装置等がなくても、水素ガスの製造を可能とし、正確な水素ガスの流量制御を行うことができる。
【００７９】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
【００８０】
実施例１
まず、前記フラーレン誘導体を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成し、図１に示すような電気化学的水素流量制御装置１を作製した。
【００８１】
そして、室温及び乾燥雰囲気下で、陰極７側のガス流路５に窒素ガスを流し、ガス流路５の内部を窒素ガスで置換した。次いで、陽極６側のガス流路４を介して、陽極６の電極表面に水素ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給しながら両電極間に０〜１Ａの電流を流した。供給された水素ガスは陽極６側でプロトンに分離され、このプロトンはフラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８内を通過し、陰極７上で再び水素ガスに転化され、陰極７側のガス流路５の窒素ガス中に排出された。このときの陰極７側のガス流路５における窒素ガス中の水素分圧変化をガスクロマトグラフィー１２を用いて測定した。結果を図４に示す。
【００８２】
図４より明らかなように、０〜１Ａの電流を流した時、水素分圧の上昇速度は電流に比例している。また、プロトン伝導性固体電解質膜８を通過したプロトン量の理論値は、プロトン伝導性固体電解質膜８を流れた電流量をもとに、プロトン伝導性固体電解質膜８を流れる電流が全てプロトンの移動によるものとして算出できる。従って、製造された水素ガスの理論モル量ｍはファラデーの法則から電流Ｉと時間ｔの積分で表され、下記式（９）のように示される。
【００８３】
【数１】
【００８４】
上記式（９）に従って得られた透過水素量の実測値と理論値とを比較した結果、フラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８はいずれも、１００％に近い電流効率を有することが示された。即ち、フラーレン系プロトン伝導性固体電解質膜８を透過したプロトン量の実測値と、電流値から算出した透過プロトン量の理論値とはほぼ一致した。
【００８５】
実施例２
まず、前記フラーレン誘導体を用いて前記プロトン伝導性固体電解質膜を形成し、図１に示すような電気化学的水素流量制御装置１を作製した。
【００８６】
そして、室温及び乾燥雰囲気下で、陰極７及び陽極６側のガス流路４及び５に窒素ガスを流し、ガス流路４及び５の内部を窒素ガスで置換した。次いで、陽極６側のガス流路４を介して、陽極６の電極表面に水素ガスを５０ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給し、０．２Ａの電流を供給した。このときの陰極７側の水素ガス、窒素ガス、水の濃度変化を測定した。なお、この時の印加電圧は変化していない。結果を図５に示す。
【００８７】
図５より明らかなように、陰極７側で発生した水素ガスに対する水分の量は、２４時間で１％以下であった。
【００８８】
以上より明らかなように、本発明に基づく電気化学的水素流量制御装置１によれば、陰極７側で生じる水素ガス量は、プロトン伝導性固体電解質膜８における上記式（３）で表される通電量によって決まるため、水素流量制御部３を用いてプロトン伝導性固体電解質膜８における通電量を制御することによって、水素ガスの発生量（流量）を制御することができる。
【００８９】
また、プロトン伝導性固体電解質膜８が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなる前記フラーレン誘導体からなり、かつ水素流量制御部３を有するので、装置１を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置１の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００９０】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置１を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなるプロトン伝導性固体電解質膜８の寿命の向上を図ることができる。
【００９１】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、陰極７側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、水素流量制御部３によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなり、かつ前記水素流量制御部を有するので、装置を動作させる際に、ナフィオン等の固体高分子プロトン導電性膜を用いた従来の装置のように水分を補給する必要はなく、乾燥雰囲気下及び室温下で優れたプロトン伝導性を示し、正確に水素ガスの流量を制御することができる。従って、上述した加湿装置などを設ける必要はなく、装置の軽量化及びコンパクト化が可能である。
【００９３】
また、加湿をせずに、乾燥雰囲気下で装置を動作させるので、前記フラーレン誘導体からなる前記プロトン伝導性固体電解質膜の寿命の向上を図ることができる。
【００９４】
さらに、加湿を必要としないのに加えて、前記第２極側にて発生する水素ガスは、ほとんど水分を含まない状態にあるので、前記水素流量制御部によって水素ガス発生量の制御を容易かつ正確に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による電気化学的水素流量制御装置の概略断面図である。
【図２】本実施の形態に使用可能なフラーレン誘導体の一例であるポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図３】同、フラーレン誘導体の例を示す模式図である。
【図４】本実施例による電流と水素分圧の関係を示すグラフである。
【図５】同、時間による水素ガス、窒素ガス及び水の濃度変化を示すグラフである。
【図６】従来例による水素流量制御装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１…電気化学的水素流量制御装置、２…電気化学セル、３…水素流量制御部、
４、５…ガス流路、６…（陽極）ガス拡散性電極、
７…（陰極）ガス拡散性電極、８…プロトン伝導性固体電解質膜、
９、１０…金属集電体、１１…吸引ポンプ、１２…ガスクロマトグラフィー
Claims (9)
- プロトン（Ｈ+）を生成する第１極と、前記第１極で発生した前記プロトンを水素ガスに転化する第２極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導性固体電解質膜とからなる電気化学セルと；前記第２極側に所定量の水素ガスを発生させる水素流量制御部と；を有し、前記プロトン伝導性固体電解質膜が、フラーレン分子を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入してなるフラーレン誘導体からなる、電気化学的水素流量制御装置。
- 前記第１極の前記プロトン伝導性固体電解質膜が配されていない面側に水素ガスが供給され、前記水素流量制御部より前記第１極及び前記第２極に所定の電流が与えられ、前記水素ガスが、前記第１極にて前記電流量に対応した量の前記プロトンに電気分解され、この発生した前記プロトンを前記プロトン伝導性固体電解質膜を通して前記第２極へ移動させ、前記第２極で前記プロトンを再び水素ガスに転化することにより、前記第２極側にて一定量の水素ガスを得る、請求項１に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記電気化学セルが、前記プロトン伝導性固体電解質膜と、触媒を担持したガス拡散性電極とからなり、前記プロトン伝導性固体電解質膜の両側に配された前記第１極及び前記第２極との多層膜で形成されている、請求項１に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記プロトン伝導性固体電解質膜と、前記ガス拡散性電極とが、交互に積層されて一体構造に形成されている、請求項３に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記水素流量制御部が着脱可能である、請求項１に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記プロトン解離性の基が、−ＸＨ（Ｘは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団、Ｈは水素原子である。）である、請求項１に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記プロトン解離性の基が、−ＯＨ又は−ＹＯＨ（Ｙは２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団である。）である、請求項６に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記プロトン解離性の基が、−ＯＨ、−ＯＳＯ3Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ3Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）2、−Ｃ6Ｈ4−ＳＯ3Ｈのいずれかより選ばれる基である、請求項７に記載した電気化学的水素流量制御装置。
- 前記フラーレン分子が、球殻状炭素クラスター分子Ｃｍ（ｍはＣｍが球殻状構造を形成し得る自然数。）である、請求項１に記載した電気化学的水素流量制御装置。
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