JP2019167620A - Catalyst laminate, membrane electrode assembly, electrochemical cell, stack, water electrolysis device and water utilization system - Google Patents

Catalyst laminate, membrane electrode assembly, electrochemical cell, stack, water electrolysis device and water utilization system Download PDF

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Abstract

To provide a catalyst laminate, a membrane electrode assembly, an electrochemical cell, and a stack which are capable of achieving a laminated structure ensuring strength and substance transport efficiency and are capable of realizing sufficient durability and water electrolysis performance even with a small amount of noble metal.SOLUTION: A catalyst laminate in an embodiment comprises a plurality of catalyst layers containing at least one of a noble metal and an oxide of the noble metal and at least one of a non-noble metal and an oxide of the non-noble metal. The catalyst laminate comprises two or more of a first catalyst layers and two or more of a second catalyst layers. In the atomic composition fraction of the noble metal obtained using line analysis by an energy dispersive X-ray spectroscopy with respect to the thickness direction of the catalyst laminate, the first catalyst layer is less than the average of the maximum value and the minimum value of the atomic composition fraction of the noble metal, and the second catalyst layer is equal to or larger than the average of the maximum value and the minimum value of the atomic composition fraction of the noble metal. The second catalyst layer lies between the first catalyst layers.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施形態は、触媒積層体、膜電極複合体、電気化学セル、スタック、水電解装置および水利用システムに関する。   Embodiments described herein relate generally to a catalyst laminate, a membrane electrode assembly, an electrochemical cell, a stack, a water electrolysis device, and a water utilization system.

近年、電気化学セルは盛んに研究されている。電気化学セルのうち、例えば、固体高分子型水電解セル(Polymer Electrolyte Water Electrolysis Cell:PEEC)は、太陽光発電など再生可能エネルギーへの応答性が優れていることから、大規模エネルギー貯蔵システムの水素生成としての利用が期待されている。   In recent years, electrochemical cells have been actively studied. Among electrochemical cells, for example, Polymer Electrolyte Water Electrolysis Cell (PEEC) is excellent in responsiveness to renewable energy such as photovoltaic power generation. It is expected to be used for hydrogen generation.

PEECの普及への一つの大きな課題は、貴金属触媒使用量の低減によるコスト減である。一般に十分な耐久性と水電解性能を確保するために、PEECのカソードとしてPtナノ粒子触媒が、アノードとして粒子状Ir系触媒が使用されている。特にアノードはIrブラック、Ir酸化物の粉末が使用され、粉末を溶媒でスラリー化して基材上に塗布した後、乾燥工程等で溶媒を除去して基材上に担持したものであった。これでは触媒層と基材との密着が不十分であるため、基材が腐食や、高電流密度で長時間稼動するような高負荷環境下で、触媒粒子が徐々に脱離して触媒活性能が低下するなど、耐久性に重大な課題があった。さらに、Ir微粒子が凝集し、比表面積が低下するとともに、電極反応に不可欠な物質輸送が阻害され、十分な水電解効率が得られないという課題もあった。   One major issue for the spread of PEEC is cost reduction by reducing the amount of noble metal catalyst used. In general, in order to ensure sufficient durability and water electrolysis performance, a Pt nanoparticle catalyst is used as the cathode of PEEC, and a particulate Ir-based catalyst is used as the anode. In particular, the anode was made of Ir black or Ir oxide powder, and the powder was slurried with a solvent and applied onto the substrate, and then the solvent was removed by a drying process or the like and supported on the substrate. Since the contact between the catalyst layer and the substrate is insufficient, the catalyst particles gradually desorb in a high load environment where the substrate is corroded or operated at a high current density for a long time. As a result, there was a serious problem in durability. Furthermore, Ir fine particles are aggregated, the specific surface area is reduced, and mass transport indispensable for the electrode reaction is inhibited, so that sufficient water electrolysis efficiency cannot be obtained.

これに対し、本発明者らの触媒技術では、真空成膜法で基材上に触媒をスパッタすることで、基板との密着強度を確保し、少量の触媒量で比較的高い耐久性を得ることが出来る。また、造孔材を用いて触媒層への空孔導入および触媒を含まない空隙層を交互に積み上げた積層体構造により、電解反応に寄与する比表面積と物質輸送効率が増大し、少ない貴金属量でも十分な電解効率が得られている。   On the other hand, in the catalyst technology of the present inventors, a catalyst is sputtered on a base material by a vacuum film forming method, thereby ensuring adhesion strength with a substrate and obtaining relatively high durability with a small amount of catalyst. I can do it. In addition, the layered structure in which pores are introduced into the catalyst layer and pore layers that do not contain catalyst are alternately stacked using a pore former increases the specific surface area contributing to the electrolytic reaction and the mass transport efficiency, and reduces the amount of noble metals However, sufficient electrolysis efficiency is obtained.

特開2012−204221号公報JP 2012-204221 A 特開2010−33759号公報JP 2010-33759 A 特開2016−62857号公報JP-A-2006-62857

本発明が解決しようとする課題は、より強度および物質輸送効率を確保した積層構造を実現し、少ない貴金属量でも十分な耐久性と水電解性能が得られる触媒積層体、膜電極複合体、電気化学セル、およびスタックを提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to realize a laminated structure that secures higher strength and mass transport efficiency, and provides a catalyst laminated body, membrane electrode composite, electric, which can obtain sufficient durability and water electrolysis performance even with a small amount of noble metal It is to provide chemical cells and stacks.

実施形態の触媒積層体は、貴金属及び貴金属の酸化物の少なくとも一方と非貴金属及び非貴金属の酸化物の少なくとも一方を含む触媒層を複数備える触媒積層体であって、2以上の第1の触媒層と2以上の第2の触媒層を備え、触媒積層体の厚さ方向に対しエネルギー分散型X線分光法によるライン分析を用いて得られる前記貴金属の原子組成分率において、第1の触媒層は、貴金属の原子組成分率の最高値と最低値の平均未満である。第2の触媒層は、貴金属の原子組成分率がその最高値と最低値の平均以上である。第2の触媒層が第1の触媒層の間に存在している。   The catalyst stack of the embodiment is a catalyst stack including a plurality of catalyst layers including at least one of a noble metal and a noble metal oxide and at least one of a non-noble metal and a non-noble metal oxide, and two or more first catalysts A first catalyst in the atomic composition fraction of the noble metal obtained using line analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy in the thickness direction of the catalyst stack. The layer is below the average of the highest and lowest atomic composition fractions of the noble metal. In the second catalyst layer, the atomic composition fraction of the noble metal is equal to or higher than the average of the highest value and the lowest value. A second catalyst layer is present between the first catalyst layers.

従来の触媒積層体のSEM画像。The SEM image of the conventional catalyst laminated body. 実施例1に係るEDSライン分析の一例の図。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an EDS line analysis according to the first embodiment. 実施例1に係るHAADF像。1 is an HAADF image according to Example 1; 図3の一部拡大図。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. 図4の二値化画像。The binarized image of FIG. 触媒層における触媒量測定概略図。The catalyst amount measurement schematic in a catalyst layer. 第2の実施形態に係る膜電極複合体(MEA)の断面図。Sectional drawing of the membrane electrode assembly (MEA) which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る触媒積層体及び電極の製造方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the manufacturing method of the catalyst laminated body and electrode which concern on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る電気化学セルの断面図。Sectional drawing of the electrochemical cell which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係るスタックの断面図。Sectional drawing of the stack which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る水電解装置を示す図。The figure which shows the water electrolysis apparatus which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施形態の水素利用システムを示す図。The figure which shows the hydrogen utilization system of 6th Embodiment. 第7の実施形態の水素利用システムを示す図。The figure which shows the hydrogen utilization system of 7th Embodiment.

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the embodiment, and its shape, dimensions, ratio, etc. are different from the actual device, but these are the following explanations and known techniques. The design can be changed as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、従来の触媒積層体のSEM画像である。図1で示すような空隙層122と触媒層121を2層以上交互に積層した触媒積層体構造は、比較的高い耐久性と高比表面積を持つ電極として開発されている。しかしながら、水電解用アノードに関しては、数ナノメートル〜数十ナノメートル厚みの触媒層121の端部同士が部分的に結合し、実質的に全ての触媒層121は基材に拘束されている。これにより、積層方向の圧力に対して変形が抑制された安定な構造体となり、比較的高い耐久性を得ることが可能となっている。しかし、高電流、高温、高圧下に連続的に曝されると構造にかかる負荷が大きく、物質輸送効率の維持しつつ持耐久性を向上させることについて改良の余地があった。
(First embodiment)
FIG. 1 is an SEM image of a conventional catalyst laminate. A catalyst laminate structure in which two or more void layers 122 and catalyst layers 121 are alternately laminated as shown in FIG. 1 has been developed as an electrode having relatively high durability and high specific surface area. However, regarding the anode for water electrolysis, the ends of the catalyst layer 121 having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers are partially bonded to each other, and substantially all the catalyst layers 121 are constrained by the base material. Thereby, it becomes a stable structure in which deformation is suppressed with respect to the pressure in the stacking direction, and relatively high durability can be obtained. However, the load on the structure is large when continuously exposed to high current, high temperature, and high pressure, and there is room for improvement in improving durability while maintaining mass transport efficiency.

発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究した結果、第1の実施形態に係る触媒積層体を発明した。   As a result of intensive studies to solve this problem, the inventors have invented the catalyst laminate according to the first embodiment.

本実施形態によると、触媒積層体10が提供される。この触媒積層体10は貴金属及び貴金属の酸化物の少なくとも一方と非貴金属及び非貴金属の酸化物の少なくとも一方を含む触媒層を複数備える触媒積層体10である。   According to this embodiment, a catalyst laminate 10 is provided. The catalyst stack 10 is a catalyst stack 10 including a plurality of catalyst layers including at least one of a noble metal and a noble metal oxide and at least one of a non-noble metal and a non-noble metal oxide.

この触媒層とは、触媒積層体10断面を、後述するエネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDS)ライン分析において測定される貴金属原子の組成分率が最高値と最低値の平均未満の組成分率を持つ層(第1の触媒層:A1層11)と、貴金属原子の組成分率の最高値と最低値の平均以上の組成分率を持つ層(第2の触媒層:A2層12)を含む層のことである。   This catalyst layer is the highest and lowest compositional fractions of noble metal atoms measured in a cross section of the catalyst laminate 10 in an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) line analysis described later. A layer having a composition fraction lower than the average (first catalyst layer: A1 layer 11), and a layer having a composition fraction higher than the average of the highest and lowest composition fractions of noble metal atoms (second catalyst). Layer: A2 layer including 12).

触媒積層体10は、2以上の第1の触媒層11と1以上の第2の触媒層12を備える。第1の触媒層11と第2の触媒層12は、交互に配置される。第2の触媒層12は、第1の触媒層11の間に配置される。なお、第1の触媒層11と第2の触媒層12が直接的に接していることが好ましい。   The catalyst stack 10 includes two or more first catalyst layers 11 and one or more second catalyst layers 12. The first catalyst layer 11 and the second catalyst layer 12 are alternately arranged. The second catalyst layer 12 is disposed between the first catalyst layers 11. The first catalyst layer 11 and the second catalyst layer 12 are preferably in direct contact with each other.

図2は、EDSライン分析で得られたチャート(図)の一例であり、横軸は深さ方向の距離(nm)、縦軸は原子組成分率(atom%)であり、Ir量とNi量の合計を100%とした場合のIrとNiそれぞれの原子組成分率を示している。図2において、A1層11の間にA2層12が存在するように、交互に積み重なった積層体構造であることから、触媒積層体10の変形を防ぎ、高い強度を確保することができ、かつ少ない貴金属量でも、高電流、高温、高圧の高負荷環境下において安定に存在することができる。なお、図2において、測定深さは、70nm程度までの結果の一部をチャートに示している。70nmよりも深い領域においても、A1層11とA2層12が交互に存在している。   FIG. 2 is an example of a chart (figure) obtained by EDS line analysis, where the horizontal axis represents the distance in the depth direction (nm), the vertical axis represents the atomic composition fraction (atom%), the Ir amount and Ni The atomic composition fractions of Ir and Ni are shown when the total amount is 100%. In FIG. 2, since it is a laminated structure in which the A2 layers 12 are alternately stacked between the A1 layers 11, the catalyst laminated body 10 can be prevented from being deformed and high strength can be secured, and Even a small amount of noble metal can exist stably in a high load environment of high current, high temperature and high pressure. In FIG. 2, the measurement depth shows a part of the result up to about 70 nm in the chart. Even in a region deeper than 70 nm, the A1 layers 11 and the A2 layers 12 are alternately present.

さらに、A1層11、A2層12ともにnmオーダーの隙間を有した構造であり、比表面積を増大させることができるため、物質輸送をスムーズに行うことができ、触媒活性を向上させることができる。   Furthermore, since both the A1 layer 11 and the A2 layer 12 have a structure with a gap on the order of nm, and the specific surface area can be increased, the material transport can be performed smoothly and the catalytic activity can be improved.

触媒層について詳しく説明する。
本実施形態の触媒層に採用される触媒材料は、電極反応に応じて他の添加物を適宜選択することができる。触媒活性と耐久性の観点から、貴金属または貴金属酸化物触媒が含まれ、触媒層に含まれる貴金属元素はIr、Pt、Ru、Rh、Os、PdおよびAuからなる群から選択される少なくとも1種以上である。また安定した強固な積層構造を形成する観点から、非貴金属またはその酸化物が含まれ、触媒層に含まれる非貴金属元素は、Fe、Co、Ni、Mn、Al、Zn、Ta、W、Hf、Si、Mo、Ti、Zr、Nb、V、Cr、SnおよびSrからなる群から選択される少なくとも1種以上である。
The catalyst layer will be described in detail.
As the catalyst material employed in the catalyst layer of the present embodiment, other additives can be appropriately selected according to the electrode reaction. From the viewpoint of catalytic activity and durability, a noble metal or noble metal oxide catalyst is included, and the noble metal element contained in the catalyst layer is at least one selected from the group consisting of Ir, Pt, Ru, Rh, Os, Pd and Au. That's it. Further, from the viewpoint of forming a stable and strong laminated structure, non-noble metals or oxides thereof are included, and non-noble metal elements contained in the catalyst layer are Fe, Co, Ni, Mn, Al, Zn, Ta, W, Hf. , Si, Mo, Ti, Zr, Nb, V, Cr, Sn, and Sr.

触媒層の形状、原子比、元素分布については、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)像や、蛍光X線分析法(X-ray Fluorescence:XRF)の他、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)の元素マッピングおよびTEMの高角度散乱暗視野法(High-Angle Annular Dark Field image:HAADF)、エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDS)ライン分析によって確認できる。   Regarding the shape, atomic ratio, and element distribution of the catalyst layer, in addition to a scanning electron microscope (SEM) image, X-ray fluorescence (XRF), and a transmission electron microscope (Transmission Electron) It can be confirmed by elemental mapping of Microscope (TEM) and TEM High-Angle Angular Dark Field image (HAADF), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) line analysis .

本実施形態では、特に触媒層の厚さが薄いことから、HAADF像およびEDSライン分析法を用いた。その測定方法を説明する。   In the present embodiment, since the thickness of the catalyst layer is particularly thin, the HAADF image and the EDS line analysis method were used. The measurement method will be described.

図3は実施例1の触媒積層体10のHAADF像である。HAADF像は、円環状検出器で広角に散乱された電子を取得、信号強度を元に画像を出力したもので、散乱角θは原子番号Zに依存、出力像もZに依存したコントラストを持ち、重い元素の識別に有効である。   FIG. 3 is a HAADF image of the catalyst laminate 10 of Example 1. The HAADF image is obtained by acquiring electrons scattered at a wide angle by an annular detector and outputting an image based on the signal intensity. The scattering angle θ depends on the atomic number Z, and the output image has a contrast dependent on Z. It is effective for identifying heavy elements.

試料はHAADF像を用いた観察を行うため、樹脂で包埋し、厚さ0.1μmに加工する。図3より、本実施形態に係る触媒積層体10は、ほぼ均一な層状の触媒層が積層された構成であることが分かる。図4は後述する図3のHAADF像の一部を高倍率で観察した像である。図4ではA2層12に複数のピラー13を観察することができる。このピラー13について詳しくは後述する。   In order to perform observation using a HAADF image, the sample is embedded in a resin and processed to a thickness of 0.1 μm. From FIG. 3, it can be seen that the catalyst laminate 10 according to the present embodiment has a configuration in which substantially uniform layered catalyst layers are laminated. FIG. 4 is an image obtained by observing a part of the HAADF image of FIG. In FIG. 4, a plurality of pillars 13 can be observed in the A2 layer 12. Details of the pillar 13 will be described later.

触媒層の非貴金属原子組成分率(atom%)および貴金属原子組成分率(atom%)を求めるためEDSライン分析による元素組成分析を行う。この測定方法について説明する。EDSライン分析においては、加速電圧を15kV程度とすることが好ましい。   In order to obtain the non-noble metal atomic composition fraction (atom%) and the noble metal atomic composition fraction (atom%) of the catalyst layer, elemental composition analysis is performed by EDS line analysis. This measuring method will be described. In the EDS line analysis, the acceleration voltage is preferably about 15 kV.

この測定では、貴金属および非貴金属の原子組成を測定する。まず、20サンプル分のHAADF像を作製する。このようにして得たサンプルそれぞれに対して、HAADF像から膜電極接合体の基材に沿って水平方向に10nmずつの間隔でそれぞれ深さ方向(基材方向)にEDSライン分析を行う。各ラインの結果に基づいて、貴金属原子の組成分率の最高値と最低値を求め、それらの平均未満の組成分率を持つ層をA1層11とし、組成分率の最高値と最低値の平均以上の組成分率を持つ層をA2層12とし、それぞれの境目をつなぎ合わせることで、A1層11とA2層12の境界線を明確化する。なお、貴金属や非貴金属をそれぞれ2種類以上用いて触媒積層体を作製した場合でも、EDSライン分析における貴金属の原子組成分率の最高値は、それぞれの貴金属における合計値(例えば、貴金属Aの最大値+貴金属Bの最大値)を用いて算出する。これは、貴金属の原子組成分率の最低値においても同様に算出する。   In this measurement, the atomic composition of noble metals and non-noble metals is measured. First, HAADF images for 20 samples are prepared. For each of the samples thus obtained, EDS line analysis is performed in the depth direction (base material direction) at intervals of 10 nm in the horizontal direction along the base material of the membrane electrode assembly from the HAADF image. Based on the result of each line, the maximum value and the minimum value of the composition fraction of the noble metal atoms are obtained, and the layer having a composition fraction less than the average of them is designated as A1 layer 11, and the maximum value and the minimum value of the composition fraction are A layer having a composition fraction higher than the average is defined as A2 layer 12, and the boundary line between A1 layer 11 and A2 layer 12 is clarified by connecting the boundaries. Even when a catalyst laminate is produced using two or more kinds of noble metals and non-noble metals, the maximum value of the atomic composition fraction of noble metals in the EDS line analysis is the sum of the noble metals (for example, the maximum of noble metals A). Value + maximum value of precious metal B). This is calculated in the same way for the minimum value of the atomic composition fraction of the noble metal.

EDSライン分析より、それぞれの層での非貴金属比率Rm、つまりA1層11、A2層12それぞれの(非貴金属組成分率)/(貴金属組成分率)の比Rm(A1)、Rm(A2)を求める。Rm(A1)は0.1以上1.0以下の間であることが好ましい。これは、非貴金属が残存することで助触媒作用が起こり、活性が増加するためである。しかし、非貴金属の割合が小さすぎる(Rm(A1)が0.1より小さい)と、助触媒の効果が少なく更には適度な空隙(触媒が存在しない部分)を持った構造を維持しにくくなるため好ましくなく、また非貴金属の割合が多すぎる (Rm(A1)が1.0より大きい)と膜電極複合体20において、電解質膜23の中に貴金属が溶け出し、電解質膜23のプロトン伝導を阻害するため好ましくない。Rm(A1)が0.2以上0.8以下の範囲にあると、より触媒活性を向上することができ、またプロトン伝導の低下を抑制することができるため、より好ましい。またRm(A2)は0.01以上0.45以下の範囲であることが好ましい。非貴金属の割合が小さすぎる(Rm(A2)が0.01より小さい)と、空隙の量が少なく水や酸素などの物質の拡散が遅くなり、非貴金属の割合が多い(Rm(A2)が0.45より大きい)と電気化学セル運転中に非貴金属が溶け出し、A2層12が潰れて物質輸送性能が低下するためである。また、Rm(A2)の範囲は0.05以上0.4以下の範囲がより好ましい。これは0.05以上だと非貴金属の助触媒作用により触媒活性が上昇し全体の特性が向上し、0.4以下ではA2層12の潰れをさらに抑制することができるので、触媒積層体10の耐久性を向上することができる。   From the EDS line analysis, the ratio of non-noble metal Rm in each layer, that is, the ratio of (non-noble metal composition fraction) / (noble metal composition fraction) of each of the A1 layer 11 and A2 layer Rm (A1), Rm (A2) Ask for. Rm (A1) is preferably between 0.1 and 1.0. This is because cocatalysis occurs due to the remaining non-noble metal, and the activity increases. However, if the proportion of non-noble metals is too small (Rm (A1) is smaller than 0.1), the effect of the promoter is small and it becomes difficult to maintain a structure having appropriate voids (portions where no catalyst is present). Therefore, it is not preferable, and if the ratio of non-noble metal is too large (Rm (A1) is greater than 1.0), noble metal dissolves into the electrolyte membrane 23 in the membrane electrode assembly 20, and proton conduction of the electrolyte membrane 23 is prevented. Since it inhibits, it is not preferable. When Rm (A1) is in the range of 0.2 or more and 0.8 or less, the catalytic activity can be further improved and the decrease in proton conduction can be suppressed, which is more preferable. Rm (A2) is preferably in the range of 0.01 to 0.45. If the ratio of non-noble metals is too small (Rm (A2) is smaller than 0.01), the amount of voids is small and the diffusion of substances such as water and oxygen is slow, and the ratio of non-noble metals is large (Rm (A2) is This is because the non-noble metal melts during operation of the electrochemical cell, and the A2 layer 12 is crushed and the mass transport performance is lowered. The range of Rm (A2) is more preferably 0.05 or more and 0.4 or less. If this is 0.05 or more, the catalytic activity increases due to the cocatalyst action of the non-noble metal and the overall characteristics are improved. It is possible to improve the durability.

安定性の観点からA1層11の平均厚さがA2層12の平均厚さよりも厚くなることが好ましい。同観点から、A1層11の平均厚さがA2層12の平均厚さの1.5倍以上、2.0倍以下であることがより好ましい。またA1層11が厚くなるほどA1層11の内部を移動する物質の拡散性が悪くなる一方で、A1層11が薄すぎると変形しやすく、長期安定性が確保できないため、A1層11の平均厚さは4nm以上35nm以下が好ましい。   From the viewpoint of stability, the average thickness of the A1 layer 11 is preferably larger than the average thickness of the A2 layer 12. From the same viewpoint, the average thickness of the A1 layer 11 is more preferably 1.5 times or more and 2.0 times or less than the average thickness of the A2 layer 12. Further, as the A1 layer 11 becomes thicker, the diffusibility of the substance moving inside the A1 layer 11 becomes worse. On the other hand, if the A1 layer 11 is too thin, it is easily deformed and long-term stability cannot be secured. The thickness is preferably 4 nm or more and 35 nm or less.

A2層12が厚くなるほどA2層12の内部を移動する物質の拡散性が良くなる一方で、A2層12が厚過ぎると電気化学セル運転中やホットプレス時にA2層12が潰れて安定性が悪くなるため、A2層12の平均厚さは2nm以上34nm以下が好ましい。A1層11の平均厚さは10nm以上25nm以下、A2層12の平均厚さは5nm以上20nm以下の範囲にあると、触媒積層体10の安定性と拡散性を更に向上することができるため、より好ましい。   The thicker the A2 layer 12 is, the better the diffusibility of the substance moving inside the A2 layer 12 is. On the other hand, if the A2 layer 12 is too thick, the A2 layer 12 is crushed during electrochemical cell operation or hot pressing, resulting in poor stability. Therefore, the average thickness of the A2 layer 12 is preferably 2 nm or more and 34 nm or less. When the average thickness of the A1 layer 11 is 10 nm or more and 25 nm or less, and the average thickness of the A2 layer 12 is in the range of 5 nm or more and 20 nm or less, the stability and diffusibility of the catalyst laminate 10 can be further improved. More preferred.

A1層11、A2層12の1層ずつの平均厚みは、EDSライン分析より求めることができる。なお、A1層11の平均厚さとは、ライン分析から求めた境界線より算出したA1層11の1層あたりの厚さの平均値である。また、A2層12の平均厚さとは、ライン分析から求めた境界線より算出したA2層12の1層あたりの厚さの平均値である。   The average thickness of each of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 can be determined by EDS line analysis. In addition, the average thickness of the A1 layer 11 is an average value of the thickness per one layer of the A1 layer 11 calculated from the boundary line obtained from the line analysis. Moreover, the average thickness of the A2 layer 12 is an average value of the thickness per one layer of the A2 layer 12 calculated from the boundary line obtained from the line analysis.

触媒積層体10の基材側への物質輸送を促進するためには、触媒積層体10全体の厚みを薄くすることが有効である。この物質輸送が促進されることで、基材側の触媒を用いることができ、触媒積層体10の全体としての活性を向上することができる。そのため、例えばA2層12の厚さが一定であり、かつ触媒積層体10の全体における貴金属量が一定の場合、触媒となる貴金属量の多いA1層11の1層あたりを厚くする方が、触媒積層体10を通り基材へ拡散する物質の移動距離を短くすることができ、触媒積層体10の全体としての活性を向上することができる。しかし、先述したようにA1層11の1層あたりの厚みが増すと、物質拡散性が抑制されるため、好ましくない。   In order to promote the material transport to the base material side of the catalyst laminate 10, it is effective to reduce the thickness of the entire catalyst laminate 10. By promoting this material transport, the catalyst on the substrate side can be used, and the activity of the entire catalyst stack 10 can be improved. Therefore, for example, when the thickness of the A2 layer 12 is constant and the amount of noble metal in the entire catalyst stack 10 is constant, it is preferable to increase the thickness of one layer of the A1 layer 11 having a large amount of noble metal serving as a catalyst. The moving distance of the substance that diffuses through the laminate 10 to the base material can be shortened, and the activity of the catalyst laminate 10 as a whole can be improved. However, as described above, if the thickness per layer of the A1 layer 11 is increased, the material diffusibility is suppressed, which is not preferable.

そのため、本実施形態では、A1層11を触媒積層体10としての活性と物質拡散性を向上できる厚みにし、かつA2層12は物質輸送を阻害しない最低の厚みにすることができるため、触媒積層体10の全体の活性を向上させながら、触媒積層体10の全体の厚みを薄くすることができる。   Therefore, in this embodiment, since the A1 layer 11 can be made to have a thickness that can improve the activity and the substance diffusibility as the catalyst laminate 10, and the A2 layer 12 can be made the minimum thickness that does not inhibit the substance transport, The overall thickness of the catalyst stack 10 can be reduced while improving the overall activity of the body 10.

触媒積層体10の製造方法詳細は後述するが、これら積層構造体は多元スパッタにより貴金属と非貴金属の混合層を積層させ、その後エッチングにより、ある程度の非貴金属を洗い流すことで製造できる。エッチング前の構造に関してはスパッタ時の出力比と、スパッタ時間に比例するが、エッチングすることで非貴金属が溶出し、A1層11及びA2層12が潰れ、それぞれ収縮する傾向にある。非貴金属の割合が多い場合にはA1層11及びA2層12ともに非貴金属のA1層11及びA2層12の非貴金属比率(Rm)は高くなる。しかし、非貴金属はエッチングで溶けやすいため、それぞれの層で非貴金属が多すぎる場合であっても、非貴金属比率が高くなり続けることはなく、一定以上にはならない。
しかし、多量の非貴金属がA1層11及びA2層12に存在すると、エッチングに用いる溶液の濃度が薄い場合や、エッチングの時間が短い場合は、エッチングが十分に行えずA1層11及びA2層12の非貴金属比率(Rm)が高くなる傾向がある。また、エッチングに用いる溶液の濃度を濃くした場合や、エッチングの時間を長くした場合では、A1層11及びA2層12の非貴金属比率(Rm)が小さくなる傾向が見られる。触媒積層体10全体の厚みを押さえつつ、触媒積層体10の含有する触媒量を増加させる構造を実現するためには、前述したA1層11、A2層12の厚さの範囲になることと、Rm(A1)>Rm(A2)になることがより好ましい。Rm(A1)>Rm(A2)とすることで、急激な変形を抑制できることから耐久性向上にも寄与することができる。
Although details of the manufacturing method of the catalyst stack 10 will be described later, these stacked structures can be manufactured by laminating a mixed layer of noble metal and non-noble metal by multi-source sputtering and then washing away some non-noble metal by etching. Although the structure before etching is proportional to the output ratio at the time of sputtering and the sputtering time, non-noble metals are eluted by etching, and the A1 layer 11 and the A2 layer 12 tend to collapse and contract. When the proportion of non-noble metal is large, the non-noble metal ratio (Rm) of the non-noble metal A1 layer 11 and A2 layer 12 is high in both the A1 layer 11 and the A2 layer 12. However, since non-noble metals are easily dissolved by etching, even when there are too many non-noble metals in each layer, the ratio of non-noble metals does not continue to increase and does not exceed a certain level.
However, if a large amount of non-noble metal is present in the A1 layer 11 and the A2 layer 12, if the concentration of the solution used for etching is low or the etching time is short, the etching cannot be performed sufficiently and the A1 layer 11 and the A2 layer 12 The non-noble metal ratio (Rm) tends to increase. Further, when the concentration of the solution used for etching is increased or when the etching time is increased, the non-noble metal ratio (Rm) of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 tends to decrease. In order to realize a structure that increases the amount of catalyst contained in the catalyst stack 10 while suppressing the overall thickness of the catalyst stack 10, the thickness ranges of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 described above, More preferably, Rm (A1)> Rm (A2). By satisfying Rm (A1)> Rm (A2), since rapid deformation can be suppressed, it is possible to contribute to improving durability.

次にA1層11、A2層12に存在する触媒の存在を測定する方法を説明する。
まず、TEMで撮像する。撮像において、膜電極複合体の基材の長辺と短辺の交わるところから10%以内の20カ所を観察する。観察部はTEM撮像において視野が200nm×200nmになるように適宜倍率を設定する。
Next, a method for measuring the presence of the catalyst present in the A1 layer 11 and the A2 layer 12 will be described.
First, an image is taken with a TEM. In imaging, 20 locations within 10% are observed from where the long side and short side of the substrate of the membrane electrode assembly intersect. The observation unit appropriately sets the magnification so that the field of view becomes 200 nm × 200 nm in TEM imaging.

こうして得たTEM画像において、A1層11、A2層12に存在する触媒の存在を確認するには、白黒コントラスト比を求めることが有効である。TEM画像において白黒コントラスト比を求めることで、図5で示すように、白色に近い領域では触媒が存在していることを示し、触媒が存在しない部分は黒色で示される。以下に述べるTEM画像を用いた解析を行い、その構造上の特徴を明らかにする。TEM観察に用いた装置および分析条件、および画像解析に用いたソフトウエアは以下の通りである。
[TEM測定条件]
InstructName=TalosF200X(FEI社製)
AcceleratingVoltage=200,000V
Magnification=320,000
[TEM画像解析用ソフト]
PhotoImpact(COREL社製品)
Image-Pro plus(Media Cybernetics社製)
In order to confirm the presence of the catalyst present in the A1 layer 11 and the A2 layer 12 in the TEM image obtained in this way, it is effective to obtain the black and white contrast ratio. By obtaining the black-and-white contrast ratio in the TEM image, as shown in FIG. 5, it is shown that the catalyst is present in a region close to white, and the portion where no catalyst is present is shown in black. Analysis using the TEM image described below is performed to clarify the structural features. The apparatus and analysis conditions used for TEM observation and the software used for image analysis are as follows.
[TEM measurement conditions]
InstructName = TalosF200X (made by FEI)
AcceleratingVoltage = 200,000V
Magnification = 320,000
[TEM image analysis software]
PhotoImpact (COREL product)
Image-Pro plus (Media Cybernetics)

以下、画像解析方法について説明する。まず、TEM観察により触媒積層体10断面のTEM画像を得た。これを、画像編集ソフトPhotoImpactを用い、モノクロ2値(解像度:現在のイメージ、形状:なし)により触媒が存在しない部分を黒、触媒部分を白に表示されるようにした。こうして得られた画像を、TEM像のA1層11、A2層12それぞれの範囲で画像解析ソフトImage-Pro Plusを用いて自動計測機能(黒い部分と白い部分の比率を計測)を行った。これにより触媒の存在しない部分(領域A)と触媒の存在する部分(領域B)の比率(領域A÷(領域A+領域B)×100)を求める。   Hereinafter, the image analysis method will be described. First, a TEM image of the cross section of the catalyst laminate 10 was obtained by TEM observation. Using the image editing software PhotoImpact, a monochrome binary (resolution: current image, shape: none) is displayed in black where the catalyst does not exist and white in the catalyst portion. The image thus obtained was subjected to an automatic measurement function (measurement of the ratio of the black part to the white part) using image analysis software Image-Pro Plus in the respective ranges of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 of the TEM image. Thus, the ratio (area A ÷ (area A + area B) × 100) of the portion where the catalyst does not exist (region A) and the portion where the catalyst exists (region B) is obtained.

このときA1層11、A2層12それぞれの範囲は、図6で示すように、EDSライン分析で求めた各層の厚さと、その厚さと直交する直線であって、TEM像の幅で「囲み」で示された範囲である。   At this time, as shown in FIG. 6, the ranges of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 are the thickness of each layer obtained by EDS line analysis and a straight line orthogonal to the thickness, and are “enclosed” by the width of the TEM image. Is the range indicated by.

TEM像におけるそれぞれのA1層11の触媒が存在しない部分は面積比率で30%以上90%未満が好ましい。これは、30%以上だとA1層11の中を移動する物質の拡散抵抗を抑制することができ、90%未満であれば、A1層11の構造耐久性を保つことができるためである。より好ましい範囲は50%以上80%未満である。この範囲であれば、A1層11の中を移動する物質の拡散抵抗を抑制と、構造耐久性をより効率よく両立することができる。   In the TEM image, the portion of each A1 layer 11 where the catalyst is not present is preferably 30% or more and less than 90% by area ratio. This is because if 30% or more, the diffusion resistance of the substance moving in the A1 layer 11 can be suppressed, and if it is less than 90%, the structural durability of the A1 layer 11 can be maintained. A more preferable range is 50% or more and less than 80%. Within this range, it is possible to suppress the diffusion resistance of the substance moving in the A1 layer 11 and to achieve both structural durability more efficiently.

A2層12において、触媒が存在しない部分は、面積比率で30%以上95%以下であることが好ましい。これは30%未満だと触媒が存在しない部分が小さく、反応に必要な水や発生する酸素の物質輸送が遅くなり過電圧上昇を引き起こすためである。また、触媒が存在しない部分が95%より大きいと、構造が脆く、長期運転において構造が潰れ、物質拡散が遅くなり過電圧上昇を引き起こすためである。A2層12において、触媒が存在しない部分が35%以上70%以下であることがより好ましい。この範囲にあることで、物質輸送が遅くなることで引き起こされる過電圧上昇を、より効率よく抑えることができる。   In the A2 layer 12, the area where the catalyst is not present is preferably 30% or more and 95% or less by area ratio. This is because, if it is less than 30%, the portion where the catalyst does not exist is small, and the transport of water necessary for the reaction and the generated oxygen is slowed, resulting in an increase in overvoltage. Further, if the portion where the catalyst is not present is larger than 95%, the structure is brittle, the structure is crushed in a long-term operation, the substance diffusion is delayed, and an overvoltage rise is caused. In the A2 layer 12, the portion where the catalyst is not present is more preferably 35% or more and 70% or less. By being in this range, it is possible to more efficiently suppress an overvoltage increase caused by slowing of material transport.

図5で示されるように、A2層12にはA1層11どうしをつなぐように触媒が存在することがある。この触媒部分をピラー13と呼ぶ。このピラー13が存在することで、長期運転において、ピラー13がA2層12における支柱のような役割を果たすことで、A2層12の厚さを保持することができ、A1層11どうしを接続させることができるため、A1層11の剥離を防ぐことができる。   As shown in FIG. 5, a catalyst may exist in the A2 layer 12 so as to connect the A1 layers 11 together. This catalyst portion is called a pillar 13. The presence of this pillar 13 allows the pillar 13 to play a role like a support in the A2 layer 12 in long-term operation, so that the thickness of the A2 layer 12 can be maintained, and the A1 layers 11 are connected to each other. Therefore, peeling of the A1 layer 11 can be prevented.

本実施形態が提供する触媒積層体10は、A1層11は貴金属原子の組成を制御し、かつ最適な厚みを保ち、一方でA2層12は反応および生成物質が拡散できる最低限の厚みまで薄くし、さらに貴金属原子と非貴金属原子の組成比を制御した構造をもつことで、少ない貴金属量でも強度および物質輸送効率を確保した積層構造を実現することができる。   In the catalyst laminate 10 provided by the present embodiment, the A1 layer 11 controls the composition of noble metal atoms and maintains an optimum thickness, while the A2 layer 12 is thin to the minimum thickness that allows reaction and product to diffuse. Furthermore, by having a structure in which the composition ratio of noble metal atoms and non-noble metal atoms is controlled, it is possible to realize a laminated structure that ensures strength and mass transport efficiency even with a small amount of noble metal.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、図7で示す通り、第1の実施形態に係る触媒積層体10を備える膜電極複合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)20が提供される。MEA20は、第1の電極21および第2の電極22と、これらの間に配置された電解質膜23により構成される。
(Second Embodiment)
In 2nd Embodiment, as shown in FIG. 7, the membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly: MEA) 20 provided with the catalyst laminated body 10 which concerns on 1st Embodiment is provided. The MEA 20 includes a first electrode 21 and a second electrode 22 and an electrolyte membrane 23 disposed therebetween.

電解質膜23と隣接する第1の電極21は、図面上から順に、第1のガス拡散層(基材)21B、第1触媒積層体21Aが配置されている。第2の電極22は、図面下から順に、第2のガス拡散層(基材)22B、第2触媒積層体22Aが配置されている。触媒積層体10は基材上に配置されている。   In the first electrode 21 adjacent to the electrolyte membrane 23, a first gas diffusion layer (base material) 21B and a first catalyst laminate 21A are arranged in order from the drawing. In the second electrode 22, a second gas diffusion layer (base material) 22B and a second catalyst laminate 22A are arranged in order from the bottom of the drawing. The catalyst laminate 10 is disposed on the substrate.

まず、このMEA20を構成する基材、電解質膜について順に説明する。   First, the base material and the electrolyte membrane constituting the MEA 20 will be described in order.

<基材>
電極の基材は、多孔性と導電性が一般的に要求される。水電解セルのアノードとして使用される場合は耐久性を確保するためチタン材料が一般的に採用されている。基材の形態については特に限定しないが、チタンメッシュ、チタン繊維からなるクロース、チタン不織布、チタン焼結体などが挙げられる。多孔質基材の開口率、特に触媒積層体10に接する部分の構造などの調整、またはブラスト処理など基材の表面処理によって水電解性能を向上させる場合がある。触媒積層体10への水供給、電極反応生成物の排出などがスムーズになり、触媒積層体10における電極反応が促進されたためと考えられる。基材の上に他のコーティング層を付けても良い。導電性のある緻密なコーティング層によって電極の耐久性を大きく向上させる場合がある。コーティング層は特に限定されないが、金属材料、酸化物、窒化物などセラミックス材料、カーボンなどを使用できる。
<Base material>
The electrode substrate is generally required to be porous and conductive. When used as an anode of a water electrolysis cell, a titanium material is generally employed to ensure durability. Although it does not specifically limit about the form of a base material, The close which consists of a titanium mesh and a titanium fiber, a titanium nonwoven fabric, a titanium sintered compact, etc. are mentioned. The water electrolysis performance may be improved by adjusting the aperture ratio of the porous substrate, particularly the structure of the portion in contact with the catalyst laminate 10, or the surface treatment of the substrate such as blasting. This is probably because water supply to the catalyst stack 10 and discharge of the electrode reaction product were smoothed, and the electrode reaction in the catalyst stack 10 was promoted. You may attach another coating layer on a base material. In some cases, the durability of the electrode is greatly improved by the dense conductive layer. Although a coating layer is not specifically limited, Ceramic materials, such as a metal material, an oxide, and nitride, carbon, etc. can be used.

<電解質膜>
電解質膜は、イオン伝導性が要求されることが多い。プロトン伝導性を有する電解質膜としては、例えばスルホン酸基を有するフッ素樹脂(例えば、ナフィオン(デュポン社製)、フレミオン(旭化成社製)、およびアシブレック(旭硝子社製)など)や、炭化水素膜、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物を使用することができる。
<Electrolyte membrane>
The electrolyte membrane is often required to have ionic conductivity. Examples of the electrolyte membrane having proton conductivity include a fluororesin having a sulfonic acid group (for example, Nafion (manufactured by DuPont), Flemion (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Ashiblek (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.)), a hydrocarbon membrane, Inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid can be used.

電解質膜の厚さは、MEAの特性を考慮して適宜決定することができる。強度、耐溶解性およびMEAの出力特性の観点から、電解質膜の乾燥時の厚さは、好ましくは10μm以上200μm以下である。   The thickness of the electrolyte membrane can be appropriately determined in consideration of the characteristics of MEA. From the viewpoint of strength, dissolution resistance and MEA output characteristics, the thickness of the electrolyte membrane when dried is preferably 10 μm or more and 200 μm or less.

以下、図8を用いて本実施形態にかかる触媒積層体10を有する電極の製造方法及びMEAの構成と製造方法を説明する。   Hereafter, the manufacturing method of the electrode which has the catalyst laminated body 10 concerning this embodiment, and the structure and manufacturing method of MEA are demonstrated using FIG.

アノードについては、Ti基材21Bの上に、真空装置を用いて触媒材料を含む材料と造孔材材料を成膜し、触媒積層体10の前駆体を作製する。Ir酸化物系触媒積層体10の作製には、特にスパッタ装置を用いて、チャンバーに酸素ガスを添加するなどの反応スパッタ法が適している。この場合、スパッタリング時の電源パワー、基材温度などパラメータの最適化によって電極の耐久性と電気化学セルの特性を大きく向上させることが可能である(工程1)。   As for the anode, a material including a catalyst material and a pore former material are formed on the Ti base material 21B using a vacuum apparatus, and a precursor of the catalyst laminate 10 is produced. For the production of the Ir oxide-based catalyst laminate 10, a reactive sputtering method such as adding oxygen gas to a chamber using a sputtering apparatus is particularly suitable. In this case, it is possible to greatly improve the durability of the electrode and the characteristics of the electrochemical cell by optimizing parameters such as power source power and substrate temperature during sputtering (step 1).

次いで、酸やアルカリ等の薬剤による選択エッチングで触媒積層体10の前駆体から非貴金属を一部除去し、電極を得る(工程2)。   Next, a part of the non-noble metal is removed from the precursor of the catalyst laminate 10 by selective etching using a chemical such as acid or alkali to obtain an electrode (step 2).

基本的に、触媒積層体10の前駆体は、貴金属を主成分とする触媒材料と非貴金属からなる造孔材材料を同時にスパッタリングまたは蒸着によって順次下地の上に成膜する。成膜にあたっては、触媒積層体10のエッチング前の各層の貴金属と非貴金属の組成比、層数、層厚等を、前駆体成膜時の電源パワーやガス圧、触媒材料と造孔材料の成膜割合によって調整できる。詳しく述べると、貴金属出力が小さいほどA1層11およびA2層12の厚みは薄くなり、貴金属出力が大きいほどA1層11およびA2層12の厚みは厚くできる。さらに、酸やアルカリなどの薬液を用いた造孔材料のエッチングプロセスでも、触媒層膜厚、形状、触媒層中の組成比や、触媒積層体10の構造を調整できる。   Basically, as the precursor of the catalyst laminate 10, a catalyst material mainly composed of a noble metal and a pore former material composed of a non-noble metal are simultaneously formed on a base by sputtering or vapor deposition. In the film formation, the composition ratio, the number of layers, the layer thickness, etc., of the noble metal and the non-noble metal of each layer before etching of the catalyst laminate 10 are determined according to the power source power, gas pressure, catalyst material and pore forming material at the time of precursor film formation. It can be adjusted by the deposition rate. More specifically, the thickness of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 decreases as the noble metal output decreases, and the thickness of the A1 layer 11 and the A2 layer 12 increases as the noble metal output increases. Furthermore, the catalyst layer thickness, shape, composition ratio in the catalyst layer, and the structure of the catalyst laminate 10 can also be adjusted in the etching process of the pore forming material using a chemical solution such as acid or alkali.

また、造孔材を除去後、必要に応じて熱処理など後処理を実施することによっても触媒積層体10の構造の調整が可能で、これら積層体構造を恣意的に調整することによって、触媒活性と耐久性を向上させることが可能となる(工程3)。   Further, after removing the pore former, the structure of the catalyst laminate 10 can be adjusted by performing a post-treatment such as a heat treatment as necessary, and the catalyst activity can be adjusted by arbitrarily adjusting the laminate structure. And durability can be improved (step 3).

例えば、硝酸や塩酸、硫酸等の酸水溶液もしくは水酸化ナトリウムや水酸化カリウム、アンモニア等のアルカリ水溶液で時間と濃度、温度をパラメータとして洗浄することで、Rm(A1)およびRm(A2)の制御が可能となる。   For example, control of Rm (A1) and Rm (A2) by washing with acid aqueous solution such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid or the like or alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia, etc. with time, concentration and temperature as parameters. Is possible.

また、スパッタ後の触媒層の結晶構造がアモルファス状の場合もあるが、熱処理により結晶構造を配向させ、さらに触媒活性と耐久性を向上させることも出来る。
今まで酸化物系の触媒積層体10の作製方法を説明したが、酸化物を含まない触媒積層体10を作製する場合は、スパッタ時の環境に酸素を用いない以外、同様の方法で作製することができる。
Further, although the crystal structure of the catalyst layer after sputtering may be amorphous, the crystal structure can be oriented by heat treatment, and the catalytic activity and durability can be improved.
Although the manufacturing method of the oxide-based catalyst stack 10 has been described so far, when the catalyst stack 10 containing no oxide is manufactured, it is manufactured by the same method except that oxygen is not used for the environment during sputtering. be able to.

また、触媒積層体10のうち1層は貴金属と貴金属酸化物と非貴金属を含むが、他の層では貴金属と非貴金属のみといったように、層ごとに異なる組成を持たせた触媒積層体10も、スパッタ環境を変えることで同様に作製することができる。   Further, one layer of the catalyst laminate 10 includes a noble metal, a noble metal oxide, and a non-noble metal, but the other layer also includes a catalyst laminate 10 having different compositions such as a noble metal and a non-noble metal. It can be similarly produced by changing the sputtering environment.

基材によっては触媒積層体10を直接形成する場合が多いが、直接形成するプロセスによって、触媒積層体10と基材との間に緻密な界面層の形成が可能であり、基材保護層として基材の劣化を大幅に抑制することが可能である。   In many cases, depending on the substrate, the catalyst laminate 10 is directly formed. However, by the process of forming directly, a dense interface layer can be formed between the catalyst laminate 10 and the substrate. It is possible to greatly suppress the deterioration of the base material.

本実施形態に係るMEA20は、図7中の第1および第2の触媒積層体21A、22Aの少なくとも一方として前述の触媒積層体10を用いて、電解質膜23と結合させることで作製する。   The MEA 20 according to this embodiment is manufactured by using the above-described catalyst laminate 10 as at least one of the first and second catalyst laminates 21A and 22A in FIG.

一般的に加熱・加圧して触媒積層体10と電解質膜23を接合させ、MEA20を作製する。ME20の両極は共に触媒積層体10の形成基材がガス拡散層の場合は触媒積層体21Aと触媒積層体22Aを含む電極で電解質膜23を挟んで図7に示すように積層し、接合することによりMEA20が得られる。触媒積層体10の形成基材が転写用基材の場合は、加熱・加圧して転写用基材から触媒積層体10を電解質膜23に転写してから、触媒積層体10の上にガス拡散層を配置して、対極と接合させてMEA20を作製することができる。   In general, the catalyst laminate 10 and the electrolyte membrane 23 are joined by heating and pressurizing to produce the MEA 20. Both electrodes of the ME 20 are laminated and bonded as shown in FIG. 7 with the electrolyte membrane 23 sandwiched between electrodes including the catalyst laminate 21A and the catalyst laminate 22A when the base material of the catalyst laminate 10 is a gas diffusion layer. As a result, MEA 20 is obtained. When the formation substrate of the catalyst laminate 10 is a transfer substrate, the catalyst laminate 10 is transferred from the transfer substrate to the electrolyte membrane 23 by heating and pressing, and then gas diffusion is performed on the catalyst laminate 10. The MEA 20 can be fabricated by arranging the layers and bonding them to the counter electrode.

上記のような各部材の接合は、一般的には、ホットプレス機を使用して行われる。プレス温度は、第1の電極21、第2の電極22および電解質膜23において結着剤として使用される高分子電解質のガラス転移温度より高い温度であり、一般的には、100℃以上300℃以下である。プレス圧とプレス時間は、第1の電極21、第2の電極22の硬さに依存するが、一般的には、圧力が5kg/cm以上200kg/cm以下であり、時間が5秒から20分である。 Joining of each member as described above is generally performed using a hot press machine. The pressing temperature is higher than the glass transition temperature of the polymer electrolyte used as the binder in the first electrode 21, the second electrode 22 and the electrolyte membrane 23, and is generally 100 ° C. or higher and 300 ° C. It is as follows. The pressing pressure and the pressing time depend on the hardness of the first electrode 21 and the second electrode 22, but generally the pressure is 5 kg / cm 2 or more and 200 kg / cm 2 or less, and the time is 5 seconds. 20 minutes.

なお、触媒積層体10と電解質膜23との接合は以下のようなプロセスを採用しても良い。触媒積層体10付き基材の上に電解質膜23を形成し、その上に対極の触媒積層体10を付ける。基材はガス拡散層であればそのままMEA20として使用できる。基材は転写用基材である場合はガス拡散層を入れ替えてからMEA20として使用する。
本実施形態が提供するMEAは、第1の実施形態に係る触媒積層体を備えることで、強度および物質輸送効率を確保し、少ない貴金属量でも十分な耐久性と水電解性能を提供することができる。
It should be noted that the following process may be employed for joining the catalyst laminate 10 and the electrolyte membrane 23. The electrolyte membrane 23 is formed on the substrate with the catalyst laminate 10, and the counter electrode catalyst laminate 10 is attached thereon. If a base material is a gas diffusion layer, it can be used as MEA20 as it is. When the substrate is a transfer substrate, the gas diffusion layer is replaced before use as the MEA 20.
The MEA provided by the present embodiment includes the catalyst laminate according to the first embodiment, thereby ensuring strength and material transport efficiency, and providing sufficient durability and water electrolysis performance even with a small amount of noble metal. it can.

(第3の実施形態)
第3の実施形態によれば、第2の実施形態に係るMEAを備える電気化学セルが提供される。
(Third embodiment)
According to 3rd Embodiment, an electrochemical cell provided with MEA which concerns on 2nd Embodiment is provided.

図9は本実施形態にかかる電気化学セル300の構成を示す。MEAは、第1の電極31として基材31Bの上に触媒積層体31Aが形成され、第2の電極32として基材32Bの上に触媒積層体32Aが形成され、電解質膜33を挟んだ構成となっている。このMEAの両側に、ガスケット34、35を介して、集電板36、37と締め付け板38、39を取り付け、適当な圧力で締め付けることによって電気化学セル300を作製する。   FIG. 9 shows a configuration of an electrochemical cell 300 according to the present embodiment. The MEA has a structure in which a catalyst laminate 31A is formed on a substrate 31B as a first electrode 31 and a catalyst laminate 32A is formed on a substrate 32B as a second electrode 32, and an electrolyte membrane 33 is sandwiched therebetween. It has become. Current collector plates 36 and 37 and clamping plates 38 and 39 are attached to both sides of this MEA via gaskets 34 and 35, and an electrochemical cell 300 is manufactured by clamping with appropriate pressure.

本実施形態に係る電気化学セルは第2の実施形態に係るMEAを備えることで、少ない貴金属量でも十分な耐久性と水電解性能を提供することができる。   By including the MEA according to the second embodiment, the electrochemical cell according to the present embodiment can provide sufficient durability and water electrolysis performance even with a small amount of noble metal.

(第4の実施形態)
本実施形態によれば、スタックが提供される。本実施形態に係るスタック400は、第3の実施形態に係る電気化学セルを備える。
(Fourth embodiment)
According to this embodiment, a stack is provided. The stack 400 according to the present embodiment includes the electrochemical cell according to the third embodiment.

図10は本実施形態にかかるスタックの構成を示す。スタック400は、電気化学セル41を複数個、直列に接続した構成である。電気化学セルの両端に締め付け板42を取り付け、適当な圧力で締め付けることによってスタックを作製する。   FIG. 10 shows the configuration of the stack according to this embodiment. The stack 400 has a configuration in which a plurality of electrochemical cells 41 are connected in series. A clamping plate 42 is attached to both ends of the electrochemical cell, and a stack is produced by clamping with an appropriate pressure.

本実施形態に係るスタックは、第3の実施形態に係る電気化学セルを備えることで、少ない貴金属量でも十分な耐久性と水電解性能を提供することができる。一枚のMEA200からなる水電解用セル300での水素生成量は少ないため、水電解用セル300(41)を複数、直列に接続したスタック400を構成すると、大量の水素を得ることができる。   The stack according to the present embodiment includes the electrochemical cell according to the third embodiment, so that sufficient durability and water electrolysis performance can be provided even with a small amount of noble metal. Since the amount of hydrogen produced in the water electrolysis cell 300 composed of one MEA 200 is small, a large amount of hydrogen can be obtained by configuring a stack 400 in which a plurality of water electrolysis cells 300 (41) are connected in series.

(第5の実施形態)
図11は、第5の実施形態の水電解装置を示す図である。
第5の実施形態は、水電解装置500には、スタック400が用いられる。図9に示すように水電解用セルを直列に積層したものを水電解用スタック400として用いる。水電解用スタック400には、電源51が取り付けられ、アノードカソード間に電圧が印可される。水電解用スタック400のアノード側には、発生したガスと未反応の水を分離する気液分離装置52、混合タンク53がつながっており、混合タンク53には、水を供給するイオン交換水製造装置54からポンプ55で送液し、気液分離装置52から逆止弁56を通して、混合タンク53で混合してアノードへ循環させる。アノードで生成した酸素は、気液分離装置52を経て、酸素ガスが得られる。一方、カソード側には、気液分離装置57に連続して水素精製装置58を接続して、高純度水素を得る。水素精製装置58と接続した弁59を有する経路を経て不純物が排出される。運転温度を安定に制御するためスタックおよび混合タンクの加熱や、熱分解時の電流密度等の制御することができる。水電解装置500は、スタック400の他にMEA200や電気化学セル300を用いることが出来る。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a diagram illustrating a water electrolysis apparatus according to a fifth embodiment.
In the fifth embodiment, a stack 400 is used for the water electrolysis apparatus 500. As shown in FIG. 9, a water electrolysis stack 400 is formed by stacking water electrolysis cells in series. A power source 51 is attached to the water electrolysis stack 400, and a voltage is applied between the anode and the cathode. The anode side of the water electrolysis stack 400 is connected to a gas-liquid separation device 52 and a mixing tank 53 for separating the generated gas and unreacted water. The solution is fed from the device 54 by the pump 55, mixed from the gas-liquid separator 52 through the check valve 56, mixed in the mixing tank 53 and circulated to the anode. Oxygen produced at the anode is passed through a gas-liquid separator 52 to obtain oxygen gas. On the other hand, on the cathode side, a hydrogen purifier 58 is connected continuously to the gas-liquid separator 57 to obtain high purity hydrogen. Impurities are discharged through a path having a valve 59 connected to the hydrogen purifier 58. In order to stably control the operating temperature, it is possible to control the heating of the stack and the mixing tank, the current density during pyrolysis, and the like. The water electrolysis apparatus 500 can use the MEA 200 or the electrochemical cell 300 in addition to the stack 400.

本実施形態に係る水電解装置は、第4の実施形態に係るスタックを備えることで、少ない貴金属量でも十分な耐久性と水電解性能を提供することができる。   The water electrolysis apparatus according to the present embodiment includes the stack according to the fourth embodiment, so that sufficient durability and water electrolysis performance can be provided even with a small amount of noble metal.

(第6の実施形態)
図12は、第6の実施形態の水素利用システム600を示す図である。
第6の実施形態では、水電解装置500が用いられる。図12に示すように太陽光発電や風力発電などの電力源61からの電力を水電解装置500で水素ガスに変換する。さらに水素ガスは直接的に水素発電装置62もしくは水素ガスタンク63を経由して水素発電装置62に供給される。水素発電装置62では空気と反応することで電気に変換され、駆動装置64の電力として使用することができる。尚、水素発電装置は62、水素ガスタービンや燃料電池などを挙げることができ、駆動装置64としては車や家電器具、産業用装置などが挙げられる。本発明の電極を用いることで、消費電力が少なくかつ耐久性の高い第6の実施形態の水素利用システムの構築が可能になる。
(Sixth embodiment)
FIG. 12 is a diagram illustrating a hydrogen utilization system 600 according to the sixth embodiment.
In the sixth embodiment, a water electrolysis device 500 is used. As shown in FIG. 12, power from a power source 61 such as solar power generation or wind power generation is converted into hydrogen gas by a water electrolysis device 500. Further, the hydrogen gas is directly supplied to the hydrogen power generation device 62 via the hydrogen power generation device 62 or the hydrogen gas tank 63. The hydrogen power generation device 62 is converted into electricity by reacting with air and can be used as electric power for the driving device 64. Examples of the hydrogen power generation device 62 include a hydrogen gas turbine and a fuel cell, and examples of the drive device 64 include a car, a household appliance, and an industrial device. By using the electrode of the present invention, it is possible to construct the hydrogen utilization system of the sixth embodiment with low power consumption and high durability.

(第7の実施形態)
図13は、第7の実施形態の水素利用システム700を示す図である。
第7の実施形態では、水電解による水素製造および発電が切り替わる可逆燃料電池(Unitized Regenerative Fuel Cell:URFC)を搭載している。可逆燃料電池用に水電解スタック400が用いられる。図13に示すように水電解用セル300を直列に積層したものを水電解用スタック400として用いる。水電解用スタック400には、太陽光発電や風力発電などの電力源71が取り付けられ、水素製造モードではアノードカソード間に電圧が印可される。水電解用スタック400のアノード側には、発生したガスと未反応の水を分離する気液分離装置72、混合タンク73aがつながっており、混合タンク73aには、水を供給するイオン交換水製造装置74からポンプ75aで送液し、気液分離装置72から逆止弁75bを通して、混合タンク73aで混合してアノードへ循環させる。アノードで生成した酸素は、気液分離装置72を経て、酸素ガスが得られる。一方、カソード側には、気液分離装置76に連続して水素精製装置77を接続して、高純度水素を得る。高純度水素ガスは水素ガスタンク73bに蓄えられる。気液分離装置76と接続した弁78を有する経路を経て不純物が排出される。
(Seventh embodiment)
FIG. 13 is a diagram illustrating a hydrogen utilization system 700 according to the seventh embodiment.
In the seventh embodiment, a reversible fuel cell (URFC) in which hydrogen production by water electrolysis and power generation are switched is mounted. A water electrolysis stack 400 is used for the reversible fuel cell. As shown in FIG. 13, a water electrolysis stack 400 in which water electrolysis cells 300 are stacked in series is used. A power source 71 such as solar power generation or wind power generation is attached to the water electrolysis stack 400, and a voltage is applied between the anode and cathode in the hydrogen production mode. The anode side of the water electrolysis stack 400 is connected to a gas-liquid separator 72 and a mixing tank 73a for separating generated gas and unreacted water. Liquid is fed from the device 74 by the pump 75a, mixed from the gas-liquid separation device 72 through the check valve 75b, mixed by the mixing tank 73a, and circulated to the anode. Oxygen generated at the anode is passed through a gas-liquid separator 72 to obtain oxygen gas. On the other hand, on the cathode side, a hydrogen purifier 77 is connected continuously to the gas-liquid separator 76 to obtain high purity hydrogen. High purity hydrogen gas is stored in the hydrogen gas tank 73b. Impurities are discharged through a path having a valve 78 connected to the gas-liquid separator 76.

他方、発電モードでは水素タンク73bに蓄えられた高純度水素が水電解スタック400に供給され、外部の空気と反応することで、燃料電池反応によって電気に変換され、駆動装置79の電力として使用することができる。駆動装置79としては車や家電器具、産業用装置などが挙げられる。本発明の電極を用いることで、小型コンパクトであり、消費電力が少なくかつ耐久性の高い実施形態7の水素利用システムの構築が可能になる。   On the other hand, in the power generation mode, high-purity hydrogen stored in the hydrogen tank 73b is supplied to the water electrolysis stack 400 and reacts with external air, so that it is converted into electricity by the fuel cell reaction and used as power for the drive device 79. be able to. Examples of the driving device 79 include cars, home appliances, and industrial devices. By using the electrode of the present invention, it is possible to construct the hydrogen utilization system of Embodiment 7 that is small and compact, consumes less power, and has high durability.

(実施例)
以下、実施例および比較例を説明する。
(Example)
Hereinafter, examples and comparative examples will be described.

(実施例1)
<電極の作製>
(PEEC標準カソード)
基材として、厚みが25μmの炭素層を有するカーボンペーパーToray060(東レ社製)を用意した。この基材上に、Pt触媒のローディング密度0.1mg/cmになるように、スパッタリング法により空隙層を含む積層構造を持つ触媒層を形成し、多孔質触媒層を有する電極を得た。この電極は実施例および比較例の標準カソードとして使用した。
Example 1
<Production of electrode>
(PEEC standard cathode)
As a base material, carbon paper Toray060 (made by Toray Industries, Inc.) having a carbon layer with a thickness of 25 μm was prepared. On this substrate, a catalyst layer having a laminated structure including a void layer was formed by a sputtering method so that the loading density of the Pt catalyst was 0.1 mg / cm 2 to obtain an electrode having a porous catalyst layer. This electrode was used as a standard cathode in Examples and Comparative Examples.

(PEECアノード作製)
基材として、チタンメッシュ基材を用意した。
この基材上に、反応性スパッタ法により、貴金属と非貴金属、もしくはそれらの酸化物の混合体からなる触媒前駆体の積層体を得た。成膜にあたっては、前駆体各層の貴金属と非貴金属の組成比、酸素原子と金属原子の組成比、層数、層厚において所望の値が得られるように、貴金属と非貴金属の同時スパッタ時の出力(W)およびスパッタ時間(s)を表1の通り調整した。
(PEEC anode fabrication)
A titanium mesh substrate was prepared as the substrate.
On this base material, a laminate of a catalyst precursor made of a mixture of a noble metal and a non-noble metal or an oxide thereof was obtained by reactive sputtering. In the film formation, the precious metal and non-noble metal composition ratio, the oxygen atom and metal atom composition ratio, the number of layers, and the layer thickness of each precursor layer are obtained at the time of simultaneous sputtering of the noble metal and non-noble metal. The output (W) and sputtering time (s) were adjusted as shown in Table 1.

詳しく述べると、酸素-アルゴン中で貴金属IrのRF出力を100W、非貴金属のNiのDC出力を750Wとして180秒間スパッタを行う。続いてIrのRF出力を25W、NiのDC出力を50Wとして180秒間スパッタを行う。さらに貴金属IrのRF出力を100W、非貴金属のNiのDC出力を750Wとして180秒間スパッタを行う。続いてIrのRF出力を25W、NiのDC出力を50Wとして180秒間スパッタを行う。これらを所望のIr量が得られるまで繰り返し行う。   More specifically, sputtering is performed in oxygen-argon for 180 seconds with an RF output of noble metal Ir of 100 W and a non-noble metal Ni DC output of 750 W. Subsequently, sputtering is performed for 180 seconds with an Ir RF output of 25 W and a Ni DC output of 50 W. Further, sputtering is performed for 180 seconds with the RF output of the noble metal Ir being 100 W and the DC output of the non-noble metal Ni being 750 W. Subsequently, sputtering is performed for 180 seconds with an Ir RF output of 25 W and a Ni DC output of 50 W. These are repeated until the desired amount of Ir is obtained.

スパッタ後、エッチングによりNiの一部を除去し、所望の値を得るようにエッチングの時間を調整する。IrとNiの混合体である触媒凝集体のA1層とA2層の積層体を作製、その後熱処理を施し触媒積層体からなる電極を得る。貴金属触媒量はすべて0.1mg/cmである。 After sputtering, a part of Ni is removed by etching, and the etching time is adjusted so as to obtain a desired value. A laminate of A1 and A2 layers of a catalyst aggregate that is a mixture of Ir and Ni is produced, and then heat treatment is performed to obtain an electrode composed of the catalyst laminate. The amount of noble metal catalyst is all 0.1 mg / cm 2 .

各電極から適宜必要なサイズを切り出し、触媒積層体中の各膜厚および原子組成分率をEDSライン分析で求めた。測定方法は第1の実施形態で説明した通りである。
作製した電極の分析結果を表2に示した。また、実施例1の断面HAADF像からピラーを確認した。
A necessary size was appropriately cut out from each electrode, and each film thickness and atomic composition fraction in the catalyst laminate were determined by EDS line analysis. The measurement method is as described in the first embodiment.
The analysis results of the produced electrodes are shown in Table 2. Moreover, the pillar was confirmed from the cross-sectional HAADF image of Example 1.

<PEEC用MEAの作製>
上記PEEC標準カソードと各アノードから5cm×5cmの正方形の切片を切り取った。標準カソード、電解質膜(ナフィオン115(デュポン社製))とアノードをそれぞれ合わせて、熱圧着して接合することにより各種PEEC用MEAを得た。
<Production of MEA for PEEC>
A 5 cm × 5 cm square section was cut from the PEEC standard cathode and each anode. A standard cathode, an electrolyte membrane (Nafion 115 (manufactured by DuPont)), and an anode were combined and thermocompression bonded to obtain various PEEC MEAs.

<PEEC単セルの作製>
得られたMEAを流路が設けられている二枚のセパレータの間にセッティングし、PEEC単セル(電気化学セル)を作製した。
<Production of PEEC single cell>
The obtained MEA was set between two separators provided with a flow path to produce a PEEC single cell (electrochemical cell).

<触媒評価>
触媒の評価は、MEA化して評価用電気化学セルに組み込み、セル温度を80℃に設定、アノードに水を供給しながら2A/cmで連続運転し、50h経過後に初期セル電圧を測定、この電圧を性能の指標とした。
<Catalyst evaluation>
The evaluation of the catalyst is made into a MEA and incorporated into an electrochemical cell for evaluation, the cell temperature is set to 80 ° C., continuous operation is performed at 2 A / cm 2 while supplying water to the anode, and the initial cell voltage is measured after 50 hours. Voltage was used as a performance index.

この時の評価基準は、1.9V未満…A、1.9〜2.0V…B、2.0Vより大きい場合…C、である。
また、5A/cmにおいて連続運転を行いながらセル電圧を測定、初期電圧の110%に上昇した時点の運転時間を耐久時間とした。この時の評価基準は耐久時間が、200時間未満…C、200−2000時間…B、2000時間より大きい…Aである。結果を表2に示した。
The evaluation criteria at this time are less than 1.9V ... A, 1.9 to 2.0V ... B, and more than 2.0V ... C.
Further, the cell voltage was measured while continuously operating at 5 A / cm 2 , and the operation time when the cell voltage increased to 110% of the initial voltage was defined as the durability time. The evaluation criteria at this time are the durability time of less than 200 hours ... C, 200-2000 hours ... B, greater than 2000 hours ... A. The results are shown in Table 2.

(実施例2〜11)
実施例1と同様に反応スパッタ法により触媒積層体を作製した。その際の条件は表1の通りである。結果は表2のとおりである。
(Examples 2 to 11)
A catalyst laminate was produced by the reactive sputtering method in the same manner as in Example 1. The conditions at that time are as shown in Table 1. The results are shown in Table 2.

(比較例1〜11)
実施例1と同様に反応スパッタ法により触媒積層体を作製した。その際の条件は表1の通りである。結果は表2のとおりである。
(Comparative Examples 1-11)
A catalyst laminate was produced by the reactive sputtering method in the same manner as in Example 1. The conditions at that time are as shown in Table 1. The results are shown in Table 2.

表2より、実施例1〜11のMEAを組み込んだ単セルは、比較例1〜11のMEAを組み込んだ単セルと比較すると、電解電圧(V)が低く、耐久性も高い。   From Table 2, the single cell incorporating the MEA of Examples 1 to 11 has a lower electrolysis voltage (V) and higher durability than the single cell incorporating the MEA of Comparative Examples 1 to 11.

また、A1層の平均厚みがA2層の平均厚みよりも厚く、A1層が4nm以上35nm以下、A2層は2nm以上34nm以下の範囲、Rm(A1)が0.10以上1.0以下の範囲、Rm(A2)が0.01以上0.45以下の範囲、Rm(A1)>Rm(A2)のとき、電圧および耐久性の両方が良いことがわかる。   The average thickness of the A1 layer is larger than the average thickness of the A2 layer, the A1 layer is 4 nm to 35 nm, the A2 layer is 2 nm to 34 nm, and the Rm (A1) is 0.10 to 1.0. When Rm (A2) is in the range of 0.01 to 0.45 and Rm (A1)> Rm (A2), it can be seen that both voltage and durability are good.

さらに、実施例1のIrとNiの反応性スパッタで前駆体を作製する条件において、貴金属量がIr30%、Ru70%となるターゲットを用いてスパッタ出力を調整し、IrRu、Niの同時スパッタを行った。スパッタの条件は表3に示す(実施例12〜22、比較例12〜23)。こうして同時スパッタを行った試料について、実施例1と同じ酸処理と熱処理を行い、MEA化して評価セルで電解性能を評価した。得られた結果を表4に示す。
尚、Ruを入れることで、触媒活性が50mV程度向上することから、この時の評価基準は、1.85V未満…A、1.85〜1.95V…B、1.95Vより大きい場合…C、とした。耐久時間評価は前述のとおり行った。結果、実施例1と同等の性能が得られた。
Further, under the conditions for producing the precursor by the reactive sputtering of Ir and Ni in Example 1, the sputtering output is adjusted using a target having a noble metal amount of Ir 30% and Ru 70%, and IrRu and Ni are simultaneously sputtered. It was. The sputtering conditions are shown in Table 3 (Examples 12 to 22, Comparative Examples 12 to 23). The sample subjected to the simultaneous sputtering in this manner was subjected to the same acid treatment and heat treatment as in Example 1 and converted to MEA, and the electrolytic performance was evaluated using an evaluation cell. Table 4 shows the obtained results.
Since the catalytic activity is improved by about 50 mV by adding Ru, the evaluation standard at this time is less than 1.85 V ... A, 1.85 to 1.95 V ... B, more than 1.95 V ... C , And. The durability time evaluation was performed as described above. As a result, the same performance as in Example 1 was obtained.

以上のように、いくつか説明した本実施形態によれば、少ない貴金属量で、長期の稼動においても、構造的に安定で、高い耐久性を有した触媒積層体、膜電極複合体を提供できる。同時に、この触媒層積層体、膜電極複合体を採用した電気化学セル、スタック及び水電解装置は、高い安定性と高い耐久性を発揮することができる。   As described above, according to some of the embodiments described above, it is possible to provide a catalyst laminate and a membrane electrode assembly that are structurally stable and have high durability even during long-term operation with a small amount of noble metal. . At the same time, the electrochemical cell, stack, and water electrolysis apparatus employing the catalyst layer laminate and the membrane electrode assembly can exhibit high stability and high durability.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10:触媒積層体、11:A1層、12:A2層、13:ピラー、200:膜電極複合体、21:第1の電極、21A:第1触媒積層体、21B:第1基材、22:第2の電極、22A:第2触媒積層体、22B:第2基材、23:電解質膜、300:電気化学セル、31:第1の電極、31A:第1触媒層、31B:第1基材、32:第2の電極、32A:第2触媒層、32B:第2基材、33:電解質膜、234、35:ガスケット、36、37:集電板、38、39:締め付け板、38A、39A:流路、400:スタック、41:電気化学セル、42、43:締め付け板、51:電源、52:混合タンク、53、57:気液分離装置、54:イオン交換水製造装置、55:ポンプ、56:逆止弁、58:水素精製装置、59:弁;120:電極、121:触媒層、122:空隙層、600:水素利用システム、61:電力源、62:水素発電装置、63:水素ガスタンク、64:駆動装置、700:水素利用システム、71:電力源、72:気液分離装置、73a:混合タンク、73b:水素ガスタンク、74:イオン交換水製造装置、75a:ポンプ、75b:逆止弁、76:気液分離装置、77:水素精製装置、78:弁、79:駆動装置 10: catalyst laminate, 11: A1 layer, 12: A2 layer, 13: pillar, 200: membrane electrode composite, 21: first electrode, 21A: first catalyst laminate, 21B: first substrate, 22 : Second electrode, 22A: second catalyst laminate, 22B: second substrate, 23: electrolyte membrane, 300: electrochemical cell, 31: first electrode, 31A: first catalyst layer, 31B: first Substrate, 32: second electrode, 32A: second catalyst layer, 32B: second substrate, 33: electrolyte membrane, 234, 35: gasket, 36, 37: current collector plate, 38, 39: clamping plate, 38A, 39A: flow path, 400: stack, 41: electrochemical cell, 42, 43: clamping plate, 51: power supply, 52: mixing tank, 53, 57: gas-liquid separator, 54: ion-exchange water production device, 55: pump, 56: check valve, 58: hydrogen purifier, 59: valve; 1 0: electrode, 121: catalyst layer, 122: void layer, 600: hydrogen utilization system, 61: power source, 62: hydrogen power generation device, 63: hydrogen gas tank, 64: driving device, 700: hydrogen utilization system, 71: power Source: 72: Gas-liquid separation device, 73a: Mixing tank, 73b: Hydrogen gas tank, 74: Ion exchange water production device, 75a: Pump, 75b: Check valve, 76: Gas-liquid separation device, 77: Hydrogen purification device, 78: Valve, 79: Drive device

Claims (15)

貴金属及び貴金属の酸化物の少なくとも一方と非貴金属及び非貴金属の酸化物の少なくとも一方を含む触媒層を複数備える触媒積層体であって、
2以上の第1の触媒層と2以上の第2の触媒層を備え、
前記触媒積層体の厚さ方向に対しエネルギー分散型X線分光法によるライン分析を用いて得られる前記貴金属の原子組成分率において、
前記第1の触媒層は、前記貴金属の原子組成分率の最高値と最低値の平均未満であり、
前記第2の触媒層は、前記貴金属の原子組成分率がその最高値と最低値の平均以上であり、
前記第2の触媒層が前記第1の触媒層の間に存在している触媒積層体。
A catalyst laminate comprising a plurality of catalyst layers containing at least one of a noble metal and a noble metal oxide and at least one of a non-noble metal and a non-noble metal oxide,
Comprising two or more first catalyst layers and two or more second catalyst layers;
In the atomic composition fraction of the noble metal obtained using line analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy with respect to the thickness direction of the catalyst laminate,
The first catalyst layer is less than the average of the highest and lowest atomic composition fractions of the noble metal;
The second catalyst layer has an atomic composition fraction of the noble metal equal to or higher than an average of the highest value and the lowest value,
A catalyst laminate in which the second catalyst layer is present between the first catalyst layers.
前記第1の触媒層の前記貴金属の原子分率で前記第1の触媒層の前記非貴金属の原子組成分率を割った値をRm(A1)とし、前記第2の触媒層の前記貴金属の原子分率で前記第2の触媒層の前記非貴金属の原子組成分率を割った値をRm(A2)とすると、Rm(A1)>Rm(A2)である請求項1記載の触媒積層体。   A value obtained by dividing the atomic composition fraction of the non-noble metal of the first catalyst layer by the atomic fraction of the noble metal of the first catalyst layer is Rm (A1), and the noble metal of the second catalyst layer 2. The catalyst laminate according to claim 1, wherein Rm (A1)> Rm (A2), where Rm (A2) is a value obtained by dividing the atomic composition fraction of the non-noble metal of the second catalyst layer by the atomic fraction. . 前記Rm(A1)が0.1以上1.0以下である請求項1又は2記載の触媒積層体。   The catalyst laminate according to claim 1 or 2, wherein the Rm (A1) is 0.1 or more and 1.0 or less. 前記Rm(A2)が、0.01以上0.45以下である請求項1乃至3いずれか1項に記載の触媒積層体。   The catalyst laminate according to any one of claims 1 to 3, wherein the Rm (A2) is 0.01 or more and 0.45 or less. 前記第1の触媒層の平均厚みが前記第2の触媒層の平均厚みよりも厚い請求項1乃至4いずれか1項に記載の触媒積層体。   5. The catalyst laminate according to claim 1, wherein an average thickness of the first catalyst layer is thicker than an average thickness of the second catalyst layer. 前記第1の触媒層の平均厚みが4nm以上35nm以下である請求項1乃至5いずれか1項に記載の触媒積層体。   6. The catalyst laminate according to claim 1, wherein an average thickness of the first catalyst layer is 4 nm or more and 35 nm or less. 前記第2の触媒層の平均厚みが2nm以上34nm以下である請求項1乃至6いずれか1項に記載の触媒積層体。   The catalyst laminate according to any one of claims 1 to 6, wherein an average thickness of the second catalyst layer is 2 nm or more and 34 nm or less. 前記第2の触媒層に、前記第1の触媒層の間をつなぐピラーが存在する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の触媒積層体。   The catalyst laminate according to any one of claims 1 to 7, wherein pillars that connect the first catalyst layers are present in the second catalyst layer. 前記第1の触媒層に存在しない触媒の割合が30%以上90%未満である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の触媒積層体。   The catalyst laminate according to any one of claims 1 to 8, wherein a proportion of the catalyst not present in the first catalyst layer is 30% or more and less than 90%. 前記貴金属またはその酸化物がIr、Pt、Ru、Rh、Os、PdおよびAuからなる群から選択される少なくとも1種を含み、前記非貴金属またはその酸化物がFe、Co、Ni、Mn、Al、Zn、Ta、W、Hf、Si、Mo、Ti、Zr、Nb、V、Cr、Sn、およびSrからなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1乃至9いずれか1項に記載の触媒積層体。   The noble metal or oxide thereof includes at least one selected from the group consisting of Ir, Pt, Ru, Rh, Os, Pd and Au, and the non-noble metal or oxide thereof is Fe, Co, Ni, Mn, Al 10. At least one selected from the group consisting of Zn, Ta, W, Hf, Si, Mo, Ti, Zr, Nb, V, Cr, Sn, and Sr. Catalyst laminate. 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の触媒積層体を含む膜電極複合体。   The membrane electrode assembly containing the catalyst laminated body of any one of Claims 1 thru | or 10. 請求項11に記載の膜電極複合体を含む電気化学セル。   An electrochemical cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 11. 請求項12に記載の電気化学セルを含むスタック。   A stack comprising the electrochemical cell according to claim 12. 請求項13に記載のスタックを用いた水電解装置。   A water electrolysis apparatus using the stack according to claim 13. 請求項12に記載の電気化学セル、請求項13に記載のスタック又は請求項14に記載の水電解装置を用いた水利用システム。

A water utilization system using the electrochemical cell according to claim 12, the stack according to claim 13, or the water electrolysis apparatus according to claim 14.

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