JPH0641639B2 - 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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JPH0641639B2
JPH0641639B2 JP1245013A JP24501389A JPH0641639B2 JP H0641639 B2 JPH0641639 B2 JP H0641639B2 JP 1245013 A JP1245013 A JP 1245013A JP 24501389 A JP24501389 A JP 24501389A JP H0641639 B2 JPH0641639 B2 JP H0641639B2
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Chlorine Engineers Corp Ltd
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

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、一般に乾式法と呼ば
れる接合方法である。又、特公昭42−5014号、特
公昭58−47471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56−93883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。
第1図は、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(SP
E)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、メッキ法、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、
電解槽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。
2H+O→2HO 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/cm未満では電解電
圧の上昇を生じ、又1000Ω/cmを超えるとガス純度
向上効果が低くなり、好ましくない。
該白金族金属層としては、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58−47471号
に記載の如き化学メッキ法が好適である。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。
実施例1 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、化学メッ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300mlの円筒状セル2
個を用い、フランジ部を合わせ、テフロンをパッキング
にして径約100mmのSPEを挟み込んでメッキセルを
組み立て、先ずSPE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(25%) 39ml 水 261ml pH 約11 注)吸着は片方のセルに上記浴を300ml入れ、他方の
セルには3.3%アンモニア水300mlを入れ、25℃
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(25%) 39ml 水 261ml pH 約11 注)還元は片方のセルに上記浴を300ml入れ、他方の
セルには3.3%アンモニア水300mlを入れ、25℃
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/cm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30−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のチタンビブリ繊維(東京製鋼(株)製)にホッ
トプレス(2.2ton/cm2、200℃)した後、5
molNaOH水溶液によりアルミ箔を除去して、陽極
触媒としてIr0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(日本精線(株)製、
商品名ナスロン)を用いた以外は上記と同様の方法でP
t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第1図に示すように
電解装置として構成し、電流密度100A/dm2、60
℃で陽極側に比抵抗1×10Ωcm(25℃)の水を5
/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
モレキュラーシーブ5A(60〜80メッシュ)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℃
で0.1mo1HSO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。
実施例2 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℃、2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(25%) 39ml 水 261ml pH 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/cm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。
〔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/cm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】
第1図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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−93883(JP,A) 特公 昭61−36074(JP,B2)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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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