(57)【要約】【課題】経時的に除湿効率が低下するのを低減することができる湿度調整器を得ることを目的とする。【解決手段】水素イオン導電性物質から成る固体電解質膜４と、固体電解質膜４の陰極側の面上に設けられ、触媒を含有する陰極触媒層５ａ、５ｂと、陰極触媒層５ａ、５ｂに接して設けられた多孔質基材にて成る第一の給電体７と、固体電解質膜４の陽極側の面上に設けられ、触媒を含有する陽極触媒層２と、陽極触媒層２に接して設けられた多孔質基材にて成る第二の給電体１とを備えた湿度調整器において、各触媒層５ａ、５ｂ、２は水素イオン導電性ポリマを含有して成るのである。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン導電性物質から成る固体電解質膜と、上記固体電解質膜の陰極側の面上に設けられ、触媒を含有する陰極触媒層と、上記陰極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第一の給電体と、上記固体電解質膜の陽極側の面上に設けられ、触媒を含有する陽極触媒層と、上記陽極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第二の給電体とを備えた湿度調整器において、上記各触媒層のいずれか又は全てに水素イオン導電性ポリマを含有して成ることを特徴とする湿度調整器。
【請求項２】
上記各触媒層は、上記触媒が白金族金属または／および白金族の酸化物にて成り、上記白金族金属または／および白金族の酸化物の量が０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２、上記水素イオン導電性ポリマの量が０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２にて成ることを特徴とする請求項１記載の湿度調整器。
【請求項３】
上記陰極触媒層は、多孔質基材に上記白金族金属または／および白金族の酸化物を担持した箇所を備え、上記第一の給電体の機能を共有する箇所を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の湿度調整器。
【請求項４】
上記陰極触媒層および上記陽極触媒層の厚みは、５μｍ〜１００μｍにて成ることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の湿度調整器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン導電性固体電解質膜を使用した湿度調整器に関し、特に使用にともなう除湿効率の低下を防止するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は例えば特開２０００−５１６３８公報に示された従来の固体電解素子を使用した湿度調整器の断面図である。図において、１４は水素イオン導電性の固体高分子電解質膜を使用した厚さが約１８０μｍの固体電解質膜で、例えばデュポン社製のナフィオン１１７（ナフィオンはデュポン社の登録商標）が使用される。１５ａは固体電解質膜１４の陰極側の面に形成された第一の陰極触媒層で、例えばイソプロピルアルコールと水などの揮発性溶剤に白金黒を混合し、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ２〜３ｍｇ／ｃｍ２となるように固体電解質膜１４に吹き付けて形成される。
【０００３】
１７は厚さが約２００μｍの第一の給電体で、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素繊維により形成された多孔質基材にて成る。１５ｂは第一の給電体１７の第一の陰極触媒層１５ａと接触する側に、深さ２０μｍ〜１００μｍの範囲に、白金量が０．３ｍｇ／ｃｍ２〜３ｍｇ／ｃｍ２の範囲で分散された第二の陰極触媒層である。そして、第一の陰極触媒層１５ａと第二の陰極触媒層１５ｂとで陰極１６が形成される。
【０００４】
１１は固体電解質膜１４の陽極側に設けられた第二の給電体で、例えばチタンメッシュに白金メッキを施した厚さ約１００μｍの水透過性を有する多孔質基材にて成る。そして、第二の給電体１１と、第二の陰極触媒層１５ｂが形成された第一の給電体１７とで、第一の陰極触媒層１５ａが形成された固体電解質膜１４を挟みこみ、温度約１８０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｍ２の条件にてホットプレスする。そして、このことによりこれらを物理的に一体化すると共に電気的に接合する。
【０００５】
この後に、イソプロピルアルコールと水などの揮発性溶剤に白金黒を混合し、白金黒の量を０．３ｍｇ／ｃｍ２〜３ｍｇ／ｃｍ２となるように、固体電解質膜１４と第二の給電体１１との大気側面に塗布または吹きつけにより陽極触媒層１２を形成する。そして第二の給電体１１と陽極触媒層１２とで陽極１３を形成することとなる。１８は陰極１６と陽極１３との間に接続される直流電源である。
【０００６】
上記のように構成された従来の湿度調整器においては、陽極１３と陰極１６との間に直流電源１８より電力が供給されると、陽極１３側の大気側面では水分が下記（１）式の反応により電気分解され、大気側には酸素が供給され、これと共に水分が除去される。
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−　・・・（１）
【０００７】
この時に発生する水素イオンＨ＋は固体電解質膜１４を通って陰極１６に達すると共に、電子ｅ−は直流電源１８を含む外部回路を通って陰極１６に達する。そして、下記（２）式の反応により陰極１６側において酸素を消費しながら水を生成する。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ　・・・（２）
【０００８】
この時酸化されなかった水素イオンは第二の陰極触媒層１５ｂを通ることにより、下記（３）式の反応によってさらに還元反応がなされ、ほぼ完全に水に変換される。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ　・・・（３）
更に、この水素イオンＨ＋と共に１〜３個の水分子が固体電解質層１４を通って陽極１３側から陰極１６側に移動するので、陽極１３側では除湿が促進されることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般的な電気化学反応による除湿は、上記（１）式の反応が直流電源の電圧と共に増大するものであるから、湿度調整器の性能は印加電圧を高めることにより向上させることができる。しかし、印加電圧の上昇と共に陰極に生成される水素イオンが増加するため、陰極側において還元能力を越える電圧が印加された場合には、還元による水の生成が追従できず、陰極側にこの水素が蓄積され、水素爆発を引き起こす危険性があった。
【００１０】
そこでこの水素ガスの蓄積を回避するために、印加電圧を一定電圧以下に抑制する必要があった。よって、印加電圧の抑制は除湿能力に制約を加えるものであり、湿度調整器の性能を十分高めることができなかった。そこで上記に示した特開平２０００−５１６３８公報のように構成し、水素ガスの蓄積を低減している。しかしながら、長期間にわたり使用する場合、水素ガスが発生することは防止できるものの、除湿能力の低下がみられた。
【００１１】
原因としては、電気化学反応における触媒層の劣化によるものと考えられる。また、他の原因としては、各触媒層と固定電解質膜との界面、また、第一の陰極触媒層と第二の陰極触媒層との界面においては、それらの材質が異なり膨張係数が異なる。このことにより、電気化学反応により発生する発熱によって、経時的にマイクロ剥離が発生し、反応を阻害するものと考えられる。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、使用にともなう除湿能力の低下を低減することができる湿度調整器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１の湿度調整器は、水素イオン導電性物質から成る固体電解質膜と、固体電解質膜の陰極側の面上に設けられ、触媒を含有する陰極触媒層と、陰極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第一の給電体と、固体電解質膜の陽極側の面上に設けられ、触媒を含有する陽極触媒層と、陽極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第二の給電体とを備えた湿度調整器において、各触媒層のいずれか又は全てに水素イオン導電性ポリマを含有して成るものである。
【００１４】
また、この発明に係る請求項２の湿度調整器は、請求項１において、各触媒層は、触媒が白金族金属または／および白金族の酸化物にて成り、白金族金属または／および白金族の酸化物の量が０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２、水素イオン導電性ポリマの量が０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２にて成るものである。
【００１５】
また、この発明に係る請求項３の湿度調整器は、請求項１または請求項２において、陰極触媒層は、多孔質基材に白金族金属または／および白金族の酸化物を担持した箇所を備え、第一の給電体の機能を共有する箇所を有するものである。
【００１６】
また、この発明に係る請求項４の湿度調整器は、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、陰極触媒層および陽極触媒層の厚みは、５μｍ〜１００μｍにて成るものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である湿度調整器で、特に電気化学素子部の構成を詳細に示した断面図、図２はこの図１の湿度調整器および従来の湿度調整器を比較するための加速試験結果を示した図である。図において、４は水素イオン導電性の固体高分子電解質膜を使用した厚さが約１８０μｍの固体電解質膜で、例えばデュポン社製のナフィオン１１７（ナフィオンはデュポン社の登録商標）が使用される。
【００１８】
５ａは固体電解質膜４の陰極側の面に形成された第一の陰極触媒層で、例えばイソプロピルアルコールと水などの揮発性溶剤に触媒として白金黒を混合し、白金黒の量が０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２と成り、かつ、水素イオン導電性ポリマが０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２と成るように固体電解質膜４に吹き付け、厚みを５μｍ〜１００μｍにて形成する。
【００１９】
７は厚さが約２００μｍの第一の給電体で、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素繊維により形成された多孔質基材にて成る。５ｂは第一の給電体７の第一の陰極触媒層５ａと接触する側に形成された第二の陰極触媒層で、深さ５μｍ〜１００μｍの範囲に、触媒としての白金黒または／および白金担持カーボンが０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２と成り、水素イオン導電性ポリマが０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２と成るよう形成されている。そして、第一の陰極触媒層５ａと第二の陰極触媒層５ｂとで陰極６が形成される。
【００２０】
１は固体電解質膜４の陽極側に設けられた第二の給電体で、例えばチタンメッシュに白金メッキを施した厚さ約１００μｍの水透過性を有する多孔質基材にて成る。そして、第二の給電体１と、第二の陰極触媒層５ｂが形成された第一の給電体７とで、第一の陰極触媒層５ａが形成された固体電解質膜４を挟みこみ、温度約１８０℃、圧力５０ｋｇ／ｃｍ２の条件にてホットプレスする。そして、このことによりこれらを物理的に一体化すると共に電気的に接合する。
【００２１】
この後に、イソプロピルアルコールと水などの揮発性溶剤に白金黒を混合し、白金黒の量が０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２と成り、水素イオン導電性ポリマの量が０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２と成り、厚みが５μｍ〜１００μｍと成るよう、固体電解質４と第二の給電体１との大気側面に塗布または吹きつけにより陽極触媒層２を形成する。そして第二の給電体１と陽極触媒層２とで陽極３を形成することとなる。８は陰極６と陽極３との間に接続される直流電源である。
【００２２】
各触媒層の厚みを５μｍ〜１００μｍとしたのは、５μｍより薄いと触媒層としての機能を果たすことができないためであり、１００μｍより厚くなったとしても触媒層としての機能が飽和しコストが上昇するためである。また、触媒の量を０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２としたのは、０．１ｍｇ／ｃｍ２より少ないと触媒としての機能を果たすことができないためであり、６ｍｇ／ｃｍ２より多くなったとしても触媒としての機能が飽和しコストが上昇するためである。
【００２３】
また、各触媒層の水素イオン導電性ポリマの量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２としたのは、０．０５ｍｇ／ｃｍ２より少ないとバインダとしての機能を果たすことができないためであり、７．５ｍｇ／ｃｍ２より多くなると、水素イオン導電性ポリマが触媒を包み込んでしまい、触媒の機能を低減させるためである。
【００２４】
上記のように構成された実施の形態１の湿度調整器においては、陽極３と陰極６との間に直流電源８より電力が供給されると、陽極３側の大気側面では水分が下記（１）式の反応により電気分解され、大気側には酸素が供給され、これと共に水分が除去される。
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−　・・・（１）
【００２５】
この時に発生する水素イオンＨ＋は固体電解質膜４を通って陰極６に達すると共に、電子ｅ−は直流電源８を含む外部回路を通って陰極６に達する。そして、下記（２）式の反応により陰極６側において酸素を消費しながら水を生成する。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ　・・・（２）
【００２６】
この時酸化されなかった水素イオンは第二の陰極触媒層５ｂを通ることにより、下記（３）式の反応によってさらに還元反応がなされ、ほぼ完全に水に変換される。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ　・・・（３）
更に、この水素イオンＨ＋と共に１〜３個の水分子が固体電解質層４を通って陽極３側から陰極６側に移動するので、陽極３側では除湿が促進されることになる。
【００２７】
今回の発明の除湿の反応自体は、従来の場合と同様に行われるものの、その径時変化を実験してみると、図２に示すような結果を得ることができた。具体的な実験方法としては、本願発明および従来の各触媒層の白金の量を１ｍｇ／ｃｍ２とし、本願発明の各触媒層の水素イオンポリマの量を０．５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２とし、各触媒層の厚みを７μｍ〜１０μｍとし、上記にて示したような方法にてそれぞれ形成する。そして６０℃、相対湿度９０％以上の環境で、通電加速試験し、性能の経時劣化の状況を測定する。
【００２８】
加速試験結果では図２に示すように、この発明による湿度調整器は従来の湿度調整器と比較すると、試験によって徐々に除湿速度が低下してくる劣化程度が緩和され寿命が大幅に延長されていることが確認できる。この現象は以下のことが原因であると推測される。除湿に際して電気化学反応を利用しているため、各触媒層と固体電解質膜との界面において反応が起こり易くなると考える。しかし、この界面における劣化は時間に応じて大きくなる。
【００２９】
従来の場合は、この界面のみにて上記に示した各反応が進行しているため界面が劣化すると除湿効率は低下する。しかしながら、本願発明は各触媒層に水素イオン導電性ポリマを混在させているため、界面に劣化が生じるとその上層面にて各反応が生じるため、除湿効率の低下が低減されたものと考えられる。
【００３０】
また、各触媒層の水素イオン導電ポリマを含有することにより、固体電解質膜と各触媒層とが同質のものとなり、かつ、各触媒層のバインダとして作用する。よって、固体電解質膜と各触媒層との熱膨張係数が近似し、長期使用時のマイクロ剥離を軽減し、かつ、各触媒層と固体電解質膜や各給電体との接合が強固となり、長期使用時のマイクロ剥離を軽減するため、除湿効率の低下が低減されたものと考えられる。
【００３１】
上記のように構成された実施の形態１の湿度調整器は、各極において反応を促進させる触媒と水素イオン導電性ポリマとを混合した触媒層を用いることにより、反応面積を経時的に持続させることができる。さらに、各触媒層と固体電解質膜および各触媒層と各給電体のそれぞれの界面におけるマイクロ剥離を軽減することができ、除湿効率の低減を防止し、寿命を大幅に延ばすことができる。
【００３２】
尚、上記実施の形態１においては、陰極触媒層や陽極触媒層を形成する触媒は、上記に示したものばかりでなく、例えば白金担持カーボン、ルテニュウム、イリジュウム、パラジュウムなど、白金族金属、またはこれらの酸化物またはこれらの混合物を使用することができることは言うまでもない。また、上記実施の形態１においては、各触媒層に水素イオン導電性ポリマを含有する例を示したが、これに限られることはなく、各触媒層のいずれかに水素イオン導電性ポリマを含有すれば、従来の場合よりは経時的な低下を低減することができることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１によれば、水素イオン導電性物質から成る固体電解質膜と、固体電解質膜の陰極側の面上に設けられ、触媒を含有する陰極触媒層と、陰極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第一の給電体と、固体電解質膜の陽極側の面上に設けられ、触媒を含有する陽極触媒層と、陽極触媒層に接して設けられた多孔質基材にて成る第二の給電体とを備えた湿度調整器において、各触媒層のいずれか又は全てに水素イオン導電性ポリマを含有して成るので、固体電解質膜と各触媒層との経時的なマイクロ剥離を低減し、かつ、各触媒層の触媒能力の経時的な低下を低減することができる湿度調整器を提供することが可能となる。
【００３４】
また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、各触媒層は、触媒が白金族金属または／および白金族の酸化物にて成り、白金族金属または／および白金族の酸化物の量が０．１ｍｇ／ｃｍ２〜６ｍｇ／ｃｍ２、水素イオン導電性ポリマの量が０．０５ｍｇ／ｃｍ２〜７．５ｍｇ／ｃｍ２にて成るので、固体電解質膜と各触媒層との経時的なマイクロ剥離を確実に低減し、かつ、各触媒層の触媒能力の経時的な低下を確実に低減することができる湿度調整器を提供することが可能となる。
【００３５】
また、この発明の請求項３によれば、請求項１または請求項２において、陰極触媒層は、多孔質基材に白金族金属または／および白金族の酸化物を担持した箇所を備え、第一の給電体の機能を共有する箇所を有するので、水素ガスの還元反応を促進することができる湿度調整器を提供することが可能となる。
【００３６】
また、この発明の請求項４によれば、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、陰極触媒層および陽極触媒層の厚みは、５μｍ〜１００μｍにて成るので、電気化学反応を効率よく行うことのできる湿度調整器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の湿度調整器の電気化学素子部の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した湿度調整器と従来の湿度調整器とを比較するためのの動作特性を示した図である。
【図３】従来の湿度調整器の電気化学素子部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　第二の給電体、２　陽極触媒層、３　陽極、４　固体電解質膜、
５　陰極触媒層、５ａ　第一の陰極触媒層、５ｂ　第二の陰極触媒層、
６　陰極、７　第一の給電体、８　直流電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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