(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源が電気的に接続されていることを特徴とする電気分解式ガス変換装置。
【請求項２】
直流定電流電源は、直流電源とＰＮＰ型トランジスタと抵抗とで構成されていることを特徴とする請求項１記載の電気分解式ガス変換装置。
【請求項３】
直流定電流電源は、直流電源とＮＰＮ型トランジスタと抵抗とで構成されていることを特徴とする請求項１記載の電気分解式ガス変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた電気化学反応にもとづく電気分解式ガス変換装置に関し、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、空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガス等に変換する、例えばオゾン発生装置、酸素発生装置、水素発生装置、除湿装置などのような、電気分解式ガス変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特開平１１−１３１２７６号公報に示された従来の電気分解式ガス変換装置の１つであるオゾン発生装置の構成図である。図において、１は導電性多孔体からなる陽極基材に陽極触媒層を有する陽極、２は導電性多孔体からな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であり、固体高分子電解質膜３の表裏に陽極１と陰極２を配置して熱圧着することにより電気化学素子接合体８が形成される。４は陽極１に設けた陽極端子、５は陰極２に設けた陰極端子、６は直流電源、７は直流電源６と陽極１および陰極２を結ぶ結線である。なお、陽極１には、例えば白金メッキ下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル基材にβ型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが用いられ、陰極２には、例えば多孔質なカーボン繊維基材に、白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固体高分子電解質をバインダーとして固着したものが用いられる。
【０００３】
次に動作について説明する。電気化学素子接合体８に直流電源６により例えば３Ｖの電圧が印加されると、陽極１と固体高分子電解質膜３の接合面において、電気化学反応式（１）および（２）により、空気中に含まれる水分が電気分解されてオゾンガスと酸素ガスおよび電子が生成されると同時に水素イオンが生成される。
２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ      （１）
３Ｈ2Ｏ→Ｏ3＋６Ｈ+＋６ｅ      （２）
【０００４】
このようにして生成されたオゾンガスおよび酸素ガスは多孔質な陽極１を通って外気に流出する。一方、生成された水素イオンは固体高分子電解質膜３を通って陰極２に移動し、陰極２と固体高分子電解質膜３との接合面において、水素イオンと空気中の酸素ガスおよび結線７を通って陰極２に導かれた電子とが反応して水が生成され、多孔質な陰極２を通って外気に流出する。
【０００５】
なお、電気化学素子接合体８を酸素ガス発生または除湿のために用いる場合、すなわち電気分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置である場合には、電気化学素子接合体８の陽極１には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陽極から酸素が発生すると共に陰極の背面から水が放出する。また、水素ガス発生に用いる場合、陽極１および陰極２には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陰極において水素ガスが発生される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の電気分解式ガス変換装置は、例えばオゾン発生装置の場合は、空気中に含まれる水分を電気化学素子接合体８により電気分解してオゾンガスを生成するものであるため、外気湿度が変化するとオゾン発生量が変化し、安定なオゾン発生量が得られないという問題があった。また、湿度が高くなるとオゾン発生量が多くなり過ぎて人体に悪影響を与える恐れがあるといった問題があった。
また、従来の他の電気分解式ガス変換装置である除湿装置や酸素ガス発生装置や水素ガス発生装置においても、オゾン発生装置の場合と同様に空気中に含まれる水分を電気化学素子接合体８により電気分解してガス変換するものであるため、外気湿度の変化に伴ってガス変換量が変化し、安定なガス変換量が得られないという問題があった。
【０００７】
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、湿度などの外気環境が変化した場合にも、過剰なガス発生等がなく安定なガス変換量を維持できる電気分解式ガス変換装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、湿度条件を種々に変化させて従来の電気分解式ガス変換装置のガス変換量と印加電圧および電気化学素子接合体に流れる電流の関係を鋭意検討した結果、電気化学素子接合体に流れる電流を一定に維持することによってガス変換量を一定に維持できることを見出してなされた。
【０００９】
本発明に係る電気分解式ガス変換装置は、導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源を電気的に接続したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による電気分解式ガス変換装置をオゾン発生装置を例に説明する。図１は、本発明の実施の形態１による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。図において、１は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極、２は導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陰極、３は固体高分子電解質膜、４は陽極１に設けた陽極端子、５は陰極２に設けた陰極端子、６は直流電源、８は固体高分子電解質膜３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、１１は例えばＰＮＰ型トランジスタ、１２はＰＮＰ型トランジスタ１１のエミッタ、１３はベース、１４はコレクタ、１５はエミッタ１２とベース１３の間を流れる電流、１６はコレクタ１４に流れるコレクタ電流、１７は抵抗、１８は直流電源６とＰＮＰ型トランジスタ１１および抵抗１７から成る直流定電流電源である。直流電源６の低電位側出力とＰＮＰ型トランジスタのコレクタ１４との間に電気化学素子接合体８を接続し、エミッタ１２を他方の直流電源６の出力に接続している。また、直流電源６の低電位側出力とＰＮＰ型トランジスタのベース１３との間に抵抗１７を接続している。
本実施の形態ではＰＮＰ型トランジスタ１１と抵抗１７とで電気化学素子接合体８に流れる電流が一定値となるように制御する手段を構成している。
なお、陽極１には、例えば白金メッキ下地が施されたチタン製のエキスバンドメタル基材にβ型またはα型の二酸化鉛を薄く電着したものが用いられ、陰極２には、例えば多孔質なカーボン繊維基材に、白金微粒子を坦持したカーボン粉末を液化した固体高分子電解質をバインダーとして固着したものが用いられる。
【００１１】
図２は、実験結果であり、温度２０℃において直流電源６により電気化学素子接合体８（陽極１と陰極２が対峙してなす電気化学反応面積は４ｃｍ2）に３Ｖの電圧を印加した場合の、電気化学素子接合体８の電気化学反応面積１ｃｍ2当たりのオゾン発生量および電流密度と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
また、図３は、本実施の形態の効果を実証するために実施した実験結果であり、直流定電流電源１８により電気化学素子接合体８に直流電圧３Ｖを印加するとともに例えば５ｍＡ／ｃｍ2（図中Ａ）および１５ｍＡ／ｃｍ2（図中Ｂ）の一定の電流を流した場合の、電気化学素子接合体８の電気化学反応面積１ｃｍ2当たりのオゾン発生量と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
また、図４は、実験結果であり、温度２０℃、相対湿度６０％における電気化学素子接合体８の電気化学反応面積１ｃｍ2当たりのオゾン発生量および電流密度と印加電圧との関係を示す特性図である。
【００１２】
次に動作について説明する。図２に示したように、電気化学素子接合体８のオゾン発生量および電流密度は外気湿度が高くなると増加し、オゾン発生量は電気化学素子接合体８を流れる電流の増加に追随して増加する。そこで、図１に示すように直流電源６とＰＮＰ型トランジスタ１１および抵抗１７からなる直流定電流電源１８により、湿度が高くなった場合にも電気化学素子接合体８に一定の電流を流すようにした。
【００１３】
すなわち、図１の回路において、ＰＮＰ型トランジスタ１１のエミッタ１２とベース１３間には直流電源６の出力電圧を抵抗１７の抵抗値とベース１３とエミッタ１２間の抵抗値の和で除した値の電流１５が流れるが、このエミッタ電流はＰＮＰ型トランジスタ１１のコレクタ１４側に設けられた電気化学素子接合体８の特性に影響されずに一定となる。従って、コレクタ１４にはエミッタ１２とベース１３間を流れる電流１５にＰＮＰ型トランジスタ１１の増幅倍率を乗じた一定の電流１６が流れるので、電気化学素子接合体８には一定の電流が流れる。このように、直流定電流電源１８の抵抗１７に流れる電流１５を一定に維持すれば、電気化学素子接合体８に一定の電流を流すことができる。なお、電気化学素子接合体８に流す電流値はトランジスタ１１と、直流電源６の電圧値と、抵抗１７の抵抗値とを適切に選定することにより設定することができる。
【００１４】
なお、上記の直流定電流電源１８の直流電源６は、交流を直流電圧に変換する機能を備えた回路を有するもの、または複数の乾電池等の１次電池または再充電が可能な二次電池等を用いてよい。
【００１５】
次に本実施の形態の効果について説明する。図３に示したように、直流定電流電源１８により電気化学素子接合体８に直流電圧３Ｖを印加するとともに、電流を５ｍＡ／ｃｍ2（図中Ａ）または１５ｍＡ／ｃｍ2（図中Ｂ）に一定に調節した結果、オゾン発生量は外気の相対湿度が４０％〜ほぼ１００％に変化しても、過剰なオゾン発生が防止されるとともに安定なオゾン発生量を維持できる効果が得られた。
【００１６】
なお、上記実施の形態では電気化学素子接合体８の陽極１と陰極２が対峙してなす電気化学反応面積を４ｃｍ2としたが、実験結果によれば電気化学反応面積は４ｃｍ2に限らず、これより小さくてもまたは大きくても同様の効果が得られた。
【００１７】
また、上記実施の形態では電気化学素子接合体８に流れる電流を５ｍＡ／ｃｍ2および１５ｍＡ／ｃｍ2で一定とたが、これに限るものではなく、５ｍＡ／ｃｍ2と１５ｍＡ／ｃｍ2の間の定電流密度、５ｍＡ／ｃｍ2より低い定電流密度、または１５ｍＡ／ｃｍ2より高い定電流密度に設定しても同様の効果が得られた。
【００１８】
また、上記実施の形態では直流定電流電源１８により電気化学素子接合体８に直流電圧３Ｖを印加した場合について説明したが、図４に示したように電気化学素子接合体８のオゾン発生量および電流密度は印加電圧によって変化し、印加電圧が１．５Ｖ〜４．５Ｖの範囲で大きく変化する特性があることが見出された。
従って、電気化学素子接合体８のオゾン発生量および電流密度が急激に変化する１．５Ｖ〜４．５Ｖの印加電圧の範囲で電気化学素子接合体８に流れる電流を一定に制御するのが好ましい。さらには、オゾン発生量および電流密度がより急激に変化する１．５Ｖ〜３．５Ｖの範囲で電気化学素子接合体８に流れる電流を一定に制御するのがより好ましい。
【００１９】
また、直流電源６を複数の乾電池とする場合、例えば印加電圧を高いオゾン発生量が得られる３Ｖよりも低い電圧にするととともに５ｍＡ／ｃｍ2〜１０ｍＡ／ｃｍ2程度の定電流密度に設定すると、オゾン発生量は印加電圧が３Ｖの場合よりも低下するが乾電池の交換時期をより長くできる効果が得られる。
【００２０】
また、上記実施の形態ではオゾン発生装置について説明したが、酸素ガス発生装置や除湿のための除湿装置や水素ガス発生装置においても、電気化学素子接合体８の動作原理および駆動条件がオゾン発生の場合と同様であり、本実施の形態を適用することができる。すなわち、電気化学素子接合体８に直流電圧が印加されるとともに一定の電流が流れるように構成することにより、湿度などの外気環境の変化に対しても過剰なガス発生が生じることなく安定なガス変換量を維持できる効果が得られる。
なお、電気化学素子接合体８を酸素ガス発生または除湿のために用いる場合、すなわち電気分解式ガス変換装置が酸素ガス発生装置または除湿装置である場合には、電気化学素子接合体８の陽極１には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陽極から酸素が発生すると共に陰極の背面から水が漏出する。また、水素ガス発生に用いる場合すなわち電気分解式ガス変換装置が除湿装置である場合には、陽極１および陰極２には例えばチタン製の多孔質なエキスバンドメタル基材に白金メッキを施したものなどが用いられ、陰極において水素ガスが発生される。
【００２１】
実施の形態２．
上記実施の形態１においては、電流を一定にするためのトランジスタとしてＰＮＰ型トランジスタを用いたが、図５に示すようにＮＰＮ型トランジスタを用いても同じ効果が得られる。図５は本発明の実施の形態２による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図であり、図において、２０はＮＰＮ型トランジスタ、２１は直流電源６とＮＰＮ型トランジスタ２０および抵抗１７からなる直流定電流電源である。この場合、直流電源６の高電位側出力とＮＰＮ型トランジスタのコレクタ１４との間に電気化学素子接合体８を接続し、エミッタ１２を直流電源６の低電位側の出力に接続する。また、直流電源６の高電位側出力とＮＰＮ型トランジスタのベース１３との間に抵抗１７を接続する。
【００２２】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。本実施の形態は、電気化学素子接合体８に実際に流れる電流を検出するとともにそれを一定に制御するものである。図において、３０は電気化学素子接合体８に流れる電流を検出するための抵抗、３１はゼナーダイオード、３２、３３は例えばＰＮＰ型のトランジスタ、３４は抵抗、３５は電気化学素子接合体８に流れる電流を一定に制御する直流定電流電源である。また、Ｒｆは抵抗３０の抵抗値、Ｉｆは電気化学素子接合体８に流れる電流である。
【００２３】
次に、上記のように構成された本発明の実施の形態３による電気分解式ガス変換装置の動作について説明する。電気化学素子接合体８は、経時変化によって抵抗が増大し流れる電流Ｉｆが減少するが、抵抗３０の抵抗値Ｒｆは予め分かっているので、電気化学素子接合体８に流れる電流Ｉｆは、抵抗３０の両端で電圧（Ｒｆ×Ｉｆ）を測定することにより容易に検出することができる。したがって、この電圧を測定することにより電気化学素子接合体８の取り替え時期を知ることができる。また、この電流Ｉｆに比例した電圧値がゼナーダイオード３１のゼナー電圧と比較され、その差に応じた電流がトランジスタ３２のベース１３の電流となり、電流Ｉｆが所要値より大きくなろうとすればこのベース１３の電流値が小さくなって、結果としてトランジスタ３３のベース１３の電流値が小さくなる。これに伴い、トランジスタ３３のエミッタ１２の電流すなわち電気化学素子接合体８の電流値がより小さくなろうとし、結果として電気化学素子接合体８の電流値は所要の一定値とすることができる。
【００２４】
このように、本実施の形態では、電気化学素子接合体８に実際に流れる電流を検出できるので、電気化学素子接合体８の取り替え時期を知ることができ、しかも、電気化学素子接合体８に実際に流れる電流の変化に対応してそれをより精度良く一定に制御することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、導電性多孔体からなる基材に触媒層を有する陽極および陰極と、これら両極間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電気化学素子接合体を、直流電源と接続し、上記電気化学素子接合体に直流電圧を印加して空気中に含まれる水分をオゾンガス、酸素ガスまたは水素ガスに変換する電気分解式ガス変換装置において、上記電気化学素子接合体に一定の電流を流す直流定電流電源が電気的に接続されているので、湿度やなどの外気環境の変化に影響されず、過剰なガス発生がなく安定なガス変換量を維持できる電気分解式ガス変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図２】  本発明の実施の形態１に係り、電気化学素子接合体のオゾン発生量および電流密度と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
【図３】  本発明の実施の形態１に係り、電気化学素子接合体に流れる電流密度を一定に制御した場合の、オゾン発生量と外気の相対湿度との関係を示す特性図である。
【図４】  本発明の実施の形態１に係り、電気化学素子接合体のオゾン発生量および電流密度と印加電圧との関係を示す特性図である。
【図５】  本発明の実施の形態２による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図６】  本発明の実施の形態３による電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【図７】  従来の電気分解式ガス変換装置の構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  陽極、２  陰極、３  固体高分子電解質膜、４  陽極端子、５  陰極端子、６  直流電源、８  電気化学素子接合体、１１，３２，３３  ＰＮＰ型トランジスタ、１２  エミッタ、１３  ベース、１４  コレクタ、１７，３０，３４  抵抗、１８，２１，３５  直流定電流電源、２０  ＮＰＮ型トランジスタ、３１
ゼナーダイオード、３２、３３  ＰＮＰ型トランジスタ。
【図１】
0003747728.tif 000002
【図２】
0003747728.tif 000003
【図３】
0003747728.tif 000004
【図４】
0003747728.tif 000005
【図５】
0003747728.tif 000006
【図６】
0003747728.tif 000007
【図７】
0003747728.tif 000008