JP2004351316A

JP2004351316A - 除湿素子

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Publication number: JP2004351316A
Application number: JP2003151970A
Authority: JP
Inventors: Shoji Akahori; 晶二赤堀; Souta Nakagawa; 創太中川
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP4198529B2

Abstract

【課題】製作が容易で高額な製作コストを伴うことなく、安定した性能を発揮することができる除湿素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る除湿素子は、固体高分子電解質膜が緩衝性を有するカチオン交換体によって挟持されている構造体が、更に通気性の陽極及び陰極によって挟持されていることを特徴とする。緩衝性のカチオン交換体としては、不織布材料、織布材料、スポンジ様材料などを、固体高分子電解質膜としてはカチオン交換膜を用いることができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質膜を用いて湿度調整を行う除湿素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質膜を用いた除湿素子は当該技術において公知である。図１に、従来公知の固体電解質膜を用いた除湿素子の構成を示す。除湿素子は、固体電解質膜３を、電極１及び２で挟持し、フレーム４で固定した構成を有する。各電極には、直流電源５が接続されていて、それぞれ、陽極１及び陰極２として機能する。
【０００３】
このような構成の除湿素子を、陽極１側が除湿空間（除湿を行うべき空間）に接するように、陰極２側が加湿空間に接するように配置して、両電極間に通電すると、除湿空間中に含まれる湿分（Ｈ_２Ｏ）が陽極において電気分解されて下式（１）の電極反応が起こる。
【０００４】
【化１】

【０００５】
上式によって発生した水素イオン（Ｈ^＋）は、陽極１から固体電解質膜３を通って陰極２に移動し、一方電子（ｅ⁻）は電気回路を通って陰極に移動し、その結果、陰極２では、下式（２）の電極反応が起こり、加湿空間中の酸素を消費して水を発生する。
【０００６】
【化２】

【０００７】
従って、このような除湿素子を、例えば、電力制御盤などの壁部に、陽極１側が盤内に、陰極２側が外部空間に接するように配置して取り付けると、制御盤内の空間の除湿を行うことができる。また、かかる除湿素子を、半導体や各種電子部品を製造するクリーンルームの壁部、天井部及び／又は床部に取り付けると、クリーンルーム内の空間の除湿を行うことができる。なお、陰極２側で発生した水は、例えば、外部空間の通気などによって蒸発放散させることができる。
【０００８】
このような除湿素子において用いられる電極体は、通気性が必要であるので、一般に、金網形状のものや、導電性繊維の集合体などから構成される多孔質通電体などが用いられている。
【０００９】
しかしながら、上記のような構成の除湿素子においては、固体高分子電解質膜の両面に電極が直接配置されており、安定した除湿機能を保持するためには、電極と固体高分子電解質膜との接点を安定化する目的で両者を張り合わせる必要があり、製作コストが高額となる問題があった。
【００１０】
更に、特に電極が金網状の構造体や導電性繊維の集合体の場合、固体高分子電解質膜と電極体とが、面ではなく点で接触するので、その接触部に集中して電気が流れ、長時間の運転を行うと、膜が、電極体との接触部において変質を起こす、例えば、「焼け」を起こしてカチオン交換能力（水素イオンの移動性）を低下させてしまうという問題点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、製作が容易で高額な製作コストを伴うことなく、安定した性能を発揮することができる除湿素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜が緩衝性を有するカチオン交換体によって挟持されている構造体が、更に通気性の陽極及び陰極によって挟持されていることを特徴とする除湿素子を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる除湿素子の一具体例を図２を参照して説明する。図２に示す本発明の一態様にかかる除湿素子は、固体高分子電解質膜１３が、緩衝性を有するカチオン交換体１６、１６’によって両側から挟持されており、これが更に通気性の陽極１１及び陰極１２によって両側から挟持されている積層構造体によって構成されている。この積層構造体は、フレーム１４によって固定されている。また、陽極１１及び陰極１２には、直流電源１５が接続されている。
【００１４】
このような構成の除湿素子を、陽極１１側が除湿空間（除湿を行うべき空間）に接するように、陰極１２側が加湿空間に接するように配置して、両電極間に通電すると、上記に説明したように、陽極においては、空間中の湿分（Ｈ_２Ｏ）が電極反応によって酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）とに分解され、電子（ｅ⁻）が発生する。発生した水素イオンは、陽極１１からカチオン交換体１６、固体電解質膜１３、カチオン交換体１６’を通って陰極１２に移動する。そして、陰極においては、陽極で発生し、電源回路を通って移動してきた電子ｅ⁻によって、固体高分子電解質膜１３及びカチオン交換体１６、１６’を通って移動してきた水素イオンＨ^＋が、空気中の酸素と電極反応を起こして水を発生する。これによって、陽極に接した側の雰囲気の除湿を行うことができる。
【００１５】
従って、本発明に係る除湿素子を、例えば、電力制御盤などの壁部に、陽極１１側が盤内に、陰極１２側が外部空間側に接するように配置して取り付けると、制御盤内の空間の除湿を行うことができる。同様に、本発明に係る除湿素子を、クリーンルームの壁部、天井部及び／又は床部などに、陽極１１側がクリーンルーム内に、陰極１２側がクリーンルームの外部空間側に接するように配置して取り付けると、クリーンルーム内の空間の除湿を行うことができる。更には、かかる除湿素子を、クリーンルームへの給気系統（例えば給気ダクト）の壁部に取り付けることにより、クリーンルームに除湿された空気を供給することができるので、クリーンルーム空間の湿度を低減することができる。従って、本発明は、上記に説明した本発明に係る除湿素子を備えたことを特徴とする、クリーンルーム用の除湿装置又は湿度低減装置をも提供する。なお、陰極１２側で発生した水は、例えば、外部空間の通気などによって蒸発放散させることができる。
【００１６】
本発明において、「固体高分子電解質膜」とは、イオン透過性を示す固体高分子電解質から形成された膜であり、フッ素樹脂系のイオン交換膜、炭素系のイオン交換膜のいずれも使用できる。なお、本発明に係る除湿素子において、固体高分子電解質膜としてイオン交換膜を用いる場合には、水素イオンを移動させることが主眼であるので、カチオン交換膜を用いることが好ましい。この目的で用いることのできるカチオン交換膜としては、例えば、具体的には、デユポン社製のナフィオン、トクヤマ製のネオセプタなどを挙げることができる。
【００１７】
本発明の除湿素子において、固体高分子電解質膜を両側から挟持するカチオン交換体は、緩衝性を有することが必要である。緩衝性（クッション性）を有するカチオン交換体によって固体高分子電解質膜を両側から挟持することにより、固体高分子電解質膜が電極と直接接触することがなくなり、電極によって膜が痛むことがなくなる。また、カチオン交換体が緩衝性（クッション性）を有することで、電極、カチオン交換体及び固体高分子電解質膜の積層構造体を互いに圧接させることのみで各層を密着・固定させることができ、張り合わせ等の作業は不要である。更に、このようなカチオン交換体を、電極と固体高分子電解質膜との間に配置することにより、（１）電極表面と固体高分子電解質膜との接触面積が広くなるので、イオンの移動抵抗が減少する；（２）電流密度分布が緩和され、固体高分子電解質膜の全面でイオンが透過することにより、電気抵抗が低下すると共に、局所電流による固体高分子電解質膜の「焼け」等の劣化が防止される；（３）固体高分子電解質膜全体に均一に圧力がかかるようになり、固体高分子電解質膜の破損が防止される。更に、通気性を有するカチオン交換体を固体高分子電解質膜の陰極側に配置すると、陰極側において生成した水分を速やかに空気中に拡散させることができる。従って、固体高分子電解質膜の陰極側に配置するカチオン交換体は、緩衝性に加えて更に通気性を有していることが好ましい。
【００１８】
このような目的で用いることのできる緩衝性を有するカチオン交換体の形状としては、不織布材料、織布材料、スポンジ様材料の形態などを挙げることができる。これらの材料は、緩衝性に加えて通気性も有しているので、特に固体高分子電解質膜の陰極側に配置するカチオン交換体として特に好ましく用いることができる。なお、所謂カチオン交換膜は、緩衝性を有しておらず、この目的で用いることはできない。
【００１９】
本発明においては、緩衝性を有するカチオン交換体として、不織布、織布などの高分子繊維基材に放射線グラフト重合法によってカチオン交換基を導入したカチオン交換体を、特に好ましく用いることができる。
【００２０】
放射線グラフト重合法とは、高分子基材に放射線を照射してラジカルを形成させ、これにモノマーを反応させることによってモノマーを基材中に導入するという技法である。
【００２１】
本発明において緩衝性を有するカチオン交換体を製造する目的で用いることのできる高分子繊維基材としては、ポリオレフィン系高分子、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどの一種の単繊維であってもよく、また、軸芯と鞘部とが異なる高分子によって構成される複合繊維であってもよい。用いることのできる複合繊維の例としては、ポリオレフィン系高分子、例えばポリエチレンを鞘成分とし、鞘成分として用いたもの以外の高分子、例えばポリプロピレンを芯成分とした芯鞘構造の複合繊維が挙げられる。
【００２２】
放射線グラフト重合法に用いることができる放射線としては、β線、ガンマ線、電子線等を挙げることができるが、本発明においてはガンマ線や電子線を好ましく用いる。放射線グラフト重合法には、グラフト基材に予め放射線を照射した後、グラフトモノマーと接触させて反応させる前照射グラフト重合法と、基材とモノマーの共存下に放射線を照射する同時照射グラフト重合法とがあるが、本発明においては、いずれの方法も用いることができる。また、モノマーと基材との接触方法により、モノマー溶液に基材を浸漬させたまま重合を行う液相グラフト重合法、モノマーの上記に基材を接触させて重合を行う気相グラフト重合法、基材をモノマー溶液に浸漬した後モノマー溶液から取り出して気相中で反応を行わせる含浸気相グラフト重合法などを挙げることができるが、いずれの方法も本発明において用いることができる。
【００２３】
本発明において用いられる緩衝性を有するカチオン交換体を製造するために高分子繊維基材に導入するカチオン交換基としては、特に限定されることなく種々のカチオン交換基を用いることができる。例えば、スルホン基などの強酸性カチオン交換基、リン酸基などの中酸性カチオン交換基、カルボキシル基、フェノール性水酸基などの弱酸性カチオン交換基などを挙げることができる。
【００２４】
これらのカチオン交換基は、これらのカチオン交換基を有するモノマーを用いてグラフト重合、好ましくは放射線グラフト重合を行うか、又はこれらのカチオン交換基に転換可能な基を有する重合性モノマーを用いてグラフト重合を行った後に当該基をカチオン交換基に転換することによって、高分子繊維基材に導入することができる。この目的で用いることのできるカチオン交換基を有するモノマーとしては、アクリル酸（ＡＡｃ）、メタクリル酸、スチレンスルホン酸ナトリウム（ＳＳＳ）、メタリルスルホン酸ナトリウム、アリルスルホン酸ナトリウム、ビニルスルホン酸ナトリウムなどを挙げることができる。例えば、スチレンスルホン酸ナトリウムをモノマーとして用いて放射線グラフト重合を行うことにより、高分子基材に直接、強酸性カチオン交換基であるスルホン基を導入することができる。また、カチオン交換基に転換可能な基を有するモノマーとしては、アクリロニトリル、アクロレイン、ビニルピリジン、スチレン、クロロメチルスチレン、メタクリル酸グリシジル（ＧＭＡ）などが挙げられる。例えば、メタクリル酸グリシジルを放射線グラフト重合によって高分子繊維基材に導入し、次に亜硫酸ナトリウムなどのスルホン化剤を反応させることによって強酸性カチオン交換基であるスルホン基を基材に導入することができる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をより具体的に説明するが、以下の実施例は本発明を具現化する一具体例を説明するもので、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
【００２６】
実施例１
表１に、本実施例においてカチオン交換不織布の製造に使用した基材不織布の仕様を示す。この不織布は、芯がポリプロピレン、鞘がポリエチレンから構成される複合繊維を熱融着によって不織布にしたものである。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１に示した不織布に、ガンマ線を、窒素雰囲気下で照射した後、メタクリル酸グリシジル（ＧＭＡ）溶液に浸漬して反応させ、グラフト率１７５％を得た。次に、このグラフト処理済不織布を、亜硫酸ナトリウム／イソプロピルアルコール／水の混合液中に浸漬して反応させ、スルホン化を行った。得られたイオン交換不織布のイオン交換容量を測定したところ、中性塩分解容量が２．８２ｍｅｑ／ｇの強酸性カチオン交換不織布が得られたことが分かった。
【００２９】
上記で得られたカチオン交換不織布をカチオン交換体１６、１６’として用い、固体高分子電解質膜１３として、フッ素樹脂系カチオン交換膜であるデユポン社製のナフィオンを用い、陽電極１１としてチタン／白金製の網状電極（網目２ｍｍ）を用い、陰電極１５としてＳＵＳ製の網状電極（網目２ｍｍ）を用いて、図２に示す除湿素子（有効面積１００ｃｍ^２）を組立てた。
【００３０】
組立てた除湿素子を、容積５０Ｌの容器の壁に、陽電極面が容器内に、陰電極面が容器の外部に面するように取り付け、容器を密閉し、両電極間に３Ｖの直流電圧を印可して１２０分除湿運転した。容器内の気体は、除湿前は２０℃で湿度６０％ＲＨであったが、１２０分の除湿運転後は、湿度が５％ＲＨ以下に低下した。
【００３１】
除湿素子を分解して各部材の状態を目視検査したが、焼け、劣化等は特に観察されなかった。
【００３２】
比較例１
カチオン交換体１６、１６’を配さずに、実施例１と同じ材料で、固体高分子電解質膜１３を網状電極１１及び１２で直接挟み込むことによって除湿素子を形成した。この除湿素子を用いて、実施例１と同様の実験を行った。容器内の気体は、除湿前は２０℃で湿度６０％ＲＨであったが、１２０分の除湿運転後は、湿度が３０％ＲＨに低下した。
【００３３】
除湿素子を分解して各部材の状態を目視検査したところ、固体高分子電解質膜が網状電極と点接触する部分において、電解質膜が変質し、焼けていることが観察され、長時間の使用に耐えなかった。なお、比較例１において、１２０分運転後の湿度が３０％ＲＨと高かったのは、固体高分子電解質膜が変質し、イオン交換機能（水素イオンの移動性）が低下したためであると考えられる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る除湿素子は、従来の固体高分子電解質膜を使用する除湿素子と比較して、容易に製作できることから高額な製作コストを伴うことなく、安定した性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の固体高分子電解質膜を用いた除湿素子の構成例を示す概念図である。
【図２】本発明の一態様に係る除湿素子の構成を示す概念図である。

Claims

固体高分子電解質膜が緩衝性を有するカチオン交換体によって挟持されている構造体が、更に通気性の陽極及び陰極によって挟持されていることを特徴とする除湿素子。
緩衝性を有するカチオン交換体が、不織布材料、織布材料又はスポンジ様材料の形態である請求項１に記載の除湿素子。
固体高分子電解質膜が、カチオン交換膜である請求項１又は２に記載の除湿素子。
通気性の陽極及び／又は陰極が、エキスパンデッドメタル、金属斜交網、格子状金属材料、網状金属材料、発泡金属材料、焼結金属繊維シートから選択される材料により構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の除湿素子。
請求項１〜４のいずれかに記載の除湿素子を備えたことを特徴とする、クリーンルーム用の除湿装置又は湿度低減装置。