(57)【要約】      （修正有）【課題】多湿環境での運転や間欠的な運転においても電気化学反応によりオゾンガス，酸素ガス，水素ガス等を発生させる、及び空気中の水分を除湿する装置に使用する電気化学素子の性能を長期に安定して維持でき、かつ厚さが薄くコンパクトな電気化学素子を提供する。【解決手段】導電性多孔体である基材に触媒層を有する陽極１及び陰極２を固体高分子電解質膜３の表裏に接合してなる電気化学素子接合体１０と、貫通穴を有する一対の押さえ板１４、２２と、該一対の押さえ板の間に電気化学素子接合体を挟んで保持するとともに、電気化学素子接合体が均一に加圧されるように一対の押さえ板を締め付ける圧締め手段１８と、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板に設置される発熱体４と、電気化学素子接合体の運転停止時に前記発熱体を稼働させ、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板を周囲温度よりも高く維持する温度制御手段を有する電気化学素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性多孔体である基材に触媒層を有する陽極及び陰極を固体高分子電解質膜の表裏に接合してなる電気化学素子接合体と、
貫通穴を有する一対の押さえ板と、
該一対の押さえ板の間に前記電気化学素子接合体を挟んで保持するとともに、前記電気化学素子接合体が均一に加圧されるように前記一対の押さえ板を締め付ける圧締め手段と、
前記一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板に設置される発熱体と、
前記電気化学素子接合体の運転停止時に前記発熱体を稼働させ、前記一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板を周囲温度よりも高く維持する温度制御手段を有することを特徴とする
電気化学素子。
【請求項２】
貫通穴を有する絶縁性樹脂の薄板と、
前記電気化学素子接合体を固定する開口部を有する絶縁性樹脂板と、
絶縁性の樹脂板よりなり、陽極リード端子及び陰極リード端子を備えるとともに、開口部を有する端子板をさらに備え、
前記一対の押さえ板のうちの陽極側押さえ板には陽極の一端部に接触する導電性突起部を設けるとともに、導電性突起部以外の表面は絶縁性樹脂膜で覆い、
前記一対の押さえ板のうちの陰極側押さえ板には少なくとも前記陰極の他端部及び前記陰極リード端子に接触する導電面を設け、
前記陽極側押さえ板、前記薄板、前記電気化学素子接合体、前記絶縁性樹脂板、前記陰極側押さえ板、前記端子板の順に重ねた積層体を、前記圧締め手段で締め付けたことを特徴とする
請求項１の電気化学素子。
【請求項３】
前記圧締め手段は、絶縁性の樹脂パイプを挿入した複数のネジであることを特徴とする
請求項１又は２に記載の電気化学素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電気化学素子をオゾン発生素子として有することを特徴とする空調機器。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電気化学素子をオゾン発生素子として有することを特徴とする冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた電気化学反応に基づく電気化学素子に関する。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、オゾンガス、酸素ガス、水素ガス等のガスを発生させる電気化学素子、及び空気中の水分を除湿する除湿素子等の電気化学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術１
図２０は、例えば特開平１１−１３１２７６号公報に示された従来の電気化学素子の１つであるオゾン発生素子の構成図である。図において、１は導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極、２は導電性多孔体であ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、６は直流電源、１０は導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極１と導電性多孔体である陰極基材に陰極触媒層を有する陰極２とを固体高分子電解質膜３の表裏に接合した電気化学素子接合体である。
【０００３】
この電気化学素子接合体は、導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極１と導電性多孔体である陰極基材に陰極触媒層をもつ陰極２とを固体高分子電解質膜３の表裏に配置して、１３０℃以上２１０℃未満の温度で熱圧着（ホットプレス）し、陽極１及び陰極２の基材に有する陽極触媒層及び陰極触媒層を固体高分子電解質膜３に食い込ませて密着している。
このようにして一体化して形成された電気化学素子接合体１０に直流電源６により３Ｖ程度の直流電圧を印加すると、陽極１の触媒層と固体高分子電解質膜３との接合面において空気中の水蒸気（水分）が電気分解され、オゾンガス、酸素ガス及び電子が発生する。発生したオゾンガス及び酸素ガスは多孔体である陽極１を通って外気に流出する。一方、水の電気分解で生じた水素イオンは固体高分子電解質膜３中を通って陰極２に移動し、陰極２の触媒層と固体高分子電解質膜３の接合面において水素イオンと空気中の酸素ガス及び外部回路を通って陰極２に導かれた電子が反応して水が生成する。
上記のような従来技術１による電気化学素子は、陽極１及び陰極２と固体高分子電解質膜３とを熱圧着により一体化して形成するために、電気化学素子を軽くかつ厚みを薄くできるといった利点がある。
【０００４】
しかし、熱圧着により形成した従来技術１による電気化学素子は短期間に性能が低下するという問題があった。特に、多湿環境で使用すると急速に性能が低下するという問題があった。
【０００５】
従来技術２
そこで、上記のような問題点を解決するために、例えば、特開２００１−２４０９９０号公報に示された従来の電気化学素子が提案されている。この電気化学素子は、導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極と、導電性多孔体である陰極基材に陰極触媒層を有する陰極とを固体高分子電解質膜の表裏に接合してなる電気化学素子接合体を、開口部を有する一対の押さえ板の間に挟んで加圧することにより、固体高分子電解質膜と陽極及び陰極との接合面を剥れ難くしている。
図２１は、特開２００１−２４０９９０号公報に示された従来の電気化学素子の１つであるオゾン発生素子の構成図である。図において、８はボルト、９はナット、３０は開口部、８０は金属の押さえ板、８１は絶縁性樹脂製のシート又は薄板である。
【０００６】
この電気化学素子であるオゾン発生素子は、導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極１と導電性多孔体である陰極基材に陰極触媒層を有する陰極２とを固体高分子電解質膜３の表裏に配置して、１５０℃以上２００℃未満の温度で熱圧着（ホットプレス）して形成した電気化学素子接合体１０を、絶縁性樹脂製のシート又は薄板８１を介して開口部３０を有する一対の押さえ板８０の間に挟んで複数のボルト８とナット９により加圧するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１３１２７６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４０９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来技術２による電気化学素子は、導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極と導電性多孔体である陰極基材に陰極触媒層をもつ陰極とを固体高分子電解質膜の表裏に接合してなる電気化学素子接合体を、開口部を有する一対の押さえ板の間に挟んで加圧することにより、固体高分子電解質膜と陽極及び陰極との接合面を剥れ難くしている。その結果、多湿環境においても短期間に性能が低下することがなくなった。
しかしながら、従来技術２による電気化学素子は、数時間運転したあとに数時間以上放置するという間欠的な運転を行うと、性能が急速に低下するという問題が明らかになった。さらに、従来技術２による電気化学素子は、圧締めの際、電気化学素子接合体の厚みのために、電気化学素子接合体全体を均一に加圧することが難しかった。また、電気化学素子接合体、陰極端子スペーサ及び１対の押さえ板などを正確にかつ信頼性が高く組み立てる作業が難しいといった問題があった。
【０００９】
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、多湿環境での運転や間欠的な運転においても電気化学素子の性能を長期に安定して維持でき、かつ厚さが薄くコンパクトな電気化学素子を得ることを目的とする。また、電気化学素子接合体の全体を均一に加圧することによって性能をより長期に安定して維持できることを目的とする。さらに、高い信頼性でかつ正確に組み立て作業ができる電気化学素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明の電気化学素子は、導電性多孔体である基材に触媒層を有する陽極及び陰極を固体高分子電解質膜の表裏に接合してなる電気化学素子接合体と、
貫通穴を有する一対の押さえ板と、該一対の押さえ板の間に電気化学素子接合体を挟んで保持するとともに、電気化学素子接合体が均一に加圧されるように一対の押さえ板を締め付ける圧締め手段と、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板に設置される発熱体と、電気化学素子接合体の運転停止時に発熱体を稼働させ、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板を周囲温度よりも高く維持する温度制御手段を有することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２に係る発明の電気化学素子は、請求項１に係る発明の電気化学素子において、
貫通穴を有する絶縁性樹脂の薄板と、電気化学素子接合体を位置決めするための開口部を有する絶縁性樹脂板と、絶縁性の樹脂板よりなり、陽極リード端子及び陰極リード端子を備えるとともに、開口部を有する端子板をさらに備え、一対の押さえ板のうちの陽極側押さえ板には陽極の一端部に接触する導電性突起部を設けるとともに、導電性突起部以外の表面は絶縁性樹脂膜で覆い、一対の押さえ板のうちの陰極側押さえ板には少なくとも陰極の他端部及び陰極リード端子に接触する導電面を設け、陽極側押さえ板、薄板、電気化学素子接合体、絶縁性樹脂板、陰極側押さえ板、端子板の順に重ねた積層体を、圧締め手段で締め付けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明の電気化学素子において、
圧締め手段は、絶縁性の樹脂パイプを挿入した複数のネジであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明の電気化学素子をオゾン発生素子として有する空調機器である。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明の電気化学素子をオゾン発生素子として有する冷蔵庫である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明の電気化学素子によれば、導電性多孔体である基材に触媒層を有する陽極及び陰極を固体高分子電解質膜の表裏に接合してなる電気化学素子接合体と、貫通穴を有する一対の押さえ板と、該一対の押さえ板の間に電気化学素子接合体を挟んで保持するとともに、電気化学素子接合体が均一に加圧されるように一対の押さえ板を締め付ける圧締め手段と、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板に設置される発熱体と、電気化学素子接合体の使用停止時に発熱体を稼働させ、一対の押さえ板又はいずれかの押さえ板を周囲温度よりも高く維持する温度制御手段を有するので、多湿環境での運転及び間欠的な運転においても電気化学素子の性能を長期に安定して維持でき、かつ厚さが薄くコンパクトな電気化学素子を提供することができる。
【００１６】
請求項２に係る発明の電気化学素子によれば、請求項１に係る発明の電気化学素子において、
貫通穴を有する絶縁性樹脂の薄板と、電気化学素子接合体を位置決めするための開口部を有する絶縁性樹脂板と、絶縁性の樹脂板よりなり、陽極リード端子及び陰極リード端子を備えるとともに、開口部を有する端子板をさらに備え、一対の押さえ板のうちの陽極側押さえ板には陽極の一端部に接触する導電性突起部を設けるとともに、導電性突起部以外の表面は絶縁性樹脂膜で覆い、一対の押さえ板のうちの陰極側押さえ板には少なくとも陰極の他端部及び陰極リード端子に接触する導電面を設け、陽極側押さえ板、薄板、電気化学素子接合体、絶縁性樹脂板、陰極側押さえ板、端子板の順に重ねた積層体を、圧締め手段で締め付けたので、請求項１に係る発明による効果に加え、電気化学素子接合体全体を均一に加圧できるとともに、電気化学素子を高い信頼性でかつ正確に組み立てられるようになった。
【００１７】
請求項３に係る発明の電気化学素子によれば、圧締め手段が絶縁性の樹脂パイプを挿入した複数のネジであるため、一対の押さえ板が圧締め手段によって短絡することがない。
【００１８】
請求項４に係る発明の空調機器によれば、厚さが薄く、コンパクトであり、かつ直流数ボルトで稼動する請求項１ないし３のいずれかに係る発明の電気化学素子をオゾン発生素子として有するため、オゾン発生素子を設置する場所の制約が少なく、空調機器の狭い場所に容易にオゾン発生素子を内蔵することができる。
【００１９】
請求項５に係る発明の冷蔵庫によれば、厚さが薄く、コンパクトであり、かつ直流数ボルトで稼動する請求項１ないし３のいずれかに係る発明の電気化学素子をオゾン発生素子として有するため、オゾン発生素子を設置する場所の制約が少なく、冷蔵庫の狭い場所に容易にオゾン発生素子を内蔵することができる。
また、冷蔵庫内の多湿環境でも長期にオゾン発生量を安定に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施例１によるオゾン発生素子の平面図である。
【図３】実施例１によるオゾン発生素子の底面図である。
【図４】実施例１によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体の平面図である。
【図５】実施例１によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体の底面図である。
【図６】実施例１によるオゾン発生素子を間欠的な運転サイクルで長期にわたって繰り返し稼働させた実験におけるオゾン発生量の変化を示すグラフである。
【図７】実施例１又は２によるオゾン発生素子の変形例における電気化学素子接合体の平面図である。
【図８】実施例２によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。
【図９】実施例２によるオゾン発生素子の平面図である。
【図１０】実施例２によるオゾン発生素子の底面図である。
【図１１】実施例２によるオゾン発生素子の陽極側押さえ板の平面図である。
【図１２】実施例２によるオゾン発生素子の絶縁性樹脂の薄板の平面図である。
【図１３】実施例２によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体の平面図である。
【図１４】実施例２によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体を位置決めするための樹脂板の平面図である。
【図１５】実施例２によるオゾン発生素子の陰極側押さえ板の平面図である。
【図１６】実施例２によるオゾン発生素子の端子板の平面図である。
【図１７】実施例２によるオゾン発生素子の構成部材である絶縁性の樹脂パイプを挿入したネジの平面図である。
【図１８】実施例３による空調機器の構成を示す断面図である。
【図１９】実施例４による冷蔵庫の構成を示す断面図である。
【図２０】従来技術１によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。
【図２１】従来技術２によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
本発明は、上記特開平１１−１３１２７６号公報及び特開２００１−２４０９９０号公報などの従来技術１及び従来技術２による電気化学素子の性能低下原因及び対策について鋭意検討した結果、以下の事項を見出すことによってなされたものである。
（１）開口部を有する一対の押さえ板の間に挟んで加圧することにより、固体高分子電解質膜と陽極触媒層及び陰極触媒層との接合面の剥離を防止できること、
（２）使用停止時に固体高分子電解質膜に含有する水分を外部に除去することによって、固体高分子電解質膜の電気的絶縁性が高められて陽極と陰極が十分に絶縁され、電子流入による陽極触媒層及び陰極触媒層の変質が防止できること、
（３）電気化学素子接合体を位置決めするための絶縁性樹脂板及び陽極側押さえ板の一端に設けた導電性突起部等の導入により、電気化学素子接合体全体を均一に加圧できるとともに、高い信頼性でかつ正確に組み立て作業ができること。
【実施例１】
【００２３】
以下、本発明の電気化学素子を、実施例１によるオゾン発生素子を例に説明する。図１は実施例１によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。また、図２及び図３は、実施例１によるオゾン発生素子の平面図及び底面図である。また、図４は及び図５は、実施例１によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体の平面図及び底面図である。
図において、１は導電性多孔体である陽極基材に陽極触媒層を有する陽極、２は導電性多孔体であ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、４は電気化学素子を加温するための発熱体、５は陰極端子４０を支持して保護するスペーサ、１０は固体高分子電解質膜の表裏に陽極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、１４は陽極側押さえ板、１８は圧締め用のネジ、２２は陰極側押さえ板、３６は陽極１及び陰極２が対峙して成す電気化学反応部、３８は陰極側押さえ板２２に設けた切欠き部、３９は陽極端子、４０は陰極端子であり、陽極端子３９及び陰極端子４０と直流電源（図示せず）とが配線で電気的に接続され、電気化学素子接合体１０に直流電圧が印加される。
【００２４】
以下に、材質や製造方法について具体的に説明する。
陽極１は、チタン製の薄板に切れ目を入れて引き延ばした厚さ数百μｍの多孔質なエキスパンドメタルに白金下地を施した陽極基材に、厚さ数μｍ〜数十μｍのβ型又はα型の二酸化鉛を電着した陽極触媒層を形成したものである。
【００２５】
一方、陰極２は、カーボン繊維でできた厚さ数百μｍの多孔質なカーボンクロスにポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥと記す。）の微粒子を付着させ、３５０℃で１時間熱処理することで撥水処理した陰極基材の両面に、陰極触媒層を形成したものである。
固体高分子電解質膜３側の陰極触媒層は、カーボン粉末に白金微粒子を担持した触媒に、液化した固体高分子電解質をバインダーとして固着させた多孔質なもので厚さは数十μｍである。
陰極側押さえ板２２側の陰極触媒層は、カーボン粉末に白金微粒子を担持した触媒に、ＰＴＦＥの微粒子をバインダーとして固着させた多孔質なもので厚さは数十μｍである。
そして、各陰極触媒層は、撥水処理した陰極基材の両面に上記の触媒とバインダーの混合物をスクリーン印刷法で塗布した後、約１５０℃で１時間熱処理してバインダーである固体高分子電解質やＰＴＦＥを融着させ、陰極基材に密着させることにより形成した。
また、陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２は、中央部に複数の貫通穴３１及び３２を有するステンレス板の全表面を、電気的な短絡の発生を防止するためにエポキシ樹脂系の絶縁性樹脂膜１６で覆ったものである。
【００２６】
次に、電気化学素子接合体１０は、図４及び図５に示すように、陽極端子３９及び陰極端子４０をそれぞれ設けた陽極１及び陰極２の間に矩形の固体高分子電解質膜３を挟んで重ね合わせ状態で、固体高分子電解質膜３が軟化する温度よりも高温、例えば１５０〜２００℃で、圧力が５０〜７０ｋｇｆ/ｃｍ２で数分以上圧着して形成した。この際、図２、図４及び図５に示すように、固体高分子電解質膜３は陽極１及び陰極２が対峙して成す電気化学反応部３６を全て覆うことができる大きさとなるように加工し、陽極１と陰極２が電気的に短絡するのを防止した。
【００２７】
このようにして一体化して形成された電気化学素子接合体１０の陽極端子３９及び陰極端子４０に直流電源（図示せず）により２〜１０Ｖの直流電圧が印加されると、陽極１の二酸化鉛触媒層と固体高分子電解質膜３との接合面において空気中の水蒸気（水分）が電気分解され、オゾンガス、酸素ガス及び電子が発生する。
発生したオゾンガス及び酸素ガスは多孔体である陽極１を通って外気に流出する。一方、水の電気分解で生じた水素イオンは固体高分子電解質膜３中を通って陰極２に移動し、陰極２の触媒層と固体高分子電解質膜３の接合面において水素イオンと空気中の酸素ガス及び外部回路を通って陰極２に導かれた電子が反応して水が生成する。
【００２８】
実施例１では、図１及び図２に示すように、熱圧着により形成した電気化学素子接合体１０を、例えば開口率（陽極１及び陰極２が対峙して成す電気化学反応部３６の面積に対する比率）が約４０％である複数の貫通穴３２と切欠き部３８とを有する陰極側押さえ板２２と同じく開口率が約４０％である複数の貫通穴３１を有する陽極側押さえ板１４の間に挟み、両押さえ板２２及び１４をネジ１８により締め付けた。
なお、陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４の大きさは４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さは２ｍｍである。
また、ネジ１８による圧締めは陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４の周囲４ヶ所で行い、各ネジ１８の締め付け圧はトルクドライバにより８ｋｇｆ・ｃｍである。
【００２９】
実施例１のオゾン発生素子を利用する際は、陰極側押さえ板２２に設けた切欠き部３８に露出した陽極端子３９及び陰極端子４０と直流電源とを配線によって接続する。そうすると、電気化学素子接合体１０からオゾンガスが発生し、複数の貫通穴３１を通って外気に放出される。この際、固体高分子電解質膜３は吸湿作用があるので、多湿環境においてオゾン発生が盛んになる。
次に、オゾン発生素子の運転を停止したときは、図１及び図３に示すように、陽極側押さえ板１４の周囲に備えた発熱体４（例えばシート状ヒーター）を稼動させ、電気化学素子接合体１０の温度を５０〜６０℃に維持する。そして、再びオゾン発生素子の運転を開始するときは、発熱体４の稼動を停止させた後、電気化学素子接合体１０に３Ｖの直流電圧を印加する。
【００３０】
実施例１による効果を実証するために、温度２５℃、相対湿度約８０％の環境条件において、実施例１によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体１０に直流３Ｖを印加して、１００分間運転した後２日間停止し、再び１００分間運転した後２日間停止するという間欠的な運転サイクルを長期にわたって繰り返した。ここで、運転停止時に、そのまま放置する場合と、運転停止時に発熱体４により電気化学素子接合体１０を加温するため、陽極側押さえ板１４の温度を５０〜６０℃に維持した場合について、それぞれオゾン発生量の低下の経時変化を調べた。
その結果、図６に示すように、運転停止時にそのまま放置した場合、３００時間（約２週間）の短時間にオゾン発生量が著しく低下した。
これに対して、運転停止時に発熱体４により陽極側押さえ板１４の温度を５０〜６０℃に維持した場合、オゾン発生量は５０００時間（２００日）以上、初期値とほとんど変わらないという良好な結果が得られた。
以上の結果から、オゾン発生素子の運転停止時に陽極側押さえ板１４の温度を５０〜６０℃に維持することにより、固体高分子電解質膜３に含有する水分を外部に除去でき、固体高分子電解質膜３の電気的絶縁性が高められて陽極１と陰極２が十分に絶縁され、電子流入による陽極触媒層及び陰極触媒層の変質が防止されるものと考えられる。
【００３１】
上記の実証試験では、運転停止時における電気化学素子接合体１０の固体高分子電解質膜３の温度を５０〜６０℃としたが、さらに実験した結果によれば陽極側押さえ板１４の温度を約４０℃に維持した場合や８０℃に維持した場合においても、５０〜６０℃とした場合とほぼ同様な結果が得られた。
したがって、運転停止時における陽極側押さえ板１４の温度は周囲温度よりも高く、好ましくは４０℃以上に維持すれば良いが、固体高分子電解質膜３は長期間にわたり１５０℃以上に維持されると変質する可能性があるので、運転停止時における陽極側押さえ板１４の温度は４０〜１００℃に維持するのが好ましい。
【実施例２】
【００３２】
本発明の実施例１による電気化学素子は、電気化学素子接合体１０の厚み（０．６ｍｍ程度）のために、圧締めの際、電気化学素子接合体１０全体を均一に加圧することが難しかった。また、電気化学素子接合体１０、陰極端子スペーサ５及び陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４を高い信頼性でかつ正確に組み立てることが難しいという問題があった。
そこで、本発明の実施例２によるオゾン発生素子は、実施例１のオゾン発生素子よりも、電気化学素子接合体１０全体を均一に加圧できるとともに、高い信頼性でかつ正確に組み立て作業ができるようにしている。
以下の説明において、電気化学素子接合体１０全体を均一かつ確実に加圧できる構造、構成及び組立て手順以外については実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００３３】
図８は実施例２によるオゾン発生素子の構成を示す断面図である。また、図９及び図１０は、図８のオゾン発生素子を表及び裏から見たときの平面図である。また、図１１〜図１７は、実施例２によるオゾン発生素子の構成部材の平面図で、実施例２によるオゾン発生素子の組み立て手順を説明するための図である。
【００３４】
図において、１２は開口部３５を有する絶縁材からなる端子板で、陽極リード端子１１および陰極リード端子２１を有する。２２は複数の貫通穴３２を有するステンレス等の陰極側押さえ板、１３は開口部３４を有する絶縁性樹脂板で、電気化学素子接合体１０の位置を固定するとともに、陽極１を導電性突起部１５と密着させる押さえ部４２を有する。
また、１４は複数の貫通穴３１を有し、かつ絶縁性樹脂膜１６で覆ったステンレス等の陽極側押さえ板、１５は絶縁性樹脂膜１６で覆った陽極側押さえ板１４の一端に設けた複数の導電性突起部、１７は複数の貫通穴３３を有する絶縁性樹脂の薄板、１８は圧締め用のネジ、１９はネジ１８に挿入した絶縁性の樹脂パイプ、３６は陽極１及び陰極２が対峙して成す電気化学反応部、４１はネジ穴である。
【００３５】
実施例２によるオゾン発生素子は、図８、図９及び図１０に示すように、複数の貫通穴３１を有する絶縁性樹脂膜１６で覆った陽極側押さえ板１４と、複数の貫通穴３３を有する絶縁性樹脂の薄板１７と、電気化学素子接合体１０と、電気化学素子接合体１０を位置決めするための開口部３４を有する絶縁性樹脂板１３と、複数の貫通穴３２を有する陰極側押さえ板２２と、開口部３５を有し、陽極リード端子１１及び陰極リード端子２１を備えた端子板１２と、絶縁性の樹脂パイプ１９を挿入した複数のネジ１８からなり、陽極側押さえ板１４、薄板１７、電気化学素子接合体１０、絶縁性樹脂板１３、陰極側押さえ板２２、端子板１２の順に重ねて積層体とする。
そして、この積層体の四隅に形成されるネジ穴４１にネジ１８を差し込んで締め付け、端子板１２と陽極側押さえ板１４を圧締めするように構成されている。
【００３６】
次に、本オゾン発生素子の組み立て手順について図を用いてさらに詳しく説明する。
（１）図１１に示した複数の貫通穴３１を有する陽極側押さえ板１４の上に、図１２に示した複数の貫通穴３３を有する絶縁性樹脂の薄板１７を重ね合わせる。
（２）絶縁性樹脂の薄板１７の上に、図１３に示した電気化学素子接合体１０の陰極２を表面にして陽極１の一端が陽極側押さえ板１４の一端に設けた複数の導電性突起部１５に密着するように配置する。
このように、絶縁性樹脂の薄板１７と導電性突起部１５を設けることによって陽極１は撓むことなく平面固定され、ネジ８による圧締めの際、陽極１全体を均一に加圧できる。
なお、導電性突起部１５と陽極側押さえ板１４はいずれもステンレスからなり導通しており、陽極１と陽極側押さえ板１４も電気的に導通している。
（３）図１４に示した絶縁性樹脂板１３の開口部３４に電気化学素子接合体１０をはめ込んで固定する。
これにより電気化学素子接合体１０の位置を常に一定に定めることができる。
（４）図１５に示した複数の貫通穴３２を有する陰極側押さえ板２２を絶縁性樹脂板１３の上に重ね合わせる。
この際、絶縁性樹脂板１３の厚みは電気化学素子接合体１０の厚みより若干薄くすると陰極２が開口部３４から若干突出する状態となり、圧締めした際、陰極側押さえ板２２によって陰極２全体がより均一に加圧される。また、この際、絶縁性樹脂板１３の押さえ部４２によって陽極端子３９を導電性突起部１５にしっかりと密着するように押さえ込むことができる。
（５）陰極側押さえ板２２の上に、図１６に示した開口部３５を有し、かつ陽極リード端子１１及び陰極リード端子２１を備えた端子板１２を重ね合わせた後、陽極側押さえ板１４、薄板１７、電気化学素子接合体１０、絶縁性樹脂板１３、陰極側押さえ板２２、端子板１２による積層体の四隅に形成されるネジ穴４１に、図１７に示した絶縁性の樹脂パイプ１９を挿入した複数のネジ１８を差し込んで締め付け、端子板１２と陽極側押さえ板１４を圧締めする。
この際、ネジ１８は絶縁性樹脂膜１６で覆った陽極側押さえ板１４でネジ止めされるので、陽極１とも電気的に導通している。当然ながらネジ１８は陽極リード端子１１とも導通している。
一方、実施例１と異なり陰極側押さえ板２２には絶縁性樹脂膜が形成されていないため、ネジ１８による圧締めにより、陰極リード端子２１と陰極側押さえ板２２及び陰極２とが電気的に導通する様態となる。この際、陽極１と導通しているネジ１８は絶縁性の樹脂パイプ１９が挿入されているので、陰極側押さえ板２２と接触して陽極１と陰極２が電気的に短絡することはない。
実施例２によるオゾン発生素子を作動させる際には、陽極リード端子１１、陰極リード端子２１及び直流電源が配線によって接続され、電気化学素子接合体１０に３Ｖの直流電圧を印加する。
【００３７】
以上のように、陽極側押さえ板１４、薄板１７、電気化学素子接合体１０、絶縁性樹脂板１３、陰極側押さえ板２２、端子板１２の順に重ねた積層体を、絶縁性の樹脂パイプ１９を挿入した複数のネジ１８により圧締めするようにしたので、電気化学素子接合体１０全体を均一に加圧できるとともに、オゾン発生素子を高い信頼性でかつ正確に組み立てられるようになった。
【００３８】
実施例２による効果を実証するために、実施例１と同様に、温度２５℃、相対湿度約８０％の環境条件において、実施例２によるオゾン発生素子の電気化学素子接合体１０に直流３Ｖを印加して、１００分間運転した後２日間停止し、再び１００分間運転した後２日間停止するという間欠的な運転サイクルを長期にわたって繰り返した。
その結果、実施例２によるオゾン発生素子を使用した場合には、オゾン発生量は６０００時間（２５０日）以上、初期値とほとんど変わらず、実施例１によるオゾン発生素子よりも良好な結果が得られた。
【実施例３】
【００３９】
実施例１又は２のオゾン発生素子５０は、厚さが薄く、コンパクトであり、かつ直流数ボルトで稼動するため、設置場所の制限がなく、容易に狭い空間に内蔵することができる。
図１８は、実施例１又は２のオゾン発生素子５０を設置した空調機器５１の断面図である。図１８において、５１は空調機器、５２は直流電源を有する空調機器５１の電源、５３は熱交換器、５４はファン、５５は活性炭などを添着したフィルター、５６は光触媒を添着したフィルター、５７は集塵フィルター、５８は空気吸引口、５９は空気吹き出し口である。
オゾン発生素子５０は、空調機器５１内などの空間が狭い隙間に容易に内蔵することができる。空気吸引口５８より吸引された空気は、オゾン発生素子５０により生成されるオゾンと混合した後、光触媒を添着したフィルター５６を通過して脱臭、殺菌される。このように、オゾンと光触媒とを併用すると脱臭、殺菌などの空気浄化効果を向上することができ、高い空気浄化効果が得られる。なお、余剰のオゾンは活性炭フィルター５６により除去される。
また、オゾン発生素子５０により生成されるオゾンにより、空調機器５１内及び熱交換器５３、ファン５４やフィルター５５及び５６などの表面が殺菌され、臭気の原因となる付着微生物の繁殖が防止され、空調機器５１内が衛生的となり、かつ臭気及び埃の付着が抑制される。
【００４０】
なお、オゾン発生素子５０は、空調機器５１の運転と同期して稼動させてよい。また、空調機器５１の運転中に稼働時間を数分間から数十分間とし、間欠的に稼動させてもよく、また空調機器５１の運転が停止後に短時間稼動させてもよい。
また、実施例３では、オゾン発生素子５０を熱交換器が設置される空間に設置したが、これに限らず空調機器５１内のいずれに設置してもよい。
【実施例４】
【００４１】
図１９は、実施例１又は２のオゾン発生素子５０を野菜室内部に設置した冷蔵庫の断面図である。図１９において、６１は冷蔵庫、６２は冷凍室、６３は冷蔵室、６４は野菜室、６５は収納された野菜、６６は冷気通路である。
特に野菜室６４は収納された野菜６５から水分が蒸散するために湿度が高くなるが、オゾン発生素子５０は多湿環境でも長期にオゾン発生量が安定に維持される。
【００４２】
なお、オゾン発生素子５０は、野菜室６４の容量に合わせて、野菜室６４内のオゾン濃度が例えば０．１ｐｐｍ以下となるように稼働時間を数分間から数十分間とし、間欠的に稼動させると良い。また、図示しなかったが、このオゾン発生素子５０とオゾン分解触媒又は光触媒を併用しても良い。
【００４３】
また、実施例１又は２のオゾン発生素子５０は、厚さが薄くコンパクトであり、かつ直流数ボルトで稼動する。したがって、設置場所の制限がなく、容易に狭い空間に内蔵することができる。
【００４４】
実施例１ないし４の変形例を列記する。
（１）実施例１ないし４のオゾン発生素子における陽極１は、チタン製の薄板に切れ目を入れて引き延ばした厚さ数百μｍの多孔質なエキスパンドメタルに白金下地を施した陽極基材に、厚さ数μｍ〜数十μｍのβ型又はα型の二酸化鉛を電着してなる陽極触媒層を形成したものであるが、陽極基材はチタン製に限らず、ステンレスや金を蒸着したステンレス等の耐腐食性等の金属材料製でも良い。
（２）実施例１ないし４のオゾン発生素子における陰極２は、カーボン繊維でできた厚さ数百μｍの多孔質なカーボンクロスにＰＴＦＥの微粒子を付着させ、３５０℃で１時間熱処理することで撥水処理した陰極基材の両面に、陰極触媒層を形成したものであるが、陰極基材はこのようなカーボン繊維に限らず、ステンレス繊維等であっても良い。
（３）実施例１ないし４のオゾン発生素子における陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２は、それぞれ中央部に複数の貫通穴３１及び３２を有するステンレス板よりなり、実施例１ないし４の陽極側押さえ板１４及び実施例１の陰極側押さえ板２２は、ステンレス板の全表面をエポキシ樹脂系の絶縁性樹脂膜１６で覆ったものであるが、ステンレス板に限らず鉄板、チタン板等、剛性のある金属板であれば良く、エポキシ樹脂系の絶縁性樹脂膜で覆ったものに限らず、他の電気的絶縁性の高い樹脂膜で覆ったものや絶縁性樹脂製シートを被せたものであっても良い。
また、陽極１と陰極２が短絡しないように、スペーサ５やネジ１８を絶縁性としたり、スペーサ５やネジ１８と陽極１、陰極２、陽極側押さえ板１４又は陰極側押さえ板２２が導通しないように絶縁処理を施したりすれば、絶縁性樹脂膜１６で覆わなくても良い。
さらに、実施例２の陰極側押さえ板２２は、絶縁性樹脂膜が形成されていないステンレス板であるが、少なくとも陰極２の他端部及び陰極リード端子２１に接触する部分が導電面となっていれば、その他の部分には絶縁性樹脂膜が形成されていても良い。
（４）実施例１ないし４のオゾン発生素子における陽極１、陰極２、固体高分子電解質膜３、陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２は矩形であり、陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２の大きさは４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さは２ｍｍであるが、図７に示すように陽極１、陰極２及び固体高分子電解質膜３の形状は圧力ひずみが少ない円形としても良く、それに伴い陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２の形状を円形としても良い。
さらに、陽極１、陰極２及び固体高分子電解質膜３の形状は、矩形及び円形以外の多角形、楕円形等どのような形状でも良く、オゾン発生素子の用途や必要なオゾン発生量によってその形状や面積を決定できる。
そして、陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２の大きさや厚さは、決定された陽極１、陰極２及び固体高分子電解質膜３の形状や面積に応じて適宜変更される。
（５）実施例１ないし４のオゾン発生素子においては、ネジ１８による圧締めを陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４の周囲４ヶ所で行い、各ネジ１８の締め付け圧はトルクドライバにより８ｋｇｆ・ｃｍであるが、実験結果によれば数ｋｇｆ・ｃｍから数十ｋｇｆ・ｃｍの範囲であればほぼ同様の効果が得られる。
また、圧締めはネジ１８に限らず、ボルト及びナット、ビス止め並びにかしめなどの加圧手段を用いても良く、圧締め位置は周囲４ヶ所に限らず、電気化学素子接合体１０全体を均一に加圧することができれば、陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４の周囲３ヶ所でも周囲５ヶ所以上でも良い。
（６）実施例１ないし４のオゾン発生素子における陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２は、開口率が約４０％である複数の貫通穴３１及び３２を有しているが、実験結果によれば開口率は５〜９０％でも概ね同様の効果が得られ、開口率が５〜９０％あれば、陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２の複数の貫通穴３１及び３２に代えて、矩形や円形等適宜の形状の１つの開口部としても良い。
（７）実施例１ないし４のオゾン発生素子における発熱体４は、シート状ヒーターに限らずセラミックヒータやペルチェ素子等、適宜の電源によって発熱する素子を用いたものであればどんなものでも良い。
（８）実施例１ないし４のオゾン発生素子においては、発熱体４で運転停止時における陽極側押さえ板１４の温度を周囲温度よりも高く維持することによって、固体高分子電解質膜３に含まれる水分を除去するようにしたが、発熱体４を陰極側押さえ板２２に設置して陰極側押さえ板２２の温度を周囲温度よりも高く維持しても良いし、発熱体４を陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２に設置して陽極側押さえ板１４及び陰極側押さえ板２２の温度を周囲温度よりも高く維持しても良い。
また、運転停止時に、直流電源と接続された実施例１又は２のオゾン発生素子を取り外して除湿機器又は除湿材を入れた除湿ケースに収納し、再びオゾン発生素子を稼動させる時には再び直流電源と接続し、２〜１０Ｖ、好ましくは３Ｖの直流電圧を印加するようにしても良い。
さらに、運転停止時に除湿手段を稼働させることによって固体高分子電解質膜３に含まれる水分を除去するようにしても良い。ただし、その場合、煩雑な除湿手段を設置する必要が生じるので、薄くてコンパクトなオゾン発生素子を得難くなる。
（９）実施例１及び２では、複数の貫通穴３１及び３２を有する陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４で電気化学素子接合体１０を加圧する手段及び発熱体４で運転停止時における陽極側押さえ板１４の温度を周囲温度よりも高く、好ましくは４０℃以上に維持することにより、電気化学素子を用いたオゾン発生素子の性能を、多湿環境で間欠的な運転条件において長期に安定して維持できることを説明した。
しかし、このようなオゾン発生素子に限らず、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による電気化学反応によって同様に動作する他の電気化学素子である除湿素子、酸素発生素子、水素発生素子、電気化学ガス検知センサー等においても、実施例１及び２の陰極側押さえ板２２及び陽極側押さえ板１４と同様の押さえ板を用いて電気化学素子接合体を加圧することにより、固体高分子電解質膜と陽極触媒層及び陰極触媒層との接合面の剥離を防止できる。
また、実施例１及び２と同様に、他の電気化学素子においても、発熱体４で運転停止時における押さえ板の温度を周囲温度よりも高く、好ましくは４０℃以上に維持することによって、固体高分子電解質膜に含まれる水分が除去され、陽極と陰極が十分に絶縁状態となり、電子流入による陽極触媒層及び陰極触媒層の変質が防止されて、その性能を長期に安定して維持することができる。
なお、除湿素子、酸素発生素子及び水素発生素子の陽極には、例えば多孔質なチタン製エキスパンドメタルからなる陽極基材に陽極触媒層として白金メッキを施したものが用いられる。
（１０）実施例３は、実施例１又は２のオゾン発生素子５０を空調機器５１に設置したもの、実施例４は、実施例１又は２のオゾン発生素子５０を冷蔵庫６１に設置したものであるが、空調機器や冷蔵庫に限らず、空気清浄機、コタツや掃除機（例えば吸い込んだ空気を浄化するフィルターの前）などの家庭用機器内にも設置することができる。
また、自動車内にも設置することができる。この場合、光触媒を添着したフィルター又はオゾン分解触媒と併用するとさらに高い効果が得られる。
さらには、生ごみ処理機、ごみ収納機、食器収納容器、靴箱、ブーツ、シャワートイレ、ペットトイレなどの容器内又は機器内や、動物飼育室内、植物培養室内、クリーンベンチ内など比較的多湿な環境条件でも容易にオゾン発生素子５０を設置することができ、長期に安定して殺菌、防カビ、脱臭の効果が得られる。
なお、これらの場合も当然ながらオゾン発生素子５０を光触媒又はオゾン分解触媒などや電源としての電池類などと組合せ併用しても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１  陽極      ２  陰極      ３  固体高分子電解質膜      ４  発熱体
５  スペーサ      ６  直流電源      ８  ボルト
９  ナット      １０  電気化学素子接合体      １１  陽極リード端子
１２  端子板      １３  絶縁性樹脂板      １４  陽極側押さえ板
１５  導電性突起部      １６  絶縁性樹脂膜      １７  絶縁性樹脂の薄板
１８  ネジ      １９  絶縁性の樹脂パイプ
２１  陰極リード端子      ２２  陰極側押さえ板
２３  樹脂板
３０  開口部      ３１  陽極側押さえ板１４の複数の貫通穴
３２  陰極側押さえ板２２の複数の貫通穴
３３  絶縁性樹脂の薄板１７の複数の貫通穴      ３４  樹脂板１３の開口部
３５  絶縁性樹脂板１２の開口部
３６  陽極１と陰極２が対峙して成す電気化学反応部      ３８  切欠き部
３９  陽極端子      ４０  陰極端子      ４１  ネジ穴      ４２  押さえ部
５０  オゾン発生素子      ５１  空調機器      ５２  電源
５３  熱交換器      ５４  ファン      ５５  活性炭を添着したフィルター
５６  光触媒を添着したフィルター      ５７  集塵フィルター
５８  空気吸引口      ５９空気吹き出し口      ６１  冷蔵庫
６２  冷凍室      ６３  冷蔵室      ６４  野菜室      ６５  収納された野菜
６６  冷気通路      ８０  金属の押さえ板      ８１  絶縁性樹脂製のシート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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