JP2004008858A

JP2004008858A - 湿度調整器

Info

Publication number: JP2004008858A
Application number: JP2002163236A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Nagao; 永尾　栄一; Shuichi Sakuma; 佐久間　秀一; Shiro Yamauchi; 山内　四郎; Kenichi Yasuda; 安田　憲一; Takeaki Hanada; 花田　武明; Tetsuya Abe; 阿部　哲也
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】除湿機能の低下を抑制する。
【解決手段】陽イオン導電性の固体電解質膜９と、この固体電解質膜９の一側の面に設けられた白金黒からなる陰極触媒層１０と、この陰極触媒層１０に接して設けられた第一の多孔質基材１１と、固体電解質膜９の他側の面に設けられた第二の多孔質基材１３と、固体電解質膜９と第二の多孔質基材１３との大気側に設けられた白金黒からなる陽極触媒層１４とを備えた湿度調整器において、陽極触媒層１４は白金黒に白金黒を担持する粒子として、白金黒の粒子より大きい粒子の電子導電体が担持粒子として１０％〜５０％混合され、０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように形成されたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン導電性の固体電解質膜を使用した湿度調整器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、例えば特開２０００−５１６３８号公報に記載された従来の湿度調整器を示す断面図で、図５は図４の陽極の断面を模式的に示した説明図である。図４及び図５において、１は陽イオン導電性の固体高分子電解質を使用した厚さが約１７０μｍの固体電解質膜で、例えばデュポン（Ｄｕ　Ｐｏｎｔ）社製のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７等が使用される。２は固体電解質膜１の一側に形成された陰極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように固体電解質膜１に吹き付けて形成される。
【０００３】
３は固体電解質膜１の他側に配置された厚さが約２００μｍの第一の多孔質基材で、カーボンペーパやカーボンクロス等の炭素繊維により形成されている。なお、陰極触媒層２と第一の多孔質基材３とで陰極４が構成されている。５は固体電解質膜１の他側の面に配置された水透過性を有する第二の多孔質基材で、厚さが約１００μｍのチタンからなるメッシュ状のエキスパンドメタルに厚さ数μｍの白金メッキが施されている。なお、陰極触媒層２が形成された固体電解質膜１を両多孔質基材３，５で挟み込み、温度約１８０°Ｃ、圧力約５０ｋｇ／ｃｍ^２の条件でホットプレスして物理的に一体化すると共に電気的に接合している。６は固体電解質膜１の他側の面に配置された陽極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように、固体電解質膜１と第二の多孔質基材５との大気側の面に塗布又は吹き付けにより形成されている。ここで、陽極触媒層６の白金黒６ａは図５（ａ）に示すように、一様に分散されている。なお、第二の多孔質基材５と陽極触媒層６とで陽極７が構成されている。８は両極４，７間に接続された直流電源である。
【０００４】
次に動作について説明する。図５は図４の陽極７の断面を模式的に示した説明図で、（ａ）は通電前の初期状態を示し、（ｂ）は両極４，７間に直流電圧を印加して、通電した後の状態を示している。図４及び図５において、両極４，７間に直流電源８から所定の電力が供給されると、陽極７側の大気側面では水分が式（１）の反応により電気分解されて、大気側の水分が除去されると共に大気側に酸素が供給される。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ⁻・・・・・（１）
このときに発生する水素イオンＨ^＋は固体電解質膜１を通って陰極４に達する。また、電子ｅ⁻は直流電源８を含む外部回路を通って陰極４に達する。そして、式（２）の反応により陰極４側において酸素を消費しながら水を生成する。
【０００５】
なお、湿度調整器としての使用状態では、最大電流密度が２０Ａ／ｄｍ^２で、２Ｖ程度の電源電圧で十分であるが、通常は２Ｖ〜２．５Ｖの直流電圧で動作させている。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・・・（２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の湿度調整器は以上のように構成されている。すなわち、陽極触媒層６は白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように、固体電解質膜１と第２の多孔質基材５との大気側の面に形成されている。このため、通電によって生じる式（１）（２）の反応の際に白金黒が図５（ｂ）に示すように徐々に凝集するので、陽極触媒層６内に白金黒が存在しない領域が形成される。白金黒が存在しない領域では式（１）（２）の反応が起こらないため、長期間の使用により除湿機能が徐々に低下するという問題点があった。
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、除湿機能の低下を抑制することができる除湿調整器を提供することを目的としたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる湿度調整器は、陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金黒からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、固体電解質膜と第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金黒からなる陽極触媒層とを備えた湿度調整器において、陽極触媒層は白金黒に白金黒を担持する粒子として、白金黒の粒子より大きい粒子の電子導電体が担持粒子として１０％〜５０％混合され、０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように形成されたものである。
また、担持粒子を白金族金属のイリジュウム、ロジュウム、ルテニウムのいずれかとしたものである。
また、担持粒子を金属酸化物であるＴｉ_７Ｏ_８としたものである。
また、担持粒子を金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４としたものである。
さらに、担持粒子は金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４が混合されたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の構成を示す断面図、及び図２は図１の要部を模式的に示した説明図である。図１及び図２において、９は陽イオン導電性の固体高分子電解質を使用した厚さが約１７０μｍの固体電解質膜で、例えばデュポン（Ｄｕ　Ｐｏｎｔ）社製のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７等が使用される。１０は固体電解質膜９の一側の面に形成された陰極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように固体電解質膜９に吹き付けて形成される。１１は固体電解質膜９の他側の面に配置された厚さが約２００μｍの第一の多孔質基材で、カーボンペーパやカーボンクロス等の炭素繊維により形成されている。なお、陰極触媒層１０と第一の多孔質基材１１とで陰極１２が構成されている。１３は固体電解質膜９の他側の面に配置された水透過性を有する第二の多孔質基材で、厚さが約１００μｍのチタンからなるメッシュ状のエキスパンドメタルである。
ここで、陰極触媒層１０が形成された固体電解質膜９を両多孔質基材１１，１３で挟み込み、温度約１８０°Ｃ、圧力約５０ｋｇ／ｃｍ^２の条件でホットプレスして物理的に一体化すると共に電気的に接合している。１４は固体電解質膜９の他側の面に配置された陽極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒１４ａに、白金黒１４ａを担持する粒子として白金黒１４ａの粒子より大きい粒子の電子導電体を担持粒子１４ｂとして重量比で１０％〜５０％混合して、０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように、固体電解質膜９と第二の多孔質基材１３との大気側の面に塗布又は吹き付けにより形成されている。なお、担持粒子１４ｂとしての電子導電体は、白金族金属のイリジュウム、ロジュウム、ルテニウムを使用する。また、金属酸化物のＴｉ_７Ｏ_８及びフェライトを使用する。フェライトはＦｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４又はこれらの混合物である。ここで、担持粒子１４ｂは球に近い形状で白金黒１４ａの体積の１０倍から１０００倍の体積を有する。そして、白金黒１４ａ及び担持粒子１４ｂは図２（ａ）に示すように一様に分散されている。なお、第二の多孔質基材１３と陽極触媒層１４とで陽極１５が構成されている。１６は両極１２，１５間に接続された直流電源である。
次に動作について説明する。図１において、両極１２，１５間に直流電源１６から電圧２Ｖ〜２．５Ｖの範囲で所定の電圧が供給されると、陽極１５側の大気側面では水分が式（３）の反応により電気分解されて、大気側の水分が除去されると共に大気側に酸素が供給される。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ⁻・・・・・（３）
このときに発生する水素イオンＨ^＋は固体電解質膜９を通って陰極１２に達する。また、電子ｅ⁻は直流電源１６を含む外部回路を通って陰極１２に達する。そして、式（４）の反応により陰極１２側において酸素を消費しながら水を生成する。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・・・（４）
図２は図１の陽極１５の断面を模式的に示した説明図で、（ａ）は通電前の初期状態を示し、（ｂ）は両極１２，１５間に直流電圧を印加して、通電した後の状態を示している。通電前の初期状態では白金黒１４ａが陽極触媒層１４内に一様に分散されている。そして、陽極触媒層１４に通電されると、電気力により白金黒１４ａに凝集力が作用して、白金黒１４ａが担持粒子１４ｂの周辺に凝集する。しかし、白金黒１４ａの移動距離は小さいので、陽極触媒層１４内で白金黒１４ａが存在しない領域が小さい。従って、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
図３は図１の構成における長期通電試験データで、通電前の初期状態の除湿能力を１として、所定時間毎に測定した除湿能力を相対値で示したものである。
試験条件としては、常温で陽極１５と陰極１２との間に直流電圧２．５Ｖを印加して、連続して３年間通電した。
図３から分かるように、陽極触媒層１４に担持粒子が混合されていないものは除湿能力が早期に低下するが、陽極触媒層１４に担持粒子１４ａ混合することにより、除湿能力の低下を抑制することができる。例えば、除湿能力が半減するまでの時間で比較すると、担持粒子１４が混合されたものは担持粒子が混合されていないものに比べて５〜６倍の長寿命化を図ることができる。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、陽極触媒層の白金黒を担持する粒子として、白金黒の粒子より大きい粒子の電子導電体を担持粒子として１０％〜５０％混合し、０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように形成したことにより、通電時の電気力により白金黒に凝集力が作用したときに白金黒が担持粒子の周辺に凝集するので、白金黒の移動距離は小さくなり陽極触媒層内で白金黒が存在しない領域が小さくなるため、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
また、担持粒子として白金族金属のイリジュウム、ロジュウム、ルテニウムのいずれかを使用することにより、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
また、担持粒子として金属酸化物であるＴｉ_７Ｏ_８を使用することにより、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
また、担持粒子として金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４を使用することにより、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
さらに、担持粒子として金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４が混合されたものを使用することにより、除湿機能が低下するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の構成を示す断面図である。
【図２】図１の要部を模式的に示した説明図である。
【図３】図１の構成における長期通電試験データを示す説明図である。
【図４】従来の湿度調整器を示す断面図である。
【図５】図４の陽極の断面を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
９　固体電解質膜、１０　陰極触媒層、１１　第一の多孔質基材、
１２　陰極、１３　第二の多孔質基材、１３ａ　薄膜、１４　陽極触媒層、
１４ａ　白金黒、１４ｂ　担持粒子、１５　陽極。

Claims

陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金黒からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金黒からなる陽極触媒層とを備えた湿度調整器において、上記陽極触媒層は白金黒に上記白金黒を担持する粒子として、上記白金黒の粒子より大きい粒子の電子導電体が担持粒子として１０％〜５０％混合されて、０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜６ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように形成されていることを特徴とする湿度調整器。
請求項１において、上記担持粒子は白金族金属のイリジュウム、ロジュウム、ルテニウムのいずれかであることを特徴とする湿度調整器。
請求項１において、上記担持粒子は金属酸化物であるＴｉ_７Ｏ_８であることを特徴とする湿度調整器。
請求項１において、上記担持粒子は金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４であることを特徴とする湿度調整器。
請求項１において、上記担持粒子は金属酸化物であるＦｅ_２Ｏ_３又はＦｅ_３Ｏ_４が混合されたものであることを特徴とする湿度調整器。