JP3276584B2

JP3276584B2 - 湿度検出方法

Info

Publication number: JP3276584B2
Application number: JP14146797A
Authority: JP
Inventors: 元中谷; 四郎山内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2002-04-22
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JPH10332631A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、空気や他のガス
中の空間における湿度検出方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は特開昭６０−３６９４７号公報に
示された従来の感湿素子としての固体電解素子の斜視図
である。図９において、高分子固体電解質の膜１と、膜
１の両面にガス透過性の電極触媒としての電極２、３及
び直流電圧を印加する陽極４及び陰極５が一体に接合さ
れて、固体電解素子６が構成されている。

【０００３】上記構成において、両極４、５間に例えば
３．５Ｖの直流電圧を印加すると、湿度と電流との関係
は１０％〜１００％の範囲で良好な直線関係が得られ
る。そして、陽極４において、Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁺＋１／２
Ｏ₂＋２ｅの反応が生じ、生成したＨ⁺は膜１を通って
陰極５に移動して、２Ｈ⁺＋２ｅ→Ｈ₂の反応が起こ
る。このときに流れる電流は、上記のように分解される
水分の量に比例する。従って、導通電流を計測すること
により、固体電解素子の周囲のガス雰囲気における湿度
を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、固体電解質の
膜を使用した場合には、温度が変化すると相対湿度が同
じであっても電流値が変化するので、精度よく検出する
ことが困難であるという問題点があった。

【０００５】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、温度の変化を考慮した湿度検出
方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る湿
度検出方法は、水素導電性イオンの固体電解質の膜を陽
極と陰極とで挟持して両極間に直流電圧を印加し、陽極
側で電解反応により酸素を発生し、陰極側で還元反応す
る固体電解素子を空間に配置し、空間の相対湿度をＨ、
固体電解質の電流をＩ、温度Ｔのときの膜の飽和電流密
度をＪ（Ｔ）及び膜の面積をＳとしたとき、式（３）に
より電流Ｉを制御して空間の湿度を検出するものであ
る。Ｈ＝Ｉ／（Ｊ（Ｔ）・Ｓ）・・・・・（３）

【０００７】請求項２の発明に係る湿度検出方法は、膜
に直流電圧を印加して２０分間以上経過して膜に流れる
電流を検出するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は実施の形態１の構成図である。図１において、７
は固体電解質の膜で、例えば水素イオン導電性の固体電
解質として、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナフィ
オン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）ー１１７を使用する。
８、９は多孔質基材で、金属繊維の織布もしくは不織
布、金属の粉末焼結体、カーボン繊維、金属多孔板、エ
キスパンドメタル等を使用する。１０、１１は触媒層
で、多孔質基材８、９と膜７との食い込み部に白金黒等
が３次元的に分布している。

【０００９】なお、多孔質基材８と触媒層１０とで陽極
１２を構成し、多孔質基材９と触媒層１１とで陰極１３
を構成している。さらに、膜７と各極１２、１３とをホ
ットプレスにより一体化して固体電解素子１４を構成し
ている。１５は固体電解素子１４の陽極１２と陰極１３
との間に接続された直流電源、１６は膜７の電流を検出
する電流検出手段、１７は温度検出手段、１８は相対湿
度を算出する演算手段である。

【００１０】次に動作について説明する。図１におい
て、両極１２、１３間に直流電源１５から電圧を印加す
ると、陽極１２側の水が電気分解されて式（５）の反応
により酸素が発生する。２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・・・（５）このときに発生する水素イオン（Ｈ⁺）は膜７を通って
陰極１３に達する。また電子（ｅ^-）は電流電源１５を
接続した外部回路を通って陰極１３に達する。そして、
式（６）の反応により陰極１３側の酸素を消費して水を
発生する。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・・・（６）さらに、水素イオン（Ｈ⁺）とともに１〜３分子の複数
の水分子が陽極１２側から陰極１３側へ移動する。

【００１１】この電気分解における膜７の電圧−電流特
性は、図２に示すように電圧が３Ｖで膜７に流れる電流
が飽和する。そして、図２に示す飽和電流値Ｉは式
（７）で与えられる。Ｉ＝Ｊ（Ｔ）・Ｓ・Ｈ・・・・・（７）ここで、Ｊ（Ｔ）は温度Ｔにおける飽和電流密度、Ｓは
膜の有効面積、Ｈは大気又はガス中などの空間の相対湿
度である。そして、上記式（７）から相対湿度Ｈは式
（８）により検出できる。Ｈ＝Ｉ／Ｊ（Ｔ）・Ｓ・・・・・（８）また、飽和電流密度Ｊ（Ｔ）は図３に示すように温度に
依存した曲線として得られる。

【００１２】そこで、演算手段１８において、電流検出
手段１６で検出した電流Ｉ、温度検出手段１７で検出し
た温度Ｔ及び予め分かっている膜７の面積Ｓとから、相
対湿度Ｈを式（８）により算出する。なお、温度制御さ
れた室内等のように設定温度が分かっている場合には、
設定温度を演算手段１８に設定しておくことにより温度
検出手段１７は不要となる。

【００１３】以上のように、温度Ｔに依存した膜７の飽
和電流密度Ｊ（Ｔ）を使用することにより、相対湿度Ｈ
を精度よく検出することができる。

【００１４】参考例１．図４は参考例１．の構成図である。図４において、７〜
１６は実施の形態１のものと同様のものである。１９は
固体電解素子１４の陽極１２側を包囲した空間で、相対
湿度をＨ₁に制御される。２０は固体電解素子１４の陰
極１３側を包囲した空間で、相対湿度をＨ₂とする。２
１は空間１９の温度を検出する温度検出手段、２２は空
間２０の湿度を検出する湿度検出手段、２３は演算手段
で、電流Ｉ、温度Ｔ及び相対湿度Ｈ₂が入力され、直流
電源１５を制御する。

【００１５】次に動作について説明する。図４におい
て、両極１２、１３間に直流電源１５から直流電圧を印
加すると、陽極１２側の水が電気分解されて式（９）の
反応により酸素が発生すると共に、空間１９内の湿度が
低下する。２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・・・（９）このときに発生する水素イオン（Ｈ⁺）は膜７を通って
陰極１３に達する。また、電子（ｅ^-）は電流電源１５
を接続した外部回路を通って陰極１３に達する。そし
て、式（１０）の反応により陰極１３側の酸素を消費し
て水を発生する。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・・・（１０）さらに、水素イオン（Ｈ⁺）とともに１〜３分子の複数
の分子が陽極１２側から陰極１３側へ移動する。

【００１６】この電気分解における膜７の電圧−電流特
性は、図２に示すように電圧が３Ｖで膜７に流れる電流
が飽和する。そして、図２に示す飽和電流値Ｉは式（１
１）で与えられる。Ｉ＝Ｊ（Ｔ）・Ｓ・（Ｈ₁＋Ｈ₂）／２・・・・・（１１）ここで、Ｊ（Ｔ）は温度Ｔにおける飽和電流密度、Ｓは
膜７の有効面積、Ｈ₁は空間１９の相対湿度、Ｈ₂は空
間２０の相対湿度である。なお、飽和電流密度Ｊ（Ｔ）
実施の形態１のものと同様に図３に示す温度に依存した
曲線となる。

【００１７】図５は空間１９の湿度を４０％と５０％の
間に制御する湿度制御方法を示す説明図である。図４及
び図５において、空間１９の容積１ｍ³、固体電解素子
１４の面積Ｓ＝１００ｃｍ²、膜７の厚さ１８０μｍ、
温度は２０℃一定、空間１９、２０の初期相対湿度が
０．８（８０％）のときの制御状態を示す。

【００１８】まず、図５（ａ）に示すように空間１９の
湿度を４０％と５０％の間に制御する場合、時間ｔｏに
おいて直流電源１５から固体電解素子１４に図５（ｂ）
に示すように電圧３Ｖを印加する。最初は図５（ｃ）に
示すように突入電流が流れるが、約２０分後に電流値が
平衡して４．２Ａとなる。温度Ｔ＝２０℃におけるＪ
（Ｔ）＝５２ｍＡ／ｃｍ²、Ｓ＝１００ｃｍ²及びＨ₁
＝Ｈ₂＝０．８を式（１１）に代入すると、電流Ｉは
４．２Ａとなる。

【００１９】次に、図５（ａ）に示すように空間１９の
湿度を４０％と５０％の間に制御する場合について説明
する。Ｈ₁＝０．４、Ｈ₂＝０．８を式（１１）に代入
すると、電流Ｉが３．２Ａとなる。従って、時間ｔ₁に
おいてＩ＝３．２Ａまで電流が低下したら電圧を３Ｖか
ら０Ｖにする。そして、所定時間が経過したら、例えば
図５（ｂ）に示すように演算手段２３の指令により５時
間後の時間ｔ₂からｔ₃の間に、直流電源１５により電
圧３Ｖを固体電解素子１４に印加して２０分経過後に電
流を測定する。この場合、空間１９が湿度が５０％のと
きの電流Ｉは、Ｈ₁＝０．５、Ｈ₂＝０．８を式（１
１）に代入すると、３．４Ａとなる。従って、時間ｔ₃
において電流が３．４Ａに達していない場合には印加電
圧を０Ｖにする。時間ｔ₄において、固体電解素子１４
に電圧を３Ｖ印加して電流値を測定する。ここで、電流
が３．４Ａに達しているので、電圧を３Ｖ印加した状態
を継続して空間１９の除湿を行う。そして、時間ｔ₅に
おいて電流が３．２Ａに達したとき、固体電解素子１４
への印加電圧を３Ｖから０Ｖにして動作を停止させる。

【００２０】以上のように、固体電解素子１４の膜７に
流れる電流を測定することにより空間１９の湿度を検出
して、印加電圧を制御することにより空間１９の湿度を
制御することができる。

【００２１】参考例１において、陽極１２側を空間１９
側に配置して空間１９の除湿を行う場合について説明し
たが、陰極１３を空間１９側に配置することにより空間
１９への加湿を行うことができる。

【００２２】また、空間１９の温度及び空間２０の湿度
が予め判っている場合には、演算手段２３に記憶させて
おくことにより、温度検出手段２１及び湿度検出手段２
２は設ける必要がない。

【００２３】さらに、固体電解素子１４の膜７に流れる
電流は、直流電圧を印加してから約２０分後に平衡する
ものとして説明したが、平衡に達する時間は膜７の厚さ
にほぼ比例する。

【００２４】参考例２．図６は参考例２の構成図、図７は図６の要部を示す断面
図である。図６及び図７において、２４は図８に示す水
素導電性イオンの固体電解質を使用した厚さが３００μ
ｍの膜で、例えばデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナ
フィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７を使用す
る。２５、２６は触媒層で、膜２４と同じ固体電解質の
粉末を含んだ溶液に触媒としての白金黒を混合して、白
金黒の量が１ｍｇ／ｃｍ²となる厚さで膜２４に塗布又
は吹き付ける。２７、２８は水透過性を有する厚さが１
００μｍの多孔質基材で、チタンのエキスパンドメタル
に白金メッキした網目間のピッチが３ｍｍである。触媒
層２５と多孔質基材２７とで第１の電極１９を構成し、
触媒層２６と多孔質基材２８とで第２の電極３０を構成
している。

【００２５】なお、膜２４と各極２９、３０とは、１８
０℃の温度、５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で３分間のホット
プレスにより、互いに物理的に一体化すると共に電気的
に接合され、固体電解素子３１を構成している。３２は
各電極２９、３０間に直流電圧を印加する直流電源で、
出力電圧が３Ｖに設定されている。３３は切換手段で、
直流電源３２から各電極２９、３０に印加される電圧の
正負を逆に切り換える。３４は第１の空間で、固体電解
素子３１の第１の電極２９側が配置されている。３５は
第２の空間で固体電解素子３１の第２の電極３０側が配
置されている。３６は第１の空間３４の湿度を検出する
湿度検出手段、３７は演算手段で、湿度検出手段３６か
らの湿度検出信号により切換手段３３を作動させる。

【００２６】次に動作について説明する。図６及び図７
において、固体電解素子３１の第１の電極２９に正電圧
を印加して第２の電極３０に負電圧を印加すると、第１
の電極２９側では水が式（１２）により電気分解されて
第１の空間３４の湿度が低下する。２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・・・（１２）このときに発生する水素イオン（Ｈ⁺）は、膜２４を通
る。また、電子（ｅ^-）は直流電源３２を接続した外部
回路を通って第２の電極３０に達する。そして、式（１
３）の反応により第２の空間３５側の酸素を消費して水
を発生させる。この水は水蒸気として第２の空間３５内
に発散する。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ・・・・・（１３）

【００２７】そして、湿度検出手段３６の湿度検出信号
により演算手段３７が所定の湿度に達したと判断する
と、直流電源３２の出力を０Ｖにする指令を出す。さら
に、第１の空間３４内の湿度が低くなりすぎた場合に
は、湿度検出手段３６の検出信号により演算手段３７が
判断して、切換手段３３を作動させて第１の電極２９へ
負電圧を印加し、第２の電極３０に正電圧を印加させ
る。この結果、第１の空間３４側に配置された第１の電
極２９側で式（１２）の反応が起こり、第１の空間３４
内が加湿される。そして、演算手段３７が湿度検出手段
３６からの湿度検出信号により湿度が所定の値に達した
と判断すると、直流電源３２の出力電圧を０Ｖにして、
加湿動作を停止させる。

【００２８】以上のように、固体電解素子３１の各電極
２９、３０へ印加する電圧の正負を逆に切り換えられる
ようにしたことにより、第１の空間３４内の除湿及び加
湿を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、相対湿度を
Ｈ、固体電解質の電流をＩ、温度Ｔのときの飽和電流密
度をＪ（Ｔ）及び固体電解質の膜の面積をＳとしたと
き、Ｈ＝Ｉ／Ｊ（Ｔ）・Ｓにより相対湿度を検出するこ
とにより、温度Ｔが変化しても温度に依存した飽和電流
密度Ｊ（Ｔ）を使用して検出するので、相対湿度を精度
よく検出することができる。

【００３０】請求項２の発明によれば、固体電解質の膜
に直流電圧を印加して２０分間以上経過して電流を計測
することにより、精度よく電流Ｉを検出することができ
るので、湿度検出の精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１の構成図である。

【図２】図１の膜の電圧−電流特性を示す説明図であ
る。

【図３】温度Ｔと飽和電流密度Ｊ（Ｔ）との関係を示
す説明図である。

【図４】この発明の参考例１の構成図である。

【図５】図４の制御状態を示す説明図である。

【図６】この発明の参考例２の構成図である。

【図７】図６の要部を示す断面図である。

【図８】図６に使用する固体電解質の分類を示す説明
図である。

【図９】従来の感湿素子の構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

７，２４膜、１２陽極、１３陰極、１４，３１
固体電解素子、２５，２６触媒層、２７，２８多孔
質基材、２９第１の電極、３０第２の電極、３２
直流電源、３３切換手段、３４第１の空間、３５
第２の空間。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−34357（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−36947（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−28856（ＪＰ，Ａ) 特開平６−288975（ＪＰ，Ａ) 特開平６−288974（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−273443（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−65349（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/416

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオン導電性の固体電解質の膜を陽
極と陰極とで挟持して上記両極間に直流電圧を印加し
て、上記陽極側で電解反応により酸素を発生し、上記陰
極側で還元反応する固体電解素子を空間に配置し、上記
空間の相対湿度をＨ、上記固体電解質の電流をＩ、温度
Ｔのときの上記膜の飽和電流密度をＪ（Ｔ）及び上記膜
の面積をＳとしたとき、式（１）により電流Ｉを制御し
て上記空間の湿度を検出することを特徴とする湿度検出
方法。Ｈ＝Ｉ／（Ｊ（Ｔ）・Ｓ）・・・・・（１）
【請求項２】膜に流れる電流は、上記膜に直流電圧を
印加して２０分間以上経過した計測値であることを特徴
とする請求項１に記載の湿度検出方法。