JP2023159573A

JP2023159573A - Water electrolytic cell and production method of water electrolytic cell

Info

Publication number: JP2023159573A
Application number: JP2022069335A
Authority: JP
Inventors: 常治吉村; Joji Yoshimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2023-11-01
Anticipated expiration: 2042-04-20
Also published as: JP7207591B1

Abstract

To provide a water electrolytic cell in which deterioration of performance can be suppressed even when a micro porous layer is arranged.SOLUTION: A water electrolytic cell has a polymer electrolyte, a catalytic layer, and a gas diffusion layer in this order. The gas diffusion layer includes Ti fibers, and a micro porous layer is filled between the Ti fibers of a surface contacting the catalytic layer of the gas diffusion layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は水電解に用いられる水電解セルに関する。 The present disclosure relates to a water electrolysis cell used for water electrolysis.

特許文献１には、空隙率、表面平滑性が異なる２種類のＧＤＬ（ガス拡散層）を重ねて使うことが開示されている。具体的にはＴｉ繊維の径を変えて空隙率、平滑性を変えることにより調整が行われている。 Patent Document 1 discloses that two types of GDLs (gas diffusion layers) having different porosity and surface smoothness are used in a stacked manner. Specifically, adjustment is made by changing the diameter of the Ti fibers to change the porosity and smoothness.

特開２００１－３４２５８７号公報Japanese Patent Application Publication No. 2001-342587

水電解セルに使われているガス拡散層にはＴi繊維焼結体が用いられることがあるが、Ｔｉ繊維焼結体は凹凸が大きい傾向にあり、焼結体の繊維により触媒層、さらには固体高分子電解質膜が局部的に押しつぶされ、繊維に沿って固体高分子電解質膜が薄くなり、耐久性が低下してしまうことがある。Ｔｉ繊維の径が２０μｍ程度あるので、特に薄い固体高分子電解質膜（２０μｍ以下）を用いる場合にはその影響が大きい。
このようなガス拡散層の繊維による触媒層や固体高分子電解質膜の変形を抑えるため、ガス拡散層と触媒層との間にマイクロポーラス層（ＭＰＬ、微小多孔質層）を塗布により形成する技術がある。しかしながら、水電解環境下でＭＰＬを構成する安定な物質は導電性が低いため、結果として水電解セルの電気的な抵抗が上がり、性能が低下する傾向にある。 Ti fiber sintered bodies are sometimes used for gas diffusion layers used in water electrolysis cells, but Ti fiber sintered bodies tend to have large irregularities, and the fibers of the sintered bodies can cause damage to the catalyst layer and even The solid polymer electrolyte membrane may be locally crushed, and the solid polymer electrolyte membrane may become thinner along the fibers, resulting in decreased durability. Since the diameter of the Ti fiber is about 20 μm, this effect is particularly large when using a thin solid polymer electrolyte membrane (20 μm or less).
In order to suppress the deformation of the catalyst layer and solid polymer electrolyte membrane due to the fibers in the gas diffusion layer, a technology is used to form a microporous layer (MPL, microporous layer) between the gas diffusion layer and the catalyst layer by coating. There is. However, since the stable substances constituting the MPL in a water electrolysis environment have low conductivity, the electrical resistance of the water electrolysis cell tends to increase and its performance tends to deteriorate.

そこで、上記問題に鑑み、本開示はマイクロポーラス層を設けても性能低下を抑制することができる水電解セルを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present disclosure is to provide a water electrolysis cell that can suppress performance deterioration even if a microporous layer is provided.

本願は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層をこの順で有する水電解セルであって、ガス拡散層はＴｉ繊維を含んでなり、ガス拡散層のうち触媒層に接触する面のＴｉ繊維間にマイクロポーラス層が充填されている、水電解セルを開示する。 The present application relates to a water electrolysis cell having an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer in this order, the gas diffusion layer containing Ti fibers, and between the Ti fibers on the surface of the gas diffusion layer that contacts the catalyst layer. A water electrolysis cell is disclosed in which the cell is filled with a microporous layer.

上記水電解セルにおいて、マイクロポーラス層は、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｂ、及び、Ｔａから選ばれる少なくとも１つの元素を含む酸化物を有してもよい。 In the above water electrolysis cell, the microporous layer may include an oxide containing at least one element selected from Ti, Mn, Co, Mo, Ru, W, Nb, and Ta.

上記のいずれかの水電解セルにおいて、酸化物に導電材が担持されてもよい。 In any of the above water electrolysis cells, a conductive material may be supported on the oxide.

本願は、上記のいずれかの水電解セルを製造する方法であって、マイクロポーラス層のための組成物を調合してインク化する工程、及び、インク化した組成物をガス拡散層に塗布する工程、を含む、水電解セルの製造方法を開示する。 The present application is a method for manufacturing any of the water electrolysis cells described above, which includes the steps of preparing a composition for the microporous layer and making it into an ink, and applying the ink composition to the gas diffusion layer. Disclosed is a method for manufacturing a water electrolysis cell, including the steps of:

本開示によれば、マイクロポーラス層を設けても性能低下を抑制することができる。 According to the present disclosure, performance deterioration can be suppressed even if a microporous layer is provided.

図１は水電解セル１０の構成を説明する概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the configuration of a water electrolysis cell 10. As shown in FIG. 図２は水電解セル１０の製造方法Ｓ１０を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a method S10 for manufacturing the water electrolysis cell 10.

１．水電解セル
図１に水電解セル１０の形態を概念的に示した。水電解セル１０は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、このような水分解セル１０が複数積層されて水電解スタックを構成している。
水電解セル１０は複数の層からなり、固体高分子電解質膜１１を挟んで一方が酸素発生極（アノード）、他方が水素発生極（カソード）となる。アノードは固体高分子電解質膜１１側からアノード触媒層１２、アノードマイクロポーラス層１３、アノードガス拡散層１４、アノードセパレータ１５がこの順に積層されている。一方、カソードは固体高分子電解質膜１１側からカソード触媒層１６、カソードマイクロポーラス層１７、カソードガス拡散層１８、カソードセパレータ１９をこの順に備えている。 1. Water Electrolysis Cell FIG. 1 conceptually shows the form of a water electrolysis cell 10. The water electrolysis cell 10 is a unit element for decomposing pure water into hydrogen and oxygen, and a plurality of such water decomposition cells 10 are stacked to form a water electrolysis stack.
The water electrolysis cell 10 consists of a plurality of layers, one of which serves as an oxygen generating electrode (anode) and the other serves as a hydrogen generating electrode (cathode) with a solid polymer electrolyte membrane 11 in between. The anode includes an anode catalyst layer 12, an anode microporous layer 13, an anode gas diffusion layer 14, and an anode separator 15 stacked in this order from the solid polymer electrolyte membrane 11 side. On the other hand, the cathode includes a cathode catalyst layer 16, a cathode microporous layer 17, a cathode gas diffusion layer 18, and a cathode separator 19 in this order from the solid polymer electrolyte membrane 11 side.

１．１．固体高分子電解質膜
固体高分子電解質膜１１を構成する材料（電解質）は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性（電気伝導性）を示す。より具体的にはパーフルオロ系電解質であるナフィオン（Nafion、登録商標）による膜が挙げられる。
固体高分子電解質膜の厚さは特に限定されることはないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。本形態では、薄い固体高分子電解質膜に対して特に効果が顕著である。 1.1. Solid Polymer Electrolyte Membrane The material (electrolyte) constituting the solid polymer electrolyte membrane 11 is a solid polymer material, such as a proton-conducting ion exchange membrane formed from a fluororesin or a hydrocarbon resin material. It will be done. It exhibits good proton conductivity (electrical conductivity) in the wet state. More specifically, a membrane made of Nafion (registered trademark), which is a perfluorinated electrolyte, can be mentioned.
The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is 100 μm or less, preferably 50 μm or less, and more preferably 10 μm or less. This embodiment is particularly effective for thin solid polymer electrolyte membranes.

１．２．アノード触媒層
アノード触媒層１２は公知の通りであるが、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の貴金属触媒及びその酸化物を少なくとも１つ以上含む電極触媒からなる層である。より具体的には、Ｐt、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム酸化物、又は、これらの混合物が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、酸化イリジウム(ＩｒＯ_２、ＩｒＯ_３)、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。
ルテニウム酸化物としては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２、Ｒｕ_２Ｏ_３）、ルテニウムタンタル酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムチタンセリウム酸化物等が挙げられる。
イリジウムルテニウム酸化物としては、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物等が挙げられる。 1.2. Anode Catalyst Layer As is well known, the anode catalyst layer 12 is a layer made of an electrode catalyst containing at least one noble metal catalyst such as Pt, Ru, Ir, and its oxide. More specifically, examples include Pt, iridium oxide, ruthenium oxide, iridium ruthenium oxide, or a mixture thereof.
Examples of the iridium oxide include iridium oxide (IrO ₂ , IrO ₃ ), iridium tin oxide, iridium zirconium oxide, and the like.
Examples of the ruthenium oxide include ruthenium oxide (RuO ₂ , Ru ₂ O ₃ ), ruthenium tantalum oxide, ruthenium zirconium oxide, ruthenium titanium oxide, ruthenium titanium cerium oxide, and the like.
Examples of the iridium ruthenium oxide include iridium ruthenium cobalt oxide, iridium ruthenium tin oxide, iridium ruthenium iron oxide, iridium ruthenium nickel oxide, and the like.

１．３．アノードガス拡散層
アノードガス拡散層１４はガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されており、特に限定されることなく公知のものを用いてもよく、具体的には金属繊維または金属粒子などから成る多孔質導電性部材を挙げることができる。
その中でも、本形態のように繊維状のＴiが不織布のように重なることで形成される形態を適用することができる。具体的にはアノードガス拡散層としてチタン繊維焼結体を用いることができる。これにより水電解時の過酷な腐食環境で腐食し難く、耐久性に優れたものとなる。
チタン繊維焼結体の態様は特に限定されることはなく公知のものを用いることができるが、その厚さは１００μｍ以上であり好ましくは５００μｍ以下である。また空隙率は３０％以上が好ましく、繊維径は１０μｍ以上であり好ましくは１００μｍ以下である。また、チタン繊維にはＰｔ被覆がなされていてもよい。 1.3. Anode gas diffusion layer The anode gas diffusion layer 14 is made of a member having gas permeability and conductivity, and known materials may be used without particular limitation. Specifically, metal fibers, metal particles, etc. For example, a porous conductive member consisting of:
Among these, a form in which fibrous Ti is overlapped like a nonwoven fabric as in the present form can be applied. Specifically, a titanium fiber sintered body can be used as the anode gas diffusion layer. This makes it resistant to corrosion in the harsh corrosive environment during water electrolysis and has excellent durability.
The form of the titanium fiber sintered body is not particularly limited and any known type can be used, but its thickness is 100 μm or more and preferably 500 μm or less. Further, the porosity is preferably 30% or more, and the fiber diameter is 10 μm or more, preferably 100 μm or less. Furthermore, the titanium fibers may be coated with Pt.

１．４．アノードマイクロポーラス層
本開示のアノードマイクロポーラス層１３は、アノードガス拡散層１４のうちアノード触媒層１２に接触する面のＴｉ繊維間を埋めるように充填されている。このとき、アノードマイクロポーラス層１３はＴｉの繊維の間を埋めるように配置されているのであって、Ｔｉ繊維自体はアノード触媒層１２に接するように構成されている。これにより導電性を確保することができる。 1.4. Anode Microporous Layer The anode microporous layer 13 of the present disclosure is filled between the Ti fibers on the surface of the anode gas diffusion layer 14 that contacts the anode catalyst layer 12 . At this time, the anode microporous layer 13 is arranged so as to fill in the spaces between the Ti fibers, and the Ti fibers themselves are configured to be in contact with the anode catalyst layer 12. Thereby, conductivity can be ensured.

アノードマイクロポーラス層はＴｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｂ、及び、Ｔａから選ばれる少なくとも１つの元素を含む酸化物であってもよい。この酸化物に導電材(Ｉｒ、Ｐｔ等）が担持されてもよい。ただし本開示によれば上記のようにＴｉ繊維がアノード触媒層１２に接触しているため導電材を担持しなくても導電性を確保することができる。 The anode microporous layer may be an oxide containing at least one element selected from Ti, Mn, Co, Mo, Ru, W, Nb, and Ta. A conductive material (Ir, Pt, etc.) may be supported on this oxide. However, according to the present disclosure, since the Ti fibers are in contact with the anode catalyst layer 12 as described above, conductivity can be ensured without carrying a conductive material.

本開示のアノードマイクロポーラス層１３は、必要に応じて成分を調整することで固体高分子電解質膜中により多くの水分を保持させたり、水が電気分解されることにより発生した酸素を効率よく排出したりする機能を基本とし、さらに、導電性を有しつつ固体高分子電解質膜１１、アノード触媒層１２をアノードガス拡散層１４の形状に起因する変形から保護する。 The anode microporous layer 13 of the present disclosure can hold more water in the solid polymer electrolyte membrane by adjusting the components as necessary, and can efficiently discharge oxygen generated by electrolyzing water. In addition, it protects the solid polymer electrolyte membrane 11 and anode catalyst layer 12 from deformation due to the shape of the anode gas diffusion layer 14 while maintaining conductivity.

アノードマイクロポーラス層１３の厚みはアノードガス拡散層１４に含まれる繊維状Ｔｉの繊維径よりも厚い範囲でできるだけ薄いことが好ましい。これにより、繊維状Ｔｉによる固体高分子電解質膜１１、アノード触媒層１２の変形や破壊をより確実に抑制することができる。より具体的にはアノードマイクロポーラス層１３の厚みは２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。 The thickness of the anode microporous layer 13 is preferably as thin as possible within a range that is thicker than the fiber diameter of the fibrous Ti included in the anode gas diffusion layer 14. Thereby, deformation and destruction of the solid polymer electrolyte membrane 11 and anode catalyst layer 12 due to fibrous Ti can be more reliably suppressed. More specifically, the thickness of the anode microporous layer 13 is preferably 20 μm or more and 100 μm or less.

ここでアノードマイクロポーラス層１３にはアイオノマを５０質量％以下の割合で含んでもよい。アイオノマを含むことにより塗工性向上の他、その親水性により水分解の際に供給される水の透過を円滑に行うことができる。
ここに含まれるアイオノマとしては固体高分子電解質膜に用いる電解質であるパーフルオロ系電解質からなるアイオノマを挙げることができる。 Here, the anode microporous layer 13 may contain an ionomer in a proportion of 50% by mass or less. The inclusion of the ionomer not only improves coating properties, but also allows smooth permeation of water supplied during water splitting due to its hydrophilicity.
Examples of the ionomers included here include ionomers made of perfluorinated electrolytes, which are electrolytes used in solid polymer electrolyte membranes.

１．５．アノードセパレータ
アノードセパレータ１５は、アノードガス拡散層１４に純水を供給するとともに発生した酸素が排出される流路１５ａを備える部材である。このようなアノードセパレータであれば特に限定されることはなく、公知のものを用いることができる。 1.5. Anode Separator The anode separator 15 is a member that includes a flow path 15a through which pure water is supplied to the anode gas diffusion layer 14 and generated oxygen is discharged. Such an anode separator is not particularly limited, and any known one can be used.

１．６．カソード触媒層
カソード触媒層１６に含まれる触媒は、公知の触媒を用いることができ、例えば白金、白金被覆チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、ニッケルグリオキシム等を挙げることができる。 1.6. Cathode Catalyst Layer As the catalyst contained in the cathode catalyst layer 16, a known catalyst can be used, such as platinum, platinum-coated titanium, platinum-supported carbon, palladium-supported carbon, cobalt glyoxime, nickel glyoxime, etc. .

１．７．カソードマイクロポーラス層
カソードマイクロポーラス層１７も、必要に応じて成分を調整することで固体高分子電解質膜中により多くの水分を保持させたり、余分な水分や水が電気分解されることにより発生した水素を効率よく排出したりする機能を有する層である。
本形態のカソードマイクロポーラス層１７は公知のものを用いることができ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とすることができる。ただし、カソードマイクロポーラス層１７に上記したアノードマイクロポーラス層１３に適用した形態を用いることを妨げるものではない。 1.7. Cathode microporous layer The cathode microporous layer 17 can also be formed by adjusting the components as necessary to retain more moisture in the solid polymer electrolyte membrane, or by electrolyzing excess moisture or water. This layer has the function of efficiently discharging hydrogen.
The cathode microporous layer 17 of this embodiment can be made of a known material, and can be mainly composed of a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and a conductive material such as carbon black. However, this does not preclude using the form applied to the anode microporous layer 13 described above for the cathode microporous layer 17.

１．８．カソードガス拡散層
カソードガス拡散層１８は、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。本形態でカソードガス拡散層は公知のものを用いることができ、具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。なお、カソードでは酸化が生じ難いため、このようにカーボンを用いることができるが、上記したアノードガス拡散層１４と同様の構成にすることを妨げるものではない。 1.8. Cathode Gas Diffusion Layer The cathode gas diffusion layer 18 is made of a member having gas permeability and electrical conductivity. In this embodiment, a known cathode gas diffusion layer can be used, and specific examples include porous members such as carbon cloth and carbon paper. Note that carbon can be used in this way since oxidation does not easily occur in the cathode, but this does not preclude a structure similar to that of the anode gas diffusion layer 14 described above.

１．９．カソードセパレータ
カソードセパレータ１９は、分離した水素、及び、これに随伴した水が流れる流路１９ａを備える部材であり、公知のものを用いることができる。 1.9. Cathode Separator The cathode separator 19 is a member having a flow path 19a through which separated hydrogen and accompanying water flow, and a known member can be used as the cathode separator 19.

１．１０．水電解セルによる水素の生成
以上説明した水電解セル１０により次のように純水から水素が生成される。従って、本開示の水電解セル及び水電解スタックは上記の他にも水素を生成するために必要な公知の部材や構成を備えることができる。
アノードセパレータ１５の流路１５ａからアノード（酸素発生極）に供給された純水（Ｈ_２Ｏ）は、アノードとカソードとの間に通電することで、電位がかかったアノード触媒層１２で酸素、電子及びプロトン（Ｈ^＋）に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜１１を通りカソード触媒層１６に移動する。一方、アノード触媒層１２で分離された電子は外部回路を通りカソード触媒層１６に達する。そして、カソード触媒層１６にてプロトンが電子を受け取り水素（Ｈ_２）が発生する。発生した水素はカソードセパレータ１９に達して流路１９ａから排出される。なお、アノード触媒層１２で分離した酸素はアノードセパレータ１５に達して流路１５ａから排出される。 1.10. Generation of Hydrogen by Water Electrolysis Cell Hydrogen is generated from pure water by the water electrolysis cell 10 described above as follows. Therefore, the water electrolysis cell and water electrolysis stack of the present disclosure can be equipped with known members and configurations necessary for generating hydrogen in addition to the above.
Pure water (H ₂ O) supplied from the flow path 15a of the anode separator 15 to the anode (oxygen generating electrode) is supplied with electricity between the anode and the cathode, thereby generating oxygen, It is decomposed into electrons and protons (H ⁺ ). At this time, the protons pass through the solid polymer electrolyte membrane 11 and move to the cathode catalyst layer 16. On the other hand, the electrons separated in the anode catalyst layer 12 reach the cathode catalyst layer 16 through an external circuit. Then, protons receive electrons in the cathode catalyst layer 16 and hydrogen (H ₂ ) is generated. The generated hydrogen reaches the cathode separator 19 and is discharged from the flow path 19a. Note that the oxygen separated by the anode catalyst layer 12 reaches the anode separator 15 and is discharged from the flow path 15a.

アノードセパレータ１５からアノード触媒層１２への水の供給、及び、アノード触媒層１２からからアノードセパレータ１５への水及び発生した酸素の排出は、その途中に配置される流路として機能するアノードマイクロポーラス層１３及びアノードガス拡散層１４により適切に行われる。
一方、カソード触媒層１６で生成された水素及び固体高分子電解質膜１１をプロトンに随伴して透過した水は、流路として機能するカソードマイクロポーラス層１７及びカソードガス拡散層１８を透過して適切にカソードセパレータ１９に達する。 The supply of water from the anode separator 15 to the anode catalyst layer 12 and the discharge of water and generated oxygen from the anode catalyst layer 12 to the anode separator 15 are carried out through the anode microporous which functions as a flow path placed in the middle. This is suitably done by layer 13 and anode gas diffusion layer 14.
On the other hand, the hydrogen generated in the cathode catalyst layer 16 and the water that permeates the solid polymer electrolyte membrane 11 together with protons pass through the cathode microporous layer 17 and the cathode gas diffusion layer 18, which function as flow paths, and are properly reaches the cathode separator 19.

２．製造方法
以上のような水電解セル１０の製造は例えば次のように行うことができる。図２には１つの形態にかかる水電解セル１０の製造方法Ｓ１０について流れを示した。各工程は次の通りである。
製造方法Ｓ１０では予め公知の方法により固体高分子電解質層１１の一方の面にアノード触媒層１２、他方の面にカソード触媒層１６が積層された水電解用膜電極接合体を作製しておく。 2. Manufacturing method The water electrolysis cell 10 as described above can be manufactured, for example, as follows. FIG. 2 shows a flow of a method S10 for manufacturing the water electrolysis cell 10 according to one embodiment. Each step is as follows.
In manufacturing method S10, a membrane electrode assembly for water electrolysis in which an anode catalyst layer 12 is laminated on one side of a solid polymer electrolyte layer 11 and a cathode catalyst layer 16 on the other side is prepared in advance by a known method.

工程Ｓ１１では、アノードマイクロポーラス層を構成する酸化物（Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｂ、及び、Ｔａから選ばれる少なくとも１つの元素を含む酸化物）を準備する。必須ではないが導電性をさらに高める観点からこの酸化物に上記した導電材を担持してもよい。 In step S11, an oxide (an oxide containing at least one element selected from Ti, Mn, Co, Mo, Ru, W, Nb, and Ta) constituting the anode microporous layer is prepared. Although not essential, the above-mentioned conductive material may be supported on this oxide from the viewpoint of further increasing the conductivity.

工程Ｓ１２では、第一級アルコール、第二級以上のアルコール、水に電解質によるアイオノマ及び工程Ｓ１１で得た粒子を混合させて分散し、アノードマイクロポーラス層用インクを得る。ここで第一級アルコールとしてはエタノール、１－プロパノール、１－ブタノール等が挙げられ、第二級以上のアルコールとしては２－プロパノール、ｔ－ブチルアルコール等が挙げられる。また電解質は特に限定されることはないが、プロトン伝導性を有するものであり、固体高分子電解質膜１１の電解質と同様ものを挙げることができる。 In step S12, the ionomer using the electrolyte and the particles obtained in step S11 are mixed and dispersed in primary alcohol, secondary or higher alcohol, water, and an anode microporous layer ink is obtained. Here, examples of primary alcohols include ethanol, 1-propanol, 1-butanol, etc., and examples of secondary and higher alcohols include 2-propanol, t-butyl alcohol, etc. Further, the electrolyte is not particularly limited, but it has proton conductivity, and examples thereof include those similar to the electrolyte of the solid polymer electrolyte membrane 11.

工程Ｓ１３では、工程Ｓ１２で得たアノードマイクロポーラス層用インクをアノードガス拡散層１４のうちアノード触媒層１２側となる面に塗布し、乾燥させる。これにより酸素極ガス拡散層１４の繊維間にアノードマイクロポーラス層１３を充填させる。 In step S13, the anode microporous layer ink obtained in step S12 is applied to the surface of the anode gas diffusion layer 14 facing the anode catalyst layer 12 and dried. As a result, the anode microporous layer 13 is filled between the fibers of the oxygen electrode gas diffusion layer 14.

工程Ｓ１４では、市販のカソードマイクロポーラス層用インクを固体高分子電解質膜１１に積層されたカソード触媒層１６にスプレー等の塗工法で塗工、乾燥して、カソードマイクロポーラス層１７とする。 In step S14, a commercially available ink for the cathode microporous layer is applied to the cathode catalyst layer 16 laminated on the solid polymer electrolyte membrane 11 by a coating method such as spraying, and dried to form the cathode microporous layer 17.

工程Ｓ１５では工程Ｓ１３で得たアノードガス拡散層１４（アノードマイクロポーラス層１３が形成済）をアノード触媒層１２に積層してプレスする。 In step S15, the anode gas diffusion layer 14 obtained in step S13 (anode microporous layer 13 has already been formed) is laminated on the anode catalyst layer 12 and pressed.

工程Ｓ１６では工程Ｓ１５までで得た積層体のアノードガス拡散層１４にアノードセパレータ１５、カソードガス拡散層１８にカソードセパレータ１９を積層してプレスする。 In step S16, the anode separator 15 is laminated on the anode gas diffusion layer 14 of the laminate obtained up to step S15, and the cathode separator 19 is laminated on the cathode gas diffusion layer 18, and then pressed.

３．効果等
水電解セルにおけるガス拡散層において例えばＴi繊維焼結体が用いられた場合等のように、凹凸が大きかったり、繊維の端部が露出したりした材料が用いられると触媒層、さらには固体高分子電解質膜が押しつぶされ、繊維に沿って固体高分子電解質膜が局所的に薄くなり問題が生じることがあった。特に、Ｔｉ繊維の線径が２０μｍ程度あるので、薄い固体高分子電解質膜（例えば２０μｍ以下）を用いる場合にはその影響が大きい。
そのため繊維による膜の変形を抑える観点からマイクロポーラス層を塗工する技術があるが、これは水電解環境下で導電性が低いため、結果として水電解セルの電気抵抗が上がり、性能が低下する問題があった。 3. Effects, etc. If a material with large irregularities or exposed fiber ends is used, such as when a Ti fiber sintered body is used in the gas diffusion layer of a water electrolysis cell, the catalyst layer or even The solid polymer electrolyte membrane was crushed, and the solid polymer electrolyte membrane was locally thinned along the fibers, causing problems. In particular, since the diameter of the Ti fiber is about 20 μm, this has a large effect when using a thin solid polymer electrolyte membrane (for example, 20 μm or less).
Therefore, there is a technology to apply a microporous layer to suppress the deformation of the membrane due to fibers, but this has low conductivity in a water electrolysis environment, resulting in an increase in the electrical resistance of the water electrolysis cell and a decrease in performance. There was a problem.

これに対して本開示によれば、ガス拡散層のＴｉ繊維間にマイクロポーラス層を形成することで、Ｔｉ繊維による触媒層や固体高分子電解質膜へ局所的な押圧の影響を抑えることができるとともに、繊維自体は触媒層に接触しているので導電性は維持できる。 In contrast, according to the present disclosure, by forming a microporous layer between the Ti fibers of the gas diffusion layer, it is possible to suppress the influence of local pressure caused by the Ti fibers on the catalyst layer and solid polymer electrolyte membrane. At the same time, since the fibers themselves are in contact with the catalyst layer, conductivity can be maintained.

１０水分解セル
１１固体高分子電解質膜
１２アノード触媒層（酸素発生極側触媒層）
１３アノードマイクロポーラス層
１４アノードガス拡散層
１５アノードセパレータ
１６カソード触媒層（水素発生極側触媒層）
１７カソードマイクロポーラス層
１８カソードガス拡散層
１９カソードセパレータ 10 Water splitting cell 11 Solid polymer electrolyte membrane 12 Anode catalyst layer (oxygen generation electrode side catalyst layer)
13 Anode microporous layer 14 Anode gas diffusion layer 15 Anode separator 16 Cathode catalyst layer (hydrogen generation pole side catalyst layer)
17 Cathode microporous layer 18 Cathode gas diffusion layer 19 Cathode separator

Claims

A water electrolysis cell having an electrolyte membrane, a catalyst layer, and a gas diffusion layer in this order,
The gas diffusion layer includes Ti fibers,
A microporous layer is filled between the Ti fibers on the surface of the gas diffusion layer that contacts the catalyst layer,
water electrolysis cell.

The water electrolysis cell according to claim 1, wherein the microporous layer includes an oxide containing at least one element selected from Ti, Mn, Co, Mo, Ru, W, Nb, and Ta.

The water electrolysis cell according to claim 1 or 2, wherein a conductive material is supported on the oxide.

A method for manufacturing the water electrolysis cell according to claim 1 or 2, comprising:
preparing a composition for the microporous layer to form an ink, and
a step of applying the ink-formed composition to the gas diffusion layer;
A method for manufacturing a water electrolysis cell.