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技術 電気分解装置

出願人 奥山正己
発明者 奥山正己
出願日 2019年3月29日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-067096
公開日 2020年10月8日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-164933
状態 未査定
技術分野 化合物または非金属の製造のための電極 非金属・化合物の電解製造;そのための装置
主要キーワード 厚み方向外側 通流口 連続通気孔 混合成形物 マイクロポーラス構造 電圧降下率 水素ガス発生装置 鑑定書
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図面 (10)

課題

白金族元素を利用することなく触媒活性触媒作用)を有する陽極及び陰極を備えた電気分解装置を提供する。

解決手段

電気分解装置10に使用する陽極11及び陰極12は、Fe−Niパーマロイ微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物所定面積薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物脱脂焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性を有する。

概要

背景

反応管と、反応管内に収容された触媒体と、流体入口及び流体出口を有する筒状体とを備え、流体入口と流体出口とが筒状体の内部を流路として互いに連通し、反応管が流路内に配置され、触媒体が軸線を反応管の長手方向に平行にする向きに反応管に挿入され、触媒体が一定の軸線に沿って延在する基材脱水素触媒を含む脱水素触媒層とを備え、基材が軸線を中心として回転する方向にねじれながら軸線に沿って延在する板状部を含み、板状部の表面上に脱水素触媒層が設けられている水素発生装置が開示されている(特許文献1参照)。

概要

白金族元素を利用することなく触媒活性触媒作用)を有する陽極及び陰極を備えた電気分解装置を提供する。電気分解装置10に使用する陽極11及び陰極12は、Fe−Niパーマロイ微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物所定面積薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物脱脂焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性を有する。

目的

本発明の目的は、白金族元素を利用することなく触媒活性(触媒作用)を有する陽極及び陰極を備え、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる電気分解装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

陽極及び陰極と、前記陽極と前記陰極との間に位置してそれら極を接合する電極接合体膜とを備え、前記陽極及び前記陰極が、Fe−Niパーマロイ微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、前記パーマロイ微粉体に前記バインダー及び前記気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物所定面積薄板状に成形した後、前記所定面積の薄板状に成形した前記パーマロイ微粉体混合成形物脱脂焼結することで、前記パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、前記パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって前記連続気泡が囲繞され、前記マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極である前記陽極及び前記陰極が白金族元素を含む陽極及び陰極と略同様の触媒活性を有し、前記マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極である前記陽極及び前記陰極に電気通電し、該陽極で酸化反応を起こすとともに該陰極で還元反応を起こすことで所定の水溶液化学分解することを特徴とする電気分解装置

請求項2

前記電気分解装置では、それに使用する前記陽極及び前記陰極を形成する前記パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記Fe−Niパーマロイにおける前記Feの含有率と該Fe−Niパーマロイにおける前記Niの含有率とが決定されている請求項1に記載の電気分解装置。

請求項3

前記薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が、該薄板状発泡金属電極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則曲折しながら延びているとともに、該薄板状発泡金属電極の外周縁内周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている請求項1又は請求項2に記載の電気分解装置。

請求項4

前記径方向へ隣接して前記厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、前記径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、前記厚み方向へ隣接して前記径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、前記厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が、前記厚み方向に向かって一様ではなく、該厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、前記径方向に向かって一様ではなく、該径方向に向かって不規則に変化している請求項3に記載の電気分解装置。

請求項5

前記薄板状発泡金属電極に形成された連続気孔の平均径が、1μm〜100μmの範囲にあるとともに、±0.1μm〜±5マイクロμmの範囲で変化している請求項4に記載の電気分解装置。

請求項6

前記薄板状発泡金属電極の厚み寸法が、0.05mm〜0.5mmの範囲にある請求項1ないし請求項5いずれかに記載の電気分解装置。

請求項7

前記Fe−Niパーマロイにおける前記Feの含有率が、45%〜55%の範囲にあり、前記Fe−Niパーマロイにおける前記Niの含有率が、45%〜55%の範囲にある請求項1ないし請求項6いずれかに記載の電気分解装置。

請求項8

前記薄板状発泡金属電極に成形された連続気泡の気孔率が、45%〜55%の範囲にある請求項1ないし請求項7いずれかに記載の電気分解装置。

請求項9

前記薄板状発泡金属電極の密度が、6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲にある請求項1ないし請求項8いずれかに記載の電気分解装置。

請求項10

前記パーマロイ微粉体の粒径が、1μm〜100μmの範囲にある請求項1ないし請求項9いずれかに記載の電気分解装置。

技術分野

0001

本発明は、電気を利用して所定の水溶液化学分解する電気分解装置に関する。

背景技術

0002

反応管と、反応管内に収容された触媒体と、流体入口及び流体出口を有する筒状体とを備え、流体入口と流体出口とが筒状体の内部を流路として互いに連通し、反応管が流路内に配置され、触媒体が軸線を反応管の長手方向に平行にする向きに反応管に挿入され、触媒体が一定の軸線に沿って延在する基材脱水素触媒を含む脱水素触媒層とを備え、基材が軸線を中心として回転する方向にねじれながら軸線に沿って延在する板状部を含み、板状部の表面上に脱水素触媒層が設けられている水素発生装置が開示されている(特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2016−55251号公報

発明が解決しようとする課題

0004

前記特許文献1に開示の水素発生装置の触媒体は、金属の成形体の表面を陽極酸化して金属の酸化物を含む金属酸化物膜を形成する工程と、金属酸化物膜に脱水素触媒を担持させる工程とから作られる。金属酸化物膜に脱水素触媒を担持させる工程では、ヘキサクロロ白金(IV)酸イオンを含む酸性塩化白金水溶液を金属酸化物膜と接触させることによって金属酸化物膜にヘキサクロロ白金(IV)酸イオンを付着させるとともに、ヘキサクロロ白金(IV)酸イオンが付着している金属酸化物膜を焼成して金属酸化物膜に脱水素触媒として白金を担持させる。

0005

電気分解装置の電極として各種の白金担持カーボンが広く利用されている。しかし、白金族元素は、貴金属であり、その生産量に限りがある希少資源であることから、その使用量を抑えることが求められている。さらに、今後の電気分解装置の普及に向けて高価な白金以外の金属を利用した非白金触媒を有する廉価な電極の開発が求められている。

0006

本発明の目的は、白金族元素を利用することなく触媒活性触媒作用)を有する陽極及び陰極を備え、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる電気分解装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

前記課題を解決するための本発明の電気分解装置の特徴は、陽極及び陰極と、陽極と陰極との間に位置してそれら極を接合する電極接合体膜とを備え、陽極及び陰極が、Fe−Niパーマロイ微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物所定面積薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物脱脂焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって前記連続気泡が囲繞され、マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極である陽極及び陰極が白金族元素を含む陽極及び陰極と略同様の触媒活性を有し、マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極である陽極及び陰極に電気を通電し、陽極で酸化反応を起こすとともに陰極で還元反応を起こすことで所定の水溶液を化学分解することにある。

0008

本発明の電気分解装置の一例として、電気分解装置では、それに使用する陽極及び陰極を形成するパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とFe−NiパーマロイにおけるNiの含有率とが決定されている。

0009

本発明の電気分解装置の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が、薄板状発泡金属電極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則曲折しながら延びているとともに、薄板状発泡金属電極の外周縁内周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている。

0010

本発明の電気分解装置の他の一例としては、径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。

0011

本発明の電気分解装置の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に形成された連続気孔の平均径が、1μm〜100μmの範囲にあるとともに、±0.1μm〜±5マイクロμmの範囲で変化している。

0012

本発明の電気分解装置の他の一例としては、薄板状発泡金属電極の厚み寸法が、0.05mm〜0.5mmの範囲にある。

0013

本発明の電気分解装置の他の一例としては、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率が、45%〜55%の範囲にあり、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率が、45%〜55%の範囲にある。

0014

本発明の電気分解装置の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に成形された連続気泡の気孔率が、45%〜55%の範囲にある。

0015

本発明の電気分解装置の他の一例としては、薄板状発泡金属電極の密度が、6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲にある。

0016

本発明の電気分解装置の他の一例としては、パーマロイ微粉体の粒径が、1μm〜100μmの範囲にある。

発明の効果

0017

本発明に係る電気分解装置によれば、それに使用される陽極及び陰極がFe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族元素を含む陽極及び陰極と略同様の触媒活性を有するから、陽極及び陰極が優れた触媒活性(触媒作用)を有し、陽極及び陰極が優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することで、白金族元素を含まない非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。電気分解装置は、陽極及び陰極がFe−Niパーマロイを原料とし、高価な白金族元素が使用されておらず、陽極及び陰極が白金族元素を含まない非白金の電極であるから、廉価な陽極及び陰極を備えることで電気分解装置を低コストで製造することができる。

0018

電気分解装置に使用する陽極及び陰極を形成するパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とFe−NiパーマロイにおけるNiの含有率とが決定されている電気分解装置は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とが決定されているから、陽極及び陰極が白金族元素を含む陽極や陰極と略同一の仕事関数を備え、陽極及び陰極が白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を有し、陽極及び陰極が白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0019

薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が薄板状発泡金属電極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、薄板状発泡金属電極の外周縁と内周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている電気分解装置は、厚み方向や径方向へ不規則に曲折しながら延びる複数の連続気孔が陽極及び陰極に形成されているから、陽極及び陰極の比表面積が大きく、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、陽極及び陰極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0020

径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している電気分解装置は、一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向及び径方向に向かって不規則に変化しているから、陽極及び陰極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができるとともに、陽極及び陰極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0021

薄板状発泡金属電極に形成された連続気孔の平均径が1μm〜100μmの範囲にあるとともに、±0.1μm〜±5マイクロμmの範囲で変化している電気分解装置は、陽極及び陰極に形成された連続気孔の平均径が前記範囲にあり、連続気孔の平均径が前記範囲で変化しているから、陽極及び陰極の単位体積当たりに多数の連続気孔が形成され、陽極及び陰極の比表面積が大きく、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、陽極及び陰極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の比表面積が大きいとともに白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、非白金の陽極及び陰極を使用して電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0022

薄板状発泡金属電極の厚み寸法が0.05mm〜0.5mmの範囲にある電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の厚み寸法を前記範囲にすることで、陽極及び陰極の電気抵抗を小さくすることができ、陽極及び陰極に電流をスムースに流すことができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極が白金族元素を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を有するとともに、陽極及び陰極に電流がスムースに流れるから、陽極及び陰極を使用した電気分解装置において電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0023

Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率が45%〜55%の範囲にあり、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率が45%〜55%の範囲にある電気分解装置は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とが前記範囲で決定されているから、陽極及び陰極が白金属元素を含む陽極や陰極と略同一の仕事関数を備え、陽極及び陰極が白金属元素を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、その陽極及び陰極を使用した電気分解装置において電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0024

薄板状発泡金属電極に成形された連続気泡の気孔率が45%〜55%の範囲にある電気分解装置は、それに使用する薄板状発泡金属電極(陽極及び陰極)の気孔率を前記範囲にすることで、陽極及び陰極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に形成され、陽極及び陰極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極の接触面に広範囲に接触させることが可能となり、陽極及び陰極が白金族金属を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、その陽極及び陰極を使用した電気分解装置において電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0025

薄板状発泡金属電極の密度が6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲にある電気分解装置は、それに使用する薄板状発泡金属電極(陽極及び陰極)の密度を前記範囲にすることで、陽極及び陰極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に成形され、陽極及び陰極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、陽極及び陰極が白金属元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、その陽極及び陰極を使用した電気分解装置において電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0026

パーマロイ微粉体の粒径が1μm〜100μmの範囲にある電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極を形成するパーマロイ微粉体の粒径を前記範囲にすることで、陽極及び陰極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に成形され、陽極及び陰極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を液体(水)が通流しつつ液体を陽極及び陰極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、陽極及び陰極が白金属元素を含む陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電気分解装置は、それに使用する陽極及び陰極の触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であり、その陽極及び陰極を使用した電気分解装置において電気分解を効率よく行うことができるとともに、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

図面の簡単な説明

0027

一例として示す電気分解装置の側面図。
一例として示す陽極及び陰極の斜視図。
陽極及び陰極の一例として示す部分拡大図
電気分解装置を使用した電気分解の一例を説明する図。
電気分解装置を利用した水素ガス発生システムの一例を示す図。
空気極(陽極)及び燃料極(陰極)を使用した固体高分子形燃料電池の側面図。
陽極及び陰極の起電圧試験の結果を示す図。
陽極及び陰極のI−V特性試験の結果を示す図。
陽極及び陰極の製造方法を説明する図。

実施例

0028

一例として示す電気分解装置10の側面図である図1等の添付の図面を参照し、本発明に係る電気分解装置及び電気分解装置に使用する陽極及び陰極の製造方法の詳細を説明すると、以下のとおりである。なお、図2は、一例として示す陽極11及び陰極12の斜視図であり、図3は、陽極11及び陰極12の一例として示す部分拡大図である。図2では、厚み方向を矢印Xで示し、径方向を矢印Yで示す。

0029

電気分解装置10(水素ガス発生装置)は、陽極11(アノード)と、陰極12(カソード)と、陽極11及び陰極12の間に位置(介在)する固体高分子電解質膜13(電極接合体膜)(スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜)と、陽極給電部材14及び陰極給電部材15と、陽極用貯水槽16及び陰極用貯水槽17と、陽極主電極18及び陰極主電極19とから形成されている。

0030

電気分解装置10は、陽極11及び陰極12に電気を通電し、陽極11で酸化反応を起こすとともに陰極12で還元反応を起こすことで所定の水溶液を化学分解する。電気分解装置10では、陽極11及び陰極12、固体高分子電解質膜13が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体20 (Membrane Electrode Assembly,MEA)を構成し、膜/電極接合体20を陽極給電部材14と陰極給電部材15とが挟み込んでいる。固体高分子電解質膜13は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。

0031

陽極給電部材14は、陽極11の外側に位置して陽極11に密着し、陽極11に+の電流を給電する。陽極用貯水槽16は、陽極給電部材14の外側に位置して陽極給電部材14に密着している。陽極主電極18は、陽極用貯水槽16の外側に位置して陽極給電部材14に+の電流を給電する。陰極給電部材15は、陰極12の外側に位置して陰極12に密着し、陰極12に−の電流を給電する。陰極用貯水槽17は、陰極給電部材15の外側に位置して陰極給電部材15に密着している。陰極主電極19は、陰極用貯水槽17の外側に位置して陰極給電部材15に−の電流を給電する。

0032

電気分解装置10(水素ガス発生装置)に使用する陽極11及び陰極12は、前面21及び後面22を有するとともに、所定の面積及び所定の厚み寸法L1を有し、その平面形状が四角形に成形されている。陽極11及び陰極12は、多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)の薄板状発泡金属電極24である。連続気孔23(連続通気孔)には、水溶液(液体)が通流する。なお、陽極11や陰極12の平面形状に特に制限はなく、四角形の他に、その用途にあわせて円形楕円形等の他のあらゆる平面形状に成形することができる。

0033

陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)は、粉状に微粉砕(粉砕加工)されたFe−Niパーマロイ49から形成されている。Fe−Niパーマロイ49のパーマロイ微粉体50(微粉状に加工されたFe−Niパーマロイ49)に所定のバインダー51(紛状の樹脂系バインダー)を混合し、パーマロイ微粉体50とバインダー51とを均一に混合・分散したパーマロイ微粉体混合物53を作り、更に、パーマロイ微粉体混合物53に所定の気孔形成材52(発泡剤)を混合し、気孔形成材52を均一に混合・分散した微粉体混合物53を作る。作成したパーマロイ微粉体混合物53を押出成形又は射出成形によって所定面積の薄板状に成形(押出成形又は射出成形)して薄板状のパーマロイ微粉体混合成形物54を作り、作成した微粉体混合成形物54を脱脂及び所定温度で焼結(焼成)することから陽極11及び陰極12が作られている(図9参照)。連続気泡25は、パーマロイ微粉体50が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成かつ囲繞されている。

0034

陽極11及び陰極12では、パーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49における(Fe−Niパーマロイ49の全重量(100%)に対する)Fe(鉄)の含有率(重量比)とNi(ニッケル)の含有率(重量比)とが決定されている。具体的には、Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率(重量比)が45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲にあり、Fe−Niパーマロイ49におけるNiの含有率(重量比)が45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲にある。

0035

なお、Feの仕事関数は、4.67(eV)であり、Niの仕事関数は、5.22(eV)である。Fe−Niパーマロイ49の全重量に対するFeの含有率及びFe−Niパーマロイ49の全重量に対するNiの含有率が前記範囲外になると、パーマロイ微粉体50の仕事関数を白金族元素の仕事関数に近似させることができず、パーマロイ微粉体混合物53を成形したパーマロイ微粉体混合成形物54を脱脂・焼結(焼成)して作られた陽極11及び陰極12が白金族元素を含む(担持した)陽極や陰極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮することができない。

0036

固体高分子形燃料電池10は、パーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率とNiの含有率とが前記範囲にあるから、陽極11及び陰極12が白金属元素を含む(担持した)陽極や陰極と略同一の仕事関数を備え、陽極11及び陰極12が白金属元素を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができる。

0037

陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)には、径が異なる多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)が形成されている。陽極11及び陰極12は、多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)が形成されているから、それらの比表面積が大きい。陽極11及び陰極12に形成されたそれら連続気孔23は、陽極11及び陰極12の前面21に開口する複数の通流口25と、陽極11及び陰極12の後面22に開口する複数の通流口25とを有し、陽極11及び陰極12の前面21から後面22に向かって陽極11及び陰極12をその厚み方向に貫通しているとともに、陽極11及び陰極12の中心から外周縁26に向かってその径方向に貫通している。

0038

それら連続気孔23は、陽極11及び陰極12の前面21と後面22との間において陽極11及び陰極12の厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、陽極11及び陰極12の外周縁26から中心に向かって陽極11及び陰極12の径方向へ不規則に曲折しながら延びている。径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気孔23(連続通気孔)は、径方向において部分的につながり、一方の気孔23と他方の気孔23とが互いに連通している。厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気孔23(連続通気孔)は、厚み方向において部分的につながり、一方の気孔23と他方の気孔23とが互いに連通している。

0039

それら連続気孔23の平均径(開口面積)は、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。それら連続気孔23は、その平均径(開口面積)が大きくなったり、小さくなったりしながら厚み方向と径方向とへ不規則に開口している。また、陽極11及び陰極12の前面21に開口する通流口25と後面22に開口する通流口25とは、その平均径(開口面積)が一様ではなく、その平均径がすべて相違している。それら連続気孔23の平均径(開口面積)や前後面21,22の通流口25の平均径(開口面積)は、1μm〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲にあり、±0.1μm〜±5μm(連続気孔23の平均径の変化幅)の範囲で変化している。

0040

電気分解装置10は、それに使用する陽極11及び陰極12に厚み方向や径方向へ不規則に曲折しながら延びる複数の連続気孔23(連続通気孔)が形成され、その気孔23の平均径が1〜100μmの範囲(好ましくは、45μm〜55μmの範囲)にあり、連続気孔23の平均径の変化幅が±0.1μm〜±5μmの範囲にあるから、陽極11及び陰極12の単位体積当たりに多数の連続気孔23が形成され、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができ、それら気孔23を液体(水)が通流しつつ液体を陽極11及び陰極12のそれら気孔23における接触面に広範囲に接触させることができ、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。

0041

陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)は、その厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲にある。陽極11及び陰極12の厚み寸法L1が0.05mm未満では、陽極11及び陰極12の強度が低下し、衝撃が加えられたときに陽極11及び陰極12が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合がある。陽極11及び陰極12の厚み寸法L1が0.5mmを超過すると、陽極11及び陰極12の電気抵抗が大きくなり、陽極11及び陰極12に電流がスムースに流れず、陽極11及び陰極12が電気分解装置10に使用されたときに電気分解装置10において効率よく電気分解を行うことができず、電気分解装置10において短時間に多量の水素ガスを発生させることができない。

0042

電気分解装置10は、それに使用する陽極11及び陰極12の厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲にあるから、陽極11及び陰極12が高い強度を有してその形状を維持することができ、陽極11及び陰極12に衝撃が加えられたときの陽極11及び陰極12の破損や損壊を防ぐことができる。更に、陽極11及び陰極12の電気抵抗を小さくすることができ、陽極11及び陰極12に電流がスムースに流れ、陽極11及び陰極12が電気分解装置10に使用されたときに電気分解装置10において効率よく電気分解を行うことができ、電気分解装置10において短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0043

陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)は、その気孔率が45%〜55%の範囲にある。陽極11及び陰極12の気孔率が45%未満では、陽極11及び陰極12に多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)が形成されず、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができない。陽極11及び陰極12の気孔率が55%を超過すると、連続気孔23(連続通気孔)の平均径(開口面積)や前後面21,22の通流口25の平均径(開口面積)が必要以上に大きくなり、陽極11及び陰極12の強度が低下し、衝撃が加えられたときに陽極11及び陰極12が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、陽極11及び陰極12の触媒作用が低下し、陽極11及び陰極12が十分な触媒活性を発揮することができず、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効に利用することができない。

0044

電気分解装置10は、それに使用する陽極11及び陰極12の気孔率が前記範囲にあるから、陽極11及び陰極12が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔23(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔23)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面21,22の通流口25(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口25)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができ、それら気孔23を液体(水)が通流しつつ液体を陽極11及び陰極12のそれら気孔23における接触面に広く接触させることができる。更に、陽極11及び陰極12の触媒作用が向上し、陽極11及び陰極12に優れた触媒活性を発揮させることができ、陽極11及び陰極12が電気分解装置10に使用されたときに電気分解装置10において効率よく電気分解を行うことができ、電気分解装置10において短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0045

陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)は、その密度が6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲、好ましくは、6.5g/cm2〜7.5g/cm2の範囲にある。陽極11及び陰極12の密度が6.0g/cm2(6.5g/cm2)未満では、陽極11及び陰極12の強度が低下し、衝撃が加えられたときに陽極11及び陰極12が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、陽極11及び陰極12の触媒作用が低下し、陽極11及び陰極12が十分な触媒活性を発揮することができず、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効に利用することができない。陽極11及び陰極12の密度が8.0g/cm2(7.5g/cm2)を超過すると、陽極11及び陰極12に多数の微細な連続気孔23や多数の微細な通流口25が形成されず、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができないとともに、陽極11及び陰極12の触媒作用が低下し、陽極11及び陰極12が十分な触媒活性を発揮することができず、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効に利用することができない。

0046

電気分解装置10は、それに使用する陽極11及び陰極12の密度が前記範囲にあるから、陽極11及び陰極12が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔23(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔23)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面21,22の通流口25(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口25)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができ、それら気孔23を液体(水)が通流しつつ液体を陽極11及び陰極12のそれら気孔23における接触面に広く接触させることができ、陽極11及び陰極12の触媒作用を有効かつ最大限に利用することができる。更に、陽極11及び陰極12の触媒作用が向上し、陽極11及び陰極12に優れた触媒活性を発揮させることができ、陽極11及び陰極12が電気分解装置10に使用されたときに電気分解装置10において効率よく電気分解を行うことができ、電気分解装置10において短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0047

パーマロイ微粉体50(粉状に加工されたFe−Niパーマロイ49)の粒径は、1μm〜100μmの範囲、好ましくは、30μm〜60μmの範囲にある。パーマロイ微粉体50の粒径が1μm未満では、パーマロイ微粉体50によって連続気孔23(連続通気孔)が塞がれ、陽極11及び陰極12に多数の微細な連続気孔23を形成することができず、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができないとともに、陽極11及び陰極12の触媒作用が低下し、陽極11及び陰極12が十分な触媒活性を発揮することができず、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効に利用することができない。

0048

パーマロイ微粉体50の粒径が100μmを超過すると、連続気孔23の平均径(開口面積)や前後面21,22の通流口25の平均径(開口面積)が必要以上に大きくなり、陽極11及び陰極12に多数の微細な連続気孔23を形成することができず、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができないとともに、陽極11及び陰極12の触媒作用が低下し、陽極11及び陰極12が十分な触媒活性を発揮することができず、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効に利用することができない。

0049

電気分解装置10は、それに使用する陽極11及び陰極12を形成するパーマロイ微粉体50の粒径が前記範囲にあるから、陽極11や陰極12が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔23(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔23)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面21,22の通流口25(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口25)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、陽極11及び陰極12の比表面積を大きくすることができ、それら気孔23を液体(水)が通流しつつ液体を陽極11及び陰極12のそれら気孔23における接触面に広く接触させることができるとともに、陽極11及び陰極12の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。更に、陽極11及び陰極12の触媒作用が向上し、陽極11及び陰極12に優れた触媒活性を発揮させることができ、陽極11及び陰極12が電気分解装置10に使用されたときに電気分解装置10において効率よく電気分解を行うことができ、電気分解装置10において短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0050

図4は、電気分解装置10を使用した電気分解の一例を説明する図であり、図5は、電気分解装置10を利用した水素ガス生成システム27の一例を示す図である。図4に示す電気分解では、水(水溶液)を電気分解し、水素酸素とを発生させているが、水(H2O)の他に、電気分解装置10を使用してNaOH水溶液、H2SO4水溶液、NaCl水溶液、AgNO3水溶液、CuSO4水溶液の電気分解が行われる。

0051

電気分解装置10における水の電気分解では、図4に矢印で示すように、陽極用貯水槽16及び陰極用貯水槽17に水(H2O)が給水され、陽極主電極18に電源から+の電流が給電されるとともに、陰極主電極19に電源から−の電流が給電される。陽極主電極18に給電された+の電流が陽極給電部材14から陽極11(アノード)に給電され、陰極主電極19に給電された−の電流が陰極給電部材15から陰極12(カソード)に給電される。

0052

陽極11(電極)では、2H2O→4H++4e−+O2の陽極反応(触媒作用)によって酸素が生成され、陰極12(電極)では、4H++4e−→2H2の陰極反応(触媒作用)によって水素が生成される。プロトン水素イオン:H+)は、固体高分子電解質膜13内を通って陽極11から陰極12(電極)へ移動する。固体高分子電解質膜12には、陽極11で生成されたプロトンが通流する。

0053

電気分解装置10では、陽極11(電極)や陰極12(電極)を形成するFe−Niパーマロイ49を微粉砕したパーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率(重量比)とNiの含有率(重量比)とが決定されているから、陽極11及び陰極12が白金族元素(白金)を含む(担持した)陽極や陰極と略同一の仕事関数を備え、白金族元素(白金)を含む陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を示し、水の電気分解が効率よく行われる。

0054

なお、NaOH水溶液の電気分解では、陽極11において4OH−→2H2O+O2+4e−の陽極反応(触媒作用)が起こり、陰極12において2H2O+2e−→2OH−+H2の陰極反応(触媒作用)が起こる。H2SO4水溶液の電気分解では、陽極11において2H2O→O2+4H++4e−の陽極反応(触媒作用)が起こり、陰極12において2H++2e−→H2の陰極反応(触媒作用)が起こる。

0055

NaCl水溶液の電気分解では、陽極11において2Cl−→Cl2+2e−の陽極反応(触媒作用)が起こり、陰極12において2H2O+2e−→2OH−+H2の陰極反応(触媒作用)が起こる。AgNO3水溶液の電気分解では、陽極11において2H2O→O2+4H++4e−の陽極反応(触媒作用)が起こり、陰極12においてAg++e−→Agの陰極反応(触媒作用)が起こる。CuSO4水溶液の電気分解では、陽極11において2H2O→O2+4H++4e−の陽極反応(触媒作用)が起こり、陰極12においてCu2++2e−→Cuの陰極反応(触媒作用)が起こる。

0056

水素ガス生成システム27は、電気分解装置10と、電気分解装置10の陽極11と陰極12とに電気を給電する直流電源28と、水(純水)を貯水する貯水タンク29と、水(純水)を給水する給水ポンプ30と、酸素気液分離器31と、水(純水)を給水する2台の循環ポンプ32,33と、水素気液分離器34と、水素を貯めるボンベ35(水素タンク)とから形成されている。

0057

水素ガス生成システム27は、貯水タンク29に貯水された水(純水)が給水ポンプ30によって酸素気液分離器31に給水され、酸素気液分離器31から流出した水が電気分解装置10に給水される。直流電源28から電気分解装置10に電気が給電され、電気分解装置10において電気分解が行われることで水が水素と酸素とに分解される。酸素は、酸素気液分離器31に流入し、気液分離された後、大気に放出される。酸素気液分離器31において気液分離された水は循環ポンプ32によって再び電気分解装置10に給水される。水素は、水素気液分離器34に流入し、気液分離された後、ボンベ35(水素タンク)に流入する。水素気液分離器354おいて気液分離された水は循環ポンプ33によって再び電気分解装置10に給水される。

0058

電気分解装置10は、それに使用される陽極11及び陰極12がFe−Niパーマロイ49を微粉砕したパーマロイ微粉体50に所定のバインダー51を均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材52を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体50にバインダー51及び気孔形成材52を混合したパーマロイ微粉体混合物53を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物54を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体50が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔23が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24であり、白金族元素を含む(担持した)陽極や陰極と略同様の触媒活性を有するから、陽極11及び陰極12が優れた触媒活性(触媒作用)を有し、陽極11及び陰極12が優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することで、白金族元素を含まない非白金の陽極11及び陰極12を使用して電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。

0059

電気分解装置10は、陽極11及び陰極12がFe−Niパーマロイ49を原料とし、高価な白金族元素(白金)が使用されておらず、陽極11及び陰極12が白金族元素を含まない非白金の電極であるから、廉価な陽極11及び陰極12を備えることで電気分解装置を低コストで製造することができるとともに、電気分解装置10の運転コスト下げることができる。

0060

図6は、空気極38(陽極11)及び燃料極37(陰極12)を使用した固体高分子形燃料電池36の側面図であり、図7は、陽極11(空気極38)及び陰極12(燃料極37)の起電圧試験の結果を示す図である。図8は、陽極11(空気極38)及び陰極12(燃料極37)のI−V特性試験の結果を示す図である。図6では、負荷48が接続された状態を示しているが、起電圧試験では、負荷48が存在せず、無負荷である。起電圧試験及びI−V特性試験では、図7に示す固体高分子形燃料電池36に電気分解装置10において使用した陽極11(空気極38)及び陰極12(燃料極37)を使用し、無負荷においてその起電圧を測定し、固体高分子形燃料電池36に負荷48を接続し、そのI−V特性を測定した。

0061

固体高分子形燃料電池36は、図6に示すように、燃料極37(陰極12)及び空気極38(陽極11)と、燃料極37及び空気極38の間に位置(介在)する固体高分子電解質膜39(電極接合体膜)(スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜)と、燃料極37の厚み方向外側に位置するセパレータ40(バイポーラプレート)と、空気極38の厚み方向外側に位置するセパレータ41(バイポーラプレート)とから形成されている。

0062

それらセパレータ40,41には、反応ガス(水素や酸素等)の供給流路刻設されている(彫り込まれている)。燃料極37や空気極38、固体高分子電解質膜39が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体42(Membrane Electrode Assembly,MEA)を構成し、膜/電極接合体42をそれらセパレータ40,41が挟み込んでいる。固体高分子電解質膜39は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。

0063

燃料極37とセパレータ40との間には、ガス拡散層43が形成され、空気極38とセパレータ41との間には、ガス拡散層44が形成されている。燃料極37とセパレータ40との間であってガス拡散層43の上部及び下部には、ガスシール45が設置されている。空気極38とセパレータ41との間であってガス拡散層44の上部及び下部には、ガスシール46が設置されている。

0064

固体高分子形燃料電池36では、燃料極37(陰極12)に水素(燃料)が供給され、空気極38(陽極11)に空気(酸素)が供給される。燃料極37では、水素がH2→2H++2e−の反応(触媒作用)によってプロトン(水素イオン、H+)と電子とに分解される。その後、プロトンが固体高分子電解質膜39内を通って燃料極37から空気極38へ移動し、電子が導線47内を通って空気極38へ移動する。固体高分子電解質膜39には、燃料極37で生成されたプロトンが通流する。空気極38では、固体高分子電解質膜39から移動したプロトンと導線47を移動した電子とが空気中の酸素と反応し、4H++O2+4e→2H2Oの反応によって水が生成される。

0065

固体高分子形燃料電池10では、燃料極37(陰極12)や空気極38(陽極12)を形成するFe−Niパーマロイ49を微粉砕したパーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率(重量比)とNiの含有率(重量比)とが決定されているから、燃料極37(陰極12)や空気極38(陽極11)が白金族元素(白金)を含む(担持した)燃料極や空気極と略同一の仕事関数を備え、白金族元素(白金)を含む燃料極や空気極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を示し、水素がプロトンと電子とに効率よく分解される。

0066

起電圧試験では、水素ガスを注入してから15分の間、電極(燃料極37や空気極38)と電極(燃料極37や空気極38)との間(電極間)の電圧(V)を測定した。図7の起電圧試験の結果を示す図では、横軸に測定時間(min)を表し、縦軸に電極(燃料極37や空気極38)と電極(燃料極37や空気極38)との間(電極間)の電圧(V)を表す。白金族元素を利用した(担持させた)電極(白金電極)を使用した固体高分子形燃料電池では、起電圧試験の結果を示す図7から分かるように、電極間の電圧が1.079(V)前後であった。それに対し、非白金の電極(燃料極37や空気極38)を使用した固体高分子形燃料電池36では、電極(燃料極37や空気極38)と電極(燃料極37や空気極38)との間(電極間)の電圧(起電力)が0.98(V)〜1.02(V)であった。

0067

I−V特性試験では、電極(燃料極37や空気極38)と電極(燃料極37や空気極38)との間(電極間)に負荷48を接続し、電圧と電流との関係を測定した。図8のI−V特性試験の結果を示す図では、横軸に電流(A)を表し、縦軸に電圧(V)を表す。燃料極37(非白金電極)及び空気極38(非白金電極)を使用した固体高分子形燃料電池36では、I−V特性試験の結果を示す図8から分かるように、白金族元素を利用した(担持させた)電極(白金電極)を使用した固体高分子形燃料電池の電圧降下率と大差のない結果が得られた。図7の起電圧試験の結果や図8のI−V特性試験の結果に示すように、白金族元素を利用していない非白金の燃料極37(陰極12)及び空気極38(陽極11)が電子を放出させて水素イオンとなる反応を促進させる優れた触媒作用を有するとともに、白金を利用した電極と略同様の酸素還元機能(触媒作用)を有することが確認された。

0068

図9は、電気分解装置10に使用する陽極11及び陰極12の製造方法を説明する図である。陽極11(電極)及び陰極12(電極)は、図9に示すように、含有率決定工程S1、パーマロイ微粉体作成工程S2、パーマロイ微粉体混合物作成工程S3、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4、薄板状発泡金属電極作成工程S5を有する電極製造方法によって製造される。電極製造方法では、Fe−Niパーマロイ49を原料として陽極11及び陰極12を製造する。

0069

含有率決定工程S1では、Fe−Niパーマロイ49を微粉砕したパーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49の全重量に対するFe(鉄)の含有率とNi(ニッケル)の含有率とを決定する。Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率は、45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲で決定され、Fe−Niパーマロイ49におけるNiの含有率は、45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲で決定される。

0070

パーマロイ微粉体作成工程S2では、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイ49を微粉砕してパーマロイ微粉体50を作る。微粉砕機によってFe−Niパーマロイ49を1μm〜100μmの粒径、好ましくは、30μm〜60μmの粒径に微粉砕し、粒径が1μm〜100μm、好ましくは、粒径が30μm〜60μmのパーマロイ微粉体50を作る。

0071

電極製造方法は、Fe−Niパーマロイ49を1μm〜100μmの粒径、好ましくは、30μm〜60μmの粒径に微粉砕することで、多数の微細な連続気孔25(連続通気孔)を有する多孔質に成形されて比表面積が大きいマイクロポーラス構造の陽極11及び陰極12(薄板状発泡金属電極24)を作ることができ、それら連続気孔23を液体(水)が通流しつつ液体を陽極11及び陰極12のそれら気孔23における接触面に広範囲に接触させることが可能な陽極11及び陰極12を作ることができる。

0072

パーマロイ微粉体混合物作成工程S3では、パーマロイ微粉体作成工程S2によって作成したパーマロイ微粉体50に所定のバインダー51及び所定の気孔形成材52(発泡剤)を加え、パーマロイ微粉体50にバインダー51と気孔形成材52とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物53を作る。なお、電極製造方法は、高価な白金族金属(白金(Pt))が使用されていないから、陽極11及び陰極12を廉価に作ることができる。

0073

パーマロイ微粉体混合物作成工程S3では、Fe−Niパーマロイ49のパーマロイ微粉体50とバインダー51(粉状の樹脂系バインダー)とを混合機又は攪拌機投入し、混合機又は攪拌機によってFe−Niパーマロイ49のパーマロイ微粉体50とバインダー51とを攪拌・混合し、パーマロイ微粉体50及びバインダー51が均一に混合・分散したパーマロイ微粉体混合物53(発泡金属成形材)を作る。次に、パーマロイ微粉体混合物53に所定量の気孔形成材52(粉体の発泡剤)を混入(添加)する。所定量の気孔形成材52を混合機又は攪拌機に投入し、混合機又は攪拌機によってパーマロイ微粉体混合物53に気孔形成材52を均一に混合・分散させたパーマロイ微粉体混合物52(発泡金属成形材料)を作る。気孔形成材52(粉体の発泡剤)の混入量添加量)によって陽極11及び陰極12に形成される連続気孔23の平均径や気孔率が決まる。

0074

パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4では、パーマロイ微粉体混合物作成工程S3によって作られたパーマロイ微粉体混合物53(発泡金属成形材料)を射出成形機(図示せず)又は押出成形機(図示せず)に投入し、パーマロイ微粉体混合物53を射出成形機によって射出成形し、又は、パーマロイ微粉体混合物53を押出成形機によって押し出し成形し、パーマロイ微粉体混合物53を所定面積の薄板状(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲)に成形したパーマロイ微粉体混合成形物54(発泡金属成形物)を作る。

0075

薄板状発泡金属電極作成工程S5では、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4の射出成形又は押出成形によって作られたパーマロイ微粉体混合成形物54(発泡金属成形物)を脱脂し、脱脂したパーマロイ微粉体混合成形物54を焼成炉燃焼炉電気炉等)に投入し、パーマロイ微粉体混合成形物54を焼成炉において所定温度で所定時間焼結(焼成)し、多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)が満遍なく均一に形成され、それら連続気泡23が溶融結合したパーマロイ微粉体50のパーマロイ溶融物によって画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の陽極11及び陰極12(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの陽極11及び陰極12)を作る。

0076

焼結(焼成)温度は、900℃〜1400℃である。焼結(焼成)時間は、2時間〜6時間である。薄板状発泡金属電極作成工程S5では、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物54(発泡金属成形物)の焼結時において、パーマロイ微粉体混合成形物54の内部において気孔形成材52(粉体の発泡剤)が発泡した後、気孔形成材52がパーマロイ微粉体混合成形物54の内部から消失し、多数の微細な連続気孔25(連続通気孔)が形成されたマイクロポーラス構造の陽極11及び陰極12(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの陽極11及び陰極12)が製造される。

0077

電極製造方法は、射出成形又は押出成形によってFe−Niパーマロイ31のパーマロイ微粉体32がバインダー33を介して連結され、射出成形又は押出成形によって作られたパーマロイ微粉体混合成形物36(発泡金属成形物)を脱脂した後、所定温度で焼結(焼成)することで、多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)を有するマイクロポーラス構造の陽極11及び陰極12を作ることができるとともに、高い強度を有して形状を維持することができ、衝撃が加えられたときの破損や損壊を防ぐことが可能な陽極11及び陰極12を作ることができる。電極製造方法は、厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲の陽極11及び陰極12を作ることができるから、電気抵抗が小さく電流をスムースに流すことが可能な陽極11及び陰極12を作ることができる。

0078

電極製造方法は、Fe−Niパーマロイ49を微粉砕したパーマロイ微粉体50の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ49におけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する含有率決定工程と、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイ49を微粉砕してパーマロイ微粉体50を作るパーマロイ微粉体作成工程と、パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体50に所定のバインダー51及び所定の気孔形成材52を加え、パーマロイ微粉体50にバインダー51と気孔形成材52とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物53を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物53を射出成形又は押出成形によって薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物54を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物54を脱脂するとともにパーマロイ微粉体混合成形物54を所定温度で焼結し、パーマロイ微粉体50が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔23が満遍なく均一に形成されているとともに、パーマロイ微粉体50が溶融結合したパーマロイ溶融物によって連続気泡23が画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24を作る薄板状発泡金属電極作成工程との各工程によって陽極11及び陰極12を製造するから、それら工程S1〜S5によって厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲であって多数の微細な連続気孔23(連続通気孔)を形成した陽極11及び陰極12(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極24)を製造することができ、陽極11及び陰極12を廉価に作ることができる。

0079

電極製造方法は、白金族元素を含む(担持した)陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができるとともに、優れた触媒活性(触媒作用)を有して触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能な白金族金属非含有の陽極11及び陰極12を作ることができる。電極製造方法は、それによって作られた陽極11及び陰極12が白金族元素を含む(担持した)陽極や陰極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電気分解装置10において電気分解を効率よく行うことが可能であって短時間に多量の水素ガスを発生させることが可能な白金族元素を含まない非白金の陽極11及び陰極12を作ることができる。

0080

10電気分解装置
11陽極(電極)
12陰極(電極)
13固体高分子電解質膜
14陽極給電部材
15陰極給電部材
16 陽極用貯水槽
17 陰極用貯水槽
18陽極主電極
19陰極主電極
20 膜/電極接合体
21 前面鑑定書
22 後面
23連続気泡(連続通気孔)
24マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極
25通流口
26外周縁
27水素ガス生成システム
28直流電源
29貯水タンク
30給水ポンプ
31酸素気液分離器
32循環ポンプ
33 循環ポンプ
34水素気液分離器
35ボンベ
36固体高分子形燃料電池
37燃料極
38空気極
39 固体高分子電解質膜
40セパレータ
41 セパレータ
42 膜/電極接合体
43ガス拡散層
44 ガス拡散層
45ガスシール
46 ガスシール
47導線
48負荷
49 Fe−Niパーマロイ
50 パーマロイ微粉体
51バインダー
52気孔形成材(発泡剤)
53 パーマロイ微粉体混合物
54 パーマロイ微粉体混合成形物(発泡金属成形物)
L1 厚み寸法
S1含有率決定工程
S2 パーマロイ微粉体作成工程
S3 パーマロイ微粉体混合物作成工程
S4 パーマロイ微粉体混合成形物作成工程
S5 薄板状発泡金属電極作成工程

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