JP2024062492A - 水電解セル - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質膜の破断の発生を抑制することができる水電解セルを提供する。
【解決手段】水電解セルであって、前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セル。
【選択図】図１
【解決手段】水電解セルであって、前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セル。
【選択図】図１
Description
本開示は、水電解セルに関する。
水電解装置については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献１では、積層方向に沿って電解質膜と絶縁性補強部材とが重なる部位は、接着剤により接合されていることを特徴とする差圧式高圧水電解装置が開示されている。
例えば特許文献１では、積層方向に沿って電解質膜と絶縁性補強部材とが重なる部位は、接着剤により接合されていることを特徴とする差圧式高圧水電解装置が開示されている。
水電解により生成した水素を昇圧するために、水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くするニーズがある。しかしながら、電極部の端部に段付き構造を有する水電解セルにおいて、水電解セルの長期運転中に、水素極と酸素極の圧力差で電解質膜が屈曲し、電解質膜が破断しやすくなり、リークが発生するという問題がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電解質膜の破断の発生を抑制することができる水電解セルを提供することを主目的とする。
本開示においては、水電解セルであって、
前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、
前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、
各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、
各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セルを提供する。
前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、
前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、
各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、
各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セルを提供する。
本開示においては、各前記ガス拡散層の気孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
本開示の水電解セルは、電解質膜の破断の発生を抑制することができる。
以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない水電解セルの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
本開示においては、水電解セルであって、
前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、
前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、
各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、
各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セルを提供する。
前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、
前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、
各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、
各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セルを提供する。
水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層（ＭＰＬ）と、２つのガス拡散層（ＧＤＬ）と、２つのセパレータと、を有する。
本開示の水電解セルは、以下の通り、アノード（酸素極）に供給された水を電解し、アノードから酸素が発生し、カソード（水素極）から水素が発生する。
アノード：Ｈ２Ｏ → ２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２
本開示の水電解セルは、以下の通り、アノード（酸素極）に供給された水を電解し、アノードから酸素が発生し、カソード（水素極）から水素が発生する。
アノード：Ｈ２Ｏ → ２Ｈ＋ ＋ １／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ → Ｈ２
水電解セルは、電極部を備える。
電極部は、アノード側ガス拡散層、アノード側マイクロポーラス層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側マイクロポーラス層、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
本開示においては、アノード触媒層－電解質膜－カソード触媒層接合体をＣＣＭと表記する。
電極部は、アノード側ガス拡散層、アノード側マイクロポーラス層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側マイクロポーラス層、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
本開示においては、アノード触媒層－電解質膜－カソード触媒層接合体をＣＣＭと表記する。
カソード（水素極）は、カソード触媒層、カソード側マイクロポーラス層、及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（酸素極）は、アノード触媒層、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側ガス拡散層を含む。
水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、酸素極の面積が水素極の面積よりも小さくてもよい。これにより、水電解セルの電極部は、面方向の端部に段付き構造を有する。
酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、いずれも、電解質膜よりも面積が小さければよい。酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、電解質膜よりも面積が小さければ、これらの面積の大小は特に限定されない。
本開示の水電解セルは、当該水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしてもよい。
アノード（酸素極）は、アノード触媒層、アノード側マイクロポーラス層、及びアノード側ガス拡散層を含む。
水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、酸素極の面積が水素極の面積よりも小さくてもよい。これにより、水電解セルの電極部は、面方向の端部に段付き構造を有する。
酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、いずれも、電解質膜よりも面積が小さければよい。酸素極及び水素極の内、面積が小さい方の電極の触媒層、マイクロポーラス層、ガス拡散層は、電解質膜よりも面積が小さければ、これらの面積の大小は特に限定されない。
本開示の水電解セルは、当該水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしてもよい。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。アノード触媒層は、触媒金属として例えば、Ｉｒ、及び、Ｒｕ等を用いてもよく、カソード触媒層は、触媒金属として、例えば、Ｐｔ、及び、Ｐｔ合金等を用いてもよい。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。アノード触媒層は、触媒金属として例えば、Ｉｒ、及び、Ｒｕ等を用いてもよく、カソード触媒層は、触媒金属として、例えば、Ｐｔ、及び、Ｐｔ合金等を用いてもよい。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体（触媒担持担体）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
電解質膜は、２つの触媒層により挟持される。２つの触媒層は一方が、カソード触媒層であり、もう一方がアノード触媒層である。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
アノード側マイクロポーラス層、及び、カソード側マイクロポーラス層をまとめてマイクロポーラス層と称する。
アノード側マイクロポーラス層、及び、カソード側マイクロポーラス層の各マイクロポーラス層は、各触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置される。すなわち、アノード側マイクロポーラス層は、アノード触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接して配置される。カソード側マイクロポーラス層は、カソード触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接して配置される。
マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物であってもよい。
マイクロポーラス層は、１～数百μｍの気孔を有していてもよい。
アノード側マイクロポーラス層、及び、カソード側マイクロポーラス層の各マイクロポーラス層は、各触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置される。すなわち、アノード側マイクロポーラス層は、アノード触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接して配置される。カソード側マイクロポーラス層は、カソード触媒層の電解質膜側とは反対側の面に隣接して配置される。
マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物であってもよい。
マイクロポーラス層は、１～数百μｍの気孔を有していてもよい。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層の各ガス拡散層は、各マイクロポーラス層の触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置される。すなわち、カソード側ガス拡散層は、カソード側マイクロポーラス層のカソード触媒層側とは反対側の面に隣接して配置される。アノード側ガス拡散層は、アノード側マイクロポーラス層のアノード触媒層側とは反対側の面に隣接して配置される。
ガス拡散層は、ガス透過性、すなわち、気孔を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層の各ガス拡散層は、各マイクロポーラス層の触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置される。すなわち、カソード側ガス拡散層は、カソード側マイクロポーラス層のカソード触媒層側とは反対側の面に隣接して配置される。アノード側ガス拡散層は、アノード側マイクロポーラス層のアノード触媒層側とは反対側の面に隣接して配置される。
ガス拡散層は、ガス透過性、すなわち、気孔を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータという。アノードセパレータとカソードセパレータの各セパレータは、各ガス拡散層のマイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置される。すなわち、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層のカソード側マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接して配置される。アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層のアノード側マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接して配置される。
アノードセパレータとカソードセパレータの２つのセパレータは、樹脂フレーム及び電極部を挟持する。
セパレータは、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。反応水及び冷却媒体としては、水等を用いることができる。
供給孔は、アノード供給孔、カソード供給孔、及び、冷却媒体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、アノード排出孔、カソード排出孔、及び、冷却媒体排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応水、酸素、水素等の反応流体の流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に反応水、酸素等のアノード流体の流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に水素等のカソード流体の流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材と、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材と、を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、及び、ステンレス等）板等であってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
アノードセパレータとカソードセパレータの２つのセパレータは、樹脂フレーム及び電極部を挟持する。
セパレータは、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等の孔を有していてもよい。反応水及び冷却媒体としては、水等を用いることができる。
供給孔は、アノード供給孔、カソード供給孔、及び、冷却媒体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、アノード排出孔、カソード排出孔、及び、冷却媒体排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応水、酸素、水素等の反応流体の流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に反応水、酸素等のアノード流体の流路を有していてもよい。また、アノードセパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に水素等のカソード流体の流路を有していてもよい。また、カソードセパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に水電解セルの温度を一定に保つための冷却媒体の流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材と、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材と、を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、及び、ステンレス等）板等であってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
水電解セルは通常、樹脂フレームを備えていてもよい。
樹脂フレームは、電極部の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置される。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、電極部と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、電極部の保持領域であり、電極部を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、電極部の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの孔は、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。
樹脂フレームは、電極部の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置される。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、孔を有していてもよい。
骨格部は、電極部と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、電極部の保持領域であり、電極部を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、電極部の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの孔は、反応水、酸素、水素、及び冷却媒体等の流体を水電解セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの孔は、セパレータの孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、枠状のコア層と、コア層の両面に設けられた枠状の二つのシェル層、即ち、第１シェル層と第２シェル層とを含んでいてもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層と同様に、コア層の両面に枠状に設けられていてもよい。
コア層は、ガスシール性、絶縁性を有する構造部材であればよく、水電解セルの製造工程での熱圧着時の温度条件下でも構造が変化しない材料により形成されていてもよい。具体的には、コア層の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、シクロオレフィン、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、エポキシ樹脂等の樹脂等であってもよい。コア層の材料は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴム等のゴム材であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、水電解セル厚さを低減する観点から、２００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以下であってもよい。
コア層の厚さは、絶縁性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、２０μｍ以上であってもよく、水電解セル厚さを低減する観点から、２００μｍ以下であってもよく、１５０μｍ以下であってもよい。
第１シェル層及び第２シェル層は、コア層とアノードセパレータ及びカソードセパレータとを接着してシール性を確保するために、他の物質との接着性が高く、熱圧着時の温度条件下で軟化し、コア層よりも粘度及び融点が低い性質を有していてもよい。具体的には、第１シェル層及び第２シェル層は、ポリエステル系及び変性オレフィン系等の熱可塑性樹脂であってもよく、変性エポキシ樹脂である熱硬化性樹脂であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、水電解セルの厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。
第１シェル層を構成する樹脂と第２シェル層を構成する樹脂とは、同種の樹脂であってもよく、異なる種類の樹脂であってもよい。コア層の両面にシェル層を設けることで、樹脂フレームと２つのセパレータとの間の加熱プレスによる接着が容易になる。
第１シェル層及び第２シェル層のそれぞれのシェル層の厚さは、接着性を担保する観点から、５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、水電解セルの厚さを低減する観点から、１００μｍ以下であってもよく、４０μｍ以下であってもよい。
樹脂フレームにおいて、第１シェル層及び第２シェル層は、それぞれアノードセパレータ及びカソードセパレータと接着する部分にのみに設けられていてもよい。コア層の一方の面に設けられた第１シェル層は、カソードセパレータと接着していてもよい。コア層の他方の面に設けられた第２シェル層は、アノードセパレータと接着していてもよい。そして、樹脂フレームは、一対のセパレータにより挟持されてもよい。
本開示においては、各マイクロポーラス層と各触媒層との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも高い。各マイクロポーラス層と各触媒層との接着強度は、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも１．４倍以上高くてもよい。
本開示においては、アノード側マイクロポーラス層とアノード触媒層との接着強度が、カソード側マイクロポーラス層とカソード触媒層との接着強度と同じであってもよい。
本開示においては、アノード側ガス拡散層とアノード側マイクロポーラス層との接着強度が、カソード側ガス拡散層とカソード側マイクロポーラス層との接着強度と同じであってもよい。
従来においては、マイクロポーラス層と触媒層との接着強度が、ガス拡散層とマイクロポーラス層との接着強度と同等又はそれ以下であった。
一方、本開示においては、マイクロポーラス層と触媒層との接着強度を、ガス拡散層とマイクロポーラス層との接着強度よりも高くする。これにより、水素極側のガス圧力が高い水電解セルにおいて、触媒層がマイクロポーラス層（ＭＰＬ）により補強される構造となるため、電解質膜が屈曲することを防止できる。
上記接着強度になるよう、ＭＰＬ形成時にＭＰＬがＧＤＬにしみ込むのを抑制し、ＭＰＬとＧＤＬの接着強度を低くする観点から、ＧＤＬの気孔径が１００μｍ以下であってもよい。水素を排出する観点から、気孔径は１０μｍ以上であってもよい。
ＭＰＬが疎水性を有するＧＤＬにしみ込むのを抑制し、ＭＰＬとＧＤＬの接着強度を低くする観点から、ＭＰＬ形成時のＭＰＬの塗工液を水溶液にしてもよい。
水溶液は、水溶性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と分散剤の混合液であってもよい。
分散剤としては、ＡＧＣ製のパーフルオロアルキル基を有する界面活性剤、積水化学製の非フッ素系分散剤、ＬＩＯＮ社製のレオコール（登録商標）、ネオス製のフッ素樹脂分散剤「フタージェント」、ダイキン工業製のＤ－１１１、日本乳化剤製のＮ１３１０（商品名）等が挙げられる。
本開示においては、アノード側マイクロポーラス層とアノード触媒層との接着強度が、カソード側マイクロポーラス層とカソード触媒層との接着強度と同じであってもよい。
本開示においては、アノード側ガス拡散層とアノード側マイクロポーラス層との接着強度が、カソード側ガス拡散層とカソード側マイクロポーラス層との接着強度と同じであってもよい。
従来においては、マイクロポーラス層と触媒層との接着強度が、ガス拡散層とマイクロポーラス層との接着強度と同等又はそれ以下であった。
一方、本開示においては、マイクロポーラス層と触媒層との接着強度を、ガス拡散層とマイクロポーラス層との接着強度よりも高くする。これにより、水素極側のガス圧力が高い水電解セルにおいて、触媒層がマイクロポーラス層（ＭＰＬ）により補強される構造となるため、電解質膜が屈曲することを防止できる。
上記接着強度になるよう、ＭＰＬ形成時にＭＰＬがＧＤＬにしみ込むのを抑制し、ＭＰＬとＧＤＬの接着強度を低くする観点から、ＧＤＬの気孔径が１００μｍ以下であってもよい。水素を排出する観点から、気孔径は１０μｍ以上であってもよい。
ＭＰＬが疎水性を有するＧＤＬにしみ込むのを抑制し、ＭＰＬとＧＤＬの接着強度を低くする観点から、ＭＰＬ形成時のＭＰＬの塗工液を水溶液にしてもよい。
水溶液は、水溶性のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と分散剤の混合液であってもよい。
分散剤としては、ＡＧＣ製のパーフルオロアルキル基を有する界面活性剤、積水化学製の非フッ素系分散剤、ＬＩＯＮ社製のレオコール（登録商標）、ネオス製のフッ素樹脂分散剤「フタージェント」、ダイキン工業製のＤ－１１１、日本乳化剤製のＮ１３１０（商品名）等が挙げられる。
本開示においては、プロトンの移動を円滑にする観点から、電解質膜と各触媒層との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも高くてもよい。
本開示においては、電解質膜と各触媒層との接着強度が、各マイクロポーラス層と各触媒層との接着強度と同じであってもよい。
本開示においては、電解質膜とアノード触媒層との接着強度が、電解質膜とカソード触媒層との接着強度と同じであってもよい。
本開示においては、電解質膜と各触媒層との接着強度が、各マイクロポーラス層と各触媒層との接着強度と同じであってもよい。
本開示においては、電解質膜とアノード触媒層との接着強度が、電解質膜とカソード触媒層との接着強度と同じであってもよい。
図１は、本開示の水電解セルの一部の一例を示す部分断面模式図である。
図１で示すように、本開示の水電解セル１００は、電極部１０と、樹脂フレーム２０と、これらを挟持するアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を有する。
電極部１０は、アノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、アノード触媒層１３、電解質膜１４、カソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、カソード側ガス拡散層１７をこの順に有する。
酸素極を構成するアノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、及び、アノード触媒層１３の面積が、電解質膜１４、並びに、水素極を構成するカソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、及び、カソード側ガス拡散層１７の面積よりも小さい。これにより、水電解セル１００の電極部１０は、面方向の端部に段付き構造を有する。
樹脂フレーム２０はその一部が電解質膜１４の端部上に配置されていてもよい。なお、図示しないが、樹脂フレーム２０は、平面視において電極部１０を囲うように配置される。
水電解セル１００においては、各マイクロポーラス層１２、１６と各触媒層１３、１７との接着強度、及び、電解質膜１４と各触媒層１３、１７との接着強度が、各ガス拡散層１１、１５と各マイクロポーラス層１２、１６との接着強度よりも高くなるように設計する。これにより、水素極側のガス圧力が高い水電解セル１００において、各触媒層１３、１７が各マイクロポーラス層１２、１６により補強される構造となるため、水電解セル１００内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしても、電解質膜１４が屈曲し、破断することを抑制できる。
図１で示すように、本開示の水電解セル１００は、電極部１０と、樹脂フレーム２０と、これらを挟持するアノードセパレータ３０及びカソードセパレータ４０を有する。
電極部１０は、アノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、アノード触媒層１３、電解質膜１４、カソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、カソード側ガス拡散層１７をこの順に有する。
酸素極を構成するアノード側ガス拡散層１１、アノード側マイクロポーラス層１２、及び、アノード触媒層１３の面積が、電解質膜１４、並びに、水素極を構成するカソード触媒層１５、カソード側マイクロポーラス層１６、及び、カソード側ガス拡散層１７の面積よりも小さい。これにより、水電解セル１００の電極部１０は、面方向の端部に段付き構造を有する。
樹脂フレーム２０はその一部が電解質膜１４の端部上に配置されていてもよい。なお、図示しないが、樹脂フレーム２０は、平面視において電極部１０を囲うように配置される。
水電解セル１００においては、各マイクロポーラス層１２、１６と各触媒層１３、１７との接着強度、及び、電解質膜１４と各触媒層１３、１７との接着強度が、各ガス拡散層１１、１５と各マイクロポーラス層１２、１６との接着強度よりも高くなるように設計する。これにより、水素極側のガス圧力が高い水電解セル１００において、各触媒層１３、１７が各マイクロポーラス層１２、１６により補強される構造となるため、水電解セル１００内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしても、電解質膜１４が屈曲し、破断することを抑制できる。
＜実施例１＞
各マイクロポーラス層と各触媒層と電解質膜との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも１．４倍高い電極部を有する水電解セルを準備した。
水電解セルの水素極の圧力を０．９ＭＰａ ａｂｓ、酸素極の圧力を０．１ＭＰａ ａｂｓになるようにし、リークが発生するまでの時間を計測した。この結果を表１に示す。
各マイクロポーラス層と各触媒層と電解質膜との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも１．４倍高い電極部を有する水電解セルを準備した。
水電解セルの水素極の圧力を０．９ＭＰａ ａｂｓ、酸素極の圧力を０．１ＭＰａ ａｂｓになるようにし、リークが発生するまでの時間を計測した。この結果を表１に示す。
＜比較例１＞
各マイクロポーラス層と各触媒層と電解質膜との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも低い電極部を有する水電解セルを準備し、実施例１と同様に、水電解セルについて、リークが発生するまでの時間を計測した。この結果を表１に示す。
各マイクロポーラス層と各触媒層と電解質膜との接着強度が、各ガス拡散層と各マイクロポーラス層との接着強度よりも低い電極部を有する水電解セルを準備し、実施例１と同様に、水電解セルについて、リークが発生するまでの時間を計測した。この結果を表１に示す。
実施例１の水電解セルでは、１００時間以上経ってもリークが発生しないことを確認した。したがって、本開示の構成により、水電解セル内の水素極の圧力を、酸素極の圧力よりも高くしても、電解質膜が屈曲して破断することを抑制でき、リークの発生を低減できることがわかる。
１０ 電極部
１１ アノード側ガス拡散層
１２ アノード側マイクロポーラス層
１３ アノード触媒層
１４ 電解質膜
１５ カソード触媒層
１６ カソード側マイクロポーラス層
１７ カソード側ガス拡散層
２０ 樹脂フレーム
３０ アノードセパレータ
４０ カソードセパレータ
１００ 水電解セル
１１ アノード側ガス拡散層
１２ アノード側マイクロポーラス層
１３ アノード触媒層
１４ 電解質膜
１５ カソード触媒層
１６ カソード側マイクロポーラス層
１７ カソード側ガス拡散層
２０ 樹脂フレーム
３０ アノードセパレータ
４０ カソードセパレータ
１００ 水電解セル
Claims (2)
- 水電解セルであって、
前記水電解セルは、電解質膜と、２つの触媒層と、２つのマイクロポーラス層と、２つのガス拡散層と、２つのセパレータと、を有し、
前記電解質膜は、２つの前記触媒層により挟持され、
各前記マイクロポーラス層は、各前記触媒層の前記電解質膜側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記ガス拡散層は、各前記マイクロポーラス層の前記触媒層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
各前記セパレータは、各前記ガス拡散層の前記マイクロポーラス層側とは反対側の面に隣接してそれぞれ配置され、
前記水電解セルは、酸素極及び水素極の内の一方の面積がもう一方の面積よりも小さく、
各前記マイクロポーラス層と各前記触媒層との接着強度が、各前記ガス拡散層と各前記マイクロポーラス層との接着強度よりも高い、水電解セル。 - 各前記ガス拡散層の気孔径が１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１に記載の水電解セル。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022170344A JP2024062492A (ja) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 水電解セル |
| US18/366,934 US20240229252A9 (en) | 2022-10-25 | 2023-08-08 | Water electrolysis cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022170344A JP2024062492A (ja) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 水電解セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024062492A true JP2024062492A (ja) | 2024-05-10 |
Family
ID=90970991
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022170344A Pending JP2024062492A (ja) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 水電解セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2024062492A (ja) |
-
2022
- 2022-10-25 JP JP2022170344A patent/JP2024062492A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20240133050A1 (en) | 2024-04-25 |
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Legal Events
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