JP2020019980A - 電気分解装置及び電極製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電極製造方法は、カーボンナノチューブ電極又はカーボンナノホーン電極の厚み寸法を前記範囲にすることで、カーボンナノチューブ電極又はカーボンナノホーン電極の電気抵抗を小さくすることができ、電流をスムースに流すことが可能であり、電気分解装置において電気分解を効率よく行うことが可能であって短時間に多量の水素ガスを発生させることが可能な白金レスのカーボンナノチューブ電極(陽極及び陰極)又はカーボンナノホーン電極(陽極及び陰極)を作ることができる。
11A 陽極
11B 陽極
12A 陰極
12B 陰極
13A カーボンナノチューブ電極
13B カーボンナノホーン電極
14 固体高分子電解質膜(電極接合体膜)
15 陽極給電部材
16 陰極給電部材
17 陽極用貯水槽
18 陰極用貯水槽
19 陽極主電極
20 陰極主電極
21 膜/電極接合体
22 前面
23 後面
24 アロイ微粒子
25 金属電極薄板
26 カーボン電極薄板
27 カーボンナノチューブ
28 凝集体(凝集板)
29 カーボンナノホーン
30 凝集体(凝集板)
31 アロイ微粒子積層ポーラス構造
32 流路(通路孔)
33 流通口
34 水素ガス生成システム
35 直流電源
36 貯水タンク
37 給水ポンプ
38 酸素気液分離器
39 循環ポンプ
40 循環ポンプ
41 水素気液分離器
42 ボンベ(水素タンク)
43 固体高分子形燃料電池
44 燃料極
45 空気極
46 固体高分子電解質膜(電極接合体膜)
47 セパレータ
48 セパレータ
49 膜/電極接合体
50 ガス拡散層
51 ガス拡散層
52 ガスシール
53 ガスシール
54 導線
55 負荷
56 遷移金属
57 遷移金属微粉体
58 遷移金属微粉体混合物
59 遷移金属微粉体圧縮物
60 アロイ成形物
61 アロイ微粉体
L1 厚み寸法
S1 遷移金属選択工程
S2 遷移金属微粉体混合物作成工程
S3 遷移金属微粉体圧縮物作成工程
S4 アロイ成形物作成工程
S5 アロイ微粒子担持工程
S6 アロイ微粉体作成工程
Claims (16)
- 陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に位置してそれら極を接合する電極接合体膜とを備え、前記陽極及び前記陰極に電気を通電し、該陽極で酸化反応を起こすとともに該陰極で還元反応を起こすことで所定の水溶液を化学分解する電気分解装置において、
前記陽極及び前記陰極が、カーボンナノチューブ電極又はカーボンナノホーン電極であり、前記カーボンナノチューブ電極又は前記カーボンナノホーン電極が、各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の遷移金属微粉体を均一に混合・分散した遷移金属微粉体混合物を圧縮した後に焼成したアロイ成形物のアロイ微粒子と、カーボンナノチューブの凝集体又はカーボンナノホーンの凝集体とを含み、前記遷移金属微粉体混合物では、前記選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択され、前記カーボンナノチューブ電極又は前記カーボンナノホーン電極では、前記アロイ微粒子がカーボンナノチューブの表面又はカーボンナノホーンの表面に担持されていることを特徴とする電気分解装置。 - 前記カーボンナノチューブの表面又は前記カーボンナノホーンの表面には、該カーボンナノチューブ又は該カーボンナノホーンの表面から外側へ向かって重なり合う前記アロイ微粒子によってアロイ微粒子積層ポーラス構造が形成され、前記電気分解装置では、前記電極接合体膜と前記アロイ微粒子積層ポーラス構造とが隙間なく重なり合っている請求項1に記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体の粒径が、10μm〜200μmの範囲にあり、前記カーボンナノチューブ電極又は前記カーボンナノホーン電極の厚み寸法が、0.03mm〜0.3mmの範囲にある請求項1又は請求項2に記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物が、Ni(ニッケル)の微粉体を主成分とし、前記遷移金属微粉体混合物では、前記Niの仕事関数と該Niを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が前記白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から前記Niの微粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の遷移金属微粉体が選択されている請求項1ないし請求項3いずれかに記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する前記Ni(ニッケル)の微粉体の重量比が、30%〜50%の範囲にあり、前記Niの微粉体を除く1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%〜50%の範囲にあり、前記Niの微粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%〜20%の範囲にある請求項4に記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物が、Fe(鉄)の微粉体を主成分とし、前記遷移金属微粉体混合物では、前記Feの仕事関数と該Feを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が前記白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から前記Feの微粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の遷移金属微粉体が選択されている請求項1ないし請求項3いずれかに記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する前記Fe(鉄)の微粉体の重量比が、30%〜50%の範囲にあり、前記Feの微粉体を除く1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%〜50%の範囲にあり、前記Feの微粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%〜20%の範囲にある請求項6に記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物が、Cu(銅)の微粉体を主成分とし、前記遷移金属微粉体混合物では、前記Cuの仕事関数と該Cuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が前記白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から前記Cuの微粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の遷移金属微粉体が選択されている請求項1ないし請求項3いずれかに記載の電気分解装置。
- 前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する前記Cu(銅)の微粉体の重量比が、30%〜50%の範囲にあり、前記Cuの微粉体を除く1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%〜50%の範囲にあり、前記Cuの微粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の遷移金属微粉体の前記遷移金属微粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%〜20%の範囲にある請求項8に記載の電気分解装置。
- 前記アロイ成形物では、前記選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属の遷移金属微粉体が遷移金属微粉体混合物の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属の遷移金属微粉体をバインダーとしてそれら遷移金属の遷移金属微粉体が接合されている請求項1ないし請求項9いずれかに記載の電気分解装置。
- 電気分解装置の陽極及び陰極として使用するカーボンナノチューブ電極又はカーボンナノホーンを製造する電極製造方法において、
前記電極製造方法が、各種の遷移金属から選択する少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属を選択する遷移金属選択工程と、前記遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属の遷移金属微粉体を均一に混合・分散した遷移金属微粉体混合物を作る遷移金属微粉体混合物作成工程と、前記遷移金属微粉体混合物作成工程によって作られた遷移金属微粉体混合物を所定圧力で加圧して遷移金属微粉体圧縮物を作る遷移金属微粉体圧縮物作成工程と、前記遷移金属微粉体圧縮物作成工程によって作られた遷移金属微粉体圧縮物を所定温度で焼成してアロイ成形物を作るアロイ成形物作成工程と、カーボンナノチューブ又はカーボンナノホーンを生成し、前記アロイ成形物作成工程によって作られたアロイ成形物を蒸発させて前記カーボンナノチューブの表面又は前記カーボンナノホーンの表面に該アロイ成形物のアロイ微粒子を担持させるアロイ微粒子担持工程とを有することを特徴とする電気分解装置の電極製造方法。 - 前記アロイ微粒子担持工程が、前記カーボンナノチューブ又は前記カーボンナノホーンの生成と同時にアロイ成形物を蒸発させ、前記アロイ成形物のアロイ微粒子を該カーボンナノチューブの表面又は該カーボンナノホーンの表面に担持させる請求項11に記載の電気分解装置の電極製造方法。
- 前記遷移金属微粉体混合物作成工程が、前記遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属を10μm〜200μmの粒径に微粉砕する請求項11又は請求項12に記載の電気分解装置の電極製造方法。
- 前記遷移金属微粉体圧縮物作成工程が、前記遷移金属微粉体混合物作成工程によって作られた遷移金属微粉体混合物を500Mpa〜800Mpaの圧力で加圧して前記遷移金属微粉体圧縮物を作る請求項11ないし請求項13いずれかに記載の電気分解装置の電極製造方法。
- 前記アロイ成形物作成工程が、前記遷移金属選択工程によって選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属の遷移金属微粉体を溶融させる温度で前記遷移金属微粉体圧縮物を焼成し、溶融した遷移金属の遷移金属微粉体をバインダーとしてそれら遷移金属の遷移金属微粉体を接合する請求項11ないし請求項14いずれかに記載の電気分解装置の電極製造方法。
- 前記アロイ微粒子担持工程が、前記カーボンナノチューブ電極又は前記カーボンナノホーン電極を0.03mm〜0.3mmの範囲の厚み寸法に成形し、前記カーボンナノチューブの表面又は前記カーボンナノホーンの表面から外側へ向かって重なり合う前記アロイ微粒子によってアロイ微粒子積層ポーラス構造を形成する請求項11ないし請求項15いずれかに記載の電気分解装置の電極製造方法。
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