專利名稱：固體高分子電解模塊及使用該模塊的固體高分子電解裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用離子導電性固體高分子電解質膜電解氣體中的水蒸氣，使用生成的電解生成物的特性，引出別的功能加以利用的固體高分子電解模塊，涉及模塊主體及直流電源系統的小型的、可以做得緊湊的模塊的結構。還涉及最大限度發揮該固體高分子電解模塊的特性，同時確保固體高分子電解模塊的動作的安全的固體高分子電解裝置。
圖14及圖15是表示例如日本專利特開平8-134679號所述的使用氫離子導電性固體高分子電解質膜電解水的固體電解質膜電解裝置的總體結構圖的縱剖面圖及表示分解狀態的縱剖面圖。
在圖14及圖15中，固體電解質膜電解裝置1是由圓盤狀的固體電解質膜2與在其兩面增添設置的圓盤狀多孔饋電體3和4、配設于其外側的圓盤狀的陽極電極板5及陰極電極板6，以及在兩電極板5、6外側增添設置的圓盤狀密封墊圈形成的密封構件7構成的圓盤狀固體電解質膜單元8多個并設，使其相同電極側相向的構成的。
而且，固體電解質膜2等做成圓盤狀，但是也可以將這些構件做成方形。
又，在將固體電解質膜單元8并設，使其相同電極側相向時，在相鄰的固體電解質膜單元8之間夾著圓盤狀的塑料絕緣襯墊(spacer)9。又在兩端的固體電解質膜單元8外側設置不銹鋼制的端板10。
又，在固體電解質膜電解裝置1配設用于向固體電解質膜單元8陽極側的多孔質饋電體3提供純水的純水供給路徑11及取出氧氣用的氧氣取出路徑12。同樣配設用于從固體電解質膜單元18陰極側的多孔質饋電體4取出氫氣的氫氣取出路徑13。又，電極板用外部接線14連接，向饋電體饋送電力。
這樣構成的固體電解質膜電解裝置1首先從純水供給系統(未圖示)通過純水供給路徑11向固體電解質膜單元8陽極側的多孔質饋電體3提供純水。然后，所提供的純水在固體電解質膜單元8陽極側被電解，發生的反應，產生氧氣，從多孔質饋電體3通過氧氣取出路徑12取出水和氧氣，回收氧氣。
另一方面，在固體電解質膜單元8陰極側，陽極側生成的H+通過固體電解質膜2，發生的反應，產生氫氣，從多孔質饋電體4通過氫氣取出路徑13取出氫氣并回收之。
由上述作用對水進行電解，得到氫氣和氧氣。又，電解所需要的電力由外部配線14通過電極板5、6向多孔質饋電體3、4提供。
這樣，已有的固體電解質膜電解裝置是通水，將其電解為氧氣和氫氣的情況下使用的裝置，不是以電解空氣中所含的水蒸氣為目的的裝置。
本發明是提供電解空氣中所含的水蒸氣，利用所生成的電解生成物的特性引出別的功能加以利用為目的的裝置，提供適合于此的機械上牢固、小型、廉價的固體高分子電解模塊。
又，本發明提供最大限度利用該固體高分子電解模塊的電解特性，并且使動作維持穩定的固體高分子電解模塊。
本發明的固體高分子電解模塊，是將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的多個固體高分子電解元件隔著以至少一部分為導電連接邊的襯墊疊層，使相鄰的固體高分子電解元件之間形成空氣通路，疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過上述襯墊的導電性連接邊電氣連接于接近一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極上，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過上述襯墊的導電性連接邊，在電氣上串聯連接于接近另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極上，在上述相鄰的固體高分子電解元件之間形成的空氣通道按照如下要求構成，也就是在將直流電壓加在位于疊層的上述多個固體高分子電解元件的一端上的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與位于另一端上的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極之間時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分開獨立形成。
本發明的固體高分子電解裝置，是具備將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的多個固體高分子電解元件隔著以至少一部分為導電連接邊的襯墊疊層，使相鄰的固體高分子電解元件之間形成空氣通路，疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過上述襯墊的導電性連接邊電氣連接于接近一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極上，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過上述襯墊的導電性連接邊，在電氣上串聯連接于接近另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極上，上述相鄰的固體高分子電解元件之間形成的空氣通道按照如下要求構成，也就是在將直流電壓加在疊層的上述多個固體高分子電解元件的一端上的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與另一端上的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極之間時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分開獨立形成的固體高分子電解模塊，以及在所述固體高分子電解元件的一邊和另一邊的多孔質電極之間在電氣上并聯連接，如果上述一邊和另一邊的多孔質電極之間的電壓超過設定電壓則電流急劇流動的電路結構的旁通電路。
圖1是表示本發明實施形態1的固體高分子電解模塊的立體圖。
圖2是表示使用于本發明實施形態1的固體高分子電解模塊的固體高分子電解元件的立體圖。
圖3是表示本發明實施形態1的固體高分子電解模塊的分解立體圖。
圖4是表示本發明實施形態2的固體高分子電解模塊的立體圖。
圖5是表示本發明實施形態3的固體高分子電解模塊的立體圖。
圖6是表示使用于本發明實施形態3的固體高分子電解模塊的固體高分子電解元件的立體圖。
圖7是表示本發明實施形態3的固體高分子電解模塊的分解立體圖。
圖8是表示本發明實施形態4的固體高分子電解裝置的立體圖。
圖9是表示本發明實施形態4的固體高分子電解裝置的分解立體圖。
圖10是表示在本發明實施形態4的固體高分子電解裝置上使用的旁通電路的電路圖。
圖11是表示在本發明實施形態4的固體高分子電解裝置上使用的旁通電路的電氣特性的圖。
圖12表示在本發明實施形態4的固體高分子電解裝置上使用的固體高分子電解元件的電壓-電流特性圖。
圖13是表示本發明實施形態5的固體高分子電解裝置的分解立體圖。
圖14是表示使用氫離子導電性的固體高分子電解質膜電解水的已有的固體電解質膜電解裝置的總體結構的縱剖面圖。
圖15是表示使用氫離子導電性的固體高分子電解質膜電解水的已有的固體電解質膜電解裝置的分解狀態的縱剖面圖。
下面根據附圖對本發明的實施形態加以說明。
實施形態1圖1是表示本發明實施形態1的固體高分子電解模塊的立體圖。
在圖1中，固體高分子電解模塊50，是固體高分子電解元件51借助于襯勢52保持一定間隔多個迭層，迭層方向上的兩端被加以壓力形成一整體構成的。于是，利用襯墊52形成一定間隔的固體高分子電解元件51間形成作為通氣路徑的空氣流通道53a、53b。又，襯墊52在固體高分子電解元件51的兩端互相交錯配置，使得流經相鄰的空氣流通道53a、53b的空氣流形成正交流動。
該襯墊52是在塑料等制的長方體的絕緣體塊52a的表面裝上導電性金屬板52b制成的，固體高分子電解元件51隔著襯墊52迭層時，上下固體高分子電解元件51間通過導電性金屬板52b電氣連接。
又，襯墊52也可以用碳素棒那樣的良導電體制作。圖中，57表示直流電源，箭頭B、C表示空氣流。
下面接著參照圖2對固體高分子電解元件51的結構加以說明。
固體高分子電解元件51是在能有選擇地使氫離子(質子)通過的質子導電性的固體高分子電解質膜55的兩面上熱壓一對多孔質電極54a、54b，構成復合膜狀。而多孔質電極54a、54b的兩端分別用例如焊錫等方法裝上電氣連接片56a、56b，使其與多孔質電極之間電氣接觸電阻為零。又，多孔質電極54a、54b以正交的形式壓接于固體高分子電解質膜55的兩面，電氣連接片56a、56b以從固體高分子電解質膜55的四邊露出的形式構成。
還有，多孔質電極54a、54b與固體高分子電解質膜55的接合面上形成未圖示的鉑族金屬催化劑層，提高了電極面上的電解反應的活性度。
這里，多孔質電極54a、54b用鍍了例如鉑的多孔鈦等構成。而且，陰極一方的多孔質電極54b也可以使用碳素纖維的不織布。又，固體高分子電解質膜55使用了例如納費昂(杜邦公司的注冊商標)膜等。
下面接著根據圖3對固體高分子電解元件51間的電氣連接狀態加以說明。
固體高分子電解元件51在形成空氣通道53a(53b)的襯墊夾在兩端部形成迭層。而且襯墊52配置在固體高分子電解元件51兩端，級間相互錯開，圖3中為了簡化說明、只記錄著一邊的襯墊52。
多孔質電極54a、54b上安裝的電連接片56a、56b與襯墊52的導電性金屬板52b在迭層過程中成電氣連接，而且前級元件的陰極連接在后級元件的陽極上，或是相反，使前級元件的陽極與后級元件的陰極接觸，將各元件在電氣上串聯連接，又使電流的流向如箭頭A所示流動，以此使固體高分子電解元件51級間隔著襯墊52，陽極或陰極相同電極相向。
作為空氣流，以此使箭頭B所示的在陽極面間流動的空氣流與箭頭C所示的在陰極面間流動的空氣流互相垂直，分別形成相同方向的氣流。
下面對固體高分子電解模塊50的作用加以敘述。
構成這種固體高分子電解模塊50的固體高分子電解元件51，如圖2所示，夾著有選擇地使氫離子(質子)通過的固體高分子電解質膜55，隔著促進電解反應的催化劑層熱壓多孔質電極54a、54b形成復合膜狀。
固體高分子電解質元件連接直流電源57，使被除濕側為陽極側，加濕側為陰極側。在這里，直流電源57向陽極側的多孔質電極54a與陰極側的多孔質電極54b間供電，則陽極側的空氣中的水蒸汽被電解，水分子按式(1)的反應分解，產生氧氣并且濕度下降。
陽極側(1)而且，1～3個分子的復合水分子隨著從陽極側通過固體高分子電解質膜55向陰極側移動的氫離子從陽極側向陰極側移動。從而，水分子在陽極側被消耗，濕度下降，得到干燥的空氣。
又，在上述電解反應時在陰極側生成的氫離子(H+)通過固體高分子電解質膜55到達陰極。另一方面，電子(e-)通過外部電路到達陰極。于是，式(2)的反應在陰極側消耗了氧生成水。
陰極側(2)因此，流過陰極側的空氣被加濕成為濕潤的空氣。
利用上述作用，流經固體高分子電解模塊50的陽極相對設置而構成的空氣流通道53a的箭頭B所示的空氣流，空氣流中所包含的水蒸氣被電解、消耗得以減濕為干燥空氣。借助于此，如果將空氣流通道53a連接到例如未圖示的規定的閉空間，則能夠形成干燥的空間。
另一方面，流過陰極相對設置而構成的空氣流通道53b的箭頭C所示的空氣流由于氧被消耗而生成水蒸汽因而得到加濕成為濕潤的空氣。又，箭頭B、C所示的空氣流構成正交流動，從各不相同的方向分別引出空氣流，而且在模塊內部氣流路徑沒有彎曲，形成壓力損失小的氣流通道。
上式(1)、(2)所示的電解反應所需的電力由直流電源57提供，由于固體高分子電解元件51完全串聯著，將通向一個固體高分子電解元件51的電流量通往固體高分子電解模塊50，可以在全部元件上實現上述電解反應。
又，直流電源的電壓是1個固體高分子元件51所加的電壓乘以串聯連接的元件數目的乘積，而1個固體高分子電解元件51所加的電壓約為2伏特，因此，如果以串聯連接的元件數為N，則應連接2N伏特左右的電壓的直流電源。通常，直流電源的尺寸取決于其電流容量，因此將固體高分子電解元件51全部串聯連接，以減小通向固體高分子電解模塊50的電流量，實現直流電源的小型化。
這樣，采用本實施形態1，將多個固體高分子電解元件51隔著具有導電性金屬板52b的襯墊52迭層加壓時，相對配置的多孔性電極54a、54b形成作為同極性電極面的立體的電解反應面，同時在各電極側形成空氣流通道53a、53b，并且元件51之間在電氣上成串聯連接，因此，可以得到模塊的組裝及電氣連接簡化，能減小供電電流值，謀求電源系統小型化的固體高分子電解模塊。
實施形態2本實施形態2，如圖4所示，將多個平板狀的支持構件58與襯墊52平行地、等間隔地裝在固體高分子電解元件51之間，使其支持于相鄰的固體高分子電解元件51的面之間。其他結構與上述實施形態1結構相同。
在這里，由于在相向設置的固體高分子電解元件51之間作用著電壓，支持構件58用塑料等的絕緣板構成。
上述實施形態1的固體高分子電解模塊50，由于只是固體高分子電解元件51．的元件面的端部襯墊52支持著，所以在陽極側的空氣流B與陰極側的空氣流C之間存在工作壓力差的情況下，在元件51面上表面壓力起作用，有發生變形的危險。
但是，在本實施形態2的固體高分子電解模塊50a中，支持構件58被配置成立體格子狀，因此固體高分子電解元件51的元件面受到全面、多線狀的支持，機械強度得以增大。
因此，即使在陽極側的空氣流B與陰極側的空氣流C之間存在工作壓力差的情況下，而且有部分熱變形和機械性振動，元件面的變形也會得到抑制，可以對元件面變形引起的破損事故防患于未然。
又，各支持構件58沿著空氣的流動方向配設，因此不阻礙空氣流，也不會發生空氣流的停滯。
這里，將支持構件58的數目限制在所需數目的最低限度，以使固體高分子電解元件51的電解反應面的空氣流停滯而損害電解反應特性的情況不發生。
還有，在上述實施形態2，將多個平板狀支持構件58與襯墊平行地、等間隔地安裝于固體高分子電解元件51之間，將固體高分子電解元件51元件面全面地、多線狀地加以支持，而將多個小圓板狀的支持構件均勻地裝在固體高分子電解元件51之間，全面地、多點狀地支持固體高分子電解元件51的元件面也能夠得到相同的效果。
實施形態3上述實施例1、2中，如圖1、4所示，在構成固體高分子電解模塊50、50A時，將固體高分子電解元件51隔著襯墊52以一定的間隔迭層，形成空氣流通道53a、53b。于是，由于在固體高分子電解元件51的兩端成立體格子狀地配置著襯墊構成正方形狀的電解反應面，電解反應面的縱橫長度相同，不能實現模塊薄型化。本實施例3能夠得到適應要求薄型模塊的情況的固體高分子電解模塊。
圖5是表示本發明實施形態3的固體高分子電解模塊的立體圖，圖6是表示本發明實施形態3的固體高子電解模塊中使用的固體高分子電解元件的立體圖，圖7是表示本發明實施形態3的固體高分子電解模塊的分解立體圖。
本實施形態3的固體高分子電解元件59具有與上述固體高分子電解元件51相同的電化學功能。也就是說，如圖6所示，一對多孔質電極54a、54b夾住氫離子導電性的固體高分子電解質膜55熱壓固定于固體高分子電解質膜55的兩個面上。而一對多孔質電極54a、54b的各自的一側從固體高分子電解質膜55的各相反的側部露出，另一側錯開地壓接在膜表面上使固體高分子電解質膜55的膜面露出。將這樣形成的復合膜以中央為界在箭頭D所示的方向上彎折，形成U字形的固體高分子電解元件59。還在從固體高分子電解質膜55的端面露出的多孔質電極54a、54b的端面上安裝電氣連接片56a、56b。
又，襯墊60是將電氣連接片60b加在分別形成“コ”字形的絕緣框60a的兩側邊的端部，使其兩端露出絕緣框60a的表里制成的。另一方面，襯墊63是電氣連接片63b裝在形成“コ”字形的絕緣框63a一側邊的端部，使該兩端露出絕緣框63a的表里制成的。
該實施形態3的固體高分子電解模塊50b如圖7所示將形成“U”字形的多個固體高分子電解元件59做成彎折側相同地并排設置，各固體高分子電解元件59的彎折相對的面之間隔著襯墊60安裝，而且相鄰的固體高分子電解元件59之間隔著襯墊63，然后從迭層方向的兩端加壓構成一整體。然后，絕緣性的氣體通路構件64被安裝于在襯墊60、63的開口側中央相對的固體高分子電解元件59的表面之間。而且襯墊60其底邊60c與“U”字形的固體高分子電解元件59的彎折部配合、插入于其中，襯墊60、63其開口側互相錯開配置。
于是，由固體高分子電解元件59的彎折相對的面之間與襯墊60構成空氣流通道53a，由相鄰的固體高分子電解元件59的相對的面之間與襯墊63構成空氣流通道53b。又，在固體高分子電解元件59的多孔質電極54a、54b上形成的電氣連接片56a、56b在元件的迭層過程中與襯墊60、63的電氣連接片60b、63b形成電氣連接，前級元件的陰極串聯連接于后級元件的陽極，或是相反，前級元件的陽極串陽連接于后級元件的陰極，而且電氣連接成，形成波狀的陽極側電解反應面及陰極側電解反應面各面分別為同一極。例如在圖5、7中，在箭頭A的方向上通電流，形成陽極側的電解反應面面向圖紙面的上側，陰極側電解反應面面向圖紙面的下側的電氣連接。
這樣構成的固體高分子電解模塊50B，如圖5所示，將通氣通道構成部件64安裝于襯墊60、63的開口中央，在箭頭A的方向通電流，在此在圖紙上方形成陽極側空氣流通道53a。因此，如果使空氣沿著箭頭B流動，則與上述實施形態1同樣，空氣中的水蒸汽被式(1)所示的電解反應電解消耗，空氣濕度減小，形成干燥的空氣。另一方面，在圖紙的下方形成陰極側的空氣流通道53b，如果使空氣沿著箭頭C的方向流動，則由于式(2)所示的電解反應消耗了空氣中的氧氣，生成水蒸汽，因而空氣濕度增加，成為濕潤的空氣。
又，固體高分子電解元件59由于全部串聯連接，使通向一個固體高分子電解元件59的電流量通往固體高分子電解模塊50B，以此使全部元件實現電解反應，同時使固體高分子電解模塊50B所通過的電流小，實現直流電源的小型化。
這樣，采用實施形態3，隔著襯墊60、63將多個固體高分子電解元件59迭層加壓時，形成相對配置的多孔性電極54a、54b成為相同極性的電極面的立體的電解反應面，同時各電極側形成空氣流通道53a、53b，并且由于元件59之間在電氣上成串聯連接，與上述實施形態1一樣，可以謀求簡化模塊的組裝及電氣連接，減小供電電流，得到電力供給系統小型化的固體高分子電解模塊。
又，固體高分子電解模塊50B由于將固體高分子電解元件59彎折，隔著襯墊60、63迭層，模塊的厚度為固體高分子電解元件59的寬度的1/2，能夠適應模塊薄型化的要求。
又，上述實施形態3中所敘述的是將固體高分子電解元件59彎折成“U”字形，隔著襯墊60形成的構件再隔著襯墊63串聯配置的例子，但是固體高分子電解元件不限于“U”字形，也可以彎折成“W”字形或多個波折的形狀隔著襯墊60形或的構件再隔著襯墊63串聯配置。
實施形態4圖8是表示本發明實施形態4的固體高分子電解裝置的立體圖，圖9是表示本發明實施形態4的固體高分子電解裝置的分解立體圖，在圖9中，為了使說明簡化，只記載一邊的襯墊52。
在圖8及圖9中，該固體高分子電解裝置100由固體高分子電解模塊50與電氣旁路裝置101構成。這電氣旁路裝置101具有與構成固體高分子電解模塊50的固體高分子電解元件51相同數目的旁通電路102。而旁通電路102通過接線103連接于裝在固體高分子電解元件51間的襯墊52的導電性金屬板52b上，相對于各固體高分子電解元件51在電氣上并聯設置。
這里，旁通電路102如圖10所示由晶體管104、相對于基板電流正向插入的二極管105、調整集電極電流的電阻106a、調整基極電流的電阻106b，以及調整射極電流的電阻106c構成。而晶體管104的集電極-射極回路用接線103a、103b連接于各級間的襯墊52的導電性金屬板52b上，使其連接于各固體高分子電解元件51的多孔質電極54a、54b上。
該旁路電路102如圖11所示，具有在接線103a、103b間的電壓值V小于設定值Vt時集電極電流I為零，在電壓V達到設定值Vt時，集電極電流I急劇上升的電學特性。而電路零件及電路常數設定得使設定值Vt比下述固體高分子電解元件51的峰值電壓值Vkp略小。亦即調整二個極管105的個數及電阻106b、106c的阻值。
接著，為了說明具有這樣的結構的固體高分子電解裝置100的效果，對不具有電氣旁通裝置101的固體高分子電解裝置的動作加以說明。
上述(1)、(2)所示的電解反應所需的電力由直流電源57供給。而固體高分子電解元件51全部串聯連接，使通過一個固體高分子電解元件51的電流量通過固體高分子電解模塊50，以此使全部固體高分子電解元件51實現上述電解反應。
在這種情況下，如果所有的固體高分子電解元件51的電學特性均勻則沒有問題，而如果固體高分子電解元件51的電學特性不均勻，則各固體高分子電解元件51所具有的電解功能不能充分利用，或是在電極間的電壓上發生偏差不一的情況，這一問題擴大了就導致電解特性下降，需要采取對策以經常保持電極間的電壓于一定值。
這種固體高分子電解元件51的代表性電學特性如圖12所示，在電極間的電壓小于1伏特時沒有電流，從超過1伏特起電流開始急劇上升，在2～2.5伏特之間達到峰值，過了這里反而減小。因而，在固體高分子電解元件51之間，電壓-電流曲線的形狀都相同，但是最大峰值有離散性。
圖12表示構成固體高分子電解模塊50的固體高分子電解元件51的電壓-電流曲線有3種曲線K、L、M表示的離散的情況。這里，如果在具有峰值最小的曲線K的電學特性的固體高分子電解元件51上加峰值電壓Vkp，由于構成固體高分子電解模塊50的全部固體高分子電解元件51成串聯連接，電流Ikp流過所有的固體高分子電解元件51。
這時，具有曲線L、M的電學特性的固體高分子電解元件51的電極間電壓分別為比峰值電壓小的Vl1、Vm1，又以分別比峰值電流Ilp、Imp小的電流值工作，在特性不能充分發揮的狀態下工作。也就是說，固體高分子電解模塊50的工作狀態受到具有峰值最小的曲線K的電學特性的固體高分子電解元件51的限制。
又，如果在具有曲線K的電學特性的固體高分子電解元件51上加上比峰值電壓Vkp大的電壓Vk，則電流值在圖12中沿著箭頭下降的Ik。在這種狀態下，具有曲線L、M的電學特性的固體高分子電解元件51的電極間電壓進一步下降到V12、Vm2，固體高分子電解元件51間的電極間電壓差擴大了。這樣，如果通電電流值下降，就變成使電解特性進一步下降的不穩定狀態。
這種固體高分子電解裝置100，旁通電路102并聯電氣連接于各固體高分子電解元件51的電極之間。而各旁通電路102設定電路零件及電路常數，以使表示電流的急劇上升的電壓值Vt比固體高分子電解元件51的峰值電壓Vkp稍小一些。
于是，在固體高分子電解模塊50驅動著的時候，如果固體高分子電解元件51的電極間電壓上升，超過電壓值Vt，電流就開始流入旁路電路102，電解元件的電極間電壓就被控制在峰值電壓Vkp以下。
又，在電極間電壓值上升，超過電壓值Vt的固體高分子元件51中，電流通過該電子元件及旁通電路102流入下一級的固體高分子電解元件51。借助于此，使全部固體高分子電解元件51有平均的電壓分配，各固體高分子電解元件51得到接近各自的峰值電流的電流供給。
這樣，采用本實施形態4，將旁通電路102與各固體高分子電解元件51在電氣上并聯連接，因此各固體高分子電解元件51的電極間電壓被控制于峰值電壓Vkp以下。其結果是，對電極間電壓超過峰值電壓Vkp進入不穩定區域的情況的發生可以防患于未然，可以在穩定的狀態下驅動固體高分子電解模塊50。
又，由于在全部固體高分子電解元件51上電壓分配平均，各固體高分子電解元件51得到接近各自的峰值電流的電流供給，因此即使固化高分分子電解元件51的電學特性有離散，也能夠驅動固體高分子電解模塊50，使各固體高分子電解元件51的電解特性最大限度地得到發揮。
又，由于旁通電路102用晶體管104、二極管105及電阻106a、106b、106c這些廉價零件構成，可以謀求降低價格。
這里對旁路電路102在電壓值Vt的設定加以敘述。
各旁路電路102的電壓值Vt最好是與該旁通電路102并聯連接的固體高分子電解元件51的峰值電壓Vkp一致。但是由于固體高分子電解元件51的電學特性有離散性，要使各旁通電路102的電壓值Vt與固體高分子電解元件51的峰值電壓Vkp一致甚為困難。因此，實際上是按照使各旁路電路102的電壓值Vt納入包含固體高分子電解元件51的峰值電壓V1p的規定范圍內的辦法進行管理。
這種固體高分子電解元件51的代表性電學特性中，峰值電壓Vkp存在于2～2.5V之間，因此最好是將各旁通電路102的電壓值Vt管理在2～3V之間。在這種情況下，即使固體高分子電解元件51的電學特性有離散性，旁通電路102的電壓值Vt也保持與固體高分子電解元件51的峰值電壓Vkp相近，因此，可以驅動固體高分子電解模塊50使各固體高分子電解元件51的電學特性充分發揮。因此，不必就著固體高分子電解元件51的電學特性制作旁路電路，可以提高生產效率，謀求降低裝置的價格。
實施形態5上述實施形態4將旁路電路102在電氣上并聯連接于各固體高分于電解元件51，而本實施形態5，如圖13所示，旁路電路102只與兩個固體高分子電解元件51在電氣上并聯連接。
這種固體高分子電解模塊50，在模塊結構上有流經空氣流通道53a(53b)的空氣流量變小，空氣流通道53a(53b)內的空氣流動發生停滯的情況。這樣的固體高分子電解模塊50一旦驅動，臨近流量小或空氣流動發生停滯的空氣流通道53a(53b)的固體高分子電解元件51的電極間電壓將會上升過度。
在這實施形態5，將旁通電路102與臨近例如空氣流通有停滯的情況的空氣流通道53b的固體高分子電解元件51并聯連接。因此，一旦兩個固體高分子電解元件51的電極間電壓超過電壓值Vt，電流即開始流向旁通電路102，可以抑制電極間電壓的過度上升。
還有，在上述實施形態4、5中，旁通電路用晶體管104、二極管105及電阻106a、106b、106c構成，但是旁通電路并不限于這種電路，只要是能夠實現在電壓值為Vt時電流急劇上升的電學特性的電路就可以。
又，上述實施形態4、5中，使用上述第1實施形態所述的固體高分子電解模塊50，但是使用上述實施形態2、3所述的固體高分子電解模塊50A、50B也能得到同樣的效果。
采用本發明，將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的固體高分子電解元件隔著至少以一部分為導電連接邊的襯墊形成疊層，使鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣流通道，形成疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極成電氣連接，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極成電氣連接，構成串聯電氣連接，在所述鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣通道，使得在向疊層的所述多個固體高分子電解元件的一端的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與另一端上的固體高分子電解元件的另一多孔性電極之間提供直流電壓時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分離開，形成獨立的氣流，將多個固體高分子電解元件隔著襯墊疊層，以此形成空氣的氣流通道，同時形成立體的電解反應面，并且由于固體高分子電解元件之間成串聯電氣連接，組裝及電氣連接操作簡化了，而且可以減小通電電流，因此可以得到使電力供給系統小型化的固體高分子電解模塊。
又，所述多個固體高分子電解元件分別做成矩形的形狀，使作為前級元件的陰極的多孔性電極與作為后級元件的陽極的多孔性電極，或是作為前級元件的陽極的多孔性電極與作為后級元件的陰極的多孔性電極利用所述襯墊的導電性連接邊連接，形成串聯電氣連接，并且陽極或陰極相同的電極面相對配置，所述襯墊配置得使陽極面形成的氣流通道流過的空氣流與陰極面形成的氣流通道流過的空氣流成正交氣流，因此固體高分子電解元件的制作是簡單的，同時可以形成氣流通道的壓力損失小的直線氣流通道，因此可以使用最大靜壓力小的送風機。
又，支持構件裝在上述各氣流通道內的鄰接的固體高分子電解元件之間，在鄰接的固體高分子電解元件的表面之間提供機械性支持，因此可以得到牢固的能夠經受工作壓力差引起的應力形變或熱形變和機械性振動的固體高分子電解模塊。
又，所述多個固體高分子電解元件分別彎折為“U”字形、“W”字形或多波紋形狀，所述襯墊分別裝在各固體高分子電解元件的彎折相對的面之間及鄰接的固體高分子電解元件之間，作為前級元件的陰極的多孔性電極與作為后級元件的陽極的多孔性電極，或是作為前級元件的陽極的多孔性電極與作為后級元件的陰極的多孔性電極利用所述襯墊的導電性連接邊連接，形成串聯電氣連接，而且陽極面形成的氣流通道與陰極面形成的氣流通道方向相反，并且交互形成疊層，因此模塊的厚度可以做成小于固體高分子電解元件的寬度的1/2，能夠得到薄型的固體高分子電解模塊。
又，本發明的固體高分子電解裝置具備，將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的固體高分子電解元件隔著至少以一部分為導電連接邊的襯墊形成疊層，使鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣流通道，形成疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極成電氣連接，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極成電氣連接，形成串聯電氣連接，在所述鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣通道，使得在向疊層的所述多個固體高分子電解元件的一端的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與另一端上的固體高分子電解元件的另一多孔性電極之間提供直流電壓時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分離開，形成獨立的氣流，構成的固體高分子電解模塊，以及并聯電氣連接于所述固體高分子電解元件的一邊和另一邊的多孔質電極上，所述一邊和另一邊的多孔質電極之間的電壓一旦超過設定電壓，電流就急劇流過這樣的電路構成的旁通電路，因此，可以得到能夠驅動固體高分子電解模塊使固體高分子電解元件的電解特性充分發揮的固體高分子電解裝置。
又，由于具備與所述多個固體高分子電解元件相同數目的所述旁通電路，旁通電路并聯電氣連接于各所述固體高分子電解元件的一邊及另一邊的多孔質電極之間，因而能夠驅動固體高分子電解模塊使固體高分子電解元件的電解特性充分發揮。
又，由于所述旁通電路的設定電壓值為2～3伏特的電壓，即使固體高分子電解元件的電氣特性有離散，設定電壓值也接近固體高分子電解元件的峰值電壓，可以廉價、簡單地制作旁通電路。
又，所述旁通電路由晶體管、相對于該晶體管的基極電流正向插入的二極管、用于調整該晶體管的集電極電流的電阻、用于調整該晶體管的基極電流的電阻、用于調整該晶體管的射極電流的電阻構成，因此可以謀求降低裝置的價格。
權利要求
1．一種固體高分子電解模塊，其特征在于，將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的多個固體高分子電解元件隔著至少以一部分為導電連接邊的襯墊形成疊層，使鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣流通道，形成疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極成電氣連接，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極成電氣連接，形成串聯電氣連接，在所述鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣通道，使得在向位于疊層的所述多個固體高分子電解元件的一端的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與位于另一端上的固體高分子電解元件的另一多孔性電極之間提供直流電壓時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分離開，形成獨立的氣流。
2．根據權利要求1所述的固體高分子電解模塊，其特征在于，所述多個固體高分子電解元件分別做成矩形的形狀，并形成疊層，使作為前級元件的陰極的多孔性電極與作為后級元件的陽極的多孔性電極，或是作為前級元件的陽極的多孔性電極與作為后級元件的陰極的多孔性電極利用所述襯墊的導電性連接邊連接，形成串聯電氣連接，并且陽極或陰極相同的電極面相對配置，所述襯墊配置得使陽極面形成的氣流通道流過的空氣流與陰極面形成的氣流通道流過的空氣流成正交氣流。
3．根據權利要求2所述的固體高分子電解模塊，其特征在于，支持構件裝在上述各氣流通道內的鄰接的固體高分子電解元件之間，在鄰接的固體高分子電解元件的表面之間提供機械性支持。
4．根據權利要求1所述的固體高分子電解模塊，其特征在于，所述多個固體高分子電解元件分別彎折為“U”字形、“W”字形或多波紋形狀，所述襯墊分別裝在各固體高分子電解元件的彎折相對的面之間及鄰接的固體高分子電解元件之間，作為前級元件的陰極的多孔性電極與作為后級元件的陽極的多孔性電極，或是作為前級元件的陽極的多孔性電極與作為后級元件的陰極的多孔性電極利用所述襯墊的導電性連接邊連接，形成串聯電氣連接，而且陽極面形成的氣流通道與陰極面形成的氣流通道方向相反，并且交互形成疊層。
5．一種固體高分子電解裝置，其特征在于，具備將多孔性電極分別熱壓在氫離子導電性的固體高分子電解質膜的兩面上形成的固體高分子電解元件隔著至少以一部分為導電連接邊的襯墊形成疊層，使鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣流通道，形成疊層的上述多個固體高分子電解元件，各固體高分子電解元件的一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接一側的固體高分子電解元件的一個多孔性電極成電氣連接，并且各固體高分子電解元件的另一個多孔性電極通過所述襯墊的導電連接邊與鄰接另一側的固體高分子電解元件的另一個多孔性電極成電氣連接，形成串聯電氣連接，在所述鄰接的固體高分子電解元件之間形成空氣通道，使得在向位于疊層的所述多個固體高分子電解元件的一端的固體高分子電解元件的一個多孔性電極與位于另一端上的固體高分子電解元件的另一多孔性電極之間提供直流電壓時，沿著陽極面流動的空氣流與沿著陰極面流動的空氣流分離開，形成獨立的氣流，這樣構成的固體高分子電解模塊，以及并聯電氣連接于所述固體高分子電解元件的一邊和另一邊的多孔質電極上，所述一邊和另一邊的多孔質電極之間的電壓一旦超過設定電壓，電流就急劇流過這樣的電路構成的旁通電路。
6．根據權利要求5所述的固體高分子電解裝置，其特征在于，具備與所述多個固體高分子電解元件相同數目的所述旁通電路，旁通電路并聯電氣連接于各所述固體高分子電解元件的一邊及另一邊的多孔質電極之間。
7．根據權利要求5所述的固體高分子電解裝置，其特征在于，所述旁通電路的設定電壓值為2～3伏特的電壓。
8．根據權利要求5所述的固體高分子電解裝置，其特征在于，所述旁通電路由晶體管、相對于該晶體管的基極電流正向插入的二極管、用于調整該晶體管的集電極電流的電阻、用于調整該晶體管的基極電流的電阻、用于調整該晶體管的射極電流的電阻構成。
全文摘要
本發明揭示固體高分子電解槽塊及使用該模塊的固體高分子電解裝置,隔著具有導電性金屬板的襯墊(spacer)層積多個固體高分子電解元件,在形成空氣的氣流路的同時形成立體的電解反應面。然后將多個固體高分子電解元件串聯地電氣連接,按照相同極性的面相對的要求層積。
文檔編號B01D53/26GK1219609SQ98122668
公開日1999年6月16日 申請日期1998年11月19日 優先權日1997年11月19日
發明者森口哲雄, 大串哲朗 申請人:三菱電機株式會社