JPH0663343A - 固体高分子電解質膜を用いた除湿素子 - Google Patents
固体高分子電解質膜を用いた除湿素子Info
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- JPH0663343A JPH0663343A JP4218072A JP21807292A JPH0663343A JP H0663343 A JPH0663343 A JP H0663343A JP 4218072 A JP4218072 A JP 4218072A JP 21807292 A JP21807292 A JP 21807292A JP H0663343 A JPH0663343 A JP H0663343A
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Abstract
良好に保たれ、また機械的安定性の高い除湿素子を得
る。 【構成】 陽極1および陰極2は触媒層11と多孔質な
基材12とを備え、基材が固体高分子電解質膜3に食い
込んでいると共にこの食い込み部に触媒層が形成されて
いる。また、陽極と陰極に加えてプロトンから水素を発
生し逆に発生した水素を再びプロトンに変換する中間極
を備え、中間極の基材も固体高分子電解質膜3に食い込
んでいると共にこの食い込み部に触媒層が形成されてい
る。
Description
いた電気化学的除湿素子に関する。
14号公報に示された電気化学的除湿素子の構成図であ
り、図6において、1は陽極、2は陰極、3は固体高分
子電解質膜、4は集電体、5は除湿室、6は外部直流電
源、7は押え板、8はボルト、9はナットである。固体
高分子電解質膜3としては、たとえばデュポン(DuP
ont)社製のナフィオン(Nafion)ー117
(登録商標)などが用いられており、その公称厚みは約
170μmである。
る。陽極1では外部電力により水が電気分解されて式
(1)の反応がおこり除湿室5の湿度が低下する。 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (1) このとき発生するプロトン(H+)は固体高分子電解質
膜3を通り、電子(eー)は外部回路を通って陰極2に
達し、式(2)の反応により酸素を消費して水を発生す
る。 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2) さらに上記プロトン(H+)とともに平均3分子程度の
水が陽極1から陰極2へ移動する。したがって陰極2で
は式(2)の反応により生成する水とともに、さらに余
分の水が陽極1から移動し除湿室5の湿度を低下させ
る。
上のように構成されているので、陽極1および陰極2と
集電体4を密着させるために全体に面圧をかける必要が
あり、面圧をかけるための押え板7やボルト8・ナット
9などの押え治具が必要なため、重くなる、嵩張るなど
の問題点があった。
ためになされたもので陽極1および陰極2と集電体4を
密着させるための押え治具を省くことのできる除湿素子
を得ることを目的とする。
る固体高分子電解質膜を用いた除湿素子は、陽極および
陰極は触媒層と多孔質な基材とを備え、上記基材が固体
高分子電解質膜に食い込んでいると共にこの食い込み部
に上記触媒層が形成されているものである。
カーボン繊維で構成したものである。
成されその端部が紐状に加工されると共に電流端子に接
続されているものである。
し、上記貫通孔の中に固体高分子電解質膜の一部が食い
込んでいるものである。
子電解質膜を用いた除湿素子は、水を電解して酸素を発
生する陽極と、プロトンから水素を発生し逆に発生した
水素を再びプロトンに変換する中間極と、水を発生して
酸素を消費する陰極と、上記陽極および中間極並びに上
記中間極および陰極間に挟持された2枚の固体高分子電
解質膜とからなり、陽極での水の消費を用いて除湿を行
う電気化学的除湿素子であって、上記陽極、陰極および
中間極は触媒層と多孔質な基材とを備え、上記基材が固
体高分子電解質に食い込んでいると共にこの食い込み部
に上記触媒層が形成されているものである。
体高分子電解質膜に食い込んでいるので、押え治具等を
省略しても、固体高分子電解質膜と基材との密着が良好
に保たれ、また機械的変形を防止することができる。
カーボン繊維で構成すれば、電気抵抗を少なくかつ機械
的強度を高めることができる。
よび陰極端部を紐状に加工して電流端子に接続すれば、
電極基材への配線および配線工程が簡略化できる。
この貫通孔の中に固体高分子電解質膜を食い込ませれ
ば、固体高分子電解質膜と基材との密着がさらに良好と
なる。
水素を発生し逆に発生した水素を再びプロトンに変換す
る中間極を備えこの中間極の基材も固体高分子電解質膜
に食い込んでいるので、第1の発明における作用に加え
て、中間極で水分の逆流が阻止できるので、除湿効果を
高めることができる。
来と同一または相当部分には同一符号を付してこの発明
の一実施例を説明する。
実施例の構成を示す断面図である。図1において、1は
触媒層11と多孔質な基材12とからなる陽極であり、
2は同じく触媒層11と基材12とからなる陰極であ
る。触媒層11は薄膜で、3次元的に基材12の中に分
布しており、図1ではこの基材12の中に3次元的に分
布している触媒層11を波線で表している。3は上記陽
極と上記陰極に挟持されこれらの基材12が食い込んだ
固体高分子電解質膜である。基材12と固体高分子電解
質膜3の大きさはいずれも105mm×105mmであ
り、基材12の厚さは約0.2mm、固体高分子電解質
膜3の厚さは170μm、食い込み深さは50μmであ
った。なお、触媒層11はこの食い込み部に分布してい
る。多孔質な基材12としては金属繊維の織布あるいは
不織布もしくは粉末焼結体、またはカーボン繊維等の電
気伝導性のあるものが考えられる。次にこの除湿素子の
製造方法について説明する。固体高分子電解質膜3とし
て従来例と同様にナフィオンー117を用い、多孔質な
基材12として例えばステンレス繊維を用い、触媒層1
1として白金黒を含むペーストをステンレス繊維12に
塗布した後190℃、50Kgf/cm2でホットプレ
スすることにより除湿素子を形成した。
度80%、外部電圧3Vの条件で除湿性能を調べた。図
2は従来の除湿素子と本実施例の除湿素子の除湿性能の
評価試験結果である。図2の破線24は陰極2側の外部
大気湿度で恒温恒湿槽で35℃、相対湿度80%に保持
されている。曲線21は従来の除湿素子の除湿性能を示
す除湿室の湿度変化、曲線22は図1の実施例による除
湿素子の除湿性能を示す除湿室の湿度変化である。図に
おいて横軸は時間であり、湿度の低下が早いもの程、除
湿性能が高い。従って、実施例は従来の除湿素子よりも
除湿性能が高くなっていることがわかる。これは、基材
12の固体高分子電解質膜3への食い込みにより触媒層
11が変形して3次元的に凹凸状に分布して有効反応面
積が増大したことによる効果と考えられる。
した後100℃で乾燥する操作を3回繰り返したが、基
材12と固体高分子電解質膜3は全く分離せず、性能も
維持していること、すなわち押え治具等を省略しても、
固体高分子電解質膜3と基材12との密着が良好に保た
れ、また機械的変形を防止することができるを確認し
た。
る除湿素子の一実施例の構成を示す断面図である。図3
の実施例では固体高分子電解質膜3は2枚に分割されて
おり(31と32)間に電気伝導性のある多孔質な基材
に触媒を担持した中間極10が設けられている。図3の
中間極10には陽極側の固体高分子電解質膜31と陰極
側の固体高分子電解質膜32(13と14)がそれぞれ
食い込んでいるが、この図においては中間極10の食い
込み部に形成された触媒層の記載は簡略化のため省略し
た。また中間極10の膜への食い込みに関しては例えば
13の部分の食い込みを省略するなどのように工程の都
合上、一方の面において食い込みを省略することも可能
である。なお、図3の実施例では中間極10には基材の
厚さ方向の全域に触媒が担持されているが、必ずしも全
域に担持する必要はなく、喰い込み部13と14の領域
に触媒が存在していればよい。
は、中間極10では陽極側13で式(3)の反応がおこ
りプロトンが消費され水素が発生する。 2H+ + 2e- → H2 (3) 一方 、中間極10の陰極側14では式(4)の反応が
おこり、逆に水素が消費されてプロトンが発生する。 H2 → 2H+ + 2e- (4) 式(3)や式(4)の反応がおこるのは、中間極10で
のプロトンの移動抵抗が大きいために電気化学的な電位
勾配を生じ、一方水素からプロトンあるいはプロトンか
ら水素に置き代る過電圧が充分に小さいことから、プロ
トンが一旦水素に置き換えられて中間極10内を水素の
拡散によって移動し、中間極10の陰極側14で再びプ
ロトンに置き代るものと考えられる。中間極10内に水
素が充満していることはガスクロマトグラフィーで確認
した。なお、中間極10は良電子伝導体で構成されてい
るので、式(3)と式(4)の電子は、すみやかに中間
極10を通る。
能を示す除湿室の湿度変化である。曲線23は従来の除
湿素子の場合の曲線21や実施例1の曲線22よりも除
湿性能が高くなっていることがわかる。実施例1の曲線
22よりも除湿性能が高くなったのは中間極10を設け
ることによって、陽極1側から陰極2側への水の移動量
が少なくなったためではないかと思われる。すなわち、
プロトンが一旦水素に置き換えられることで、プロトン
がその流れとともに陰極2側に持ち運ぶ水分子数が減少
したものと推定される。この除湿素子においても水に浸
漬した後100℃で乾燥する操作を3回繰り返したが、
基材12と固体高分子電解質膜31、32は全く分離せ
ず、性能も維持していることを確認した。
伝導性のある多孔質な基材12としては、例えばステン
レス繊維やカーボン繊維が使用される。ステンレス繊維
としては例えばSUS316の単繊維径4〜15μmの
フェルトやウェブおよびこれらの焼結体が考えられる。
また、カーボン繊維としてはカーボンペーパーや織布あ
るいは不織布が考えられる。
ブ焼結体を基材12として用いた場合は水中への浸漬、
乾燥というサイクルを繰り返しても基材12と膜3が離
れないのは言うまでもなく、基材12のもつ機械的強度
が高いために、素子自体の形状にもなんら変化はなく、
装置への着脱を容易に行なうことも可能となる。
るいはカーボン繊維に金または白金メッキを施したもの
を用いて除湿性能の更なる向上を図ってもよい。このメ
ッキ法については公知の電気メッキ法でよいが、カーボ
ン繊維にメッキを施すときはカーボンの電気抵抗が一般
にメッキの下地に用いられる金属よりも高いのでメッキ
の際の電流値を低く抑えないとメッキむらが生じやすく
なる。またカーボンは軽いのでメッキの際に生ずる気泡
で基材12がメッキ浴から浮き上がらないようにする工
夫が必要となる。
2に金めっきを施して、実施例1および実施例2と同様
に除湿性能を調べ、図2の曲線22や曲線23よりも良
好な除湿性能が得られた。これは、金めっきを施こすこ
とで、基材12の集電性能が向上したためと考えられ
る。また、同様に白金めっきについても除湿性能を調べ
良好な除湿性能が得られた。基材12に金めっきや白金
めっきを施すことによって基材の耐蝕性も向上する効果
がある。
ンレス繊維の代りにカーボン繊維からなる多孔質な基材
を用いて除湿性能を調べ、ステンレス繊維の場合と同様
に、曲線1よりも良好な除湿性能が得られた。また、カ
ーボン繊維に金めっきや白金めっきを施した場合には、
さらに性能の改善が見られた。なお、陽極1の基材12
として、ステンレス繊維の代りにカーボン繊維からなる
多孔質な基材を用いた場合には、カーボン繊維に金めっ
きや白金めっきを施した場合には、良好な性能が見られ
たが、めっきを施さない場合にはカーボン繊維に腐食が
起こった。これは、陽極1の電位が陰極2よりも高電位
になるためである。従って、陽極1の基材12としてカ
ーボン繊維を用いる場合には金めっきまたは白金めっき
が必要である。
係る基材の端部と電流端子(圧着端子)との接続部を示
し、(a)は平面図と(b)は正面図である。図4にお
いて、15は紐状に加工した基材の端部、16は電流端
子である。製造方法は、陽極1および陰極2を構成する
ステンレス繊維からなる多孔質な基材12の端部を紐状
に加工する。これはステンレス繊維基材12を予め電極
として働く部分より大きめに切っておき、その大きめに
とった部分に切り込みを入れ、その部分によりをかける
かねじるかすれば容易に紐状になる。従って大きめにと
る部分の形状を均一な幅で長くとっておくと均一で長い
紐になりやすい。その紐状の部分には同様の材料もしく
は異質の材料であってもねじったり圧着するだけで簡単
に電流端子16を接続することができる。ステンレス繊
維は丈夫なので、この実施例のように容易に直接紐状に
加工して圧着工具により電流端子16に接続することが
でき、ろうづけやはんだづけ等の作業無しで電流端子に
接続できるのは勿論のこと、電流取り出しのための集電
板を備える必要も無くなり、工程部品数が大幅に削減で
きる。
施例を示し、(a)は平面図、(b)は断面側面図であ
る。図において、17は陽極1側の貫通孔、18は陰極
2側の貫通孔、19はこれらの貫通孔17、18に食い
込んだ固体高分子電解質膜3の一部である。製造方法
は、陽極1および陰極2を構成する多孔質な基材12
に、きりで直径1mm程度の貫通孔を陽極1側について
9ヶ所、陰極2側について12ヶ所それぞれ重ならない
ようにあけた後、実施例1と同様に触媒層11を塗布乾
燥した多孔質な基材12を固体高分子電解質膜3の表裏
に配置して、電解質膜を基材に食い込ませた。この実施
例のサンプルは、除湿性能が良好であることを確認した
のち、水に浸漬した状態で超音波洗浄に10分間かけ、
100℃で乾燥する工程を5回繰り返したが基材12と
固体高分子電解質膜3は全く分離しなかった。一方、実
施例1のサンプルについて同様の処理を行なった所、3
回目に基材12と固体高分子電解質膜3が一部分離して
しまった。従って、実施例6のサンプルでは、貫通孔1
7、18に食い込んだ固体高分子電解質膜の一部19
が、くさびのような働きをして、基材12と固体高分子
電解質膜3の分離を防止する効果があることがわかっ
た。なお、貫通孔17、18の大きさについては特に限
定するものではないが、0.5mmよりも小さいとくさ
びとしての効果が小さく、2mmよりも大きいと基材1
2の端まで固体高分子電解質膜3の一部が出てこなかっ
たので、1mm前後の大きさが望ましいと推定される。
れるが、白金以外の白金族の触媒は電圧の抑制における
効果について白金より劣るようである。そこで白金を有
する物質としては、例えば白金黒や白金担持カーボンが
挙げられる。例えば白金黒を触媒に使用すると式
(1)、(2)の反応に必要な電圧が大幅に減少でき、
運転効率を上昇させることができる。また、白金担持カ
ーボンも触媒として作用するが陽極1ではカーボンが腐
食するので運転中に特性が変化する恐れが有る。
方法の一例として、基材12に白金粉末と結着剤とから
なるペーストを塗布乾燥して構成する。結着剤としては
電解質膜の低級アルコール溶液を使用した。ペーストに
するには白金黒に発火防止のために少量の水を加えてか
ら電解質膜の溶液を加える。白金黒の分散のために数分
間超音波による震盪を行ない刷毛あるいはスプレーで塗
布する。スプレー塗布の場合には発火の危険度が高まる
ので、電解質膜の溶液の2倍以上の水を白金黒に加える
必要が有る。そして乾燥は真空もしくは不活性雰囲気中
で結着剤の分解が生じない200℃以下の温度で行な
う。こうした触媒層11の形成法をとると熟練を必要と
せず、だれにでも触媒層11の形成が可能であり、また
量産化が容易になる。
方法の別の例として、白金粉末と樹脂とで混練薄膜化し
て形成する。樹脂としては電解質膜3の粉末を使用し
た。電解質膜の粉末と白金黒を質量比で1:2〜1:2
0で混合し、少量の水と電解質膜溶液で練る。そしてロ
ーラーで圧延して乾燥あるいは半乾燥の状態で基材12
とプレスあるいは膜3とプレス等の基材12を膜3に食
い込ませる工程で挿入する。このようにして触媒層11
を形成すると白金の分布が片寄らずに均一な触媒層の形
成が可能となる。
をあらかじめ固体高分子電解質膜3に白金めっきして構
成することもできる。方法は公知の無電解メッキ法によ
り電解質膜3表面に白金をメッキする。メッキ厚みは特
に限定しないが、1〜10μm程度での時が特性が良い
用である。これより薄い場合には電極基材12が食い込
んだときに触媒層11が希薄な部分ができたり、また厚
すぎるとガスの浸透が悪くなってしまい逆に特性が悪く
なるようである。この方法によると触媒層11がミクロ
な目で見ても均一に分布するので、少ない白金量で高い
特性が得られるのでコストの低減を図ることができる。
膜3に食い込ませる方法の一例として電極基材12と膜
3を熱圧着させる方法が挙げられる。すなわち、触媒層
11を塗布乾燥した多孔質な基材12を固体高分子電解
質膜3の表裏に配置して、190℃、50kgf/cm
2の条件でホットプレスして図1の構成の除湿素子を作
成する。温度は120℃以上であれば膜3が柔らかくな
るので面圧さえ上げれば一応の圧着はできるが、170
℃以上の方がはるかに食い込み方がしっかりとしてい
る。また200℃以上に上げると膜3が一部分解し始め
るので190℃付近が好ましい条件である。走査型電子
顕微鏡による一部サンプルの断面の観察から、基材12
が固体高分子電解質膜3に食い込むとともに触媒層11
も固体高分子電解質膜3に50μm近く食い込んでお
り、しかも触媒層11は変形して3次元的に凹凸状に分
布していることがわかった。またこの方法を用いると電
解質膜3にも特に損傷は見られず、高い機械的強度と化
学的安定度のある除湿素子を得ることが可能となった。
トンを伝導するものであればよく、デュポン社のナフィ
オン117やナフィオン115(共に登録商標)のほ
か、ダウケミカル社のXUSー13.204.10(共
に登録商標)などがあげられる。
形は特に限定されないが、できるだけコンパクトにする
ために折り曲げられていてもよい。
れば、陽極および陰極は触媒層と多孔質な基材とを備
え、上記基材が固体高分子電解質膜に食い込んでいると
共にこの食い込み部に上記触媒層が形成されているの
で、押え治具等を省略しても、膜と基材の密着が良好に
保たれ、また機械的安定性の高い除湿素子が得られる。
カーボン繊維で構成すれば、電気抵抗が少なくなり、低
い電圧で運転できかつ機械的強度の高い除湿素子を得る
ことができる。
成し、その端部を紐状に加工すると共に電流端子に接続
すれば、電極基材への配線および配線工程が簡略化で
き、集電板も省略することができる。
し、上記貫通孔の中に固体高分子電解質膜の一部が食い
込んでいるものであれば、膜と基材の密着がより良好に
保たれる。
電解して酸素を発生する陽極と、プロトンから水素を発
生し逆に発生した水素を再びプロトンに変換する中間極
と、水を発生して酸素を消費する陰極と、上記陽極およ
び中間極並びに上記中間極および陰極間に挟持された2
枚の固体高分子電解質膜とからなり、陽極での水の消費
を用いて除湿を行う電気化学的除湿素子であって、上記
陽極、陰極および中間極は触媒層と多孔質な基材とを備
え、上記基材が固体高分子電解質に食い込んでいると共
にこの食い込み部に上記触媒層が形成されているので、
第1の発明における効果に加えて、中間極で水分の逆流
が阻止できるので、除湿効果をより高めることができ
る。
図である。
の評価試験結果を示す特性図である。
面図である。
部と電流端子との接続部を示す平面図と正面図である。
面図と断面側面図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 水を電解して酸素を発生する陽極と水を
発生して酸素を消費する陰極と上記陽極および陰極によ
り挟持された固体高分子電解質膜とからなり、上記陽極
での水の消費を用いて除湿をおこなう電気化学的除湿素
子であって、上記陽極および陰極は触媒層と多孔質な基
材とを備え、上記基材が上記固体高分子電解質膜に食い
込んでいると共にこの食い込み部に上記触媒層が形成さ
れていることを特徴とする固体高分子電解質膜を用いた
除湿素子。 - 【請求項2】 多孔質基材をステンレス繊維またはカー
ボン繊維で構成した請求項第1項記載の固体高分子電解
質膜を用いた除湿素子。 - 【請求項3】 多孔質基材はステンレス繊維で構成され
その端部が紐状に加工されると共に電流端子に接続され
ている請求項第2項記載の固体高分子電解質膜を用いた
除湿素子。 - 【請求項4】 多孔質基材は複数個の貫通孔を有し、上
記貫通孔の中に固体高分子電解質膜の一部が食い込んで
いる請求項第1項ないし第3項の何れかに記載の固体高
分子電解質膜を用いた除湿素子。 - 【請求項5】 水を電解して酸素を発生する陽極と、プ
ロトンから水素を発生し逆に発生した水素を再びプロト
ンに変換する中間極と、水を発生して酸素を消費する陰
極と、上記陽極および中間極並びに上記中間極および陰
極間に挟持された2枚の固体高分子電解質膜とからな
り、陽極での水の消費を用いて除湿を行う電気化学的除
湿素子であって、上記陽極、陰極および中間極は触媒層
と多孔質な基材とを備え、上記基材が固体高分子電解質
に食い込んでいると共にこの食い込み部に上記触媒層が
形成されていることを特徴とする固体高分子電解質膜を
用いた除湿素子。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP4218072A JP3036248B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 固体高分子電解質膜を用いた除湿素子 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4218072A JP3036248B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 固体高分子電解質膜を用いた除湿素子 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0663343A true JPH0663343A (ja) | 1994-03-08 |
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JP4218072A Expired - Lifetime JP3036248B2 (ja) | 1992-08-18 | 1992-08-18 | 固体高分子電解質膜を用いた除湿素子 |
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