JP2020534436A - 電気化学的酸素発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電源装置の第１極と連結されるアノード、前記電源装置の第２極と連結されるカソード、および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜を含む膜−電極接合体；前記アノードに水を供給するための水供給源；および前記カソードに酸素を供給するための酸素供給部を含み、前記アノードでは酸素生成反応（ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ２）を発生させ、前記カソードでは酸素還元反応（ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ２Ｏ）を発生させる酸素発生装置に関し、電気化学的方法を利用するため無騒音、無振動で酸素を発生させることができ、また、装置の構成が簡単であるため小型化が可能な電気化学的酸素発生装置を提供することができる。

Description

本発明は電気化学的酸素発生装置に関し、より具体的には、携帯用、家庭用、医療用、車両用、産業用の酸素発生器または酸素ポンプ、酸素コンプレッサー、酸素濃縮器などの多様な分野に適用可能な電気化学的酸素発生装置に関する。

最近環境問題などで大気の汚染が深刻化するにつれて酸素関連製品が注目を集めている。

一般的に、酸素は人類の生存において必須の要素であり、多様な分野で、高純度の酸素を必要に応じて発生させる技術が非常に重要視されている。

例えば、酸素発生装置は、携帯用、家庭用、医療用、車両用、産業用の酸素発生器または酸素ポンプ、酸素コンプレッサー、酸素濃縮器などの多様な分野に適用されている。

このような酸素発生装置は、既存のＰＳＡ工法、膜分離工法、酸素タンクなどを利用する酸素発生技術が使われている。

しかし、従来の酸素発生技術である、ＰＳＡ工法、膜分離工法などの場合、複雑な酸素発生工程のためシステムのサイズが大きく、吸着剤などを多量使わなければならない関係で値段が高い問題点があり、これらの工法の場合、圧縮機を使わなければならないため騒音と振動が必須的に発生することになる。

したがって、ＰＳＡ工法、膜分離工法などを利用した酸素発生装置の場合、小型化が困難であり、静粛が要求される空間では酸素発生装置を使用できないため大衆化が難しいという問題点がある。

また、酸素タンクを利用する酸素発生装置は価格を低くすることができ、小型化が可能であり、無騒音無振動を実現できるという長所はあるものの、酸素発生装置の使用により周期的に専門ガス業者から酸素を充電しなければならない問題点があり、また、酸素発生装置の使用時間が酸素タンクのサイズに制限されるなど、使用が非常に不便な問題点がある。

本発明が解決しようとする課題は、電気化学的方法を利用するため無騒音、無振動で酸素を発生させることができ、また、装置の小型化が可能な電気化学的酸素発生装置を提供することにその目的がある。

本発明の目的は以上で言及した目的に制限されず、言及されていないさらに他の目的は下記の記載から当業者に明確に理解されるはずである。

前記指摘された問題点を解決するために本発明は、酸素発生装置において、前記酸素発生装置は、外部の空気が流入するカソードでは酸素還元反応が起こり、水が供給されるアノードでは酸素生成反応が起こり、前記外部の空気が流入する空気の流量は２０ｃｃｍ以上であることを特徴とする酸素発生装置を提供する。

また、本発明は前記アノードでは酸素生成反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、前記カソードでは酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる酸素発生装置を提供する。

また、本発明は電源装置の第１極と連結されるアノード、前記電源装置の第２極と連結されるカソード、および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜を含む膜−電極接合体；前記アノードに水を供給するための水供給源；および前記カソードに酸素を供給するための空気供給部を含み、前記アノードでは酸素生成反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、前記カソードでは酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる酸素発生装置を提供する。

また、本発明は前記カソードで発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源に回収するための水回収ラインをさらに含む酸素発生装置を提供する。

また、本発明は前記アノードの外側に位置する第１外部フレーム部および前記カソードの外側に位置する第２外部フレーム部をさらに含み、前記第１外部フレーム部は、第１外部フレーム；前記第１外部フレームの一側に位置する水注入口および前記第１外部フレームの他側に位置する酸素排出口を含み、前記第２外部フレーム部は、第２外部フレーム；前記第２外部フレームの一側に位置する酸素注入口および前記第２外部フレームの他側に位置する水排出口を含む酸素発生装置を提供する。

また、本発明は前記水供給源から供給される水（Ｈ_２Ｏ）が前記水注入口を介して前記アノードに供給され、前記アノードでは水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解して水素イオン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ_２）および電子を生成し、前記生成された酸素（Ｏ_２）は前記酸素排出口を介して排出され、前記カソードでは、前記酸素注入口から供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と前記電解質膜を通過して移動した水素イオン（Ｈ^＋）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成させることになり、生成された水（Ｈ_２Ｏ）は前記水排出口を介して排出される酸素発生装置を提供する。

また、本発明は前記アノードは第１支持体および前記第１支持体の一側に位置する第１触媒層を含み、前記第１支持体はカーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、活性炭素粉末、炭素分子篩、炭素ナノチューブ、微細気孔を有している活性炭、メソポーラスカーボン、導電性高分子またはこれらの混合物であり、前記第１触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｖ、ＳおよびＭｏ金属および前記金属の酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素発生反応用触媒であることを特徴とする酸素発生装置を提供する。

また、本発明は、前記カソードは第２支持体および前記第２支持体の一側に位置する第２触媒層を含み、前記第２支持体は炭素または遷移金属酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの物質であり、前記第２触媒層はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素還元反応用触媒であることを特徴とする酸素発生装置を提供する。

また、本発明は、前記カソードは第２支持体および前記第２支持体の一側に位置する第２触媒層を含み、前記第２支持体は炭素または遷移金属酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの物質であり、前記第２触媒層はＦｅ−Ｎ−Ｃ触媒であることを特徴とする酸素発生装置を提供する。

また、本発明は、前記Ｆｅ−Ｎ−Ｃ触媒は水素生成反応は抑制し、酸素還元反応は促進させるものである酸素発生装置を提供する。

本発明では、膜−電極接合体；一定の電源を印加できる電源装置；および前記膜−電極接合体のアノードに水を供給できる水供給源の簡単な構成によって、酸素（Ｏ_２）が発生する酸素発生装置を構成することができる。

したがって、本発明では電気化学的方法を利用するため無騒音、無振動で酸素を発生させることができ、また、装置の構成が簡単であるため小型化が可能な電気化学的酸素発生装置を提供することができる。

本発明に係る酸素発生装置の原理を説明するための概略的な模式図。 本発明に係る酸素発生装置の適用例を図示する概略的な分離斜視図。 本発明に係る酸素発生装置の適用例を図示する一部結合斜視図。 本発明に係る酸素発生装置の適用例の結合状態でガスケットを除いて図示した模式図。 実験例１の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例２の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例３の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例４の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例５の空気の流量による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例６の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例７の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。 実験例８の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフ。

本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されず、互いに異なる多様な形態で具現され得、ただし、本実施例は本発明の開示を完全なものとし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。

下記に添付された図面を参照して本発明の実施のための具体的な内容を詳細に説明する。図面にかかわらず、同一部材番号は同一構成要素を指し示し、「および／または」は言及されたアイテムのそれぞれおよび一つ以上のすべての組み合わせを含む。

たとえ第１、第２等が多様な構成要素を叙述するために使われるが、これらの構成要素はこれらの用語によって制限されないことは言うまでもない。これらの用語は単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使うものである。したがって、以下で言及される第１構成要素は本発明の技術的思想内で第２構成要素でもあり得ることは言うまでもない。

本明細書で使われた用語は実施例の説明のためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書で、単数型は文面で特に言及しない限り複数型も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は言及された構成要素の他に一つ以上の他の構成要素の存在または追加を排除しない。

特に定義しない限り、本明細書で使われるすべての用語（技術および科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に共通して理解され得る意味で使われ得るであろう。また、一般的に使われる辞書に定義されている用語は、明白に特に定義されていない限り理想的または過度に解釈されない。

空間的に相対的な用語である「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」等は、図面に図示されているように、一つの構成要素と他の構成要素との相関関係を容易に記述するために使われ得る。空間的に相対的な用語は図面に図示されている方向に加えて、使用時または動作時の構成要素の互いに異なる方向を含む用語として理解されるべきである。例えば、図面に図示されている構成要素をひっくり返す場合、他の構成要素の「下（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」で記述された構成要素は、他の構成要素の「上（ａｂｏｖｅ）」に置かれ得る。したがって、例示的な用語である「下」は、下と上の方向をすべて含むことができる。構成要素は他の方向にも配向され得、したがって、空間的に相対的な用語は配向により解釈され得る。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

本発明に係る電気化学的酸素発生装置の説明に先立って、一般的な水電解反応と燃料電池反応を説明すれば次の通りである。

−水電解反応
アノード：２Ｈ_２Ｏ →→ Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻（ＯＥＲ）
カソード：４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ →→ ２Ｈ２（ＨＥＲ）

−燃料電池反応
アノード：Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ →→ ２Ｈ_２Ｏ（ＯＲＲ）
カソード：２Ｈ２ →→ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻（ＨＯＲ）

すなわち、一般的な水電解反応の場合、アノードで酸素生成反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）が起こり、カソードで水素生成反応（ＨＥＲ；ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が起こる。

また、一般的な燃料電池の反応ではアノードで酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＲＲ）が起こり、カソードで水素酸化反応（ＨＯＲ、ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）が起こる。

しかし、本発明に係る酸素発生装置では、アノードとカソードで下記のような反応が起こる。

−本発明の酸素発生装置
アノード：２Ｈ_２Ｏ →→ Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻（ＯＥＲ）
カソード：Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ →→ ２Ｈ_２Ｏ（ＯＲＲ）

すなわち、本発明ではアノードでは水電解反応である酸素生成反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、カソードでは燃料電池反応である酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる。

図１は、本発明に係る酸素発生装置の原理を説明するための概略的な模式図である。図１を参照すると、本発明に係る酸素発生装置１０は、電源装置２０の第１極と連結されるアノード３０；前記電源装置の第２極と連結されるカソード４０；および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜５０を含む膜−電極接合体６０を含む。この時、前記第１極は正極であり得、前記第２極は負極であり得る。

また、本発明に係る酸素発生装置１０は、前記アノード３０に水を供給するための水供給源７０を含み、前記カソード４０に酸素を供給するための空気供給部８０を含む。

この時、前記空気供給部８０は前記カソード４０に酸素を供給するためのものであって、一般的な空気を前記カソードに供給することによって、前記空気供給部８０は前記カソード４０に酸素を供給することができる。

一方、前記空気供給部８０による酸素の供給は、前記カソード４０に空気を供給することと理解され得、前記カソード４０に空気を供給することによって、前記カソード４０に酸素を供給するために、前記空気供給部８０は公知とされているファンを使うことができ、ただし、本発明で前記空気供給部８０の種類を制限するわけではない。

すなわち、前記ファンを作動させて前記カソード４０に強制的に空気を供給することによって、前記カソード４０に酸素を供給することができる。

本発明で、このような強制的な方法による酸素の供給は空気の流量で表現され得、これについては後述することにする。

一方、前述した通り、本発明に係る膜−電極接合体６０のアノードとカソードでは下記のような反応が起こる。

アノード：２Ｈ_２Ｏ →→ Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻（ＯＥＲ）
カソード：Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ →→ ２Ｈ_２Ｏ（ＯＲＲ）

すなわち、本発明で前記アノードでは水供給源７０から供給される水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解して水素イオン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ_２）および電子を生成する。

この時、前記アノードで生成された水素イオン（Ｈ^＋）は前記電解質膜５０を通過して、前記カソードに移動することになる。

前記カソードでは、前記空気供給部８０から供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と前記電解質膜５０を通過して移動した水素イオン（Ｈ^＋）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成させることになる。

すなわち、本発明で、前記アノードでは酸素生成反応（ｏｘｙｇｅｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、カソードでは酸素還元反応（ｏｘｙｇｅｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる。

一方、本発明に係る酸素発生装置１０は、前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源７０に回収するための水回収ライン９０をさらに含むことができ、ただし、図面では前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源７０に回収するものと図示しているが、これとは異なり、前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）は任意の排出ラインを介して排出させることができる。

ただし、本発明では、前記水供給源７０から前記アノードに水（Ｈ_２Ｏ）を供給することが必須であるので、すなわち、前記水供給源７０が必須の構成に該当するので、前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源７０に回収することが好ましい。

本発明では以上のような、アノードとカソードの反応によって、前記アノードで酸素（Ｏ_２）が発生する酸素発生装置を構成することができる。

すなわち、前記アノードで発生する酸素（Ｏ_２）は、携帯用、家庭用、医療用、車両用、産業用の酸素発生器または酸素ポンプ、酸素コンプレッサー、酸素濃縮器などの多様な分野に適用が可能である。

この時、前述した本発明に係る酸素発生装置で分かるように、アノード３０、カソード４０、および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜５０を含む膜−電極接合体６０；前記アノードと前記カソードに一定の電源を印加できる電源装置２０；前記アノードに水を供給できる水供給源７０；および前記カソード４０に酸素を供給するための空気供給部８０の簡単な構成によって、酸素（Ｏ_２）が発生する酸素発生装置を構成することができる。

前述した通り、従来の酸素発生装置を具現する酸素発生技術のうち、ＰＳＡ工法、膜分離工法などの場合、複雑な酸素発生工程のためシステムのサイズが大きく、吸着剤などを多量使わなければならない関係で価格が高い問題点があり、これらの工法の場合、圧縮機を使わなければならないため騒音と振動が必須的に発生することになる問題点がある。

また、酸素タンクを利用する酸素発生装置は、酸素発生装置の使用により周期的に専門ガス業者から酸素を充電しなければならない問題点がある。

しかし、本発明では、膜−電極接合体６０；一定の電源を印加できる電源装置２０；前記膜−電極接合体のアノードに水を供給できる水供給源７０；および前記膜−電極接合体のカソードに酸素を供給するための空気供給部８０の簡単な構成によって、酸素（Ｏ_２）が発生する酸素発生装置を構成することができる。

したがって、本発明では電気化学的方法を利用するため無騒音、無振動で酸素を発生させることができ、また、装置の構成が簡単であるため小型化が可能な電気化学的酸素発生装置を提供することができる。

以下では、本発明に係る酸素発生装置の適用例を説明する。

図２は本発明に係る酸素発生装置の適用例を図示する概略的な分離斜視図であり、図３は本発明に係る酸素発生装置の適用例を図示する一部結合斜視図であり、図４は本発明に係る酸素発生装置の適用例の結合状態でガスケットを除いて図示した模式図である。

ただし、後述するような本発明に係る酸素発生装置の適用例は、前述した図１の本発明に係る酸素発生装置の原理を適用した一例を図示したものに過ぎず、したがって、本発明の権利範囲は図２〜図３の酸素発生装置の適用例に制限されるものではない。

また、図２〜図４の本発明に係る酸素発生装置の適用例は、前述した図１と比較して同じ構成は同じ図面番号を使った。

図２〜図４を参照すると、本発明に係る酸素発生装置の適用例１００は、電源装置２０の第１極と連結されるアノード３０；前記電源装置の第２極と連結されるカソード４０；および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜５０を含む膜−電極接合体６０を含む。この時、前記第１極は正極であり得、前記第２極は負極であり得る。

また、本発明に係る酸素発生装置の適用例１００は、前記アノード３０に水を供給するための水供給源７０を含み、前記カソード４０に酸素を供給するための空気供給部７０を含む。

この時、前述した通り、前記空気供給部７０は前記カソード４０に酸素を供給するためのものであって、一般的な空気を前記カソードに供給することによって、前記空気供給部８０は前記カソード４０に酸素を供給することができる。

一方、前記空気供給部８０による酸素の供給は、前記カソード４０に空気を供給することと理解され得、前記カソード４０に空気を供給することによって、前記カソード４０に酸素を供給するために、前記空気供給部８０は公知とされているファンを使うことができ、ただし、本発明で前記空気供給部８０の種類を制限するものではない。

すなわち、前記ファンを作動させて前記カソード４０に強制的に空気を供給することによって、前記カソード４０に酸素を供給することができる。

本発明で、このような強制的な方法による酸素の供給は空気の流量で表現され得、これについては後述することにする。

また、本発明に係る酸素発生装置の適用例１００は、前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源７０に回収するための水回収ライン９０をさらに含むことができる。

引き続き、図２〜図４を参照すると、本発明に係る酸素発生装置の適用例１００は、前記アノード３０の外側に位置する第１外部フレーム部１１０を含み、前記カソード４０の外側に位置する第２外部フレーム部１２０を含む。

この時、前記第１外部フレーム部１１０は、第１外部フレーム１１１；前記第１外部フレーム１１１の一側に位置する水注入口１１２および前記第１外部フレーム１１１の他側に位置する酸素排出口１１３を含む。

すなわち、水供給源７０から供給される水（Ｈ_２Ｏ）が前記水注入口１１２を介して前記アノード３０に供給され、前記アノードでは水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解して水素イオン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ_２）および電子を生成し、前記生成された酸素（Ｏ_２）は前記酸素排出口１１３を介して排出され得る。

また、前記第２外部フレーム部１２０は、第２外部フレーム１２１；前記第２外部フレーム１２１の一側に位置する酸素注入口１２２および前記第２外部フレーム１２１の他側に位置する水排出口１２３を含む。

すなわち、前記酸素注入口１２２を介して前記カソード４０で酸素が供給され、前記カソードでは、前記空気供給部（図示されず）から供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と前記電解質膜５０を通過して移動した水素イオン（Ｈ^＋）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成させることになり、生成された水（Ｈ_２Ｏ）は前記水排出口１２３を介して排出され得る。

この時、前述した通り、前記カソード４０で発生した水（Ｈ_２Ｏ）は前記水回収ライン９０を介して前記水供給源７０に回収されたり、任意の排出ラインを介して排出させることができる。

引き続き、図２〜図４を参照すると、本発明に係る酸素発生装置の適用例１００は、前記第１外部フレーム部１１０および前記第２外部フレーム部１２０の間に位置するガスケット部１３０を含む。

前記ガスケット部１３０は前記第１外部フレーム部１１０および前記第２外部フレーム部１２０に締結されるガスケットフレーム１３１および前記ガスケットフレーム１３１の内側に位置する中空部１３２を含む。

前記ガスケットフレーム１３１はテフロン（登録商標）またはシリコン材質であり得る。

この時、図３に図示された通り、前記中空部１３２には、アノード３０、カソード４０、および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜５０を含む膜−電極接合体６０が位置することができる。

前記ガスケット部１３０は前記膜−電極接合体６０を支持しつつ、前記膜−電極接合体６０に供給される水または前記膜−電極接合体６０で発生する水などが外部に流れることを防止することができる。

以下では本発明に係る酸素発生装置をさらに具体的に説明する。

まず、前記アノード３０は第１支持体、前記第１支持体の一側に位置する第１触媒層、および前記第１支持体の他側に位置する第１気体拡散層を含むことができる。

前記第１支持体はカーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、活性炭素粉末、炭素分子篩、炭素ナノチューブ、微細気孔を有している活性炭、メソポーラスカーボン、導電性高分子またはこれらの混合物であり得る。

前記第１触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｖ、ＳおよびＭｏ金属および前記金属の酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素発生反応用触媒であり得、前記第１触媒層は前記第１支持体上に担持された状態であり得る。

次いで、前記カソード４０は第２支持体、前記第２支持体の一側に位置する第２触媒層、および前記第２支持体の他側に位置する第２気体拡散層を含むことができる。

前記第２支持体は炭素または遷移金属酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの物質であり得る。

前記第２触媒層はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素還元反応用触媒であり得、前記第２触媒層は前記第２支持体上に担持された状態であり得る。

この時、前記Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇの合金はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、ＡｕおよびＡｇからなる群から選択される金属と遷移金属、アルカリ金属およびランタノイド金属が合金化されたものであり得る。

前記遷移金属はＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、ＲｅおよびＯｓからなる群から選択される少なくともいずれか一つであり、前記アルカリ金属はＫ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｒ、ＢａおよびＲａからなる群から選択される少なくともいずれか一つであり、前記ランタノイド金属はＬａ、Ｙ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくともいずれか一つであり得る。

また、これとは異なり、前記第２触媒層はＦｅ−Ｎ配位結合を有する非貴金属酸素還元反応用触媒であり得、前記第２触媒層は前記第２支持体上に担持された状態であり得る。

この時、本発明でカソード用触媒である前記第２触媒層はＦｅ−Ｎ−Ｃ触媒を使うことが好ましく、前記Ｆｅ−Ｎ−Ｃ触媒は水素生成反応は抑制し、酸素還元反応は促進させることができるため、すなわち、水素生成反応が発生しないため広い範囲の電位で使用され得る。

一方、前記第１気体拡散層および前記第２気体拡散層は反応気体が触媒層に容易に接近できるようにする役割を遂行し、特にアノードの第１気体拡散層は水供給部から供給される水を通過させなければならず、カソードの第２気体拡散層は空気供給部から供給される酸素を通過させる役割をしなければならない。

このような役割を遂行するのであれば気体拡散層に特に制限されないが、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、またはメッシュ形態の金属板材を含むことができる。

前記メッシュ形態の金属板材はステンレス系メッシュ、チタン系メッシュまたはニッケル系メッシュであり得る。

ただし、本発明で前記第１気体拡散層および前記第２気体拡散層の材質を制限するわけではない。

次いで、前記電解質膜５０はアノードで発生した水素イオンがカソードに伝達される伝達通路となるものであって、水素イオン交換特性を有する高分子電解質膜であるかまたは水酸化イオン交換特性を有する高分子電解質膜であり得る。

例えば、前記電解質膜５０はパーフルオロ系陽子導電性重合体膜、スルホン化ポリスルホン共重合体、スルホネイテッドポリ（エーテル−ケトン）系高分子、過フッ素化スルホン酸基含有高分子、スルホネイテッドポリエーテルエーテルケトン系高分子、ポリイミド系高分子、ポリスチレン系高分子、ポリスルホン系高分子およびクレイ−スルホン化ポリスルホンナノ複合体（Ｃｌａｙ−ｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ Ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）からなる群から選択される一つ以上を含むことができる。

また、前記電解質膜は水系溶媒を含むことができ、前記水系溶媒はＨ_２ＳＯ_４、ＨＣｌＯ_４、Ｋ_２ＳＯ_４、Ｎａ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｈ_４Ｐ_２Ｏ_７、Ｋ_２ＰＯ_４、Ｎａ_３ＰＯ_４、Ｋ_３ＰＯ_４、ＨＮＯ_３、ＫＮＯ_３およびＮａＮＯ_３の中から選択される少なくともいずれか一つであり得る。

前記電解質膜の厚さは例えば、５〜３００μｍ、１０〜２００μｍ、１５〜１００μｍであり、この時、前記電解質膜の厚さが５μｍ未満であると機械的強度が低くなり、化学的安定性が低下し、３００μｍを超過すると電気抵抗が増加し得る。

一方、前記膜−電極接合体を構成するために、アノード、カソードおよび電解質膜の接合が要求され、このような接合は熱加圧方法などによって遂行され得る。例えば、ホットプレス装備を利用して、温度は１２０〜１５０℃で、時間は０．１〜１０分間５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２で熱加圧接合工程を実施することができる。

以下では、本発明に係る実験例を説明することにし、ただし、本発明の権利範囲は下記の実験例に制限されるものではない。
[実験例１]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒であるＰｔ／Ｃを、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒をスプレー、デカールなどの方法を利用して塗布した。

前記アノードは水供給源を通じて水の供給を受け、その水をＯＥＲを介して酸素を発生させた。この時、発生した水素イオンはナフィオン電解質膜を通じて移動し、カソードで空気中の酸素が還元されて水が生成されるＯＲＲが発生した。

図５は、実験例１の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図５でＰｔ／Ｃ−ＩｒＯ_２（Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）の意味は、カソード触媒としてＰｔ／Ｃを使用し、アノード触媒としてＩｒＯ_２を使用したし、別途の空気供給部を介して空気をカソードに供給し、および別途の水供給源を通じてアノードに水を供給したことを意味する。以下同じ意味に該当する。

図５を参照すると、１．４Ｖの電圧印加時に略１０００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合アノードでの酸素発生量は略３５０ｃｍ^３／ｍｉｎ（ＳＴＰ）であることが確認された。
[実験例２]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒をスプレー、デカールなどの方法を利用して塗布した。

この時、水供給源を通じてのアノードへの水の供給を遮断し、空気供給部を介してのカソードへの空気の供給を遮断したことを除いては前述した実験例１と同様にして実験して、単位電池の評価を進行した。

図６は、実験例２の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図６でＰｔ／Ｃ−ＩｒＯ_２（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｎｏｎ Ｗａｔｅｒ）の意味は、カソード触媒としてＰｔ／Ｃを使用し、アノード触媒としてＩｒＯ_２を使用したし、水供給源を通じてのアノードへの水の供給を遮断し、空気供給部を介してのカソードへの空気の供給を遮断したことを意味する。

図６を参照すると、１．４Ｖの電圧印加時に０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、カソードに空気の供給がなく、アノードに水の供給がないと、アノードで酸素発生反応が発生しないことが確認された。
[実験例３]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒をスプレー、デカールなどの方法を利用して塗布した。

この時、水供給源を通じてアノードの水を供給し、ただし、空気供給部を介してのカソードへの空気の供給を遮断したことを除いては前述した実験例１と同様にして実験して、単位電池の評価を進行した。

図７は、実験例３の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図７でＰｔ／Ｃ−ＩｒＯ_２（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）の意味は、カソード触媒としてＰｔ／Ｃを使用し、アノード触媒としてＩｒＯ_２を使用したし、水供給源を通じてアノードの水を供給するものの、ただし、空気供給部を介してのカソードへの空気の供給を遮断したことを意味する。

図７を参照すると、１．４Ｖの電圧印加時に０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、カソードに空気の供給がないと酸素還元反応が発生しないため、アノードで酸素発生反応が発生しないことが確認された。
[実験例４]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒をスプレー、デカールなどの方法を利用して塗布した。

前記アノードに水供給源を通じて水の供給を受け、ただし、カソードで空気を遮断して１．８Ｖまで電圧を印加して単位電池の評価を進行した。

図８は、実験例４の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図８を参照すると、カソードに空気の供給がなければ、１．４Ｖ以上の電圧を印加しないと一定の電流密度が得られないことが確認されたが、この場合、カソードで水素発生反応が発生することが確認された。

すなわち、実験例１のような、別途の空気供給部を介して空気をカソードに供給し、別途の水供給源を通じてアノードに水を供給した場合、０．６Ｖ以上の電圧を印加する場合にも電流密度が得られることとは対照的な結果に該当し、また、実験例１ではアノードで酸素発生反応が起こるが、実験例４ではカソードで水素発生反応が起こることを確認した。
[実験例５]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒をスプレー、デカールなどの方法を利用して塗布した。

前記アノードに水供給源を通じて水を供給し、前記カソードには空気供給部を介して空気を供給するものの、空気の流量を５〜１００ｃｃｍまで変化させて単位電池の評価を進行した。

図９は、実験例５の空気の流量による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図９を参照すると、空気の流量が増加するにつれて酸素発生電流密度が上昇することが確認されたし、１００ｃｃｍの空気を供給した時、１．４Ｖの電圧印加時に１０００ｍＡ／ｃｍ^２の電流が得られることを確認した。

ただし、空気の流量が５ｃｃｍおよび１０ｃｃｍである場合、発生する電流密度が微弱であったし、したがって、本発明で前記空気供給部を介しての空気の供給流量は２０ｃｃｍ以上であることが好ましい。
[実験例６]

ナフィオン電解質膜上に、アノードにはナノ多孔性構造のイリジウム酸化物触媒を使うものの、カソードにはＰｔ／Ｃの触媒の代わりに、他の触媒であるＦｅ／Ｎ／Ｃ触媒を使ったことを除いては実験例１と同様にして実施した。

この時、カソードの触媒としてＦｅ／Ｎ／Ｃを使った場合において、（１）アノードに水供給源を通じて水を供給し、カソードには空気供給部を介して空気を供給した場合（Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）、（２）アノードに水供給源を通じて水を供給するものの、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）、（３）アノードに水供給源を遮断して水を供給せず、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｎｏｎ Ｗａｔｅｒ）に区分して単位電池の評価を進行した。

図１０は、実験例６の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図１０を参照すると、１．４Ｖの電圧印加時に約３００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、アノードでの酸素発生量は略１４０ｃｍ^３／ｍｉｎ（ＳＴＰ）であることが確認された。

しかし、実験例６の場合も、（２）アノードに水供給源を通じて水を供給するものの、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）、（３）アノードに水供給源を遮断して水を供給せず、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｎｏｎ Ｗａｔｅｒ）には、１．４Ｖの電圧印加時に０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、カソードに空気の供給がないと酸素還元反応が発生しないため、アノードで酸素発生反応が発生しないことが確認された。
[実験例７]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を使うものの、アノードにもカソードと同一の白金触媒を使ったことを除いては、実験例１と同様にして実施した。

この時、カソードおよびアノードの触媒としていずれにもＰｔ／Ｃを使った場合において、（１）アノードに水供給源を通じて水を供給し、カソードには空気供給部を介して空気を供給した場合（Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）、（２）アノードに水供給源を通じて水を供給するものの、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）に区分して単位電池の評価を進行した。

図１１は、実験例７の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図１１を参照すると、アノードにＰｔ／Ｃ触媒を使った場合、１．４Ｖの電圧印加時に約５００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、したがって、アノードの触媒を異ならせても酸素発生反応が起こることを確認した。

しかし、実験例７の場合も、（２）アノードに水供給源を通じて水を供給するものの、カソードには空気供給部を遮断して空気を供給しない場合（Ｎｏｎ Ａｉｒ−Ｗａｔｅｒ）には、１．４Ｖの電圧印加時に０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、カソードに空気の供給がないと酸素還元反応が発生しないため、アノードで酸素発生反応が発生しないことが確認された。
[実験例８]

ナフィオン電解質膜上に、カソードには触媒である白金を使うものの、アノードにはルテニウム酸化物触媒を使ったことを除いては、実験例１と同様にして実施した。

この時、アノードに水供給源を通じて水を供給し、カソードには空気供給部を介して空気を供給して単位電池の評価を進行した。

図１２は、実験例８の電圧による酸素発生電流密度の変化を図示するグラフである。図１２を参照すると、アノードにルテニウム酸化物触媒を使った場合、１．４Ｖの電圧印加時に、前記アノードにイリジウム酸化物触媒を使った場合より増加した１２００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られたし、この場合、アノードでの酸素発生量は略４２０ｃｍ^３／ｍｉｎ（ＳＴＰ）であることが確認された。

したがって、アノードの触媒を異ならせることによって、アノードでの酸素発生量を増加させることができることを確認することができる。

以上のように、本発明では、膜−電極接合体６０；一定の電源を印加できる電源装置２０；前記膜−電極接合体のアノードに水を供給できる水供給源７０；および前記膜−電極接合体のカソードに酸素を供給するための空気供給部８０の簡単な構成によって、酸素（Ｏ_２）が発生する酸素発生装置を構成することができる。

したがって、本発明では電気化学的方法を利用するため無騒音、無振動で酸素を発生させることができ、また、装置の構成が簡単であるため小型化が可能な電気化学的酸素発生装置を提供することができる。

以上、添付された図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明がその技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施できることが理解できるはずである。したがって、以上で記述した実施例はすべての面で例示的なものであり限定的ではないものと理解されるべきである。

Claims (10)

1. 酸素発生装置において、
   前記酸素発生装置は、
   外部の空気が流入するカソードでは酸素還元反応が起こり、水が供給されるアノードでは酸素生成反応が起こり、
   前記外部の空気が流入する空気の流量は２０ｃｃｍ以上であることを特徴とする、酸素発生装置。
2. 前記アノードでは酸素生成反応（ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、前記カソードでは酸素還元反応（ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる、請求項１に記載の酸素発生装置。
3. 電源装置の第１極と連結されるアノード、前記電源装置の第２極と連結されるカソード、および前記アノードと前記カソードの間に備えられる電解質膜を含む膜−電極接合体；
   前記アノードに水を供給するための水供給源；および
   前記カソードに酸素を供給するための空気供給部を含み、
   前記アノードでは酸素生成反応（ＯＥＲ）を利用して酸素（Ｏ_２）を発生させ、前記カソードでは酸素還元反応（ＯＲＲ）を利用して水（Ｈ_２Ｏ）を発生させる、酸素発生装置。
4. 前記カソードで発生した水（Ｈ_２Ｏ）を前記水供給源に回収するための水回収ラインをさらに含む、請求項３に記載の酸素発生装置。
5. 前記アノードの外側に位置する第１外部フレーム部および前記カソードの外側に位置する第２外部フレーム部をさらに含み、
   前記第１外部フレーム部は、第１外部フレーム；前記第１外部フレームの一側に位置する水注入口および前記第１外部フレームの他側に位置する酸素排出口を含み、
   前記第２外部フレーム部は、第２外部フレーム；前記第２外部フレームの一側に位置する酸素注入口および前記第２外部フレームの他側に位置する水排出口を含む、請求項４に記載の酸素発生装置。
6. 前記水供給源から供給される水（Ｈ_２Ｏ）が前記水注入口を介して前記アノードに供給され、前記アノードでは水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解して水素イオン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ_２）および電子を生成し、前記生成された酸素（Ｏ_２）は前記酸素排出口を介して排出され、
   前記カソードでは、前記酸素注入口から供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と前記電解質膜を通過して移動した水素イオン（Ｈ^＋）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成させることになり、生成された水（Ｈ_２Ｏ）は前記水排出口を介して排出される、請求項５に記載の酸素発生装置。
7. 前記アノードは第１支持体および前記第１支持体の一側に位置する第１触媒層を含み、
   前記第１支持体はカーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、活性炭素粉末、炭素分子篩、炭素ナノチューブ、微細気孔を有している活性炭、メソポーラスカーボン、導電性高分子またはこれらの混合物であり、
   前記第１触媒層はＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｖ、ＳおよびＭｏ金属および前記金属の酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素発生反応用触媒であることを特徴とする、請求項３に記載の酸素発生装置。
8. 前記カソードは第２支持体および前記第２支持体の一側に位置する第２触媒層を含み、
   前記第２支持体は炭素または遷移金属酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの物質であり、
   前記第２触媒層はＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる群から選択される少なくともいずれか一つの酸素還元反応用触媒であることを特徴とする、請求項３に記載の酸素発生装置。
9. 前記カソードは第２支持体および前記第２支持体の一側に位置する第２触媒層を含み、
   前記第２支持体は炭素または遷移金属酸化物、窒化物、炭化物、リン化物、硫化物からなる群から選択される少なくともいずれか一つの物質であり、
   前記第２触媒層はＦｅ−Ｎ−Ｃ触媒であることを特徴とする、請求項３に記載の酸素発生装置。
10. 前記Ｆｅ−Ｎ−Ｃ触媒は水素生成反応は抑制し、酸素還元反応は促進させるものである、請求項９に記載の酸素発生装置。

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