(57)【要約】【課題】能率よく運転させることができる湿度調整器の運転方法を提供する。【解決手段】陽極１８と陰極１５との間に所定の直流電圧を印加して湿度調整器２３を運転する湿度調整器の運転方法において、陽極１８と陰極１５との間に直流電圧を印加して直流電圧を上昇しても固体電解質膜２３の電流の増加割合が少なくなる拡散電流の値以下で、拡散電流の近傍の電流値に対応した値の直流電圧を陽極１８と陰極１５との間に印加して湿度調整器の運転を行うようにしたものである。【選択図】　　　　図１
2004008859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、上記第一の多孔質基材と上記陰極触媒層とからなる陰極と、上記第二の多孔質基材と上記陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、上記陽極と上記陰極との間に所定の直流電圧を印加して上記湿度調整器を運転する湿度調整器の運転方法において、上記陽極と上記陰極との間に直流電圧を印加して上記直流電圧を上昇しても上記固体電解質膜の電流の増加割合が少なくなる拡散電流の値以下で、上記陽極側の拡散電流及び上記陰極側の拡散電流のいずれか小さい方の拡散電流の近傍の電流値に対応した値の直流電圧を、上記陽極と上記陰極との間に印加して上記湿度調整器の運転を行うようにしたことを特徴とする湿度調整器の運転方法。
【請求項２】
陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、上記固体電解質膜の一側の面に設けられた陽極電圧検出電極と、上記第一の多孔質基材と上記陰極触媒層とからなる陰極と、上記第二の多孔質基材と上記陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、上記陽極と上記陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される上記湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、上記固体電解質膜を流れる電流の電流密度に対応して、検出された上記陽極と上記陽極電圧検出電極との間の陽極電圧が予め設定された陽極電圧設定値以上のとき、上記陽極側が劣化したと推定するようにしたことを特徴とする除湿調整器の劣化部位推定方法。
【請求項３】
陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた陰極電圧検出電極と、上記第一の多孔質基材と上記陰極触媒層とからなる陰極と、上記第二の多孔質基材と上記陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、上記陽極と上記陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される上記湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、上記固体電解質膜を流れる電流の電流密度に対して、検出された上記陰極と上記陰極電圧検出電極との間の陰極電圧が予め設定された陰極電圧設定値以上のとき、上記陰極側が劣化したと推定するようにしたことを特徴とする除湿調整器の劣化部位推定方法。
【請求項４】
陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、上記固体電解質膜の一側の面に設けられた陽極電圧検出電極と、上記第一の多孔質基材と上記陰極触媒層とからなる陰極と、上記第二の多孔質基材と上記陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、上記陽極と上記陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される上記湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、上記陽極と上記陽極電圧検出電極との間の陽極電圧を検出し、上記陽極電圧に対して上記固体電解質膜を流れる電流の電流密度を時系列的に検出して、所定値の上記陽極電圧に対応した上記電流密度が予め設定された陽極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、上記除湿調整器の上記陽極側が劣化したと推定するようにしたことを特徴とする除湿調整器の劣化部位推定方法。
【請求項５】
陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、上記固体電解質膜の他側の面と上記第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、上記固体電解質膜の他側の面に設けられた陰極電圧検出電極と、上記第一の多孔質基材と上記陰極触媒層とからなる陰極と、上記第二の多孔質基材と上記陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、上記陽極と上記陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される上記湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、上記陰極と上記陰極電圧検出電極との間の陰極電圧を検出し、上記陰極電圧に対して上記固体電解質膜を流れる電流の電流密度を時系列的に検出して、所定値の上記陰極電圧に対応した上記電流密度が予め設定された陰極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、上記除湿調整器の上記陰極側が劣化したと推定するようにしたことを特徴とする除湿調整器の劣化部位推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン導電性の固体電解質膜を使用した湿度調整器の運転方法及び湿度調整器の劣化部位推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、例えば特開昭６３−２８７５２８号公報に記載された従来の湿度調整器の運転方法を示す構成図である。図５において、水素イオン導電性の固体電解質膜１の一側の面に第１の電極２が配置され、他側の面に第２の電極３が配置されている。さらに、絶縁物４，５を介して固体電解質膜１の各面にそれぞれ第１の分割電極６及び第２の分割電極７が配置されている。また、第１の電極２と第１の分割電極６との間に第１の電圧検出器８が接続され、第２の電極３と第２の分割電極７との間に第２の電圧検出器９が接続されている。そして、第１の電圧検出器８で検出された各電極２，６間の電圧、及び第２の電圧検出器９で検出された各電極３，７間の電圧を電圧制御器１０にフィードバックして直流電源１１を制御し、第１の電極２と第２の電極３との間の電位を所定の値に維持することにより、副反応である水素生成反応が起こるのを防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の湿度調整器の運転方法は以上のように構成されているので、各電極２，３と各分割電極６，７間の電位を検出して第１の電極２と第２の電極３との間の電位を所定の値に維持することにより、副反応としての水素生成反応を防止する。しかし、湿度調整器の性能を監視しながら運転させることが困難であるという問題点があった。さらに、湿度調整器の劣化部位を推定することができないという問題点があった。
この発明は以上のような問題点を解消するためになされたもので、湿度調整器を能率よく運転させることができる湿度調整器の運転方法を提供することを目的とするものである。
さらに、劣化部位を推定することができる湿度調整器の劣化部位推定方法を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる湿度調整器の運転方法は、陽イオン導電性の固体電解質膜と、この固体電解質膜の一側の面に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陰極触媒層と、この陰極触媒層に接して設けられた第一の多孔質基材と、固体電解質膜の他側の面に設けられた第二の多孔質基材と、固体電解質膜の他側の面と第二の多孔質基材との大気側に設けられた白金族金属又は白金族の金属酸化物からなる陽極触媒層と、第一の多孔質基材と陰極触媒層とからなる陰極と、第二の多孔質基材と陽極触媒層とからなる陽極とで湿度調整器を構成して、陽極と陰極との間に所定の直流電圧を印加して湿度調整器を運転する湿度調整器の運転方法において、陽極と陰極との間に直流電圧を印加して直流電圧を上昇しても固体電解質膜の電流の増加割合が少なくなる拡散電流の値以下で、陽極側の拡散電流及び陰極側の拡散電流のいずれか小さい方の拡散電流の近傍の電流値に対応した値の直流電圧を、陽極と陰極との間に印加して湿度調整器の運転を行うようにしたものである。
【０００５】
また、陽極と陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、固体電解質膜を流れる電流の電流密度に対応して、検出された陽極と陽極電圧検出電極との間の陽極電圧が予め設定された陽極電圧設定値以上のとき、陽極側が劣化したと推定するようにしたものである。
また、陽極と陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、固体電解質膜を流れる電流の電流密度に対して、検出された陰極と陰極電圧検出電極との間の陰極電圧が予め設定された陰極電圧設定値以上のとき、陰極側が劣化したと推定するようにしたものである。
【０００６】
また、陽極と陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、陽極と陽極電圧検出電極との間の陽極電圧を検出し、陽極電圧に対して固体電解質膜を流れる電流の電流密度を時系列的に検出して、所定値の陽極電圧に対応した電流密度が予め設定された陽極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、除湿調整器の上記陽極側が劣化したと推定するようにしたものである。
さらに、陽極と陰極との間に所定の直流電圧を印加して運転される湿度調整器の劣化部位を推定する湿度調整器の劣化部位推定方法において、陰極と陰極電圧検出電極との間の陰極電圧を検出し、陰極電圧に対して固体電解質膜を流れる電流の電流密度を時系列的に検出して、所定値の陰極電圧に対応した電流密度が予め設定された陰極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、除湿調整器の陰極側が劣化したと推定するようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の構成を示す断面図である。図１において、１２は陽イオン導電性の固体高分子電解質を使用した厚さが約１７０μｍの固体電解質膜で、例えばデュポン（Ｄｕ　Ｐｏｎｔ）社製のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７等が使用される。１３は固体電解質膜１２の一側の面に形成された陰極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ２〜３ｍｇ／ｃｍ２の厚さになるように固体電解質膜９に吹き付けて形成される。１４は固体電解質膜９の一側の面に配置された厚さが約２００μｍの第一の多孔質基材で、カーボンペーパやカーボンクロス等の炭素繊維により形成されている。なお、陰極触媒層１３と第一の多孔質基材１４とで陰極１５が構成されている。
【０００８】
１６は固体電解質膜１２の他側の面に配置された水透過性を有する第二の多孔質基材で、厚さが約１００μｍのチタンからなるメッシュ状のエキスパンドメタルの表面に厚さ数μｍのイリジュウム、ロジュウム、イリジュウムの酸化物、又はロジュウムの酸化物のいずれかの薄膜１６ａが電気メッキ等により施されている。
なお、陰極触媒層１３が形成された固体電解質膜１２を両多孔質基材１４，１６で挟み込み、温度約１８０°Ｃ、圧力約５０ｋｇ／ｃｍ２の条件でホットプレスして物理的に一体化すると共に電気的に接合している。１７は固体電解質膜１２の他側の面に配置された陽極触媒層で、イソプロピルアルコールと水等の揮発性溶剤に白金黒を混合して、白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ２〜３ｍｇ／ｃｍ２の厚さになるように、固体電解質膜１２と第二の多孔質基材１６との大気側の面に塗布又は吹き付けにより形成されている。なお、第二の多孔質基材１６と陽極触媒層１７とで陽極１８が構成されている。
【０００９】
１９は固体電解質膜１２の一側の面に設けられた陰極電圧検出電極、２０は陰極１５と陰極電圧検出電極１９との間を絶縁した絶縁部材、２１は固体電解質膜１２の他側の面に設けられた陽極電圧検出電極、２２は陽極１８と陽極電圧検出電極２１との間を絶縁した絶縁部材である。なお、１２〜２２で湿度調整器２３を構成している。２４は陽極１８と陰極１５との間に接続された直流電源で、出力電圧を所定の値に設定できる可変機能を有する。２５は固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓを検出する電流計、２６は陰極１５と陰極電圧検出電極１９との間に接続された陰極電圧モニタで、陰極１５側が分担する陰極電圧Ｖｃを検出する。２７は陽極１８と陽極電圧検出電極２１との間に接続された陽極電圧モニタで、陽極１８側が分担する陽極電圧Ｖａを検出する。
【００１０】
次に動作について説明する。図２は湿度調整器２３の陽極電圧、陰極電圧及び固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓと端子電圧との関係を示す動作特性図である。図１において、各電極１５，１８の有効電極面積が１００ｃｍ２の湿度調整器２３を使用する。そして、直流電源２４の出力電圧を０．５Ｖから徐々に上昇させながら、両極１５，１８間の固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓを電流計２５で検出し、陰極電圧Ｖｃ及び陽極電圧Ｖａを各電圧モニタ２６，２７で検出した結果を図２に示す。
図２から分かるように、両極１５，１８間の端子電圧が２Ｖ以上では、端子電圧を上昇させても素子電流Ｉｓの電流密度の増加割合が少なくなる拡散電流現象を示している。また、陽極電圧Ｖａの方が陰極電圧Ｖｃよりも高いことが分かった。
【００１１】
図３は固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓの電流密度と陽極電圧Ｖａ及び陰極電圧Ｖｃとの関係を示す特性図で、両極１５，１８間に直流電圧２．５Ｖの端子電圧を印加して、連続して３年間通電したときの初期特性及び長期通電後特性である。但し、陰極側は初期特性のみを示している。この場合、図１において、各電極１５，１８間の有効電極面積が１００ｃｍ２の湿度調整器２３を使用する。図２の場合と同様に陽極電圧Ｖａが陰極電圧Ｖｃより高い。そして、拡散電流（限界電流密度）は０．０１Ａ／ｃｍ２の近傍であることが分かる。
さらに、例えば陽極１８側の特性から分かるように、初期特性における拡散電流が０．０１Ａ／ｃｍ２であるのに対して、長期通電後における拡散電流が低下している。
なお、陰極側の長期通電後特性も陽極側と同様に、長期通電後における拡散電流が低下する。
さらに、両触媒層１３，１７を構成する触媒としての白金黒の量及び形状により、図３の陽極電圧Ｖａ及び陰極電圧Ｖｃの関係が逆転する。即ち、陽極１８側の拡散電流より陰極１５側の拡散電流が小さくなる。
【００１２】
以上の結果から、陽極１８側の拡散電流及び陰極１５側の拡散電流のいずれか小さい方の拡散電流の近傍の電流値に対応した値の直流電圧を、湿度調整器２３の陽極１８と陰極１５との間に印加して運転することにより、湿度調整能力を効率よく発揮させることができる。そして、陽極電圧Ｖａ及び陰極電圧Ｖｃを検出して、直流電源２４の出力電圧を拡散電流の値以下で拡散電流の近傍の電流値に対応した値に調整しながら運転することにより、効率のよい運転を行うことができる。
図４は長期試験前後の陽極電圧Ｖａ及び陰極電圧Ｖｃと固体電解質膜１２を流れる電流の電流密度との関係を示す説明図である。図１及び図４において、Ｖ１ａは長期通電前の陽極電圧Ｖａと両極１５，１８間の固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓの電流密度との初期特性、Ｖ２ａは長期通電（例えば、両極１５，１８間に直流電圧２．５Ｖの端子電圧を印加して、連続して３年間通電）後の陽極電圧Ｖａと素子電流Ｉｓの電流密度との長期通電後特性、Ｖ１ｃは長期通電前の陰極電圧Ｖｃと両極１５，１８間の固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓの電流密度との初期特性、Ｖ２ｃは長期通電後の陰極電圧と素子電流Ｉｓの電流密度との長期通電後特性である。
【００１３】
図４から分かるように、長期通電後は同じ値の陽極電圧Ｖａに対して固体電解質膜１２を流れる素子電流Ｉｓの電流密度が低下している。陰極電圧Ｖｃと素子電流の電流密度との関係も同様である。
以上の結果から、固体電解質膜１２に流れる電流の電流密度Ｉｘに対して予め陽極電圧設定値を決めておくことにより、湿度調整器２３をしよう開始してから所定時間経過後に、陽極電圧モニタ２７で検出された陽極電圧Ｖａを同じ電流密度Ｉｘで比較して、検出された陽極電圧が陽極電圧設定値以上のとき、陽極１８側が劣化したと推定することができる。これに従って、劣化部位を推定して劣化部位の汚れ等を除去することにより、除湿調整器２３の機能を回復させることができる。
同様にして、固体電解質膜１２に流れる電流の電流密度Ｉｘに対して予め陰極電圧設定値を決めておくことにより、陰極電圧モニタ２６で検出された陰極電圧Ｖｃを同じ電流密度Ｉｘで比較して、検出された陰極電圧が陰極電圧設定値以上のとき、陰極１５側が劣化したと推定することができる。
【００１４】
また、陽極電圧Ｖａと固体電解質膜１２を流れる電流の電流密度との関係から予め陽極電圧対応の電流密度設定値Ｉｘを設定して、検出された電流密度が電流密度設定値Ｉｘ以下に低下したとき、除湿調整器２３の陽極１８側が劣化したと推定することができる。
さらに、陰極電圧Ｖｃと固体電解質膜１２を流れる電流の電流密度との関係から予め陰極電圧対応の電流密度設定値Ｉｘを設定して、電流密度設定値Ｉｘ以下に低下したとき、除湿調整器２３の陰極１５側が劣化したと推定することができる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、陽極側の拡散電流及び陰極側の拡散電流のいずれか小さい方の拡散電流の近傍の電流値に対応した値の直流電圧を、湿度調整器の陽極と陰極との間に印加して運転することにより、湿度調整能力を効率よく発揮させることができる。
また、固体電解質膜に流れる電流の電流密度に対応した陽極電圧設定値を予め決めておくことにより、検出された陽極電圧を同じ電流密度で比較して、検出された陽極電圧が陽極電圧設定値以上のとき、陽極側が劣化したと推定することができる。
また、固体電解質膜に流れる電流の電流密度に対応した陰極電圧設定値を予め決めておくことにより、検出された陰極電圧を同じ電流密度で比較して、検出された陰極電圧が陰極電圧設定値以上のとき、陰極側が劣化したと推定することができる。
【００１６】
また、固体電解質膜を流れる電流の電流密度と陽極電圧との関係から予め陽極電圧対応の電流密度設定値を設定して、検出された電流密度が陽極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、除湿調整器の陽極側が劣化したと推定することができる。
さらに、固体電解質膜を流れる電流の電流密度と陰極電圧との関係から予め陰極電圧対応の電流密度設定値を設定して、検出された電流密度が陰極電圧対応の電流密度設定値以下に低下したとき、除湿調整器の陰極側が劣化したと推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の構成を示す断面図である。
【図２】湿度調整器の陽極電圧、陰極電圧及び固体電解質膜を流れる素子電流と端子電圧との関係を示す動作特性図である。
【図３】固体電解質膜を流れる素子電流の電流密度と陽極電圧及び陰極電圧との関係を示す特性図である。
【図４】長期試験前後の陽極電圧及び陰極電圧と電流密度との関係を示す説明図である。
【図５】従来の湿度調整器の運転方法を示す構成図である。
【符号の説明】
１２　固体電解質膜、１３　陰極触媒層、１４　第一の多孔質基材、
１５　陰極、１６　第二の多孔質基材、１７　陽極触媒層、１８　陽極、
１９　陰極電圧検出電極、２１　陽極電圧検出電極、２３　湿度調整器。
【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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