JPH03107488A - 宇宙生命維持装置用水電解装置 - Google Patents

宇宙生命維持装置用水電解装置

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JPH03107488A
JPH03107488A JP1245013A JP24501389A JPH03107488A JP H03107488 A JPH03107488 A JP H03107488A JP 1245013 A JP1245013 A JP 1245013A JP 24501389 A JP24501389 A JP 24501389A JP H03107488 A JPH03107488 A JP H03107488A
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Hideji Nakamatsu
中松 秀司
Masashi Tanaka
正志 田中
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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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、高純度の酸素及び水素が得られる宇宙生命維
持装置用水電解装置に関するものである。
〔従来の技術とその問題点〕
陽極及び陰極を固体高分子電解質(以下、SPEと略称
する)から成る隔膜の両側に接して設けた電解装置は、
電解電圧の低下、装置の小型化等の利点から、優れた省
エネルギー電解システムとして知られ、種々の水溶液電
解に応用されている。
このような電解装置においては、SPE電極触媒−集電
体の接合方法が技術的に重要であり、その接合方法によ
り大別して2つのタイプに分けられる。
第一のタイプは、SPEに直接電極触媒を担持して一体
化し、これに集電体を圧接するものである。例えばUS
P3,432,355、USP3,297,484に記
載の方法は、予め白金、イリジウム、ロジウム、ルテニ
ウム等の金属又はその酸化物をポリテトラフルオロエチ
レン等を結合剤として製膜し、この膜を電極触媒層とし
てSPE膜に熱圧着して接合する、−iに乾式法と呼ば
れる接合方法である。又、特公昭42−5014号、特
公昭5B−47471号には還元剤と金属塩溶液を用い
てSPE表面に直接金属を化学的に析出させる、一般に
湿式法と呼ばれる方法が記載されている。
第二のタイプは、集電体に電極触媒を一体に担持し、こ
れをSPE膜に圧接して電解装置を構成するもので、例
えば特開昭5693883号として知られている。
これら従来の技術において、第一のタイプは各々寿命に
差があるSPEと電極触媒を、電解に使用中又は使用後
、一方を個別に交換或いは修理、回収等を行うことが出
来ず、又SPE上の極めて薄い電極触媒層に集電体を接
触させるため、SPE及び電極触媒層が損傷しやすい。
これに対して、第二のタイプは集電体に触媒を担持させ
るため、上記の欠点がなく、所望の電極触媒の選択やS
PEへの接合が自由に出来る。そのため、宇宙生命維持
装置用等の高性能の水電解装置として適用が検討されて
きたが、陽極及び陰極で発生したガスの一部がSPE中
を透過し、対極の発生ガスに混入するため、これまで得
られる酸素や水素の純度において十分なものではなかっ
た。
〔発明の目的〕
本発明は、前記した問題を解決すべくなされたもので、
宇宙用水電解装置として使用出来るような高純度の酸素
及び水素が得られる水電解装置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〕
本発明は、陽イオン交換膜から成る固体電解質隔膜の画
側面に、電極触媒を担持した通気性の陽極集電体及び陰
極集電体を密接した宇宙用等の水電解装置において、該
隔膜の陽極側面に表面抵抗値が10〜1000Ω/cm
の白金族金属の層を設けたことを特徴とするものである
本発明により、SPEに設けた白金族金属層により、S
PE中を透過した酸素及び水素が触媒化学的に処理され
、高純度の酸素及び水素が得られると共に、低い電解電
圧で水電解が可能となる。
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
図面は、本発明の水電解装置の基本構成を説明するため
の一部分解断面図である。
本発明の電解装置において、固体高分子電解質(SPE
)隔膜1は、従来から知られている陽イオン交換膜が広
く使用出来るが、特にスルホン酸基を有するパーフルオ
ロスルホン酸陽イオン交換膜が好適である。該隔膜1の
陽極側面には、後記する白金族金属層2が設けられ、電
極触媒を担持した陽極集電体3及び陰極集電体4が両側
面から密接して配置される。これらは、陽極フレーム5
、陰極フレーム6及びガスケット7を用いて電解装置ユ
ニットを構成し、必要に応じて該ユニットを複数接続し
て電解装置とする。接続の方法は電気的に直列に接続す
る複極型、又は並列に接続する単極型のいずれでも良い
が、前者の複極型が装置の小型化を図る上で好ましい。
陽極集電体3および陰極集電体4は、導電性及び耐蝕性
があり、且つ発生ガスの放出及び電解液の流通が十分可
能な通気性構造のものであればよく、従来から知られて
いる材質、構造のものがいずれも適用出来る。このよう
な多孔質の陽極集電体3として、例えばチタン、タンタ
ル、ジルコニウム等を基材とした多孔体、網状体、マッ
ト状繊維体が好適に使用出来、陰極集電体4としてニッ
ケル、ステンレス鋼、カーボン等の同様の多孔体が用い
られる。これら通気性集電体に担持される陽極触媒8及
び陰極触媒9は、酸素発生用及び水素発生用として既知
のいずれのものも使用出来るが、酸素過電圧の低いイリ
ジウム及びそれらの酸化物、或いはこれらを含む混合物
が陽極触媒8として好ましく、陰極触媒9としては、水
素過電圧の低い白金、白金黒等が好ましい。上記集電体
に電極触媒を担持する方法は、既知の種々の方法が適宜
適用出来、例えば熱分解法、メツキ法、ホットプレス法
等で行うことが出来る。
本発明は、前記した通りこのような電解装置のSPE隔
膜1の陽極側面に白金族金属層2を、その表面抵抗値が
10〜1000Ω/cmとなるように設けることにより
、電解摺電圧を上昇させることなく高純度の酸素及び水
素ガスが得られるという知見に基づくものである。その
理由は必ずしも明らかではないが、陰極から拡散してき
た水素ガスが白金族金属層上で酸素ガスと次式のように
反応して消費され、同時に陰極側への酸素ガスの拡散が
防止されて、生成ガスへそれぞれ不純ガスとして混入す
ることが少なくなるためと考えられる。
2H2+02→ 2H20 該白金族金属層2は、表面抵抗値が前記した値の範囲の
量に設けられる。本発明において、表面抵抗値とは、S
PE隔膜1に設けられた白金族金属層2の表面の2点間
の抵抗値を言い、該抵抗値が10Ω/ c m未満では
電解電圧の上デを生じ、又1000Ω/ c mを超え
るとガス純度向上効果が低くなり、好ましくない。
該白金族金属としては、白金、パラジウム、ロジウム、
オスミウム等が用いられるが、白金およびパラジウムが
水素反応触媒活性上特に好ましい。
白金族金属層2を該隔膜1上に形成する方法は特に限定
されるものではないが、前記特公昭5B−47471号
に記載の如き化学メツキ法が好適である。該法により、
白金族金属層が隔膜表面及び内部に入り込んだ状態に析
出して形成され、上記した効果を十分達成出来るものが
得られる。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれ
らに限定されるものではない。
災旌班−上 市販の陽イオン交換膜(商品名ナフィオン117、デュ
ポン社製)をSPEとし、化学メツキ法によりその片側
面に白金層を形成した。
その方法は、内径76mm、容積300m1の円筒状セ
ル2個を用い、フランジ部を合わせ、テフロンをバッキ
ングにして径約100mmのSPEを挟み込んでメツキ
セルを組み立て、先ずSPHにアンミン錯イオン形態に
ある白金イオンを下記の吸着浴を用いて吸着させ、次い
で下記の還元浴を用いて該SPEの内表面に白金層を析
出させた。
(吸着浴) 塩化白金酸     0.5g アンモニア水(25χ)   39m1!水     
     261mI!。
pH約11 注)吸着は片方のセルに上記浴・を300tnn入れ、
他方のセルには3.3%アンモニア水300mlを入れ
、25°Cで2時間保持して行った。
(還元浴) 水素化ホウ素ナトリウム 0.5g アンモニア水(25χ)     39mj2水   
           261mj2pH約11 注)還元は片方のセルに上記浴を300mj2入れ、他
方のセルには3.3%アンモニア水300mfを入れ、
25゛Cで16時間保持して行った。
このようにして得られたSPE膜の白金層の表面抵抗値
は約100Ω/ c mであった。
別途、IrO□粉末とバインダーとしてナフィオン液(
アルドリッチケミカル社製)及びテフロン液(三井・デ
ュポンフロロケミカル社製3O−J)とをスラリー状に
し、アルミ箔に塗布し、乾燥後、陽極集電体として厚さ
1mmのチタンビプリ繊維(東京製綱■製)にホットプ
レス(2,2t o n7cm2.200°C)した後
、5mo lNaOH水溶液によりアルミ箔を除去して
、陽極触媒としてIrO□を担持した陽極集電体を作製
した。
又、陰極触媒としてpt粉末を用い、陰極集電体として
厚さ0.5mmのステンレス鋼繊維(日本端線■製、商
品名ナスロン)を用いた以外は上記と同様の方法でPt
を担持した陰極集電体を作製した。
得られた、陽極側に白金層を設けたSPE隔膜、電極触
媒を担持した陽極及び陰極各集電体を図面に示すように
電解装置として構成0 し、電流密度100A/dm2.60°Cで陽極側に比
抵抗lXl06Ωcm(25°C)の水を542/分の
割合で供給しながら電解を行い、発生ガスの純度及び電
解電圧の測定を行った。ガス純度の測定は、ガスクロマ
トグラフ法により行った。カラム充填剤としてモレキュ
ラーシープ5A(60〜80メツシユ)を使用し、水素
純度の測定ではHeガス、酸素純度の測定ではArガス
をそれぞれキャリヤーガスとして用いた。
比較例として、実施例1と同じ陽イオン交換膜を25°
Cで0.1molHzSOa水溶液に16時間浸漬し水
洗しただけの、白金層を設けなかったSPE隔膜を用い
た以外は実施例1と同じ電解装置を構成し、同様に水電
解を行った。
それらの結果をまとめて表−1に示す。
表−1 ■ 表−1の結果から明らかのように、本発明の水電解装置
により、低い電解電圧を維持しながら極めて高い純度の
酸素及び水素得られることが分かる。
尖旌世−叉 実施例1と同じ陽イオン交換膜に、次の液組成の液を用
いて70°C12時間保持してパラジウムイオンを吸着
させた。
塩化パラジウム    0.5g アンモニア水(25X)    39 m IL水  
          261mj2pH約11 次いで、実施例1と同じ還元浴を用いて同様に片側にパ
ラジウム層を析出させた。
得られたSPE膜のパラジウム層の表面抵抗値は約50
0Ω/ c mであった。
このSPE隔膜を用いて実施例1と同様に電解槽を構成
し水電解試験を行ったところ、酸素ガスの純度99.9
6%、水素ガス純度99.88%の高純度ガスが得られ
、電解電圧は2.01Vであった。
2 〔発明の効果〕 本発明は、陽イオン交換膜から成るSPE隔膜の陽極表
面に表面抵抗値10〜1000Ω/ c mの白金族金
属層を設け、電極触媒を担持した陽極及び陰極集電体を
密接して電解装置を構成したので、極めて高い純度の酸
素及び水素が得られ、且つ低い電解電圧で水電解が可能
となり、宇宙用生命維持装置用等に有用である。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明による水電解装置の例を示す分解断面図で
ある。 1、SPE隔膜 2、白金族金属層 3、陽極集電体 4、陰極集電体 5、陽極フレーム 6、陰極フレーム 7、ガスケット 8、陽極触媒 9、陰極触媒 3 図面の浄書 亭l 菌 手続補正書 (方式) %式% 事件の表示 平成1年特許願第24501、 発明の名称 宇宙生命維持装置用水電解装置 補正をする者 事件との関係  特許出願人 住 所 神奈川県藤沢市石用1159番地名 称 ベル
メレック電極株式会社(外2名)代表者 中 川 誠 

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)陽イオン交換膜から成る固体高分子電解質隔膜の
    両側面に、電極触媒を担持した通気性の陽極集電体及び
    陰極集電体を密接した水電解装置において、該隔膜の陽
    極側面に表面抵抗値が10〜1000Ω/cmの白金族
    金属の層を設けたことを特徴とする宇宙生命維持装置用
    水電解装置。
  2. (2)白金族金属として白金を用いる特許請求の範囲第
    (1)項に記載の水電解装置。
  3. (3)白金族金属としてパラジウムを用いる特許請求の
    範囲第(1)項に記載の水電解装置。
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