JPH0734276A - 水電解装置 - Google Patents
水電解装置Info
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- JPH0734276A JPH0734276A JP5181384A JP18138493A JPH0734276A JP H0734276 A JPH0734276 A JP H0734276A JP 5181384 A JP5181384 A JP 5181384A JP 18138493 A JP18138493 A JP 18138493A JP H0734276 A JPH0734276 A JP H0734276A
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- polymer electrolyte
- solid polymer
- anode
- cathode
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電解効率を向上させ、省エネルギー効果を大
きくする。 【構成】 固体高分子電解質隔膜１の両側に陽極２及び
陰極５としてそれぞれ多孔性電極を接触させ、陽極２及
び陰極５にそれぞれ通水する水系を備えた水電解装置Ｅ
において、陽極２及び陰極５に、固体高分子電解質隔膜
１と同等又は類似の固体高分子電解質３を所定間隔でコ
ーティングすることにより、電極２、５と固体高分子電
解質３との接点を、電極全体に立体的に形成し、電極と
固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる。
きくする。 【構成】 固体高分子電解質隔膜１の両側に陽極２及び
陰極５としてそれぞれ多孔性電極を接触させ、陽極２及
び陰極５にそれぞれ通水する水系を備えた水電解装置Ｅ
において、陽極２及び陰極５に、固体高分子電解質隔膜
１と同等又は類似の固体高分子電解質３を所定間隔でコ
ーティングすることにより、電極２、５と固体高分子電
解質３との接点を、電極全体に立体的に形成し、電極と
固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、オゾン水、過酸化水
素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガスの製造、
廃水浄化、赤水防止等に利用される固体高分子電解質を
用いた水電解装置に関する。
素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガスの製造、
廃水浄化、赤水防止等に利用される固体高分子電解質を
用いた水電解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】オゾン水、酸素水、水素ガス、酸素ガス
等の製造に利用される、固体高分子電解質を用いた水電
解装置は、従来多孔性電極に触媒層を被覆し固体高分子
電解質隔膜に圧着していた（特公昭６１−４３４３６号
参照）。
等の製造に利用される、固体高分子電解質を用いた水電
解装置は、従来多孔性電極に触媒層を被覆し固体高分子
電解質隔膜に圧着していた（特公昭６１−４３４３６号
参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この水電解装置では、
ＯＨ- が陽極で放電してＯＨとなり、Ｈ+ が固体高分子
電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原子となる。これ
には、多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接点に水が
供給されることが必要である。ところが、従来の水電解
装置では、多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接点が
形成されるのは、固体高分子電解質隔膜の表面のみであ
って、そこへ水を供給するには多孔性電極は４０〜７０
％の空孔率が必要である。よって、多孔性電極と固体高
分子電解質隔膜の接触する部分は、計算上３０〜６０％
となるが、水の浸入できない多孔性電極と固体高分子電
解質隔膜の密着部分は電解に関与できない。従って、通
水はその接点の一部にしか接触できないため、高い電解
効率が得られなかった。そこで、電解効率を上げるため
に、通水の加圧、加温や触媒の工夫が行われてきたが満
足できる効果は得られていない。
ＯＨ- が陽極で放電してＯＨとなり、Ｈ+ が固体高分子
電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原子となる。これ
には、多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接点に水が
供給されることが必要である。ところが、従来の水電解
装置では、多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接点が
形成されるのは、固体高分子電解質隔膜の表面のみであ
って、そこへ水を供給するには多孔性電極は４０〜７０
％の空孔率が必要である。よって、多孔性電極と固体高
分子電解質隔膜の接触する部分は、計算上３０〜６０％
となるが、水の浸入できない多孔性電極と固体高分子電
解質隔膜の密着部分は電解に関与できない。従って、通
水はその接点の一部にしか接触できないため、高い電解
効率が得られなかった。そこで、電解効率を上げるため
に、通水の加圧、加温や触媒の工夫が行われてきたが満
足できる効果は得られていない。
【０００４】この発明は、従来、固体高分子電解質隔膜
の表面のみであった多孔性電極と固体高分子電解質との
接点を、多孔性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極
と固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる
ことにより、電解効率の高い水電解装置を提供すること
を目的とする。
の表面のみであった多孔性電極と固体高分子電解質との
接点を、多孔性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極
と固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる
ことにより、電解効率の高い水電解装置を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質隔膜の両側に陽極及び陰極としてそれぞれ多孔性電
極を接触させ、前記陽極及び陰極の多孔性電極にそれぞ
れ通水する水系を備えた水電解装置において、少なくと
も一方の多孔性電極に、固体高分子電解質隔膜と同等又
は類似の固体高分子電解質を所定間隔でコーティングす
ることにより、上記課題を解決している。
解質隔膜の両側に陽極及び陰極としてそれぞれ多孔性電
極を接触させ、前記陽極及び陰極の多孔性電極にそれぞ
れ通水する水系を備えた水電解装置において、少なくと
も一方の多孔性電極に、固体高分子電解質隔膜と同等又
は類似の固体高分子電解質を所定間隔でコーティングす
ることにより、上記課題を解決している。
【０００６】固体高分子電解質隔膜の表面に触媒層を置
き、その外側に多孔性電極を圧着する場合には、触媒層
と多孔性電極とに固体高分子電解質をコーティングす
る。多孔性電極は、多孔性カーボン、カーボン織布、カ
ーボン不織布、チタン，ステンレス，タンタル，ニオブ
等の金属のパンチング加工材、ラス加工材、不織布加工
材、ポーラス粉末冶金材、ガラス，セラミックス，石
英，木綿，羊毛，人造繊維等の織布，不織布，発泡体の
導電処理材、又は、前記各材料に白金族金属をメッキ若
しくは焼付けした材料などで構成する。
き、その外側に多孔性電極を圧着する場合には、触媒層
と多孔性電極とに固体高分子電解質をコーティングす
る。多孔性電極は、多孔性カーボン、カーボン織布、カ
ーボン不織布、チタン，ステンレス，タンタル，ニオブ
等の金属のパンチング加工材、ラス加工材、不織布加工
材、ポーラス粉末冶金材、ガラス，セラミックス，石
英，木綿，羊毛，人造繊維等の織布，不織布，発泡体の
導電処理材、又は、前記各材料に白金族金属をメッキ若
しくは焼付けした材料などで構成する。
【０００７】ガラス，セラミックス，石英等の導電処理
は、ＩＴＯ、錫─鉛系、錫アンチモン系、亜鉛系等の方
法があるが、木綿，羊毛，人造繊維等は加熱処理ができ
ないので、導電処理はゾル─ゲル法を用い低温で行う
か、蒸着等で導電性を付与する。なお、陽極材料として
は、発生機の酸素が出るので、炭素や酸化されやすい金
属は使用できず、白金族金属やチタン、ジルコニウム、
タンタル，ニオブ等の金属や、ＩＴＯをコートしたガラ
ス，セラミックスが使用される。
は、ＩＴＯ、錫─鉛系、錫アンチモン系、亜鉛系等の方
法があるが、木綿，羊毛，人造繊維等は加熱処理ができ
ないので、導電処理はゾル─ゲル法を用い低温で行う
か、蒸着等で導電性を付与する。なお、陽極材料として
は、発生機の酸素が出るので、炭素や酸化されやすい金
属は使用できず、白金族金属やチタン、ジルコニウム、
タンタル，ニオブ等の金属や、ＩＴＯをコートしたガラ
ス，セラミックスが使用される。
【０００８】多孔性電極に固体高分子電解質をコーティ
ングする際は、固体高分子電解質をイナートリキッドＣ
5 Ｆ10Ｏ、パーフロロデカリンＣ10Ｆ18、ジメチルスル
ホキシド（ＣＨ3 ）2 ＳＯなどに溶解し、多孔性電極に
その溶液を所定間隔でストライプ状、格子状、渦巻状、
斑点状に塗付する。塗付した固体高分子電解質は急速に
乾燥させ、ピンホールや亀裂を多数形成すると、多孔性
電極と固体高分子電解質と水との接点が増加し、電解効
率向上に有効である。
ングする際は、固体高分子電解質をイナートリキッドＣ
5 Ｆ10Ｏ、パーフロロデカリンＣ10Ｆ18、ジメチルスル
ホキシド（ＣＨ3 ）2 ＳＯなどに溶解し、多孔性電極に
その溶液を所定間隔でストライプ状、格子状、渦巻状、
斑点状に塗付する。塗付した固体高分子電解質は急速に
乾燥させ、ピンホールや亀裂を多数形成すると、多孔性
電極と固体高分子電解質と水との接点が増加し、電解効
率向上に有効である。
【０００９】コーティングする固体高分子電解質の厚さ
は、０．１〜５０μｍの範囲である。これは、０．１μ
ｍより薄いと膜が途切れる恐れがあり、５０μｍより厚
いと活性点が失われるからであり、一般的には、１〜１
０μｍのものが多く用いられる。
は、０．１〜５０μｍの範囲である。これは、０．１μ
ｍより薄いと膜が途切れる恐れがあり、５０μｍより厚
いと活性点が失われるからであり、一般的には、１〜１
０μｍのものが多く用いられる。
【００１０】
【作用】水電解装置の陽極及び陰極の多孔性電極を電源
に接続し、それぞれの水系に通水すると水が電解され、
陽極ではＯＨ- が放電してＯＨとなる。Ｈ+ は固体高分
子電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原子となる。従
って、陽極では２ＯＨ→Ｈ2 Ｏ＋Ｏの反応によって原子
状の酸素が発生し、陰極では原子状の水素が発生する。
に接続し、それぞれの水系に通水すると水が電解され、
陽極ではＯＨ- が放電してＯＨとなる。Ｈ+ は固体高分
子電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原子となる。従
って、陽極では２ＯＨ→Ｈ2 Ｏ＋Ｏの反応によって原子
状の酸素が発生し、陰極では原子状の水素が発生する。
【００１１】この反応は、多孔性電極と固体高分子電解
質隔膜の接点に水が供給されることにより行われる。本
発明の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子電解質
との接点が、固体高分子電解質隔膜の表面のみでなく、
多孔性電極全体に立体的に形成されているので、多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の接点への通水の接触が増
加し、電解効率が高くなる。
質隔膜の接点に水が供給されることにより行われる。本
発明の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子電解質
との接点が、固体高分子電解質隔膜の表面のみでなく、
多孔性電極全体に立体的に形成されているので、多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の接点への通水の接触が増
加し、電解効率が高くなる。
【００１２】
（実施例１）図１は本発明の実施例である水電解装置の
構成を示す縦断面図、図２は図１の一部を拡大して示す
説明図、図３は陽極の正面図である。この水電解装置Ｅ
は、ケーシング１３の中央に設けられた固体高分子電解
質隔膜１の両側に陽極２及び陰極５が接触するよう配置
され、その外側に陽極給電体８と陰極給電体９とが取付
けられている。ケーシング１３の下部陽極側には陽極水
入口１０、陰極側には陰極水入口１１、ケーシング１３
の上部陽極側には陽極水出口１４、陰極側には陰極水出
口１５を備えており、陽極２及び陰極５にそれぞれ通水
する水系が形成されている。
構成を示す縦断面図、図２は図１の一部を拡大して示す
説明図、図３は陽極の正面図である。この水電解装置Ｅ
は、ケーシング１３の中央に設けられた固体高分子電解
質隔膜１の両側に陽極２及び陰極５が接触するよう配置
され、その外側に陽極給電体８と陰極給電体９とが取付
けられている。ケーシング１３の下部陽極側には陽極水
入口１０、陰極側には陰極水入口１１、ケーシング１３
の上部陽極側には陽極水出口１４、陰極側には陰極水出
口１５を備えており、陽極２及び陰極５にそれぞれ通水
する水系が形成されている。
【００１３】固体高分子電解質隔膜１には、デュポン製
ナフィオン１１７の０．２mmを用いた。陽極２は、多数
の孔１２が形成されたチタンのラス加工材に白金イリジ
ウム酸化膜を焼付け、その表面に固体高分子電解質３と
して、ナフィオンをジメチルスルホキシドに溶解した溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
したものを、孔１２の位置が互い違いになるように２枚
重ね合わせ、通水を良くするよう構成している。コーテ
ィングした固体高分子電解質３は加熱、真空加熱等を急
速に行う急速乾燥でピンホール４やひび割れを多数形成
し陽極２と固体高分子電解質３と水との接点即ち電解の
活性点を増加させている。
ナフィオン１１７の０．２mmを用いた。陽極２は、多数
の孔１２が形成されたチタンのラス加工材に白金イリジ
ウム酸化膜を焼付け、その表面に固体高分子電解質３と
して、ナフィオンをジメチルスルホキシドに溶解した溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
したものを、孔１２の位置が互い違いになるように２枚
重ね合わせ、通水を良くするよう構成している。コーテ
ィングした固体高分子電解質３は加熱、真空加熱等を急
速に行う急速乾燥でピンホール４やひび割れを多数形成
し陽極２と固体高分子電解質３と水との接点即ち電解の
活性点を増加させている。
【００１４】陰極５はカーボン不織布に触媒として白金
黒を用い、固体高分子電解質３として上記ナフィオン溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
している。コーティングした固体高分子電解質３は急速
に乾燥させてピンホール４を多数形成している。陽極２
及び陰極５を電源６に接続し、それぞれの水系に通水す
ると、陽極２は正に帯電しているので、陽極水入口１０
から流入した水は電解されＯＨ- が放電してＯＨとな
る。同時に発生したＨ+ は、コーティングした固体高分
子電解質３の部分から固体高分子電解質隔膜１を通り、
陰極５で放電して水素原子となり、陰極水入口１１から
流入した水に溶解するか、水素ガスとして出てくる。
黒を用い、固体高分子電解質３として上記ナフィオン溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
している。コーティングした固体高分子電解質３は急速
に乾燥させてピンホール４を多数形成している。陽極２
及び陰極５を電源６に接続し、それぞれの水系に通水す
ると、陽極２は正に帯電しているので、陽極水入口１０
から流入した水は電解されＯＨ- が放電してＯＨとな
る。同時に発生したＨ+ は、コーティングした固体高分
子電解質３の部分から固体高分子電解質隔膜１を通り、
陰極５で放電して水素原子となり、陰極水入口１１から
流入した水に溶解するか、水素ガスとして出てくる。
【００１５】固体高分子電解質３は陽イオン交換樹脂で
あり、電子は通さないがＨ+ は通す。従って、陽極反応
が行われるのは、陽極２の固体高分子電解質３と水との
接点即ち電解の活性点である。陰極反応は、陰極５の固
体高分子電解質３と水との接点が中心であるが、水素原
子は薄い固体高分子電解質膜を通過し易いので、陰極５
が固体高分子電解質３で覆われている所でもＨ+ が放電
して水素原子となる。この水電解装置Ｅでは、陽極２、
陰極５の固体高分子電解質３と水との接点が、固体高分
子電解質隔膜１の表面のみでなく、両極全体に立体的に
形成されているので、陽極反応、陰極反応共全体で立体
的に進み、内部抵抗が下がり低電圧で反応が進むため、
電解効率が高く低コストで水電解を行うことができる。
あり、電子は通さないがＨ+ は通す。従って、陽極反応
が行われるのは、陽極２の固体高分子電解質３と水との
接点即ち電解の活性点である。陰極反応は、陰極５の固
体高分子電解質３と水との接点が中心であるが、水素原
子は薄い固体高分子電解質膜を通過し易いので、陰極５
が固体高分子電解質３で覆われている所でもＨ+ が放電
して水素原子となる。この水電解装置Ｅでは、陽極２、
陰極５の固体高分子電解質３と水との接点が、固体高分
子電解質隔膜１の表面のみでなく、両極全体に立体的に
形成されているので、陽極反応、陰極反応共全体で立体
的に進み、内部抵抗が下がり低電圧で反応が進むため、
電解効率が高く低コストで水電解を行うことができる。
【００１６】電極の有効面積１００cm2 の水電解装置で
陽極水入口１０と陰極水入口１１に、水温１９°Ｃの水
道水をそれぞれ１５０l／ｈ供給して電解を行った場合
の電流電圧曲線を図４上Ａに示す。図４上Ｂは、電極の
組合せが本実施例と同一で固体高分子電解質３をコーテ
ィングしない場合の電流電圧曲線である。この図から明
らかなように、等しい電流値を得るのに、ＡはＢより電
圧で約０．２Ｖ低く電解効率が高い。
陽極水入口１０と陰極水入口１１に、水温１９°Ｃの水
道水をそれぞれ１５０l／ｈ供給して電解を行った場合
の電流電圧曲線を図４上Ａに示す。図４上Ｂは、電極の
組合せが本実施例と同一で固体高分子電解質３をコーテ
ィングしない場合の電流電圧曲線である。この図から明
らかなように、等しい電流値を得るのに、ＡはＢより電
圧で約０．２Ｖ低く電解効率が高い。
【００１７】（実施例２）陽極としてステンレス不織布
に白金メッキし、更に酸化イリジウムを焼付けた後、ナ
フィオン溶液を数mm間隔の格子状に５〜１０μｍコーテ
ィングしたものを用い、陰極はカーボン不織布に触媒と
して白金黒を塗付し、ナフィオン溶液を斑点状に１〜５
μｍ噴霧コーティングしたものを用いた。
に白金メッキし、更に酸化イリジウムを焼付けた後、ナ
フィオン溶液を数mm間隔の格子状に５〜１０μｍコーテ
ィングしたものを用い、陰極はカーボン不織布に触媒と
して白金黒を塗付し、ナフィオン溶液を斑点状に１〜５
μｍ噴霧コーティングしたものを用いた。
【００１８】電極の有効面積２５cm2 の水電解装置で、
陽極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ４０
l／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図５
上Ａに示す。図５上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同
一で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流
電圧曲線である。なお、触媒の使用による陰極水の脱酸
素電流効率は９６％であった。
陽極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ４０
l／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図５
上Ａに示す。図５上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同
一で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流
電圧曲線である。なお、触媒の使用による陰極水の脱酸
素電流効率は９６％であった。
【００１９】（実施例３）陽極として直径３０mm、厚さ
３mmのセラミック不織布にＩＴＯコーティングし、更に
触媒として酸化ルテニウムを塗付した後、ナフィオン溶
液を数mm間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングした
ものを用い、陰極は直径３０mm、厚さ２mmのステンレス
不織布に白金メッキを施し、更にナフィオン溶液を数mm
間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングしたものを用
いた。
３mmのセラミック不織布にＩＴＯコーティングし、更に
触媒として酸化ルテニウムを塗付した後、ナフィオン溶
液を数mm間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングした
ものを用い、陰極は直径３０mm、厚さ２mmのステンレス
不織布に白金メッキを施し、更にナフィオン溶液を数mm
間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングしたものを用
いた。
【００２０】電極の有効面積７cm2 の水電解装置で、陽
極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ１０l
／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図６上
Ａに示す。図６上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同一
で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流電
圧曲線である。
極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ１０l
／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図６上
Ａに示す。図６上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同一
で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流電
圧曲線である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の水電解装
置は、多孔性電極と固体高分子電解質との接点を、多孔
性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点への通水の接触を増加させることによ
り、電解効率を向上することができ、これをオゾン水、
過酸化水素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガス
の製造、廃水浄化、赤水防止等に利用すると高い効率で
電解が行われるため、省エネルギー効果が大きい。
置は、多孔性電極と固体高分子電解質との接点を、多孔
性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点への通水の接触を増加させることによ
り、電解効率を向上することができ、これをオゾン水、
過酸化水素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガス
の製造、廃水浄化、赤水防止等に利用すると高い効率で
電解が行われるため、省エネルギー効果が大きい。
【図１】本発明の実施例である水電解装置の構成を示す
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す説明図である。
【図３】陽極の正面図である。
【図４】実施例１の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
【図５】実施例２の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
【図６】実施例３の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
１ 固体高分子電解質隔膜 ２ 陽極 ３ 固体高分子電解質 ４ ピンホール ５ 陰極 ６ 電源 １０ 陽極水入口 １１ 陰極水入口 １２ 孔 １３ ケーシング １４ 陽極水出口 １５ 陰極水出口 Ｅ 水電解装置
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年７月１５日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 水電解装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、オゾン水、過酸化水
素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガスの製造、
廃水浄化、赤水防止等に利用される固体高分子電解質を
用いた水電解装置に関する。
素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガスの製造、
廃水浄化、赤水防止等に利用される固体高分子電解質を
用いた水電解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】オゾン水、酸素水、水素ガス、酸素ガス
等の製造に利用される、固体高分子電解質を用いた水電
解装置は、従来多孔性電極に触媒層を被覆し固体高分子
電解質隔膜に圧着していた（特公昭６１−４３４３６号
参照）。
等の製造に利用される、固体高分子電解質を用いた水電
解装置は、従来多孔性電極に触媒層を被覆し固体高分子
電解質隔膜に圧着していた（特公昭６１−４３４３６号
参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この水電解装置では、
ＯＨ- が陽極で放電して酸素またはオゾンとなり、Ｈ+
が固体高分子電解質隔膜を通り陰極で電子を受け取り水
素原子となる。これには、多孔性電極と固体高分子電解
質隔膜の接点に水が供給されることが必要である。とこ
ろが、従来の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点が形成されるのは、固体高分子電解質
隔膜の表面のみであって、そこへ水を供給するには多孔
性電極は４０〜７０％の空孔率が必要である。よって、
多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接触する部分は、
計算上３０〜６０％となるが、水の侵入できない多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の密着部分は、電解に関与
できない。従って、通水はその接点の一部にしか接触で
きないため、高い電解効率が得られなかった。そこで、
電解効率を上げるために、通水の加圧、加温や触媒の工
夫が行われてきたが満足できる効果は得られていない。
ＯＨ- が陽極で放電して酸素またはオゾンとなり、Ｈ+
が固体高分子電解質隔膜を通り陰極で電子を受け取り水
素原子となる。これには、多孔性電極と固体高分子電解
質隔膜の接点に水が供給されることが必要である。とこ
ろが、従来の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点が形成されるのは、固体高分子電解質
隔膜の表面のみであって、そこへ水を供給するには多孔
性電極は４０〜７０％の空孔率が必要である。よって、
多孔性電極と固体高分子電解質隔膜の接触する部分は、
計算上３０〜６０％となるが、水の侵入できない多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の密着部分は、電解に関与
できない。従って、通水はその接点の一部にしか接触で
きないため、高い電解効率が得られなかった。そこで、
電解効率を上げるために、通水の加圧、加温や触媒の工
夫が行われてきたが満足できる効果は得られていない。
【０００４】この発明は、従来、固体高分子電解質隔膜
の表面のみであった多孔性電極と固体高分子電解質との
接点を、多孔性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極
と固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる
ことにより、電解効率の高い水電解装置を提供すること
を目的とする。
の表面のみであった多孔性電極と固体高分子電解質との
接点を、多孔性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極
と固体高分子電解質の接点への通水の接触を増加させる
ことにより、電解効率の高い水電解装置を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子電
解質隔膜の両側に陽極及び陰極としてそれぞれ多孔性電
極を接触させ、前記陽極及び陰極の多孔性電極にそれぞ
れ通水する水系を備えた水電解装置において、少なくと
も一方の多孔性電極に、固体高分子電解質隔膜と同等又
は類似の固体高分子電解質を所定間隔でコーティングす
ることにより、上記課題を解決している。
解質隔膜の両側に陽極及び陰極としてそれぞれ多孔性電
極を接触させ、前記陽極及び陰極の多孔性電極にそれぞ
れ通水する水系を備えた水電解装置において、少なくと
も一方の多孔性電極に、固体高分子電解質隔膜と同等又
は類似の固体高分子電解質を所定間隔でコーティングす
ることにより、上記課題を解決している。
【０００６】固体高分子電解質隔膜の表面に触媒層を置
き、その外側に多孔性電極を圧着する場合には、触媒層
と多孔性電極とに固体高分子電解質をコーティングす
る。多孔性電極は、多孔性カーボン、カーボン織布、カ
ーボン不織布、チタン，ステンレス，タンタル，ニオブ
等の金属のパンチング加工材、ラス加工材、不織布加工
材、ポーラス粉末冶金材、ガラス，セラミックス，石
英，木綿，羊毛，人造繊維等の織布，不織布，発泡体の
導電処理材、又は、前記各材料に白金族金属をメッキ若
しくは焼付けした材料などで構成する。
き、その外側に多孔性電極を圧着する場合には、触媒層
と多孔性電極とに固体高分子電解質をコーティングす
る。多孔性電極は、多孔性カーボン、カーボン織布、カ
ーボン不織布、チタン，ステンレス，タンタル，ニオブ
等の金属のパンチング加工材、ラス加工材、不織布加工
材、ポーラス粉末冶金材、ガラス，セラミックス，石
英，木綿，羊毛，人造繊維等の織布，不織布，発泡体の
導電処理材、又は、前記各材料に白金族金属をメッキ若
しくは焼付けした材料などで構成する。
【０００７】導電処理は、ＩＴＯ、錫─鉛系、錫アンチ
モン系、亜鉛系材料をゾル─ゲル法もしくは、蒸着法で
成膜する事で行なわれる。なお、陽極材料としては、発
生機の酸素が出るので、炭素や酸化されやすい金属は使
用できず、白金族金属やチタン、ジルコニウム、タンタ
ル，ニオブ等の金属や、ＩＴＯをコートしたガラス，セ
ラミックスが使用される。
モン系、亜鉛系材料をゾル─ゲル法もしくは、蒸着法で
成膜する事で行なわれる。なお、陽極材料としては、発
生機の酸素が出るので、炭素や酸化されやすい金属は使
用できず、白金族金属やチタン、ジルコニウム、タンタ
ル，ニオブ等の金属や、ＩＴＯをコートしたガラス，セ
ラミックスが使用される。
【０００８】多孔性電極に固体高分子電解質をコーティ
ングする際は、固体高分子電解質をイナートリキッドＣ
5 Ｆ10Ｏ、パーフロロデカリンＣ10Ｆ18、ジメチルスル
ホキシド（ＣＨ3 ）2 ＳＯなどに溶解し、多孔性電極に
その溶液を所定間隔でストライプ状、格子状、渦巻状、
斑点状に塗付する。塗付した固体高分子電解質は急速に
乾燥させ、ピンホールや亀裂を多数形成すると、多孔性
電極と固体高分子電解質と水との接点が増加し、電解効
率向上に有効である。
ングする際は、固体高分子電解質をイナートリキッドＣ
5 Ｆ10Ｏ、パーフロロデカリンＣ10Ｆ18、ジメチルスル
ホキシド（ＣＨ3 ）2 ＳＯなどに溶解し、多孔性電極に
その溶液を所定間隔でストライプ状、格子状、渦巻状、
斑点状に塗付する。塗付した固体高分子電解質は急速に
乾燥させ、ピンホールや亀裂を多数形成すると、多孔性
電極と固体高分子電解質と水との接点が増加し、電解効
率向上に有効である。
【０００９】コーティングする固体高分子電解質の厚さ
は、０．１〜５０μｍの範囲である。これは、０．１μ
ｍより薄いと膜が途切れる恐れがあり、５０μｍより厚
いと活性点が失われるからであり、一般的には、１〜１
０μｍのものが多く用いられる。
は、０．１〜５０μｍの範囲である。これは、０．１μ
ｍより薄いと膜が途切れる恐れがあり、５０μｍより厚
いと活性点が失われるからであり、一般的には、１〜１
０μｍのものが多く用いられる。
【００１０】
【作用】水電解装置の陽極及び陰極の多孔性電極を電源
に接続し、それぞれの水系に通水すると水が電解され、
陽極ではＯＨ- が放電して酸素またはオゾンとなる。Ｈ
+ は固体高分子電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原
子となる。従って、陽極では２ＯＨ- →Ｏ＋Ｈ2 Ｏ＋２
ｅ- の反応によって原子状の酸素が発生し、陰極では原
子状の水素が発生する。
に接続し、それぞれの水系に通水すると水が電解され、
陽極ではＯＨ- が放電して酸素またはオゾンとなる。Ｈ
+ は固体高分子電解質隔膜を通り陰極で放電して水素原
子となる。従って、陽極では２ＯＨ- →Ｏ＋Ｈ2 Ｏ＋２
ｅ- の反応によって原子状の酸素が発生し、陰極では原
子状の水素が発生する。
【００１１】この反応は、多孔性電極と固体高分子電解
質隔膜の接点に水が供給されることにより行われる。本
発明の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子電解質
との接点が、固体高分子電解質隔膜の表面のみでなく、
多孔性電極全体に立体的に形成されているので、多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の接点への通水の接触が増
加し、電解効率が高くなる。
質隔膜の接点に水が供給されることにより行われる。本
発明の水電解装置では、多孔性電極と固体高分子電解質
との接点が、固体高分子電解質隔膜の表面のみでなく、
多孔性電極全体に立体的に形成されているので、多孔性
電極と固体高分子電解質隔膜の接点への通水の接触が増
加し、電解効率が高くなる。
【００１２】
【実施例】 （実施例１）図１は本発明の実施例である水電解装置の
構成を示す縦断面図、図２は図１の一部を拡大して示す
説明図、図３は陽極の正面図である。この水電解装置Ｅ
は、ケーシング１３の中央に設けられた固体高分子電解
質隔膜１の両側に陽極２及び陰極５が接触するよう配置
され、その外側に陽極給電体８と陰極給電体９とが取付
けられている。ケーシング１３の下部陽極側には陽極水
入口１０、陰極側には陰極水入口１１、ケーシング１３
の上部陽極側には陽極水出口１４、陰極側には陰極水出
口１５を備えており、陽極２及び陰極５にそれぞれ通水
する水系が形成されている。
構成を示す縦断面図、図２は図１の一部を拡大して示す
説明図、図３は陽極の正面図である。この水電解装置Ｅ
は、ケーシング１３の中央に設けられた固体高分子電解
質隔膜１の両側に陽極２及び陰極５が接触するよう配置
され、その外側に陽極給電体８と陰極給電体９とが取付
けられている。ケーシング１３の下部陽極側には陽極水
入口１０、陰極側には陰極水入口１１、ケーシング１３
の上部陽極側には陽極水出口１４、陰極側には陰極水出
口１５を備えており、陽極２及び陰極５にそれぞれ通水
する水系が形成されている。
【００１３】固体高分子電解質隔膜１には、デュポン製
ナフィオン１１７の０．２mmを用いた。陽極２は、多数
の孔１２が形成されたチタンのラス加工材に白金イリジ
ウム酸化膜を焼付け、その表面に固体高分子電解質３と
して、ナフィオンをジメチルスルホキシドに溶解した溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
したものを、孔１２の位置が互い違いになるように２枚
重ね合わせ、通水を良くするよう構成している。コーテ
ィングした固体高分子電解質３は加熱、真空加熱等を急
速に行う急速乾燥でピンホール４やひび割れを多数形成
し陽極２と固体高分子電解質３と水との接点即ち電解の
活性点を増加させている。
ナフィオン１１７の０．２mmを用いた。陽極２は、多数
の孔１２が形成されたチタンのラス加工材に白金イリジ
ウム酸化膜を焼付け、その表面に固体高分子電解質３と
して、ナフィオンをジメチルスルホキシドに溶解した溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
したものを、孔１２の位置が互い違いになるように２枚
重ね合わせ、通水を良くするよう構成している。コーテ
ィングした固体高分子電解質３は加熱、真空加熱等を急
速に行う急速乾燥でピンホール４やひび割れを多数形成
し陽極２と固体高分子電解質３と水との接点即ち電解の
活性点を増加させている。
【００１４】陰極５はカーボン不織布に触媒として白金
黒を用い、固体高分子電解質３として上記ナフィオン溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
している。コーティングした固体高分子電解質３は急速
に乾燥させてピンホール４を多数形成している。陽極２
及び陰極５を電源６に接続し、それぞれの水系に通水す
ると、陽極２は正に帯電しているので、陽極水入口１０
から流入した水は電解されＯＨ- が放電してＯＨとな
る。同時に発生したＨ+ は、コーティングした固体高分
子電解質３の部分から固体高分子電解質隔膜１を通り、
陰極５で電子を受けとり水素原子となり、陰極水入口１
１から流入した水に溶解するか、水素ガスとして出てく
る。
黒を用い、固体高分子電解質３として上記ナフィオン溶
液を数mm間隔でストライプ状に１〜５μｍコーティング
している。コーティングした固体高分子電解質３は急速
に乾燥させてピンホール４を多数形成している。陽極２
及び陰極５を電源６に接続し、それぞれの水系に通水す
ると、陽極２は正に帯電しているので、陽極水入口１０
から流入した水は電解されＯＨ- が放電してＯＨとな
る。同時に発生したＨ+ は、コーティングした固体高分
子電解質３の部分から固体高分子電解質隔膜１を通り、
陰極５で電子を受けとり水素原子となり、陰極水入口１
１から流入した水に溶解するか、水素ガスとして出てく
る。
【００１５】固体高分子電解質３は陽イオン交換樹脂で
あり、電子は通さないがＨ+ は通す。従って、陽極反応
が行われるのは、陽極２の固体高分子電解質３と水との
接点即ち電解の活性点である。陰極反応は、陰極５の固
体高分子電解質３と水との接点が中心であるが、水素原
子は薄い固体高分子電解質膜を通過し易いので、陰極５
が固体高分子電解質３で覆われている所でもＨ+ が電子
を受け取って水素原子となる。この水電解装置Ｅでは、
陽極２、陰極５の固体高分子電解質３と水との接点が、
固体高分子電解質隔膜１の表面のみでなく、両極全体に
立体的に形成されているので、陽極反応、陰極反応共全
体で立体的に進み、内部抵抗が下がり低電圧で反応が進
むため、電解効率が高く低コストで水電解を行うことが
できる。なお、陰極ではＨ+ が電子を受けとりＨ原子と
なるので水は特に介在しなくても良い。又ナフィオン膜
は水素原子は通すので陰極がナフィオン膜で覆われても
電解反応は継続する。
あり、電子は通さないがＨ+ は通す。従って、陽極反応
が行われるのは、陽極２の固体高分子電解質３と水との
接点即ち電解の活性点である。陰極反応は、陰極５の固
体高分子電解質３と水との接点が中心であるが、水素原
子は薄い固体高分子電解質膜を通過し易いので、陰極５
が固体高分子電解質３で覆われている所でもＨ+ が電子
を受け取って水素原子となる。この水電解装置Ｅでは、
陽極２、陰極５の固体高分子電解質３と水との接点が、
固体高分子電解質隔膜１の表面のみでなく、両極全体に
立体的に形成されているので、陽極反応、陰極反応共全
体で立体的に進み、内部抵抗が下がり低電圧で反応が進
むため、電解効率が高く低コストで水電解を行うことが
できる。なお、陰極ではＨ+ が電子を受けとりＨ原子と
なるので水は特に介在しなくても良い。又ナフィオン膜
は水素原子は通すので陰極がナフィオン膜で覆われても
電解反応は継続する。
【００１６】電極の有効面積１００cm2 の水電解装置で
陽極水入口１０と陰極水入口１１に、水温１９°Ｃの水
道水をそれぞれ１５０l／ｈ供給して電解を行った場合
の電流電圧曲線を図４上Ａに示す。図４上Ｂは、電極の
組合せが本実施例と同一で固体高分子電解質３をコーテ
ィングしない場合の電流電圧曲線である。この図から明
らかなように、等しい電流値を得るのに、ＡはＢより電
圧で約０．２Ｖ低く電解効率が高い。
陽極水入口１０と陰極水入口１１に、水温１９°Ｃの水
道水をそれぞれ１５０l／ｈ供給して電解を行った場合
の電流電圧曲線を図４上Ａに示す。図４上Ｂは、電極の
組合せが本実施例と同一で固体高分子電解質３をコーテ
ィングしない場合の電流電圧曲線である。この図から明
らかなように、等しい電流値を得るのに、ＡはＢより電
圧で約０．２Ｖ低く電解効率が高い。
【００１７】（実施例２）陽極としてステンレス不織布
に白金メッキし、更に酸化イリジウムを焼付けた後、ナ
フィオン溶液を数mm間隔の格子状に５〜１０μｍコーテ
ィングしたものを用い、陰極はカーボン不織布に触媒と
して白金黒を塗付し、ナフィオン溶液を斑点状に１〜５
μｍ噴霧コーティングしたものを用いた。
に白金メッキし、更に酸化イリジウムを焼付けた後、ナ
フィオン溶液を数mm間隔の格子状に５〜１０μｍコーテ
ィングしたものを用い、陰極はカーボン不織布に触媒と
して白金黒を塗付し、ナフィオン溶液を斑点状に１〜５
μｍ噴霧コーティングしたものを用いた。
【００１８】電極の有効面積２５cm2 の水電解装置で、
陽極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ４０
l／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図５
上Ａに示す。図５上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同
一で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流
電圧曲線である。なお、触媒の使用を含め陰極水の脱酸
素電流効率は９６％であった。
陽極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ４０
l／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図５
上Ａに示す。図５上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同
一で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流
電圧曲線である。なお、触媒の使用を含め陰極水の脱酸
素電流効率は９６％であった。
【００１９】（実施例３）陽極として直径３０mm、厚さ
３mmのセラミック不織布にＩＴＯコーティングし、更に
触媒として酸化ルテニウムを塗付した後、ナフィオン溶
液を数mm間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングした
ものを用い、陰極は直径３０mm、厚さ２mmのステンレス
不織布に白金メッキを施し、更にナフィオン溶液を数mm
間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングしたものを用
いた。
３mmのセラミック不織布にＩＴＯコーティングし、更に
触媒として酸化ルテニウムを塗付した後、ナフィオン溶
液を数mm間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングした
ものを用い、陰極は直径３０mm、厚さ２mmのステンレス
不織布に白金メッキを施し、更にナフィオン溶液を数mm
間隔で渦巻状に２〜１０μｍコーティングしたものを用
いた。
【００２０】電極の有効面積７cm2 の水電解装置で、陽
極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ１０l
／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図６上
Ａに示す。図６上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同一
で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流電
圧曲線である。
極水と陰極水に水温１９°Ｃの水道水をそれぞれ１０l
／ｈ供給して電解を行った場合の電流電圧曲線を図６上
Ａに示す。図６上Ｂは、電極の組合せが本実施例と同一
で固体高分子電解質をコーティングしない場合の電流電
圧曲線である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の水電解装
置は、多孔性電極と固体高分子電解質との接点を、多孔
性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点への通水の接触を増加させることによ
り、電解効率を向上することができ、これをオゾン水、
過酸化水素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガス
の製造、廃水浄化、赤水防止等に利用すると高い効率で
電解が行われるため、省エネルギー効果が大きい。
置は、多孔性電極と固体高分子電解質との接点を、多孔
性電極全体に立体的に形成し、多孔性電極と固体高分子
電解質隔膜の接点への通水の接触を増加させることによ
り、電解効率を向上することができ、これをオゾン水、
過酸化水素、活性酸素、無酸素水、水素ガス、酸素ガス
の製造、廃水浄化、赤水防止等に利用すると高い効率で
電解が行われるため、省エネルギー効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である水電解装置の構成を示す
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す説明図である。
【図３】陽極の正面図である。
【図４】実施例１の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
【図５】実施例２の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
【図６】実施例３の水電解装置の電流電圧曲線図であ
る。
る。
【符号の説明】 １ 固体高分子電解質隔膜 ２ 陽極 ３ 固体高分子電解質 ４ ピンホール ５ 陰極 ６ 電源 １０ 陽極水入口 １１ 陰極水入口 １２ 孔 １３ ケーシング １４ 陽極水出口 １５ 陰極水出口 Ｅ 水電解装置
Claims (3)
- 【請求項１】 固体高分子電解質隔膜の両側に、陽極及
び陰極としてそれぞれ多孔性電極を接触させ、前記陽極
及び陰極の多孔性電極にそれぞれ通水する水系を備えた
水電解装置であって、少なくとも一方の多孔性電極に、
前記固体高分子電解質隔膜と同等又は類似の固体高分子
電解質を所定間隔でコーティングしたことを特徴とする
水電解装置。 - 【請求項２】 多孔性電極が、多孔性カーボン、カーボ
ン織布、カーボン不織布、チタン，ステンレス，タンタ
ル，ニオブ等の金属のパンチング加工材、ラス加工材、
不織布加工材、ポーラス粉末冶金材、ガラス，セラミッ
クス，石英，木綿，羊毛，人造繊維等の織布，不織布，
発泡体の導電処理材、又は、前記各材料に白金族金属を
メッキ若しくは焼付けした材料を含む、請求項１記載の
水電解装置。 - 【請求項３】 多孔性電極にコーティングされた固体高
分子電解質に、ピンホールや亀裂を多数形成したことを
特徴とする請求項１又は請求項２記載の水電解装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5181384A JPH0734276A (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 水電解装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5181384A JPH0734276A (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 水電解装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0734276A true JPH0734276A (ja) | 1995-02-03 |
Family
ID=16099795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5181384A Pending JPH0734276A (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 水電解装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0734276A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009209379A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 水電解装置 |
| JP2009538267A (ja) * | 2006-05-25 | 2009-11-05 | ユーオーピー エルエルシー | 過酸化水素のその場（ｉｎｓｉｔｕ）生成 |
| JP2011246800A (ja) * | 2010-04-30 | 2011-12-08 | Aquaecos Ltd | 膜−電極接合体、これを用いる電解セル、オゾン水製造装置、オゾン水製造方法、殺菌方法及び廃水・廃液処理方法 |
-
1993
- 1993-07-22 JP JP5181384A patent/JPH0734276A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009538267A (ja) * | 2006-05-25 | 2009-11-05 | ユーオーピー エルエルシー | 過酸化水素のその場（ｉｎｓｉｔｕ）生成 |
| JP2009209379A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 水電解装置 |
| JP2011246800A (ja) * | 2010-04-30 | 2011-12-08 | Aquaecos Ltd | 膜−電極接合体、これを用いる電解セル、オゾン水製造装置、オゾン水製造方法、殺菌方法及び廃水・廃液処理方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020402 |