JP4377184B2 - 電気化学式空気清浄デバイス - Google Patents
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Description
また、触媒電極とイオン交換膜からなる膜−触媒電極接合体としては、固体高分子型燃料電池におけるデバイスとして種々の構成のものが提案されている。このような固体高分子型燃料電池における膜−触媒電極接合体は、燃料となるメタノール、水素等を酸素等の酸化剤により酸化して不可逆的に電子(電気)を取り出すためのものである(例えば、非特許文献2、特許文献4、5)。
上記(1)陽極及び(3)陰極の各触媒電極層が夫々含有する触媒物質は、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムの単体金属またはこれらの合金から選ばれるものであり、
空気清浄が、(1)陽極触媒電極層において陽極反応により、空気中に含まれる有害ガス成分が酸化分解し、他方、(3)陰極触媒電極層において陰極反応が生じ、さらに、(2)イオン交換膜において前記(1)陽極触媒電極層の陽極反応または(3)陰極触媒電極層の陰極反応で生成したイオンが、これら陽極触媒電極層と陰極触媒電極層との間で輸送される
ことによりなされる電気化学式空気清浄用デバイスである。
2NH3 → N2 + 6H+ + 6e− (1)
で示される電気化学反応を起こし、窒素とプロトンと電子が生成する。膜−触媒電極接合体におけるイオン交換膜として陽イオン交換膜を採用しておけば、この反応で生じた水素陽イオン(プロトン)は、該陽イオン交換膜を通って反対側の陰極触媒電極層に移動し、下記式(2)
6H+ + 6e− + 3/2O2 → 3H2O (2)
で示される反応によって水を生じる。
2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O
としてまとめられる反応が起きていることになる。すなわち、本発明の電気化学式空気清浄デバイスを用い、電圧を印加することにより上記式(1)及び(2)の反応を強制的に発生させ、悪臭成分であるアンモニアを無臭無害の窒素と水に分解除去することが可能となる。
スルホン化ポリスチレン−ポリ(エチレン−ブチレン)−ポリスチレントリブロック共重合体の5重量%溶液と炭素担持白金触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC10E50E」、炭素担体:ケッチェンブラックEC、白金担持量:50重量%)とを樹脂固形分と炭素担持金属触媒が重量比で3対7となるように混合して得た混合物(懸濁液)を、ポリエチレン多孔質膜を母材とし、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体をクロロスルホン酸でスルホン酸基を導入した、陽イオン交換容量が2.4mmol/gで厚みが30μmである炭化水素系陽イオン交換膜の両面に、スクリーン印刷法によって塗布、乾燥し、膜−触媒電極接合体を作成した。次いで、得られた膜−触媒電極接合体への電圧印可効率を高めるため、その両側から厚みが200μmで空孔率が80%のカーボンペーパーで挟み込み、さらに電圧印可用の電極を両側に取付けて空気清浄用デバイスを作成した。得られたデバイスの空気との接触面積は片面あたり25cm2であった。次いで当該デバイスを、ガス導入口及びガス採取口、槽内の内気循環用ファンを取付けた容量27リットル(幅、高さ、奥行とも300mm(内寸))のアクリル製測定槽中に設置し、電圧印可用電極にリード線を取付けた後、測定槽中の各ガス濃度が40ppmとなるように所定量のガスを注入した。なお、表1に本発明の実施例で用いたガスの種類を示す。測定槽内の循環用ファンを起動して、槽内に設置した空気清浄用デバイスに3.0Vの電圧を印可し、30分、1時間後のガス濃度を測定し、空気清浄効果を調べた。結果を表2、3に示す。なお、これらのガスの濃度測定にはガステック製ガス検知管を用いて行った。
実施例1に記載の膜−触媒電極接合体の作成方法において、炭素担持白金触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC10E50E」)の替わりに、炭素担持白金−ルテニウム触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC60E50」、炭素担体:ケッチェンブラックEC、白金担持量:32重量%、ルテニウム担持量:18重量%)を用いて膜−触媒電極接合体を作成したほかは、実施例1と同様の方法により評価した。結果を表2、3に示した。
パーフルオロカーボン系陽イオン交換樹脂Nafion(登録商標)の5重量%溶液(デュポン社製)と、実施例3では炭素担持白金触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC10E50E」)とを、実施例4では炭素担持白金−ルテニウム触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC60E50」)とを、樹脂固形分と炭素担持金属触媒が重量比で3対7となるように混合して得た混合物(懸濁液)を、厚さ50μmのポリエチレンテレフタレート(以下、PET)フィルム上にスクリーン印刷によって塗布、乾燥し触媒電極層を形成した。次いで得られたPETフィルム上の触媒電極層をパーフルオロカーボン系陽イオン交換膜であるNafion(登録商標)117の両面に重ね合わせ、130℃で圧力5MPaの加圧下で3分間熱圧着することによりイオン交換膜上に前記触媒電極層を転写し、膜−触媒電極接合体を作成した。次いで、実施例1と同様の方法により空気清浄用デバイスを作成し、実施例1と同様の方法により評価した。結果を表2、3に示した。
ポリエチレン多孔質膜を母材とし、クロロメチルスチレン−ジビニルベンゼン共重合体をトリメチルアミンで4級化してアンモニウム基を導入した、陰イオン交換容量が2.2mmol/gで厚みが30μmである陰イオン交換膜の両面に、ポリクロロメチルスチレンの5重量%テトラヒドロフラン溶液とテトラメチルヘキサメチレンジアミンの5重量%テトラヒドロフラン溶液とを重量比で3対1となるように混合した陰イオン交換性樹脂溶液と、炭素担持白金触媒(田中貴金属工業製、商品名「TEC10E50E」、炭素担体:ケッチェンブラックEC、白金担持量:50重量%)を、樹脂固形分と炭素担持金属触媒が重量比で3対7となるように混合して得た混合物(懸濁液)を、スクリーン印刷法によって塗布、乾燥し、ついで1Nの水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して対イオンであるハロゲン化物イオンを水酸化物イオンに置換させてアニオン交換型の膜−触媒電極接合体を作成した。実施例1と同様の方法により空気清浄用デバイスを作成し、実施例1と同様の方法により評価した。結果を表2〜3に示した。
実施例1に記載の方法において、空気清浄デバイスに印可する電圧を印可しなかったほかは、実施例1と同様の評価を行なった。その結果を合わせて表2、3に示した。
実施例1に記載の膜−触媒電極接合体の作成方法において、炭素担持白金触媒の代わりに、電子導電性を有する炭素粉末であるケッチェンブラックEC(ケッチェンブラックインターナショナル製)のみを用いて、金属触媒を添加しなかった(触媒電極層とはなっていない)ほかは、実施例1と同様の評価を行なった。その結果を合わせて表2、3に示した。
実施例1に記載の方法において、膜−触媒電極接合体を用いた空気清浄デバイスの代わりに、市販の酸化マンガン触媒を担持したハニカム状フィルター25cm2をアクリル製測定槽中に設置し、実施例1と同様の評価を行なった。その結果を合わせて表2、3に示した。
実施例1に記載の方法において、膜−触媒電極接合体を用いた空気清浄デバイスの代わりに、市販の比表面積1300m2/gを有するハニカム状活性炭吸着フィルター25cm2をアクリル製測定槽中に設置したほかは、実施例1と同様の評価を行なった。その結果を合わせて表2、3に示した。
2;陽極ガス透過性電極
3;陰極ガス透過性電極
4;陽極触媒電極層
5;陰極触媒電極層
6;イオン交換膜
Claims (3)
- (1)陽極触媒電極層、(2)イオン交換膜、(3)陰極触媒電極層がこの順に積層された膜−触媒電極接合体、および上記(1)陽極触媒電極層側が正で、(3)陰極触媒電極層側が負になるように電圧を印加させる電源を備えた電気化学式空気清浄用デバイスであって、
上記(1)陽極及び(3)陰極の各触媒電極層が夫々含有する触媒物質は、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムの単体金属またはこれらの合金から選ばれるものであり、
空気清浄が、(1)陽極触媒電極層において陽極反応により、空気中に含まれる有害ガス成分が酸化分解し、他方、(3)陰極触媒電極層において陰極反応が生じ、さらに、(2)イオン交換膜において前記(1)陽極触媒電極層の陽極反応または(3)陰極触媒電極層の陰極反応で生成したイオンが、これら陽極触媒電極層と陰極触媒電極層との間で輸送される
ことによりなされる電気化学式空気清浄用デバイス。 - (2)イオン交換膜が陽イオン交換膜であり、(1)陽極触媒電極層において陽極反応により、空気中に含まれる有害ガス成分が酸化分解してプロトンが生成し、該プロトンが上記陽イオン交換膜をとおって陽極触媒電極層側から陰極触媒電極層側に輸送される構造である請求項1記載の電気化学式空気清浄用デバイス。
- 請求項1記載の電気化学式空気清浄デバイスを用いた空気清浄用装置。
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