JPH1025584A

JPH1025584A - 電気化学装置

Info

Publication number: JPH1025584A
Application number: JP8183148A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Imaizumi; 泉三之今; Teruaki Namatame; 輝昭生田目; Norishige Yokomatsu; 松得滋横; Hideo Nagai; 井英男永; Mitsuhiro Nakamura; 村光宏中; Hideyuki Tsukamoto; 本秀幸塚; Shiro Yamauchi; 内四郎山; Kenro Mitsuta; 田憲朗光
Original assignee: OPT D D MELCO LAB KK; Optec Dai Ichi Denko Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: OPT D D MELCO LAB KK; Optec Dai Ichi Denko Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】直流電圧が印加される陽極と陰極との間に水
素イオン交換膜となる固体高分子電解質が挟持された電
気化学素子を備える電気化学装置に関して、陰極から発
生した水素ガスの蓄積による水素爆発の危険を解消す
る。【解決手段】電気化学素子１の陰極３側に、当該陰極
３の電極面に近接してその表面を遮蔽するカバー１１が
設けられて、当該カバー１１と陰極３の電極面との間
に、陰極３から発生した水素ガスをその電極面に沿って
流動させる狭小空間１２が形成されると共に、陰極３の
電極面あるいはその電極面と対峙するカバー１１の内面
に、水素の酸化反応を促進させる触媒が担持され、カバ
ー１１の一端側に、狭小空間１２内へ空気を進入させる
開口部１３が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、除湿装置、加湿装
置、酸素富化装置あるいは脱酸素装置などとして用いる
電気化学装置に係り、特に、直流電圧が印加される陽極
と陰極との間に水素イオン交換膜となる固体高分子電解
質が挟持された電気化学素子を具備する電気化学装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置は、図５に示すように、水
を電気分解して酸素を発生する陽極２と、水素を発生し
て酸素を消費する陰極３との間に、水素イオン交換膜と
なる固体高分子電解質４を挟持した電気化学素子１が、
陽極２と陰極３の各電極面に積層して装着される一対の
給電体５および５によって周縁部を挟持された状態で、
その周縁部が絶縁性樹脂フレーム６に嵌め付けられると
共に、当該樹脂フレーム６を接着剤で固定してその周縁
部がガスシールされている。そして、陽極２と陰極３
は、夫々の電極面に積層された各給電体５を介して、所
定の直流電圧を印加する外部電源７に接続されるように
なっている。

【０００３】また、陽極２と陰極３は、いずれも多孔質
基材で形成されて、夫々その一部が固体高分子電解質４
の表面に食い込んでおり、両極間に外部電源７から直流
電圧を印加すると、陽極２では、水を電気分解する次式
（１）の反応が起こって、その陽極２側に形成した空間
８内の雰囲気が除湿されると同時に酸素富化される。２Ｈ₂Ｏ → Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-・・・・・（１）そして、このとき発生するプロトン（Ｈ⁺）が、陽極２
側から固体高分子電解質４を通じて陰極３側へ移行する
と共に、電子（ｅ^-）が、外部電源７の回路を通じて陰
極３へ達し、その陰極３では、酸素を消費して水もしく
は水蒸気を発生する次式（２）の反応が起こって、陰極
３側に形成した空間９内の雰囲気が加湿されると同時に
脱酸素される。Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→ ２Ｈ₂Ｏ・・・・・（２）この際、陽極２と陰極３との間の印加電圧が高すぎた
り、あるいは陰極３側に形成した空間９内の酸素濃度が
著しく低かったりすると、陰極３で発生する水素イオン
が空気中の酸素と結合せずに、次式（３）の反応が起こ
って、空間９内に水素ガスが発生し、その水素ガスの蓄
積により水素爆発を生ずる危険性がある。２Ｈ⁺＋４ｅ^-→ Ｈ₂・・・・・・・・・・・（３）

【０００４】この危険を回避するため、従来において
は、外部電源７の印加電圧を水素ガスが発生しない程度
に低く抑える提案もなされているが（特開昭６１−２１
６７１４号公報）、印加電圧を低くするだけでは水素ガ
スの発生を完全に阻止し得ないし、印加電圧を低くする
と電気化学素子１そのものの性能が著しく低下するとい
う欠点があった。

【０００５】このような事情に鑑み、図６に示すよう
に、陽極２と陰極３との間に固体高分子電解質４が挟持
された電気化学素子１で成る水電解セル部Ａと、多孔質
基材の空孔部に白金微粒子を充填させた電子・水素イオ
ン伝導体で成るガス不透気性の水発生セル部Ｂとを併設
し、当該水発生セル部Ｂを水電解セル部Ａの陰極３と広
い間隔を保って対峙するように配して、その水発生セル
部Ｂと水電解セル部Ａとの間に気密空間１０を形成する
ことにより、当該気密空間１０内に陰極３から発生した
水素ガスを封じ込めると同時に、それを水発生セル部Ｂ
で水に変換させる提案もなされている（特開平７−２１
３８４８号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
如き構成では、陰極３から発生した水素ガスを水に変換
するという所期の効果が必ずしも十分ではなく、また、
水素ガスを封じ込めるための広い気密空間１０を形成す
るので、気密構造に要する部品点数や工数が増加して装
置全体の構成が煩雑になると同時に製造コストも嵩み、
また、装置が大型化してその設置スペースも大きくなる
いう問題があった。そこで本発明は、簡易な構成によっ
て水素ガスの蓄積による水素爆発の危険性を確実に解消
することを技術的課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、水を電気分解して酸素を発生する陽極
と、水素を発生して酸素を消費する陰極との間に水素イ
オン交換膜となる固体高分子電解質が挟持された電気化
学素子を具備する電気化学装置において、前記陰極側
に、当該陰極の電極面に近接してその表面を遮蔽するカ
バーが設けられて、当該カバーと陰極の電極面との間
に、陰極から発生した水素ガスをその電極面に沿って流
動させる狭小空間が形成される共に、陰極の電極面ある
いはその電極面に対峙する前記カバーの内面のいずれか
一方又は双方に、水素の酸化反応を促進させる触媒が担
持され、前記カバーの一端側に、前記狭小空間内へ空気
を進入させる開口部が形成されていることを特徴とす
る。

【０００８】本発明によれば、陰極で発生する水素イオ
ンが、その陰極の電極面を遮蔽するカバーの一端側に形
成された開口部から狭小空間内へ進入する空気中の酸素
と反応して水又は水蒸気に変換される。また、陰極で発
生する水素イオンの一部が酸素と結合し得ずに、水素ガ
スが発生しても、その水素ガスは、分子の自由運動によ
り相互に衝突を繰り返しながら陰極の電極面とカバーと
の間に形成された狭小空間内を動き回って当該狭小空間
内を陰極の電極面に沿って流動するため、陰極の電極面
あるいはその電極面と対峙するカバーの内面に担持され
た触媒に衝突・接触する頻度が増大して、カバーの一端
側に形成された開口部から進入する空気中の酸素との反
応が促進せられ、水素ガスの蓄積による水素爆発の危険
性が確実に解消される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
によって具体的に説明する。図１〜図４は夫々本発明装
置の実施形態を示す断面図である。なお、図５および図
６に示す従来装置と共通する構成部分については同一符
号を付し、その部分の詳細説明は省略する。

【００１０】図１に示す電気化学装置は、陽極２と陰極
３が、夫々厚さ 0.2mmのステンレスウェブシート（SUS
316L）にめっき厚さ３μｍの白金めっきを施した多孔質
基材で形成されている。また、陽極２と陰極３との間に
挟持される固体高分子電解質４は、厚さ１７０μｍのと
ナフィオン膜（Nafion：デュポン社の登録商標）が用い
られ、予めナフィオン溶液（５重量％、水アルコール溶
液）に白金黒を混合した溶液を塗布および乾燥させて、
単位面積当たり 0.5mg／cm²の白金黒が陽極２側および
陰極３側の面に担持させてある。そして、その固体高分
子電解質４を陽極２と陰極３との間に挟み、それらを温
度１７０℃、５０Kgf ／cm²の圧力でホットプレスした
後、陽極２と陰極３の各電極面の周縁部に外部電源７に
接続される給電体５および５を夫々装着させて、電気化
学素子１が形成され、その電気化学素子１が絶縁性樹脂
フレーム６に嵌め付けられると共に、当該樹脂フレーム
６を接着剤で固定して、電気化学素子１の周縁部がガス
シールされている。

【００１１】次いで、電気化学素子１の陰極３側に、当
該陰極３の電極面との間に５〜３０mm程度の狭小な間隔
を保ってその電極面の表面を遮蔽するカバー１１が配設
されて、当該カバー１１と陰極３の電極面との間に、陰
極３から発生した水素ガスをその電極面に沿って流動さ
せる狭小空間１２が形成されると共に、カバー１１の一
端側に、狭小空間１２内へ空気を進入させる開口部１３
が形成されている。なお、カバー１１は、塩化ビニル樹
脂等の絶縁性樹脂によってポケット形に成形され、ポケ
ットを上下逆向きに取り付けたような状態で絶縁性樹脂
フレーム６に固定されて、そのポケットの口に相当する
開口部１３が下端側に形成された形態になっている。そ
して、開口部１３の下方には、その開口部１３から滴下
する水滴を捕集する水滴受け１４が配設されている。ま
た、陰極３は、上記の如く、ステンレスウェブシートに
白金めっきを施した多孔質基材で形成されると共に、固
体高分子電解質４の陰極３側の面にナフィオン溶液と混
合して塗布した白金黒が担持されることにより、水素の
酸化反応を促進させる触媒である白金および白金黒が担
持された構造になっている。

【００１２】しかして、陽極２と陰極３との間に外部電
源７から直流電圧を印加すると、陰極３で水素イオンが
発生し、その水素イオンが、カバー１１の下端側に形成
された開口部１３から狭小空間１２内へ進入する空気中
の酸素と結合して水又は水蒸気に変換される。この際、
陰極３に担持された触媒の作用で水素イオンと酸素の結
合反応が促進されて、水素ガスの発生が抑制される。

【００１３】また、陰極３で水素ガスが発生したとして
も、その水素ガスは、陰極３の電極面を遮蔽するカバー
１１によって拡散が阻止されると同時に、当該カバー１
１の内面と陰極３の電極面との間に形成された狭小空間
１２内を水素ガス分子の自動運動により相互に衝突して
動き回りながら陰極３の電極面に沿って流動させられる
ので、陰極３の電極面に担持された触媒と再衝突・再接
触する頻度が増大し、カバー１１の開口部１３から狭小
空間１２内へ進入する空気中の酸素との反応が促進され
て、水又は水蒸気への変換効率が高まるので、水素ガス
の蓄積による水素爆発の危険が確実に解消される。特
に、カバー１１の下端側に開口部１３を形成すれば、軽
比重の水素ガスが狭小空間１２内にとどまってその空間
１２内を流動する時間も長くなるので、その分だけ陰極
３の電極面に担持された触媒と再衝突・再接触する機会
も増大して、水又は水蒸気への変換効率が著しく高ま
る。したがって、例えば図５に示すような従来装置（有
効膜面積１００×１００mm）では、その陽極２と陰極３
との間に直流電圧５Ｖを印加して、室温２０℃、相対湿
度９０％を除湿したときに、陰極３側の空間９内に0.46
リットル／hrの水素ガスが発生するところ、図１に示す
上記仕様の本発明装置によれば、同一条件で水素ガスの
発生量が 0.068リットル／hrにまで低減されることが実
験により確認された。また、カバー１１の内面には水蒸
気が結露して、その結露により生じた水滴がカバー１１
の下端側に形成された開口部１３から滴下することもあ
るが、滴下した水滴は、開口部１３の下方に配設した水
滴受け１４によって回収される。

【００１４】なお、図２に示すように、カバー１１の開
口部１３とその下方に配設された水滴受け１４との間
に、吸湿性に富むと同時に蒸発性にも富んだ綿状もしく
はスポンジ状のウイック（wick）１５を配設して、カバ
ー１１の内面に結露した水滴を水滴受け１４へ導くと共
に、水滴受け１４に溜まった水を含浸して自然蒸発させ
るようにすれば、その水を捨てる手間が省ける。また、
図２に示す電気化学装置は、陰極３の電極面と対峙する
カバー１１の内面に、白金触媒を担持したシート状の触
媒担体１６が添設されて、陰極３の電極面とカバー１１
の内面の双方に水素の酸化反応を促進させる触媒が担持
された構造になっており、その陰極３の電極面とカバー
１１との間に形成された狭小空間１２内における水素ガ
スの水変換効率が図１の装置よりも高められる。

【００１５】次に、図３に示す電気化学装置は、カバー
１１の開口部１３が、水素の酸化反応を促進させる白金
触媒を担持した通気性のある多孔質の触媒担体１７で閉
塞されて、当該触媒担体１７を通じてカバー１１の開口
部１３から狭小空間１２内へ進入する空気中の酸素と、
狭小空間１２内に生じた水素ガスとの反応を促進させる
ようになっている。ここで、例えば、上記仕様の図１の
装置について、図３の装置のようにカバー１１の開口部
１３を体積７５cm²の触媒担体１７で閉塞した実験によ
れば、陰極３側の空間９内における水素ガス量が 0.017
リットル／hrにまで低減され、触媒担体１７を用いない
場合（ 0.068リットル／hr）に比べて７５％も減少し
た。

【００１６】また、図３の装置は、触媒担体１７のカバ
ー１１側表面に、その担体１７を触媒の反応温度に加熱
する電熱式のヒータ１８が付設されており、当該ヒータ
１８によって触媒担体１７を１００℃に加熱した実験で
は、空間９内の水素ガス量が0.0035リットル／hrまで低
減した。また、ヒータ１８の放熱により、カバー１１の
内面に結露が生ずることが防止されるから、図１および
図２に示すような水滴受け１４やウイック１５を設ける
必要もない。更に、図３の装置は、陰極３の電極面とカ
バー１１との間に形成された狭小空間１２内の水素ガス
濃度を検出してその検出信号を出力するガスセンサ１９
と、当該ガスセンサ１９で検出される水素ガス濃度が一
定値を超える状態が一定時間以上継続したときに電気化
学素子１の陽極２と陰極３との間に直流電圧を印加する
外部電源７を遮断する安全回路２０が設けられ、水素ガ
スの蓄積による水素爆発の危険をより確実に回避し得る
ようになっている。

【００１７】なお、図１乃至図３の各装置は、カバー１
１の下端側に開口部１３が形成されているが、本発明は
これに限らず、その開口部１３をカバー１１の側端や上
端側に形成するものであっても良い。また、陽極２およ
び陰極３を形成する多孔質基材としては、ステンレスウ
ェブシートに限らず、ニッケル、チタン、タンタル、カ
ーボン等のウェブシートや、微小孔が穿設されたエキス
パンドメタルなどを用いても良い。

【００１８】次に、図４に示す電気化学装置は、図１乃
至図３に示すカバー１１に代えて、空気や水蒸気などの
気体は通すが水滴や油滴などの液体ははじいて通さない
多孔質膜２１を設けたもので、当該多孔質膜２１が、陰
極３の電極面に近接してその表面を遮蔽するように配設
されて、多孔質膜２１と陰極３の電極面との間には、陰
極３から発生した水素ガスをその電極面に沿って流動さ
せる密閉した狭小空間２２が形成され、陰極３の電極面
あるいはその電極面と対峙する多孔質膜２１のいずれか
一方又は双方に水素の酸化反応を促進させる触媒が担持
されている。

【００１９】多孔質膜２１としては、例えば孔径３μｍ
程度の微小孔を有する四フッ化エチレン樹脂膜が用いら
れ、陰極３で発生する水素が当該多孔質膜２１を通過し
て狭小空間２２内へ進入した空気中の酸素と反応して水
又は水蒸気に変換される。また、陰極３の電極面で空気
中の酸素と反応できずに発生した水素ガスは、陰極３の
電極面を遮蔽する多孔質膜２１によって空間９内への拡
散が抑制されると同時に、当該多孔質膜２１と陰極３の
電極面との間に形成された狭小空間２２内を陰極３の電
極面に沿って流動するので、その電極面に担持された触
媒あるいは多孔質膜２１に担持された触媒と高頻度で再
衝突・再接触せられ水又は水蒸気に変換される。

【００２０】ここで、多孔質膜２１には触媒を担持させ
ず、陰極３の電極面のみ白金および白金黒触媒を担持さ
せた図４の装置を、図１および図５の装置と同等の条件
で駆動させたところ、陰極３側の空間９内に発生する水
素ガスの量が0.24リットル／hrにまで低減され、図５の
従来装置との比較では水素ガス発生量がほぼ半減するこ
とが確認された。また、四フッ化エチレン樹脂膜のよう
に気体は通すが液体を通さない多孔質膜２１は、空気中
に含まれた水分や油分の付着による触媒の性能劣化を防
止する効果もある。したがって、図４のように、多孔質
膜２１と同様に気体は通すが液体は通さない多孔質膜２
３を、陽極２の電極面と所定の間隔を保ってその電極面
を遮蔽するように配設すれば、陽極２に担持した触媒の
性能劣化も防止できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、陰極の電極面との間に
狭小空間を形成するようにその電極面に近接してカバー
又は多孔質膜を配設するという極めて簡易で省スペース
な構成により、陰極で発生する水素と空気中の酸素との
結合反応を効果的に促進して水素ガスの蓄積による水素
爆発の危険性を確実に解消することができるという大変
優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】カバーを用いた本発明装置の第一実施形態を示
す断面図。

【図２】カバーを用いた本発明装置の第二実施形態を示
す断面図。

【図３】カバーを用いた本発明装置の第三実施形態を示
す断面図。

【図４】多孔質膜を用いた本発明装置の実施形態を示す
断面図。

【図５】従来装置の形態を示す断面図。

【図６】従来装置の形態を示す断面図。

【符号の説明】

１・・・・・電気化学素子１９・・・・・
ガスセンサ２・・・・・陽極２０・・・・・
安全回路３・・・・・陰極２１・・・・・
多孔質膜４・・・・・固体高分子電解質２２・・・・・
狭小空間７・・・・・外部電源２３・・・・・
多孔質膜１１・・・・・カバー１２・・・・・狭小空間１３・・・・・開口部１４・・・・・水滴受け１５・・・・・ウイック１７・・・・・触媒担体１８・・・・・ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今泉三之東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者生田目輝昭東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者横松得滋東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者永井英男東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者中村光宏東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者塚本秀幸東京都東久留米市下里一丁目13番13号株式会社オプテックディディ・メルコ・ラボラトリー内 (72)発明者山内四郎兵庫県尼崎市塚口本町八丁目１番１号三菱電機株式会社内 (72)発明者光田憲朗兵庫県尼崎市塚口本町八丁目１番１号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水を電気分解して酸素を発生する陽極
（２）と、水素を発生して酸素を消費する陰極（３）と
の間に水素イオン交換膜となる固体高分子電解質（４）
が挟持された電気化学素子（１）を具備する電気化学装
置において、前記陰極（３）側に、当該陰極（３）の電
極面に近接してその表面を遮蔽するカバー（11）が設け
られて、当該カバー（11）と陰極（３）の電極面との間
に、陰極（３）から発生した水素ガスをその電極面に沿
って流動させる狭小空間（12）が形成される共に、陰極
（３）の電極面あるいはその電極面に対峙する前記カバ
ー（11）の内面のいずれか一方又は双方に、水素の酸化
反応を促進させる触媒が担持され、前記カバー（11）の
一端側に、前記狭小空間（12）内へ空気を進入させる開
口部（13）が形成されていることを特徴とする電気化学
装置。
【請求項２】前記開口部（13）が、水素の酸化反応を
促進させる触媒を担持した通気性のある多孔質の触媒担
体（17）によって閉塞されている請求項１記載の電気化
学装置。
【請求項３】前記触媒担体（17）に、触媒を所定の反
応温度に加熱するヒータ（18）が付設されている請求項
２記載の電気化学装置。
【請求項４】前記開口部（13）が、前記カバー（11）
の下端側に形成されると共に、その開口部（13）の下方
に、当該開口部（13）から滴下する水滴を捕集する水滴
受け（14）が配設されている請求項１又は２記載の電気
化学装置。
【請求項５】前記開口部（13）と前記水滴受け（14）
との間に、その開口部（13）から水滴受け（14）へ滴下
する水滴を含浸して自然蒸発させるウイック（15）が配
設されている請求項４記載の電気化学装置。
【請求項６】前記狭小空間（12）内の水素ガス濃度を
検出するガスセンサ（19）と、当該ガスセンサ（19）で
検出される水素ガス濃度が一定値を超えたときに前記陽
極（２）と陰極（３）との間に直流電圧を印加する外部
電源（７）を遮断する安全回路（20）が設けられている
請求項１乃至５記載の電気化学装置。
【請求項７】水を電気分解して酸素を発生する陽極
（２）と、水素を発生して酸素を消費する陰極（３）と
の間に水素イオン交換膜となる固体高分子電解質（４）
が挟持された電気化学素子（１）を具備する電気化学装
置において、気体は通すが液体は通さない多孔質膜（2
1）が、前記陰極（３）の電極面に近接してその表面を
遮蔽するように配設されて、当該多孔質膜（21）と前記
電極面との間に、陰極（３）から発生した水素ガスをそ
の電極面に沿って流動させる密閉した狭小空間（22）が
形成されると共に、陰極（３）の電極面あるいはその電
極面と対峙する前記多孔質膜（21）のいずれか一方又は
双方に、水素の酸化反応を促進させる触媒が担持されて
いることを特徴とする電気化学装置。
【請求項８】気体は通すが液体は通さない多孔質膜
（23）が、前記陽極（２）の電極面と所定の間隔を保っ
てその電極面を遮蔽するように配設されている請求項７
記載の電気化学装置。