CN1219609A - 固体高分子电解模块及使用该模块的固体高分子电解装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示固体高分子电解槽块及使用该模块的固体高分子电解装置,隔着具有导电性金属板的衬垫(spacer)层积多个固体高分子电解元件,在形成空气的气流路的同时形成立体的电解反应面。然后将多个固体高分子电解元件串联地电气连接,按照相同极性的面相对的要求层积。

Description

固体高分子电解模块及使用该模块的固体高分子电解装置
本发明涉及使用离子导电性固体高分子电解质膜电解气体中的水蒸气，使用生成的电解生成物的特性，引出别的功能加以利用的固体高分子电解模块，涉及模块主体及直流电源系统的小型的、可以做得紧凑的模块的结构。还涉及最大限度发挥该固体高分子电解模块的特性，同时确保固体高分子电解模块的动作的安全的固体高分子电解装置。
图14及图15是表示例如日本专利特开平8-134679号所述的使用氢离子导电性固体高分子电解质膜电解水的固体电解质膜电解装置的总体结构图的纵剖面图及表示分解状态的纵剖面图。
在图14及图15中，固体电解质膜电解装置1是由圆盘状的固体电解质膜2与在其两面增添设置的圆盘状多孔馈电体3和4、配设于其外侧的圆盘状的阳极电极板5及阴极电极板6，以及在两电极板5、6外侧增添设置的圆盘状密封垫圈形成的密封构件7构成的圆盘状固体电解质膜单元8多个并设，使其相同电极侧相向的构成的。
而且，固体电解质膜2等做成圆盘状，但是也可以将这些构件做成方形。
又，在将固体电解质膜单元8并设，使其相同电极侧相向时，在相邻的固体电解质膜单元8之间夹着圆盘状的塑料绝缘衬垫(spacer)9。又在两端的固体电解质膜单元8外侧设置不锈钢制的端板10。
又，在固体电解质膜电解装置1配设用于向固体电解质膜单元8阳极侧的多孔质馈电体3提供纯水的纯水供给路径11及取出氧气用的氧气取出路径12。同样配设用于从固体电解质膜单元18阴极侧的多孔质馈电体4取出氢气的氢气取出路径13。又，电极板用外部接线14连接，向馈电体馈送电力。
这样构成的固体电解质膜电解装置1首先从纯水供给系统(未图示)通过纯水供给路径11向固体电解质膜单元8阳极侧的多孔质馈电体3提供纯水。然后，所提供的纯水在固体电解质膜单元8阳极侧被电解，发生
的反应，产生氧气，从多孔质馈电体3通过氧气取出路径12取出水和氧气，回收氧气。
另一方面，在固体电解质膜单元8阴极侧，阳极侧生成的H+通过固体电解质膜2，发生
的反应，产生氢气，从多孔质馈电体4通过氢气取出路径13取出氢气并回收之。
由上述作用对水进行电解，得到氢气和氧气。又，电解所需要的电力由外部配线14通过电极板5、6向多孔质馈电体3、4提供。
这样，已有的固体电解质膜电解装置是通水，将其电解为氧气和氢气的情况下使用的装置，不是以电解空气中所含的水蒸气为目的的装置。
本发明是提供电解空气中所含的水蒸气，利用所生成的电解生成物的特性引出别的功能加以利用为目的的装置，提供适合于此的机械上牢固、小型、廉价的固体高分子电解模块。
又，本发明提供最大限度利用该固体高分子电解模块的电解特性，并且使动作维持稳定的固体高分子电解模块。
本发明的固体高分子电解模块，是将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的多个固体高分子电解元件隔着以至少一部分为导电连接边的衬垫叠层，使相邻的固体高分子电解元件之间形成空气通路，叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过上述衬垫的导电性连接边电气连接于接近一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极上，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过上述衬垫的导电性连接边，在电气上串联连接于接近另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极上，在上述相邻的固体高分子电解元件之间形成的空气通道按照如下要求构成，也就是在将直流电压加在位于叠层的上述多个固体高分子电解元件的一端上的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与位于另一端上的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极之间时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分开独立形成。
本发明的固体高分子电解装置，是具备：将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的多个固体高分子电解元件隔着以至少一部分为导电连接边的衬垫叠层，使相邻的固体高分子电解元件之间形成空气通路，叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过上述衬垫的导电性连接边电气连接于接近一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极上，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过上述衬垫的导电性连接边，在电气上串联连接于接近另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极上，上述相邻的固体高分子电解元件之间形成的空气通道按照如下要求构成，也就是在将直流电压加在叠层的上述多个固体高分子电解元件的一端上的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与另一端上的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极之间时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分开独立形成的固体高分子电解模块，以及在所述固体高分子电解元件的一边和另一边的多孔质电极之间在电气上并联连接，如果上述一边和另一边的多孔质电极之间的电压超过设定电压则电流急剧流动的电路结构的旁通电路。
图1是表示本发明实施形态1的固体高分子电解模块的立体图。
图2是表示使用于本发明实施形态1的固体高分子电解模块的固体高分子电解元件的立体图。
图3是表示本发明实施形态1的固体高分子电解模块的分解立体图。
图4是表示本发明实施形态2的固体高分子电解模块的立体图。
图5是表示本发明实施形态3的固体高分子电解模块的立体图。
图6是表示使用于本发明实施形态3的固体高分子电解模块的固体高分子电解元件的立体图。
图7是表示本发明实施形态3的固体高分子电解模块的分解立体图。
图8是表示本发明实施形态4的固体高分子电解装置的立体图。
图9是表示本发明实施形态4的固体高分子电解装置的分解立体图。
图10是表示在本发明实施形态4的固体高分子电解装置上使用的旁通电路的电路图。
图11是表示在本发明实施形态4的固体高分子电解装置上使用的旁通电路的电气特性的图。
图12表示在本发明实施形态4的固体高分子电解装置上使用的固体高分子电解元件的电压-电流特性图。
图13是表示本发明实施形态5的固体高分子电解装置的分解立体图。
图14是表示使用氢离子导电性的固体高分子电解质膜电解水的已有的固体电解质膜电解装置的总体结构的纵剖面图。
图15是表示使用氢离子导电性的固体高分子电解质膜电解水的已有的固体电解质膜电解装置的分解状态的纵剖面图。
下面根据附图对本发明的实施形态加以说明。
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的固体高分子电解模块的立体图。
在图1中，固体高分子电解模块50，是固体高分子电解元件51借助于衬势52保持一定间隔多个迭层，迭层方向上的两端被加以压力形成一整体构成的。于是，利用衬垫52形成一定间隔的固体高分子电解元件51间形成作为通气路径的空气流通道53a、53b。又，衬垫52在固体高分子电解元件51的两端互相交错配置，使得流经相邻的空气流通道53a、53b的空气流形成正交流动。
该衬垫52是在塑料等制的长方体的绝缘体块52a的表面装上导电性金属板52b制成的，固体高分子电解元件51隔着衬垫52迭层时，上下固体高分子电解元件51间通过导电性金属板52b电气连接。
又，衬垫52也可以用碳素棒那样的良导电体制作。图中，57表示直流电源，箭头B、C表示空气流。
下面接着参照图2对固体高分子电解元件51的结构加以说明。
固体高分子电解元件51是在能有选择地使氢离子(质子)通过的质子导电性的固体高分子电解质膜55的两面上热压一对多孔质电极54a、54b，构成复合膜状。而多孔质电极54a、54b的两端分别用例如焊锡等方法装上电气连接片56a、56b，使其与多孔质电极之间电气接触电阻为零。又，多孔质电极54a、54b以正交的形式压接于固体高分子电解质膜55的两面，电气连接片56a、56b以从固体高分子电解质膜55的四边露出的形式构成。
还有，多孔质电极54a、54b与固体高分子电解质膜55的接合面上形成未图示的铂族金属催化剂层，提高了电极面上的电解反应的活性度。
这里，多孔质电极54a、54b用镀了例如铂的多孔钛等构成。而且，阴极一方的多孔质电极54b也可以使用碳素纤维的不织布。又，固体高分子电解质膜55使用了例如纳费昂(杜邦公司的注册商标)膜等。
下面接着根据图3对固体高分子电解元件51间的电气连接状态加以说明。
固体高分子电解元件51在形成空气通道53a(53b)的衬垫夹在两端部形成迭层。而且衬垫52配置在固体高分子电解元件51两端，级间相互错开，图3中为了简化说明、只记录着一边的衬垫52。
多孔质电极54a、54b上安装的电连接片56a、56b与衬垫52的导电性金属板52b在迭层过程中成电气连接，而且前级元件的阴极连接在后级元件的阳极上，或是相反，使前级元件的阳极与后级元件的阴极接触，将各元件在电气上串联连接，又使电流的流向如箭头A所示流动，以此使固体高分子电解元件51级间隔着衬垫52，阳极或阴极相同电极相向。
作为空气流，以此使箭头B所示的在阳极面间流动的空气流与箭头C所示的在阴极面间流动的空气流互相垂直，分别形成相同方向的气流。
下面对固体高分子电解模块50的作用加以叙述。
构成这种固体高分子电解模块50的固体高分子电解元件51，如图2所示，夹着有选择地使氢离子(质子)通过的固体高分子电解质膜55，隔着促进电解反应的催化剂层热压多孔质电极54a、54b形成复合膜状。
固体高分子电解质元件连接直流电源57，使被除湿侧为阳极侧，加湿侧为阴极侧。在这里，直流电源57向阳极侧的多孔质电极54a与阴极侧的多孔质电极54b间供电，则阳极侧的空气中的水蒸汽被电解，水分子按式(1)的反应分解，产生氧气并且湿度下降。
阳极侧：     (1)
而且，1～3个分子的复合水分子随着从阳极侧通过固体高分子电解质膜55向阴极侧移动的氢离子从阳极侧向阴极侧移动。从而，水分子在阳极侧被消耗，湿度下降，得到干燥的空气。
又，在上述电解反应时在阴极侧生成的氢离子(H+)通过固体高分子电解质膜55到达阴极。另一方面，电子(e-)通过外部电路到达阴极。于是，式(2)的反应在阴极侧消耗了氧生成水。
阴极侧：     (2)
因此，流过阴极侧的空气被加湿成为湿润的空气。
利用上述作用，流经固体高分子电解模块50的阳极相对设置而构成的空气流通道53a的箭头B所示的空气流，空气流中所包含的水蒸气被电解、消耗得以减湿为干燥空气。借助于此，如果将空气流通道53a连接到例如未图示的规定的闭空间，则能够形成干燥的空间。
另一方面，流过阴极相对设置而构成的空气流通道53b的箭头C所示的空气流由于氧被消耗而生成水蒸汽因而得到加湿成为湿润的空气。又，箭头B、C所示的空气流构成正交流动，从各不相同的方向分别引出空气流，而且在模块内部气流路径没有弯曲，形成压力损失小的气流通道。
上式(1)、(2)所示的电解反应所需的电力由直流电源57提供，由于固体高分子电解元件51完全串联着，将通向一个固体高分子电解元件51的电流量通往固体高分子电解模块50，可以在全部元件上实现上述电解反应。
又，直流电源的电压是1个固体高分子元件51所加的电压乘以串联连接的元件数目的乘积，而1个固体高分子电解元件51所加的电压约为2伏特，因此，如果以串联连接的元件数为N，则应连接2N伏特左右的电压的直流电源。通常，直流电源的尺寸取决于其电流容量，因此将固体高分子电解元件51全部串联连接，以减小通向固体高分子电解模块50的电流量，实现直流电源的小型化。
这样，采用本实施形态1，将多个固体高分子电解元件51隔着具有导电性金属板52b的衬垫52迭层加压时，相对配置的多孔性电极54a、54b形成作为同极性电极面的立体的电解反应面，同时在各电极侧形成空气流通道53a、53b，并且元件51之间在电气上成串联连接，因此，可以得到模块的组装及电气连接简化，能减小供电电流值，谋求电源系统小型化的固体高分子电解模块。
实施形态2
本实施形态2，如图4所示，将多个平板状的支持构件58与衬垫52平行地、等间隔地装在固体高分子电解元件51之间，使其支持于相邻的固体高分子电解元件51的面之间。其他结构与上述实施形态1结构相同。
在这里，由于在相向设置的固体高分子电解元件51之间作用着电压，支持构件58用塑料等的绝缘板构成。
上述实施形态1的固体高分子电解模块50，由于只是固体高分子电解元件51．的元件面的端部衬垫52支持着，所以在阳极侧的空气流B与阴极侧的空气流C之间存在工作压力差的情况下，在元件51面上表面压力起作用，有发生变形的危险。
但是，在本实施形态2的固体高分子电解模块50a中，支持构件58被配置成立体格子状，因此固体高分子电解元件51的元件面受到全面、多线状的支持，机械强度得以增大。
因此，即使在阳极侧的空气流B与阴极侧的空气流C之间存在工作压力差的情况下，而且有部分热变形和机械性振动，元件面的变形也会得到抑制，可以对元件面变形引起的破损事故防患于未然。
又，各支持构件58沿着空气的流动方向配设，因此不阻碍空气流，也不会发生空气流的停滞。
这里，将支持构件58的数目限制在所需数目的最低限度，以使固体高分子电解元件51的电解反应面的空气流停滞而损害电解反应特性的情况不发生。
还有，在上述实施形态2，将多个平板状支持构件58与衬垫平行地、等间隔地安装于固体高分子电解元件51之间，将固体高分子电解元件51元件面全面地、多线状地加以支持，而将多个小圆板状的支持构件均匀地装在固体高分子电解元件51之间，全面地、多点状地支持固体高分子电解元件51的元件面也能够得到相同的效果。
实施形态3
上述实施例1、2中，如图1、4所示，在构成固体高分子电解模块50、50A时，将固体高分子电解元件51隔着衬垫52以一定的间隔迭层，形成空气流通道53a、53b。于是，由于在固体高分子电解元件51的两端成立体格子状地配置着衬垫构成正方形状的电解反应面，电解反应面的纵横长度相同，不能实现模块薄型化。本实施例3能够得到适应要求薄型模块的情况的固体高分子电解模块。
图5是表示本发明实施形态3的固体高分子电解模块的立体图，图6是表示本发明实施形态3的固体高子电解模块中使用的固体高分子电解元件的立体图，图7是表示本发明实施形态3的固体高分子电解模块的分解立体图。
本实施形态3的固体高分子电解元件59具有与上述固体高分子电解元件51相同的电化学功能。也就是说，如图6所示，一对多孔质电极54a、54b夹住氢离子导电性的固体高分子电解质膜55热压固定于固体高分子电解质膜55的两个面上。而一对多孔质电极54a、54b的各自的一侧从固体高分子电解质膜55的各相反的侧部露出，另一侧错开地压接在膜表面上使固体高分子电解质膜55的膜面露出。将这样形成的复合膜以中央为界在箭头D所示的方向上弯折，形成U字形的固体高分子电解元件59。还在从固体高分子电解质膜55的端面露出的多孔质电极54a、54b的端面上安装电气连接片56a、56b。
又，衬垫60是将电气连接片60b加在分别形成“コ”字形的绝缘框60a的两侧边的端部，使其两端露出绝缘框60a的表里制成的。另一方面，衬垫63是电气连接片63b装在形成“コ”字形的绝缘框63a一侧边的端部，使该两端露出绝缘框63a的表里制成的。
该实施形态3的固体高分子电解模块50b如图7所示将形成“U”字形的多个固体高分子电解元件59做成弯折侧相同地并排设置，各固体高分子电解元件59的弯折相对的面之间隔着衬垫60安装，而且相邻的固体高分子电解元件59之间隔着衬垫63，然后从迭层方向的两端加压构成一整体。然后，绝缘性的气体通路构件64被安装于在衬垫60、63的开口侧中央相对的固体高分子电解元件59的表面之间。而且衬垫60其底边60c与“U”字形的固体高分子电解元件59的弯折部配合、插入于其中，衬垫60、63其开口侧互相错开配置。
于是，由固体高分子电解元件59的弯折相对的面之间与衬垫60构成空气流通道53a，由相邻的固体高分子电解元件59的相对的面之间与衬垫63构成空气流通道53b。又，在固体高分子电解元件59的多孔质电极54a、54b上形成的电气连接片56a、56b在元件的迭层过程中与衬垫60、63的电气连接片60b、63b形成电气连接，前级元件的阴极串联连接于后级元件的阳极，或是相反，前级元件的阳极串阳连接于后级元件的阴极，而且电气连接成，形成波状的阳极侧电解反应面及阴极侧电解反应面各面分别为同一极。例如在图5、7中，在箭头A的方向上通电流，形成阳极侧的电解反应面面向图纸面的上侧，阴极侧电解反应面面向图纸面的下侧的电气连接。
这样构成的固体高分子电解模块50B，如图5所示，将通气通道构成部件64安装于衬垫60、63的开口中央，在箭头A的方向通电流，在此在图纸上方形成阳极侧空气流通道53a。因此，如果使空气沿着箭头B流动，则与上述实施形态1同样，空气中的水蒸汽被式(1)所示的电解反应电解消耗，空气湿度减小，形成干燥的空气。另一方面，在图纸的下方形成阴极侧的空气流通道53b，如果使空气沿着箭头C的方向流动，则由于式(2)所示的电解反应消耗了空气中的氧气，生成水蒸汽，因而空气湿度增加，成为湿润的空气。
又，固体高分子电解元件59由于全部串联连接，使通向一个固体高分子电解元件59的电流量通往固体高分子电解模块50B，以此使全部元件实现电解反应，同时使固体高分子电解模块50B所通过的电流小，实现直流电源的小型化。
这样，采用实施形态3，隔着衬垫60、63将多个固体高分子电解元件59迭层加压时，形成相对配置的多孔性电极54a、54b成为相同极性的电极面的立体的电解反应面，同时各电极侧形成空气流通道53a、53b，并且由于元件59之间在电气上成串联连接，与上述实施形态1一样，可以谋求简化模块的组装及电气连接，减小供电电流，得到电力供给系统小型化的固体高分子电解模块。
又，固体高分子电解模块50B由于将固体高分子电解元件59弯折，隔着衬垫60、63迭层，模块的厚度为固体高分子电解元件59的宽度的1/2，能够适应模块薄型化的要求。
又，上述实施形态3中所叙述的是将固体高分子电解元件59弯折成“U”字形，隔着衬垫60形成的构件再隔着衬垫63串联配置的例子，但是固体高分子电解元件不限于“U”字形，也可以弯折成“W”字形或多个波折的形状隔着衬垫60形或的构件再隔着衬垫63串联配置。
实施形态4
图8是表示本发明实施形态4的固体高分子电解装置的立体图，图9是表示本发明实施形态4的固体高分子电解装置的分解立体图，在图9中，为了使说明简化，只记载一边的衬垫52。
在图8及图9中，该固体高分子电解装置100由固体高分子电解模块50与电气旁路装置101构成。这电气旁路装置101具有与构成固体高分子电解模块50的固体高分子电解元件51相同数目的旁通电路102。而旁通电路102通过接线103连接于装在固体高分子电解元件51间的衬垫52的导电性金属板52b上，相对于各固体高分子电解元件51在电气上并联设置。
这里，旁通电路102如图10所示由晶体管104、相对于基板电流正向插入的二极管105、调整集电极电流的电阻106a、调整基极电流的电阻106b，以及调整射极电流的电阻106c构成。而晶体管104的集电极-射极回路用接线103a、103b连接于各级间的衬垫52的导电性金属板52b上，使其连接于各固体高分子电解元件51的多孔质电极54a、54b上。
该旁路电路102如图11所示，具有在接线103a、103b间的电压值V小于设定值Vt时集电极电流I为零，在电压V达到设定值Vt时，集电极电流I急剧上升的电学特性。而电路零件及电路常数设定得使设定值Vt比下述固体高分子电解元件51的峰值电压值Vkp略小。亦即调整二个极管105的个数及电阻106b、106c的阻值。
接着，为了说明具有这样的结构的固体高分子电解装置100的效果，对不具有电气旁通装置101的固体高分子电解装置的动作加以说明。
上述(1)、(2)所示的电解反应所需的电力由直流电源57供给。而固体高分子电解元件51全部串联连接，使通过一个固体高分子电解元件51的电流量通过固体高分子电解模块50，以此使全部固体高分子电解元件51实现上述电解反应。
在这种情况下，如果所有的固体高分子电解元件51的电学特性均匀则没有问题，而如果固体高分子电解元件51的电学特性不均匀，则各固体高分子电解元件51所具有的电解功能不能充分利用，或是在电极间的电压上发生偏差不一的情况，这一问题扩大了就导致电解特性下降，需要采取对策以经常保持电极间的电压于一定值。
这种固体高分子电解元件51的代表性电学特性如图12所示，在电极间的电压小于1伏特时没有电流，从超过1伏特起电流开始急剧上升，在2～2.5伏特之间达到峰值，过了这里反而减小。因而，在固体高分子电解元件51之间，电压-电流曲线的形状都相同，但是最大峰值有离散性。
图12表示构成固体高分子电解模块50的固体高分子电解元件51的电压-电流曲线有3种曲线K、L、M表示的离散的情况。这里，如果在具有峰值最小的曲线K的电学特性的固体高分子电解元件51上加峰值电压Vkp，由于构成固体高分子电解模块50的全部固体高分子电解元件51成串联连接，电流Ikp流过所有的固体高分子电解元件51。
这时，具有曲线L、M的电学特性的固体高分子电解元件51的电极间电压分别为比峰值电压小的Vl1、Vm1，又以分别比峰值电流Ilp、Imp小的电流值工作，在特性不能充分发挥的状态下工作。也就是说，固体高分子电解模块50的工作状态受到具有峰值最小的曲线K的电学特性的固体高分子电解元件51的限制。
又，如果在具有曲线K的电学特性的固体高分子电解元件51上加上比峰值电压Vkp大的电压Vk，则电流值在图12中沿着箭头下降的Ik。在这种状态下，具有曲线L、M的电学特性的固体高分子电解元件51的电极间电压进一步下降到V12、Vm2，固体高分子电解元件51间的电极间电压差扩大了。这样，如果通电电流值下降，就变成使电解特性进一步下降的不稳定状态。
这种固体高分子电解装置100，旁通电路102并联电气连接于各固体高分子电解元件51的电极之间。而各旁通电路102设定电路零件及电路常数，以使表示电流的急剧上升的电压值Vt比固体高分子电解元件51的峰值电压Vkp稍小一些。
于是，在固体高分子电解模块50驱动着的时候，如果固体高分子电解元件51的电极间电压上升，超过电压值Vt，电流就开始流入旁路电路102，电解元件的电极间电压就被控制在峰值电压Vkp以下。
又，在电极间电压值上升，超过电压值Vt的固体高分子元件51中，电流通过该电子元件及旁通电路102流入下一级的固体高分子电解元件51。借助于此，使全部固体高分子电解元件51有平均的电压分配，各固体高分子电解元件51得到接近各自的峰值电流的电流供给。
这样，采用本实施形态4，将旁通电路102与各固体高分子电解元件51在电气上并联连接，因此各固体高分子电解元件51的电极间电压被控制于峰值电压Vkp以下。其结果是，对电极间电压超过峰值电压Vkp进入不稳定区域的情况的发生可以防患于未然，可以在稳定的状态下驱动固体高分子电解模块50。
又，由于在全部固体高分子电解元件51上电压分配平均，各固体高分子电解元件51得到接近各自的峰值电流的电流供给，因此即使固化高分分子电解元件51的电学特性有离散，也能够驱动固体高分子电解模块50，使各固体高分子电解元件51的电解特性最大限度地得到发挥。
又，由于旁通电路102用晶体管104、二极管105及电阻106a、106b、106c这些廉价零件构成，可以谋求降低价格。
这里对旁路电路102在电压值Vt的设定加以叙述。
各旁路电路102的电压值Vt最好是与该旁通电路102并联连接的固体高分子电解元件51的峰值电压Vkp一致。但是由于固体高分子电解元件51的电学特性有离散性，要使各旁通电路102的电压值Vt与固体高分子电解元件51的峰值电压Vkp一致甚为困难。因此，实际上是按照使各旁路电路102的电压值Vt纳入包含固体高分子电解元件51的峰值电压V1p的规定范围内的办法进行管理。
这种固体高分子电解元件51的代表性电学特性中，峰值电压Vkp存在于2～2.5V之间，因此最好是将各旁通电路102的电压值Vt管理在2～3V之间。在这种情况下，即使固体高分子电解元件51的电学特性有离散性，旁通电路102的电压值Vt也保持与固体高分子电解元件51的峰值电压Vkp相近，因此，可以驱动固体高分子电解模块50使各固体高分子电解元件51的电学特性充分发挥。因此，不必就着固体高分子电解元件51的电学特性制作旁路电路，可以提高生产效率，谋求降低装置的价格。
实施形态5
上述实施形态4将旁路电路102在电气上并联连接于各固体高分于电解元件51，而本实施形态5，如图13所示，旁路电路102只与两个固体高分子电解元件51在电气上并联连接。
这种固体高分子电解模块50，在模块结构上有流经空气流通道53a（53b)的空气流量变小，空气流通道53a(53b)内的空气流动发生停滞的情况。这样的固体高分子电解模块50一旦驱动，临近流量小或空气流动发生停滞的空气流通道53a(53b)的固体高分子电解元件51的电极间电压将会上升过度。
在这实施形态5，将旁通电路102与临近例如空气流通有停滞的情况的空气流通道53b的固体高分子电解元件51并联连接。因此，一旦两个固体高分子电解元件51的电极间电压超过电压值Vt，电流即开始流向旁通电路102，可以抑制电极间电压的过度上升。
还有，在上述实施形态4、5中，旁通电路用晶体管104、二极管105及电阻106a、106b、106c构成，但是旁通电路并不限于这种电路，只要是能够实现在电压值为Vt时电流急剧上升的电学特性的电路就可以。
又，上述实施形态4、5中，使用上述第1实施形态所述的固体高分子电解模块50，但是使用上述实施形态2、3所述的固体高分子电解模块50A、50B也能得到同样的效果。
采用本发明，将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的固体高分子电解元件隔着至少以一部分为导电连接边的衬垫形成叠层，使邻接的固体高分子电解元件之间形成空气流通道，形成叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极成电气连接，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极成电气连接，构成串联电气连接，在所述邻接的固体高分子电解元件之间形成空气通道，使得在向叠层的所述多个固体高分子电解元件的一端的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与另一端上的固体高分子电解元件的另一多孔性电极之间提供直流电压时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分离开，形成独立的气流，将多个固体高分子电解元件隔着衬垫叠层，以此形成空气的气流通道，同时形成立体的电解反应面，并且由于固体高分子电解元件之间成串联电气连接，组装及电气连接操作简化了，而且可以减小通电电流，因此可以得到使电力供给系统小型化的固体高分子电解模块。
又，所述多个固体高分子电解元件分别做成矩形的形状，使作为前级元件的阴极的多孔性电极与作为后级元件的阳极的多孔性电极，或是作为前级元件的阳极的多孔性电极与作为后级元件的阴极的多孔性电极利用所述衬垫的导电性连接边连接，形成串联电气连接，并且阳极或阴极相同的电极面相对配置，所述衬垫配置得使阳极面形成的气流通道流过的空气流与阴极面形成的气流通道流过的空气流成正交气流，因此固体高分子电解元件的制作是简单的，同时可以形成气流通道的压力损失小的直线气流通道，因此可以使用最大静压力小的送风机。
又，支持构件装在上述各气流通道内的邻接的固体高分子电解元件之间，在邻接的固体高分子电解元件的表面之间提供机械性支持，因此可以得到牢固的能够经受工作压力差引起的应力形变或热形变和机械性振动的固体高分子电解模块。
又，所述多个固体高分子电解元件分别弯折为“U”字形、“W”字形或多波纹形状，所述衬垫分别装在各固体高分子电解元件的弯折相对的面之间及邻接的固体高分子电解元件之间，作为前级元件的阴极的多孔性电极与作为后级元件的阳极的多孔性电极，或是作为前级元件的阳极的多孔性电极与作为后级元件的阴极的多孔性电极利用所述衬垫的导电性连接边连接，形成串联电气连接，而且阳极面形成的气流通道与阴极面形成的气流通道方向相反，并且交互形成叠层，因此模块的厚度可以做成小于固体高分子电解元件的宽度的1/2，能够得到薄型的固体高分子电解模块。
又，本发明的固体高分子电解装置具备，将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的固体高分子电解元件隔着至少以一部分为导电连接边的衬垫形成叠层，使邻接的固体高分子电解元件之间形成空气流通道，形成叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极成电气连接，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极成电气连接，形成串联电气连接，在所述邻接的固体高分子电解元件之间形成空气通道，使得在向叠层的所述多个固体高分子电解元件的一端的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与另一端上的固体高分子电解元件的另一多孔性电极之间提供直流电压时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分离开，形成独立的气流，构成的固体高分子电解模块，以及并联电气连接于所述固体高分子电解元件的一边和另一边的多孔质电极上，所述一边和另一边的多孔质电极之间的电压一旦超过设定电压，电流就急剧流过这样的电路构成的旁通电路，因此，可以得到能够驱动固体高分子电解模块使固体高分子电解元件的电解特性充分发挥的固体高分子电解装置。
又，由于具备与所述多个固体高分子电解元件相同数目的所述旁通电路，旁通电路并联电气连接于各所述固体高分子电解元件的一边及另一边的多孔质电极之间，因而能够驱动固体高分子电解模块使固体高分子电解元件的电解特性充分发挥。
又，由于所述旁通电路的设定电压值为2～3伏特的电压，即使固体高分子电解元件的电气特性有离散，设定电压值也接近固体高分子电解元件的峰值电压，可以廉价、简单地制作旁通电路。
又，所述旁通电路由晶体管、相对于该晶体管的基极电流正向插入的二极管、用于调整该晶体管的集电极电流的电阻、用于调整该晶体管的基极电流的电阻、用于调整该晶体管的射极电流的电阻构成，因此可以谋求降低装置的价格。

Claims (8)

1．一种固体高分子电解模块，其特征在于，将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的多个固体高分子电解元件隔着至少以一部分为导电连接边的衬垫形成叠层，使邻接的固体高分子电解元件之间形成空气流通道，
形成叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极成电气连接，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极成电气连接，形成串联电气连接，
在所述邻接的固体高分子电解元件之间形成空气通道，使得在向位于叠层的所述多个固体高分子电解元件的一端的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与位于另一端上的固体高分子电解元件的另一多孔性电极之间提供直流电压时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分离开，形成独立的气流。
2．根据权利要求1所述的固体高分子电解模块，其特征在于，所述多个固体高分子电解元件分别做成矩形的形状，并形成叠层，使作为前级元件的阴极的多孔性电极与作为后级元件的阳极的多孔性电极，或是作为前级元件的阳极的多孔性电极与作为后级元件的阴极的多孔性电极利用所述衬垫的导电性连接边连接，形成串联电气连接，并且阳极或阴极相同的电极面相对配置，
所述衬垫配置得使阳极面形成的气流通道流过的空气流与阴极面形成的气流通道流过的空气流成正交气流。
3．根据权利要求2所述的固体高分子电解模块，其特征在于，支持构件装在上述各气流通道内的邻接的固体高分子电解元件之间，在邻接的固体高分子电解元件的表面之间提供机械性支持。
4．根据权利要求1所述的固体高分子电解模块，其特征在于，所述多个固体高分子电解元件分别弯折为“U”字形、“W”字形或多波纹形状，所述衬垫分别装在各固体高分子电解元件的弯折相对的面之间及邻接的固体高分子电解元件之间，作为前级元件的阴极的多孔性电极与作为后级元件的阳极的多孔性电极，或是作为前级元件的阳极的多孔性电极与作为后级元件的阴极的多孔性电极利用所述衬垫的导电性连接边连接，形成串联电气连接，而且阳极面形成的气流通道与阴极面形成的气流通道方向相反，并且交互形成叠层。
5．一种固体高分子电解装置，其特征在于，具备：
将多孔性电极分别热压在氢离子导电性的固体高分子电解质膜的两面上形成的固体高分子电解元件隔着至少以一部分为导电连接边的衬垫形成叠层，使邻接的固体高分子电解元件之间形成空气流通道，
形成叠层的上述多个固体高分子电解元件，各固体高分子电解元件的一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接一侧的固体高分子电解元件的一个多孔性电极成电气连接，并且各固体高分子电解元件的另一个多孔性电极通过所述衬垫的导电连接边与邻接另一侧的固体高分子电解元件的另一个多孔性电极成电气连接，形成串联电气连接，
在所述邻接的固体高分子电解元件之间形成空气通道，使得在向位于叠层的所述多个固体高分子电解元件的一端的固体高分子电解元件的一个多孔性电极与位于另一端上的固体高分子电解元件的另一多孔性电极之间提供直流电压时，沿着阳极面流动的空气流与沿着阴极面流动的空气流分离开，形成独立的气流，这样构成的固体高分子电解模块，以及
并联电气连接于所述固体高分子电解元件的一边和另一边的多孔质电极上，所述一边和另一边的多孔质电极之间的电压一旦超过设定电压，电流就急剧流过这样的电路构成的旁通电路。
6．根据权利要求5所述的固体高分子电解装置，其特征在于，具备与所述多个固体高分子电解元件相同数目的所述旁通电路，旁通电路并联电气连接于各所述固体高分子电解元件的一边及另一边的多孔质电极之间。
7．根据权利要求5所述的固体高分子电解装置，其特征在于，所述旁通电路的设定电压值为2～3伏特的电压。
8．根据权利要求5所述的固体高分子电解装置，其特征在于，所述旁通电路由晶体管、相对于该晶体管的基极电流正向插入的二极管、用于调整该晶体管的集电极电流的电阻、用于调整该晶体管的基极电流的电阻、用于调整该晶体管的射极电流的电阻构成。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication