CN107083556A - 水的电分解用电极及该电极的制造方法 - Google Patents

水的电分解用电极及该电极的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的课题是提供一种水的电分解用电极的基本方案及制造该电极的基本方案，根据碳纳米管的催化剂功能，可以进行高效的电分解。本发明通过采用水电分解用电极(1)及上述电极的制造方法解决上述课题。本发明的电极的特征在于在将钛作为基材(11)的表面形成基于碳纳米管的薄膜。上述电极的制造方法如下：在分布着粒径为2μm以下的碳粒子的空中，在基于钛基材(11)的阴极与基于钛基材(11)或其它导电性原材料的阳极之间施加1000V/mm以上的电场；或者在将碳作为阳极、将钛基材(11)作为阴极的基础上，在充满惰性气体并且被加热的腔内，采用1ms以下时间幅度的脉冲电压的电弧放电。

Description

水的电分解用电极及该电极的制造方法
技术领域
本发明涉及通过对水施加直流电压而电分解为氢和氧时使用的电极及该电极的制造方法的技术领域。
背景技术
作为将水进行电分解时使用的电极结构，对于预定的基材，在基材表面形成催化剂层是已经众所周知的技术事项。
作为这种基材+催化剂层的层叠结构，例如专利文献1提唱对钛(Ti)网状物等多孔质基材堆积碳薄膜的结构(段落[0059])。
但是，这种结构，相对于施加电力，所产生的氧及氢的量较少，不足以实现高效的电分解，而且堆积碳薄膜需要采用ECR等离子体堆积方法，制造工序复杂。
专利文献2提唱在钛基材的两侧表面形成铱(Ir)催化剂层的结构(权利要求4)。
但是，上述结构的情况下，还是不足以实现高效的电分解，而且具有不能解决电极及水中发热那样的技术课题的缺点。
最近，碳纳米管作为原材料具有柔软性的同时具有物理强度，另一方面在可设定媲美金属的导电性方面具有特征，被用作各种电子领域的原材料。
在专利文献3中，着眼于碳纳米管具有空隙的结构，提唱在由碳纤维构成的基材上利用混合10％～50％的碳纳米管的热固化性树脂粘接剂进行固化的电极结构，通过碳纳米管在电分解中的催化剂功能，与专利文献2的情况相比，实现良好的电分解效率。
但是，热固化性树脂的搭配是降低导电性的原因，另一方面，实现上述结构的方法包括：制造混合了碳纳米管的热固化性树脂粘接剂的第1工序；对碳纤维浸透及涂覆该粘接剂的第2工序；通过红外线照射固化碳纤维的第3工序；以及通过加热及加压将碳纤维完全碳化并使其固化的第4工序。复杂的制造工序必要且不可或缺。
这样，基于现有技术的水的电分解用电极的电分解效率必定不充分，在其余的事项中也不能避免技术上的缺点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)专利公开2004-18982号公报
专利文献2：(日本)专利公开2012-122383号公报
专利文献3：(日本)专利公开2016-37662号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明着眼于碳纳米管在电分解中的催化剂功能，其课题是提供一种可进行高效的电分解的水的电分解用电极的基本方案及制造该电极的基本方案。
课题解决方案
为了解决上述课题，本发明的基本方案如下：
(1)一种水分电解用电极，其特征在于，在将钛作为基材的表面形成基于碳纳米管的薄膜。
(2)一种上述(1)的电极的制造方法，其特征在于，在分布着粒径为2μm以下的碳粒子的空中，在选择钛基材作为阴极的基础上，通过在2个电极之间施加1000V/mm以上的电场，在钛基材的表面形成碳纳米管薄膜。
(3)一种上述(1)的电极的制造方法，其特征在于，在将碳作为阳极、将钛基材作为阴极的基础上，在充满惰性气体、1000℃以上、且设定为小于作为钛熔融温度1660℃的温度的腔内，通过施加1ms以下时间幅度的脉冲电压的脉冲电弧放电或者该放电的重复，在钛基材的表面形成碳纳米管薄膜。
此外，上述(1)的电极，进一步优选薄膜的厚度为6μm以上。
再有，一种电分解槽，其特征在于，配设了耦合电极，所述耦合电极基于将构成阳极的上述(1)所述的电极与构成阴极的上述(1)所述的电极排列成交替邻接的状态。
此外，上述(2)的电极的制造方法，进一步优选通过燃烧煤产生的煤烟，在空中实现2μm以下的碳粒子的分布状态。
此外，上述(3)的电极的制造方法，进一步优选脉冲施加电压在2000V～3000V的范围内。
本发明的效果如下：
基于上述基本方案(1)的电极与专利文献2记载的通过热透过性树脂结合碳纤维和碳纳米管的电极的情况相比，可以呈现更良好的能量变换效率，根据上述(2)及(3)的基本方案的制造方法，均能通过施加直流电压的简单方法形成基本方案(1)的电极。
附图说明
图1是基本方案(1)的电极的剖面图。
图2是表示对比基本方案(1)的实施方式和基于专利文献2及专利文献3的现有技术的电分解效率的图表。
图3是配置了结合基本方案(1)的电极的电分解槽的示意图。
图4是表示基本方案(2)的制造方法的示意图。
图5是表示基本方案(3)的制造方法的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1是基本方案1的电极，11是钛基材，12是基于碳纳米管的薄膜，2是在基本方案2中采用的碳阳极，3是在基本方案(3)中采用的碳阳极，4是电分解槽，5是脉冲电压源，6是进行脉冲电弧放电的腔，7是加热器。
具体实施方式
如图1所示，基本方案(1)的电极1在钛基材11的两侧形成有碳纳米管薄膜12。
上述薄膜12的厚度通常设定为6μm以上，其根据在于，在小于6μm时无法充分发挥碳纳米管在电分解中的催化剂功能。
薄膜12的上限未特别限定，一般通过考虑制造成本及基于碳纳米管薄膜12的催化剂功能的饱和状态，多数情况下设为12μm以下。
如图1所示，钛基材11一般为平板形的情况较多，但是不一定限定于这样的形状，例如可以采用圆筒状等的其它方式。
作为10cm×18cm的矩形且具有0.5mm厚度的电极，采用根据上述基本方案(1)由7μm的碳纳米管覆盖钛基材11的两侧的电极1、如专利文献3那样用基于热固化性树脂粘接剂结合碳纤维和碳纳米管并且在热固化性树脂中混合10％的碳纳米管的电极、如专利文献2那样用具有0.3mm厚度的铱覆盖钛基材11的表面两侧的电极，在水中将各电极的间隔设为1.5mm的基础上依次改变施加的电功率的情况下HHO气体的产生量的变化表示于图2的图表中。
如图2所示，基本方案(1)的电极1的一例在60W的施加电功率的情况下，与如专利文献3那样基于碳纤维和碳纳米管的结合的电极相比显示1800cc/800cc＝2.25倍的电分解效率，与如专利文献2那样在钛基材11上覆盖铱的构成相比显示1800cc/300cc＝6倍的电分解效率。
这样，在基本方案(1)中，作为得到良好的电分解效率的原因，被认为是通过以碳纳米管作为催化剂层在钛基材11的表面形成碳纳米管薄膜12，从而在形成管的管状空间内进行水的阴极反应及阳极反应的机会提高。但是，关于这种良好的电分解效率的依据今后只能等待伴随各种实验的分析及基于该分析的考察。
在基本方案(2)的制造方法中，如图4所示，在分布着粒径为2μm以下的碳粒子的空中作为阴极选择钛基材11的基础上，通过在2个电极之间施加1000V/mm以上的电场，从而在基于钛基材11的阴极形成以碳纳米管作为催化剂层的薄膜12，由此制造基本方案(1)的电极1(此外，在图4中表示在钛基材11的阴极的单侧形成碳纳米管薄膜12的情况，但是关于另一单侧的上述薄膜12的形成则可以通过反转电极方向来实现。)。
此外，关于2个电极中的阳极，可以采用钛基材11或该基材以外的导电性的原材料。
基于石墨状碳的重叠的碳纳米管的直径为2～50nm，长度为1～10μm左右，以直径为2μm以下的碳粒子作为原材料通过基本方案(2)的方法，作为形成碳纳米管的根据被认为是：通过1000V/mm以上的电场，上述碳粒子向阴极移动，另一方面从阴极流出的电子以通过上述电场加速的状态与碳粒子冲撞的结果，上述碳粒子沿着电子的移动方向被细分的同时，以产生管状空隙的状态在上述移动方向上被拉伸。但是，关于伴随定量分析的详细根据，只能等待基于今后实验的分析及伴随该分析的考察。
此外，由直径为2μm以下的碳粒子生成碳纳米管的一点可通过由基本方案(2)形成的薄膜的导电率明显大于上述碳粒子的导电率得到确认。
直径为2μm以上的碳粒子的分布不排除直径大于2μm的碳粒子及其它粒子的存在。
这是因为：即使存在这些粒子，通过直径为2μm以下的碳粒子向基于钛基材11的阴极的移动，在该钛基材11的表面形成基于碳纳米管的薄膜12的现象不变。
燃烧煤时的煤烟中的碳粒子的直径通常约为1μm左右。
因此，在分布有燃烧煤时的煤烟的空间，能够使直径为2μm以下的碳粒子容易分布到空中。
如上所述，只要允许直径为2μm以下直径的碳粒子以外的其它粒子的分布的存在，不仅是基于煤的燃烧的煤烟，在基于其它含碳物质的燃烧(例如，木材的燃烧)的煤烟的情况下，也可以实现上述基本方案(2)的制造方法。
但是，在同一电场的情况下，若考虑基于2μm以下直径的碳粒子比其它粒子容易移动的情况，在通过其它含碳物质的燃烧形成煤烟的情况下，为了防止其它粒子来到基于钛基材11的阴极的现象，有必要将电场的大小选择设定为不会大幅超过1000V/mm的电场的程度。
通过在将碳作为原材料的阳极及阴极之间实现电弧放电，在阴极侧形成碳纳米管的技术是众所周知的技术事项。
但是，在通常的电弧放电的情况下，在进行放电的区域中，形成3000K以上的高温，超过钛的熔解温度1660℃。
因此，由于将碳作为阳极、钛基材作为阴极，即使进行通常的电弧放电，钛基材也熔解，难以在该基材的表面以稳定的状态形成碳纳米管薄膜。
考虑到采用这种一般的电弧放电的情况的难点，在基本方案(3)中，如图5所示，在以碳为阳极3、以钛基材11为阴极的基础上，在充满惰性气体、1000℃以上、并且设定为小于钛的熔融温度1660℃的温度的腔内，通过基于1ms以下时间幅度的脉冲电压施加的脉冲电弧放电或该放电的重复，在钛基材11的表面形成碳纳米管薄膜12，从而制造基本方案(1)的电极1(此外，在图5中，表示在钛基材11的阴极的单侧形成碳纳米管薄膜12的情况，但是关于另一单侧的上述薄膜12的形成则可以通过反转电极的方向来实现)。
在这种脉冲电弧放电的情况下，通过放电时间为1ms以下的极短的时间，即使例如瞬间超过钛的熔解温度1660℃，也不至于熔解钛，以稳定的状态在钛基材11的表面形成碳纳米管薄膜12。
进一步，如图5所示，由于将电极的周围加热(利用加热器7进行加热)到1200℃～1660℃的温度范围，可以抑制如通常的电弧放电的情况下的所谓热对流的影响。
此外，在基本方案(3)中，不只进行一次脉冲电弧放电而是重复该放电是因为通过1次电弧放电形成的碳纳米管薄膜的厚度薄，为了实现6μm的发挥催化剂功能时优选的厚度而为之的。
通过脉冲电弧放电形成碳纳米管薄膜12的根据在于，可以假设从碳电极飞溅的碳粒子与从作为阴极的钛产生的热电子冲撞而形成管状的空隙。
实现脉冲电弧放电时的电流量取决于阴极及阳极表面积，所以不能一概指定。
另一方面，在发明人的经验中，在将阳极和阴极的间隔设为1mm的情况下，判明了必要且适当的施加电压为2000V～3000V。
[实施例]
实施例的特征在于，如图3所示，配设有耦合电极的电分解槽4，所述耦合电极基于将构成阳极的基本方案(1)的电极1和形成阴极的基本方案(1)的电极1以交替邻接的状态排列。
在这种耦合电极的情况下，分别形成阳极及阴极的碳纳米管的薄膜12以相互面对的状态在阳极侧产生氧分子，在阴极侧产生氢分子，可以高效地实现氧氢气体(HHO气体)。
工业实用性
如上，在本发明中通过极为简单的制造方法，可以提供电分解效率极为良好的电极。
其结果，高效地迅速形成氧氢气体(HHO气体)，并且通过注入到内燃机的燃烧部分，可以迅速提升燃烧效率。
进而，在一般的有机物燃烧时，通过基于使用本发明电极的电分解的氧分子的供给，实现高效的燃烧的同时，由于氢分子的存在可高效实现使其以防止或减少伴随燃烧产生二氧化碳(CO2)的状态进行燃烧。
如上，本发明具有各种优点，可以实现广泛的利用。

Claims (7)

1.一种水电分解用电极，其特征在于，在将钛作为基材的表面形成基于碳纳米管的薄膜。
2.如权利要求1所述的电极，其特征在于，薄膜的厚度为6μm以上。
3.一种电分解槽，其特征在于，配设了耦合电极，所述耦合电极基于将构成阳极的权利要求1所述的电极与构成阴极的权利要求1所述的电极排列成交替邻接的状态。
4.一种电极的制造方法，用于制造权利要求1所述的电极，其特征在于，在分布着粒径为2μm以下的碳粒子的空中，在选择钛基材作为阴极的基础上，通过在2个电极之间施加1000V/mm以上的电场，在钛基材的表面形成碳纳米管薄膜。
5.如权利要求4所述的电极的制造方法，其特征在于，
通过燃烧煤产生的煤烟，在空中实现2μm以下的碳粒子的分布状态。
6.一种电极的制造方法，用于制造权利要求1所述的电极，其特征在于，在将碳作为阳极、将钛基材作为阴极的基础上，在充满惰性气体、1000℃以上、且设定为小于作为钛熔融温度1660℃的温度的腔内，通过施加1ms以下时间幅度的脉冲电压的脉冲电弧放电或者该放电的重复，在钛基材的表面形成碳纳米管薄膜。
7.如权利要求6所述的电极的制造方法，其特征在于，脉冲施加电压在2000V～3000V的范围内。
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