JPH06267556A

JPH06267556A - 電気化学デバイスとその製造方法及び流体流路

Info

Publication number: JPH06267556A
Application number: JP5075116A
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: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2016-12-25
Also published as: JP3242737B2

Abstract

(57)【要約】【目的】薄い電解質膜を用いることにより、膜の反応
性及び利用率を高めることができる電気化学デバイスと
その製造方法及び流体流路を得ることを目的とする。【構成】固体高分子電解質２１の両面に電極２，３を
設け、固体高分子電解質２１は、有機溶媒またはその水
溶液により膨潤させた高分子電解質を厚み方向に収縮さ
せた膜である。当該膜は、表面に凹凸を形成しても、ま
た触媒層を形成してもよく、表面に触媒粒子を担持して
もよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
デバイスとその製造方法及び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／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４−３
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、薄い電解質膜を用いることによ
り、膜の反応性及び利用率を高めることができる電気化
学デバイスとその製造方法及び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】請求項１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に電極を設
けたもので、前記固体高分子電解質を、有機溶媒または
その水溶液により膨潤させた高分子電解質を厚み方向に
収縮させた膜としたものである。

【０００９】また、請求項２の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記有機溶媒を、アルコール、エーテル、アル
デヒド、またはケトンのいずれか１種としたものであ
る。

【００１０】また、請求項３の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記アルコールをイソプロパノールとしたもの
である。

【００１１】また、請求項４の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記膜の表面に凹凸を形成したものである。

【００１２】また、請求項５の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記膜の表面に触媒層を形成したものである。

【００１３】また、請求項６の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記膜の表面に触媒粒子を担持したものであ
る。

【００１４】また、請求項７の発明に係る電気化学デバ
イスは、前記触媒を周期表８族元素としたものである。

【００１５】また、請求項８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に電極を設けたもの
で、前記固体高分子電解質を有機溶媒またはその水溶液
により膨潤させ、前記電極とともに加圧し一体化したも
のである。

【００１６】また、請求項９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に電極を設けたもの
で、前記電極の各々の電極面積が異なり、かつ、各々の
電極の端部が前記固体高分子電解質に対して対称の位置
にないようにしたものである。

【００１７】また、請求項１０の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、高分子電解質を有機溶媒またはそ
の水溶液に浸漬して該高分子電解質を膨潤させ、該高分
子電解質の周囲を固定した後に乾燥し、該高分子電解質
を厚み方向に収縮させるものである。

【００１８】また、請求項１１の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、前記高分子電解質を膨潤させた後
に、その表面に凹凸を形成するものである。

【００１９】また、請求項１２の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、高分子電解質の表面に触媒を含む
有機溶媒またはその水溶液を塗布して該表面を膨潤さ
せ、その後乾燥させて該高分子電解質の表面に触媒層を
形成するものである。

【００２０】また、請求項１３の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、高分子電解質の表面に触媒粒子を
含む有機溶媒またはその水溶液を塗布すると同時に、前
記表面に凹凸を形成するものである。

【００２１】また、請求項１４の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、前記触媒粒子を含む有機溶媒また
はその水溶液を、前記触媒粒子を溶液中に懸濁させた懸
濁液とするものである。

【００２２】また、請求項１５の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、前記有機溶媒またはその水溶液の
高分子電解質の含有量を２％以下としたものである。

【００２３】また、請求項１６の発明に係る電気化学デ
バイスの製造方法は、前記水溶液のイソプロパノールの
含有量を３０％以下としたものである。

【００２４】また、請求項１７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。

【００２５】また、請求項１８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。

【００２６】また、請求項１９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。

【００２７】また、請求項２０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。

【００２８】また、請求項２１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。

【００２９】また、請求項２２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。

【００３０】また、請求項２３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。

【００３１】また、請求項２４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。

【００３２】

【作用】請求項１の発明における電気化学デバイスは、
固体高分子電解質を、有機溶媒またはその水溶液により
膨潤させた高分子電解質を厚み方向に収縮させた膜とし
たことにより、当該膜の抵抗が低下し、膜の反応性及び
利用率が向上する。

【００３３】また、請求項２の発明における電気化学デ
バイスは、前記有機溶媒を、アルコール、エーテル、ア
ルデヒド、またはケトンのいずれか１種としたことによ
り、膜の歪が低下し、均一性が高まる。したがって、膜
の反応性及び利用率がさらに向上する。

【００３４】また、請求項３の発明における電気化学デ
バイスは、前記アルコールをイソプロパノールとしたこ
とにより、膜の歪がさらに低下し、均一性がさらに高ま
る。したがって、膜の反応性及び利用率が大幅に向上す
る。

【００３５】また、請求項４の発明における電気化学デ
バイスは、前記膜の表面に凹凸を形成したことにより、
膜と電極との密着性が向上し、膜の変形を防止する。

【００３６】また、請求項５の発明における電気化学デ
バイスは、前記膜の表面に触媒層を形成したことによ
り、触媒作用により電気化学反応がスムーズに進行し、
反応に必要な電圧が低下する。

【００３７】また、請求項６の発明における電気化学デ
バイスは、前記膜の表面に触媒粒子を担持したことによ
り、触媒作用により電気化学反応がスムーズに進行し、
反応に必要な電圧が低下する。

【００３８】また、請求項７の発明における電気化学デ
バイスは、前記触媒を周期表８族元素としたことによ
り、Ｐｔ等の触媒作用により電気化学反応がさらにスム
ーズに進行し、反応に必要な電圧がさらに低下する。

【００３９】また、請求項８の発明における電気化学デ
バイスは、固体高分子電解質を有機溶媒またはその水溶
液により膨潤させ、電極とともに加圧し一体化したこと
により、固体高分子電解質と電極との密着性が向上し、
該固体高分子電解質の変形を防止する。

【００４０】また、請求項９の発明における電気化学デ
バイスは、前記各電極の各々の電極面積が異なり、かつ
各々の電極の端部が固体高分子電解質に対して対称の位
置にないことにより、電極の周辺部ではどちらかの電極
が該固体高分子電解質を支持し、該周辺部の機械的強度
が向上する。

【００４１】また、請求項１０の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、膨潤させた高分子電解質の周囲
を固定した後に乾燥することにより、該高分子電解質を
厚み方向に収縮させ膜とするので、膜は、液中で膨潤す
ると、膜の厚みが増加し、面積が大きく広がるが、乾燥
するとまたもとの大きさに戻る。この製法では、膨潤し
た状態で周辺部を枠で挾む等の方法により固定して乾燥
することにより、面積は固定した状態つまり膨潤時の面
積が保たれるが、体積は膨潤前の体積に戻るので、その
分厚みが薄くなる。

【００４２】また、請求項１１の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、高分子電解質を膨潤させた後
に、その表面に凹凸を形成するので、この高分子電解質
を膨潤させると軟らかくなり、可塑性が生じる。例え
ば、この状態で凹凸のある面を有する型を押し付けて離
すと表面には押し付けた型の面の凹凸に応じた凹凸が形
成され、乾燥させれば、曲率が小さい凹凸面になる。

【００４３】また、請求項１２の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、高分子電解質の表面に触媒粒子
を含む有機溶媒またはその水溶液を塗布して該表面を膨
潤させ、この膨潤させた面を乾燥させて該高分子電解質
の表面に触媒層を形成するので、前記表面を一時的に膨
潤・乾燥することにより、表面が凹凸になり、該表面に
形成される触媒層の表面が凹凸になる。

【００４４】また、請求項１３の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、高分子電解質の表面に触媒粒子
を含む有機溶媒またはその水溶液を塗布すると同時に、
前記表面に凹凸を形成するので、この凹凸により塗布す
る溶液の染み込み具合に分布が生じ、該表面に形成され
る触媒層の表面が凹凸になる。

【００４５】また、請求項１４の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、触媒粒子を溶液中に懸濁させた
懸濁液を塗布するので、形成される触媒層中の触媒粒子
の分布が均一となる。

【００４６】また、請求項１５の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、有機溶媒またはその水溶液の高
分子電解質の含有量を２％以下とするので、該溶液と固
体高分子電解質との染みがよくなり、該溶液により表面
に形成される触媒層と固体高分子電解質との密着性が高
まる。

【００４７】また、請求項１６の発明における電気化学
デバイスの製造方法は、前記水溶液のイソプロパノール
の含有量を３０％以下とするので、該水溶液と固体高分
子電解質との染みがよくなり、該水溶液により表面に形
成される触媒層と固体高分子電解質との密着性が高ま
る。また、乾燥中にイソプロパノールが空気中の酸素と
反応を起こす危険性がなくなる。

【００４８】また、請求項１７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。

【００４９】また、請求項１８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。

【００５０】また、請求項１９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。

【００５１】また、請求項２０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。

【００５２】また、請求項２１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。

【００５３】また、請求項２２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。

【００５４】また、請求項２３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。

【００５５】また、請求項２４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。

【００５６】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１は本発明の一実施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。

【００５７】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。本実施例では厚
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２
３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６
０μｍ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。

【００５８】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。

【００５９】実施例２．以下、この発明の実施例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。

【００６０】実施例３．以下、この発明の実施例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、上記実施例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、この実施例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、ＩＰ
Ａ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９
０％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攪拌
した後に高分子電解質を溶質として含有するＩＰＡ溶液
を加えて攪拌し、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。

【００６１】実施例４．以下、この発明の実施例４につ
いて説明する。実施例２に示したように、膨潤した膜２
２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。

【００６２】実施例５．以下、この発明の実施例５につ
いて説明する。図１３は本実施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を実施例１の方法で６０μｍに薄膜化した１５
cm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１０．５
cm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。

【００６３】なお、本実施例においては、スペーサーに
アラミドペーパーを用いたが、その他、ＰＴＦＥやＰＦ
Ａ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。

【００６４】実施例６．以下、この発明の実施例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５
３には、白金系の触媒が担持してある。

【００６５】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をスポット溶液技術で取
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。

【００６６】ここで、上記実施例の他の実施例について
説明する。図１６は本実施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。

【００６７】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。

【００６８】実施例７．以下、この発明の実施例７につ
いて説明する。図１７は本実施例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。

【００６９】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。

【００７０】また、この実施例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。

【００７１】実施例８．以下、この発明の実施例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ＳＵＳメッシ
ュを設けて保持した。

【００７２】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、この実施例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。

【００７３】実施例９．以下、実施例９について説明す
る。図１９は上記実施例１の電気化学デバイスと実施例
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２、カソ
ード３は外部直流電源に接続されている。

【００７４】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、カソ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アノード側に移動す
る。２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^- ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（３）水素イオンはアノ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、カソード側の水はアノード側に移動することにな
り、カソード側の空間の湿度を下げることになる。

【００７５】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
２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、実施例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。

【００７６】実施例１０．以下、実施例１０について説
明する。図２０はこの実施例の空気清浄器９０のガスフ
ロー図であり、８１は上記実施例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。セイデンフィルターには、三井
石油化学製のシンテックスＥＬ／ＥＢ−２０Ｎを用い
た。

【００７７】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。

【００７８】実施例１１．以下、実施例１１について説
明する。図２１は上記実施例１，３，５に示した電気化
学デバイスと実施例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例３に示す方
法で塗布し、実施例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。

【００７９】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３に向かって移動する。一方、カソ
ード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、本発明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
例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。

【００８０】実施例１２．以下、実施例１２について説
明する。図２２は実施例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。

【００８１】次に動作について説明する。この発明の水
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。この実施例の水素ガス濃度センサ１１
０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＝ＲＴ／２Ｆ×１ｎ（０．１０５Ｐ_H2） ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（６）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。本実施例では膜の厚みを８
０μｍ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。

【００８２】実施例１３．以下、実施例１３について説
明する。図２３は実施例２の凹凸を持った膜２２に無電
解白金メッキを行い、さらに実施例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。

【００８３】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。

【００８４】実施例１４．以下、実施例１４について説
明する。図２４は実施例２の凹凸を持った膜に実施例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例８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ＳＵＳ３１６
Ｌ製で流路７が形成されている。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、固体高分子電解質を、有機溶媒またはその水溶液に
より膨潤させた高分子電解質を厚み方向に収縮させた膜
のように構成したので、当該膜の抵抗を低下させること
ができ、膜の反応性及び利用率を向上させる効果があ
る。

【００８８】また、この請求項２の発明によれば、前記
有機溶媒を、アルコール、エーテル、アルデヒド、また
はケトンのいずれか１種のように構成したので、膜の歪
を低下させることができ当該膜の均一性を高めることが
できる。したがって、膜の反応性及び利用率をさらに向
上させる効果がある。

【００８９】また、この請求項３の発明によれば、前記
アルコールをイソプロパノールのように構成したので、
膜の歪をさらに低下させることができ、当該膜の均一性
をさらに高めることができる。したがって、膜の反応性
及び利用率を大幅に向上させる効果がある。

【００９０】また、この請求項４の発明によれば、前記
膜の表面に凹凸を形成するように構成したので、膜と電
極との密着性を向上させることができ、膜の変形を防止
できる効果がある。

【００９１】また、この請求項５の発明によれば、前記
膜の表面に触媒層を形成するように構成したので、触媒
作用により電気化学反応をスムーズに進行させることが
でき、反応に必要な電圧を低下できる効果がある。

【００９２】また、この請求項６の発明によれば、前記
膜の表面に触媒粒子を担持するように構成したので、触
媒作用により電気化学反応をスムーズに進行させること
ができ、反応に必要な電圧を低下できる効果がある。

【００９３】また、この請求項７の発明によれば、前記
触媒を周期表８族元素のように構成したので、Ｐｔ等の
触媒作用により電気化学反応をさらにスムーズに進行さ
せることができ、反応に必要な電圧をさらに低下できる
効果がある。

【００９４】また、この請求項８の発明によれば、固体
高分子電解質を有機溶媒またはその水溶液により膨潤さ
せ、前記電極とともに加圧し一体化したように構成した
ので、固体高分子電解質と電極との密着性を向上させる
ことができ、該固体高分子電解質の変形を防止できる効
果がある。

【００９５】また、この請求項９の発明によれば、各電
極の各々の電極面積が異なり、かつ、各々の電極の端部
が固体高分子電解質に対して対称の位置にないように構
成したので、電極の周辺部ではどちらかの電極により該
固体高分子電解質を支持し、該周辺部の機械的強度及び
寸法安定性を向上させることができ、製品の歩留りを向
上させることができ、組立、修理のコストを低減できる
効果がある。

【００９６】また、この請求項１０の発明によれば、高
分子電解質を有機溶媒またはその水溶液に浸漬し膨潤さ
せ、該高分子電解質の周囲を固定した後に乾燥し、該高
分子電解質を厚み方向に収縮させるように構成したの
で、抵抗の低い薄い電解質膜を容易に得ることができ、
少ない膜材料から広い面積の膜を得ることができる効果
がある。

【００９７】また、この請求項１１の発明によれば、高
分子電解質を膨潤させた後に、その表面に凹凸を形成す
るように構成したので、反応面積が増加した高性能な膜
を低コストで製造することができる効果がある。

【００９８】また、この請求項１２の発明によれば、高
分子電解質の表面に触媒粒子を含む有機溶媒またはその
水溶液を塗布して該表面を膨潤させ、その後乾燥させて
該高分子電解質の表面に触媒層を形成するように構成し
たので、前記表面に曲率がより小さい凹凸を形成するこ
とができ、触媒層の表面積が増加した高性能な膜を低コ
ストで製造することができる効果がある。

【００９９】また、この請求項１３の発明によれば、高
分子電解質の表面に触媒粒子を含む有機溶媒またはその
水溶液を塗布すると同時に、前記表面に凹凸を形成する
ように構成したので、触媒層の表面に容易かつ低コスト
で凹凸を形成することができる効果がある。

【０１００】また、この請求項１４の発明によれば、触
媒粒子を含む有機溶媒またはその水溶液を、前記触媒粒
子を溶液中に懸濁させた懸濁液のように構成したので、
触媒層中の触媒粒子の分布を均一にできる効果がある。

【０１０１】また、この請求項１５の発明によれば、有
機溶媒またはその水溶液の高分子電解質の含有量を２％
以下とするように構成したので、触媒層と固体高分子電
解質との密着性を向上させる効果がある。

【０１０２】また、この請求項１６の発明によれば、前
記水溶液のイソプロパノールの含有量を３０％以下とす
るように構成したので、触媒層と固体高分子電解質との
密着性を向上させ、乾燥中にイソプロパノールが空気中
の酸素と反応を起こす危険性がなくなる効果がある。

【０１０３】また、この請求項１７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。

【０１０４】また、この請求項１８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。

【０１０５】また、この請求項１９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。

【０１０６】また、この請求項２０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。

【０１０７】また、この請求項２１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。

【０１０８】また、この請求項２２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。

【０１０９】また、この請求項２３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。

【０１１０】また、請求項２４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】この発明の実施例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】この発明の実施例２による膜の針侵入試験結果
を示す図である。

【図８】この発明の実施例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】この発明の実施例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】この発明の実施例３による電気化学デバイス
を示す断面図である。

【図１２】この発明の実施例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】この発明の実施例５による電気化学デバイス
を示す断面図である。

【図１４】この発明の実施例５による電気化学デバイス
を示す平面図である。

【図１５】この発明の実施例６による流路を示す断面図
である。

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

【図１７】この発明の実施例７による流体流路板を示す
平面図である。

【図１８】この発明の実施例７による流体流路板の部分
拡大断面図である。

【図１９】この発明の実施例９による除湿装置を示す断
面図である。

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

【図２１】この発明の実施例１１による燃料電池の構成
を示す断面図である。

【図２２】この発明の実施例１２による水素ガス温度セ
ンサーを示す断面図である。

【図２３】この発明の実施例１３による電解槽を示す断
面図である。

【図２４】この発明の実施例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

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【手続補正書】

【提出日】平成５年７月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６５】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。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７４】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。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７５】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
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、実施例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。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７６】実施例１０．以下、実施例１０について説
明する。図２０はこの実施例の空気清浄器９０のガスフ
ロー図であり、８１は上記実施例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−２０Ｎを用いた。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８１】次に動作について説明する。この発明の水
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。この実施例の水素ガス濃度センサ１１
０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。本実施例では膜の厚みを８
０μｍ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。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】変更

【補正内容】

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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質の両面に電極を設けた
電気化学デバイスにおいて、前記固体高分子電解質は、
有機溶媒またはその水溶液により膨潤させた高分子電解
質を厚み方向に収縮させた膜であることを特徴とする電
気化学デバイス。
【請求項２】前記有機溶媒は、アルコール、エーテ
ル、アルデヒドまたはケトンのいずれか１種であること
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】前記アルコールは、イソプロパノールで
あることを特徴とする請求項２記載の電気化学デバイ
ス。
【請求項４】前記膜の表面に凹凸を形成したことを特
徴とする請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項５】前記膜の表面に触媒層を形成したことを
特徴とする請求項１または４に記載の電気化学デバイ
ス。
【請求項６】前記膜の表面に触媒粒子を担持したこと
を特徴とする請求項１または４に記載の電気化学デバイ
ス。
【請求項７】前記触媒は周期表８族元素であることを
特徴とする請求項５または６に記載の電気化学デバイ
ス。
【請求項８】固体高分子電解質の両面に電極を設けた
電気化学デバイスにおいて、前記固体高分子電解質を有
機溶媒またはその水溶液により膨潤させ、前記電極とと
もに加圧し一体化したことを特徴とする電気化学デバイ
ス。
【請求項９】固体高分子電解質の両面に電極を設けた
電気化学デバイスにおいて、前記各電極の各々の電極面
積が異なり、かつ、各々の電極の端部が前記固体高分子
電解質に対して対称の位置にないことを特徴とする電気
化学デバイス。
【請求項１０】固体高分子電解質の両面に電極を設け
た電気化学デバイスの製造方法において、高分子電解質
を有機溶媒またはその水溶液に浸漬し膨潤させ、該高分
子電解質の周囲を固定した後に乾燥し、該高分子電解質
を厚み方向に収縮させることを特徴とする電気化学デバ
イスの製造方法。
【請求項１１】前記高分子電解質を膨潤させた後に、
その表面に凹凸を形成することを特徴とする請求項１０
記載の電気化学デバイスの製造方法。
【請求項１２】固体高分子電解質の両面に電極を設け
た電気化学デバイスの製造方法において、高分子電解質
の表面に触媒粒子を含む有機溶媒またはその水溶液を塗
布して該表面を膨潤させ、その後乾燥させて該高分子電
解質の表面に触媒層を形成することを特徴とする電気化
学デバイスの製造方法。
【請求項１３】前記高分子電解質の表面に触媒粒子を
含む有機溶媒またはその水溶液を塗布すると同時に、前
記表面に凹凸を形成することを特徴とする請求項１２記
載の電気化学デバイスの製造方法。
【請求項１４】前記触媒粒子を含む有機溶媒またはそ
の水溶液は、前記触媒粒子を溶液中に懸濁させた懸濁液
であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の
電気化学デバイスの製造方法。
【請求項１５】前記有機溶媒またはその水溶液は、高
分子電解質の含有量が２％以下であることを特徴とする
請求項１２から１４のいずれか１項記載の電気化学デバ
イスの製造方法。
【請求項１６】前記水溶液は、イソプロパノールの含
有量が３０％以下であることを特徴とする請求項１２か
ら１５のいずれか１項記載の電気化学デバイスの製造方
法。
【請求項１７】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１８】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１９】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１８記載の
流体流路。
【請求項２０】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２１】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２０記載の流
体流路。
【請求項２２】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１７から２１のいず
れか１項記載の流体流路。
【請求項２３】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１７から２１のいずれか１
項記載の流体流路。
【請求項２４】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１７から２１のいず
れか１項記載の流体流路。