(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブの触媒機能に基づいて、効率的な電気分解を可能とする水の電気分解用電極の基本構成及び当該電極を製造する基本構成を提供すること。【解決手段】チタンを基材１１とする表面に対し、カーボンナノチューブによる皮膜１２を形成していることを特徴とする水電気分解用電極１を採用すると共に、粒径が２μｍ以下の炭素粒子が分布する空中にてチタン基材１１による陰極とチタン基材１１又は他の導電性素材による陽極との間に、１０００Ｖ／ｍｍ以上の電界の印加、又は、炭素を陽極としチタン基材１１を陰極としたうえで不活性ガスを充満し、かつ加熱された室内にて、１ｍｓ以下の時間幅によるパルス電圧に基づくアーク放電の採用という前記電極の製造方法によって、前記課題を達成すること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンを基材とする表面に対し、カーボンナノチューブによる皮膜を形成している水電気分解用電極。
【請求項２】
皮膜の厚みが６μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の電極。
【請求項３】
陽極を構成する請求項１記載の電極と、陰極を形成する請求項１記載の電極とを交互に隣接した状態にて配列させたことによる結合電極を配設している電気分解槽。
【請求項４】
粒径が２μｍ以下の炭素粒子が分布する空中にて、陰極としてチタン基材を選択したうえで、２個の電極間に、１０００Ｖ／ｍｍ以上の電界を加えることによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブの皮膜を形成することを特徴とする請求項１記載の電極の製造方法。
【請求項５】
石炭を燃焼させることによって発生する煤煙によって、空中に２μｍ以下の炭素粒子の分布状態を実現することを特徴とする請求項４記載の製造方法。
【請求項６】
炭素を陽極とし、チタン基材を陰極としたうえで、不活性ガスを充満し、かつ１０００℃以上であり、かつチタンの溶融温度である１６６０℃未満の温度に設定した室内にて、１ｍｓ以下の時間幅によるパルス電圧の印加に基づくパルスアーク放電、又は当該放電の繰り返しによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブ皮膜を形成することを特徴とする請求項１記載の電極の製造方法。
【請求項７】
パルス印加電圧の波高値が２０００Ｖ〜３０００Ｖの範囲内であることを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項８】
請求項３記載の電気分解槽において、各陽極と各陰極との間に直流電圧を印加し、それぞれ陽極及び陰極を形成しているカーボンナノチューブの皮膜が相互に面した状態にて陽極側に酸素分子を発生させ、陰極側に水素分子を発生させることによってＨＨＯガスを生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水に対し直流電圧を印加することによって、水素と酸素に電気分解する際に使用する電極及び当該電極の製造方法を技術分野としている。
【背景技術】
【０００２】
水を電気分解する際に使用する電極の構成としては、所定の基材に対し、基材の表面に触媒層を形成することは、既に周知の技術的事項である。
【０００３】
このような基材＋触媒層の積層構成として、例えば特許文献１は、チタン（Ｔｉ）メッシュ等の多孔質基材に対し、カーボン皮膜を堆積する構成を提唱している（段落［００５９］）。
【０００４】
しかしながら、このような構成では、印加電力に対して発生する酸素及び水素の量が少なく、効率的な電気分解の実現は不十分であり、しかもカーボン皮膜を堆積するために、ＥＣＲプラズマ堆積方法を採用することが必要となり、製造工程が煩雑である。
【０００５】
特許文献２は、チタン基材の両側表面にイリジウム（Ｉｒ）の触媒層を形成する構成を提唱している（請求項４）。
【０００６】
しかしながら、上記構成の場合もまた、効率的な電気分解の実現としては不十分であって、しかも電極及び水における発熱という技術的課題を解決することができないという欠点が存在する。
【０００７】
近年、カーボンナノチューブが素材として柔軟性を有すると共に、物理的な強度を有する一方、金属に準ずるような導電性を設定し得る点に特徴を有しており、様々な電子分野の素材として使用されている。
【０００８】
特許文献３においては、カーボンナノチューブが空隙を有する構造に着目したうえで、炭素繊維からなる基材にカーボンナノチューブを１０％〜５０％混合した熱硬化性樹脂による接着剤によって硬化させた電極の構成を提唱しており、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能によって、特許文献２の場合に比し、良好な電気分解の効率を実現している。
【０００９】
しかしながら、熱硬化性樹脂の配合は、導電性を低下させる要因である一方、上記構成は、カーボンナノチューブの混合による熱硬化性樹脂の接着剤を製造する第１工程、炭素繊維に対し、当該接着剤を含浸及びコーティングする第２工程、赤外線の照射によって、炭素繊維を固化させる第３工程、炭素繊維を加熱及び加圧によって完全に炭化して硬化させる第４工程を有し、煩雑な製造工程を必要不可欠とする。
【００１０】
このように、従来技術による水の電気分解用電極には、電気分解の効率において必ずしも十分ではなく、その余の事項においても、技術上の欠点を免れることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１８９８２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２２３８３号公報
【特許文献３】特開２０１６−３７６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能に着目したうえで、効率的な電気分解を可能とする水の電気分解用電極の基本構成及び当該電極を製造する基本構成を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）チタンを基材とする表面に対し、カーボンナノチューブによる皮膜を形成していることを特徴とする水電気分解用電極、
（２）粒径が２μｍ以下の炭素粒子が分布する空中にて、陰極としてチタン基材を選択したうえで、２個の電極間に、１０００Ｖ／ｍｍ以上の電界を加えることによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブの皮膜を形成することを特徴とする前記（１）の電極の製造方法、
（３）炭素を陽極とし、チタン基材を陰極としたうえで、不活性ガスを充満し、かつ１０００℃以上であり、かつチタンの溶融温度である１６６０℃未満の温度に設定した室内にて、１ｍｓ以下の時間幅によるパルス電圧の印加に基づくパルスアーク放電、又は当該放電の繰り返しによって、チタン基材の表面にカーボンナノチューブ皮膜を形成することを特徴とする前記（１）の電極の製造方法、
からなる。
【発明の効果】
【００１４】
前記基本構成（１）に基づく電極は、特許文献２記載の炭素繊維とカーボンナノチューブとを熱透過性樹脂を介して結合した電極の場合よりも、更に良好なエネルギー変換効率を呈することが可能であり、前記（２）及び（３）の基本構成による製造方法は、何れも直流電圧の印加というシンプルな方法によって、基本構成（１）の電極を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基本構成（１）の電極の断面図である。
【図２】基本構成（１）の実施形態と、特許文献２及び同３の従来技術による電気分解効率の対比を示すグラフである。
【図３】基本構成（１）の電極を結合した電極を配設した電気分解槽の側面図である。
【図４】基本構成（２）の製造方法を示す側面図である。
【図５】基本構成（３）の製造方法を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すように、基本構成（１）の電極１は、チタン基材１１の両側にカーボンナノチューブ皮膜１２を形成している。
【００１７】
前記皮膜１２の厚さは、通常６μｍ以上に設定しているが、その根拠は、６μｍ未満の場合には、カーボンナノチューブの電気分解における触媒機能を十分発揮できないことにある。
【００１８】
皮膜１２の上限は特に限定されないが、通常、製造コスト及びカーボンナノチューブ皮膜１２による触媒機能の飽和状態を考慮することによって、１２μｍ以下とする場合が多い。
【００１９】
図１に示すように、チタン基材１１は、通常平板状である場合が多いが、必ずしもそのような形状に限定される訳ではなく、例えば、円筒状等の他の形態も採用することができる。
【００２０】
１０ｃｍ×１８ｃｍの矩形で、０．５ｍｍの厚みを有する電極として、前記基本構成（１）に基づいて、チタン基材１１の両側を７μｍのカーボンナノチューブによって被覆した電極１、特許文献３のように、炭素繊維とカーボンナノチューブとを熱硬化性樹脂による接着剤によって結合し、かつカーボンナノチューブが熱硬化性樹脂中に１０％混合している電極、特許文献２のように、チタン基材１１の表面の両側を０．３ｍｍの厚みを有するイリジウムによって被覆した電極を採用したうえで、水中に各電極の間隔を１．５ｍｍとしたうえで、印加した電力を順次変化させた場合に、ＨＨＯガスの発生量の変化を図２のグラフに示す。
【００２１】
図２に示すように、基本構成（１）の電極１は、例えば、６０Ｗの印加電力の場合には、特許文献３のような炭素繊維とカーボンナノチューブとの結合による電極に比し、１８００ｃｃ／８００ｃｃ＝２．２５倍の電気分解効率を示しており、特許文献２のようなチタン基材１１にイリジウムを被覆した構成に比し、１８００ｃｃ／３００ｃｃ＝６倍の電気分解効率を示している。
【００２２】
このように、基本構成（１）において、良好な電気分解効率が得られる原因としては、カーボンナノチューブが触媒層としてチタン基材１１の表面にカーボンナノチューブの皮膜１２を形成することによって、チューブを形成するパイプ状の空間内にて水のカソード反応及びアノード反応を行う機会が向上することにあるものと考えられる。
但し、このような良好な電気分解効率の根拠については、今後の様々な実験を伴う分析、及び当該分析に基づく考察に待つ以外にない。
【００２３】
基本構成（２）の製造方法においては、図４に示すように、粒径が２μｍ以下の炭素粒子が分布する空中にて陰極としてチタン基材１１を選択したうえで、２個の電極間に、１０００Ｖ／ｍｍ以上の電界を加えることによってチタン基材１１による陰極にカーボンナノチューブを触媒層とする皮膜１２を形成することによって、基本構成（１）の電極１を製造している（尚、図４においては、チタン基材１１の陰極の片側に、カーボンナノチューブの皮膜１２が形成される場合を示すが、他の片側における前記皮膜１２の形成は、電極の向きを反転することによって実現することができる。）。
尚、２個の電極のうち、陽極については、チタン基材１１又は当該基材以外の導電性の素材を採用することができる。
【００２４】
グラファイト状の炭素の積み重ねによるカーボンナノチューブの直径は、２〜５０ｎｍであり、長さは、１〜１０μｍ程度であるが、径が２μｍ以下の炭素粒子を素材として基本構成（２）の方法によって、カーボンナノチューブが形成される根拠としては、１０００Ｖ／ｍｍ以上の電界によって陰極に前記炭素粒子が移動する一方、陰極から流出した電子が前記電界によって加速した状態にてカーボン粒子との衝突の結果、前記カーボン粒子が電子の移動方向に沿って細分化されると共に、チューブ状の空隙を発生した状態にて上記移動方向に引き伸ばされることにあると考えられる。
但し、定量的な分析を伴う詳細な根拠については、今後の実験に基づく分析及び当該分析を伴う考察に待つ以外にない。
尚、径を２μｍ以下とする炭素粒子からカーボンナノチューブが生成されていることは、前記炭素粒子の電気伝導度よりも、基本構成（２）によって形成された皮膜の電気伝導度の方が桁違いに大きいことによって確認することができる。
【００２５】
径が２μｍ以下のカーボン粒子の分布とは、径が２μｍよりも大きい炭素粒子及び他の粒子の存在を排除する訳ではない。
【００２６】
何故ならば、これらの粒子が存在したとしても、径が２μｍ以下のカーボン粒子のチタン基材１１による陰極への移動によって、当該チタン基材１１の表面にカーボンナノチューブによる皮膜１２が形成されることに変わりはないからである。
【００２７】
石炭を燃焼させた場合の煤煙における炭素粒子の径は、通常約１μｍ程度とされている。
したがって、石炭を燃焼させた場合の煤煙を分布した空間においては、径を２μｍ以下とするカーボン粒子を空中に容易に分布させることができる。
【００２８】
前記のように、２μｍ以下の径による炭素粒子以外の他の粒子の分布の存在が許容される以上、石炭の燃焼に基づく煤煙だけでなく、その他の炭素含有物の燃焼（例えば、木材の燃焼）による煤煙の場合であっても、前記基本構成（２）の製造方法を実現することができる。
【００２９】
しかしながら、同一の電界の場合に、２μｍ以下の径による炭素粒子の方が他の粒子よりも移動し易いことを考慮するならば、その他の炭素含有物の燃焼によって煤煙を形成する場合には、他の粒子によるチタン基材１１による陰極への到来を防止するため、電界の大きさを１０００Ｖ／ｍｍよりも大幅に上回らないような電界の程度を選択したうえで設定することが必要となる。
【００３０】
炭素を素材とする陽極及び陰極間にアーク放電を実現することによって、陰極側にカーボンナノチューブを形成することは周知の技術的事項である。
【００３１】
しかしながら、通常のアーク放電の場合には、放電が行われている領域においては、３０００Ｋ以上の高温が形成され、チタンの溶解温度である１６６０℃を上回っている。
したがって、炭素を陽極とし、チタン基材を陰極とすることによって、通常のアーク放電を行ったとしても、チタン基材が溶解し、当該基材の表面に安定した状態にてカーボンナノチューブの皮膜を形成することは困難である。
【００３２】
このような通常のアーク放電を採用する場合の難点を考慮し、基本構成（３）においては、図５に示すように、炭素を陽極３とし、チタン基材１１を陰極としたうえで、不活性ガスによって充満し、かつ１０００℃以上であり、かつチタンの溶融温度である１６６０℃未満の温度に設定した室内にて、１ｍｓ以下の時間幅によるパルス電圧の印加に基づくパルスアーク放電、又は当該放電の繰り返しによって、チタン基材１１の表面にカーボンナノチューブ皮膜１２を形成することによって、基本構成（１）の電極１を製造している（尚、図５においても、チタン基材１１の陰極の片側に、カーボンナノチューブの皮膜１２が形成される場合を示すが、他の片側における前記皮膜１２の形成は、電極の向きを反転することによって実現することができる。）。
【００３３】
このようなパルスアーク放電の場合には、放電時間が１ｍｓ以下という極端に短い時間であることによって、たとえ瞬時にチタンの溶解温度である１６６０℃を上回るとしても、チタンが溶解するに至らず、安定した状態にてチタン基材１１の表面にカーボンナノチューブの皮膜１２を形成することができる。
【００３４】
しかも、図５に示すように、電極の周囲を１２００℃〜１６６０℃の温度範囲にて加熱したため、通常のアーク放電の場合のような所謂熱対流の影響を抑制することができる。
尚、基本構成（２）において、パルスアーク放電を一度だけでなく、当該放電を繰り返す場合とは、１回当りのアーク放電によって形成されるカーボンナノチューブの皮膜の厚さが薄く、６μｍという触媒機能を発揮するうえで好ましい厚みを実現することを目的としている。
【００３５】
パルスアーク放電によって、カーボンナノチューブの皮膜１２が形成される根拠は、炭素電極から飛散した炭素粒子が陰極であるチタンから発生する熱電子と衝突することによって、チューブ状の空隙を形成することを想定することができる。
【００３６】
パルスアーク放電を実現する場合の電流量は、陰極及び陽極の表面積によって左右され、一律に特定することができない。
【００３７】
他方、発明者の経験では、陽極と陰極との間隔を１ｍｍとした場合に、必要かつ適切な印加電圧は、２０００Ｖ〜３０００Ｖであることが判明している。
【実施例】
【００３８】
実施例は、図３に示すように、陽極を構成する基本構成（１）の電極１と、陰極を形成する基本構成（１）の電極１とを交互に隣接した状態にて配列させたことによる結合電極を配設している電気分解槽４を特徴としている。
【００３９】
このような結合電極において、各陽極と各陰極との間に直流電圧を印加し、それぞれ陽極及び陰極を形成しているカーボンナノチューブの皮膜１２が相互に面した状態にて陽極側に酸素分子を発生させ、陰極側に水素分子が発生させることによって、酸素水素気体（ＨＨＯガス）を効率的に生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
このように、本発明においては、極めてシンプルな製造方法によって、極めて電気分解効率が良好である電極を提供することができる。
【００４１】
その結果、効率的に酸素水素気体（ＨＨＯガス）を速やかに形成し、かつ内燃機関の燃焼部分に注入することによって、燃焼効率を速やかに向上させることができる。
【００４２】
更には、一般の有機物の燃焼に際し、本発明による電極を使用した電気分解に基づく酸素分子の供給によって、効率的な燃焼を実現する一方、水素分子の介在によって、燃焼に伴う炭酸ガス（ＣＯ２）の発生を防止又は減少させた状態にて燃焼させることを効率的に実現することができる。
【００４３】
このように、本発明は、様々な利点を有しており、広範な利用を実現することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  基本構成（１）の電極
１１  チタン基材
１２  カーボンナノチューブによる皮膜
２  基本構成（２）において採用される炭素の陽極
３  基本構成（３）において採用される炭素の陽極
４  電気分解槽
５  パルス電圧源
６  パルスアーク放電を行う室
７  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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