JP6332820B2 - ガスクロミック調光機構 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクロミック調光機構に関する。

一般に、建物において窓（開口部）は大きな熱の出入り場所になっている。例えば、冬の暖房時の熱が窓から流失する割合は４８％程度であり、夏の冷房時に窓から熱が流入する割合は７１％程度にも達する。従って、窓における光及び熱を適切に制御することにより、膨大な省エネルギー効果を得ることができる。

調光機構は、このような目的で開発されたものであり、光及び熱の流入及び流出を制御する機能を有している。

このような調光機構に用いられる調光素子にはいくつかの種類があり、ガスクロミック材料や、エレクトロクロミック材料等が従来から検討されている。

調光素子としてガスクロミック材料を用いた調光機構は、ガラスや透明シートに、水素化と脱水素化により透過率が変化する薄膜材料を蒸着し、該薄膜材料を水素もしくは酸素を含むガスに晒すことで光の透過率のスイッチングを行うことができる。

例えば特許文献１には、対向して配置された一対の透明基材と、一対の透明基材の互いに対向する面のうち、一方または双方の面に形成され、水素化及び脱水素化により光学的特性が可逆的に変化する調光素子を有する調光部と、一対の透明基材間に水素含有気体を導入する水素供給手段と、一対の透明基材間から水素を除去する脱水素化手段と、を備えるガスクロミック調光部材が開示されている。ここで、一対の透明基材は、調光部を介して直接積層され、調光部を形成した領域において、対向する面が部分的に接している。

特許文献１に開示されたガスクロミック調光部材によれば、透明基材間にスペーサーを配置せず、調光部を介して直接積層した構成となっており、透明基材間の空間の容積が小さい。このため、調光素子を水素化する際に必要となる水素の量を少なくすることができる。

特開２０１４−１３４６７６号公報

ところで、調光素子としてガスクロミック材料を用いたガスクロミック調光機構において、調光素子を水素化する際に、空気をキャリアガスとして、水素と空気との混合ガス、すなわち水素−空気混合ガスを一対の透明基材間に導入する方法が用いられる場合がある。

このように、水素−空気混合ガスを一対の透明基材間に導入した場合、一対の透明基材間に水素と酸素とが共存するため、水素と酸素との反応により水が発生し、一対の透明基材間で結露が生じる場合がある。また、周辺の湿度が高く、取り込んだ空気の湿度が高い場合には特に一対の透明基材間で結露を生じ易くなっていた。

上述の特許文献１に開示されたガスクロミック調光部材においては、一対の透明基材間の隙間が狭いことから、一対の透明基材間の水蒸気圧が、特に飽和水蒸気圧を超え易くなっており、結露が発生しやすい。そして、調光素子の材料によっては水に弱いため、一対の透明基材間で結露が生じると性能が低下する場合があった。

一対の透明基材間に水素と酸素とが併存するために、水素と酸素とが反応して生じる結露については、水素濃度を調整することにより、結露の発生を抑制することができる。

しかしながら、周辺の湿度が高いために、取り込んだ空気の湿度が高い場合には、水素濃度を調整するのみでは、一対の透明基材間に結露が生じることを抑制することが困難であった。

上記従来技術の問題に鑑み、本発明の一側面では、周辺の湿度が高い環境下においても一対の透明基材間に結露が生じることを抑制できるガスクロミック調光機構を提供することを目的とする。

本発明の一側面では、対向して配置された一対の透明基材、及び前記一対の透明基材の互いに対向する面のうち、一方または双方の面に形成され、水素化及び脱水素化により光学的特性が可逆的に変化する調光部を有するガスクロミック調光部材と、前記一対の透明基材間に、水素−空気混合ガスを供給する水素−空気混合ガス供給手段と、を備えており、前記水素−空気混合ガス供給手段は、水素と、空気とを混合する混合器と、高分子電解質膜、及び前記高分子電解質膜に陽極として設けられた多孔性の電極を有する電気分解セルと、空気の流路上に前記多孔性の電極が配置され、前記混合器に空気を供給する空気供給手段と、を有するガスクロミック調光機構を提供する。

本発明の一側面によれば、周辺の湿度が高い環境下においても一対の透明基材間に結露が生じることを抑制できるガスクロミック調光機構を提供することができる。

本発明の実施形態に係るガスクロミック調光機構の説明図である。 本発明の実施形態に係る水素回収及び供給手段を設けた電気分解セルの説明図である。 本発明の実施形態に係るガスクロミック調光機構の他の構成例の説明図である。 実施例に係るスイッチング機構の説明図（上面図）である。 実施例に係るスイッチング機構の説明図（横側面図）である。 実施例に係るスイッチング機構の説明図（下面図）である。 実施例に係るスイッチング機構の説明図（縦側面図）である。 実施例に係るガスクロミック調光部材の説明図（上面斜視図）である。 実施例に係るガスクロミック調光部材の説明図（断面図）である。 実施例に係るガスクロミック調光部材の説明図（下面斜視図）である。 実施例に係るガスクロミック調光部材の隙間の相対湿度の変化を示す図である。 実施例に係る電気分解セルに５Ｖの電圧を印加した際に流れる電流の変化を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

本実施形態では、本発明のガスクロミック調光機構の一構成例について説明する。

本実施形態のガスクロミック調光機構は、対向して配置された一対の透明基材、及び一対の透明基材の互いに対向する面のうち、一方または双方の面に形成され、水素化及び脱水素化により光学的特性が可逆的に変化する調光部を有するガスクロミック調光部材を備えることができる。本実施形態のガスクロミック調光機構はさらに、一対の透明基材間に、水素−空気混合ガスを供給する水素−空気混合ガス供給手段と、を備えることができる。

そして、水素−空気混合ガス供給手段は、水素と空気とを混合する混合器と、電気分解セルと、空気供給手段とを有することができる。

電気分解セルは、高分子電解質膜、及び高分子電解質膜に陽極として設けられた多孔性の電極を有することができる。また、空気供給手段は、空気の流路上に電気分解セルの多孔性の電極が配置され、混合器に空気を供給することができる。

図１に本実施形態のガスクロミック調光機構１０の断面を模式的に示した説明図を示す。なお、図１は、ガスクロミック調光機構１０に含まれるガスクロミック調光部材１１の一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂの積層方向と平行な平面での断面図を示している。

以下に、図１を用いつつ、本実施形態のガスクロミック調光機構１０に含まれる各部材について説明する。

まず、ガスクロミック調光部材１１について説明する。

ガスクロミック調光部材１１は既述のように、対向して配置された一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ、及び調光部１２を有することができる。なお、説明の便宜上、一方の透明基材を第１の透明基材１１１Ａ、他方の透明基材を第２の透明基材１１１Ｂと呼ぶ場合もある。

図１においては、第１の透明基材１１１Ａ、第２の透明基材１１１Ｂの厚さ、大きさが異なる構成を示しているが、係る形態に限定されるものではなく、両者の厚さ及び大きさが同じであっても良く、厚さ及び大きさのいずれか一方が異なる構成であってもよい。また、例えば透明基材１１１Ａの透明基材１１１ｂに対向する表面に調光部を形成することもできる。

第１、第２の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂの形状は、図１のような平板形状に限定されるものではなく、その面内に例えば曲面や球面を有していてもよく、その形状は任意の形状とすることができる。

透明基材１１１Ａ、１１１Ｂの材質としては特に限定されるものではないが、ガスクロミック調光機構１０のガスクロミック調光部材１１において用いる部材であり、可視光を透過させる部材であることから、可視光の透過率の高い材料が好ましい。このため、例えば透明基材１１１Ａ、１１１Ｂは、ガラスおよび／またはプラスチックであることが好ましい。プラスチックとしては例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等を好ましく用いることができる。

透明基材１１１Ａ、１１１Ｂはその材質によらず、厚さは特に限定されるものではなく、ガスクロミック調光部材１１に要求される厚さや強度に応じて選択することができ、シート状、薄板、厚板いずれの状態であっても良い。

また、透明基材１１１Ａ、１１１Ｂには必要に応じて、水素−空気混合ガス供給手段１４等と接続するための開口部を設けることもできる。開口部の数や形状等は特に限定されるものではなく、任意の数、形状、サイズの開口部を設けることができる。なお、透明基材１１１Ａ、１１１Ｂの面上に開口部を設けた場合、視認性に影響を与える恐れがあるため、用途によっては透明基材１１１Ａ、１１１Ｂの側面側に、透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間と連通するように配管等を接続した構成とすることもできる。

次に調光部１２について説明する。

調光部１２の材質、構成については特に限定されるものではなく、調光部１２が有する調光素子が水素化及び脱水素化により、その光学的特性を可逆的に変化させるものであればよい。

水素化、脱水素化により可逆的に光学的特性が変化する調光素子の材料として、２つのタイプの材料が知られており、具体的には、「調光ミラー薄膜」と呼ばれる反射型調光体と、吸収型調光体とが知られている。本実施形態のガスクロミック調光機構１０の調光素子としては、反射型調光体および／または吸収型調光体を用いることができる。

反射型調光体は、水素化、脱水素化を行うことにより、透明な状態と、光を反射する鏡の状態とをスイッチングすることができる。一方、吸収型調光体は、水素化、脱水素化を行うことにより、透明な状態と、着色した、光を透過しない状態とをスイッチングすることができる。

反射型調光体の調光素子としては、例えばマグネシウム合金薄膜を好ましく用いることができ、吸収型調光体の調光素子としては、例えば遷移金属酸化物薄膜を好ましく用いることができる。このため、調光素子として、マグネシウム合金薄膜および／または遷移金属酸化物薄膜を好ましく用いることができる。

反射型調光体の調光素子としては、上記の様にマグネシウム合金薄膜を好ましく用いることができ、特に、マグネシウムと遷移金属のマグネシウム合金薄膜をより好ましく用いることができる。中でも、耐久性の観点から、マグネシウム・ニッケル合金薄膜またはマグネシウム・イットリウム合金薄膜をさらに好ましく用いることができる。なお、マグネシウム・ニッケル合金薄膜またはマグネシウム・イットリウム合金薄膜は、例えば後述のように該薄膜上に触媒層としてパラジウム薄膜を蒸着により形成して用いることもできる。

吸収型調光体の調光素子としては、上記の様に遷移金属酸化物薄膜を好ましく用いることができ、特に、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化クロム、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化チタンから選択された１以上の材料を含む遷移金属酸化物薄膜をより好ましく用いることができる。中でも着色効率の観点から酸化タングステン（ＷＯ_３）薄膜をさらに好ましく用いることができる。例えば吸収型調光体として、酸化タングステン薄膜を用いた場合、水素化することで透明状態から濃い青色に変化することができる。酸化タングステン薄膜についても、例えば後述のように該薄膜上に触媒層としてパラジウム薄膜を蒸着により形成して用いることもできる。

調光素子の厚さについては特に限定されるものではなく、要求される光の透過の程度等に応じて選択することができる。例えば、反射型調光体の場合には１つの調光素子の膜厚が３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、吸収型調光体の場合には、１つの調光素子の膜厚が３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、１つの調光素子の膜厚とは、複数の調光素子を有する構成とした場合に、それぞれの調光素子の厚さを意味している。

調光素子の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法、ゾルゲル法等により形成することができ、透明基材の対向する一方または双方の面に形成することができる。

調光素子は一層のみからなる構成とすることもできるが、二層以上を積層した構成とすることもできる。二層以上積層する場合には、反射型調光体および吸収型調光体いずれか一方のみを含む構成とすることもでき、両方のタイプの調光素子を含むように構成することもできる。

また、調光部１２は、上述した水素化及び脱水素化により光学的特性が可逆的に変化する調光素子と、調光素子の水素化及び脱水素化反応の触媒機能を有する触媒層と、を備えている構成とすることが好ましい。これは、このような構成とすることにより、調光素子の水素化、脱水素化反応の反応速度を速めることができるためである。具体的には、例えば、第１の透明基材１１１Ａ上に調光素子を成膜した場合、調光素子の表面のうち、第１の透明基材１１１Ａと対向しない側の面、すなわち第２の透明基材１１１Ｂと対向する側の面に触媒層を形成（積層）することが好ましい。

触媒層の材料としては、調光素子の水素化、脱水素化反応の反応速度を速めることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、パラジウムおよび／または白金の薄膜であることが好ましい。

触媒層の膜厚は特に限定されるものではなく、コストや、要求される反応速度の向上の程度により任意に選択することができるが、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。

触媒層の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法等により形成することができる。

さらに、調光素子と触媒層との間には、調光素子の成分と触媒層の成分とが相互拡散することを防止するためのバッファー層が設けられ、触媒層の表面には、水素を透過し調光素子の酸化を防止する保護膜が設けられている構成とすることがより好ましい。すなわち、調光部１２は、調光素子、触媒層に加えて、バッファー層、及び保護膜を有することができる。係る構成を有することにより、水素化、脱水素化のスイッチングの繰り返しに対するガスクロミック調光部材１１の耐久性を高めることができる。

バッファー層としては、調光素子の（金属）成分と触媒層の成分とが相互拡散することを防止することができるものであれば特に限定されるものではない。例えば、チタン、ニオブ、タンタル、又はバナジウムの金属薄膜を用いることができる。

バッファー層の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法等により形成することができる。

また、保護膜としては、水素透過性及び撥水性を有する層を好ましく用いることができる。保護膜には、水素（プロトン）に対して透過性の特性を、水に対して非透過性（撥水性）の特性を有する材料を好ましく用いることができる。例えば、保護膜には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、酢酸セルロース等のポリマーや、酸化チタン薄膜等の無機薄膜を好ましく用いることができる。

保護膜は、ポリマーの膜の場合には例えばポリマーを分散させた分散液を塗布、乾燥する方法により、無機薄膜の場合には例えば無機物をスパッタリング法により成膜する方法により形成することができる。

図１においては、調光部１２が一方の第１の透明基材１１１Ａに形成された例を示しているが、係る形態に限定されるものではない。たとえば第１の透明基材１１１Ａ側に設けず、第２の透明基材１１１Ｂに形成することもできる。また、第１の透明基材１１１Ａ、及び第２の透明基材１１１Ｂの両方に調光部１２を形成することもできる。

第１の透明基材１１１Ａ、及び第２の透明基材１１１Ｂを対向させ、固定する方法は特に限定されるものではないが、例えば、固定部材１３により固定することができる。

固定部材１３としては、一対の透明基材を固定できる部材であれば良く特に限定されるものではないが、例えば各種接着剤や、テープ部材を用いることができる。

第１の透明基材１１１Ａと、第２の透明基材１１１Ｂと、を固定部材１３により固定する際、第１の透明基材１１１Ａと第２の透明基材１１１Ｂとの間の距離は特に限定されず、任意の距離とすることができる。ただし、透明基材間の距離を短くすることで、水素化を行う際に必要となる水素の量を少なくすることができ、短時間で調光部１２のスイッチングを行うことが可能になる。このため、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間にはスペーサーを配置せず、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂは、調光部１２を介して直接積層され、調光部１２を形成した領域において、対向する面が部分的に接していることが好ましい。

次に水素−空気混合ガス供給手段１４について説明する。

ガスクロミック調光機構１０の周辺の湿度が高い日には、水素のキャリアガスとして用いる空気の湿度も高くなる。特に一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間の隙間が狭い場合、該隙間に発生した水蒸気の量が少なくても、隙間中の水蒸気圧が高くなり、容易に飽和水蒸気圧を超えてしまう。このため、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に結露が発生し、調光部１２の性能が低下する場合があった。

そこで本実施形態のガスクロミック調光機構１０では、水素−空気混合ガスを水素−空気混合ガス供給手段１４により一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に供給する際に、水素と混合する空気中の水蒸気を予め低減するように構成できる。そして、湿度が低下した水素−空気混合ガスを供給することで、周囲の湿度によらず、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間で結露が発生することを抑制することができる。

本実施形態のガスクロミック調光機構１０に設けた水素−空気混合ガス供給手段１４は、水素と、空気とを混合する混合器１４１と、電気分解セル１４２と、空気供給手段１４３とを有することができる。

そして、電気分解セル１４２は、高分子電解質膜１４２１と、高分子電解質膜に陽極として設けられた多孔性の電極１４２２とを有することができる。

また、空気供給手段１４３は空気の流路上に多孔性の電極１４２２が配置され、混合器１４１に空気を供給することができる。

水素−空気混合ガス供給手段１４において、空気中の水蒸気の除去には陽極として多孔性の電極１４２２を付けた電気分解セル１４２を用いることができる。電気分解セル１４２は、高分子電解質膜１４２１に陽極として多孔性の電極１４２２を取り付けた構造を有することができる。係る電気分解セル１４２は、多孔性の電極１４２２が空気中の水蒸気を水として吸着するため、例えば電圧印加手段１４２４により電極間に３Ｖ程度の電圧を印加すると、吸着された水を酸素と水素に分解することができる。空気を供給している間、電圧印加手段１４２４により電圧をかけ続けることで、空気供給手段１４３により供給された空気中の水蒸気の吸着と吸着された水の分解が連続的に起こり、空気中の湿度を下げることができる。分解で発生した酸素は陽極側で気体となり空気と混じる。また、発生した水素は陰極側に移動し、陰極に接している空気中の酸素と反応して水蒸気になる。

電気分解セル１４２の高分子電解質膜１４２１としては特に限定されるものではないが、例えばナフィオン（登録商標）膜等を好ましく用いることができる。

また、多孔性の電極１４２２の材料は特に限定されるものではなく、導電性を有し、空気中の水蒸気が吸着するのに適した細孔を有する材料であればよい。例えば白金めっきしたチタンメッシュ等を好ましく用いることができる。また、多孔性の電極１４２２は、水蒸気の吸着性能を十分に高めるために、その表面に触媒を塗布していることが好ましい。この際、用いる触媒は特に限定されるものではないが、例えばβ型の二酸化鉛等を好ましく用いることができる。

電気分解セル１４２において陰極１４２３の構成については特に限定されるものではなく、任意の構成とすることができるが、例えば陽極と同様に、多孔性の電極を配置することができる。また、陰極１４２３はカーボンペーパーの表面に白金を担持したカーボン粉で触媒層を形成したものを積層した構造とすることもできる。

空気供給手段１４３は小型ポンプ等により、空気の取り込み口から空気を取り込み、混合器１４１に空気を供給することができる。そして、空気の取り込み口から混合器１４１に至る空気の流路上に、上記電気分解セル１４２の陽極として設けた多孔性の電極１４２２を配置し、多孔性の電極１４２２と空気とが接触するように構成することが好ましい。このように構成することにより、空気取り込み口から取り込まれた空気中の水蒸気が、上述のように電気分解セル１４２の陽極として設けた多孔性の電極１４２２に吸着、分解され、湿度を下げた空気を混合器１４１に供給することができる。

なお、図１に示したガスクロミック調光機構１０においては空気の流路の一部において、空気の進行方向の断面の一部を塞ぐように多孔性の電極１４２２を設けた例を示しているが、係る形態に限定されるものではない。例えば空気の流路の一部において、空気の進行方向と垂直な断面全体を塞ぐように多孔性の電極１４２２を設けることもできる。

一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間で結露が生じないように、電気分解セル１４２において空気中の水蒸気を除去する程度、すなわち除湿を行う程度については特に限定されず、例えば取り込んだ空気の湿度や、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間の距離等に応じて任意に選択できる。

例えば、除湿を行う際、電気分解セル１４２の高分子電解質膜１４２１に加える電力を抑制しつつ、より確実に結露の発生を抑制するため、取り込んだ空気、又は周辺の空気の湿度を湿度計で測定し、測定値に基づいて電気分解セル１４２に印加する電力を調整してもよい。

また湿度計等を用いずに、電気分解セル１４２に印加した電圧と電流の関係から湿度に関する情報を得ることもできる。例えば取り込んだ空気の湿度が低い場合、電気分解セル１４２に所定の電圧を加えた際、最初は大きな電流が流れるが短時間で減衰する。これに対して、取り込んだ空気の湿度が高い場合、電気分解セル１４２に所定の電圧を加えた際、電流が減衰するのに要する時間が長くなる。

従って、電気分解セル１４２、具体的には高分子電解質膜１４２１に電圧を印加した際の電流の挙動から取り込んだ空気の湿度、すなわち周辺の湿度を見積もることができる。このように電気分解セル１４２は除湿を行いながら湿度センサとしても機能させることができる。このため、湿度計を特に設けず、電気分解セル１４２を湿度センサとして用い、電気分解セル１４２により検出した湿度に基づいて、取り込んだ空気から水蒸気を除去する程度、すなわち電気分解セル１４２の運転条件を選定するように設定することもできる。

そして、混合器１４１において、湿度を下げた空気と、水素供給手段１５から供給された水素とを混合し、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に供給することができる。混合器１４１において、湿度を下げた空気と、水素供給手段１５から供給された水素とを混合する方法は特に限定されるものではなく、例えば、図１に示すようにＴ字の配管から構成することもできる。また、各種気体の混合器を採用することもできる。

以上に本実施形態のガスクロミック調光機構１０の構成例について説明したが、本実施形態のガスクロミック調光機構１０は、さらに任意の構成を有することができる。

例えば、電気分解セルに電圧をかけると、水蒸気が発生するが、高分子電解質膜１４２１の陰極１４２３側から発生した水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超えると結露が起こり、水が発生する。本実施形態のガスクロミック調光機構１０は、この発生した水を回収する水回収手段をさらに有することができる。

水回収手段の構成は特に限定されないが、例えば図１に示すように、電気分解セル１４２の陰極１４２３側に発生した水を回収するためのカバー１４２５と、カバー１４２５の内表面に析出した水分を回収する水回収部１４２６とを有することができる。

図１に示すように電気分解セル１４２の陰極１４２３側にカバー１４２５をつけて陰極１４２３が狭い空間に接するようにして高分子電解質膜１４２１に電圧をかけると、陰極１４２３側の空間に水蒸気が放出される。このため、既述のように陽極である多孔性の電極１４２２側に空気を送り込み、陰極１４２３側の空間が狭い場合には水蒸気が凝縮され、陰極１４２３側のカバー１４２５により形成した空間の湿度が上がる。

そして、陰極１４２３側にカバー１４２５により形成した空間の湿度が上がり、飽和水蒸気圧を超えると結露が起こり、カバー１４２５の内壁に水滴が付着する。該水滴が水回収部１４２６に落ちることで陰極１４２３側に発生した水を回収することができる。

この際、カバー１４２５の内壁に析出した水滴を回収しやすいように、カバー１４２５の内壁に超撥水コートを施しておくことが好ましい。また、カバー１４２５の外表面に冷却手段を設けることで、内部の空間の飽和水蒸気圧を下げることで、カバー１４２５の内壁に結露による水滴が析出しやすくすることもできる。冷却手段としては特に限定されないが、例えばカバーｅｒ１ａｓ４２５として空冷のためのフィンを有した金属を用いると、まわりの空気により自然に冷却され結露を生じやすくなり、液体の水を回収することができる。

なお、陰極１４２３側の酸素が不足すると、陰極１４２３では水蒸気ではなく水素が発生することになる。このため、カバー１４２５を形成する際に、陰極１４２３に酸素を継続的に供給できるように開口部を形成しておくことが好ましい。

ガスクロミック調光機構１０では調光部１２の水素化を行うため水素が必要であり、特に大面積の調光部１２を水素化する場合、多くの水素が必要となる。ところが、水素は気体であるため取扱性に問題がある。

そこで、特に大面積の調光部１２を水素化する場合には、液体の水を電気分解して水素を供給するように構成することが好ましい。そして、上述のように電気分解セル１４２において発生した水を水回収手段により捕集し、水素発生用の水とすることで、液体の水を補充する必要がなくなり、メンテナンスフリーとなって利便性をさらに向上させることができる。

なお、後述のように、液体の水を電気分解して、調光部１２を水素化するための水素を供給する場合には、液体の水を電気分解するための電気分解セルをさらに有することができる。この場合、例えば電気分解セルの陰極側で、水の電気分解により発生した水素を集め、混合器１４１に水素を供給するように構成できる。

また、水素−空気混合ガス供給手段１４は、高分子電解質膜１４２１の陰極１４２３側から発生した水素を回収し、混合器１４１に水素を供給する水素回収及び供給手段をさらに有することができる。

上述したように、陽極として多孔性の電極１４２２をつけた電気分解セル１４２に電圧をかけると、陽極側に接した空気中の水蒸気を分解し、陰極１４２３側から水蒸気を放出する。しかし、これは陰極１４２３側に酸素が接している場合で、酸素が無い場合には陰極１４２３側からは水素が発生する。

ここで図２に、電気分解セル２０の陰極１４２３側に水素回収及び供給手段２１を設けた場合の断面構成例を示す。なお、図２においては、水素回収及び供給手段２１を設けた電気分解セル２０の部分を拡大して示しておりその他の部材については記載を省略している。

図２に示すように、水素回収及び供給手段２１は、図１のカバー１４２５の場合よりも陰極１４２３と水素回収及び供給手段２１とで囲まれる空間に対する酸素の供給を抑制できるよう、できるだけ内部の容積が小さくなるようにすることが好ましい。係る構成を有することで、電気分解セル２０に電圧を印加した直後は陰極１４２３と水素回収及び供給手段２１とで囲まれた空間内に存在していた酸素によって水蒸気が生じるが、該空間内の酸素が消費されると水素が発生するようになる。このため、水素回収及び供給手段２１は係る水素を回収し、既述の混合器１４１に水素を供給し、調光部１２の調光素子を水素化する際に用いることができる。

また、多くの水素を発生するためには、水素発生用の電気分解セル２０の陽極側が湿っていることが望ましい。例えば陽極としての多孔性の電極１４２２に接するように、吸湿剤を置くことで、空気中の湿度をより多く捕捉し、電極面を湿らせることができる。吸湿剤としては、ゼオライト、ハスクレイ（登録商標）、シリカゲル等が有効である。通常、吸湿剤は水を一旦吸ってしまうとそれ以上の吸収を行わなくなってしまうが、本構造のように、一端が電気分解セル２０の電極に接しているとその部分の水分が分解されて回生が起こるため、吸着と分解を同時に作用させ水の捕集と水素の発生を効率よく行うことができる。

また、本実施形態のガスクロミック調光機構は、電気分解セル１４２で発生した熱を回収し、調光部１２を加熱する、熱回収及び加熱手段をさらに有することもできる。

熱回収及び加熱手段の構成は特に限定されるものではないが、例えば電気分解セル１４２の外表面に熱を回収するための配管を設置するとともに、ガスクロミック調光部材１１の周縁に加熱するための配管を設置し、両配管を接続する構成とすることができる。そして、電気分解セル１４２の外表面に配置した配管と、ガスクロミック調光部材１１の周縁に配置した配管との間で空気を循環させることで、熱回収及び加熱手段を構成することができる。

調光部１２に含まれる調光素子を加熱することにより、調光素子の反応速度を速めることができる。また、調光素子の温度が０℃以下の場合、水素化、脱水素化の反応が進行しにくくなるが、このような場合でも、熱回収及び加熱手段により調光素子を加熱することで水素化、脱水素化の反応を進行させることができる。

また、本実施形態のガスクロミック調光機構は、例えば図３に示すガスクロミック調光機構３０のように、もう１つの電気分解セル（以下、「第２電気分解セル」とも記載する）３１を設けることもできる。なお、図３中、図１と同じ部材については同じ番号を付している。

第２電気分解セル３１は、既述の電気分解セル（以下、「第１電気分解セル」とも記載する）１４２と同様に、陽極として設けられた多孔性の電極３１１と、高分子電解質膜３１２、陰極３１３とを有することができ、陰極３１３には例えば水素回収及び供給手段３２を設けることができる。

第２電気分解セル３１の各部材について説明する。

陽極として設けられた多孔性の電極３１１の材料は特に限定されるものではなく、導電性を有し、空気中の水蒸気が吸着するのに適した細孔を有する材料であることが好ましい。また、多孔性の電極３１１の表面には触媒を塗布していることが好ましい。多孔性の電極３１１の材料や、その表面に好適に塗布できる触媒については、第１電気分解セル１４２の多孔性の電極１４２２において説明したものと同様の材料、触媒を好適に用いることができる。このため、ここでは説明を省略する。

高分子電解質膜３１２についても、高分子電解質膜１４２１の場合と同様に構成することができ、例えばナフィオン（登録商標）膜等を用いることができる。

陰極３１３の構成については特に限定されるものではなく、任意の構成とすることができるが、例えば陽極と同様に、多孔性の電極を配置することができる。また、陰極３１３はカーボンペーパーの表面に白金を担持したカーボン粉で触媒層を形成したものを積層した構造とすることもできる。

なお、多孔性の電極３１１、と陰極３１３との間に電圧を印加する電圧印加手段３１４を設けることもできる。

既述のように第１電気分解セル１４２を供給する空気中の水分を除去する除湿器として用いた場合、陰極１４２３側から水蒸気が発生する。なお、陰極１４２３から継続して水蒸気が発生するように、図３に示したように陰極１４２３に空気を供給することが好ましい。そして、発生した水蒸気を第２電気分解セル３１の陽極である多孔性の電極３１１側に供給し、第２電気分解セル３１で電気分解を行うことで、水素回収及び供給手段において説明したように、陰極３１３側で水素を発生させることができる。発生した水素は、水素回収及び供給手段３２により回収し、混合器１４１に供給することができる。

このように、空気中の水蒸気を第１電気分解セル１４２で電気分解して除湿するとともに、発生した水蒸気を捕集して第２電気分解セル３１で水素を発生させることができる。このため、第１電気分解セル１４２、及び第２電気分解セル３１のみで調光部１２の水素化のための水素−空気混合ガスを供給し、調光部１２の水素化を行うことが可能になる。

また本実施形態のガスクロミック調光機構は、調光部１２の脱水素化を行う脱水素化手段をさらに有することもできる。

脱水素化手段の構成は特に限定されるものではない。ガスクロミック調光部材１１では、透明基材との間隙中の水素濃度が数％以下になると調光部１２の脱水素化がおこる。脱水素化手段として、例えば一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に連通して設けられた開口部を設けることができる。水素の供給を止めると、開口部から水素が自然拡散し、水素濃度が下がって調光部１２の脱水素化が起こる。該開口部については常に解放した構成とすることもできる。この場合、調光部１２の水素化の際には該開口部から流出する水素を加味した量の水素を供給するように構成できる。また、該開口部に所望のタイミングで開閉できるようにバルブ等を設けておくこともできる。さらに該開口部にポンプ等を接続し、強制的に水素を含まない空気を導入して水素を素早く排出することも可能である。

脱水素化手段の他の構成として、既述の水素−空気混合ガス供給手段１４を用いる構成とすることもできる。水素−空気混合ガス供給手段１４を脱水素化手段として用いる場合、図１に示したガスクロミック調光機構１０の場合、混合器１４１において、水素供給手段１５からの水素の供給を止め、湿度を下げた空気のみを供給するように構成することが好ましい。

以上に説明した本実施形態のガスクロミック調光機構においては、水蒸気を低減した空気を一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に供給できる。このため、周辺の湿度の高い環境下であっても、一対の透明基材１１１Ａ、１１１Ｂ間に結露が生じることを抑制しつつ、調光素子を水素化できる。

［ガスクロミック調光機構４０］
図４Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに示すガスクロミック調光機構４０を構成した。なお、図４Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ上面図、横側面図、下面図及び縦側面図である。

電気分解セル２０では陰極１４２３側に酸素が存在すると、水素は発生せず水蒸気が発生する。そこで、陰極１４２３の凹みに薄いシリコンゴム４１を挿入して空気層を埋め、この空間に含まれている酸素が少なくなるようにした。シリコンゴム４１は、水素をよく通すため、このようにしても水素を取り出すことができ、酸素がある場合に発生する水蒸気の量を抑え、効率的に水素を取り出すことができる。ただ、このような構造にしても、電気分解セル２０に電圧を印加した直後は、酸素が残っており、水蒸気が発生するので、水素を取り出すパイプに三方弁４２を取り付け、しばらくの間は発生した水蒸気を下側の大気中に放出できるようにした（図４Ｄ参照）。電気分解セル２０に電圧を印加してから２０秒程経過すると水蒸気の発生が止まり、水素が発生するようになるので、三方弁４２を切り替えて上側に水素を出し、空気と混合して、ガスクロミック調光部材１１の隙間に水素−空気混合ガスを導入する。

陽極としての多孔性の電極１４２２側にはプラスチック製のカバー４３を取り付け、小型ポンプ４４を用いて下側から空気を入れ、陽極としての多孔性の電極１４２２に触れることで水蒸気を除去して湿度を下げる（図４Ｄ参照）。その後、上側から乾燥した空気を取り出し、水素と混合して、ガスクロミック調光部材１１の隙間に水素−空気混合ガスを導入する。

［ガスクロミック調光部材１１］
図５Ａ、Ｂ及びＣに示すガスクロミック調光部材１１を作製した。なお、図５Ａ、Ｂ及びＣは、それぞれ上面斜視図、断面図及び下面斜視図である。

透明基材１１１ＢとしてはＢ４サイズ、厚さ０．５ｍｍのポリカーボネートシートを用いた。スパッタリング法を用いて、反射型調光体の調光素子１２１としての、厚さ約４０ｎｍのＭｇ_０．５Ｙ_０．５薄膜及び触媒層１２２としての、厚さ約７ｎｍのパラジウム薄膜を透明基材１１１Ｂ上に順次蒸着して調光部１２を形成し、調光シートを得た。このとき、蒸着した調光部１２は鏡状態になっていた。

作製した調光シートを、透明基材１１１Ａとしての、厚さ５ｍｍの透明アクリル板にスペーサー無しで密着させ、調光シートの４辺をシール材５１で封止した。このように調光シートを透明基材１１１Ａに密着させても、幅０．１ｍｍ程度の隙間が自動的に形成され、この隙間の中に気体を導入することができる。透明基材１１１Ａの下部中央に気体を導入するパイプを取り付け、スイッチング機構４０を接続した。透明基材１１１Ａの上部中央には逆止弁５２を取り付けた。また、透明基材１１１Ａの中央部には隙間の相対湿度を測定するための湿度センサ５３も取り付けた。

［スイッチング］
まず、電気分解セル２０に５Ｖの電圧を印加し、小型ポンプ４４を動かして流量１００ｓｃｃｍの空気をガスクロミック調光部材１１の隙間に送り込んだ。この際、三方弁４２は下側に開放し、はじめの内、発生する水蒸気を逃がすようにした。

図６に、ガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度の変化を示す。この際の室温は２４℃で、飽和水蒸気圧は３０ｈＰａである。従って、相対湿度は、隙間内の水蒸気圧をこの飽和水蒸気圧で割った値になっている。

図６から、ガスクロミック調光部材１１の隙間の電気分解セル２０に電圧を印加する前の相対湿度は、室内の相対湿度とほぼ同じで、６０％程度であることがわかる。次に、電気分解セル２０に電圧を印加すると、空気中に含まれる水蒸気が、電気分解セル２０のプラスチック製のカバー４３の中を通る間に、多孔性の電極１４２２に吸着されるため、空気の相対湿度が下がる。この乾燥した空気を送り込むことで、ガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度が下がる。

電気分解セル２０に電圧を印加してから２０秒後に三方弁４２を上側に切り替えることにより、陰極１４２３側で発生した水素を乾燥した空気と混合して、ガスクロミック調光部材１１の隙間に水素−空気混合ガスを導入した。これにより、ガスクロミック調光部材１１の隙間の水素濃度が１０％程度になり、鏡状態のＭｇ_０．５Ｙ_０．５薄膜が水素化されて透明状態になる。この水素の導入により、水蒸気圧は少し上昇するが、電気分解セル２０に電圧を印加する前のレベルを超えない。

もし、乾燥した空気と混合せずに水素を導入した場合には、混合ガス中の水素がパラジウム薄膜の触媒作用で燃焼して水蒸気が発生し、ガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度が上昇する。ガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度が８０％を超えると、結露が発生し、調光素子であるＭｇ_０．５Ｙ_０．５薄膜が溶解して穴が開いてしまう。

本実施例では、予めガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度を下げているために、水素の導入により水蒸気が発生しても、ガスクロミック調光部材１１の隙間の相対湿度が８０％を超えることはなく、結露が発生しない。

本実施例では、電気分解セル２０が、水蒸気の除去と水素の発生という二つの働きを同時に行っている。

ここで、小型ポンプ４４を止め、電気分解セル２０への電圧の印加も止めると、逆止弁５２により水素が封止され、透明状態が保たれる。

一方、小型ポンプ４４で空気を送り込むと、ガスクロミック調光部材１１の隙間の水素濃度が下がり、透明状態のＭｇ_０．５Ｙ_０．５薄膜が脱水素化されて鏡状態に戻る。

図７に、電気分解セル２０に５Ｖの電圧を印加した際に流れる電流の変化を示す。

図７から、最初１Ａ程度の大きな電流が流れ、すぐに減衰するが、やがて一定の値に落ち着くことがわかる。時間８０秒で上側に切り替えていた三方弁４２を下側に戻したが、これにより電気分解セル２０の陽極としての多孔性の電極１４２２側に酸素が入り一旦電流値が下がるが、その酸素が消費されるとまた元の電流値に戻る。

この一定状態になった電流の値は室内の湿度を反映しており、この場合は、室内の相対湿度が約６０％であり、電流の値は０．３５Ａで落ち着く。一方、室内の相対湿度が８０％程度及び４０％程度である場合、電流の値は、それぞれ０．６Ａ程度及び０．２Ａ程度で落ち着く。このため、電流の値により室内の湿度を知ることができる。

本国際出願は、２０１４年１２月２６日に出願された日本国特許出願２０１４−２６５７３７号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１４−２６５７３７号の全内容を本国際出願に援用する。

１０、３０、４０ ガスクロミック調光機構
１１ ガスクロミック調光部材
１１１Ａ、１１１Ｂ 透明基材
１２ 調光部
１４ 水素−空気混合ガス供給手段
１４１ 混合器
１４２、２０、３１ 電気分解セル
１４２１、３１２ 高分子電解質膜
１４２２、３１１ 多孔性の電極
１４２３、３１３ 陰極
１４２４、３１４ 電圧印加手段
１４２５ カバー
１４２６ 水回収部
１４３ 空気供給手段
１５ 水素供給手段
２１、３２ 水素回収及び供給手段

Claims (4)

1. 対向して配置された一対の透明基材、及び前記一対の透明基材の互いに対向する面のうち、一方または双方の面に形成され、水素化及び脱水素化により光学的特性が可逆的に変化する調光部を有するガスクロミック調光部材と、
   前記一対の透明基材間に、水素−空気混合ガスを供給する水素−空気混合ガス供給手段と、を備えており、
   前記水素−空気混合ガス供給手段は、水素と、空気とを混合する混合器と、高分子電解質膜、及び前記高分子電解質膜に陽極として設けられた多孔性の電極を有する電気分解セルと、空気の流路上に前記多孔性の電極が配置され、前記混合器に空気を供給する空気供給手段と、を有するガスクロミック調光機構。
2. 前記水素−空気混合ガス供給手段は、前記高分子電解質膜の陰極側から発生した水素を回収し、前記混合器に水素を供給する水素回収及び供給手段をさらに有する請求項１に記載のガスクロミック調光機構。
3. 前記高分子電解質膜の陰極側から発生した水を回収する水回収手段をさらに有する請求項１に記載のガスクロミック調光機構。
4. 前記電気分解セルで発生した熱を回収し、前記調光部を加熱する熱回収及び加熱手段をさらに有する請求項１に記載のガスクロミック調光機構。

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