JP2024039373A

JP2024039373A - 膜電極接合体及びそれを用いた電解セル

Info

Publication number: JP2024039373A
Application number: JP2022143882A
Authority: JP
Inventors: 若奈正本; Wakana Masamoto; 裕子岸見; Yuko Kishimi
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-22

Abstract

【課題】正極と負極との間の抵抗を低減させた膜電極接合体及びそれを用いた電力効率の高い電解セルを提供する。【解決手段】本願の膜電極接合体は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置された隔膜とを備え、前記隔膜が、水に対する接触角が９０°未満である表面を有するイオン透過性基材と、前記イオン透過性基材の前記表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記正極と接触し、前記隔膜の総厚さが、１０～５０μｍであり、前記イオン交換層の厚さが、３～２０μｍである。【選択図】図３

Description

本願は、膜抵抗が低い膜電極接合体及びそれを用いた電解セルに関する。

近年、石油や石炭といった化石燃料の使用により、大気中の二酸化炭素の濃度は急激に上昇している。このため、二酸化炭素の排出がない再生可能エネルギーへの期待が高まっている。再生可能エネルギーとしては、太陽電池や風力発電等が挙げられるが、これらは発電量が天候や自然条件に依存しているため、電力の安定供給が難しい。

このような状況において、再生可能エネルギーで発生させた電力を用いて二酸化炭素（ＣＯ₂）を電気化学的に還元し、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）等の炭素化合物に変換して貯蔵し、電力供給が逼迫した際に、その炭素化合物を発電用燃料として用いる技術が検討されている。

上記技術で用いる二酸化炭素の電解セルについては種々提案されており、例えば、イオン交換膜をカソード（正極）とアノード（負極）との間に配置させた構造の二酸化炭素電解セルが検討されている。しかし、この構成の電解セルにおいて、イオン交換膜として、デュポン社製の“ナフィオン”（登録商標）と呼ばれるポリパーフルオロカーボンスルホン酸系電解質膜（以下、ナフィオン膜ともいう。）を用いると、ナフィオン膜が電解液により膨潤し、ナフィオン膜の表面に凹凸が形成され、電極とナフィオン膜との間に空間が生じ、電極間の抵抗が増加するという問題があった。

特開２０１９－１５７２５２号公報特開２０２０－０４５５０９号公報特開２０２１－０６３２６７号公報特開２０２１－０６３２９２号公報

本願が解決しようとする課題は、正極と負極との間の抵抗を低減させた膜電極接合体及びそれを用いた電力効率の高い電解セルを提供することにある。

本願の膜電極接合体は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置された隔膜とを含み、前記隔膜が、水に対する接触角が９０°未満である表面を有するイオン透過性基材と、前記イオン透過性基材の前記表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記正極と接触し、前記隔膜の総厚さが、１０～５０μｍであり、前記イオン交換層の厚さが、３～２０μｍであることを特徴とする。

また、本願の電解セルは、前記本願の膜電極接合体を含むことを特徴とする。

本願によれば、正極と負極との間の抵抗を低減させた膜電極接合体及びそれを用いた電力効率の高い電解セルを提供できる。

図１は、従来のナフィオン膜（高分子電解質膜）を隔膜として用いた電解セルの模式図である。図２は、ナフィオン膜を隔膜として用いた電解セルの要部模式断面図である。図３は、実施形態の電解セルの要部模式断面図である。図４は、実施形態の電解セルの一例を示す模式断面図である。

（膜電極接合体）
本願の膜電極接合体の実施形態について説明する。本実施形態の膜電極接合体は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置された隔膜とを含み、前記隔膜が、水に対する接触角が９０°未満である表面を有するイオン透過性基材と、前記イオン透過性基材の前記表面に形成されたイオン交換層とを含み、前記イオン交換層が、前記正極と接触し、前記隔膜の総厚さが、１０～５０μｍであり、前記イオン交換層の厚さが、３～２０μｍである。

本実施形態の膜電極接合体は、前記正極と前記負極との間に配置された隔膜が前記構成を有することにより、電極間の抵抗を低減させることができる。

本実施形態の膜電極接合体は、正極で酸素や二酸化炭素などの反応ガスを還元し、負極でメタノールや水などの反応液を酸化する燃料電池や電解セルなどに適用することができる。

以下、図面を用いて二酸化炭素を電解する電解セルの概要について説明する。その後、本実施形態の膜電極接合体において、電極間の抵抗を低減させることができる理由について、二酸化炭素の電解セルを具体例として説明する。

＜電解セルの概要＞
図１は、従来のナフィオン膜（高分子電解質膜）を隔膜として用いた電解セルの模式図である。図１において、従来の膜電極接合体１０は、ナフィオン膜１１と、ナフィオン膜１１の一方の主面に配置された負極１２と、ナフィオン膜１１の他方の主面に配置された正極１３とを備えている。負極１２の外側は、電解質を含む水溶液（電解液）１４に接している。また、正極１３の外側は、二酸化炭素を含む反応ガス１５に接している。

図１において、負極１２と正極１３との間に電流を供給すると、負極１２では、２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺＋Ｏ₂＋４ｅ^-の水（Ｈ₂Ｏ）の酸化反応が起こり、プロトンＨ⁺及び電子ｅ^-が生じる。このプロトンＨ⁺がナフィオン膜１１を介して正極１３に移動する。一方、正極１３では、負極１２からのプロトンＨ⁺及び電子ｅ^-により、下記の二酸化炭素（ＣＯ₂）の還元反応が起こり、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ₄）、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）等の炭素化合物１６が生じる。

２ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２ＣＯ＋２Ｈ₂Ｏ
ＣＯ＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ
２ＣＯ＋８Ｈ⁺＋８ｅ^-→Ｃ₂Ｈ₄＋２Ｈ₂Ｏ

＜電極間の抵抗を低減させることができる理由＞
図１の状態でナフィオン膜１１の厚さは、通常５０μｍ以上であり、その電極間の抵抗値は１ＭΩ以上となり、負極１２や正極１３の抵抗値と比べてかなり高くなる。その理由は、先ず、ナフィオン膜１１自体の膜厚が厚いため、隔膜自体の抵抗値が高くなるからである。また、図２に示すように、ナフィオン膜１１は負極１２からの電解液１４により膨潤し、その表面に凹凸を形成し、負極１２や正極１３と、ナフィオン膜１１との間に空間が生じ、電極間の抵抗値が更に増加するからである。

これに対し、本実施形態の膜電極接合体では、図３に示すように、負極１２と正極１３との間に配置された隔膜１７が、水に対する接触角が９０°未満である表面を有するイオン透過性基材１７ａと、イオン透過性基材１７ａの前記表面に形成されたイオン交換層１７ｂとを備え、イオン交換層１７ｂが正極１３と接触している。イオン交換層１７ｂの支持体となるイオン透過性基材１７ａの表面が水に対して一定以上の濡れ性を有することにより、イオン交換層１７ｂを形成するための組成物（水を媒体とする組成物）で前記基材の表面が濡れやすくなるため、イオン透過性基材１７ａの表面に薄く均一なイオン交換層１７ｂを形成することができる。具体的には、イオン交換層１７ｂの厚さが３～２０μｍと薄くなるため、例えば、イオン交換層１７ｂとしてナフィオン膜を使用しても、ナフィオン膜自体の抵抗値を小さくできる。また、イオン交換層１７ｂが薄く形成されることにより、支持体となるイオン透過性基材１７ａの厚みが薄くてもイオン交換層１７ｂを支持することができる。このため、イオン透過性基材１７ａを含めた隔膜１７の総厚さも１０～５０μｍと薄くすることができるので、隔膜１７におけるイオンの移動パスの距離を短くし、電解液の透過性を高めることができる。さらに、イオン交換層１７ｂが薄いため、たとえ膨潤しても体積変化が小さく、表面での凹凸形成が抑制されるので、イオン交換層１７ｂ（ナフィオン膜）と正極１３との間に空間が生じにくくなる。なお、イオン透過性基材１７ａの抵抗値はナフィオン膜の抵抗値に比べてかなり小さいため問題とならない。

以上より、本実施形態の膜電極接合体では、電極間の抵抗を低減させることができると考えられる。

以下、本実施形態の膜電極接合体の各構成部材について説明する。

＜イオン交換層＞
イオン交換層としては、カチオン交換層を用いることができる。前記カチオン交換層は、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリスチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のプロトン伝導性有機材料を含むことが好ましい。これらの有機材料は、架橋構造にすることや、部分フッ素化することにより材料安定性を高めることができるからである。特に、プロトン伝導性有機材料としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すポリパーフルオロカーボンスルホン酸が好ましい。

イオン交換層としては、アニオン交換層を用いることもできる。アニオン交換層は、例えば、アニオン（ＯＨ^-）の選択的透過性のあるハイドロタルサイト等で形成できる。また、アニオン交換層としては、ポリマーをマトリクスとし、かつそのマトリクス中に金属化合物の粒子を分散させた膜を用いることもできる。

＜イオン透過性基材＞
イオン透過性基材としては、水に対する接触角が９０°未満である表面を有し、電解液の透過性が高く、前記イオン交換層を保持できるものであれば特に限定されない。イオン透過性基材は、例えば、電池用セパレータやメンブレンに用いられる多孔質絶縁材料を例示することができ、表面の水に対する接触角が９０°未満である場合には、そのまま用いることができる。一方、表面の水に対する接触角が９０°以上である場合、すなわち表面が疎水性である場合には、紫外線（ＵＶ）照射、電子線照射、プラズマ照射、オゾン酸化、コロナ放電、高圧放電、親水基のグラフト重合、発煙硫酸やクロルスルホン酸などによるスルホン化処理等の親水化処理を施し、水に対する接触角を９０°未満とした状態で用いる。なお、表面の水に対する接触角が９０°未満である多孔質絶縁材料の場合にも、親水化処理を施すことにより、より親水性を高めた状態でイオン交換層の支持体として用いてもよい。

イオン透過性基材の表面の水に対する接触角が小さくなるほどイオン透過性基材の親水性が高く、イオン交換層を形成するための組成物の濡れ性がよく、また電解液の透過性が大きいことを意味する。

前記イオン透過性基材の表面の水に対する接触角は、ＪＩＳＲ３２５７（１９９９）の「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」の「６．静滴法」に準じ、接触角測定装置を用いて測定することができる。本願では、ＦＩＢＲＯＳｙｓｔｅｍＡＢ社製の「携帯式接触角計ＰＧ－Ｘ＋」を用い、平らにセットしたイオン透過性基材の上に装置の測定ヘッドを置き、基材の表面にイオン交換水を１μＬ滴下し、着滴から１秒経過後に接触角を測定した。

電池用セパレータに用いられる多孔質絶縁材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔性フィルム等が挙げられる。また、メンブレンに用いられる多孔質絶縁材料としては、例えば、ポリエーテルスルホン、酢酸セルロース、ナイロン等が挙げられる。

多孔質絶縁材料の空隙率は、電解液の透過性を高めるために、４０％以上であることが好ましく、その細孔径は４０ｎｍ以上であることが好ましい。また、多孔質絶縁材料の空隙率は、イオン交換層の保持性を高めるために、９０％以下であることが好ましく、その細孔径は２００ｎｍ以下であることが好ましい。

＜隔膜＞
隔膜は、イオン透過性基材と、イオン透過性基材の表面に形成されたイオン交換層とを備えており、そのイオン交換層は正極と接触している必要がある。これにより、負極側の電解液などの反応液がイオン透過性基材を通してイオン交換層に達し、そのイオン交換層を介して正極とのイオン交換が容易となる。イオン交換層は、イオン透過性基材の正極側に配置される必要があるが、更に、イオン透過性基材の負極側に配置されていてもよい。ただし、イオン透過性基材の正極側にのみイオン交換層を配置する方が、電解液の透過性が高くなり隔膜の抵抗値を下げやすくなると考えられる。

また、イオン交換層は、イオン透過性基材の表面に配置されていればよく、イオン交換層の全体がイオン透過性基材の外面に配置されていてもよく、イオン交換層の一部又は全部がイオン透過性基材の表面から内部に含侵して配置されていてもよい。すなわち、イオン交換層の全体がイオン透過性基材の空孔内に配置され、イオン交換層の端部がイオン透過性基材の表面に露出しているのであってもよい。イオン交換層の一部又は全部がイオン透過性基材に含侵している場合、イオン交換層の厚さはその含侵部の厚さを含めたイオン交換層の全体の厚さを意味する。このため、イオン交換層の厚さは、イオン交換層を形成した隔膜の断面を電子顕微鏡観察することで求めることができる。

＜正極及び負極＞
本実施形態の膜電極接合体に用いる正極及び負極については、後述する電解セルの説明の中で詳細に説明する。

（電解セル）
次に、本願の膜電極接合体を用いた電解セルの実施形態を図面に基づき説明する。本願の膜電極接合体を燃料電池に適用する場合も、同様の構成とすることができる。図４は、本実施形態の二酸化炭素の電解セルの一例を示す模式断面図である。図４において、電解セル３０は、膜電極接合体３１を備え、膜電極接合体３１は、正極２１、負極２２及び隔膜２３から構成されている。

＜正極＞
正極２１は、反応ガス（二酸化炭素）を還元して還元生成物（炭素化合物）を生成する還元電極として機能し、ガス拡散層２１ａと、触媒層２１ｂとを備えている。ガス拡散層２１ａは、多孔性の電子伝導性材料等で構成することができ、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シート等を用いることができる。

触媒層２１ｂは、触媒材料と、バインダとから形成できる。正極触媒層に用いる触媒材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、セリウム（Ｃｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、ビスマス（Ｂｉ）等の金属微粒子が使用できるが、二酸化炭素の電解セルの場合には、特にＣｕ微粒子が好ましい。正極触媒材料にＣｕ微粒子を用いると、二酸化炭素をメタン、エチレン等の炭化水素系の炭素化合物まで還元できるからである。

正極触媒材料に用いる金属微粒子の粒子径は、触媒活性を高めるために、１～５００ｎｍであることが好ましい。また、正極触媒材料は、後述する負極触媒材料と同様に、導電性材料の表面に担持して用いることもできる。

上記バインダとしては、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリスチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等のプロトン伝導性有機材料を用いることができるが、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアクリル酸、ポリイミド等を用いることもできる。

正極触媒層におけるバインダの含有量は、正極触媒材料１００質量部に対して、２～１００質量部とすればよい。

触媒層２１ｂは、上記触媒材料と、上記バインダと、溶媒とを含む触媒塗料を作製し、この触媒塗料をガス拡散層２１ａに塗布した後、溶媒を乾燥除去することにより形成することができる。

＜負極＞
負極２２は、反応液（水）を酸化して酸化生成物（酸素）を生成する酸化電極として機能し、ガス拡散層２２ａと、触媒層２２ｂとを備えているが、負極２２は、触媒層２２ｂのみで構成されていてもよい。ガス拡散層２２ａは、多孔性の電子伝導性材料等で構成することができ、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シート等を用いることができる。

触媒層２２ｂは、触媒材料と、導電性材料と、バインダとから形成できる。負極触媒層に用いる触媒材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属微粒子が使用できる。

上記導電性材料としては特に限定されないが、電子伝導性、電気化学的安定性等を考慮すると、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブ等の高表面積の炭素材料粉末が好ましい。

負極触媒材料に用いる金属微粒子の粒子径は、触媒活性を高めるために、１～５０ｎｍであることが好ましい。また、負極触媒材料は、上記導電性材料粉末の表面に担持されていることが好ましい。負極触媒材料の電子伝導性が向上するからである。負極触媒材料を担持した導電性材料における負極触媒材料の含有量は特に限定されないが、例えば、導電性材料１００質量部に対して、１０～５００質量部とすることができる。

上記バインダとしては、正極触媒層で用いたバインダと同じものが使用できる。また、負極触媒層におけるバインダの含有量は、負極触媒材料１００質量部に対して、２～１００質量部とすればよい。

上記負極触媒層は、上記触媒材料が上記導電性材料に担持された担持体と、上記バインダと、溶媒とを含む触媒塗料を作製し、この触媒塗料を負極ガス拡散層に塗布するか、又は、負極ガス拡散層を設けない場合には、この触媒塗料を隔膜２３に直接塗布するなどして、その後、溶媒を除去することにより形成することができる。

＜隔膜＞
隔膜２３は、前述の本願の膜電極接合体で説明した隔膜を使用するため、その詳細な説明は省略するが、隔膜２３は、イオン透過性基材２３ａとイオン交換層２３ｂとから構成され、イオン交換層２３ｂが正極２１の触媒層２１ｂと接合している。

＜他の構成部材＞
電解セル３０は、正極２１のガス拡散層２１ａ及び負極２２のガス拡散層２２ａの外側に、それぞれ集電板２４、２５を備えている。正極２１側の集電板２４には、反応ガス（二酸化炭素を含むガス）を取り込むための孔２４ａが設けられており、更にリード体２４ｂが接続されている。また、集電板２４の外側には、反応ガス流路２６が設けられている。

また、負極２２側の集電板２５には、反応液となる電解液を取り込むための孔２５ａが設けられており、更にリード体２５ｂが接続されている。また、集電板２５の外側には、電解液容器２７が設けられ、電解液２８が充填されている。

上記電解液としては、電解質を含む水溶液が用いられ、電解質としては、例えば、水酸化物イオン（ＯＨ^-）、水素イオン（Ｈ⁺）、カリウムイオン（Ｋ⁺）、ナトリウムイオン（Ｎａ⁺）、塩化物イオン（Ｃｌ^-）、臭化物イオン（Ｂｒ^-）、ヨウ化物イオン（Ｉ^-）、硝酸イオン（ＮＯ₃ ^-）、硫酸イオン（ＳＯ₄ ^2-）、リン酸イオン（ＰＯ₄ ^2-）、炭酸水素イオン（ＨＣＯ₃ ^-）、炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）等が挙げられる。

集電板２４、２５としては、例えば、白金、金等の貴金属や、ステンレス鋼等の耐食性金属、又は炭素材料等で構成することができる。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されていてもよい。

膜電極接合体３１は集電板２４、２５により挟まれ、シール材２９で封止されることにより電解セル３０が構成される。

以下、実施例により本願を説明するが、本願は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜正極の作製＞
正極触媒材料として、粒径２５ｎｍの銅粉を準備し、その銅粉：１質量部に、バインダとして５質量％のナフィオン分散溶液：１．７質量部と、溶媒として２－プロパノール：３．４質量部とを加えて混合し、正極触媒塗料を作製した。また、正極ガス拡散層として厚さ２２０μｍのカーボン不織布を準備した。次に、作製した正極触媒塗料をカーボン不織布の片面に塗布して乾燥し、触媒層とガス拡散層とが積層された正極を作製した。正極触媒層における銅粉の塗布量は１．６ｍｇ／ｃｍ²であった。

＜負極の作製＞
負極触媒材料として、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）を準備し、その白金担持カーボン：１質量部に、バインダとして５質量％のナフィオン分散溶液：１２質量部と、溶媒として水：１質量部とを加えて混合し、負極触媒塗料を作製した。次に、作製した負極触媒塗料をカプトンシート上に塗布して乾燥し、カプトンシート上に触媒層のみからなる負極を作製した。負極触媒層における白金の塗布量は０．９ｍｇ／ｃｍ²であった。

＜隔膜の作製＞
厚さ１８μｍのポリエチレン製の微多孔フィルム（表面の水に対する接触角：９７．９°）をスルホン化処理して、表面の水に対する接触角が８４．６°のイオン透過性基材を得た。次に、デュポン社製の“Ｎａｆｉｏｎ”（登録商標）溶液を微多孔フィルムの片面に塗布して乾燥し、カチオン交換層（プロトン伝導性層）をイオン透過性基材の片側表面に形成した隔膜を作製した。作製した隔膜の総厚さは、２１μｍであった。

＜膜電極接合体の作製＞
作製した隔膜のカチオン交換層側に、先に作製した正極の触媒層側を接合し、その隔膜のイオン透過性基材側に、カプトンシートから剥離した負極（負極触媒層）を接合し、実施例１の膜電極接合体を作製した。

（実施例２）
ポリエチレン製の微多孔フィルムに代えて、厚さ５０μｍのセルロース製メンブレン（表面の水に対する接触角：７１．７°）をスルホン化処理することなくそのままイオン透過性基材として用い、負極触媒層における白金の塗布量を１．７ｍｇ／ｃｍ²に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２の膜電極接合体を作製した。作製した隔膜の総厚さは、５０μｍであった。この場合、カチオン交換層は、全てメンブレンの表面から内部に含侵して配置されていると考えられる。

（比較例１）
隔膜として厚さ５０μｍのデュポン社製の“Ｎａｆｉｏｎ”（登録商標）膜を用い、正極触媒層における銅粉の塗布量を１．３ｍｇ／ｃｍ²、負極触媒層における白金の塗布量を１．５ｍｇ／ｃｍ²に変更した以外は、実施例１と同様にして比較例１の膜電極接合体を作製した。

（比較例２）
実施例１と同じポリエチレン製の微多孔フィルムをスルホン化処理することなくそのままイオン透過性基材として用いた以外は、実施例１と同様にして比較例２の膜電極接合体を作製した。

＜電極間抵抗の測定＞
作製した各膜電極接合体を図４に示す電解セルに組み込み、電極間抵抗を、直流抵抗テスターを用いて測定した。その結果を表１に示す。

表１から、実施例１～２の電極間抵抗は、隔膜にナフィオン膜のみを用いた比較例１の電極間抵抗に比べて、大幅に低下していることが分かる。これは、実施例１～２の隔膜では、カチオン交換層の厚さを２０μｍ以下と薄くし、カチオン交換層を正極に接触させているため、カチオン交換層が電解液で膨潤しても、正極と隔膜との間に隙間が生じることがなく、電極間抵抗が低下したものと考えられる。一方、比較例１の隔膜では、厚さ５０μｍのナフィオン膜のみを隔膜として用いているため、隔膜が電解液で膨潤し、図２に示すように、正極と隔膜との間に隙間が生じ、電極間抵抗が上昇したものと考えられる。また、比較例２の隔膜では、イオン透過性基材の表面の撥水性が高すぎて均一なカチオン交換層が形成できず、正極と隔膜との間に隙間が生じたほか、電解液の透過性が低下したため、電極間抵抗が上昇したものと考えられる。

以上のように本願の膜電極接合体は、電極間抵抗を低く抑えることができるので、これを用いることにより、電力効率の高い電解セルを提供できる。

１０従来の膜電極接合体
１１ナフィオン膜
１２負極
１３正極
１４電解液
１５反応ガス
１６炭素化合物
１７隔膜
１７ａイオン透過性基材
１７ｂイオン交換層
２１正極
２１ａガス拡散層
２１ｂ触媒層
２２負極
２２ａガス拡散層
２２ｂ触媒層
２３隔膜
２３ａイオン透過性基材
２３ｂイオン交換層
２４、２５集電板
２４ａ、２５ａ孔
２４ｂ、２５ｂリード体
２６反応ガス流路
２７電解液容器
２８電解液
２９シール材
３０電解セル
３１膜電極接合体

Claims

正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置された隔膜とを含む膜電極接合体であって、
前記隔膜が、水に対する接触角が９０°未満である表面を有するイオン透過性基材と、前記イオン透過性基材の前記表面に形成されたイオン交換層とを含み、
前記イオン交換層が、前記正極と接触し、
前記隔膜の総厚さが、１０～５０μｍであり、
前記イオン交換層の厚さが、３～２０μｍであることを特徴とする膜電極接合体。
前記イオン交換層が、カチオン交換層である請求項１に記載の膜電極接合体。
前記カチオン交換層が、プロトン伝導性有機材料を含む請求項２に記載の膜電極接合体。
前記プロトン伝導性有機材料が、ポリパーフルオロカーボンスルホン酸である請求項３に記載の膜電極接合体。
前記イオン透過性基材が、多孔質絶縁材料からなる請求項１に記載の膜電極接合体。
前記多孔質絶縁材料が、ポリオレフィンの微多孔性フィルムである請求項５に記載の膜電極接合体。
前記多孔質絶縁材料の空隙率が、４０％以上である請求項５に記載の膜電極接合体。
前記多孔質絶縁材料の細孔径が、４０ｎｍ以上である請求項５に記載の膜電極接合体。
前記イオン透過性基材は、親水化処理が施されている請求項１に記載の膜電極接合体。
請求項１～９のいずれかに記載の膜電極接合体を含むことを特徴とする電解セル。
前記膜電極接合体の正極が、Ｃｕ微粒子を含有する触媒層を備えた請求項１０に記載の電解セル。