JP2022021240A - 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検知極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、電極部２０は、基部２１の膜よりも含水による膨潤率が低くてガラス転移点の高い材料から形成され、かつ対極２３の触媒金属からなる層の表面に熱圧着された支持体２４を備えてなり、検知極２２が過酸化水素を含有する過酸化水素水１３に接した状態で電極部２０に所定の電圧を印加させることにより、検知極２２での過酸化水素の酸化反応の電流値を計測して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（検知極、対極及び参照極）に電圧を印加させることにより、検知極にて下記式（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、検知極及び対極以外に、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検知極を有する一方、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た過酸化水素濃度検出装置であって、前記電極部は、前記膜よりも含水による膨潤率が低くてガラス転移点の高い材料から形成され、かつ前記対極の前記触媒金属からなる層の表面に熱圧着された支持体を備えてなり、前記検知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所定の電圧を印加させることにより、前記検知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、前記検知極の触媒金属は、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、前記支持体は、金属メッシュ、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属多孔体、ポリテトラフルオロエチレンより成るメッシュの少なくとも１つにより形成されたことを特徴とする。

また本発明は、上記過酸化水素濃度検出装置において、前記支持体は、１２０℃以上の熱圧着処理により構成されたことを特徴とする。

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検知極を有する一方、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、検知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所定の電圧を印加させることにより、検知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。

しかも、検知極が溶液に接した状態で過酸化水素の酸化反応が起きるようにしているので、検知極の表面全域を過酸化水素の酸化反応に利用することができ、過酸化水素の電解に伴う酸素の発生により生ずる気泡により検知極と溶液との接触面積が低下してしまうことを抑制することができるという効果を奏する。

更に対極の表面に、膜よりも含水による膨潤率が低くてガラス転移点の高い材料から形成された支持体が熱圧着されているので、電極部が膨潤により構造変化してしまうことを抑制す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、電解質溶液の濃度と電解電流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に閉塞されて構成してある。この反応容器１０には、過酸化水素を含有する溶液である過酸化水素水１３が貯留してある。

電極部２０は、基部２１、検知極２２及び対極２３を備えて構成してある。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。

検知極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してある。この検知極２２は、触媒金属がコーティングされて構成してある。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、この検知極２２の表面の縁部に集電枠２５が設けてある。

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してある。この対極２３は、検知極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してある。

そのような対極２３の表面には支持体２４が設けてある。支持体２４は、基部２１を構成するイオン導電性電解質よりなる膜よりも含水による膨潤率が低く、かつ該膜よりもガラス転移点の高い材料から形成され、金属メッシュ、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属多孔体、ポリテトラフルオロエチレンより成るメッシュの少なくとも１つにより形成されることが好ましい。本実施の形態においては、支持体２４は、カーボンペーパーにより形成されているものとする。かかる支持体２４は、例えば１２０℃以上の熱圧着処理により、対極２３の表面に熱圧着されて設けてある。尚、この支持体２４の表面の縁部に集電枠２６が設けてある。

ここで支持体２４を形成する材料が基部２１を構成する膜よりもガラス転移点が高いので、例えば１２０℃以上の熱圧着処理で破壊されることなく対極２３の表面に良好に設けることができる。しかも、熱圧着処理での最低温度である１２０℃は、基部２１を構成する膜（イオン導電性電解質）のガラス転移温度であり、この温度以上で熱圧着処理を行うことにより、検知極２２、基部２１、対極２３及び支持体２４を良好に圧着させることができる。

そのような電極部２０は、検知極２２が過酸化水素水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、検知極２２と対極２３とがそれぞれ導線２７を介して外部電源装置３０に電気的に接続してある。より詳細に説明すると、検知極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してある。

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、検知極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に所定の電圧（例えば０．２Ｖ～０．５Ｖの電圧）を印加することで、検知極２２と対極２３との電位差が０．２Ｖ～０．５Ｖ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０．２Ｖ～０．５Ｖの電圧（例えば０．４Ｖの電圧）が印加された場合、検知極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、検知極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。

以下に実験例について説明する。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、検知極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し、支持体２４として、撥水層付きのカーボンペーパーを対極２３の表面に１２０℃以上の熱圧着処理により熱圧着することにより電極部２０を構成した。そして、過酸化水素水１３の濃度を５～２５００ｐｐｍの範囲で変化させ、該電極部２０に０．４Ｖの電圧を印加し、濃度別の過酸化水素の電解電流値を計測した。過酸化水素水１３の濃度（ｐｐｍ）と電解電流（ｍＡ）との関係を図２に示す。

この図２に示すように、過酸化水素水１３における過酸化水素の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。しかも、０．４Ｖの印加電圧の折れ線については、近似直線からのずれを示す決定係数Ｒ２が「０．９９７４」となり、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。

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に対して所定の電圧（０．２Ｖ～０．５Ｖの電圧）を印加させることにより、検知極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。

しかも、基部２１の一面に触媒金属がコーティングされて構成された検知極２２が過酸化水素水１３に接した状態で過酸化水素の酸化反応が起きるようにしているので、検知極２２の表面全域を過酸化水素の酸化反応に利用することができ、過酸化水素の電解に伴う酸素の発生により生ずる気泡により検知極２２と過酸化水素水１３との接触面積が低下してしまうことを抑制することができる。

更に対極２３の表面に、基部２１を構成する膜よりも含水による膨潤率が低くてガラス転移点の高い材料から形成された支持体２４が熱圧着されているので、電極部２０が膨潤により構造変化してしまうことを抑制することができる。

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。

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…過酸化水素水、２０…電極部、２１…基部、２２…検知極、２３…対極、２４…支持体、２５，２６…集電枠、２７…導線、３０…外部電源装置、４０…上位機器。

Claims (5)

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検知極を有する一方、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た過酸化水素濃度検出装置であって、
   前記電極部は、前記膜よりも含水による膨潤率が低くてガラス転移点の高い材料から形成され、かつ前記対極の前記触媒金属からなる層の表面に熱圧着された支持体を備えてなり、
   前記検知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所定の電圧を印加させることにより、前記検知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. 前記検知極の触媒金属は、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. 前記支持体は、金属メッシュ、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属多孔体、ポリテトラフルオロエチレンより成るメッシュの少なくとも１つにより形成されたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の過酸化水素濃度検出装置。
5. 前記支持体は、１２０℃以上の熱圧着処理により構成されたことを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の過酸化水素濃度検出装置。

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