JP2005307232A - 水電解装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解によって得られたガスが外気によって希釈されず、高純度のガスまたは高濃度のガスが得られる水電解装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 高分子電解質膜５の両表面の高分子電解質膜５の外縁より内側に、触媒電極７，８及び給電体１，２からなるアノード電極１ａ及びカソード電極２ａを配し、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａの外縁より外側を取り囲むシール材９と高分子電解質膜５とパッケージ３，４とで、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａそれぞれを取り囲んだ電極室を設け、電極室それぞれにガス出口１１，１２を設け、高分子電解質膜５にシール材９の外側から水を供給する水流路溝１４及び水流路溝１４に連通する水供給路１３からなる水供給部を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用して水を電気分解する水電解装置に関するものである。

水電解セルは、電気化学的な反応を利用して水を電気分解し、水素や酸素等を発生させるものである。例えば、電解質として高分子電解質膜を使用する水電解装置は、高分子電解質膜、触媒電極、触媒電極に電流を流すための給電体、それらを収めたパッケージ（槽）を備えている。
例えば、特許文献１に示されるように、高分子電解質膜、アノード触媒電極、アノード給電体、カソード触媒電極、カソード給電体で電解セルが構成され、電解セルが、導電性の端板で挟まれて電解装置が構成されている。また、複数の電解セルをセパレータ板を介して積層した構造とすることもできる。

高分子電解質膜としては、パーフルオロスルフォン酸膜、アノード給電体にはチタン多孔質体を用い、触媒電極には白金と酸化イリジウム、カソード給電体には炭素繊維、触媒電極には白金が使われている。

次に動作について説明する。
アノード側に水を供給し、アノード給電体に電圧（対カソード電圧２Ｖ程度）をかけると、アノード側では、水が分解され、酸素が発生し、水素イオンが高分子電解質膜中へ移動する（下記式（１））。
カソード側では、高分子電解質膜中を移動してきた水素イオンが電子を受け取り水素が発生する（下記式（２））。
アノード反応
Ｈ_２Ｏ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ １／２Ｏ_２↑…（１）
カソード反応
２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２↑…（２）

上記アノード反応及びカソード反応を継続するには、反応によって消費する水を供給する必要がある。工業プラントのような設備では、必要とする水量の供給も困難なことではない。しかし、生成したガスを利用するには、水と分離する等の必要があるため、電解セルのアノード及びカソードを垂直に立てて設置するというように設置方向が限定されたり、気水分離の装置を設ける必要があった。また、水電解には高純度な水質の水が要求され、純水製造設備のない場所では、タンクに純水を貯めたり、補充する必要があった。

そこで、純水製造設備あるいはタンクに貯めた純水を必要としない電解方法が提案された。例えば、特許文献２に記載の発明では、空気中の水分を吸収し、その水分を電気分解する。

また、特許文献３の発明では、送風する空気を積極的に加湿し、その空気中の水分を用いて電気分解をする。

特開平９−２４１８８０号公報（第２頁、図３） 特許第３２０１３１６号公報（第２−３頁、図１） 特許第３２４０９８１号公報（第４頁、図１）

上述のように、従来の純水を利用する水電解装置は、生成したガスと水を分離するために、水電解装置の設置方向に制約が生じることがあった。また、純水製造設備あるいはタンクに貯めた純水を補給する必要があり、運転維持が容易ではないという問題があった。

また、空気中の水分を利用する水電解装置でも、送風する空気を積極的に加湿する場合は、得られたガスと加湿水分とを分離することが必要になり、また、加湿しない場合でも、電解により生成したガスが空気に希釈されてしまうので、濃度の低い希薄なものしか利用することができないという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、電解によって得られたガスが外気によって希釈されず、高純度なガスまたは高濃度のガスが得られる水電解装置を得ることを目的としている。

この発明に係る水電解装置は、高分子電解質膜の両表面における外縁より内側に、触媒電極及び給電体からなる電極を配し、上記電極それぞれを取り囲み密閉する電極室を、上記高分子電解質膜上の上記電極の外縁より外側においてシール材によりシールして設け、上記電極室それぞれにガス出口を設け、上記高分子電解質膜に上記シール部の外側から水が取り込まれる水取り込み部を設けたものである。

この発明に係る水電解装置の運転方法は、高分子電解質膜の両表面における外縁より内側に、触媒電極及び給電体からなる電極を配し、上記電極それぞれを取り囲み密閉する電極室を、上記高分子電解質膜上の上記電極の外縁より外側においてシール材によりシールして設け、上記電極室それぞれにガス出口を設け、上記シール部の外側において表面が外気に接触して外気中の水分を吸収し、上記高分子電解質膜に上記吸収した水分を供給する水取り込み部を設け、上記電極間に直流電圧を間欠的に印加するものである。

この発明に係わる水電解装置によれば、電極室は外気と遮断されており、また、シール部の外周より外側から、反応に必要な水分が取り込まれるため、電極室内（給電体内部）に液体の水が存在せず、発生したガスを水と特別な工程により分離することなく、高純度のガスを取り出すことができる。

この発明に係わる水電解の運転方法によれば、電極間に間欠的に電圧を印加することにより、電圧の印加を止めている間に水取り込み部から外気の水分が吸収されるので、電圧を印加している間は安定に水の電気分解が行われ、安定した量のガスを取り出すことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る水電解装置の実施の形態１を概念的に示す断面図である。図２は、実施の形態１における水電解装置の平面図であり、透視した状態を示している。
水電解装置１０は、給電体１，２、触媒電極７，８、高分子電解質膜５で電解セル６を構成する。

給電体１は、チタン金属繊維のウェブ焼結体（繊維径２０μｍ、長さ５０〜１００ｍｍの単繊維を開繊機にかけた後に焼結したもの）からなる目付け２００ｇ／ｃｍ^２の布であり、この布繊維間には多数の空隙がある。この布の高分子電解質膜５に接する面に白金酸化イリジウム複合メッキを行い、白金酸化イリジウム複合メッキからなる触媒７を、布（給電体１）と一体化している。

給電体２は、厚さ２００μｍのカーボンペーパー（東レ製、型名ＴＧＰＨ−０６０：繊維径約１０μｍ、空隙率７８％）である。カーボンペーパーの高分子電解質膜５に接する面に、白金担持カーボン触媒を電解質膜（パーフルオロスルホン酸膜）を分散させた液とともに塗布して触媒電極８を形成し、触媒電極８をカーボンペーパーと一体化している。

高分子電解質膜５は、気体は透過せず、水分のみを透過するパーフルオロスルホン酸膜の市販品であり、高分子電解質膜５として、デュポン社のナフィオン１１７（７ｃｍ角の正方形）を用いている。

給電体１と触媒電極７とを一体化したアノード電極１ａは辺が５ｃｍの正方形であり、給電体２と触媒電極８を一体化したカソード電極２ａは辺が５ｃｍより少し小さめの正方形としている。そして、電流端子を兼ねたパッケージ３，４により、電解セル６を挟み込み、水電解装置１０を構成している。

パッケージ３，４は、金属等の導電性材料からなり、ここでは、厚さ３ｍｍ、辺が７ｃｍの正方形のチタン板を用いている。このチタン板には、シール材９を挿入しシール部を形成するための、カソード電極２ａ及びアノード電極１ａを取り囲む挿入溝を設け、各電極上にガス出口１１，１２を設けるための貫通孔を配している。図２に示したように、シール材９を挿入するための挿入溝は２本とし、その挿入溝の間の位置に水流路溝１４と、水流路溝１４と連通する水供給路１３からなる水取り込み部を設けている。なお、図示していないが、パッケージ３，４の面間は、絶縁材を介して約１ｋｇ／ｃｍ^２の面圧で締め付けられ、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａと高分子電解質膜５とが密着するようにしている。

アノード電極１ａは、シール材９とパッケージ３及び高分子電解質膜５により気密に取り囲まれ、アノード電極室が形成されていて、アノード電極室には給電体１内の空隙と連通するガス出口１１が設けられている。同様に、カソード電極２ａは、シール材９とパッケージ４及び高分子電解質膜５により気密に取り囲まれて、カソード電極室が形成されていて、カソード電極室には給電体２内の空隙と連通するガス出口１２が設けられている。水流路１４は、シール材９の間の位置で高分子電解質膜５と接して繋がっている。

次に動作について説明する。水供給口１３から水を注入すると、水流路１４を通してシール材９間の高分子電解質膜５に水が接触する。高分子電解質膜５は水分を吸収して、水分は高分子電解質膜５全体にいきわたり、高分子電解質膜５の重量１．７ｇに対し、約６ｇの水を保有する。この状態で電圧２．５Ｖ（アノード側を＋とした直流）を印加する。電流が５Ａ流れ、アノード側の出口１１からはアノード電極１ａで発生した酸素が給電体１の空隙を通じて約１７ｃｃ／ｍｉｎの流量で発生する。また、カソード側の出口１２からも、カソード電極２ａで発生した水素が給電体の隙間を通じて約３５ｃｃ／ｍｉｎの流量で発生する。

この時、電解反応に必要な水は高分子電解質膜５に含有されたものだけで、各電極室内、すなわち、給電体１，２の空隙内には液体の水が存在しない。そのため、水電解装置１０をどのような方向に置いても、発生したガスは特別な気液分離工程を経ずに取り出すことができる。

また、高分子電解質膜５は、気体は透過せず、水分のみを透過する。また、電解反応に必要な水は高分子電解質膜５に含有されたものだけで、各電極室内には液体の水が存在せず、高分子電解質膜５に含有された水はほとんど全てが電気分解されるので得られるガスは高純度になる。

なお、この実施の形態１では、水流路１４と電極反応を行う電極部分との距離を３ｃｍ以内としている。電極部分のサイズ（面積）を大きくすると水流路１４と電極反応を行う電極部分との距離が大きくなり、電流によっては反応に必要な水の供給（膜内の水の浸透）が追いつかなくなることがある。その場合、電極の面積は変えず、長方形とすれば、水供給を容易に行うことができる。パッケージを細長くできない場合、膜内の電極を細長く分割し、その間に水流路を形成することも有効である。

なお、電解セル６の高分子電解質膜５と各電極１ａ，２ａとが熱圧着等により一体化されている場合には、パッケージの締め付け力をパッケージ３，４と給電体１，２との電気接触を維持できる程度に低減することも可能である。

実施の形態２．
図３は、この発明に係る水電解装置の実施の形態２を概念的に示す断面図であり、図４は、実施の形態２における水電解装置の平面図であり、透視して示している。

水電解装置１０の電解セル６は、給電体１，２、触媒電極７，８、高分子電解質膜５で構成される。給電体１及び触媒電極７からなるアノード電極１ａと、給電体２及び触媒電極８からなるカソード電極２ａとを密閉するためのシール材９が各電極１ａ，２ａを囲んでいる。

この実施の形態２では、給電体１、触媒電極７、給電体２及び触媒電極８に用いられる材料は、実施の形態１と同様であり、高分子電解質膜５は、パーフルオロスルホン酸膜の市販品であり、パーフルオロスルホン酸膜としてデュポン社のナフィオン１１７を７．５ｃｍ×８ｃｍの長方形の大きさで用いている。

パッケージ３，４は、厚さ３ｍｍ、辺が７ｃｍの正方形のチタン板であり、このチタン板にシール材９を挿入するための挿入溝とガス出口１１，１２を設けるための貫通孔を設け、電流端子を兼ねたパッケージ３，４により、電解セル６を挟み込み、水電解装置１０を構成する。高分子電解質膜５は、図４に示したように、パッケージ３，４から左右及び上部を約２ｍｍ、下部を１ｃｍはみ出させている。なお、図示していないが、パッケージ３，４の面間は、絶縁材を介して約１ｋｇ／ｃｍ^２の面圧で締め付けられ、アノード電極１ａ及びカソード電極２ａと高分子電解質膜５とが密着するようにしている。

アノード電極１ａは、シール材９、パッケージ３及び高分子電解質膜５により気密に取り囲まれ、アノード電極室が形成されていて、アノード電極室には給電体１内の空隙（約０．３ｃｃ）と連通するガス出口１１が設けられている。同様に、カソード電極極２ａは、シール材９、パッケージ４及び高分子電解質膜５により気密に取り囲まれ、カソード電極室が形成されていて、カソード電極室には給電体２内の空隙（約０．４ｃｃ）と連通するガス出口１２が設けられている。

次に動作について説明する。電解装置１０を気温２０℃、湿度５０％の状態で放置した場合、パッケージ３，４からはみ出した高分子電解質膜５から外気の水分が吸収され、高分子電解質膜５は外気の相対湿度に対応して水分を含有し、高分子電解質膜５の膜重量（２．１ｇ）に対し、５％の水を保有する。この状態で電圧３Ｖ（アノードを＋側とした直流）を印加する。

図５は、この実施の形態２の水電解装置１０における電解セル６に３Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。電圧印加初期は高分子電解質膜５に含有している水分を電解反応に使用し、２Ａ程度の電流が流れるが、高分子電解質膜５中の水分の消費に伴って、３分程度で電流が減少し、３０分後以降では高分子電解質膜５部分の水分量が少くなるため、０．１Ａ以下しか流れなくなった。

この時、最初の３分間は、アノード側の出口１１からはアノード電極１ａで発生した酸素が給電体１の隙間を通じて約７ｃｃ／ｍｉｎの流量で出てきたが、３０分後以降は流量として測定ができない量となった。また、カソード側の出口１２から、カソード電極２ａで発生した水素が給電体２の隙間を通じて最初の３分間は約１４ｃｃ／ｍｉｎの流量で発生したが、３０分後以降は流量として測定できない量となった。なお、最初の数秒は水電解装置１０内の電極室の空間に溜まっていたガスが出るが、それ以降はアノード側のガス出口１１からは高純度の酸素ガスが、カソード側のガス出口１２からは高純度の水素ガスが得られた。

この実施の形態２の水電解装置１０によれば、空気中の水分を利用して、純水を供給することなく、高純度の酸素ガス及び水素ガスが得られる。

実施の形態３．
図６は、上記実施の形態２に示した水電解装置を用いて、気温２０℃、湿度５０％の状態で、２分程度の電圧印加（アノードを＋側とした直流３Ｖ）を３０分間隔で繰り返し実施した場合の電流の変化を示す図である。

図６に示したように、電圧印加をやめている間にパッケージ３，４から外気に曝されている高分子電解質膜５に吸収された水分が高分子電解質膜５全体に行き渡るので、電圧印加を続けている間は約１．５Ａの電流が流れ、２分程度の電圧印加の間にガス出口１１から約１０ｃｃの量の高純度の酸素ガスが得られ、ガス出口１２から約２０ｃｃの高純度の水素ガスが得られ、また、これを繰り返し得ることができる。

気温２０℃、湿度２０％の状態で動作させた場合、水電解装置１０の高分子電解質膜５の水分含有量は、膜重量（２．１ｇ）に対し、３％に減少した。しかし、この状態でも２分程度の電圧印加を３０分間隔で繰り返し実施した場合、電圧印加を続けている間は約１Ａの電流が流れ、ガス出口１１から約７ｃｃの量の高純度の酸素ガスが得られ、ガス出口１２から約１４ｃｃの高純度の水素ガスが得られ、これを繰り返し得ることができた。

一方、電圧を連続印加した場合には、電圧印加初期は含有している水分を電解反応に使用し、１．５Ａ程度の電流が流れたが、高分子電解質膜５中の水分の消費に伴って、直ぐに電流が減少し、５分後以降では０．１Ａ程度しか流れなくなった。この時、最初の１分間は、アノード側のガス出口１１からは約５ｃｃ／ｍｉｎの流量の高純度の酸素ガスが発生したが、５分後以降は流量として測定ができない量となり、酸素ガス濃度も希薄になった。また、カソード側のガス出口１２からは、最初の１分間は約１０ｃｃ／ｍｉｎの流量の高純度の水素が発生したが、５分後以降は流量として測定できない量となり、水素ガス濃度も大きく低下した。

以上のように、アノード電極１ａ、カソード電極２ａ間に間欠的に電圧を印加することにより、電圧の印加を止めている間に、外気に曝されている高分子電解質膜５から外気の水分が取り込まれるので、電圧を印加している間は安定に水の電気分解が行われ、安定した量のガスを取り出すことができる。

なお、高分子電解質膜５の密閉部の面積や、パッケージ３，４からはみ出した高分子電解質膜５の面積等によって変化するが、電圧印加の間隔は３０分以上取った方が安定して電流が流れるようになった。これより間隔を短くすると、相対湿度３０％以下の低湿度の場合には、電圧を連続印加した時の様に繰り返しの度に流れる電流が減少していった。

なお、上記実施の形態１ないし３の触媒電極７を白金酸化イリジウム複合メッキに代えて二酸化鉛とすることにより、高濃度のオゾンを含む酸素ガスが得られる。

触媒電極７を二酸化鉛とした構成において、気温２０℃、湿度５０％の状態で、水電解装置２０に２分程度の電圧印加（アノード側を＋とした直流５Ｖ）を３０分間隔で繰り返し実施した場合、電圧印加を続けている間は約１．５Ａの電流が流れ、ガス出口１２から約２０ｃｃの高純度の水素ガスが得られた。この時、ガス出口１１からは、高濃度のオゾン（オゾン濃度５％程度）を含む酸素ガス（約１０ｃｃ）が繰り返し得られた。

実施の形態４．
図７は、この発明に係る水電解装置の実施の形態４を概念的に示す断面図である。
この実施の形態５では、図７に示したように、上記実施の形態２または３の電解装置１０のガス出口１１，１２にそれぞれ逆止弁１６を設けている。

上記実施の形態３と同様に、気温２０℃、湿度２０％の状態で、１分程度の電圧印加（アノードを＋側とした直流３Ｖ）を３０分間隔で繰り返し実施した場合、電圧印加を続けている間は約１．５Ａの電流が流れ、ガス出口１１から約５ｃｃの量の高純度の酸素ガスが得られ、ガス出口１２から約１０ｃｃの高純度の水素ガスが得られ、これを繰り返し得ることができた。

この時、逆止弁１６が無い場合、電圧印加を行っていない間にガス出口１１，１２を通じて外気が侵入し、電圧印加初期のガスには空気が混ざるが、この実施の形態５によれば、ガス出口１１，１２に逆止弁１６を設けているので、電圧印加停止中に外気が侵入するのを防止することができ、電圧を印加した直後から高純度のガスがガス出口１１，１２から得られるようになる。また、この逆止弁１６は、外気侵入を防止したい方のガス出口のみに付けてもよい。

また、逆止弁１６の圧力設定により、ガス出口１１，１２からの出るガスの圧力を調整することも可能である。

また、上記実施の形態１における水電解装置のガス出口１１，１２に逆止弁１６を設けても同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図８は、この発明に係る水電解装置の実施の形態５を概念的に示す断面図である。
この実施の形態５では、図８に示したように、高分子電解質膜５が外気から吸湿した水分を貯水する吸水体２１を装着しており、その他の構成は上記実施の形態２と同様である。吸水体２１としては、吸水性高分子であるアクリル酸ナトリウム系樹脂を１０ｇ、高分子電解質膜５にシール材９の外側で接するように充填する。

この実施の形態５の構成において、気温２０℃、湿度５０％の状態で放置した水電解装置１０の高分子電解質膜５は、外気の相対湿度に対応して水分を含有し、膜重量（２．１ｇ）に対し、５％の水（約０．１ｇ）を保有した。さらに、吸水体２１には０．５ｇの水が保持されていた。この状態で電圧３Ｖ（アノードを＋側とした直流）を印加した。電圧印加初期は含有している水分を電解反応に使用し、２Ａ程度の電流が流れた。電解を継続すると実施の形態１と同様に水分の消費に伴って、電流が減少したが、１０分程度その電流を維持することができた。但し、３０分後以降には、０．１Ａ程度しか流れなくなった。

この時、通電から１０分間に渡って、アノード側のガス出口１１からは約７０ｃｃの高純度の酸素ガスが発生し、また、カソード側のガス出口１２からは、１０分間で約１４０ｃｃの高純度の水素ガスが発生した。

また、気温２０℃、湿度５０％の状態で、１０分の電圧印加（３Ｖ）を繰り返し実施した場合、毎回アノード側のガス出口１１からは約７０ｃｃの高純度の酸素ガス、カソード側のガス出口１２からは約１４０ｃｃの量の高純度の水素ガスが得られた。

また、気温２０℃、湿度２０％の状態で動作させた場合、１０分の電圧印加を１回行うことにより、ガス出口１１から約４０ｃｃの高純度の酸素ガスが得られ、ガス出口１２から約８０ｃｃの高純度の水素ガスを得ることができた。

この実施の形態５によれば、吸湿性材料である吸水体２１を高分子電解質膜５に接触して配置することにより、水電解装置１０内に貯蔵できる水分容量を増加させることができ、一回の通電時間を長くすることができ、発生させるガスの量を増大させることが可能となる。

実施の形態６．
図９は、この発明に係る水電解装置の実施の形態６を概念的に示す断面図である。
この実施の形態７の水電解装置１０は、高分子電解質膜５のパッケージ３，４からはみ出した部分を高分子電解質膜５以外の吸水性膜２５に置き換えており、その他の構成は、上記実施の形態２と同様である。

吸水性膜２５は、例えば、吸水性高分子であるアクリル酸ナトリウムとビニルエステルの共重合体とする。高分子電解質膜５（厚さ０．１８ｍｍ）の大きさは辺が６ｃｍの正方形とし、高分子電解質膜５の外縁と接合するように周りを吸水性膜２５（厚さ１ｍｍ）で形成し、実施の形態２と同様に、７．５×８ｃｍの長方形とした。なお、高分子電解質膜５と吸水性膜２５とは、吸水性膜２５が高分子電解質膜５を挟み込むかたち（重なり部分幅２ｍｍ）で接合している。また、シール材９は高分子電解質膜５の部分でシールするように設けている。

この実施の形態６によれば、実施の形態２、実施の形態３と同様の高純度の水素ガス及び酸素ガスを得ることができるとともに、高額な高分子電解質膜５の使用量を節減できるため、コストを大きく削減することができる。

また、吸水性膜２５の量を増加させることにより、実施の形態５のように水分保有量を増大させることも可能である。但し、この実施の形態６では吸水性膜２５として利用できる強度を出すために、吸水量及び水移動速度が上記実施の形態６の吸水体２１よりも劣るため、吸湿材料を大きく増大することなく、保水量を増加させるには、膜としての形態を維持する必要がない材料を添加する実施の形態５との組合せが有効である。

実施の形態７．
図１０は、この発明に係る水電解装置の実施の形態７を概念的に示す断面図である。
この実施の形態７の水電解装置１０は、上記実施の形態２ないし６において、冷却及び加熱が可能な冷温部材を組み込んだものである。高分子電解質膜５（厚さ０．１８ｍｍ）の大きさは辺が６．５ｃｍの正方形で、パッケージ３の一部が短くなっており、高分子電解質膜５は、その部分に露出した状態で飛び出している。冷温部材としては７ｃｍ×５ｃｍのペルチェ素子５０を用い、ペルチェ素子５０の冷却部の下端がパッケージ３から飛び出した高分子電解質膜５に直接当たるように垂直に立てている。

この実施の形態７の構成において、気温２０℃、湿度５０％の状態で、ペルチェ素子５０に直流を通電し、高分子電解質膜５と接するペルチェ素子５０の冷却部の温度を５℃に保持する。この時、ペルチェ素子５０表面に結露が生じ、結露した水滴５１が随時流れ落ちて高分子電解質膜１５に吸収される。この状態で電圧２．５Ｖ（アノードを＋側とした直流）を印加する。

図１１は、２．５Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。水滴５１が流れ落ちるタイミングにより電流値が増減したが、約２Ａの電流値を維持し、アノード側のガス出口１１からは約７ｃｃ／ｍｉｎの流量の高純度の酸素ガスが連続的に得られた。また、カソード側のガス出口１２からは、約１４ｃｃ／ｍｉｎの流量の高純度の水素ガスが連続的に得られた。

また、気温２０℃、湿度２０％の状態で、ペルチェ素子５０に直流を通電し、高分子電解質膜５と接するペルチェ素子５０の冷却部側の温度を５℃に保持した。この時、ペルチェ素子５０表面では結露は生じなかった。しかし、ペルチェ素子５０近傍では空気が冷やされて相対湿度が約５０％となりペルチェ素子５０に沿って冷やされた空気が下降するため、高分子電解質膜５中の水分保持量が増大し、上記実施の形態３のように２分程度の電圧印加（アノードを＋側とした直流３Ｖ）を３０分間隔で繰り返し実施した場合、電圧印加を続けている間は約１．５Ａの電流が流れ、ガス出口１１から約１０ｃｃの高純度の酸素ガスが得られ、ガス出口１２から約２０ｃｃの高純度の水素ガスを繰り返し得ることができた。

また、気温２０℃、湿度２０％の状態で、ペルチェ素子５０に直流を通電し、高分子電解質膜５と接するペルチェ素子５０の冷却部側の温度を−１０℃に保持した。この時、ペルチェ素子５０表面に結露が生じ、結露した水は表面に凍結した。ペルチェ素子の直流電圧を反転させて凍結水を解凍すると水滴となって流れ落ち、高分子電解質膜５に吸収された。これを繰り返した状態で電圧２．５Ｖ（アノードを＋側とした直流）を印加した。水滴が流れ落ちるタイミングが少なく電流値の増減が大きいが、約１Ａの電流値を維持し、アノード側のガス出口１１からは、約３ｃｃ／ｍｉｎの高純度の酸素ガスが連続的に得られた。また、カソード側のガス出口１２からは、約７ｃｃ／ｍｉｎの高純度の水素ガスが連続的に得られた。

なお、この実施の形態７では、冷温部を作るためにペルチェ素子を用いたが、冷温部であれば他のものでも可能である。例えば、水電解装置１０を空調機器や冷蔵機器に設置する場合、機器の冷温部または機器の冷温部からヒートシンク等により冷温部を導出したものを設置することも可能である。

また、上記実施の形態５乃至７の水電解装置において、上記実施の形態４と同様、出口１１，１２に逆止弁１６を設けることによって、上記実施の形態４と同様の効果が得られる。

この発明に係る水電解装置及びその運転方法は、純水を供給することなく、空気中の水分を利用して還元剤として利用される水素ガス並びに酸化剤として利用される酸素ガス及びオゾンを高純度で得ることができる。

この発明に係る水電解装置の実施の形態１を概念的に示す断面図である。 実施の形態１における水電解装置の平面図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態２を概念的に示す断面図である。 実施の形態２における水電解装置の平面図である。 実施の形態２の水電解装置において、３Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。 実施の形態２に示した水電解装置を用いて、気温２０℃、湿度５０％の状態で、２分程度の電圧印加（アノードを＋側とした直流３Ｖ）を３０分間隔で繰り返し実施した場合の電流の変化を示す図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態４を概念的に示す断面図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態５を概念的に示す断面図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態６を概念的に示す断面図である。 この発明に係る水電解装置の実施の形態７を概念的に示す断面図である。 実施の形態７における電解装置に、２．５Ｖを連続的に印加した時の電流の変化を示す図である。

符号の説明

１，２ 給電体、１ａ アノード電極、２ａ カソード電極、３，４ パッケージ、
５ 高分子電解質膜、６ 電解セル、７，８ 触媒層、９ シール材、１０ 電解装置、
１１，１２ ガス出口、１３ 水供給路、１４ 水流路溝、１６ 逆止弁、
２１ 吸水体、２５ 吸水性膜、５０ ペルチェ素子、５１ 水滴。

Claims (9)

1. 高分子電解質膜の両表面における外縁より内側に、触媒電極及び給電体からなる電極を配し、上記電極それぞれを取り囲み密閉する電極室を、上記高分子電解質膜上の上記電極の外縁より外側においてシール材によりシールして設け、上記電極室それぞれにガス出口を設け、上記高分子電解質膜に上記シール部の外側から水が取り込まれる水取り込み部を設けたことを特徴とする水電解装置。
2. 上記水取り込み部は、上記シール部の外周より外側で上記高分子電解質膜と接し水が流れる水流路溝と、上記水流路溝と連通し、水を供給する水供給路とからなることを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
3. 上記高分子電解質膜の外縁の両表面を上記シール部の外側において外気に暴露させ、上記外気に暴露した上記高分子電解質膜の両表面から外気の水分を吸収するようにして上記水取り込み部を構成したことを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
4. 表面が外気に接触する吸湿性の吸水性膜を、上記高分子電解質膜の外縁に接続して、上記吸水性膜から外気の水分を吸収するようにして上記水取り込み部を構成したことを特徴とする請求項１記載の水電解装置。
5. 上記高分子電解質膜に上記シール部の外周より外側で接するように、水分を吸収する吸水体を設けたことを特徴とする請求項３または４記載の水電解装置。
6. 上記電極間に直流電圧を間欠的に印加することを特徴とする請求項３記載の水電解装置。
7. 上記水取り込み部と接触するように、冷却及び加熱可能な冷温部を設けたことを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の水電解装置。
8. 上記ガス出口の少なくともいずれかに気体の逆流を止める逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の水電解装置。
9. 高分子電解質膜の両表面における外縁より内側に、触媒電極及び給電体からなる電極を配し、上記電極それぞれを取り囲み密閉する電極室を、上記高分子電解質膜上の上記電極の外縁より外側においてシール材によりシールして設け、上記電極室それぞれにガス出口を設け、上記シール部の外側において表面が外気に接触して外気中の水分を吸収し、上記高分子電解質膜に上記吸収した水分を供給する水取り込み部を設け、上記電極間に直流電圧を間欠的に印加することを特徴とする水電解装置の運転方法。

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