JP2003280747A - Gas pressure regulator, electrochemical device, gas storage device and gas pressure regulating method - Google Patents
Gas pressure regulator, electrochemical device, gas storage device and gas pressure regulating methodInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス圧調整装置、
電気化学デバイス、気体貯蔵装置及びガス圧調整方法に
関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas pressure adjusting device,
The present invention relates to an electrochemical device, a gas storage device, and a gas pressure adjusting method.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、高圧のガスを低圧のガスに変換す
る手段として、機械式のガスレギュレータが広く使用さ
れている(例えば、後記の特許文献1参照)。2. Description of the Related Art Conventionally, a mechanical gas regulator has been widely used as a means for converting a high-pressure gas into a low-pressure gas (see, for example, Patent Document 1 described later).
【0003】以下に、特許文献1に記載された内容に沿
って、従来のガスレギュレータについて説明をする。A conventional gas regulator will be described below in accordance with the contents described in Patent Document 1.
【0004】従来のガスレギュレータは、図18に示す
ように構成されている。即ち、本体ケース86の入口側
の一端にはインレットパイプ87が装着されており、他
端にはアウトレットポート88が形成されている。ま
た、本体ケース86の上面に形成された開口部86aに
は、カバー89が固定されており、本体ケース86とカ
バー89との間にはダイヤフラム90の周縁が固定され
ている。そして、このダイヤフラム90によってカバー
89側の大気圧室91と、ケース86内の減圧室92と
に気密に区画している。A conventional gas regulator is constructed as shown in FIG. That is, the inlet pipe 87 is attached to one end on the inlet side of the main body case 86, and the outlet port 88 is formed on the other end. A cover 89 is fixed to an opening 86a formed in the upper surface of the main body case 86, and a peripheral edge of a diaphragm 90 is fixed between the main body case 86 and the cover 89. The diaphragm 90 is airtightly divided into an atmospheric pressure chamber 91 on the cover 89 side and a decompression chamber 92 inside the case 86.
【0005】ダイヤフラム90の中心には作動杵93が
上下に貫通して設けられており、作動杵93に設けられ
た鍔部93aと作動杵93の上端に螺着されたナット9
4との間にダイヤフラム90を挟持固定している。ま
た、ダイヤフラム90とカバー89との間には、スプリ
ング95が介挿され、常時ダイヤフラム90を下方に付
勢している。作動杵93の下部には、操作レバー96の
操作端が摺動可能に交差結合している。この操作レバー
96は支軸97を介してケース86に回動可能に軸支さ
れており、その作用端はインレットパイプ87の先端ノ
ズル部87aに対向する弁体98に作用ピン99を介し
て係合している。なお、符号89aは、カバー89に形
成された大気側と連通する通気孔である。An operating pestle 93 is provided at the center of the diaphragm 90 so as to vertically penetrate therethrough. A flange portion 93a provided on the operating pestle 93 and a nut 9 screwed to the upper end of the operating pestle 93.
A diaphragm 90 is sandwiched and fixed between the diaphragm 90 and the diaphragm 4. A spring 95 is inserted between the diaphragm 90 and the cover 89 to constantly urge the diaphragm 90 downward. An operating end of an operating lever 96 is slidably cross-coupled to a lower portion of the operating punch 93. The operating lever 96 is rotatably supported by the case 86 via a support shaft 97, and its working end is engaged with a valve body 98 facing the tip nozzle portion 87 a of the inlet pipe 87 via a working pin 99. I am fit. Note that reference numeral 89a is a ventilation hole formed in the cover 89 and communicating with the atmosphere side.
【0006】上記のように構成された従来のガスレギュ
レータにおいて、燃焼器(図示省略)で消費されるガス
量が減少するなどして減圧室92内の圧力が上昇する
と、ダイヤフラム90はスプリング95の付勢力に打ち
勝って大気圧室91側に変位し、作動杵93を引き上げ
て、操作レバー96を支軸97を中心として反時計方向
に回動させる。そして、弁体98をノズル部87aに近
接させてガスの流入量を減らし、減圧室92内のガス圧
を低下させる。このようにして減圧室92内のガス圧
は、スプリング95の付勢力に対応してほぼ一定に保た
れる。In the conventional gas regulator configured as described above, when the pressure in the decompression chamber 92 rises due to a decrease in the amount of gas consumed in the combustor (not shown), the diaphragm 90 causes the spring 95 to move. The urging force is overcome and the pressure is displaced to the atmospheric pressure chamber 91 side, the operating pestle 93 is pulled up, and the operation lever 96 is rotated counterclockwise about the support shaft 97. Then, the valve body 98 is brought close to the nozzle portion 87a to reduce the inflow amount of gas and reduce the gas pressure in the decompression chamber 92. In this way, the gas pressure in the decompression chamber 92 is kept substantially constant corresponding to the biasing force of the spring 95.
【0007】従って、インレットパイプ87側から高圧
のガス(気体状物質)を供給することにより、アウトレ
ットポート88側には、所定の低圧のガスを得ることが
できる。Therefore, by supplying a high pressure gas (gaseous substance) from the inlet pipe 87 side, a predetermined low pressure gas can be obtained at the outlet port 88 side.
【0008】[0008]
【特許文献1】特開平4−244506号公報(第1欄
36行目〜第2欄17行目、第8図)[Patent Document 1] Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-244506 (1st column, 36th line to 2nd column, 17th line, FIG. 8)
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような機械方式による従来のガスレギュレータは、そ
の構造上、形状が大きくなり、また、可動部を有するた
めに摩擦による磨耗等が生じ、機械の寿命が短くなり、
さらに、動作時に音が出る等の問題があった。However, the conventional gas regulator of the mechanical type as described above has a large structure because of its structure, and since it has a movable portion, wear and the like due to friction occur, and Life is shortened,
Furthermore, there is a problem that a sound is produced during operation.
【0010】また、減圧機構を専らとするため、加圧を
行うためには、この減圧機構とは別に、さらに加圧機構
を設けなければならなかった。Further, since the depressurization mechanism is exclusively used, in order to perform the pressurization, a pressurization mechanism must be provided in addition to the depressurization mechanism.
【0011】本発明は上記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、小型で、寿
命が長く、かつ静寂なガス圧調整装置、電気化学デバイ
ス、気体貯蔵装置及びガス圧調整方法を提供することに
ある。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is a compact, long-life, and quiet gas pressure adjusting device, an electrochemical device, and a gas storage device. And a gas pressure adjusting method.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、ガスを
イオンに分解する第1極、前記第1極で発生した前記イ
オンを再びガスに転化する第2極、及びこれらの両極間
に挟持されたイオン伝導体からなる電気化学セルと、こ
の電気化学セルの一方の側に配された高圧容器とを有す
るガス圧調整装置に係るものである。That is, according to the present invention, a first pole for decomposing gas into ions, a second pole for converting the ions generated at the first pole into gas again, and between these two poles are provided. The present invention relates to a gas pressure regulator having an electrochemical cell composed of a sandwiched ionic conductor and a high-pressure container arranged on one side of the electrochemical cell.
【0013】また、第1極でガスをイオンに分解する分
解工程と、分解された前記イオンを、前記第1極と第2
極との間に挟持されたイオン伝導体を通して前記第2極
側に伝導する伝導工程と、伝導された前記イオンを前記
第2極にて再びガスに転化する転化工程とを有するガス
圧調整方法に係るものである。Further, a decomposing step of decomposing gas into ions at the first pole, and the decomposed ions are separated into the first pole and the second pole.
A gas pressure adjusting method comprising: a conducting step of conducting to the side of the second pole through an ionic conductor sandwiched between the pole and the pole; and a converting step of converting the conducted ions into gas again at the second pole. It is related to.
【0014】本発明のガス圧調整装置及びガス圧調整方
法によれば、前記分解工程と、前記伝導工程と、前記転
化工程とを有し、当該装置中に、機械的な可動部が存在
しないため、小型で、寿命が長く、かつ静寂なガス圧調
整装置とすることができる。According to the gas pressure adjusting apparatus and the gas pressure adjusting method of the present invention, the apparatus has the decomposition step, the conduction step, and the conversion step, and there is no mechanical movable part in the apparatus. Therefore, it is possible to provide a gas pressure adjusting device that is small in size, has a long life, and is quiet.
【0015】ここで、本発明のガス圧調整装置を駆動す
るに際し、例えば、前記高圧容器中の圧力を減少させる
ように前記電気化学セルを機能させることができる。Here, when the gas pressure regulator of the present invention is driven, for example, the electrochemical cell can be made to function so as to reduce the pressure in the high pressure vessel.
【0016】また、前記高圧容器中の圧力を減少又は増
加するように前記電気化学セルを機能させ、本発明に基
づくガス圧調整装置を減加圧装置として動作させること
も可能である。It is also possible to cause the electrochemical cell to function so as to reduce or increase the pressure in the high-pressure container, and operate the gas pressure adjusting device according to the present invention as a depressurizing device.
【0017】これらの場合、本発明に基づくガス圧調整
装置中に、機械的な可動部が存在しないため、小型で、
寿命が長く、かつ静寂な装置とすることができる。ま
た、ひとつの装置で、減圧と加圧機構とを有することが
できるので、上記した従来のガスレギュレータと比べ
て、より一層の装置の小型化を実現できる。In these cases, since there is no mechanical moving part in the gas pressure adjusting device according to the present invention, the device is small in size,
The device can have a long life and can be quiet. Further, since one device can have a pressure reducing and pressurizing mechanism, it is possible to further reduce the size of the device as compared with the conventional gas regulator described above.
【0018】本発明において、前記ガスは常温常圧にお
いて気体状態のガスであることが望ましく、具体的に
は、水素ガス又は酸素ガスであることが望ましい。In the present invention, the gas is preferably a gas that is in a gaseous state at room temperature and atmospheric pressure, specifically, hydrogen gas or oxygen gas.
【0019】また、前記イオン伝導体が、イオン化され
た前記ガスを透過させ得る電解質材料からなる膜である
ことが好ましく、さらに、前記第1極及び第2極が、前
記ガスのイオン解離平衡を可能とする白金等の触媒が担
持された電極膜であることが好ましい。Further, it is preferable that the ionic conductor is a membrane made of an electrolyte material capable of transmitting the ionized gas, and further, the first electrode and the second electrode have an ionic dissociation equilibrium of the gas. It is preferable that the electrode film supports a catalyst such as platinum that can be carried.
【0020】前記電極は、耐熱性を有し、出来るだけ表
面積の大きいこと、また表面に担持された前記触媒を介
して前記イオン伝導体と前記各電極が全面にわたって密
着可能であること、前記イオン伝導体に密着できるよう
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。The electrode has heat resistance and a surface area as large as possible, and the ion conductor and the electrodes can be adhered to each other over the entire surface through the catalyst supported on the surface. It is preferable that it has a certain degree of flexibility so that it can be adhered to a conductor, and that it is an activating electrode.
【0021】従って、前記第1極及び第2極は、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質として、これらをシ
ート状にし、前記イオン伝導体と密着する側に、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体のものを入れたり、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。Therefore, it is preferable that the first pole and the second pole are porous or mesh-like. For example, carbon fiber or porous carbon is used as a material, and these are made into a sheet shape, and are brought into close contact with the ion conductor. It can be prepared by supporting an active catalyst on the side. Further, such a sheet-shaped electrode material may be put or attached with a net-like body made by knitting a metal wire as a core material. By inserting or sticking the metal core material, the conductivity of the electrode itself is improved, and a uniform current distribution can be expected over the entire surface.
【0022】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
のであればよく、他の電極物質でもよい。The catalyst is preferably fine particles of platinum, ruthenium oxide, iridium oxide or the like,
Further, other electrode substances such as silver may be used as long as the reaction for this purpose proceeds, and other electrode substances may be used.
【0023】前記電極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。The catalyst may be supported on the electrode by a conventional method. For example, the catalyst substance or its precursor is supported on the surface of carbon powder, and a treatment such as heating is applied thereto to form catalyst particles. Alternatively, it may be a method of baking it on the electrode surface together with a fluororesin, or an electrode body not carrying the catalyst substance is prepared in advance, and then a precursor of the catalyst substance, for example, a mixed aqueous solution of chloroplatinic acid and ruthenic acid chloride. , Or a butyl alcohol solution as a coating solution, which is applied to the electrode surface, and then in a reducing atmosphere containing hydrogen,
By baking at 200 to 350 ° C., an alloy of platinum and ruthenium can be formed on the electrode surface.
【0024】本発明に基づくガス圧調整装置は、前記電
気化学セルの他方の側に低圧容器が配され、前記電気化
学セルがガス隔壁の役割を果たし、前記電気化学セルの
両側で圧力差が生じた場合に、両電極間のポテンシャル
をコントロールしながら圧力調整を行う手段を有するこ
とが好ましい。また、圧力差から生じた起電力をリレー
等で短絡させるか、或いは可変抵抗器により前記圧力調
整を行うことが好ましい。In the gas pressure adjusting device according to the present invention, a low-pressure container is arranged on the other side of the electrochemical cell, the electrochemical cell serves as a gas partition, and the pressure difference between both sides of the electrochemical cell is small. It is preferable to have a means for adjusting the pressure while controlling the potential between both electrodes when it occurs. Further, it is preferable that the electromotive force generated from the pressure difference is short-circuited by a relay or the like, or the pressure is adjusted by a variable resistor.
【0025】一般に、上記の前記電気化学セルの両側で
圧力差が生じた場合には、この圧力差から起電力が生じ
る。これは、下記式(1)で表される圧力の項の入った
Nernst(ネルンスト)の式として知られている。Generally, when a pressure difference is generated on both sides of the electrochemical cell, an electromotive force is generated from this pressure difference. This is known as a Nernst's equation including a pressure term represented by the following equation (1).
【0026】
E=E0+(RT/2F)ln(P1/P2)・・・式(1)
(但し、前記式(1)において、E0は前記ガスのイオ
ン化電位、Rは気体定数、Tは温度、Fはファラデー定
数、P1及びP2はガス圧力である。)E = E 0 + (RT / 2F) ln (P1 / P2) ... Equation (1) (where E 0 is the ionization potential of the gas, R is the gas constant, (T is temperature, F is Faraday constant, P1 and P2 are gas pressures.)
【0027】本来、隔壁としての前記電気化学セルの両
側で、ガス圧力が同じ場合には全く電位差を生じない
が、一方のガス圧が上がると、前記式(1)におけるl
n(P1/P2)の項による起電力が生じる。Originally, when the gas pressure is the same on both sides of the electrochemical cell as the partition wall, no potential difference occurs, but when one gas pressure rises, l in the above formula (1) is increased.
An electromotive force is generated by the term of n (P1 / P2).
【0028】例えば、前記ガスが水素ガスの場合には、
前記電極に担持された白金等の触媒上で、下記式(2)
に示すような平衡が存在する。
H2⇔2H+2e-・・・式(2)For example, when the gas is hydrogen gas,
On the catalyst such as platinum supported on the electrode, the following formula (2)
There is an equilibrium as shown in. H 2 ⇔2H + 2e - ··· formula (2)
【0029】この電気化学的平衡は、圧力が上昇すると
そのストレスを緩和するようにシフトするが、この反応
平衡が体積の変化を伴うものであることが非常に重要な
意味を持つ。即ち、圧力が高くなるとそれを緩和するよ
うに平衡は右へシフトする。そうすると電子が多く電極
に流れ込み、電位が高くなる。これと同時に、前記高圧
容器側のイオン伝導体にはプロトン(H+)が多く注入
され、低圧容器側へ拡散しようとする。The electrochemical equilibrium shifts so as to relieve the stress when the pressure rises, but it is very important that the reaction equilibrium is accompanied by a change in volume. That is, as the pressure increases, the equilibrium shifts to the right so as to alleviate it. Then, many electrons flow into the electrode and the potential becomes high. At the same time, a large amount of protons (H + ) are injected into the ionic conductor on the side of the high pressure vessel, and they try to diffuse to the side of the low pressure vessel.
【0030】しかしながら、低圧容器側まで拡散してき
たプロトンは電子と再結合しないと水素ガスに戻れな
い。従って、両電極の間の電位差を一定にするような電
気的短絡を行うと、低圧容器側でプロトンと電子の再結
合が起こり、見かけ上、高圧容器側から低圧容器側へ水
素ガスが流れる。However, the protons that have diffused to the low-pressure container side cannot return to hydrogen gas unless they are recombined with electrons. Therefore, when an electrical short circuit is performed to make the potential difference between both electrodes constant, recombination of protons and electrons occurs on the low-pressure container side, and hydrogen gas apparently flows from the high-pressure container side to the low-pressure container side.
【0031】このプロセスで要求されることは、前記イ
オン伝導体のガス遮断性である。後述するように、例え
ば、前記ガスとして水素ガスを用いた場合には、前記イ
オン伝導体としてはフラーレンなどをベースとするプロ
トン伝導体が有用である。What is required in this process is the gas barrier property of the ionic conductor. As will be described later, for example, when hydrogen gas is used as the gas, a proton conductor based on fullerene or the like is useful as the ionic conductor.
【0032】また、基本的には前記イオン伝導体を通過
できるのは特定のガスのイオンのみであるので、前記電
気化学セルはガス精製フィルターとしての機能も有す
る。従って、前記ガスとして水素ガスを用いる場合に
は、燃料電池などの電気化学デバイスに一定の圧力で水
素ガスを供給するためのレギュレータとして最適であ
る。Further, basically, only ions of a specific gas can pass through the ionic conductor, so that the electrochemical cell also has a function as a gas purification filter. Therefore, when hydrogen gas is used as the gas, it is optimal as a regulator for supplying hydrogen gas to an electrochemical device such as a fuel cell at a constant pressure.
【0033】上記したように、本発明の根幹は圧力依存
のNernstの式(上記の式(1))である。両電極
間で圧力差が生じた場合、両電極の電位をリレー等で短
絡させ、或いは可変抵抗器により両電極のポテンシャル
をコントロールしながら圧力調整を行うことを可能とす
る。As described above, the basis of the present invention is the pressure-dependent Nernst equation (equation (1) above). When a pressure difference occurs between both electrodes, it is possible to short-circuit the potential of both electrodes with a relay or the like, or to perform pressure adjustment while controlling the potential of both electrodes with a variable resistor.
【0034】また、ガス隔壁として作用する前記電気化
学セルの両側は密閉容器となっており、一方側が高圧ガ
スタンクとして、他方側がガス消費系に接続している場
合に、前記他方側の密閉容器中に圧力センサーが設置さ
れ、この圧力センサーが前記電気化学セルの両電極間に
接続したリレースイッチと連動し、ガス消費を補うよう
に機能させることが可能である。Further, both sides of the electrochemical cell acting as a gas partition are hermetically sealed containers, and when one side is connected as a high pressure gas tank and the other side is connected to a gas consuming system, in the hermetically sealed container on the other side. A pressure sensor is installed in the fuel cell, and this pressure sensor can be linked to a relay switch connected between both electrodes of the electrochemical cell to function to supplement gas consumption.
【0035】図1は、本発明に基づくガス圧調整装置の
概略断面図である。なお、前記ガスとして水素ガスを用
いた場合を示す。FIG. 1 is a schematic sectional view of a gas pressure adjusting device according to the present invention. The case where hydrogen gas is used as the gas is shown.
【0036】図1に示すように、本発明に基づくガス圧
調整装置は、白金等の触媒を担持した触媒電極1、2
と、これらの電極1、2に挟持されたプロトン伝導体3
とからなる電気化学セル4を隔壁とし、この電気化学セ
ル4の両側に設置された高圧容器5及び低圧容器6から
構成されている。容器5、6には真空ライン7を介して
真空ポンプ8を配し、また、H2リザーバー9及びガス
フローメーター10を連結した。また、容器5、6には
リード導入端子11、12を接続した。なお、ガスフロ
ーメーター10の先には、図示省略したが水素ガスを燃
料とする発電デバイスが接続されている。As shown in FIG. 1, the gas pressure adjusting apparatus according to the present invention comprises a catalyst electrode 1, 2 carrying a catalyst such as platinum.
And the proton conductor 3 sandwiched between these electrodes 1 and 2.
The electrochemical cell 4 is composed of a high pressure vessel 5 and a low pressure vessel 6 installed on both sides of the electrochemical cell 4. A vacuum pump 8 was arranged in the containers 5 and 6 via a vacuum line 7, and an H 2 reservoir 9 and a gas flow meter 10 were connected. Further, lead introducing terminals 11 and 12 were connected to the containers 5 and 6, respectively. Although not shown, a power generation device using hydrogen gas as a fuel is connected to the tip of the gas flow meter 10.
【0037】まず、バルブ13、14、17を閉じて、
バルブ15、16を開放し、真空ポンプ8を用いて容器
5、6内を真空とした。次いで、バルブ15、16を閉
じて、バルブ13、14を開放し、H2リザーバー9に
よって両容器5、6中に10気圧の水素ガスを導入して
バルブを閉じた。その後、バルブ17を開放して低圧容
器6のみ1atmとした。First, the valves 13, 14, 17 are closed,
The valves 15 and 16 were opened, and the inside of the containers 5 and 6 was evacuated using the vacuum pump 8. Next, the valves 15 and 16 were closed, the valves 13 and 14 were opened, and hydrogen gas of 10 atm was introduced into both the containers 5 and 6 by the H 2 reservoir 9 to close the valves. After that, the valve 17 was opened and only the low pressure container 6 was set to 1 atm.
【0038】このとき、電気化学セル4の両端に接続し
たリード間の電圧差を測定したところ、約100mVで
あった。At this time, the voltage difference between the leads connected to both ends of the electrochemical cell 4 was measured and found to be about 100 mV.
【0039】次いで、電気化学セル4の両電極間を短絡
し、高圧容器5の圧力変化を測定した。図2は、時間の
経過による高圧容器5の圧力変化を示すグラフである。
図2によれば、時間の経過と共に高圧容器5内の圧力は
減少し、前記リレーによる短絡が機能していることがわ
かった。Next, the electrodes of the electrochemical cell 4 were short-circuited, and the pressure change in the high-pressure container 5 was measured. FIG. 2 is a graph showing changes in pressure of the high-pressure container 5 over time.
According to FIG. 2, it was found that the pressure in the high-pressure container 5 decreased with the passage of time, and the short circuit by the relay was functioning.
【0040】プロトン伝導体3は、フラーレン分子と、
炭素を主成分とするクラスターと、筒状又は線状炭素の
構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からな
る物質を主成分とし、この物質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誘導体によって構成さ
れていることが望ましい(以下に示すその他の発明も同
様である。)。The proton conductor 3 includes fullerene molecules and
A substance containing at least one selected from the group consisting of a cluster containing carbon as a main component and a tubular or linear carbon structure is contained as a main component, and a proton-dissociative group is present at a carbon atom constituting the substance. It is desirable to be constituted by a derivative obtained by introducing the above (the same applies to other inventions shown below).
【0041】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。Here, the "proton-dissociable group" means a functional group capable of releasing a proton by ionization,
Further, “proton dissociation” means that a proton is separated from a functional group by ionization.
【0042】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、C
76、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。The fullerene molecule, which is a parent substance into which the proton-dissociable group is introduced, is not particularly limited as long as it is a spherical shell cluster molecule Cm (m is a natural number that allows Cm to form a spherical shell structure). , Usually C 36 , C 60 , C 70 , C
76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 , C 86 , C 88 , C 90 ,
A single substance of a fullerene molecule selected from C 92 , C 94 , C 96 and the like, or a mixture of two or more kinds thereof is preferably used.
【0043】これらのフラーレン分子は、1985年に
炭素のレーザ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.; Hea
th,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。These fullerene molecules were discovered in 1985 in the mass spectrometric spectrum of a cluster beam produced by laser ablation of carbon (Kroto, HW; Hea).
th, JR; O'Brien, SC; Curl, RF; Smalley, RE
Nature 1985. 318, 162.). It was only five years later that the manufacturing method was actually established. In 1990, a manufacturing method of a carbon electrode by an arc discharge method was found, and since then, fullerenes have attracted attention as a carbon-based semiconductor material. It was
【0044】図3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(Fullereno
l)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)。As shown in FIG. 3, fullereno (Fullereno) having a structure in which a plurality of hydroxyl groups are added to a fullerene molecule is added.
l) was first reported as a synthetic example by Chiang et al. in 1992 (Chiang, LY; Swirczewski, JW; Hsu,
CS; Chowdhury, SK; Cameron, S .; Creegan, K.,
J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791).
【0045】本発明者は、そうしたフラレノールを図4
(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したとこ
ろ、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)を発揮することを初めて知
見することができた。The present inventor has shown such a fullerenol in FIG.
An aggregate was formed as schematically shown in (A), and when the hydroxyl groups of adjacent fullerenol molecules (in the figure, ○ represents a fullerene molecule) were allowed to interact with each other, the aggregate was macroscopic. It was for the first time able to discover that the aggregate exerts high proton conduction properties (in other words, dissociation of H + from the phenolic hydroxyl group of the fullerenol molecule).
【0046】本発明に基づくガス圧調整装置によれば、
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イオン伝導体として用いるこ
ともできる。OH基がOSO3H基と置き換わった図4
(B)に示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち硫
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.; Wan
g, 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。According to the gas pressure adjusting device of the present invention,
In addition to the above fullerenol, for example, an aggregate of fullerenes having a plurality of —OSO 3 H groups can be used as the ion conductor. Figure 4 with OH groups replaced by OSO 3 H groups.
Polyhydroxylated fullerenes as shown in (B), ie hydrogen sulfate esterified fullerenol, were also reported by Chiang et al. In 1994 (Chiang, LY; Wan
g, LY; Swirczewski, JW; Soled, S .; Cameron, S.,
J. Org. Chem. 1994, 59, 3960). Fullerene that has been converted to hydrogen sulfate has OSO 3 H in one molecule.
Some may contain only a group, or a plurality of groups and a plurality of hydroxyl groups may be included.
【0047】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、それがバルクと
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、低湿度雰囲気下においても、継続的に使
用することができる。When a large number of the above-mentioned fullerenol and hydrogen sulfate esterified fullerenol are aggregated, the proton conductivity exhibited as a bulk is such that a large amount of hydroxyl groups originally contained in the molecule or protons derived from the OSO 3 H group are transferred. Since it is directly involved, it can be continuously used even in a low humidity atmosphere.
【0048】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。Further, fullerene, which is a base material of these molecules, has a particularly electrophilic property, which promotes ionization of hydrogen ions not only in the highly acidic OSO 3 H group but also in the hydroxyl group. It is thought that it contributes greatly to the above, and shows excellent proton conductivity. In addition, since a large number of hydroxyl groups and OSO 3 H groups can be introduced into one fullerene molecule, the number density of protons involved in conduction per unit volume of the conductor becomes very large. Expresses a specific conductivity.
【0049】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ている。Since most of the fullerenol and the fullerene hydrogen sulfate ester fullerenol are composed of carbon atoms of fullerenes, they are light in weight, hardly deteriorated, and contain no contaminants. The manufacturing cost of fullerenes is also rapidly decreasing. From a resource, environmental and economic standpoint, fullerenes are considered to be more ideal carbonaceous materials than any other material.
【0050】更に、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。Further, the above-mentioned proton-dissociative group need not be limited to the above-mentioned hydroxyl group or OSO 3 H group.
【0051】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−YO
H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。That is, this dissociative group is represented by the formula -XH, and X may be any atom or atomic group having a divalent bond. Furthermore, this group has the formula --OH or --YO.
It is represented by H, and Y may be any atom or atomic group having a divalent bond.
【0052】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。Specifically, as the proton-dissociative group, in addition to -OH and -OSO 3 H, -COOH, -O.
SO 3 H, -OPO (OH) 2, any of -C 6 H 4 -SO 3 H is preferred.
【0053】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。In order to synthesize the above-mentioned fullerenol which can be used in the present invention, the powder of fullerene molecule is subjected to appropriate combination of known treatments such as acid treatment and hydrolysis to form carbon atoms of the fullerene molecule. A desired group can be introduced into.
【0054】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、電気化学セル4の
プロトン伝導体3に利用することができる。The obtained fullerene derivative can be formed into a film by coating or vapor deposition and used as the proton conductor 3 of the electrochemical cell 4.
【0055】プロトン伝導体3が実質的に上記フラーレ
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。The proton conductor 3 may consist essentially of the above fullerene derivative, or may be bound by a binder.
【0056】プロトン伝導体3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プロトン伝導体3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、プロトン伝導体3として用いる場合、上記
結合剤によって強度の十分なプロトン伝導体を形成でき
る。When the proton conductor 3 substantially consists of the fullerene derivative, it can be used as a film-shaped proton conductor 3 obtained by pressure-molding the fullerene derivative. When the fullerene derivative bound by the binder is used as the proton conductor 3, the binder can form a proton conductor having sufficient strength.
【0057】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体
も、上記フラーレン誘導体のみからなるプロトン伝導体
と同様のプロトン伝導性を発揮することができる。As the polymer material that can be used as the binder, one or more known polymers having film-forming properties are used. The proton conductor having such a structure can also exhibit the same proton conductivity as that of the above-mentioned proton conductor made of only the fullerene derivative.
【0058】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プロトン伝導性
薄膜(厚みは通常300μm以下)3として用いること
ができる。Further, unlike the case of the fullerene derivative alone, a film-forming property derived from a polymer material is imparted, and the strength is greater than that of the powder compression molded product of the fullerene derivative, and the flexibility having the gas permeation preventing ability is provided. It can be used as a simple proton conductive thin film (thickness is usually 300 μm or less) 3.
【0059】尚、上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もたず、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。The polymer material is not particularly limited as long as it does not hinder the conductivity of protons (due to the reaction with the fullerene derivative) as much as possible and has a film forming property. Usually, those having no electron conductivity and good stability are used, and specific examples thereof include polyfluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol and the like, and these are also for the reason described below. , A preferred polymeric material.
【0060】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、100
μmから1μmまでと薄くできる。First, polytetrafluoroethylene is preferable because it is possible to easily form a thin film having a higher strength with a smaller amount than other polymer materials. The compounding amount in this case is 3% by weight or less, preferably 0.5 to
A small amount of 1.5% by weight is enough, and the thickness of the thin film is usually 100.
It can be made as thin as μm to 1 μm.
【0061】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、選りすぐれたガス透過防止
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。Polyvinylidene fluoride and polyvinyl alcohol are preferable because a proton conductive thin film having a selected gas permeation preventing ability can be obtained.
In this case, the blending amount is preferably in the range of 5 to 15% by weight.
【0062】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。If the blending amount of polyfluoroethylene, polyvinylidene fluoride or polyvinyl alcohol is less than the lower limit of each of the above ranges, the film formation may be adversely affected.
【0063】ここで、各フラーレン誘導体が結合剤によ
って結着されてなるプロトン伝導体の薄膜を得るには、
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。Here, in order to obtain a proton conductor thin film in which each fullerene derivative is bound by a binder,
Known film forming methods such as pressure molding and extrusion molding may be used.
【0064】なお、本発明に基づくガス圧調整装置は、
取り扱い、小型化の点からは、電極1、2とプロトン伝
導体3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。The gas pressure adjusting device according to the present invention is
From the viewpoints of handling and downsizing, it is preferable that the electrodes 1 and 2 and the fullerene derivative as the proton conductor 3 are in a flexible sheet shape having physically sufficient strength.
【0065】電気化学セル4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、効率的に減圧等の水素ガス圧調整を行うこ
とができる。Since the electrochemical cell 4 can function well in the atmosphere, it is possible to efficiently adjust the hydrogen gas pressure such as decompression without adjusting the temperature and humidity during operation. it can.
【0066】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プロトン伝導体3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、加湿装置等がなくても、低湿度状態
の大気中においても機能する。Since a fullerene derivative obtained by introducing a proton dissociative group into a carbon atom constituting a fullerene molecule such as fullerenol is used as a constituent material of the proton conductor 3, it is an H 3 O + ion conductor. Unlike the case where Nafion is used, it functions even in a low humidity atmosphere without a humidifier or the like.
【0067】即ち、低湿度状態の大気中にて、例えば水
素ガスを減圧することができるので、定常運転までに時
間をかけず、水素減圧時の初動作を早くすることができ
る。なお、例えば加湿装置を設け、水分を存在させて同
様に水素ガスを減圧してもよいが、本発明はこれを要件
とするものではない。That is, for example, hydrogen gas can be depressurized in the low-humidity atmosphere, so that it is possible to speed up the initial operation when depressurizing hydrogen without taking time until steady operation. It should be noted that, for example, a humidifier may be provided to allow the presence of water to similarly depressurize the hydrogen gas, but the present invention does not require this.
【0068】また、H3O+イオン伝導体であるナフィオ
ンを用いた場合、水素の圧縮と共に、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、本発明に基
づくガス圧調整装置は、除湿装置等がなくても、水素ガ
スの減圧等のガス圧調整を可能とする。Further, when Nafion, which is an H 3 O + ion conductor, is used, water is generated together with the compression of hydrogen, so a dehumidifying device is required, whereas the gas pressure based on the present invention is required. The adjusting device enables adjustment of gas pressure such as decompression of hydrogen gas without a dehumidifying device or the like.
【0069】さらに、加湿処理を施さなくても、効率的
に電気化学的減圧作用を行うことができるので、減圧さ
れた前記水素ガスの水分含有量が少ない。このために、
後工程としての除湿工程を不用とすることができる。Furthermore, since the electrochemical decompression action can be efficiently performed without performing the humidification treatment, the decompressed hydrogen gas has a small water content. For this,
The dehumidification process as a post process can be dispensed with.
【0070】従って、電気化学セル4は効率的に前記水
素ガス圧を調整することができ、本発明に基づく装置
は、よりコンパクトで汎用性の高い装置である。Therefore, the electrochemical cell 4 can efficiently adjust the hydrogen gas pressure, and the device according to the present invention is a more compact and versatile device.
【0071】また、本発明においては、上記のプロトン
伝導体として、フラーレン誘導体に代えて、例えば炭素
系電極のアーク放電法によりカーボン粉末からなるクラ
スターを得、このカーボン粉末の酸処理等を経て、この
カーボン粉末にプロトン(H +)解離性の基を導入して
なるクラスター誘導体を用いることができる。Further, in the present invention, the above-mentioned proton
As a conductor, instead of the fullerene derivative, for example, carbon
Class consisting of carbon powder by arc discharge method of system electrode
After obtaining a star and subjecting this carbon powder to acid treatment, etc.
Proton (H +) Introducing a dissociative group
Can be used.
【0072】ここで、上記クラスターとは通常は、数個
から数百個の原子が結合又は凝集して形成されている集
合体のことであり、この凝集(集合)体によってプロト
ン伝導性能が向上すると同時に、化学的性質を保持して
膜強度が十分となり、層を形成し易い。また、このクラ
スターは炭素を主成分とするものであって、炭素原子
が、炭素−炭素間結合の種類は問わず数個から数百個結
合して形成されている集合体のことである。ただし、必
ずしも100%炭素クラスターのみで構成されていると
は限らず、他原子の混在もあり得る。このような場合も
含めて、炭素原子が多数を占める集合体を炭素クラスタ
ーと呼ぶこととする。Here, the above-mentioned cluster is generally an aggregate formed by bonding or aggregating several to several hundred atoms, and the aggregate (aggregate) improves the proton conductivity. At the same time, the chemical strength is maintained and the film strength becomes sufficient, and the layer is easily formed. Further, this cluster is mainly composed of carbon, and is an aggregate formed by bonding several to several hundred carbon atoms regardless of the type of carbon-carbon bond. However, it is not always composed of only 100% carbon clusters, and other atoms may be mixed. Including such a case, an aggregate having a large number of carbon atoms will be referred to as a carbon cluster.
【0073】上記のプロトン伝導体は、母体としての炭
素クラスターにプロトン解離性の基を導入したものを主
成分とするので、乾燥状態でもプロトンが解離し易く、
プロトン伝導性を始め、前記したプロトン伝導体と類似
した効果を奏することができる。しかも、前記炭素クラ
スターの範ちゅうには後述するように多種類の炭素質が
含まれるので、炭素質原料の選択幅が広いという効果も
奏することができる。Since the main component of the above-mentioned proton conductor is a carbon cluster as a base into which a proton-dissociative group is introduced, the protons are easily dissociated even in a dry state.
In addition to the proton conductivity, the same effects as those of the above-mentioned proton conductor can be obtained. Moreover, since a wide variety of carbonaceous materials are included in the range of the carbon clusters, as will be described later, it is possible to achieve an effect that the selection range of the carbonaceous material is wide.
【0074】この場合、母体に炭素クラスターを用いる
のは、良好なプロトン伝導性を付与するためには、大量
のプロトン解離性の基を導入することが必要であり、こ
れは炭素クラスターによって可能になるからである。し
かし、そうすると、固体状のプロトン伝導体の酸性度が
著しく大きくなるが、炭素クラスターは外の通常の炭素
質と違って酸化劣化し難く、耐久性に優れており、構成
原子間が密に結合し合っているために、酸性度が大であ
っても原子間の結合がくずれることはなく(即ち、化学
的に変化しにくいため)、膜構造を維持することができ
る。In this case, the use of carbon clusters in the matrix requires the introduction of a large amount of proton-dissociative groups in order to impart good proton conductivity, which is possible with carbon clusters. Because it will be. However, if so, the acidity of the solid proton conductor is significantly increased, but unlike ordinary carbonaceous materials, carbon clusters are less prone to oxidative degradation, have superior durability, and have a tight bond between constituent atoms. Since they are in close contact with each other, the bond between atoms is not broken even if the acidity is high (that is, it is difficult to chemically change), and the film structure can be maintained.
【0075】このような構成のプロトン伝導体も、乾燥
状態でも高いプロトン伝導性を発揮することができ、図
5〜図8に示すような各種のものがあり、プロトン伝導
体の原料としての選択の幅が広いものである。The proton conductor having such a structure can also exhibit high proton conductivity even in a dry state, and there are various kinds as shown in FIGS. 5 to 8, which are selected as raw materials for the proton conductor. Is wide.
【0076】まず、図5に示すものは、炭素原子が多数
個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する
閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターである(但
し、分子状のフラーレンも併せて示す)。それに対し
て、それらの球構造の一部が欠損した炭素クラスターを
図6に種々示す。この場合は、構造中に開放端を有する
点が特徴的であり、このような構造体は、アーク放電に
よるフラーレンの製造過程で副生成物として数多く見ら
れるものである。炭素クラスターの大部分の炭素原子が
SP3結合していると、図7に示すようなダイヤモンド
の構造を持つ種々のクラスターとなる。First, FIG. 5 shows various carbon clusters having a closed surface structure similar to spheres or spheroids formed by assembling a large number of carbon atoms (however, molecular clusters Fullerene is also shown). On the other hand, various carbon clusters lacking a part of their spherical structure are shown in FIG. In this case, the structure is characterized by having an open end, and such a structure is often found as a by-product in the process of producing fullerenes by arc discharge. When most of the carbon atoms in the carbon clusters are SP3 bonded, various clusters having a diamond structure as shown in FIG. 7 are formed.
【0077】大部分の炭素原子がSP2結合しているク
ラスターは、グラファイトの平面構造を持つか、あるい
はフレーレンやナノチューブの全体又は一部の構造を有
する。このうち、グラファイトの構造を有するものは、
クラスターに電子伝導性を持つものが多いため、プロト
ン伝導体の母体としては好ましくない。The cluster in which most of the carbon atoms are SP2-bonded has the planar structure of graphite, or the whole or part of the structure of fullerenes and nanotubes. Of these, those with a graphite structure are
Since many of the clusters have electronic conductivity, they are not preferable as the matrix of the proton conductor.
【0078】それに対し、フラーレンやナノチューブの
SP2結合は、一部にSP3結合の要素を含んでいるた
め、電子伝導性をもたないものが多く、プロトン伝導体
の母体として好ましい。On the other hand, since the SP2 bond of fullerene or nanotube partially contains the element of SP3 bond, many of them do not have electron conductivity and are preferable as the matrix of the proton conductor.
【0079】図8は、クラスター同士が結合した場合を
種々示すものであり、このような構造体でも、本発明に
適用できる。FIG. 8 shows various cases in which clusters are bonded to each other, and such a structure can also be applied to the present invention.
【0080】本発明においては、前記炭素クラスターを
構成する炭素原子に、上述したプロトン解離性の基を導
入することが必要である。このプロトン解離性の基の導
入手段としては、次の製造方法が好ましい。In the present invention, it is necessary to introduce the above-mentioned proton dissociative group into the carbon atoms constituting the carbon cluster. As a means for introducing the proton dissociable group, the following production method is preferable.
【0081】即ち、まず炭素系電極のアーク放電によっ
てカーボン粉末からなる炭素クラスターを製造し、続い
てこの炭素クラスターを酸処理するか(硫酸などを用い
る)、更に加水分解等の処理を行うか、または更にスル
ホン化又はリン酸エステル化等を適宜行うことによっ
て、目的生成物である炭素クラスター誘導体を容易に得
ることができる。That is, first, carbon clusters made of carbon powder are manufactured by arc discharge of a carbon-based electrode, and then the carbon clusters are subjected to acid treatment (using sulfuric acid or the like) or further treatment such as hydrolysis. Alternatively, a carbon cluster derivative as a target product can be easily obtained by appropriately performing sulfonation or phosphoric acid esterification.
【0082】この炭素クラスター誘導体はそのまま、バ
インダーなしで膜状やペレットなどの形状に加圧成形す
ることができる。本発明において、母体である炭素クラ
スターは長軸の長さが100nm以下のもの、とくに1
00Å以下のものが好ましく、それに導入する前記基の
数は2以上が望ましい。This carbon cluster derivative can be directly pressure-molded into a film-like or pellet-like shape without a binder. In the present invention, the base carbon cluster has a major axis length of 100 nm or less, particularly 1
It is preferably 00 Å or less, and the number of the groups introduced therein is preferably 2 or more.
【0083】さらに前記炭素クラスターとして、籠状構
造体(フラーレンなど)又は少なくとも一部に開放端を
もつ構造体が好ましい。このような欠陥構造のフラーレ
ンは、フラーレンの反応性をもつと同時に、加えて欠陥
部すなわち開放部は更に高い反応性を持つ。したがっ
て、酸処理等によって酸(プロトン)解離性の置換基導
入が促進され、より高い置換基導入率が得られ、高いプ
ロトン伝導性が得られる。また、フラーレンに比べて大
量に合成することが可能となり、非常に安価に生産でき
る。Further, as the carbon cluster, a cage structure (fullerene or the like) or a structure having an open end at least in part is preferable. The fullerene having such a defect structure has the reactivity of the fullerene, and at the same time, the defect portion, that is, the open portion has higher reactivity. Therefore, the acid (proton) dissociative substituent introduction is promoted by an acid treatment or the like, a higher substituent introduction rate is obtained, and high proton conductivity is obtained. In addition, it is possible to synthesize a large amount as compared with fullerene, and it is possible to produce at a very low cost.
【0084】他方、本発明のプロトン伝導体の母材とし
て、筒状又は線状炭素の構造体を用いることが好まし
い。前記筒状炭素の構造体としては、チューブ状、例え
ばカーボンナノチューブであることが好ましい。また、
前記線状炭素の構造体としては、ファイバー状の形状、
例えばカーボンファイバーであることが好ましい。On the other hand, it is preferable to use a tubular or linear carbon structure as the base material of the proton conductor of the present invention. The tubular carbon structure is preferably tubular, for example, carbon nanotube. Also,
As the linear carbon structure, a fiber-like shape,
For example, carbon fiber is preferable.
【0085】上記カーボンナノチューブ又は上記カーボ
ンファイバーは、構造上電子を放出し易く、表面積を非
常に大きくすることができるので、一層プロトン伝搬効
率の向上を図ることができる。The carbon nanotubes or the carbon fibers are structurally easy to emit electrons and have a very large surface area, so that the proton propagation efficiency can be further improved.
【0086】ここで好適に使用可能な上記カーボンナノ
チューブ又は上記カーボンファイバーは、アーク放電法
又は化学的気相成長法(熱CVD法)により製造するこ
とが可能である。The carbon nanotubes or carbon fibers that can be preferably used here can be produced by an arc discharge method or a chemical vapor deposition method (thermal CVD method).
【0087】アーク放電法では、例えばFeS、Ni、
Co等の金属触媒を用い、アーク放電チャンバーを用い
てHe雰囲気下(例えば150Torr)で合成し、ア
ーク放電でチャンバー内壁に布状に付着させることによ
り、例えば上記カーボンナノチューブを得ることができ
る。ここで、上記触媒を共存させた場合は、径の細い上
記カーボンナノチューブを得ることができ、無触媒の条
件下でアーク放電を行った場合は、径の太い多層からな
る上記カーボンナノチューブを得ることができる。In the arc discharge method, for example, FeS, Ni,
For example, the above carbon nanotubes can be obtained by synthesizing in a He atmosphere (for example, 150 Torr) by using an arc discharge chamber using a metal catalyst such as Co, and by adhering it to the inner wall of the chamber in a cloth shape by arc discharge. Here, when the catalyst is coexistent, the carbon nanotubes having a small diameter can be obtained, and when arc discharge is performed under a non-catalyst condition, the carbon nanotubes having a large diameter are obtained. You can
【0088】上記のように例えば無触媒の条件下でアー
ク放電を行うことによって生成することができる、図9
(A)の斜視図及び同図(B)の一部断面図に示すよう
な多層カーボンナノチューブのグラフェン構造(円筒状
構造)は、欠陥のない高品質なカーボンナノチューブで
あり、これは電子放出材料として非常に高性能であるこ
とが知られている。As described above, it can be produced, for example, by performing arc discharge under the condition of no catalyst.
The graphene structure (cylindrical structure) of the multi-walled carbon nanotube as shown in the perspective view of (A) and the partial cross-sectional view of (B) is a high-quality carbon nanotube without defects, which is an electron emission material. Is known to have extremely high performance.
【0089】上記のようにして、アーク放電法により得
られたカーボンナノチューブに上述と同様の処理によっ
て、プロトン解離性の基を導入することができ、乾燥状
態でもプロトン伝導性に優れたプロトン伝導体が得られ
る。As described above, a proton dissociative group can be introduced into the carbon nanotubes obtained by the arc discharge method by the same treatment as described above, and a proton conductor excellent in proton conductivity even in a dry state. Is obtained.
【0090】化学的気相成長法は、遷移金属微粒子とア
セチレン、ベンゼン、エチレン等の炭化水素やCOとを
反応させることにより、上記カーボンナノチューブ又は
上記カーボンファイバーを合成する手法である。遷移金
属基板又はコート基板を炭化水素やCOガスと反応させ
ることによって、上記基板上に上記カーボンナノチュー
ブ又は上記カーボンファイバーを堆積させる。The chemical vapor deposition method is a method of synthesizing the above-mentioned carbon nanotubes or the above-mentioned carbon fibers by reacting the transition metal fine particles with a hydrocarbon such as acetylene, benzene, ethylene or CO. By reacting the transition metal substrate or the coated substrate with hydrocarbon or CO gas, the carbon nanotubes or the carbon fibers are deposited on the substrate.
【0091】例えば、700℃で加熱されたアルミナチ
ューブ内にNi基板を配置して、トルエン/H2ガス
(例えば100sccm)と反応させることにより、図
9(C)の斜視図に示すような構造を有する上記カーボ
ンファイバーを合成することが可能である。For example, by placing a Ni substrate in an alumina tube heated at 700 ° C. and reacting it with toluene / H 2 gas (for example, 100 sccm), a structure as shown in the perspective view of FIG. 9C is obtained. It is possible to synthesize the above carbon fiber having
【0092】ここで、上記カーボンナノチューブのアス
ペクト比が1:1000〜1:10であることが好まし
く、また上記カーボンファイバーのアスペクト比が1:
5000〜1:10であることが好ましい。また、上記
筒状又は線状炭素の構造体の径が0.001〜0.5μ
mであることが好ましく、長さは1〜5μmであること
が好ましい。Here, the carbon nanotube preferably has an aspect ratio of 1: 1000 to 1:10, and the carbon fiber has an aspect ratio of 1: 100.
It is preferably 5000 to 1:10. The diameter of the cylindrical or linear carbon structure is 0.001 to 0.5 μ.
The length is preferably 1 to 5 μm.
【0093】本発明に基づく装置は、圧力隔壁として機
能させる前記電気化学的セルが一枚のみ配されていれば
よいが、ガス流動方向に複数個並んで配され、多段構造
を有していてもよい。特に、前記電気化学セルの両側に
配された容器中の圧力の差が大きい場合には、数枚の電
気化学セルを用いることが必須である。The apparatus according to the present invention has only one electrochemical cell that functions as a pressure partition, but a plurality of electrochemical cells are arranged side by side in the gas flow direction and have a multi-stage structure. Good. In particular, when there is a large difference in pressure in the containers arranged on both sides of the electrochemical cell, it is essential to use several electrochemical cells.
【0094】また、本発明は、水素ガスをプロトンに分
解する第1極、前記第1極で発生した前記プロトンを再
び水素ガスに転化する第2極、及びこれらの両極間に挟
持されたプロトン伝導体からなる電気化学セルと、この
電気化学セルの前記第1極側に配され、水素ガスを含む
気体状物質を収容する高圧容器とを有し、前記電気化学
セルが前記高圧容器中の圧力を減少させるように機能す
る減圧部と、前記減圧部における前記第2極側に接して
配された水素ガス貯蔵部と、前記水素ガス貯蔵部に接し
て配され、前記水素ガス貯蔵部から供給される水素ガス
をプロトンに分解する第3極と、前記第3極で発生した
前記プロトンを水に転化する第4極と、これらの両極間
に挟持されたプロトン伝導体とからなり、前記第4極で
前記プロトンを水に転化すると共に、前記第3極と前記
第4極との間で電気化学エネルギーを取り出すガス消費
部とから構成されてなる電気化学デバイスに係るもので
ある。The present invention also provides a first electrode for decomposing hydrogen gas into protons, a second electrode for converting the protons generated at the first electrode into hydrogen gas again, and a proton sandwiched between these two electrodes. An electrochemical cell made of a conductor; and a high-pressure container arranged on the first electrode side of the electrochemical cell and containing a gaseous substance containing hydrogen gas. A decompression section that functions to reduce the pressure, a hydrogen gas storage section that is disposed in contact with the second electrode side of the decompression section, and a hydrogen gas storage section that is disposed in contact with the hydrogen gas storage section. A third electrode for decomposing the supplied hydrogen gas into protons, a fourth electrode for converting the protons generated at the third electrode into water, and a proton conductor sandwiched between the two electrodes. At the 4th pole, the proton is With the conversion, but according to an electrochemical device comprising it is composed of a gas-consuming unit to take out the electrochemical energy between said third pole and the fourth pole.
【0095】ここで、本発明の電気化学デバイスの駆動
方法としては、例えば、前記減圧部を駆動するに際し、
前記高圧容器中の圧力を減少させるように前記電気化学
セルを機能させ、前記水素ガス貯蔵部を前記減圧部にお
ける前記第2極側に接して配し、前記水素ガス貯蔵部か
ら供給される水素ガスをプロトンに分解する第3極と、
前記第3極で発生した前記プロトンを水に転化する第4
極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導体とか
らなる前記ガス消費部を、前記水素ガス貯蔵部に接して
配し、前記第4極で前記プロトンを水に転化すると共
に、前記第3極と前記第4極との間で電気化学エネルギ
ーを取り出すことが望ましい。Here, as a method of driving the electrochemical device of the present invention, for example, when driving the decompression section,
The electrochemical cell is caused to function so as to reduce the pressure in the high-pressure container, the hydrogen gas storage section is arranged in contact with the second pole side of the decompression section, and hydrogen supplied from the hydrogen gas storage section is provided. A third electrode that decomposes gas into protons,
A fourth for converting the protons generated at the third pole into water
The gas consuming portion consisting of a pole and a proton conductor sandwiched between these electrodes is arranged in contact with the hydrogen gas storage portion, and the proton is converted into water at the fourth pole, and It is desirable to extract electrochemical energy between the third pole and the fourth pole.
【0096】本発明の電気化学デバイスによれば、上述
した本発明に基づくガス圧調整装置と同様にして、電気
化学デバイス中に、機械的な可動部が存在しないため、
小型で、寿命が長く、かつ静寂な装置とすることができ
る。According to the electrochemical device of the present invention, similarly to the gas pressure adjusting apparatus according to the present invention described above, since there is no mechanical moving part in the electrochemical device,
The device can be small, long-lived, and quiet.
【0097】図10は、本発明に基づく電気化学デバイ
スの概略断面図である。FIG. 10 is a schematic sectional view of an electrochemical device according to the present invention.
【0098】図10に示すように、減圧部18は、水素
ガスをプロトンに分解する第1極1と、第1極1で発生
した前記プロトンを再び水素ガスに転化する第2極2
と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導体3とか
らなる電気化学セル4と、この電気化学セル4の第1極
1側に配され、水素ガスを含む気体状物質を収容する高
圧容器5とを有し、電気化学セル4が高圧容器5中の圧
力を減少させるように機能する。As shown in FIG. 10, the decompression unit 18 has a first electrode 1 for decomposing hydrogen gas into protons and a second electrode 2 for converting the protons generated in the first electrode 1 into hydrogen gas again.
And an electrochemical cell 4 consisting of a proton conductor 3 sandwiched between these two electrodes, and a high-pressure container arranged on the first electrode 1 side of the electrochemical cell 4 and containing a gaseous substance containing hydrogen gas. 5 and the electrochemical cell 4 functions to reduce the pressure in the high pressure vessel 5.
【0099】水素ガス貯蔵部19は、減圧部18の第2
極2側に接して配されている。The hydrogen gas storage section 19 is the second decompression section 18 of the second decompression section 18.
It is arranged in contact with the pole 2 side.
【0100】また、ガス消費部20は、水素ガス貯蔵部
19に接して配され、水素ガス貯蔵部19から供給され
る水素ガスをプロトンに分解する第3極21と、第3極
21で発生した前記プロトンを水に転化する第4極22
と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導体23と
からなり、第4極22で前記プロトンを水に転化すると
共に、第3極21と第4極22との間で電気化学エネル
ギーを取り出すことができ、燃料電池部として機能する
ことができる。また、第4極22のプロトン伝導体23
と接していない面側に、O2又はO2含有ガスが供給され
る。The gas consuming portion 20 is disposed in contact with the hydrogen gas storage portion 19 and is generated in the third pole 21 and the third pole 21 for decomposing the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas storage portion 19 into protons. A fourth pole 22 for converting the above-mentioned protons into water
And a proton conductor 23 sandwiched between these two electrodes, which converts the proton into water at the fourth pole 22 and takes out electrochemical energy between the third pole 21 and the fourth pole 22. It can function as a fuel cell unit. In addition, the proton conductor 23 of the fourth pole 22
O 2 or an O 2 -containing gas is supplied to the surface side not in contact with.
【0101】また、水素ガス貯蔵部19中に圧力センサ
ー24が設置され、この圧力センサー24が電気化学セ
ル4の両電極間に接続したリレースイッチ11、12と
連動し、ガス消費を補うように機能する。Further, a pressure sensor 24 is installed in the hydrogen gas storage unit 19, and this pressure sensor 24 works in conjunction with the relay switches 11 and 12 connected between both electrodes of the electrochemical cell 4 so as to supplement gas consumption. Function.
【0102】さらに、高圧容器5は、H2供給タンク2
5と接続されており、高圧容器5内の圧力が所定の数値
以下となったとき、バルブを開放し、H2供給タンク2
5から水素ガスを供給することが可能である。なお、H
2供給タンク25には、水素ガス吸蔵合金、水素ガス吸
蔵炭素材料、メタルハライド等が充填されていてもよ
く、前記水素ガス吸蔵合金としてはLaNi5、CaN
i5、TiCo0.5Mn0.5、TiCo0.5Fe
0.5、TiFe0.8Ni0.15V0.05等であ
ってもよく、前記水素ガス吸蔵炭素材料としてはカーボ
ン系材料、カーボンナノチューブ、カーボンファイバ
ー、活性炭素等であってもよく、前記メタルハライドと
してはNaAlH4、LiAlH4等であってもよい。ま
た、これと同様にして、高圧容器5中にも水素ガス吸蔵
合金、水素ガス吸蔵炭素材料、メタルハライド等が充填
されていてもよい。Further, the high-pressure container 5 is the H 2 supply tank 2
When the pressure in the high-pressure container 5 is below a predetermined value, the valve is opened and the H 2 supply tank 2 is connected.
It is possible to supply hydrogen gas from 5. In addition, H
The 2 supply tank 25 may be filled with a hydrogen gas storage alloy, a hydrogen gas storage carbon material, a metal halide or the like, and as the hydrogen gas storage alloy, LaNi 5 , CaN
i 5 , TiCo0.5Mn0.5, TiCo0.5Fe
0.5, TiFe0.8Ni0.15V0.05, etc., the hydrogen gas storage carbon material may be a carbon-based material, carbon nanotube, carbon fiber, activated carbon, etc., and the metal halide may be NaAlH. 4 , LiAlH 4 or the like may be used. Further, similarly to this, the high pressure vessel 5 may be filled with a hydrogen gas storage alloy, a hydrogen gas storage carbon material, a metal halide, or the like.
【0103】但し、プロトン伝導体3、23のガス遮断
性が高くなければならないので、プロトン伝導体3、2
3はイオン化されたガスは通すが、ガスそのものは通さ
ないという特性を持っていなければならない。これを実
現するために、プロトン伝導体3、23は上述したと同
様にして、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラ
スターと、筒状又は線状炭素の構造体とからなる群より
選ばれた少なくとも1種からなる物質を主成分とし、こ
の物質を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入
してなる誘導体によって構成されていることが望まし
い。However, since the gas barrier properties of the proton conductors 3 and 23 must be high, the proton conductors 3 and 2 are
No. 3 must have the property of passing the ionized gas but not the gas itself. In order to achieve this, the proton conductors 3 and 23 are selected from the group consisting of fullerene molecules, carbon-based clusters, and tubular or linear carbon structures in the same manner as described above. Further, it is desirable that the substance is composed of at least one substance as a main component and a derivative obtained by introducing a proton-dissociative group into carbon atoms constituting the substance.
【0104】また、本発明は、ガスを導入又は導出する
ためのガス出入口部と、気体を貯蔵する気体貯蔵部と、
前記気体貯蔵部の中に配され、ガスをイオンに分解する
第1極、前記第1極で発生した前記イオンを再びガスに
転化する第2極、及びこれらの両極間に挟持されたイオ
ン伝導体からなる電気化学セルとを有し、前記電気化学
セルの機能により、前記ガス出入口部を介して前記気体
貯蔵部にガスを出入りさせて、前記気体貯蔵部中の圧力
を減少又は増加させるように機能する減加圧部とからな
る気体貯蔵装置に係るものである。Further, according to the present invention, a gas inlet / outlet portion for introducing or discharging gas, a gas storage portion for storing gas,
A first electrode disposed in the gas storage unit for decomposing the gas into ions, a second electrode for converting the ions generated at the first electrode into gas again, and ion conduction sandwiched between these two electrodes. An electrochemical cell comprising a body, and the function of the electrochemical cell allows gas to flow in and out of the gas storage section through the gas inlet / outlet section to reduce or increase the pressure in the gas storage section. The present invention relates to a gas storage device including a depressurizing unit that functions as a.
【0105】ここで、本発明の気体貯蔵装置の駆動方法
としては、例えば、気体貯蔵装置を駆動するに際し、前
記電気化学セルの機能により、前記ガス出入口部を介し
て前記気体貯蔵部にガスを出入りさせて、前記気体貯蔵
部中の圧力を減少又は増加させるように機能させること
が望ましい。Here, as a method of driving the gas storage device of the present invention, for example, when the gas storage device is driven, a gas is supplied to the gas storage part through the gas inlet / outlet part by the function of the electrochemical cell. It may be desirable to move in and out to function to reduce or increase the pressure in the gas store.
【0106】本発明の気体貯蔵装置によれば、上述した
本発明によるガス圧調整装置又は電気化学デバイスと同
様にして、当該装置中に、機械的な可動部が存在しない
ため、小型で、寿命が長い気体貯蔵装置とすることがで
きる。According to the gas storage device of the present invention, similarly to the above-described gas pressure adjusting device or electrochemical device of the present invention, since there is no mechanical moving part in the device, it is compact and has a long service life. The gas storage device can have a long length.
【0107】図11は、本発明に基づく気体貯蔵装置2
6の概略断面図である。FIG. 11 shows a gas storage device 2 according to the present invention.
It is a schematic sectional drawing of FIG.
【0108】気体出入口部27は、ガスの入出力を行う
ための開口と、一時的に、等圧力でガスを保持するのに
十分な微小な空間とを備える。The gas inlet / outlet portion 27 is provided with an opening for inputting / outputting the gas and a minute space sufficient to temporarily hold the gas at an equal pressure.
【0109】出入口圧力検出手段28は、上記微小空間
内の圧力を検出するために設けられており、例えば、ダ
イヤフラムを用いた圧力センサーである。このような圧
力センサーの一例としては、例えば、図12に示すよう
に、ダイヤフラム29と所定の量のガスが封入された閉
空間30とマイクロスイッチ31とを備えたものが用い
られる。The inlet / outlet pressure detecting means 28 is provided for detecting the pressure in the minute space, and is, for example, a pressure sensor using a diaphragm. As an example of such a pressure sensor, for example, as shown in FIG. 12, a sensor including a diaphragm 29, a closed space 30 in which a predetermined amount of gas is sealed, and a microswitch 31 is used.
【0110】ここにおいて、ダイヤフラム29の一方の
面側は、気体出入口部27と同圧力であるので、閉空間
30の圧力と気体出入口部27との差圧がダイヤフラム
29のバネ力とがバランスするまでダイヤフラム29を
移動させ、気体出入口部27の中が所定の圧力に達する
とマイクロスイッチ31がON(接続状態)からOFF
(断続状態)となるものである。Since the pressure on one surface side of the diaphragm 29 is the same as that of the gas inlet / outlet portion 27, the pressure difference between the pressure in the closed space 30 and the gas inlet / outlet portion 27 balances the spring force of the diaphragm 29. The diaphragm 29 is moved up to, and when the inside pressure of the gas inlet / outlet portion 27 reaches a predetermined pressure, the micro switch 31 is turned off (connected state) to off.
(Intermittent state).
【0111】圧力壁32は、高圧力、例えば10〜30
0気圧を保持するための耐圧力壁であり、気体出入口部
27との境に、微小面積の多数の開口である気体移動孔
を有している。圧力壁32の形態は特に制限はしない
が、圧力を平均的に分布させるには円筒状や球状がより
好ましい。なお、図11は、圧力壁32の形態が円筒状
の場合における、円筒中心を含む面で切断したときの断
面図を示している。The pressure wall 32 has a high pressure, for example, 10 to 30.
It is a pressure resistant wall for maintaining 0 atmospheric pressure, and has a gas transfer hole, which is a large number of openings having a minute area, at the boundary with the gas inlet / outlet portion 27. The shape of the pressure wall 32 is not particularly limited, but a cylindrical shape or a spherical shape is more preferable for evenly distributing the pressure. Note that FIG. 11 shows a cross-sectional view when the pressure wall 32 has a cylindrical shape and is cut along a plane including the center of the cylinder.
【0112】気体移動孔は第1極1、イオン伝導体3及
び第2極2を気体貯蔵部33の圧力に耐えて保持すると
同時に、気体貯蔵部33から気体出入口部27への気体
の移動を可能としている。第1極1、イオン伝導体3及
び第2極2からなる前記電気化学セルは、独立の部品と
して動作する減加圧部であり、前記電気化学セルの全体
が気体貯蔵部33の中に保持されている。The gas transfer hole holds the first electrode 1, the ion conductor 3 and the second electrode 2 against the pressure of the gas storage portion 33, and at the same time transfers the gas from the gas storage portion 33 to the gas inlet / outlet portion 27. It is possible. The electrochemical cell consisting of the first pole 1, the ionic conductor 3 and the second pole 2 is a depressurizing section that operates as an independent component, and the entire electrochemical cell is held in the gas storage section 33. Has been done.
【0113】引出し線34、35は、その一端を第2極
2、第1極1に各々接続される電導体であり、圧力壁3
2と絶縁を保ちながら、第2の電極端子38及び第1の
電極端子39に他端を接続されている。接続線36及び
接続線37は、電極端子38、電極端子39とマイクロ
スイッチ31の各々の接点とを接続している。The lead wires 34 and 35 are electric conductors whose one ends are respectively connected to the second pole 2 and the first pole 1, and the pressure wall 3
The other end is connected to the second electrode terminal 38 and the first electrode terminal 39 while maintaining insulation from 2. The connection line 36 and the connection line 37 connect the electrode terminal 38, the electrode terminal 39 and the respective contacts of the micro switch 31.
【0114】また、本発明に基づく気体貯蔵装置26
は、気体貯蔵補助システムを有し、この気体貯蔵補助シ
ステムが、気体貯蔵装置26が有するガス出入口部27
に前記ガスを供給するためのガス流路と、ガス流路41
におけるガス圧を検出する圧力検出手段と、第1極1と
第2極2との間に生じる電圧を検出する電圧検出手段
と、前記ガス圧と前記電圧とに基づき制御電流信号を算
出する演算手段と、前記制御電流を発生する電流供給手
段と、前記電圧が予め定めた所定の値となるまで、前記
制御電流を第1極1及び第2極2間に供給する状態と、
前記電圧を検出する状態とを交互に切替える切替え手段
とを有することが望ましい。Also, a gas storage device 26 according to the present invention.
Has a gas storage auxiliary system, and this gas storage auxiliary system has a gas inlet / outlet portion 27 of the gas storage device 26.
A gas flow path for supplying the gas to the
Pressure detecting means for detecting the gas pressure, voltage detecting means for detecting the voltage generated between the first pole 1 and the second pole 2, and a calculation for calculating a control current signal based on the gas pressure and the voltage. Means, current supply means for generating the control current, and a state of supplying the control current between the first pole 1 and the second pole 2 until the voltage reaches a predetermined value.
It is desirable to have a switching means for alternately switching between the state of detecting the voltage.
【0115】図13に、気体貯蔵補助システム40を有
する気体貯蔵装置26の概略断面図を示す。なお、破線
部は気体貯蔵装置26を示し、実線部は気体貯蔵補助シ
ステム40を示す。FIG. 13 is a schematic sectional view of the gas storage device 26 having the gas storage auxiliary system 40. The broken line portion shows the gas storage device 26, and the solid line portion shows the gas storage auxiliary system 40.
【0116】流路41は、ガスが洩れることがないよう
に、気体貯蔵装置26に設けられた気体出入口部27の
開口部分と結合された構造となっている。The flow passage 41 is structured so as to be coupled to the opening portion of the gas inlet / outlet portion 27 provided in the gas storage device 26 so that the gas does not leak.
【0117】ガスは、タンク47から流路41に供給さ
れる。Gas is supplied from the tank 47 to the flow path 41.
【0118】圧力検出手段42は、流路41におけるガ
スの圧力値を検出する手段であり、例えば、ダイヤフラ
ムの変位を抵抗値に変化させ、アナログ的にP1なる圧
力値を得るものである。圧力検出手段42は、気体貯蔵
装置26の気体出入口部27の圧力、即ち、第2極2に
対して、気体出入口部27側から加えられる圧力を検出
することを目的とするものである。流路41と気体出入
口部27は結合されているので、略同一の圧力となって
おり、流路41の近傍に圧力検出手段42を設けること
によりこの目的は達せられる。The pressure detecting means 42 is means for detecting the pressure value of the gas in the flow path 41, and for example, changes the displacement of the diaphragm into a resistance value to obtain an analog pressure value P1. The pressure detection means 42 is intended to detect the pressure of the gas inlet / outlet portion 27 of the gas storage device 26, that is, the pressure applied to the second pole 2 from the gas inlet / outlet portion 27 side. Since the flow path 41 and the gas inlet / outlet portion 27 are connected to each other, the pressures are substantially the same, and this object can be achieved by providing the pressure detecting means 42 near the flow path 41.
【0119】第1の端子48及び第2の端子49は、気
体貯蔵装置26の第1の電極端子39及び第2の電極端
子38との電気的な接触を保つようになされている。The first terminal 48 and the second terminal 49 are designed to maintain electrical contact with the first electrode terminal 39 and the second electrode terminal 38 of the gas storage device 26.
【0120】切替部46は、第1の端子48及び第2の
端子49と電導性の線で接続された切替手段である。The switching section 46 is a switching means connected to the first terminal 48 and the second terminal 49 by a conductive wire.
【0121】S0とS1、S3とS4は同時に導通状態
となり、切替信号C1を変化させることにより、S0と
S2、S3とS5は同時に導通状態となる。切替信号C
1は、演算部44から送信される。S1、S4側のスイ
ッチが接続されている場合には、圧力電圧検出部43に
より第1極1と第2極2との間に発生する電圧が検出さ
れる。S2、S5側のスイッチが接続されている場合に
は、第1の端子48、第2の端子49に電流供給部45
から所定の電流が供給される。S0 and S1, S3 and S4 are simultaneously turned on, and by changing the switching signal C1, S0 and S2 and S3 and S5 are turned on at the same time. Switching signal C
1 is transmitted from the calculation unit 44. When the switches on the S1 and S4 sides are connected, the pressure-voltage detection unit 43 detects the voltage generated between the first pole 1 and the second pole 2. When the switches on the S2 and S5 sides are connected, the current supply unit 45 is connected to the first terminal 48 and the second terminal 49.
Is supplied with a predetermined current.
【0122】なお、電流の方向と大きさは、電流制御信
号C2により定められ、この値は演算部44で算出され
る。The direction and magnitude of the current are determined by the current control signal C2, and this value is calculated by the arithmetic unit 44.
【0123】気体貯蔵装置26の気体放出時の動作につ
いては、本発明に基づくガス圧調整装置の説明で述べた
と同様にして、以下のようにして行われる。The operation of the gas storage device 26 at the time of releasing the gas is performed as follows, in the same manner as described in the description of the gas pressure adjusting device according to the present invention.
【0124】気体貯蔵装置26の第1の電極端子39と
第2の電極端子38との間に、貯蔵部33と気体出入口
部27との圧力差に応じた電圧が発生し、接続線36、
接続線37を経由してマイクロスイッチ31の各々の接
点に導かれる。ここで、気体出入口部27の圧力が所定
の値以下に下がるとマイクロスイッチ31の接点はON
となり、発生電圧に基づき、第2極2及び第1極1に電
流が流れ、イオン伝導体3にイオンが流れ、その結果と
して、気体貯蔵部33内のガスは、気体出入口部27に
減圧されて流れ込む。十分にガスが気体出入口部27に
充満すると、マイクロスイッチ31の接点はOFFとな
り、第2極2、第1極1の電流は遮断され、その結果と
して、イオンの伝導は断たれ、気体貯蔵部33内のガス
の気体出入口部27への流入は停止する。A voltage corresponding to the pressure difference between the storage portion 33 and the gas inlet / outlet portion 27 is generated between the first electrode terminal 39 and the second electrode terminal 38 of the gas storage device 26, and the connection line 36,
It is led to each contact of the micro switch 31 via the connection line 37. Here, when the pressure of the gas inlet / outlet portion 27 falls below a predetermined value, the contact of the micro switch 31 is turned on.
Then, based on the generated voltage, a current flows through the second pole 2 and the first pole 1, ions flow through the ion conductor 3, and as a result, the gas in the gas storage section 33 is decompressed by the gas inlet / outlet section 27. Flow in. When the gas inlet / outlet portion 27 is sufficiently filled with gas, the contacts of the micro switch 31 are turned off, the currents of the second pole 2 and the first pole 1 are cut off, and as a result, the conduction of ions is cut off, and the gas storage portion is cut off. The flow of the gas in 33 into the gas inlet / outlet 27 is stopped.
【0125】ここで、マイクロスイッチ31の接点形式
として、ヒシテリシス特性、即ち、スイッチのON/O
FFの各々の状態に移行する圧力が異なるタイプのスイ
ッチを使用すれば、所定の圧力変動の範囲内でゆっくり
スイッチのON/OFFを繰り返すことができるので、
スイッチ接点の寿命を延ばせるという効果を得ることが
できる。Here, as the contact type of the microswitch 31, the hysteresis characteristic, that is, ON / O of the switch is used.
If a switch of a type in which the pressure that shifts to each state of the FF is different is used, ON / OFF of the switch can be slowly repeated within a predetermined pressure fluctuation range.
The effect of extending the life of the switch contact can be obtained.
【0126】これによれば、気体出入口部27には一定
圧力のガスが充填されているので、開口部から一定圧力
のガスを取り出すことができる。また、この動作の過程
においては、外部からの電力を全く必要としないので、
信頼性の高い、保守が容易な気体貯蔵装置を提供でき
る。According to this, since the gas inlet / outlet portion 27 is filled with the gas having a constant pressure, the gas having a constant pressure can be taken out from the opening. Also, in the process of this operation, since no external power is required,
It is possible to provide a highly reliable and easy-to-maintain gas storage device.
【0127】次に、図11〜13を参照のもと、気体貯
蔵装置26の気体貯蔵時の動作について説明する。Next, the operation of the gas storage device 26 during gas storage will be described with reference to FIGS.
【0128】気体貯蔵時においては、気体貯蔵装置26
と気体貯蔵補助システム40の結合動作により気体貯蔵
を行うことができる。During the gas storage, the gas storage device 26
The gas storage can be performed by the combined operation of the gas storage auxiliary system 40 and the gas storage auxiliary system 40.
【0129】気体貯蔵装置26の接続線36、接続線3
7を一旦取り除くか、図示しない途中に設けたスイッチ
により接続線の一方を切断した後、流路41と気体出入
口部27の開口部、第1の端子48、第2の端子49と
第1の電極端子39及び第2の電極端子38とを接続す
る。Connection line 36 and connection line 3 of the gas storage device 26
7 is once removed or one of the connection lines is cut by a switch (not shown) provided in the middle, and then the flow path 41 and the opening of the gas inlet / outlet portion 27, the first terminal 48, the second terminal 49 and the first terminal The electrode terminal 39 and the second electrode terminal 38 are connected.
【0130】切替信号C1により切替部46は圧力検出
動作側に切り替わり、圧力電圧検出部43により圧力電
圧が検出される。ここで、第2極2における圧力は、圧
力検出手段42からの出力P1として検出されるので、
気体貯蔵部33の気体の圧力は、上記式(1)に代入す
ることにより、P2として得られる。The switching section C is switched to the pressure detecting operation side by the switching signal C1, and the pressure voltage detecting section 43 detects the pressure voltage. Here, since the pressure at the second pole 2 is detected as the output P1 from the pressure detecting means 42,
The gas pressure of the gas storage unit 33 is obtained as P2 by substituting it into the above equation (1).
【0131】P2が、気体貯蔵部33の圧力壁32の耐
圧より低い場合には、更に充填を行っても圧力壁32の
破壊に至ることはないので、更にガスを充填することが
できる。また、ガスを貯蔵部33に移動させるために
は、切替信号C1により切替部46を切替えて、電流供
給動作となるようにして、気体放出時と逆方向の所定の
電流を第2極2、第1極1に印加すればよい。When P2 is lower than the pressure resistance of the pressure wall 32 of the gas storage portion 33, the pressure wall 32 will not be broken even if the pressure wall 32 is further filled, so that the gas can be further filled. Further, in order to move the gas to the storage unit 33, the switching unit 46 is switched by the switching signal C1 so that the current supply operation is performed, and the predetermined current in the direction opposite to that at the time of gas release is applied to the second pole 2. It may be applied to the first pole 1.
【0132】電流の強度が大きくなるほど、ガスの移動
量が大きくなるので、早く充填を行うことができが、過
大な電流を流すとイオン伝導体3の破壊を招く恐れがあ
るので制限の範囲内の電流としなければならない。As the intensity of the current increases, the amount of gas movement increases, so that the filling can be performed faster. However, if an excessive current is applied, the ionic conductor 3 may be destroyed. Should be current.
【0133】ここで、所定の電流とは、一定の電流を充
填の全周期にわたって流してもよく、或いは、充填の進
行に応じて、電流量を任意に制御することもできる。Here, with respect to the predetermined current, a constant current may be applied over the entire period of filling, or the amount of current may be arbitrarily controlled according to the progress of filling.
【0134】切替部46のスイッチを交互に切替えるこ
とにより、充填動作と貯蔵部33の圧力の監視を交互に
行い、最終的に所定の圧力となるまで貯蔵部33におけ
るガスの圧力を高めることができる。By alternately switching the switch of the switching unit 46, the filling operation and the monitoring of the pressure of the storage unit 33 are alternately performed, and the pressure of the gas in the storage unit 33 can be increased until the pressure finally reaches a predetermined pressure. it can.
【0135】これによれば、貯蔵部33に圧力センサー
を設けることなく、貯蔵部33内の圧力を監視しながら
安全にガスを充填できるので、貯蔵部33の機構を簡易
にできるという効果がある。さらに、気体貯蔵補助シス
テム40側には高圧状態となる部分がないので、気体貯
蔵補助システム40自体の低価格化が可能となると同時
に、一般の家庭で使用しても安全なものとなる。According to this, it is possible to safely fill the gas while monitoring the pressure in the storage unit 33 without providing a pressure sensor in the storage unit 33, so that the mechanism of the storage unit 33 can be simplified. . Furthermore, since there is no high-pressure portion on the gas storage auxiliary system 40 side, the gas storage auxiliary system 40 itself can be reduced in price, and at the same time, it is safe for use in ordinary households.
【0136】図14は、図11の気体貯蔵装置26に別
の電気化学セルを設けた例を示したものである。なお、
図11における符号と同一の番号で示されものは、同じ
作用機能を有するので説明を省略する。FIG. 14 shows an example in which another electrochemical cell is provided in the gas storage device 26 of FIG. In addition,
The components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 11 have the same function and function, and thus the description thereof will be omitted.
【0137】第3極21は、気体出入口部27の開口部
と接して設けられている。第2のイオン伝導体23は第
3極21と第4極22との間に配置されている。第3の
端子50は、第3極21と電気的に接続され、第4の端
子51は、第4極22と接続されている。なお、52で
表わされる矢印は、第4極22に液状物質又は気体状物
質が供給されることを示している。The third pole 21 is provided in contact with the opening of the gas inlet / outlet portion 27. The second ionic conductor 23 is arranged between the third pole 21 and the fourth pole 22. The third terminal 50 is electrically connected to the third pole 21, and the fourth terminal 51 is connected to the fourth pole 22. The arrow indicated by 52 indicates that a liquid substance or a gaseous substance is supplied to the fourth electrode 22.
【0138】以下に、図14に示す気体貯蔵装置の作用
を説明する。The operation of the gas storage device shown in FIG. 14 will be described below.
【0139】図14に示した本発明に基づく気体貯蔵装
置は、第3極21及び第4極22に特定の物質を供給す
れば、第3極21、イオン伝導体23及び第4極22の
作用により、燃料電池としての作用を行うことができ
る。ここで、各々の電極膜に供給する物質に従い、第3
極21は負極或いは正極としての作用を有し、第4極2
2は正極或いは負極としての作用を有する。例えば、第
3極21に水素ガスを供給し、第4極22に空気(酸素
含有ガス)又は酸素ガスを供給する場合においては、第
3極21は負極となり、第4極22は正極となって、第
3の端子50から負、第4の端子51から正の電圧を得
ることができる。In the gas storage device according to the present invention shown in FIG. 14, if a specific substance is supplied to the third pole 21 and the fourth pole 22, the third pole 21, the ionic conductor 23 and the fourth pole 22 are separated. By the action, the action as a fuel cell can be performed. Here, according to the substance supplied to each electrode film, the third
The pole 21 has a function as a negative electrode or a positive electrode, and the fourth pole 2
2 has a function as a positive electrode or a negative electrode. For example, when hydrogen gas is supplied to the third electrode 21 and air (oxygen-containing gas) or oxygen gas is supplied to the fourth electrode 22, the third electrode 21 becomes the negative electrode and the fourth electrode 22 becomes the positive electrode. Thus, a negative voltage can be obtained from the third terminal 50 and a positive voltage can be obtained from the fourth terminal 51.
【0140】気体出入口部27に所定の圧力のガスを得
るところまでの作用は、上述した通りである。The operation up to the point of obtaining the gas of the predetermined pressure in the gas inlet / outlet portion 27 is as described above.
【0141】第4の端子51に正電圧、第3の端子50
に負電圧を印加して、第4極22に純水又は水蒸気を供
給すれば、気体出入口部27に水素ガスを得ることがで
きる。ここで、気体出入口部27にある水素ガスを加圧
して気体貯蔵部33にガスを貯蔵する作用については上
述した通りである。A positive voltage is applied to the fourth terminal 51, and a third terminal 50 is applied.
If a negative voltage is applied to the fourth electrode 22 and pure water or water vapor is supplied to the fourth electrode 22, hydrogen gas can be obtained at the gas inlet / outlet portion 27. Here, the operation of pressurizing the hydrogen gas in the gas inlet / outlet portion 27 to store the gas in the gas storage portion 33 is as described above.
【0142】この装置は、小型にして、可搬性があり、
水素ガス等のガスを自ら発生し、また、発電することが
できる装置であるので、野外での電力の使用、非常用電
源装置として有用なものである。This device is compact and portable,
Since it is a device that can generate gas such as hydrogen gas by itself and generate power, it is useful as an electric power supply device for use of electric power outdoors.
【0143】図15は、気体貯蔵装置26の状態を表示
する表示手段53とを備える気体貯蔵装置26’を示
す。ここで、前記状態とは、例えば、気体貯蔵部33に
おける圧力、気体貯蔵部33のガスの充填状態、ガスの
残量、或いはガスのイオン電離又はイオン結合を行う触
媒が担持されてなる第1極1及び第2極2を有する前記
電気化学セルが正常に機能している否か等である。FIG. 15 shows a gas storage device 26 'having a display means 53 for displaying the state of the gas storage device 26. Here, the above-mentioned state means, for example, the pressure in the gas storage unit 33, the filling state of the gas in the gas storage unit 33, the remaining amount of the gas, or a catalyst carrying ion ionization or ionic coupling of the gas. For example, whether the electrochemical cell having the pole 1 and the second pole 2 is functioning normally.
【0144】上記式(1)で表されるNernstの式
から、気体出入口部27の圧力が解れば、気体貯蔵部3
3の圧力を知ることができる。気体貯蔵装置26が動作
しているときは、圧力検出手段28の動作により、気体
出入口部27は所定の圧力に保たれているので、気体貯
蔵部33の圧力を知ることができる。If the pressure at the gas inlet / outlet portion 27 is found from the Nernst equation represented by the above equation (1), the gas storage portion 3 can be obtained.
You can know the pressure of 3. When the gas storage device 26 is operating, the gas inlet / outlet portion 27 is kept at a predetermined pressure by the operation of the pressure detecting means 28, so that the pressure of the gas storage portion 33 can be known.
【0145】気体貯蔵部33の圧力は、同時に気体貯蔵
部33内におけるガスの充填状態をも示す。即ち、気体
貯蔵部33の圧力が減少するということは、充填された
ガスの量が減少したことを意味するので、これにより充
填状態や残量を知ることができる。At the same time, the pressure of the gas storage unit 33 also indicates the filling state of the gas in the gas storage unit 33. That is, the decrease in the pressure of the gas storage unit 33 means that the amount of the filled gas is decreased, and thus the filling state and the remaining amount can be known.
【0146】また、装置の動作状態において、前記電気
化学セルが正常に動作していれば、圧力検出手段28に
設けられた、マイクロスイッチ31がON/OFFを繰
り返すので、この動作を検知すれば、前記電気化学セル
の動作が正常か否かを判定することができる。If the electrochemical cell is operating normally in the operating state of the apparatus, the micro switch 31 provided in the pressure detecting means 28 repeats ON / OFF, so if this operation is detected. , It is possible to determine whether the operation of the electrochemical cell is normal.
【0147】表示手段53は、例えば、電圧計やLED
等の発光素子である。接続線54は第2極2に接続さ
れ、接続線55は第1極1に接続されている。その途中
に接続スイッチ56が設けられていて、表示手段53を
使用するときのみ、プッシュボタン57を押すことで、
回路が接続され、通常は表示手段53を電極膜から切り
離す構成としてもよい。The display means 53 is, for example, a voltmeter or an LED.
Etc. are light emitting elements. The connecting line 54 is connected to the second pole 2 and the connecting line 55 is connected to the first pole 1. A connection switch 56 is provided on the way, and by pushing the push button 57 only when the display means 53 is used,
A circuit may be connected and the display means 53 may be normally separated from the electrode film.
【0148】表示手段53が電圧計である場合には、電
圧計の指示針が、マイクロスイッチ31のON/OFF
に従って振れる。ONの時は、第1極1と第2極2は短
絡されるので電圧計の指示針はゼロを指し、OFF時に
は、発生電圧、即ち、圧力差に応じた電圧を発生する。When the display means 53 is a voltmeter, the indicator needle of the voltmeter turns ON / OFF the microswitch 31.
Shake according to. When it is ON, the first pole 1 and the second pole 2 are short-circuited, so the indicator needle of the voltmeter indicates zero, and when it is OFF, the generated voltage, that is, the voltage corresponding to the pressure difference is generated.
【0149】ここで、電圧計の内部抵抗は高いとはい
え、若干の電極間電流を常時流し続けるので、ごくわず
かのガスが、気体貯蔵部33から流れ出すので、表示す
ることを要求しない時は、表示手段53を回路から切り
離すのが望ましい。表示手段53は、LED等の目視可
能な検出手段であっても、聴覚に訴えるブザー等であっ
てもよく、その動作点の設定は、抵抗分割によりLED
の発光開始電圧と気体貯蔵部33の圧力を調整すること
により、又はブザーの巻線仕様の設定により、任意とす
ることができる。Here, although the internal resistance of the voltmeter is high, a small amount of gas flows out of the gas storage unit 33 because a small amount of current between the electrodes continues to flow at all times. Therefore, when display is not required, It is desirable to disconnect the display means 53 from the circuit. The display means 53 may be a visible detection means such as an LED or a buzzer appealing to the hearing. The operating point is set by LED division by resistance division.
It can be set arbitrarily by adjusting the light emission starting voltage and the pressure of the gas storage unit 33 or by setting the winding specifications of the buzzer.
【0150】これによれば、外部電力を必要とすること
なく、気体貯蔵装置26の状態を表示でき、再充填時期
の目安や、残りのガスの量の検知や、気体貯蔵装置26
の正常動作を確認できるという効果がある。According to this, the state of the gas storage device 26 can be displayed without the need for external power, the standard of the refilling time, the detection of the amount of the remaining gas, and the gas storage device 26.
There is an effect that the normal operation of can be confirmed.
【0151】図16は、気体貯蔵装置26において前記
電気化学セルを複数個並べて配し、多段構造に形成した
例を示す。FIG. 16 shows an example in which a plurality of the electrochemical cells are arranged side by side in the gas storage device 26 to form a multi-stage structure.
【0152】高圧のガスが高圧側58に供給されてい
る。低圧ガス側59より使用に供するガスはとりだせ
る。電気化学セル60〜65は、各々の電気化学セルの
間に空室66乃至70を設けて配置されている。ここ
で、各々の電気化学セルは、符号で示さないプロトン伝
導体を2枚のガス拡散電極で挟み、ガス拡散電極のプロ
トン伝導体と接する面には触媒が担持されている。High-pressure gas is supplied to the high-pressure side 58. The gas to be used can be taken out from the low pressure gas side 59. The electrochemical cells 60 to 65 are arranged by providing empty chambers 66 to 70 between the respective electrochemical cells. Here, in each electrochemical cell, a proton conductor (not shown) is sandwiched between two gas diffusion electrodes, and a catalyst is carried on the surface of the gas diffusion electrode in contact with the proton conductor.
【0153】各電気化学セルの各々の電極の制御方法
は、先に説明した他の実施の形態と同様である。The method of controlling each electrode of each electrochemical cell is the same as that of the other embodiments described above.
【0154】これによれば、各々の電気化学セルの両側
の差圧を一定の所定の値として、順次減圧動作を行うこ
とにより、各々の電気化学セルの単体に加わる圧力差を
小さくできることである。例えば、6個の電気化学セル
を設けた場合には、1個の電気化学セルに加わる差圧を
20気圧とすると、低圧側59が1気圧であるとした場
合には、高圧側58の圧力は121気圧であってもよい
こととなる。このような120気圧という高い圧力差に
もかかわらず、電気化学セルの耐圧力は、20気圧に耐
えればよいこととなり、装置の設計が簡便になるという
利点を有する。According to this, it is possible to reduce the pressure difference applied to the individual electrochemical cells by sequentially performing the depressurizing operation while setting the differential pressure on both sides of each electrochemical cell to a constant predetermined value. . For example, when 6 electrochemical cells are provided, assuming that the differential pressure applied to one electrochemical cell is 20 atm, when the low pressure side 59 is 1 atm, the pressure on the high pressure side 58 is Would be 121 atmospheres. Despite such a high pressure difference of 120 atm, the withstand pressure of the electrochemical cell has only to withstand 20 atm, which has the advantage of simplifying the device design.
【0155】図16に示す装置においては、各々の電気
化学セルの間に、空室を設けたが、空室内の圧力を検出
する機能を必要とはしない場合においては、かかる空室
は、必ずしも必要ではない。各々の電気化学セルの間に
前記空室を設けない場合の装置の概略断面図を図17に
示す。In the device shown in FIG. 16, a vacant chamber is provided between the electrochemical cells, but when the function of detecting the pressure in the vacant chamber is not required, such a vacant chamber is not always required. Not necessary. FIG. 17 shows a schematic cross-sectional view of the apparatus when the empty chamber is not provided between each electrochemical cell.
【0156】電気化学セル71〜76の基本構造は、図
16に示すものと同様であるが、ガス拡散電極が次の段
のガス拡散電極と共用できるために少なくなりかつ電気
化学セルの間に空室は設けられていない。The basic structure of the electrochemical cells 71 to 76 is the same as that shown in FIG. 16 except that the gas diffusion electrode can be shared with the gas diffusion electrode in the next stage and the number of the electrochemical cells 71 to 76 is reduced. There is no vacant room.
【0157】以下に、この装置における動作を説明す
る。The operation of this apparatus will be described below.
【0158】ガス拡散電極77の表面に担持された触媒
78の作用により、供給された水素ガスは、電子とプロ
トンとに電離する。この電離したプロトンは、プロトン
伝導体79の作用により、プロトン伝導体中を移動し、
ガス拡散電極80の表面に担持された触媒81の作用に
より、プロトンと電子が結合して再び水素ガスになり、
ガスが通過するための多数の気孔が設けられたガス拡散
電極80の内部を拡散する。By the action of the catalyst 78 carried on the surface of the gas diffusion electrode 77, the supplied hydrogen gas is ionized into electrons and protons. This ionized proton moves in the proton conductor by the action of the proton conductor 79,
By the action of the catalyst 81 carried on the surface of the gas diffusion electrode 80, the protons and electrons are combined to become hydrogen gas again,
The gas diffuses inside the gas diffusion electrode 80 provided with a large number of pores for passing gas.
【0159】水素ガスは、濃度分布に従い、ガス拡散電
極80を通過し、ガス拡散電極80の他の面上に担持さ
れた、触媒82の作用により再び、プロトンと電子とに
電離する。電離したプロトンは、プロトン伝導体83の
作用により移動してガス拡散電極84に達し、ガス拡散
電極84の表面に担持された触媒85の作用により、再
び水素ガスにガス拡散電極84の中で戻る。According to the concentration distribution, the hydrogen gas passes through the gas diffusion electrode 80, and is ionized again into protons and electrons by the action of the catalyst 82 carried on the other surface of the gas diffusion electrode 80. The ionized protons move by the action of the proton conductor 83 and reach the gas diffusion electrode 84, and return to hydrogen gas in the gas diffusion electrode 84 again by the action of the catalyst 85 carried on the surface of the gas diffusion electrode 84. .
【0160】このような過程を繰り返すことにより、順
次減圧が行われる。ここにおいて、ガス拡散電極80と
ガス拡散電極84の間には、上述したように、電圧を検
出するので、かかる発生電圧に応じて、例えば、両方の
電極を導通させるなどして、ガス拡散電極80とガス拡
散電極84とに電流を流せば、ガス拡散電極80とガス
拡散電極84との間の圧力差を所定の値に保つことがで
き、ガス拡散電極とプロトン伝導体の耐圧力を程度のも
のとすることができる。By repeating such a process, the pressure is successively reduced. Here, as described above, the voltage is detected between the gas diffusion electrode 80 and the gas diffusion electrode 84. Therefore, depending on the generated voltage, for example, both electrodes are electrically connected to each other so that the gas diffusion electrode is connected. By applying an electric current between the gas diffusion electrode 80 and the gas diffusion electrode 84, the pressure difference between the gas diffusion electrode 80 and the gas diffusion electrode 84 can be maintained at a predetermined value, and the pressure resistance of the gas diffusion electrode and the proton conductor can be increased to a certain degree. Can be
【0161】本発明の実施の形態において、前記ガスと
して水素ガスを用いる場合を例に挙げて説明したが、前
記ガスとして酸素ガスを用いることも可能であり、この
場合は、前記イオン伝導体として酸化ジルコニウム等を
用いることが好ましい。In the embodiment of the present invention, the case where hydrogen gas is used as the gas has been described as an example. However, it is also possible to use oxygen gas as the gas, and in this case, as the ion conductor. It is preferable to use zirconium oxide or the like.
【0162】[0162]
【発明の効果】本発明のガス圧調整装置、電気化学デバ
イス、気体貯蔵装置及びガス圧調整方法は、当該装置中
に、機械的な可動部が存在しないため、小型で、寿命が
長く、かつ静寂な装置とすることができる。The gas pressure adjusting device, electrochemical device, gas storage device, and gas pressure adjusting method of the present invention are small in size, have a long life, and have no mechanical moving parts in the device. It can be a quiet device.
【0163】また、小型可搬とすることができるので、
例えば個人が容易に持ち運べ、水素ガス等のガスを用い
て駆動する種々の機器を容易に動作させ得るという効果
を奏することができる。Since it can be made small and portable,
For example, there is an effect that an individual can easily carry it and can easily operate various devices driven by using gas such as hydrogen gas.
【図1】本発明の実施の形態によるガス圧調整装置の概
略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a gas pressure adjusting device according to an embodiment of the present invention.
【図2】同、ガス圧調整装置の高圧容器側の圧力変化を
示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a pressure change on the high-pressure container side of the gas pressure adjusting device.
【図3】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。FIG. 3 is a structural diagram of polyhydroxylated fullerene, which is an example of a fullerene derivative usable in the present embodiment.
【図4】同、フラーレン誘導体の例を示す模式図であ
る。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the same fullerene derivative.
【図5】同、プロトン伝導帯において母体となるカーボ
ンクラスターの種々の例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing various examples of carbon clusters that serve as a matrix in the proton conduction band.
【図6】同、カーボンクラスターの他の例(部分フラー
レン構造)を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing another example of carbon clusters (partial fullerene structure).
【図7】同、カーボンクラスターの他の例(ダイヤモン
ド構造)を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing another example (diamond structure) of carbon clusters.
【図8】同、カーボンクラスターの更に他の例(クラス
ター同士が結合しているもの)を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic view showing still another example of carbon clusters (clusters bonded to each other).
【図9】同、プロトン伝導体の母体となるカーボンナノ
チューブ及びカーボンファイバーの概略図である。FIG. 9 is a schematic view of a carbon nanotube and a carbon fiber, which are the parent body of the proton conductor.
【図10】本発明の実施の形態による電気化学デバイス
の概略断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical device according to an embodiment of the present invention.
【図11】同、気体貯蔵装置の概略断面図である。FIG. 11 is a schematic sectional view of the gas storage device.
【図12】同、気体貯蔵装置に接続される出入口圧力検
出手段の概略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the inlet / outlet pressure detection means connected to the gas storage device.
【図13】同、気体貯蔵装置及びこれに接続される気体
貯蔵補助システムの概略断面図である。FIG. 13 is a schematic sectional view of the gas storage device and a gas storage auxiliary system connected thereto.
【図14】同、気体貯蔵装置の他の例の概略断面図であ
る。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of another example of the gas storage device.
【図15】同、気体貯蔵装置の他の例の概略断面図であ
る。FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of another example of the gas storage device.
【図16】同、電気化学セルが多段構造に形成されてい
る気体貯蔵装置の概略断面図である。FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a gas storage device in which the electrochemical cell has a multi-stage structure.
【図17】同、電気化学セルが多段構造に形成されてい
る気体貯蔵装置の他の例の概略断面図である。FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of another example of a gas storage device in which the electrochemical cell has a multi-stage structure.
【図18】従来例によるガスレギュレータの概略断面図
である。FIG. 18 is a schematic sectional view of a gas regulator according to a conventional example.
1…第1極、2…第2極、3、23…プロトン伝導体、
4…電気化学セル、5…高圧容器、6…低圧容器、7…
真空ライン、8…真空ポンプ、9…H2リザーバー、1
0…ガスフローメーター、11、12…リード導入端
子、13、14、15、16、17…バルブ、18…減
圧部、19…水素ガス貯蔵部、20…ガス消費部、21
…第3極、22…第4極、24…圧力センサー、25…
H2供給タンク、26…気体貯蔵装置、27…気体出入
口部、28…出入口圧力検出手段、29…ダイヤフラ
ム、30…閉空間、31…マイクロスイッチ、32…圧
力壁、33…気体貯蔵部、34、35…引出し線、3
6、37…接続線、38、39…電極端子、40…気体
貯蔵補助システム、41…流路、42…圧力検出手段、
43…圧力電圧検出手段、44…演算手段、45…電流
供給部、46…切替部1 ... 1st pole, 2 ... 2nd pole, 3, 23 ... Proton conductor,
4 ... Electrochemical cell, 5 ... High-pressure container, 6 ... Low-pressure container, 7 ...
Vacuum line, 8 ... Vacuum pump, 9 ... H 2 reservoir, 1
0 ... Gas flow meter, 11, 12 ... Lead introduction terminal, 13, 14, 15, 16, 17, ... Valve, 18 ... Decompression section, 19 ... Hydrogen gas storage section, 20 ... Gas consumption section, 21
... 3rd pole, 22 ... 4th pole, 24 ... Pressure sensor, 25 ...
H 2 supply tank, 26 ... Gas storage device, 27 ... Gas inlet / outlet part, 28 ... Inlet / outlet pressure detection means, 29 ... Diaphragm, 30 ... Closed space, 31 ... Micro switch, 32 ... Pressure wall, 33 ... Gas storage part, 34 , 35 ... Leader line, 3
6, 37 ... Connection lines, 38, 39 ... Electrode terminals, 40 ... Gas storage auxiliary system, 41 ... Flow path, 42 ... Pressure detection means,
43 ... Pressure / voltage detection means, 44 ... Calculation means, 45 ... Current supply section, 46 ... Switching section
フロントページの続き (72)発明者 阿多 誠文 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 3K068 FA02 FB00 FC02 GA02 GA07 5H027 AA06 DD00 KK01 KK54 MM01 5H316 BB03 DD11 DD17 EE01 JJ03 KK01 KK02 KK04 Continued front page (72) Inventor Seifumi Ata 6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni -Inside the corporation F term (reference) 3K068 FA02 FB00 FC02 GA02 GA07 5H027 AA06 DD00 KK01 KK54 MM01 5H316 BB03 DD11 DD17 EE01 JJ03 KK01 KK02 KK04
Claims (24)
1極で発生した前記イオンを再びガスに転化する第2
極、及びこれらの両極間に挟持されたイオン伝導体から
なる電気化学セルと、この電気化学セルの一方の側に配
された高圧容器とを有するガス圧調整装置。1. A first pole for decomposing gas into ions, and a second pole for converting the ions generated at the first pole into gas again.
A gas pressure regulator having an electrode and an electrochemical cell composed of an ion conductor sandwiched between these electrodes, and a high-pressure container arranged on one side of the electrochemical cell.
流を供する手段を更に有し、前記制御電流の電流量が制
御されることにより前記両電極間を横断して流れるガス
の流量が制御される、請求項1に記載したガス圧調整装
置。2. A means for supplying a control current to both ends of the first pole and the second pole is further provided, and a gas flowing across the electrodes is controlled by controlling a current amount of the control current. The gas pressure regulator according to claim 1, wherein the flow rate is controlled.
る、請求項1に記載したガス圧調整装置。3. The gas pressure adjusting device according to claim 1, wherein the gas is hydrogen gas or oxygen gas.
ガスを透過させ得る電解質材料からなる膜である、請求
項1に記載したガス圧調整装置。4. The gas pressure adjusting device according to claim 1, wherein the ionic conductor is a membrane made of an electrolyte material capable of transmitting the ionized gas.
オン解離平衡を可能とする触媒が担持された電極膜であ
る、請求項1に記載したガス圧調整装置。5. The gas pressure adjusting device according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are electrode films carrying a catalyst that enables ion dissociation equilibrium of the gas.
が配され、前記電気化学セルがガス隔壁の役割を果た
し、前記電気化学セルの両側で圧力差が生じた場合に、
両電極間のポテンシャルをコントロールしながら圧力調
整を行う手段を有する、請求項1に記載したガス圧調整
装置。6. A low-pressure vessel is disposed on the other side of the electrochemical cell, the electrochemical cell serves as a gas partition, and when a pressure difference is generated on both sides of the electrochemical cell,
The gas pressure adjusting device according to claim 1, further comprising means for adjusting pressure while controlling potential between both electrodes.
か、或いは可変抵抗器により前記圧力調整を行う、請求
項6に記載したガス圧調整装置。7. The gas pressure adjusting device according to claim 6, wherein the electromotive force generated from the pressure difference is short-circuited or the pressure is adjusted by a variable resistor.
個並んで配され、多段構造を有している、請求項1に記
載したガス圧調整装置。8. The gas pressure regulator according to claim 1, wherein a plurality of the electrochemical cells are arranged side by side in the gas flow direction and have a multi-stage structure.
両側は密閉容器となっており、一方側が高圧ガスタンク
として、他方側がガス消費系に接続している場合に、前
記他方側の密閉容器中に圧力センサーが設置され、この
圧力センサーが電気化学セルの両電極間に接続したリレ
ースイッチと連動し、ガス消費を補うように機能する、
請求項1に記載したガス圧調整装置。9. An electrochemical cell acting as a gas partition is provided with closed vessels on both sides, and when one side is connected as a high pressure gas tank and the other side is connected to a gas consuming system, the closed vessel is provided in the other side. A pressure sensor is installed, and this pressure sensor works in conjunction with a relay switch connected between both electrodes of the electrochemical cell to function to supplement gas consumption,
The gas pressure adjusting device according to claim 1.
ーとして機能する、請求項1に記載したガス圧調整装
置。10. The gas pressure regulator according to claim 1, wherein the electrochemical cell functions as a gas purification filter.
あり、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスタ
ーと、筒状又は線状炭素の構造体とからなる群より選ば
れた少なくとも1種からなる物質を主成分とし、この物
質を構成する炭素原子にプロトン解離性の基を導入して
なる誘導体によって前記プロトン伝導体が構成され、こ
のプロトン伝導体を介して前記第1極で発生したプロト
ンを前記第2極へ移動させる、請求項1に記載したガス
圧調整装置。11. The ionic conductor is a proton conductor, and is selected from at least one selected from the group consisting of fullerene molecules, carbon-based clusters, and tubular or linear carbon structures. The proton conductor is composed of a substance having the following substance as a main component and a proton dissociable group introduced into a carbon atom constituting the substance, and the proton generated at the first pole via the proton conductor. Is moved to the said 2nd pole, The gas pressure adjusting apparatus of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
(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11に記載
したガス圧調整装置。12. The proton dissociative group is —XH.
The gas pressure adjusting device according to claim 11, wherein X is an arbitrary atom or atomic group having a divalent bond and H is a hydrogen atom.
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12に記載したガ
ス圧調整装置。13. The gas pressure adjustment according to claim 12, wherein the proton-dissociative group is —OH or —YOH (Y is an arbitrary atom or atomic group having a divalent bond). apparatus.
−OSO3H、−COOH、−SO3H、−OPO(O
H)2、−C6H4−SO3Hのいずれかより選ばれる基で
ある、請求項13に記載したガス圧調整装置。14. The proton dissociative group is —OH,
-OSO 3 H, -COOH, -SO 3 H, -OPO (O
The gas pressure adjusting device according to claim 13, which is a group selected from the group consisting of H) 2 and —C 6 H 4 —SO 3 H.
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11に記載したガス圧調整装
置。15. The gas pressure adjusting device according to claim 11, wherein the fullerene molecule is a spherical shell carbon cluster molecule Cm (m is a natural number by which Cm can form a spherical shell structure).
極、前記第1極で発生した前記プロトンを再び水素ガス
に転化する第2極、及びこれらの両極間に挟持されたプ
ロトン伝導体からなる電気化学セルと、この電気化学セ
ルの前記第1極側に配され、水素ガスを含む気体状物質
を収容する高圧容器とを有し、前記電気化学セルが前記
高圧容器中の圧力を減少させるように機能する減圧部
と、 前記減圧部における前記第2極側に接して配された水素
ガス貯蔵部と、 前記水素ガス貯蔵部に接して配され、前記水素ガス貯蔵
部から供給される水素ガスをプロトンに分解する第3極
と、前記第3極で発生した前記プロトンを水に転化する
第4極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導体
とからなり、前記第4極で前記プロトンを水に転化する
と共に、前記第3極と前記第4極との間で電気化学エネ
ルギーを取り出すガス消費部とから構成されてなる電気
化学デバイス。16. A first device for decomposing hydrogen gas into protons.
An electrochemical cell comprising a pole, a second pole for converting the protons generated at the first pole into hydrogen gas again, and a proton conductor sandwiched between these two poles, and the first pole of the electrochemical cell And a decompression unit that has a high-pressure container that accommodates a gaseous substance containing hydrogen gas, and that the electrochemical cell functions to reduce the pressure in the high-pressure container, and the first decompression unit in the decompression unit. A hydrogen gas storage part disposed in contact with the second electrode side; a third electrode disposed in contact with the hydrogen gas storage part for decomposing hydrogen gas supplied from the hydrogen gas storage part into protons; It is composed of a fourth pole for converting the proton generated at the pole into water, and a proton conductor sandwiched between these two poles, and at the same time as converting the proton into water at the fourth pole, the third pole and Electrochemical energy between the fourth pole and An electrochemical device comprising is composed of a gas-consuming unit to retrieve the Energy.
していない面側に酸素ガス又は酸素含有ガスが供給さ
れ、前記プロトン伝導体を通過した前記プロトンと反応
して、前記プロトンを水に転化すると共に、前記第3極
と前記第4極との間で電気化学エネルギーを取り出す、
請求項16に記載した電気化学デバイス。17. An oxygen gas or an oxygen-containing gas is supplied to a surface side of the fourth electrode which is not in contact with the proton conductor, and reacts with the proton passing through the proton conductor to convert the proton into water. Converting and extracting electrochemical energy between the third pole and the fourth pole,
The electrochemical device according to claim 16.
入口部と、気体を貯蔵する気体貯蔵部と、前記気体貯蔵
部の中に配され、ガスをイオンに分解する第1極、前記
第1極で発生した前記イオンを再びガスに転化する第2
極、及びこれらの両極間に挟持されたイオン伝導体から
なる電気化学セルとを有し、前記電気化学セルの機能に
より、前記ガス出入口部を介して前記気体貯蔵部にガス
を出入りさせて、前記気体貯蔵部中の圧力を減少又は増
加させるように機能する減加圧部とからなる気体貯蔵装
置。18. A gas inlet / outlet portion for introducing or discharging gas, a gas storage portion for storing gas, and a first electrode disposed in the gas storage portion for decomposing gas into ions, the first electrode. Second, to convert the ions generated at the poles into gas again
A pole, and an electrochemical cell comprising an ionic conductor sandwiched between these two electrodes, and by the function of the electrochemical cell, allowing gas to enter and exit the gas storage section through the gas inlet and outlet section, A gas storage device comprising: a depressurization unit that functions to reduce or increase the pressure in the gas storage unit.
体貯蔵補助システムが、 前記気体貯蔵装置が有するガス出入口部に前記ガスを供
給するためのガス流路と、 前記ガス流路におけるガス圧を検出する圧力検出手段
と、 前記第1極と前記第2極との間に生じる電圧を検出する
電圧検出手段と、 前記ガス圧と前記電圧とに基づき制御電流信号を算出す
る演算手段と、 前記制御電流を発生する電流供給手段と、 前記電圧が予め定めた所定の値となるまで、前記制御電
流を前記第1極及び前記第2極間に供給する状態と、前
記電圧を検出する状態とを交互に切替える切替え手段と
を有する、請求項18に記載した気体貯蔵装置。19. A gas storage auxiliary system is provided, wherein the gas storage auxiliary system supplies a gas flow path for supplying the gas to a gas inlet / outlet portion of the gas storage device, and a gas pressure in the gas flow path. Pressure detecting means for detecting; voltage detecting means for detecting a voltage generated between the first pole and the second pole; computing means for calculating a control current signal based on the gas pressure and the voltage; A current supply means for generating a control current, a state in which the control current is supplied between the first pole and the second pole until the voltage reaches a predetermined value, and a state in which the voltage is detected. 19. The gas storage device according to claim 18, further comprising a switching unit that alternately switches between.
工程と、分解された前記イオンを、前記第1極と第2極
との間に挟持されたイオン伝導体を通して前記第2極側
に伝導する伝導工程と、伝導された前記イオンを前記第
2極にて再びガスに転化する転化工程とを有するガス圧
調整方法。20. A decomposition step of decomposing gas into ions at a first pole, and the decomposed ions through the ionic conductor sandwiched between the first pole and the second pole to the second pole side. A gas pressure adjusting method comprising: a conducting step of conducting to a second electrode; and a converting step of converting the conducted ions into a gas again at the second electrode.
電流を供し、前記制御電流の電流量を制御することによ
り前記両電極間を横断して流れるガスの流量を制御す
る、請求項20に記載したガス圧調整方法。21. A control current is supplied to both ends of the first pole and the second pole, and a flow amount of a gas flowing across the electrodes is controlled by controlling a current amount of the control current. Item 20. The gas pressure adjusting method described in Item 20.
ン伝導体からなる電気化学セルがガス隔壁の役割を果た
し、前記電気化学セルの両側で圧力差が生じた場合に、
両電極間のポテンシャルをコントロールしながら圧力調
整を行う、請求項20に記載したガス圧調整方法。22. When the electrochemical cell composed of the first electrode, the second electrode and the ionic conductor serves as a gas partition wall, and a pressure difference is generated on both sides of the electrochemical cell,
The gas pressure adjusting method according to claim 20, wherein the pressure is adjusted while controlling the potential between both electrodes.
か、或いは可変抵抗器により前記圧力調整を行う、請求
項22に記載したガス圧調整方法。23. The gas pressure adjusting method according to claim 22, wherein the electromotive force generated from the pressure difference is short-circuited, or the pressure is adjusted by a variable resistor.
セルの一方側に高圧ガス貯蔵タンクを配し、他方側にガ
ス消費系に接続した密閉容器を配した場合に、前記他方
側の密閉容器中に圧力センサーを設置し、前記圧力セン
サーが、前記電気化学セルの両電極間に接続したリレー
スイッチと連動し、ガス消費を補うように機能する、請
求項22に記載したガス圧調整方法。24. In the case where a high-pressure gas storage tank is arranged on one side of the electrochemical cell acting as a gas partition wall and a closed container connected to a gas consumption system is arranged on the other side, 23. The gas pressure adjusting method according to claim 22, wherein a pressure sensor is installed in the pressure sensor, and the pressure sensor functions in cooperation with a relay switch connected between both electrodes of the electrochemical cell to supplement gas consumption.
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