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JP2017095746A - Hydrogen generator and hot-water feed system - Google Patents

Hydrogen generator and hot-water feed system Download PDF

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JP2017095746A
JP2017095746A JP2015227191A JP2015227191A JP2017095746A JP 2017095746 A JP2017095746 A JP 2017095746A JP 2015227191 A JP2015227191 A JP 2015227191A JP 2015227191 A JP2015227191 A JP 2015227191A JP 2017095746 A JP2017095746 A JP 2017095746A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen generator capable of production with a simple structure suited to installation and maintenance and also at a low cost.SOLUTION: Provided is a hydrogen generator comprising: an electrode part 2A electrolyzing water, provided with a hydrogen pole 22 and an oxygen pole 23 so as to hold both the sides of a PEM membrane 24 in a sealed container; and a power source part 3 applying d.c. voltage to a space between the hydrogen pole 22 and the oxygen pole 23 in the electrode part 2A, in which an electrode material for water electrolysis containing no platinum group elements is used as a hydrogen pole catalyst layer in the hydrogen pole 22 or an oxygen pole catalyst layer in the oxygen pole 23. The electrode material for water electrolysis is made of a molded body essentially consisting of Fe or Ni, and being a molded body at least including, as metallic material, Fe or Ni and a plurality of different transition metals belonging to 3d transition metals.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、水素生成装置および給湯システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen generator and a hot water supply system.

水素を生成する水素生成装置を利用して、水素を水に混合させて、微細気泡状態で溶存させた水素水を飲料用に使用し、また、入浴用の湯等に用いている。   Using hydrogen generators that generate hydrogen, hydrogen is mixed with water and dissolved in the form of fine bubbles and used for beverages, and used for hot water for bathing and the like.

なお、水素水を使用する浴室装置において、水素を供給して浴湯を水素水とする水素水入浴機構(浴室の外に設けた水素ガスボンベと、浴槽内に配置した放気部と、水素ガスボンベと放気部とを接続する供給管と、供給管(水素供給路)に介設した遮断弁機構で構成されるガス供給部)又は水素を含有する水素水浴湯を供給する水素水入浴機構を備え、所定の排出換気機構を設けると共に、浴室内水素センサを設け、前記浴室内水素センサの検知値に基づいて、水素水入浴機構における、水素供給路又は浴湯供給路を遮断する遮断弁機構を設けてなることなどが知られている(例えば、特許文献1を参照)。   It should be noted that in a bathroom apparatus using hydrogen water, a hydrogen water bathing mechanism (hydrogen gas cylinder provided outside the bathroom, an air discharge unit disposed in the bathtub, a hydrogen gas cylinder, which supplies hydrogen and uses hot water as hydrogen water) A hydrogen supply bath mechanism for supplying hydrogen water bath containing hydrogen or a supply pipe connecting the gas release section and a shutoff valve mechanism provided in the supply pipe (hydrogen supply path) or hydrogen Provided with a predetermined exhaust ventilation mechanism, a hydrogen sensor in the bathroom, and a shutoff valve mechanism that shuts off the hydrogen supply path or the bath water supply path in the hydrogen water bathing mechanism based on the detection value of the hydrogen sensor in the bathroom It is known that the above is provided (see, for example, Patent Document 1).

特開2008−5973号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-5973

従来の給湯設備では、水素ガスタンクを備えているタイプであり、水素の補給に手間がかかる。また、保管される水素ガスタンクの保守点検のコストもかかるため、一般家庭向きではない。   Conventional hot water supply equipment is a type equipped with a hydrogen gas tank, and it takes time to supply hydrogen. In addition, the maintenance cost of the hydrogen gas tank to be stored is high, so it is not suitable for general households.

一方、水素生成装置が低コストで製造可能で、給湯設備に設置可能であれば、家庭で手軽に、水素水を利用することができる。以上のような水素生成装置および給湯システムが望まれている。   On the other hand, if the hydrogen generator can be manufactured at low cost and can be installed in a hot water supply facility, hydrogen water can be easily used at home. The hydrogen generator and hot water supply system as described above are desired.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、設置及び保守に適した簡易な構造で、かつ、低コストで製造可能な水素生成装置および給湯システムを提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a hydrogen generator and a hot water supply system that can be manufactured at a low cost with a simple structure suitable for installation and maintenance.

上記課題を解決するために、本発明に係る水素生成装置は、水を電気分解して水素を供給可能な水素生成装置である。当該水素生成装置は、水素を排出可能な密閉容器で形成され、当該密閉容器のなかで水素極と酸素極とが電解質膜の両側を挟むように設けられた、水を電気分解する電極部と、前記電極部における前記水素極と前記酸素極との間に直流電圧を印加する電源部とを備えている。前記水素極における水素極触媒層または前記酸素極における酸素極触媒層として用いられる水電気分解用電極材料において、Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない水電気分解用電極材料であって、前記水電気分解用電極材料は、FeまたはNiを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeまたはNiと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属とを少なくとも含有する成形体からなり、前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、前記水および前記水が電気分解されて発生する水素ガスまたは酸素ガスが前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有することを主な特徴とする。   In order to solve the above problems, a hydrogen generator according to the present invention is a hydrogen generator capable of supplying water by electrolyzing water. The hydrogen generation device is formed of a sealed container capable of discharging hydrogen, and an electrode unit for electrolyzing water is provided so that a hydrogen electrode and an oxygen electrode sandwich both sides of the electrolyte membrane in the sealed container. And a power supply unit that applies a DC voltage between the hydrogen electrode and the oxygen electrode in the electrode unit. In the water electrolysis electrode material used as the hydrogen electrode catalyst layer in the hydrogen electrode or the oxygen electrode catalyst layer in the oxygen electrode, for water electrolysis that does not contain platinum group elements of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. The electrode material for water electrolysis is a molded body mainly composed of Fe or Ni, and contains at least Fe or Ni and a plurality of different transition metals belonging to a 3d transition metal as a metal material. The molded body is made of a mixture containing each powder of the metal material, and the water and hydrogen gas or oxygen gas generated by electrolyzing the water permeate the molded body. The main feature is to have voids dispersed in the molded body as much as possible.

また、本発明に係る水素生成装置において、前記複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含むことを主な特徴とする。   Further, in the hydrogen generator according to the present invention, the plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to a 3d transition element, and the compact includes The main feature is that the metal material other than the transition metal to be contained includes any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which has a higher electrical conductivity than the transition metal contained.

さらに、本発明に係る水素生成装置において、前記複数の異なる遷移金属は、NiおよびFe、NiおよびCu、または、FeおよびCuを少なくとも含むことを主な特徴とする。   Furthermore, the hydrogen generator according to the present invention is characterized in that the plurality of different transition metals include at least Ni and Fe, Ni and Cu, or Fe and Cu.

さらにまた、本発明に係る水素生成装置において、前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含むことを主な特徴とする。   Furthermore, in the hydrogen generator according to the present invention, the composition ratio of the metal material in the molded body is 1 to 3 mass% of Mg or 2 to 2 mass of Zn when the mass of the molded body is 100 mass%. The main feature is that it contains at least 3% by mass or 5-6% by mass of Al, and contains Ni, Fe, and Cr totaling 100% by mass, which is obtained by subtracting the mass% of the contained metal.

その上、また、本発明に係る水素生成装置において、前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲であることを主な特徴とする。   In addition, the hydrogen generator according to the present invention is characterized in that the porosity of the molded body is in a range of 20% to 40% with respect to the volume of the molded body.

その上、さらに、前記水電気分解電極材料において、前記水素極触媒層または前記酸素極触媒層には、さらに、酸化チタン材料を含むことを主な特徴とする。   Furthermore, the water electrolysis electrode material is characterized in that the hydrogen electrode catalyst layer or the oxygen electrode catalyst layer further contains a titanium oxide material.

その上、さらにまた、前記水電気分解電極材料において、前記電極部は、前記水素極または前記酸素極に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有することを主な特徴とする。   Furthermore, the water electrolysis electrode material is characterized in that the electrode part further includes ultraviolet irradiation means for irradiating the hydrogen electrode or the oxygen electrode with ultraviolet rays.

また、上記課題を解決するために、本発明に係る給湯システムは、上記のいずれかに記載の前記水素生成装置と、水または湯を給湯配管に供給可能な給湯装置と、前記水素生成装置から水素ガスを排出するための排出ポンプとを備え、前記排出ポンプにより、前記給湯装置から供給される水または湯に前記水素生成装置から排出される水素ガスを混合して前記給湯配管に戻すことを主な特徴とする。   Moreover, in order to solve the said subject, the hot water supply system which concerns on this invention is based on the said hydrogen production | generation apparatus in any one of the above, the hot water supply apparatus which can supply water or hot water to hot-water supply piping, and the said hydrogen production | generation apparatus. A discharge pump for discharging hydrogen gas, and mixing the hydrogen gas discharged from the hydrogen generator with water or hot water supplied from the hot water supply device and returning the mixed water to the hot water supply pipe by the discharge pump. Main features.

本発明に係る水素生成装置および給湯システムによれば、設置及び保守に適した簡易な構造で、かつ、低コストで製造可能である。   The hydrogen generator and hot water supply system according to the present invention can be manufactured at a low cost with a simple structure suitable for installation and maintenance.

本発明に係る第1の実施形態の水素生成装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the hydrogen generator of 1st Embodiment which concerns on this invention 図1の水素生成装置に用いられる電極部の構造の一例を示す図The figure which shows an example of the structure of the electrode part used for the hydrogen generator of FIG. 図1の水素生成装置に用いられる電極部の他の構造の一例を示す図The figure which shows an example of the other structure of the electrode part used for the hydrogen generator of FIG. 図3の電極部に用いられる水素極ユニットの構造の一例を示す図The figure which shows an example of the structure of the hydrogen electrode unit used for the electrode part of FIG. 試作した水電気分解用電極材料を示す図Diagram showing prototype water electrolysis electrode material 試作した水電気分解用電極材料の概要を示す一覧表Table showing the outline of the prototype electrode materials for water electrolysis 図1の水素生成装置に用いられる電極部のさらに他の構造の一例を示す図The figure which shows an example of another structure of the electrode part used for the hydrogen generator of FIG. 給湯システムの実施例を示す図The figure which shows the Example of a hot-water supply system

以下、本発明に係る水素生成装置の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。ここで説明する下記の実施形態は、給湯設備に併設される水素生成装置の一例をとりあげて説明する。   Hereinafter, an embodiment of a hydrogen generator according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. The following embodiment described here will be described by taking an example of a hydrogen generator attached to a hot water supply facility.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態の水素生成装置1の構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態の水素生成装置1は、水を電気分解して、水素および酸素を生成する。水素生成装置1は、給湯装置の水・湯供給用の配管ルートに水素を供給可能である。このために、水素生成装置1は、図1に示すように、電極部2と、蒸留水タンク11と、気液分離器12と、乾燥フィルタ13と、電源部3と、制御部4と、表示部5とを備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the configuration of the hydrogen generator 1 according to the first embodiment.
The hydrogen generator 1 of this embodiment generates hydrogen and oxygen by electrolyzing water. The hydrogen generator 1 can supply hydrogen to a water / hot water supply piping route of the hot water supply apparatus. For this purpose, as shown in FIG. 1, the hydrogen generator 1 includes an electrode unit 2, a distilled water tank 11, a gas-liquid separator 12, a drying filter 13, a power supply unit 3, a control unit 4, And a display unit 5.

電極部2は、後述するように(図2等)、主に水電気分解用電極材料からなる水素極22および酸素極23、PEM膜24から構成される。電極部2は、少なくとも水の供給口と水素ガスおよび酸素ガスを排出させる排出口とが設けられる密閉容器を有するように形成される。   The electrode unit 2 is composed of a hydrogen electrode 22, an oxygen electrode 23, and a PEM film 24 mainly made of an electrode material for water electrolysis, as will be described later (FIG. 2 etc.). The electrode part 2 is formed so as to have a sealed container provided with at least a water supply port and a discharge port for discharging hydrogen gas and oxygen gas.

電極部2は、生成された水素を排出可能な密閉容器で形成され、当該密閉容器のなかで水素極22と酸素極23とが電解質膜(PEM膜24)の両側を挟むように設けられている。密閉容器は、例えば非導電性材料で形成される。もしくは、主に金属材料で形成されていても、非導電性のシートで容器内部側が覆われている等である。   The electrode unit 2 is formed of a sealed container capable of discharging generated hydrogen, and the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 are provided so as to sandwich both sides of the electrolyte membrane (PEM film 24) in the sealed container. Yes. The sealed container is made of, for example, a non-conductive material. Or even if it is mainly formed of a metal material, the inside of the container is covered with a non-conductive sheet.

電極部2は、供給または補給された水を電気分解して、水素と酸素を生成する。電極部2は、例えば単一のセルユニット構成の場合、電極間印加電圧1.6V以上で水を電気分解することが可能である。   The electrode unit 2 electrolyzes the supplied or replenished water to generate hydrogen and oxygen. In the case of a single cell unit configuration, for example, the electrode unit 2 can electrolyze water at an interelectrode applied voltage of 1.6 V or higher.

電源部3は、図2に示すように、電極部2における水素極22と酸素極23との間に直流電圧を印加して、直流の電気を供給する。また、電源部3は、その他にも、図1に示す制御部4、表示部5、センサ・計器類などに対して、必要な電圧レベルの電気を供給する。例えば、電源部3は、外部から引き込まれる商用電源(例えばAC100V)等に接続されて、商用電源から水素生成装置1の必要な直流レベルの電気に変換する。   As shown in FIG. 2, the power supply unit 3 applies a DC voltage between the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 in the electrode unit 2 to supply DC electricity. In addition, the power supply unit 3 supplies electricity at a necessary voltage level to the control unit 4, the display unit 5, sensors / instruments, and the like shown in FIG. For example, the power supply unit 3 is connected to a commercial power source (for example, AC 100 V) or the like drawn from the outside, and converts the commercial power source into electricity at a necessary DC level of the hydrogen generator 1.

蒸留水タンク11は、電気分解するための水を電極部2へ補給するために、蒸留水を貯蔵する。蒸留水タンク11は、蒸留水を電極部2に供給可能なように接続されている。また、蒸留水タンク11には、気液分離器12および電極部2から循環して戻される水を、受け入れ可能なように流路が設けられている。   The distilled water tank 11 stores distilled water in order to supply the electrode unit 2 with water for electrolysis. The distilled water tank 11 is connected so that distilled water can be supplied to the electrode part 2. Further, the distilled water tank 11 is provided with a flow path so as to be able to receive the water circulated and returned from the gas-liquid separator 12 and the electrode unit 2.

気液分離器12は、電極部2から排出される水素ガスを含む水から、水と水素ガスを分離する。気液分離器12は、水と水素ガスを分離後に、水を蒸留水タンク11に戻し、水素ガスを乾燥フィルタ13へ排出する。   The gas-liquid separator 12 separates water and hydrogen gas from water containing hydrogen gas discharged from the electrode unit 2. After separating water and hydrogen gas, the gas-liquid separator 12 returns the water to the distilled water tank 11 and discharges the hydrogen gas to the dry filter 13.

乾燥フィルタ13は、気液分離器12から排出された水分を含む水素ガスを通し、水素ガスを通過させる間のフィルタにより水分を除去して乾燥させる。乾燥フィルタ13は、水素生成装置1の水素排出口を介して、乾燥させた水素ガスを排出する。例えば、乾燥フィルタ13において、薬剤が塗布されたフィルタが使用され、その色の変色によりフィルタ交換の時期を知ることができる。これにより、保守交換のタイミングを視覚によって容易に認識することができる。   The drying filter 13 passes the hydrogen gas containing moisture discharged from the gas-liquid separator 12, removes the moisture with a filter while allowing the hydrogen gas to pass, and dries it. The drying filter 13 discharges the dried hydrogen gas through the hydrogen discharge port of the hydrogen generator 1. For example, in the dry filter 13, a filter coated with a medicine is used, and it is possible to know the filter replacement time from the color change. As a result, the maintenance replacement timing can be easily recognized visually.

水素量計114は、水素排出口に設けられる。水素量計114は、水素排出口を通る水素ガスの流量を測定する。水素量計114は、測定データを制御部4に送出する。例えば、制御部4は、この測定データに基づいて、水素ガスの生成量として換算する。   The hydrogen meter 114 is provided at the hydrogen outlet. The hydrogen meter 114 measures the flow rate of hydrogen gas passing through the hydrogen discharge port. The hydrogen meter 114 sends the measurement data to the control unit 4. For example, the control unit 4 converts the production amount of hydrogen gas based on the measurement data.

液面センサ111は、蒸留水タンク11に貯蔵される蒸留水の液面を測定する。これにより、蒸留水の残量を検知することができる。液面センサ111は、測定データを制御部4に送出する。   The liquid level sensor 111 measures the level of distilled water stored in the distilled water tank 11. Thereby, the remaining amount of distilled water can be detected. The liquid level sensor 111 sends measurement data to the control unit 4.

電極電流検知センサ112は、電極部2を流れる電流を測定する。電極電流検知センサ112は、測定データを制御部4に送出する。   The electrode current detection sensor 112 measures the current flowing through the electrode unit 2. The electrode current detection sensor 112 sends measurement data to the control unit 4.

水素圧力センサ113は、乾燥フィルタ13の排出口に設けられ、乾燥フィルタ13から排出される水素ガスの圧力を測定する。水素圧力センサ113は、測定データを制御部4に送出する。   The hydrogen pressure sensor 113 is provided at the discharge port of the drying filter 13 and measures the pressure of the hydrogen gas discharged from the drying filter 13. The hydrogen pressure sensor 113 sends measurement data to the control unit 4.

制御部4は、逐次、各種センサから測定される測定データを収集し、収集した測定データに基づいて、各状態(水素ガス量・蒸留水残量・電極電流等)を監視する。例えば、制御部4は、電極電流検知センサ112で過電流を検出した場合に、電源部3からの電気の供給を停止させる保護機能などが設けられている。制御部4は、メモリ、CPUなどを有し、監視・保護・制御機能が組み込まれたプログラムにより、監視・保護・制御の動作処理が実行される。   The control unit 4 sequentially collects measurement data measured from various sensors, and monitors each state (hydrogen gas amount, distilled water remaining amount, electrode current, etc.) based on the collected measurement data. For example, the control unit 4 is provided with a protection function for stopping the supply of electricity from the power supply unit 3 when the electrode current detection sensor 112 detects an overcurrent. The control unit 4 includes a memory, a CPU, and the like, and the monitoring / protection / control operation process is executed by a program in which a monitoring / protection / control function is incorporated.

表示部5は、電源部3の電源ON/OFF状態や警告(過電流のアラームなど)状態、上述したような各種測定データ等を表示可能なように、ランプ表示、計器表示、液晶データ表示などにより表示する。   The display unit 5 is a lamp display, instrument display, liquid crystal data display, etc. so as to be able to display the power ON / OFF state, warning (overcurrent alarm, etc.) state of the power supply unit 3 and various measurement data as described above. Is displayed.

本実施形態の水素生成装置1は、上述したように、非常に簡易な部品で、構成可能である。また、これらの部品は、交換部品の寿命が長いため、水素生成装置1として、修理・交換・点検などの保守を容易に行うことができる。   As described above, the hydrogen generator 1 of the present embodiment can be configured with very simple parts. Moreover, since these parts have a long replacement part life, the hydrogen generator 1 can easily perform maintenance such as repair, replacement, and inspection.

なお、利用者が行う通常のメンテナンスとしては、水素生成装置1に蒸留水を補充することであり、複雑な操作や作業を必要としない。   The normal maintenance performed by the user is to replenish the hydrogen generator 1 with distilled water, and does not require complicated operations and operations.

また、本実施形態の水素生成装置1は、水の電気分解により水素を生成するため、純度の高い水素を生成することができる。さらに、装置を起動すると同時に、水素を生成することができる。   Moreover, since the hydrogen generator 1 of this embodiment produces | generates hydrogen by electrolysis of water, it can produce | generate high purity hydrogen. Furthermore, hydrogen can be produced at the same time the apparatus is started.

また、水素生成装置1の本体側に、液面センサ111、電極電流検知センサ112、水素圧力センサ113、水素量計114を備えることができるため、水素ガスの圧上昇・貯蔵された水の水位低下などを検出等する。制御部4は、これらの異常等の検出を監視し、装置保護等のために電源部3の電圧印加を停止させて、水素生成を自動停止させることができる。これにより、安全性に優れた装置として、一般家庭に適用することができる。   Further, since the liquid level sensor 111, the electrode current detection sensor 112, the hydrogen pressure sensor 113, and the hydrogen meter 114 can be provided on the main body side of the hydrogen generator 1, the water level of the hydrogen gas increased in pressure and stored. Detecting a decrease or the like. The control unit 4 can monitor the detection of these abnormalities, etc., and can stop the voltage application of the power supply unit 3 to protect the device and automatically stop the hydrogen generation. Thereby, it can apply to a general household as an apparatus excellent in safety | security.

[第2の実施形態]
第2の実施形態の水素生成装置1として、電極部2の構成例を示す。ここで、図2には、図1の水素生成装置1に用いられる電極部2の構造の一例(電極部2A)を示し、図3には、同じく電極部2の他の構造の一例(電極部2B)を示す。
[Second Embodiment]
A configuration example of the electrode unit 2 is shown as the hydrogen generator 1 of the second embodiment. Here, FIG. 2 shows an example of the structure of the electrode part 2 (electrode part 2A) used in the hydrogen generator 1 of FIG. 1, and FIG. Part 2B).

図2に示す電極部2Aは、固体高分子膜型水電気分解電極の一例である。電極部2Aは、図2に示すように、水素極22、酸素極23およびPEM膜24を容器中に含む密閉容器である。この密閉容器には、水素収容部25、水収容部26、水素排出接続部31、酸素排出接続部33、水排出部32および水供給接続部34が設けられている。すなわち、容器中の内外から水の供給、および、水・水素ガス・酸素ガスを排出可能な構造とされる。   The electrode part 2A shown in FIG. 2 is an example of a solid polymer membrane type water electrolysis electrode. As shown in FIG. 2, the electrode part 2A is a sealed container including a hydrogen electrode 22, an oxygen electrode 23, and a PEM film 24 in the container. The sealed container is provided with a hydrogen storage unit 25, a water storage unit 26, a hydrogen discharge connection unit 31, an oxygen discharge connection unit 33, a water discharge unit 32, and a water supply connection unit 34. That is, the structure is such that water can be supplied and water, hydrogen gas, and oxygen gas can be discharged from inside and outside the container.

密閉容器は、水素極22側と酸素極23側とで区画されている。当該密閉容器において、水素極22側の区画内における水素収容部25の上部(重力方向に対して上側を基準)に水素排出接続部31が設けられ、酸素極23側の区画内における水収容部26の上部に酸素排出接続部33が設けられている。これにより、生成した水素ガスおよび酸素ガスが、電極部2Aから排出されやすいようにされている。   The sealed container is partitioned by the hydrogen electrode 22 side and the oxygen electrode 23 side. In the sealed container, a hydrogen discharge connection portion 31 is provided above the hydrogen storage portion 25 in the compartment on the hydrogen electrode 22 side (on the upper side with respect to the direction of gravity), and the water storage portion in the compartment on the oxygen electrode 23 side. An oxygen discharge connecting portion 33 is provided at the upper portion of 26. Thereby, the generated hydrogen gas and oxygen gas are easily discharged from the electrode portion 2A.

酸素極23は、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)を含有しない酸素極触媒層を有する水電気分解用電極材料からなる陽極である。酸素極23側では、例えば外部の排出口と接続される酸素排出接続部33、および、酸素極23で生成された酸素および水供給接続部34から供給された水を収容する水収容部26を介して、酸素(O)が排出される。 The oxygen electrode 23 is an anode made of an electrode material for water electrolysis having an oxygen electrode catalyst layer not containing a platinum group element (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). On the oxygen electrode 23 side, for example, an oxygen discharge connection portion 33 connected to an external discharge port, and a water storage portion 26 for storing oxygen generated at the oxygen electrode 23 and water supplied from the water supply connection portion 34 are provided. Thus, oxygen (O 2 ) is discharged.

酸素極23におけるPEM膜24側の近傍では、水供給接続部34から供給されて水収容部26に蓄積されている水(HO)が電気分解し、水素イオン(H)および電子(e)と、酸素(O)とが生成する。この生成された水素イオンは、PEM膜24を通って水素極22へ移動し、生成された電子は、酸素極23に接続される電極接続端子35および電源部3を通って、水素極22へ移動する。すなわち、2HO→4H+O+4eの反応により、水(HO)が電気分解される。なお、生成された酸素は、例えば酸素排出接続部33から外部へと排出される。 In the vicinity of the oxygen electrode 23 on the PEM film 24 side, water (H 2 O) supplied from the water supply connection part 34 and accumulated in the water storage part 26 is electrolyzed, and hydrogen ions (H + ) and electrons ( e ) and oxygen (O 2 ) are generated. The generated hydrogen ions move to the hydrogen electrode 22 through the PEM film 24, and the generated electrons pass through the electrode connection terminal 35 connected to the oxygen electrode 23 and the power supply unit 3 to the hydrogen electrode 22. Moving. That is, water (H 2 O) is electrolyzed by a reaction of 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e . Note that the generated oxygen is discharged from the oxygen discharge connection portion 33 to the outside, for example.

PEM(Proton Exchange Membrane)膜24は、水素極22と酸素極23とに挟まれる構造で設けられる。PEM膜24は、水が電気分解されてできる水素イオン(H)を、酸素極23側から水素極22側へ透過させることができる電解膜である。 A PEM (Proton Exchange Membrane) film 24 is provided with a structure sandwiched between a hydrogen electrode 22 and an oxygen electrode 23. The PEM film 24 is an electrolytic film capable of transmitting hydrogen ions (H + ) generated by electrolyzing water from the oxygen electrode 23 side to the hydrogen electrode 22 side.

水素極22は、白金族元素を含有しない水素極触媒層を有する水電気分解用電極材料からなる陰極である。水素極22側では、例えば外部の水素供給先と接続される水素排出接続部31、および、水素を水素供給先へ排出する水素収容部25を介して、水素(H)が排出される。 The hydrogen electrode 22 is a cathode made of an electrode material for water electrolysis having a hydrogen electrode catalyst layer not containing a platinum group element. On the hydrogen electrode 22 side, hydrogen (H 2 ) is discharged through, for example, a hydrogen discharge connection portion 31 connected to an external hydrogen supply destination and a hydrogen storage portion 25 that discharges hydrogen to the hydrogen supply destination.

水素極22において、生成された水素イオン(H)と電子(e)とが、2H+2e→Hの反応によって、水素が生成される。この際に、酸素極23側で生成された水素イオンはPEM膜24の膜内を通り、また、酸素極23から移動する電子は、水素極22に接続される電極接続端子35および電源部3を通って、水素極22へと移動する。 In the hydrogen electrode 22, the generated hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) react with 2H + + 2e → H 2 to generate hydrogen. At this time, hydrogen ions generated on the oxygen electrode 23 side pass through the inside of the PEM film 24, and electrons moving from the oxygen electrode 23 are connected to the electrode connection terminal 35 and the power supply unit 3 connected to the hydrogen electrode 22. And move to the hydrogen electrode 22.

次に、図3に、図1の水素生成装置1に用いられる電極部2B(電極部2の他の実施形態)の構造の一例を示す。また、図4に、図3の電極部2Bに用いられる水素極ユニット22bの構造の一例を示す。   Next, FIG. 3 shows an example of the structure of the electrode part 2B (another embodiment of the electrode part 2) used in the hydrogen generator 1 of FIG. FIG. 4 shows an example of the structure of the hydrogen electrode unit 22b used in the electrode part 2B of FIG.

水素極ユニット22bは、図4に示すように、水電気分解用電極材料(水素極22)と密閉板222とから構成される。また、図3に示す酸素極ユニット23bについても、図4に示す水素極ユニット22bの構造と同様な構造であり、水電気分解用電極材料(酸素極23)と密閉板232から構成される。   As shown in FIG. 4, the hydrogen electrode unit 22 b includes a water electrolysis electrode material (hydrogen electrode 22) and a sealing plate 222. Also, the oxygen electrode unit 23b shown in FIG. 3 has the same structure as that of the hydrogen electrode unit 22b shown in FIG. 4 and is composed of a water electrolysis electrode material (oxygen electrode 23) and a sealing plate 232.

密閉板222は、図4に示すように、水素極22と平板の平面が互いに対向するように隣接して配置され、密閉板232は、酸素極23と平板の平面が互いに対向するように隣接して配置される。また、水素極22および酸素極23からガスが発生するため、密閉板222および232は、図3に示す密閉容器において水素極22および酸素極23を外側から挟むように固定する。密閉板222および232は、例えばステンレスの焼結体などの周知の金属材料からなる。   As shown in FIG. 4, the sealing plate 222 is disposed adjacent to each other so that the flat surfaces of the hydrogen electrode 22 and the flat plate face each other, and the sealing plate 232 is adjacent so that the flat surfaces of the oxygen electrode 23 and the flat plate face each other. Arranged. Further, since gas is generated from the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23, the sealing plates 222 and 232 are fixed so as to sandwich the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 from the outside in the sealed container shown in FIG. The sealing plates 222 and 232 are made of a known metal material such as a stainless sintered body.

密閉板222には、発生したガスまたは水を通過させるように、平板上に分散された複数の微細孔223が設けられている。微細孔223は、密閉板222の平板状の一端の面から他端の面へ貫通するように設けられている。水素極22で生成された水素ガスは、密閉板222の複数の微細孔223を通り、水素収容部25へ排出可能とされる。なお、密閉板232も同様な構成である。   The sealing plate 222 is provided with a plurality of fine holes 223 dispersed on the flat plate so that the generated gas or water can pass therethrough. The fine hole 223 is provided so as to penetrate from the surface of one end of the flat plate of the sealing plate 222 to the surface of the other end. The hydrogen gas generated at the hydrogen electrode 22 passes through the plurality of fine holes 223 of the sealing plate 222 and can be discharged to the hydrogen storage unit 25. The sealing plate 232 has the same configuration.

例えば、図1に示す水素生成装置1では、電極部2B(2)の密閉容器外で水素排出接続部31が気液分離器12に接続されている。これにより、水素極22により生成された水素を、密閉容器から気液分離器12へ送出することができる。   For example, in the hydrogen generator 1 shown in FIG. 1, the hydrogen discharge connection part 31 is connected to the gas-liquid separator 12 outside the sealed container of the electrode part 2B (2). Thereby, the hydrogen produced | generated by the hydrogen electrode 22 can be sent to the gas-liquid separator 12 from an airtight container.

以上のように、本実施形態の水素生成装置1によれば、水素ガスを微細な気泡として水・湯供給用の給湯配管ルートに供給することにより、給水・給湯パイプなどの給湯配管・浴槽の汚れ成分の凹凸部分まで、微細な気泡が入り込むことができるため、これらのパイプ内の殺菌・洗浄効果がある。   As described above, according to the hydrogen generator 1 of the present embodiment, by supplying hydrogen gas as fine bubbles to the hot water supply piping route for supplying water and hot water, Since fine bubbles can enter the uneven portions of the dirt component, there is a sterilizing / cleaning effect in these pipes.

また、均質な微細な気泡であるため、水・湯供給用の給湯配管ルートに供給した場合に、水流が乱流ではなく、層流として流路を流れるため、給湯口からもきめ細やかな水素ガスの気泡を含む水・湯が供給可能となる。これにより、美肌効果・洗浄効果などが期待できる。   In addition, since the bubbles are homogeneous and fine, when supplied to the hot water supply piping route for water and hot water supply, the water flow is not a turbulent flow, but a laminar flow through the flow path. Water and hot water containing gas bubbles can be supplied. Thereby, the skin beautifying effect and the cleaning effect can be expected.

<成形体の製造例>
次に、水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23)について説明する。図5に、水素極22及び酸素極23の構造の一例を示す。
<Example of production of molded article>
Next, the electrode material for water electrolysis (hydrogen electrode 22 and oxygen electrode 23) will be described. FIG. 5 shows an example of the structure of the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23.

従来から、水電気分解用電極材料の触媒作用について、遷移金属、貴金属に関連付けられた研究・開発が行われている。特に、本発明では、白金族元素以外の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の組み合わせで、高活性の触媒作用を有する水電気分解用電極材料を提供できるものである。   Conventionally, research and development related to transition metals and noble metals have been conducted on the catalytic action of electrode materials for water electrolysis. In particular, in the present invention, a water electrolysis electrode material having a highly active catalytic action can be provided by using different transition metals other than platinum group elements or a combination thereof with other metals.

水電気分解用電極材料は、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)を含有しない金属材料からなる。水電気分解用電極材料は、FeまたはNiを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeまたはNiと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属を少なくとも含有する成形体からなる。この成形体は、これら金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、電極部2に使用される水、水素ガス、酸素ガスが成形体を透過可能なように成形体に分散した空隙を有するように、当該各々の粉体が混合されて形成されたものである。   The electrode material for water electrolysis is made of a metal material that does not contain a platinum group element (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt). The electrode material for water electrolysis is a molded body mainly composed of Fe or Ni, and includes a molded body containing at least a plurality of different transition metals belonging to Fe or Ni and a 3d transition metal as a metal material. This molded body is made of a mixture containing powders of each of these metal materials, and voids dispersed in the molded body so that water, hydrogen gas, and oxygen gas used for the electrode part 2 can permeate the molded body. Each of the powders is formed by mixing so as to have.

好ましくは、複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含むものである。さらに、成形体には、当該含まれる遷移金属以外の金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含むものである。   Preferably, the plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to the 3d transition element. Further, the molded body contains any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which is higher in electrical conductivity than the transition metal contained, as a metal material other than the contained transition metal.

そこで、実施例として、白金族元素以外の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の組み合わせで、高活性の触媒作用を示す材料(水素極触媒層または酸素極触媒層として用いられる材料)の一例について示し、説明する。例えば、以降で説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した実施例を示す。なお、図5に示す水素極22及び酸素極23の外観は、試作した水電気分解用電極材料(試作した成形体)である。   Therefore, as an example, an example of a material (a material used as a hydrogen electrode catalyst layer or an oxygen electrode catalyst layer) that exhibits a highly active catalytic action with a different transition metal other than the platinum group element or a combination of these and other metals. Show and explain. For example, examples are shown in which several different molded bodies are manufactured under the manufacturing conditions described below. The appearance of the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 shown in FIG. 5 is a prototype water electrode material for water electrolysis (prototype molded body).

<水電気分解用電極材料>
本実施形態の水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23)の実施例では、例えば、以下の異なる複数の遷移金属を含有する成形体が用いられる。
<Electrode material for water electrolysis>
In the examples of the electrode material for water electrolysis (hydrogen electrode 22 and oxygen electrode 23) of the present embodiment, for example, a molded body containing a plurality of different transition metals as described below is used.

また、材料コスト的には、複数の異なる遷移金属として、FeおよびNi、FeおよびCu、または、NiおよびCuを含むものが好ましい。例えば、図5に示す実施例は、異なる遷移金属のなかで、3d遷移金属としてFeを多く含有し、他の3d遷移金属として、Feより質量比で少量のCuと、Feと同量程度または少量のNiとを含有する成形体である。すなわち、より好ましくは、材料コスト的な観点から、3d遷移金属のなかではFeを主成分とする成形体である。   In terms of material cost, it is preferable to include Fe and Ni, Fe and Cu, or Ni and Cu as a plurality of different transition metals. For example, the embodiment shown in FIG. 5 contains a large amount of Fe as a 3d transition metal among different transition metals, and a small amount of Cu in a mass ratio compared to Fe and about the same amount as Fe as other 3d transition metals. A molded body containing a small amount of Ni. That is, more preferably, from the viewpoint of material cost, it is a molded body mainly composed of Fe among 3d transition metals.

これらの遷移金属またはそれらと他の金属の粉体は、全体的に均一になるように混合される。そして、当該混合された粉体は、加圧および焼結されて、成形体として形成される。このように製造した成形体には、水素ガス、酸素ガス、および、水や溶液などが成形体の厚み方向を透過可能なように、成形体の表面に多数の孔を有し、かつ、成形体の内部に多くの空隙が設けられる構造(多気孔構造とも称す)となっている。   These transition metals or powders of these and other metals are mixed so as to be uniform throughout. Then, the mixed powder is pressed and sintered to form a molded body. The molded body produced in this way has a large number of holes on the surface of the molded body so that hydrogen gas, oxygen gas, water, solution, etc. can permeate the thickness direction of the molded body, and molding is performed. It has a structure in which many voids are provided inside the body (also referred to as a multiporous structure).

例えば、粉体をある形状の型に充填して圧力をかけると、圧力の上昇とともに粉体間の空隙は減少する。このように、圧力の大きさによって、成形体の空隙率を調整することができる。このため、所望の空隙率の範囲にあるように成形体を製造するには、加圧する圧力を制御する。   For example, when powder is filled in a mold having a certain shape and pressure is applied, the gap between the powders decreases as the pressure increases. Thus, the porosity of a molded object can be adjusted with the magnitude | size of a pressure. For this reason, in order to manufacture a molded object so that it may exist in the range of the desired porosity, the pressure to pressurize is controlled.

なお、加圧後における焼結時の焼結温度・時間などによっても、空隙率が少し変化するため、最終的に製造される成形体は、これらの条件も加味した調整・制御により、所望の空隙率の範囲にあるように製造される。   Note that the porosity changes slightly depending on the sintering temperature and time during sintering after pressurization, so that the molded product that is finally produced can be obtained by adjusting and controlling these conditions as well. Manufactured to be in the range of porosity.

この成形体に設けられる空隙は、複数の異なる遷移金属または他の金属の表面に囲われた空間である。また、表面上では、成形体の空隙に連なる複数の孔が形成されている。成形体が含有する複数の遷移金属として、3d遷移金属が好ましい。   The space provided in the molded body is a space surrounded by the surfaces of a plurality of different transition metals or other metals. In addition, on the surface, a plurality of holes that continue to the voids of the molded body are formed. As the plurality of transition metals contained in the molded body, 3d transition metals are preferable.

例えば、図5に示す実施例の成形体では、複数の異なる3d遷移金属は、例えばNiを主に多く、CuおよびFeなどを少量含有する。具体的には、図5に示す成形体では、これらの質量比Fe:Ni:Cu=1:48:4である粒子数に対応する割合の金属に囲われた空隙が設けられる。なお、例えばFe−48Ni−4Cuと表記する成形体では、Fe、Ni、Cuの組成比は、質量比で1:48:4であることを示すものとする。   For example, in the molded body of the example shown in FIG. 5, a plurality of different 3d transition metals contain, for example, mainly Ni and a small amount of Cu and Fe. Specifically, the molded body shown in FIG. 5 is provided with voids surrounded by metal in a proportion corresponding to the number of particles having a mass ratio of Fe: Ni: Cu = 1: 48: 4. For example, in a molded body expressed as Fe-48Ni-4Cu, the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 1: 48: 4 in terms of mass ratio.

また、例えば、複数の異なる3d遷移金属は、例えばFeを主成分とし、Niを同量または少量含有し、Cuなどを少量含有する。具体的には、図5に示す成形体では、これらの質量比Fe:Ni:Cu=48:48:4である粒子数に対応する割合の金属に囲われた空隙が設けられる。なお、例えば48Fe−48Ni−4Cuと表記する成形体では、Fe、Ni、Cuの組成比は、質量比で48:48:4であることを示すものとする。   Further, for example, a plurality of different 3d transition metals contain, for example, Fe as a main component, Ni in the same amount or a small amount, and Cu or the like in a small amount. Specifically, the molded body shown in FIG. 5 is provided with voids surrounded by metal in a proportion corresponding to the number of particles having a mass ratio of Fe: Ni: Cu = 48: 48: 4. For example, in a molded body represented as 48Fe-48Ni-4Cu, the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 48: 48: 4 in terms of mass ratio.

以上のような成形体に設けられた空隙の効果について説明する。例えば、図3に示す水素極ユニット22b及び酸素極ユニット23bに用いられる水電気分解用電極材料において、前述したような粉体に囲われた空隙を透過する水素イオンは、これらの空隙を通過する際に、(式1)および(式2)の右側の反応が促進するような触媒作用を有する。
(酸素極) HO→1/2・O+2H+2e ・・・(式1)
The effect of the space | gap provided in the above molded objects is demonstrated. For example, in the electrode material for water electrolysis used in the hydrogen electrode unit 22b and the oxygen electrode unit 23b shown in FIG. 3, hydrogen ions that permeate through the voids surrounded by the powder as described above pass through these voids. In this case, it has a catalytic action that promotes the reaction on the right side of (Formula 1) and (Formula 2).
(Oxygen electrode) H 2 O → 1/2 · O 2 + 2H + + 2e (Expression 1)

すなわち、水電気分解用電極材料(酸素極23)における空隙の表面、PEM膜24との境界付近の表面において、水を電気分解させる反応を促進させる触媒作用を働かせている。従来は、水電気分解用電極材料として、カーボンブラック担体上に白金触媒を担持したものが用いられていたが、その代わりに、本水電気分解用電極材料を用いることができる。   That is, a catalytic action that promotes a reaction for electrolyzing water is exerted on the surface of the void in the electrode material for water electrolysis (oxygen electrode 23) and the surface near the boundary with the PEM film 24. Conventionally, as the electrode material for water electrolysis, a material in which a platinum catalyst is supported on a carbon black carrier has been used. Instead, the electrode material for water electrolysis can be used.

そして、(式1)により生成した水素イオン(H)は、電解膜であるPEM膜24を透過し、水素極22に到達する。
(水素極) 2H+2e→H ・・・(式2)
The hydrogen ions (H + ) generated by (Equation 1) pass through the PEM film 24 that is an electrolytic film and reach the hydrogen electrode 22.
(Hydrogen electrode) 2H + + 2e → H 2 (Formula 2)

ここで、水電気分解用電極材料(水素極22)における空隙の表面において、水素イオン(H)と電子(e)とが結合して水素となる反応を促進させる触媒作用を働かせている。 Here, on the surface of the void in the electrode material for water electrolysis (hydrogen electrode 22), a catalytic action that promotes a reaction in which hydrogen ions (H + ) and electrons (e ) are combined to form hydrogen is exerted. .

すなわち、水素極ユニット22bの水素極22に到達した水素イオン(H)は、PEM膜24と水電気分解用電極材料とが接する境界近傍において、電源部3などに接続された電極接続端子35から供給される電子(e)との反応により、(式2)に示すように、水素が生成される。 That is, the hydrogen ion (H + ) that has reached the hydrogen electrode 22 of the hydrogen electrode unit 22b is connected to the power supply unit 3 or the like in the vicinity of the boundary where the PEM film 24 and the electrode material for water electrolysis are in contact with each other. As shown in (Formula 2), hydrogen is generated by the reaction with the electrons (e ) supplied from the base.

<成形体の製造例>
例えば、以下に説明するような製造条件によりいくつかの異なる成形体を製造した例を示す。前述した図5は、試作した成形体の外観を示すものである。また、図6は、試作した成形体(水電気分解用電極材料(水素極22及び酸素極23))の概要を示す一覧表である。
<Example of production of molded article>
For example, an example in which several different molded bodies are manufactured under the manufacturing conditions described below will be shown. FIG. 5 described above shows the appearance of the prototype. FIG. 6 is a list showing an outline of the prototypes (water electrolysis electrode materials (hydrogen electrode 22 and oxygen electrode 23)).

図5に示す成形体は、電極部2A及び2Bなどに用いるための水素極22及び酸素極23である。図5に示す水素極22及び酸素極23には、盤状の表面に多数の孔が空いている。この孔の多くは、成形体の内部の空隙の多くが連なるものである。また、成形体の内部の空隙は、電極部2A及び2Bなどに使用される水、水素、酸素、水素イオンがこの成形体を透過可能なように形成されている。例えば、図5に示す水素極22及び酸素極23に水滴を垂らして、表面が水滴で浸った状態で表面を手で擦ると、水滴が成形体の内部に吸収されていく。   The compact shown in FIG. 5 is a hydrogen electrode 22 and an oxygen electrode 23 for use in the electrode portions 2A and 2B. In the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 shown in FIG. 5, a large number of holes are formed in a disk-shaped surface. Many of the holes are formed by connecting many of the voids inside the molded body. The voids inside the molded body are formed so that water, hydrogen, oxygen, and hydrogen ions used for the electrode portions 2A and 2B and the like can pass through the molded body. For example, when a water droplet is dropped on the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 shown in FIG. 5 and the surface is rubbed by hand with the surface immersed in the water droplet, the water droplet is absorbed into the molded body.

本実施形態の例として、電極部2A及び2Bの水素極22及び酸素極23に用いるために、図6に示す試作No11、No12、No13、No14の成形体(水電気分解用電極材料)を試作した。試作No11〜No14の製造条件として、それぞれの材料、焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力、その他条件は、以下に示すとおりである。   As an example of this embodiment, for use as the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 of the electrode portions 2A and 2B, the prototypes No11, No12, No13, and No14 shown in FIG. 6 (electrode materials for water electrolysis) are prototyped. did. As production conditions for the prototypes No. 11 to No. 14, the respective materials, sintering temperature, sintering time, pressure during sintering, and other conditions are as shown below.

<成形体の材料>
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略48:48:4の組成比として含むものである。また、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。すなわち、その金属材料は、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の金属を、質量比で略1:48:4の組成比として含むものである。
<Material of molded body>
The metal materials of trial production No11 and No12 are 48Fe-48Ni-4Cu. That is, the metal material contains Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) metals in a mass ratio of about 48: 48: 4. Moreover, the metal material of trial manufacture No13 and No14 is Fe-48Ni-4Cu. That is, the metal material contains Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) metals in a mass ratio of approximately 1: 48: 4.

<粉体の形状>
好ましくは、成形体製造のために混合される粉体は、球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工されている。
さらに、好ましくは、成形体に含まれる金属のうちで、少なくとも最も融点の低い金属が球状であり、最も高い融点である他の金属が針状の粉体である。
<Powder shape>
Preferably, the powder to be mixed for manufacturing the molded body is spherical or acicular, or at least one type of metal material is processed into a spherical shape and another type of metal material is processed into an acicular shape.
Further, preferably, among the metals contained in the compact, at least the metal having the lowest melting point is spherical, and the other metal having the highest melting point is a needle-like powder.

針状の粉体を用いると、混合された粉体を加圧成形する際に、完成される成形体に透過性のよい空隙を形成し易い点にある。また、最も融点の低い金属が球状の粉体であると、他の金属に接合する際の表面積が大きくとれるためである。   When needle-shaped powder is used, when the mixed powder is pressure-molded, it is easy to form a void having good permeability in the finished molded body. Further, if the metal having the lowest melting point is a spherical powder, the surface area when joining to another metal can be increased.

各々の遷移金属や金属、または、当該遷移金属などを含む合金を粉砕機により、所定の平均粒子径以下になるように粉砕し、粉体とする。粉体の平均粒子径(例えば長手形状の長手部分の長さ又は球形の外径など)は、200(μm)以下とする。例えば、粉砕された粉体は、例えば処理工程においては、気孔径が200(μm)程度以下を通過させるメッシュに通されて、ふるいにかけるなどされる。平均粒子径が200(μm)を上回ると、製造される成形体の反りやクラックなどによって強度を保つことが困難となるためである。   Each transition metal or metal, or an alloy containing the transition metal or the like is pulverized by a pulverizer so as to be equal to or smaller than a predetermined average particle diameter to obtain powder. The average particle diameter of the powder (for example, the length of the longitudinal portion of the longitudinal shape or the outer diameter of the sphere) is 200 (μm) or less. For example, the pulverized powder is passed through a mesh that allows a pore diameter of about 200 (μm) or less to pass through, for example, in a processing step, and sieved. This is because if the average particle diameter exceeds 200 (μm), it becomes difficult to maintain the strength due to warpage or cracks of the molded article to be produced.

好ましくは、平均粒子径は10〜200(μm)である。粉体の多くの平均粒子径が10(μm)を下回ると、加圧時や焼結時において、空隙(気孔)が閉塞しやすくなり、製造された成形体における酸素・水素などの透過率が低下するためである。なお、粉砕機などの処理により、粉体のごく一部に平均粒子径が10(μm)を下回る場合もあるが、ごく少量含まれる場合には実用上問題ない。   Preferably, the average particle size is 10 to 200 (μm). If the average particle diameter of many powders is less than 10 (μm), voids (pores) are likely to close during pressing and sintering, and the manufactured molded product has a transmittance of oxygen, hydrogen, etc. It is because it falls. In some cases, the average particle diameter may be less than 10 (μm) in a small part of the powder by treatment with a pulverizer or the like, but there is no practical problem when a very small amount is contained.

<成形時の圧力>
各遷移金属または金属の粉体を混合機などで均一に分散するように混合し、混合した粉体を成形するための型に入れて、所定の圧力で加圧する。加圧時の圧力は、5〜8(t/cm)程度、換言すれば、およそ500〜800(Mpa)程度である。
<Pressing pressure>
Each transition metal or metal powder is mixed so as to be uniformly dispersed by a mixer or the like, and the mixed powder is put into a mold for molding and pressed at a predetermined pressure. The pressure at the time of pressurization is about 5 to 8 (t / cm 2 ), in other words, about 500 to 800 (Mpa).

目安として、加圧時の圧力が500(Mpa)を下回ると、空隙がやや大きすぎて(空隙率が高くなりすぎて)、製造された成形体にヒビや反りなどが入りやすくなり、成形体の強度が低下する。また、加圧時の圧力が800(Mpa)を上回ると、製造された成形体の空隙がやや小さくなりすぎる(空隙率が低くなりすぎる)ためである。   As a guideline, if the pressure during pressurization is less than 500 (Mpa), the voids are slightly too large (the porosity is too high), and cracks and warpage tend to enter the produced molded body. The strength of is reduced. Moreover, it is because the space | gap of the manufactured molded object will become a little too small (the porosity will become low too much) when the pressure at the time of pressurization exceeds 800 (Mpa).

一方、成形体に設けられる空隙(気孔ともいう)は、水素が透過する水素極22や、酸素が透過する酸素極23の透過率に影響を及ぼすため、前述の範囲にあり、かつ、なるべく空隙率が高い方が好ましい。   On the other hand, the voids (also referred to as pores) provided in the molded body are within the above-mentioned range because they affect the transmittance of the hydrogen electrode 22 through which hydrogen permeates and the oxygen electrode 23 through which oxygen permeates. A higher rate is preferred.

<焼結条件>
次に、混合された粉体を型枠に入れて加圧成形後に、成形体を焼結する。例えば、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で略1:48:4である金属を含む成形体(Fe−48Ni−4Cu)および、質量比で略48:48:4である金属を含む成形体(48Fe−48Ni−4Cu)を焼結する際の焼結条件は、以下のとおりである。
<Sintering conditions>
Next, after the mixed powder is put into a mold and subjected to pressure molding, the compact is sintered. For example, a compact (Fe-48Ni-4Cu) containing a metal whose composition ratio of Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) is approximately 1: 48: 4 by mass ratio, and approximately 48 by mass ratio. The sintering conditions for sintering the compact (48Fe-48Ni-4Cu) containing a metal of 48: 4 are as follows.

(1)焼結温度1100〜1400℃
目安として、焼結温度が1100℃を下回ると、成形体に含まれるCuの融点1084℃を、特に、成形体の内部側ではほぼ下回る。この場合には、高い電気伝導率のCuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。一方、焼結温度が1400℃を超えると、特に、成形体に多く含まれるNiの融点1455℃を超えた場合に、加圧成形された状態である程度の空隙が設けられているため、この温度加熱によってNiの融解が始まるため、形成された空隙が極端に変形し、また、気孔を塞ぐなどの問題が生じる。また、所望の空隙率を調整し難くなる。
(1) Sintering temperature 1100-1400 ° C
As a guideline, when the sintering temperature is below 1100 ° C., the melting point of Cu contained in the molded body is 1084 ° C., particularly on the inner side of the molded body. In this case, since Cu having high electrical conductivity does not melt, it is difficult to closely bond to other transition metal powders. On the other hand, when the sintering temperature exceeds 1400 ° C., especially when the melting point of Ni contained in the compact is higher than 1455 ° C., a certain amount of voids are provided in the pressure-molded state. Since melting of Ni starts by heating, the formed voids are extremely deformed, and problems such as blocking pores occur. Moreover, it becomes difficult to adjust a desired porosity.

(2)焼結時間4〜6時間程度
設定された焼結温度にて、十分な加熱時間を設けて、圧力常圧(大気圧)程度で、成形体を焼結する。なお、焼結時間4〜6時間は、経験的なものに基づくデータである。また、焼結時には、金属が酸化しないように、雰囲気中には不活性ガスを用いている。
(2) Sintering time About 4-6 hours At the set sintering temperature, a sufficient heating time is provided, and the compact is sintered at about normal pressure (atmospheric pressure). The sintering time of 4 to 6 hours is data based on experience. Further, an inert gas is used in the atmosphere so that the metal is not oxidized during sintering.

(3)焼結後は、自然冷却とする。また、冷却ファン、または、水冷冷却により冷却してもよいが、時間的に急速に冷却する必要はない。急速に冷却すると、成形体にヒビ、反りなどが生じやすくなるためである。   (3) After sintering, natural cooling is performed. Moreover, although it may cool by a cooling fan or water cooling, it is not necessary to cool rapidly in time. This is because, when rapidly cooled, the molded body is likely to be cracked, warped, or the like.

<製造方法>
以下、本実施形態の水電気分解用電極材料の製造方法の一例について説明する。
基本の工程として、白金族元素以外の複数の異なる遷移金属またはそれらと他の金属の粉体を全体的に均一になるように混合し、当該混合した粉体を加圧および焼結して、成形体(水電気分解用電極材料)を製造する工程を含む製造方法である。例えば、水電気分解用電極材料の製造方法は、以下のような工程を含んでいる。
<Manufacturing method>
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the electrode material for water electrolysis of this embodiment is demonstrated.
As a basic process, a plurality of different transition metals other than platinum group elements or powders of these and other metals are mixed so as to be uniform overall, and the mixed powder is pressed and sintered, It is a manufacturing method including the process of manufacturing a molded object (electrode material for water electrolysis). For example, the manufacturing method of the electrode material for water electrolysis includes the following steps.

(粉砕工程)
はじめに、第一の工程は、遷移金属またはそれらと他の金属ごとに、粉体として200μm以下に粉砕して加工する粉砕工程である。
好ましくは、粉砕工程には、粉体を球状または針状、もしくは、少なくとも一の種類の金属材料が球状および他の種類の金属材料が針状に加工する形状加工工程をさらに含む。
(Crushing process)
First, a 1st process is a grinding | pulverization process grind | pulverized to 200 micrometers or less as a powder for every transition metal or those and another metal.
Preferably, the pulverizing step further includes a shape processing step in which the powder is processed into a spherical shape or a needle shape, or at least one type of metal material is processed into a spherical shape and another type of metal material is processed into a needle shape.

(混合工程)
次に、第二の工程は、粉砕工程後に、異なる遷移金属を含む粉体を均一に分散するように混合する混合工程である。
(Mixing process)
Next, the second step is a mixing step in which powders containing different transition metals are mixed so as to be uniformly dispersed after the pulverization step.

(加圧工程)
次に、第三の工程は、混合工程後に、均一に分散された粉体を型枠に入れて、略500〜800Mpaの圧力で加圧して成形体を形成させる加圧工程である。
(焼結工程)
次に、第四の工程は、加圧工程後に、高温で成形体を焼結する焼結工程である。好ましくは、焼結工程の設定した焼結温度において、焼結時間4〜6時間程度である。
(Pressure process)
Next, the third step is a pressurization step in which the uniformly dispersed powder is put into a mold after the mixing step and is pressed at a pressure of about 500 to 800 MPa to form a molded body.
(Sintering process)
Next, a 4th process is a sintering process which sinters a molded object at high temperature after a pressurization process. Preferably, the sintering time is about 4 to 6 hours at the sintering temperature set in the sintering step.

好ましくは、焼結工程において、焼結温度は、金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属の融点よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点よりも低い範囲にある。   Preferably, in the sintering step, the sintering temperature is in a range higher than the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the metal materials and lower than the melting point of the metal other than the metal having the highest electrical conductivity. .

以上のような焼結温度とする理由は、焼結工程において加熱を始めると、表面拡散によって粉体同士が接合し、加熱温度が当該含まれる金属のうちの最も高い電気伝導率の金属の融点を超えることにより、成形体の粉体内部においても内部拡散が起こり、粉体が互いに接合する。これにより、焼結された成形体には、高い電気伝導率の金属が他の粉体に対して密に接合する。   The reason for the above sintering temperature is that when heating is started in the sintering process, the powders are joined by surface diffusion, and the heating temperature is the melting point of the metal having the highest electrical conductivity among the included metals. As a result, the internal diffusion also occurs inside the powder of the molded body, and the powders are bonded to each other. As a result, a metal having high electrical conductivity is closely bonded to other powders in the sintered compact.

例えば、48Fe−48Ni−4Cu、または、Fe−48Ni−4Cuからなる成形体の金属材料として、3d遷移元素に属するFe、Niを含み、さらに、金属材料として、当該含まれる3d遷移金属Fe、Niよりも高い電気伝導率であるCuを含む実施例の場合について説明する。なお、Cuは、3d遷移金属でもある。   For example, 48Fe-48Ni-4Cu or Fe-48Ni-4Cu molded body metal material includes Fe and Ni belonging to the 3d transition element, and further includes the 3d transition metal Fe, Ni contained as the metal material. A case of an example including Cu having a higher electric conductivity will be described. Cu is also a 3d transition metal.

例えば、大気圧1気圧では、Cuの融点は1084℃、Feの融点は1536℃、Niの融点は1455℃である(理科年表、平成27年第88冊を参照)。また、ここでいう高い電気伝導率とは、例えば電気抵抗率の値(0℃基準とする)で比較した場合、Fe:8.9(10−8Ωm)、Ni:6.2(10−8Ωm)などの3d遷移金属に比べて、Al:2.50(10−8Ωm)、Cu:1.55(10−8Ωm)、Mg:3.94(10−8Ωm)などの低い電気抵抗特性を有する金属である(理科年表、平成27年第88冊を参照)。 For example, at an atmospheric pressure of 1 atm, the melting point of Cu is 1084 ° C., the melting point of Fe is 1536 ° C., and the melting point of Ni is 1455 ° C. (see Science Chronology, Vol. 88, 2015). Further, where the term high electric conductivity and is, for example, when compared with the value of the electrical resistivity (and 0 ℃ reference), Fe: 8.9 (10 -8 Ωm), Ni: 6.2 (10 - Compared with 3d transition metals such as 8 Ωm), Al: 2.50 (10 −8 Ωm), Cu: 1.55 (10 −8 Ωm), Mg: 3.94 (10 −8 Ωm), etc. It is a metal having electrical resistance characteristics (see Science Chronology, Vol.88, 2015).

この場合には、Fe、NiおよびCuの粉体を含む成形体の焼結工程において(1気圧とした場合)、焼結温度は、金属材料のうちの最も電気伝導率の高い金属Cuの融点1084℃よりも高く、当該最も電気伝導率の高い金属以外の金属の融点(Niの融点1455℃)よりも低い範囲とする。すなわち、焼結温度は、例えば1100〜1400℃の範囲とする。   In this case, in the sintering process of the compact including the powders of Fe, Ni, and Cu (when the pressure is 1 atm), the sintering temperature is the melting point of the metal Cu having the highest electrical conductivity among the metal materials. The range is higher than 1084 ° C. and lower than the melting point of the metal other than the metal having the highest electrical conductivity (Ni melting point: 1455 ° C.). That is, the sintering temperature is in the range of 1100 to 1400 ° C., for example.

本実施形態の実施例として、図6に示すように、水素極22及び酸素極23に用いる試作No11、No12、No13、No14の成形体を前述したような製造方法により試作した。図6は、これらの試作した成形体の概要を示す一覧表である。特に、試作した成形体の外形・密度などの特性を示す。   As an example of this embodiment, as shown in FIG. 6, prototypes No. 11, No. 12, No. 13 and No. 14 used for the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 were prototyped by the manufacturing method as described above. FIG. 6 is a list showing an outline of these prototypes. In particular, it shows characteristics such as the external shape and density of the prototype.

図6では、水素極22及び酸素極23として用いる成形体の試作No(試作種類)ごとに、電極の材料、略円盤状の平均外形、平均厚さ、密度、相対密度、焼結温度を示す。なお、試作No11〜No14の製造条件として、それぞれの焼結温度、焼結時間、焼結時の圧力などの焼結条件、その他条件については、前述したとおりであり、ここでは、主に試作No11、No12、No13、No14の試作条件の相違点について説明する。   FIG. 6 shows the electrode material, the substantially disk-shaped average outer shape, the average thickness, the density, the relative density, and the sintering temperature for each prototype No. (prototype type) of the molded body used as the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23. . In addition, as manufacturing conditions of trial manufacture No11-No14, each sintering temperature, sintering time, sintering conditions, such as the pressure at the time of sintering, and other conditions are as having mentioned above, Here, it is mainly trial manufacture No11. , No12, No13, No14 will be described with respect to the differences in the trial production conditions.

<成形体の材料>
試作No11、No12の金属材料は、48Fe−48Ni−4Cuであり、試作No13、No14の金属材料は、Fe−48Ni−4Cuである。ここで、48Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で48:48:4であり、Fe−48Ni−4Cuの表記は、金属材料として含まれる、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)の組成比が質量比で1:48:4であることを示すものである。本材料は、各金属が入手容易であり、材料コスト的にも低コストである。
<Material of molded body>
The metal materials of prototype No11 and No12 are 48Fe-48Ni-4Cu, and the metal material of prototype No13 and No14 is Fe-48Ni-4Cu. Here, the notation of 48Fe-48Ni-4Cu indicates that the composition ratio of Fe (iron), Ni (nickel), Cu (copper) contained as a metal material is 48: 48: 4 by mass ratio, and Fe-48Ni The notation of -4Cu indicates that the composition ratio of Fe (iron), Ni (nickel), and Cu (copper) contained as a metal material is 1: 48: 4 in mass ratio. In this material, each metal is easily available, and the material cost is low.

<成形体の密度>
焼結後、図6に示すように、試作No11〜No14の各々について、成形体の平均外形、平均厚さを測定した。また、平均外形および平均厚さから成形体の体積を計算し、さらに試作Noごとの質量を測定して、測定した質量を計算した体積で割り算し、各々の密度を算出した。
<Density of molded body>
After the sintering, as shown in FIG. 6, the average outer shape and the average thickness of the molded body were measured for each of the prototype Nos. 11 to 14. Further, the volume of the molded body was calculated from the average outer shape and the average thickness, and the mass for each prototype No. was measured, and the measured mass was divided by the calculated volume to calculate each density.

<成形体の相対密度>
図6に示す成形体の相対密度は、以下のように算出したものである。
公知の技術では、粒子の最密充填の粒子径を組み合わせれば(粒子間の隙間にさらに小さい粒子を埋めていき粒子を配合調整)、理論的な空隙率を4%程度までに充填できることが知られている。そこで、このような最密充填(粒子を96%充填)とされる金属プレートを100%相対密度として、成形体の相対密度を算出する。
<Relative density of molded body>
The relative density of the molded body shown in FIG. 6 is calculated as follows.
In the known technology, if the particle diameter of the close-packed particles is combined (the smaller particles are filled in the gaps between the particles and the particles are mixed and adjusted), the theoretical porosity can be filled to about 4%. Are known. Therefore, the relative density of the molded body is calculated by setting such a metal plate that is closest packed (filled with 96% of particles) to 100% relative density.

例えば、基準とするFe−48Ni−4Cu、および、48Fe−48Ni−4Cuの相対密度100%における密度を、以下のデータ等(理科年表、平成27年第88冊を参照)を用いて、算出した。
Feの密度:7.874(g/cm)、20℃
Niの密度:8.902(g/cm)、25℃
Cuの密度:8.96(g/cm)、20℃
ここで、Fe、Ni、Cuの組成比が質量比で1:48:4であると、例えばこれらの比率で金属の質量及び体積を単純加算した場合、53(g)当たりの体積は5.9654(cm)となるため、53(g)/5.9654(cm)=8.885(g/cm)である。
For example, the density at a relative density of 100% of Fe-48Ni-4Cu and 48Fe-48Ni-4Cu used as a reference is calculated using the following data (see Science Chronology, Vol. 88, 2015) did.
Fe density: 7.874 (g / cm 3 ), 20 ° C.
Ni density: 8.902 (g / cm 3 ), 25 ° C.
Cu density: 8.96 (g / cm 3 ), 20 ° C.
Here, when the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 1: 48: 4 by mass ratio, for example, when the mass and volume of the metal are simply added at these ratios, the volume per 53 (g) is 5. Since 9654 (cm 3 ), 53 (g) /5.9654 (cm 3 ) = 8.885 (g / cm 3 ).

また、Fe、Ni、Cuの組成比が質量比で48:48:4であると、例えばこれらの比率で金属の質量及び体積を単純加算した場合、100(g)当たりの体積は11.934(cm)となるため、100(g)/11.934(cm)=8.379(g/cm)である。 When the composition ratio of Fe, Ni, and Cu is 48: 48: 4 by mass ratio, for example, when the mass and volume of the metal are simply added at these ratios, the volume per 100 (g) is 11.934. Since it is (cm 3 ), 100 (g) /11.934 (cm 3 ) = 8.379 (g / cm 3 ).

したがって、Fe、Ni、Cuの粉体を粒子として最密充填とされる金属プレートである場合、
・48Fe−48Ni−4Cuの密度ρ1では、
ρ1=8.379(g/cm)×0.96=8.04(g/cm
・Fe−48Ni−4Cuの密度ρ2では、
ρ2=8.885(g/cm)×0.96=8.53(g/cm
として算出する。以上の密度ρ1=8.04(g/cm)、ρ2=8.53(g/cm)を相対密度100%とする比較基準として用い、図6の相対密度を算出した。
Therefore, when it is a metal plate that is closest packed with Fe, Ni, Cu powder as particles,
For the density ρ1 of 48Fe-48Ni-4Cu,
ρ1 = 8.379 (g / cm 3 ) × 0.96 = 8.04 (g / cm 3 )
・ In density ρ2 of Fe-48Ni-4Cu,
ρ2 = 8.885 (g / cm 3 ) × 0.96 = 8.53 (g / cm 3 )
Calculate as The relative density shown in FIG. 6 was calculated using the above density ρ1 = 8.04 (g / cm 3 ) and ρ2 = 8.53 (g / cm 3 ) as a comparison standard with a relative density of 100%.

以上により、図6に示すように、試作No11〜No14の各々の相対密度は、相対密度100%とする密度ρ1=8.04又はρ2=8.53(g/cm)を基準として、略69%、79%、75%、82%と算出された。 From the above, as shown in FIG. 6, the relative density of each of the prototypes No. 11 to No. 14 is substantially based on the density ρ1 = 8.04 or ρ2 = 8.53 (g / cm 3 ), where the relative density is 100%. It was calculated as 69%, 79%, 75%, and 82%.

<成形体の空隙率を算出>
前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度とし、さらに、このときの相対的な空隙率を0%とする基準として用い、成形体の空隙率を(式3)のように定義する。
空隙率=100−相対密度(%) ・・・(式3)
<Calculate the porosity of the molded body>
The metal plate used as the closest packing described above is defined as 100% relative density, and the relative porosity at this time is defined as 0%, and the porosity of the molded body is defined as (Equation 3). To do.
Porosity = 100−relative density (%) (Formula 3)

図6に示す相対密度の結果に基づき、試作No11〜No14についての(式3)による空隙率を算出すると、
(試作No11)相対密度69%、空隙率31%
(試作No12)相対密度79%、空隙率21%
(試作No13)相対密度75%、空隙率25%
(試作No14)相対密度82%、空隙率18%
以上のような結果となる。なお、この他にも、空隙率の算出に関して、水または油(接触角の小さな液体)を成形体への含浸量を測定して算出する等の方法であってもよい。
Based on the result of the relative density shown in FIG. 6, when calculating the porosity according to (Equation 3) for the prototype No. 11 to No. 14,
(Prototype No11) relative density 69%, porosity 31%
(Prototype No. 12) Relative density 79%, porosity 21%
(Prototype No. 13) Relative density 75%, porosity 25%
(Prototype No. 14) relative density 82%, porosity 18%
The result is as described above. In addition to this, regarding the calculation of the porosity, there may be a method of calculating by measuring the amount of water or oil (liquid with a small contact angle) impregnated into the molded body.

<試作条件における焼結温度の相違点>
・焼結温度 温度Hi=1100〜1300℃(中心温度1200℃程度)
温度Lo=1000〜1200℃(中心温度1100℃程度)
<Differences in sintering temperature under prototype conditions>
・ Sintering temperature Temperature Hi = 1100 to 1300 ° C. (center temperature around 1200 ° C.)
Temperature Lo = 1000 to 1200 ° C. (center temperature about 1100 ° C.)

材料48Fe−48Ni−4Cuにおいて、試作No11の焼結温度は、上記温度Hiであり、Cuの融点1084℃よりも十分高い中心温度1200℃の範囲にある。一方、試作No12の焼結温度は、上記温度Loであり、Cuの融点1084℃に近い中心温度1100℃程度にある。また、材料Fe−48Ni−4Cuにおいて、試作No13、No14の焼結温度は、上記温度Loである。   In the material 48Fe-48Ni-4Cu, the sintering temperature of the trial production No11 is the above temperature Hi, and is in the range of the center temperature 1200 ° C. sufficiently higher than the melting point 1084 ° C. of Cu. On the other hand, the sintering temperature of the trial No. 12 is the temperature Lo, which is about 1100 ° C. at the center temperature close to the melting point of Cu of 1084 ° C. In addition, in the material Fe-48Ni-4Cu, the sintering temperatures of the prototypes No. 13 and No. 14 are the temperature Lo.

したがって、Cuの融点1084℃よりも十分高い1200℃の範囲では、Cu固体の粉体から液体の状態に遷移する。すなわち、試作No11の焼結温度である焼結工程において、Cuは他の遷移金属より融点が低く、かつ、焼結温度1100〜1300℃であれば、高導電率(高い電気伝導率)のCuが溶けて、高融点(一方の金属より高い融点)のNiおよびFeの粉体に密に結合した状態となる。   Therefore, in the range of 1200 ° C., which is sufficiently higher than the melting point of 1084 ° C., the Cu solid powder transitions to the liquid state. That is, in the sintering process, which is the sintering temperature of the prototype No11, Cu has a lower melting point than other transition metals and has a high conductivity (high electrical conductivity) if the sintering temperature is 1100 to 1300 ° C. Melts and is in a state of being closely bonded to Ni and Fe powder having a high melting point (melting point higher than that of one metal).

他方、試作No12、13、14の焼結温度は、中心温度が1100℃であるため、特に成形体の内部側の多くの部分は、Cuの融点1084℃よりも低い焼結温度の1000〜1084℃の範囲にあると考えられ、焼結工程において、加圧成形時のCu固体の粉体のままであるため、NiおよびFeの粉体に十分密に結合したような状態となっていないと考えられる。   On the other hand, since the center temperature of the prototype Nos. 12, 13, and 14 is 1100 ° C., in particular, many portions on the inner side of the molded body have 1000 to 1084 sintering temperatures lower than the melting point of Cu of 1084 ° C. It is considered to be in the range of ° C., and in the sintering process, since it remains a Cu solid powder at the time of pressure forming, it is not in a state where it is sufficiently bonded to Ni and Fe powder. Conceivable.

図6を参照すると、試作No11における焼結温度は、温度Loより高い温度Hiで焼結された成形体である。前述したように、高い温度Hi(焼結温度1100〜1300℃:中心温度1200℃程度)であれば、高い電気伝導率のCuの粉体が溶けて、高融点(一方の遷移金属より高い融点)のNiおよびFeの粉体に密に結合したような状態となる。   Referring to FIG. 6, the sintering temperature in trial production No11 is a molded body sintered at a temperature Hi higher than the temperature Lo. As described above, at a high temperature Hi (sintering temperature 1100 to 1300 ° C .: center temperature around 1200 ° C.), Cu powder having a high electric conductivity melts and has a high melting point (a melting point higher than that of one transition metal). ) And Ni and Fe powders.

一方、温度Lo(焼結温度1000〜1200℃:中心温度1100℃程度)では、特に、成形体の内部側において、焼結温度がCuの融点1084℃を下回る。この場合には、Cuが融解しないため、他の遷移金属の粉体に密に接合し難い。水の電気分解実験によれば、試作No11〜No14のいずれにおいても、水素ガス発生を確認することはできたものの、試作No11と試作No12〜No14とを比較した場合、試作No11の水電気分解用電極材料の方が、水の電気分解の効率がよい結果と推測したが、本実験では、水素ガス発生量の大きな相違は観測できなかった。   On the other hand, at temperature Lo (sintering temperature 1000 to 1200 ° C .: center temperature about 1100 ° C.), the sintering temperature is lower than the melting point 1084 ° C. of Cu, particularly on the inner side of the molded body. In this case, since Cu does not melt, it is difficult to closely bond to other transition metal powders. According to the water electrolysis experiment, hydrogen gas generation could be confirmed in any of the prototype No. 11 to No. 14, but when the prototype No. 11 and the prototype No. 12 to No. 14 were compared, The electrode material was presumed to have a better electrolysis efficiency of water, but in this experiment, a large difference in the amount of hydrogen gas generated could not be observed.

なお、図6におけるサンプル数は多いものではないが、成形体の空隙率と水電気分解用電極材料における水の電気分解の効率については、ある程度の空隙率の範囲(20〜40%)にあるほうが、水電気分解における水素生成の効率がよくなる傾向が考えられる。   Although the number of samples in FIG. 6 is not large, the porosity of the molded body and the efficiency of water electrolysis in the electrode material for water electrolysis are within a certain range of porosity (20 to 40%). However, the hydrogen generation efficiency in water electrolysis tends to be improved.

好ましくは、成形体の空隙率は、成形体の容積に対し(または前述した最密充填とされる金属プレートを100%相対密度に対し)、20〜40%の範囲である。この理由としては、空隙率が20%を下回ると、水素ガス、酸素ガスなどの生成物の透過率が低くなり、また、空隙の表面積の割合も低くなるためである。一方、空隙率が40%を上回ると、成形体の構造的な面において、成形体の強度が弱くなり、十分な強度を保ち難くなるためである。   Preferably, the porosity of the molded body is in the range of 20 to 40% with respect to the volume of the molded body (or with respect to 100% relative density of the metal plate that is the closest packed). This is because when the porosity is less than 20%, the transmittance of products such as hydrogen gas and oxygen gas is decreased, and the surface area ratio of the void is also decreased. On the other hand, if the porosity exceeds 40%, the strength of the molded body becomes weak in the structural aspect of the molded body, and it is difficult to maintain sufficient strength.

図6に示す試作材料について、白金族元素以外の遷移金属を含有する水電気分解用電極材料(陽極触媒)として、電子を放出して水素イオンとなる反応を促進させる触媒作用を確認できた。また、白金族元素以外の遷移金属を含有する水電気分解用電極材料(陰極触媒)として、水素ガスを生成させる触媒作用を確認することができた。   With respect to the prototype material shown in FIG. 6, as an electrode material for water electrolysis (anode catalyst) containing a transition metal other than a platinum group element, a catalytic action that promotes a reaction to release electrons and become hydrogen ions was confirmed. Moreover, the catalytic action which produces | generates hydrogen gas was able to be confirmed as an electrode material for water electrolysis (cathode catalyst) containing transition metals other than a platinum group element.

また、上記実施例の他にも、成形体における金属材料として、成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含むものがよい。
他例1)Ni,Fe,Cr,Mg: Mgを1〜3質量%を含む
他例2)Ni,Fe,Cr,Zn: Znを2〜3質量%を含む
他例3)Ni,Fe,Cr,Al: Alを5〜6質量%を含む
3d遷移金属と、以上のような金属の組み合せなども、水電気分解用電極材料として有望であることがわかった。
In addition to the above examples, as the metal material in the molded body, when the mass of the molded body is 100 mass%, Mg is 1 to 3 mass%, Zn is 2 to 3 mass%, or Al is 5 to 5 mass%. It is preferable to include at least 6% by mass, including Ni, Fe, and Cr, with a total of mass% obtained by subtracting mass% of the contained metal from 100% by mass.
Other Examples 1) Ni, Fe, Cr, Mg: Other Examples including 1 to 3% by mass of Mg 2) Ni, Fe, Cr, Zn: Other Examples including 2 to 3% by mass of Zn 3) Ni, Fe, Cr, Al: It has been found that a combination of a 3d transition metal containing 5 to 6 mass% of Al and the above metal is also promising as an electrode material for water electrolysis.

また、粉体に用いる金属材料として、単体の金属だけでなく、2種以上の金属の合金、例えばNiとFeの合金を粉砕して、粉体として用いてもよい。また、所定の粒子径以下の粉末を用いてもよい。   Further, as the metal material used for the powder, not only a single metal but also an alloy of two or more metals, for example, an alloy of Ni and Fe, may be used as a powder. Moreover, you may use the powder below a predetermined particle diameter.

水電気分解用電極材には、白金族元素を使用しない材料を用いるため、水素生成装置の製造コストを低減することができる。また、希少資源でない金属を用いることができるため、資源問題の課題を解決することができる。   Since a material that does not use a platinum group element is used for the electrode material for water electrolysis, the manufacturing cost of the hydrogen generator can be reduced. In addition, since a metal that is not a scarce resource can be used, the problem of resource problems can be solved.

以上説明したように、白金族元素を使用せずに、触媒作用を有する水電気分解用電極材料に関する技術を示すものである。また、本実施形態の一例のように、白金族元素を使用せずに、触媒作用を有する水電気分解用電極材料、その製造方法および水素生成装置を提供することができる。   As described above, the present invention relates to a water electrolysis electrode material having a catalytic action without using a platinum group element. In addition, as an example of the present embodiment, a water electrolysis electrode material having a catalytic action, a method for producing the same, and a hydrogen generator can be provided without using a platinum group element.

[第3の実施形態]
第3の実施形態の水素生成装置1として、電極部2のさらに他の構成例を示す。ここで、図7には、図1の水素生成装置1に用いられる電極部2のさらに他の構造の一例(電極部2C)を示す。
[Third Embodiment]
Still another configuration example of the electrode unit 2 is shown as the hydrogen generator 1 of the third embodiment. Here, FIG. 7 shows an example of another structure (electrode part 2C) of the electrode part 2 used in the hydrogen generator 1 of FIG.

図7に示す電極部2Cは、水素極ユニット22c及び酸素極ユニット23cを用いる場合の構成である。図7に示す電極部2Cは、図3に示す電極部2Bと比較して、水電気分解用電極材料について、さらに、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230として酸化チタン電極を用い、また、紫外線で照射する紫外線照射手段28を設けた点が相違するものである。   The electrode part 2C shown in FIG. 7 is a structure in the case of using the hydrogen electrode unit 22c and the oxygen electrode unit 23c. The electrode portion 2C shown in FIG. 7 is oxidized as a second hydrogen electrode catalyst layer 220 and a second oxygen electrode catalyst layer 230 with respect to the electrode material for water electrolysis as compared with the electrode portion 2B shown in FIG. The difference is that a titanium electrode is used and an ultraviolet irradiation means 28 for irradiation with ultraviolet rays is provided.

電極部2Cは、図7に示すように、水素極ユニット22c、酸素極ユニット23cおよびPEM膜24を容器中に含む密閉容器である。この密閉容器には、水素収容部25、水収容部26、水素排出接続部31、酸素排出接続部33、水排出部32および水供給接続部34が設けられている。すなわち、容器中の内外から水の供給、および、水・水素ガス・酸素ガスを排出可能な構造とされる。   As shown in FIG. 7, the electrode portion 2C is a sealed container including a hydrogen electrode unit 22c, an oxygen electrode unit 23c, and a PEM film 24 in the container. The sealed container is provided with a hydrogen storage unit 25, a water storage unit 26, a hydrogen discharge connection unit 31, an oxygen discharge connection unit 33, a water discharge unit 32, and a water supply connection unit 34. That is, the structure is such that water can be supplied and water, hydrogen gas, and oxygen gas can be discharged from inside and outside the container.

電極部2Cは、生成された水素を取り出し可能な密閉容器で形成され、当該密閉容器のなかで水素極ユニット22cと酸素極ユニット23cとがPEM膜24の両側を挟むように設けられている。なお、図7の例では、水素極22と酸素極23とが、直接、PEM膜24を両側から挟むように設けられた構成である。   The electrode portion 2C is formed of a sealed container capable of taking out the generated hydrogen, and the hydrogen electrode unit 22c and the oxygen electrode unit 23c are provided so as to sandwich both sides of the PEM film 24 in the sealed container. In the example of FIG. 7, the hydrogen electrode 22 and the oxygen electrode 23 are provided so as to directly sandwich the PEM film 24 from both sides.

さらに、水素極ユニット22cは、水素極22および第2の水素極触媒層220から構成されている。第2の水素極触媒層220は、水素収容部25の空間側から水素極22の平面板側を覆うように密接して重ねられている。   Further, the hydrogen electrode unit 22 c includes a hydrogen electrode 22 and a second hydrogen electrode catalyst layer 220. The second hydrogen electrode catalyst layer 220 is closely stacked so as to cover the flat plate side of the hydrogen electrode 22 from the space side of the hydrogen storage portion 25.

また、酸素極ユニット23cは、酸素極23および第2の酸素極触媒層230から構成されている。第2の酸素極触媒層230は、水収容部26の空間側から酸素極23の平面板側を覆うように密接して重ねられている。   The oxygen electrode unit 23 c includes the oxygen electrode 23 and the second oxygen electrode catalyst layer 230. The second oxygen electrode catalyst layer 230 is closely stacked so as to cover the plane plate side of the oxygen electrode 23 from the space side of the water storage portion 26.

紫外線照射手段28は、電極部2Cの密閉容器内において、水素収容部25の空間に、第2の水素極触媒層220の平板面を照射可能なように配置される。同様に、紫外線照射手段28は、水収容部26の空間に、第2の酸素極触媒層230の平板面を照射可能なように配置される。紫外線照射手段28は、電源部3に備えられる照射用電源30に接続されており、この照射用電源30から照射用の電力が供給される。   The ultraviolet irradiation means 28 is disposed in the sealed container of the electrode part 2C so that the flat surface of the second hydrogen electrode catalyst layer 220 can be irradiated into the space of the hydrogen storage part 25. Similarly, the ultraviolet irradiation means 28 is arranged so that the flat surface of the second oxygen electrode catalyst layer 230 can be irradiated into the space of the water storage unit 26. The ultraviolet irradiation means 28 is connected to an irradiation power source 30 provided in the power supply unit 3, and irradiation power is supplied from the irradiation power source 30.

紫外線照射手段28は、例えば紫外線を発光する発光源、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230の電極の近傍に設けられた紫外線導光路、発光源から出射された紫外線を紫外線導光路に導く導光線等で構成される。発光源としては、UV−LED(紫外線LED)を好適に使用することができる。紫外線導光路としては、例えば紫外線が透過可能な樹脂製やガラス製の棒状体やチューブ等も使用することができる。   The ultraviolet irradiation means 28 includes, for example, a light emitting source that emits ultraviolet light, an ultraviolet light guide provided in the vicinity of the electrodes of the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230, and ultraviolet light emitted from the light source. Is composed of a light guide wire or the like for guiding the light to the ultraviolet light guide. As the light source, UV-LED (ultraviolet LED) can be preferably used. As the ultraviolet light guide path, for example, a resin-made or glass-made rod-like body or tube capable of transmitting ultraviolet rays can be used.

第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230に用いる酸化チタン電極は、例えば、Ti(チタン)、TiO(酸化チタン)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Pt(白金)、Co(コバルト)、Rh(ロジウム)の粉末を用いて粉末冶金により形成することもできるし、ステンレス棒で形成した電極芯材の周りに、TiとTiOとを粉末冶金により形成することもできる。粉末冶金で行った焼結後の各金属の質量比は、TiOの比率が全体の3〜5質量%であることが好ましい。これにより、後述する各種TiOに基づく効果が十分発揮される。また、Pt、Rh等の白金族元素やCoを含むことにより、水の分解を促進させることができるのでより好ましい。 The titanium oxide electrode used for the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230 is, for example, Ti (titanium), TiO 2 (titanium oxide), Ni (nickel), Fe (iron), Cr ( Chromium), Pt (platinum), Co (cobalt), and Rh (rhodium) powders can be used for powder metallurgy, and Ti and TiO 2 are placed around an electrode core formed of a stainless steel rod. It can also be formed by powder metallurgy. As for the mass ratio of each metal after sintering performed by powder metallurgy, the ratio of TiO 2 is preferably 3 to 5 mass% of the whole. Thus, the effect based on various TiO 2 to be described later is sufficiently exhibited. In addition, it is more preferable to include platinum group elements such as Pt and Rh, and Co since decomposition of water can be promoted.

また、TiとTiOの比率を粉末冶金により形成された部分で見た場合、Ti濃度が5〜7質量%、TiO濃度が3〜5質量%となるように含有させることが好ましい。このように酸化チタン電極である第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230の表面をポーラスな焼結金属層で形成することにより、電極表面積を大きくでき、電気分解する水との接触面積を増大できる。また、電極表面に存在する酸化チタン量を多くできる。これにより、水の電気分解効率及び水の光分解効率を向上できる。 Further, when viewed in Ti and portions the ratio of TiO 2 was formed by powder metallurgy, Ti concentration 5-7% by weight, it is preferably contained as TiO 2 concentration of 3 to 5 wt%. Thus, by forming the surfaces of the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230, which are titanium oxide electrodes, with a porous sintered metal layer, the surface area of the electrode can be increased, and the water to be electrolyzed. The contact area with can be increased. In addition, the amount of titanium oxide present on the electrode surface can be increased. Thereby, the electrolysis efficiency of water and the photolysis efficiency of water can be improved.

また、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230を照射する紫外線照射手段28を設けた電極部2Cの態様では、第2の水素極触媒層220にSrTiO(チタン酸ストロンチウム)を含ませ、第2の酸素極触媒層230にWO(酸化タングステン)が含ませることが好ましい。 Moreover, in the aspect of the electrode part 2C provided with the ultraviolet irradiation means 28 for irradiating the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230, the second hydrogen electrode catalyst layer 220 has SrTiO 3 (titanic acid). Strontium) is preferably included, and WO 3 (tungsten oxide) is preferably included in the second oxygen electrode catalyst layer 230.

水素を発生させる第2の水素極触媒層220にチタン酸ストロンチウムを含ませて、例えば紫外線照射手段28によって400〜800nmの紫外線を照射することにより、第2の水素極触媒層220からの水素発生を促進させることができる。また、酸素を発生させる第2の酸素極触媒層230に酸化タングステンを含ませて、紫外線照射手段28によって紫外線を照射する。これにより、第2の酸素極触媒層230からの酸素発生を促進させることができる。   Hydrogen generation from the second hydrogen electrode catalyst layer 220 is performed by including strontium titanate in the second hydrogen electrode catalyst layer 220 for generating hydrogen and irradiating ultraviolet rays of 400 to 800 nm by the ultraviolet irradiation means 28, for example. Can be promoted. Further, tungsten oxide is included in the second oxygen electrode catalyst layer 230 that generates oxygen, and ultraviolet rays are irradiated by the ultraviolet irradiation means 28. Thereby, oxygen generation from the second oxygen electrode catalyst layer 230 can be promoted.

この場合も、酸化チタン電極の表面をポーラスな焼結金属層で形成することにより、電極表面積を大きくでき、電極表面に存在するチタン酸ストロンチウム量や酸化タングステン量を多くできる。なお、電極部2Cで生成する水の酸素量が少ない方が好ましい場合には、第2の酸素極触媒層230に酸化タングステンを含ませる必要はない。   Also in this case, by forming the surface of the titanium oxide electrode with a porous sintered metal layer, the surface area of the electrode can be increased, and the amount of strontium titanate and tungsten oxide present on the electrode surface can be increased. In addition, when it is preferable that the amount of oxygen generated in the electrode portion 2C is small, it is not necessary to include tungsten oxide in the second oxygen electrode catalyst layer 230.

次に、第3の実施形態の水素生成装置1における電極部2Cを用いた場合について、水から水素を生成する過程を説明する。
水素生成装置1(図1に相当)の電源スイッチ(図示せず)を押して電源をONにすると、水素極ユニット22c及び酸素極ユニット23cに電源部3から電圧が印加されるとともに、図7に示す紫外線照射手段28に対して照射用電源30から照射用電力が供給される。これにより、紫外線照射手段28は、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230に紫外線を照射する。
Next, a process of generating hydrogen from water will be described for the case where the electrode unit 2C is used in the hydrogen generator 1 of the third embodiment.
When a power switch (not shown) of the hydrogen generator 1 (corresponding to FIG. 1) is pressed to turn on the power, a voltage is applied from the power supply unit 3 to the hydrogen electrode unit 22c and the oxygen electrode unit 23c, and FIG. Irradiation power is supplied from the irradiation power supply 30 to the ultraviolet irradiation means 28 shown. Thereby, the ultraviolet irradiation means 28 irradiates the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230 with ultraviolet rays.

これにより、図7に示す電極部2Cにおいて、水の電気分解により、陽極の酸素極ユニット23cからは酸素が発生し、陰極の水素極ユニット22cからは水素が発生する。さらに、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230に紫外線を照射することにより、水の光分解により酸素と水素が発生する(本多-藤嶋効果)とともにマイナスイオンが発生する。   7, oxygen is generated from the anode oxygen electrode unit 23c and hydrogen is generated from the cathode hydrogen electrode unit 22c by electrolysis of water. Further, by irradiating the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230 with ultraviolet rays, oxygen and hydrogen are generated by photolysis of water (Honda-Fujishima effect) and negative ions are generated. To do.

以上のように、本実施形態の水素生成装置1において、酸化チタン電極に紫外線を照射することにより、水の電気分解に加えて水の光分解により酸素と水素を発生させることができる。また、酸化チタン電極に紫外線を照射することにより、電極表面の親水性が大きくなるので、発生した水素や酸素が電極から離れ易くなる。   As described above, in the hydrogen generator 1 of this embodiment, by irradiating the titanium oxide electrode with ultraviolet rays, oxygen and hydrogen can be generated by photolysis of water in addition to electrolysis of water. Moreover, since the hydrophilicity of the electrode surface is increased by irradiating the titanium oxide electrode with ultraviolet rays, the generated hydrogen and oxygen are easily separated from the electrode.

また、酸化チタン電極に紫外線を照射すると電極表面の親水性の増加と、有機物の分解効果により電極の自浄作用が生じるので、電極の汚れを防止することができる。   In addition, when the titanium oxide electrode is irradiated with ultraviolet rays, the electrode is self-cleaning due to the increase in hydrophilicity of the electrode surface and the decomposition effect of the organic matter, so that the contamination of the electrode can be prevented.

これらの特徴により、本実施形態の水素生成装置1では、電気分解のみの場合に比べて水素発生効率を高くすることができる。したがって、高い発生効率で水素を発生させることができるので、装置のコンパクト化を図ることができる。   With these features, the hydrogen generation apparatus 1 of the present embodiment can increase the hydrogen generation efficiency as compared with the case of only electrolysis. Therefore, since hydrogen can be generated with high generation efficiency, the apparatus can be made compact.

なお、電極部2Cにおいて、第2の水素極触媒層220及び第2の酸素極触媒層230に用いる酸化チタン電極は、Ti(チタン)、TiO(酸化チタン)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Pt(白金)、Co(コバルト)、Rh(ロジウム)の粉末を用いて粉末冶金により形成し、焼結後のTiOの比率が全体の3〜5質量%であることが好ましい。これにより、更に高い発生効率で水素を発生させることができる。 In the electrode portion 2C, the titanium oxide electrodes used for the second hydrogen electrode catalyst layer 220 and the second oxygen electrode catalyst layer 230 are Ti (titanium), TiO 2 (titanium oxide), Ni (nickel), Fe ( It is formed by powder metallurgy using powders of iron, Cr (chromium), Pt (platinum), Co (cobalt), and Rh (rhodium), and the ratio of TiO 2 after sintering is 3 to 5% by mass of the whole. Preferably there is. Thereby, hydrogen can be generated with higher generation efficiency.

以上のように、本実施形態の水素生成装置1によれば、第2の実施形態の効果に加えて、水素ガスの親水性がよくなる。親水性がよいと、水素ガスが湯によく拡散しやすい。例えば、風呂の排水口に泡が密集しなくなる、水素ガスがより拡散しやすい等の効果である。   As described above, according to the hydrogen generator 1 of this embodiment, the hydrophilicity of hydrogen gas is improved in addition to the effects of the second embodiment. If the hydrophilicity is good, hydrogen gas is likely to diffuse well into hot water. For example, there are effects such that bubbles do not concentrate at the drain of the bath and hydrogen gas is more easily diffused.

これにより、親水性の高い水素ガスを水・湯供給用の給湯配管ルートに供給することにより、給水・給湯パイプなどの給湯配管・浴槽の表面にある沈殿物・その他付着物に対して、殺菌・洗浄効果に優れる。また、親水性のよい水素ガスを含む水・湯を使用することにより、美肌効果などが期待できる。   As a result, by supplying highly hydrophilic hydrogen gas to the hot water supply piping route for water and hot water supply, sterilization of hot water supply piping such as water supply and hot water supply pipes, precipitates and other deposits on the surface of the bathtub・ Excellent cleaning effect. In addition, a skin-beautifying effect can be expected by using water or hot water containing hydrogen gas having good hydrophilicity.

[第4の実施形態]     [Fourth Embodiment]

図8は、給湯システムの実施例である。図8に示す給湯システムは、前述したいずれかの実施形態の水素生成装置1と給湯装置7とを有する給湯設備10を主に備えている。また、給湯設備10は、給湯配管などの配管設備を介して、浴槽設備8に給水・給湯可能なように接続されている。   FIG. 8 shows an embodiment of a hot water supply system. The hot water supply system shown in FIG. 8 mainly includes a hot water supply facility 10 having the hydrogen generator 1 and the hot water supply device 7 of any of the embodiments described above. Moreover, the hot water supply facility 10 is connected to the bathtub facility 8 through a piping facility such as a hot water supply piping so that water and hot water can be supplied.

なお、本実施形態の給湯システムでは、給湯システムを適用する設備例として浴槽設備8の一例について説明するが、給湯設備10において、給湯配管設備を介して、流し台・台所設備等に給水・給湯可能なように接続されてもよい。以下、図8を参照しながら給湯システムの構成について説明する。   In the hot water supply system of the present embodiment, an example of the bathtub equipment 8 will be described as an example of equipment to which the hot water supply system is applied. However, in the hot water supply equipment 10, water can be supplied to a sink, kitchen equipment, etc. via a hot water supply pipe equipment. It may be connected like this. Hereinafter, the configuration of the hot water supply system will be described with reference to FIG.

水素排出用開閉弁15は、水素排出用配管の配管経路上に設けられ、水素生成装置1から排出される水素ガスの供給または停止を行うための開閉可能な弁である。   The hydrogen discharge on / off valve 15 is a valve that is provided on the piping path of the hydrogen discharge pipe and that can be opened and closed for supplying or stopping the hydrogen gas discharged from the hydrogen generator 1.

また、水素排出用開閉弁15において、水素ガスの供給を停止するために、弁を閉じた場合、浴槽設備8には給湯装置7から通常の給湯供給が行われる。   When the valve is closed to stop the supply of hydrogen gas in the hydrogen discharge on / off valve 15, normal hot water supply is supplied from the hot water supply device 7 to the bathtub equipment 8.

排出ポンプ16は、水素生成装置1から排出された水素ガスを、給湯配管設備に設けられる混合部72へ送出するためのポンプである。排出ポンプ16は、水素排出用配管を介して、水素生成装置1に接続されている。排出ポンプ16により、水素生成装置1により生成された水素を吸引して、水素生成装置1から効率的に水素を排出することができる。排出ポンプ16は、水素排出用配管を介して、吸引した水素を混合部72へ送出する。   The discharge pump 16 is a pump for sending the hydrogen gas discharged from the hydrogen generator 1 to the mixing unit 72 provided in the hot water supply piping facility. The discharge pump 16 is connected to the hydrogen generator 1 through a hydrogen discharge pipe. The hydrogen generated by the hydrogen generator 1 can be sucked by the discharge pump 16, and the hydrogen can be efficiently discharged from the hydrogen generator 1. The discharge pump 16 sends out the sucked hydrogen to the mixing unit 72 via the hydrogen discharge pipe.

給湯ポンプ71は、給湯配管を介して、給湯装置7から排出された給湯(給水も含む)を浴槽設備8へ送出するためのポンプである。   The hot water supply pump 71 is a pump for sending hot water (including water supply) discharged from the hot water supply device 7 to the bathtub facility 8 through the hot water supply pipe.

循環ポンプ81は、浴槽の湯を温める場合に、浴槽設備8に備えられた浴槽の湯を給湯装置7へ送出するためのポンプである。   The circulation pump 81 is a pump for sending the hot water of the bathtub provided in the bathtub facility 8 to the hot water supply device 7 when warming the hot water of the bathtub.

混合部72は、給湯ポンプ71から接続される給湯配管を介して供給される給湯(または給水)と、排出ポンプ16から接続される水素排出用配管を介して供給される水素とを混合する。混合部72は、給湯配管を介して、水素ガスが混合された給湯を浴槽設備8へ排出する。   The mixing unit 72 mixes hot water (or water supply) supplied via a hot water supply pipe connected from the hot water supply pump 71 and hydrogen supplied via a hydrogen discharge pipe connected from the discharge pump 16. The mixing unit 72 discharges the hot water mixed with hydrogen gas to the bathtub facility 8 through the hot water supply pipe.

好ましくは、混合部72は、例えばマイクロバブル(微細な泡)を発生する構造を有してもよい。混合部72は、例えばマイクロバブルパネルを有する。マイクロバブルパネルには、マイクロオーダの泡を発生させるための板状に対して分散された複数の微細孔が設けられている。微細孔は、マイクロバブルパネルの板状の一端の面から他端の面へ貫通するように設けられている。マイクロバブルパネルは、例えばステンレスの焼結体などの周知の金属材料である。   Preferably, the mixing unit 72 may have a structure that generates, for example, microbubbles (fine bubbles). The mixing part 72 has a micro bubble panel, for example. The microbubble panel is provided with a plurality of fine holes dispersed with respect to a plate shape for generating micro-order bubbles. The fine hole is provided so as to penetrate from the plate-like surface of one end of the microbubble panel to the surface of the other end. The micro bubble panel is a known metal material such as a sintered body of stainless steel, for example.

混合部72に流入される水素ガスは、マイクロバブルパネルの複数の微細孔を通り、混合部72から排出可能とされる。好ましくは、マイクロバブルパネルにおける微細孔は、10〜50μm孔径に形成される。浴槽に水素を供給する用途としては、10μmを下回る孔径の場合には微細すぎる泡になりやすく、50μmを超える孔径の場合にはマイクロオーダの水素ガスの泡としてはやや後述するような効果が弱まりやすいためである。   The hydrogen gas flowing into the mixing unit 72 can be discharged from the mixing unit 72 through a plurality of fine holes of the microbubble panel. Preferably, the micropores in the microbubble panel are formed to have a pore diameter of 10 to 50 μm. In the case of supplying hydrogen to the bathtub, bubbles having a pore size of less than 10 μm tend to be too fine, and in the case of a pore size exceeding 50 μm, the effects as described later are slightly reduced as bubbles of micro-order hydrogen gas. This is because it is easy.

また、マイクロバブルパネルは、混合部72の内部において、水素ガス流入口から排出される水素ガスが1または複数のマイクロバブルパネルの面に対して、勢いよく吹きつけるように配置される。マイクロバブルパネルの形状は、例えば平板状でもよく、また半球形状等であってもよい。これにより、例えば、排出ポンプ16からの吐圧により水素ガスが勢いよく排出され、マイクロバブルパネルの上記形状面に吹きつけられて、混合部72の内部において孔径10〜50μmに応じたマイクロバブル状の水素ガスを含む水を生成することができる。   In addition, the microbubble panel is arranged inside the mixing unit 72 so that the hydrogen gas discharged from the hydrogen gas inflow port blows vigorously against the surface of the one or more microbubble panels. The shape of the microbubble panel may be, for example, a flat plate shape or a hemispherical shape. Thereby, for example, hydrogen gas is vigorously discharged by the discharge pressure from the discharge pump 16, and blown onto the shape surface of the microbubble panel to form a microbubble corresponding to a pore diameter of 10 to 50 μm inside the mixing portion 72. Water containing hydrogen gas can be produced.

以上のように、本実施形態の給湯システムによれば、水素ガスを微細な気泡として水・湯供給用の給湯配管ルートに供給することにより、給水・給湯パイプなどの給湯配管・浴槽の汚れ成分の凹凸部分まで、微細な気泡が入り込むことができるため、これらのパイプ内の殺菌・洗浄効果がある。   As described above, according to the hot water supply system of the present embodiment, by supplying hydrogen gas as fine bubbles to the hot water supply piping route for water and hot water supply, hot water supply pipes such as water supply and hot water supply pipes and dirt components in the bathtub Since fine bubbles can enter even the uneven portions of these, there is a sterilization / cleaning effect in these pipes.

また、均質な微細な気泡であるため、水・湯供給用の給湯配管ルートに供給した場合に、水流が乱流ではなく、層流として流路を流れるため、給湯口からもきめ細やかな水素ガスの気泡を含む水・湯が供給可能となる。これにより、美肌効果・洗浄効果などが期待できる。   In addition, since the bubbles are homogeneous and fine, when supplied to the hot water supply piping route for water and hot water supply, the water flow is not a turbulent flow, but a laminar flow through the flow path. Water and hot water containing gas bubbles can be supplied. Thereby, the skin beautifying effect and the cleaning effect can be expected.

なお、言うまでもなく、前述した第3の実施形態の水素生成装置1による親水性のよい水素ガスという効果を組み合わせれば、更なる相乗効果が期待できる。   Needless to say, a further synergistic effect can be expected by combining the effect of hydrogen gas with good hydrophilicity by the hydrogen generator 1 of the third embodiment described above.

以上により、浴槽設備8に備えられた浴槽には、水素ガスを含む湯が送出される。これにより、例えばこの浴槽を利用する利用者の健康増進や美容などの効果などが期待される。   As described above, hot water containing hydrogen gas is delivered to the bathtub provided in the bathtub facility 8. Thereby, for example, effects such as health promotion and beauty of a user who uses this bathtub are expected.

また、浴槽内の垢や汚れに対して洗浄効果や、雑菌の繁殖を抑える効果を奏する。また、浴槽設備8までの配管内の汚れに対して洗浄効果や、給湯配管内の雑菌の繁殖なども抑えることができる。   In addition, it has a cleaning effect against dirt and dirt in the bathtub and an effect of suppressing the propagation of various germs. Further, it is possible to suppress the cleaning effect against the dirt in the pipes up to the bathtub facility 8 and the propagation of germs in the hot water supply pipes.

また、例えば、給湯設備10は、屋内の給湯コントロールパネル(図示しない)から容易に制御可能とされる。これにより、給湯コントロールパネルから水素ガスを含む水・湯などを制御可能であり、家庭内でも手軽に水素を含む水や湯などを手軽に利用することができる。   Further, for example, the hot water supply facility 10 can be easily controlled from an indoor hot water supply control panel (not shown). Thereby, water and hot water containing hydrogen gas can be controlled from the hot water supply control panel, and water and hot water containing hydrogen can be easily used even at home.

また、例えば、実施形態の給湯システムにおける水素生成装置1は、給湯装置が設置されているスペースに余裕のある盤内には併設可能であり、または、家屋の敷地内のスペースに設置した場合にも省スペース化が可能である。   In addition, for example, the hydrogen generator 1 in the hot water supply system according to the embodiment can be installed in a board with sufficient space in the space where the hot water supply device is installed, or when installed in a space in the premises of a house. Can also save space.

以上のように、本実施形態の給湯システムでは、水素生成装置1の低コスト化・省スペース化を実現できるため、家庭での利用普及に大いに期待できるものである。   As described above, in the hot water supply system of the present embodiment, the cost reduction and space saving of the hydrogen generator 1 can be realized, so that it can be expected to be widely used at home.

[他の実施形態]
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、例えば、この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、白金を用いる電極触媒を使用する際に、その白金使用量を少量とするために、本発明に係る水電気分解用電極材料を用いるなどである。この実施形態やその変形には、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. Further, for example, this embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. For example, when an electrode catalyst using platinum is used, the electrode material for water electrolysis according to the present invention is used in order to reduce the amount of platinum used. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

1…水素生成装置、 2、2A、2B、2C…電極部、
3…電源部 4…制御部
5…表示部 7…給湯装置
8…浴槽設備 10…給湯設備
11…蒸留水タンク 12…気液分離器
13…乾燥フィルタ 15…水素排出用開閉弁
16…排出ポンプ 22…水素極
22b、22c…水素極ユニット 23…酸素極
23b、23c…酸素極ユニット 24…PEM膜
25…水素収容部 26…水収容部
28…紫外線照射手段 30…照射用電源
31…水素排出接続部 32…水排出部
33…酸素排出接続部 34…水供給接続部
35…電極接続端子 71…給湯ポンプ
72…混合部 81…循環ポンプ
111…液面センサ 112…電極電流検知センサ
113…水素圧力センサ 114…水素量計
220…第2の水素極触媒層 222、232…密閉板
223、233…微細孔 230…第2の酸素極触媒層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen generator, 2, 2A, 2B, 2C ... Electrode part,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Power supply part 4 ... Control part 5 ... Display part 7 ... Hot-water supply apparatus 8 ... Bathtub equipment 10 ... Hot-water supply equipment 11 ... Distilled water tank 12 ... Gas-liquid separator 13 ... Drying filter 15 ... Hydrogen discharge on-off valve 16 ... Discharge pump DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ... Hydrogen electrode 22b, 22c ... Hydrogen electrode unit 23 ... Oxygen electrode 23b, 23c ... Oxygen electrode unit 24 ... PEM film | membrane 25 ... Hydrogen storage part 26 ... Water storage part 28 ... Ultraviolet irradiation means 30 ... Irradiation power supply 31 ... Hydrogen discharge | emission Connection part 32 ... Water discharge part 33 ... Oxygen discharge connection part 34 ... Water supply connection part 35 ... Electrode connection terminal 71 ... Hot water supply pump 72 ... Mixing part 81 ... Circulation pump 111 ... Liquid level sensor 112 ... Electrode current detection sensor 113 ... Hydrogen Pressure sensor 114 ... Hydrogen meter 220 ... Second hydrogen electrode catalyst layer 222, 232 ... Sealing plates 223, 233 ... Fine holes 230 ... Second oxygen electrode catalyst layer

Claims (8)

水を電気分解して水素を供給可能な水素生成装置であって、
水素を排出可能な密閉容器で形成され、当該密閉容器のなかで水素極と酸素極とが電解質膜の両側を挟むように設けられた、水を電気分解する電極部と、
前記電極部における前記水素極と前記酸素極との間に直流電圧を印加する電源部とを備え、
前記水素極における水素極触媒層または前記酸素極における酸素極触媒層として用いられる水電気分解用電極材料において、
Ru、Rh、Pd、Os、IrおよびPtの白金族元素を含有しない水電気分解用電極材料であって、
前記水電気分解用電極材料は、FeまたはNiを主成分とする成形体であって、金属材料としてFeまたはNiと3d遷移金属に属する複数の異なる遷移金属とを少なくとも含有する成形体からなり、
前記成形体は、前記金属材料の各々の粉体を含む混合物からなり、かつ、前記水および前記水が電気分解されて発生する水素ガスまたは酸素ガスが前記成形体を透過可能なように前記成形体に分散した空隙を有する
ことを特徴とする水素生成装置。
A hydrogen generator capable of supplying hydrogen by electrolyzing water,
An electrode part for electrolyzing water, which is formed of a sealed container capable of discharging hydrogen, and provided with a hydrogen electrode and an oxygen electrode sandwiching both sides of the electrolyte membrane in the sealed container;
A power supply unit that applies a DC voltage between the hydrogen electrode and the oxygen electrode in the electrode unit;
In the electrode material for water electrolysis used as a hydrogen electrode catalyst layer in the hydrogen electrode or an oxygen electrode catalyst layer in the oxygen electrode,
An electrode material for water electrolysis that does not contain platinum group elements of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt,
The electrode material for water electrolysis is a molded body mainly composed of Fe or Ni, and includes a molded body containing at least Fe or Ni and a plurality of different transition metals belonging to a 3d transition metal as a metal material,
The molded body is made of a mixture containing each powder of the metal material, and the molded body is formed such that the water and hydrogen gas or oxygen gas generated by electrolyzing the water can permeate the molded body. A hydrogen generator characterized by having voids dispersed in the body.
前記複数の異なる遷移金属は、3d遷移元素に属するFe、Ni、Mn、CrまたはTiのいずれかを少なくとも含み、
さらに、前記成形体には、当該含まれる遷移金属以外の前記金属材料として、当該含まれる遷移金属よりも高い電気伝導率であるCu、Zn、AlまたはMgのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の水素生成装置。
The plurality of different transition metals include at least one of Fe, Ni, Mn, Cr, or Ti belonging to the 3d transition element,
Furthermore, the molded body includes any one of Cu, Zn, Al, or Mg, which is higher in electrical conductivity than the transition metal included, as the metal material other than the transition metal included. The hydrogen generator according to claim 1.
前記複数の異なる遷移金属は、NiおよびFe、NiおよびCu、または、FeおよびCuを少なくとも含む
ことを特徴とする請求項2に記載の水素生成装置。
The hydrogen generation apparatus according to claim 2, wherein the plurality of different transition metals include at least Ni and Fe, Ni and Cu, or Fe and Cu.
前記成形体における前記金属材料の組成比は、前記成形体の質量を100質量%とした場合に、Mgを1〜3質量%またはZnを2〜3質量%またはAlを5〜6質量%を少なくとも含み、100質量%から当該含まれる金属の質量%を差し引いた質量%を総計とするNi、FeおよびCrを含む
ことを特徴とする請求項3に記載の水素生成装置。
The composition ratio of the metal material in the molded body is 1 to 3 mass% for Mg, 2 to 3 mass% for Zn, or 5 to 6 mass% for Al when the mass of the molded body is 100 mass%. The hydrogen generating apparatus according to claim 3, comprising at least Ni, Fe, and Cr, the total of which is 100% by mass and subtracts mass% of the metal contained from 100% by mass.
前記成形体の空隙率は、前記成形体の容積に対し、20%ないし40%の範囲である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の水素生成装置。
The hydrogen generating device according to any one of claims 1 to 4, wherein a porosity of the molded body is in a range of 20% to 40% with respect to a volume of the molded body.
前記水電気分解電極材料において、前記水素極触媒層または前記酸素極触媒層には、さらに、酸化チタン材料を含む
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の水素生成装置。
6. The hydrogen according to claim 1, wherein in the water electrolysis electrode material, the hydrogen electrode catalyst layer or the oxygen electrode catalyst layer further contains a titanium oxide material. Generator.
前記電極部は、前記水素極または前記酸素極に紫外線を照射する紫外線照射手段をさらに有する
ことを特徴とする請求項6に記載の水素生成装置。
The hydrogen generation apparatus according to claim 6, wherein the electrode unit further includes ultraviolet irradiation means for irradiating the hydrogen electrode or the oxygen electrode with ultraviolet rays.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の前記水素生成装置と、
水または湯を給湯配管に供給可能な給湯装置と、
前記水素生成装置から水素ガスを排出するための排出ポンプとを備え、
前記排出ポンプにより、前記給湯装置から供給される水または湯に前記水素生成装置から排出される水素ガスを混合して前記給湯配管に戻す
ことを特徴とする給湯システム。
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 7,
A hot water supply device capable of supplying water or hot water to the hot water supply pipe;
A discharge pump for discharging hydrogen gas from the hydrogen generator,
A hot water supply system, wherein the discharge pump mixes hydrogen gas discharged from the hydrogen generator with water or hot water supplied from the hot water supply device, and returns the mixed water to the hot water supply pipe.
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