JPH11302890A - 固体高分子電解装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子電解モジュール５０により大気中
の水蒸気を電気分解する電解物生成装置において、大気
中に浮遊する塵埃等による系統内の汚損を抑制し、安価
で小型、軽量、コンパクトな装置を実現する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜５５の両面に多孔性
電極５４ａ、５４ｂを熱圧接した複数の固体高分子電解
素子５１を、スペーサ５２を介して交互に積層してそれ
らの間に空気流路５３ａ、５３ｂを独立して形成し、ま
た固体高分子電解素子間を電気的に直列接続して固体高
分子電解モジュール５０を形成する。各空気流路５３
ａ、５３ｂをそれぞれ連結して独立した循環路４３、４
４を形成し、各循環路内で気体を循環させる。加湿器４
１により陽極側の循環路内の循環気体を加湿し、陽極側
及び陰極側の両循環路内を循環する気体の一部を分流さ
せて外部に取り出し、空気導入路４３ａ、４３ｂにより
循環路に外部空気を導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素イオン導電性
の固体高分子電解質膜を用いて空気中の水蒸気を電気分
解して、電解生成物を取り出すようにした安価で軽量コ
ンパクトな固体高分子電解装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０、１１は、特開平８−１３４６７
９号公報に開示された水素イオン導電性の固体高分子電
解質膜を用いて水を電気分解する固体電解質膜電解装置
を示すもので、図１０はこの固体電解質膜電解装置の全
体構成を示す縦断面図、図１１はその分解した状態を示
す縦断面図である。

【０００３】図１０および１１において、１は電解質膜
電解装置の全体を示している。電解質膜電解装置１は、
円盤状の固体電解質膜２と、その両面に添設した円盤状
の多孔質給電体３、４と、その外側に配設した円盤状の
陽極電極板５および陰極電極板６と、両電極板５、６の
外側に添設された円盤状のガスケットからなるシール部
材７とを備え、これらの部材２乃至７により円盤状の固
体電解質膜ユニット８が構成され、複数個の固体電解質
膜ユニット８は同一極側同士が対向するように並設され
ている。なお、固体電解質膜２等を円盤状のものにして
いるが四角形状のものとしてもよい。

【０００４】さらに、固体電解質膜ユニット８をその同
一極側同士が対向するように並設するに際しては、固体
電解質膜ユニット８の間には円盤状のプラスチック製絶
縁スペーサ９が挟設されている。また、両端の固体電解
質膜ユニット８の外側には、ステンレス製のエンドプレ
ート１０が設けられている。

【０００５】固体電解質膜ユニット８の陽極側の多孔質
給電体３には純水を供給するための純水供給経路１１、
および酸素ガスを取り出すための酸素ガス取り出し経路
１２が配設されている。

【０００６】同様に、固体電解質膜ユニット８の陰極側
の多孔質給電体３には、水素ガスを取り出すための水素
ガス取り出し経路１３が配設されている。また、電極板
５、６は外部結線１４で電気的に接続されて多孔室給電
体３に電力が給電されている。

【０００７】このように構成される固体電解質膜電解装
置１では、まず、純水供給系（図示せず）から純水供給
経路１１を介して、固体電解質膜ユニット８の陽極側の
多孔質給電体３に純水が供給される。そして、供給され
た純水が固体電解質膜ユニット８の陽極側において電気
分解されて、 陽極側： ２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- （１） の反応が起こり酸素ガスが発生し、多孔質給電体３に設
けられた酸素ガス取り出し経路１２を介して、水と酸素
ガスが取り出されて酸素ガスが回収される。

【０００８】一方、固体電解質膜ユニット８の陰極側に
おいては、固体電解質膜２を水素イオン（Ｈ⁺）が通過
して、 陰極側： Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ （２） の反応が起こり水素ガスが発生し、多孔質給電体４に設
けられた水素ガス取り出し経路１３を介して、水素ガス
が取り出されて回収される。

【０００９】以上の作用によって水を電気分解して、水
素と酸素を得るようにしている。また、電気分解に必要
な電力は、外部配線１４によって電極板５、６を介して
多孔質給電体３、４に電力が供給されている。

【００１０】

【発明が解決しょうとする課題】上述の従来例は、水を
流通させてこれを酸素と水素に電気分解する場合に適用
される技術であり、この技術を、空気中の水蒸気を電気
分解して電解生成物を取り出す装置にそのまま適用する
ことはできないという問題点があった。そこで本発明
は、上述の従来技術の問題点を解消しようとするもの
で、空気中に含まれる水蒸気を電気分解し、その電解生
成物を使用目的に応じて取り出すことができ、且つ外気
を系統内に導入するとき問題となる塵埃等による汚損を
最小限に抑え得る、安価で軽量、小型、コンパクトな固
体高分子電解装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る固
体高分子電解装置は、水素イオン導電性の固体高分子電
解質膜の両面に多孔性電極を熱圧接した複数の固体高分
子電解素子と一部に導電接辺を有するスペーサとを有
し、上記固体高分子電解素子が上記スペーサを介して交
互に積層されて隣接する固体高分子電解素子の陽極面お
よび陰極面間に空気の空気流路を分離独立して形成する
と共に、該固体高分子電解素子間が電気的に直列に連結
された固体高分子電解モジュールと、上記各空気流路を
それぞれ連結して各々独立した循環路を形成し、各循環
路内で気体を循環させる気体循環手段と、陽極側の上記
循環路内の循環気体を加湿する加湿器と、陽極側及び陰
極側の両循環路内を循環する気体の一部を分流して外部
に取り出す分流路と、上記循環路内に外部空気を導入す
る空気導入路と、上記固体高分子電解モジュールに電力
を供給する直流電源とを備えたものである。

【００１２】請求項２の発明に係る固体高分子電解装置
は、陽極側の上記循環路内を循環する空気の一部を分流
して外部に取り出すと共に、上記空気導入路から陽極側
の上記循環路内に等量の外部空気を導入するようにし、
取り出した空気中の酸素濃度を検出し、所定の酸素濃度
になるように、上記固体高分子電解モジュールに電力を
供給する上記直流電源からの給電量を制御する電力制御
機構を備えたものである。

【００１３】請求項３の発明に係る固体高分子電解装置
は、陽極側の上記循環路内を循環する循環気体を加湿す
る上記加湿器は、温水が循環気体と直接または水蒸気透
過膜を介して接するようにすると共に、非動作時には温
水を定温保温容器内に保持し、動作時に上記加湿器に給
水する温水保温給水機構を備えたものである。

【００１４】請求項４の発明に係る固体高分子電解装置
は、上記固体高分子電解モジュールの陰極側の上記循環
路内に水蒸気を選択的に透過する機能膜で通気路が構成
され、該通気路の一方の側は陰極側の上記循環路に接続
され、他方は外気と接触もしくは外気を通気するように
構成された選択的水蒸気透過器を介在させたものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面により本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００１６】実施の形態１．図１の（ａ）は、本発明の
実施の形態１による固体高分子電解装置４０のシステム
構成を示したものである。図１（ａ）において、５０は
固体高分子電解モジュールで、この固体高分子電解モジ
ュール５０は、後述する通り、気体の流路的に一次側お
よび二次側に分割され、一次側の気体中の水蒸気を電気
化学的に２次側に移動させる機能を持っている。４１は
固体高分子電解モジュール５０の一次側に配置された加
湿器で、この加湿器４１は、温水４２と太線で示す一次
側循環路４３を循環する一次側循環気体とを接触させて
循環気体を加湿するものである。固体高分子電解モジュ
ール５０の二次側には、同じく太線で示す二次側循環路
４４が連結されている。

【００１７】温水４２と一次側循環気体とを接触させる
方法としては、例えば図１の（ａ）に示すように、加湿
器４１の内壁面に毛細管現象を利用した湿潤壁面４２ａ
を形成し、この湿潤壁面４２ａに沿って循環気体を通気
するようにする。或いはまた、図１の（ｂ）に示すよう
に、加湿器４１の内部を、水蒸気を選択的に透過させる
選択的水蒸気透過膜４２ｂで仕切り、一方に温水４２を
給水し、他方に矢印で示すように、循環気体を通気する
など、循環気体と温水を接触させて循環気体を加湿でき
るものであればどのような方法でもよい。

【００１８】一次側および二次側循環路４３、４４に
は、それぞれ気体循環手段としての気体循環機４５、４
６が配置され、それぞれの循環路４３、４４で気体の循
環を行っている。

【００１９】また、各々の循環路４３、４４には、循環
気体の一部を分流して取り出す分流回路４３ａ、４４
ａ、および外気を取り込む空気導入路４３ｂ、４４ｂが
連結されている。

【００２０】図２は、本発明に係る固体高分子電解モジ
ュール５０の立体構成例を示したものである。図２にお
いて、５１は固体高分子電解素子であり、図３にその構
成例を示す。

【００２１】図２及び図３において、５２はスペーサ
で、固体高分子電解素子５１を一定の間隔を保って積層
すると共に、隣接する固体高分子電解素子５１間に空気
流路５３を形成するためのものである。隣接する空気流
路５３が直交するように、スペーサ５２が固体高分子電
解素子５１の両端で互い違いに配置されている。

【００２２】スペーサ５２は、炭素棒のような電気的良
導体、もしくはプラスチックなどの絶縁ブロックの表面
に導電性金属板を添わせたもので、固体高分子電解素子
５１がスペーサ５２を介して積層されたとき、上下の固
体高分子電解素子５１が各スペーサ５２の導電性金属板
により電気的に接続されるようになっている。

【００２３】図３は、本発明に係る固体高分子電解モジ
ュール５０を構成する固体高分子電解素子５１の立体構
成例を示したものである。図３において、５４ａ、５４
ｂは多孔質電極で、例えばエキスパンドメタル等で構成
されている。一対の多孔質電極５４ａ、５４ｂは、水素
イオン導電性の固体高分子電解質膜５５の両面に（熱に
より圧着）されている。

【００２４】多孔質電極５４ａ、５４ｂの両端には、電
気的接片５６ａ、５６ｂが取り付けられ、多孔質電極５
４ａ、５４ｂを構成する多孔質電極材に対して、例えば
半田付け等により電気的接触抵抗が無いようにしてい
る。多孔質電極５４ａ、５４ｂは直交する形で固体高分
子電解質膜５５の両面に熱圧接され、各々の電気的接片
５６ａ、５６ｂは固体高分子電解質膜５５の４辺からは
み出した形で構成されている。

【００２５】多孔質電極５４ａ、５４ｂと固体高分子電
解質膜５５の接合面には、図示はしないが、白金族系金
属触媒層が形成されており、電極面での電解反応の活性
度を高めている。

【００２６】図４は、固体高分子電解素子５１間の電気
的接続状態を示す分解接続図である。図４において、固
体高分子電解素子５１は、その両端部において、空気の
通気路５３を形成するスペーサ５２に挟持されながら積
層される。なお、スペーサ５２は、固体高分子電解素子
５１の両端に、隣接する段間で互い違いなるように配置
されるが、図を簡単化するため一方のみを記載してい
る。

【００２７】多孔質電極５４に取り付けられている電気
接片５６およびスペーサ５２は積層過程で電気的に接続
されるが、前段の固体高分子電解素子５１の陰極は後段
の固体高分子電解素子５１の陽極、もしくはその逆に前
段の固体高分子電解素子５１の陽極は後段の固体高分子
電解素子５１の陰極となるように、各固体高分子電解素
子５１は電気的に直列に接続され、また電流の流れを矢
印Ａで示すようにすることによって、固体高分子電解素
子５１の隣接段間において陽極もしくは陰極の同一極同
士がスペーサ５２を介して対向するようにしている。

【００２８】これによって、空気流としては、矢印Ｂで
示す陽極面間を流れる空気流と、矢印Ｃで示す陰極面間
を流れる空気流が直交してそれぞれ同方向の流れを形成
している。

【００２９】次に、固体高分子電解モジュール５０の作
用について説明する。上記固体高分子電解モジュール５
０を構成する固体高分子電解素子５１は、図３に示すよ
うに、水素イオン（プロトン）を選択的に通過させる固
体高分子電解質膜５５を挟持して電解反応を促進する触
媒層を介して、多孔質電極５４ａ、５４ｂを熱圧接して
複合膜状に構成している。

【００３０】この固体高分子電解質膜５５は、例えばナ
フィオン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社登録商標）膜などが用いら
れる。また、電極５４ａ、５４ｂとしては、白金鍍金が
施されたエキスパンドチタンが用いられ、あるいは陰極
５４ｂとしては炭素繊維の不織布などが用いられる。

【００３１】固体高分子電解素子５１は、被除湿側が陽
極側、加湿側が陰極側になるように、直流電源５７に接
続されている。そこで、直流電源５７から陽極５４ａと
陰極５４ｂの間に電力が供給されると、陽極側の空気中
の水蒸気が電気分解されて前述の式（１）の反応により
水分子を分解し、酸素を発生して湿度が低下する。

【００３２】さらに、水素イオンに同伴して、１〜３分
子の複数の水分子が陽極側から陰極側に移動する。従っ
て陽極側では、水分子が消費されるため湿度が低下して
乾燥空気が得られる。

【００３３】また、上記電解反応時に陽極側で生成した
水素イオン（Ｈ⁺）は固体高分子電解質膜５５中を通っ
て陰極に達する。一方、電子（ｅ^-）は外部回路を通っ
て陰極に達する。そして、前述の式（２）の反応により
陰極側で酸素を消費して水を生成する。これによって、
陰極側を流れる空気は加湿されて湿潤空気となる。

【００３４】以上の作用によって、固体高分子電解モジ
ュール５０の陽極が相対する通気路５３ａを流れる矢印
Ｂで示す空気流は、空気中に含まれる水蒸気が電気分解
されて消費されるため減湿されて乾燥空気流となる。こ
れによって、通気路５３ａを、例えば図示しないが、所
定の閉空間に連結しておけば、乾燥した空間を実現する
ことができる。

【００３５】一方、陰極が相対する通気路５３ｂを流れ
る矢印Ｃで示す空気流は、酸素が消費されて水蒸気が生
成されるため、加湿されて湿潤空気流となる。また矢印
Ｂ、Ｃで示す空気流は直交流で構成して、それぞれ別の
方向からそれぞれの空気流を取り出すようにし、またモ
ジュール内部での流路に曲がりを無くして圧力損失の少
ない流路を形成するようにしている。

【００３６】上式（１）、（２）で示す電解反応に必要
な電力は直流電源５７から給電されるが、固体高分子電
解素子５１は全て直列に連結されているため、一つの固
体高分子電解素子５１に通電する電流量を固体高分子電
解モジュール５０に通電することによって、全体の固体
高分子電解素子５１に上記電解反応を実現させている。

【００３７】次に、図１に示すシステムの動作について
述べる。加湿器４１と固体高分子電解モジュール５０の
陽極側の循環路４３に、空気循環機４５によって気体を
循環させる。この時、固体高分子電解モジュール５０の
陽極面では、前述の式（１）に示す電解化学式によっ
て、気体中の水蒸気が消費されると共に酸素が生成さ
れ、一次側循環気体中の酸素濃度は逐次増加する。一
方、加湿器４１に送りこまれた気体は湿潤壁面４２ａと
接触することによって加湿され、電解反応に必要な水蒸
気を含んで再び固体高分子電解モジュール５０の陽極側
に送り込まれるという循環を繰り返す。

【００３８】上述したように、加湿器４１内で気体中に
吸収された水蒸気は、固体高分子電解モジュール５０内
で電気分解されて酸素ガスを発生するため、一次側循環
気体中の酸素濃度は順次増大する。従って、一次側分流
回路４３ａからその一部を取り出し、空気導入路４３ｂ
から等量の外気を導入することによって所定の酸素濃度
の空気が生成され、これを取り出して酸素富化空気とし
て利用することができる。

【００３９】同様に、固体高分子電解モジュール５０の
陰極側循環路４４内に空気循環機４６によって気体を循
環させる。この時、固体高分子電解モジュール５０の陰
極面を気体が通過する際に、前式（２）に示す電解化学
式によって、気体中の酸素は消費されると共に水蒸気が
生成され、二次側循環気体中の酸素濃度は順次減少して
水蒸気濃度は増加する。従って、二次側分流回路４４ａ
からその一部を取り出し、空気導入路４４ｂから等量の
外気を導入するすることによって、消費する酸素を補給
すると共に、発生する水蒸気を外部に放出することによ
って電解反応に必要な状態を維持している。

【００４０】図５は、固体高分子電解モジュール５０の
電解反応面に沿って流れる空気の風速と通電電流値の関
係について、その一例を示したものである。通電電流は
電解反応量と比例するため、同図から電解反応面に沿っ
て流れる空気流の流速が大きければ大きいほど電解反応
量は大きいことが分かる。従って、図１において、気体
循環機４５、４６で気体循環量を大きくして電解反応量
を大きくしている。

【００４１】また外気を系内に導入するとき、外気には
塵埃等の系内汚損物質が含まれるため、フィルタ等によ
る系内汚損防止対策を施すことは当然であるが、さらに
は外気導入を必要最小限とすることが必要がある。本発
明では、気体循環機４５、４６を気体循環回路に配置
し、循環気流の流速を大きくして電解反応を活発にする
と共に、外気導入路４３ｂ、４４ｂから導入する空気量
を必要最小限に抑えて系内汚損を抑制している。

【００４２】実施の形態２．上記実施の形態１で述べた
ように、陽極側循環気体の酸素濃度は順次増加するた
め、この循環気体の一部を分流回路４３ａから酸素富化
空気として取り出して利用することができる。酸素富化
空気の利用例として、例えば在宅医療で呼吸系疾患患者
への酸素富化空気供給装置がある。

【００４３】従来、在宅酸素療法用機器として、例えば
日本機械学会誌１９９８．１、Ｖｏｌ．１０１、Ｎｏ．
９５０に開示されているように、吸着法、膜分離法、高
圧酸素ボンベ、液体酸素容器等が実用化されている。図
１２は、上述の酸素供給法のうち吸着法を適用した吸着
式酸素生成装置２０のシステム構成を示したものであ
る。

【００４４】図１２において、外気を空気圧縮機２１で
圧縮して吸着塔２２に圧入する。吸着塔２２には、窒素
ガス成分を選択的に吸着する特性を有するゼオライトが
充填されている。これによって、空気圧縮機２１で圧入
された圧縮空気成分のうち窒素ガス成分は選択的に吸着
され、酸素成分は吸着されないでサージタンク２３に送
られる。これによって高濃度の酸素ガスを生成し、流量
調整器２４、加湿器２５を介して矢印で示すように患者
に対して給気するようにしている。

【００４５】上述の酸素ガス生成装置２０の大きさは、
例えば７０ｃｍ×４０ｃｍ×４０ｃｍ、重量は４０ｋ
ｇ、と大きいため定置式のものとなる。可搬式のものと
しては、高圧酸素ボンベからの給気法や液体酸素蒸発に
よる給気法に頼らざるを得ないが、高圧酸素あるいは液
体酸素はその入手性に難がある。

【００４６】本発明による酸素生成法は軽量小型なシス
テムを構成でき、特に軽度の呼吸系疾患患者に対する適
用に対して、従来の方式に対して優位性を持たせること
ができる。

【００４７】図６は、本発明を酸素富化空気供給装置６
０に適用した場合の実施の形態２のシステム構成を示し
たものである。図６において、酸素富化空気生成系統は
図１に示す実施の形態１の構成と同じであるが、分流回
路４３ａに酸素ガス濃度計６１を配置している。また、
酸素ガス濃度計６１からの信号は直流電源５７の給電制
御回路に送信するようにしている。

【００４８】呼吸系疾患患者への酸素富化空気を供給す
る場合、患者が呼吸する空気の酸素濃度は５０％以下に
なるよう調整し、酸素による呼吸器系への障害を防止す
る必要があるとされている。従って、本発明による酸素
富化空気生成装置６０は、所定の酸素濃度範囲の酸素富
化空気を供給するように、酸素濃度計６１で酸素濃度を
検出し、直流電源５７からの固体高分子電解モジュール
５０への給電量を制御して必要酸素量を発生させるよう
にし、取り出す酸素富化空気の酸素濃度を所定の濃度範
囲になるようにしている。

【００４９】また、上述の在宅医療で呼吸系疾患患者へ
の酸素富化空気を供給するような場合、緊急に酸素富化
空気の供給を要求される場合が考えられるが、この要求
に対して図６に示すように温水を保持しておく定温保温
容器６２を加湿器４１に連結して温水保温給水機構を構
成し、使用時に温水を加湿器に給水して、空気の循環開
始と同時に温水から発生する水蒸気によって循環空気が
加湿され、電解反応に必要な湿潤空気を固体高分子電解
モジュール５０に供給するようにしている。また、未使
用時には、温水を定温保温容器６２に戻して保温して瞬
時の再起動に備えるようにしている。

【００５０】実施の形態３．図１および図６に示す電解
システムは一次側電解生成物である酸素を取り出して利
用する場合について述べたものであるが、この時、二次
側電解生成物として一次側で消費した水蒸気と同じ量の
水蒸気が生成し外気に放出される。上述の目的の場合、
消費する水蒸気は加湿器４１内の温水消費量となるた
め、この消費量を低減することを要求される場合があ
る。一般に、固体高分子電解素子５１を構成する電解膜
は、拡散によって水蒸気圧の高い方から低い方に水蒸気
が移動する性質を持っている。この特性を利用して、二
次側の循環気流を高湿度の状態に保持することによっ
て、一次側から送り込まれてきた水蒸気成分を逆拡散の
形で一次側に戻すことによって、温水の消費量を低減す
ることができる。

【００５１】一方、本発明によるシステムを、例えば乾
燥機に適用したような場合には、一次側から二次側に移
動する水蒸気をできるだけ効率的に外気に放出する必要
がある。

【００５２】図７は、本発明による電解システムを乾燥
機に適用した場合の実施の形態３のシステム構成を示し
たものである。

【００５３】図７において、電解システムは図１に示し
たものと同じであるが、この場合には、加湿器４１は被
乾燥物を収納する乾燥機本体６３となり、湿潤壁面４２
ａは被乾燥物６４となる。陰極側には、被乾燥物６４か
ら蒸発した水蒸気が流れ込むが、固体高分子電解モジュ
ール５０の陰極側循環路４４内に、例えば水蒸気を選択
的に透過する機能膜で構成された選択的水蒸気透過器６
５を配置している。選択的水蒸気透過器６５は、例えば
一般的な熱交換器と同じような構成であり、上記選択的
水蒸気透過膜６６で一次側および二次側流路を形成し、
一次側流路６７ａを循環路４４に連結して高湿度の循環
気流を通気し、二次側流路６７ｂに、低湿度の外気を矢
印のように通気もしくは接触させるようにしている。な
お、選択的水蒸気透過膜６６は、例えば特開平１−１９
４９２７号公報に開示されたフッ素樹脂の多孔質膜、も
しくは同等の性質を有する機能膜で構成している。

【００５４】次に、この実施の形態３の作用について述
べる。前述の通り、固体高分子電解モジュール５０に電
流を通電すると、前述の式（１）、（２）によって一次
側循環路４３では、空気中の水蒸気成分が電気分解され
て消費されると共に酸素ガスが生成され、同時に二次側
循環路４４中では、空気中の酸素ガスが消費されて水蒸
気が生成される。従って、一次側空気は減湿され、二次
側空気は加湿されて飽和度の高い空気となる。

【００５５】図８は、本発明を構成する選択的水蒸気透
過膜６６の各種ガス成分と水蒸気の透過速度比、図９
は、透過膜５２を容積１５リットルの筐体の一部に５０
ｃｍ²の開口部を形成して取り付け、その外面を相対湿
度２５％の環境においたときの筐体内湿度変化を示した
ものである。すなわち、外面を湿度２５％の低湿度状態
においたとき、筐体内部の水蒸気は透過膜５２を通過し
て外気に排出され、閉空間内の湿度は外気と同じ湿度に
減湿されることを示している。これによって、透過膜の
膜間に湿度差を形成することによって閉空間の湿度を制
御できることが分かる。

【００５６】本実施の形態３では、この効果を利用し
て、透過膜６６が接する二次側循環路４４内から水蒸気
を選択的に外気に放出させることによって、循環気流を
減湿して固体高分子電解モジュール５０の二次側から一
次側に水蒸気が逆拡散することを防止することによって
乾燥効率を高め、さらに外気導入路４４ｂから外気を系
統内に取り込む量を電解反応に必要な酸素量を補給する
だけの必要最小限にして、系内の塵埃等による汚損を抑
制するようにしている。

【００５７】

【発明の効果】請求項１の発明では、水素イオン導電性
の固体高分子電解質膜の両面に多孔性電極を熱圧接した
複数の固体高分子電解素子と一部に導電接辺を有するス
ペーサとを有し、上記固体高分子電解素子が上記スペー
サを介して交互に積層されて隣接する固体高分子電解素
子の陽極面および陰極面間に空気の空気流路を分離独立
して形成すると共に、該固体高分子電解素子間が電気的
に直列に連結された固体高分子電解モジュールと、上記
各空気流路をそれぞれ連結して各々独立した循環路を形
成し、各循環路内で気体を循環させる気体循環手段と、
陽極側の上記循環路内の循環気体を加湿する加湿器と、
陽極側及び陰極側の両循環路内を循環する気体の一部を
分流して外部に取り出す分流路と、上記循環路内に外部
空気を導入する空気導入路と、上記固体高分子電解モジ
ュールに電力を供給する直流電源とを備えたので、小電
流で軽量コンパクト、かつ大容量の電解物生成装置を実
現できる効果がある。

【００５８】また、請求項２の発明では、陽極側の上記
循環路内を循環する空気の一部を分流して外部に取り出
すと共に、上記空気導入路から陽極側の上記循環路内に
等量の外部空気を導入するようにし、取り出した空気中
の酸素濃度を検出し、所定の酸素濃度になるように、上
記固体高分子電解モジュールに電力を供給する上記直流
電源からの給電量を制御する電力制御機構を備えたの
で、小電流で軽量、コンパクト、かつ定酸素濃度の湿潤
酸素富化空気生成装置を実現できる効果がある。

【００５９】さらに、請求項３の発明では、陽極側の上
記循環路内を循環する循環気体を加湿する上記加湿器
は、温水が循環気体と直接または水蒸気透過膜を介して
接するようにすると共に、非動作時には温水を定温保温
容器内に保持し、動作時に上記加湿器に給水する温水保
温給水機構を備えたので、立ち上がりの早い小電流で軽
量コンパクトな湿潤酸素富化空気生成装置を実現できる
効果がある。

【００６０】さらにまた、請求項４の発明では、上記固
体高分子電解モジュールの陰極側の上記循環路内に水蒸
気を選択的に透過する機能膜で通気路が構成され、該通
気路の一方の側は陰極側の上記循環路に接続され、他方
は外気と接触もしくは外気を通気するように構成された
選択的水蒸気透過器を介在させたので、塵埃等による系
統内汚損を防止した小型、軽量、かつコンパクトな乾燥
装置を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１に係る固体高分子電解
装置のシステム構成図である。

【図２】 本発明に係る固体高分子電解モジュールの立
体構成図である。

【図３】 本発明に係る固体高分子電解素子の断面構成
図である。

【図４】 本発明に係る固体高分子電解モジュールの内
部構成図である。

【図５】 本発明に係る固体高分子電解素子の特性図で
ある。

【図６】 本発明の実施の形態２に係る酸素富化空気供
給装置のシステム構成図である。

【図７】 本発明の実施の形態３に係る電解式乾燥装置
のシステム構成図である。

【図８】 本発明の実施の形態３に係る選択的水蒸気透
過膜の特性図である。

【図９】 本発明の実施の形態３に係る選択的水蒸気透
過膜の別の特性図である。

【図１０】 従来の電解装置の断面構成図である。

【図１１】 従来の電解装置の内部構成部品配置図であ
る。

【図１２】 従来の吸着式酸素生成装置のシステム構成
図である。

【符号の説明】

１ 電解質膜電解装置、２ 固体電解質膜、３ 多孔質
給電体、４ 多孔質給電体、５ 陽極電極板、６ 陰極
電極板、７ シール部材、８ 固体電解質膜ユニット、
９ 絶縁スペーサ、１０．エンドプレート、１１ 純水
供給経路、２０吸着式酸素生成装置、２１ 空気圧縮
機、２２ 吸着塔、２３ サージタンク、２４ 流量調
整器、２５ 加湿器、４０ 固体高分子電解装置、４１
加湿器、４２ 温水、４３ 循環路、４３ａ 空気導
入路、４４ 循環路、４４ａ 空気導入路、５０ 固体
高分子電解モジュール、５１ 固体高分子電解素子、５
２スペーサ、５３ 空気流路、５４ 多孔質電極、５５
固体高分子電解質膜、５６ 電気的接片、５７ 直流
電源、６０ 酸素富化空気供給装置、６１ 酸素ガス濃
度計、６２ 定温保温容器、６３ 乾燥機本体、６４
被乾燥物、６５選択的水蒸気透過器、６６ 選択的水蒸
気透過膜、６７ａ 一次側流路、６７ｂ二次側流路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素イオン導電性の固体高分子電解質膜
   の両面に多孔性電極を熱圧接した複数の固体高分子電解
   素子と一部に導電接辺を有するスペーサとを有し、上記
   固体高分子電解素子が上記スペーサを介して交互に積層
   されて隣接する固体高分子電解素子の陽極面および陰極
   面間に空気の空気流路を分離独立して形成すると共に、
   該固体高分子電解素子間が電気的に直列に連結された固
   体高分子電解モジュールと、 上記各空気流路をそれぞれ連結して各々独立した循環路
   を形成し、各循環路内で気体を循環させる気体循環手段
   と、 陽極側の上記循環路内の循環気体を加湿する加湿器と、 陽極側及び陰極側の両循環路内を循環する気体の一部を
   分流して外部に取り出す分流路と、 上記循環路内に外部空気を導入する空気導入路と、 上記固体高分子電解モジュールに電力を供給する直流電
   源と、 を備えたことを特徴とする固体高分子電解装置。
2. 【請求項２】 陽極側の上記循環路内を循環する空気の
   一部を分流して外部に取り出すと共に、上記空気導入路
   から陽極側の上記循環路内に等量の外部空気を導入する
   ようにし、取り出した空気中の酸素濃度を検出し、所定
   の酸素濃度になるように、上記固体高分子電解モジュー
   ルに電力を供給する上記直流電源からの給電量を制御す
   る電力制御機構を備えたことを特徴とする請求項１記載
   の固体高分子電解装置。
3. 【請求項３】 陽極側の上記循環路内を循環する循環気
   体を加湿する上記加湿器は、温水が循環気体と直接また
   は水蒸気透過膜を介して接するようにすると共に、非動
   作時には温水を定温保温容器内に保持し、動作時に上記
   加湿器に給水する温水保温給水機構を備えたことを特徴
   とする請求項２記載の固体高分子電解装置。
4. 【請求項４】 上記固体高分子電解モジュールの陰極側
   の上記循環路内に水蒸気を選択的に透過する機能膜で通
   気路が構成され、該通気路の一方の側は陰極側の上記循
   環路に接続され、他方は外気と接触もしくは外気を通気
   するように構成された選択的水蒸気透過器を介在させた
   ことを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解装置。