JP2016037662A

JP2016037662A - 炭素繊維電極及びその製造方法

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Publication number: JP2016037662A
Application number: JP2014170934A
Authority: JP
Inventors: 一純冨吉; Kazusumi Tomiyoshi; 美樹川名; Miki Kawana
Original assignee: AQUA DESIGN KK
Current assignee: AQUA DESIGN KK
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】電気分解槽でＨＨＯガス微細気泡を発生させる際に、長時間の連続使用によっても消費電力を少なく、ＨＨＯガス発生量を増やし、ＨＨＯガス発生拡散が低下せず、黒鉛の炭素電極に比較し可撓性が優れており、電極が溶解しない炭素繊維電極およびその製造方法を提供するものである。【解決手段】水の電気分解によりＨＨＯガス発生量させための電極であって、前記電極が炭素繊維からなる基材は導電性付与剤を混合した熱硬化性樹脂で硬化させたものであって、前記導電性付与剤は、前記熱硬化性樹脂全体の重量比に対し、カーボンナノチューブを１０％〜５０％混合したことを特徴とする炭素繊維電極である。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に供給するガソリン、軽油、又は重油の液体燃料や燃焼ガスの気体燃料とＨＨＯガスの微細気泡を混合させた混合燃料を製造する場合において、電気分解槽でＨＨＯガス微細気泡を大量に発生させることができる炭素繊維電極と、その製造方法に関するものである。

水素原子と酸素原子が２対１の混合比で混ざり合った混合ガスは、ＨＨＯガスあるいはブラウンガスと称され、内燃機関の混合燃料として注目されている。ＨＨＯガスを発生する装置としては、電気分解を利用したＨＨＯガス発生装置が一般的に知られている。

ＨＨＯガスの微細気泡を混合させた混合燃料を内燃機関の燃料として使用するためには、消費電力が少なく、かつ、大量のＨＨＯガスが必要になる。消費電力に比して発生するＨＨＯガス量が少なければ、有効に利用できるエネルギーの割合が低く損失が多いので、エネルギー変換効率の向上が実現できないからである。また、ＨＨＯガス発生装置を自動車に搭載するためには電気分解槽を小型化する必要もある。

従来、水の電気分解において、電極にステンレス等の金属電極を使用すると、エネルギー変換効率が低いことや発熱の問題があり、また、電極に黒鉛の炭素電極を使用すると、エネルギー変換効率は若干改善されるが、電極や水溶液の発熱、電極の折損、又は電極の溶解等の問題があった。

エネルギー変換効率を向上させるため、電極にチタン（Ｔｉ）を有する基材と、この基材の表面にイリジウム（Ｉｒ）を有する触媒層を備え、さらに、この触媒層の上に黒鉛の層を形成された電極、及び、電気分解槽は、不導体の隔壁部材により複数の電気分解室に区別された構造が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、この方法ではエネルギー変換効率の向上は不充分であり、電極や水の発熱も解決されていないという問題があった。

電極の表面積を大きくすると電気分解の化学反応を促進できるので、電極が可撓性の優れている炭素繊維をプラスチック等の網にらせん状に巻いて陰極を形成する構造が提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１２−１２２３８３号公報特開２０１０−０５９５３０号公報

本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は水の電気分解の際に長時間の連続使用によっても消費電力を少なく、ＨＨＯガス発生量を増やし、ＨＨＯガス発生拡散が低下せず、黒鉛の炭素電極に比較し可撓性が優れており、電極が溶解しない炭素繊維電極およびその製造方法を提供することにある。すなわち、エネルギー変換効率を大幅に向上させることを目的としている。

また、ＨＨＯガス発生装置を自動車に搭載することを想定し、電気分解槽内の電極の配置および構成を改善し、小型・軽量化することを目的としている。

本発明は、水の電気分解によりＨＨＯガス発生量させための電極であって、前記電極が炭素繊維からなる基材は導電性付与剤を混合した熱硬化性樹脂で硬化させたものであって、前記導電性付与剤は、前記熱硬化性樹脂全体の重量比に対し、カーボンナノチューブを１０％〜５０％混合したことを特徴とする炭素繊維電極である。

水を収容する電気分解槽と、前記電気分解槽内に配置され前記水を電気分解し、ＨＨＯガスを発生する複数のプラス電極と複数のマイナス電極と、を有し、前記プラス電極と前記マイナス電極が炭素繊維からなる基材は前記導電性付与剤を混合した前記熱硬化性樹脂で硬化させたものであって、前記導電性付与剤は、前記熱硬化性樹脂全体の重量比に対し、カーボンナノチューブを１０％〜５０％混合したことを特徴とする前記炭素繊維電極で構成された電気分解槽である。

前記プラス電極とマイナス電極に対して、パルス状の直流電流が供給されていることを特徴とする電気分解槽である。

前記炭素繊維電極の素材は、導電性が優れており軽量である通常の市販されている炭素繊維を使用する。寸法安定性、熱伝導率、耐摩耗性や耐熱性、耐酸性、電気伝導性といった点で優れた特性を示す等方性ピッチ系炭素繊維であって、厚さは０．２ｍｍ程度が望ましい。

硬質の前記炭素繊維電極を制作するために、超伝導性を有する熱硬化性樹脂の接着剤を製造する。接着剤の原料は、導電性の高い導電性付与剤を混合する。

導電性付与剤はカーボンナノチューブを、熱硬化性樹脂全体の重量比に対し１０％〜５０％混合して熱硬化性樹脂の接着剤を製造する第一工程と、炭素繊維を複数重ね合わせ、前記熱硬化性樹脂の接着剤を含浸及びコーティングする第二工程と、赤外線を照射し炭素繊維を固形化させる第三工程と、固形化された炭素繊維を高温炉に入れ、温度は３００℃以上、圧力は３０Ｍｐａ以上で５〜６時間加熱させ、完全炭化し硬化させる第四工程からなる超伝導性を有する炭素繊維電極の基材を製造する方法である。

炭素繊維電極は金属電極と比較すると、消費電力が少なくＨＨＯガス発生量が増加し、かつ、水の電気分解時に発熱量が低いので水溶液の発熱を抑えることが可能であるため、エネルギー変換効率が大幅に向上する。
具体例として、炭素繊維電極と金属電極が同一面積の場合、消費電力１Ｗ当たりに発生する水素、酸素ガスは３倍の１５ｃｃと増加し、消費電力も１／３から１／５に低減することが検証された。

また、金属電極は使用中にジュール熱が発生するので、電解槽が５０℃から６０℃に温度上昇するが、炭素繊維電極は電解槽の使用環境の温度を維持することができる。このことは、電解槽を隔離室に配置する場合であっても冷却は不要であることを意味する。

本発明により生成されたＨＨＯガスは微細気泡であるため、気体燃料（例えばＬＰガス）との相性が良いので内燃機関の燃費削減が期待できる。

炭素繊維は可撓性に優れているため、表面積を大きく確保でき、自由なデザインで製造することができ大量生産可能である。また、小型・軽量化されるので、内燃機関の燃料装置に装着が簡単で扱いやすい。

本発明による炭素繊維電極を電気分解槽に浸漬した状態を示す側面図である。本発明による炭素繊維電極の構造例を示す平面図である。本発明による炭素繊維電極を使用した電気分解槽の内部構造例を示す側面図である。本発明による炭素繊維電極を有する電気分解槽中で測定されたＨＨＯガス排出量と消費電力との関係を示す。本発明による炭素繊維電極を有する電気分解槽中で測定された水温の変化を示す。

＜炭素繊維電極及びその製造方法＞

炭素繊維電極の素材は、導電性が優れており軽量である、通常の市販されている炭素繊維を使用する。寸法安定性、熱伝導率、耐摩耗性や耐熱性、耐酸性、電気伝導性といった点で優れた特性を示す等方性ピッチ系炭素繊維であって、厚さは０．２ｍｍ程度が望ましい。

硬質の炭素繊維電極を制作するために、超伝導性を有する熱硬化性樹脂の接着剤を製造する。接着剤の原料である熱硬化性樹脂に導電性の高い導電性付与剤を混合する。

導電性付与剤はカーボンナノチューブを、熱硬化性樹脂全体の重量比に対し１０％〜５０％混合して熱硬化性樹脂の接着剤を製造する。導電性付与剤を混合することにより、超伝導に近い熱硬化性樹脂が安価に製造することができる。

可撓性に優れた炭素繊維を複数重ね合わせ、導電性付与剤が混合された超伝導性を有する熱硬化性樹脂の接着剤を含浸及びコーティングし、赤外線を照射し炭素繊維を固形化させる。

固形化された炭素繊維を高温炉に入れ、温度は３００℃以上、圧力は３０Ｍｐａ以上で５〜６時間加熱させ、完全炭化し硬化させる。硬化した後は表面を研磨して仕上げ、炭素繊維電極の結合重合体を制作する。

＜炭素繊維電極を利用した電解槽の構造＞
本発明による炭素繊維電極を利用して、導電性の良い水溶液にわずかな電力を与え電気分解することで、効率よくＨＨＯガスを発生させ、エネルギー変換効率を大幅に向上させることが可能な電気分解装置を提供する。

以下、本発明を実施するための実施形態について図を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る炭素繊維電極の構成例を示す説明図である。炭素繊維電極の陽極１と陰極２を電気分解槽の水溶液３に浸漬されて配置し、陽極１と陰極２は電源に対して電気的に接続されている。

電源が導電性の良い水溶液３内の陽極１と陰極２に対し直流電源を通電することにより、陽極１からは酸素ガスが生成されるとともに陰極２からは水素ガスが生成される。結果として酸素ガスと水素ガスからなるＨＨＯガスが生成される。

図２は複数の炭素繊維電極４からなる構造例を示す真上から見た平面図である。

炭素繊維電極４どうしを約１．５ｍｍ間隔で並行に複数配置し、互いに接触しないように絶縁棒６、絶縁体７、ナット８を用いて形成する。炭素繊維電極４どうしは互いに電気的に接続されないように構成されている。

炭素繊維電極４の一端に導電ボルト５を用いて複数の炭素繊維電極４とマイナス電極と結合して、電気的に接続する。また、炭素繊維電極４の他端に導電ボルト５を用いて複数の炭素繊維電極４とプラス電極と結合して、電気的に接続する。したがって、隣り合う炭素電極４どうしはプラスとマイナスが交互になるように、複数のプラス電極とマイナス電極を形成している。

図３は電気分解槽の内部構造例を示す側面図である。

電気分解槽に水溶液３を収容し、複数の炭素繊維電極４を水溶液３に浸漬されて配置し、プラス電極とマイナス電極は電源９に対し、電気的に接続されている。この電源９は、例えば直流２４Ｖの電源である。

図４に示すように、電源９は矩形波のパルス状の直流電流を炭素繊維電極４のプラス電極とマイナス電極に供給することもできる。供給する電流値は２Ａ〜２０Ａである。直流電流が２Ａより小さいと、水の電気分解効率が低下するのでＨＨＯガス発生量が低下し、直流電流が２０Ａより大きいとＨＨＯガス発生量は増えるが消費電力が大きくなるので適さない。

パルス状の直流電流の周波数は１０００ｋＨｚ〜４０００ｋＨｚの範囲内が適切であり、１０００ｋＨｚより小さいと、消費電力が大きくなり、４０００ｋＨｚより大きいと、電流量が多くなり適さない。炭素繊維の固有振動数のｎ倍、またはｎ分の１の周波数が最もエネルギー変換効率が良い（ｎは正の整数）。

一定直流電流を供給する場合に比較し、パルス波の直流電流を供給すると電気分解槽内の水温上昇を大幅に迎えることができる。このため、電気分解槽に冷却装置の設置は不要である。

＜実験データ＞
図４は本発明による炭素繊維電極４を使用した場合と、金属電極（Ｔｉ＋Ｉｒ）を使用した場合の必要電流とＨＨＯガス発生量を示すグラフである。各々の電極は１０ｃｍ×１８ｃｍの同一サイズである。
グラフからも明らかなように、炭素繊維電極４は少ない消費電力で多くのＨＨＯガスを発生させることが可能である。

図５は本発明による炭素繊維電極４を使用した場合と、金属電極（Ｔｉ＋Ｉｒ）と、金属電極（ステンレス鋼）を使用した場合の必要電流とＨＨＯガス発生量を示すグラフである。各々の電極のサイズは同一であるが、供給する直流電流値は、炭素繊維電極４が４Ａ、金属電極（Ｔｉ＋Ｉｒ）は１０Ａ、金属電極（ステンレス鋼）は１８Ａである。
この実験データから考察すると炭素繊維電極４を使用した場合、電気分解槽内の水温上昇を大幅に迎えることができ、かつ、消費電力が最も少ない。

電気化学電池やあらゆる燃料機関に応用展開できるので、燃料改質装置として産業上有効利用することができる。また導電性の高い炭素繊維電極であるため、燃料電池用の電基板としても利用することができる。

１陽極
２陰極
３水溶液
４炭素繊維電極
５導電ボルト
６絶縁棒
７絶縁体
８ナット
９電源

本発明は、水の電気分解によりＨＨＯガスを発生させるための電極であって、前記電極が炭素繊維からなる基材は導電性付与剤を混合した熱硬化性樹脂で硬化させたものであって、前記導電性付与剤は、前記熱硬化性樹脂全体の重量比に対し、カーボンナノチューブを１０％〜５０％混合したことを特徴とする炭素繊維電極である。

本発明による炭素繊維電極を電気分解槽に浸漬した状態を示す側面図である。本発明による炭素繊維電極の構造例を示す平面図である。本発明による炭素繊維電極を使用した電気分解槽の内部構造例を示す側面図である。パルス状の直流電流を電極板に供給する模式図である。本発明による炭素繊維電極を有する電気分解槽中で測定されたＨＨＯガス排出量と消費電力との関係を示す。本発明による炭素繊維電極を有する電気分解槽中で測定された水温の変化を示す。

Claims

水の電気分解によりＨＨＯガス発生量させための電極であって、前記電極が炭素繊維からなる基材は導電性付与剤を混合した熱硬化性樹脂で硬化させたものであって、前記導電性付与剤は、前記熱硬化性樹脂全体の重量比に対し、カーボンナノチューブを１０％〜５０％混合したことを特徴とする炭素繊維電極。
水を収容する電気分解槽と、前記電気分解槽内にＨＨＯガスを発生する複数のプラス電極と複数のマイナス電極を有し、前記プラス電極と前記マイナス電極が請求項１記載の炭素繊維電極で構成されたことを特徴とする電気分解槽。
前記プラス電極とマイナス電極に対して、パルス状の直流電流が供給されていることを特徴とする請求項２に記載の電気分解槽。
導電性付与剤であるカーボンナノチューブを、熱硬化性樹脂全体の重量比に対し１０％〜５０％混合して熱硬化性樹脂の接着剤を製造する第一工程と、炭素繊維を複数重ね合わせ、前記熱硬化性樹脂の接着剤を含浸及びコーティングする第二工程と、赤外線を照射し前記炭素繊維を固形化させる第三工程と、固形化された前記炭素繊維を高温炉に入れ、温度は３００℃以上、圧力は３０Ｍｐａ以上で５〜６時間加熱させ、完全炭化し硬化させる第四工程からなることを特徴とする超伝導性を有する炭素繊維電極の基材を製造する方法。