JP2007200826A

JP2007200826A - Electrochemical reaction device

Info

Publication number: JP2007200826A
Application number: JP2006021075A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yamauchi; 四郎山内; Hide Kimura; 秀木村; Goro Yamauchi; 五郎山内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-08-09

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such problems that an electrochemical reaction device acting as a conventional power generation element requires a vessel for holding liquid fuel such as methanol, structure is complicated, and the electrochemical reaction device can not act as the power generation element and an electrolytic device in the same device. SOLUTION: The electrochemical reaction device is equipped with a cathode 2 generating oxidation reaction, an anode 1 generating reduction reaction, a solid polymer electrolyte membrane 3 interposed between the anode 1 and the cathode 2, and a fuel holding part 5 having air permeability and capable of holding liquid fuel 4 on the side having no solid polymer electrolyte membrane 3 of the anode 2. COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、発電または電気分解を行う電気化学反応器に関するものである。 The present invention relates to an electrochemical reactor that performs power generation or electrolysis.

近年、水を電気分解して酸素を発生する陽極と水素を発生する陰極との間に、水素イオン交換膜となる固体高分子電解質膜を挟んだ電気化学反応器が、除湿機としてまた酸素濃度調整器として使用され始めている。（例えば、特許文献１と特許文献２を参照。）
これらの機器は、電気化学反応を行わせるために直流電源を必要とし、通常、制御盤内の除湿とか理化学機器内の湿度制御には、電源コードをつないで外部から電気エネルギを供給している。
最近の電子技術の進歩により、携帯用電子機器（カメラ、ノートパソコン、携帯電話など）が普及している。携帯用電子機器では、充電器により充電した２次電池を使用する場合が多いが、携帯用電子機器で使用する燃料電池も開発されつつある。携帯用電子機器で使用する燃料電池では、メタノールなどの液体燃料を保持するタンクを使用している。 In recent years, an electrochemical reactor in which a solid polymer electrolyte membrane serving as a hydrogen ion exchange membrane is sandwiched between an anode that generates water by electrolyzing water and a cathode that generates hydrogen has been used as a dehumidifier and oxygen concentration. It is starting to be used as a regulator. (For example, see Patent Document 1 and Patent Document 2.)
These devices require a DC power source to cause an electrochemical reaction. Normally, electrical power is supplied from the outside by connecting a power cord for dehumidification in a control panel or humidity control in a physics and chemistry device. .
Due to recent advances in electronic technology, portable electronic devices (cameras, notebook computers, mobile phones, etc.) have become widespread. In portable electronic devices, secondary batteries charged by a charger are often used, but fuel cells used in portable electronic devices are also being developed. A fuel cell used in a portable electronic device uses a tank that holds liquid fuel such as methanol.

特開平６−６３３４３号公報JP-A-6-63343 特開平６−２５４８０３号公報JP-A-6-254803

携帯用電子機器で使用する燃料電池では、メタノールなどの液体燃料を保持するタンクを使用しているので、構造が複雑であった。
本発明は、液体燃料を保持するタンクを不要とする電気化学反応器を得ることを目的とする。 A fuel cell used in a portable electronic device has a complicated structure because it uses a tank that holds a liquid fuel such as methanol.
An object of the present invention is to obtain an electrochemical reactor that does not require a tank for holding liquid fuel.

この発明に係る電気化学反応器は、酸化反応を発生させる陽極と、還元反応を発生させる陰極と、該陰極と前記陽極に挟まれた固体高分子電解質膜と、前記陽極の前記固体高分子電解質膜でない側に液体燃料を保持でき通気性を有する燃料保持部とを備えたものである。 The electrochemical reactor according to the present invention includes an anode for generating an oxidation reaction, a cathode for generating a reduction reaction, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and the solid polymer electrolyte of the anode. A fuel holding unit that can hold liquid fuel and has air permeability on the side that is not a membrane.

この発明に係る電気化学反応器は、酸化反応を発生させる陽極と、還元反応を発生させる陰極と、該陰極と前記陽極に挟まれた固体高分子電解質膜と、前記陽極の前記固体高分子電解質膜でない側に液体燃料を保持でき通気性を有する燃料保持部とを備えたものなので、燃料タンクが不要であるという効果が有る。 The electrochemical reactor according to the present invention includes an anode for generating an oxidation reaction, a cathode for generating a reduction reaction, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and the solid polymer electrolyte of the anode. Since the liquid fuel can be held on the non-membrane side and the fuel holding portion having air permeability is provided, there is an effect that a fuel tank is unnecessary.

実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１による燃料電池として動作する電気化学反応器の構造を説明する断面図を示す。電気化学反応器は、図における上側に還元反応を発生させる陰極１があり、酸化反応を発生させる陽極２が下側にあり、陰極１と陽極２の間には固体高分子電解質膜３があり、陽極２の固体高分子電解質膜３でない側には、液体燃料であるメタノール水溶液４を保持する燃料保持部５がある。陰極１、固体高分子電解質膜３、陽極２及び燃料保持部５は、フレーム６の中に収納されている。フレーム６の図における上側の面は、陰極１が露出し、下側の底面６Ａは通気性があるエキスパンデッドメタルとしている。陰極１と陽極２の間には、負荷７が接続されている。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a sectional view for explaining the structure of an electrochemical reactor operating as a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. The electrochemical reactor has a cathode 1 for generating a reduction reaction on the upper side in the figure, an anode 2 for generating an oxidation reaction on the lower side, and a solid polymer electrolyte membrane 3 between the cathode 1 and the anode 2. On the non-solid polymer electrolyte membrane 3 side of the anode 2, there is a fuel holding unit 5 that holds a methanol aqueous solution 4 that is a liquid fuel. The cathode 1, the solid polymer electrolyte membrane 3, the anode 2, and the fuel holding unit 5 are housed in a frame 6. The upper surface in the figure of the frame 6 exposes the cathode 1, and the lower bottom surface 6A is an expanded metal having air permeability. A load 7 is connected between the cathode 1 and the anode 2.

陰極１は、固体高分子電解質膜３と接する面に形成した触媒層１Ａと、触媒層１Ａの背後に形成したガス拡散層１Ｂと、ガス拡散層１Ｂの触媒層１Ａでない面に接続した集電体１Ｃと、集電体１Ｃに接続された負荷７の一端が接続される端子１Ｄとから構成される。ガス拡散層１Ｂは、所定の大きさと密度の通気穴を有するカーボンペーパーで形成する。触媒層１Ａは、アセチレンブラックやファーネスブラックなどの高表面積カーボン（１００ｎｍ程度）に白金微粒子（３ｎｍ程度）を担持させたものを結着剤と混ぜてカーボンペーパーに塗り、加熱して結着させ乾燥させて形成する。白金微粒子を高表面積カーボンに担持させる理由は、触媒となる白金微粒子が固まって有効表面積が小さくなることを防止するためである。 The cathode 1 includes a catalyst layer 1A formed on a surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 3, a gas diffusion layer 1B formed behind the catalyst layer 1A, and a current collector connected to a surface of the gas diffusion layer 1B that is not the catalyst layer 1A. A body 1C and a terminal 1D to which one end of a load 7 connected to the current collector 1C is connected. The gas diffusion layer 1B is formed of carbon paper having vent holes of a predetermined size and density. The catalyst layer 1A is obtained by mixing high-surface-area carbon (about 100 nm) such as acetylene black or furnace black with platinum fine particles (about 3 nm) mixed with a binder, coating the carbon paper, heating and binding, and drying. Let it form. The reason why the platinum fine particles are supported on the high surface area carbon is to prevent the platinum fine particles serving as the catalyst from solidifying and reducing the effective surface area.

結着剤としては、例えばデュポン社のナフィオン液を用いる。なお、ナフィオンとは固体高分子電解質膜３の材料であり、ナフィオンを水とアルコールの混合溶液に溶かして液状にしたものがナフィオン液である。陰極１の集電体１Ｃは、チタンに白金メッキを施したものを使用する。集電体１Ｃには、気体が自由に通過できるように通気口１Ｅを設ける。 As the binder, for example, a Nafion solution manufactured by DuPont is used. Nafion is a material of the solid polymer electrolyte membrane 3, and Nafion liquid is obtained by dissolving Nafion in a mixed solution of water and alcohol. As the current collector 1C of the cathode 1, a titanium-plated platinum is used. The current collector 1C is provided with a vent 1E so that gas can freely pass therethrough.

陽極２も、陰極１と同様に、触媒層２Ａ、ガス拡散層２Ｂ、集電体２Ｃ及び端子２Ｄから構成される。陽極２の触媒層２Ａとガス拡散層２Ｂは、白金黒の微粒子（１０ｎｍ程度）や白金とイリジウムの混合微粒子もしくは合金微粒子をナフィオン液と混ぜたものを、加熱して結着させ乾燥させて形成する。集電体２Ｃは、ステンレスに金メッキを施したもの、もしくはチタンに白金メッキを施したものを使用する。集電体２Ｃにも、気体が自由に通過できるように通気口２Ｅを設ける。 Similarly to the cathode 1, the anode 2 includes a catalyst layer 2A, a gas diffusion layer 2B, a current collector 2C, and a terminal 2D. The catalyst layer 2A and the gas diffusion layer 2B of the anode 2 are formed by heating, binding, and drying platinum black fine particles (about 10 nm), platinum / iridium mixed fine particles or alloy fine particles mixed with Nafion liquid. To do. As the current collector 2C, a stainless steel plated with gold or a titanium plated with platinum is used. The current collector 2C is also provided with a vent 2E so that gas can freely pass therethrough.

固体高分子電解質膜３には、ポリテトラフルオロエチレンの骨格を主鎖に持ち、スルフォン酸基を側鎖に持つプロトン交換膜、例えばデュポン社のナフィオン１１７（厚さ１８０μｍ）を用いる。この他、アシプレックス（旭化成）やフレミオン（旭硝子）や、炭化水素系の固体高分子電解質膜を用いることができる。
固体高分子電解質膜３の陰極１側の表面近くにＴｉＯ_２微粒子を分散させた金属酸化物分散層３Ａを設ける。金属酸化物分散層３Ａは水分を保持しやすいので、金属酸化物分散層３Ａを陰極表面１の近くに設けることにより固体高分子電解質膜３内で水分濃度をほぼ均一にし、燃料が水とともに固体高分子電解質膜３を透過することを抑制できる。 For the solid polymer electrolyte membrane 3, a proton exchange membrane having a polytetrafluoroethylene skeleton in the main chain and a sulfonic acid group in the side chain, for example, Nafion 117 (thickness 180 μm) manufactured by DuPont is used. In addition, Aciplex (Asahi Kasei), Flemion (Asahi Glass), and hydrocarbon-based solid polymer electrolyte membranes can be used.
A metal oxide dispersion layer 3A in which TiO ₂ fine particles are dispersed is provided near the surface of the solid polymer electrolyte membrane 3 on the cathode 1 side. Since the metal oxide dispersion layer 3A easily retains moisture, providing the metal oxide dispersion layer 3A near the cathode surface 1 makes the water concentration almost uniform in the solid polymer electrolyte membrane 3, and the fuel is solid with water. Permeation through the polymer electrolyte membrane 3 can be suppressed.

固体高分子電解質膜３の陰極１との界面で触媒層１Ａと接触しない部分には、電子もイオンも通さない絶縁層３Ｂを設ける。固体高分子電解質膜３の陽極２との界面で触媒層２Ａと接触しない部分にも、同様な絶縁層３Ｂを設ける。絶縁層３Ｂは、ポリプロピレンのフィルム（厚さ約５０μｍ）などのガス不通気で電子もイオンも通さない薄膜を用いる。絶縁層３Ｂを設けることにより、陰極１または陽極２での電気化学反応に結びつかない電流を流さないようにでき、電流効率を向上できる。陰極１との界面での絶縁層３Ｂの陰極側には、陰極１で発生した水分の中の蒸発しきれなかった分が陰極１に溜まらないように、可逆性吸湿材３Ｃを備える。なお、水分が陰極１に溜まると、陰極１での電気化学反応を阻害する。 An insulating layer 3B that does not allow electrons or ions to pass through is provided at a portion of the solid polymer electrolyte membrane 3 that does not contact the catalyst layer 1A at the interface with the cathode 1. A similar insulating layer 3B is also provided at the portion of the solid polymer electrolyte membrane 3 that does not contact the catalyst layer 2A at the interface with the anode 2. As the insulating layer 3B, a thin film that does not allow passage of electrons and ions due to gas impermeability, such as a polypropylene film (thickness: about 50 μm), is used. By providing the insulating layer 3B, it is possible to prevent a current that does not lead to an electrochemical reaction at the cathode 1 or the anode 2 from flowing, and to improve current efficiency. A reversible hygroscopic material 3 C is provided on the cathode side of the insulating layer 3 B at the interface with the cathode 1 so that a portion of the moisture generated at the cathode 1 that cannot be evaporated does not accumulate in the cathode 1. Note that when water accumulates on the cathode 1, the electrochemical reaction at the cathode 1 is inhibited.

燃料保持部５には、陽極２を覆って内部に液体燃料を保持する燃料保持網５Ａが設けられている。燃料保持網５Ａは、予め超撥水材を塗布して接触角１５０度以上の超撥水性表面に調整したゴムで網目１００メッシュ以上に編んだ網である。超撥水材としては、例えばＮＴＴアドバンステクノロジ社製の商品名ＨＩＲＥＣ１１１０などを使用する。なお、燃料保持網５Ａとしては、側面を蛇腹状の収縮材で覆い、陽極２と平行な面は超撥水性を有する網目構造としてもよい。液体燃料を保持でき通気性があるものならば、燃料保持部５は網でなくてもよい。
燃料保持網５Ａの内部に液体燃料を注入するための燃料注入管５Ｂが、フレーム６及び燃料保持網５Ａを貫通するように設ける。なお、図示していないが、燃料注入管５Ｂには栓がある。陽極２での反応で生成したガスを排出するガス排出管５Ｃを、フレーム６の側面を貫通させて陽極２のガス拡散層２Ｂまで達するように設ける。 The fuel holding unit 5 is provided with a fuel holding net 5A that covers the anode 2 and holds liquid fuel therein. The fuel retaining net 5A is a net knitted to a mesh of 100 mesh or more with a rubber that is preliminarily coated with a super water repellent material and adjusted to a super water-repellent surface with a contact angle of 150 degrees or more. As the super water-repellent material, for example, trade name HIREC 1110 manufactured by NTT Advanced Technology is used. The fuel holding net 5A may have a network structure in which the side surface is covered with a bellows-like shrinkage material and the surface parallel to the anode 2 has super water repellency. The fuel holding unit 5 may not be a net as long as it can hold liquid fuel and has air permeability.
A fuel injection pipe 5B for injecting liquid fuel into the fuel holding net 5A is provided so as to penetrate the frame 6 and the fuel holding net 5A. Although not shown, the fuel injection pipe 5B has a stopper. A gas discharge pipe 5C for discharging the gas generated by the reaction at the anode 2 is provided so as to penetrate the side surface of the frame 6 and reach the gas diffusion layer 2B of the anode 2.

次に動作を説明する。燃料保持網５Ａの内部に液体燃料であるメタノール水溶液４を充填すると、陽極２では、以下の反応が起こる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２０→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
生成された水素イオンＨ^＋は、固体高分子電解質膜３中を移動する。電子ｅ⁻は端子２Ｄより外部に取り出され、負荷７で消費された後で、端子１Ｄから陰極１に入る。陰極１では、以下の反応が起こる。
(３／２)Ｏ_３＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２０（２）
全体反応は、以下となる。
ＣＨ_３ＯＨ＋(３／２)Ｏ_３→ＣＯ_２＋２Ｈ_２０（３） Next, the operation will be described. When the methanol aqueous solution 4 that is a liquid fuel is filled in the fuel holding network 5A, the following reaction occurs at the anode 2.
CH ₃ OH + H ₂ 0 → CO ₂ + 6H ⁺ + 6e ⁻ (1)
The generated hydrogen ions H ⁺ move through the solid polymer electrolyte membrane 3. The electrons e ⁻ are taken out from the terminal 2D and consumed by the load 7, and then enter the cathode 1 from the terminal 1D. At the cathode 1, the following reaction occurs.
(3/2) O ₃ + 6H ⁺ + 6e ⁻ → 3H ₂ 0 (2)
The overall reaction is:
CH ₃ OH + (3/2) O ₃ → CO ₂ + 2H ₂ 0 (3)

この反応における起電力Ｅ_０は、Ｅ_０＝１．２１３Ｖである。負荷７に取り出せる理論電圧は起電力Ｅ_０であるが、電流を取り出すと電圧は大きく低下し、通常は０．３Ｖ位になる。
燃料であるメタノールＣＨ_３ＯＨは、（１）式の反応で消費される。水分子は（１）式で消費される分に加えて、固体高分子電解質膜３中を移動する水素イオンＨ^＋に水が随伴する分として、水素イオンと水分子の比が１対２または３の割合で、水分子が陽極２で消費される。メタノール及び水が消費され液体燃料が少なくなっても、収縮性を持つ燃料保持網５Ａが収縮して陽極２と液体燃料との接触は保たれる。燃料保持網５Ａは超撥水性を有するので、燃料保持網５Ａとの接触面積が少なくなるように液体燃料は凝縮し、１００メッシュ程度の網であれば液体燃料が漏れることはない。燃料保持網５Ａ中の液体燃料が少なくなれば、発電を止めることなく、燃料注入管５Ｂから液体燃料を補充する。液体燃料が少なくなっても陽極２との接触を保つことができれば、燃料保持部５は収縮性を持たなくてもよい。 The electromotive force E ₀ in this reaction is E ₀ = 1.213V. The theoretical voltage that can be taken out to the load 7 is the electromotive force E ₀ , but when the current is taken out, the voltage is greatly reduced and is usually about 0.3V.
Methanol CH ₃ OH as a fuel is consumed in the reaction of the formula (1). In addition to the amount of water molecules consumed in the formula (1), the ratio of hydrogen ions to water molecules is 1 to 2 as the amount of water accompanying hydrogen ions H ⁺ moving through the solid polymer electrolyte membrane 3 At a rate of 3, water molecules are consumed at the anode 2. Even when the methanol and water are consumed and the liquid fuel is reduced, the shrinkable fuel holding network 5A contracts and the contact between the anode 2 and the liquid fuel is maintained. Since the fuel holding net 5A has super water repellency, the liquid fuel is condensed so that the contact area with the fuel holding net 5A is reduced, and the liquid fuel does not leak if the net is about 100 mesh. When the liquid fuel in the fuel holding network 5A is reduced, the liquid fuel is replenished from the fuel injection pipe 5B without stopping power generation. If the contact with the anode 2 can be maintained even when the amount of liquid fuel is reduced, the fuel holding unit 5 may not have contractility.

このように網という簡素な構造で、液体燃料を保持でき、専用の燃料タンクが不要になり構造が簡単になるという効果がある。
図１に示すように陰極１を上に向けて使用すれば、液体燃料が陽極２の側から漏れる可能性が少なく、陽極２の側から液体燃料が漏れることを防止する部材を省略できる。陽極２の側から液体燃料が漏れることを防止することができれば、電気化学反応器はどの方向に向けて使用してもよい。電気化学反応器を陽極２が上になる向きで使用する場合は、陽極２で発生した気体は、上側に移動して液体燃料及び通気性を有する燃料保持網５Ａを通って外部に出ることができるので、ガス排出管５Ｃは無くてもよい。 In this way, liquid fuel can be held with a simple structure called a net, and there is an effect that a dedicated fuel tank is unnecessary and the structure is simplified.
If the cathode 1 is used with the cathode 1 facing upward as shown in FIG. 1, the liquid fuel is less likely to leak from the anode 2 side, and a member for preventing the liquid fuel from leaking from the anode 2 side can be omitted. The electrochemical reactor may be used in any direction as long as liquid fuel can be prevented from leaking from the anode 2 side. When the electrochemical reactor is used with the anode 2 facing upward, the gas generated at the anode 2 may move upward and exit to the outside through the liquid fuel and the fuel holding network 5A having air permeability. Therefore, the gas discharge pipe 5C may be omitted.

陰極１では、（２）式の反応により水が生成されるが、蒸発するか可逆性吸湿材３Ｃに吸収されるので、生成された水により陰極１表面での電極反応を阻害することがない。
液体燃料としてメタノール水溶液を使用するので、陽極２側には水が豊富にあり、陰極１側では反応を阻害する水を蒸発させたり可逆性吸湿材３Ｃに吸収させたりして、水が少なくなる。固体高分子電解質膜３中の陰極１に近い側に水を保持する金属酸化物分散層３Ａを設けているので、固体高分子電解質膜３中での水分濃度がほぼ一定になり、水及び液体燃料が固体高分子電解質膜３中を移動することを防止できる。 In the cathode 1, water is generated by the reaction of the formula (2), but it evaporates or is absorbed by the reversible hygroscopic material 3C, so that the generated water does not inhibit the electrode reaction on the surface of the cathode 1. .
Since an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel, water is abundant on the anode 2 side, and water that inhibits the reaction is evaporated on the cathode 1 side or absorbed by the reversible moisture absorbent 3C, thereby reducing water. . Since the metal oxide dispersion layer 3A for holding water is provided on the side close to the cathode 1 in the solid polymer electrolyte membrane 3, the water concentration in the solid polymer electrolyte membrane 3 becomes substantially constant, and water and liquid It is possible to prevent the fuel from moving through the solid polymer electrolyte membrane 3.

メタノール水溶液の濃度は、メタノールが蒸発して発電に利用されないまま失われる量が少なく、電気化学反応が十分に発生できる所定の濃度とする。なお、液体燃料としてはメタノールだけでなくエタノールなどのアルコール類やホルムアルデヒドなどのアルデヒド類でもよく、電気化学反応により水素イオンＨ^＋と電子ｅ⁻を発生できるものであれば、何でもよい。
以上のことは、発電素子として動作する電気化学反応器の他の実施の形態でもあてはまる。 The concentration of the aqueous methanol solution is set to a predetermined concentration at which the amount of methanol that is evaporated and lost without being used for power generation is small and an electrochemical reaction can sufficiently occur. The liquid fuel is not limited to methanol but may be alcohols such as ethanol or aldehydes such as formaldehyde, and may be anything as long as it can generate hydrogen ions H ⁺ and electrons e ⁻ by an electrochemical reaction.
The above also applies to other embodiments of the electrochemical reactor operating as a power generation element.

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態１による電気分解反応器として動作する電気化学反応器の構造を説明する断面図である。図１の場合の負荷７を、直流電源８に置換え、燃料保持部５の内部には液体燃料を入れていない。その他の構造は、実施の形態１の場合と同じである。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of an electrochemical reactor that operates as an electrolysis reactor according to Embodiment 1 of the present invention. The load 7 in the case of FIG. 1 is replaced with a DC power source 8, and liquid fuel is not put in the fuel holding unit 5. Other structures are the same as those in the first embodiment.

この電気化学反応器は、陽極２が接する空間Ａの気相の水（水蒸気）を吸収して、陰極１が接する空間Ｂで放出する。以下で、その動作を説明する。
陽極２では、以下の反応が起こる。
２Ｈ_２０→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （４）
陰極１では、以下の反応が起こる。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２０（５）
全体反応は、以下となる。
２Ｈ_２０（陽極２側）→２Ｈ_２０（陰極１側）（６） This electrochemical reactor absorbs gas-phase water (water vapor) in the space A where the anode 2 is in contact and releases it in the space B where the cathode 1 is in contact. The operation will be described below.
At the anode 2, the following reaction occurs.
2H ₂ 0 → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ (4)
At the cathode 1, the following reaction occurs.
O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ 0 (5)
The overall reaction is:
2H ₂ 0 (anode 2 side) → 2H ₂ 0 (cathode 1 side) (6)

以上の反応により、陽極２が接する空間Ａの水を陰極１が接する空間Ｂに移動することが分かる。湿度を下げたい空間を陽極２が接する空間Ａとすると、空間Ａに対してはこの電気化学反応器は除湿器として動作する。また、湿度を上げたい空間を陰極１が接する空間Ｂとすると、空間Ｂに対してはこの電気化学反応器は加湿器として動作する。
上記の反応の理論分解電圧は０Ｖであるが、必要な湿度制御反応が得られるように電流を大きくするためには、直流電源８の電圧を大きくする必要があり、印加電圧は２．５Ｖ〜３Ｖの間に設定する場合が多い。 From the above reaction, it can be seen that the water in the space A in contact with the anode 2 moves to the space B in contact with the cathode 1. Assuming that the space in which the humidity is to be lowered is the space A where the anode 2 is in contact, the electrochemical reactor operates as a dehumidifier for the space A. In addition, if the space in which the humidity is to be increased is the space B where the cathode 1 is in contact, the electrochemical reactor operates as a humidifier for the space B.
Although the theoretical decomposition voltage of the above reaction is 0V, in order to increase the current so that a necessary humidity control reaction can be obtained, it is necessary to increase the voltage of the DC power supply 8, and the applied voltage is 2.5V to It is often set between 3V.

このように電気化学反応器の燃料保持部５から液体燃料を除くだけで電気分解反応器として動作させることができる。
この実施の形態では、湿度制御反応を例に述べたが、陽極にオゾン酸化触媒（ＰｂＯ_２など）を添着することにより、オゾン発生器として動作させることもできる。また、陰極に窒素酸化物還元触媒（酸性、アルカリ性の何れの特性も有するアルミや亜鉛などの金属酸化物）を添着すれば、窒素酸化物除去装置として動作する。
陽極及び陰極に添着する触媒の種類を適切に選択すれば、触媒の種類に応じた上記以外の酸化反応及び還元反応を発生させることが可能であり、上記以外の目的で使用する電気化学反応器が得られる。
以上のことは、電気分解反応器として動作する電気化学反応器の他の実施の形態でもあてはまる。 Thus, it is possible to operate as an electrolysis reactor simply by removing the liquid fuel from the fuel holder 5 of the electrochemical reactor.
In this embodiment, the humidity control reaction has been described as an example. However, an ozone oxidation catalyst (PbO ₂ or the like) can be attached to the anode to operate as an ozone generator. Further, if a nitrogen oxide reduction catalyst (a metal oxide such as aluminum or zinc having both acidic and alkaline characteristics) is attached to the cathode, it operates as a nitrogen oxide removing device.
If the type of the catalyst to be attached to the anode and the cathode is appropriately selected, it is possible to generate an oxidation reaction and a reduction reaction other than the above according to the type of the catalyst, and an electrochemical reactor used for purposes other than the above. Is obtained.
The above also applies to other embodiments of electrochemical reactors operating as electrolysis reactors.

実施の形態３．
図３は、外部からの電気エネルギの供給が不要となるように、この発明の実施の形態１と実施の形態２を組合せた電気化学反応器の構造を説明する断面図である。図３の下側は、燃料保持部５に液体燃料を充電して発電素子として動作する実施の形態１と同様な電気化学反応器である。図３の上側は、燃料保持部５から液体燃料を除いた電気分解素子として動作する実施の形態２と同様な電気化学反応器である。２個の電気化学反応器のフレーム６を連結機構９により連結する。２個の電気化学反応器の端子１Ｄと端子２Ｄは、２個の電気化学反応器を連結する空間内で制御部１０に接続される。制御部１０は下側の電気化学反応器で発電した電気を上側の電気化学反応器に供給するものである。なお、図３では発電素子として動作する電気化学反応器を１個だけ示しているが、複数個備えるようにしてもよい。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the structure of an electrochemical reactor in which Embodiment 1 and Embodiment 2 of the present invention are combined so that the supply of electric energy from the outside is not necessary. The lower side of FIG. 3 is an electrochemical reactor similar to that of the first embodiment that operates as a power generation element by charging the fuel holding unit 5 with liquid fuel. The upper side of FIG. 3 is an electrochemical reactor similar to that of the second embodiment that operates as an electrolysis element obtained by removing liquid fuel from the fuel holding unit 5. The frames 6 of the two electrochemical reactors are connected by a connecting mechanism 9. The terminals 1D and 2D of the two electrochemical reactors are connected to the control unit 10 in a space connecting the two electrochemical reactors. The control unit 10 supplies electricity generated by the lower electrochemical reactor to the upper electrochemical reactor. Although only one electrochemical reactor operating as a power generation element is shown in FIG. 3, a plurality of electrochemical reactors may be provided.

発電素子として動作する電気化学反応器では、実施の形態１の場合と同様な（１）〜（３）式で表現される電気化学反応が発生する。電気分解素子として動作する電気化学反応器では、実施の形態２の場合と同様な（４）〜（６）式で表現される電気化学反応が発生する。電流を取り出した場合に発電素子で発生できる電圧は０．３Ｖ程度なので、電気分解素子が必要とする電圧が得られるように、発電素子として動作する複数の電気化学反応器を直列に接続する。
この実施の形態３でも、実施の形態２の場合と同様に、電気分解素子として動作する電気化学反応器では、陽極２が接する空間Ａの水を陰極１が接する空間Ｂに移動することが分かる。この実施の形態３では、外部から電気エネルギを供給することが不要なので、コードレスであり、電源が用意できにくい場所でも容易に電気化学反応器を備えることができるという効果が有る。 In an electrochemical reactor operating as a power generation element, an electrochemical reaction expressed by the equations (1) to (3) similar to that in the first embodiment occurs. In an electrochemical reactor that operates as an electrolysis element, an electrochemical reaction expressed by the equations (4) to (6) similar to that in the second embodiment occurs. Since the voltage that can be generated by the power generation element when the current is taken out is about 0.3 V, a plurality of electrochemical reactors operating as the power generation element are connected in series so that the voltage required by the electrolysis element can be obtained.
Also in this third embodiment, as in the second embodiment, in the electrochemical reactor operating as an electrolysis element, it can be seen that the water in the space A in contact with the anode 2 moves to the space B in contact with the cathode 1. . In this Embodiment 3, since it is not necessary to supply electric energy from the outside, there is an effect that it is cordless and an electrochemical reactor can be easily provided even in a place where it is difficult to prepare a power source.

この発明の実施の形態１による発電素子として動作する電気化学反応器の構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the electrochemical reactor which operate | moves as a power generating element by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態２による電気分解素子として動作する電気化学反応器の構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the electrochemical reactor which operate | moves as an electrolysis element by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３による発電素子として動作する電気化学反応器により電気エネルギを供給されて電気分解素子として動作する電気化学反応器の構造を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of the electrochemical reactor which is supplied with electrical energy by the electrochemical reactor which operate | moves as a power generating element by Embodiment 3 of this invention, and operate | moves as an electrolysis element.

Explanation of symbols

１：陰極
１Ａ：触媒層
１Ｂ：ガス拡散層
１Ｃ：集電体
１Ｄ：端子
１Ｅ：通気口
２：陽極
２Ａ：触媒層
２Ｂ：ガス拡散層
２Ｃ：集電体
２Ｄ：端子
２Ｅ：通気口
３：固体高分子電解質膜
３Ａ：金属酸化物分散層
３Ｂ：絶縁層
３Ｃ：可逆性吸湿材
４：メタノール水溶液（液体燃料）
５：燃料保持部
５Ａ：燃料保持網
５Ｂ：燃料注入管
５Ｃ：ガス排出管
６：フレーム
６Ａ：底面
７：負荷
８：直流電源
９：連結機構
１０：制御部
Ａ：陽極が接する空間
Ｂ：陰極が接する空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Cathode 1A: Catalyst layer 1B: Gas diffusion layer 1C: Current collector 1D: Terminal 1E: Vent 2: Anode 2A: Catalyst layer 2B: Gas diffusion layer 2C: Current collector 2D: Terminal 2E: Vent 3 Solid polymer electrolyte membrane 3A: Metal oxide dispersion layer 3B: Insulating layer 3C: Reversible hygroscopic material 4: Methanol aqueous solution (liquid fuel)
5: Fuel holding part 5A: Fuel holding network 5B: Fuel injection pipe 5C: Gas discharge pipe 6: Frame 6A: Bottom face 7: Load 8: DC power supply 9: Connecting mechanism 10: Control part A: Space where anode is in contact B: Cathode The space that touches

Claims

An anode that generates an oxidation reaction, a cathode that generates a reduction reaction, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and a liquid fuel that can be held on the non-solid polymer electrolyte membrane side of the anode and allows ventilation Electrochemical reactor provided with a fuel holding part having properties.

The electrochemical reactor according to claim 1, wherein the liquid fuel is an alcohol or an aldehyde.

The electrochemical reactor according to claim 2, wherein the liquid fuel is methanol.

The electrochemical reactor according to claim 1, wherein the fuel holding part is a fuel holding net having super water repellency.

The electrochemical reactor according to claim 1, wherein the fuel holding portion has elasticity.

2. The electrochemical reactor according to claim 1, further comprising a metal oxide dispersion layer in the vicinity of the cathode in the solid polymer electrolyte membrane.

2. The electrochemical reactor according to claim 1, further comprising a DC power source connected between the anode and the cathode, and operating as an electrolysis reactor without holding liquid fuel in the fuel holding unit. .

The electrochemical reactor according to claim 1, wherein the electrochemical reactor operates as a power generation element in a state where liquid fuel is held in the fuel holding portion.

8. The electrochemical reactor according to claim 7, wherein the electrochemical reactor according to claim 8 is used as the DC power source.