CN109923242A - 固体高分子膜电极 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供能够得到在抑制pH的上升的同时具有充分的溶解氢量的电解氢水的固体高分子膜电极。本发明涉及一种固体高分子膜电极，其是用于生成电解水的固体高分子膜电极，其中，上述固体高分子膜电极具有固体高分子膜和设置于上述固体高分子膜的正反面的含有铂族金属的催化剂层，上述固体高分子膜为烃类阳离子交换膜，并且每单位面积的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下。

Description

固体高分子膜电极
技术领域
本发明涉及用于生成电解水的固体高分子膜电极、使用了该固体高分子膜电极的电解水生成装置、电解水的生成方法以及用于生成电解水的固体高分子膜电极用的固体高分子膜。
背景技术
通过对水进行电解而得到的电解水大致分为在阳极侧生成的酸性电解水和在阴极侧生成的碱性电解水。其中，在阴极侧生成的碱性电解水也被称为电解氢水，具有还原性，因此，被期待能够有利地作用于可能由生物体内的氧化性状态引起的各种异常、疾病。例如，通过饮用电解氢水，观察到慢性腹泻、胃酸过多、制酸、消化不良和胃肠内异常发酵等各种胃肠症状的改善效果。
为了在家庭中容易地生成电解氢水，迄今为止已知有各种电解水生成装置。利用这些装置，能够主要使用自来水来容易地生成电解氢水。
作为这样的电解水生成装置，已知有具有利用隔膜分离出的包含阴极的阴极室和包含阳极的阳极室的装置(专利文献1)。在这种装置中，例如，如图1所示，组装有电解槽3a，其利用隔膜8分成具有阴极7的阴极室4和具有阳极9的阳极室10这两室。
使用上述电解水生成装置对自来水等进行电解的情况下，在阳极室10中的阳极9及阴极室4中的阴极7处，发生以下电解反应，从阴极室4得到电解氢水。
阳极：2H2O→O2+4H++4e-
阴极：4H2O+4e-→2H2+4OH-
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平09-077672号公报
发明内容
发明所要解决的问题
该电解模式中，如上述反应式所示，在阴极产生OH-，因此，随着被电解水的电解进行，生成的电解氢水的pH上升。因此，使被电解水的电解继续时，最终电解氢水的pH超过作为饮料水所允许的pH，因此，不得不限制被电解水的电解时间、电解电流值，其结果是，所得到的电解氢水中的溶解氢量不充分。
用于解决问题的手段
因此，本发明人对于即使进行电解也能够抑制电解氢水的pH的上升的方法进行了摸索。作为对水进行电解的方法之一，目前为止还已知有使用固体高分子膜电极的方法。固体高分子膜电极是指如图2所示在阳离子交换膜等固体高分子膜13上设置有成为水的电解催化剂的催化剂层14a、14b的结构的电极。
本发明人着眼于，在使用固体高分子膜电极15对自来水等进行电解的情况下，在阳极室10中的阳极9及阴极室4中的阴极7发生如下电解反应。
阳极：H2O→1/2O2+2H++2e-
阴极：2H++2e-→H2
在将阳离子交换膜用于固体高分子膜的情况下，随着通电，H+从阳极向阴极供给，与H2O相比，H+容易被电解还原，因此，主要进行上述阴极反应。由上述式可知，在自来水等的电解中使用固体高分子膜电极15的情况下，认为与具备使用现有的隔膜8的电解槽3a的电解水生成装置不同，在得到电解氢水的阴极室4中，能够抑制OH-的产生。
但是，新发现，即使使用上述固体高分子膜电极进行电解，也会产生在电解初期阴极室侧的电解氢水的pH上升的问题。本发明人对其原因进行了研究，结果认为，在通电待机时，液体中的Ca离子等阳离子被大量吸入至离子交换膜，由此，在电解时(电解开始时)，膜中的H+、再加上Ca离子等阳离子向阴极的移动增多，妨碍H+向阴极的供给，由此，2H++2e-→H2的反应量减少，代替地，在阴极侧附带地发生4H2O+4e-→2H2+4OH-的反应，这是pH上升的原因。
因此，本发明人对解决上述问题的手段进行了深入研究，结果发现，通过使用离子交换容量为特定范围的阳离子交换膜作为上述固体高分子膜电极15中使用的固体高分子膜13，能够抑制所生成的电解氢水的pH的上升，从而完成了本发明。
即，本发明如下所述。
1.一种固体高分子膜电极，其是用于生成电解水的固体高分子膜电极，其中，
上述固体高分子膜电极具有固体高分子膜和设置于上述固体高分子膜的正反面的含有铂族金属的催化剂层，
上述固体高分子膜为烃类阳离子交换膜，并且每单位面积的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下。
2.如上述1所述的固体高分子膜电极，其中，膜厚为10μm以上且170μm以下。
3.如上述1所述的固体高分子膜电极，其中，上述烃类阳离子交换膜含有选自由磺化聚(亚芳基醚醚酮)(“SPEEK”)、磺化聚(醚醚酮酮)(“SPEEKK”)、磺化聚(亚芳基醚砜)(“SPES”)、磺化聚(亚芳基醚苯甲腈)、磺化聚酰亚胺(“SPI”)、磺化聚(苯乙烯)、磺化聚(苯乙烯-b-异丁烯-b-苯乙烯)(“S-SIBS”)及磺化聚(苯乙烯-二乙烯基苯)组成的组中的至少一种烃类聚合物。
4.如上述1所述的固体高分子膜电极，其中，上述催化剂层的膜厚为0.30um以下。
5.如上述1所述的固体高分子膜电极，其中，上述铂族金属为选自由铂、铱、氧化铂及氧化铱组成的组中的至少一种金属。
6.如上述1所述的固体高分子膜电极，其用于使用含有阳离子的水溶液生成电解水。
7.如上述6所述的固体高分子膜电极，其中，上述含有阳离子的水溶液为自来水。
8.如上述1所述的固体高分子膜电极，其用于生成饮料用的电解水。
9.一种电解水生成装置，其至少设置有：
具有上述1所述的固体高分子膜电极和隔着上述固体高分子膜电极彼此相对配置的阳极供电体及阴极供电体的电解槽；
向上述电解槽中通入被电解水的单元；以及
对上述电解槽内的被电解水施加电压而流通电流的单元。
10.如上述9所述的电解水生成装置，其中，还设置有对上述电解槽内的固体高分子膜电极中的阳极供电体及阴极供电体施加的电压的极性切换单元。
11.一种电解水的生成方法，其具备：
准备利用上述1所述的固体高分子膜电极隔离成包含阳极的阳极室和包含阴极的阴极室的电解槽的工序；
向阴极室及阳极室中分别通入被电解水的工序；
在阴极与阳极之间施加电压使被电解水流通电流而生成电解水的工序；以及
将在阴极室内生成的上述电解水取出的工序。
12.一种固体高分子膜，其是在膜的正反面设置含有铂族金属的催化剂层而使用的、用于生成电解水的固体高分子膜电极用的固体高分子膜，其中，
上述固体高分子膜为烃类阳离子交换膜，并且每单位面积的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下。
发明效果
本发明的固体高分子膜电极使用每单位面积的离子交换容量为特定范围的固体高分子膜，因此，能够抑制电解时的电解氢水的pH的上升。由此，在例如使用自来水进行电解的情况下，可以得到在抑制了pH的上升的同时使溶解氢量增加的电解氢水。
另外，即使以例如pH9以上(pH小于10)的电解氢水作为被电解水进一步进行电解，也能够抑制pH的上升，因此，可以得到能够在维持作为饮料水所允许的pH(pH小于10)的同时仅使溶解氢量增加、并且具有充分的溶解氢量的电解氢水。
附图说明
图1是示出利用隔膜分离的现有的电解槽的截面图的图。
图2是示出使用本发明的固体高分子膜电极的电解槽的截面图的图。
图3是示出使用本发明的固体高分子膜电极的电解水生成装置的概要的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的电极的实施方式详细地进行说明。
需要说明的是，在本说明书中，只要没有特殊记载，电解水是指在阴极侧生成的电解氢水。
[固体高分子膜电极]
如图2所示，本发明中的固体高分子膜电极15具有固体高分子膜13和设置于固体高分子膜13的正反面的催化剂层14a、14b。催化剂层14a对应于阳极侧，催化剂层14b对应于阴极侧。
(催化剂层)
阳极侧的催化剂层14a及阴极侧的催化剂层14b含有铂族金属作为材料。作为铂族金属，例如可以列举铂、铱、氧化铂及氧化铱等。上述催化剂层可以含有这些金属中的一种，也可以含有多种。
其中，上述铂族金属优选为选自由铂、铱、氧化铂及氧化铱组成的组中的至少一种金属。从高耐久性以及高效率地产生溶解氢的观点出发，催化剂层更优选含有铂。
阳极侧的催化剂层14a及阴极侧的催化剂层14b的膜厚分别优选为0.30μm以下。即使上述催化剂层的膜厚为上述一定值以下，通过满足后述的阳离子交换膜的离子交换容量的条件，也能够抑制电解时的电解氢水的pH的上升。另外，能够减少铂族金属的使用量，因此是经济的。
催化剂层的膜厚更优选为0.010μm以上且0.30μm以下，进一步优选为0.050μm以上且0.20μm以下。通过为上述范围，可以得到适当的耐久性，过电压低，可以以高效率得到溶解氢的产生量。
将阳极侧的催化剂层14a及阴极侧的催化剂层14b设置于固体高分子膜的正反面的方法没有特别限制，例如可以列举将上述催化剂层的材料化学镀于固体高分子膜上的方法、将上述催化剂层的材料电镀于固体高分子膜上的方法以及通过热压使上述催化剂层的材料的粉末密合于固体高分子膜上的方法等。关于具体的方法，后面在实施例中进行说明。
(固体高分子膜)
本发明中的固体高分子膜在用于生成电解水的固体高分子膜电极中使用，是具有使通过电解在阳极侧产生的氢离子(H+)向阴极侧移动的作用的阳离子交换膜。
本发明的固体高分子膜电极由于所使用的固体高分子膜的每单位面积的离子交换容量为特定范围，因此，可以得到抑制了pH的上升、且具有充分的溶解氢量的电解水。即，本发明中的固体高分子膜的每单位面积的离子交换容量为0.030mmol/cm2以下。通过使每单位面积的离子交换容量为0.030mmol/cm2以下，能够将电解水的pH的上升抑制得较低。
固体高分子膜的每单位面积的离子交换容量优选为0.025mmol/cm2以下，更优选为0.020mmol/cm2以下，进一步优选为0.010mmol/cm2以下。另外，每单位面积的离子交换容量的下限值为0.002mmol/cm2。
另外，对于本发明的固体高分子膜电极而言，所使用的固体高分子膜的膜厚为特定范围时，可以得到抑制了pH的上升、且具有充分的溶解氢量的电解水，因此优选。即，本发明中的固体高分子膜的膜厚优选为10μm以上且170μm以下。通过使固体高分子膜的膜厚为上述范围，能够将电解水的pH的上升抑制得较低。
固体高分子膜的膜厚优选为10μm以上且160μm以下，更优选为15μm以上且150μm以下，进一步优选为20μm以上且130μm以下，特别优选为20μm以上且80μm以下。
另外，通过使膜厚为上述下限值以上，能够赋予作为支撑膜所需的机械强度。另外，通过使膜厚为上述上限值以下，能够将膜电阻抑制得较低。
通过使固体高分子膜的离子交换容量为上述范围而将电解水的pH的上升抑制得较低的原因虽然还不确定，但推断如下。即，推测是由于：在离子交换容量超过上述范围的膜中，通电待机时液体中的Ca离子等阳离子被大量吸入至离子交换膜。因此，在电解时(电解开始时)，膜中的H+、再加上上述Ca离子等阳离子向阴极的移动增多，并且这些阳离子的放出也变慢。由此，H+向阴极的供给被妨碍，结果是2H++2e-→H2的反应量减少，代替地，在阴极侧附带地发生4H2O+4e-→2H2+4OH-的反应。
另外认为，优选固体高分子膜的膜厚为上述范围是因为：离子交换至膜内的Ca离子等阳离子的放出变慢，并且，不仅是离子交换、而且以共离子(副イオン)的形式被吸入的Ca离子等阳离子增多，基于上述作用机理，能够将电解水的pH的上升抑制得较低。
作为固体高分子膜，例如可以使用在电透析、燃料电池的领域中以往所使用的固体高分子膜中每单位面积的离子交换容量为上述范围的固体高分子膜。具体而言，优选使用烃类阳离子交换膜、或者由氟类聚合物形成的阳离子交换膜。更优选为烃类阳离子交换膜。
烃类阳离子交换膜由于变形的产生少，并且在含有水分而发生了溶胀的情况下与进行了干燥的情况下伸缩率小，因此，能够抑制在电解水生成装置内因水的有无导致的破损、夹具之间空有间隙等不良的发生。另外，可保持膜与供电体的接触，因此，能够使电解水中的溶解氢的产生量稳定。另外，即使因故障等而发生向电解水的膜溶出，对人体也无不良影响，适合饮用。
从电解耐久性、在高温度下的耐久性的观点出发，可以优选使用由氟类聚合物形成的阳离子交换膜。
(烃类阳离子交换膜)
烃类阳离子交换膜是指除离子交换基团以外的母材部分由烃类聚合物构成的阳离子交换膜。在此，烃类聚合物是指实质上不含碳-氟键、且构成聚合物的主链及侧链的骨架键的大部分由碳-碳键构成的聚合物。在上述构成主链及侧链的碳-碳键之间，可以通过醚键、酯键、酰胺键及硅氧烷键等夹杂有少量氧、氮、硅、硫、硼及磷等其它原子。
另外，上述与主链及侧链键合的原子无需全部为氢原子，如果是少量，也可以被氯、溴、氟及碘等其它原子、或者含有其它原子的取代基取代。
烃类阳离子交换膜所具有的阳离子交换基团只要是具有负的电荷、具有质子(氢离子)的传导功能的官能团就没有特别限定。具体而言，可以列举磺酸基、羧酸基及膦酸基等。其中，从即使交换容量小也会使膜的电阻低的观点出发，特别优选作为强酸性基团的磺酸基。
作为能够用于本发明的烃类阳离子交换膜的、具有阳离子交换基团的烃类聚合物，具体而言，可以使用选自由磺化聚(亚芳基醚醚酮)(“SPEEK”)、磺化聚(醚醚酮酮)(“SPEEKK”)、磺化聚(亚芳基醚砜)(“SPES”)、磺化聚(亚芳基醚苯甲腈)、磺化聚酰亚胺(“SPI”)、磺化聚(苯乙烯)、磺化聚(苯乙烯-b-异丁烯-b-苯乙烯)(“S-SIBS”)及磺化聚(苯乙烯-二乙烯基苯)组成的组中的至少一种烃类聚合物。
本发明中的烃类阳离子交换膜只要每单位面积的离子交换容量满足上述特定值则可以为由任何结构、制造方法得到的烃类阳离子交换膜，从能够在不牺牲电阻等的情况下提高阳离子交换膜的物理强度的观点考虑，优选使用多孔薄膜、无纺布、织布等多孔膜作为增强基材。
即，可以使用将上述具有阳离子交换基团的烃类聚合物溶解于有机溶剂等并使该溶液在多孔膜等薄膜形状的增强基材上流延成膜而得的烃类阳离子交换膜、将具有离子交换基团的单体或者具有能够导入离子交换基团的官能团的单体填充于多孔膜等薄膜形状的增强基材的空隙部后进行光/热聚合并根据需要导入了阳离子交换基团的烃类阳离子交换膜。
其中，将使苯乙烯等能够导入离子交换基团的单体、二乙烯基苯等交联性单体、有机过氧化物等聚合引发剂以及作为离子交换膜的添加剂的以往公知的各种添加剂混合而得的聚合性单体组合物填充于多孔膜等薄膜形状的增强基材的空隙后，进行热聚合，向所得到的膜状物导入磺酸基，所得到的阳离子交换膜能够在不损害机械强度、耐溶胀性的情况下降低电阻，在这方面考虑特别优选。
对于这些阳离子交换膜而言，将在流延成膜的情况下调整具有阳离子交换基团的烃类聚合物的阳离子交换基团导入量的方法等、在将单体进行热聚合的制法的情况下混合不能向聚合性单体组合物中导入离子交换基团的单体或高分子添加剂的方法等方法与进一步调整作为增强基材的多孔膜的膜厚的方法适当组合，由此，能够使每单位面积的离子交换容量、膜厚为上述的值的范围。
这些阳离子交换膜例如可以通过日本特开2006-206632号公报、日本特开2008-45068号公报、日本特开2005-5171号公报及日本特开2016-22454号公报等记载的方法来制作。
(由氟类聚合物形成的阳离子交换膜)
由氟类聚合物形成的阳离子交换膜是指除离子交换基团以外的母材部分由后述的氟类聚合物构成的阳离子交换膜。作为阳离子交换基团，优选使用磺酸基。该具有磺酸基的氟类聚合物以全氟碳磺酸聚合物的形式而广为人知，被制成该聚合物的单独成形体、或者与多孔膜或由氟类聚合物形成的填料的复合体后作为阳离子交换膜。
由氟类聚合物形成的阳离子交换膜中的氟类聚合物例如可以列举聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、四氟乙烯全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯-全氟二氧杂环戊烯共聚物(TFE/PDD)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)及聚氟乙烯(PVF)等。
其中，从化学耐久性的观点出发，优选聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、四氟乙烯全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)及四氟乙烯-全氟二氧杂环戊烯共聚物(TFE/PDD)等全氟碳聚合物。
氟类聚合物可以具有任意的取代基，具体而言，例如可以列举磺酸基、羧酸基及膦酸基等。
作为能够在使用本发明的固体高分子膜电极的电解水的生成中所使用的被电解水，没有特别限制，例如可以使用自来水、纯水、盐水、井水及温泉水等。从获得容易性的观点出发，可以优选使用自来水。根据本发明的固体高分子膜电极，即使使用自来水等作为被电解水，也可以得到在抑制了所生成的电解氢水的pH的上升的同时具有充分的溶解氢量的电解氢水。
如上所述，被电解水中的阳离子被吸入至固体高分子膜时，妨碍透过膜的H+向阴极的供给，使得电解氢水的pH上升。在本发明中，通过将固体高分子膜的每单位面积的离子交换容量设定为特定范围，能够抑制基于上述推断机理的pH上升，但是，作为含有阳离子的水溶液，阳离子的含量为5mg/L以上、更优选为10mg/L以上的水溶液显著发生pH的上升的问题，因此，本发明效果显著，是优选的。另一方面，阳离子的含量没有太高时，pH上升的抑制效果本身变小，因此，优选抑制为5000mg/L以下、更优选300mg/L以下。
作为含有阳离子的水溶液，典型地可以列举含有Ca2+、Mg2+、Na+、K+等阳离子的水溶液，具体而言，自来水、井水及温泉水等符合。需要说明的是，根据上述pH上升的抑制机理，显然上述阳离子中不包含H+离子。
作为使用本发明的固体高分子膜电极得到的电解水的用途，例如可以列举饮料用、血液透析用及农业用等。
[电解槽]
如图2所示，本发明中的电解槽3b具有被固体高分子膜电极15隔离出的阳极室10和阴极室4。在固体高分子膜电极15的阳极侧的催化剂层14a上及阴极侧的催化剂层14b上分别设置有阳极供电体16a、阴极供电体16b。即，电解槽3b具有上述固体高分子膜电极15和隔着固体高分子膜电极15彼此相对配置的阳极供电体16a及阴极供电体16b。供电体的种类没有特别限制，可以使用以往公知的供电体。
另外，将电解槽3b组装于后述的电解水生成装置中使用的情况下，如图3所示，电解槽3b可以具备供给自来水等被电解水的阴极室入口5、将在阴极室4中生成的电解水排出的阴极室出口6。此外，可以具备供给自来水等被电解水的阳极室入口11、将在阳极室10中生成的酸性水排出的阳极室出口12。
[电解水生成装置]
另外，本发明提供具有上述固体高分子膜电极的电解水生成装置。本发明的电解水生成装置至少设置有：具有上述固体高分子膜电极和隔着该固体高分子膜电极彼此相对配置的阳极供电体及阴极供电体的电解槽；向该电解槽中通入被电解水的单元；以及对该电解槽内的被电解水施加电压而流通电流的单元。
在本发明的电解水生成装置中，电解槽可以使用如上所述的电解槽。另外，对于向电解槽中通入被电解水的单元和对电解槽内的被电解水施加电压而流通电流的单元，该单元没有特别限制，可以任意地应用以往公知的方法。
以下，将本发明的电解水生成装置的一个实施方式示于图中进行说明，但本发明的电解水生成装置并非限制于下述例子。
图3示出本实施方式的电解水生成装置的一个实施方式的大致构成。在本实施方式中，例示性地示出在家庭的饮料用水的生成中使用的家庭用电解水生成装置作为电解水生成装置1。在图3中，示出生成饮料用的电解氢水的状态的电解水生成装置1。
电解水生成装置1具备对自来水等被电解水进行净化的净水滤筒2、被供给净化后的水的电解槽3b和负责电解水生成装置1各部的控制的控制部19。需要说明的是，即使在本发明的电解水生成装置中不具有净水滤筒2的情况下，如上所述，也能够对自来水等进行电解而生成抑制了pH上升且具有充分的溶解氢量的电解水。在不具有净水滤筒2的情况下，被电解水被直接通入电解槽3b中。
被通入电解槽3b中的被电解水在此被电解。对于将被电解水通入电解槽3b的单元，之后进行说明。电解槽3b中具备彼此相对配置的阳极供电体16a及阴极供电体16b和配置于阳极供电体16a与阴极供电体16b之间的具有固体高分子膜13的固体高分子膜电极15。
固体高分子膜电极15将电解槽3b划分为阴极室4和阳极室10。固体高分子膜电极15使通过被电解水的电解而生成的阳离子从阳极室10向阴极室4通过，阴极7与阳极9经由固体高分子膜电极15而电连接。在阴极7与阳极9之间施加电压时，在电解槽3b内被电解水被电解，得到电解水。即，在阴极室4内生成电解氢水，在阳极室10内生成酸性水。
阴极7及阳极9的极性以及施加于电解槽3b的被电解水的电压通过控制部19来控制。
另外，本发明的电解水生成装置优选还设置有对电解槽内的固体高分子膜电极中的阳极供电体及阴极供电体施加的电压的极性切换单元。例如，可以在控制部19设置有用于切换阴极7及阳极9的极性的极性切换电路(未图示)。即，电解水生成装置1可以具备对电解槽3b内的固体高分子膜电极15中的阳极供电体16a及阴极供电体16b施加的电压的极性切换单元。通过设置电压的极性切换单元，能够抑制使用自来水等被电解水进行电解时的水垢在固体高分子膜电极上的附着。
针对向电解槽3b中通入被电解水的单元的一例进行说明。在流入被电解水的电解槽3b的上游侧设置有第一流路切换阀18。第一流路切换阀18设置于使净水滤筒2与电解槽3b连通的给水路17。利用净水滤筒2净化后的水经由给水路17的第一给水路17a及第二给水路17b流入至第一流路切换阀18，供给至阳极室10或阴极室4。
在阴极室4内生成的电解氢水从阴极室出口6通入第一流路31，经由流路切换阀22而从吐水口31b回收。需要说明的是，在阳极室10内生成的酸性水从阳极室出口12通入第二流路32，经由流路切换阀22而从排水口32a排出。
[电解水的生成方法]
另外，本发明提供使用上述固体高分子膜电极的电解水的生成方法。本发明的电解水的生成方法具备：准备利用上述固体高分子膜电极隔离成包含阳极的阳极室和包含阴极的阴极室的电解槽的工序；向阴极室及阳极室中分别通入被电解水的工序；在阴极与阳极之间施加电压使被电解水流通电流而生成电解水的工序；以及将在阴极室内生成的电解水取出的工序。
上述电解水的生成方法例如可以通过使用上述电解水生成装置来实施。
根据本发明的电解水的生成方法，使用具有每单位面积的离子交换容量为特定范围的固体高分子膜的固体高分子膜电极进行被电解水的电解，因此，可以得到抑制了pH上升且具有充分的溶解氢量的电解水。另外，电解中的槽电压的上升也能够被抑制，槽电压稳定。通过使电解中的槽电压稳定，能够抑制水温的上升。
通过使用离子交换容量为特定范围的固体高分子膜而能够抑制槽电压的上升的理由如上所述认为是由于无电解时的Ca离子等阳离子向膜中的吸入少。
对于通过本发明的电解水的生成方法得到的电解水而言，在每单位取水量的电流量为6A/(L/分钟)这样的条件下流通电流时，原水的pH为7附近的情况下(自来水等)，在阴极室内生成的电解水的、电解中的pH的最大值优选为8.5以下。电解中的pH的最大值更优选为8.3以下，进一步优选为8.0以下。通过使用本发明的固体高分子膜电极生成电解水，能够使pH为上述范围。
另外，在与上述相同的条件下进行被电解水的电解的情况下，在阴极室内生成的电解水的、电解开始100秒后的溶解氢量优选为500ppb以上，更优选为650ppb以上，进一步优选为700ppb以上，更进一步优选为800ppb以上，特别优选为950ppb以上。通过使用本发明的固体高分子膜电极生成电解水，能够使溶解氢量为上述范围。
另外，在与上述相同的条件下进行被电解水的电解的情况下，电解开始100秒后的槽电压优选为9.0V以下，更优选为7.0V以下，进一步优选为6.0V以下，更进一步优选为5.0V以下，特别优选为4.0V以下。通过使用本发明的固体高分子膜电极生成电解水，能够使槽电压为上述范围。
上述pH的测定、溶解氢量及槽电压的测定方法没有特别限定，可以适当采用现有公知的测定手段。具体而言，可以采用实施例记载的测定手段。
实施例
(固体高分子膜电极的制造)
通过以下步骤制造本发明的固体高分子膜电极。
(1)利用切割刀具将作为固体高分子膜的下述表1记载的各阳离子交换膜切割成250mm×80mm的尺寸。
(2)为了清洗，将切割后的膜在50℃的纯水中浸渍10分钟。
(3)作为预处理，将上述膜在50℃的5％盐酸中浸渍10分钟。
(4)为了使镀覆范围以外不附着Pt，利用PEEK制夹具对膜进行遮挡。
(5)在室温下使膜在含有1～10重量％Pt离子的水溶液中浸渍3小时，使Pt离子在膜上进行吸附(离子交换)。
(6)使上述膜浸渍在50℃、溶解有1重量％的SBH(硼氢化钠)的水溶液中，对在膜表面进行了离子交换的Pt离子进行还原。
(7)为了清洗，将膜在50℃的纯水中浸渍10分钟。
(8)从膜上拆掉进行了遮挡的PEEK制夹具。
(9)作为后处理，将膜在50℃的5％盐酸中浸渍10分钟。
(10)为了清洗，将膜在50℃的纯水中浸渍10分钟。
(阳离子交换膜的每单位面积的离子交换容量的测定)
将阳离子交换膜在1mol/L-HCl水溶液中浸渍10小时以上，利用离子交换水充分地进行清洗。接着，利用切割刀具将阳离子交换膜切割成矩形，测定纵横的长度，求出测定用阳离子交换膜的面积(Acm2)。
然后，对于上述阳离子交换膜，利用1mol/L-NaCl水溶液使离子交换基团的抗衡离子从氢离子置换为钠离子，使用氢氧化钠水溶液利用电位差滴定装置(COMTITE-900、平沼产业株式会社制造)对游离出来的氢离子进行定量(Bmol)。
基于上述测定值，通过下式求出阳离子交换膜的每单位面积的离子交换容量。
每单位面积的离子交换容量＝B×1000/A[mmol/cm2]
(阳离子交换膜的膜厚测定)
将阳离子交换膜在0.5mol/L-NaCl溶液中浸渍4小时以上后，利用面巾纸擦拭膜的表面的水分，利用测微计MED-25PJ(株式会社三丰制造)进行测定。
(阳离子交换膜的面积变化率测定)
将阳离子交换膜在0.5mol/L-NaCl溶液中浸渍4小时以上，利用离子交换水充分地进行清洗后，裁剪成200mm×200mm。将其在25℃±2℃、相对湿度55％±10％的室中放置24小时以上后，测定纵横的长度，求出干燥面积S1。接着，将上述干燥状态的样品在离子交换水中在液温25℃±2℃下浸渍24小时使其湿润，同样地求出湿润状态的阳离子交换膜的面积S2，基于这些值通过下式算出面积变化率。
面积变化率＝(S2-S1)/S1×100[％]
(催化剂层的膜厚的测定)
利用荧光X射线分析装置(6000VX、日立高新科技制造)测定上述制作的固体高分子膜电极的催化剂层的膜厚(Pt膜厚)。
(电解试验)
使用利用铂对钛膨胀金属进行了镀覆的供电体夹持上述制作的固体高分子膜电极，制作出电解槽。使用该电解槽，在下述电解条件下，进行自来水(pH7.0)的电解。
<电解条件>
每单位取水量的电流量：6A/(L/分钟)
<测定>
·槽电压的测定
记录利用富士通公司的稳定化电源ePS240WL流通6A的恒电流时的电压。
·溶解氢量的测定
使用东亚DKK公司的便携式测氢计DH-35A测定溶解氢量。
·pH的测定
使用东亚DKK公司的便携式pH计ION/pHMETERIM-22P记录pH。
<评价>
将对电解100秒后的电压与溶解氢量以及电解中的pH的最大值进行测定的结果示于表1中。
根据以上结果可知，通过利用使用了本发明的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下的实施例的固体高分子膜(烃类阳离子交换膜)的电极进行电解，抑制了pH的上升，结果得到了pH的最大值保持于8附近、溶解氢量也为500ppb以上的电解氢水。
另一方面，利用使用了离子交换容量超过0.030mmol/cm2的比较例的固体高分子膜的电极进行电解时，结果为pH的最大值上升至9左右。
根据上述结果可知，通过使用本发明的具有特定范围的离子交换容量的烃类阳离子交换膜，能够与以往所使用的氟类聚合物阳离子交换膜同等以上地抑制所生成的电解氢水的pH的上升，优选用作电解生成用。
另外，得到了如下结果：与氟类聚合物阳离子交换膜相比，烃类阳离子交换膜的面积变化率小。该结果表明，与氟类聚合物阳离子交换膜相比，烃类阳离子交换膜在含有水分而发生了溶胀的情况下与进行了干燥的情况下伸缩率小，可知在用于电解水生成装置时的不良产生率方面，烃类阳离子交换膜也优良。
使用特定的方式对本发明详细地进行了说明，但是，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的意图和范围内能够进行各种变更和变形。需要说明的是，本申请基于2016年11月4日提出的日本专利申请(日本特愿2016-216376)，通过引用而援用其整体。
符号说明
1 电解水生成装置
2 净水滤筒
3a、3b 电解槽
4 阴极室
5 阴极室入口
6 阴极室出口
7 阴极
8 隔膜
9 阳极
10 阳极室
11 阳极室入口
12 阳极室出口
13 固体高分子膜
14a、14b 催化剂层
15 固体高分子膜电极
16a 阳极供电体
16b 阴极供电体
17 给水路
17a 第一给水路
17b 第二给水路
18 第一流路切换阀
19 控制部
22 流路切换阀
31 第一流路
31b 吐水口
32 第二流路
32a 排水口

Claims (12)

1.一种固体高分子膜电极，其是用于生成电解水的固体高分子膜电极，其中，
所述固体高分子膜电极具有固体高分子膜和设置于所述固体高分子膜的正反面的含有铂族金属的催化剂层，
所述固体高分子膜为烃类阳离子交换膜，并且每单位面积的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下。
2.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其中，膜厚为10μm以上且170μm以下。
3.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其中，所述烃类阳离子交换膜含有选自由磺化聚(亚芳基醚醚酮)(“SPEEK”)、磺化聚(醚醚酮酮)(“SPEEKK”)、磺化聚(亚芳基醚砜)(“SPES”)、磺化聚(亚芳基醚苯甲腈)、磺化聚酰亚胺(“SPI”)、磺化聚(苯乙烯)、磺化聚(苯乙烯-b-异丁烯-b-苯乙烯)(“S-SIBS”)及磺化聚(苯乙烯-二乙烯基苯)组成的组中的至少一种烃类聚合物。
4.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其中，所述催化剂层的膜厚为0.30μm以下。
5.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其中，所述铂族金属为选自由铂、铱、氧化铂及氧化铱组成的组中的至少一种金属。
6.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其用于使用含有阳离子的水溶液生成电解水。
7.如权利要求6所述的固体高分子膜电极，其中，所述含有阳离子的水溶液为自来水。
8.如权利要求1所述的固体高分子膜电极，其用于生成饮料用的电解水。
9.一种电解水生成装置，其至少设置有：
具有权利要求1所述的固体高分子膜电极和隔着所述固体高分子膜电极彼此相对配置的阳极供电体及阴极供电体的电解槽；
向所述电解槽中通入被电解水的单元；以及
对所述电解槽内的被电解水施加电压而流通电流的单元。
10.如权利要求9所述的电解水生成装置，其中，还设置有对所述电解槽内的固体高分子膜电极中的阳极供电体及阴极供电体施加的电压的极性切换单元。
11.一种电解水的生成方法，其具备：
准备利用权利要求1所述的固体高分子膜电极隔离成包含阳极的阳极室和包含阴极的阴极室的电解槽的工序；
向阴极室及阳极室中分别通入被电解水的工序；
在阴极与阳极之间施加电压使被电解水流通电流而生成电解水的工序；以及
将在阴极室内生成的所述电解水取出的工序。
12.一种固体高分子膜，其是在膜的正反面设置含有铂族金属的催化剂层而使用的、用于生成电解水的固体高分子膜电极用的固体高分子膜，其中，
所述固体高分子膜为烃类阳离子交换膜，并且每单位面积的离子交换容量为0.002mmol/cm2以上且0.030mmol/cm2以下。
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