JP2019031702A - Electrode for electrolyzing water, and method of producing the electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水に対し直流電圧を印加することによって、水素と酸素に電気分解する際に使用する電極及び当該電極の製造方法を技術分野としている。 The technical field of the present invention is an electrode used for electrolysis into hydrogen and oxygen by applying a DC voltage to water and a method for producing the electrode.
水を電気分解する際に使用する電極の構成としては、所定の基材に対し、基材の表面に触媒層を形成することは、既に周知の技術的事項である。 As a configuration of an electrode used when electrolyzing water, it is already a well-known technical matter to form a catalyst layer on the surface of a predetermined substrate.
このような基材+触媒層の積層構成として、例えば特許文献1は、チタン(Ti)メッシュ等の多孔質基材に対し、カーボン皮膜を堆積する構成を提唱している(段落[0059])。
As such a laminated structure of the base material + catalyst layer, for example,
しかしながら、このような構成では、印加電力に対して発生する酸素及び水素の量が少なく、効率的な電気分解の実現は不十分であり、しかもカーボン皮膜を堆積するために、ECRプラズマ堆積方法を採用することが必要となり、製造工程が煩雑である。 However, in such a configuration, the amount of oxygen and hydrogen generated with respect to the applied electric power is small, and efficient electrolysis is not sufficiently realized. Moreover, in order to deposit the carbon film, the ECR plasma deposition method is used. It is necessary to adopt this, and the manufacturing process is complicated.
特許文献2は、チタン基材の両側表面にイリジウム(Ir)の触媒層を形成する構成を提唱している(請求項4)。
しかしながら、上記構成の場合もまた、効率的な電気分解の実現としては不十分であって、しかも電極及び水における発熱という技術的課題を解決することができないという欠点が存在する。 However, in the case of the above-described configuration, there is a drawback that efficient electrolysis is not sufficient, and the technical problem of heat generation in the electrodes and water cannot be solved.
近年、カーボンナノチューブが素材として柔軟性を有すると共に、物理的な強度を有する一方、金属に準ずるような導電性を設定し得る点に特徴を有しており、様々な電子分野の素材として使用されている。 In recent years, carbon nanotubes have the feature that they have flexibility and physical strength while being able to set conductivity similar to that of metals, and are used as materials in various electronic fields. ing.
特許文献3においては、カーボンナノチューブが空隙を有する構造に着目したうえで、炭素繊維からなる基材にカーボンナノチューブを10%〜50%混合した熱硬化性樹脂による接着剤によって硬化させた電極の構成を提唱しており、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能によって、特許文献2の場合に比し、良好な電気分解の効率を実現している。
In Patent Document 3, after paying attention to the structure in which carbon nanotubes have voids, the structure of an electrode cured by an adhesive made of a thermosetting resin in which carbon nanotubes are mixed at 10% to 50% on a substrate made of carbon fiber. Compared with the case of
しかしながら、熱硬化性樹脂の配合は、導電性を低下させる要因である一方、上記構成は、カーボンナノチューブの混合による熱硬化性樹脂の接着剤を製造する第1工程、炭素繊維に対し、当該接着剤を含浸及びコーティングする第2工程、赤外線の照射によって、炭素繊維を固化させる第3工程、炭素繊維を加熱及び加圧によって完全に炭化して硬化させる第4工程を有し、煩雑な製造工程を必要不可欠とする。 However, while the composition of the thermosetting resin is a factor that lowers the conductivity, the above configuration is the first step for producing an adhesive for the thermosetting resin by mixing carbon nanotubes, and the adhesion to the carbon fiber. 2nd process of impregnating and coating agent, 3rd process of solidifying carbon fiber by infrared irradiation, 4th process of completely carbonizing and curing carbon fiber by heating and pressing, complicated manufacturing process Is essential.
このように、従来技術による水の電気分解用電極には、電気分解の効率において必ずしも十分ではなく、その余の事項においても、技術上の欠点を免れることができない。 Thus, the electrode for water electrolysis according to the prior art is not always sufficient in electrolysis efficiency, and technical disadvantages cannot be avoided in other matters.
本発明は、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能に着目したうえで、効率的な電気分解を可能とする水の電気分解用電極の基本構成及び当該電極を製造する基本構成を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a basic configuration of an electrode for water electrolysis that enables efficient electrolysis and a basic configuration for manufacturing the electrode, focusing on the catalytic function in the electrolysis of carbon nanotubes It is said.
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
(1)チタンを基材とする表面に対し、カーボンナノチューブによる皮膜を形成していることを特徴とする水電気分解用電極、
(2)粒径が2μm以下の炭素粒子が分布する空中にて、陰極としてチタン基材を選択したうえで、2個の電極間に、1000V/mm以上の電界を加えることによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブの皮膜を形成することを特徴とする前記(1)の電極の製造方法、
(3)炭素を陽極とし、チタン基材を陰極としたうえで、不活性ガスを充満し、かつ1000℃以上であり、かつチタンの溶融温度である1660℃未満の温度に設定した室内にて、1ms以下の時間幅によるパルス電圧の印加に基づくパルスアーク放電、又は当該放電の繰り返しによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブ皮膜を形成することを特徴とする前記(1)の電極の製造方法、
からなる。
In order to solve the above problems, the basic configuration of the present invention is as follows.
(1) A water electrolysis electrode characterized by forming a film of carbon nanotubes on a titanium-based surface;
(2) In the air in which carbon particles having a particle size of 2 μm or less are distributed, a titanium substrate is selected as a cathode, and an electric field of 1000 V / mm or more is applied between the two electrodes, thereby providing a titanium substrate. A method of producing an electrode according to (1), wherein a film of carbon nanotubes is formed on the surface of
(3) In a room set with carbon as an anode and a titanium substrate as a cathode, filled with an inert gas, set to a temperature of 1000 ° C. or higher and less than 1660 ° C., which is the melting temperature of titanium. The method for producing an electrode according to (1), wherein the carbon nanotube film is formed on the surface of the titanium base material by pulse arc discharge based on application of a pulse voltage with a time width of 1 ms or less, or by repeating the discharge. ,
Consists of.
前記基本構成(1)に基づく電極は、特許文献2記載の炭素繊維とカーボンナノチューブとを熱透過性樹脂を介して結合した電極の場合よりも、更に良好なエネルギー変換効率を呈することが可能であり、前記(2)及び(3)の基本構成による製造方法は、何れも直流電圧の印加というシンプルな方法によって、基本構成(1)の電極を形成することができる。
The electrode based on the basic configuration (1) can exhibit better energy conversion efficiency than the electrode in which carbon fibers and carbon nanotubes described in
図1に示すように、基本構成(1)の電極1は、チタン基材11の両側にカーボンナノチューブ皮膜12を形成している。
As shown in FIG. 1, the
前記皮膜12の厚さは、通常6μm以上に設定しているが、その根拠は、6μm未満の場合には、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能を十分発揮できないことにある。
The thickness of the
皮膜12の上限は特に限定されないが、通常、製造コスト及びカーボンナノチューブ皮膜12による触媒機能の飽和状態を考慮することによって、12μm以下とする場合が多い。
The upper limit of the
図1に示すように、チタン基材11は、通常平板状である場合が多いが、必ずしもそのような形状に限定される訳ではなく、例えば、円筒状等の他の形態も採用することができる。
As shown in FIG. 1, the
10cm×18cmの矩形で、0.5mmの厚みを有する電極として、前記基本構成(1)に基づいて、チタン基材11の両側を7μmのカーボンナノチューブによって被覆した電極1、特許文献3のように、炭素繊維とカーボンナノチューブとを熱硬化性樹脂による接着剤によって結合し、かつカーボンナノチューブが熱硬化性樹脂中に10%混合している電極、特許文献2のように、チタン基材11の表面の両側を0.3mmの厚みを有するイリジウムによって被覆した電極を採用したうえで、水中に各電極の間隔を1.5mmとしたうえで、印加した電力を順次変化させた場合に、HHOガスの発生量の変化を図2のグラフに示す。
As an electrode having a rectangular shape of 10 cm × 18 cm and a thickness of 0.5 mm, an
図2に示すように、基本構成(1)の電極1は、例えば、60Wの印加電力の場合には、特許文献3のような炭素繊維とカーボンナノチューブとの結合による電極に比し、1800cc/800cc=2.25倍の電気分解効率を示しており、特許文献2のようなチタン基材11にイリジウムを被覆した構成に比し、1800cc/300cc=6倍の電気分解効率を示している。
As shown in FIG. 2, the
このように、基本構成(1)において、良好な電気分解効率が得られる原因としては、カーボンナノチューブが触媒層としてチタン基材11の表面にカーボンナノチューブの皮膜12を形成することによって、チューブを形成するパイプ状の空間内にて水のカソード反応及びアノード反応を行う機会が向上することにあるものと考えられる。
但し、このような良好な電気分解効率の根拠については、今後の様々な実験を伴う分析、及び当該分析に基づく考察に待つ以外にない。
Thus, in the basic configuration (1), the reason why good electrolysis efficiency is obtained is that the carbon nanotube forms a tube by forming the
However, there is no other reason for such good electrolysis efficiency than waiting for analysis with various future experiments and consideration based on the analysis.
基本構成(2)の製造方法においては、図4に示すように、粒径が2μm以下の炭素粒子が分布する空中にて陰極としてチタン基材11を選択したうえで、2個の電極間に、1000V/mm以上の電界を加えることによってチタン基材11による陰極にカーボンナノチューブを触媒層とする皮膜12を形成することによって、基本構成(1)の電極1を製造している(尚、図4においては、チタン基材11の陰極の片側に、カーボンナノチューブの皮膜12が形成される場合を示すが、他の片側における前記皮膜12の形成は、電極の向きを反転することによって実現することができる。)。
尚、2個の電極のうち、陽極については、チタン基材11又は当該基材以外の導電性の素材を採用することができる。
In the manufacturing method of the basic configuration (2), as shown in FIG. 4, after selecting the
Of the two electrodes, for the anode, a
グラファイト状の炭素の積み重ねによるカーボンナノチューブの直径は、2〜50nmであり、長さは、1〜10μm程度であるが、径が2μm以下の炭素粒子を素材として基本構成(2)の方法によって、カーボンナノチューブが形成される根拠としては、1000V/mm以上の電界によって陰極に前記炭素粒子が移動する一方、陰極から流出した電子が前記電界によって加速した状態にてカーボン粒子との衝突の結果、前記カーボン粒子が電子の移動方向に沿って細分化されると共に、チューブ状の空隙を発生した状態にて上記移動方向に引き伸ばされることにあると考えられる。
但し、定量的な分析を伴う詳細な根拠については、今後の実験に基づく分析及び当該分析を伴う考察に待つ以外にない。
尚、径を2μm以下とする炭素粒子からカーボンナノチューブが生成されていることは、前記炭素粒子の電気伝導度よりも、基本構成(2)によって形成された皮膜の電気伝導度の方が桁違いに大きいことによって確認することができる。
The diameter of the carbon nanotube by stacking the graphite-like carbon is 2 to 50 nm and the length is about 1 to 10 μm, but the basic structure (2) using carbon particles having a diameter of 2 μm or less as a raw material, As a basis for the formation of carbon nanotubes, the carbon particles move to the cathode by an electric field of 1000 V / mm or more, while the electrons flowing out of the cathode are accelerated by the electric field, and as a result of collision with the carbon particles, It is considered that the carbon particles are subdivided along the moving direction of the electrons and are stretched in the moving direction in a state where a tube-like void is generated.
However, the detailed grounds that accompany the quantitative analysis can only be awaited by analysis based on future experiments and considerations involving such analysis.
Incidentally, the fact that carbon nanotubes are generated from carbon particles having a diameter of 2 μm or less is that the electrical conductivity of the coating formed by the basic configuration (2) is orders of magnitude higher than the electrical conductivity of the carbon particles. It can be confirmed by being large.
径が2μm以下のカーボン粒子の分布とは、径が2μmよりも大きい炭素粒子及び他の粒子の存在を排除する訳ではない。 The distribution of carbon particles having a diameter of 2 μm or less does not exclude the presence of carbon particles having a diameter larger than 2 μm and other particles.
何故ならば、これらの粒子が存在したとしても、径が2μm以下のカーボン粒子のチタン基材11による陰極への移動によって、当該チタン基材11の表面にカーボンナノチューブによる皮膜12が形成されることに変わりはないからである。
This is because even if these particles are present, a
石炭を燃焼させた場合の煤煙における炭素粒子の径は、通常約1μm程度とされている。
したがって、石炭を燃焼させた場合の煤煙を分布した空間においては、径を2μm以下とするカーボン粒子を空中に容易に分布させることができる。
The diameter of carbon particles in the smoke when coal is burned is usually about 1 μm.
Therefore, carbon particles having a diameter of 2 μm or less can be easily distributed in the air in the space where the smoke generated when coal is burned is distributed.
前記のように、2μm以下の径による炭素粒子以外の他の粒子の分布の存在が許容される以上、石炭の燃焼に基づく煤煙だけでなく、その他の炭素含有物の燃焼(例えば、木材の燃焼)による煤煙の場合であっても、前記基本構成(2)の製造方法を実現することができる。 As described above, as long as the existence of a distribution of other particles other than carbon particles having a diameter of 2 μm or less is allowed, not only soot based on the combustion of coal but also combustion of other carbon-containing materials (for example, combustion of wood) ), The manufacturing method of the basic configuration (2) can be realized.
しかしながら、同一の電界の場合に、2μm以下の径による炭素粒子の方が他の粒子よりも移動し易いことを考慮するならば、その他の炭素含有物の燃焼によって煤煙を形成する場合には、他の粒子によるチタン基材11による陰極への到来を防止するため、電界の大きさを1000V/mmよりも大幅に上回らないような電界の程度を選択したうえで設定することが必要となる。
However, in the case of the same electric field, in consideration of the fact that carbon particles with a diameter of 2 μm or less move more easily than other particles, in the case of forming smoke by burning other carbon-containing materials, In order to prevent arrival of the
炭素を素材とする陽極及び陰極間にアーク放電を実現することによって、陰極側にカーボンナノチューブを形成することは周知の技術的事項である。 It is a well-known technical matter to form a carbon nanotube on the cathode side by realizing an arc discharge between an anode and a cathode made of carbon.
しかしながら、通常のアーク放電の場合には、放電が行われている領域においては、3000K以上の高温が形成され、チタンの溶解温度である1660℃を上回っている。
したがって、炭素を陽極とし、チタン基材を陰極とすることによって、通常のアーク放電を行ったとしても、チタン基材が溶解し、当該基材の表面に安定した状態にてカーボンナノチューブの皮膜を形成することは困難である。
However, in the case of a normal arc discharge, a high temperature of 3000 K or more is formed in the region where the discharge is performed, which exceeds the melting temperature of 1660 ° C. of titanium.
Therefore, even if normal arc discharge is performed by using carbon as an anode and a titanium substrate as a cathode, the titanium substrate is dissolved and a carbon nanotube film is formed on the surface of the substrate in a stable state. It is difficult to form.
このような通常のアーク放電を採用する場合の難点を考慮し、基本構成(3)においては、図5に示すように、炭素を陽極3とし、チタン基材11を陰極としたうえで、不活性ガスによって充満し、かつ1000℃以上であり、かつチタンの溶融温度である1660℃未満の温度に設定した室内にて、1ms以下の時間幅によるパルス電圧の印加に基づくパルスアーク放電、又は当該放電の繰り返しによって、チタン基材11の表面にカーボンナノチューブ皮膜12を形成することによって、基本構成(1)の電極1を製造している(尚、図5においても、チタン基材11の陰極の片側に、カーボンナノチューブの皮膜12が形成される場合を示すが、他の片側における前記皮膜12の形成は、電極の向きを反転することによって実現することができる。)。
Considering the difficulty in adopting such normal arc discharge, in the basic configuration (3), as shown in FIG. 5, carbon is used as the anode 3 and the
このようなパルスアーク放電の場合には、放電時間が1ms以下という極端に短い時間であることによって、たとえ瞬時にチタンの溶解温度である1660℃を上回るとしても、チタンが溶解するに至らず、安定した状態にてチタン基材11の表面にカーボンナノチューブの皮膜12を形成することができる。
In the case of such a pulse arc discharge, the discharge time is an extremely short time of 1 ms or less, so even if the melting temperature of titanium is instantaneously higher than 1660 ° C., the titanium does not dissolve, The
しかも、図5に示すように、電極の周囲を1200℃〜1660℃の温度範囲にて加熱したため、通常のアーク放電の場合のような所謂熱対流の影響を抑制することができる。
尚、基本構成(2)において、パルスアーク放電を一度だけでなく、当該放電を繰り返す場合とは、1回当りのアーク放電によって形成されるカーボンナノチューブの皮膜の厚さが薄く、6μmという触媒機能を発揮するうえで好ましい厚みを実現することを目的としている。
In addition, as shown in FIG. 5, since the periphery of the electrode is heated in a temperature range of 1200 ° C. to 1660 ° C., the effect of so-called thermal convection as in normal arc discharge can be suppressed.
In the basic configuration (2), the pulse arc discharge is not only repeated once but also when the discharge is repeated. The thickness of the carbon nanotube film formed by the arc discharge per one time is thin and the catalytic function is 6 μm. The purpose is to realize a preferable thickness for exhibiting the above.
パルスアーク放電によって、カーボンナノチューブの皮膜12が形成される根拠は、炭素電極から飛散した炭素粒子が陰極であるチタンから発生する熱電子と衝突することによって、チューブ状の空隙を形成することを想定することができる。
The reason why the
パルスアーク放電を実現する場合の電流量は、陰極及び陽極の表面積によって左右され、一律に特定することができない。 The amount of current in realizing pulsed arc discharge depends on the surface areas of the cathode and anode and cannot be specified uniformly.
他方、発明者の経験では、陽極と陰極との間隔を1mmとした場合に、必要かつ適切な印加電圧は、2000V〜3000Vであることが判明している。 On the other hand, the inventors' experience has shown that the necessary and appropriate applied voltage is 2000V to 3000V when the distance between the anode and the cathode is 1 mm.
実施例は、図3に示すように、陽極を構成する基本構成(1)の電極1と、陰極を形成する基本構成(1)の電極1とを交互に隣接した状態にて配列させたことによる結合電極を配設している電気分解槽4を特徴としている。
In the example, as shown in FIG. 3, the
このような結合電極において、各陽極と各陰極との間に直流電圧を印加し、それぞれ陽極及び陰極を形成しているカーボンナノチューブの皮膜12が相互に面した状態にて陽極側に酸素分子を発生させ、陰極側に水素分子が発生させることによって、酸素水素気体(HHOガス)を効率的に生成することができる。
In such a coupled electrode, a DC voltage is applied between each anode and each cathode, and oxygen molecules are introduced on the anode side in a state where the
このように、本発明においては、極めてシンプルな製造方法によって、極めて電気分解効率が良好である電極を提供することができる。 Thus, in the present invention, an electrode having extremely good electrolysis efficiency can be provided by a very simple manufacturing method.
その結果、効率的に酸素水素気体(HHOガス)を速やかに形成し、かつ内燃機関の燃焼部分に注入することによって、燃焼効率を速やかに向上させることができる。 As a result, it is possible to quickly improve the combustion efficiency by efficiently forming oxygen-hydrogen gas (HHO gas) and injecting it into the combustion portion of the internal combustion engine.
更には、一般の有機物の燃焼に際し、本発明による電極を使用した電気分解に基づく酸素分子の供給によって、効率的な燃焼を実現する一方、水素分子の介在によって、燃焼に伴う炭酸ガス(CO2)の発生を防止又は減少させた状態にて燃焼させることを効率的に実現することができる。 Furthermore, in the combustion of general organic matter, efficient combustion is realized by supplying oxygen molecules based on electrolysis using the electrode according to the present invention, while carbon dioxide (CO 2 gas) accompanying combustion is intervened by intervening hydrogen molecules. It is possible to efficiently realize combustion in a state where the occurrence of) is prevented or reduced.
このように、本発明は、様々な利点を有しており、広範な利用を実現することが可能である。 As described above, the present invention has various advantages, and can be widely used.
1 基本構成(1)の電極
11 チタン基材
12 カーボンナノチューブによる皮膜
2 基本構成(2)において採用される炭素の陽極
3 基本構成(3)において採用される炭素の陽極
4 電気分解槽
5 パルス電圧源
6 パルスアーク放電を行う室
7 ヒータ
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019181796A1 (en) | 2018-03-22 | 2019-09-26 | キヤノン株式会社 | Fixing member, fixing device, and electrophotographic image-forming apparatus |
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Cited By (1)
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WO2019181796A1 (en) | 2018-03-22 | 2019-09-26 | キヤノン株式会社 | Fixing member, fixing device, and electrophotographic image-forming apparatus |
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