JP2020037723A - Electrolysis unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気分解ユニットに関するものである。 The present invention relates to an electrolysis unit.
従来、過酸化水素を生成する反応装置が特許文献1に提案されている。かかる反応装置は、アノード膜、カソード膜及び電解質膜を一体化させたユニット膜により、反応室をアノード室とカソード室とに区画するように構成されている。アノード室には、アノード膜の一部が気相に露出した状態で水が導入され、カソード室には、カソード膜の一部が気相に露出した状態でイオン交換水が導入されている。 Conventionally, a reactor for producing hydrogen peroxide has been proposed in Patent Document 1. Such a reaction apparatus is configured such that a reaction chamber is divided into an anode chamber and a cathode chamber by a unit membrane in which an anode membrane, a cathode membrane, and an electrolyte membrane are integrated. Water is introduced into the anode chamber with a part of the anode membrane exposed to the gas phase, and ion-exchanged water is introduced into the cathode chamber with a part of the cathode membrane exposed to the gas phase.
そのような反応装置においては、アノード膜及びカソード膜が電子伝導体で外部短絡され、かつアノード室に還元性物質である水素ガスや水素供与体が供給されるとともに、カソード室に酸化性物質である酸素ガスが供給されることにより、アノード膜で下記式(1)の反応が行われ、カソード膜で下記式(2)の反応が行われることで、燃料電池反応を利用して過酸化水素を生成していた。 In such a reactor, the anode film and the cathode film are externally short-circuited by an electron conductor, and hydrogen gas or a hydrogen donor as a reducing substance is supplied to the anode chamber, and an oxidizing substance is supplied to the cathode chamber. When a certain oxygen gas is supplied, the reaction represented by the following formula (1) is performed on the anode film, and the reaction represented by the following formula (2) is performed on the cathode film. Had been generated.
式(1) H2→2H++2e−
式(2) O2+2H++2e−→H2O2
Equation (1) H 2 → 2H + + 2e -
Formula (2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O 2
ところで、上記特許文献1に提案されている反応装置では、過酸化水素の生成源として可燃性である水素ガスや水素供与体を用いるとともに、支燃性である酸素ガスを用いていたので、取扱いに注意を払う必要があった。 By the way, in the reactor proposed in Patent Document 1, flammable hydrogen gas or hydrogen donor is used as a hydrogen peroxide generation source, and flammable oxygen gas is used. We had to pay attention to
本発明は、上記実情に鑑みて、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができる電気分解ユニットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an electrolysis unit capable of producing hydrogen peroxide satisfactorily while improving safety.
上記目的を達成するために、本発明に係る電気分解ユニットは、イオン導電性電解質よりなる膜の両面に、電極触媒からなる電極が設けられて構成された電気化学素子と、前記電気化学素子の一方の電極をアノードとし他方の電極をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加する直流電源とを備えた電気分解ユニットであって、前記アノードを構成する電極触媒は、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、前記カソードを構成する電極触媒は、酸素の2電子還元活性を示す触媒により形成されており、前記電気化学素子は、前記アノードを構成する面が前記カソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, an electrolysis unit according to the present invention has an electrochemical element configured by providing an electrode made of an electrode catalyst on both surfaces of a membrane made of an ion-conductive electrolyte, An electrolysis unit including a DC power supply for applying a DC voltage between both electrodes in a mode in which one electrode is an anode and the other electrode is a cathode, wherein the electrode catalyst constituting the anode is an electrocatalyst for water. The electrode catalyst, which is formed by a catalyst exhibiting decomposition activity, and constitutes the cathode, is formed by a catalyst exhibiting a two-electron reduction activity of oxygen. In the electrochemical element, the surface constituting the anode constitutes the cathode. It is characterized in that it is arranged so as to face an atmosphere having a relative humidity higher than that of the surface.
また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記水の電気分解活性を示す触媒は、白金族系触媒により構成されたことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that, in the electrolysis unit, the catalyst exhibiting the electrolysis activity of water is constituted by a platinum group catalyst.
また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記白金族系触媒は、Pt、IrO2、IrRu、PtIrの少なくとも1つであることを特徴とする。 Further, according to the present invention, in the electrolysis unit, the platinum group catalyst is at least one of Pt, IrO 2 , IrRu, and PtIr.
また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記酸素の2電子還元活性を示す触媒は、導電性炭素材料及び金属ポルフィリン触媒の少なくとも1つを含有して構成されたことを特徴とする。 Further, according to the present invention, in the electrolysis unit, the catalyst exhibiting the two-electron reduction activity of oxygen includes at least one of a conductive carbon material and a metal porphyrin catalyst.
また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記電気化学素子は、前記アノードが設けられた面よりも前記カソードが設けられた面の方が絶対湿度が高いことを特徴とする。 Further, according to the present invention, in the above-mentioned electrolysis unit, the electrochemical element is characterized in that the surface provided with the cathode has a higher absolute humidity than the surface provided with the anode.
本発明によれば、アノードを構成する電極触媒が、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、カソードを構成する電極触媒が、酸素の2電子還元活性を示す触媒により形成されており、電気化学素子が、アノードを構成する面がカソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたので、アノードで下記式(3)に示すような水の電気分解が行われるとともに、カソードで下記式(4)に示すような過酸化水素の生成が行われる。これにより、アノードが臨む雰囲気の水と、カソードが臨む雰囲気中の酸素とで、過酸化水素を生成することができる。つまり、従来のように可燃性の水素ガスや支燃性の酸素ガス等を用いることなく、水と空気中の酸素とを用いることができ、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができるという効果を奏する。 According to the present invention, the electrode catalyst constituting the anode is formed by a catalyst exhibiting electrolysis activity of water, and the electrode catalyst constituting the cathode is formed by a catalyst exhibiting a two-electron reduction activity of oxygen. Since the chemical elements are arranged such that the surface constituting the anode faces an atmosphere having a higher relative humidity than the surface constituting the cathode, water is electrolyzed at the anode as shown in the following formula (3), At the cathode, generation of hydrogen peroxide as shown in the following formula (4) is performed. Thereby, hydrogen peroxide can be generated by the water in the atmosphere facing the anode and the oxygen in the atmosphere facing the cathode. In other words, water and oxygen in the air can be used without using flammable hydrogen gas or oxidizing oxygen gas as in the related art, and hydrogen peroxide is reduced while improving safety. This has the effect that it can be generated in
式(3) H2O→2H++2e−+1/2O2
式(4) 2H++O2+2e−→H2O2
Formula (3) H 2 O → 2H + + 2e − + 1 / 2O 2
Formula (4) 2H + + O 2 + 2e − → H 2 O 2
以下に添付図面を参照して、本発明に係る電気分解ユニットの好適な実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of an electrolysis unit according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施の形態である電気分解ユニットの構成を模式的に示す模式図である。ここで例示する電気分解ユニット1は、電気化学素子10を備えている。
FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a configuration of an electrolysis unit according to an embodiment of the present invention. The electrolysis unit 1 exemplified here includes an
電気化学素子10は、基部11と、第1電極部12と、第2電極部13とを備えて構成されている。基部11は、例えばフッ素樹脂製電解質膜等のイオン導電性電解質よりなる膜11aにより構成された平板状のものであり、水素イオンを通過させる性質を有している。
The
第1電極部12は、基部11の一面、すなわちイオン導電性電解質よりなる膜11aの一方の面に形成されている。この第1電極部12は、水の電気分解活性を示す触媒により形成されている。
The
この水の電気分解活性を示す触媒は、白金族系触媒により構成され、該白金族系触媒として、Pt、IrO2、IrRu、PtIrの少なくとも1つであることが好ましい。また第1電極部12においては、図には明示しないが、外側表面において集電層として金属メッシュが設けられている。
The catalyst exhibiting the electrolysis activity of water is composed of a platinum group catalyst, and the platinum group catalyst is preferably at least one of Pt, IrO 2 , IrRu and PtIr. Although not explicitly shown in the drawing, the
第2電極部13は、基部11の他面、すなわちイオン導電性電解質よりなる膜11aの他方の面に形成されている。この第2電極部13は、酸素の2電子還元活性を示す触媒により形成されている。
The
この酸素の2電子還元活性を示す触媒は、導電性炭素材料及び金属ポルフィリン触媒の少なくとも1つにより構成されている。 The catalyst exhibiting the two-electron reduction activity of oxygen is composed of at least one of a conductive carbon material and a metalloporphyrin catalyst.
導電性炭素材料としては、電気伝導性を有する種々の炭素材料を用いることができ、活性炭、カーボンブラック、カーボンファイバー等の炭素材料が好ましい。尚、これらの炭素材料は、単独若しくは2種以上の混合物として用いてもよい。金属ポルフィリン触媒としては、例えばコバルトポルフィリン触媒を用いることが好ましい。 As the conductive carbon material, various carbon materials having electric conductivity can be used, and carbon materials such as activated carbon, carbon black, and carbon fiber are preferable. These carbon materials may be used alone or as a mixture of two or more. As the metal porphyrin catalyst, for example, a cobalt porphyrin catalyst is preferably used.
また第2電極部13においては、図には明示しないが、外側表面において集電層として例えばカーボンペーパー等のカーボン繊維が設けられている。
Although not explicitly shown in the drawing, the
そのような電気化学素子10は、第1電極部12と第2電極部13とが、それぞれ導線21を介して直流電源20に電気的に接続されて構成されている。すなわち、第1電極部12が直流電源20の正極に電気的に接続され、第2電極部13が直流電源20の負極に電気的に接続されることで、第1電極部12がアノード、第2電極部13がカソードを構成している。つまり、直流電源20は、電気化学素子10の第1電極部12をアノードとし第2電極部13をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加するものである。
Such an
そして、本実施の形態である電気分解ユニット1において、電気化学素子10は、アノードを構成する第1電極部12が臨む第1の雰囲気2が、カソードを構成する第2電極部13が臨む第2の雰囲気3よりも相対湿度が高くなるよう配置されている。つまり、第1の雰囲気2は、第1電極部12に対して水分を多く含む加湿空気が供給される環境にあり、第2の雰囲気3は、第2電極部13に対して上記加湿空気よりも相対湿度が小さい空気が供給される環境にある。
In the electrolysis unit 1 according to the present embodiment, the
以上のような構成を有する電気分解ユニット1においては、直流電源20から第1電極部12と第2電極部13との間に直流電圧が印加されて電流が供給されると、第1電極部12では、下記式(5)に示すように、第1の雰囲気2中の水蒸気等の水の電気分解反応が起こる。
In the electrolysis unit 1 having the above-described configuration, when a DC voltage is applied between the
式(5) H2O→2H++2e−+1/2O2 Formula (5) H 2 O → 2H + + 2e − + 1 / 2O 2
一方、第2電極部13では、第1電極部12で生じて基部11を通過した水素イオンと、第2の雰囲気3である空気中に含まれる酸素分子とで、下記式(6)及び下記式(7)の反応が起こる。
On the other hand, in the
式(6) 2H++2e−+1/2O2→H2O
式(7) 2H++O2+2e−→H2O2
Formula (6) 2H + + 2e − + 1 / 2O 2 → H 2 O
Formula (7) 2H + + O 2 + 2e − → H 2 O 2
つまり、第2電極部13では、水の生成反応が起こりつつ、酸素の2電子還元反応により、過酸化水素を生成することができる。そのように水の生成反応が起こることにより、電気化学素子10においては、第1電極部12(アノード)が設けられた面よりも第2電極部13(カソード)が設けられた面の方が絶対湿度が高くなる。
That is, in the
以上説明したように、本発明の実施の形態である電気分解ユニット1によれば、アノードを構成する第1電極部12が、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、カソードを構成する第2電極部13が、酸素の2電子還元活性を示す触媒により形成されており、電気化学素子10が、第1電極部12が第2電極部13よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたので、第1電極部12で水の電気分解が行われるとともに、第2電極部13で過酸化水素の生成が行われ、これにより、第1の雰囲気2中の水蒸気等の水と、第2の雰囲気3中の酸素とで、過酸化水素を生成することができる。つまり、従来のように可燃性の水素ガスや支燃性の酸素ガス等を用いることなく、水と空気中の酸素とを用いることができ、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができる。
As described above, according to the electrolysis unit 1 of the embodiment of the present invention, the
以下、本発明の実施例について説明する。尚、本発明は、かかる実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the embodiment.
[実施例1]
電気化学素子10として、基部11を「ナフィオン(登録商標)117」(ケマーズ製)により形成し、第1電極部12をIrO2触媒により形成し、第2電極部13を活性炭及びカーボンファイバーの導電性炭素材料と、電解質樹脂とにより形成した。第1電極部12と第2電極部13とのそれぞれの大きさが50cm2となるようにした。第1電極部12が臨む第1の雰囲気2は、1L/minで空気を流通させつつ純水150mLを供給した。第2電極部13が臨む第2の雰囲気3は、0.1L/minで空気を流通させた。
[Example 1]
As the
そのような電気化学素子10に直流電圧を2V印加して、2時間通電させることを2回行ったところ、第2電極部13では、1回目に5質量%の過酸化水素が生成し、2回目に3質量%の過酸化水素が生成した。
When a DC voltage of 2 V was applied to such an
このように電気分解ユニット1においては、水と空気中の酸素とにより、第2電極部13にて過酸化水素が生成することが明らかとなった。
Thus, in the electrolysis unit 1, it was clarified that hydrogen peroxide was generated at the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、かかる実施の形態で図示した各構成は概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described. However, each configuration illustrated in such an embodiment is a schematic configuration and does not necessarily need to be physically configured as illustrated. In other words, the form of dispersion / integration of each component is not limited to the one shown in the figure, and all or a part thereof is functionally or physically dispersed / integrated in an arbitrary unit according to various usage conditions and the like. can do.
1 電気分解ユニット
2 第1の雰囲気
3 第2の雰囲気
10 電気化学素子
11 基部
11a 膜
12 第1電極部
13 第2電極部
20 直流電源
21 導線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記電気化学素子の一方の電極をアノードとし他方の電極をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加する直流電源と
を備えた電気分解ユニットであって、
前記アノードを構成する電極触媒は、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、前記カソードを構成する電極触媒は、酸素の2電子還元活性を示す触媒により形成されており、
前記電気化学素子は、前記アノードを構成する面が前記カソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたことを特徴とする電気分解ユニット。 An electrochemical element configured by providing electrodes made of an electrode catalyst on both surfaces of a membrane made of an ion-conductive electrolyte,
A DC power supply for applying a DC voltage between the two electrodes, wherein one electrode of the electrochemical element is an anode and the other electrode is a cathode,
The electrode catalyst constituting the anode is formed of a catalyst exhibiting electrolysis activity of water, and the electrode catalyst constituting the cathode is formed of a catalyst exhibiting a two-electron reduction activity of oxygen,
An electrolysis unit, wherein the electrochemical element is arranged such that a surface forming the anode faces an atmosphere having a higher relative humidity than a surface forming the cathode.
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