JP2009179871A - Electrolytic cell and hydrogen producing apparatus - Google Patents

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Tatsuki Ishihara
達己 石原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolytic cell provided with an electrode using a metal oxide to be inexpensive than platinum and having a lower overvoltage than that of a metal such as nickel or iron of a platinum substitute material and a hydrogen producing apparatus. <P>SOLUTION: In an electrolytic cell electrolyzing alkali water 2 by applying a prescribed voltage from a power source part 6 to an oxygen electrode 3 and a hydrogen electrode 4 dipped in the alkali water 2 housed in a water bath 1, a voltage applied part where the prescribed voltage is applied is constituted of an oxide having a perovskite type structure to produce hydrogen in the hydrogen producing apparatus A. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気分解セル、及び水素製造装置に関する。   The present invention relates to an electrolysis cell and a hydrogen production apparatus.

地球の温暖化防止対策としてCO発生の削減が叫ばれている。COの発生は、化石燃料の燃焼によるエネルギーの生成が大きな原因とされている。特に自動車のガソリン燃料の燃焼は、その最たるものであることから、近年、化石燃料に変わるクリーンな燃料への期待が高まっている。 Reduction of CO 2 generation is screamed as a global warming prevention measure. The generation of CO 2 is largely caused by the generation of energy by burning fossil fuel. In particular, the combustion of gasoline fuel in automobiles is the best, and in recent years, there is an increasing expectation for a clean fuel that will replace fossil fuel.

このクリーンな燃料として水素ガスが注目されている。水素ガスは燃焼させてもCOが生成されることがなく、水しか発生しないため環境にやさしく、次世代の自動車の燃料として多いに期待されている。 Hydrogen gas is drawing attention as a clean fuel. Since hydrogen gas does not generate CO 2 when burned, it generates only water and is therefore environmentally friendly, and is expected to be a fuel for the next generation of automobiles.

この水素ガスを発生させる装置として、水の電気分解を利用した電気分解装置が知られている。この電気分解装置は、水を入れた電解槽と、この電解槽内の水に浸漬した2つの金属電極と、セパレーターおよびこれら2つの電極間に所定の電圧を印加する電圧印加装置とを備えている。   As an apparatus for generating this hydrogen gas, an electrolyzer utilizing electrolysis of water is known. The electrolysis apparatus includes an electrolytic cell containing water, two metal electrodes immersed in the water in the electrolytic cell, a separator, and a voltage application device that applies a predetermined voltage between the two electrodes. Yes.

そして、水素ガスを発生させる際には、電圧印加装置により、上記2つの金属電極間に所定の電圧を印加することによって水を電気分解し、一方の金属電極(アノード電極)側から酸素ガスを発生させると共に、他方の金属電極(カソード電極)側から水素ガスを発生させていた。   Then, when generating hydrogen gas, a voltage application device applies a predetermined voltage between the two metal electrodes to electrolyze water, and oxygen gas is supplied from one metal electrode (anode electrode) side. While generating, hydrogen gas was generated from the other metal electrode (cathode electrode) side.

また、この種の電気分解装置において、水に替えてアルカリ水を電気分解することにより、水素ガスを発生させる試みも行われている。このように、アルカリ水を電気分解した場合は、水を電気分解した場合よりも効率的に水素ガスを発生させることができる。   In addition, in this type of electrolyzer, attempts have been made to generate hydrogen gas by electrolyzing alkaline water instead of water. Thus, hydrogen gas can be generated more efficiently when electrolyzing alkaline water than when electrolyzing water.

この種の電気分解装置として、特許文献1には、アノード電極やカソード電極に、電気伝導性が高く、水素ガスを発生させる際の過電圧が低いPt(白金)やNi(ニッケル)等の金属を用いることにより、水素ガスの発生効率を向上させた電気分解装置が開示されている。(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−118022号公報
As this type of electrolysis apparatus, Patent Document 1 discloses that metals such as Pt (platinum) and Ni (nickel) having high electrical conductivity and low overvoltage when generating hydrogen gas are used for the anode electrode and the cathode electrode. There has been disclosed an electrolyzer that uses it to improve the generation efficiency of hydrogen gas. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2006-118202 A

ところが、上記従来の電気分解装置では、アノード電極やカソード電極に、貴金属である高価なPtを用いていたため、低コストで大量生産することが困難であり、一方、安価な電極のNiでは電解効率が低いという課題があった。   However, in the above conventional electrolysis apparatus, expensive Pt, which is a noble metal, is used for the anode electrode and the cathode electrode, so that it is difficult to mass-produce at a low cost. There was a problem of low.

そこで、請求項1に係る本発明では、アルカリ水に浸漬させて所定の電圧を印加することにより、前記アルカリ水を電気分解する電気分解セルであって、前記所定の電圧が印加される電圧印加部をペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする。   Therefore, in the present invention according to claim 1, an electrolytic cell for electrolyzing the alkaline water by applying a predetermined voltage by immersing in alkaline water, the voltage application to which the predetermined voltage is applied. The portion is made of an oxide having a perovskite structure.

また、請求項2に係る本発明では、アルカリ水を電気分解して水素を製造する水素製造装置において、アルカリ水槽中に浸漬するアノード側における酸素発生極側の酸素電極と、同じくアルカリ水槽中に浸漬するカソード側における水素発生極側の水素電極とを有し、前記水素電極を結晶構造がペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする。   Further, in the present invention according to claim 2, in the hydrogen production apparatus for electrolyzing alkaline water to produce hydrogen, the oxygen electrode on the oxygen generation electrode side on the anode side immersed in the alkaline water tank and the alkaline water tank And a hydrogen electrode on the hydrogen generation electrode side on the cathode side to be immersed, wherein the hydrogen electrode is composed of an oxide having a perovskite structure.

また、請求項3に係る本発明では、請求項2に記載の水素製造装置において、前記酸素電極を前記ペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the hydrogen production apparatus according to the second aspect, the oxygen electrode is composed of an oxide having the perovskite structure.

本発明によれば、アルカリ水に浸漬させて所定の電圧を印加することにより、アルカリ水を電気分解する際に、所定の電圧が印加される電圧印加部をペロブスカイト型構造の酸化物で構成したため、この技術を適用したアルカリ水を電気分解する電気分解セルやアルカリ水を電気分解して水素を製造する水素製造装置において、電圧印加部としてPt等の金属電極を用いたものと比較して製造価格を安価に抑えることができ、しかも、Pt以上の高効率でアルカリ水の電気分解が行えて、水素の発生効率を飛躍的に向上できる効果を有する。更には、結晶構造がペロブスカイト型構造で格子エネルギーが安定で大きいことから、金属酸化物にもかかわらず水素発生極側において還元による金属酸化物変質が生起することなく、アルカリ水の電気分解性能に支障とならない効果がある。   According to the present invention, the voltage application unit to which a predetermined voltage is applied when the alkaline water is electrolyzed by immersing in alkaline water and applying a predetermined voltage is constituted by an oxide having a perovskite structure. In an electrolysis cell that electrolyzes alkaline water to which this technology is applied and a hydrogen production apparatus that electrolyzes alkaline water to produce hydrogen, it is manufactured in comparison with those using a metal electrode such as Pt as the voltage application unit The price can be kept low, and the electrolysis of alkaline water can be performed with a high efficiency equal to or higher than that of Pt, and the hydrogen generation efficiency can be greatly improved. Furthermore, since the crystal structure is a perovskite structure and the lattice energy is stable and large, it does not cause metal oxide alteration due to reduction on the hydrogen generation electrode side despite the metal oxide, and the electrolysis performance of alkaline water can be improved. There is an effect that does not hinder.

本実施形態に係る電気分解セルでは、アルカリ水に浸漬させて所定の電圧を印加することにより、前記アルカリ水を電気分解する電気分解セルであって、前記所定の電圧が印加される電圧印加部をペロブスカイト型構造の酸化物で構成している。   The electrolysis cell according to the present embodiment is an electrolysis cell that electrolyzes the alkaline water by immersing it in alkaline water and applying a predetermined voltage, and a voltage application unit to which the predetermined voltage is applied. Is made of an oxide having a perovskite structure.

また、アルカリ水を電気分解して水素を製造する水素製造装置において、アルカリ水槽中に浸漬するアノード側における酸素発生極側の酸素電極と、同じくアルカリ水槽中に浸漬するカソード側における水素発生極側の水素電極とを有し、前記水素電極を結晶構造がペロブスカイト型構造の酸化物で構成している。   Further, in a hydrogen production apparatus that electrolyzes alkaline water to produce hydrogen, an oxygen electrode on the oxygen generation electrode side on the anode side immersed in the alkaline water tank, and a hydrogen generation electrode side on the cathode side that is also immersed in the alkaline water tank The hydrogen electrode is composed of an oxide having a perovskite structure in the crystal structure.

また、前記酸素電極を前記ペロブスカイト型構造の酸化物で構成している。   The oxygen electrode is composed of an oxide having the perovskite structure.

この発明の実施例を図面に基づき詳説する。   An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態にかかる水素製造装置Aの模式図である。図1に示すように、水素製造装置Aは、水槽1とアルカリ水2と酸素電極3と水素電極4と多孔性高分子膜5と電源部6とからなる。水槽1にはアルカリ水2が収容されている。アルカリ水2の中にはアノード側の酸素発生極となる酸素電極3(以下、電極3という)とカソード側の水素発生極となる水素電極4(以下、電極4という)とを浸漬し、各電極3,4の間にはセパレーターとしてポリプロピレンなどの多孔性高分子膜5を介在させている。6は電気分解を行うための電源部であり、この電源部6は、電圧印加部としての各電極3,4間に所定の電圧を印加する。   FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus A according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus A includes a water tank 1, alkaline water 2, an oxygen electrode 3, a hydrogen electrode 4, a porous polymer film 5, and a power supply unit 6. Alkaline water 2 is accommodated in the water tank 1. In the alkaline water 2, an oxygen electrode 3 (hereinafter referred to as electrode 3) serving as an oxygen generation electrode on the anode side and a hydrogen electrode 4 (hereinafter referred to as electrode 4) serving as a hydrogen generation electrode on the cathode side are immersed. A porous polymer film 5 such as polypropylene is interposed between the electrodes 3 and 4 as a separator. Reference numeral 6 denotes a power supply unit for performing electrolysis. The power supply unit 6 applies a predetermined voltage between the electrodes 3 and 4 as a voltage application unit.

なお、本実施形態の水素製造装置Aでは、各電極3,4及びその間の多孔性高分子膜5が、それぞれ所定の間隔を空けて配置されているが、各電極3,4とその間の多孔性高分子膜5とを密着させることにより、一体型の電気分解セルを構成してもよい。また、各電極3,4及びその間の多孔性高分子膜5を、それぞれ薄膜状に形成し、電気分解セルを薄膜型とすることもできる。   In the hydrogen production apparatus A of the present embodiment, the electrodes 3 and 4 and the porous polymer film 5 therebetween are arranged at predetermined intervals. An integrated electrolysis cell may be formed by bringing the conductive polymer film 5 into close contact. Further, the electrodes 3 and 4 and the porous polymer film 5 between them can be formed in a thin film shape, and the electrolysis cell can be of a thin film type.

次に、各電極3,4に用いる材料の酸化物について説明する。本発明者は、水に電気を流すことにより水素と酸素を得る水の電気分解反応と、水素と酸素から電気を得る燃料電池における発電反応とが互いに逆反応であることに着目し、燃料電池におけるカソード反応側の空気極の電極触媒として使用されていたペロブスカイト型酸化物をアルカリ水電気分解におけるカソード反応側の水素発生極の電極触媒に用いる発想に至ったものである。   Next, oxides of materials used for the electrodes 3 and 4 will be described. The present inventor has paid attention to the fact that the electrolysis reaction of water that obtains hydrogen and oxygen by flowing electricity into water and the power generation reaction in the fuel cell that obtains electricity from hydrogen and oxygen are opposite to each other. The idea of using the perovskite oxide, which has been used as the electrode catalyst for the cathode electrode on the cathode reaction side, as the electrode catalyst for the hydrogen generation electrode on the cathode reaction side in alkaline water electrolysis, has been reached.

通常、水素製造装置Aにおいては、水素発生極側の電極4に金属酸化物を用いると、電気分解の際、水素発生極側の電極4が還元されて電解効率が低下すると予想されるため、これまで金属酸化物を水素製造装置Aの水素発生極側の電極4に用いる技術思想はなかった。そこで、本発明者は鋭意研究を行った結果、金属酸化物を水素発生極側の電極4に用いても物性が変化せず、安定であり、低い過電圧で、優れたエネルギー効率で、電気分解を行えることを見出し、高価なPtなどを用いなくともPt以上のエネルギー効率でアルカリ水電気分解が行える本発明に至ったものである。   Usually, in the hydrogen production apparatus A, when a metal oxide is used for the electrode 4 on the hydrogen generation electrode side, the electrode 4 on the hydrogen generation electrode side is expected to be reduced during electrolysis and the electrolysis efficiency is expected to decrease. Until now, there has been no technical idea to use metal oxide for the electrode 4 on the hydrogen generation electrode side of the hydrogen production apparatus A. Therefore, as a result of intensive research, the inventor of the present invention did not change the physical properties even when the metal oxide was used for the electrode 4 on the hydrogen generation electrode side, and was stable, low overvoltage, excellent energy efficiency, and electrolysis. It has been found that the present invention can perform alkaline water electrolysis with energy efficiency equal to or higher than Pt without using expensive Pt or the like.

結晶構造がペロブスカイト型構造の金属酸化物は、一般的にABOで表現される。特に本実施形態の各電極3,4は、AサイトにLa(ランタン)などの元素を配置しており、更にAサイトを構成するLaなどの元素に、Sr(ストロンチウム)などの元素をドープしている。また、BサイトにCo(コバルト)などの元素を配置している。このペロブスカイト型の結晶構造は、格子エネルギーが安定で大きいことから、電極4としてカソード側の水素発生極に使用しても、金属酸化物が還元されて劣化変質することない。AサイトとしてはLaに限定されるものでなく、希土類元素であれば、使用できる。 A metal oxide having a perovskite structure is generally represented by ABO 3 . In particular, each of the electrodes 3 and 4 of this embodiment has an element such as La (lanthanum) arranged at the A site, and further, an element such as Sr (strontium) is doped into the element such as La constituting the A site. ing. Further, an element such as Co (cobalt) is arranged at the B site. Since this perovskite type crystal structure has a stable and large lattice energy, even if it is used as the electrode 4 for the hydrogen generation electrode on the cathode side, the metal oxide is not reduced and deteriorated. The A site is not limited to La, and any rare earth element can be used.

Aサイトに異原子をドープしているため、ドープされた異原子による効果で、電荷担体が発生し、電気伝導度が向上するので、各電極3,4を高活性な電極触媒を持つ電極として構成することができる。   Since different atoms are doped at the A site, charge carriers are generated due to the effect of the doped different atoms, and the electrical conductivity is improved. Therefore, each of the electrodes 3 and 4 is used as an electrode having a highly active electrode catalyst. Can be configured.

また、本実施形態では、酸素発生極側の酸素電極3、及び水素発生極側の水素電極4を同じペロブスカイト型構造の金属酸化物を用いて作製したので、別工程で他方の電極を作製することが不要となり、材料を混同するおそれもない。従って、各電極3,4を同時に大量生産することができるので、安価で高効率な水素製造装置Aを提供することができる。   Further, in this embodiment, the oxygen electrode 3 on the oxygen generation electrode side and the hydrogen electrode 4 on the hydrogen generation electrode side are manufactured using the same perovskite structure metal oxide, so the other electrode is manufactured in a separate process. There is no need to mix up the materials. Therefore, since each electrode 3 and 4 can be mass-produced simultaneously, the cheap and highly efficient hydrogen production apparatus A can be provided.

なお、本実施形態では、酸素発生極側の酸素電極3、及び水素発生極側の水素電極4の両極を結晶構造がペロブスカイト型構造の酸化物で構成したが、水素電極4のみを結晶構造がペロプスカイト型構造の酸化物で構成してもよい。   In the present embodiment, both the oxygen electrode 3 on the oxygen generation electrode side and the hydrogen electrode 4 on the hydrogen generation electrode side are made of an oxide having a perovskite structure, but only the hydrogen electrode 4 has a crystal structure. You may comprise with the oxide of a perovskite type structure.

次に本実施形態におけるペロブスカイト型構造の金属酸化物の製造方法について説明する。   Next, a method for producing a metal oxide having a perovskite structure in this embodiment will be described.

まず、図2に示すように、準備段階として、La酢酸塩とSr酢酸塩とCo酢酸塩とを用意し、均一に混合されるように溶解撹拌する。   First, as shown in FIG. 2, as a preparation stage, La acetate, Sr acetate, and Co acetate are prepared, and dissolved and stirred so as to be uniformly mixed.

ここでは、各酢酸塩をLaとSrとCoとが所定の割合になるよう秤量し、純水に溶かして水溶液を作製する。作製した水溶液を撹拌することにより、各酢酸塩が均一になるよう混合する(ステップ101、溶解撹拌工程)。なお、ここでは、LaとSrとCoとの割合は、(La:Sr:Co)=(0.6:0.4:1)である。   Here, each acetate is weighed so that La, Sr, and Co have a predetermined ratio, and dissolved in pure water to prepare an aqueous solution. By stirring the prepared aqueous solution, each acetate is mixed so as to be uniform (step 101, dissolution stirring step). Here, the ratio of La, Sr, and Co is (La: Sr: Co) = (0.6: 0.4: 1).

次に、ステップ101で作製した水溶液を電気炉で加熱することで、水分を蒸発させ、各酢酸塩が均一に混合した試料を得る(ステップ102、焼成準備工程)。   Next, the aqueous solution prepared in step 101 is heated in an electric furnace to evaporate moisture and obtain a sample in which each acetate salt is uniformly mixed (step 102, firing preparation step).

ステップ102で得られた試料を400℃で2時間仮焼成し、酢酸ガスなどの発生ガスを排出する(ステップ103、仮焼成工程)。   The sample obtained in step 102 is pre-baked at 400 ° C. for 2 hours, and a generated gas such as acetic acid gas is discharged (step 103, pre-baking step).

続いて、ステップ103で仮焼成した試料を1000℃で6時間本焼成する(ステップ104、本焼成工程)。   Subsequently, the sample calcined in step 103 is subjected to main baking at 1000 ° C. for 6 hours (step 104, main baking step).

ステップ104で本焼成した試料を乳棒と乳鉢により粉砕し、更に1200℃で6時間焼成する(ステップ105、仕上げ工程)。   The sample fired in Step 104 is pulverized with a pestle and a mortar, and further fired at 1200 ° C. for 6 hours (Step 105, finishing process).

ステップ105で得られた試料が、結晶構造がペロブスカイト型構造の金属酸化物か否かを、X線回折装置にて分析し確認して製造する。   Whether or not the sample obtained in Step 105 is a metal oxide having a perovskite structure is analyzed and confirmed by an X-ray diffractometer.

なお、本実施形態ではペロブスカイト型構造の金属酸化物のLaとSrとCoとの割合は、(La:Sr:Co)=(0.6:0.4:1)としているが、これは一例に過ぎず、少なくともLaとSrとCoが入っていれば配合比は任意に変更できる。   In this embodiment, the ratio of La, Sr, and Co in the metal oxide having a perovskite structure is (La: Sr: Co) = (0.6: 0.4: 1). However, if at least La, Sr and Co are contained, the blending ratio can be arbitrarily changed.

本実施形態の金属酸化物の特性としては結晶構造がペロブスカイト型構造で安定した構造であることから、格子エネルギーが安定で大きいために、カソード側の水素発生極で使用しても金属酸化物は還元されることがない。   As a characteristic of the metal oxide of the present embodiment, since the crystal structure is a perovskite structure and stable, the lattice energy is stable and large. There is no reduction.

本実施形態の結晶構造がペロブスカイト型構造の金属酸化物は、ABOで表現される。AサイトにはLa、BサイトにはCoをそれぞれ配置している。更にAサイト中に異原子のSrを添加物としてドープすることにより部分置換を行い、電子ホールを発生し、電気伝導度を向上させる。その割合としては、(La:Sr)=(1:9)〜(9:1)まで考えられるが、望ましくは、割合を(La:Sr)=(6:4)〜(7:3)にすることによって優れた電極を構成できる。このようにペロブスカイト型金属酸化物のAサイトの金属中に、異原子を添加物として最適にドープすることにより、高活性な電極触媒を得ることができる。添加物としては低原子価であれば、Srに限定されず、Ca(カルシウム)やBa(バリウム)などのアルカリ土類金属およびNa(ナトリウム)などのアルカリ金属でも同様の効果がえられる。しかし、イオン半径のLaに近いSrが最も良好な効果を発現する。 A metal oxide having a perovskite structure in the present embodiment is represented by ABO 3 . La is arranged at the A site, and Co is arranged at the B site. Further, partial substitution is performed by doping Sr of different atoms into the A site as an additive, generating electron holes and improving electrical conductivity. As the ratio, (La: Sr) = (1: 9) to (9: 1) can be considered, but preferably the ratio is (La: Sr) = (6: 4) to (7: 3). By doing so, an excellent electrode can be configured. In this way, a highly active electrode catalyst can be obtained by optimally doping the metal at the A site of the perovskite-type metal oxide with a different atom as an additive. The additive is not limited to Sr as long as it has a low valence, and similar effects can be obtained with alkaline earth metals such as Ca (calcium) and Ba (barium) and alkali metals such as Na (sodium). However, Sr close to the ion radius La exhibits the best effect.

ここで、ペロブスカイト型構造の金属酸化物を用いた電極の製造方法について説明する。まず、前述の方法で製造したペロブスカイト型金属酸化物に成形バインダーとして高分子化合物を混合する。このとき、例えば、(金属酸化物:高分子化合物=98:2(重量比))の割合で混合する。   Here, a method for manufacturing an electrode using a metal oxide having a perovskite structure will be described. First, a polymer compound is mixed as a molding binder with the perovskite metal oxide produced by the above-described method. At this time, for example, they are mixed at a ratio of (metal oxide: polymer compound = 98: 2 (weight ratio)).

次に、前述のように成形バインダーを混合した金属酸化物を集電メッシュが中央に囲まれるように金属酸化物を敷き詰めて電極を形成する。このとき、集電メッシュを中心に、前述のように成形バインダーを混合した金属酸化物でサンドイッチするように形成する。   Next, an electrode is formed by spreading the metal oxide mixed with the molding binder as described above so that the current collecting mesh is surrounded by the center. At this time, it is formed so as to be sandwiched with the metal oxide mixed with the molding binder as described above, with the current collecting mesh as the center.

電極形成後、ホットプレスにて、温度や時間や加圧力をそれぞれ、例えば、120℃、5分間、1MPaで引き続き120℃、5分間、2MPaで加圧成形し電極を製造する。   After the electrode is formed, the electrode is manufactured by hot pressing at a temperature, a time, and a pressure of, for example, 120 ° C., 5 minutes, 1 MPa, then 120 ° C., 5 minutes, 2 MPa.

このように本実施形態の電極3,4は、金属酸化物に高分子化合物を混合して、高分子化合物を成形バインダーして機能させることにより、粉末の金属酸化物と電極本体となるステンレス製の集電メッシュとのつながりをよくし、金属酸化物と集電メッシュとの接触抵抗を低減させている。よって、水素製造装置Aの電解特性が向上する。なお、本実施形態では、前述の割合で高分子化合物、例えば、Nafion(登録商標)粉末を混合することにより、電解特性がより向上する。   As described above, the electrodes 3 and 4 of the present embodiment are made of stainless steel that becomes a powder metal oxide and an electrode body by mixing a polymer compound with a metal oxide and allowing the polymer compound to function as a molding binder. The connection with the current collector mesh is improved, and the contact resistance between the metal oxide and the current collector mesh is reduced. Therefore, the electrolytic characteristics of the hydrogen production apparatus A are improved. In the present embodiment, the electrolytic characteristics are further improved by mixing the polymer compound, for example, Nafion (registered trademark) powder at the aforementioned ratio.

各電極3,4の電解特性について説明する。図3は、各金属酸化物をアルカリ水電気分解の電極に使用した際の電解特性を示したものであり、縦軸に電流密度、横軸に電位をとっている。   The electrolytic characteristics of the electrodes 3 and 4 will be described. FIG. 3 shows electrolytic characteristics when each metal oxide is used as an electrode for alkaline water electrolysis. The vertical axis represents current density and the horizontal axis represents potential.

図3では、中心より左側がカソード側の水素発生極の電位と電流密度との関係を、右側がアノード側の酸素発生極の電位と電流密度との関係を、それぞれ示している。   In FIG. 3, the relationship between the potential of the hydrogen generation electrode on the cathode side and the current density is shown on the left side from the center, and the relationship between the potential and the current density of the oxygen generation electrode on the anode side is shown on the right side.

ここでは、結晶構造がペロブスカイト型の金属酸化物のAサイト及びBサイトの各金属の種類をかえて比較検討している。   Here, a comparison is made by changing the types of metals at the A site and the B site of a metal oxide having a perovskite type crystal structure.

本発明では、電極4に金属酸化物を使用することが特徴であり、その比較対象として、通常アルカリ水の電気分解に使用される白金を坦持した炭素電極の電解特性も合わせて示している。なお、アルカリ水の電気分解においては、両極の各電極の特性を総合判断して電気分解セルの電解特性が判断される。例えば、カソード側の水素発生極のみ電解効率がよくとも、アノード側の酸素発生極側の電解効率がよくなければ、電気分解セルの電解特性は全体としてあまりよくないことになる。   The present invention is characterized in that a metal oxide is used for the electrode 4, and as an object for comparison, the electrolytic characteristics of a carbon electrode carrying platinum that is usually used for electrolysis of alkaline water are also shown. . In the electrolysis of alkaline water, the electrolytic characteristics of the electrolysis cell are determined by comprehensively determining the characteristics of the electrodes of both electrodes. For example, even if only the hydrogen generation electrode on the cathode side has good electrolysis efficiency, if the electrolysis efficiency on the oxygen generation electrode side on the anode side is not good, the electrolysis characteristics of the electrolysis cell as a whole are not very good.

図3に示すように、カソード側の水素発生極では、低電圧で高い電流密度を示すPtを坦持した炭素電極が最も電解効率がよいが、電位が−1.0V付近では、Ptを坦持した炭素電極とLa0.6Sr0.4CoO3電極とでは略同じ電解効率を示していることから、カソード側の水素発生極側の電極4にペロブスカイト型金属酸化物を用いられることがわかる。 As shown in FIG. 3, the carbon electrode carrying Pt showing a high current density at a low voltage has the best electrolysis efficiency at the hydrogen generation electrode on the cathode side. However, when the potential is around −1.0 V, Pt is supported. Since the retained carbon electrode and the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode show substantially the same electrolysis efficiency, it can be seen that a perovskite metal oxide is used for the electrode 4 on the cathode side hydrogen generation electrode side.

また、図3に示すように、アノード側の酸素発生極では、低電圧で高い電流密度を示すLa0.6Sr0.4CoO3電極とLa0.6Sr0.4FeO3電極とが最も電解効率がよいことがわかる。なお、電位測定の際の標準電極として、Ag及びAgClを電極として使用している。 Further, as shown in FIG. 3, at the oxygen generation electrode on the anode side, it can be seen that the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode and the La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 electrode showing high current density at a low voltage have the best electrolysis efficiency. . In addition, Ag and AgCl are used as electrodes as standard electrodes for potential measurement.

図4は、前述のように、アルカリ水の電気分解における両極の各電極の特性を総合した電気分解セルの電解特性を示しており、縦軸に電流密度、横軸に電位をとっており、アルカリ水の電気分解セルの電極として、Ptを坦持した炭素電極とLa0.6Sr0.4CoO3電極とが略同じ電解効率を示している。このことから、高価なPtを電極に使用しなくとも、金属酸化物を両極に使用することにより、安価で高効率なアルカリ水電気分解セルの電極を提供することができることがわかる。 FIG. 4 shows the electrolysis characteristics of the electrolysis cell in which the characteristics of the electrodes of both electrodes in the electrolysis of alkaline water are combined as described above. The vertical axis represents current density and the horizontal axis represents potential. As the electrode of the alkaline water electrolysis cell, the carbon electrode carrying Pt and the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode show substantially the same electrolysis efficiency. From this, it can be seen that an inexpensive and highly efficient electrode for an alkaline water electrolysis cell can be provided by using a metal oxide for both electrodes without using expensive Pt for the electrode.

図5は、特に電解効率が良好であったLa0.6Sr0.4CoO3電極と通常のアルカリ水電気分解で使用される白金を坦持した炭素電極のアルカリ水電気分解におけるインピーダンス測定結果を示している。図5(a)より、La0.6Sr0.4CoO3電極とPt坦持C電極とを比較すると、La0.6Sr0.4CoO3電極のインピーダンスプロットの軌跡が横軸方向に伸長していることがわかる。このことから、La0.6Sr0.4CoO3電極はPt坦持C電極より電極を構成する金属酸化物の粒子が大きいため、すなわち金属酸化物の粒子の表面積は小さいため拡散過電圧が大きくなっていることがわかる。 FIG. 5 shows impedance measurement results in alkaline water electrolysis of a La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode having particularly good electrolysis efficiency and a carbon electrode carrying platinum used in normal alkaline water electrolysis. . FIG. 5A shows that the impedance plot trajectory of the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode extends in the horizontal axis direction when the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode and the Pt-supported C electrode are compared. From this, the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode has a larger diffusion overvoltage because the metal oxide particles constituting the electrode are larger than the Pt-supported C electrode, that is, the surface area of the metal oxide particles is small. I understand.

また、図5(b)より、La0.6Sr0.4CoO3電極とPt坦持C電極とを比較すると、Pt坦持C電極が若干複雑なインピーダンスプロットの軌跡を示しているものの、両極とも略右上方向にインピーダンスプロットの軌跡が伸長していることがわかる。このことから、活性化過電圧によるLa0.6Sr0.4CoO3電極とPt坦持C電極の電解効率の低下は、略違いがないことがわかる。 Further, from FIG. 5B, when comparing the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode and the Pt-carrying C electrode, the Pt-carrying C electrode shows a slightly complicated impedance plot trajectory. It can be seen that the locus of the impedance plot extends in the direction. From this, it can be seen that there is almost no difference in the decrease in electrolytic efficiency of the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode and the Pt-supported C electrode due to the activation overvoltage.

このように、図5の(a)及び(b)より、La0.6Sr0.4CoO3電極とPt坦持C電極の活性化過電圧による電解効率の低下には略違いがないことから、金属酸化物をアルカリ水電気分解の電極に使用する際には、金属酸化物の粒子を微粒子化し、粒子の表面積を大きくすることによって拡散過電圧を限りなく低減させることによって、Pt以上の高効率なアルカリ水電気分解の電極を安価で作製することができる。 Thus, from FIGS. 5 (a) and 5 (b), there is almost no difference in the decrease in electrolytic efficiency due to the activation overvoltage of the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode and the Pt-supported C electrode. Is used as an electrode for alkaline water electrolysis, metal oxide particles are made fine, and the surface area of the particles is increased to reduce the diffusion overvoltage as much as possible. A decomposition electrode can be produced at low cost.

図6は、アルカリ水の電気分解における金属酸化物をカソード側の水素発生極、及びアノード側の酸素発生極に使用した際の水素と酸素の生成率を示したものである。縦軸には生成率、横軸には電流密度をとっている。図6のプロットされた測定値はアルカリ水電気分解の電極に使用した金属酸化物の中で、優れた電解効率を示したLa0.6Sr0.4CoO3電極の値である。 FIG. 6 shows the production rate of hydrogen and oxygen when the metal oxide in the electrolysis of alkaline water is used for the cathode-side hydrogen generation electrode and the anode-side oxygen generation electrode. The vertical axis represents the generation rate, and the horizontal axis represents the current density. The measured values plotted in FIG. 6 are the values of the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode that showed excellent electrolysis efficiency among the metal oxides used in the electrode for alkaline water electrolysis.

図6からわかるように測定値がファラデーの法則による理論値に略近づいており、アルカリ水の電気分解において金属酸化物を両極、特にカソード側の水素発生極に使用しても、高効率で電気分解が行えることがわかる。   As can be seen from FIG. 6, the measured value is close to the theoretical value according to Faraday's law, and even in the electrolysis of alkaline water, even if the metal oxide is used for both electrodes, particularly the hydrogen generation electrode on the cathode side, it is highly efficient. It can be seen that decomposition can be performed.

図7は、アルカリ水電気分解の電極に使用した金属酸化物の中で、優れた電解効率を示したLa0.6Sr0.4CoO3電極のX線回折の結果を示した図であり、縦軸には強度、横軸には角度をとっている。また、図7の中のa)はアルカリ水電気分解前のLa0.6Sr0.4CoO3の組成を示し、b)アルカリ水電気分解後におけるアノード側における酸素発生極のLa0.6Sr0.4CoO3の組成を示し、c)はアルカリ水電気分解後におけるカソード側における水素発生極のLa0.6Sr0.4CoO3の組成を示している。 FIG. 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction of a La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode showing excellent electrolysis efficiency among the metal oxides used for the electrode for alkaline water electrolysis. Is strength, and the horizontal axis is angled. Also, a in FIG. 7) shows the composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 before alkaline water electrolysis, b) the composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 oxygen generating electrode at the anode side after alkaline water electrolysis C) shows the composition of La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 of the hydrogen generation electrode on the cathode side after alkaline water electrolysis.

図7の中のa)、b)、c)ともに略同じ位置にピークが出ており、その高さもそれぞれ略同じであることから、アルカリ水の電気分解において両極に金属酸化物を使用しても電解の前後で電極の組成が変化することがないことがわかる。   Since peaks a), b), and c) in FIG. 7 are at substantially the same positions and the heights thereof are also approximately the same, metal oxides are used for both electrodes in alkaline water electrolysis. It can also be seen that the electrode composition does not change before and after electrolysis.

図8は、アルカリ水電気分解の電極に使用した金属酸化物の中で、優れた電解効率を示したLa0.6Sr0.4CoO3電極の長期安定性を示した図であり、縦軸には電位、横軸には時間をとっている。電流密度は25mA/cmで長時間にわたって電気分解を行った際のデータの軌跡が示されている。電解後100時間まで徐々に電位の値が大きくなっていて、電流密度が一定であることから、抵抗の増加により電解効率が低下していることがわかる。しかし、その後は略一定の電位の値をとっており、電位の値が大きくなることがない、すなわち抵抗が大きくならないことから、特に本発明の特徴であるカソード側の水素発生極に金属酸化物を使用しても還元されて劣化することなく、長期にわたって安定して電気分解が行えることがわかる。 FIG. 8 is a graph showing the long-term stability of a La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrode showing excellent electrolysis efficiency among metal oxides used for an electrode for alkaline water electrolysis. The horizontal axis takes time. The locus of data when electrolysis is performed for a long time at a current density of 25 mA / cm 2 is shown. Since the potential value gradually increases until 100 hours after electrolysis and the current density is constant, it can be seen that the electrolysis efficiency decreases due to the increase in resistance. However, since the electric potential value does not increase, that is, the resistance does not increase after that, the metal oxide is particularly formed on the cathode side hydrogen generating electrode, which is a feature of the present invention. It can be seen that electrolysis can be carried out stably over a long period of time without reducing and deteriorating even when using.

以上のことから、本実施形態において、従来、水素発生極側の電極4に使用すれば還元されるであろうと考えられていた金属酸化物をカソード側の水素発生極側において使用することによっても、電極4が還元されることなく、高効率なアルカリ水電気分解を行うことができるがわかる。   From the above, in the present embodiment, the metal oxide, which is conventionally considered to be reduced when used for the electrode 4 on the hydrogen generation electrode side, can also be used on the hydrogen generation electrode side on the cathode side. It can be seen that highly efficient alkaline water electrolysis can be performed without reducing the electrode 4.

前述のように、金属酸化物を用いてアルカリ水の電気分解セルの各電極3,4を構成することにより、Ptを用いることなく高効率で安価な水素製造装置を提供することができる。   As described above, by forming the electrodes 3 and 4 of the alkaline water electrolysis cell using a metal oxide, a highly efficient and inexpensive hydrogen production apparatus can be provided without using Pt.

更に高効率な水素製造装置を提供するために、低抵抗なアルカリ水の電解分解セルを構成する必要がある。   Furthermore, in order to provide a highly efficient hydrogen production apparatus, it is necessary to construct an electrolytic cell for low resistance alkaline water.

水素製造装置Aにおいて、電極間の距離を短くすることによりセルのIR損を低減させ電解効率を向上させることができる。更に、セパレーターとしてポリプロピレンなどの多孔性高分子膜を用いることで薄膜型のアルカリ水の電解分解セルを構成することができ、水素製造装置を小型化することができる。なお、本実施形態では、セパレーターとしてNafion(登録商標)の膜を使用することができる。   In the hydrogen production apparatus A, by reducing the distance between the electrodes, the IR loss of the cell can be reduced and the electrolysis efficiency can be improved. Furthermore, by using a porous polymer film such as polypropylene as a separator, a thin-film alkaline water electrolytic decomposition cell can be constructed, and the hydrogen production apparatus can be downsized. In this embodiment, a Nafion (registered trademark) film can be used as a separator.

図9は薄膜型電気分解セルの模式図である。図9に示すように、薄膜型電気分解セルはカソード側の水素発生極4とアノード側の酸素発生極3と多孔性高分子膜5とを付着することで構成している。そして電気分解を行う際には、電解質であるアルカリ水を多孔性高分子膜5に浸漬させ、両極3、4に所定の電圧を印加し、薄膜型電解セルに通電することによってアルカリ水の電気分解を行うことができる。   FIG. 9 is a schematic view of a thin film type electrolysis cell. As shown in FIG. 9, the thin-film electrolysis cell is constructed by adhering a hydrogen generation electrode 4 on the cathode side, an oxygen generation electrode 3 on the anode side, and a porous polymer film 5. When electrolysis is performed, alkaline water as an electrolyte is immersed in the porous polymer film 5, a predetermined voltage is applied to the electrodes 3 and 4, and the thin film electrolysis cell is energized, whereby the alkaline water is discharged. Decomposition can be performed.

前述のようにセパレーターを電極間に介在させることにより、電極間距離を短くすることにより、電極配置による内部抵抗の低減を図ることができる。その上、電解セルを薄膜型にすることができるので、小型の水素製造装置を構成することができる。また、インピーダンス解析を行い、等価回路を作成しその回路を測定評価することにより、アルカリ水の電気分解における触媒反応の気相、電解質液相、触媒相の三相が互いに接している三相界面での進行を分析し、分析結果を反映させることにより、更に高効率で小型なアルカリ水電気分解セルを構成することができる。また、電解装置の動作温度の高温化を図ることによって、より高効率で小型な水素製造装置とすることができる。   By interposing the separator between the electrodes as described above, the internal resistance can be reduced by arranging the electrodes by shortening the distance between the electrodes. In addition, since the electrolytic cell can be made into a thin film type, a small hydrogen production apparatus can be configured. Also, by conducting impedance analysis, creating an equivalent circuit, and measuring and evaluating the circuit, a three-phase interface where the gas phase, the electrolyte liquid phase, and the catalyst phase in the electrolysis of alkaline water are in contact with each other By analyzing the progress in and reflecting the analysis result, a more efficient and small alkaline water electrolysis cell can be constructed. In addition, by increasing the operating temperature of the electrolyzer, a more efficient and compact hydrogen production apparatus can be obtained.

水素製造装置自体を水素ガスを燃料とする自動車などに搭載することもできる。   The hydrogen production apparatus itself can be mounted on an automobile using hydrogen gas as fuel.

また、本実施形態に係る水素製造装置Aを自動車に搭載する場合には、水素製造装置Aの水槽1中に予め加圧したアルカリ水を投入する。このように、水槽1中に予め加圧したアルカリ水を投入することによって、コンプレッサーを使用しなくても、加圧した水素ガスを得ることができるので、装置の大型化を防止することができる。   Moreover, when mounting the hydrogen production apparatus A which concerns on this embodiment in a motor vehicle, the alkaline water pressurized previously in the water tank 1 of the hydrogen production apparatus A is thrown in. Thus, since the pressurized hydrogen gas can be obtained even if it does not use a compressor by using the alkaline water pressurized beforehand in the water tank 1, the enlargement of an apparatus can be prevented. .

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible.

本実施の形態に係る水素製造装置を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the hydrogen production apparatus which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る各電極の作製手順を示した流れ図である。It is the flowchart which showed the preparation procedures of each electrode which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る各電極に各金属酸化物を使用した際の電解特性を示した図である。It is the figure which showed the electrolysis characteristic at the time of using each metal oxide for each electrode which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る各電極の特性を総合した電気分解セルの電解特性を示した図である。It is the figure which showed the electrolysis characteristic of the electrolysis cell which integrated the characteristic of each electrode which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る各電極をLa0.6Sr0.4CoO3電極あるいはPtを坦持したC電極としたときのアルカリ水電気分解におけるインピーダンス測定結果を示した図である。Each electrode according to the present embodiment is a diagram showing the impedance measurement results in the alkaline water electrolysis when the C electrodes carrying the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 electrodes or Pt. 本実施の形態に係る各電極にLa0.6Sr0.4CoO3を使用した際の水素と酸素の生成率を示した図である。Each electrode according to the present embodiment is a view showing a hydrogen and oxygen generation rate when using the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3. 本実施の形態に係る各電極にLa0.6Sr0.4CoO3を使用した際の電気分解前後におけるX線回折の結果を示した図である。Each electrode according to the present embodiment is a graph showing the results of X-ray diffraction before and after electrolysis when using the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3. 本実施の形態に係る各電極にLa0.6Sr0.4CoO3を使用した際の電極の長期安定性を示した図である。Each electrode according to the present embodiment is a view showing a long-term stability of the electrode when using an La 0.6 Sr 0.4 CoO 3. 本実施の形態に係る水素製造装置の薄膜型電解セルの模式図である。It is a schematic diagram of the thin film type electrolysis cell of the hydrogen production device concerning this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

A 水素製造装置
1 水槽
2 アルカリ水
3 酸素電極
4 水素電極
5 多孔性高分子膜
6 電源部
A Hydrogen production equipment 1 Water tank 2 Alkaline water 3 Oxygen electrode 4 Hydrogen electrode 5 Porous polymer membrane 6 Power supply

Claims (3)

アルカリ水に浸漬させて所定の電圧を印加することにより、前記アルカリ水を電気分解する電気分解セルであって、
前記所定の電圧が印加される電圧印加部をペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする電気分解セル。
An electrolysis cell for electrolyzing the alkaline water by immersing it in alkaline water and applying a predetermined voltage,
An electrolysis cell, wherein the voltage application section to which the predetermined voltage is applied is made of an oxide having a perovskite structure.
アルカリ水を電気分解して水素を製造する水素製造装置において、
アルカリ水槽中に浸漬するアノード側における酸素発生極側の酸素電極と、
同じくアルカリ水槽中に浸漬するカソード側における水素発生極側の水素電極とを有し、
前記水素電極を結晶構造がペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする水素製造装置。
In a hydrogen production device that produces hydrogen by electrolyzing alkaline water,
An oxygen electrode on the oxygen generation electrode side on the anode side immersed in the alkaline water tank;
Also having a hydrogen electrode on the hydrogen generation electrode side on the cathode side immersed in the alkaline water tank,
An apparatus for producing hydrogen, wherein the hydrogen electrode is composed of an oxide having a perovskite structure.
前記酸素電極を前記ペロブスカイト型構造の酸化物で構成したことを特徴とする請求項2に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the oxygen electrode is made of an oxide having the perovskite structure.
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