JP3747728B2 - 電気分解式ガス変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた電気化学反応にもとづく電気分解式ガス変換装置に関し、さらに詳しくは、固体高分子電解質膜を挟んで陽極と陰極を対峙させて直流電圧を印加し、電気化学反応によって、空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガス等に変換する、例えばオゾン発生装置、酸素発生装置、水素発生装置、除湿装置などのような、電気分解式ガス変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7は、例えば特開平11−131276号公報に示された従来の電気分解式ガス変換装置の1つであるオゾン発生装置の構成図である。図において、1は導電性多孔体からなる陽極基材に陽極触媒層を有する陽極、2は導電性多孔体からなる陰極基材に陰極触媒層を有する陰極、3は固体高分子電解質膜であり、固体高分子電解質膜3の表裏に陽極1と陰極2を配置して熱圧着することにより電気化学素子接合体8が形成される。4は陽極1に設けた陽極端子、5は陰極2に設けた陰極端子、6は直流電源、7は直流電源6と陽極1および陰極2を結ぶ結線である。なお、陽極1には、例えば白金メッキ下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル基材にβ型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが用いられ、陰極2には、例えば多孔質なカーボン繊維基材に、白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固体高分子電解質をバインダーとして固着したものが用いられる。
【0003】
次に動作について説明する。電気化学素子接合体8に直流電源6により例えば3Vの電圧が印加されると、陽極1と固体高分子電解質膜3の接合面において、電気化学反応式(1)および(2)により、空気中に含まれる水分が電気分解されてオゾンガスと酸素ガスおよび電子が生成されると同時に水素イオンが生成される。
2H2O→O2+4H++4e (1)
3H2O→O3+6H++6e (2)
【0004】
このようにして生成されたオゾンガスおよび酸素ガスは多孔質な陽極1を通って外気に流出する。一方、生成された水素イオンは固体高分子電解質膜3を通って陰極2に移動し、陰極2と固体高分子電解質膜3との接合面において、水素イオンと空気中の酸素ガスおよび結線7を通って陰極2に導かれた電子とが反応して水が生成され、多孔質な陰極2を通って外気に流出する。
【0005】
なお、電気化学素子接合体8を酸素ガス発生または除湿のために用いる場合、すなわち電気分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置である場合には、電気化学素子接合体8の陽極1には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陽極から酸素が発生すると共に陰極の背面から水が放出する。また、水素ガス発生に用いる場合、陽極1および陰極2には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陰極において水素ガスが発生される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の電気分解式ガス変換装置は、例えばオゾン発生装置の場合は、空気中に含まれる水分を電気化学素子接合体8により電気分解してオゾンガスを生成するものであるため、外気湿度が変化するとオゾン発生量が変化し、安定なオゾン発生量が得られないという問題があった。また、湿度が高くなるとオゾン発生量が多くなり過ぎて人体に悪影響を与える恐れがあるといった問題があった。
また、従来の他の電気分解式ガス変換装置である除湿装置や酸素ガス発生装置や水素ガス発生装置においても、オゾン発生装置の場合と同様に空気中に含まれる水分を電気化学素子接合体8により電気分解してガス変換するものであるため、外気湿度の変化に伴ってガス変換量が変化し、安定なガス変換量が得られないという問題があった。
【0007】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、湿度などの外気環境が変化した場合にも、過剰なガス発生等がなく安定なガス変換量を維持できる電気分解式ガス変換装置を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湿度条件を種々に変化させて従来の電気分解式ガス変換装置のガス変換量と印加電圧および電気化学素子接合体に流れる電流の関係を鋭意検討した結果、電気化学素子接合体に流れる電流を一定に維持することによってガス変換量を一定に維持できることを見出してなされた。
【0009】
本発明に係る電気分解式ガス変換装置は、導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源を電気的に接続したものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生装置を例に説明する。図1は、本発明の実施の形態1による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。図において、1は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極、2は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陰極、3は固体高分子電解質膜、4は陽極1に設けた陽極端子、5は陰極2に設けた陰極端子、6は直流電源、8は固体高分子電解質膜3の表裏に陽極1と陰極2を配置して熱圧着により形成した電気化学素子接合体、11は例えばPNP型トランジスタ、12はPNP型トランジスタ11のエミッタ、13はベース、14はコレクタ、15はエミッタ12とベース13の間を流れる電流、16はコレクタ14に流れるコレクタ電流、17は抵抗、18は直流電源6とPNP型トランジスタ11および抵抗17から成る直流定電流電源である。直流電源6の低電位側出力とPNP型トランジスタのコレクタ14との間に電気化学素子接合体8を接続し、エミッタ12を他方の直流電源6の出力に接続している。また、直流電源6の低電位側出力とPNP型トランジスタのベース13との間に抵抗17を接続している。
本実施の形態ではPNP型トランジスタ11と抵抗17とで電気化学素子接合体8に流れる電流が一定値となるように制御する手段を構成している。
なお、陽極1には、例えば白金メッキ下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル基材にβ型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが用いられ、陰極2には、例えば多孔質なカーボン繊維基材に、白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固体高分子電解質をバインダーとして固着したものが用いられる。
【0011】
図2は、実験結果であり、温度20℃において直流電源6により電気化学素子接合体8(陽極1と陰極2が対峙してなす電気化学反応面積は4cm2)に3Vの電圧を印加した場合の、電気化学素子接合体8の電気化学反応面積1cm2当たりのオゾン発生量および電流密度と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
また、図3は、本実施の形態の効果を実証するために実施した実験結果であり、直流定電流電源18により電気化学素子接合体8に直流電圧3Vを印加するとともに例えば5mA/cm2(図中A)および15mA/cm2(図中B)の一定の電流を流した場合の、電気化学素子接合体8の電気化学反応面積1cm2当たりのオゾン発生量と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
また、図4は、実験結果であり、温度20℃、相対湿度60%における電気化学素子接合体8の電気化学反応面積1cm2当たりのオゾン発生量および電流密度と印加電圧との関係を示す特性図である。
【0012】
次に動作について説明する。図2に示したように、電気化学素子接合体8のオゾン発生量および電流密度は外気湿度が高くなると増加し、オゾン発生量は電気化学素子接合体8を流れる電流の増加に追随して増加する。そこで、図1に示すように直流電源6とPNP型トランジスタ11および抵抗17からなる直流定電流電源18により、湿度が高くなった場合にも電気化学素子接合体8に一定の電流を流すようにした。
【0013】
すなわち、図1の回路において、PNP型トランジスタ11のエミッタ12とベース13間には直流電源6の出力電圧を抵抗17の抵抗値とベース13とエミッタ12間の抵抗値の和で除した値の電流15が流れるが、このエミッタ電流はPNP型トランジスタ11のコレクタ14側に設けられた電気化学素子接合体8の特性に影響されずに一定となる。従って、コレクタ14にはエミッタ12とベース13間を流れる電流15にPNP型トランジスタ11の増幅倍率を乗じた一定の電流16が流れるので、電気化学素子接合体8には一定の電流が流れる。このように、直流定電流電源18の抵抗17に流れる電流15を一定に維持すれば、電気化学素子接合体8に一定の電流を流すことができる。なお、電気化学素子接合体8に流す電流値はトランジスタ11と、直流電源6の電圧値と、抵抗17の抵抗値とを適切に選定することにより設定することができる。
【0014】
なお、上記の直流定電流電源18の直流電源6は、交流を直流電圧に変換する機能を備えた回路を有するもの、または複数の乾電池等の1次電池または再充電が可能な二次電池等を用いてよい。
【0015】
次に本実施の形態の効果について説明する。図3に示したように、直流定電流電源18により電気化学素子接合体8に直流電圧3Vを印加するとともに、電流を5mA/cm2(図中A)または15mA/cm2(図中B)に一定に調節した結果、オゾン発生量は外気の相対湿度が40%〜ほぼ100%に変化しても、過剰なオゾン発生が防止されるとともに安定なオゾン発生量を維持できる効果が得られた。
【0016】
なお、上記実施の形態では電気化学素子接合体8の陽極1と陰極2が対峙してなす電気化学反応面積を4cm2としたが、実験結果によれば電気化学反応面積は4cm2に限らず、これより小さくてもまたは大きくても同様の効果が得られた。
【0017】
また、上記実施の形態では電気化学素子接合体8に流れる電流を5mA/cm2および15mA/cm2で一定とたが、これに限るものではなく、5mA/cm2と15mA/cm2の間の定電流密度、5mA/cm2より低い定電流密度、または15mA/cm2より高い定電流密度に設定しても同様の効果が得られた。
【0018】
また、上記実施の形態では直流定電流電源18により電気化学素子接合体8に直流電圧3Vを印加した場合について説明したが、図4に示したように電気化学素子接合体8のオゾン発生量および電流密度は印加電圧によって変化し、印加電圧が1.5V〜4.5Vの範囲で大きく変化する特性があることが見出された。
従って、電気化学素子接合体8のオゾン発生量および電流密度が急激に変化する1.5V〜4.5Vの印加電圧の範囲で電気化学素子接合体8に流れる電流を一定に制御するのが好ましい。さらには、オゾン発生量および電流密度がより急激に変化する1.5V〜3.5Vの範囲で電気化学素子接合体8に流れる電流を一定に制御するのがより好ましい。
【0019】
また、直流電源6を複数の乾電池とする場合、例えば印加電圧を高いオゾン発生量が得られる3Vよりも低い電圧にするととともに5mA/cm2〜10mA/cm2程度の定電流密度に設定すると、オゾン発生量は印加電圧が3Vの場合よりも低下するが乾電池の交換時期をより長くできる効果が得られる。
【0020】
また、上記実施の形態ではオゾン発生装置について説明したが、酸素ガス発生装置や除湿のための除湿装置や水素ガス発生装置においても、電気化学素子接合体8の動作原理および駆動条件がオゾン発生の場合と同様であり、本実施の形態を適用することができる。すなわち、電気化学素子接合体8に直流電圧が印加されるとともに一定の電流が流れるように構成することにより、湿度などの外気環境の変化に対しても過剰なガス発生が生じることなく安定なガス変換量を維持できる効果が得られる。
なお、電気化学素子接合体8を酸素ガス発生または除湿のために用いる場合、すなわち電気分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置である場合には、電気化学素子接合体8の陽極1には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陽極から酸素が発生すると共に陰極の背面から水が漏出する。また、水素ガス発生に用いる場合すなわち電気分解式ガス変換装置が除湿装置である場合には、陽極1および陰極2には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陰極において水素ガスが発生される。
【0021】
実施の形態2.
上記実施の形態1においては、電流を一定にするためのトランジスタとしてPNP型トランジスタを用いたが、図5に示すようにNPN型トランジスタを用いても同じ効果が得られる。図5は本発明の実施の形態2による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図であり、図において、20はNPN型トランジスタ、21は直流電源6とNPN型トランジスタ20および抵抗17からなる直流定電流電源である。この場合、直流電源6の高電位側出力とNPN型トランジスタのコレクタ14との間に電気化学素子接合体8を接続し、エミッタ12を直流電源6の低電位側の出力に接続する。また、直流電源6の高電位側出力とNPN型トランジスタのベース13との間に抵抗17を接続する。
【0022】
実施の形態3.
図6は本発明の実施の形態3による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。本実施の形態は、電気化学素子接合体8に実際に流れる電流を検出するとともにそれを一定に制御するものである。図において、30は電気化学素子接合体8に流れる電流を検出するための抵抗、31はゼナーダイオード、32、33は例えばPNP型のトランジスタ、34は抵抗、35は電気化学素子接合体8に流れる電流を一定に制御する直流定電流電源である。また、Rfは抵抗30の抵抗値、Ifは電気化学素子接合体8に流れる電流である。
【0023】
次に、上記のように構成された本発明の実施の形態3による電気分解式ガス変換装置の動作について説明する。電気化学素子接合体8は、経時変化によって抵抗が増大し流れる電流Ifが減少するが、抵抗30の抵抗値Rfは予め分かっているので、電気化学素子接合体8に流れる電流Ifは、抵抗30の両端で電圧(Rf×If)を測定することにより容易に検出することができる。したがって、この電圧を測定することにより電気化学素子接合体8の取り替え時期を知ることができる。また、この電流Ifに比例した電圧値がゼナーダイオード31のゼナー電圧と比較され、その差に応じた電流がトランジスタ32のベース13の電流となり、電流Ifが所要値より大きくなろうとすればこのベース13の電流値が小さくなって、結果としてトランジスタ33のベース13の電流値が小さくなる。これに伴い、トランジスタ33のエミッタ12の電流すなわち電気化学素子接合体8の電流値がより小さくなろうとし、結果として電気化学素子接合体8の電流値は所要の一定値とすることができる。
【0024】
このように、本実施の形態では、電気化学素子接合体8に実際に流れる電流を検出できるので、電気化学素子接合体8の取り替え時期を知ることができ、しかも、電気化学素子接合体8に実際に流れる電流の変化に対応してそれをより精度良く一定に制御することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源が電気的に接続されているので、湿度やなどの外気環境の変化に影響されず、過剰なガス発生がなく安定なガス変換量を維持できる電気分解式ガス変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係り、電気化学素子接合体のオゾン発生量および電流密度と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
【図3】 本発明の実施の形態1に係り、電気化学素子接合体に流れる電流密度を一定に制御した場合の、オゾン発生量と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
【図4】 本発明の実施の形態1に係り、電気化学素子接合体のオゾン発生量および電流密度と印加電圧との関係を示す特性図である。
【図5】 本発明の実施の形態2による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図6】 本発明の実施の形態3による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図7】 従来の電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【符号の説明】
1 陽極、2 陰極、3 固体高分子電解質膜、4 陽極端子、5 陰極端子、6 直流電源、8 電気化学素子接合体、11,32,33 PNP型トランジスタ、12 エミッタ、13 ベース、14 コレクタ、17,30,34 抵抗、18,21,35 直流定電流電源、20 NPN型トランジスタ、31
ゼナーダイオード、32、33 PNP型トランジスタ。
Claims (3)
- 導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源が電気的に接続されていることを特徴とする電気分解式ガス変換装置。
- 直流定電流電源は、直流電源とPNP型トランジスタと抵抗とで構成されていることを特徴とする請求項1記載の電気分解式ガス変換装置。
- 直流定電流電源は、直流電源とNPN型トランジスタと抵抗とで構成されていることを特徴とする請求項1記載の電気分解式ガス変換装置。
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