JP2021113727A - 過酸化水素濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減化を図ること。【解決手段】イオン導電性電解質よりなる膜である基部２１の一方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された作用極２２を有する一方、基部２１の他方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された対極２３を有する電極部２０を備え、作用極２２が過酸化水素を含有する電解質溶液１３に接した状態で電極部２０に０．９Ｖ以下の電圧を印加させることにより、作用極２２での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して該過酸化水素の濃度検出を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、過酸化水素濃度検出装置に関するものである。

従来、過酸化水素の濃度検出を行う装置（過酸化水素濃度検出装置）が特許文献１に提案されている。この特許文献１に提案されている過酸化水素濃度検出装置では、過酸化水素を含有する電解質溶液に浸漬された複数の電極（作用極、対極及び参照極）に電圧を印加させることにより、作用極にて下記式（１）に示されるような過酸化水素の酸化反応を発生させる。そして、かかる過酸化水素濃度検出装置では、上記酸化反応の酸化電流値を計測して過酸化水素の濃度検出を行っている。

式（１） Ｈ_２Ｏ_２→２Ｈ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ⁻

特開平９−１２７０５３号公報

ところで、上記過酸化水素濃度検出装置では、作用極及び対極以外に、電位の安定した参照極を用いており、しかも参照極は例えば白金や金等を含有して構成される高価なものであり、製造コストの増大を招来していた。

本発明は、上記実情に鑑みて、製造コストの低減化を図ることができる過酸化水素濃度検出装置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、本発明に係る過酸化水素濃度検出装置は、イオン導電性電解質よりなる膜の一方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された作用極を有する一方、前記膜の他方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された対極を有する電極部を備え、前記作用極が過酸化水素を含有する溶液に接した状態で前記電極部に０．９Ｖ以下の電圧を印加させることにより、前記作用極での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して該過酸化水素の濃度検出を行うことを特徴とする。

また本発明は、上記過酸化水素濃度検出装置において、前記作用極の触媒金属は、白金原子、白金黒、白金担持カーボン、白金合金、窒素含有炭素電析白金の少なくとも１つを含有することを特徴とする。

また本発明は、上記過酸化水素濃度検出装置において、前記電極部に０．２Ｖ〜０．５Ｖの電圧を印加させることを特徴とする。

また本発明は、上記過酸化水素濃度検出装置において、前記過酸化水素の検出濃度が５００ｐｐｍ以下の場合、前記電極部に０．５Ｖ〜０．６Ｖの電圧を印加させることを特徴とする。

本発明によれば、イオン導電性電解質よりなる膜の一方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された作用極を有する一方、膜の他方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された対極を有する電極部を備え、作用極が過酸化水素を含有する溶液に接した状態で電極部に０．９Ｖ以下の電圧を印加させることにより、作用極での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して該過酸化水素の濃度検出を行うので、例えば白金や金等で構成される高価な参照極を用いずに過酸化水素の濃度検出を行うことができ、製造コストの低減化を図ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態である過酸化水素濃度検出装置の構成を模式的に示す模式図である。 図２は、電解質溶液の各濃度での印加電圧と電解電流との関係を示す図表である。 図３は、図２での各データについて、印加電圧が０．６Ｖ、０．５Ｖ、０．４Ｖ、０．３Ｖ、０．２Ｖの場合の濃度と電解電流との関係を示す図表である。 図４は、図３での各データについて、全濃度、低濃度、高濃度の場合の印加電圧と直線性を示す決定係数Ｒ^２との関係を示す図表である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る過酸化水素濃度検出装置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過酸化水素濃度検出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濃度検出装置１は、反応容器１０を備えている。

反応容器１０は、有底円筒状の形態を成しており、底部１１に形成された測定孔１２が電極部２０に閉塞されて構成されている。この反応容器１０には、電解質溶液１３が貯留されている。電解質溶液１３は、希硫酸に過酸化水素を添加して構成され、過酸化水素を含有するものである。

電極部２０は、基部２１、作用極２２及び対極２３を備えて構成されている。基部２１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。

作用極２２は、基部２１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されている。この作用極２２は、触媒金属がコーティングされて構成されている。かかる触媒金属は、白金原子を有するものであり、より詳細には、白金原子、白金黒、白金担持カーボン、白金合金、窒素含有炭素電析白金の少なくとも１つを含有することが好ましい。尚、この作用極２２の表面の縁部に集電枠２４が設けられている。

対極２３は、基部２１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されている。この対極２３は、作用極２２と同様に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成されている。尚、この対極２３の表面の縁部に集電枠２５が設けられている。

そのような電極部２０は、作用極２２が電解質溶液１３に接する態様で測定孔１２を閉塞している。そして、電極部２０は、作用極２２と対極２３とがそれぞれ導線２６を介して外部電源装置３０に電気的に接続されている。より詳細に説明すると、作用極２２が外部電源装置３０の正極に電気的に接続され、対極２３が外部電源装置３０の負極に電気的に接続されている。

外部電源装置３０は、例えばポテンショスタットにより構成されており、作用極２２の電気化学反応を制御して、その電位・電流を測定するものである。より詳細に説明すると、外部電源装置３０は、電極部２０に０．９Ｖ以下の電圧を印加することで、作用極２２と対極２３との電位差が０．９Ｖ以下となるように制御するものである。この外部電源装置３０による測定結果等は、電気的に接続された上位機器４０に送出される。

以上のような構成を有する過酸化水素濃度検出装置１においては、外部電源装置３０により電極部２０に０．９Ｖ以下の電圧が印加された場合、作用極２２では下記式（２）の酸化反応が発生し、対極２３では空気中の酸素を利用して、下記式（３）の水生成反応が発生する。

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

つまり、上記過酸化水素濃度検出装置１においては、作用極２２にて過酸化水素の酸化反応を発生させ、この酸化反応の電流値を計測することにより、過酸化水素の濃度検出を行うことができる。

以下においては、電極部２０への印加電圧が０．９Ｖ以下で、過酸化水素の濃度検出を行うことができる理由について説明する。

基部２１を「ナフィオン（登録商標）１１７」（ケマーズ製）により形成し、作用極２２として、白金黒よりなる触媒金属（徳力本店製）を基部２１の一面にコーティングして形成し、対極２３として、白金担持カーボン（田中貴金属製）を基部２１の他面にコーティングして形成することにより電極部２０を構成した。そして、電解質溶液１３の濃度を（イ）２５００ｐｐｍ、（ロ）１７５０ｐｐｍ、（ハ）１０００ｐｐｍ、（ニ）３００ｐｐｍ、（ホ）３０ｐｐｍ、（ヘ）３ｐｐｍとした場合の、印加電圧（Ｖ）と電解電流（ｍＡ）との関係を図２に示す。この図２から明らかなように、印加電圧が０．９Ｖ以下においては、電解質濃度が大きくなると電解電流が大きくなる関係があるが、印加電圧が０．９Ｖを超えると、複数の曲線が交差し、上記関係が崩れている。これは、作用極２２において、上記酸化反応の他に、下記式（４）の水の電気分解反応が発生したためと考えられる。

式（４） Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻

つまり、電極部２０に対する印加電圧が０．９Ｖ以下であれば、水の電気分解反応が発生せずに過酸化水素の酸化反応を生じさせることができ、その電流値を計測することにより、過酸化水素の濃度検出を行うことができる。

また、図２での各データについて、印加電圧が（ａ）０．６Ｖ、（ｂ）０．５Ｖ、（ｃ）０．４Ｖ、（ｄ）０．３Ｖ、（ｅ）０．２Ｖの場合の濃度（ｐｐｍ）と電解電流（ｍＡ）との関係を図３に示す。この図３に示すように、各印加電圧の折れ線は、濃度が大きくなると電解電流が大きくなるという正の相関があることが理解される。

そして、印加電圧の折れ線について、それぞれの近似直線からのずれを示す決定係数Ｒ^２は、（ａ）０．６Ｖが「０．９２９１」、（ｂ）０．５Ｖが「０．９８５８」、（ｃ）０．４Ｖが「０．９９７４」、（ｄ）０．３Ｖが「０．９８８１」、（ｅ）０．２Ｖが「０．９８２１」となり、いずれの折れ線も非常に高い直線性を有することが理解される。

このように非常に高い直線性を有することから、外部電源装置３０により測定される電流値から過酸化水素の濃度を算出することができる。特に、電極部２０に対する印加電圧が０．２Ｖ〜０．５Ｖのときには、決定係数Ｒ^２が０．９８以上となることから、極めて直線性を有し、電極部２０に０．２Ｖ〜０．５Ｖの電圧を印加させることが好ましく、更に電極部２０に０．４Ｖの電圧を印加させることがより好ましい。

ところで、図３での各データについて、濃度が（α）全濃度（３ｐｐｍ〜２５００ｐｐｍ）、（β）低濃度（３ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ）、（γ）高濃度（３００〜２５００ｐｐｍ）の場合の印加電圧（Ｖ）と直線性を示す決定係数Ｒ^２との関係を図４に示す。この図４に示すように、低濃度の場合、電極部２０に対する印加電圧が０．５Ｖ〜０．６Ｖのときに特に高い直線性を示すことが明らかであり、これにより、過酸化水素濃度検出装置１においては、過酸化水素の検出濃度が５００ｐｐｍ以下の場合、電極部２０に０．５Ｖ〜０．６Ｖの電圧を印加させることが好ましい。

以上説明したように、本発明の実施の形態である過酸化水素濃度検出装置１によれば、上記構成を有する電極部２０に対して０．９Ｖ以下の電圧を印加させることにより、作用極２２での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して該過酸化水素の濃度検出を行うので、例えば白金や金等で構成される高価な参照極を用いずに過酸化水素の濃度検出を行うことができ、製造コストの低減化を図ることができる。

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。

１…過酸化水素濃度検出装置、１０…反応容器、１１…底部、１２…測定孔、１３…電解質溶液、２０…電極部、２１…基部、２２…作用極、２３…対極、２４，２５…集電枠、２６…導線、３０…外部電源装置、４０…上位機器。

Claims (4)

1. イオン導電性電解質よりなる膜の一方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された作用極を有する一方、前記膜の他方の面に、白金原子を有する触媒金属がコーティングされて構成された対極を有する電極部を備え、
   前記作用極が過酸化水素を含有する溶液に接した状態で前記電極部に０．９Ｖ以下の電圧を印加させることにより、前記作用極での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して該過酸化水素の濃度検出を行うことを特徴とする過酸化水素濃度検出装置。
2. 前記作用極の触媒金属は、白金原子、白金黒、白金担持カーボン、白金合金、窒素含有炭素電析白金の少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項１に記載の過酸化水素濃度検出装置。
3. 前記電極部に０．２Ｖ〜０．５Ｖの電圧を印加させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過酸化水素濃度検出装置。
4. 前記過酸化水素の検出濃度が５００ｐｐｍ以下の場合、前記電極部に０．５Ｖ〜０．６Ｖの電圧を印加させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過酸化水素濃度検出装置。

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