JP2014036944A - Oxygen reduction device, method for operating the same, and refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、酸素濃度を低くするための減酸素装置、及びこの装置の運転方法、並びに減酸素装置を備える冷蔵庫に関する。 Embodiments described herein relate generally to an oxygen reduction device for reducing the oxygen concentration, an operation method of the device, and a refrigerator including the oxygen reduction device.
食品等の保存性を高めるために、保存空間(減酸素空間)の酸素濃度を下げることを、電解質膜を用いた電気化学的反応によって行う減酸素装置が提案されている。 In order to improve the storage stability of foods and the like, an oxygen reduction device has been proposed in which the oxygen concentration in the storage space (deoxygenation space) is reduced by an electrochemical reaction using an electrolyte membrane.
この装置は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜をアノードとカソードで挟んだ減酸素セルを備える。このセルはカソードを食品等の保存空間に面して配設される。減酸素装置は、アノードへの給水を可能とした状態で、このアノードとカソード間に電圧を印加して運転される。それにより、アノードにおいて水が電気分解されるとともに、カソードにおいて水の生成反応が行われるので、水の生成反応に伴って保存空間の酸素を減らすことができる。 This apparatus includes a hypoxic cell in which a polymer electrolyte membrane having proton conductivity is sandwiched between an anode and a cathode. This cell is arranged with the cathode facing a storage space for food or the like. The oxygen reduction device is operated by applying a voltage between the anode and the cathode in a state where water can be supplied to the anode. Accordingly, water is electrolyzed at the anode and a water generation reaction is performed at the cathode, so that oxygen in the storage space can be reduced along with the water generation reaction.
減酸素セルのカソードで起こる酸素の減少は、酸素の還元反応の結果、水が生成されることで行なわれる(以下、本明細書では「減酸素反応」と称す)。この反応は、カソードが有するカソード触媒層において進行する。カソード触媒層は、白金などの触媒、及びこの触媒を担持する担体等を含んでいる。カソード触媒層の劣化はその触媒の溶出によって起こる。カソード触媒層の劣化が進行すると、カソードに掛かる電圧が過大となり、減酸素セルの性能低下が引き起こされて、減酸素装置の耐久性が低下する。 The reduction of oxygen occurring at the cathode of the oxygen reduction cell is performed by generating water as a result of the oxygen reduction reaction (hereinafter referred to as “deoxygenation reaction” in this specification). This reaction proceeds in the cathode catalyst layer of the cathode. The cathode catalyst layer includes a catalyst such as platinum and a carrier supporting the catalyst. The deterioration of the cathode catalyst layer is caused by the elution of the catalyst. As the deterioration of the cathode catalyst layer progresses, the voltage applied to the cathode becomes excessive, causing a reduction in the performance of the oxygen reduction cell and reducing the durability of the oxygen reduction device.
カソード触媒層の劣化を抑制して減酸素装置の耐久性を長期にわたり確保することは、この装置の実用化を促進する上で重要である。 In order to promote the practical use of this apparatus, it is important to suppress the deterioration of the cathode catalyst layer and ensure the durability of the oxygen reduction apparatus over a long period of time.
一方、触媒の劣化を抑制可能な触媒の製造方法が提案されている。この製造方法では、まず、カーボンブラックに担持した白金合金からなる触媒を熱処理する。この後、触媒を一酸化炭素と接触させる。最後に、不活性ガス雰囲気下で触媒を再度熱処理する。この製造方法によれば、白金―白金原子間距離が小さく安定化されるので、活性及び耐久性に優れた触媒を製造可能である。 On the other hand, a method for producing a catalyst capable of suppressing deterioration of the catalyst has been proposed. In this manufacturing method, first, a catalyst made of a platinum alloy supported on carbon black is heat-treated. After this, the catalyst is contacted with carbon monoxide. Finally, the catalyst is heat treated again under an inert gas atmosphere. According to this production method, the distance between the platinum and platinum atoms is stabilized to be small, and therefore a catalyst excellent in activity and durability can be produced.
しかし、この技術によっても、減酸素セルに流れる電流の変化に伴う減酸素セルの電圧の変化により、カソード触媒層に含まれる白金等の触媒が溶出することを防止できない。 However, even this technique cannot prevent the catalyst such as platinum contained in the cathode catalyst layer from eluting due to a change in the voltage of the oxygen reduction cell accompanying a change in the current flowing through the oxygen reduction cell.
減酸素装置の運転中は、その減酸素セルに流れる電流の変化に応じ、減酸素セルに掛かる電圧(セル電圧)が、周期的、または非周期的に変化する。この現象は、減酸素セルの電圧の変化を伴うから、カソード触媒層に含まれる触媒の酸化、還元反応が頻繁に繰り返される。 During operation of the oxygen reduction device, the voltage (cell voltage) applied to the oxygen reduction cell changes periodically or aperiodically in accordance with the change in the current flowing through the oxygen reduction cell. Since this phenomenon involves a change in the voltage of the oxygen reduction cell, the oxidation and reduction reactions of the catalyst contained in the cathode catalyst layer are frequently repeated.
白金等を用いた触媒は、セル電圧が高電位であっても一定の電位に保持されていれば、触媒表面は安定しており、触媒の溶出はわずかである。ところが、触媒の酸化、還元を伴うような時は、減酸素セルに掛かる電圧の変化に伴い、触媒の電位も大きく変化する。これにより、触媒の溶出は著しくなり、触媒が劣化する。この劣化が進行すると、カソードに印加される電圧の上昇が過度に引き起こされて、減酸素セルの性能が低下する。それにより、耐久性低下の原因となるとともに、減酸素セルに印加される電圧が更に上昇する。 If the catalyst using platinum or the like is maintained at a constant potential even if the cell voltage is high, the catalyst surface is stable and the catalyst is not eluted. However, when the catalyst is oxidized or reduced, the potential of the catalyst changes greatly as the voltage applied to the oxygen reduction cell changes. Thereby, the elution of the catalyst becomes remarkable and the catalyst deteriorates. As this deterioration progresses, the voltage applied to the cathode is excessively increased, and the performance of the oxygen reduction cell is lowered. This causes a decrease in durability and further increases the voltage applied to the oxygen reduction cell.
実施形態は、減酸素セルが有するカソードのカソード触媒層の劣化を抑制することが可能な減酸素装置、及びこの装置の運転方法、並びに冷蔵庫を提供することにある。 An embodiment is to provide an oxygen reduction device capable of suppressing deterioration of a cathode catalyst layer of a cathode of an oxygen reduction cell, a method of operating the device, and a refrigerator.
前記課題を解決するために、実施形態の減酸素装置は、減酸素セル、電源、及びコントローラを具備する。減酸素セルは、カソード触媒層を有するカソード、アノード、及びこれらカソードとアノードで挟まれた電解質膜を備える。電解質膜はプロトン伝導性を有する。電源は、第1電圧V1と、この電圧V1よりも高い第2電圧V2及び第3電圧V3のうちの少なくとも一方の電圧とを生成する。コントローラは、カソードでの減酸素反応を生成するためにカソードとアノード間に第1電圧V1を印加するとともに、この印加前又は印加後のうちの少なくとも一方において第1電圧V1よりも高い電圧を印加させることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, an oxygen reduction apparatus according to an embodiment includes an oxygen reduction cell, a power source, and a controller. The oxygen reduction cell includes a cathode having a cathode catalyst layer, an anode, and an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode. The electrolyte membrane has proton conductivity. The power supply generates a first voltage V1 and at least one of a second voltage V2 and a third voltage V3 that are higher than the voltage V1. The controller applies a first voltage V1 between the cathode and the anode to generate a hypoxic reaction at the cathode, and applies a voltage higher than the first voltage V1 before or after the application. It is characterized by letting.
以下、第1の実施の形態に係る減酸素装置21及びその運転方法とこの減酸素装置21を備えた保管庫例えば冷蔵庫1について、図1から図3を参照して詳細に説明する。
Hereinafter, the
まず、図1を参照して冷蔵庫1を説明する。冷蔵庫1は断熱箱からなる冷蔵庫本体2を備えている。冷蔵庫本体2はその図示しない上部に冷蔵室を有し、冷蔵庫本体2の下部に減酸素室3を有している。
First, the
減酸素室3は、その内部に収容される野菜等の保存対象物品を、低温かつ低酸素環境で長期保存するために設けられている。減酸素室3は、冷蔵庫本体2の壁の一部をなして外面が断熱材で覆われた減酸素箱4によって区画されていて、冷蔵室等には連通されていない。減酸素箱4は冷蔵庫本体2の前面に開口されている。この開口は開閉部材5によって開閉される。
The oxygen-reducing
減酸素箱4の外面に図示しない冷媒配管が設けられている。このため、冷媒配管を流通する冷媒によって減酸素箱4が食品の冷蔵に適した温度に冷やされる。それにより、減酸素箱4の内部空間からなる減酸素室3に収容された食品等を冷蔵することが可能である。
A refrigerant pipe (not shown) is provided on the outer surface of the
開閉部材5は、内部に断熱材が充填された構成であって、例えば上面が開放された収容容器6の前壁を兼ねている。収容容器6は減酸素室3に対して前後方向に移動可能である。収容容器6が前側に引出された状態で、その開放された上面を通して野菜等を出し入れすることができる。
The opening /
収容容器6を円滑に移動させるために、レール7と、固定ローラ8と、可動ローラ9が用いられている。レール7は、減酸素室3内にこの減酸素室3の幅方向の左右二箇所に配置されていて、前後方向に延びている。収容容器6に下側から接する固定ローラ8は各レール7の前端部に固定されている。可動ローラ9は収容容器6の後端部下面に固定されていて、レール7上を転動可能である。
In order to move the
したがって、収容容器6は、その下側から固定ローラ8と可動ローラ9で支持された状態で、これらローラの回転を伴って前後方向に移動できる。
Therefore, the
開閉部材5の周部に環状のシールパッキン10が取付けられている。開閉部材5が減酸素箱4の前面開口を閉じた状態で、シールパッキン10は冷蔵庫本体2の前面に密接されて、減酸素室3を密閉状態に保持する。なお、開閉部材5は、冷蔵庫本体2の前面にヒンジにより回動可能に取付けられた断熱扉とすることも可能である。このため、収容容器6は枢着してもよい。
An annular seal packing 10 is attached to the periphery of the opening / closing
上下二段に区分けされた冷凍室13が、冷蔵庫本体2の最下部に減酸素室3から独立して形成されている。冷凍室13の前面開口は断熱性の開閉扉14で開閉される。冷蔵庫本体2の背面側でかつ下端部に機械室15が形成されている。この機械室15に圧縮機16が設置されている。冷蔵庫本体2内に、圧縮機16によって冷媒が供給される冷却器17とファン18が配設されているとともに、これらを前側から覆うカバー19が配設されている。冷却器17とファン18によって生成される冷気は冷凍室13に循環される。
A
冷却器17から流出された冷媒は、減酸素箱4の外面に取付けられた図示しない前記冷媒配管を経由して、圧縮機16に吸込まれる。
The refrigerant flowing out of the cooler 17 is sucked into the
次に、図2を参照して減酸素装置21を説明する。減酸素装置21は、減酸素セル22と、電源23と、電流測定手段例えば電流計24と、コントローラ25を備えている。減酸素セル22は一個に限らず複数個設けることも可能である。
Next, the
減酸素セル22は、アノード31と、カソード33と、電解質膜37を備えている。
The
アノード31はこれに供給される電解用水を電気分解する。電解用水とは水に限らず酸性水溶液等を含む。
The
カソード33は、カソード触媒層34と、導電性の多孔質層(MPL:micro porous layer)35と、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion layer)36とを接合して形成されている。
The
カソード触媒層34は、シート状に形成されていて、多孔質層35に接合されている。ガス拡散層36は通気性ないしは通液性を有する導電性の材料からシート状に形成されている。ガス拡散層36は、導電性の多孔質層35に接合されて、この多孔質層35をカソード触媒層34との間に挟んでいる。
The
電解質膜37には高分子電解質膜を好適に用いることができる。この電解質膜37の一側面にアノード31が接合されている。電解質膜37の他側面にカソード触媒層34を接触させてカソード33が接合されている。したがって、電解質膜37はアノード31とカソード33とで挟まれている。
A polymer electrolyte membrane can be suitably used for the electrolyte membrane 37. An
アノード31の外側面、つまり、電解質膜37に接していない側面に、アノード集電体38が密接されている。同様に、カソード33の外側面、つまり、多孔質層35に接していないガス拡散層36の側面に、カソード集電体39が密接されている。アノード集電体38とカソード集電体39は電源23に電気的に接続されている。
An anode current collector 38 is in intimate contact with the outer surface of the
前記構成の減酸素セル22は、電気絶縁材製の第1締め付け部材41と第2締め付け部材45とで挟持されている。第1締め付け部材41と第2締め付け部材45は連結されている。これら第1締め付け部材41と第2締め付け部材45は、減酸素セル22を、それらの積層方向に沿って締め付けている。それにより、各接合面での密接性が確保されている。
The
第1締め付け部材41とアノード31との間にアノード室42が形成されている。第2締め付け部材45とカソード33との間にカソード室46が形成されている。
An
第1締め付け部材41は、アノード室42と連通する水取入れ口43及び酸素出口44を有している。水取入れ口43は、第1締め付け部材41の下端部に設けられていて、アノード室42に水等の電解用水を導入する。酸素出口44は第1締め付け部材41の上端部に設けられていて、アノード31での電気分解反応により発生する酸素をアノード室42から外部に導出する。
The
第2締め付け部材45は、カソード室46と連通する空気取入れ口47及び排水口48を有している。空気取入れ口47は、第2締め付け部材45のカソード33と対向した側壁部に複数設けられていて、減酸素反応に利用される空気(酸素)をカソード室46に導入する。排水口48は第2締め付け部材45の下端部に設けられていて、減酸素反応で生成された水をカソード室46から外部に導出する。
The
次に、減酸素セル22をなす各部材を更に詳細に説明する。
Next, each member constituting the
アノード31には水を電気分解する能力を有した触媒(アノード触媒)が含有されている。アノード触媒としては、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化イリジウム(IrO2)等の電気伝導性貴金属酸化物と酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、等のマトリックス酸化物との複合酸化物がある。しかし、これらに限定されるものではなく、アノード触媒は、その活性、耐久性、コスト等を勘案して選択すればよい。他のアノード触媒として、RuO2-TiO2、RuO2-IrO2、RuO2-IrO2-TiO2、RuO2-SnO2、RuO2-Ta2O5、IrO2-Ta2O5等を挙げることができる。
The
アノード触媒を担持する基材は、電気伝導性、電気化学的な安定性、アノード触媒との密着性などを考慮して選択される。例えば、基材としては、電解工業の分野で利用実績のあるチタンなどのエキスパンドメタル、パンチングメタル等を用いることができる。このような基材を有するアノードはチタン表面が複合酸化物薄膜で被覆されておリ、こうした構成の電極(アノード)は寸法安定性(DSA:Dimensionally Stable Anode)電極と呼ばれている。 The base material supporting the anode catalyst is selected in consideration of electrical conductivity, electrochemical stability, adhesion to the anode catalyst, and the like. For example, as the base material, an expanded metal such as titanium or a punching metal having a track record of use in the field of the electrolytic industry can be used. An anode having such a substrate has a titanium surface coated with a complex oxide thin film, and an electrode (anode) having such a structure is called a dimensionally stable (DSA) electrode.
アノード31は、塗布法、浸漬法、スプレー法などの公知の手法で製造される。具体的な製造の一例を以下説明する。この製造例は、浸漬工程、乾燥工程、及び焼成工程を有し、これらの各工程を複数回、繰り返して、アノード31を製造する。
The
浸漬工程では、表面を粗面化、活性化させるため80度の10%シュウ酸水溶液に、基材であるチタンのエキスパンドメタル(厚さ500μ、開孔率30%)を1時間浸漬する。この後、基材を洗浄し、この基材を、塩化イリジウムと塩化タンタル(Ir : Ta = 0.3 : 0.7 mol ratio)のブタノール溶液に浸漬する。次の乾燥工程では、浸漬工程を得た基材を、空気中において60℃で10分間、乾燥する。最後の焼成工程では、乾燥工程を得た基材を、空気中において450℃で10分間、焼成する。これらの各工程を複数回、繰り返す。これにより、チタンメッシュ表面に酸化イリジウム−酸化タンタルの複合酸化物が0.01mg/cm2となるようにアノード31を製造した。なお、触媒担持量はチタンメッシュの重量変化から求めた。
In the dipping process, titanium base metal (thickness: 500 μm, porosity: 30%) is immersed for 1 hour in an 80% 10% oxalic acid aqueous solution to roughen and activate the surface. Thereafter, the substrate is washed, and the substrate is immersed in a butanol solution of iridium chloride and tantalum chloride (Ir: Ta = 0.3: 0.7 mol ratio). In the next drying step, the substrate obtained through the dipping step is dried in air at 60 ° C. for 10 minutes. In the final firing step, the substrate obtained through the drying step is fired in air at 450 ° C. for 10 minutes. Each of these steps is repeated multiple times. Thereby, the
カソード33は、既述のようにカソード触媒層34と、導電性多孔質層(MPL:micro porous layer)35と、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion layer)36より構成される。
As described above, the
カソード触媒層34には、酸素を還元する能力を有した貴金属触媒が含有されていればよい。貴金属触媒としては、特に制限されないが、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)よりなる群から選択される少なくとも一種の貴金属からなるものが好ましい。
The
更に、触媒の耐溶解性、活性等を向上させるために、触媒成分として貴金属合金粒子を用いても良い。貴金属合金粒子としては、特に制限されないが、二種以上の貴金属元素からなる合金、貴金属元素とその他の金属元素とを含む合金などが挙げることができる。 Furthermore, in order to improve the dissolution resistance, activity, etc. of the catalyst, noble metal alloy particles may be used as the catalyst component. The noble metal alloy particles are not particularly limited, and examples thereof include alloys composed of two or more kinds of noble metal elements, alloys containing noble metal elements and other metal elements, and the like.
貴金属合金粒子は、高い触媒活性が得られることから、Ptを基体とした貴金属合金触媒が好ましい。 Since the noble metal alloy particles have high catalytic activity, a noble metal alloy catalyst based on Pt is preferable.
貴金属合金触媒として、具体的には、Ru、Rh、Pd、IrなどのPt以外の貴金属、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれる一種以上の金属元素と、Ptとの合金が好ましい。 Specific examples of noble metal alloy catalysts include noble metals other than Pt such as Ru, Rh, Pd, and Ir, titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt. An alloy of one or more metal elements selected from the group consisting of (Co) and nickel (Ni) and Pt is preferable.
貴金属合金粒子の合金組成は、合金化する金属元素の種類にもよるが、Ptを30〜95原子%、合金化する金属元素を5〜70原子%とするのが良い。 Although the alloy composition of the noble metal alloy particles depends on the type of metal element to be alloyed, Pt is preferably 30 to 95 atomic%, and the metal element to be alloyed is preferably 5 to 70 atomic%.
なお、ここで、合金とは、複数の金属元素あるいは金属元素と非金属元素から成る金属的性質を有しているものの総称である。合金には、完全に溶け込んでいる固溶体、結晶レベルでは成分の金属元素がそれぞれ独立している共晶、原子のレベルにおいて一定割合で結合した金属間化合物等があるが、いずれかに限定されるものではない。 Here, the alloy is a generic name for a plurality of metal elements or those having metallic properties composed of metal elements and non-metal elements. Alloys include solid solutions that are completely dissolved, eutectics in which the metal elements of the components are independent at the crystal level, and intermetallic compounds that are bonded at a certain ratio at the atomic level, but are limited to any of these. It is not a thing.
貴金属粒子または貴金属合金粒子のうちの少なくとも一方を担持する導電性担体としては、電気伝導性、ガス拡散性、触媒との密着性などを考慮して選択すればよい。例えば、カーボンブラック、活性炭、黒鉛を、導電性担体として用いることができる。カーボンブラックには、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、およびアセチレンブラック、バルカン(キャボット社登録商標)、ケッチェンブラック等がある。更に、導電性担体として、例えば、ファイバー状、チューブ状、コイル状等のナノカーボン材料を使用しても良い。 The conductive carrier supporting at least one of the noble metal particles or the noble metal alloy particles may be selected in consideration of electrical conductivity, gas diffusibility, adhesion with a catalyst, and the like. For example, carbon black, activated carbon, and graphite can be used as the conductive carrier. Examples of carbon black include furnace black, channel black, acetylene black, Vulcan (registered trademark of Cabot Corporation), and ketjen black. Furthermore, for example, a nanocarbon material such as a fiber shape, a tube shape, or a coil shape may be used as the conductive carrier.
前記導電性担体の比表面積は、触媒を高分散担持させるのに十分であればよく、例えば、50m2/g〜1400m2/gである。比表面積があまり小さいと、つまり、50m2/g未満であると、導電性担体への触媒成分の分散性が低下して十分な性能が得られないおそれがある。逆に、比表面積があまり大きいと、つまり、1400m2/gを超えると、触媒成分の有効利用率が低下するおそれがある。そのため前記範囲とした。好ましい比表面積は80m2/g〜1200m2/gであり、さらに好ましくは100m2/g〜1000m2/gである。
The specific surface area of the conductive support may be a sufficient catalyst to cause a highly dispersed supported, for example, a 50m 2 / g~
導電性担体に貴金属粒子または貴金属合金粒子のうちの少なくとも一方を担持させたカソード触媒において、触媒成分として貴金属粒子および貴金属合金粒子の双方を用いる場合、貴金属粒子および貴金属合金粒子は、同じ導電性材料に担持されても良く、異なる導電性材料にそれぞれを担持させても良い。 In a cathode catalyst in which at least one of noble metal particles or noble metal alloy particles is supported on a conductive support, when both noble metal particles and noble metal alloy particles are used as a catalyst component, the noble metal particles and the noble metal alloy particles are the same conductive material. It may be carried on a different conductive material.
触媒組成物の導電性材料に貴金属粒子または貴金属合金粒子のうちの少なくとも一方を担持させたカソード触媒において、貴金属粒子または貴金属合金粒子などの金属成分の担持量は、酸素還元触媒の全量に対して、10質量%〜90質量%であることが好ましい。これは金属成分の担持量があまり少ないと、つまり、10質量%未満であると、単位質量あたりの触媒活性が低下して所望の性能を得るために多量の触媒が必要となり、また触媒層における反応物質の拡散性が低下するため好ましくない。逆に、金属成分の担持量があまり多いと、つまり、90質量%を超えると、触媒成分の導電性材料上での分散度が下がり、担持量が増加する割に性能の向上が小さく経済上での利点が低下する虞がある。したがって、前記担持量は前記範囲とした。好ましい担持量は20質量%〜80質量%であり、より好ましくは30質量%〜70質量%である。 In the cathode catalyst in which at least one of noble metal particles or noble metal alloy particles is supported on the conductive material of the catalyst composition, the supported amount of metal components such as noble metal particles or noble metal alloy particles is based on the total amount of the oxygen reduction catalyst. It is preferable that it is 10 mass%-90 mass%. If the supported amount of the metal component is too small, that is, if it is less than 10% by mass, the catalyst activity per unit mass is reduced and a large amount of catalyst is required to obtain the desired performance. This is not preferable because the diffusibility of the reactant decreases. On the other hand, if the amount of the metal component supported is too large, that is, if it exceeds 90% by mass, the degree of dispersion of the catalyst component on the conductive material will decrease, and the performance will be small and economical for the amount supported. There is a possibility that the advantage in the case is reduced. Therefore, the carrying amount is in the above range. A preferable loading is 20% by mass to 80% by mass, and more preferably 30% by mass to 70% by mass.
カソード触媒は、含浸法、沈殿法、コロイド法などの溶液法を利用して製造することが可能である。触媒粒子がナノ微粒子であると、最も高い活性が得られる。触媒粒子の平均粒径は10nm以下であることが望ましい。これは、触媒粒子の平均粒径が10nmを超えると、触媒の活性効率が著しく低下する虞があるからである。更に好ましい触媒粒子の平均粒径の範囲は、0.5nm〜10nmである。0.5nm未満にすると、触媒合成プロセスの制御が困難で、触媒製造コストが高くなるからである。なお、触媒粒子には、平均粒径が10nm以下の微粒子を単独で使用しても良いが、この微粒子からなる一次粒子の凝集体(二次粒子)を使用しても良い。 The cathode catalyst can be produced using a solution method such as an impregnation method, a precipitation method, or a colloid method. When the catalyst particles are nano-particles, the highest activity can be obtained. The average particle size of the catalyst particles is desirably 10 nm or less. This is because if the average particle diameter of the catalyst particles exceeds 10 nm, the activity efficiency of the catalyst may be significantly reduced. A more preferable range of the average particle diameter of the catalyst particles is 0.5 nm to 10 nm. This is because if the thickness is less than 0.5 nm, it is difficult to control the catalyst synthesis process and the catalyst production cost increases. As the catalyst particles, fine particles having an average particle diameter of 10 nm or less may be used alone, but aggregates (secondary particles) of primary particles made of the fine particles may be used.
なお、カソード触媒の結晶構造は、X線回折分析(XRD)における回折ピークを帰属することで確認できる。例えば、X線回折分析(XRD)装置にRigaku製、RINT1200を使用できる。 The crystal structure of the cathode catalyst can be confirmed by assigning a diffraction peak in X-ray diffraction analysis (XRD). For example, RINT1200 manufactured by Rigaku can be used for an X-ray diffraction analysis (XRD) apparatus.
試料は、合成された触媒や電池のカソードに使用されている触媒層の一部を削り出した粉末試料でも評価が可能である。 The sample can also be evaluated by a powder sample obtained by cutting out a part of a catalyst layer used for a synthesized catalyst or a cathode of a battery.
分析試料はメノウ乳鉢で粉砕し、45μmのフルイを通過した粉末を用いた。測定は、ガラス製の試料板(試料部の大きさ;縦20mm×横20mm×深さ0.2mm)にガラス板を用いて分析試料が試料板表面と平滑になるように充填した。 The analysis sample was pulverized in an agate mortar and used a powder that passed through a 45 μm sieve. In the measurement, a glass sample plate (size of sample portion: length 20 mm × width 20 mm × depth 0.2 mm) was filled with a glass plate so that the analysis sample was smooth with the surface of the sample plate.
測定条件は以下の通りである。その他の測定手法に関する詳細は理学電気(株)発行「X線回折の手引(改訂第三版)」を参考にして行っている。
管球:Cu
管電圧:40kV
管電流:40mA
発散スリット:1deg
散乱スリット:1deg
受光スリット:0.30mm
サンプリング角度:0.020deg
スキャンスピード:2 deg/min
触媒成分の平均粒径は、X線回折分析(XRD)における触媒成分の最強回折ピークの半値幅から求められる結晶子径より算出できる。算出に用いたのはScherrerの式である。
The measurement conditions are as follows. For details on other measurement methods, refer to “Guidelines for X-ray diffraction (revised third edition)” issued by Rigaku Denki Co., Ltd.
Tube: Cu
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 40 mA
Divergence slit: 1 deg
Scattering slit: 1 deg
Receiving slit: 0.30mm
Sampling angle: 0.020 deg
Scan speed: 2 deg / min
The average particle diameter of the catalyst component can be calculated from the crystallite diameter obtained from the half width of the strongest diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction analysis (XRD). The Scherrer equation was used for the calculation.
なお、試料から触媒を取り出す際には、製品の表面の最大面積を有する面の実質的に中央部の断面部位を、試料として用いる。 When taking out the catalyst from the sample, the cross-sectional portion of the substantially central portion of the surface having the maximum surface area of the product is used as the sample.
カソード触媒を製造する手法の具体例としては、例えば、塩化白金酸を溶解した水溶液にアセチレンブラックを分散させ、そこに炭酸水素ナトリウムを滴下して、溶液のpHを7〜8にすることで、アセチレンブラックにPtの酸化物を担持した。溶液から固体分をろ過により分離し、硫酸水溶液で洗浄した後、60℃(大気中)で乾燥した。得られた固体を粉砕し、水素ガスで還元処理をしてアセチレンブラック上にPtを担持した。Ptの担持量は10質量%であった。 As a specific example of the method for producing the cathode catalyst, for example, acetylene black is dispersed in an aqueous solution in which chloroplatinic acid is dissolved, and sodium hydrogen carbonate is dropped therein to adjust the pH of the solution to 7 to 8, Pt oxide was supported on acetylene black. The solid content was separated from the solution by filtration, washed with an aqueous sulfuric acid solution, and then dried at 60 ° C. (in the air). The obtained solid was pulverized and reduced with hydrogen gas to support Pt on acetylene black. The amount of Pt supported was 10% by mass.
なお、カソード触媒層34に含まれる貴金属触媒の組成分析は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP:Inductively Coupled Plasma)により評価できる。分析試料は、電極触媒や電池のカソードに使用されている触媒層の一部を削り出した粉末試料でも評価が可能である。
The composition analysis of the noble metal catalyst contained in the
分析試料の前処理(溶液化)方法には、いくつかの手法があり、それらを触媒に使用している元素に応じて適宜、組み合わせて使用できる。例えば、酸溶解法であれば、多くの元素と錯体を形成し溶解を助ける濃塩酸、強い酸化力を有する硝酸、高温加熱分解が可能な熱濃硫酸などを用いることができる。また、単一の酸での溶解が困難な場合、これらの酸を組み合わせた混酸を用いてもよい。酸分解が困難な場合、高温溶融により溶解力が強力なアルカリ融解法があり、分解剤には炭酸ナトリウム(Na2CO3)、過酸化ナトリウム(Na2O2)、水酸化ナトリウムと硝酸ナトリウムの混合物(NaOH+NaNO3)がなどを用いることができる。 There are several methods for the pretreatment (solution) of the analysis sample, and these can be used in appropriate combination according to the element used for the catalyst. For example, in the case of an acid dissolution method, concentrated hydrochloric acid that forms a complex with many elements to assist dissolution, nitric acid having strong oxidizing power, hot concentrated sulfuric acid capable of high-temperature heat decomposition, and the like can be used. Further, when it is difficult to dissolve with a single acid, a mixed acid obtained by combining these acids may be used. When acid decomposition is difficult, there is an alkali melting method with strong dissolving power due to high-temperature melting. Decomposing agents include sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium peroxide (Na 2 O 2 ), sodium hydroxide and sodium nitrate. A mixture of (NaOH + NaNO 3 ) can be used.
カソード33におけるカソード触媒層34はカソード触媒とプロトン伝導性バインダーとで形成された多孔質層である。プロトン伝導性バインダーはカソード触媒を固定化するために用いられ、パーフルオロスルホン酸ポリマー(例えば、デュポン社製、商品名:ナフィオン)が選択されている。
The
カソード触媒層34は、プロトン伝導性、導電性を高く維持しつつ、物質拡散が容易な多孔性を保持した触媒層構造であることが望ましい。このため、触媒担持カーボンとプロトン伝導性バインダーの配合比は、触媒層全重量(C)に対してプロトン伝導性バインダー(P)の重量比(P/C)が0.05〜0.5の範囲であることが望ましい。重量比P/Cが0.5よりも大きいと、触媒担持カーボンの連続性が低下して導電度が低くなる虞がある。
It is desirable that the
カソード触媒層34は、ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion layer)36に積層された導電性の多孔質層(MPL:micro porous layer)35の直上に形成されたものである。MPL付きGDLは、市販されているものを適宜、選択して用いることができる。
The
ガス拡散層36は、撥水剤により適度に撥水性が付与されたカーボンペーパーやカーボンクロス、カーボンフェルト等の通気性あるいは通液性を有する材料から形成されたシートであり、導電性を有する。導電性の多孔質層(MPL:micro porous layer)35は撥水剤とカーボン粒子からなる多孔質層である。
The
ガス拡散層36及び導電性の多孔質層35に用いられる撥水剤はフッ素樹脂が選択される。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四弗化エチレン−六弗化プロピレン共重合樹脂(FEP)、四弗化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)などを一般に利用できる。
As the water repellent used for the
導電性の多孔質層35に用いられるカーボン粒子は前述の導電性担体と同様のものを利用することができる。
As the carbon particles used for the conductive
カソード触媒層34は例えば、以下の手法で作製することができる。まず、カソード触媒とプロトン伝導性バインダーを水やアルコールなどの有機溶媒に混合、分散して触媒スラリーとする。次に、このスラリーをガス拡散層36に塗布し、乾燥する。これにより、カソード触媒層34を形成する。分散方法は特に限定されるものではなく、ディソルバー、ボールミル、ホモジナイザーなどが挙げられる。
The
カソード33の具体的な製造方法として、たとえば、前述で得られたPt/C1gに対し、水5g、1−プロパノール8g、2−プロパノール8g、エチレングリコール2gを秤量・混合し、ジルコニアボールを用いたボールミルで1時間、混合した。得られた触媒スラリーをMPL付きGDLのMPL面に塗布し、大気中において60℃で乾燥したのち、1%過酸化水素水で1時間の洗浄をして、カソード33を作製した。
As a specific manufacturing method of the
高分子の電解質膜37は、プロトン伝導性の高さからパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなる薄膜が好ましい。電解質膜37として、例えば、ナフィオン(商品名:デュポン社製)、フレミオン(商品名:旭化成株式会社製)、アシプレックス(商品名:旭硝子株式会社製)などのスルホン酸基を持つフッ素樹脂などを挙げることができる。しかし、これらに限定されるものではなく、電解質膜37は、スルホン酸基を有する有機高分子材料からなる薄膜であればよい。なお、高分子の電解質膜37の膜厚は、膜抵抗を考慮すれば、10μm〜150μmとすることが望ましい。より好ましい膜厚は30μm〜100μmである。 The polymer electrolyte membrane 37 is preferably a thin film made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer because of its high proton conductivity. Examples of the electrolyte membrane 37 include fluororesins having a sulfonic acid group such as Nafion (trade name: manufactured by DuPont), Flemion (trade name: manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Aciplex (trade name: manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Can be mentioned. However, it is not limited to these, The electrolyte membrane 37 should just be a thin film which consists of an organic polymer material which has a sulfonic acid group. The film thickness of the polymer electrolyte membrane 37 is preferably 10 μm to 150 μm in consideration of membrane resistance. A more preferable film thickness is 30 μm to 100 μm.
高分子の電解質膜37は、電子線照射処理をされることによりプロトン伝導性を損なうことなく、膜を透過する水を少なくすることができる。電子線が電解質膜37に照射されると、電解質膜37表面のポリマーは、親水性側鎖のエーテル結合部分や側鎖末端のスルホン酸基が切断され、代わりにカルボン酸が生成することが、赤外分光分析法から明らかになった。その結果、プロトン伝導性を損なうことなく、電解質膜37表面の親水性クラスターサイズが小さくなり、水透過量が減少したと考えられる。 The polymer electrolyte membrane 37 can reduce the amount of water that passes through the membrane without impairing proton conductivity by being subjected to the electron beam irradiation treatment. When the electron beam is irradiated onto the electrolyte membrane 37, the polymer on the surface of the electrolyte membrane 37 is cleaved from the ether bond portion of the hydrophilic side chain and the sulfonic acid group at the end of the side chain, and carboxylic acid is generated instead. Infrared spectroscopy revealed. As a result, it is considered that the hydrophilic cluster size on the surface of the electrolyte membrane 37 was reduced and the water permeation amount was reduced without impairing proton conductivity.
なお、膜構造を変化させるため、照射処理を過度に行うと、プロトン伝導性が損なわれ膜抵抗の増加につながる。従って、電子線照射処理の条件は、電子の加速電圧は25kV〜100kV、照射線量は3μC/cm2〜20μC/cm2とすることが望ましい。加速電圧が25kVより小さいと、電子線処理の効果が少なく、水透過抑制の効果が十分に得られないため、カソード33でのフラッディング低減効果が小さい。また、加速電圧が100kVよりも高いと、膜構造を強く変化させ、膜抵抗が増加するため、電解性能が低下する。同様に、照射線量が3μC/cm2より小さいと電子線処理の効果が少なく、水透過抑制の効果が十分に得られないためカソードでのフラッディング低減効果が小さい。また、照射線量が20μC/cm2より高いと膜構造を強く変化させ、膜抵抗が増加するため、電解性能が低下する。電子線処理は市販の装置を使用できる。使用可能な電子線処理装置として、例えば、一灯式減圧型照射機(ウシオ電機製)などが挙げられるが、製造プロセス、コストなどを勘案して選択すればよく、前記照射機に限定されるものではない。
If the irradiation process is excessively performed to change the membrane structure, proton conductivity is impaired, leading to an increase in membrane resistance. Therefore, it is desirable that the conditions for the electron beam irradiation treatment are an electron acceleration voltage of 25 kV to 100 kV and an irradiation dose of 3 μC / cm 2 to 20 μC / cm 2 . If the acceleration voltage is less than 25 kV, the effect of the electron beam treatment is small, and the effect of suppressing water permeation cannot be obtained sufficiently. Therefore, the flooding reduction effect at the
アノード31およびカソード33と高分子の電解質膜37は、加熱または加圧のうちの少なくとも一方ができる装置を用いて接合することができる。一般的には、ホットプレス機により接合が行なわれる。その際のプレス温度は、結着剤として使用されるプロトン伝導性高分子のガラス転移温度以上であればよく、一般には100℃〜400℃である。プレス圧は使用する電極の硬さに依存するが、通常、5kg/cm2〜200kg/cm2である。
The
減酸素セル22は、減酸素室3内の酸素と反応できるように冷蔵庫本体2内に配設されている。詳しくは、減酸素箱4の例えば後壁に中空のセルホルダ20(図1参照)が、前記後壁に形成された図示しない連通口を覆って取付けられている。セルホルダ20内と減酸素室3とは前記連通口を経由して連通されている。セルホルダ20の後壁に減酸素セル22が固定されている。固定された減酸素セル22の第2締め付け部材45及びカソード33は、セルホルダ20内に臨んでいる。したがって、減酸素セル22のカソード33は、セルホルダ20の内部空間を経由して減酸素室3に連通されていて、この減酸素室3内の酸素と反応ができるように配設されている。
The
電源23の正極に減酸素セル22のアノード集電体38が電気的に接続されているとともに、電源23の負極に減酸素セル22のカソード集電体39が電気的に接続されている。これにより、減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に電源23の電圧を印加することが可能である。
The anode current collector 38 of the
電源23は、予め定められた値の第1電圧V1と第2電圧V2を生成する。第2電圧V2は第1電圧V1より高い。
The
第1実施形態の減酸素装置21は、その定常運転時に減酸素セル22に掛かる第1電圧V1を一定に保持して運転される。このように定電圧で減酸素セル22を運転する利点を以下説明する。
The
第1に、減酸素セル22に掛かる電圧(セル電圧)が一定しているので、電気的制御を行い易い。第2に、カソード33からの水素発生を抑制することが可能である。詳しくは、減酸素セル22の運転時に、後述するようにカソード33で減減酸素反応(水生成反応)が形成されるが、それに伴い生成された水の一部がカソード触媒層34を覆うように滞留して、カソード33でのガス拡散性を阻害する。こうした現象はフラッディング現象と称されている。減酸素セル22を定電流で定常運転した場合、フラッディング現象の進行にしたがってセル電圧が上昇する。そのため、減酸素反応に代って水素の生成反応が起こる。しかし、電圧を一定に保持して減酸素セル22を運転することで、フラッディング現象に拘らず、セル電圧の上昇は起こらない。このため、カソード33からの水素の発生を抑制可能である。
First, since the voltage (cell voltage) applied to the
電流計24は減酸素セル22を流れる電流(セル電流)を測定する。この電流計24の計測情報は電気信号としてコントローラ25に供給される。
The ammeter 24 measures the current (cell current) flowing through the
減酸素セル22に掛かる電圧(セル電圧)とは、電源23の電圧ではなく、電流計24が計測した電流に応じた電圧を指している。減酸素セル22と電源23とを電気的に接続するために用いられた電気ケーブル類のオーム損の影響により、電源電圧とセル電圧とは必ずしも一致しない。これへの対策として電流計24を用いることで、オーム損の影響を排除したセル電圧を知ることができる。
The voltage (cell voltage) applied to the
次に、減酸素室3内の酸素を減らす反応(減酸素反応)を説明する。 Next, a reaction for reducing oxygen in the oxygen reduction chamber 3 (oxygen reduction reaction) will be described.
水取入れ口43からアノード室42に水を供給した状態において、コントローラ25による制御で、電源23から直流電圧を減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加して、減酸素セル22を運転する。
In a state where water is supplied from the
これに伴い、アノード31の表面で水が電気分解されるとともに、カソード33の表面で水が生成される。
As a result, water is electrolyzed on the surface of the
即ち、水の電気分解反応により、酸素(O2)と、プロトン(H+)及び電子(e-)が生成される。生成された酸素(O2)は、酸素出口44を通ってアノード室42外に排出される。この一方で、生成されたプロトン(H+)は、アノード31及び電解質膜37を通ってカソード33に移動する。これと共に、生成された電子(e-)は電源23等を含んだ外部回路を通ってカソード33に移動する。
That is, oxygen (O 2 ), protons (H + ), and electrons (e − ) are generated by the electrolysis reaction of water. The generated oxygen (O 2 ) is discharged out of the
減酸素室3内の酸素(O2)はカソード室46に空気取入れ口47を経て供給されているので、カソード33において、減酸素室3内の酸素(O2)とカソード33に供給されたプロトン(H+)及び電子(e-)とが反応して水が生成される。それに伴い、減酸素室3内の酸素濃度が減少する。これにより、庫外より低い温度に保持される減酸素室3内に収容された保存対象物、例えば野菜を、長時間にわたり鮮度を保って保存することが可能である。
Oxygen (O 2 ) in the oxygen-reducing
コントローラ25は、電流計24の計測情報から減酸素セル22に流れるセル電流を監視しつつ、電源23が生成した第1電圧V1と第2電圧V2を、図3に示すフローチャートに従って減酸素セル22に印加させることで、減酸素セル22を運転する。それによって、減酸素室3の酸素濃度を下げることができる。
The
減酸素セル22の減酸素運転は、まず、第2電圧V2を所定時間印加するステップS1を実行して開始する。次に、第1電圧V1を印加するステップS2を実行し、減酸素運転を継続する。最後に、所定の時期に減酸素セル22に対する電圧の印加を停止するステップS3を実行し、減酸素運転を終了する。
The oxygen reduction operation of the
こうした制御において、第1電圧V1の印加前に減酸素セル22に印加される第2電圧V2は、第1電圧V1より高い。これと共に、第2電圧V2の印加時間は、第1電圧V1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、第2電圧V2の印加時間が1分未満の場合は、酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第2電圧V2の印加時間が10分を越える場合は、第1電圧V1より高い第2電圧V2によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
In such control, the second voltage V2 applied to the
減酸素セル22において白金等のカソード触媒を含んだカソード触媒層34は、減酸素セル22の運転時の電位変動に伴い酸化されることがある。更に、減酸素セル22の運転停止時に、カソード33に残留した酸素によりカソード33が高電位に晒されて、カソード触媒層34の一部が酸化された状態になることがある。カソード触媒層34の少なくとも一部が酸化されていると、白金等のカソード触媒は溶出されやすい状態となる。
The
このような状態の減酸素セル22が次に運転される場合、既述のようにセル電圧が図3のフローチャートに従って制御されることによって、カソード33の電位は、第2電圧V2から第1電圧V1に下がることに応じて下がる。それに伴い、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化が抑制されて、カソード33が活性化される。第2電圧V2の印加時期は第1電圧V1を印加する直前であることが好ましい。
When the
こうしたカソード触媒層34の還元に引き続いて、減酸素セル22に第1電圧V1を印加して定常の減酸素運転に移行する。この運転は、第2電圧V2の印加時間より長い時間にわたって行われる。これにより、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、ステップS3が実行されて、減酸素運転が終了する。
Subsequent to the reduction of the
(実施例1)
実施例1では、面積が20cm2のアノード31と、面積が12cm2のカソード33と、高分子の電解質膜37をホットプレスにより接合して減酸素セル22を作成した。ホットプレスは、温度が150℃、プレス圧力が40kg/cm2、プレス時間が3分間の条件で行った。図2に示した第1締め付け部材41と第2締め付け部材45とで、前述のとおり作製した減酸素セル22を挟みこみ、試験を行った。
(Example 1)
In Example 1, the
この試験では、アノード室42に水を充満させ、カソード室46に120mL/minで空気を供給した。アノード集電体38とカソード集電体39に、電子負荷装置(図示せず)と電源23、電流計24とを接続した。この状態で、コントローラ25により、減酸素セル22に1.0Vの第1電圧V1を印加する前に、1.2Vの電圧を第2電圧V2として5分間印加した。その後、定電圧1.0Vで減酸素運転を継続し、この時点から1時間後と1000時間後の電流値を測定した。
In this test, the
(比較例1)
減酸素素子は実施例1と同様に作製した。図2に示した第1締め付け部材41と第2締め付け部材45とで、前述のとおり作製した減酸素セル22を挟みこみ、試験を行った。この場合、アノード室42に水を充満させ、カソード室46に120mL/minで空気を供給した。アノード集電体38とカソード集電体39に、電子負荷装置(図示せず)と電源、電流計24とを接続し、定電圧1.0Vで減酸素運転を開始し、開始後から1時間後と1000時間後の電流値を測定した。結果を表1に示す。
The oxygen reducing element was produced in the same manner as in Example 1. The test was performed by sandwiching the oxygen-reducing
表1で示すように1.0Vの第1電圧V1を印加する前に5分間1.2Vの第2電圧V2を印加することにより、減酸素セル22の反応開始から1時間後のセル電流値、および1000時間後の電解電流値の双方が、比較例1と比較して高いセル電流を示すことが確かめられた。
As shown in Table 1, by applying the second voltage V2 of 1.2V for 5 minutes before applying the first voltage V1 of 1.0V, the cell current value after 1 hour from the start of the reaction of the
図4は第2の実施の形態を示している。第2実施形態は以下説明する制御手順が第1実施形態とは相違しており、それ以外は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第1実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図2も参照する。 FIG. 4 shows a second embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the first embodiment. For this reason, configurations having the same or similar functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 2 are also referred to as necessary.
この第2実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電圧V1と第3電圧V3を生成する。第3電圧V3は第1電圧V1より高い。これらの電圧を、コントローラ25により、図4に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させて、減酸素装置21を運転する。
In the second embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第1電圧V1を減酸素セル22に印加するステップS2を実行し、定常減酸素運転を開始する。このステップS2による長時間の運転継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、ステップS4が実行されて、第3電圧V3を減酸素セル22に所定時間印加して減酸素運転を継続する。この後、ステップS3を実行して減酸素セル22に対する電圧の印加を停止し、減酸素運転を終了する。
First, step S2 in which the first voltage V1 is applied to the
第2実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図4に示されない構成を含めて第1実施形態と同じである。そのため、この第2実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を抑制することが可能である。
The
即ち、図4のフローチャートに従って減酸素セル22を既述のように運転する制御において、第1電圧V1の印加後に印加される第3電圧V3は、第1電圧V1より高い。これと共に、第3電圧V3の印加時間は、第1電圧V1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、第3電圧V3の印加時間が1分未満の場合は、次に減酸素運転がされる際において酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第3電圧V3の印加時間が10分を越える場合は、第1電圧V1より高い第3電圧V3によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
That is, in the control for operating the
既述のように減酸素セル22を第1電圧V1で運転した後に、第1電圧V1より電圧値が高い第3電圧V3を減酸素セル22に印加することに伴い、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒の還元が促されて、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制される。したがって、カソード触媒層34が活性化された状態で、次に、減酸素運転が再開される際において減酸素セル22に第1電圧V1を印加して定常運転をすることが可能である。
As described above, after the
図5は第3の実施の形態を示している。第3実施形態は以下説明する制御手順が第1実施形態とは相違しており、それ以外は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第1実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図2も参照する。 FIG. 5 shows a third embodiment. The third embodiment is different from the first embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the first embodiment. For this reason, configurations having the same or similar functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 2 are also referred to as necessary.
この第3実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電圧V1と第2電圧V2と第3電圧V3を生成する。第2電圧V2と第3電圧V3は第1電圧V1より高い。これらの電圧を、コントローラ25により、図5に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させて、減酸素装置21を運転する。
In the third embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第2電圧V2を所定時間印加するステップS1を実行し、減酸素運転を開始する。次に、第1電圧V1を印加するステップS2を実行し、定常減酸素運転を継続する。このステップS2による長時間の運転継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、ステップS4が実行されて、第3電圧V3を減酸素セル22に所定時間印加して、減酸素運転を更に継続する。この後、ステップS3を実行して減酸素セル22に対する電圧の印加を停止し、減酸素運転を終了する。
First, step S1 in which the second voltage V2 is applied to the
第3実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図5に示されない構成を含めて第1実施形態と同じである。そのため、この第3実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を抑制することが可能である。
The
即ち、図5のフローチャートに従って減酸素セル22を既述のように運転する制御において、第1電圧V1が印加される前に減酸素セル22に印加される第2電圧V2、及び第1電圧V1の印加後に減酸素セル22に印加される第3電圧V3は、いずれも第1電圧V1より高い。これと共に、第2電圧V2及び第3電圧V3の印加時間は、第1電圧V1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、第2電圧V2及び第3電圧V3の印加時間が1分未満の場合は、酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第2電圧V2及び第3電圧V3の印加時間が10分を越える場合は、第1電圧V1より高い第2電圧V2と第3電圧V3によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
That is, in the control for operating the
第3実施形態では、減酸素セル22の運転開始初期における第1電圧V1と第2電圧V2との電圧差に基づいて、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒の還元が促されるので、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制された状態で、第1電圧V1によって減酸素セル22を定常運転することが可能である。加えて、減酸素セル22を第1電圧V1で運転した後に、第1電圧V1より電圧値が高い第3電圧V3を減酸素セル22に印加することに伴い、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒の還元が促されて、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制される。したがって、カソード触媒層34が活性化された状態で、次に、減酸素運転が再開される際において減酸素セル22に第1電圧V1を印加して定常運転をすることが可能である。
In the third embodiment, reduction of the cathode catalyst such as platinum contained in the
図6は第4の実施の形態を示している。第4実施形態は以下説明する制御手順が第1実施形態とは相違しており、それ以外は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第1実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図2も参照する。 FIG. 6 shows a fourth embodiment. The fourth embodiment is different from the first embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the first embodiment. For this reason, configurations having the same or similar functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 2 are also referred to as necessary.
この第4実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電圧V1とこれより高い第3電圧V3を生成する。これらの電圧を、コントローラ25により、図6に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させて、減酸素装置21を運転する。
In the fourth embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第1電圧V1を印加するステップS2を実行し、減酸素運転を開始する。次に、コントローラ25はステップS5を実行し、減酸素セル22に流れる電流値を電流計(図2参照)23によって計測する。電流計23の計測情報はコントローラ25に供給される。
First, step S2 in which the first voltage V1 is applied to the
コントローラ25により次に実行されるステップS6は、コントローラ25が有する第1電流判定手段である。第1電流判定手段は、それに予め設定された電流の第1下限閾値(Imin.)と電流計23の計測情報とを比較する。電流計23の計測情報(電流値)が第1下限閾値より大きい場合、第1電流判定手段による判定はYESとなる。この結果を受けて、コントローラ25は、第1電圧V1の供給を継続するステップS7を実行させる。それにより、減酸素運転は継続される。
Step S <b> 6 executed next by the
こうした状況において、運転中の電位変動等で減酸素セル22のカソード触媒層34が酸化する等によって劣化が進行すると、減酸素セル22を流れる電流値は次第に低下する。
In such a situation, when deterioration proceeds due to oxidation of the
これに伴い、ステップS6での判断がNOになると(つまり、電流計23の計測情報が第1下限閾値未満となった場合)、コントローラ25は、予め定めた第3電圧V3を減酸素セル22に印加するステップS8を実行する。第3電圧V3の印加時間は、第1電圧V1の全印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。ステップS8の次に、コントローラ25は、再び第1電圧V1を減酸素セル22に印加するステップS9を実行する。
Accordingly, when the determination in step S6 is NO (that is, when the measurement information of the
このため、減酸素セル22のカソード33の電位は、第3電圧V3からこれより低い第1電圧V1に下がることに応じて下がる。こうした印加電圧の低下に伴い、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化が抑制される。こうしてカソード触媒層34が還元されることにより、この触媒層が活性化される。
For this reason, the potential of the
次に、コントローラ25はステップS10を実行し、減酸素セル22に流れる電流値を電流計23によって計測する。その計測情報はコントローラ25に供給される。更に、コントローラ25は次のステップS11を実行する。このステップS11は、コントローラ25が有する第2電流判定手段であり、この手段に予め設定された電流の第2下限閾値(Imin.)と電流計23の計測情報とを比較する。第2下限閾値と第1下限閾値とは例えば同じ値(電流値)である。
Next, the
電流計23の計測情報(電流値)が第2下限閾値より大きい場合、ステップS11での判定はYESとなり、カソード触媒層34の劣化が十分に進行していないと判断される。この結果を受けて、コントローラ25は、減酸素セル22への第1電圧V1の供給を継続するステップS12を実行する。これによる減酸素運転は第3電圧V3の印加時間より長い時間にわたって継続される。
If the measurement information (current value) of the
第1電圧V1が供給される定常運転において、運転中の電位変動等で減酸素セル22のカソード触媒層34が酸化する等によって劣化が進行すると、電流計23で計測される減酸素セル22を流れる電流値は次第に低下する。これにより、電流計23の計測情報が下限閾値未満になると、ステップS11での判定はNOとなる。つまり、カソード触媒層34の劣化がある程度過度に進行したと判断される。この結果を受けて、コントローラ25は、ステップS13を実行して、冷蔵庫のユーザーに減酸素セル22の劣化が過度に進行したことを通知する。この通知は、冷蔵庫1の外面などに設けられたディスプレイへの表示や警告音などで行う。
In the steady operation in which the first voltage V1 is supplied, when the deterioration proceeds due to oxidation of the
又、ステップS7及びステップS12による長時間の定常運転の継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、コントローラ25は、ステップS14を実行して減酸素セル22に対する電圧の印加を停止し、減酸素運転を終了する。
In addition, when the oxygen concentration in the
以上のように第4実施形態の減酸素装置21は、減酸素運転において、減酸素セル22を流れる電流を測定して、それを第1下限閾値と比較する。それにより、カソード触媒層34の劣化が第1下限閾値未満となった場合に、カソード33の電位を低下させるので、カソード触媒層34の酸化されたカソード触媒の還元を促して、その劣化を抑制することが可能である。
As described above, the
第4実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図6に示されない構成を含めて第1実施形態と同じである。そのため、この第4実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を既述のように抑制することが可能である。なお、第4実施形態において、ステップS6及びステップS11は、運転中に減酸素セル22に流れる電流値を常にモニタリングし、モニタリングされた電流値を判定しても差し支えない。
The
図7は第5の実施の形態を示している。第5実施形態は以下説明する制御手順が第1実施形態とは相違しており、それ以外は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第1実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図2も参照する。 FIG. 7 shows a fifth embodiment. The fifth embodiment is different from the first embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the first embodiment. For this reason, configurations having the same or similar functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 2 are also referred to as necessary.
この第5実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電圧V1とこれより高い第3電圧V3を生成する。これらの電圧を、コントローラ25により、図7のタイムチャートに示すように減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加することによって、減酸素装置21を運転する。
In the fifth embodiment, the
即ち、コントローラ25は、減酸素セル22に第1電圧V1を印加して減酸素運転を開始させ、更に、この運転中において所定時間t毎に第3電圧V3を減酸素セル22に印加する。これにより、所定時間t毎に減酸素セル22のカソード33の電位は、第3電圧V3からこれより低い第1電圧V1に下がることに応じて下がる。それに伴い、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化の進行を抑制することが可能である。なお、こうした運転により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、コントローラ25は、減酸素セル22に対する電圧の印加を停止して、減酸素運転を終了させる。
That is, the
第5実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図7に示されない構成を含めて第1実施形態と同じである。そのため、この第5実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を既述のように抑制することが可能である。
The
図8及び図9は第6の実施の形態を示している。第6実施形態は以下説明する事項が第1実施形態とは相違しており、それ以外は第1実施形態と同じである。このため、第1実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第1実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1も参照する。 8 and 9 show a sixth embodiment. The sixth embodiment is different from the first embodiment in matters described below, and is otherwise the same as the first embodiment. For this reason, configurations having the same or similar functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 is also referred to if necessary.
第6実施形態では、第1実施形態で用いた電流計に代えて電圧計測手段例えば電圧計26(図8参照)を用いている。減酸素セル22に掛かる電圧を測定する電圧計26は、アノード集電体38及びカソード集電体39に接続されていて、その計測情報はコントローラ25に供給される。又、電源23は、予め定められた値の第1電流I1と、これより電流値が大きくかつ予め定められた値の第2電流I2を生成する。これらの電流はコントローラ25によって減酸素セル22に印加される。
In the sixth embodiment, voltage measuring means such as a voltmeter 26 (see FIG. 8) is used instead of the ammeter used in the first embodiment. The voltmeter 26 for measuring the voltage applied to the
第6実施形態の減酸素装置21は、その減酸素セル22を流れる電流を一定に保持して運転される。定電流で減酸素セル22を運転する利点を以下に説明する。
The
減酸素セル22を運転することに伴う冷蔵庫1の減酸素室3の酸素濃度の減少速度は、減酸素セル22を流れる電流値と印加時間に依存する。このため、電流値が一定である運転条件においては、減酸素室3を所望の減酸素濃度に到達させるのに必要な時間は、印加時間によって一義的に決定される。従って、減酸素室3に酸素濃度計などの測定手段を配設することなく、印加時間を管理することで、減酸素室3内の酸素濃度をモニタリングすることが可能である。
The rate of decrease of the oxygen concentration in the
次に減酸素装置21の運転について説明する。コントローラ25は、電圧計26の計測情報から減酸素セル22に掛かる電圧(セル電圧)を監視しつつ、電源23が生成した第1電流I2と第2電流I2を、図9に示すフローチャートに従って減酸素セル22に印加させて、減酸素室3の酸素濃度を下げるために減酸素セル22を運転する。
Next, the operation of the
この減酸素セル22の減酸素運転は、まず、第2電流I2を所定時間印加するステップS1を実行して、開始する。次に、第1電流I1を印加するテップS2を実行し、減酸素運転を継続する。最後に、所定の時期に減酸素セル22に対する電流の印加を停止するステップS3を実行して、減酸素運転を終了する。
The oxygen reduction operation of the
こうした制御において、第1電流I1の印加前に減酸素セル22に印加される第2電流I2の値は、第1電流I1の値より大きい。これと共に、第2電流I2の印加時間は、第1電流I1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、印加電流が大きければ印加電圧は高く、この逆に、印加電流が小さければ印加電圧も低いので、第2電流I2の印加時間が1分未満の場合は、酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第2電流I2の印加時間が10分を越える場合は、第1電流I1より電流値が大きい第2電流I2によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
In such control, the value of the second current I2 applied to the
減酸素セル22において白金等のカソード触媒を含んだカソード触媒層34は、減酸素セル22の運転時の電位変動に伴い酸化されることがある。又、減酸素セル22の運転停止時に、カソード33に残留した酸素によりカソード33が高電位に晒されて、カソード触媒層34の一部が酸化された状態になることがある。カソード触媒層34の少なくとも一部が酸化されていると、白金等のカソード触媒は溶出されやすい状態となる。
The
このような状態の減酸素セル22が次に運転される場合に、既述のように減酸素セル22に印加する電流が図9のフローチャートに従って制御されることによって、カソード33に流れる電流値は、第2電流I2の値から第1電流I1の値に下がることに応じて下がる。それに伴い、カソード33の電位が下がって、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化が抑制されて、カソード触媒が活性化される。第2電流I2の印加時期は第1電流I1を印加する直前であることが好ましい。そして、カソード触媒層34の還元に引き続いて、第1電流I1による減酸素セル22の定常運転、つまり、定常減酸素運転に移行する。この運転は、第2電流I2の印加時間より長い時間にわたって行われる。それにより、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階でステップS3が実行されて、減酸素運転が終了する。
When the
(実施例2)
実施例2では、面積が20cm2のアノード31と、面積が12cm2のカソード33と、高分子の電解質膜37をホットプレスにより接合して減酸素セル22を作成した。ホットプレスは、温度が150℃、プレス圧力が40Kg/cm2、プレス時間が3分間の条件で行った。図8に示した第1締め付け部材41と第2締め付け部材45とで、前述のとおり作製した減酸素セル22を挟みこみ、試験を行った。
(Example 2)
In Example 2, the
この試験では、アノード室42に水を充満させ、カソード室46に120mL/minで空気を供給した。アノード集電体38とカソード集電体39に、電子負荷装置(図示せず)と電源23、電圧計26とを接続した。そして、コントローラ25で減酸素セル22に2.4Aの電流を第1電流I1として印加する前に、3.0Aの電流を第2電流I2として5分間印加した。その後、2.4Aの電流で減酸素運転を継続し、この時点から1時間後と1000時間後の電圧を測定した。
In this test, the
(比較例2)
減酸素素子は実施例2と同様に作製した。図8に示した第1締め付け部材41と第2締め付け部材45とで、前述のとおり作製した減酸素セル22を挟みこみ、試験を行った。この場合、アノード室42に水を充満させ、カソード室46に120mL/minで空気を供給した。アノード集電体38とカソード集電体39に、電子負荷装置(図示せず)と電源、電圧計26とを接続した。そして、定電流2.4Aで減酸素運転を開始し、開始後から1時間後と1000時間後の電圧を測定した。結果を表2に示す。
The oxygen reducing element was produced in the same manner as in Example 2. The test was performed by sandwiching the oxygen-reducing
表2で示すように2.4Aの第1電流I1を印加する前に5分間3.0Aの第2電流I2を印加することにより、減酸素セル22の反応開始から1時間後のセル電圧、および1000時間後の電解電圧の双方が、比較例2と比較してその上昇が低く抑えられえていることが確かめられた。
As shown in Table 2, by applying the second current I2 of 3.0A for 5 minutes before applying the first current I1 of 2.4A, the cell voltage after 1 hour from the start of the reaction of the
図10は第7の実施の形態を示している。第7実施形態は以下説明する制御手順が第6実施形態とは相違しており、それ以外は第6実施形態と同じである。このため、第6実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第6実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1も参照する。 FIG. 10 shows a seventh embodiment. The seventh embodiment differs from the sixth embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the sixth embodiment. For this reason, the structure which exhibits the same or similar function as that of the sixth embodiment is denoted by the same reference numeral as that of the sixth embodiment, and the description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 is also referred to if necessary.
この第7実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電流I1と、予め定められた値であってかつ第1電流I1より大きい値の第3電流I3を生成する。これらの電流を、コントローラ25により、図10に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させて、減酸素装置21を運転する。
In the seventh embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第1電流I1を減酸素セル22に印加するステップS2を実行し、定常減酸素運転を開始する。このステップS2による長時間の運転継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、ステップS4が実行されて、第3電流I3を減酸素セル22に所定時間印加して、減酸素運転を継続する。この後、ステップS3を実行して減酸素セル22に対する電流の印加が停止れて、減酸素運転を終了する。
First, the step S2 of applying the first current I1 to the
第7実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図10に示されない構成を含めて第6実施形態と同じである。そのため、この第7実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を抑制することが可能である。
The
即ち、図10のフローチャートに従って減酸素セル22を既述のように運転する制御において、第1電流I1の印加後に印加される第3電流I3の値は、第1電流I1の値より大きい。これと共に、第3電流I3の印加時間は、第1電流I1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、第3電流I3の印加時間が1分未満の場合は、次に減酸素運転がされる際において酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第3電流I3の印加時間が10分を越える場合は、第1電流I1より大きい第3電流I3によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
That is, in the control for operating the
既述のように減酸素セル22を第1電流I1で運転した後に、第1電流I1より電流値が大きい第3電流I3を減酸素セル22に印加することに伴い、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒の還元が促されて、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制される。したがって、カソード触媒層34が活性化された状態で、次に、減酸素運転が再開される際において減酸素セル22に第1電流I1を印加して定常運転をすることが可能である。
As described above, after the
図11は第8の実施の形態を示している。第8実施形態は以下説明する制御手順が第6実施形態とは相違しており、それ以外は第6実施形態と同じである。このため、第6実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第6実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図8も参照する。 FIG. 11 shows an eighth embodiment. The eighth embodiment differs from the sixth embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the sixth embodiment. For this reason, the structure which exhibits the same or similar function as that of the sixth embodiment is denoted by the same reference numeral as that of the sixth embodiment, and the description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 8 are also referred to as necessary.
この第8実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電流I1と第2電流I2と第3電流I3を生成する。第2電流I2と第3電流I3の値は第1電流I1の値より大きい。これらの電流を、コントローラ25により、図11に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させることによって、減酸素装置21を運転する。
In the eighth embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第2電流I2を所定時間印加するステップS1を実行し、減酸素運転を開始する。次に、第1電流I1を印加するテップS2を実行し、定常減酸素運転を継続する。このステップS2による長時間の運転継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、ステップS4が実行されて、第3電流I3を減酸素セル22に所定時間印加して、減酸素運転を継続する。この後、ステップS3を実行して減酸素セル22に対する電流の印加を停止し、減酸素運転を終了する。
First, step S1 in which the second current I2 is applied for a predetermined time to the
第8実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図11に示されない構成を含めて第6実施形態と同じである。そのため、この第8実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を抑制することが可能である。
The
即ち、図11のフローチャートに従って減酸素セル22を既述のように運転する制御において、第1電流I1が印加される前に減酸素セル22に印加される第2電流I2の値、及び第1電流I1の印加後に減酸素セル22に印加される第3電流I3の値は、いずれも第1電流I1の値より大きい。これと共に、第2電流I2及び第3電流I3の印加時間は、第1電流I1の印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。この理由は、第2電流I2及び第3電流I3の印加時間が1分未満の場合は、酸化されたカソード33の触媒を十分還元できず、又、第2電流I2及び第3電流I3の印加時間が10分を越える場合は、第1電流I1より値が大きい第2電流I2と第3電流I3によって減酸素セル22の劣化が促進されてしまうからである。
That is, in the control for operating the
第8実施形態では、減酸素セル22の運転開始初期における第1電流I1と第2電流I2との電流差に基づいて、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒を還元できるので、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制された状態で、第1電流I1の印加によって減酸素セル22を定常運転することが可能である。加えて、減酸素セル22を第1電流I1で運転した後に、第1電流I1より電流値が小さい第3電流I3を減酸素セル22に印加することに伴い、カソード触媒層34に含まれた白金等のカソード触媒の還元が促されて、このカソード触媒の溶出による劣化が抑制される。したがって、カソード触媒層34が活性化された状態で、次に、減酸素運転が再開される際において減酸素セル22に第1電流I1を印加して定常運転をすることが可能である。
In the eighth embodiment, the cathode catalyst such as platinum contained in the
図12は第9の実施の形態を示している。第9実施形態は以下説明する制御手順が第6実施形態とは相違しており、それ以外は第6実施形態と同じである。このため、第6実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第6実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図8も参照する。 FIG. 12 shows a ninth embodiment. The ninth embodiment differs from the sixth embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the sixth embodiment. For this reason, the structure which exhibits the same or similar function as that of the sixth embodiment is denoted by the same reference numeral as that of the sixth embodiment, and the description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 8 are also referred to as necessary.
この第9実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電流I1と、予め定められた値であってかつ第1電流I1より電流値が大きい第3電流I3を生成する。これらの電流を、コントローラ25により、図11に示すフローチャートに従って減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加させて、減酸素装置21を運転する。
In the ninth embodiment, the
減酸素セル22に対して、まず、第1電流I1を印加するステップS2を実行し、減酸素運転を開始する。次に、コントローラ25はステップS5を実行し、減酸素セル22に掛かる電圧を電圧計(図8参照)26によって計測する。電圧計26の計測情報はコントローラ25に供給される。
First, step S2 in which the first current I1 is applied to the
コントローラ25により次に実行されるステップS6は、コントローラ25が有する第1電圧判定手段である。第1電圧判定手段は、それに予め設定された電圧の第1上限閾値(Vmax.)と電圧計26の計測情報(電圧値)とを比較する。電圧計26の計測情報が第1上限閾値未満の場合、第1電圧判定手段による判定はYESとなる。この結果を受けて、コントローラ25は、第1電流I1の印加を継続するステップS7を実行し、それにより、減酸素運転が継続される。
Step S <b> 6 executed next by the
こうした状況において、運転中の電位変動等で減酸素セル22のカソード触媒層34が酸化する等によって劣化が進行すると、減酸素セル22に掛かる電圧値は次第に増える。
Under such circumstances, when the deterioration proceeds due to oxidation of the
これに伴い、ステップS6での判断がNOになる(つまり、電圧計26で計測された電圧の値が第1上限閾値を超えた場合)と、コントローラ25は、予め定めた第3電流I3を減酸素セル22に印加するステップS8を実行する。第3電流I3の印加時間は、第1電流I1の全印加時間より短く、例えば1分以上10分以内であればよく、4分から6分に設定することが好ましい。ステップS8の次に、コントローラ25は、再び第1電流I1を減酸素セル22に印加するステップS9を実行する。
Accordingly, when the determination in step S6 becomes NO (that is, when the voltage value measured by the voltmeter 26 exceeds the first upper limit threshold value), the
このため、減酸素セル22のカソード33を流れる電流は、第3電流I3からこれより電流値が小さい第1電流I1に下がることに応じて下がる。こうして電流値が下がることに伴い、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化が抑制される。こうしてカソード触媒層34が還元されることにより、この触媒層が活性化される。
For this reason, the current flowing through the
次に、コントローラ25はステップS10を実行し、減酸素セル22に掛かる電圧値を電圧計26によって計測する。その計測情報はコントローラ25に供給される。更に、コントローラ25は次のステップS11を実行する。このステップS11は、コントローラ25が有する第2電圧判定手段であり、この手段に予め設定された電圧の第2上限閾値(Vmax.)と電圧計26の計測情報とを比較する。第2上限閾値と第1上限閾値とは例えば同じ値(電圧値)である。
Next, the
第2電圧判定手段による判定がYESの場合、つまり、電圧計26で計測された電圧の値が第2上限閾値未満である場合は、カソード触媒層34の劣化が進行していないと判断される。この結果を受けて、コントローラ25は、減酸素セル22への第1電流I1の供給を継続するステップS12を実行する。これによる減酸素運転は、第3電流I3の印加時間より長い時間にわたって継続される。
If the determination by the second voltage determination means is YES, that is, if the voltage value measured by the voltmeter 26 is less than the second upper limit threshold, it is determined that the deterioration of the
第1電流I1が供給される定常運転において、運転中の電位変動等で減酸素セル22のカソード触媒層34が酸化する等によって劣化が進行すると、電圧計26で計測される減酸素セル22の掛かる電圧値は次第に増える。これにより、第2電圧判定手段による判定がNOとなると、つまり、電流計26が計測した電圧の値が第2上限閾値(Vmax.)を越えた場合は、カソード触媒層34の劣化が過大に進行したと判断される。この結果を受けて、コントローラ25は、ステップS13を実行して、冷蔵庫1(図1参照)のユーザーに減酸素セル22の劣化が過度に進行したことを通知する。この通知は、冷蔵庫1の外面などに設けられたディスプレイへの表示や警告音などで行う。
In the steady operation in which the first current I1 is supplied, if the deterioration proceeds due to oxidation of the
又、ステップ7及びステップS12による長時間の定常運転の継続により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、コントローラ25は、ステップS14を実行して減酸素セル22に対する電流の印加を停止し、減酸素運転を終了する。
Further, when the oxygen concentration in the oxygen-reducing
以上のように第9実施形態の減酸素装置21は、減酸素運転において、減酸素セル22に掛かる電圧を測定して、それを電圧の第1上限閾値と比較する。それにより、カソード触媒層34の劣化が第1電圧判断手段に設定された第1上限閾値を越えた場合に、カソード33の電位を低下させるので、カソード触媒層34の酸化されたカソード触媒の還元を促して、その劣化を抑制することが可能である。
As described above, the
第9実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は、図11に示されない構成を含めて第6実施形態と同じである。そのため、この第9実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を既述のように抑制することが可能である。なお、第9実施形態において、ステップS6及びステップS11は、運転中に減酸素セル22に掛かる電圧の値を、常にモニタリングし、それを判定しても差し支えない。
Except for the above description, the
図13は第10の実施の形態を示している。第10実施形態は以下説明する制御手順が第6実施形態とは相違しており、それ以外は第6実施形態と同じである。このため、第6実施形態と同一ないしは同様の機能を奏する構成は、第6実施形態と同じ符号を付し、かつ、その説明を省略する。これと共に、必要に応じて図1及び図8も参照する。 FIG. 13 shows a tenth embodiment. The tenth embodiment is different from the sixth embodiment in the control procedure described below, and is otherwise the same as the sixth embodiment. For this reason, the structure which exhibits the same or similar function as that of the sixth embodiment is denoted by the same reference numeral as that of the sixth embodiment, and the description thereof is omitted. Together with this, FIG. 1 and FIG. 8 are also referred to as necessary.
この第10実施形態で、電源23は、予め定められた値の第1電流I1と、これより電流値が大きい第3電流I3を生成する。これらの電流を、コントローラ25により、図13のタイムチャートに示すように減酸素セル22のアノード31とカソード33との間に印加することによって、減酸素装置21を運転する。
In the tenth embodiment, the
即ち、コントローラ25は、減酸素セル22に第1電流I1を印加して運転を開始させた上で、この運転中において所定時間t毎に第3電流I3を減酸素セル22に印加する。これにより、所定時間t毎に減酸素セル22のカソード33に流れる電流は、第3電流I3からこれより電流値が小さい第1電流I1に下がることに応じて下がる。こうして減酸素セル22を流れる電流が下がることに伴い、白金等のカソード触媒の還元が促されるので、カソード触媒の溶出による劣化の進行を抑制することが可能である。なお、こうした運転により、減酸素室3の酸素濃度が所定値まで下がった段階で、コントローラ25は、減酸素セル22に対する電流の印加を停止して、減酸素運転を終了させる。
That is, the
第10実施形態の減酸素装置21及びこれを備えた冷蔵庫1は、以上の説明以外は図13に示されない構成を含めて第6実施形態と同じである。そのため、この第10実施形態においても、前記課題が解決されて、減酸素セル22が有するカソード33のカソード触媒層34の劣化を既述のように抑制することが可能である。
The
既述のようにいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他様々な形態で実施することが可能であり、例えば種々の省略、置き換え、変更を行うことが可能である。これとともに、これら実施形態やその変形は、発明の範囲に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲にも含まれる。 Although several embodiments have been described as described above, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and for example, various omissions, replacements, and changes can be made. At the same time, these embodiments and modifications thereof are included in the scope of the invention, and also included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
実施形態の減酸素装置は、野菜、食品等を高品位な状態を保って長期保存することが可能な業務用及び家庭用の冷蔵庫に適用できるとともに、酸素濃度に敏感な薬品、医療用材料、化学物質等の保存を行う冷蔵庫等に適用することができる。 The oxygen reduction device of the embodiment can be applied to commercial and household refrigerators that can preserve vegetables, foods, etc. in a high-quality state for a long period of time, and is sensitive to oxygen concentration, medicines, medical materials, It can be applied to refrigerators that store chemical substances.
1…冷蔵庫、2…冷蔵庫本体、3…減酸素室、4…減酸素箱、5…開閉部材、21…減酸素装置、22…減酸素セル、23…電源、24…電流計(電流計測手段)、25…コントローラ26…電圧計(電圧計測手段)、31…アノード、33…カソード、34…カソード電極、37…電解質膜、V1…第1電圧、V2…第2電圧、V3…第3電圧、I1…第1電流、I2…第2電流、I3…第3電流
DESCRIPTION OF
Claims (13)
第1電圧V1と、この電圧V1よりも高い第2電圧V2及び第3電圧V3のうちの少なくとも一方の電圧とを生成する電源と、
前記カソードでの減酸素反応を生成するために前記カソードとアノード間に前記第1電圧V1を印加させるとともに、この第1電圧V1の印加前又は印加後のうちの少なくとも一方において前記第1電圧V1よりも高い前記電圧を印加させるコントローラと、
を具備することを特徴とする減酸素装置。 A hypoxic cell comprising a cathode having a cathode catalyst layer, an anode, and an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, wherein the electrolyte membrane has proton conductivity;
A power supply that generates the first voltage V1 and at least one of the second voltage V2 and the third voltage V3 higher than the voltage V1,
In order to generate a hypoxic reaction at the cathode, the first voltage V1 is applied between the cathode and the anode, and at least one of the first voltage V1 before and after the application of the first voltage V1. A controller for applying the voltage higher than
An oxygen reduction device comprising:
前記第1電圧V1の印加前又は印加後のうちの少なくとも一方において前記第1電圧V1よりも高い前記電圧を印加することを特徴とする減酸素装置の運転方法。 Between the anode sandwiching the electrolyte membrane having proton conductivity and the cathode having the cathode catalyst layer, at least one of the first voltage V1 and the second voltage V2 and the third voltage V3 higher than the voltage V1. A method of operating a hypoxia device applied to generate a hypoxic reaction at the cathode, comprising:
A method of operating an oxygen reduction device, wherein the voltage higher than the first voltage V1 is applied before or after the application of the first voltage V1.
第1電流I1と、この電流I1よりも値が大きい第2電流I2及び第3電流I3のうちの少なくとも一方の電流とを生成する電源と、
前記カソードでの減酸素反応を生成するために前記カソードとアノード間に前記第1電流I1を印加するとともに、この第1電流I1の印加前又は印加後のうちの少なくとも一方において前記第1電流I1より値が大きい前記電流を印加させるコントローラと、
を具備することを特徴とする減酸素装置。 A hypoxic cell comprising a cathode having a cathode catalyst layer, an anode, and an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, wherein the electrolyte membrane has proton conductivity;
A power source for generating a first current I1 and at least one of a second current I2 and a third current I3 having a value larger than the current I1,
In order to generate a hypoxic reaction at the cathode, the first current I1 is applied between the cathode and the anode, and at least one of the first current I1 before and after the application of the first current I1. A controller for applying the current having a larger value;
An oxygen reduction device comprising:
前記第1電流I1の印加前又は印加後のうちの少なくとも一方において前記第1電流I1よりも値が大きい前記電流を印加することを特徴とする減酸素装置の運転方法。 Between the anode sandwiching the electrolyte membrane having proton conductivity and the cathode having the cathode catalyst layer, at least one of the first current I1 and the second current I2 and the third current I3 having a value larger than the current I1. One of the currents is a method of operating the oxygen reduction device applied to generate the oxygen reduction reaction at the cathode,
A method of operating an oxygen reduction device, wherein the current having a value larger than that of the first current I1 is applied before or after the application of the first current I1.
この冷蔵庫本体に前記減酸素箱を開閉可能に取付けられ、閉じられた状態で前記減酸素室を密閉状態に保持する開閉部材と、
請求項1から3及び請求項7から9のうちのいずれか一項に記載の減酸素装置であって、その減酸素セルのカソードが前記減酸素室内の酸素と反応するように前記減酸素セルが前記冷蔵庫本体に配設された前記減酸素装置と、
を具備することを特徴とする冷蔵庫。 A refrigerator body having an oxygen reduction box forming an oxygen reduction chamber;
An opening / closing member that is attached to the refrigerator main body so that the oxygen reduction box can be opened and closed, and that holds the oxygen reduction chamber in a closed state in a closed state;
10. The oxygen reduction device according to any one of claims 1 to 3 and claim 7 to 9, wherein the oxygen reduction cell is configured such that a cathode of the oxygen reduction cell reacts with oxygen in the oxygen reduction chamber. The oxygen reduction device disposed in the refrigerator body;
The refrigerator characterized by comprising.
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