JPS6217193A - 電極・隔膜組立体 - 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、水溶液の電気分解装置の電極等に好適に用い
られるガス透過性を有する膜に関するものである。

「従来の技術およびその問題点」 水溶液の電気分解等に用いられる電解装置は、従来、溶
液が貯えられろ容器と、この容器内に設けられた陰極お
よび陽極と、これら陽極、陰極に生じた電解生成物の混
合を防止するために両極間に設けられた隔膜とからなる
ものであった。

そして、この種の電解装置の隔膜には、一般にアスベス
ト等か圧縮成形されてなるものが用いられている。

ところが、アスベストは発ガン性を有する等の問題が指
摘されており、このような隔膜を備えた電解装置の設置
には、様々な制限が伴う不満があった。

また、このような隔膜を備えた電解装置にあっては、高
圧のガスを生産しようとして高圧下で水電解を行うと、
陽極から発生するガスの量と陰極から発生するガスの量
の差により生じる圧力差の制御が困難となり、陽極、陰
極に発生したガスが隔膜を通して混合する問題があった
。このため、従来の隔膜を備えた電解装置を用いて高圧
のガスを得るには、生成ガスを改めて圧縮しなければな
らなかった。

「発明の目的」 本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、隔膜が不要
な電解装置等を構成できるガス浸透膜を提供することを
目的とする。

「問題点を解決するための手段」 本発明のガス浸透膜は、導電性を有す微粒子が結合され
てなる多孔性のガス浸透層の表面に、触媒が担持せしめ
られた反応層が設けられてなるものである。

「作用　」 このような構成のガス浸透膜にあっては、導電性を有す
るので電極として利用できると共に、良好なガス透過機
能を有するので、電極として用いられた場合その表面に
生成したガスを透過して円滑に系外に放出できる。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明のガス浸透膜を詳しく説明
する。

第１図は、本発明のガス浸透膜の第一実施例を示す乙の
で、図中符号１はガス浸透層、符号２は反応層である。

上記ガス浸透層１は、導電性を有す微粒子（以下、導電
性微粒子と略称する）が結合されてなる多孔性の層であ
る。

このガス浸透層Ｉに形成される孔は、口径０．５μｍ以
下、好ましく８００Å以下の連続した孔であることが望
ましい。孔の口径が０．５μｍを越えるとガス浸透層１
は、気体状態の分子だけでなく液体状態の分子をも透過
し得るものとなり、気液分離機能が低下する不都合を生
じる。

また、ガス浸透層■の空孔率は４０％〜８０％程度であ
ることが望ましい。ガス浸透層１の空孔率か８０％を越
えると得られるガス浸透膜の耐圧強度が不十分となり、
空孔率が４０％未満になるとガス浸透層１のガス透過速
度が低下し分解生成ガスを効率良く放出できなくなるの
で、いずれの場合ら好ましくない。

このガス浸透層ｌをなす導電性微粒子の材料には、鉄、
アルミニウム、銀、銅等の金属、無定形炭素、黒鉛等の
炭素、ジルコニアセラミックス、β−アルミナセラミッ
クス、ホウ素化合物［ランタンポライド（ＬａＢｌｌ）
、チタンポライド（ＴｉＢ２）］等の導電性セラミック
スなど種々のものを用いることができる。そｅ中でも、
炭素は、優れた撥水性と耐食性を有し、得られるガス浸
透膜が長寿命でかつ良好な耐薬品性を有するものとなる
ので好ましく用いられる。

この導電性微粒子としては、粒径０．１μ次以下ものが
好適に用いられる。粒径が０６１μｍを越えると、ガス
浸透層ｌに口径の大きな孔が形成される不都合を生じる
。

ガス浸透層ｌをなすこれら導電性微粒子は、バインダー
を介して、あるいは焼結等により結合されている。この
実施例のガス浸透膜のガス浸透層ｌにあっては、バイン
ダーとしての有機高分子化合物によって導電性微粒子が
結合されている。

このガス浸透層ｌの導電性微粒子を結合する有機高分子
化合物には、フッ素樹脂、ケイ樹脂、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル
、ポリカーボネート、ポリエヂレンテレフタレート等種
々の合成樹脂材料を利用することができる。中でもポリ
テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリクロロトリ
フルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、四フ
ッ化エヂレンー六フッ化プロピレン共重合体等のフッ素
樹脂、その中でら特にＰＴＦ’Ｅは、酸にもアルカリに
も侵されない優れた耐食性を有すると共に優れた撥水性
を有し、得られるガス浸透膜が長寿命でかつ耐薬品性を
有するものとなるので、好ましく用いられる。このよう
に有機高分子化合物を用いて導電性微粒子を結合する場
合、有機高分子化合物の添加量は、有機高分子化合物に
ＰＴＦＥ、導電性微粒子にカーボンブラックを用いた場
合を例にとると、通常、それらの合計量に対する重量比
でＰＴＦＥが１０％〜６０％程度とされる。有機高分子
化合物の添加量が６０％を越えると、形成されるガス浸
透層ｌの電気抵抗が大きくなるうえ、ガス浸透層ｌのガ
ス透過性が悪化する。また、添加量が１０％未満になる
と導電性微粒子の結合が不十分になり、ガス浸透層ｌの
強度が低下する。

このガス浸透層ｌは、厚さ０．３ｒｘｍ〜２■程度に形
成されることが望ましい。このガス浸透層ｌの厚さが２
Ｉを越えると、ガス浸透層１のガス透過速度が低下する
不都合が生じ、０．３ｍｍ未満になると、ガス浸透層ｌ
の強度が低下する不都合が生じる。

このガス浸透層１の表面には反応層２が形成されている
。この反応層２は、触媒が担持せしめられてなるもので
ある。

反応層２に用いる触媒としては、電気分解等の化学反応
を促進するニッケル（Ｎ　ｉ）、コバルト（Ｃｏ１鉄（
Ｆｅ）等の鉄族元素あるいは、白金（Ｐ　ｔ）、ルテニ
ウム（Ｒｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａ　ｇ）、銅（Ｃｕ）
、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐ
ｄ）等の貴金属元素あるいはそれらの酸化物またはそれ
らの合金等からなる触媒など各種のものを利用できる。

中でも、水溶液等の電気分解には、Ｎｉ、Ｐ　ｔｓ　Ｒ
ｕなどからなる触媒が、電解効率を大幅に向上し得ろへ
で、好ましく用いられる。

反応層２において、これら触媒は、担体に担持せしめら
れて固定されている。担体には様々のものを利用できる
。この反応層２を形成する担体には、より多くの触媒を
担持し得る点て、多孔質のものが好ましく用いられる。

その場合、孔の口径は、０．５μｍ〜０．０１μｍ程度
とされ、反応層２の空孔率は４０％〜８０％程度とされ
る。

反応層２の口径が０．５μｍを越えると、反応層２の強
度が低下する。また、口径が０．０１μｍ未満になると
反応層２に溶液が浸透し難たくなり、反応層２の表面の
みしか電気分解等の反応に寄与せず、反応効率が低下す
る不都合が生じる。

また、反応層２をなず担体の空孔率が８０％を越えると
、得られる反応層２は耐圧強度が不十分な乙なとなり好
ましくない。空孔率が４０％未Ｉｌ：ａになると十分な
量の触媒を担持せしめることができず好ましくない。

この反応層２をなす担体には、アルミナ（Ａ　１２２ｏ
　３）、シリカ（ＳｉＯ２）等のセラミックス、あるい
は導電性微粒子などをバインダーや焼結処理により結合
したものを各種利用できる。中てら、導電性微粒子が結
合されてなるものは、反応層２の電気抵抗を小さくでき
る点で好ましい。

電気伝導性材料としては、銀、銅、金等の金属や無定形
炭素、黒鉛等の炭素など、ガス浸透層１をなす導電性微
粒子と同様のものを用いることができる。

この導電性微粒子としては、粒径０．５μｍ以下ものが
好適に用いられる。粒径が０８５μｍを越えると、ガス
浸透層ｌに口径の大きな孔が形成される不都合を生じる
。

そして、この実施例の膜の反応層２は、上記ガス浸透層
ｌと同様、バインダとしての有機高分子化合物によって
導電性微粒子が結合されている。

この有機高分子化合物としては、上記ガス浸透層１に用
いた有機高分子化合物と同様のものを利用できる。

また、この反応層は、水溶液と適度に接触し得るように
、親水性の部分と撥水性の部分が網目状に微細に分布し
た構造であることが望ましい。このような構造の反応層
２は、担体を親水性の微粒子と撥水性の微粒子との混合
物で作成することにより形成される。このような微粒子
としては、例えば撥水性のものとして一般のカーボンブ
ラック、親水性のものとしてＹｕｌｃａｎＸ　Ｃ−７２
Ｒ（親水性カーボン、商品名・バルカンキャボット社製
）などが挙げられる。

この反応層２は、厚さが約１．０ｍｍ以下に形成される
ことが望ましい。この反応層２の厚さが１、Ｏｍｍを越
えると、反応層２で生成されたガスがガス浸透層ｌへ透
過し難くなる不都合が生じる。

次に、本発明のガス浸透膜の製造方法の一例を説明する
。

説明は、バインダとしての有機高分子化合物にＰＴＦＥ
を用い、導電性微粒子にカーボンブランクを用いたガス
浸透膜にを例にして行なう。

このガス浸透膜を製造するには、まず、平均粒径００４
２μｍのカーボンブラフ２フ０重虫部と、平均粒径０．
２５μｍのＰＴＦＥ３０重量部とを十分混合して混合物
Ａを作成した。また、親水性を有するＶｕｌｃａｎＸ　
Ｃ−７２Ｒ，７０重−ｉ部と平均粒径００２５μｍのＰ
ＴＰＥとを十分混合して混合物Ｂを作成した。ついでこ
れら混合物Ａ、ＢをＡ：Ｂ＝４＋６の比で混合し、有機
溶媒（ナフサ）を加えて、均一に混練した。これを加圧
して厚さ０．４ｍｍのシートＡを成形した。

これとは別に、平均粒径０．０４２μ屑のカーボンブラ
ック７０重量部と平均粒径０．２５μｍのＰ１’　Ｆ　
Ｅ　３０重量部を十分混合した混合物Ｃを作成し、これ
に有機溶媒（ナフサ）加えペースト状にし、均一になる
ように十分混練した。このものを加圧して、厚さ２．５
ｍＭのシートＢを成形した。

このように成形された２種類のシートＡ、Ｂを重ね合わ
せてローラで圧接して一体に接合しつつ厚さ０．９ｘｉ
のシートとした。このものを乾燥して用いた溶媒を揮散
させ、ついで２８０℃の加熱炉中で熱処理した。次に、
このものを３８０℃で所定時間ホットプレスして、厚さ
０．８Ｈのシート状に成形した。ついで、上記シートＡ
により形成された部分に触媒を担持せしめた。

触媒を担持せしめる方法としては、触媒が溶かされた溶
液（触媒溶液）を、シート表面に塗布あるいはスプレー
してシート内に浸透せしめ、この後これを乾燥する方法
が簡便である。このようにすると、反応層２の内部にま
で触媒が担持せしめられる。

なお、本発明のガス浸透膜は、上記実施例に限られるも
のではない。例えば、このガス浸透膜には必要により金
属網を貼着できる。金属網を貼着する場合、その位置は
、ガス浸透層ｌの表面、反応層２の表面、ガス浸透層ｌ
と反応層２との間のいずれであってもよい。この金属網
としては、銅等の電気伝導性の良い金属からなるものが
好適に用いられる。また、金属網のメツシュは３０〜１
００程度であることが望ましく、金属網をなす金属繊維
には径１００μＲ〜５００μｍ程度のものが好適に用い
られる。

このような金属網の貼着は、例えば上記シートＡ、Ｂを
重ね合わせる際に適宜な位置に金属網をセットし、これ
をホットプレスすることにより行なわれる。

「実験例１　」 本発明のガス浸透膜の性質を調べた。

まず、本発明のガス浸透膜をなすガス浸透層ｌのガス透
過速度と、ガス浸透層ｌの組成との関係を縛べた。

まず、ガス浸透層ｌに相当する膜をＰＴＦＥとカーボン
ブラックを用いて作成した。この膜をＰＴＦ’Ｅの割合
を変えて各種作成した。ＰＴＦＥには平均粒径０．２５
μ次のものを用い、カーボンブラックには平均粒径０．
０４２μｍのものを用い、これらＰＴＦＥとカーボンを
合わせて１００ｗｔ％とじた。

この実験に供した膜の製造は以下のようにして行った。

まず、カーボンブラックとＰＴＰＥとを十分混合して混
合物Ａを作成した。これを常温下でロール法にて成形し
、厚さ１．０ｍｍのシートＡとした。

このように成形されたソートＡを乾燥して、用いた溶媒
を揮散させ、ついで、２８０℃の加熱炉中で熱処理した
。ついで、このものを１９ずつホットプレスして、面積
１２．５６ｃｚ２、厚さ１　ｒｔｔｍのシート状に成形
しつつ焼成した。ホットプレスの条件は、温度３８０℃
、圧力６００　ｋｇ／ａｘ２、時間３秒であった。

また、このように作成された膜に形成された孔の口径は
、水銀ポロシメーターで調べたところ、いずれら８００
〜２００人であった。

このガス透過実験は、密閉容器の中央に膜をセットして
、容器を二車に気密に仕切り、一方の室にゲージ圧力１
　ｋｇ７ｃｍ”で水素ガスを導入して、大気圧に保持さ
れた他方の室に透過してくる水素ガスの量を測定するこ
とによって行った。

結果を第２図に示す。

第２図かられかるように、本発明のガス浸透膜をなすガ
ス浸透層ｌは、ＰＴＦＥの割合が少ないほどガス透過速
度が大きなものとなる。

「実験例２　」 本発明のガス浸透層ｌのガス透過速度が差圧によりどの
ように変化するか調べた。

この実験に供した膜は、平均粒径０．２５μｍのＰＴＰ
Ｅ３０ｗｔ％と平均粒径０．０４２μｍのカーボン７０
ｗｔ％とからなる、膜厚さ１ｍｍ、および０．５■のも
ので、形成された孔の口径は、７００〜２００人であっ
た。膜の作成は、実験例１と同様の方法によって行った
。

実験は、密閉容器の中央に膜をセットして、容器を２室
に気密に仕切り、一方の室を大気圧に保持して、他方の
室に前記一方の室との圧力差が０　、５　ａｔｍＳｌ　
、　０　ａｔｍ、−となるように水素ガスあるいは酸素
ガスを導入しつつ、それぞれの条件下で一方の室に透過
してくる水素ガスあるいは酸素ガスの量を測定すること
によって行った。

結果を第３図に示す。

第３図から、本発明のガス浸透膜のガス浸透層■のガス
透過速度は、差圧に比例することが確認された。また、
透過速度は酸素よりも水素の方が速いこと、さらに本発
明のガス浸透膜はガス浸透層Ｉが薄い方が透過速度の大
きいものとなることが確認された。

「実験例３　」 本発明のガス浸透膜のガス浸透層Ｉの空孔率が、ガス浸
透層１を形成する際のプレス圧、およびＰＴＦＥに施す
前処理でどのように変化するかを調べた。

ガス浸透層Ｉに相当する膜を実験例！と同等の方法作成
することとした。その際、ホットプレスの圧力をｌθ〜
６００　ｋｇ／ａｍ″の間で変化させた。

用いたＰＴＦＥは平均粒径０．２５μ肩のもので、この
ＰＴＦＥ３０重量部に、平均粒径０．０４２μ肩のカー
ボン７０重量部を混合した。この混合物にはっぎの３種
類の処理を施すこととした。■フリーズドライ処理、■
凍結処理、■アルコール浸漬処理。これらの処理が施さ
れた混合物を１、Ｏｇずつを成型した。ホットプレス時
の成型温度は材料温度で３８０℃であった。形成された
膜の孔の口径はいずれも平均５００オングストロ一ム程
度であった。

成型された膜に水銀を圧入して膜の空孔量を測定した。

結果を第４図に示す。

第４図から、高いプレス圧で成型されたもの程空孔率が
低いことが確認された。また、ＰＴＦＥとカーボンの混
合物をアルコール浸漬処理すると、空孔率の高いものを
作成できることが確認された。

「−実験例４　」 本発明のガス浸透膜のガス浸透層ｌの空孔率がガス浸透
層１を形成するＰＴＦＥの割合でどのように変化するか
を調べた。

ガス浸透層１に相当する膜を実験例４と同様の方法で作
成した。ＰＴＦＥには（凍結処理）を施したものを用い
、ＰＴＦＥ：カーボンブラック＝３０重量部＝７０重量
部および４０重量部二６０重爪部の場合について調べた
。形成された膜の孔の口径はいずれも平均５００人程度
であった。

成型された膜に水銀を圧入して膜の空孔量を測定した。

結果を第５図に示す。

第５図から、ＰＴＦＥの割合が多いものの方が空孔率が
低いことが確認された。さらにＰＴＦ’Ｅの割合が多い
ものはプレス圧が上昇すると急激に空孔率が低下するこ
とが確認された。

「実験例５　」 本発明のガス浸透膜をなすガス浸透層ｌの空孔率と耐水
圧の関係を調べた。

実験例３で作成した膜を容器の側壁に液密に取り付け、
容器に水を注入した。容器の水に圧力を加え、膜を通し
て水が透過した時の水圧を調べ耐水圧とした。

結果を第６図に示した。

第６図から、本発明のガス浸透膜のガス浸透層ｌは、空
孔率が低いほど耐水圧が高いことが確認された。

「実験例６　」 本発明のガス浸透膜をなすガス浸透層１の耐水圧か、Ｐ
ＴＦＥの割合でどのように変化するかを調べた。

実験は、実験例４で作成した膜を容器の側壁に液密に取
り付け、容器に水を注入して圧力を加えることによって
行った。

結果を第７図に示す。

第７図から、ＰＴＦＥの量が３０ｗｔ％のものと４０ｗ
ｔ％のものとでは、ガス浸透層ｌの耐水圧には顕著な差
が生じな゛いことか確認された。

「実験例７　」 本発明のガス浸透膜をなすガス浸透層ｌの耐水圧と製造
時のプレス圧の関係を調べた。

実験例３で作成した膜を容器の側壁に液密に取り付け、
容器に水を注入して、膜の耐水圧を調べた。

結果を第８図に示す。

第８図から、本発明のガス浸透膜のガス浸透層ｌは、高
いプレス圧で製造されたものほど優れた耐水圧を有する
ものになることが確認された。

「実験例８　」 本発明のガス浸透膜をなすガス浸透層ｌの耐水圧が、Ｐ
ＴＦＥの割合でどのように変化するかを調べた。

実験は、実験例４で作成された膜を容器の側壁に液密に
取り付け、容器に水を注入した圧力を加えることによっ
て行った。

結果を第９図に示す。

第９図から、本発明のガス浸透膜のガス浸透層ｌは、Ｐ
ＴＦＥの割合が多いほど、また製造時のプレス圧が高い
ほど高い耐水圧を有するものとなるがことが確認された
。

「実験例９　」 本発明のガス浸透膜を利用したガス分離精製装置３を試
作し、空気から酸素の分離を行った。

第１Ｏ図は、試作したガス分離精製装置３の概略構成を
示すものである。この装置は、原料ガス室４と溶液流通
室５とガス回収室６とが並列に設けられてなるもので、
原料ガス室４と溶液流通室５との間はガス浸透膜Ａで、
ガス回収室６と溶液流通室５との間はガス浸透膜Ｂでそ
れぞれ仕切られている。また、ガス浸透膜Ａ、Ｂは、そ
れぞれ反応層２．２が溶液流通室５側に面するように取
り付けられている。膜Ａ、Ｂ間の距離は１ｍｍに設定さ
れている。

この実験に用いられたガス浸透膜Ａ、Ｂの仕様は以下の
通りである。

■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さ０．１１１１１の反応層２と厚さ０　、５ｍ
ｍのガス浸透層１と銅網とが順次積層されてなる３層構
造。

面積：９００ｃｍ” ａ）反応層２ 組成；カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μｍＰ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μｍ触媒
：白金系、平均粒径５０人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ７Ｇ重量部、平均粒径０．２５μ肩空孔率二６５
％ 孔の口径・平均４５０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さＯＡｍｍの反応層２と厚さ０．５ｍｍのガス
浸透層ｌと銅網とが順次積層されてなる３層構造。

面積・９００　ｃｔｘ” ａ）反応層２ 組成：カーボン３０重量部、平均粒径０．０４８μｍＰ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０２５μ肩触媒：
ニッケル系、平均粒径３００人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン６５重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３５重量部、平均粒径０．２５μｉ空孔率：６５
％ 孔の口径：平均４５０人 このようなガス浸透膜Ａ、Ｂが取り付けられたガス分離
精製装置３の溶液流通室５に、水酸化カリウム（ＫＯＨ
）の２０ｗｔ％溶液を０．１Ｍ／分、。

２　、２　ｋｇ７ａｍ”　−Ｇ　（ゲージ圧）で供給し
た。また、原料ガス室４に０　、０１　ｋｇ７ａｍ２・
Ｇの空気を８０Ｑ／分で供給した。そして、ガス浸透膜
Ａを陰極、ガス浸透膜Ｂを陽極とし、ガス浸透膜Ａ、Ｂ
間に水の電解に必要な電圧（１，２５Ｖ）よりも低い電
圧０．９６Ｖと、電流４５０Ａを印加した。

以上の条件で装置を運転したところ、ガス回収室６から
純度９９．９９％、圧力２　ｋｇ／ａｍ２−　Ｇ　（約
３　ａｔｍ）の酸素が毎分１．５１（標準状態）得られ
た。

ついで、上記水酸化カリウム溶液の代わりに、２０ｗｔ
％水酸化ナトリウム溶液を用いて同様の実験を行ったと
ころ、空気から標準状態で１．５５Ｑ／分の酸素（純度
９９．９９％）を分離することができた。

本発明のガス浸透膜は強い耐圧強度（約２０に９／ｃｍ
２以上）を有するので、本発明のガス浸透膜を備えたガ
ス分離精製装置３は、溶液流通室５の圧力を高く維持し
得るものとなる。この装置では溶液流通室５の圧力とほ
ぼ等しい圧力のガスを得られるので、溶液流通室５の圧
力を高めることにより、高圧の酸素を多量に生産するこ
とができる。

「実験例１０ｊ 実験例９と同様のガス分離精製装置３を用いて、水素ガ
スの精製を行った。

この実験に用いられたガス浸透膜Ａ、Ｈの仕様は以下の
通りである。

Ｉ）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さ０．１ｍｍの反応層２と厚さ０．５ｍｍのガ
ス浸透層１と銅網とが順次積層されてなる３層構造。

面積：９００ｃｘ” ａ）反応層２ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μｍＰ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μ次触媒
：白金系、粒径５〇人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３Ｇ重量部、平均粒径０．２５μ尻空孔率二６４
％ 孔の口径：平均４４０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さＱ、Ｌｍｉの反応層２と厚さ０．５ｍｍのガ
ス浸透層ｌと銅網とが順次積層されてなる３層構造。

面積：９００ｃｍ” ａ）反応層２ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μｍＰ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μｍ触媒・白金系
、粒径５〇人 ｂ）ガス浸透層！ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μｖｔ空孔率：６
４％ 孔の口径：平均４４０人 このようなガス浸透膜Ａ、Ｂが取り付けられたガス分離
精製装置３の溶液流通室５に５重量％の希硫酸溶液を０
．２Ｑ１分、２　、２　ｋｇ７ａｍ、−Ｇで供給した。

また、原料ガス室４に酸素と窒素を含む純度９９％の水
素ガスを０．Ｏ１ｋｇ／ｃｘ”−Ｇ。

８１２／分で供給した。そして、ガス浸透膜Ａを陽極、
ガス浸透＠Ｂを陰極とし、ガス浸透膜Ａ１８間に電圧０
．２Ｖ（この値は水電解に最低必要な電圧１．２５Ｖよ
りも低い）と、電流９００Ａを印加した。

以上の条件で装置を運転したところ、ガス回収室６から
純度９９．９９９％、圧力２　ｋｇ／ｃｒｌＩ”　−Ｇ
の水素ガスが標準状態に換算して毎分６．２６Ｑ得られ
た。

この装置において、標準状態でＩｎ３の水素ガスを精製
するのに要したエネルギーは０．４８ＫＷ・ｈｒであっ
た。これに対して、従来のパラジウム膜を利用した水素
精製の場合は１　、０　ＫＷ　−ｈｒ／ｍ３、深冷水素
精製の場合はｌ　、　２　ＫＷ−ｈｒ／ｖ３であり、本
発明のガス浸透膜を備えたガス分離精製装置３によれば
水素ガスの精製を効率良く行えることが確認できた。

また、この装置３においては、膜Ａ、Ｂ間の距離をさら
に狭めることにより、エネルギー効率をより向上できる
ものと考えられる。

「実験例１１Ｊ 本発明のガス浸透膜を利用たガス発生装置７を試作して
、水素ガスと酸素ガスを生産した。

第１１図は、試作したガス発生装置７の概略構成を示す
ものである。この装置は、溶液流通室８の両側に発生ガ
ス回収室９、ｌＯが設けられてなるもので、溶液流通室
８と発生ガス回収室９、ｌＯと間はそれぞれガス浸透＠
Ａ、Ｂで仕切られている。ガス浸透膜Ａ、Ｂは、それぞ
れ反応層２．２が溶液流通室８側に面するように取り付
けられ、膜Ａ、Ｂ間の距離は１１Ｒｘに設定されている
。

この実験に用いられたガス浸透膜ＡＳＢの仕様は以下の
通りである。

■）ガス浸透膜Ａ 構造：厚さ０．１ＲＲの反応層２と厚さ０　、５ｍｍの
ガス浸透層ｌと銅網とが順次積層されてなる３層構造。

面積：９００ｃｍ” ａ）反応層２ 組成：カーボン６５重量部、平均粒径０．０４２μ１Ｐ
ＴＦＥ３５重量部、平均粒径０．２５μ屑触媒：Ｒｕ０
ｔ系、粒径１００人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μｍＰ
ＴＦＥ３Ｑ重量部、平均粒径０．２５μｌ空孔率、６５
％ 孔の口径：平均４６０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．１１！Ｊｌの反応層２と厚さ０．５ｍｍ
のガス浸透層１と銅網とが順次積層されてなる３層構造
。

面積：９００ｃｉ２ ａ）反応層２ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０３８μ麓Ｐ
ＴＦＥ３０重Ｍ部、平均粒径０．２５μ肩触媒：白金系
、粒径５〇人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μπＰ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ夏空孔率：６５
％ 孔の口径：平均４５０人 このようなガス浸透膜Ａ、Ｂが取り付けられたガス発生
装置７の溶液流通室８に２０ｍｏ１％の希硫酸溶液を０
．１２Ｑ／分、２　、２　ｋｇ／ｃｒｐ”　−Ｇで供給
しつつ、ガス浸透膜Ａ、Ｂ間に電圧ｔ、ＳＶ、電流９０
０Ａを印加した。この際、ガス浸透＠Ａを陽極、ガス浸
透膜Ｂを陽極とした。

以上の条件で装置を運転したところ、発生ガス回収室９
から酸素ガスを毎分３．１３Ｑ（標鵡状態下）、発生ガ
ス回収室１０から水素ガスを毎分６．２５Ｑ（標準状態
下）ずつ得ることができた。

ついで、上記硫酸溶液の代わりに、アルカリ溶液（２５
ｗｔ％水酸化カリウム溶液）、中性溶液（２０ｗｔ％硫
酸ナトリウム溶液）等を用いて同様の実験を行ったとこ
ろ、同様に酸素ガス、水素ガスを効率良く生産すること
ができた。

なお、浸透膜Ａ、Ｈのうち一方を従来の電解装置の電極
に取り替えて、ガス発生装置７を運転したところ、同様
に酸素ガス、水素ガスを得ることができた。このように
装置７を運転したところ膜の寿命を延ばすことができた
。

［実験例１２Ｊ 実験例１１のガス発生装置７を用いて、炭酸ガスと水素
ガスを生産した。

この実験に用いられたガス浸透膜ＡＳＢの仕様は以下の
通りである。

Ｉ）ガス浸透膜Ａ □　構造：厚さ０．１■の反応層２と厚さ０．５ｔｔｔ
ｍのガス浸透層ｌと銅網とが順次積層されてなる３層構
造。

面積：９００ＣＪＩ２ ａ）反応層２ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０．２５μ肩触媒二粒径５
０人の白金系触媒および粒径１００へのＲ１１０を系触
媒 ｈ）ガス浸透層１ 組成；カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
ＴＦＥ３０重量部、平均粒径０，２５μ窺空孔率二６５
％ 孔の１コ径：平均４５０人 ■）ガス浸透膜Ｂ 構造：厚さ０．１ｍｍの反応層２と厚さ０．５ｍｍのガ
ス浸透層ｌと銅網とが順次積層されてなる３層構造。

面積：９００ｃ＋＋＋’ ａ）反応層２ 組成コカーボン７０Ｍ爪部、平均粒径０．０３８μ次Ｐ
ＴＩ”Ｅ３０重量部、平均粒径０．２５μｍ触媒：白金
系、粒径５０人 ｂ）ガス浸透層１ 組成：カーボン７０重量部、平均粒径０．０４２μ肩Ｐ
　Ｔ　Ｆ　Ｅ　３０重量部、平均粒径０．２５μ次空孔
率＝６５％ 孔の口径：平均４５０人 まず、０　、５　ｍｏｌ／（２希硫酸溶液にメタノール
をｌＯνｏ１％混合した原料溶液を作成した。そして、
ガス発生装置７の溶液流通室８にこの原料溶液を０　、
　Ｉ　Ｑ１分、２　、０　ｋｇ／ｃｒｓ”・Ｇで供給し
つつ、ガス浸透膜Ａ、Ｂ間に電圧０，６〜０，７■、電
流４５０Ａを印加した。この際、ガス浸透膜Ａを陽極、
ガス浸透＠Ｂを陰極とした。また、原料溶液の温度は６
５℃であった。

以上の条件で装置を運転したところ、発生ガス回収室９
から純度９９．９％、圧力１　、５　ｋｇ／ｃｍ″・Ｇ
の炭酸ガスを標準状態に換算して毎分１．０３１２゜発
生ガス回収室ｌＯから純度９９．９％、圧力１　、５　
ｋｇ７ＯＲ”　−Ｇの水素ガスを標準状態に換算して毎
分６．２４Ｑ得ることができた。

この装置にあっては、メタノールが減極作用を果たすの
で、電力使用量を大幅に低減できた。

ここで、本発明のガス透過膜を備えた上記ガス分離精製
装置３、ガス発生装置７の特徴を列記する。

■本発明のガス浸透膜は気液分離機能を有するので、こ
の膜を備えた装置３．７は純度の高い（９９，９９９％
以上）水素ガス、酸素ガスを得ることができるものとな
る。

■本発明のガス浸透膜を用いたので、生成されたガスは
円滑に系外に放出される。よって、６極に発生したガス
が混合するようなことは無く、装置に隔膜を設ける必要
がない。

■生成されたガスの気泡で電極の表面が覆われてしまう
ようなことがないので、減極が防止され、高い電流効率
を実現できる。（９９５％以上の電流効率を実現できる
。） ■これら装置３．７にあっては、電流密度を１００〜５
００　Ａ／ｄａ”と大幅に向上できる。（従来、一般の
水電解装置に有っては１０〜２０Ａ　／ｄｍ’程度） ■隔膜を設ける必要がないので、陰極、陽極間距離を小
さくでき、これによっても電流効率を向上できる。また
、極間電圧を小さくできる（１００　Ａ／ｄａ’の場合
ｔ、ｇｖ程度）。

■ｈ極、陽極に生成されたガスを分離するために隔膜を
設ける必要がないので、電解槽を縮小でき、装置の小型
化を図ることができる。

■本発明のガス浸透膜は強い耐圧強度を有するので、溶
液流通室５．８の圧力を高めることができる。しかも、
６極に発生するガスはそれぞれ速やかに系外に放出され
るので混合する恐れがない。そして、このように溶液流
通室５．８の圧力を高めるとにより、圧力の高いガスを
得ることができる。このためこの装置はガスの昇圧装置
としても利用可能である。

■本発明のガス浸透膜には触媒を薄く分散して担持せし
めることができるので、高価な白金等の触媒の使用債を
低減でき、装置の製造コストを下げることができろ。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明のガス浸透膜は、導電性を
有す微粒子が結合されてなる多孔性のガス浸透層と、こ
のガス浸透層の表面に設けられた触媒が担持せしめらて
なる反応層とからなるものであるので、導電性を有する
しのとなり、電極として利用できる。そしてこのガス浸
透膜は良好なガス透過機能を有するので、電極として用
いられた場合その表面に生成したガスを透過して系外に
放出できる。よって、本発明のガス浸透膜を利用するこ
とにより、陽極、陰極に生じた電解生成物の混合を防止
するための隔膜の不要な電解装置を構成することができ
る。

また、本発明のガス浸透膜は、各種試験の結果、強い耐
圧強度を有するものであることが確認された（２０　ｋ
ｇ／ｃｍ２以上）。このように本発明のガス浸透膜は強
い耐圧強度を有するので、これを備えたガス分離精製装
置あるいはガス発生装置は、溶液流通室の圧力を高く維
持し得るものとなり、小型の装置で、高圧のガスを多量
に精製または生産することができるものとなる。また、
このような装置にあっては、電解液に圧力を加えること
により、６極から高圧のガスを混合することなく得るこ
とができるから、ガスの昇圧装置として利用することら
可能である。

さらに、本発明のガス浸透膜は気液分離機能を有するの
で、この膜を備えたガス分離精製装置、ガス発生装置は
純度の高い（９９，９９９％以上）ガスを得ることがで
きるものとなる。

またさらに、本発明のガス浸透膜を電極に用いた装置に
あっては、生成されたガスの気泡で電極の表面が覆われ
ることがないので、減極が防止され、高い電流効率を実
現できる。

さらにまた、本発明のガス浸透膜を電極に利用した装置
は、隔膜を設ける必要がないので、極間距離を小さくす
ることにより、電流効率を向上できる。また、極間電圧
を小さくできる。

また、本発明のガス浸透膜を利用すれば、隔膜を設ける
必要がないので、電解槽を縮小でき、電解装置の小型化
を図ることができる。

加えて、本発明のガス透過膜を利用すると、イオン化で
きる気体であれば、酸素ガスや水素ガスだけでなく、塩
素ガスなと各種のガスを生産、精製できる。

また、本発明のガス透過膜は、上記ガス発生装置だけで
なく、燃料電池等にも利用できる利用範囲の広いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス浸透膜の一実施例を示す断面図、
第２図ないし第９図はそれぞれ実験の結果を示すもので
あって、第２図はガス透過速度とガス浸透層の組成との
関係を示すグラフ、第３図はガス浸透層のガス透過速度
および差圧との関係を示すグラフ、第４図はガス浸透層
の空孔率と製造時のプレス圧およびＰＴＦＥに施す前処
理との関係を示すグラフ、第５図はガス浸透層の空孔率
と製造時のプレス圧およびＰＴＦＥの割合との関係を示
すグラフ、第６図はガス浸透層の空孔率と耐水圧の関係
を示すグラフ、第７図はガス浸透層の耐水圧とＰＴＦＥ
の割合の関係を示すグラフ、第８図はガス浸透層の耐水
圧と製造時のプレス圧の関係を示すグラフ、第９図はガ
ス浸透層の耐水圧とＰＴＦＥの割合の関係を示すグラフ
、第１０図および第１１図はそれぞれ本発明のガス透過
膜を利用したガス発生装置を示す概略構成図である。 ｌ・・・ガス浸透層、２・・・反応層。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性を有す微粒子が結合されてなる多孔性のガ
   ス浸透層と、このガス浸透層の表面に設けられかつ触媒
   が担持せしめられた反応層とからなるガス浸透膜。
2. （２）上記反応層が、電気伝導性の微粒子が結合されて
   なる担体に触媒が担持せしめられてなるものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガス浸透膜。
3. （３）上記反応層が、親水部および撥水部が網目状に微
   細に分布してなるものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載のガス浸透膜。
4. （４）上記ガス浸透層に形成された孔が、口径８００オ
   ングストローム以下の連続した孔であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載
   のガス浸透膜。
5. （５）上記電気伝導性材料が炭素であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載
   のガス浸透膜。
6. （６）上記反応層に担持せしめられた触媒が、コバルト
   、鉄、ニッケル等の鉄族元素あるいは、銅、マンガン、
   パラジウム、白金、ルテニウム、金、銀等の貴金属元素
   あるいはそれらの酸化物またはそれらの合金からなるも
   のであることを特徴とする特許請求範囲第１項ないし第
   ５項のいずれかに記載のガス浸透膜。
7. （７）上記導電性を有す微粒子が有機高分子化合物をバ
   インダとして結合されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のガス浸透
   膜。
8. （８）上記有機高分子化合物がフッ素樹脂であることを
   特徴とする特許請求の範囲第７項記載のガス浸透膜。
9. （９）上記フッ素樹脂がポリテトラフルオロエチレンで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のガス
   浸透膜。