JP3884675B2

JP3884675B2 - Evaluation method of humidity controller

Info

Publication number: JP3884675B2
Application number: JP2002163235A
Authority: JP
Inventors: 栄一永尾; 武明花田; 秀一佐久間; 四郎山内; 憲一安田; 哲也阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: JP2004008857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、陽イオン導電性の固体電解質膜を使用した湿度調整器の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば特開２０００−５１６３８号公報に記載された従来の湿度調整器を示す断面図である。図１２において、１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（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７等が使用される。２は固体電解質膜１の一側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／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように固体電解質膜１に吹き付けて形成される。３は固体電解質膜１の他側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２と第一の多孔質基材３とで陰極４が構成されている。５は固体電解質膜１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に厚さ数μｍの白金メッキが施されている。なお、陰極触媒層２が形成された固体電解質膜１を両多孔質基材３，５で挟み込み、温度１８０゜Ｃ、圧力約５０ｋｇ／ｃｍ^２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。６は固体電解質膜１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、白金黒の白金黒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように、固体電解質膜１と第二の多孔質基材５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５と陽極触媒層６とで陽極７が構成されている。８は両極４，７間に接続された直流電源である。
【０００３】
次に動作について説明する。図１３は図１２の動作特性図である。図１２及び図１３において、両極４，７間に直流電源８から所定の電力が供給されると、陽極７側の大気側面では水分が式（１）の反応により電気分解されて、大気側の水分が除去されると共に大気側に酸素が供給される。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ⁻・・・・・（１）
このときに発生する水素イオンＨ^＋は固体電解質膜１を通って陰極４に達する。また、電子ｅ⁻は直流電源８を含む外部回路を通って陰極４に達する。そして、式（２）の反応により陰極４側において酸素を消費しながら水を生成する。なお、湿度調整器としての使用状態では、最大電流密度が２０Ａ／ｄｍ^２で、２Ｖ程度の電源電圧で十分であるが、通常は２Ｖ〜２．５Ｖの直流電圧で動作させている。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・・・（２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の湿度調整器は以上のように構成されているので、固体電解質膜１は長期間の使用による経年劣化のために性能低下が懸念される。しかし、湿度調整器の性質を反映する特性値としての固体電解質膜１を流れる素子電流は、周囲環境の温度及び湿度に影響されるため、実際に使用される環境における測定から得られる素子電流の値から性能低下の有無を判定するのが困難である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、実使用の環境において性能低下を判定することができる湿度調整器の評価方法を提供することを目的としたものである。
【０００５】
【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の微粒子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、白金以外の白金族金属又は白金以外の白金族の金属酸化物からなる薄膜が形成された第二の多孔質基材と、固体電解質膜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の微粒子からなる陽極触媒層と、第二の多孔質基材と陽極触媒層とで構成された陽極と、第一の多孔質基材と陰極触媒層とで構成された陰極とからなる湿度調整器の評価方法において、陽極と陰極との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、静電容量が予め設定した判定値以下のとき機能が低下したと判定するものである。
さらに、陽極と陰極との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、抵抗成分が予め設定した判定値以上のとき機能が低下したと判定するものである。
【０００６】
【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、９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（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ：登録商標）−１１７等が使用される。１０は固体電解質膜９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／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２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。１１は固体電解質膜９の他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１０と第一の多孔質基材１１とで陰極１２が構成されている。１３は固体電解質膜９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１３ａが電気メッキ等により施されている。
【０００７】
なお、陰極触媒層１０が形成された固体電解質膜９を両多孔質基材１１，１３で挟み込み、温度約１８０゜Ｃ、圧力約５０ｋｇ／ｃｍ^２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。１４は固体電解質膜９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／ｃｍ^２〜３ｍｇ／ｃｍ^２の厚さになるように、固体電解質膜９と第二の多孔質基材１３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１３と陽極触媒層１４とで陽極１５が構成されている。１６は両極１２，１５間に接続された直流電源である。
【０００８】
次に動作について説明する。図２は図１の動作特性図である。図１及び図２において、両極１２，１５間に直流電源１６から電圧２Ｖ〜２．５Ｖの範囲で所定の電圧が供給されると、陽極１５側の大気側面では水分が式（３）の反応により電気分解されて、大気側の水分が除去されると共に大気側に酸素が供給される。
２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ⁻・・・・・（３）
このときに発生する水素イオンＨ^＋は固体電解質膜９を通って陰極１２に達する。また、電子ｅ⁻は直流電源１６を含む外部回路を通って陰極１２に達する。そして、式（４）の反応により陰極１２側において酸素を消費しながら水を生成する。
Ｏ＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・・・（４）
第二の多孔質基材１３の表面に白金以外の白金族金属又は白金以外の白金族の金属酸化物からなる薄膜１３ａを形成した場合、湿度調整器１７の温度は従来に比して低減させることができる。例えば、ロジュウム又はロジュウムの酸化物で薄膜１３ａを構成した場合、水の電気分解反応が起こるためには図２に示すように電圧が１．６Ｖ必要であり、通常の使用状態（最大電流密度２０Ａ／ｄｍ^２）では、電源電圧として１．７Ｖ以上が必要である。この場合、最大発熱量が２９Ｗ／ｄｍ^２となる。このため、使用条件にもよるが、湿度調整器１７の温度は室温より２５°Ｃ程度上昇する。
【０００９】
さらに、薄膜１３ａをイリジュウム又はイリジュウムの酸化物で構成した場合は、水の電気分解反応が起こるためには図２に示すように電圧が１．４Ｖ必要であり、通常の使用状態（最大電流密度２０Ａ／ｄｍ^２）では、電源電圧として１．６Ｖ以上が必要である。この場合、最大発熱量が２７Ｗ／ｄｍ^２となる。このため、使用条件にもよるが、湿度調整器１７の温度は室温より２４°Ｃ程度上昇する。
以上のように、第二の多孔質基材１３の表面に白金以外の白金族金属又は白金以外の白金族の金属酸化物からなる薄膜１３ａを形成したことにより、発熱量の低減を図ることができるので、温度上昇を抑制することができる。
【００１０】
実施の形態２．
図３は実施の形態２の構成図である。図３において、９〜１６は実施の形態１のものと同様のものである。１７は９〜１５で構成された湿度調整器である。図４は湿度調整器１７の長期試験前後における陽極１５と陰極１２との間に供給される印加電圧と両極間に流れる素子電流との関係を示す説明図である。図３及び図４において、長期試験前の湿度調整器１７へ直流電源１６から供給される直流電圧２Ｖの値を基準値として素子電流を相対値で示している。なお、試験後のデータは、常温において湿度調整器１７の陽極１５と陰極１２との間に直流電圧２．５Ｖを印加して、連続して３年間通電した後に測定したものである。
長期試験前の湿度調整器１７では印加電圧が２Ｖ程度で素子電流が飽和している。しかし、試験後では電流の立ち上がりが緩やかで、飽和電流値も試験前よりも低い。さらに、試験後の湿度調整器１７は素子電流が飽和するのに４Ｖ程度の直流電圧が必要である。
【００１１】
図５は図４と同じ試験条件において、湿度調整器１７への印加電圧（Ｖ）と除湿能力（相対値）との関係を示した説明図である。なお、除湿能力は湿度調整器１７へ直流電源１６から供給される直流電圧２Ｖの値を基準値として除湿能力を相対値で示している。
図５において、試験前の湿度調整器１７は素子電流と同様に印加電圧が２Ｖで除湿能力がほぼ飽和値に達している。しかし、試験後では素子電流と同様に立ち上がりが緩やかで、除湿能力の飽和値も試験前のものより低い。試験後のものは通常の使用条件である印加電圧２Ｖ〜２．５Ｖにおける除湿能力は低いが、印加電圧を４Ｖ以上にすれば、印加電圧が２Ｖ〜２．５Ｖにおける除湿能力に比して３倍程度の除湿能力が得られることが分かる。
図６は湿度調整器１７の印加電圧と素子（湿度調整器１７）寿命との関係を示す説明図である。なお、素子寿命の定義は除湿能力が新製時における初期値の１／２となるまでの時間である。
【００１２】
図６において、印加電圧が４Ｖ以下では電圧の増加と共に寿命が長くなり、印加電圧が４Ｖ〜５．５Ｖの範囲では素子寿命がほぼ一定である。そして、印加電圧が５．５Ｖ以上では素子寿命が低下することが分かった。
以上のように、湿度調整器１７の陽極１５と陰極１２との間に４Ｖ〜５．５Ｖの直流電圧を印加することにより、通常の動作に必要な印加電圧２Ｖ〜２．５Ｖを印加した場合より除湿能力の低下を軽減して、湿度調整器の寿命を２〜３倍延長させることができる。
【００１３】
実施の形態３．
図７は実施の形態３の構成図である。図７において、９〜１５は実施の形態１のものと同様のものであり、１７は実施の形態２のものと同様のものである。１８は陽極１５と陰極１２との間に接続されたインピーダンス測定手段で、例えばアジレントテクノロジー社のＬＣＲ（登録商標）メーター（４１９２Ａ）を使用する。インピーダンス測定手段１８は測定対象である湿度調整器１７に微少振幅の交流電圧を印加して、交流インピーダンスを測定する計測器である。
湿度調整器１７に使用している固体電解質は、例えば「電気化学便覧」、第４版、電気化学協会編（丸善株式会社刊）の第２７８頁に記載されているように、水の理論分解電圧１．２３Ｖの直流電圧で式（３）の反応が生じる。そこで、水の理論分解電圧１．２３Ｖ以下の振幅を有する交流電圧で固体電解質の交流インピーダンスを測定すれば、周囲の温度及び湿度の影響を受けることなく測定データを得ることができる。
図８は図７のインピーダンス測定手段１８により得られた湿度調整器１７の静電容量の周波数依存特性を示す説明図である。図８は測定周波数を５Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で変化させたときの湿度調整器１７の静電容量である。図８において、測定試料の劣化品は長期間の使用による経年劣化により性能が低下した湿度調整器１７であり、健全品は使用期間が短く新製時同等のものである。
図８から分かるように、測定周波数が低くなるに従って劣化品と健全品との静電容量に顕著な差異が生じている。すなわち、健全品の静電容量は劣化品よりも大きな値を示している。そこで、例えば測定周波数を５Ｈｚとしたときの静電容量の判定値として０．１Ｆ〜０．１５Ｆに設定することにより、湿度調整器１７の性能低下を判定することができる。
【００１４】
図９は図７のインピーダンス測定手段１８により得られた湿度調整器１７の抵抗成分の周波数依存特性を示す説明図である。図９は図８と同様に測定周波数を５Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲で変化させたときの湿度調整器１７の抵抗成分である。図９において、測定試料は図８のものと同様のものである。
図９から分かるように、測定周波数が低くなるに従って劣化品と健全品との抵抗成分に顕著な差異が生じている。すなわち、健全品の抵抗成分は劣化品よりも小さな値を示している。そこで、例えば測定周波数を５Ｈｚとしたときの抵抗成分の判定値を０．４Ω〜０．５Ωに設定することにより、湿度調整器１７の性能低下を判定することができる。
図１０はインピーダンス測定手段１８により得られた静電容量と除湿能力との関係を示す説明図である。図１１はインピーダンス測定手段１８により得られた抵抗成分と除湿能力との関係を示す説明図である。図１０及び図１１において、除湿能力は製品出荷時の管理下限値を１とした相対値で表示している。図１０及び図１１において、除湿能力の下限値を０．７とすると、インピーダンス測定手段１８により得られた静電容量又は抵抗成分から、湿度調整器１７の性能を評価することができる。
以上のように、陽極１５と陰極１２との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、静電容量が予め設定した判定値以下のとき能力が低下したと判定することにより、実使用の環境において性能低下を評価することができる。
さらに、陽極１５と陰極１２との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、抵抗成分が予め設定した判定値以上のとき能力が低下したと判定することにより、実使用の環境において性能低下を評価することができる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明によれば、陽極と陰極との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、静電容量が予め設定した判定値以下のとき能力が低下したと判定することにより、実使用の環境において性能低下を評価することができる。
さらに、陽極と陰極との間に周波数が１ｋＨｚ以下で、水の理論分解電圧である１．２３Ｖ以下の交流電圧を印加してインピーダンス測定を行い、抵抗成分が予め設定した判定値以上のとき能力が低下したと判定することにより、実使用の環境において性能低下を評価することができる。
【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】図１の動作特性図である。
【図３】この発明の実施の形態２の構成図である。
【図４】湿度調整器の長期試験前後における陽極と陰極との間に供給される印加電圧と両極間に流れる素子電流との関係を示す説明図である。
【図５】湿度調整器への印加電圧（Ｖ）と除湿能力（相対値）との関係を示した説明図である。
【図６】湿度調整器の印加電圧と素子（湿度調整器）寿命との関係を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態３の構成図である。
【図８】図７のインピーダンス測定手段により得られた湿度調整器の静電容量の周波数依存特性を示す説明図である。
【図９】図７のインピーダンス測定手段により得られた湿度調整器の抵抗成分の周波数依存特性を示す説明図である。
【図１０】インピーダンス測定手段１８により得られた静電容量と除湿能力との関係を示す説明図である。
【図１１】インピーダンス測定手段１８により得られた抵抗成分と除湿能力との関係を示す説明図である。
【図１２】従来の湿度調整器を示す断面図である。
【図１３】図１２の動作特性図である。
【符号の説明】
９固体電解質膜、１０陰極触媒層、１１第一の多孔質基材、
１２陰極、１３第二の多孔質基材、１３ａ薄膜、１４陽極触媒層、
１５陽極、１７湿度調整器、１８インピーダンス測定手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to evaluation methods humidity regulator using cation conductive solid electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional humidity adjuster described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-51638. In FIG. 12, reference numeral 1 denotes a solid electrolyte membrane having a thickness of about 170 μm using a cation conductive solid polymer electrolyte, for example, NAFION (registered trademark) -117 manufactured by Du Pont. Is done. 2 is a cathode catalyst layer formed on one side of the solid electrolyte membrane 1, and platinum black is mixed in a volatile solvent such as isopropyl alcohol and water so that the amount of platinum black is 0.3 mg / cm ^{2 to} 3 mg / cm ^2. ^The solid electrolyte membrane 1 is sprayed to a thickness of ² . Reference numeral 3 denotes a first porous substrate having a thickness of about 200 μm disposed on the other side of the solid electrolyte membrane 1 and is formed of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth. The cathode catalyst layer 2 and the first porous substrate 3 constitute a cathode 4. 5 is a water-permeable second porous substrate disposed on the other side of the solid electrolyte membrane 1, and is a mesh-like expanded metal made of titanium having a thickness of about 100 μm and white having a thickness of several μm. Gold-plated. The solid electrolyte membrane 1 on which the cathode catalyst layer 2 is formed is sandwiched between the porous substrates 3 and 5, and physically integrated by hot pressing under conditions of a temperature of 180 ° C. and a pressure of about 50 kg / cm ^2. And are electrically joined together. 6 is an anode catalyst layer disposed on the other surface of the solid electrolyte membrane 1, and platinum black is mixed with a volatile solvent such as isopropyl alcohol and water so that the amount of platinum black is 0.3 mg / cm 2. ^The solid electrolyte membrane 1 and the second porous substrate 5 are formed by coating or spraying on the air side surfaces thereof so as to have a thickness of ^{2 to 3} mg / cm ² . The second porous substrate 5 and the anode catalyst layer 6 constitute an anode 7. Reference numeral 8 denotes a DC power source connected between the poles 4 and 7.
[0003]
Next, the operation will be described. FIG. 13 is an operational characteristic diagram of FIG. 12 and 13, when predetermined power is supplied from the DC power source 8 between the electrodes 4 and 7, moisture is electrolyzed on the atmosphere side surface on the anode 7 side by the reaction of the formula (1), and the atmosphere side Moisture is removed and oxygen is supplied to the atmosphere.
2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + e ⁻ (1)
Hydrogen ions H ⁺ generated at this time reach the cathode 4 through the solid electrolyte membrane 1. Further, the electron e ⁻ reaches the cathode 4 through an external circuit including the DC power supply 8. And water is produced | generated while consuming oxygen by the reaction of Formula (2) in the cathode 4 side. In the state of use as a humidity controller, the maximum current density is 20 A / dm ² , and a power supply voltage of about 2 V is sufficient, but normally it is operated with a DC voltage of 2 V to 2.5 V.
O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional humidity regulator is constructed as described above, the performance degradation is a concern for solid electrolyte membrane 1 is aging by long-term use. However, since the element current flowing through the solid electrolyte membrane 1 as a characteristic value reflecting the property of the humidity controller is affected by the temperature and humidity of the surrounding environment, the element current obtained from the measurement in the actually used environment There is a problem that it is difficult to determine the presence or absence of performance degradation from the value.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for evaluating a humidity regulator that can determine performance degradation in an actual use environment.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The humidity controller according to the present invention includes a cation conductive solid electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer made of fine particles of platinum group metal or platinum group metal oxide provided on one side surface of the solid electrolyte membrane. The first porous base material provided in contact with the cathode catalyst layer and the other surface of the solid electrolyte membrane are made of a platinum group metal other than platinum or a platinum group metal oxide other than platinum. A second porous base material on which a thin film is formed, and an anode catalyst layer comprising fine particles of platinum group metal or platinum group metal oxide provided on the atmosphere side of the solid electrolyte membrane and the second porous base material And an anode composed of a second porous substrate and an anode catalyst layer, and a cathode composed of a first porous substrate and a cathode catalyst layer. 1.23 which is the theoretical decomposition voltage of water with a frequency of 1 kHz or less between the cathode and the cathode Perform impedance measurement by applying the following AC voltages, function when the following judgment value capacitance preset is one which determined to have decreased.
Further, when the impedance is measured by applying an AC voltage of 1.23 V or less, which is a theoretical decomposition voltage of water, between the anode and the cathode and having a frequency of 1 kHz or less, and the resistance component is equal to or higher than a predetermined determination value Is determined to have decreased.
[000 6 ]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the first embodiment. In FIG. 1, 9 is a solid electrolyte membrane having a thickness of about 170 μm using a cation conductive solid polymer electrolyte, for example, NAFION (registered trademark) -117 manufactured by Du Pont. Is done. 10 is a cathode catalyst layer formed on one surface of the solid electrolyte membrane 9, and platinum black is mixed in a volatile solvent such as isopropyl alcohol and water so that the amount of platinum black is 0.3 mg / cm ^{2 to} 3 mg. The solid electrolyte membrane 9 is sprayed to a thickness of / cm ² . Reference numeral 11 denotes a first porous substrate having a thickness of about 200 μm disposed on the other surface of the solid electrolyte membrane 9 and is formed of carbon fibers such as carbon paper or carbon cloth. The cathode catalyst layer 10 and the first porous substrate 11 constitute a cathode 12. 13 is a water-permeable second porous substrate disposed on the other surface of the solid electrolyte membrane 9, and has a thickness of several μm on the surface of a mesh-like expanded metal made of titanium having a thickness of about 100 μm. A thin film 13a of iridium, rhodium, iridium oxide, or rhodium oxide is applied by electroplating or the like.
[000 7 ]
The solid electrolyte membrane 9 on which the cathode catalyst layer 10 is formed is sandwiched between both porous substrates 11 and 13, and physically integrated by hot pressing under conditions of a temperature of about 180 ° C. and a pressure of about 50 kg / cm ^2. And electrically connected. 14 is an anode catalyst layer disposed on the other surface of the solid electrolyte membrane 9, and platinum black is mixed in a volatile solvent such as isopropyl alcohol and water so that the amount of platinum black is 0.3 mg / cm ^{2 to} 3 mg. It is formed by coating or spraying on the air-side surfaces of the solid electrolyte membrane 9 and the second porous substrate 13 so as to have a thickness of / cm ² . The second porous substrate 13 and the anode catalyst layer 14 constitute an anode 15. Reference numeral 16 denotes a DC power source connected between the two poles 12 and 15.
[000 8 ]
Next, the operation will be described. FIG. 2 is an operational characteristic diagram of FIG. 1 and 2, when a predetermined voltage is supplied between the two electrodes 12 and 15 from the DC power supply 16 in the voltage range of 2 V to 2.5 V, the moisture on the air side surface on the anode 15 side is the reaction of the formula (3). As a result, the moisture on the atmosphere side is removed and oxygen is supplied to the atmosphere side.
2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + e ⁻ (3)
The hydrogen ions H ⁺ generated at this time reach the cathode 12 through the solid electrolyte membrane 9. Further, the electron e ⁻ reaches the cathode 12 through an external circuit including the DC power supply 16. And water is produced | generated while consuming oxygen by the reaction of Formula (4) in the cathode 12 side.
O + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O (4)
When the thin film 13a made of a platinum group metal other than platinum or a platinum group metal oxide other than platinum is formed on the surface of the second porous substrate 13, the temperature of the humidity controller 17 is reduced as compared with the conventional case. be able to. For example, when the thin film 13a is composed of rhodium or an oxide of rhodium, a voltage of 1.6 V is required for the electrolysis reaction of water as shown in FIG. / Dm ² ) requires a power supply voltage of 1.7 V or higher. In this case, the maximum heat generation amount is 29 W / dm ² . For this reason, although depending on use conditions, the temperature of the humidity regulator 17 rises by about 25 ° C. from room temperature.
[000 9 ]
Further, when the thin film 13a is made of iridium or an iridium oxide, a voltage of 1.4V is required for the electrolysis reaction of water as shown in FIG. 20 A / dm ² ), 1.6 V or more is required as a power supply voltage. In this case, the maximum heat generation amount is 27 W / dm ² . For this reason, although it depends on use conditions, the temperature of the humidity controller 17 rises by about 24 ° C. from room temperature.
As described above, by forming the thin film 13a made of a platinum group metal other than platinum or a platinum group metal oxide other than platinum on the surface of the second porous substrate 13, the amount of heat generated can be reduced. As a result, temperature rise can be suppressed.
[001 0 ]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of the second embodiment. In FIG. 3, 9 to 16 are the same as those in the first embodiment. Reference numeral 17 denotes a humidity adjuster composed of 9-15. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the applied voltage supplied between the anode 15 and the cathode 12 and the element current flowing between the two electrodes before and after the long-term test of the humidity controller 17. 3 and 4, the element current is shown as a relative value with the value of the DC voltage 2V supplied from the DC power supply 16 to the humidity controller 17 before the long-term test as a reference value. The data after the test was measured after applying a DC voltage of 2.5 V between the anode 15 and the cathode 12 of the humidity controller 17 at room temperature and continuously energizing for 3 years.
In the humidity controller 17 before the long-term test, the device current is saturated at an applied voltage of about 2V. However, after the test, the current rises slowly and the saturation current value is lower than before the test. Further, the humidity regulator 17 after the test is a direct current voltage of about 4V for the device current is saturated is required.
[001 1 ]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage (V) applied to the humidity controller 17 and the dehumidifying ability (relative value) under the same test conditions as FIG. The dehumidifying capacity is shown as a relative value with the value of the DC voltage 2V supplied from the DC power supply 16 to the humidity regulator 17 as a reference value.
In FIG. 5, the humidity controller 17 before the test has an applied voltage of 2 V and the dehumidifying capacity almost reaches a saturation value, similarly to the element current. However, after the test, the rise is slow like the device current, and the saturation value of the dehumidifying ability is lower than that before the test. After the test, the dehumidifying ability at an applied voltage of 2 V to 2.5 V, which is a normal use condition, is low, but if the applied voltage is set to 4 V or more, the applied voltage is 3 as compared with the dehumidifying ability at 2 V to 2.5 V. It can be seen that the dehumidifying ability is about double.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the applied voltage of the humidity controller 17 and the life of the element (humidity controller 17). The element lifetime is defined as the time until the dehumidifying ability becomes 1/2 of the initial value at the time of new production.
[001 2 ]
In FIG. 6, when the applied voltage is 4 V or less, the lifetime increases as the voltage increases. When the applied voltage is in the range of 4 V to 5.5 V, the element lifetime is almost constant. It was found that the device life was reduced when the applied voltage was 5.5 V or higher.
As described above, when a DC voltage of 4 V to 5.5 V is applied between the anode 15 and the cathode 12 of the humidity controller 17, an applied voltage of 2 V to 2.5 V necessary for normal operation is applied. It is possible to further reduce the decrease in the dehumidifying capacity and extend the life of the humidity controller by 2 to 3 times.
[001 3 ]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 7 is a configuration diagram of the third embodiment. In FIG. 7, 9 to 15 are the same as those of the first embodiment, and 17 is the same as that of the second embodiment. Reference numeral 18 denotes an impedance measuring means connected between the anode 15 and the cathode 12, and uses, for example, an Agilent Technologies LCR (registered trademark) meter (4192A). The impedance measuring means 18 is a measuring instrument that measures an AC impedance by applying an AC voltage with a minute amplitude to the humidity adjuster 17 that is a measurement target.
The solid electrolyte used in the humidity controller 17 is, for example, the theoretical decomposition of water as described in “Electrochemical Handbook”, 4th edition, page 278 of the Electrochemical Association (published by Maruzen Co., Ltd.). The reaction of formula (3) occurs at a DC voltage of 1.23V. Therefore, if the AC impedance of the solid electrolyte is measured with an AC voltage having an amplitude of 1.23 V or less of the theoretical decomposition voltage of water, measurement data can be obtained without being affected by the ambient temperature and humidity.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the frequency dependence characteristics of the capacitance of the humidity adjuster 17 obtained by the impedance measuring means 18 of FIG. FIG. 8 shows the capacitance of the humidity adjuster 17 when the measurement frequency is changed in the range of 5 Hz to 1 kHz. In FIG. 8, the deteriorated product of the measurement sample is the humidity adjuster 17 whose performance has deteriorated due to long-term use, and the healthy product has a short use period and is equivalent to that of the new product.
As can be seen from FIG. 8, there is a marked difference in the capacitance between the deteriorated product and the healthy product as the measurement frequency is lowered. That is, the capacitance of the healthy product is larger than that of the deteriorated product. Therefore, for example, by setting the determination value of the capacitance when the measurement frequency is 5 Hz to 0.1 F to 0.15 F, it is possible to determine the performance deterioration of the humidity adjuster 17.
[001 4 ]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the frequency dependence characteristics of the resistance component of the humidity adjuster 17 obtained by the impedance measuring means 18 of FIG. FIG. 9 shows the resistance component of the humidity adjuster 17 when the measurement frequency is changed in the range of 5 Hz to 1 kHz as in FIG. In FIG. 9, the measurement sample is the same as that of FIG.
As can be seen from FIG. 9, as the measurement frequency decreases, there is a marked difference in the resistance component between the deteriorated product and the healthy product. That is, the resistance component of the healthy product is smaller than that of the deteriorated product. Therefore, for example, by setting the determination value of the resistance component when the measurement frequency is 5 Hz to 0.4Ω to 0.5Ω, it is possible to determine the performance degradation of the humidity adjuster 17.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the capacitance obtained by the impedance measuring means 18 and the dehumidifying ability. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the resistance component obtained by the impedance measuring means 18 and the dehumidifying ability. 10 and 11, the dehumidifying capacity is displayed as a relative value where the control lower limit value at the time of product shipment is 1. 10 and 11, when the lower limit value of the dehumidifying capacity is 0.7, the performance of the humidity adjuster 17 can be evaluated from the capacitance or resistance component obtained by the impedance measuring means 18.
As described above, the impedance is measured by applying an alternating voltage of 1.23 V or less, which is a theoretical decomposition voltage of water, with a frequency of 1 kHz or less between the anode 15 and the cathode 12, and the capacitance is set in advance. By determining that the ability has decreased when the value is equal to or less than the determination value, it is possible to evaluate the performance decrease in an actual use environment.
Further, impedance measurement is performed by applying an AC voltage of 1.23 V or less, which is a theoretical decomposition voltage of water, between the anode 15 and the cathode 12 with a frequency of 1 kHz or less, and the resistance component is equal to or higher than a predetermined determination value. by the Ruco it is determined capacity is lowered when it is possible to evaluate the performance degradation in the actual environment.
[001 5 ]
【The invention's effect】
According to the invention, the frequency between the positive electrode and the cathode is at 1kHz or less, the 1.23V or less of the AC voltage which is the theoretical decomposition voltage of water is applied performs impedance measurements, capacitance preset By determining that the ability has decreased when the value is equal to or less than the determination value, it is possible to evaluate the performance decrease in an actual use environment.
Furthermore, the impedance is measured by applying an AC voltage of 1.23 V or less, which is a theoretical decomposition voltage of water, with a frequency of 1 kHz or less between the anode and the cathode, and when the resistance component is equal to or higher than a predetermined determination value Therefore, it is possible to evaluate performance degradation in an actual use environment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention.
2 is an operational characteristic diagram of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between an applied voltage supplied between an anode and a cathode and an element current flowing between both electrodes before and after a long-term test of a humidity controller.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage (V) applied to the humidity controller and the dehumidifying ability (relative value).
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the applied voltage of the humidity controller and the element (humidity controller) life.
FIG. 7 is a configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing frequency-dependent characteristics of capacitance of the humidity adjuster obtained by the impedance measuring means of FIG.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing frequency-dependent characteristics of the resistance component of the humidity regulator obtained by the impedance measuring means of FIG.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the capacitance obtained by the impedance measuring means and the dehumidifying ability.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the resistance component obtained by the impedance measuring means and the dehumidifying ability.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional humidity controller.
13 is an operational characteristic diagram of FIG. 12. FIG.
[Explanation of symbols]
9 solid electrolyte membrane, 10 cathode catalyst layer, 11 first porous substrate,
12 cathode, 13 second porous substrate, 13a thin film, 14 anode catalyst layer,
15 Anode, 17 Humidity adjuster, 18 Impedance measuring means.

Claims

Provided in contact with the cathode catalyst layer, a positive electrode conductive solid electrolyte membrane, a cathode catalyst layer comprising fine particles of platinum group metal or platinum group metal oxide provided on one surface of the solid electrolyte membrane A second porous substrate formed on the other surface of the solid electrolyte membrane and formed of a platinum group metal other than platinum or a platinum group metal oxide other than platinum. A porous substrate, an anode catalyst layer comprising fine particles of platinum group metal or platinum group metal oxide provided on the atmosphere side of the solid electrolyte membrane and the second porous substrate, and the second In a method for evaluating a humidity controller comprising an anode composed of a porous substrate and the anode catalyst layer, and a cathode composed of the first porous substrate and the cathode catalyst layer, the anode and 1 is the theoretical decomposition voltage of water with a frequency of 1 kHz or less between the cathode and the cathode. Perform impedance measurement by applying the following AC voltages 23V, the evaluation method of the humidity regulator function when the following judgment value capacitance is preset and judging the decreased.

Provided in contact with the cathode catalyst layer, a positive electrode conductive solid electrolyte membrane, a cathode catalyst layer comprising fine particles of a platinum group metal or platinum group metal oxide provided on the cathode side surface of the solid electrolyte membrane A first porous substrate formed on the anode side of the solid electrolyte membrane, and a second porous substrate on which a thin film made of a platinum group metal other than platinum or a platinum group metal oxide other than platinum is formed. An anode catalyst layer made of fine particles of platinum group metal or platinum group metal oxide provided on the air side of the base material, the solid electrolyte membrane and the second porous base material; and the second porous material In the evaluation method of a humidity controller comprising an anode composed of a base material and the anode catalyst layer, and a cathode composed of the first porous base material and the cathode catalyst layer, the anode and the cathode The frequency is 1 kHz or less and 1 is the theoretical decomposition voltage of water. Perform impedance measurement by applying the following AC voltages 23V, the evaluation method of the humidity regulator function when the resistance component is not less than determination value set in advance and judging the decreased.