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JPH1121687A - 固体高分子型水電解セル - Google Patents

固体高分子型水電解セル

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JPH1121687A
JPH1121687A JP9196570A JP19657097A JPH1121687A JP H1121687 A JPH1121687 A JP H1121687A JP 9196570 A JP9196570 A JP 9196570A JP 19657097 A JP19657097 A JP 19657097A JP H1121687 A JPH1121687 A JP H1121687A
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JP
Japan
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catalyst
platinum
exchange membrane
anode
ion
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JP9196570A
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JPH1121687A5 (ja
Inventor
Shuji Hitomi
人見  周二
Shinzo Okuda
晋三 奥田
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Japan Storage Battery Co Ltd
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イリジウム系触媒、または、ルテニウム系触
媒を用いたイオン交換膜−触媒電極接合体は、イオン交
換膜との密着性、または、下地層である白金との密着性
が悪く、電解により発生する酸素ガスのガッシングによ
り、比較的早く触媒が脱落し、水電解時のセル電圧が上
昇する。そのため、長期間同じ水電解セルを使用してい
ると、水素の製造コストが経時的に上昇する問題を有し
ている。 【解決手段】 白金(Pt)よりなる下地層、中間層、
白金(Pt)よりなる被覆層の三層で構成される電極を
陽極または、陽極および陰極としたイオン交換膜−触媒
電極接合体を有する固体高分子型水電解セル。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型水電
解セルに係わり、さらには、その電極構造に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質であるイオン交換膜を
電解質として用いた固体高分子型水電解セルは、たとえ
ば、イオン交換膜の両面の一方に白金族金属からなる陽
極を、他方に同じく白金族金属からなる陰極を一体に接
合してなるイオン交換膜−触媒電極接合体を基本ユニッ
トとし、陽極室に水を送りながら、両極間に電圧を印可
すると、下記の反応により陽極より酸素、陰極より水素
が得られる。
【0003】 陽極:H2 O→1/2O2 +2H+ +2e- 陰極:2H+ +2e- →H2 総反応:H2 O→1/2O2 +H2 ここで、電解の際のセルのセル圧(Vt )は、理論分解
電圧(E0 )陽極、陰極過電圧(ηa 、ηc )、とオ−
ム損(IR)の総和よりなる。
【0004】Vt =E0 +ηa +ηc +IR セル電圧の中で、陽極過電圧(ηa )の占める割合がも
っとも大きく、そのため、水電解により得られる水素の
製造コストを減らすため、過電圧の低いイリジウム系触
媒、または、ルテニウム系触媒がイオン交換膜−触媒電
極接合体の陽極として用いられている。また、イオン交
換膜にパ−フロロスルフォン酸膜を用いる場合には、膜
が強酸性を有するため、耐酸性の高い白金(Pt)を下
地層に用い、その上に過電圧の低いイリジウム系触媒、
または、ルテニウム系触媒層を形成したイオン交換膜−
触媒電極接合体が用いられる。
【0005】これら触媒をイオン交換膜に一体に接合す
る方法として、無電解めっき法(特公昭56−3687
3、特公昭58−47471、特公昭59−4207
8、特公平2−20709)や、ホットプレス法(特開
昭52−78788、´97第64回電気化学会要旨
集,P91)等がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前述の特許等が示すイ
リジウム系触媒、または、ルテニウム系触媒を用いたイ
オン交換膜−触媒電極接合体は、イリジウム系触媒、ま
たは/および、ルテニウム系触媒を直接イオン交換膜に
接合するか、下地層として白金(Pt)を接合した後、
イリジウム系触媒、または、ルテニウム系触媒を直接イ
オン交換膜に接合したものである。つまり、イリジウム
系触媒、または/および、ルテニウム系触媒が電極の表
層を形成している。
【0007】しかし、イリジウム系触媒、または、ルテ
ニウム系触媒は、イオン交換膜との密着性、または、下
地層である白金との密着性が悪く、電解により発生する
酸素ガスのガッシングにより、比較的早く触媒が脱落
し、水電解時のセル電圧が上昇する。そのため、長期間
同じ水電解セルを使用していると、水素の製造コストが
経時的に上昇する問題を有している。
【0008】
【課題を解決するための手段】イオン交換膜に白金(P
t)よりなる下地層、中間層、白金(Pt)よりなる被
覆層の三層で構成される電極を陽極または、陽極および
陰極としたイオン交換膜−触媒電極接合体を有する固体
高分子型水電解セルまたは、イオン交換膜に下地層、白
金(Pt)よりなる被覆層の二層で順次構成される電極
を陽極または、陽極および陰極としたイオン交換膜−触
媒電極接合体を有する固体高分子型水電解セルとし、前
者は中間層に、後者は下地層にイリジウム系触媒、また
は/および、ルテニウム系触媒層を形成することで、上
述の問題を解決せんとするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明固体高分子型水電解セルで
は、上述のごとくイリジウム系触媒、または/および、
ルテニウム系触媒層を白金(Pt)よりなる下地層と、
同じく白金(Pt)よりなる被覆層で、または、イオン
交換膜と白金(Pt)よりなる被覆層で挟み込むこと
で、下地層の白金(Pt)または、イオン交換膜との密
着性の悪いイリジウム系触媒、または/および、ルテニ
ウム系触媒層を物理的に白金が保持するため、水電解に
伴うイリジウム系触媒、または/および、ルテニウム系
触媒層の脱落を防止することができる。
【0010】
【実施例】本発明を、好適な実施例を用いて説明する。
【0011】(実施例1)下記の手順により、イオン交
換膜上に白金(Pt)−イリジウム(Ir)−白金(P
t)の三層で構成される電極を陽極および陰極としたイ
オン交換膜−触媒電極接合体を作成した。図1はイオン
交換膜−触媒電極作製ホルダー断面図であり、1はイオ
ン交換膜、2はアクリル樹脂製ホルダー、3はパッキン
である。
【0012】1.イオン交換膜の前処理:パーフルオロ
スルフォン酸型のイオン交換膜(デュポン社製、Nafion
-117)の両面をサンドブラストにて表面粗化し、4Nの
塩酸で煮沸後、精製水で洗浄した。
【0013】2.ホルダーへの装着:膜を図1に示すア
クリル樹脂製のホルダーに挟み、後述のめっき溶液が接
する面積をφ80mm(50cm2 )に規定した。
【0014】3.下地層の作成:膜の両面にそれぞれテ
トラアンミン白金(〓)塩溶液[Pt(NH3 4 2+
を投入し、二時間放置後、0.05%のNaBH4 溶液
にて,膜表面に白金(Pt)を1mg/cm2 析出さ
せ,下地層とした。
【0015】4.中間層の作成:膜の両面にそれぞれヘ
キサクロロイリジウム酸カリ、塩酸ヒドラジン溶液から
なるめっき液を投入し、pHが約2.5に保たれるよう
に塩酸ヒドラジンを加えながら、下地層の上に2mg/
cm2 のイリジウム(Ir)を析出させた。
【0016】5.被覆層の作成:膜の両面にそれぞれヘ
キサクロロ白金酸、塩酸ヒドラジン、アンモニア水溶液
よりなるめっき液を投入し、pHが約4に保たれるよう
にアンモニア水を加えながら、中間層の上に白金(P
t)を1mg/cm2 析出させた。
【0017】(実施例2)下記の手順により、イオン交
換膜上にイリジウム(Ir)−白金(Pt)の二層で構
成される電極を陽極および陰極としたイオン交換膜−触
媒電極接合体を作成した。
【0018】1.イオン交換膜の前処理:パーフルオロ
スルフォン酸型のイオン交換膜(デュポン社製、Nafion
-117)の両面をサンドブラストにて表面粗化し、4Nの
塩酸で煮沸後、精製水で洗浄した。
【0019】2.ホルダーへの装着:膜を図1に示すア
クリル樹脂製のホルダーに挟み、後述のめっき溶液が接
する面積を50cm2 に規定した。
【0020】3.下地層の作成:膜の両面に塩化イリジ
ウムアンモニウム(NH4 )IrCl6 水溶液を投入
し、2時間放置後、0.05%のNaBH4 溶液にて、
膜表面にイリジウム(Ir)を1mg/cm2 析出さ
せ、下地層とした。
【0021】4.被覆層の作成:膜の両面にそれぞれヘ
キサクロロ白金酸、塩酸ヒドラジン、アンモニア水溶液
よりなるめっき液を投入し、pHが約4に保たれるよう
にアンモニア水を加えながら、中間層の上に白金(P
t)を1mg/cm2 析出させた。
【0022】(実施例3)下記の手順により、酸化イリ
ジウム・酸化ルテニウム・白金(IrO2 ・RuO2
Pt)混合触媒層−白金(Pt)層の二層で構成される
電極を陽極および陰極としたイオン交換膜−触媒電極接
合体を作製した。
【0023】1.下地層の作製:酸化イリジウム:酸化
ルテニウム:白金(IrO2 :RuO2 :Pt)を7:
2:1の割合で含む粉体触媒とイオン交換膜と同じ組成
からなる溶液(アルドリッチ社製、Nafion溶液)とテト
ラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンの混
合液を、4弗化エチレン・6弗化プロピレン共重合体
(FEP)フィルム上に製膜(φ80mm)・乾燥させ
た後、パーフルオロスルフォン酸型のイオン交換膜(デ
ュポン社製、Nafion-117)の両面に130℃にてホット
プレス法で転写・接合した。
【0024】2.被覆層の作製:膜を図1に示すアクリ
ル樹脂製のホルダーに挟み、後述のめっき溶液が接する
面積を50cm2 (φ80mm)に規定した。さらに、
膜の両面にそれぞれヘキサクロロ白金酸、塩酸ヒドラジ
ン、アンモニア水溶液よりなるめっき液を投入し、pH
が約4に保たれるようにアンモニア水を加えながら、下
地層の上に白金(Pt)を1mg/cm2 析出させた。
【0025】上記の実施例1〜3で得られた各種電極を
接合したイオン交換膜−触媒電極接合体を水電解セルに
組み、実際に電解を行い、セル電圧の経時変化を測定し
た結果を図2に示す。また比較のために、実施例1〜3
において、白金(Pt)よりなる被覆層を設けないイオ
ン交換膜−触媒電極接合体を用いた従来の水電解セルに
おいても、同様の試験を行ったので、あわせて示す。 図2において、A〜Cは、実施例1〜3でそれぞれ得ら
れたイオン交換膜−触媒電極接合体を用いた本発明の水
電解セルであり、D〜Fは実施例1〜3において、白金
(Pt)よりなる被覆層を設けないイオン交換膜−触媒
電極接合体を用いた従来の水電解セルである。
【0026】電解条件を下記に示す。
【0027】電解電流密度:2A/cm2 運転温度:60℃ 図2より、本発明の水電解セル(A〜C)は、電解に伴
うセル電圧の経時変化がほとんどなく、白金(Pt)よ
りなる被覆層を設けないイオン交換膜−触媒電極接合体
を用いた従来の水電解セル(D〜F)は電解に伴い経時
的にセル電圧が上昇している。水電解セルの解体の結
果、本発明の水電解セル(A〜C)のイオン交換膜−触
媒電極接合体には、電極の脱落はほとんど見られなかっ
たが、、 従来の水電解セル(D〜F)には、電極の部分
的な脱落が確認された。
【0028】
【発明の効果】以上、本発明にかかる固体高分子型水電
解セルは、長期間の運転においても電極の脱落がなく、
セル電圧の上昇もないため、水電解で製造される水素の
コストが安くなる。ゆえに、産業上に寄与すること非常
に大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】イオン交換膜−触媒電極作製ホルダ−断面図
【図2】本発明固体高分子型水電解セルの電解経時特性
図 1 イオン交換膜 2 アクリル樹脂製ホルダ− 3 パッキン

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 白金(Pt)よりなる下地層、中間層、
    白金(Pt)よりなる被覆層の三層で構成される電極を
    陽極または、陽極および陰極としたイオン交換膜−触媒
    電極接合体を有することを特徴とする固体高分子型水電
    解セル。
  2. 【請求項2】 下地層、白金(Pt)よりなる被覆層の
    二層で構成される電極を陽極または、陽極および陰極と
    したイオン交換膜−触媒電極接合体を有することを特徴
    とする固体高分子型水電解セル。
  3. 【請求項3】 中間層が、イリジウム系触媒、または/
    およびルテニウム系触媒を含む触媒層で形成されている
    ことを特徴とする請求項1記載の固体高分子型水電解セ
    ル。
  4. 【請求項4】 下地層が、イリジウム系触媒、または/
    およびルテニウム系触媒を含む触媒層で形成されている
    ことを特徴とする請求項2記載の固体高分子型水電解セ
    ル。
  5. 【請求項5】 中間層が、イリジウム(Ir)または/
    および酸化イリジウム(IrO2 、Ir2 3 )または
    /およびルテニウム(Ru)または/および酸化ルテニ
    ウム(RuO2 )を含む触媒層で形成されていることを
    特徴とする請求項1記載の固体高分子型水電解セル。
  6. 【請求項6】 下地層が、イリジウム(Ir)または/
    および酸化イリジウム(IrO2 、Ir2 3 )または
    /およびルテニウム(Ru)または/および酸化ルテニ
    ウム(RuO 2)を含む触媒層で形成されていることを
    特徴とする請求項2記載の固体高分子型水電解セル。
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