JP2002105682A

JP2002105682A - 電気分解式ガス変換装置及びこれを用いた電気機器

Info

Publication number: JP2002105682A
Application number: JP2000291740A
Authority: JP
Inventors: Akira Ikeda; 彰池田; Akihiko Iwata; 明彦岩田; Giichi Tsunoda; 義一角田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な制御手段により、湿度などの外気環境
が変化した場合にも、過剰なガス発生等がなく安定なガ
ス変換量を維持できる電気分解式ガス変換装置を得る。【解決手段】固体高分子電解質膜３を挟んで、導電性
多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極１と陰極２を
対峙させた電気化学素子接合体８に、交流入力１２から
整流回路９を通じて直流電流を供給する電気分解式ガス
変換装置において、交流入力１２と整流回路９の間に電
荷量制限コンデンサ１１を直列に接続することにより、
電気化学素子接合体８に供給する電流を一定化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を用いた電気化学反応にもとづく電気分解式ガス変換
装置に関し、さらに詳しくは、固体高分子電解質膜を挟
んで陽極と陰極を対峙させて直流電圧を印加し、電気化
学反応によって、空気中に含まれる水分をオゾンガス、
酸素ガスまたは水素ガス等に変換する、例えばオゾン発
生装置、酸素ガス発生装置、水素ガス発生装置、除湿装
置などのような、電気分解式ガス変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば特開平１１−１３１２７
６号公報に示された従来の電気分解式ガス変換装置の１
つであるオゾン発生装置の構成図である。図において、
１は導電性多孔体からなる陽極基材に触媒層を有する陽
極、２は導電性多孔体からなる陰極基材に触媒層を有す
る陰極、３は固体高分子電解質膜であり、固体高分子電
解質膜３の表裏に陽極１と陰極２を配置して熱圧着する
ことにより電気化学素子接合体８が形成される。４は陽
極１に設けた陽極端子、５は陰極２に設けた陰極端子、
６は直流電源、７は直流電源６と陽極１および陰極２を
結ぶ結線である。なお、陽極１には、例えば白金メッキ
下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル基材にβ
型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが用いら
れ、陰極２には、例えば多孔質なカーボン繊維基材に、
白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固体高分
子電解質をバインダーとして固着したものが用いられ
る。

【０００３】次に動作について説明する。電気化学素子
接合体８に直流電源６により例えば３Ｖの電圧が印加さ
れると、陽極１と固体高分子電解質膜３の接合面におい
て、電気化学反応式（１）および（２）により、空気中
に含まれる水分が電気分解されてオゾンガスと酸素ガス
および電子が生成されると同時に水素イオンが生成され
る。２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- （１）３Ｈ₂Ｏ→Ｏ₃＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （２）

【０００４】このようにして生成されたオゾンガスおよ
び酸素ガスは多孔質な陽極１を通って外気に流出する。
一方、生成された水素イオンは固体高分子電解質膜３を
通って陰極２に移動し、陰極２と固体高分子電解質膜３
の接合面において、電気化学反応式（３）により、水素
イオンと空気中の酸素ガスおよび結線７を通って陰極２
に導かれた電子とが反応して水が生成され、多孔質な陰
極２を通って外気に流出する。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ（３）

【０００５】なお、電気化学素子接合体８を酸素ガス発
生素子または除湿素子として用いる場合、すなわち電気
分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置
である場合には、電気化学素子接合体８の陽極１には例
えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金
メッキを施したものなどが用いられ、陽極から酸素が発
生すると共に陰極の背面から水が放出する。また、水素
ガス発生素子として用いる場合、すなわち電気分解式ガ
ス変換装置が水素ガス発生装置である場合には、陽極１
および陰極２には例えばチタン製の多孔質なエキスバン
ドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いら
れ、陰極において水素ガスが発生する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
電気分解式ガス変換装置は、例えばオゾン発生装置の場
合、空気中に含まれる水分を電気化学素子接合体８によ
り電気分解してオゾンガスを生成するものであるため、
外気の湿度が変化するとオゾン発生量が変化し、安定な
オゾン発生量が得られないという問題があった。また、
湿度が高くなるとオゾン発生量が多くなり過ぎるといっ
た問題があった。

【０００７】図７は、図６に示されたオゾン発生装置に
よる実験結果であり、温度２０℃における電気化学素子
接合体８の電気化学反応面積１ｃｍ²当たりのオゾン発
生量および電流密度と印加電圧の関係に及ぼす相対湿度
の影響を示す特性図である。

【０００８】図７に示したように、電気化学素子接合体
８のオゾン発生量および電流密度は外気の相対湿度が高
くなると増加し、オゾン発生量は電気化学素子接合体８
を流れる電流の増加に追随して増加する。一方、電気化
学素子接合体８の通電したときの負荷抵抗は外気の相対
湿度によって複雑に変化するが、一定湿度では電気化学
素子接合体８に印加される電圧が３Ｖ以下になると流れ
る電流が低下し、オゾン発生量が低下する。このような
特性を持つ電気化学素子接合体８を、湿度が変化した場
合でもオゾンガスを出しすぎず、また減らしすぎずに制
御するためには、一定の電圧を与えるだけでは不可能で
ある。例えば、印加電圧を３Ｖに設定した場合、相対湿
度３５％でのオゾン発生量は０．０８(mg/hr/cm²)、相
対湿度９５％では０．５０(mg/hr/cm²)となり、約６倍
も変化してしまう。また、印加電圧を１．８Ｖに設定し
た場合、相対湿度３５％でのオゾン発生量はほぼゼロ、
相対湿度９５％では０．０９(mg/hr/cm²)となってしま
う。すなわち、電気化学素子接合体８を電圧一定で駆動
するのは適当でない。

【０００９】また、従来の他の電気分解式ガス変換装置
である除湿装置または酸素ガス発生装置または水素ガス
発生装置においても、オゾン発生装置の場合と同様に空
気中に含まれる水分を電気化学素子接合体８により電気
分解してガス変換するものであるため、外気の湿度の変
化に伴ってガス変換量が変化し、安定なガス変換量が得
られないという問題があった。

【００１０】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、簡易な制御手段により、湿
度などの外気環境が変化した場合にも、過剰なガス発生
等がなく安定なガス変換量を維持できる電気分解式ガス
変換装置を得ることを目的とする。またこの電気分解式
ガス変換装置を備え、安定なガス変換量を維持できる電
気機器を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
わる電気分解式ガス変換装置は、固体高分子電解質膜を
挟んで、導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽
極と陰極を対峙させた電気化学素子接合体に、交流入力
から整流回路を通じて直流電流を供給するものにおい
て、交流入力と整流回路の間にコンデンサを直列に接続
したものである。

【００１２】この発明の請求項２に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、請求項１記載の電気分解式ガス変換装置
において、電気化学素子接合体の印加電圧を制限する素
子を電気化学素子接合体に並列に接続したものである。

【００１３】この発明の請求項３に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、固体高分子電解質膜を挟んで、導電性多
孔体からなる基材に触媒層を有する陽極と陰極を対峙さ
せた電気化学素子接合体に、直流電源から直流電流を供
給するものにおいて、電気化学素子接合体と直流電源の
間に抵抗を直列に接続したものである。

【００１４】この発明の請求項４に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電
気分解式ガス変換装置において、電気化学素子接合体を
オゾン発生素子として用いたものである。

【００１５】この発明の請求項５に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電
気分解式ガス変換装置において、電気化学素子接合体を
酸素ガス発生素子として用いたものである。

【００１６】この発明の請求項６に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電
気分解式ガス変換装置において、電気化学素子接合体を
水素ガス発生素子として用いたものである。

【００１７】この発明の請求項７に係わる電気分解式ガ
ス変換装置は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電
気分解式ガス変換装置において、電気化学素子接合体を
除湿素子として用いたものである。

【００１８】この発明の請求項８に係わる電気機器は、
請求項１ないし３のいずれかに記載の電気分解式ガス変
換装置を備えたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、本発明の実
施の形態１による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生
装置を例に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に
よる電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図であ
る。図において、１は導電性多孔体からなる基材に触媒
層を有する陽極、２は導電性多孔体からなる基材に触媒
層を有する陰極、３は固体高分子電解質膜、４は陽極１
に設けた陽極端子、５は陰極２に設けた陰極端子、８は
固体高分子電解質膜３の表裏に陽極１と陰極２を配置し
て熱圧着により形成した電気化学素子接合体、９は全波
整流回路などを構成する整流回路、１０は電圧平滑用コ
ンデンサ、１１は電荷量制限コンデンサ、１２は商用電
源などの交流入力である。なお、陽極１には、例えば白
金メッキ下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル
基材にβ型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが
用いられ、陰極２には、例えば多孔質なカーボン繊維基
材に、白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固
体高分子電解質をバインダーとして固着したものが用い
られる。

【００２０】次に動作について説明する。図１の回路に
おいて、電気化学素子接合体８は図７に示したように数
Ｖ程度の電圧で動作するから、整流回路９の出力Ｖ₀も
数Ｖ程度となり、例えば商用交流電源の１００Ｖなどに
比べて十分に小さくなる。従って、交流入力１２が１０
０Ｖの商用電源の場合、電荷量制限コンデンサ１１の両
端には、５０または６０サイクル（以下６０サイクルで
代表する）毎にほぼ１００Ｖの実効電圧がかかることに
なり、整流回路９にはその電圧変化に伴なった電荷量が
伝達される。すなわち、整流回路９に入力される１秒間
当たりの電荷量つまり平均電流ＩinはＩin≒１００＊１．４１４＊４＊６０＊ＣｑここでＣｑは電荷量制限コンデンサ１１の容量値（式中の４は電圧１サイクル分の積分値の係数）とな
り、整流回路９に入力される電流は電荷量制限コンデン
サ１１の容量値でおおよそ決定される。結局、電圧平滑
用コンデンサ１０から出力される電流Ｉout＝Ｉinとな
るから、電気化学素子接合体８に流れる電流は、Ｃｑで
決定されることになる。

【００２１】例えば、Ｃｑで決まる出力電流Ｉoutを、
電気化学素子接合体８の電流密度が１０ｍＡ/ｃｍ²にな
るように設定する。図７の電気化学素子接合体８の特性
を見ると、相対湿度３５％の場合、電流密度が１０ｍＡ
/ｃｍ²になるのは印加電圧が４Ｖ〜５Ｖのときであり、
そのときのオゾン発生量は０．１０〜０．１３(mg/hr/c
m²)となる。同様にして、相対湿度６０％、９５％の場
合には、それぞれ０．０９(mg/hr/cm²)、０．１０(mg/h
r/cm²)となり、オゾン発生量はほぼ一定となることがわ
かる。このように、本実施の形態による回路ではＣｑに
よって電気化学素子接合体８に入力される電流が一定化
されるため、相対湿度が大幅に変化しても、安定なオゾ
ン発生量が得られる。

【００２２】図２は、本実施の形態の効果を実証するた
めの実験結果であり、図１の回路を用いた場合の電気化
学素子接合体８の電気化学反応面積１ｃｍ²当たりのオ
ゾン発生量と相対湿度の関係を示す特性図である。この
実験において、電気化学素子接合体８に入力される電流
密度は２０ｍＡ/ｃｍ²に設定した。この設定のとき、オ
ゾン発生量は、相対湿度が４０％、６０％および９５％
の場合、それぞれ０．２３(mg/hr/cm²)、０．３０(mg/h
r/cm²)および０．２８(mg/hr/cm²)となり、ほぼ一定の
オゾン発生量が得られた。なお、上記では電気化学素子
接合体８に入力される電流密度が２０ｍＡ/ｃｍ²の場合
について説明したが、その他の電流密度においても、相
対湿度にかかわらず電流密度に応じたほぼ一定のオゾン
発生量が得られた。

【００２３】本実施の形態では、電荷量制限コンデンサ
１１の容量値Ｃｑを固定としたが、例えば複数のコンデ
ンサを切り換えたりして、Ｃｑを変化させてもよい。こ
の電気化学素子接合体８は、通電時間が長期になるとオ
ゾン発生量が低下する特性を示すため、それに対応して
Ｃｑを増加させると、電気化学素子接合体８に流れる電
流値が増加し、オゾン発生量を一定に保つことができ
る。

【００２４】整流回路９の出力はリップル分を含んでい
るので、リップルを減少させるため、本実施の形態では
電圧平滑用コンデンサ１０を用いたが、一般的なＬＣ平
滑回路やＲＣ平滑回路を用いてもよい。また、直流電流
の供給先が一般的な電子回路ではなく電気化学素子接合
体８であるので、リップルの影響は少ないため、平滑回
路を全く持たなくてもよい。

【００２５】また、本実施の形態ではオゾン発生装置に
ついて説明したが、酸素ガス発生装置または除湿装置ま
たは水素ガス発生装置においても、電気化学素子接合体
８の動作原理および駆動条件はオゾン発生の場合と同様
であり、本実施の形態を適用することができる。すなわ
ち、交流入力１２と整流回路９の間に電荷量制限コンデ
ンサ１１を直列に接続することにより、電気化学素子接
合体８に出力する電流を一定化するため、湿度などの外
気環境の変化に対しても過剰なガス発生を防止できて安
定なガス変換量を維持できる効果が得られる。

【００２６】なお、電気化学素子接合体８を酸素ガス発
生素子または除湿素子として用いる場合、すなわち電気
分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置
である場合には、電気化学素子接合体８の陽極１には例
えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金
や白金黒等を電着または塗布したものなどが用いられ、
陽極から酸素が発生すると共に陰極の背面から水が放出
する。また、水素ガス発生素子として用いる場合、すな
わち電気分解式ガス変換装置が水素ガス発生装置である
場合には、陽極１および陰極２には例えばチタン製の多
孔質なエキスバンドメタル基材に白金等を電着または塗
布したものなどが用いられ、陰極において水素ガスが発
生する。

【００２７】実施の形態２．次に、本発明の実施の形態
２による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生装置を例
に説明する。図７の電気化学素子接合体８の特性を見る
と、相対湿度が低い場合は高い場合に比べて、同一電流
密度のときの印加電圧が高くなっている。図１の回路で
は、電流はＣｑの大きさでほぼ決められるから、例えば
電気化学素子接合体８の電流密度を２０ｍＡ/ｃｍ²に設
定したとすれば、相対湿度が３５％以下の場合、印加電
圧が１０Ｖ程度になることも考えられる。相対湿度が低
い場合に電気化学素子接合体８の印加電圧が上がりすぎ
ると、接合体８を電圧で破壊したり、また過渡の発熱で
破壊したりする可能性がある。また一方で、相対湿度に
かかわらず、オゾン発生量は印加電圧に対して飽和傾向
を示し、例えば図７では印加電圧が３Ｖ以上のオゾン発
生量の伸びは鈍く、そういう条件では、必ずしも電流を
一定にすることが適当ではない。

【００２８】図３は、本発明の実施の形態２による電気
分解式ガス変換装置の構成を説明する図であり、１３は
電圧制限用ゼナダイオードである。図３の回路では、電
気化学素子接合体８にゼナダイオードなどの電圧を制限
する素子を並列に接続して、印加電圧が過大にならない
ように抑制している。

【００２９】次に動作について説明する。例えば、電気
化学素子接合体８の電流密度を２０ｍＡ/ｃｍ²に設定
し、かつ電圧制限用ゼナダイオード１３の降伏電圧を５
Ｖに設定する。実験結果によると、相対湿度９５％と６
０％の場合にはほぼ同量のオゾンガスが発生するが、相
対湿度３５％の場合には印加電圧が５Ｖで制限され、オ
ゾン発生量がやや低下することがわかった。もし、電圧
制限用ゼナダイオ−ド１３がなければ印加電圧はさらに
上昇してしまい、上記で述べたように電気化学素子接合
体８を破壊する可能性がある。

【００３０】図３の電圧制限用ゼナダイオード１３の降
伏電圧の設定値は、図７の電気化学素子接合体８の特性
図において、オゾン発生量が印加電圧に対して飽和傾向
を示す電圧の値以上に設定するのが望ましい。例えば３
Ｖ〜５Ｖの範囲がよい。

【００３１】実施の形態３．さらに、本発明の実施の形
態３による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生装置を
例に説明する。図３の回路では、電気化学素子接合体８
の印加電圧を制限する素子としてゼナダイオードを用い
たが、電圧が上がれば電圧比例以上に電流を流すインピ
ーダンス素子であれば同様の効果をもたらす。従って、
図４の回路に示すように抵抗とゼナダイオードとの直列
回路でも構わない。図４は、本発明の実施の形態３によ
る電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図であり、
１４は直列接続ゼナダイオード、１５は電圧制限用抵抗
である。直列接続ゼナダイオード１４の降伏電圧以上に
なると、電圧制限用抵抗１５で定まる電流が直列回路に
流れ始める。

【００３２】次に動作について説明する。図７の電気化
学素子接合体８の特性を見ると、相対湿度３５％の場合
には、オゾン発生量が印加電圧に対して飽和傾向にある
ものの、わずかながら増加傾向にもある。例えば、図３
の回路で電圧制限用ゼナダイオード１３の降伏電圧を３
Ｖに設定すると、０．０８(mg/hr/cm²)のオゾン発生量
しか得られない。しかし、図４の回路のように直列接続
ゼナダイオード１４と電圧制限用抵抗１５を直列接続し
たものを印加電圧を制限する素子として用いた場合、電
気化学反応面積１ｃｍ²の電気化学素子接合体８を例に
とり、Ｃｑで決まる電流を１７ｍＡと設定し、直列接続
ゼナダイオード１４の降伏電圧を３Ｖに選び、電圧制限
用抵抗１５を１４０Ωとすると、印加電圧が４Ｖになっ
たとき、電気化学素子接合体８を流れる電流１０ｍＡと
電圧制限用抵抗１５を流れる電流（＝（４−３）/１４
０≒７ｍＡ）７ｍＡとの合計が１７ｍＡになるので、動
作点は４Ｖの点となる。その結果、オゾン発生量とし
て、０．１０(mg/hr/cm²)が得られる。

【００３３】すなわち、上記実施の形態２における印加
電圧を過大に発生させない効果に加え、相対湿度が低い
条件においてもより高いオゾン発生量を実現できる。

【００３４】なお、電気化学素子接合体８に単に抵抗を
並列に接続した回路も考えられ、図７に示したように相
対湿度が低下すると、電気化学素子接合体８の電流密度
が減少しオゾン発生量も減少するが、本発明では電流を
一定にする電源回路を備えているので、電気化学素子接
合体８を流れる電流が減少すると逆に並列に接続した抵
抗を流れる電流が増加し、その結果、電気化学素子接合
体８の印加電圧が増加するためオゾン発生量の減少を補
うことができる。しかし、この回路では相対湿度の低下
によるオゾン発生量の減少を十分に補うことはできな
い。

【００３５】実施の形態４．以下、本発明の実施の形態
４による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生装置を例
に説明する。図５は、本発明の実施の形態４による電気
分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。図にお
いて、１は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する
陽極、２は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する
陰極、３は固体高分子電解質膜、４は陽極１に設けた陽
極端子、５は陰極２に設けた陰極端子、６は直流電源、
８は固体高分子電解質膜３の表裏に陽極１と陰極２を配
置して熱圧着により形成した電気化学素子接合体、１６
は抵抗、Ｒｆは抵抗１６の抵抗値、Ｉｆは電気化学素子
接合体８および抵抗１６に流れる電流である。

【００３６】次に動作について説明する。図７に示した
ように、電気化学素子接合体８のオゾン発生量および電
流密度は外気の相対湿度が高くなると増加し、オゾン発
生量は電気化学素子接合体８を流れる電流の増加に追随
して増加する。一方、電気化学素子接合体８の通電した
ときの負荷抵抗は外気の相対湿度によって複雑に変化す
るが、一定湿度では電気化学素子接合体８に印加される
電圧が３Ｖ以下になると流れる電流が低下し、オゾン発
生量が低下する。そこで、図５に示すように直流電源６
の陽極と電気化学素子接合体８の陽極１との間に抵抗１
６を直列に接続し、抵抗１６に流れる電流Ｉｆによる電
圧降下を用いて、高湿度の場合に電気化学素子接合体８
に印加される電圧を低下させて、過剰なオゾン発生を防
止することができる。

【００３７】図５の回路において、抵抗１６（抵抗値Ｒ
ｆ）を流れる電流Ｉｆによる電圧降下により、電気化学
素子接合体８に印加される電圧は直流電源６の出力電圧
よりＲｆ＊Ｉｆ分低下する。図７に示したように、外気
の相対湿度が高くなると、直流電源６の出力電圧が一定
の場合、電気化学素子接合体８および抵抗１６を流れる
電流Ｉｆが増加するので、この電圧降下は外気の相対湿
度が高くなるほど大きくなり、それに伴って、電気化学
素子接合体８に印加される電圧が低下し、その結果、電
気化学素子接合体８に流れる電流が低下するとともに、
オゾン発生量が低下する。従って、あらかじめ適正な抵
抗値を有する抵抗１６を設けることにより、直流電源６
から電気化学素子接合体８に出力する電流が一定化さ
れ、外気の湿度が高い場合でも過剰なオゾン発生が防止
される。また、電気化学素子接合体８に流れる電流が低
下するため、直流電源６として電池を用いた場合、その
使用期間が延びるという利点がある。

【００３８】なお、本実施の形態では抵抗１６を直流電
源６の陽極と電気化学素子接合体８の陽極１との間に接
続したが、直流電源６の陰極と電気化学素子接合体８の
陰極２との間に接続してもよい。

【００３９】本実施の形態の効果を実証するための実験
において、直流電源６の出力電圧を３Ｖとし、抵抗１６
の抵抗値Ｒｆは図７の結果にもとづいて設定し、電気化
学素子接合体８の電気化学反応面積が４ｃｍ²の場合、
約１０Ωとした。この設定の場合、電気化学素子接合体
８に印加される電圧は、温度２０℃のとき外気の相対湿
度が４０％では２．７Ｖとなり、外気の相対湿度がほぼ
１００％では１．９Ｖとなった。このように、外気の相
対湿度が高くなると、電気化学素子接合体８に流れる電
流Ｉｆは増加するが、抵抗１６を流れる電流による電圧
降下の増大により、電気化学素子接合体８に印加される
電圧が低下するため、電気化学素子接合体８には過剰な
電流が流れなくなり、ほぼ一定のオゾン発生量が得られ
る。実験結果によれば、外気の相対湿度が４０％からほ
ぼ１００％まで変化しても、概ね一定なオゾン発生量を
維持できる効果が得られた。

【００４０】また、本実施の形態では直流電源６の出力
電圧を３Ｖとしたが、図７の実験結果によれば、３Ｖよ
り高くてもよく、外気の相対湿度の変化に対応して、電
気化学素子接合体８に印加される電圧が１．９Ｖ〜３．
５Ｖの範囲となるように抵抗１６の抵抗値Ｒｆを設定す
ればよい。また、直流電源６の出力電圧は３Ｖより低く
てもよく、この場合、オゾン発生量は３Ｖの場合より低
下する。

【００４１】また、本実施の形態では電気化学素子接合
体８の陽極１と陰極２が対峙してなす電気化学反応面積
を４ｃｍ²としたが、実験結果によれば電気化学反応面
積が４ｃｍ²の場合に限らず、これより小さくてもまた
は大きくても同様の効果が得られた。なお、電気化学素
子接合体８の電気化学反応面積が４ｃｍ²の場合は抵抗
１６を１０Ωとしたが、図７の実験結果にもとづいて、
反応面積が４ｃｍ²より大きい場合は抵抗１６を１０Ω
より大きく、反応面積が４ｃｍ²より小さい場合は抵抗
１６を１０Ωより小さくすればよい。

【００４２】また、本実施の形態では、温度２０℃で外
気の相対湿度が４０％からほぼ１００％までの場合につ
いて説明したが、これに限らず、温度が２０℃より高く
絶対湿度がさらに高い場合にも同様の効果が得られる。

【００４３】また、本実施の形態では抵抗１６を固定抵
抗としたが、電気化学素子接合体８の抵抗値は外気の湿
度によって複雑に変化するため、抵抗１６を可変抵抗と
するほうがより望ましい。またこの可変抵抗により、電
気化学素子接合体８の特性の経時変化に応じて、随時、
抵抗値を変化させてもよい。

【００４４】また、抵抗（または可変抵抗）１６の抵抗
値Ｒｆはあらかじめ分かっているので、電気化学素子接
合体８に流れる電流値Ｉｆは、抵抗（または可変抵抗）
１６の両端で電圧（Ｒｆ＊Ｉｆ）を測定することにより
容易に検出することができる。従って、この電圧を測定
することにより、電気化学素子接合体８に印加される電
圧と流れる電流値Ｉｆを検出して接合体８の電気特性の
変化を把握し、取り替え時期などを知ることができる。

【００４５】また、上記の直流電源６は、交流電圧を直
流電圧に変換する機能を備えた回路または複数の乾電池
等の１次電池または再充電が可能な二次電池などを用い
ればよい。

【００４６】実施の形態５．例えば、電気化学素子接合
体８をオゾン発生素子として空調機、冷蔵庫、食器洗浄
機などの電気機器に設置した場合、図１、図３、図４ま
たは図５に示した本発明による回路を用いることによ
り、これらの電気機器内のオゾン濃度が所定の濃度にな
るように、図７にもとづいて電気化学素子接合体８に一
定の電流を流すようにすれば、外気環境が多湿の場合に
も、これらの電気機器内のオゾン濃度が過剰に高くなる
ことがなく安全で、かつほぼ一定のオゾン発生量が得ら
れるため、所定のオゾン濃度を得ることが可能となる。
また、上記の電気機器に限らず、自動車内、掃除機、食
品収納容器やごみ収納容器などに電気化学素子接合体８
を設置した場合も、上記の場合と同様の効果が得られ
る。

【００４７】また、電気化学素子接合体８を除湿素子、
酸素ガス発生素子、または水素ガス発生素子として用い
る場合も、図１、図３、図４または図５に示した本発明
による回路を用いることにより、電気化学素子接合体８
に一定の電流を流すようにすれば、環境条件によらず一
定なガス発生量が得られる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、固体
高分子電解質膜を挟んで、導電性多孔体からなる基材に
触媒層を有する陽極と陰極を対峙させた電気化学素子接
合体に、交流入力から整流回路を通じて直流電流を供給
する電気分解式ガス変換装置において、交流入力と整流
回路の間にコンデンサを直列に接続したので、電気化学
素子接合体に出力する電流が一定化され、湿度などの外
気環境の変化に対しても過剰なガス発生を防止できて安
定なガス変換量を維持できる。

【００４９】また、電気化学素子接合体の印加電圧を制
限する素子を電気化学素子接合体に並列に接続したの
で、外気の湿度が低くなっても電気化学素子接合体に過
大の電圧が発生したり、またそれにより過大な熱が発生
したりすることを防止できる。

【００５０】また、固体高分子電解質膜を挟んで、導電
性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極と陰極を対
峙させた電気化学素子接合体に、直流電源から直流電流
を供給する電気分解式ガス変換装置において、電気化学
素子接合体と直流電源の間に抵抗を直列に接続したの
で、電気化学素子接合体に出力する電流が一定化され、
湿度などの外気環境の変化に対しても過剰なガス発生が
起こることなく安定なガス変換量を維持できる。

【００５１】また、上記電気化学素子接合体をオゾン発
生素子として用いたので、電気化学素子接合体に一定の
電流が流れ、外気環境が多湿の場合にも、オゾン発生量
が過剰に高くなることがなく安全で、かつほぼ一定のオ
ゾン発生量が得られる。

【００５２】また、上記電気化学素子接合体を酸素ガス
発生素子として用いたので、電気化学素子接合体に一定
の電流が流れ、環境条件によらず一定な酸素ガス発生量
が得られる。

【００５３】また、上記電気化学素子接合体を水素ガス
発生素子として用いたので、電気化学素子接合体に一定
の電流が流れ、環境条件によらず一定な水素ガス発生量
が得られる。

【００５４】また、上記電気化学素子接合体を除湿素子
として用いたので、電気化学素子接合体に一定の電流が
流れ、環境条件によらず一定量の除湿ができる。

【００５５】また、電気機器に上記電気分解式ガス変換
装置を備えたので、環境条件によらずほぼ一定のガス発
生量が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による電気分解式ガス変
換装置の構成を説明する図である。

【図２】本発明の実施の形態１による電気分解式ガス変
換装置の電気化学素子接合体のオゾン発生量と相対湿度
の関係を示す特性図である。

【図３】本発明の実施の形態２による電気分解式ガス変
換装置の構成を説明する図である。

【図４】本発明の実施の形態３による電気分解式ガス変
換装置の構成を説明する図である。

【図５】本発明の実施の形態４による電気分解式ガス変
換装置の構成を説明する図である。

【図６】従来の電気分解式ガス変換装置の構成を説明す
る図である。

【図７】従来の電気分解式ガス変換装置の電気化学素子
接合体のオゾン発生量および電流密度と印加電圧の関係
に及ぼす相対湿度の影響を示す特性図である。

【符号の説明】

１陽極、２陰極、３固体高分子電解質膜、４陽
極端子、５陰極端子、６直流電源、８電気化学素
子接合体、９整流回路、１０電圧平滑用コンデン
サ、１１電荷量制限コンデンサ、１２交流入力、１
３電圧制限用ゼナダイオード、１４直列接続ゼナダ
イオード、１５電圧制限用抵抗、１６抵抗

フロントページの続き (72)発明者角田義一東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 4K021 AA01 AB15 BA02 CA02 CA05 CA06 DB07 DB12 DB13 DB19 DB43 DB53 DC01 DC03 DC15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を挟んで、導電性多
孔体からなる基材に触媒層を有する陽極と陰極を対峙さ
せた電気化学素子接合体に、交流入力から整流回路を通
じて直流電流を供給する電気分解式ガス変換装置におい
て、前記交流入力と前記整流回路の間にコンデンサを直
列に接続したことを特徴とする電気分解式ガス変換装
置。
【請求項２】電気化学素子接合体の印加電圧を制限す
る素子を前記電気化学素子接合体に並列に接続したこと
を特徴とする請求項１記載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項３】固体高分子電解質膜を挟んで、導電性多
孔体からなる基材に触媒層を有する陽極と陰極を対峙さ
せた電気化学素子接合体に、直流電源から直流電流を供
給する電気分解式ガス変換装置において、前記電気化学
素子接合体と前記直流電源の間に抵抗を直列に接続した
ことを特徴とする電気分解式ガス変換装置。
【請求項４】電気化学素子接合体をオゾン発生素子と
して用いたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項５】電気化学素子接合体を酸素ガス発生素子
として用いたことを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項６】電気化学素子接合体を水素ガス発生素子
として用いたことを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項７】電気化学素子接合体を除湿素子として用
いたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項８】請求項１ないし３のいずれかに記載の電
気分解式ガス変換装置を備えたことを特徴とする電気機
器。