JP2021025105A

JP2021025105A - 電気化学素子

Info

Publication number: JP2021025105A
Application number: JP2019145108A
Authority: JP
Inventors: 貴治大神田; Takaharu Okanda; 聡樹平方; Satoki Hirakata; 史基市原; Shiki Ichihara; 山本　哲也; Tetsuya Yamamoto; 哲也山本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-22

Abstract

【課題】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。【解決手段】イオン導電性電解質よりなる膜（１１）の両面に電極が設けられて構成され、一方の電極をアノード（１２）とし他方の電極をカソード（１３）とする態様で両電極間に直流電圧が印加されるとともに、アノードを構成する電極が水に接触するよう配置された電気化学素子１０であって、カソードを構成する電極は、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成され、アノードを構成する電極は、透水性及び導電性を有する難変形部材１２１と、水の電気分解活性を示す触媒とにより形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電気化学素子に関するものである。

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、アノード電極、カソード電極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、アノード電極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、カソード電極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。

そのような反応装置においては、アノード電極及びカソード電極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、アノード電極で下記式（１）の反応が行われ、カソード電極で下記式（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。

式（１）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
式（２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ_２

特開２００９−６８０８０号公報

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。

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化学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電気化学素子は、イオン導電性電解質よりなる膜の両面に電極が設けられて構成され、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が印加されるとともに、アノードを構成する電極が水に接触するよう配置された電気化学素子であって、前記カソードを構成する電極は、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成され、前記アノードを構成する電極は、透水性及び導電性を有する難変形部材と、水の電気分解活性を示す触媒とにより形成されたことを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記アノードを構成する電極は、前記難変形部材に前記水の電気分解活性を示す触媒が被覆して形成されたことを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記難変形部材は、前記イオン導電性電解質よりなる膜に接合されたことを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記難変形部材は、金属メッシュ、発泡金属及び金属フェルトの少なくとも１つから構成されたことを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記難変形部材は、チタン、ステンレス鋼、プラチナ、イリジウム及び金の少なくとも１つを母材として形成されたことを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、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。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記白金族系触媒は、Ｐｔ、ＩｒＯ_２、ＩｒＲｕ、ＰｔＩｒの少なくとも１つであることを特徴とする。

また本発明は、上記電気化学素子において、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。

また本発明は、上記電気化学素子において、前記イオン導電性電解質よりなる膜は、前記カソードを構成する電極に対する厚みの比が１０〜２５であることを特徴とする。

本発明によれば、カソードを構成する電極が、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成され、アノードを構成する電極が、透水性及び導電性を有する難変形部材と、水の電気分解活性を示す触媒とにより形成され、アノードを構成する電極が水に接触するよう配置されているので、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、アノードが接する水と、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。

式（３）Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋１／２Ｏ_２
式（４）２Ｈ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ_２

図１は、本発明の実施の形態である電気化学素子が適用された過酸化水素生成装置の構成を模式的に示す模式図である。図２は、図１に示した電気化学素子を模式的に示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る電気化学素子の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態である電気化学素子が適用された過酸化水素生成装置の構成を模式的に示す模式図である。ここで例示する過酸化水素生成装置は、電気化学素子１０、電解容器２０及び生成容器３０を備えている。

電気化学素子１０は、図２にも示すように、基部１１、第１電極部１２及び第２電極部１３を備えて構成してある。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。

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の一方の面に形成してある。この第１電極部１２は、透水性及び導電性を有する難変形部材１２１に水の電気分解活性を示す触媒が被覆されることにより形成してある。

難変形部材１２１は、機械的強度が比較的高いものであり、チタン、ステンレス鋼、プラチナ、イリジウム及び金の少なくとも１つを母材として形成された金属メッシュ、発泡金属及び金属フェルトの少なくとも１つから構成してある。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してあり、該白金族系触媒として、Ｐｔ、ＩｒＯ_２、ＩｒＲｕ、ＰｔＩｒの少なくとも１つであることが好ましい。

このような水の電気分解活性を示す触媒が被覆された難変形部材１２１は、イオン導電性電解質よりなる膜（基部１１）の一面に対して、熱融着により接合している。

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の他方の面に形成してある。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た触媒層１３１と、この触媒層１３１の外側表面において例えばカーボンペーパー等のカーボン繊維等からなる集電層１３２とにより構成してある。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つにより構成してある。

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。

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２を介して直流電源１に電気的に接続されて構成してある。すなわち、第１電極部１２が直流電源１の正極に電気的に接続され、第２電極部１３が直流電源１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１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。

また電気化学素子１０においては、基部１１の厚みＬ１は、カソードを構成する第２電極部１３の厚みＬ２に対する比が１０〜２５である。より具体的には、第２電極部１３の厚みＬ２が例えば１０μｍであるならば、基部１１の厚みＬ１が１００〜２５０μｍとされ、好ましくは１７０〜１９０μｍとされる。

電解容器２０は、一部の壁が第１電極部１２により構成された電解室２１を有する容器であり、この電解室２１と外部とを連通する連通部２２を通じて供給された水を第１電極部１２に接した状態で貯留するものである。

生成容器３０は、一部の壁が第２電極部１３により構成された生成室３１を有する容器である。この生成容器３０には、生成室３１に空気を流入させるための流入部３２と、生成室３１で生成した過酸化水素や水を流出させる流出部３３とが設けてある。この生成容器３０の下方には、流出部３３を通じて流出する過酸化水素等を貯留する貯留部３４が設けてある。

以上のような構成を有する過酸化水素生成装置においては、電気化学素子１０を構成する第１電極部１２が水に接触するよう配置され、直流電源１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、水の電気分解反応が起こる。

式（５）Ｈ_２Ｏ→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、生成室３１の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。

式（６）２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
式（７）２Ｈ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ_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。

以上説明したように、本発明の実施の形態である電気化学素子１０によれば、アノードを構成する第１電極部１２が、透水性及び導電性を有する難変形部材１２１に水の電気分解活性を示す触媒が被覆して形成され、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いるので、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、これにより電解室２１の水と生成室３１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。

特にアノードを構成する第１電極部１２は、透水性及び導電性を有する難変形部材１２１に水の電気分解活性を示す触媒が被覆して形成されているので、第１電極部１２の機械的強度を十分に大きくすることができ、これにより第１電極部１２が接する水により基部１１である膜が膨潤することを抑制し、寸法安定性を良好なものとすることができる。しかも、難変形部材１２１に水の電気分解活性を示す触媒を被覆しているので、難変形部材１２１でも電解反応を発生させることができる。

また上記電気化学素子１０によれば、第１電極部１２が水に接していることにより、直流電圧の印加時に、基部１１における水素イオン随伴水の電気浸透効果と、電解室２１の水の濃度拡散効果とから、第２電極部１３へ水を供給でき、該第２電極部１３における触媒層１３１内で発生した過酸化水素を水とともに該触媒層１３１の外に排出することができる。そのため、触媒層１３１内で発生した過酸化水素が該触媒層１３１内で還元されてしまう過酸化水素の再還元を防止することができる。しかも、基部１１であるイオン導電性電解質よりなる膜は、第２電極部１３に対する厚みの比が１０〜２５であるので、第２電極部１３よりも厚みを十分に大きくすることができ、第２電極部１３の触媒層１３１で生ずる過酸化水素がアノードである第１電極部１２へ逆拡散することを防止することができ、過酸化水素の生成速度を向上させることができる。

次に、本発明に係る電気化学素子１０の実験例について説明する。

基部１１としてフッ素樹脂系電解質膜（「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７」（ケマーズ社製））を用い、イリジウムメッキを施したチタンメッシュ（目開き５００μｍ）を、基部１１に対して熱融着（１４０℃にて５分間２０〜４０ｋｇｆ／ｃｍ^２にてプレスして接着）して第１電極部１２を形成した。また活性炭（和光純薬工業社製）により第２電極部１３を形成し、実施例１の電気化学素子１０を作成した。

かかる実施例１の電気化学素子１０に対し、電解室２１に純粋を１５０ｍｌ投入するとともに、該電解室２１に空気を１Ｌ／ｍｉｎ供給した。生成室３１には露点２５℃の空気を０．１Ｌ／ｍｉｎで供給した。そして、電気化学素子１０に対し、電解電圧２．５Ｖを２時間印加した。

これにより第１電極部１２では上記式（５）の反応が生ずるとともに、第２電極部１３では上記式（６）及び上記式（７）の反応が生じ、過酸化水素水摂取量が７０８（μｌ）であり、過酸化水素生成速度が１．９３（μｍｏｌ／ｈ／ｃｍ^２）であった。

基部（１１）としてフッ素樹脂系電解質膜（「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７」（ケマーズ社製））を用い、直径５ｍｍの孔を約１ｃｍ間隔で形成したカーボンペーパーを基部（１１）に対して取り付けてアノードを形成した。また活性炭（和光純薬工業社製）によりカソードを形成し、参考例１の電気化学素子を作成した。

かかる比較例１の電気化学素子に対し、電解室２１に純粋を１５０ｍｌ投入するとともに、該電解室２１に空気を１Ｌ／ｍｉｎ供給した。生成室３１には露点２５℃の空気を０．１Ｌ／ｍｉｎで供給した。そして、電気化学素子に対し、電解電圧２．５Ｖを２時間印加した。

これによりアノードでは上記式（５）の反応が生ずるとともに、カソードでは上記式（６）及び上記式（７）の反応が生じ、過酸化水素水摂取量が５（μｌ）であり、過酸化水素生成速度が０．０５（μｍｏｌ／ｈ／ｃｍ^２）であった。

これにより、実施例１の電気化学素子１０の方が参考例１の電気化学素子に対して、過酸化水素の生成速度が約３８倍、過酸化水素水の採取量が約１４１倍となった。つまり、実施例１で用いたチタンメッシュでは、第１電極部（アノード）１２から第２電極部（カソード）１３へ水がよく運搬され、過酸化水素の生成速度が向上したものと考えられる。また実施例１の電気化学素子１０では、基部１１の膨潤が抑制されて寸法安定性が良好なものとなっていたが、参考例１の電気化学素子では、基部１１が膨潤してしまい、アノードに大きな変形が見られた。

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してあることを要しない。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。

上述した実施の形態では、アノードを構成する第１電極部１２が、透水性及び導電性を有する難変形部材１２１に水の電気分解活性を示す触媒が被覆して形成されていたが、本発明においては、アノードを構成する電極は、透水性及び導電性を有する難変形部材に水の電気分解活性を示す触媒が被覆されずに、該触媒により構成される触媒層が難変形部材に接する態様で形成されていてもよい。

１…直流電源、２…導線、１０…電気化学素子、１１…基部、１２…第１電極部、１２１…難変形部材、１３…第２電極部、１３１…触媒層、１３２…集電層、２０…電解容器、２１…電解室、３０…生成容器、３１…生成室、３４…貯留部。

Claims

イオン導電性電解質よりなる膜の両面に電極が設けられて構成され、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が印加されるとともに、アノードを構成する電極が水に接触するよう配置された電気化学素子であって、
前記カソードを構成する電極は、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成され、前記アノードを構成する電極は、透水性及び導電性を有する難変形部材と、水の電気分解活性を示す触媒とにより形成されたことを特徴とする電気化学素子。
前記アノードを構成する電極は、前記難変形部材に前記水の電気分解活性を示す触媒が被覆して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電気化学素子。
前記難変形部材は、前記イオン導電性電解質よりなる膜に接合されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気化学素子。
前記難変形部材は、金属メッシュ、発泡金属及び金属フェルトの少なくとも１つから構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電気化学素子。
前記難変形部材は、チタン、ステンレス鋼、プラチナ、イリジウム及び金の少なくとも１つを母材として形成されたことを特徴とする請求項４に記載の電気化学素子。
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請求項１〜５のいずれか１つに記載の電気化学素子。
前記白金族系触媒は、Ｐｔ、ＩｒＯ_２、ＩｒＲｕ、ＰｔＩｒの少なくとも１つであることを特徴とする請求項６に記載の電気化学素子。
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請求項１〜７のいずれか１つに記載の電気化学素子。
前記イオン導電性電解質よりなる膜は、前記カソードを構成する電極に対する厚みの比が１０〜２５であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の電気化学素子。