(57)【要約】【課題】水の電気分解により酸素や炭酸ガスを生成することなくオンサイトに水素及び過酸化水素を同時に製造する方法を提供する。【解決手段】陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜で仕切られた電解槽の陽極側に、水を導入して電気化学反応させることによる水素及び過酸化水素の同時製造方法である。その電気化学反応の電源としては、太陽エネルギーを利用することが好ましい。　この方法によると、水の電気分解でオンサイト型の水素を容易に製造でき、また水素とともに過酸化水素を生成するから、工業的に利用価値の高いものである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜で仕切られた電解槽の陽極側に、水を導入して電気化学反応させることによる水素及び過酸化水素の同時製造方法。
【請求項２】
前記電気化学反応の電源が、太陽エネルギーを利用するものである請求光１に記載された水素及び過酸化水素の同時製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水から電気化学的に水素及び過酸化水素を同時に製造するオンサイト型製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素の工業的製造法としては、電気分解法、水蒸気改質法、部分酸化法及び他プラントからの副生水素回収法などが知られている。その中でも原料に炭化水素を使用した水蒸気改質法は、触媒を使用して大量に水素を生産する方法の主流技術として世界中で採用されている。例えば、原料にメタンを使用した場合は、以下の反応式により水素が製造される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ＋３Ｈ２　　　　　（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋Ｈ２　　　　　　　　（２）
（１）と（２）から
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋４Ｈ２　
また、水の電気分解法では、以下の反応式により水素が製造される。
２Ｈ２Ｏ　→　２Ｈ２＋Ｏ２
【０００３】
一方、過酸化水素の製造法としては、アンスラキノンの水添・酸化によるアンスラキノン法が主に採用されているが、この方法は大量生産向けである。これに対して、オンサイト型の簡便な過酸化水素の製法としては、陰極において酸素を電解還元して過酸化水素を製造する研究がなされている。既にいくつかの電解装置（特許文献１〜３参照）が提案されているが、なかでもＭｃＩｎｔｙｒｅらが報告した電解層（非特許文献１参照）は、米国の紙パルプ工場へ導入されて良好な操業実績を残している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−１３０００２号公報
【特許文献２】
特開平９−２２８０８４号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２９１６８号公報
【非特許文献１】
Ｊ．Ａ．ＭｃＩｎｔｙｒｅ，Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，Ｓｐｒｉｎｇ，ｐ２９〜３３（１９９５）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、炭化水素原料を用いた水蒸気改質法による水素の製法では、水素とともに二酸化炭素を排出するため地球温暖化等による環境負荷が問題となる。また、水蒸気改質を行うには一定規模のプラントが必要となることからオンサイト型の水素製造法には適していない。
そこで、電気分解法を用いるとオンサイト型の水素製造が可能になり、自然エネルギー起源の電力を使用して電気分解を行えば環境負荷は非常に小さくなる。しかし、水素と共に生成される酸素ガスについては、以下の問題点がある。
１）水からの酸素生成には、４電子還元という電気化学的に困難なプロセスが含まれる。
２）酸素を効率的に製造する電極が開発されていない。
３）上記１）と２）を克服したとしても、生成した酸素の用途が限られている。特に太陽電池からの電気を用いて比較的小規模に電解する場合には、生成した酸素の有効な利用方法が殆どない。
【０００６】
一方、アンスラキノン法による過酸化水素の製法は、オンサイト型の過酸化水素の製造には適用できない。また、陰極において酸素を電解還元して過酸化水素を製造するオンサイトにおいても、陽極では水を電解して酸素を生成しているため、電気分解による水素製造法と同じ問題点を有している。さらに、これらの製法においてはクリーンな燃料として注目されている水素を使用しなければ過酸化水素を製造できないという問題がある。
本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、水の電気分解により酸素や炭酸ガスを生成することなくオンサイトに水素及び過酸化水素を同時に製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、陰極板と陽極板との間にカチオン交換膜で仕切られた電解槽の陽極側に、水を導入し、電気化学反応させることによる水素及び過酸化水素の同時製造方法である。その電気化学反応の電源として、太陽エネルギーを利用することが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、水を電解槽を用いる電気分解によって、オンサイトに水素と過酸化水素のみを同時に製造する方法である。この方法における陽極と陰極における反応式は、以下のとおりである。
陽極：２ＯＨ−　→　ＨＯＯＨ＋２ｅ−　　　（ａ）
陰極：２Ｈ＋＋２ｅ−　→　Ｈ２　　　　　　（ｂ）
この電解プロセスは、２電子還元であるため電気化学的には４電子還元の酸素生成よりも容易に進行するものと考えられる。
【０００９】
本発明の電気化学反応に使用する電解槽において、陰極には、従来より用いられている白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の貴金属の単独板或いはこれらの２種類以上からなる複合板、またはこれらの貴金属の単独または２種類以上の複合体をカーボンなどの導電性担体に担持した板状体等を水素発生用電極触媒として用いることができる。また、陽極には、フェルト状カーボン、クロス状カーボンまたはグラファイト系カーボン等の炭素質材料板を電極触媒として用いることができる。これらの炭素質材料は、市販のものをそのまま使用可能であるが、必要に応じてフッ素、臭素等で表面処理を施したものを用いてもよい。
【００１０】
また、陰極の触媒作用により生成する過酸化水素の分解を防止するため、陰極と陽極の間にカチオン交換膜を挿入する。このカチオン交換膜としては、耐熱性、耐酸化性の観点から、固体高分子型燃料電池の電解質膜として利用されているフッ素系樹脂の陽イオン交換膜が望ましいが、海水濃縮による食塩製造等に利用されている非フッ素系樹脂の陽イオン交換膜も使用可能である。
【００１１】
原料の水としては、天然水、水道水、工業用水等のいずれも使用可能であるが、水酸化ナトリウム等のアルカリを含む水溶液を用いることが好ましい。このような水を電解槽の陽極側に導入することにより、陽極側では、上記（ａ）に示す反応により生成する過酸化水素を含む水溶液が得られ、また、陰極側では、上記（ｂ）に示す反応により水素ガスが発生する。
この方式を採用することにより、水からオンサイト型の水素を製造することが可能になり、また、有効利用性の乏しい酸素を生成してしまうという従来式の欠点を克服することができる。さらに、水素を消費することなく水から過酸化水素を製造することが可能になる。
【００１２】
また、この方式では、水の電気分解により水素と過酸化水素の同時生成を行うための電源として太陽電池などの自然エネルギー起源の電気を用いることにより環境負荷の小さい水素および過酸化水素製造システムを可能にする。本発明の水素及び過酸化水素の同時製法は、オンサイト型の製造方法であるから、太陽電池パネル等と容易に組み合わせることが可能である。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
図１に示すように、陰極に白金網、陽極に前処理を施していないカーボンクロス（ＧＦ−２０、日本カーボン社製）を配置し、両極をフッ素系カチオン交換膜（ＮＦ−１１５、デュポン社製）で隔てた装置（４ｃｍ×４ｃｍ）を用意した。その装置の陽極側に０．１ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液を流速１．０ｍｌ／ｍｉｎ．で流しつつ、カーボンクロスと白金電極間に２Ｖの電圧を印加し（カーボンクロスの方が高電位）、２０分間通電して電気化学反応を行った。
得られた生成液について、硫酸酸性過マンガン酸カリウム溶液を用いて滴定を行ったところ、水酸化ナトリウム水溶液中に過酸化水素５μＭが生成していることを確認した。また、ガスクロマトグラフを用いて陰極内の気相分析を行った結果、水素ガスの生成を確認した。この時の電流効率は５４％であった。
【００１４】
実施例２
実施例１における装置の陽極に用いたカーボンクロスをクレハ社製のＦ１０５に代えたこと以外は、実施例１と全く同様にして電気化学反応を行った。得られた生成液について、硫酸酸性過マンガン酸カリウム溶液を用いて滴定を行ったところ、水酸化ナトリウム水溶液中に過酸化水素５μＭが生成していることを確認した。また、ガスクロマトグラフを用いて陰極内の気相分析を行った結果、水素ガスの生成を確認した。この時の電流効率は２２％であった。
【００１５】
実施例３
実施例１に用いた装置の陽極に用いたカーボンクロスを日本カイノール社製のＣＮ−２１１−２０に代えたこと以外は、実施例１と全く同様にして電気化学反応を行った。得られた生成液について、硫酸酸性過マンガン酸カリウム溶液を用いて滴定を行ったところ、水酸化ナトリウム水溶液中に過酸化水素６．２５μＭが生成していることを確認した。また、ガスクロマトグラフを用いて陰極内の気相分析を行った結果、水素ガスの生成を確認した。この時の電流効率は４７％であった。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、水の電気分解でオンサイト型の水素を容易に製造でき、その電気分解の電源として自然エネルギー起源の電気を用いれば、二酸化炭素を排出しないため環境負荷の極めて小さい水素製造システムを構築できる。
本発明の電気分解法は、水を原料として水素と過酸化水素のみを生成するプロセスであって、従来のような４電子還元を伴うプロセスで水素と酸素を製造する方法よりも容易に進行するものであり、また、従来の電気分解法のように水素の生成に伴って有効利用性の殆どない酸素が得られるという問題点を解消し、過酸化水素を生成するものであるから工業的に利用価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に用いられる電気化学反応装置の一例を示す概念図である。
【図１】
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