JP2006213932A

JP2006213932A - 電解水生成用電極

Info

Publication number: JP2006213932A
Application number: JP2004138258A
Authority: JP
Inventors: Koichi Miyashita; 公一宮下
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】優れた電解効率を得ることができる電解水生成用電極を提供する。
【解決手段】イオン透過性の隔膜２を介して対向配置された１対の電解室１０ａ，１０ｂに、隔膜２を挟んで設けられ、電圧が印加されることにより電解室１０ａ，１０ｂに供給された原水の電解を行う。電解水生成用電極３ａ，３ｂは、粉末のチタン化合物からなる電極基材と、該電極基材中に分散されている触媒と、該電極基材と該触媒とを結着する結着剤とを含み、該隔膜と一体的に形成されている多孔質体である。前記チタン化合物は、炭化チタンまたは窒化チタンである。前記触媒は、白金黒またはイリジウム黒である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解槽に用いられる電解水生成用の電極に関するものである。

電解水を生成させる電解水生成装置として、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室と、該隔膜を挟んで各電解室に設けられた１対の電極とを備える電解槽を用いるものが知られている。前記電解水生成装置では、前記各電解室に電解質を含む原水を供給し、前記１対の電極に電圧を印加して該原水を電解することにより、陽極側の電解室に酸性の電解水、陰極側の電解室にアルカリ性の電解水を生成させることができる。

従来、前記電解槽に用いられる電極は、前記隔膜と別体に、該隔膜から離間して設けられている。ところが、前記構成では、前記１対の電極が前記隔膜を挟んで対向配置されるため、両電極の間隔が広くなり、両電極間の電気抵抗が大きくなるために、印加される電力に対する電解効率が低い。

そこで、例えば、平織金網からなる多孔質電極素材とパンチドメタルとを重ね合わせた電極を隔膜に当接させることにより両電極の間隔を狭めると共に、該多孔質電極素材の内部に原水を流通させることにより該原水と電極との接触面積を大きくしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、前記電極では平均電解電流密度が２０〜３０ｍＡ／ｃｍ²であって、印加される電圧に対する電解効率を十分に向上させることができないという不都合がある。
特開２００１−７３１７７号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、優れた電解効率を得ることができる電解水生成用の電極を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の電解水生成用電極は、イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室に、該隔膜を挟んで設けられ、電圧が印加されることにより該電解室に供給された原水の電解を行う１対の電解水生成用電極において、粉末のチタン化合物からなる電極基材と、該電極基材中に分散されている触媒と、該電極基材と該触媒とを結着する結着剤とを含み、該隔膜と一体的に形成されている多孔質体であることを特徴とする。

本発明の電解水生成用電極は、前記多孔質体が前記隔膜と一体的に形成されているので、前記電極の間隔を狭めることができ、しかも前記電解室に供給される原水が前記多孔質の孔部に侵入することにより該原水に対する接触面積が拡大するので、印加される電圧に対する電解効率を格段に大きくすることができる。

また、前記多孔質体は、粉末のチタン化合物からなる電極基材と、該電極基材中に分散されている触媒とが前記結着剤により結着されているので、電気化学的に優れた安定性を得ることができる。

前記チタン化合物としては、例えば、炭化チタンまたは窒化チタンを挙げることができる。また、前記触媒としては、例えば、白金黒またはイリジウム黒を挙げることができる。前記触媒は、前記白金黒とイリジウム黒とをそれぞれ単独で用いてもよく、前記白金黒とイリジウム黒とを所定の割合で混合して用いてもよい。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
図１は本実施形態の電解水生成用電極を用いる電解槽の組立図、図２は図１に示す電解槽における電解水生成用電極の説明的断面図、図３、図４は電解水生成用電極の他の例を示す平面図である。

図１に示すように、電解槽１は、イオン透過性の隔膜としてのイオン透過膜２の両表面に膜状の電解水生成用電極３ａ，３ｂが形成された膜−電極構造体４の両側に、集電板５ａ，５ｂ、スペーサ６ａ，６ｂ、外板７ａ，７ｂが重ね合わされた構成となっている。膜−電極構造体４、集電板５ａ，５ｂ、スペーサ６ａ，６ｂ、外板７ａ，７ｂは、図示しない貫通孔に挿通されるボルトと該ボルトに螺着されるナットにより締結される。

集電板５ａ，５ｂは、アルミニウム等の金属箔からなり、中央部に電解水生成用電極３ａ，３ｂを露出させる窓部８ａ，８ｂを備えると共に窓部８ａ，８ｂの外周部で電解水生成用電極３ａ，３ｂに接触している。集電板５ａ，５ｂは、上端部に互いに異なる方向に引き出される端子部９ａ，９ｂを備え、端子部９ａ，９ｂを介して導線１３により電源装置１４に接続されている。

スペーサ６ａ，６ｂは、中央部に集電板５ａ，５ｂの窓部８ａ，８ｂに連通する空洞部を備え、該空洞部が電解室１０ａ，１０ｂとなっている。また、スペーサ６ａ，６ｂは、電解室１０ａ，１０ｂに原水を供給する給水孔１１ａ，１１ｂ、電解室１０ａ，１０ｂで生成した電解水を取り出す排水孔１２ａ，１２ｂを備えている。給水孔１１ａ，１１ｂは図示しない原水タンク等の原水供給手段に接続されており、排水孔１２ａ，１２ｂは図示しない貯水タンク等に接続されている。

外板７ａ，７ｂは、盲板であり、スペーサ６ａ，６ｂの空洞部を閉蓋して電解室１０ａ，１０ｂを形成するようになっている。

本実施形態の電解水生成用電極３ａ，３ｂは、電極基材と、触媒と、結着剤とを含む多孔質体であり、該結着剤は該電極基材と該触媒とを相互に結着するものである。尚、電解水生成用電極３ａ，３ｂは、前記電極基材、前記触媒の他、副成分として、活性炭、導電性カーボン、金属等の粉体を含んでいてもよい。

電解水生成用電極３ａ，３ｂは、図２に示すように、イオン透過膜２の両表面にイオン透過膜２と一体的に形成されて、膜−電極構造体４を構成している。本実施形態の電解槽１では膜−電極構造体４を平面状にして用いているが、膜−電極構造体４はそれ自体フレキシブルであるため、電解槽１の構造の融通性を格段に向上させることができる。

イオン透過膜２としては、例えば、デュポン社製ナフィオン（登録商標）１１７、旭化成工業株式会社製アシプレックス（登録商標）等の陽イオン交換膜、旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）ＡＭＶ等の陰イオン交換膜を用いることができる。イオン透過膜２は、例えば、５０〜２００μｍの膜厚を備えている。

前記電極基材としては、例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のチタン化合物を用いることができる。前記電極基材として炭素を用いると、電解中に炭素が原水に溶出して、電極の寿命が短くなる虞がある。これに対して、前記チタン化合物は、電気伝導性が良好である上、炭素に比較して電気化学的に安定であり、電解中に原水に溶解し難いので、電解水生成用電極３ａ，３ｂとしたときに、十分な寿命を得ることができる。

前記触媒としては、例えば、白金黒またはイリジウム黒を挙げることができる。前記触媒は、前記白金黒とイリジウム黒とをそれぞれ単独で用いてもよく、前記白金黒とイリジウム黒とを所定の割合で混合して用いてもよい。

前記結着剤としては、前記陽イオン交換膜２に損傷を与えない溶剤により溶解できるポリマー、比較的低温で変形する軟化点の低いポリマー等が適している。このようなポリマーとして、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、酢酸セルロース（ＣＡ）等を挙げることができる。

電解水生成用電極３ａ，３ｂは、前記電極基材に前記触媒を分散させ、さらに前記結着剤と混合して得られたペースト状体を、イオン透過膜２の両表面に所定の形状に塗布し、加熱及び／または加圧することにより、イオン透過膜２に密着し、イオン透過膜２と一体に形成されている。前記塗布は、例えば印刷、描画等の方法により行うことができ、電解水生成用電極３ａ，３ｂは図３に示すようにメッシュ状であってもよく、図４に示すように櫛形状であってもよい。電解水生成用電極３ａ，３ｂを櫛形状とする場合には、図４に示すように、電解水生成用電極３ａと電解水生成用電極３ｂ（図４に隠れ線で示す）とは、相互に重なり合わない位置に設けるようにしてもよい。

電解水生成用電極３ａ，３ｂは、イオン透過膜２の両表面に一体的に形成されているので、両電極３ａ，３ｂの間隔は実質的にイオン透過膜２の厚さに等しく、μｍオーダーとなっている。また、電解水生成用電極３ａ，３ｂは、前記電極基材と前記触媒とが前記結着剤により結着され、前記のように加熱及び／または加圧されて形成されているので、直径数μｍの細孔を備え、乾燥膜厚３０〜５０μｍの多孔質体となっている。

この結果、電解水生成用電極３ａ，３ｂによれば、印加される電圧に対して優れた電解効率を得ることができる。次に、本発明の実施例を示す。

本実施例では、まず、電極基材と触媒と結着剤とを１００：５：７の重量比で混合してペースト状混合物を作成した。前記電極基材は、３２５メッシュ以下の炭化チタン（ＴｉＣ）を用い、前記触媒は、白金黒とイリジウム黒とを３：７の重量比で混合したものを用いた。また、前記結着剤としては、鹸化率１００％のポリビニルアルコールを２重量％の濃度で水／エタノール混合溶媒（容積比、１：１）に溶解した溶液を用い、前記ペースト状混合物の粘度は１５〜２５ｃｐｓであった。

次に、前記ペースト状混合物を、イオン透過膜２としての厚さ約１００μｍの陰イオン交換膜（旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）ＡＭＶ）上に塗布し、乾燥させた後、８０℃、１０ＭＰａで３０分間加熱、加圧し、膜−電極構造体４を形成した。本実施例で得られた膜−電極構造体４における電解水生成用電極３ａ，３ｂの表面抵抗を２針法で測定したところ、２０Ωｃｍ以下であった。

次に、本実施例で得られた膜−電極構造体４を図１に示す電解槽１に適用して、陰極側に０．０１ＭのＫＣｌ溶液、陽極側に純水を供給し、電解水生成用電極３ａ，３ｂ間に４Ｖの電圧を印加して、バッチ式で電解を行った。この結果、陽極側から、有効塩素濃度８０ｐｐｍ、ｐＨ４．０の殺菌力のある酸性水が得られた。このとき、平均電解電流密度は１１１ｍＡ／ｃｍ²であり、従来の電極を用いる電解槽における平均電解電流密度が２０〜３０ｍＡ／ｃｍ²であることに比較して、格段に優れた電解効率が得られた。

本実施例では、実施例１で用いた炭化チタン（ＴｉＣ）に代えて平均粒子径１０μｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）を用い、イオン透過膜２としての陰イオン交換膜（旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）ＡＭＶ）に代えて厚さ約１００μｍの陽イオン透過膜（デュポン社製ナフィオン（登録商標）１１７）を用いた以外は、実施例１と全く同一にして、膜−電極構造体４を形成した。本実施例で得られた膜−電極構造体４における電解水生成用電極３ａ，３ｂの表面抵抗を２針法で測定したところ、３０Ωｃｍ以下であった。

次に、本実施例で得られた膜−電極構造体４を図１に示す電解槽１に適用して、陰極側と陽極側とに共に純水を供給し、電解水生成用電極３ａ，３ｂ間に５Ｖの電圧を印加して、バッチ式で電解を行った。この結果、陰極側からは水素が発生し、陽極側からは酸素が発生して、電解が行われたことが確認された。このとき、平均電解電流密度は２０５ｍＡ／ｃｍ²であり、従来の電極を用いる電解槽における平均電解電流密度が２０〜３０ｍＡ／ｃｍ²であることに比較して、格段に優れた電解効率が得られた。

本実施例では、陰極側と陽極側とに共に水道水を供給した以外は、実施例２と全く同一にして電解を行った。このとき、平均電解電流密度は２１０ｍＡ／ｃｍ²であり、従来の電極を用いる電解槽における平均電解電流密度が２０〜３０ｍＡ／ｃｍ²であることに比較して、格段に優れた電解効率が得られた。

本発明の電解水生成用電極を用いる電解槽の組立図。図１に示す電解槽における電解水生成用電極の説明的断面図。電解水生成用電極の他の例を示す平面図。電解水生成用電極のさらに他の例を示す平面図。

符号の説明

２…隔膜、３ａ，３ｂ…電解水生成用電極、１０ａ，１０ｂ…電解室。

Claims

イオン透過性の隔膜を介して対向配置された１対の電解室に、該隔膜を挟んで設けられ、電圧が印加されることにより該電解室に供給された原水の電解を行う１対の電解水生成用電極において、
粉末のチタン化合物からなる電極基材と、該電極基材中に分散されている触媒と、該電極基材と該触媒とを結着する結着剤とを含み、該隔膜と一体的に形成されている多孔質体であることを特徴とする電解水生成用電極。
前記チタン化合物は、炭化チタンまたは窒化チタンであることを特徴とする請求項１記載の電解水生成用電極。
前記触媒は、白金黒またはイリジウム黒であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電解水生成用電極。