JP7466582B2 - 水電解装置および水電解方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水電解装置および水電解方法に関する。
従来、水を電気分解する際には、水溶液中に陽極および陰極を設けて、電圧を印加する。このとき、陽極側から酸素、陰極側から水素が発生する。ここで、室温における水の理論電解電圧は、約１．２３Ｖであるが、水素の製造効率を考慮すると、水の電解電圧を低くする、すなわち、水の電解電圧を水の理論電解電圧に近くすることが望まれている。
水電解装置としては、陽極と陰極との間に固体高分子電解質膜が挟持されている膜電極接合体を有する固体高分子形水電解装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、膜電極接合体の各部位の抵抗値を低くすることが難しいため、水の電解電圧を一定値より低くすることができない。
本発明は、水の電解電圧を低くすることが可能な水電解装置および水電解方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、水電解装置において、ナノダイヤモンドを含む陽極と、前記陽極に光を照射する光照射部と、を有する。
前記陽極は、２価または３価の遷移金属をさらに含んでもよい。
本発明の他の一態様は、水電解方法において、ナノダイヤモンドを含む陽極に光を照射しながら、水を電気分解する。
前記水は、２価または３価の遷移金属を含んでもよい。
本発明によれば、水の電解電圧を低くすることが可能な水電解装置および水電解方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の水電解装置は、ナノダイヤモンドを含む陽極と、陽極に光を照射する光照射部と、を有する。本実施形態の水電解装置を用いると、陽極に光を照射しながら、水を電気分解させることができる。
陽極に含まれるナノダイヤモンドが光を吸収すると、価電子帯の電子（ｅ－）が伝導帯に遷移するが、伝導帯に遷移した電子が陰極に移動することにより、電流が流れる。ここで、陽極では、価電子帯に生成した空孔が陽極反応（２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－）を進行させる。このように、光エネルギーを利用することにより、水の電解電圧が低くなる。一方、陰極に移動した電子が陰極反応（２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２）を進行させる。
陽極に照射する光としては、ナノダイヤモンドの価電子帯の電子を伝導帯に遷移させることが可能であれば、特に限定されない。
ナノダイヤモンドは、ｓｐ３炭素からなるコア部の表面に、ｓｐ２炭素からなるアモルファス層が形成されており、表面に酸素含有基が存在する。酸素含有基としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、カルボニル基、オキシ基等が挙げられる。
ナノダイヤモンドの粒径は、特に限定されないが、例えば、３ｎｍ以上８ｎｍ以下である。なお、ナノダイヤモンドは、凝集していてもよい。
ナノダイヤモンドの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、化学的気相蒸着（ＣＶＤ）法等が挙げられる。
陽極が２価または３価の遷移金属をさらに含むと、電子の移動が加速されるため、水の電解電圧がさらに低くなる。このとき、ナノダイヤモンドに２価または３価の遷移金属がドープされていてもよい。また、ナノダイヤモンドに２価または３価の遷移金属を担持させてもよい。この場合、２価または３価の遷移金属を含む水を電気分解することで、陽極に２価または３価の遷移金属を導入してもよい。
２価または３価の遷移金属としては、例えば、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｃｏ（ＩＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩ）、Ｍｎ（ＩＩＩ）等が挙げられる。
図１に、本実施形態の水電解装置の一例を示す。
水電解装置１０は、電解槽１１を有し、電解槽１１は、ナノダイヤモンドを含む陽極１１ａと、陰極１１ｂと、陽極１１ａおよび陰極１１ｂを隔てる隔膜としての、プロトン伝導膜１１ｃと、を有する。また、水電解装置１０は、陽極１１ａに光（ｈν）を照射する光照射部と、陽極１１ａおよび陰極１１ｂとの間に電解電圧を印加する電源１２と、を有する。さらに、水電解装置１０は、電解槽１１に原水を供給する配管に、封止弁１３と、流量計（ＦＭ）１４と、抵抗計（ＲＳ）１５が順次設けられており、封止弁１３をバイパスするように、原水から純水を製造する純水製造装置１６が設けられている。また、水電解装置１０は、陰極１１ｂで発生した水素（Ｈ２）を排出する配管に、流量計（ＦＭ）１７が設けられている。さらに、水電解装置１０は、電子制御部（ＥＣＵ）１８を有する。
陰極１１ｂを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ニッケル、モリブデン等が挙げられる。
プロトン伝導膜１１ｃを構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、ナフィオン（登録商標）等が挙げられる。
なお、プロトン伝導膜１１ｃの代わりに、アニオン伝導膜を用いてもよい。この場合、陽極１１ａで発生した酸素（Ｏ２）を排出する配管に、流量計（ＦＭ）１７を設ける。
アニオン伝導膜を構成する材料としては、特に限定されないが、例えば、セレミオン（登録商標）（ＡＧＣエンジニアリング製）等が挙げられる。
電源１２が印加する電解電圧は、特に限定されない。
純水製造装置１６としては、特に限定されないが、例えば、Ｅｌｉｘ Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ（メルク製）等が挙げられる。
電子制御部（ＥＣＵ）１８は、流量計（ＦＭ）１７で検知される水素の流量に基づいて、流量計（ＦＭ）１４で検知される原水の流量を制御する。
なお、純度が高い水を電解槽１１に供給する必要がある場合、電子制御部（ＥＣＵ）１８は、図２に示すように、電解槽１１に供給される水の純度を制御する。
純水製造装置１６を停止した状態で、封止弁１３を開いて電解槽１１に原水を供給しながら、電源１２から陽極１１ａおよび陰極１１ｂとの間に電解電圧を印加するとともに、光照射部から陽極１１ａに光（ｈν）を照射して、電解を開始する（Ｓ１）。次に、流量計（ＦＭ）１４、抵抗計（ＲＳ）１５および流量計（ＦＭ）１７で検知される原水の流量、原水の抵抗および水素の流量の関係が、電源１２の電圧に対して、正常であるかどうかを判定する（Ｓ２）。原水の流量、原水の抵抗および水素の流量の関係が正常である場合は、そのまま電解を継続する。一方、原水の流量、原水の抵抗および水素の流量の関係が正常でない場合は、原水の純度が低いと判断し、封止弁１３を閉じるとともに、純水製造装置１６を起動して、電解槽１１に純水を供給する（Ｓ３）。次に、流量計（ＦＭ）１４、抵抗計（ＲＳ）１５および流量計（ＦＭ）１７で検知される原水の流量、原水の抵抗および水素の流量の関係が、電源１２の電圧に対して、正常であるかどうかを判定する（Ｓ４）。原水の流量、原水の抵抗および水素の流量の関係が正常ではない場合は、Ｓ３に戻る。一方、原水の流量、原水の抵抗および水素の流量が正常である場合は、純水製造装置１６を停止するとともに、封止弁１３を開いた後、電解を継続する。
図３に、水電解装置１０に用いる陽極の一例を示す。
陽極３０は、基板３１の一方の面に、ナノダイヤモンド層３２が形成されている。
基板３１を構成する材料としては、例えば、シリコン、アルミナ等が挙げられる。
陽極３０の製造方法としては、例えば、ナノダイヤモンドを含む塗布液を基板３１の一方の面にスプレー塗布した後、乾燥させることにより、ナノダイヤモンド層３２を形成する方法等が挙げられる。
図４に、水電解装置１０に用いる陽極の他の例を示す。
陽極４０は、基板４１の全面に、ナノダイヤモンド層４２が形成されている。
基板４１を構成する材料としては、例えば、シリコン、アルミナ等が挙げられる。
陽極４０の製造方法としては、例えば、ナノダイヤモンドを含む塗布液を基板４１に浸漬塗布した後、乾燥させることにより、ナノダイヤモンド層４２を形成する方法等が挙げられる。
図５に、水電解装置１０に用いる陽極の他の例を示す。
陽極５０は、ナノダイヤモンドからなる。
陽極５０の製造方法としては、例えば、ナノダイヤモンドを圧縮成形する方法等が挙げられる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。
１０ 水電解装置
１１ 電解槽
１１ａ 陽極
１１ｂ 陰極
１１ｃ プロトン伝導膜
１２ 電源
１３ 封止弁
１４ 流量計（ＦＭ）
１５ 抵抗計（ＲＳ）
１６ 純水製造装置
１７ 流量計（ＦＭ）
１８ 電子制御部（ＥＣＵ）
３０、４０、５０ 陽極
３１、４１ 基板
３２、４２ ナノダイヤモンド層
１１ 電解槽
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１５ 抵抗計（ＲＳ）
１６ 純水製造装置
１７ 流量計（ＦＭ）
１８ 電子制御部（ＥＣＵ）
３０、４０、５０ 陽極
３１、４１ 基板
３２、４２ ナノダイヤモンド層
Claims (2)
- ナノダイヤモンドと、２価または３価の遷移金属と、を含む陽極と、
前記陽極に前記ナノダイヤモンドの価電子帯の電子を伝導帯に遷移させることが可能な光を照射する光照射部と、を有する、水電解装置。 - ナノダイヤモンドを含む陽極に前記ナノダイヤモンドの価電子帯の電子を伝導帯に遷移させることが可能な光を照射しながら、２価または３価の遷移金属を含む水を電気分解する、水電解方法。
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