CN105392926A - 水电解用多孔质导电部件和使用其的功能水生成器 - Google Patents

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Abstract

利用水电解用多孔质导电部件以及功能水生成器，能在使用以往认为不适合水电解用的疏水性粘合剂材料的同时提供提高了电解效率的水电解用多孔质导电部件，上述水电解用多孔质导电部件具备：多孔质导电体部，其包括粘合剂材料和进行了亲水化处理的电极活性物质；以及集电体部，其抵接到上述多孔质导电体部的表面或内包于上述多孔质导电体部，上述粘合剂材料包括疏水性材料，上述功能水生成器具备该水电解用多孔质导电部件作为在无隔膜单槽式电解槽中进行金属离子的吸附脱附的电极。

Description

水电解用多孔质导电部件和使用其的功能水生成器
技术领域
本发明涉及水电解用多孔质导电部件和功能水生成器，上述水电解用多孔质导电部件具备：多孔质导电体部，其包括粘合剂材料和进行了亲水化处理的电极活性物质；以及集电体部，其抵接到上述多孔质导电体部的表面或内包于上述多孔质导电体部，上述水电解用多孔质导电部件的特征在于，上述粘合剂材料包括疏水性材料，上述功能水生成器使用上述水电解用导电部件在无隔膜单槽式电解槽中对自来水等原水进行电分解，从而生成用于餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途的功能水。
背景技术
以往，作为双电层电容器的电极材料，通常将活性炭等用作电极活性物质，一般使用氟系疏水性粘合剂材料进行成形。然而，在将自来水等作为原水的电分解中，作为疏水性粘合剂材料使用聚四氟乙烯等氟树脂系粘合剂材料的情况下，存在如下问题：由于粘合剂材料具有疏水性，因此电解液向电极内部的渗透性变差，在电分解等中无法得到规定的电特性。
针对该问题，提出了使用羧甲基纤维素、聚乙烯醇等亲水性粘合剂材料的方案(例如参照特开昭60－171714号公报(专利文献1)。)。在使用这种亲水性粘合剂材料的情况下，由于粘合剂材料具有亲水性所以吸附电极的润湿性良好，电解液向电极内部的渗透性提高，因此即使电极比较厚，也能渗透到电极内部。通过这样使用亲水性粘合剂材料而能针对水系电解质在电分解等方面提高一定的性能。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开昭60－171714号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在将活性炭用作电极活性物质且使用亲水性粘合剂材料的情况下，粘合剂材料、活性炭均是亲水性，因此粘合剂材料和活性炭之间的亲和性变高。因此，存在如下问题：在为了不使活性炭脱落而提高电极中的亲水性粘合剂材料的含有率时，亲水性粘合剂材料易于覆盖活性炭表面，活性炭的有效离子吸附孔减少，吸附性能大幅度降低，无法实现电解效率的最大化。
另外，还存在如下问题：根据亲水性粘合剂材料的种类的不同，无法充分地得到活性炭的结合力，电极变脆，无法维持电极形状。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于在使用以往被认为不适合水电解用的疏水性粘合剂材料的同时提供提高了电解效率的水电解用多孔质导电部件。
用于解决问题的方案
本发明的水电解用多孔质导电部件具备：多孔质导电体部，其包括粘合剂材料和进行了亲水化处理的电极活性物质；以及集电体部，其抵接到上述多孔质导电体部的表面或内包于上述多孔质导电体部，上述水电解用多孔质导电部件的特征在于，上述粘合剂材料包括疏水性材料。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，在上述多孔质导电体部中包含70wt％以上且92wt％以下的上述电极活性物质。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，上述粘合剂材料是氟系材料。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，上述多孔质导电体部还包括5wt％以上的导电助剂。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，上述多孔质导电体部的最厚部的厚度是0.5mm以上且1.5mm以下。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，上述多孔质导电体部的最厚部的厚度大致是1.0mm。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，针对上述多孔质导电体部设有多个上述集电体部。
优选在本发明的水电解用多孔质导电部件中，上述集电体部是没有贵金属涂层的金属部件。
优选本发明的水电解用多孔质导电部件是通过在辊压延后进行表面处理，实现亲水化而制造的。
另外，本发明还提供功能水生成器，其具备上述的本发明的水电解用多孔质导电部件作为在无隔膜单槽式电解槽中进行金属离子的吸附脱附的电极。
优选本发明的功能水生成器用于餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途。
发明效果
如上所述，根据本发明的水电解用多孔质导电部件，其具备：多孔质导电体部，其包括粘合剂材料和进行了亲水化处理的电极活性物质；以及集电体部，其抵接到上述多孔质导电体部的表面或内包于上述多孔质导电体部，并且上述粘合剂材料包括疏水性材料，由此能使电极活性物质的吸附性能最大化。另外，根据本发明的水电解用多孔质导电部件，优选将多孔质导电体部的最厚部的厚度(吸附电极的最大厚度)设为0.5mm以上且1.5mm以下，从而能使离子处理效率最佳化。而且，本发明还能提供功能水生成器，上述功能水生成器适合地应用本发明的水电解用导电部件，生成用于餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途的功能水。
附图说明
图1(a)是示意性地表示本发明优选的一例的水电解用多孔质导电部件1的图，图1(b)是将图1(a)的一部分放大后表示的照片。
图2是表示对使用了亲水性粘合剂材料的多孔质导电体部和使用了疏水性粘合剂材料的多孔质导电体部的离子吸附特性进行了比较的结果的坐标图。
图3是表示在使用疏水性粘合剂材料和亲水性电极活性物质的情况下的多孔质导电体部的照片。
图4是表示将活性炭用作电极活性物质的情况下的活性炭的含有率与离子处理效率的关系的坐标图。
图5是表示将炭黑用作导电助剂的情况下的导电助剂的含有率与离子处理效率的关系的坐标图。
图6是表示多孔质导电体部的最厚部的厚度与离子处理效率的关系的坐标图。
图7是示意性地表示本发明优选的各种例子的水电解用多孔质导电部件1、11、21、31的图。
图8是示意性地表示使用了本发明的水电解用多孔质导电部件的优选的一例的功能水生成器的图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。图1(a)是示意性地表示本发明优选的一例的水电解用多孔质导电部件1的图，图1(b)是将图1(a)的一部分放大后表示的照片(由扫描型电子显微镜放大3000倍的照片)。本发明的水电解用多孔质导电部件1具备：多孔质导电体部2，其包括粘合剂材料5进行了亲水化处理的电极活性物质4；以及集电体部3，其抵接到上述多孔质导电体部2的表面或内包于上述多孔质导电体部2(将该图1(a)所示的方式设为“实施方式1”)。
在此，图2是表示实际上对使用了亲水性粘合剂材料的多孔质导电体部和使用了疏水性粘合剂材料的多孔质导电体部的离子吸附特性进行了比较的结果的坐标图，纵轴是离子处理效率(％)，横轴是离子处理时间(分钟)。根据图2可知使用了疏水性粘合剂材料的多孔质导电体部的离子处理效率比使用了亲水性粘合剂材料的多孔质导电体部的离子处理效率高。此外，此处所说的离子处理效率表示在多孔质导电体部中进行了规定以上的离子吸附后进行脱附的情况下的离子脱附效率。
以往认为疏水性粘合剂材料不适合将自来水等作为原水的电分解。在此，图3是表示使用疏水性粘合剂材料和亲水性电极活性物质的情况下的多孔质导电体部的照片(由扫描型电子显微镜放大3000倍的照片)。如根据图3可知的，亲水性电极活性物质和疏水性粘合剂材料的亲和性低，因此粘合剂材料不会包围电极活性物质，电极活性物质易于露出，因此易于维持电极活性物质的细孔结构和电极活性物质的间隙。因而，能抑制有效离子吸附孔的减少，实现电解效率的最大化。
作为本发明的电极活性物质4，没有特别限制，能使用在本领域中以往以来使用的电极活性物质，但颗粒状的活性炭是优选的。活性炭在提高电极的能量密度上起着重要的作用，作为其种类，没有特别限定，能使用苯酚系、人造纤维系、丙烯系、沥青系、椰壳系等，能使用比表面积优选是300～3500m2/g，更优选是1500～2500m2/g的物质。在电极活性物质的比表面积不到300m2/g的情况下，存在离子吸附性能变差的倾向。认为在电极活性物质的比表面积超过3500m2/g的情况下离子吸附性能也降低，另外，由于电极活性物质占多孔质导电体部的比率增加，所以多孔质导电体部的成形性降低，由此存在加工性也降低的倾向。在电极活性物质的比表面积是1500～2500m2/g的情况下，特别能较好地提高离子吸附性能。
本发明的电极活性物质4的平均粒径虽然没有特别限制，但从能易于进行薄膜成形、提高电容密度的理由来看，优选是1～45μm的范围内，更优选是2～40μm的范围内，特别优选是3～20μm的范围内。
本发明的电极活性物质4进行了亲水化处理，例如通过氢氧化钠或者水蒸气的高温活化等方法进行该亲水化处理。电极活性物质4能通过活化进行亲水化处理，从而使针对水的润湿性能提高，并通过活化在实现了多孔质化的电极活性物质表面有效地进行离子吸附。
另外，集电体部3既可以抵接到多孔质导电体部2，也可以内包于(夹入/插入)多孔质导电体部2。此外，在抵接的情况下，为了防止集电体发生电分解，优选贴附聚酰亚胺胶带等进行绝缘。
优选本发明的水电解用多孔质导电部件1中的构成粘合剂材料5的疏水性材料是氟系材料。在此，作为氟系材料，例如可举出聚四氟乙烯(PTFE)等，由于氟系材料有疏水性并且在加热成形时施加力(剪切力)从而发生树脂的纤维化(纤丝化)，因此能通过网络化提高多孔质导电体部的成形性，抑制电极活性物质从多孔质导电体部溶出。
在作为构成粘合剂材料5的疏水性材料使用PTFE的情况下，不仅是四氟乙烯的均聚物，也可以是向四氟乙烯加入0.5mol％以下的其它单体后进行共聚而得到的共聚物。作为上述其它单体，可举出三氟乙烯、(全氟烷基)乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、全氟(烷基乙烯基醚)等。
另外，在本发明的水电解用多孔质导电部件1中，优选在多孔质导电体部2中包含70wt％以上且92wt％以下的电极活性物质4，更优选包含80wt％以上且92wt％以下的电极活性物质4。在此，图4是表示在将活性炭用作电极活性物质的情况下的活性炭的含有率与离子处理效率的关系的坐标图，纵轴表示离子处理效率(％)，横轴表示活性炭的含有率(wt％)。如图4所示，将电极活性物质(图4的例子中的活性炭)的含有率设为上述范围内，由此例如在多孔质导电体部的电极活性物质的含有率是70wt％、粘合剂材料的含有率是27wt％(导电助剂：3wt％)的情况下，能抑制电极活性物质从多孔质导电体部溶出，在这种情况下，能保持80％程度的离子处理效率。另外，在电极活性物质的含有率是91.5wt％、粘合剂的含有率是5.5wt％(导电助剂：3wt％)的情况下，也能大致抑制电极活性物质4从多孔质导电体部2溶出，在这种情况下，能保持大致100％的离子处理效率。
即，通过由PTFE这种疏水性材料构成粘合剂材料5，能尽量减小粘合剂材料5的混合比率，将电极活性物质的含有率尽量增加到70wt％以上且92wt％以下，因此从离子处理效率的点来看是优选的。
另外，在本发明中，优选在多孔质导电体部2中还包括5wt％以上的导电助剂。通过添加导电助剂使相邻的电极活性物质之间的电子传递性提高，因此从离子处理效率的点来看是优选的。
作为导电助剂例如能使用炭黑等导电率高的材料。炭黑是对电极赋予导电性、有助于内部电阻的降低的物质，因此只要是乙炔黑、科琴黑等导电性优异的物质即可，作为其粒径，优选是0.01～1μm。
图5是表示在将作为电极活性物质4的活性炭的含有率固定为70wt％、将炭黑用作导电助剂的情况下的导电助剂的含有率与离子处理效率的关系的坐标图，纵轴表示离子处理效率(％)，横轴表示导电助剂的含有率(wt％)。根据图5，离子处理效率是大致固定值直至导电助剂的含有率是5wt％为止，导电助剂的含有率从5wt％起增加，在导电助剂的含有率是10wt％的情况下，离子处理效率增加10％以上。因而，作为导电助剂的含有率，优选是5wt％以上，更优选是10wt％以上。
另外，从解决在使用了疏水性粘合剂材料的情况下水无法渗入成为问题的吸附电极内部这一问题的观点来看，优选本发明的水电解用多孔质导电部件1的多孔质导电体部2的最厚部的厚度是0.5mm以上且1.5mm以下。在此，多孔质导电体部2的“最厚部的厚度”是指与多孔质导电体部2的与集电体部3平行的平面垂直的方向(厚度方向)上的多孔质导电体部2的端部和集电体部3之间的直线距离。图6是表示电解时间分别是4分种、6分钟、8分钟的情况下的多孔质导电体部的最厚部的厚度与离子处理效率的关系的坐标图，纵轴表示离子处理效率(％)，横轴表示多孔质导电体部的最厚部的厚度(mm)。从图6可知，在多孔质导电体部的最厚部的厚度是0.5mm以上且1.5mm以下的范围内时，在任一个电解时间的情况下，离子处理效率均高，而在该范围外时离子处理效率变差。认为多孔质导电体部的厚度越大，则离子处理性能越增加且离子处理效率越提高，直至多孔质导电体部的厚度大到一定程度为止，但当厚度超过限度地变大时，形成双电层的区域与集电体之间的距离变大，由此离子处理效率变差。为了避免该影响，本发明的水电解用多孔质导电部件1优选将多孔质导电体部的最厚部设为0.5mm以上且1.5mm以下，由此能提高离子处理效率。
此外，上述图2和图4～图6的测定条件以及使用部件为如下内容。
自来水的容量：80mL，用90mA的恒定电流驱动，
白金电极：由大创工程公司(ダイソーエンジニアリング社)生产，尺寸：60×60mm(t＝1)，
多孔质导电部件：活性炭(由关西热化学公司(関西熱化学社)生产的MSP－20)、炭黑(由狮王公司(ライオン社)生产的ECP－600JD)、粘合剂材料(由大金工业株式会社(ダイキン工業社)生产的特氟龙(聚四氟乙烯)(注册商标)PTFEF－201)，尺寸：50×50mm。
电分解是，首先将金属电极作为阳极，将离子吸附电极作为阴极进行规定时间(吸附时间＝脱附时间)的离子吸附，之后使极性反转的电流流动而执行电分解，从而测定所吸附的金属离子的脱附量。即，基于下式(1)和式(2)，通过pH变动计算金属离子的脱附量，另外，使金属离子的脱附量与基于法拉第第二定律(下式(3))的理论吸附量之比＝离子处理效率进行计算。
M→M2++2e-…式(1)
2H2O+2e-→H2+2OH-…式(2)
Q＝I×t＝z×n×F…式(3)
其中，Q是电量(C)，I是电流量(A)，t是时间(sec)，z是离子价数(＝2)，n是金属离子的摩尔量，F是法拉第常数(＝9.65×104C/mol)。
而且，能通过将本发明的水电解用多孔质导电部件的最厚部的厚度设为大致1.0mm，即0.8mm以上且1.2mm以下的范围内而将离子处理效率实现最大化。
在此，图7是示意性地表示本发明优选的各种例子的水电解用多孔质导电部件1、11、21、31的图。其中，在图7(a)中表示与图1(a)所示的内容相同的实施方式1(水电解用多孔质导电部件1)，在图7(b)中表示实施方式2(水电解用多孔质导电部件11)，在图7(c)中表示实施方式3(水电解用多孔质导电部件21)，在图7(d)中表示实施方式4(水电解用多孔质导电部件31)。此外，图7的相对于纸面的上下方向均表示多孔质导电部件的厚度方向(相对于与集电体部3平行的平面是垂直的方向)。
在图7(a)中，表示使集电体部3抵接到多孔质导电体部2的表面的情况，在图7(b)中，表示在多孔质导电体部12的内部内包(夹入/插入)集电体部13的例子。另外，如本发明的水电解用多孔质导电部件如图7(c)、(d)所示的例子，也可以是设有多个集电体部的构成。在图7(c)中示出在多孔质导电体部22的内部以隔开距离(图7(c)中的2d)的方式内包(夹入/插入)2个集电体部23、24的例子，另外，在图7(d)中表示如下例子，示出在多孔质导电体部32的内部以相互隔开距离(图7(d)中的2d)的方式内包(夹入/插入)3个集电体部33，该集电体部33，考虑成形性，而在从多孔质导电体部32突出的区域捆束(连结)为1根。图7中，距离d与上述的“最厚部的厚度”含义相同，优选是0.5mm以上且1.5mm以下的范围，通过设为该范围，能使离子处理效率实现最佳化。此外，如图7(c)、图7(d)所示的例子，优选在设有多个集电体部的情况下，将集电体之间的距离设为2d(即，最厚部的厚度的2倍)。
此外，如图1、图7(a)所示的例子，在使集电体部3抵接到多孔质导电体部2的表面的情况下，为了防止集电体部发生电分解，优选在集电体部3的与抵接到多孔质导电体部2的一侧相反的一侧贴附聚酰亚胺胶带等进行绝缘。
在本发明的水电解用多孔质导电部件中，由于使用疏水性粘合剂材料，所以电解液不易渗透到活性炭电极的内部。因而，集电体不一定需要白金涂层那样的贵金属涂层。因此，在本发明的水电解用多孔质导电部件中，集电体部可以是没有贵金属涂层的金属部件，也可以直接使用易于通过电解液溶出的不锈钢、金属钛等金属，能实现电极成本的削减。
另外，优选本发明的水电解用多孔质导电部件是通过在辊压延后进行表面处理、实现亲水化而制造的。对包括电极活性物质和疏水性粘合剂材料的多孔质导电体部的前体进行辊压延，并对得到的片状物(多孔质导电片)作为表面处理实施亲水化处理，从而能恰当地制造本发明的水电解用多孔质导电部件。作为多孔质导电片的亲水化处理方法，能举出金属钠溶液处理、电子束(EB)辐射处理、等离子体处理、准分子激光处理、紫外激光处理、电晕处理、磺化处理等。这样对多孔质导电片进行亲水化处理，而得到本发明的水电解用多孔质导电部件，由此直到电极内部都能吸附。
在此，图8是示意性地表示使用了本发明的水电解用多孔质导电部件的优选的一例的功能水生成器51的图。本发明还提供一种功能水生成器，上述功能水生成器具备上述的本发明的水电解用多孔质导电部件，作为在无隔膜单槽式电解槽中进行金属离子的吸附脱附的电极。图8所示的例子的功能水生成器51，具备无隔膜单槽式电解槽52，上述无隔膜单槽式电解槽52具备上述的本发明的多孔质导电部件1、11、21、31和白金电极54。图8所示例子的功能水生成器51，具备：恒定电流发生源55，其与该电解槽52中的多孔质导电部件1、11、21、31和白金电极54电连接，用于供给电流；开关电路56，其用于适当地切换对多孔质导电部件和白金电极供给的电流；以及控制装置57，其介于恒定电流发生源55和开关电路56之间，用于控制电解槽中的水电解。这些恒定电流发生源55、开关电路56以及控制装置57只要将现有公知的合适的装置组合后使用即可，没有特别限定。
通过使用图8所示的功能水生成器，对供给到电解容器内的原水(例如自来水)，将白金电极作为阳极/阴极，将水电解用多孔质导电部件作为阴极/阳极，进行电分解，从而生成酸性水/碱性水。本发明所指的“功能水”是该酸性水、碱性水的总称。
这样，通过将本发明的水电解用多孔质导电部件用于无隔膜单槽式电解槽，由此能简化电极槽，还能在原理上不产生废水而生成酸性水/碱性水等的水。
另外，本发明的功能水生成器的特征在于，用于餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途。通过使用本发明的水电解用多孔质导电部件，能增强粘合剂材料的成形性，基本抑制从多孔质导电体部溶出电极活性物质。因而，针对上述那样的餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途等杂质混入成为问题的用途，很少发生溶出的问题，是优选的。
附图标记说明
1、11、21、31、53水电解用多孔质导电部件
2、12、22、32多孔质导电体部
3、13、23、33集电体部
4电极活性物质
5粘合剂材料
51功能水生成器
52电解槽
54白金电极
55恒定电流发生源
56开关电路
57控制电路。

Claims (11)

1.一种水电解用多孔质导电部件，具备：多孔质导电体部，其包括粘合剂材料和进行了亲水化处理的电极活性物质；以及集电体部，其抵接到上述多孔质导电体部的表面或内包于上述多孔质导电体部，上述水电解用多孔质导电部件的特征在于，上述粘合剂材料包括疏水性材料。
2.根据权利要求1所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
在上述多孔质导电体部中包含70wt％以上且92wt％以下的上述电极活性物质。
3.根据权利要求1或2所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
上述粘合剂材料是氟系材料。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
上述多孔质导电体部还包括5wt％以上的导电助剂。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
上述多孔质导电体部的最厚部的厚度是0.5mm以上且1.5mm以下。
6.根据权利要求1～4中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
上述多孔质导电体部的最厚部的厚度大致是1.0mm。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
针对上述多孔质导电体部设有多个上述集电体部。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
上述集电体部是没有贵金属涂层的金属部件。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件，其特征在于，
是通过在辊压延后进行表面处理，实现亲水化而制造的。
10.一种功能水生成器，其特征在于，
具备权利要求1～9中的任一项所述的水电解用多孔质导电部件作为在无隔膜单槽式电解槽中进行金属离子的吸附脱附的电极。
11.根据权利要求10所述的功能水生成器，其特征在于，
用于餐具清洗用途、理发美容用途、加湿用途或者饮用用途。
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