CN112752870A - 湿度调节元件及湿度调节单元 - Google Patents

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CN112752870A CN201980062365.8A CN201980062365A CN112752870A CN 112752870 A CN112752870 A CN 112752870A CN 201980062365 A CN201980062365 A CN 201980062365A CN 112752870 A CN112752870 A CN 112752870A
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平方聪树
市原史基
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Abstract

本发明的湿度调节元件在由离子导电性电解质形成的膜(基部(11))的两面设置有电极(12、13)，利用一个电极(12)对水进行电解来进行除湿，并利用另一个电极(13)产生水来进行加湿，电极(12、13)包括：形成于膜的催化剂层(121、131)；及形成于催化剂层(121、131)、且与外部电源(1)电连接的集电体(122、132)，集电体(122、132)具有由金属粒子形成的薄膜电极层(123、133)。

Description

湿度调节元件及湿度调节单元
技术领域
本发明涉及湿度调节元件及湿度调节单元。
背景技术
以往，已知一种湿度调节元件，通过在由离子导电性电解质形成的膜的一个表面上设置阳极并在该膜的另一个表面上设置阴极来构成。
在这种湿度调节元件中，在膜的一个表面上经由阳极侧催化剂层形成阳极侧集电体以构成阳极，并且在膜的另一表面上经由阴极侧催化剂层形成阴极侧集电体以构成阴极。
在上述湿度调节元件中，外部电源电连接到阳极侧集电体和阴极侧集电体以施加直流电压，其结果是，在阳极侧催化剂层中引起下述式(1)的反应，并且在阴极侧催化剂层中引起下述式(2)的反应。
式(1)H2O→2H++1/2O2+2e－
式(2)2H++2e－+1/2O2→H2O
由此，湿度调节元件中，可以通过对阳极侧的气氛进行除湿并对阴极侧的气氛进行加湿来调整湿度。而且，形成阳极和阴极的阳极侧集电体和阴极侧集电体由钛、镍等所构成的网格状的网状构造体构成(例如，参照引用文献1)。
此外，以往，提出了一种除湿单元，该除湿单元对上述湿度调节元件在电极之间(阳极-阴极之间)施加约3V的直流电压来进行湿度调节，并且在达到目标湿度之后断开直流电压的施加(0V)(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015－211980号公报
专利文献2：日本专利特开平4－126518号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述引用文献1所提出的湿度调节元件中，利用钛、镍等非常昂贵的金属作为阳极和阴极的集电体，并且该金属必须被加工成网状构造体，这导致制造成本的增加。
此外，在上述引用文献2所提出的除湿单元中，使施加在电极之间的直流电压值在3V这一足够高的电压值和0V之间变化，因此电压差较大。因此，构成电极(特别是阳极)的催化剂层的粒子溶解后再次凝聚，其结果是，构成催化剂层的粒子的比表面积降低，结果导致性能在早期下降，并且存在使用寿命缩短的可能性。
本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种能降低制造成本的湿度调节元件。
此外，本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种能实现使用寿命的延长的湿度调节单元。
解决技术问题的技术方案
为了达成上述目的，本发明所涉及的湿度调节元件在由离子导电性电解质形成的膜的两面设置有电极，利用一个电极对水进行电解来进行除湿，并且利用另一个电极产生水来进行加湿，其特征在于，所述电极包括：形成于所述膜的催化剂层；以及形成于所述催化剂层、且与电源电连接的集电体，所述集电体具有由金属粒子形成的薄膜电极层。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节元件中，所述薄膜电极层以介于所述催化剂层与构成所述集电体的平板状的集电构件之间的方式形成。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节元件中，所述薄膜电极层经由构成所述集电体的平板状的集电构件形成于所述催化剂层。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节元件中，所述金属粒子由钛、铂、铱、钌、铂铱、二氧化铱和镍中的至少一种以上构成。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节元件中，所述集电构件由碳纤维构成。
此外，本发明所涉及的湿度调节单元的特征在于，包括：湿度调节元件，该湿度调节元件在由离子导电性电解质形成的膜的两面设置有电极，利用一个电极对水进行电解来进行除湿，并且利用另一个电极产生水来进行加湿；以及控制部，该控制部使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值变动，以将下限值作为水的电解中的理论电压值。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节单元中，所述控制部使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值在1.229V以上且小于3V之间变动。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节单元中，包括湿度检测单元，该湿度检测单元检测由所述湿度调节元件进行除湿或加湿的气氛的湿度，所述控制部根据所述湿度检测单元的检测结果，使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值变动。
此外，本发明的特征在于，在上述湿度调节单元中，所述电极包括：形成于所述膜的催化剂层；以及形成于所述催化剂层、且与电源电连接的集电体，所述湿度调节单元包括电压检测单元，该电压检测单元检测所述催化剂层之间的电压值，所述控制部以由所述电压检测单元检测到的电压值在规定范围内的方式，使针对所述集电体之间的直流电压值变动。
发明效果
根据本发明，电极包括：形成在膜上的催化剂层；以及形成于催化剂层、且与电源电连接的集电体，集电体具有由金属粒子形成的薄膜电极层，因此，没有必要像以往那样使用钛、镍等非常昂贵的金属来加工成网状构造体，因而起到如下效果：能低价制造，能实现制造成本的降低。
此外，根据本发明，在由离子导电性电解质形成的膜的两面设置有电极的湿度调节元件利用一个电极对水进行电解来进行除湿，并利用另一个电极产生水来进行加湿，控制部使施加于湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值变动，以将下限值作为水的电解中的理论电压值，因此，能减小施加于湿度调节元件的电压差，能抑制构成电极的催化剂层的粒子的溶解和凝聚，能减小比表面积的下降。由此，起到能实现使用寿命的延长的效果。
附图说明
图1是以截面示出本发明实施方式的湿度调节元件的结构的示意图。
图2是表示图1所示的薄膜电极层的结构的剖视图。
图3是以截面示出本发明实施方式的湿度调节元件的变形例的结构的示意图。
图4是示意性示出本发明实施方式的湿度调节单元的结构的示意图。
图5是示出构成图4所示的湿度调节单元的湿度调节元件的设置例的示意图。
图6是示出图4所示的控制部实施的湿度调节控制处理的处理内容的流程图。
图7是示意性示出本发明实施方式的湿度调节单元的变形例的结构的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明所涉及的湿度调节元件及湿度调节单元的优选实施方式进行详细说明。
＜湿度调节元件＞
图1是以截面示出本发明实施方式的湿度调节元件的结构的示意图。此处举例示出的湿度调节元件10构成为包括基部11、除湿电极12和加湿电极13。
基部11由例如氟树脂制电解质膜等离子导电性电解质所形成的膜构成，并具有使氢离子通过的性质。该基部11的厚度例如设为200μm。
除湿电极12形成在基部11的一个表面、即由离子导电性电解质形成的膜的一个表面11a上，并构成为包括除湿催化剂层121和除湿集电体122。
除湿催化剂层121形成在基部11的一个表面11a上，并构成为将粒径为例如10nm的铂黑等铂催化剂粒子分散在固体高分子电解质树脂中。
除湿集电体122构成为包括除湿集电构件122a和除湿集电框122b。除湿集电构件122a例如由碳纸等碳纤维构成，形成为平板状。如图2所示，在该除湿集电构件122a的一个表面上形成由金属粒子构成的薄膜电极层123。
薄膜电极层123由金属粒子构成，通过涂覆等形成在除湿集电构件122a的一个表面上，上述金属粒子由钛、铂、铱、钌、铂铱、二氧化铱、镍中的至少一种以上所构成。由于薄膜电极层123通过涂覆形成，因此可以形成各种图案的形态，在本实施方式中呈形成有多个矩形状开口123a的形态。该薄膜电极层123的厚度例如设定为10～50μm左右。
这样的除湿集电构件122a构成为以薄膜电极层123与除湿催化剂层121接触的方式、例如通过热压来接合，从而与除湿催化剂层121一体化。
除湿集电框架122b由导电性材料构成并形成为框状。该除湿集电框122b接合到除湿集电构件122a。
加湿电极13形成在基部11的另一个表面、即由离子导电性电解质形成的膜的另一个表面11b上，并构成为包括加湿催化剂层131和加湿集电体132。
加湿催化剂层131形成在基部11的另一表面11b上，并通过将碳粒子和铂纳米粒子分散在固体高分子电解质树脂中而构成。
加湿集电体132构成为包括加湿集电构件132a和加湿集电框132b。加湿集电构件132a例如由碳纸等碳纤维构成，形成为平板状。在该加湿集电构件132a的一个表面上形成由金属粒子构成的薄膜电极层133。
薄膜电极层133由金属粒子构成，通过涂覆形成在加湿集电构件132a的一个表面上，上述金属粒子由钛、铂、铱、钌、铂铱、二氧化铱、镍中的至少一种以上所构成。由于薄膜电极层133通过涂覆形成，因此可以形成各种图案的形态，在本实施方式中，与构成除湿集电体122的薄膜电极层123同样地，呈形成有多个矩形状开口133a的形态。该薄膜电极层133的厚度例如设定为10～50μm左右。
这样的加湿集电构件132a构成为以薄膜电极层133与加湿催化剂层131接触的方式、例如通过热压来接合，从而与加湿催化剂层131一体化。
加湿集电框架132b由导电性材料构成并形成为框状。该加湿集电框132b接合到加湿集电构件132a。
这种湿度调节元件10中，构成除湿电极12的除湿集电框122b和构成加湿电极13的加湿集电框132b构成为分别经由导线2电连接到外部电源1。即，通过将除湿电极12的除湿集电框122b(除湿集电体122)电连接到外部电源1的正极，从而该除湿电极12构成阳极，并且通过将加湿电极13的加湿集电框132b(加湿集电体132)电连接到外部电源1的负极，从而该加湿电极13构成阴极。
在具有上述结构的湿度调节元件10中，当从外部电源1提供电流并使其通电时，在除湿电极12中发生下述式(3)的反应，并且在加湿电极13中发生下述式(4)的反应。
即，通过减少水分子(水组分)来对除湿电极12的周边气氛进行除湿。而且，在除湿电极12中产生的氢离子通过基部11与加湿电极13的周边气氛中的氧分子(氧组分)反应以形成水分子，从而对加湿电极13的周边气氛进行加湿。
式(3)H2O→2H++1/2O2+2e－
式(4)2H++2e－+1/2O2→H2O
在具有以上结构的湿度调节元件10中，构成除湿电极12和加湿电极13的除湿集电体122和加湿集电体132通过在除湿集电构件122a和加湿集电构件132a的各自的一个表面上形成由金属粒子所构成的薄膜电极层123、133而构成，因此可以减小湿度调节元件10的表面方向上的集电电阻。而且，由于不需要像以往那样使用钛、镍等非常昂贵的金属来加工成网状构造体，因此可以低价制造，并且可以降低制造成本。
根据上述湿度调节元件10，由于在加湿集电体132中设置平面状的加湿集电构件132a，所以在加湿催化剂层131中产生的水分子通过加湿集电构件132a并在各个方向上分散，可以对加湿电极13的周边气氛良好地进行加湿。
以上对本发明所涉及的湿度调节元件10的优选实施方式进行了说明，但本发明能进行各种变更。
上述构成湿度调节元件10的薄膜电极层123、133以介于催化剂层(除湿催化剂层121和加湿催化剂层131)与集电构件(除湿集电构件122a和加湿集电构件132a)之间的方式形成，但在本发明中，如图3所示那样，薄膜电极层124、134也可以经由集电构件(除湿集电构件122a和加湿集电构件132a)形成于催化剂层(除湿催化剂层121和加湿催化剂层131)。
在上述实施方式中，薄膜电极层123、133形成在集电构件(除湿集电构件122a和加湿集电构件132a)的一个表面上，然后接合到催化剂层(除湿催化剂层121和加湿催化剂层131)，但在本发明中，薄膜电极层也可以通过直接涂覆形成在催化剂层上，从而构成集电体。即，可以不设置集电构件。
＜湿度调节单元＞
图4是示意性示出本发明实施方式的湿度调节单元的结构的示意图。此处举例示出的湿度调节单元20构成为包括湿度调节元件10、湿度检测传感器(湿度检测单元)21和控制部22。
由于湿度调节元件10具有与图1所示相同的结构，因此附加相同的标号并省略其重复说明。如图5所示，该湿度调节元件10以构成阳极的除湿电极12面向壳体3的外部、并且构成阴极的加湿电极13面向壳体3的内部的方式，将形成在该壳体3的壁部的通气孔4封闭来配置。
湿度检测传感器21设置在壳体3的内部，检测由湿度调节元件10加湿的壳体3的内部的湿度。该湿度检测传感器21将检测湿度作为湿度信号输出到控制部22。
控制部22根据存储器23中所存储的程序、数据对湿度调节单元20的动作统一进行控制。该控制部22驱动外部电源1，以使施加在湿度调节元件10的两个电极12、13之间的直流电压值在1.229V以上且小于3V之间变动，更优选为使其在1.229V以上、2.8V以下之间变动。
这里，作为直流电压值的下限值的1.229V是水的电解中的理论电压值。作为直流电压值的上限值的2.8V是在湿度调节元件10中良好地发生湿度调节反应(除湿反应和加湿反应)的电压值。
另外，控制部22例如可以通过使CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等处理装置执行程序、即利用软件来实现，也可利用IC(Integrated Circuit：集成电路)等硬件来实现，也可兼用软件和硬件来实现。
此外，存储部23中存储有壳体3的内部的湿度的目标范围信息，更详细而言，存储有关于目标下限值和目标上限值的信息。
在这种湿度调节单元20中，控制部22驱动外部电源1以对湿度调节元件10的两个电极12、13之间施加直流电压，从而在除湿电极12中发生上述式(3)的反应，并在加湿电极13中发生上述式(4)的反应，由此来对壳体3的内部气氛进行加湿。
图6是表示图4所示的控制部22所实施的湿度调节控制处理的处理内容的流程图。
在该湿度调节处理中，控制部22判断是否有来自湿度检测传感器21的湿度信号的输入(步骤S101)。在没有来自该湿度检测传感器21的湿度信号的输入时(步骤S101：否)，控制部22重复步骤S101的处理。
另一方面，在有湿度信号的输入时(步骤S101：是)，控制部22从存储部23读取目标范围信息，并判断包含在湿度信号中的检测湿度是否在目标下限值以上(步骤S102)。
在检测湿度不在目标下限值以上时(步骤S102：否)，即检测湿度小于目标下限值时，控制部22将由外部电源1施加到湿度调节元件10的直流电压值(以下也称为施加电压值)设定为上限值(2.8V)(步骤S103)，然后使进程返回以结束本次的处理。
由此，促进了湿度调节元件10的除湿反应和加湿反应，壳体3的内部气氛中的湿度朝上升的方向转移。
在检测湿度为目标下限值以上时(步骤S102：是)，控制部22判断检测湿度是否为目标上限值以下(步骤S104)。
在检测湿度不在目标上限值以下时(步骤S104：否)，即检测湿度超过了目标上限值时，控制部22将施加电压值设定为下限值(1.229V)(步骤S105)，然后使进程返回以结束本次的处理。
由此，不进行湿度调节元件10的除湿反应和加湿反应，壳体3的内部气氛中的湿度朝下降的方向转移。此处，由于施加电压值的下限值是水的电解中的理论电压值(1.229V)，因此理论上在湿度调节元件10中发生湿度调节反应，但是实际上由于湿度调节元件10的结构要素的电阻等，不发生湿度调节反应。即，可以说上述理论电压值接近不进行湿度调节反应的电压值的最大值。
在检测湿度不在目标下限值以下时(步骤S104：是)，即检测湿度处于目标范围内时，控制部22维持施加电压值(步骤S106)，然后使进程返回以结束本次的处理。
如以上所说明的那样，在本发明实施方式的湿度调节单元20中，由于控制部22使施加在湿度调节元件10的两个电极12、13之间的直流电压值在1.229V以上且小于3V之间变动，因此可以减小施加到湿度调节元件10的电压差。因此，可以在两个电极12、13中抑制催化剂层(除湿催化剂层121和加湿催化剂层131)的粒子的溶解和凝聚，可以减少比表面积的降低。由此，根据湿度调节单元20，能实现使用寿命的延长。
以上对本发明所涉及的湿度调节单元20的优选实施方式进行了说明，但本发明能进行各种变更。
在上述实施方式中，湿度调节元件10以除湿电极12面向壳体3的外部、并且加湿电极13面向壳体3的内部的方式进行配置，但在本发明中，湿度调节元件能以加湿电极面向壳体的外部、并且除湿电极面向壳体的内部的方式进行配置。
在上述实施方式中，控制部22对湿度调节元件10的两个电极12、13之间施加在1.229V以上2.8V以下之间的直流电压值，但在本发明中，当施加电压值的下限值为1.229V时，施加电压值的上限值可以与以往相同。
上述实施方式中，举例示出了湿度调节元件10的结构为图1所示的结构，但在本发明中，湿度调节元件可以具有公知的结构。
在上述实施方式中，控制部22根据湿度检测传感器21所得出的检测结果，使施加在湿度调节元件10的两个电极12、13之间的直流电压值变动，但在本发明中，在存储部中存储有表示温度、电流值和相对湿度之间的相关关系的表的情况下，也可以基于通过湿度调节元件的电流值来预测湿度，并使直流电压值变动。
在上述实施方式中，控制部22在湿度调节控制处理中在施加电压值的上限值和施加电压值的下限值间进行变动，但在本发明中，可以使施加电压值以逐渐增加或逐渐减小的方式变动。
本发明所涉及的湿度调节单元可以具有如下结构。图7是示意性示出本发明实施方式的湿度调节单元的变形例的结构的示意图。此外，对与上述湿度调节单元20相同的结构要素附加相同的标号，并省略其重复说明。
此处举例示出的湿度调节单元30构成为包括湿度调节元件10、电压检测部(电压检测单元)31和控制部32。
电压检测部31检测除湿催化剂层121和加湿催化剂层131之间的电压值。更详细而言，电压检测部分31利用分别电连接到除湿催化剂层121和加湿催化剂层131的探针31a、31b来检测两个催化剂层121、131之间的电压值。此处，在图中虽未明确示出，但探针31a、31b通过将金镀层施加到由铜制成的长方体块而与除湿催化剂层121和加湿催化剂层131电接触。另外，只要探针31a、31b可以分别电连接到除湿催化剂层121和加湿催化剂层131，则其形状和结构没有特别限定，其形状可以是平板状、凸透镜状、针状、剑状、线状等形态。
控制部32根据存储器33中所存储的程序、数据对湿度调节单元30的动作统一进行控制。该控制部32驱动外部电源1，以使施加在湿度调节元件10的两个电极12、13之间的直流电压值在1.229V以上且小于3V之间变动，更优选为使其在1.229V以上、2.8V以下之间变动。
另外，控制部32例如可以通过使CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等处理装置执行程序、即利用软件来实现，也可利用IC(Integrated Circuit：集成电路)等硬件来实现，也可兼用软件和硬件来实现。
在这种湿度调节单元30中，控制部32驱动外部电源1以对湿度调节元件10的两个电极12、13之间施加直流电压，从而在除湿电极12中发生上述式(3)的反应，并且在加湿电极13中发生上述式(4)的反应，由此来对壳体3的内部气氛进行加湿。
而且，当由电压检测部分31检测到的电压值(以下也称为检测电压值)偏离外部电源1的施加电压值时，控制部32进行使由外部电源1施加到湿度调节元件10的电压变动的校正，以使得检测电压值近似于该施加电压值，即、使得检测电压值在规定范围内。
由此，可以抑制催化剂层(除湿催化剂层121和加湿催化剂层131)中的反应因湿度调节元件10的各电极(除湿电极12和加湿电极13)中的结构要素之间的接触电阻所产生的IR损耗而降低，可以良好地进行湿度调节元件10中的湿度调节反应。
标号说明
1…外部电源、10…湿度调节元件、11…基部、12…除湿电极、121…除湿催化剂层、122…除湿集电体、122a…除湿集电构件、122b…除湿集电框、123…薄膜电极层、13…加湿电极、131…加湿催化剂层、132…加湿集电体、132a…加湿集电构件、132b…加湿集电框、133…薄膜电极层、20…湿度调节单元、21…湿度检测传感器、22…控制部、23…存储部。

Claims (9)

1.一种湿度调节元件，在由离子导电性电解质形成的膜的两面设置有电极，利用一个电极对水进行电解来进行除湿，并且利用另一个电极产生水来进行加湿，其特征在于，
所述电极包括：
形成于所述膜的催化剂层；以及
形成于所述催化剂层、且与电源电连接的集电体，
所述集电体具有由金属粒子形成的薄膜电极层。
2.如权利要求1所述的湿度调节元件，其特征在于，
所述薄膜电极层以介于所述催化剂层与构成所述集电体的平板状的集电构件之间的方式形成。
3.如权利要求1所述的湿度调节元件，其特征在于，
所述薄膜电极层经由构成所述集电体的平板状的集电构件形成于所述催化剂层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的湿度调节元件，其特征在于，
所述金属粒子由钛、铂、铱、钌、铂铱、二氧化铱和镍中的至少一种以上构成。
5.如权利要求2或3所述的湿度调节元件，其特征在于，
所述集电构件由碳纤维构成。
6.一种湿度调节单元，其特征在于，包括：
湿度调节元件，该湿度调节元件在由离子导电性电解质形成的膜的两面设置有电极，利用一个电极对水进行电解来进行除湿，并且利用另一个电极产生水来进行加湿；以及
控制部，该控制部使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值变动，以将下限值作为水的电解中的理论电压值。
7.如权利要求6所述的湿度调节单元，其特征在于，
所述控制部使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值在1.229V以上且小于3V之间变动。
8.如权利要求6或7所述的湿度调节单元，其特征在于，
包括湿度检测单元，该湿度检测单元检测由所述湿度调节元件进行除湿或加湿的气氛的湿度，
所述控制部根据所述湿度检测单元所得出的检测结果，使施加于所述湿度调节元件的两个电极之间的直流电压值变动。
9.如权利要求6或7所述的湿度调节单元，其特征在于，
所述电极包括：
形成于所述膜的催化剂层；以及
形成于所述催化剂层、且与电源电连接的集电体，
所述湿度调节单元包括电压检测单元，该电压检测单元检测所述催化剂层之间的电压值，
所述控制部以由所述电压检测单元检测到的电压值在规定范围内的方式，使针对所述集电体之间的直流电压值变动。
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