JPH09316675A - 高純度酸素の製法および電解セル - Google Patents
高純度酸素の製法および電解セルInfo
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- JPH09316675A JPH09316675A JP8137847A JP13784796A JPH09316675A JP H09316675 A JPH09316675 A JP H09316675A JP 8137847 A JP8137847 A JP 8137847A JP 13784796 A JP13784796 A JP 13784796A JP H09316675 A JPH09316675 A JP H09316675A
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- electrolyte membrane
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
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- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 純水の電気分解法を利用し、低コストで高純
度の酸素ガスを容易に得ること。 【解決手段】 水素酸素発生装置によって高純度の酸素
ガスを製造するに際して、正負両電極板のあいだに固体
電解質膜３によって仕切られた酸素ガス発生室と水素ガ
ス発生室とを有し、且つ前記固体電解質膜３の中間部に
白金族金属粒子（白金族金属粒子が担持された粒子であ
ってもよい）Ｐが固体電解質膜３表面の多孔質メッキ層
１２とは電気的絶縁状態で配設された電解セルを用い、
電解セルの酸素ガス発生室に純水を供給しながら電気分
解することにより発生した酸素ガスの一部と前記電解セ
ルの水素ガス発生室で発生して電解セルの固体電解質膜
３中を陽極側へ透過拡散する水素ガスとを、前記白金族
金属の触媒作用によって化合せしめて酸素ガス中の水素
ガス濃度を低減する。
度の酸素ガスを容易に得ること。 【解決手段】 水素酸素発生装置によって高純度の酸素
ガスを製造するに際して、正負両電極板のあいだに固体
電解質膜３によって仕切られた酸素ガス発生室と水素ガ
ス発生室とを有し、且つ前記固体電解質膜３の中間部に
白金族金属粒子（白金族金属粒子が担持された粒子であ
ってもよい）Ｐが固体電解質膜３表面の多孔質メッキ層
１２とは電気的絶縁状態で配設された電解セルを用い、
電解セルの酸素ガス発生室に純水を供給しながら電気分
解することにより発生した酸素ガスの一部と前記電解セ
ルの水素ガス発生室で発生して電解セルの固体電解質膜
３中を陽極側へ透過拡散する水素ガスとを、前記白金族
金属の触媒作用によって化合せしめて酸素ガス中の水素
ガス濃度を低減する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高純度酸素の製法お
よび水素酸素発生装置用電解セル（以下、単に電解セル
という）に関する。さらに詳しくは、水電気分解式の水
素酸素発生装置によって製造される酸素ガス中に混入す
るおそれのある不純物としての水素ガスを、酸素ガスと
の化学反応によって除去することにより、高純度の酸素
ガスを製造する方法、およびこの酸素ガスの製法に好適
に用いられる電解セルに関する。
よび水素酸素発生装置用電解セル（以下、単に電解セル
という）に関する。さらに詳しくは、水電気分解式の水
素酸素発生装置によって製造される酸素ガス中に混入す
るおそれのある不純物としての水素ガスを、酸素ガスと
の化学反応によって除去することにより、高純度の酸素
ガスを製造する方法、およびこの酸素ガスの製法に好適
に用いられる電解セルに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、半導体製造や液晶製造における熱酸化、拡散、水素
燃焼酸化、エッチングおよび化学蒸着（ＣＶＤ）等、広
い用途で高純度の酸素ガスが用いられている。
来、半導体製造や液晶製造における熱酸化、拡散、水素
燃焼酸化、エッチングおよび化学蒸着（ＣＶＤ）等、広
い用途で高純度の酸素ガスが用いられている。
【０００３】酸素ガスの製法としては、空気を原料とす
る深冷分離法や純水を原料とする電気分解法が用いられ
る。
る深冷分離法や純水を原料とする電気分解法が用いられ
る。
【０００４】深冷分離法の場合は空気を原料とするた
め、空気中の一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の炭素
系不純物、および窒素やアルゴン等の不活性ガスが酸素
ガス中に混入するため、通常の酸素純度は９９．７％程
度となる。
め、空気中の一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の炭素
系不純物、および窒素やアルゴン等の不活性ガスが酸素
ガス中に混入するため、通常の酸素純度は９９．７％程
度となる。
【０００５】また、電気分解法の場合は前記不純物ガス
の混入が激減するため、前記深冷分離法による場合に比
較すると、より純度の高い酸素ガスが得られる。しか
し、同時に発生した水素ガスのうちの微量部分が酸素ガ
ス発生側に向かって電解質膜中を透過、拡散して酸素ガ
スに混入するため、その純度は９９．９％程度にしかな
らない。
の混入が激減するため、前記深冷分離法による場合に比
較すると、より純度の高い酸素ガスが得られる。しか
し、同時に発生した水素ガスのうちの微量部分が酸素ガ
ス発生側に向かって電解質膜中を透過、拡散して酸素ガ
スに混入するため、その純度は９９．９％程度にしかな
らない。
【０００６】したがって、より高純度の酸素ガスを必要
とする前述のごとき産業分野では、触媒燃焼−吸着式の
精製装置を別途備えることにより、深冷分離法や電気分
解法で得られた酸素ガスから不純物を除去してより高純
度の酸素ガスを得ている。
とする前述のごとき産業分野では、触媒燃焼−吸着式の
精製装置を別途備えることにより、深冷分離法や電気分
解法で得られた酸素ガスから不純物を除去してより高純
度の酸素ガスを得ている。
【０００７】また、最近では、深冷分離において二段精
留を行うことにより、９９．９９９９％程度の高純度酸
素ガスを得る方法が実用化されているが、製造コストが
大幅に上昇するという問題がある。
留を行うことにより、９９．９９９９％程度の高純度酸
素ガスを得る方法が実用化されているが、製造コストが
大幅に上昇するという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本願発明はかかる課題を
解決するためになされたものであり、水の電気分解法を
利用する酸素ガスの製法において、水素酸素発生装置中
の電解セル内に白金族金属を化学反応用触媒として利用
し、酸素ガス中に混入しようとする水素ガスを酸素ガス
と化合せしめて水として除去するものである。
解決するためになされたものであり、水の電気分解法を
利用する酸素ガスの製法において、水素酸素発生装置中
の電解セル内に白金族金属を化学反応用触媒として利用
し、酸素ガス中に混入しようとする水素ガスを酸素ガス
と化合せしめて水として除去するものである。
【０００９】また、水の電気分解法に使用される水素酸
素発生装置中の電解セル内に、化学反応用触媒としての
白金族金属を配設することにより、酸素ガスに水素ガス
が混入することを防止して高純度酸素ガスの製造を可能
としたものである。
素発生装置中の電解セル内に、化学反応用触媒としての
白金族金属を配設することにより、酸素ガスに水素ガス
が混入することを防止して高純度酸素ガスの製造を可能
としたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の高純度酸素の製法は、水
素酸素発生装置によって高純度の酸素ガスを製造するに
際して、正負両電極のあいだに電解質膜によって仕切ら
れた酸素ガス発生室と水素ガス発生室とを有し且つ前記
電解質膜内および／または電解質膜近傍に白金族金属が
電極とは電気的絶縁状態で配設された電解セルを用い、
該電解セルの酸素ガス発生室に純水を供給しながら電気
分解することにより発生した酸素ガスの一部と前記電解
セルの水素ガス発生室で発生して電解セルの電解質膜中
を陽極側へ透過拡散する水素ガスとを、前記白金族金属
の触媒作用によって化合せしめて酸素ガス中の水素ガス
濃度を低減するものである。
素酸素発生装置によって高純度の酸素ガスを製造するに
際して、正負両電極のあいだに電解質膜によって仕切ら
れた酸素ガス発生室と水素ガス発生室とを有し且つ前記
電解質膜内および／または電解質膜近傍に白金族金属が
電極とは電気的絶縁状態で配設された電解セルを用い、
該電解セルの酸素ガス発生室に純水を供給しながら電気
分解することにより発生した酸素ガスの一部と前記電解
セルの水素ガス発生室で発生して電解セルの電解質膜中
を陽極側へ透過拡散する水素ガスとを、前記白金族金属
の触媒作用によって化合せしめて酸素ガス中の水素ガス
濃度を低減するものである。
【００１１】したがって、従来のように酸素ガスを一旦
収集した後でこの酸素ガスから不純物を除去するのでは
なく、ガスの製造装置（水素酸素発生装置）内におい
て、まさに酸素ガスに混入しつつある水素ガスを、発生
したばかりの酸素ガスと反応させて水にしてしまうた
め、効率よく不純物水素ガスを除去することができる。
また、白金族金属の触媒にガスを長時間接触させておく
必要がないことも相まって、酸素ガスの純化のための特
別な装置を必要としない。加えて、純水を電気分解する
ことにより製造するため、水素ガス以外の不純物はほと
んど混入しない。したがって、不純物としては水素ガス
のみを除去すればよいので容易である。
収集した後でこの酸素ガスから不純物を除去するのでは
なく、ガスの製造装置（水素酸素発生装置）内におい
て、まさに酸素ガスに混入しつつある水素ガスを、発生
したばかりの酸素ガスと反応させて水にしてしまうた
め、効率よく不純物水素ガスを除去することができる。
また、白金族金属の触媒にガスを長時間接触させておく
必要がないことも相まって、酸素ガスの純化のための特
別な装置を必要としない。加えて、純水を電気分解する
ことにより製造するため、水素ガス以外の不純物はほと
んど混入しない。したがって、不純物としては水素ガス
のみを除去すればよいので容易である。
【００１２】本発明の電解セルは、正負両電極のあいだ
に電解質膜によって仕切られた酸素ガス発生室と水素ガ
ス発生室とを備えてなる電解セルであって、前記電解質
膜内および／または電解質膜近傍に電極とは電気的絶縁
状態で白金族金属が配設されていることを特徴としてい
る。
に電解質膜によって仕切られた酸素ガス発生室と水素ガ
ス発生室とを備えてなる電解セルであって、前記電解質
膜内および／または電解質膜近傍に電極とは電気的絶縁
状態で白金族金属が配設されていることを特徴としてい
る。
【００１３】かかる構成によって本発明の電解セルは、
従来の電解セルに比べて特別複雑な機構を配設する必要
なく、叙上のごとき高効率な不純物除去を可能とする。
また、前述した従来の精製装置では、市販の標準品はそ
の使用圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2 ｇ未満となっており、そ
れ以上の高圧仕様の装置を使用するとなればガス精製コ
ストが大幅に上昇するのであるが、水封式の高圧型水素
酸素発生装置を用いて高圧の酸素ガスを製造する場合に
は、本発明の電解セルを使用することにより、前記コス
トアップの問題が解消される。
従来の電解セルに比べて特別複雑な機構を配設する必要
なく、叙上のごとき高効率な不純物除去を可能とする。
また、前述した従来の精製装置では、市販の標準品はそ
の使用圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2 ｇ未満となっており、そ
れ以上の高圧仕様の装置を使用するとなればガス精製コ
ストが大幅に上昇するのであるが、水封式の高圧型水素
酸素発生装置を用いて高圧の酸素ガスを製造する場合に
は、本発明の電解セルを使用することにより、前記コス
トアップの問題が解消される。
【００１４】前記電解セルにおいて、電解質膜の内部に
前記白金族金属粒子を埋設しておくのが、電解質膜を透
過しつつある水素ガスと酸素ガスとを直接反応させるこ
とができるので高効率な不純物除去を可能とする点で好
ましい。白金族金属粒子の埋設方法としては、電解質膜
へ直接埋設したり、電気絶縁物質へ担持させた後に電解
質膜へ埋設することが可能である。たとえば、固体高分
子電解質膜の所定部位への直接イオン交換、電気絶縁物
質（多孔質担体）にイオン交換または含浸したものの塗
布等が採用されうる。
前記白金族金属粒子を埋設しておくのが、電解質膜を透
過しつつある水素ガスと酸素ガスとを直接反応させるこ
とができるので高効率な不純物除去を可能とする点で好
ましい。白金族金属粒子の埋設方法としては、電解質膜
へ直接埋設したり、電気絶縁物質へ担持させた後に電解
質膜へ埋設することが可能である。たとえば、固体高分
子電解質膜の所定部位への直接イオン交換、電気絶縁物
質（多孔質担体）にイオン交換または含浸したものの塗
布等が採用されうる。
【００１５】また、その両面に電気化学的反応用触媒と
しての白金族金属メッキ層が形成された電解質膜におい
て、該白金族金属メッキ層内に電気絶縁性物質に担持さ
れた白金族金属粒子を埋設しておくのが、発生した直後
の高濃度の酸素ガス中で水素ガスを直接捕まえることが
できるので、より高効率な不純物除去が可能となる。
しての白金族金属メッキ層が形成された電解質膜におい
て、該白金族金属メッキ層内に電気絶縁性物質に担持さ
れた白金族金属粒子を埋設しておくのが、発生した直後
の高濃度の酸素ガス中で水素ガスを直接捕まえることが
できるので、より高効率な不純物除去が可能となる。
【００１６】白金族金属粒子の埋設方法としては、電気
絶縁物質にイオン交換または含浸によって担持させたも
のをメッキ層内へ混入させておく方法等が採用されう
る。
絶縁物質にイオン交換または含浸によって担持させたも
のをメッキ層内へ混入させておく方法等が採用されう
る。
【００１７】さらに、電解質膜の両側に配設されている
ガス発生室を構成する多孔状に形成された給電体内に、
電気絶縁性物質に担持された白金族金属粒子を埋設して
おくのが、前述と同様に発生した直後の高濃度の酸素ガ
ス中で水素ガスを直接捕まえることができるので、より
高効率な不純物除去が可能となる点で好ましい。白金族
金属粒子の埋設方法としては、前述と同様、電気絶縁物
質にイオン交換または含浸によって担持させたものをメ
ッキ層内へ混入させておく方法等が採用されうる。
ガス発生室を構成する多孔状に形成された給電体内に、
電気絶縁性物質に担持された白金族金属粒子を埋設して
おくのが、前述と同様に発生した直後の高濃度の酸素ガ
ス中で水素ガスを直接捕まえることができるので、より
高効率な不純物除去が可能となる点で好ましい。白金族
金属粒子の埋設方法としては、前述と同様、電気絶縁物
質にイオン交換または含浸によって担持させたものをメ
ッキ層内へ混入させておく方法等が採用されうる。
【００１８】
【実施例】つぎに、添付図面に示された実施例を参照し
つつ本発明の高純度酸素の製法および電解セルを説明す
る。
つつ本発明の高純度酸素の製法および電解セルを説明す
る。
【００１９】図１は本発明の電解セルの一実施例を示す
組み立て後断面図、図２は図１の電解セルを示す組み立
て前断面図、図３は図１の電解セルの作用を説明する概
略断面図、図４は図１の電解セルの要部の一例を説明す
る概略断面図、図５は図１の電解セルの要部の他の例を
説明する概略断面図、図６は図４の電解セルの製法を説
明する概略断面図、図７は図５の電解セルの製法を説明
する概略断面図、図８は図１の電解セルの要部のさらに
他の例を説明する一部切欠き概略斜視図、図９は図１の
電解セルの要部のさらに他の例を説明する概略断面図で
ある。
組み立て後断面図、図２は図１の電解セルを示す組み立
て前断面図、図３は図１の電解セルの作用を説明する概
略断面図、図４は図１の電解セルの要部の一例を説明す
る概略断面図、図５は図１の電解セルの要部の他の例を
説明する概略断面図、図６は図４の電解セルの製法を説
明する概略断面図、図７は図５の電解セルの製法を説明
する概略断面図、図８は図１の電解セルの要部のさらに
他の例を説明する一部切欠き概略斜視図、図９は図１の
電解セルの要部のさらに他の例を説明する概略断面図で
ある。
【００２０】図１および図２に示す電解セル１は水素酸
素発生装置の主要構成機器であり、本例のものは円柱形
を呈している。図中、２は電極板であり、３は固体電解
質膜である。４は多孔質給電体であり、５はガスケッ
ト、６は保護シートである。そして、７は水素ガス取り
出し経路、７ａは水素ガス取り出し通路、８は酸素ガス
取り出し経路、８ａは酸素ガス取り出し通路である。９
ａおよび９ｂは端板である。本図では純水供給経路は表
されていないが、水素ガス取り出し経路７と同様の構成
によって形成されている。
素発生装置の主要構成機器であり、本例のものは円柱形
を呈している。図中、２は電極板であり、３は固体電解
質膜である。４は多孔質給電体であり、５はガスケッ
ト、６は保護シートである。そして、７は水素ガス取り
出し経路、７ａは水素ガス取り出し通路、８は酸素ガス
取り出し経路、８ａは酸素ガス取り出し通路である。９
ａおよび９ｂは端板である。本図では純水供給経路は表
されていないが、水素ガス取り出し経路７と同様の構成
によって形成されている。
【００２１】図１に示すようにボルト１０によって叙上
の各部品類を両端板９ａ、９ｂで挟持するように締結す
れば電解セル１となる。なお、多孔質給電体４の部分が
酸素ガス発生室および水素ガス発生室となる。
の各部品類を両端板９ａ、９ｂで挟持するように締結す
れば電解セル１となる。なお、多孔質給電体４の部分が
酸素ガス発生室および水素ガス発生室となる。
【００２２】図３に示すように、前記固体電解質膜３と
しては、固体高分子電解質物質１１を膜状に形成したも
のの両面に貴金属、とくに白金族金属からなる多孔質層
１２を化学的に無電解メッキによって形成した固体高分
子電解質膜を使用するのが好ましい。前記固体高分子電
解質物質１１としては、カチオン交換膜（フッ素樹脂系
スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえば、デュポ
ン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。また、この
場合、前記多孔質メッキ層１２としては白金族金属のう
ち白金が好ましく、イリジウム等と二種類以上の白金族
金属合金とをメッキした固体電解質膜も使用することが
できる。
しては、固体高分子電解質物質１１を膜状に形成したも
のの両面に貴金属、とくに白金族金属からなる多孔質層
１２を化学的に無電解メッキによって形成した固体高分
子電解質膜を使用するのが好ましい。前記固体高分子電
解質物質１１としては、カチオン交換膜（フッ素樹脂系
スルフォン酸カチオン交換膜であり、たとえば、デュポ
ン社製「ナフィオン１１７」）が好ましい。また、この
場合、前記多孔質メッキ層１２としては白金族金属のう
ち白金が好ましく、イリジウム等と二種類以上の白金族
金属合金とをメッキした固体電解質膜も使用することが
できる。
【００２３】また、本固体電解質膜３は叙上のごとく構
成されているため、固体高分子電解質物質１１と多孔質
メッキ層１２とのあいだには水が存在しないので、溶液
抵抗やガス抵抗が少ない。したがって、固体高分子電解
質物質１１と両多孔質メッキ層１２とのあいだの接触抵
抗が低くなり、電圧が低くなり、電流分布が均一とな
る。その結果、高電流密度化、高温水電解、高圧水電解
が可能となり、高純度の酸素ガスおよび水素ガスを効率
よく得ることが可能となる。
成されているため、固体高分子電解質物質１１と多孔質
メッキ層１２とのあいだには水が存在しないので、溶液
抵抗やガス抵抗が少ない。したがって、固体高分子電解
質物質１１と両多孔質メッキ層１２とのあいだの接触抵
抗が低くなり、電圧が低くなり、電流分布が均一とな
る。その結果、高電流密度化、高温水電解、高圧水電解
が可能となり、高純度の酸素ガスおよび水素ガスを効率
よく得ることが可能となる。
【００２４】なお、本実施例では隔膜として固体高分子
電解質を用いたが、本発明ではセラミック膜等の他の固
体電解質膜を使用することも可能である。
電解質を用いたが、本発明ではセラミック膜等の他の固
体電解質膜を使用することも可能である。
【００２５】一方、多孔質給電体４としては、通気性を
確保するとともにガス発生室としてのスペースを確保す
るために、チタン製のメッシュ、たとえばエキスパンド
メタルを三層重ねとして用いるのが好ましい。多孔質給
電体４は、電極板２から固体電解質膜３の両面の多孔質
メッキ層１２に対して電気分解に必要な電気を供給する
ものである。
確保するとともにガス発生室としてのスペースを確保す
るために、チタン製のメッシュ、たとえばエキスパンド
メタルを三層重ねとして用いるのが好ましい。多孔質給
電体４は、電極板２から固体電解質膜３の両面の多孔質
メッキ層１２に対して電気分解に必要な電気を供給する
ものである。
【００２６】電極板２間に電圧を印加することにより、
電解セル１では、供給された純水が電気分解され、酸素
ガス発生室では酸素ガスＯ2 が発生し、水素ガス発生室
では水素ガスＨ2 が発生する。発生した酸素ガスＯ2 は
酸素ガス取り出し経路８から酸素ガス取り出し通路８ａ
を通して取り出され、その後、除湿されて収集される。
一方、発生した水素ガスＨ2 は水素ガス取り出し経路７
から水素ガス取り出し通路７ａを通して取り出され、そ
の後、除湿されて収集される。
電解セル１では、供給された純水が電気分解され、酸素
ガス発生室では酸素ガスＯ2 が発生し、水素ガス発生室
では水素ガスＨ2 が発生する。発生した酸素ガスＯ2 は
酸素ガス取り出し経路８から酸素ガス取り出し通路８ａ
を通して取り出され、その後、除湿されて収集される。
一方、発生した水素ガスＨ2 は水素ガス取り出し経路７
から水素ガス取り出し通路７ａを通して取り出され、そ
の後、除湿されて収集される。
【００２７】前述した純水の電気分解は図３を参照しつ
つ詳細に説明される。
つ詳細に説明される。
【００２８】すなわち、水を陽極側Ａに供給しながら両
電極板２に電圧を印加すると、多孔質給電体４を通して
前記多孔質メッキ層１２に給電され、多孔質メッキ層１
２が電気分解における電極としての作用を奏する。その
結果、陽極側（酸素ガス発生室）Ａでは、2H2O→O2＋4H
+ ＋4e- の反応が起こって酸素ガスが発生し、陰極側
（水素ガス発生室）Ｃでは、4H+ ＋4e- →2H2 の反応が
起こって水素ガスが発生する。
電極板２に電圧を印加すると、多孔質給電体４を通して
前記多孔質メッキ層１２に給電され、多孔質メッキ層１
２が電気分解における電極としての作用を奏する。その
結果、陽極側（酸素ガス発生室）Ａでは、2H2O→O2＋4H
+ ＋4e- の反応が起こって酸素ガスが発生し、陰極側
（水素ガス発生室）Ｃでは、4H+ ＋4e- →2H2 の反応が
起こって水素ガスが発生する。
【００２９】このとき、図示のごとく、陰極側Ｃで発生
した水素ガスのうちの微量部分が陽極側Ａに向かって固
体電解質膜３を透過、拡散していく。この微量水素ガス
が酸素ガスにとって不純物となる。発生した酸素ガスの
うちの微量部分も陰極側Ｃに向かって固体電解質膜３を
透過、拡散していく。しかし、透過、拡散していく酸素
ガスの量は少ないうえ、陽極での酸素ガス発生量は陰極
での水素ガス発生量の１／２であるので水素ガス中の不
純物酸素濃度が相対的に小さくなるため、とくに問題と
はならない。なお陰極における電気化学的触媒としての
多孔質メッキ層１２によって、透過、拡散してきた酸素
ガスのO2＋2H2O＋4e→4OH - という消費反応が比較的起
こりやすいと考えられており、このことからも酸素ガス
の透過、拡散は問題とならない。
した水素ガスのうちの微量部分が陽極側Ａに向かって固
体電解質膜３を透過、拡散していく。この微量水素ガス
が酸素ガスにとって不純物となる。発生した酸素ガスの
うちの微量部分も陰極側Ｃに向かって固体電解質膜３を
透過、拡散していく。しかし、透過、拡散していく酸素
ガスの量は少ないうえ、陽極での酸素ガス発生量は陰極
での水素ガス発生量の１／２であるので水素ガス中の不
純物酸素濃度が相対的に小さくなるため、とくに問題と
はならない。なお陰極における電気化学的触媒としての
多孔質メッキ層１２によって、透過、拡散してきた酸素
ガスのO2＋2H2O＋4e→4OH - という消費反応が比較的起
こりやすいと考えられており、このことからも酸素ガス
の透過、拡散は問題とならない。
【００３０】かかる不純物水素ガスを、陽極側Ａで発生
した酸素ガスと化学反応させて水にして除去するため
に、たとえば図４、図５に示す固体高分子電解質膜３
１、３２が用いられる。いずれの固体高分子電解質膜３
１、３２もその内部に白金族金属粒子を疎水性担体に担
持させた粒子（白金族金属粒子自体でもよい）Ｐが埋設
されている。
した酸素ガスと化学反応させて水にして除去するため
に、たとえば図４、図５に示す固体高分子電解質膜３
１、３２が用いられる。いずれの固体高分子電解質膜３
１、３２もその内部に白金族金属粒子を疎水性担体に担
持させた粒子（白金族金属粒子自体でもよい）Ｐが埋設
されている。
【００３１】図４の固体高分子電解質膜３１では、粒子
Ｐが固体高分子電解質物質１１の中間部に埋設され、図
５の固体高分子電解質膜３２では、粒子Ｐが固体高分子
電解質物質１１と陽極側Ａの多孔質メッキ層１２とのあ
いだに埋設されている。いずれの固体高分子電解質膜３
１、３２においても、前記粒子Ｐは多孔質メッキ層１２
からは電気的に絶縁された状態で埋設されている。
Ｐが固体高分子電解質物質１１の中間部に埋設され、図
５の固体高分子電解質膜３２では、粒子Ｐが固体高分子
電解質物質１１と陽極側Ａの多孔質メッキ層１２とのあ
いだに埋設されている。いずれの固体高分子電解質膜３
１、３２においても、前記粒子Ｐは多孔質メッキ層１２
からは電気的に絶縁された状態で埋設されている。
【００３２】図４の固体高分子電解質膜３１は、主に陰
極側Ｃへ透過、拡散しようとする酸素ガスを水素ガスと
反応せしめるものであり、図５の固体高分子電解質膜３
２は、主に陽極側Ａで発生した直後の酸素ガスを水素ガ
スと反応せしめるものである。
極側Ｃへ透過、拡散しようとする酸素ガスを水素ガスと
反応せしめるものであり、図５の固体高分子電解質膜３
２は、主に陽極側Ａで発生した直後の酸素ガスを水素ガ
スと反応せしめるものである。
【００３３】図４の固体高分子電解質膜３１の製法とし
ては、前記多孔質メッキ層１２を形成する前の固体高分
子電解質物質１１の膜の中間部分に前記粒子Ｐ（この場
合は、白金族金属自体の粒子）をイオン交換法で直接担
持させ、そののち、両面に多孔質メッキ層１２を形成す
ればよい。担持方法の一例としては、白金を担持する場
合には、たとえば白金アンミン錯溶液を用いて８０°Ｃ
程度までの加温条件下で陽イオン交換し、イオン交換後
に還元剤溶液によって白金金属粒子に還元する。
ては、前記多孔質メッキ層１２を形成する前の固体高分
子電解質物質１１の膜の中間部分に前記粒子Ｐ（この場
合は、白金族金属自体の粒子）をイオン交換法で直接担
持させ、そののち、両面に多孔質メッキ層１２を形成す
ればよい。担持方法の一例としては、白金を担持する場
合には、たとえば白金アンミン錯溶液を用いて８０°Ｃ
程度までの加温条件下で陽イオン交換し、イオン交換後
に還元剤溶液によって白金金属粒子に還元する。
【００３４】また、図６には図４の固体高分子電解質膜
３１の他の製法が例示されている。
３１の他の製法が例示されている。
【００３５】まず図６（ａ）では、片面に多孔質メッキ
層１２が形成された二枚の固体高分子電解質膜３１ａ、
３１ｂを用意する。ついで、そのうちの一枚（二枚でも
よい）について、そのメッキ形成面とは反対の面に前記
粒子（白金族金属自体でもよく担持されたものでもよ
い）Ｐを前記ナフィオン液に分散させたものを塗布して
固化する。最後に前記二枚の固体高分子電解質膜３１
ａ、３１ｂを、そのナフィオン液塗布面を挟むように重
ね合わせてホットプレスする。この固体高分子電解質膜
３１の両側に多孔質給電体４および電極板２等を組み込
んで電解セル１とする。白金族金属を電気絶縁性の担体
粒子に担持する方法としてはイオン交換法や含浸法等が
採用されうる。イオン交換法は前述した固体高分子電解
質膜に直接イオン交換する場合と同様にして行うが、含
浸法は、たとえば白金アンミン錯体または塩化白金酸を
用いてこれを蒸発固化させる。還元については、担体が
無機多孔質体の場合は５００°Ｃ程度の水素ガス流中で
行うのが好ましく、樹脂製担体の場合は前述と同様に還
元剤溶液を用いるのが好ましい。
層１２が形成された二枚の固体高分子電解質膜３１ａ、
３１ｂを用意する。ついで、そのうちの一枚（二枚でも
よい）について、そのメッキ形成面とは反対の面に前記
粒子（白金族金属自体でもよく担持されたものでもよ
い）Ｐを前記ナフィオン液に分散させたものを塗布して
固化する。最後に前記二枚の固体高分子電解質膜３１
ａ、３１ｂを、そのナフィオン液塗布面を挟むように重
ね合わせてホットプレスする。この固体高分子電解質膜
３１の両側に多孔質給電体４および電極板２等を組み込
んで電解セル１とする。白金族金属を電気絶縁性の担体
粒子に担持する方法としてはイオン交換法や含浸法等が
採用されうる。イオン交換法は前述した固体高分子電解
質膜に直接イオン交換する場合と同様にして行うが、含
浸法は、たとえば白金アンミン錯体または塩化白金酸を
用いてこれを蒸発固化させる。還元については、担体が
無機多孔質体の場合は５００°Ｃ程度の水素ガス流中で
行うのが好ましく、樹脂製担体の場合は前述と同様に還
元剤溶液を用いるのが好ましい。
【００３６】図６（ｂ）では、片面に多孔質メッキ層１
２が形成された二枚の固体高分子電解質膜３１ａ、３１
ｂと、前記粒子Ｐをイオン交換法で担持させた前記固体
高分子電解質膜と同一材質からなるフィルム３３とを用
意する。ついで、前記二枚の固体高分子電解質膜３１
ａ、３１ｂを、前記フィルム３３を挟むように重ね合わ
せてホットプレスする。
２が形成された二枚の固体高分子電解質膜３１ａ、３１
ｂと、前記粒子Ｐをイオン交換法で担持させた前記固体
高分子電解質膜と同一材質からなるフィルム３３とを用
意する。ついで、前記二枚の固体高分子電解質膜３１
ａ、３１ｂを、前記フィルム３３を挟むように重ね合わ
せてホットプレスする。
【００３７】また、図７には図５の固体高分子電解質膜
３２の製法が例示されている。
３２の製法が例示されている。
【００３８】まず、固体高分子電解質物質１１の片面に
前記粒子（白金族金属自体でもよく担持されたものでも
よい）Ｐを前記ナフィオン液に分散させたものを塗布し
て固化する。ついで、かかる固体高分子電解質物質１１
の両面に多孔質メッキ層１２を形成する。粒子Ｐはナフ
ィオン液に埋没するので、多孔質メッキ層１２からは電
気的に絶縁された状態で埋設されている。
前記粒子（白金族金属自体でもよく担持されたものでも
よい）Ｐを前記ナフィオン液に分散させたものを塗布し
て固化する。ついで、かかる固体高分子電解質物質１１
の両面に多孔質メッキ層１２を形成する。粒子Ｐはナフ
ィオン液に埋没するので、多孔質メッキ層１２からは電
気的に絶縁された状態で埋設されている。
【００３９】前記白金族金属の粒子を担持するための物
質としては、酸素ガスと水素ガスとの化合を水中で行う
ため疎水性を有するものが好ましい。反応面から水分を
避けて白金族金属とガスとの接触効率を向上させ、触媒
作用の効率化を図るためである。たとえば、ポリテトラ
フルオロエチレン、高純度シリカゲル（不定形細孔構造
を有する）、シリカライト（ゼオライトの一種で規則的
細孔構造を有する）およびシリカ多孔質ガラス等が好ま
しい。また、このような無機多孔体を使用する場合は塩
化白金酸（H2PtCl6)を含浸法によって担持させるのが好
ましい。このような無機多孔体では白金族金属のイオン
交換吸着サイトが少ないと考えられるためである。
質としては、酸素ガスと水素ガスとの化合を水中で行う
ため疎水性を有するものが好ましい。反応面から水分を
避けて白金族金属とガスとの接触効率を向上させ、触媒
作用の効率化を図るためである。たとえば、ポリテトラ
フルオロエチレン、高純度シリカゲル（不定形細孔構造
を有する）、シリカライト（ゼオライトの一種で規則的
細孔構造を有する）およびシリカ多孔質ガラス等が好ま
しい。また、このような無機多孔体を使用する場合は塩
化白金酸（H2PtCl6)を含浸法によって担持させるのが好
ましい。このような無機多孔体では白金族金属のイオン
交換吸着サイトが少ないと考えられるためである。
【００４０】さらに、図８に示すように、白金族金属粒
子Ｐａが担持された粒子Ｐ（多孔質担体の孔内に白金族
金属粒子を担持させたもの）を、前記多孔質給電体４内
の適宜箇所に埋設してもよい。
子Ｐａが担持された粒子Ｐ（多孔質担体の孔内に白金族
金属粒子を担持させたもの）を、前記多孔質給電体４内
の適宜箇所に埋設してもよい。
【００４１】また、図９に示すように、前記多孔質メッ
キ層１２内に前記白金族金属粒子が担持された粒子Ｐを
担持させてもよい。メッキ層１２内に担持させる方法と
しては、まず固体高分子電解質物質１１の表面に薄く多
孔質メッキ層を形成しておき、ついで前記粒子Ｐを多孔
質メッキ層の表面に付着させるかまたは多孔質メッキ層
の孔内に埋め込む。その上に再度薄い多孔質メッキ層を
形成する。
キ層１２内に前記白金族金属粒子が担持された粒子Ｐを
担持させてもよい。メッキ層１２内に担持させる方法と
しては、まず固体高分子電解質物質１１の表面に薄く多
孔質メッキ層を形成しておき、ついで前記粒子Ｐを多孔
質メッキ層の表面に付着させるかまたは多孔質メッキ層
の孔内に埋め込む。その上に再度薄い多孔質メッキ層を
形成する。
【００４２】叙上のごとく構成された電解セル１によれ
ば、従来のように製造されてガス製造装置から取り出さ
れた後の酸素ガスから水素ガスを除去するのではなく、
ガス製造装置内において、発生して酸素ガス中に混入し
つつある水素ガスを除去するのできわめて効率よく、且
つ安価に高純度酸素ガスを得ることができる。
ば、従来のように製造されてガス製造装置から取り出さ
れた後の酸素ガスから水素ガスを除去するのではなく、
ガス製造装置内において、発生して酸素ガス中に混入し
つつある水素ガスを除去するのできわめて効率よく、且
つ安価に高純度酸素ガスを得ることができる。
【００４３】かかる電解セル１によれば、二段精留を行
った場合と同程度の純度の酸素ガスを得ることができ
る。
った場合と同程度の純度の酸素ガスを得ることができ
る。
【００４４】
【発明の効果】本発明の高純度酸素の製法によれば、ガ
スの製造装置（水素酸素発生装置）内において、まさに
酸素ガスに混入しつつある水素ガスを、発生したばかり
の酸素ガスと反応させて水にしてしまうため、効率よく
不純物水素ガスを除去することができる。また、白金族
金属の触媒にガスを長時間接触させておく必要がないこ
とも相まって、酸素ガスの純化のための特別な装置を必
要としない。加えて、純水を電気分解することにより製
造するため、水素ガス以外の不純物が混入せず、除去も
容易となる。その結果、低コストで高純度の酸素ガスを
得ることが可能となる。
スの製造装置（水素酸素発生装置）内において、まさに
酸素ガスに混入しつつある水素ガスを、発生したばかり
の酸素ガスと反応させて水にしてしまうため、効率よく
不純物水素ガスを除去することができる。また、白金族
金属の触媒にガスを長時間接触させておく必要がないこ
とも相まって、酸素ガスの純化のための特別な装置を必
要としない。加えて、純水を電気分解することにより製
造するため、水素ガス以外の不純物が混入せず、除去も
容易となる。その結果、低コストで高純度の酸素ガスを
得ることが可能となる。
【００４５】また、本発明の電解セルによれば、従来の
電解セルに比べて特別複雑な機構を配設する必要なく、
叙上のごとき高効率な不純物除去を可能とする。
電解セルに比べて特別複雑な機構を配設する必要なく、
叙上のごとき高効率な不純物除去を可能とする。
【図１】本発明の電解セルの一実施例を示す組み立て後
断面図である。
断面図である。
【図２】図１の電解セルを示す組み立て前断面図であ
る。
る。
【図３】図１の電解セルの作用を説明する概略断面図で
ある。
ある。
【図４】図１の電解セルの要部の一例を説明する概略断
面図である。
面図である。
【図５】図１の電解セルの要部の他の例を説明する概略
断面図である。
断面図である。
【図６】図４の電解セルの製法を説明する概略断面図で
ある。
ある。
【図７】図５の電解セルの製法を説明する概略断面図で
ある。
ある。
【図８】図１の電解セルの要部のさらに他の例を説明す
る一部切欠き概略斜視図である。
る一部切欠き概略斜視図である。
【図９】図１の電解セルの要部のさらに他の例を説明す
る概略断面図である。
る概略断面図である。
１・・・電解セル ２・・・電極板 ３・・・固体電解質膜 ４・・・多孔質給電体 １１・・・固体高分子電解質物質 １２・・・多孔質メッキ層 Ｐ・・・（触媒）粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森岡 輝行 兵庫県加古川市平岡町土山934−４
Claims (5)
- 【請求項１】 水素酸素発生装置によって高純度の酸素
ガスを製造するに際して、 正負両電極のあいだに電解質膜によって仕切られた酸素
ガス発生室と水素ガス発生室とを有し且つ前記電解質膜
内および／または電解質膜近傍に白金族金属が電極とは
電気的絶縁状態で配設された電解セルを用い、 該電解セルの酸素ガス発生室に純水を供給しながら電気
分解することにより発生した酸素ガスの一部と前記電解
セルの水素ガス発生室で発生して電解セルの電解質膜中
を陽極側へ透過拡散する水素ガスとを、前記白金族金属
の触媒作用によって化合せしめて酸素ガス中の水素ガス
濃度を低減する高純度酸素の製法。 - 【請求項２】 正負両電極のあいだに電解質膜によって
仕切られた酸素ガス発生室と水素ガス発生室とを有する
水素酸素発生装置用電解セルであって、 前記電解質膜内および／または電解質膜近傍に電極とは
電気的絶縁状態で白金族金属が配設されていることを特
徴とする水素酸素発生装置用電解セル。 - 【請求項３】 前記電解質膜の内部に前記白金族金属粒
子が埋設されてなる請求項２記載の水素酸素発生装置用
電解セル。 - 【請求項４】 前記電解質膜の両面に電気化学的反応用
触媒としての白金族金属メッキ層が形成されており、該
白金族金属メッキ層内に電気絶縁性物質に担持された白
金族金属粒子が埋設されてなる請求項２記載の水素酸素
発生装置用電解セル。 - 【請求項５】 前記電解質膜の両側にガス発生室を構成
する多孔状に形成された給電体が配設されており、該給
電体内に電気絶縁性物質に担持された白金族金属粒子が
埋設されてなる請求項２記載の水素酸素発生装置用電解
セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8137847A JPH09316675A (ja) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | 高純度酸素の製法および電解セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8137847A JPH09316675A (ja) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | 高純度酸素の製法および電解セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09316675A true JPH09316675A (ja) | 1997-12-09 |
Family
ID=15208206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8137847A Pending JPH09316675A (ja) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | 高純度酸素の製法および電解セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09316675A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020072193A (ko) * | 2001-03-08 | 2002-09-14 | 조통래 | 물 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 장치 |
| JP2004022503A (ja) * | 2002-06-20 | 2004-01-22 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質形燃料電池の燃料極 |
| JP2017000923A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | 株式会社東芝 | 精製酸素製造装置および精製酸素製造方法 |
| JP2020023748A (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-13 | 東レ株式会社 | 白金担持高分子電解質膜の製造方法および白金担持高分子電解質膜 |
| CN113913854A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法 |
| WO2023277068A1 (ja) * | 2021-06-29 | 2023-01-05 | Ａｇｃ株式会社 | 固体高分子型水電解用膜電極接合体および水電解装置 |
| JP7306548B1 (ja) * | 2022-09-13 | 2023-07-11 | トヨタ自動車株式会社 | 膜電極接合体 |
-
1996
- 1996-05-31 JP JP8137847A patent/JPH09316675A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20020072193A (ko) * | 2001-03-08 | 2002-09-14 | 조통래 | 물 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 장치 |
| JP2004022503A (ja) * | 2002-06-20 | 2004-01-22 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 高分子固体電解質形燃料電池の燃料極 |
| JP2017000923A (ja) * | 2015-06-05 | 2017-01-05 | 株式会社東芝 | 精製酸素製造装置および精製酸素製造方法 |
| JP2020023748A (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-13 | 東レ株式会社 | 白金担持高分子電解質膜の製造方法および白金担持高分子電解質膜 |
| WO2023277068A1 (ja) * | 2021-06-29 | 2023-01-05 | Ａｇｃ株式会社 | 固体高分子型水電解用膜電極接合体および水電解装置 |
| CN113913854A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-11 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法 |
| CN113913854B (zh) * | 2021-10-26 | 2023-08-08 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种带有氢氧再结合功能层的电解制氢系统及方法 |
| JP7306548B1 (ja) * | 2022-09-13 | 2023-07-11 | トヨタ自動車株式会社 | 膜電極接合体 |
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