JPH04131392A - 電気化学用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、水電解反応等の各種電解あるいは燃料電池等
に使用できる多孔質電気化学用電極及び該電極を使用す
る電気化学装置に関する。

（従来技術とその問題点） ゼロギャップ型あるいはＳＰＥ型の燃料電池及び電気分
解用の電極として微細な多孔質材料が多く使用されてい
る。このような多孔質電極材料は、良好な導電性を有す
ること、微細で均一な多孔を有すること、槽構成時に隔
膜や固体電解質等の他部材との間で良好な密着性を得る
ための弾性を有すること、気液透過性が良好であること
、耐久性に優れること等が要求される。

チタンやタンタル等の弁金属やこれらの合金は十分な耐
久性及び導電性を有するため電解用電極材料、特に陽極
材料として従来から広く使用されている。該材料を用い
た多孔性の電極を製造するためには、例えば金属の粉末
を適切な粘結側と混練、焼結及び成型するか、あるいは
該金属の薄膜又は板を機械加工あるいはエツチング加工
し、あるいは金属短繊維を焼結及び成型する方法等が知
られている。

しかしこれらの方法で製造される電極はそれぞれに欠点
を有し、例えば粉末焼結体は強度が小さく空孔率を大き
くできないとともに弾性力に乏しい。又薄板加工品は微
細構造としての均一性が不十分となる。更に短繊維焼結
体は強度及び均−性等について前記２種類の電極より良
好であるが、微細構造としての均一性、弾性強度の面で
不十分である。そのため前記微細構造の電極を水電解や
燃料電池等の電極として使用しても電圧の低減を図るこ
とができず、又寿命が短くなるといった問題点を有して
いる。

（発明の目的） 本発明は、上述した微細構造を有する電極の有する問題
点を解決し、特に電圧低減効果に優れかつ寿命の長い電
極、及び該電極を使用する電気化学装置を提供すること
を目的とする。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明は、第１に弁金属又はその合金から成る長繊維を
焼結した基体上に触媒物質を担持させて成る電気化学用
電極であり、第２にこの電極を固体電解質に密着させた
ことを特徴とする電気化学装置である。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明は、電極構成材料として弁金属から成る微細径の
長繊維を使用することを特徴とし、該長繊維の使用によ
り強度及び弾性が向上しかつ組織の均−性及び柔軟性が
向上して全体に均一に電流を流すことが可能になるため
、長寿命化と電圧の低減を図ることが可能になる。

本発明で使用する電極構成材料は弁金属、つまりチタン
、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、モ
リブデン等の金属及びそれらの合金から選択され、これ
らの金属等を使用する理由は該金属等が酸化力に対する
耐性を存しており化学的物理的に安定であるからである
。これらの弁金属等は微細径の長繊維として使用する。

つまり繊維径が１〜１００μｍ好ましくは５〜５０μｍ
、繊維長が１〜３００１好ましくは５〜２００ｍｍであ
る繊維状弁金属を使用する。この長繊維は、伸線法や薄
膜切断法等の従来法に従って製造することができ、これ
らの多数の長繊維弁金属を焼結し例えば板状の基体とし
て使用する。焼結条件は特に限定されず従来の焼結条件
で焼結すれば良く、例えばウェブ状に絡み合わせてから
成形し高温真空下でプレス処理等により多孔質長繊維基
体とする。該多孔質基体の空孔率は４０〜８０％が好ま
しく、又厚さは０．０５〜５ＩＩＩＬＩ＋が好ましい。

次いで該基体上に触媒物質を担持させ電極とする。本発
明に係わる電極はその使用方法は特に限定されず、基体
上の該触媒物質の担持箇所も特に限定されないが、本発
明に係わる電気化学装置では固体電解質を使用すること
が好適であり、該固体電解質に接触する基体の面に前記
触媒物質を担持させる。触媒物質は特に限定されないが
白金やパラジウム等の白金族金属あるいは金属酸化物と
することが好ましく、この他に白金等を下地層として使
用しこの上にオゾン生成用の好ましい触媒である二酸化
鉛を被覆するようにしてもよい。この担持法も特に限定
されず従来の方法を適宜選択できるが、触媒金属の化合
物溶液を基体上に塗布し焼成して前記化合物を対応する
金属に還元して担持させる熱分解法を採用することが望
ましい。

なお該電気化学用電極のより以上の構造強化のために、
例えば該電極を多孔質の補助部材等と一体化成型又は溶
接等により一体化してもよい。

このようにして製造された電極は、長い多数の長繊維に
より構成されているため短繊維を不規則に絡み合わせて
焼結した電極よりも全体的な構造強度が高く弾性も向上
し、又組織の均一性が高くなっている。

この電極を固体電解質等の隔膜に密着させて電解を行う
いわゆるゼロギャップ型の電解では、電極を前記隔膜に
均一かつ弾性的に押しつけて均一な電流分布が達成され
るようにすることが望ましい。本発明の電極は前述した
通り組織に均一性があり、隔膜等に近接した該電極を該
隔膜方向に押圧すると該電極が均一に前記隔膜に接触し
て均一な電流分布を得ることができ、これにより電解電
圧の低減を達成することができる。又この電極は、リン
酸型燃料電池の電極等の各種電気化学装置に使用できる
。

次に本発明の！極を使用する水電解によるオゾン発生装
置の一例を添付図面に基づいて説明する。

添付図面は、本発明に係わる電極を使用するオゾン発生
装置の一例を示す概略継断面図である。

装置本体１の中央にはフッ素樹脂製のイオン交模膜等か
ら成る固体電解質２が設置され、該固体電解質２の左面
には上下左右の周辺部を除いて、弁金属の長繊維焼結体
であり前記固体電解質２側の面に白金や二酸化鉛等の触
媒が担持された電解用陽極３が接触している。該電解用
陽極３の左面には該陽極３に電気的に接合された多孔質
の補助部材４が接合され、該補助部材４は前記陽極３を
保持しかつ補強している。前記陽極３及び補助部材４の
周囲にはオゾン耐性を有するガスケット５が設置され、
更に前記補助部材４及びガスケット５の左面には、電解
液及び発生ガスの供給及び排出用の溝６及びノズル（図
示略）を有する陽極用給電エレメント７が密着状態で配
置されている。

前記固体電解質２の右面には上下左右の周辺部を除いて
、該固体電解ｆ２例の面に白金等の触媒が担持された多
孔質のステンレスや炭素繊維から成る陰極８が接触して
いる。該陰極８の右面には該陰極８に電気的に接合され
た多孔質の補助部材９が接合され、該補助部材９は前記
陰極８を保持しかつ補強している。前記陰極８及び補助
部材９の周囲にはガスケント１０が設置され、更に前記
補助部材９の右面には、該補助部材９を左方に強（弾性
的に押圧して前記陽極給電エレメント７、補助部材４、
電解用陽極３、固体電解質２、陰極３及び補助部材９を
互いに強く密着させるための弾性部材１１が配設されて
いる。該弾性部材１１の右方には電解液及び発生ガスの
排出用の溝１２及びノズル（図示略）を有する陰極用給
電エレメント１３が密着状態で配置されている。

このような構成から成るオゾン発生装置の給電エレメン
ト７．１３間に通電しながら純水等の電解液を供給する
と、電解液は溝６から陽極側に導入され補助部材４を通
過して電解用陽極３に達する。

この陽極３面上特に担持された触媒上で水電解が生じて
オゾン及び酸素の混合ガスが発生し、この混合ガスは前
記溝６から系外に取り出される。又陰極８上で水電解に
よる水素ガス発生が生じ、該水素ガスは給電エレメント
１３の溝１２から系外に取り出される。

図示の装置では、電解用陽極３が長繊維焼結体であり十
分な強度及び均一な組織を有しかつ該陽極３が弾性部材
１］により強固に固体電解質２に密着して均一な電流分
布を可能にしているため、長寿命で電解電圧が低減しか
つ電流密度を向上させることのできる電解用電極を提供
することができる。

（実施例） 次に添付図面に示す装置によるオゾン製造の実施例を記
載するが、該実施例は本発明を限定するものではない。

丈施拠上 添付図面に示すオゾン発生装置を使用して水電解による
オゾン製造を行った。

０．２　ｍｍ厚で空孔率約６５％のチタン長繊維焼結体
（原長繊維は直径３０ｕｍ、長さ１００ｍｍ）　、をア
セトン脱脂後、白金２００ｇ／ｊ２を含む塩酸溶液に浸
漬し４５０℃１０分間の焼成操作を５回繰り返して白金
下地層を前記焼結体上に形成した。

前処理を施した補助部材であるチタンメツシュ（メソシ
ュの長径３１、短径２ｍｍ、厚さ０．２　ｍｍ）に前記
焼結体をスポット溶接し一体化した焼結体及び補助部材
を、硝酸鉛水溶液に浸漬して二酸化鉛を電着させ（電着
条件：６５°Ｃ１２Ａ／ｄｍ２．３０分）、これを陽極
とした。

一方陰極としては、白金めっきを施した粒径０．１μｍ
の炭素粒子と、粒径０．５μｍのポリテトラフルオロエ
チレン粒子を混練したペーストを炭素系多孔性基体上に
塗布後４００°Ｃにて３０分間焼成したものを使用した
。

このように作製した電極をナフィオン（デュポン社の商
品名）１１７に密着させてゼロギャップ型の電解装置を
組み立て、１００Ａ／ｄｍ２．３０℃で純水を電解して
オゾン製造を行ったところ、電解電圧３．１■、オゾン
発生の電流効率１６％でオゾンを得ることができた。

実美貫ｌ 径が３０μｍであり長さが７Ｏｎ＋ｍである原長繊維か
らウェブ状のチタン長繊維成型品を製造し、該長繊維成
型品と、径が５０μｍであり長さが３ｍｍであるチタン
製ビビリ繊維（未成型品）を高温真空プレス（１，００
ｋｇ／ｃｏりで焼結して二重構造体を作製した（チタン
長繊維部分の仕上がり厚さは３＋ｎｎ＋、空孔率５０％
）。この構造体に実施例１と同一条件で白金下地層、及
び二酸化鉛電着層を形成し、実施例１と同一条件でオゾ
ン製造を行ったところ、電解電圧２．９■、オゾン発生
の電流効率１８％でオゾンを得ることができた。

ル較開 実施例２で使用したチタン製ビビリ繊維（径が５０、ｃ
ｚｍ、長さ３ｍｍ）の焼結体（空孔率７０％）ニ二酸化
鉛電着を行い、実施例１及び２と同様にオゾン製造を行
ったところ、電解電圧は３．２■、オゾン発生の電流効
率は１５％であった。

実施例と比較例を比較すると、実施例の装置を使用する
ことにより電解電圧が０．１〜０．３ｖが低下し、電流
効率が１〜３％向上することが判る。

（発明の効果） 本発明に係わる電気化学用電極は、弁金属又はその合金
から成る長繊維を焼結した基体上に触媒物質を担持させ
て成るものである。

二の電極は、長い多数の長繊維を例えば絡み合わせるこ
とにより構成されているため粉末や短繊維を焼結した電
極よりも全体的な強度が高く、組織の均一性や柔軟性が
高くなっている。従って電極の長寿命化と摺電圧の低減
を図ることができる。

又本発明に係わる電気化学装置は、前記電極を固体電解
質に密着させたことを特徴とする電気化学装置である。

この装置によると前記電極を弾性的に固体電解質に密着
させることができ、均一な＆ｌｌ織を有する電極が更に
均一に固体電解質に密着して電流が均一に流れて電気化
学装置性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明に係わる電気化学用電極を使用する
オゾン発生装置の一例を示す概略縦断面図である。 １・・・装置本体　２・・・固体電解質３・・・電解用
陽極　４・・・補助部材５　・ ７　・ ９　・ １１・ １３・ ・ガスケット　６ ・給電エレメント ・補助部材　１０ ・弾性部材　１２・ ・給電エレメント ・溝 ８−・・陰極 ・ガスケット ・溝 　ｆ０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）弁金属又はその合金から成る長繊維を焼結した基
   体上に触媒物質を担持させて成る電気化学用電極。
2. （２）弁金属又はその合金から成る長繊維を焼結した基
   体上に触媒物質を担持させた電気化学用電極を固体電解
   質に密着させたことを特徴とする電気化学装置。