特許 7268282 電気分解ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-25

(45)【発行日】2023-05-08

(54)【発明の名称】電気分解ユニット

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/23 20210101AFI20230426BHJP

   C25B 11/04 20210101ALI20230426BHJP

   C25B 1/30 20060101ALI20230426BHJP

   C25B 11/065 20210101ALI20230426BHJP

   C25B 11/085 20210101ALI20230426BHJP

【ＦＩ】

C25B9/23

C25B11/04

C25B1/30

C25B11/065

C25B11/085

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019050744

(22)【出願日】2019-03-19

(65)【公開番号】P2020152942

(43)【公開日】2020-09-24

【審査請求日】2021-11-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平方 聡樹

(72)【発明者】

【氏名】大神田 貴治

(72)【発明者】

【氏名】山中 一郎

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－１７６８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２８０５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０６８０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２１５９３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １／０４２，１／３０，９／２３，１１／０４，１１／０６５，

１１／０８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン導電性電解質よりなる膜の両面に、電極触媒からなる電極が設けられて構成された電気化学素子と、
前記電気化学素子の一方の電極をアノードとし他方の電極をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加する直流電源と
を備えた電気分解ユニットであって、
前記アノードを構成する電極触媒は、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、
前記カソードを構成する電極触媒は、酸素の２電子還元活性を示す触媒と前記酸素の２電子還元活性を示す触媒の粒子よりも粒子径若しくは最大幅が大きい非金属導電性材料とにより形成されており、
前記電気化学素子は、前記アノードを構成する面が前記カソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置され、前記カソードを構成する面にて過酸化水素を生成するものであり、
前記カソードを構成する電極触媒は、前記非金属導電性材料が前記酸素の２電子還元活性を示す触媒の含有量の３０重量％～６０重量％の割合で含有されていることを特徴とする電気分解ユニット。

【請求項2】

前記非金属導電性材料は、活性炭、グラファイト、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の電気分解ユニット。

【請求項3】

前記酸素の２電子還元活性を示す触媒は、導電性炭素材料及び金属ポルフィリン触媒の少なくとも１つを含有して構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気分解ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気分解ユニットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、過酸化水素を生成する反応装置が特許文献１に提案されている。かかる反応装置は、アノード膜、カソード膜及び電解質膜を一体化させたユニット膜により、反応室をアノード室とカソード室とに区画するように構成されている。アノード室には、アノード膜の一部が気相に露出した状態で水が導入され、カソード室には、カソード膜の一部が気相に露出した状態でイオン交換水が導入されている。

【0003】

そのような反応装置においては、アノード膜及びカソード膜が電子伝導体で外部短絡され、かつアノード室に還元性物質である水素ガスや水素供与体が供給されるとともに、カソード室に酸化性物質である酸素ガスが供給されることにより、アノード膜で下記式（１）の反応が行われ、カソード膜で下記式（２）の反応が行われることで、燃料電池反応を利用して過酸化水素を生成していた。

【0004】

式（１） Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－
式（２） Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ_２

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００９－６８０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、上記特許文献１に提案されている反応装置では、過酸化水素の生成源として可燃性である水素ガスや水素供与体を用いるとともに、支燃性である酸素ガスを用いていたので、取扱いに注意を払う必要があった。

【0007】

本発明は、上記実情に鑑みて、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができる電気分解ユニットを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本発明に係る電気分解ユニットは、イオン導電性電解質よりなる膜の両面に、電極触媒からなる電極が設けられて構成された電気化学素子と、前記電気化学素子の一方の電極をアノードとし他方の電極をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加する直流電源とを備えた電気分解ユニットであって、前記アノードを構成する電極触媒は、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、前記カソードを構成する電極触媒は、酸素の２電子還元活性を示す触媒と前記酸素の２電子還元活性を示す触媒の粒子よりも粒子径若しくは最大幅が大きい非金属導電性材料とにより形成されており、前記電気化学素子は、前記アノードを構成する面が前記カソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置され、前記カソードを構成する面にて過酸化水素を生成するものであり、前記カソードを構成する電極触媒は、前記非金属導電性材料が前記酸素の２電子還元活性を示す触媒の含有量の３０重量％～６０重量％の割合で含有されていることを特徴とする。

【0010】

また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記非金属導電性材料は、活性炭、グラファイト、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブの少なくとも１つであることを特徴とする。

【0011】

また本発明は、上記電気分解ユニットにおいて、前記酸素の２電子還元活性を示す触媒は、導電性炭素材料及び金属ポルフィリン触媒の少なくとも１つを含有して構成されたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、アノードを構成する電極触媒が、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、カソードを構成する電極触媒が、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成されており、電気化学素子が、アノードを構成する面がカソードを構成する面よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたので、アノードで下記式（３）に示すような水の電気分解が行われるとともに、カソードで下記式（４）に示すような過酸化水素の生成が行われる。これにより、アノードが臨む雰囲気の水と、カソードが臨む雰囲気中の酸素とで、過酸化水素を生成することができる。つまり、従来のように可燃性の水素ガスや支燃性の酸素ガス等を用いることなく、水と空気中の酸素とを用いることができ、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができるという効果を奏する。

【0013】

式（３） Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋２ｅ^－＋１／２Ｏ_２
式（４） ２Ｈ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ_２

【0014】

また本発明によれば、カソードを構成する電極触媒が、酸素の２電子還元活性を示す触媒だけでなく、非金属導電性材料にも形成されていることにより、生成した過酸化水素が分解されることを抑制し、過酸化水素の収率を向上させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の実施の形態である電気分解ユニットの構成を模式的に示す模式図である。

【図2】図２は、図１に示した第２電極部の構造を模式的に示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に添付図面を参照して、本発明に係る電気分解ユニットの好適な実施の形態について詳細に説明する。

【0017】

図１は、本発明の実施の形態である電気分解ユニットの構成を模式的に示す模式図である。ここで例示する電気分解ユニット１は、電気化学素子１０を備えている。

【0018】

電気化学素子１０は、基部１１と、第１電極部１２と、第２電極部１３とを備えて構成されている。基部１１は、例えばフッ素樹脂製電解質膜等のイオン導電性電解質よりなる膜１１ａにより構成された平板状のものであり、水素イオンを通過させる性質を有している。

【0019】

第１電極部１２は、基部１１の一面、すなわちイオン導電性電解質よりなる膜１１ａの一方の面に形成されている。この第１電極部１２は、水の電気分解活性を示す触媒により形成されている。

【0020】

この水の電気分解活性を示す触媒は、白金族系触媒により構成され、該白金族系触媒として、Ｐｔ、ＩｒＯ_２、ＩｒＲｕ、ＰｔＩｒの少なくとも１つであることが好ましい。また第１電極部１２においては、図には明示しないが、外側表面において集電層として金属メッシュが設けられている。

【0021】

第２電極部１３は、基部１１の他面、すなわちイオン導電性電解質よりなる膜１１ａの他方の面に形成されている。この第２電極部１３は、酸素の２電子還元活性を示す触媒と、非金属導電性材料とにより形成されている。

【0022】

酸素の２電子還元活性を示す触媒は、導電性炭素材料及び金属ポルフィリン触媒の少なくとも１つにより構成されている。

【0023】

導電性炭素材料としては、電気伝導性を有する種々の炭素材料を用いることができ、活性炭、カーボンブラック、カーボンファイバー等の炭素材料が好ましい。尚、これらの炭素材料は、単独若しくは２種以上の混合物として用いてもよい。金属ポルフィリン触媒としては、例えばコバルトポルフィリン触媒を用いることが好ましい。

【0024】

非金属導電性材料は、活性炭、グラファイト、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブの少なくとも１つである。この非金属導電性材料は、酸素の２電子還元活性を示す触媒の粒子よりも粒子径若しくは最大幅が大きいことが好ましい。より詳細には、非金属導電性材料が活性炭等の粒子であれば、酸素の２電子還元活性を示す触媒の粒子よりも粒子径が大きいことが好ましく、非金属導電性材料がカーボンナノチューブのような筒状体であれば、その最大幅（最大長さ及び最大径のいずれか一方）が酸素の２電子還元活性を示す触媒の粒子の粒子径よりも大きいことが好ましい。

【0025】

そのような第２電極部１３は、活性炭（酸素の２電子還元活性を示す触媒）、カーボンナノチューブ（非金属導電性材料）及びプロトン導電性電解質を純粋及びエタノール溶液中に高分散させた触媒分散溶液を基部１１の膜１１ａ上に塗布して加熱乾燥することで、形成されている。

【0026】

かかる第２電極部１３においては、図２に示すように、電解質で被覆された活性炭１３１の間にカーボンナノチューブ１３２が介在することにより、空隙１３３を増加させることができる。ここで、カーボンチューブは、活性炭１３１の含有量の例えば３０重量％～６０重量％の割合で含有されていることが好ましい。カーボンナノチューブ１３２が活性炭１３１の含有量の３０重量％未満であれば、空隙１３３を良好に形成することが困難となる一方、カーボンナノチューブ１３２が活性炭１３１の含有量の６０重量％を超えると後述するように過酸化水素の生成が困難になる。

【0027】

また、第２電極部１３においては、図には明示しないが、外側表面において集電層として例えばカーボンペーパー等のカーボン繊維が設けられている。

【0028】

そのような電気化学素子１０は、第１電極部１２と第２電極部１３とが、それぞれ導線２１を介して直流電源２０に電気的に接続されて構成されている。すなわち、第１電極部１２が直流電源２０の正極に電気的に接続され、第２電極部１３が直流電源２０の負極に電気的に接続されることで、第１電極部１２がアノード、第２電極部１３がカソードを構成している。つまり、直流電源２０は、電気化学素子１０の第１電極部１２をアノードとし第２電極部１３をカソードとする態様で、両電極間に直流電圧を印加するものである。

【0029】

そして、電気分解ユニット１において電気化学素子１０は、アノードを構成する第１電極部１２が臨む第１の雰囲気２が、カソードを構成する第２電極部１３が臨む第２の雰囲気３よりも相対湿度が高くなるよう配置されている。つまり、第１の雰囲気２は、第１電極部１２に対して水分を多く含む加湿空気が供給される環境にあり、第２の雰囲気３は、第２電極部１３に対して上記加湿空気よりも相対湿度が小さい空気が供給される環境にある。

【0030】

以上のような構成を有する電気化学素子１０においては、直流電源２０から第１電極部１２と第２電極部１３との間に直流電圧が印加されて電流が供給されると、第１電極部１２では、下記式（５）に示すように、第１の雰囲気２中の水蒸気等の水の電気分解反応が起こる。

【0031】

式（５） Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋２ｅ^－＋１／２Ｏ_２

【0032】

一方、第２電極部１３では、第１電極部１２で生じて基部１１を通過した水素イオンと、第２の雰囲気３である空気中に含まれる酸素分子とで、下記式（６）及び下記式（７）の反応が起こる。

【0033】

式（６） ２Ｈ^＋＋２ｅ^－＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
式（７） ２Ｈ^＋＋Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ_２

【0034】

つまり、第２電極部１３では、水の生成反応が起こりつつ、酸素の２電子還元反応により、過酸化水素を生成することができる。そのように水の生成反応が起こることにより、電気化学素子１０においては、第１電極部１２（アノード）が設けられた面よりも第２電極部１３（カソード）が設けられた面の方が絶対湿度が高くなる。

【0035】

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、アノードを構成する第１電極部１２が、水の電気分解活性を示す触媒により形成され、カソードを構成する第２電極部１３が、酸素の２電子還元活性を示す触媒により形成されており、電気化学素子１０が、第１電極部１２が第２電極部１３よりも相対湿度の高い雰囲気を臨むよう配置されたので、第１電極部１２で水の電気分解が行われるとともに、第２電極部１３で過酸化水素の生成が行われ、これにより、第１の雰囲気２中の水蒸気等の水と、第２の雰囲気３中の酸素とで、過酸化水素を生成することができる。つまり、従来のように可燃性の水素ガスや支燃性の酸素ガス等を用いることなく、水と空気中の酸素とを用いることができ、安全性の向上を図りながら、過酸化水素を良好に生成することができる。

【0036】

特に第２電極部１３は、酸素の２電子還元活性を示す触媒（例えば活性炭１３１）だけでなく、カーボンナノチューブ１３２のような非金属導電性材料にも形成されていることにより、上記電気化学素子１０によれば、生成した過酸化水素が分解されることを抑制し、過酸化水素の収率を向上させることができる。

【0037】

しかも、カーボンナノチューブ１３２等の非金属導電性材料は、酸素の２電子還元活性を示す触媒（例えば活性炭１３１）の粒子よりも粒子径若しくは最大幅が大きいので、第２電極部１３における空隙１３３を増加させることができる。よって、電気化学素子１０によれば、第２電極部１３において生成した過酸化水素を良好に排出させることができ、これによっても過酸化水素の収率を向上させることができる。

【0038】

また、空隙１３３を増加させることにより、第２電極部１３における空気の拡散経路を増大させることができ、この結果、第２電極部１３における反応領域を増加させることができ、これによっても過酸化水素の収率を向上させることができる。

【0039】

更に、カーボンナノチューブ１３２等の非金属導電性材料が電子導電補助剤として機能することにより、第２電極部１３での電子導電性が向上して第２電極部１３の厚み方向の利用率を増加させることができ、これによっても過酸化水素の収率を向上させることができる。

【0040】

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、かかる実施の形態で図示した各構成は概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

【符号の説明】

【0041】

１ 電気分解ユニット
２ 第１の雰囲気
３ 第２の雰囲気
１０ 電気化学素子
１１ 基部
１１ａ 膜
１２ 第１電極部
１３ 第２電極部
１３１ 活性炭
１３２ カーボンナノチューブ
１３３ 空隙
２０ 直流電源
２１ 導線

【図1】

【図2】