JP2024070597A - Anode-side separator and water electrolysis device - Google Patents

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Abstract

【課題】導電性を高くすることができるアノード側セパレータを提供する。【解決手段】本発明のアノード側セパレータは、水電解装置に用いられるアノード側セパレータであって、チタン又はステンレススチールからなる金属基材と、上記金属基材の表面に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜と、を備え、上記導電性酸化膜の結晶化度が20%以上であることを特徴とする。【選択図】図2[Problem] To provide an anode-side separator capable of increasing electrical conductivity. [Solution] The anode-side separator of the present invention is an anode-side separator used in a water electrolysis device, and is characterized in that it comprises a metal substrate made of titanium or stainless steel, and a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO) provided on the surface of the metal substrate, and the crystallinity of the conductive oxide film is 20% or more. [Selected Figure] Figure 2

Description

本発明は、水電解装置に用いられるアノード側セパレータ及びそれを備える水電解装置に関する。 The present invention relates to an anode-side separator for use in a water electrolysis device and a water electrolysis device equipped with the same.

近年、原料の水等を電気分解して水素を製造する水電解装置として、固体高分子電解質膜等の電解質膜を用いた水電解用セルが積層されたものが知られている。水電解用セルは、例えば、固体高分子電解質膜の一方の面及び他方の面にアノード触媒層及びカソード触媒層がそれぞれ設けられ、アノード触媒層にアノード給電体及びアノード側セパレータが積層され、カソード触媒層にカソード給電体及びカソード側セパレータが積層されたものである。 In recent years, a water electrolysis device that produces hydrogen by electrolyzing raw water, etc., has been known that has stacked water electrolysis cells using electrolyte membranes such as solid polymer electrolyte membranes. The water electrolysis cell has, for example, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on one side and the other side of the solid polymer electrolyte membrane, respectively, an anode power feeder and an anode side separator stacked on the anode catalyst layer, and a cathode power feeder and a cathode side separator stacked on the cathode catalyst layer.

アノード側セパレータは、電気をアノード触媒層に伝える機能を担うため、高い導電性が必要となる。また、強度等の観点から金属基材を用いる場合、金属基材は腐食が生じ易いので耐食性が問題となる。このため、アノード側セパレータには、金属基材の表面に導電性が高く、耐食性に優れた導電性層を設けた構成が採用されている。例えば、特許文献1に記載されたセパレータは、チタン等からなる金属基材と、金属基材上に直接積層されるAuからなる貴金属層(導電性層)と、を備え、高導電性及び高耐食性を有する上、金属基材の表面粗さが調整され、金属基材と貴金属層との密着性等を向上している。さらに、特許文献2に記載されたアノードを構成する部材は、アルミニウム等の金属からなる電極基材と、電極基材の表面に設けられ、ナノ構造体をなす導電性酸化膜と、を備えている。 The anode-side separator must be highly conductive to transmit electricity to the anode catalyst layer. In addition, when using a metal substrate from the viewpoint of strength, corrosion resistance becomes an issue because the metal substrate is prone to corrosion. For this reason, the anode-side separator is configured to have a conductive layer with high conductivity and excellent corrosion resistance on the surface of the metal substrate. For example, the separator described in Patent Document 1 has a metal substrate made of titanium or the like and a precious metal layer (conductive layer) made of Au that is directly laminated on the metal substrate, and has high conductivity and high corrosion resistance. In addition, the surface roughness of the metal substrate is adjusted to improve the adhesion between the metal substrate and the precious metal layer. Furthermore, the member constituting the anode described in Patent Document 2 has an electrode substrate made of a metal such as aluminum and a conductive oxide film that is provided on the surface of the electrode substrate and forms a nanostructure.

特開2018-127707号公報JP 2018-127707 A 特開2013-231208号公報JP 2013-231208 A

特許文献1に記載されたアノード側セパレータは、金属基材の表面に貴金属層を設けているため、耐食性に優れる一方、コストが高く、実製品への採用が難しい。これに対処するために、金属基材の表面に導電性層を設けたアノード側セパレータとして、特許文献2に記載された部材のように、アルミニウム等からなる金属基材の表面に低廉な導電性酸化膜を設けたものを採用することが検討され、その際には、導電性が高い導電性酸化膜が求められている。一方、水電解装置では、通常、1.8V程度の高電圧が水電解用セルに印加される。このため、アルミニウム等からなる金属基材の表面に導電性酸化膜が設けられたアノード側セパレータにおいて、改めて耐食性が問題となる。 The anode-side separator described in Patent Document 1 has a precious metal layer on the surface of the metal substrate, and therefore has excellent corrosion resistance, but is expensive and difficult to use in actual products. To address this issue, it has been considered to use an anode-side separator having a conductive layer on the surface of the metal substrate, such as the member described in Patent Document 2, in which an inexpensive conductive oxide film is provided on the surface of a metal substrate made of aluminum or the like, and in this case, a conductive oxide film with high conductivity is required. Meanwhile, in a water electrolysis device, a high voltage of about 1.8 V is usually applied to the water electrolysis cell. For this reason, corrosion resistance becomes an issue again in an anode-side separator having a conductive oxide film on the surface of a metal substrate made of aluminum or the like.

そこで、金属基材の表面に導電性酸化膜を設けたアノード側セパレータとして、導電性酸化物の中でも導電性が高いと想定される酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜が設けられたものが提案され、その際には、導電性酸化膜の耐久性も重視されている。 As a result, anode-side separators have been proposed that have a conductive oxide film on the surface of a metal substrate, and that include a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO), which is considered to have high conductivity among conductive oxides, with emphasis placed on the durability of the conductive oxide film.

本発明は、このような点を鑑みてなされ、その目的は、導電性が高いアノード側セパレータ及びそれを備える水電解装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these points, and its purpose is to provide an anode-side separator with high electrical conductivity and a water electrolysis device equipped with the same.

上記課題を解決すべく、本発明のアノード側セパレータは、水電解装置に用いられるアノード側セパレータであって、チタン又はステンレススチールからなる金属基材と、上記金属基材の表面に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜と、を備え、上記導電性酸化膜の結晶化度が20%以上であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the anode-side separator of the present invention is an anode-side separator used in a water electrolysis device, and is characterized in that it comprises a metal substrate made of titanium or stainless steel, and a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO) provided on the surface of the metal substrate, and the crystallinity of the conductive oxide film is 20% or more.

また、本発明の水電解装置は、上述したアノード側セパレータを備えることを特徴とする。 The water electrolysis device of the present invention is also characterized by having the above-mentioned anode-side separator.

本発明によれば、導電性を高くすることができる。 According to the present invention, it is possible to increase the electrical conductivity.

第1実施形態に係るアノード側セパレータを備える第1実施形態に係る水電解装置の構成単位である水電解用セルの構成を概略的に示す分解断面図である。FIG. 2 is an exploded cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a water electrolysis cell, which is a constituent unit of the water electrolysis device according to the first embodiment, including the anode separator according to the first embodiment. 図1のX部分の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a portion X in FIG. 比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する耐久試験前の接触抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in contact resistance before a durability test versus the crystallinity of the conductive oxide film of the anode-side separator in the comparative example and Examples 1 to 5. 比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する耐久試験後の接触抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in contact resistance after a durability test versus the crystallinity of the conductive oxide film of the anode-side separator in the comparative example and Examples 1 to 5.

最初に、実施形態に係るアノード側セパレータ及び水電解装置の概略について、第1実施形態を例示して説明する。図1は、第1実施形態に係るアノード側セパレータを備える第1実施形態に係る水電解装置の構成単位である水電解用セルの構成を概略的に示す分解断面図である。図2は、図1のX部分の拡大図である。 First, the anode-side separator and water electrolysis device according to the embodiment will be described with reference to the first embodiment. FIG. 1 is an exploded cross-sectional view showing the structure of a water electrolysis cell, which is a constituent unit of the water electrolysis device according to the first embodiment and includes the anode-side separator according to the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged view of the X portion of FIG. 1.

図1に示すように、第1実施形態に係る水電解装置100は、複数組の水電解用セル20が積層されることで構成されている。水電解用セル20は、膜電極接合体10と、膜電極接合体10を挟持する第1実施形態に係るアノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ14と、を備える固体高分子型水電解用セルである。 As shown in FIG. 1, the water electrolysis device 100 according to the first embodiment is configured by stacking a plurality of water electrolysis cells 20. The water electrolysis cells 20 are solid polymer water electrolysis cells including a membrane electrode assembly 10 and an anode side separator 12 and a cathode side separator 14 according to the first embodiment that sandwich the membrane electrode assembly 10.

膜電極接合体10は、固体高分子電解質膜2と、固体高分子電解質膜2の一方の主面2a及び他方の主面2cにそれぞれ設けられたアノード触媒層4a及びカソード触媒層4cと、アノード触媒層4aの主面4aaに積層されたアノード給電体6aと、カソード触媒層4cの主面4ccに積層されたカソード給電体6cと、を備えている。そして、アノード側セパレータ12は、アノード給電体6aの主面6aaに積層され、カソード側セパレータ14は、カソード給電体6cの主面6ccに積層されている。 The membrane electrode assembly 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 2, an anode catalyst layer 4a and a cathode catalyst layer 4c provided on one main surface 2a and the other main surface 2c of the solid polymer electrolyte membrane 2, an anode power supply 6a laminated on the main surface 4aa of the anode catalyst layer 4a, and a cathode power supply 6c laminated on the main surface 4cc of the cathode catalyst layer 4c. The anode side separator 12 is laminated on the main surface 6aa of the anode power supply 6a, and the cathode side separator 14 is laminated on the main surface 6cc of the cathode power supply 6c.

アノード側セパレータ12は、図1及び図2に示すように、純チタンからなる金属基材8と、金属基材8の表面8s全体に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜9と、を備えている。導電性酸化膜9の結晶化度が40%以上となっている。アノード側セパレータ12では、金属基材8における固体高分子電解質膜2に対向する主面8a側に流体通路用の溝8gが設けられることにより流体通路12pが設けられ、流体通路12pに連通する給水口12f及び排水口12dが設けられている。 As shown in Figs. 1 and 2, the anode-side separator 12 comprises a metal substrate 8 made of pure titanium and a conductive oxide film 9 containing indium tin oxide (ITO) provided on the entire surface 8s of the metal substrate 8. The crystallinity of the conductive oxide film 9 is 40% or more. In the anode-side separator 12, a groove 8g for a fluid passage is provided on the main surface 8a side of the metal substrate 8 facing the solid polymer electrolyte membrane 2, thereby providing a fluid passage 12p, and a water supply port 12f and a drain port 12d communicating with the fluid passage 12p are provided.

カソード側セパレータ14は、チタン、ステンレススチール、及びアルミニウムのいずれかからなる金属基材16を備えている。カソード側セパレータ14では、金属基材16における固体高分子電解質膜2に対向する主面16a側に流体通路用の溝16gが設けられることにより流体通路14pが設けられ、流体通路14pに連通する水素取出口14dが設けられている。 The cathode separator 14 has a metal substrate 16 made of titanium, stainless steel, or aluminum. In the cathode separator 14, a groove 16g for a fluid passage is provided on the main surface 16a of the metal substrate 16 facing the solid polymer electrolyte membrane 2, thereby providing a fluid passage 14p, and a hydrogen outlet 14d communicating with the fluid passage 14p is provided.

アノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ14は、それぞれアノード給電体6a及びカソード給電体6cを介してアノード触媒層4a及びカソード触媒層4cに電気を伝えると同時に隣接する水電解用セル(図示せず)に電気的に接続する機能を担う。水電解装置100では、複数組の水電解用セル20が、アノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ14の対向方向に積層され、エンドプレート(図示せず)により積層方向の両側から締め付けられている。 The anode-side separator 12 and the cathode-side separator 14 transmit electricity to the anode catalyst layer 4a and the cathode catalyst layer 4c via the anode power supply 6a and the cathode power supply 6c, respectively, and at the same time electrically connect to the adjacent water electrolysis cell (not shown). In the water electrolysis device 100, multiple sets of water electrolysis cells 20 are stacked in the opposing direction of the anode-side separator 12 and the cathode-side separator 14, and are clamped from both sides in the stacking direction by end plates (not shown).

このような水電解装置100を使用することで原料水を電気分解することにより水素ガスを製造する時には、まず、アノード側セパレータ12の給水口12fから流体通路12pに原料水を供給する。同時に、アノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ14により、それぞれアノード給電体6a及びカソード給電体6cを介してアノード触媒層4a及びカソード触媒層4cに電気を伝える。これにより、アノード触媒層4aで原料水が電気分解することで、水素イオン(H)、電子、及び酸素ガス(O)が生成する。次に、水素イオンが、アノード触媒層4aとカソード触媒層4cとの電位差により、陽イオン透過膜である固体高分子電解質膜2を透過し、アノード触媒層4a側からカソード触媒層4c側に移動する。そして、水素イオンがカソード触媒層4cから電子を受け取って分子化することにより、カソード側セパレータ14の流体通路14pで水素ガス(H)が得られる。水素ガスは、水素取出口14dから取り出される。一方、アノード側セパレータ12の流体通路12pで得られる酸素ガスは、大部分の原料水と共に排水口12dから排出される。 When hydrogen gas is produced by electrolyzing raw water using such a water electrolysis device 100, first, raw water is supplied to the fluid passage 12p from the water supply port 12f of the anode-side separator 12. At the same time, the anode-side separator 12 and the cathode-side separator 14 transmit electricity to the anode catalyst layer 4a and the cathode catalyst layer 4c via the anode power feeder 6a and the cathode power feeder 6c, respectively. As a result, the raw water is electrolyzed in the anode catalyst layer 4a to generate hydrogen ions (H + ), electrons, and oxygen gas (O 2 ). Next, the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane 2, which is a cation-permeable membrane, due to the potential difference between the anode catalyst layer 4a and the cathode catalyst layer 4c, and move from the anode catalyst layer 4a side to the cathode catalyst layer 4c side. Then, the hydrogen ions receive electrons from the cathode catalyst layer 4c and are molecularized, and hydrogen gas (H 2 ) is obtained in the fluid passage 14p of the cathode separator 14. The hydrogen gas is taken out from the hydrogen outlet 14d. On the other hand, the oxygen gas obtained in the fluid passage 12p of the anode side separator 12 is discharged from the drain port 12d together with most of the raw water.

以上のようなアノード側セパレータ12及び水電解装置100の効果について説明する。
ここで、従来技術のように、水電解装置100において、第1実施形態に係るアノード側セパレータ12の代わりに、チタン及びステンレススチール以外の汎用的な金属(例えば、アルミニウム等)からなる金属基材の表面に酸化インジウムスズを含む導電性酸化膜が設けられたアノード側セパレータを使用する水電解装置の問題について説明する。水電解装置では、一般的に金属基材の表面に導電性酸化膜が設けられたアノード側セパレータを使用する場合、導電性酸化膜が多孔質体であるため、流体通路に供給される原料水が導電性酸化膜に浸透する結果、互いに異なる金属を含む導電性酸化膜及び金属基材が原料水中で接触する。これにより、導電性酸化膜及び金属基材と原料水との間で腐食電池が形成されて電流が流れ、異種金属接触腐食が生じる。さらに、水電解装置において、原料水を電気分解する場合には、通常、例えば、1.8V程度の高電圧が構成単位の水電解用セルに印加されるので、アノード側セパレータが高電圧環境下に曝される。このような状況では、チタン及びステンレススチール以外の汎用的な金属が金属基材に用いられたアノード側セパレータを使用する場合、チタン及びステンレススチール以外の汎用的な金属は耐食性が十分ではないので、異種金属接触腐食による金属基材の腐食が促進され、アノード側セパレータの耐食性が問題となる。
The effects of the anode separator 12 and the water electrolysis apparatus 100 described above will be described below.
Here, the problem of the water electrolysis apparatus 100 using an anode-side separator in which a conductive oxide film containing indium tin oxide is provided on the surface of a metal substrate made of a general-purpose metal other than titanium and stainless steel (e.g., aluminum, etc.) instead of the anode-side separator 12 according to the first embodiment as in the conventional art will be described. In the case of using an anode-side separator in which a conductive oxide film is provided on the surface of a metal substrate, the conductive oxide film is generally porous, so that the raw water supplied to the fluid passage permeates the conductive oxide film, and the conductive oxide film and the metal substrate containing different metals come into contact with each other in the raw water. As a result, a corrosion cell is formed between the conductive oxide film and the metal substrate and the raw water, causing a current to flow and causing bimetallic corrosion. Furthermore, in the water electrolysis apparatus, when the raw water is electrolyzed, a high voltage of, for example, about 1.8 V is usually applied to the water electrolysis cell of the constituent unit, so that the anode-side separator is exposed to a high-voltage environment. In such a situation, when an anode-side separator is used in which a general-purpose metal other than titanium and stainless steel is used as the metal substrate, the corrosion of the metal substrate due to galvanic corrosion is accelerated because the general-purpose metals other than titanium and stainless steel do not have sufficient corrosion resistance, and the corrosion resistance of the anode-side separator becomes an issue.

これに対して、第1実施形態に係るアノード側セパレータ12において、金属基材8に用いられている純チタンは、チタン及びステンレススチール以外の汎用的な金属よりも耐食性が顕著に高い。このため、第1実施形態に係る水電解装置100では、アノード側セパレータ12において、互いに異なる金属を含む導電性酸化膜9及び金属基材8が原料水中で接触し、例えば、1.8V程度の高電圧が水電解用セルに印加されることでアノード側セパレータ12が高電圧環境下に曝される状況でも、異種金属接触腐食による金属基材8の腐食を抑制できる。また、第1実施形態に係るアノード側セパレータ12において、金属基材8の表面8sに導電性層として設けられる導電性酸化膜9に含まれる酸化インジウムスズは、従来技術のセパレータにおいて金属基材の表面に導電性層として設けられる貴金属層に含まれるAu等の貴金属よりも低廉である。このため、アノード側セパレータ12では、従来技術のセパレータと比較してコストを低減できる。 In contrast, the pure titanium used in the metal substrate 8 in the anode-side separator 12 according to the first embodiment has significantly higher corrosion resistance than general-purpose metals other than titanium and stainless steel. Therefore, in the water electrolysis device 100 according to the first embodiment, the conductive oxide film 9 and the metal substrate 8 containing different metals come into contact with each other in the raw water in the anode-side separator 12, and even in a situation in which the anode-side separator 12 is exposed to a high-voltage environment by applying a high voltage of, for example, about 1.8 V to the water electrolysis cell, corrosion of the metal substrate 8 due to bimetallic corrosion can be suppressed. In addition, in the anode-side separator 12 according to the first embodiment, the indium tin oxide contained in the conductive oxide film 9 provided as a conductive layer on the surface 8s of the metal substrate 8 is less expensive than precious metals such as Au contained in the precious metal layer provided as a conductive layer on the surface of the metal substrate in the separator of the conventional technology. Therefore, the anode-side separator 12 can reduce costs compared to the separator of the conventional technology.

さらに、第1実施形態に係るアノード側セパレータ12で金属基材8の表面8sに設けられた導電性酸化膜9のような、酸化インジウムスズを含む導電性酸化膜は、導電性酸化膜の中でも高い導電性が得られると想定されるが、導電性及び耐久性が結晶化度に依存する。第1実施形態に係る導電性酸化膜9は、結晶化度が40%以上となっていることにより、アモルファス(非晶質)の膜のように結晶化度が20%未満の膜と比較して導電性が高い。このため、アノード側セパレータの導電性を高くすることができる。さらに、導電性酸化膜9は、結晶化度が40%未満の膜と比較して、エネルギー的により安定しているので、水電解装置で用いられる時に溶解が抑制され、耐久性が高い。このため、アノード側セパレータの耐久性を向上できる。よって、水電解装置100の電気分解の性能を十分に高くすることができ、水電解装置100の耐久性を向上できる。 Furthermore, a conductive oxide film containing indium tin oxide, such as the conductive oxide film 9 provided on the surface 8s of the metal substrate 8 in the anode-side separator 12 according to the first embodiment, is assumed to have a high conductivity among conductive oxide films, but the conductivity and durability depend on the crystallinity. The conductive oxide film 9 according to the first embodiment has a crystallinity of 40% or more, and therefore has a high conductivity compared to a film with a crystallinity of less than 20%, such as an amorphous film. Therefore, the conductivity of the anode-side separator can be increased. Furthermore, the conductive oxide film 9 is energetically more stable than a film with a crystallinity of less than 40%, so that dissolution is suppressed when used in a water electrolysis device, and the durability is high. Therefore, the durability of the anode-side separator can be improved. Therefore, the electrolysis performance of the water electrolysis device 100 can be sufficiently improved, and the durability of the water electrolysis device 100 can be improved.

実施形態に係るアノード側セパレータでは、第1実施形態のように、他の汎用的な金属よりも耐食性が顕著に高いチタン又はステンレススチールが金属基材に用いられている。このため、金属基材の腐食を抑制できる。また、金属基材の表面に設けられる導電性層として、貴金属よりも低廉な酸化インジウムスズを含む導電性酸化膜を用いている。このため、コストを低減できる。これに加えて、導電性酸化膜の結晶化度が20%以上であることでアノード側セパレータの導電性を高くすることができる。さらに、導電性酸化膜の結晶化度が40%以上である場合には、アノード側セパレータの耐久性を向上できる。 In the anode-side separator according to the embodiment, as in the first embodiment, titanium or stainless steel, which has significantly higher corrosion resistance than other general-purpose metals, is used for the metal substrate. This makes it possible to suppress corrosion of the metal substrate. In addition, a conductive oxide film containing indium tin oxide, which is less expensive than precious metals, is used as the conductive layer provided on the surface of the metal substrate. This makes it possible to reduce costs. In addition, the conductive oxide film has a crystallinity of 20% or more, which makes it possible to increase the conductivity of the anode-side separator. Furthermore, when the conductive oxide film has a crystallinity of 40% or more, the durability of the anode-side separator can be improved.

続いて、実施形態に係るアノード側セパレータ及び水電解装置、並びに実施形態に係る水素ガスの製造方法の構成について、詳細に説明する。 Next, the configuration of the anode separator and water electrolysis device according to the embodiment, as well as the hydrogen gas production method according to the embodiment, will be described in detail.

1.アノード側セパレータ
実施形態に係るアノード側セパレータは、水電解装置に用いられるアノード側セパレータであって、チタン又はステンレススチールからなる金属基材と、上記金属基材の表面に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜と、を備え、上記導電性酸化膜の結晶化度が20%以上である。ここで、「金属基材の表面」とは、金属基材の外面を意味し、金属基材の一方の主面でもよいし、金属基材の他方の主面でもよい。以下、アノード側セパレータの金属基材及び導電性酸化膜並びにその他について、詳細に説明する。
1. Anode-side separator The anode-side separator according to the embodiment is an anode-side separator used in a water electrolysis device, and includes a metal substrate made of titanium or stainless steel, and a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO) provided on the surface of the metal substrate, and the crystallinity of the conductive oxide film is 20% or more. Here, the "surface of the metal substrate" means the outer surface of the metal substrate, and may be one main surface of the metal substrate or the other main surface of the metal substrate. The metal substrate and the conductive oxide film of the anode-side separator, as well as other components, will be described in detail below.

(1)金属基材
金属基材に用いられるチタンとしては、特に限定されないが、例えば、純チタン、チタン合金が挙げられる。純チタンとしては、特に限定されないが、例えば、JIS H 4600:2012に規定されるものが挙げられる。チタン合金としては、特に限定されないが、例えば、Ti-Al等が挙げられる。チタンとしては、中でも、純チタンが好ましい。耐食性が中でも高いからである。金属基材に用いられるステンレススチールとしては、例えば、SUS304等のオーステナイト系ステンレスなどが挙げられる。
(1) Metal Substrate Titanium used in the metal substrate is not particularly limited, but examples thereof include pure titanium and titanium alloys. Pure titanium is not particularly limited, but examples thereof include those specified in JIS H 4600:2012. Titanium alloys are not particularly limited, but examples thereof include Ti-Al and the like. Of the titanium, pure titanium is preferable because it has particularly high corrosion resistance. Stainless steel used in the metal substrate is, for example, austenitic stainless steel such as SUS304.

金属基板の形状は、一般な水電解装置に用いられるアノード側セパレータを構成する一般な金属基板の形状であれば、特に限定されず、金属基板にセパレータの流体通路用の溝が設けられた形状でもよい。金属基板に流体通路用の溝が設けられた形状は、水電解装置が固体高分子型水電解用セルを含む水電解装置である場合には、例えば、第1実施形態のように、金属基材における固体高分子電解質膜に対向する主面側に流体通路用の溝が設けられた形状でもよい。金属基板の形状は、金属基板に流体通路用の溝が設けられていない平板形状でもよい。なお、金属基板は、形状が平板形状である場合、例えば、流体通路が分離されたフラットタイプのセパレータを構成する。金属基板の表面粗さRzは、例えば、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内であり、中でも0.1μm以上、特に0.3μm以上の範囲内が好ましい。金属基板の厚さは、特に限定されず、強度及び加工等を考慮し、金属基板の材料に応じて設定することができるが、例えば、0.08mm~1mmの範囲内である。 The shape of the metal substrate is not particularly limited as long as it is a general shape of a metal substrate constituting an anode-side separator used in a general water electrolysis device, and may be a shape in which grooves for fluid passages of a separator are provided on the metal substrate. When the water electrolysis device is a water electrolysis device including a solid polymer type water electrolysis cell, the shape in which grooves for fluid passages are provided on the metal substrate may be, for example, a shape in which grooves for fluid passages are provided on the main surface side of the metal substrate facing the solid polymer electrolyte membrane, as in the first embodiment. The shape of the metal substrate may be a flat plate shape in which grooves for fluid passages are not provided on the metal substrate. In addition, when the metal substrate is a flat plate shape, for example, it constitutes a flat type separator in which the fluid passages are separated. The surface roughness Rz of the metal substrate is, for example, in the range of 0.05 μm to 0.8 μm, and is preferably 0.1 μm or more, particularly 0.3 μm or more. The thickness of the metal substrate is not particularly limited, and can be set according to the material of the metal substrate taking into consideration strength, processing, etc., but is, for example, in the range of 0.08 mm to 1 mm.

(2)導電性酸化膜
導電性酸化膜は、金属基材の表面に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含むものであれば特に限定されない。導電性酸化膜としては、水電解装置が固体高分子型水電解用セルを含む水電解装置である場合には、例えば、第1実施形態のように、少なくとも金属基材における固体高分子電解質膜に対向する主面に設けられているものが好ましく、金属基材の表面全体に設けられているものでもよい。
(2) Conductive oxide film The conductive oxide film is not particularly limited as long as it contains indium tin oxide (ITO) provided on the surface of the metal base material. When the water electrolysis device is a water electrolysis device containing a solid polymer water electrolysis cell, the conductive oxide film is preferably provided on at least the main surface of the metal base material facing the solid polymer electrolyte membrane as in the first embodiment, and may be provided on the entire surface of the metal base material.

導電性酸化膜の結晶化度は、20%以上であれば特に限定されないが、40%以上が好ましい。導電性酸化膜は、エネルギー的により安定になり、水電解装置で用いられる時に溶解が抑制され、耐久性が高くなるため、アノード側セパレータの耐久性を向上できるからである。 The crystallinity of the conductive oxide film is not particularly limited as long as it is 20% or more, but 40% or more is preferable. This is because the conductive oxide film is energetically more stable, is less likely to dissolve when used in a water electrolysis device, and is more durable, thereby improving the durability of the anode-side separator.

導電性酸化膜の厚さは、特に限定されないが、例えば、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内であり、中でも0.3μm以上の範囲内が好ましい。導電性酸化膜の厚さが0.05μm以上であることにより、導電性酸化膜の均一な成膜が可能になるからである。さらに、導電性酸化膜の厚さが0.3μm以上であることにより、金属基材がプレス工程を経ることで金属基材の表面が粗くなる場合において、アノード側セパレータの耐食性を十分に確保できるからである。一方、導電性酸化膜の厚さが0.8μm以下であることにより、導電性酸化膜が残留応力により金属基材から剥離することを抑制できるからである。 The thickness of the conductive oxide film is not particularly limited, but is, for example, in the range of 0.05 μm to 0.8 μm, and preferably in the range of 0.3 μm or more. When the thickness of the conductive oxide film is 0.05 μm or more, the conductive oxide film can be uniformly formed. Furthermore, when the thickness of the conductive oxide film is 0.3 μm or more, the corrosion resistance of the anode-side separator can be sufficiently ensured when the surface of the metal substrate becomes rough due to the pressing process. On the other hand, when the thickness of the conductive oxide film is 0.8 μm or less, the conductive oxide film can be prevented from peeling off from the metal substrate due to residual stress.

(3)アノード側セパレータの製造方法
アノード側セパレータの製造方法としては、特に限定されないが、例えば、チタン又はステンレススチールからなる金属基材を準備し、スパッタ法を使用することにより、金属基材の表面に酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜を成膜する製造方法等が挙げられる。この製造方法において、導電性酸化膜の結晶化度を20%以上又は40%以上にする方法としては、特に限定されないが、スパッタ法による成膜時における使用ターゲットやカソード電力及び成膜時間等の成膜条件を調整する方法、導電性酸化膜を成膜した後に導電性酸化膜を熱処理する方法などが用いられる。
(3) Manufacturing method of anode-side separator The manufacturing method of the anode-side separator is not particularly limited, but examples thereof include a manufacturing method in which a metal base material made of titanium or stainless steel is prepared, and a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO) is formed on the surface of the metal base material by using a sputtering method. In this manufacturing method, the method for making the crystallinity of the conductive oxide film 20% or more or 40% or more is not particularly limited, but a method of adjusting the film formation conditions such as the target used during film formation by sputtering, the cathode power, and the film formation time, a method of heat-treating the conductive oxide film after the conductive oxide film is formed, and the like are used.

スパッタ法による成膜時における成膜条件を調整する方法としては、例えば、成膜に用いるスパッタ装置の製品に応じて、使用ターゲットの種類を適宜選択し、カソード電力及び成膜時間を設定する方法などが挙げられる。使用ターゲットの種類としては、例えば、In及びSnOを含む複合材であって、In及びSnOの重量比を種々の比率に設定したもの等が挙げられる。 The method of adjusting the film formation conditions during film formation by the sputtering method includes, for example, appropriately selecting the type of target to be used according to the product of the sputtering device used for film formation, and setting the cathode power and film formation time, etc. The type of target to be used includes, for example, a composite material containing In 2 O 3 and SnO 2 , in which the weight ratio of In 2 O 3 and SnO 2 is set to various ratios, etc.

導電性酸化膜を成膜した後に導電性酸化膜を熱処理する方法としては、例えば、導電性酸化膜を大気炉により所定の大気炉温度及び熱処理時間の条件で熱処理する方法の他、導電性酸化膜をアルゴン炉により所定のアルゴン炉温度及び熱処理時間の条件で熱処理する方法などが挙げられる。 Methods for heat treating the conductive oxide film after it has been formed include, for example, a method for heat treating the conductive oxide film in an atmospheric furnace at a specified atmospheric furnace temperature and heat treatment time, and a method for heat treating the conductive oxide film in an argon furnace at a specified argon furnace temperature and heat treatment time.

2.水電解装置
実施形態に係る水電解装置は、実施形態に係るアノード側セパレータを備えるものであれば特に限定されないが、例えば、第1実施形態に係る水電解装置のように、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型水電解用セルを含む水電解装置が好ましい。
2. Water Electrolysis Device The water electrolysis device according to the embodiment is not particularly limited as long as it includes the anode-side separator according to the embodiment. For example, like the water electrolysis device according to the first embodiment, a water electrolysis device including a solid polymer water electrolysis cell using a solid polymer electrolyte membrane is preferable.

固体高分子型水電解用セルとしては、第1実施形態に係る水電解用セルのように、例えば、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、を備えているものが挙げられる。このような固体高分子型水電解用セルとしては、例えば、膜電極接合体が、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の主面及び他方の主面にそれぞれ設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、アノード触媒層の主面に積層されたアノード給電体と、カソード触媒層の主面に積層されたカソード給電体と、を備え、アノード側セパレータが、アノード給電体の主面に積層され、カソード側セパレータが、カソード給電体の主面に積層されたものが挙げられる。 As the solid polymer water electrolysis cell, for example, like the water electrolysis cell according to the first embodiment, there is one that includes a membrane electrode assembly, and an anode side separator and a cathode side separator that sandwich the membrane electrode assembly. As an example of such a solid polymer water electrolysis cell, there is one in which the membrane electrode assembly includes a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on one main surface and the other main surface of the solid polymer electrolyte membrane, respectively, an anode power supply laminated on the main surface of the anode catalyst layer, and a cathode power supply laminated on the main surface of the cathode catalyst layer, and the anode side separator is laminated on the main surface of the anode power supply, and the cathode side separator is laminated on the main surface of the cathode power supply.

固体高分子電解質膜は、電子及び気体の流通を阻止するとともに、水素イオン(H)をアノード触媒層側からカソード触媒層側に移動させる機能を有している。固体高分子電解質膜は、特に限定されないが、例えば、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマー等の固体高分子材料である高分子電解質樹脂から構成され、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。 The solid polymer electrolyte membrane has a function of preventing the flow of electrons and gases and of transferring hydrogen ions (H + ) from the anode catalyst layer side to the cathode catalyst layer side. The solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but is, for example, made of a polymer electrolyte resin that is a solid polymer material such as perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer, and is an ion exchange membrane that uses an ion-conductive polymer membrane as an electrolyte.

アノード触媒層は、原料水から水素イオン、電子、及び酸素ガスを生成する機能を有している。アノード触媒層は、特に限定されないが、例えば、触媒と、アイオノマーとから構成され、触媒をアイオノマーで被覆することで形成された触媒層からなる。触媒としては、特に限定されないが、例えば、担体粒子に、白金等の白金族金属又はその合金などを担持した担持触媒が挙げられる。担体粒子としては、特に限定されないが、例えば、カーボンブラック等のカーボン担体粒子が挙げられる。なお、アイオノマーは、例えば、固体高分子電解質膜と同質のフッ素系樹脂等の固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、それが有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有するものである。カソード触媒層は、アノード触媒層とは異なり、水素イオン及び電子を水素ガス(H)にする機能を有している。カソード触媒層は、特に限定されないが、例えば、触媒と、アイオノマーとから構成され、触媒をアイオノマーで被覆することで形成された触媒層からなる。触媒及びアイオノマーについては、アノード触媒層の触媒及びアイオノマーと同様である。 The anode catalyst layer has a function of generating hydrogen ions, electrons, and oxygen gas from raw water. The anode catalyst layer is, for example, composed of a catalyst and an ionomer, and is formed by coating the catalyst with the ionomer. The catalyst is, for example, not limited to a catalyst supported on a carrier particle, and a platinum group metal such as platinum or an alloy thereof is supported on the carrier particle. The carrier particle is, for example, not limited to a carbon carrier particle such as carbon black. The ionomer is, for example, composed of a polymer electrolyte resin, which is a solid polymer material such as a fluororesin of the same quality as the solid polymer electrolyte membrane, and has proton conductivity due to the ion exchange group it has. Unlike the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer has a function of converting hydrogen ions and electrons into hydrogen gas (H 2 ). The cathode catalyst layer is, for example, not limited to a catalyst and an ionomer, and is formed by coating the catalyst with the ionomer. The catalyst and the ionomer are the same as those of the anode catalyst layer.

アノード給電体及びカソード給電体は、ガス透過性を有する導電性部材であれば特に限定されないが、例えば、導電性のある多孔質材料、具体的には、チタン粉末の焼結体等の多孔質の金属材料、炭素繊維、黒鉛繊維等の多孔質の繊維材料などから構成される。 The anode and cathode power supplies are not particularly limited as long as they are conductive materials that have gas permeability, but may be made of, for example, conductive porous materials, specifically porous metal materials such as sintered titanium powder, or porous fiber materials such as carbon fibers and graphite fibers.

アノード側セパレータについては、上記「1.アノード側セパレータ」の項目で説明した通りである。カソード側セパレータは、例えば、チタン、ステンレススチール、アルミニウム等からなる金属基材を備えるものが挙げられる。カソード側セパレータの金属基板の形状は、一般な形状であれば、特に限定されない。カソード側セパレータの金属基板の厚さは、特に限定されず、強度及び加工等を考慮し、金属基板の材料に応じて設定することができる。 The anode side separator is as described above in the section "1. Anode side separator." The cathode side separator may be, for example, one having a metal substrate made of titanium, stainless steel, aluminum, or the like. The shape of the metal substrate of the cathode side separator is not particularly limited as long as it is a common shape. The thickness of the metal substrate of the cathode side separator is not particularly limited, and can be set according to the material of the metal substrate, taking into consideration strength, processing, etc.

3.水素ガスの製造方法
実施形態に係る水素ガスの製造方法としては、実施形態に係る水電解装置を使用することで原料の水等を電気分解することで水素ガスを製造する方法であれば、特に限定されないが、例えば、原料として純水を用いる方法でもよい。
3. Hydrogen Gas Production Method The hydrogen gas production method according to the embodiment is not particularly limited as long as it is a method for producing hydrogen gas by electrolyzing raw material water or the like using the water electrolysis device according to the embodiment, but may be, for example, a method using pure water as a raw material.

以下、実施例、比較例、及び参考例を挙げて、実施形態に係るアノード側セパレータ及び水電解装置について、さらに具体的に説明する。 The following provides a more detailed explanation of the anode-side separator and water electrolysis device according to the embodiment, with examples, comparative examples, and reference examples.

1.アノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する接触抵抗の変化の評価
比較例及び実施例のアノード側セパレータを作製し、それらの導電性酸化膜の結晶化度並びに耐久試験前及び耐久試験後の接触抵抗を算出し、導電性酸化膜の結晶化度に対する耐久試験前及び耐久試験後の接触抵抗の変化を評価した。
1. Evaluation of change in contact resistance relative to the crystallinity of the conductive oxide film of the anode-side separator Anode-side separators of the comparative example and the example were prepared, and the crystallinity of the conductive oxide film and the contact resistance before and after the durability test were calculated, and the change in contact resistance before and after the durability test relative to the crystallinity of the conductive oxide film was evaluated.

[比較例]
まず、純チタンからなる平板形状の金属基材を準備した。次に、予め、逆スパッタ処理により、金属基材の一方の主面(成膜面)の自然酸化膜等を除去した上で、株式会社島津製作所製スパッタ装置(UHSP-PL2060TO)を用いて、スパッタ法を使用することにより、下記の条件で、金属基材の一方の主面に酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜を100nmの厚さで成膜した。これにより、アノード側セパレータを作製した。
[Comparative Example]
First, a flat metal substrate made of pure titanium was prepared. Next, a natural oxide film and the like were removed from one main surface (film-forming surface) of the metal substrate by reverse sputtering, and then a conductive oxide film containing indium tin oxide (ITO) was formed to a thickness of 100 nm on one main surface of the metal substrate using a sputtering device (UHSP-PL2060TO) manufactured by Shimadzu Corporation under the following conditions by using a sputtering method. This produced an anode-side separator.

使用ターゲット:In(90重量%)及びSnO(10重量%)を含む複合材
カソード電力:4.4kW(DC)
成膜時間:20秒
予熱:無し
Target used: composite containing In 2 O 3 (90 wt%) and SnO 2 (10 wt%) Cathode power: 4.4 kW (DC)
Film formation time: 20 seconds Preheating: None

[実施例1]
導電性酸化膜の成膜時にカソード電力及び成膜時間をそれぞれ3kW(DC)及び80秒にした点を除いて、比較例と同様にアノード側セパレータを作製した。
[Example 1]
An anode-side separator was prepared in the same manner as in the comparative example, except that the cathode power and deposition time during deposition of the conductive oxide film were set to 3 kW (DC) and 80 seconds, respectively.

[実施例2]
導電性酸化膜の成膜時にカソード電力及び成膜時間をそれぞれ1.5kW(DC)及び180秒にした点を除いて、比較例と同様にアノード側セパレータを作製した。
[Example 2]
An anode-side separator was prepared in the same manner as in the comparative example, except that the cathode power and deposition time during deposition of the conductive oxide film were set to 1.5 kW (DC) and 180 seconds, respectively.

[実施例3]
導電性酸化膜の成膜時にカソード電力及び成膜時間をそれぞれ4kW(DC)及び60秒にした点を除いて、比較例と同様にアノード側セパレータを作製した。
[Example 3]
An anode-side separator was prepared in the same manner as in the comparative example, except that the cathode power and film-forming time during the formation of the conductive oxide film were set to 4 kW (DC) and 60 seconds, respectively.

[実施例4]
比較例と同様に、金属基材を準備し、金属基材の一方の主面に導電性酸化膜を成膜した後に、金属基材及び導電性酸化膜を、大気炉内に配置し、大気炉により350℃及び5分の条件で熱処理することによりアノード側セパレータを作製した。
[Example 4]
As in the comparative example, a metal substrate was prepared, and a conductive oxide film was formed on one main surface of the metal substrate. The metal substrate and the conductive oxide film were then placed in an atmospheric furnace and heat-treated in the atmospheric furnace at 350° C. for 5 minutes to produce an anode-side separator.

[実施例5]
比較例と同様に、金属基材を準備し、金属基材の一方の主面に導電性酸化膜を成膜した後に、金属基材及び導電性酸化膜を、アルゴン炉内に配置し、アルゴン炉により250℃及び5分の条件で熱処理することによりアノード側セパレータを作製した。
[Example 5]
As in the comparative example, a metal substrate was prepared, and a conductive oxide film was formed on one main surface of the metal substrate. The metal substrate and the conductive oxide film were then placed in an argon furnace and heat-treated in the argon furnace at 250° C. for 5 minutes to produce an anode-side separator.

[導電性酸化膜の結晶化度]
比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜について、粉末X線回折法(XRD)を使用し、X線回折スペクトルを測定した。そして、X線回折スペクトルにおける結晶質による回折線部分(ピーク部分)及び非晶質による散乱光部分(ハロー部分)のフィッテイングを行い、各部分の積分強度を求め、下記の式(1)により結晶化度を算出した。
[Degree of crystallinity of conductive oxide film]
X-ray diffraction spectra were measured by powder X-ray diffraction (XRD) for the conductive oxide films of the anode-side separators of the Comparative Example and Examples 1 to 5. Then, fitting was performed for the diffraction line portions (peak portions) due to crystalline matter and the scattered light portions (halo portions) due to amorphous matter in the X-ray diffraction spectra to determine the integrated intensity of each portion, and the crystallinity was calculated by the following formula (1).

X=Ic/(Ic+Ia)×100 (1)
(式(1)中、「X」は結晶化度、「Ic」はピーク部分の積分強度、「Ia」はハロー部分の積分強度を表す。)
X = Ic / (Ic + Ia) × 100 (1)
(In formula (1), "X" represents the degree of crystallinity, "Ic" represents the integrated intensity of the peak portion, and "Ia" represents the integrated intensity of the halo portion.)

[耐久試験前の接触抵抗]
比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータから試験サンプルを切り出し、耐久試験前の試験サンプルについて接触抵抗[mΩ・cm]を算出した。具体的には、試験サンプルの導電性酸化膜側の面にカーボンシート(東レ株式会社製TGP-H-060)を載せ、測定治具により一定荷重(1MPa)を付与した状態で、電流計により試験サンプルに流れる電流が1Aとなるように、電源からの電流を調整して流し、試験サンプルに印加される電圧を電圧計で測定し、試験サンプルとカーボンシートとの接触抵抗を算出した。
[Contact resistance before durability test]
Test samples were cut out from the anode-side separators of the Comparative Example and Examples 1 to 5, and the contact resistance [mΩ·cm 2 ] of the test samples before the durability test was calculated. Specifically, a carbon sheet (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) was placed on the conductive oxide film side of the test sample, and a constant load (1 MPa) was applied using a measuring jig. A current from a power source was adjusted so that the current flowing through the test sample was 1 A as measured by an ammeter, and the voltage applied to the test sample was measured using a voltmeter, and the contact resistance between the test sample and the carbon sheet was calculated.

[耐久試験後の接触抵抗]
比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータに対して、日本工業規格の金属材料の電気化学的高温腐食試験法(JIS Z 2294:2004)に準じた耐久試験(定電位腐食試験)を行った。具体的には、アノード側セパレータから、試験サンプルを切り出し、温調水により温度が80℃に調整され、かつ硫酸量によりpH4に調整された腐食液(希硫酸水溶液)に試験サンプルを浸漬した。この状態で、白金板からなる対極と試験サンプル(試料極)とを電気的に接続することにより、対極と試料極との間に2Vの電位差を生じさせ、試験サンプルを腐食させた。試験中は参照電極で試験サンプルの電位を一定に保持した。試験時間は60時間とした。試験には試験装置として北斗電工製HZ-Proを使用した。
[Contact resistance after durability test]
A durability test (constant potential corrosion test) was conducted on the anode-side separators of the comparative example and Examples 1 to 5 in accordance with the electrochemical high-temperature corrosion test method for metallic materials of the Japanese Industrial Standards (JIS Z 2294:2004). Specifically, a test sample was cut out from the anode-side separator, and the test sample was immersed in a corrosive solution (dilute sulfuric acid aqueous solution) whose temperature was adjusted to 80° C. by temperature-adjusting water and whose pH was adjusted to 4 by the amount of sulfuric acid. In this state, a counter electrode made of a platinum plate and the test sample (sample electrode) were electrically connected to generate a potential difference of 2 V between the counter electrode and the sample electrode, and the test sample was corroded. During the test, the potential of the test sample was kept constant by a reference electrode. The test time was 60 hours. HZ-Pro manufactured by Hokuto Denko was used as a test device for the test.

比較例及び実施例1~5の耐久試験後の試験サンプルについて、耐久試験前の接触抵抗の算出方法と同様の方法により接触抵抗を算出した。 For the test samples of the comparative example and examples 1 to 5 after the durability test, the contact resistance was calculated using the same method as that used to calculate the contact resistance before the durability test.

[評価]
比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜について算出した結晶化度を、下記の表1に示す。また、比較例及び実施例1~5の耐久試験前の試験サンプル及び耐久試験後の試験サンプルについて算出した接触抵抗を、下記の表1に示す。図3は、比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する耐久試験前の接触抵抗の変化を示すグラフである。図4は、比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する耐久試験後の接触抵抗の変化を示すグラフである。
[evaluation]
The degrees of crystallinity calculated for the conductive oxide film of the anode-side separator of the Comparative Example and Examples 1 to 5 are shown in Table 1 below. The contact resistances calculated for the test samples of the Comparative Example and Examples 1 to 5 before and after the durability test are also shown in Table 1 below. Fig. 3 is a graph showing the change in contact resistance before the durability test versus the crystallinity of the conductive oxide film of the anode-side separator of the Comparative Example and Examples 1 to 5. Fig. 4 is a graph showing the change in contact resistance after the durability test versus the crystallinity of the conductive oxide film of the anode-side separator of the Comparative Example and Examples 1 to 5.

Figure 2024070597000002
Figure 2024070597000002

上記の表1及び図3から明らかな通り、比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータでは、導電性酸化膜の結晶化度が19.8%以上である場合には、耐久試験前の接触抵抗が10mΩ・cm未満となり、規格値の範囲を超えなかったが、耐久試験後の接触抵抗が10mΩ・cm以上となり、規格値の範囲を超えることがあった。一方、導電性酸化膜の結晶化度が38.2%以上である場合には、耐久試験後の接触抵抗も10mΩ・cm未満となり、規格値の範囲を超えなかった。 3, in the anode-side separators of the comparative example and Examples 1 to 5, when the crystallinity of the conductive oxide film was 19.8% or more, the contact resistance before the durability test was less than 10 mΩ· cm2 and did not exceed the range of the standard value, but the contact resistance after the durability test was 10 mΩ· cm2 or more and sometimes exceeded the range of the standard value. On the other hand, when the crystallinity of the conductive oxide film was 38.2% or more, the contact resistance after the durability test was also less than 10 mΩ· cm2 and did not exceed the range of the standard value.

なお、比較例及び実施例1~5のアノード側セパレータの耐久試験後の試験サンプルについて、目視及び光学顕微鏡で観察した結果、比較例及び実施例1の耐久試験後の試験サンプルでは、導電性酸化膜に変色がみられたため、導電性酸化膜に含まれる酸化インジウムスズが溶解したと考えられる。これに対して、実施例2~5の耐久試験後の試験サンプルでは、導電性酸化膜に変色がみられなかったため、導電性酸化膜に含まれる酸化インジウムスズの溶解が抑制されたと考えられる。さらに、比較例及び実施例1~5のいずれの耐久試験後の試験サンプルでも、金属基材の腐食が生じていないことを確認できた。 In addition, the test samples of the anode-side separators of the Comparative Example and Examples 1 to 5 after the durability test were observed visually and with an optical microscope. As a result, discoloration was observed in the conductive oxide film in the test samples of the Comparative Example and Example 1 after the durability test, which suggests that the indium tin oxide contained in the conductive oxide film had dissolved. In contrast, no discoloration was observed in the conductive oxide film in the test samples of Examples 2 to 5 after the durability test, which suggests that the dissolution of the indium tin oxide contained in the conductive oxide film had been suppressed. Furthermore, it was confirmed that no corrosion of the metal substrate had occurred in the test samples of the Comparative Example and Examples 1 to 5 after the durability test.

2.アノード側セパレータの熱処理前後の接触抵抗の変化の評価
アノード側セパレータについて、熱処理を大気炉又はアルゴン炉により行った場合における熱処理前後での接触抵抗の変化を評価した。
2. Evaluation of Change in Contact Resistance Before and After Heat Treatment of Anode-Side Separator The change in contact resistance before and after heat treatment of the anode-side separator was evaluated when the heat treatment was performed in an air furnace or an argon furnace.

(1)大気炉での熱処理の場合
まず、比較例と同様に作製されたアノード側セパレータについて、熱処理を大気炉により各種の条件(大気炉温度及び熱処理時間の条件)で行う前に接触抵抗を算出した。具体的には、熱処理を各種の条件で行う前のアノード側セパレータから、試験サンプルを切り出し、試験サンプルについて、上記「1.アノード側セパレータの導電性酸化膜の結晶化度に対する接触抵抗の変化の評価」の項目での接触抵抗の算出方法と同様の方法により接触抵抗を算出した。続いて、同一のアノード側セパレータについて、熱処理を大気炉により各種の条件で行った後に、接触抵抗を算出した。具体的には、熱処理を各種の条件で行った後のアノード側セパレータから、試験サンプルを切り出し、試験サンプルについて、上記の接触抵抗の算出方法と同様の方法により接触抵抗を算出した。そして、熱処理を各種の条件で行う前の接触抵抗に対する熱処理を各種の条件で行った後の接触抵抗の変化量を、各種の条件(大気炉温度及び熱処理時間の条件)での熱処理による接触抵抗の変化量として算出した。算出結果を、下記の表2に示す。
(1) In the case of heat treatment in an atmospheric furnace First, the contact resistance was calculated for the anode-side separator prepared in the same manner as in the comparative example before heat treatment was performed under various conditions (conditions of air furnace temperature and heat treatment time) in an atmospheric furnace. Specifically, test samples were cut out from the anode-side separator before heat treatment was performed under various conditions, and the contact resistance of the test samples was calculated using the same method as the calculation method of contact resistance in the above item "1. Evaluation of change in contact resistance with respect to crystallinity of conductive oxide film of anode-side separator". Next, the same anode-side separator was subjected to heat treatment under various conditions in an atmospheric furnace, and the contact resistance was calculated. Specifically, test samples were cut out from the anode-side separator after heat treatment was performed under various conditions, and the contact resistance of the test samples was calculated using the same method as the calculation method of contact resistance described above. The change in contact resistance after the heat treatment under various conditions relative to the contact resistance before the heat treatment under various conditions was calculated as the change in contact resistance due to the heat treatment under various conditions (conditions of atmospheric furnace temperature and heat treatment time). The calculation results are shown in Table 2 below.

Figure 2024070597000003
Figure 2024070597000003

(2)アルゴン炉での熱処理の場合
まず、比較例と同様に作製されたアノード側セパレータについて、熱処理をアルゴン炉により各種の条件(アルゴン炉温度及び熱処理時間の条件)で行う前に接触抵抗を算出した。具体的には、熱処理を各種の条件で行う前のアノード側セパレータから、試験サンプルを切り出し、試験サンプルについて、上記の接触抵抗の算出方法と同様の方法により接触抵抗を算出した。続いて、同一のアノード側セパレータについて、熱処理をアルゴン炉により各種の条件で行った後に、接触抵抗を算出した。具体的には、熱処理を各種の条件で行った後のアノード側セパレータから、試験サンプルを切り出し、試験サンプルについて、上記の接触抵抗の算出方法と同様の方法により接触抵抗を算出した。そして、熱処理を各種の条件で行う前の接触抵抗に対する熱処理を各種の条件で行った後の接触抵抗の変化量を、各種の条件(アルゴン炉温度及び熱処理時間の条件)での熱処理による接触抵抗の変化量として算出した。算出結果を、下記の表3に示す。
(2) Case of heat treatment in an argon furnace First, the contact resistance was calculated for the anode-side separator prepared in the same manner as in the comparative example before the heat treatment was performed under various conditions (argon furnace temperature and heat treatment time) in an argon furnace. Specifically, a test sample was cut out from the anode-side separator before the heat treatment was performed under various conditions, and the contact resistance of the test sample was calculated by the same method as the above-mentioned method of calculating the contact resistance. Next, the contact resistance was calculated for the same anode-side separator after the heat treatment was performed under various conditions in an argon furnace. Specifically, a test sample was cut out from the anode-side separator after the heat treatment was performed under various conditions, and the contact resistance of the test sample was calculated by the same method as the above-mentioned method of calculating the contact resistance. Then, the change in the contact resistance after the heat treatment was performed under various conditions relative to the contact resistance before the heat treatment was performed under various conditions was calculated as the change in contact resistance due to the heat treatment under various conditions (argon furnace temperature and heat treatment time). The calculation results are shown in Table 3 below.

Figure 2024070597000004
Figure 2024070597000004

(3)評価
上記の表2に示すように、熱処理を大気炉により各種の条件(大気炉温度及び熱処理時間の条件)で行う場合には、大気炉温度が低過ぎ、かつ熱処理時間が短過ぎる条件、及び大気炉温度が高過ぎ、かつ熱処理時間が長過ぎる条件以外の条件において、熱処理により試験サンプルの接触抵抗を低減できた。大気炉温度が低過ぎ、かつ熱処理時間が短過ぎる条件以外の条件では、導電性酸化膜の結晶化度を向上できたと考えられる。大気炉温度が高過ぎ、かつ熱処理時間が長過ぎる条件では、導電性酸化膜の結晶化度の向上による接触抵抗の低減作用が、導電性酸化膜の酸化により相殺されたと考えられる。
(3) Evaluation As shown in Table 2 above, when heat treatment was performed in an atmospheric furnace under various conditions (conditions of atmospheric furnace temperature and heat treatment time), the contact resistance of the test sample could be reduced by heat treatment under conditions other than the conditions where the atmospheric furnace temperature was too low and the heat treatment time was too short, and the conditions where the atmospheric furnace temperature was too high and the heat treatment time was too long. It is considered that the crystallinity of the conductive oxide film could be improved under conditions other than the condition where the atmospheric furnace temperature was too low and the heat treatment time was too short. It is considered that the effect of reducing the contact resistance due to the improvement in the crystallinity of the conductive oxide film was offset by the oxidation of the conductive oxide film under conditions where the atmospheric furnace temperature was too high and the heat treatment time was too long.

上記の表3に示すように、熱処理をアルゴン炉により各種の条件(アルゴン炉温度及び熱処理時間の条件)で行う場合には、アルゴン炉温度が低過ぎ、かつ熱処理時間が短過ぎる条件以外の条件において、熱処理により試験サンプルの接触抵抗を低減できた。導電性酸化膜の結晶化度を向上できたと考えられる。 As shown in Table 3 above, when heat treatment was performed in an argon furnace under various conditions (argon furnace temperature and heat treatment time), the contact resistance of the test sample was reduced by heat treatment under all conditions except for those in which the argon furnace temperature was too low and the heat treatment time was too short. It is believed that the crystallinity of the conductive oxide film was improved.

以上、本発明のアノード側セパレータ及び水電解装置に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 The above provides a detailed explanation of the embodiments of the anode-side separator and water electrolysis device of the present invention, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention as described in the claims.

100:水電解装置、20:水電解用セル、10:膜電極接合体、12:アノード側セパレータ、8:金属基材、9:導電性酸化膜、14:カソード側セパレータ 100: Water electrolysis device, 20: Water electrolysis cell, 10: Membrane electrode assembly, 12: Anode side separator, 8: Metal substrate, 9: Conductive oxide film, 14: Cathode side separator

Claims (3)

水電解装置に用いられるアノード側セパレータであって、
チタン又はステンレススチールからなる金属基材と、
前記金属基材の表面に設けられた酸化インジウムスズ(ITO)を含む導電性酸化膜と、を備え、
前記導電性酸化膜の結晶化度が20%以上であることを特徴とするアノード側セパレータ。
An anode-side separator for use in a water electrolysis apparatus, comprising:
A metal substrate made of titanium or stainless steel;
A conductive oxide film including indium tin oxide (ITO) provided on a surface of the metal base material,
The anode-side separator is characterized in that the conductive oxide film has a crystallinity of 20% or more.
前記導電性酸化膜の結晶化度が40%以上であることを特徴とする請求項1に記載のアノード側セパレータ。 The anode-side separator according to claim 1, characterized in that the crystallinity of the conductive oxide film is 40% or more. 請求項1又は2に記載のアノード側セパレータを備えることを特徴とする水電解装置。 A water electrolysis device comprising the anode-side separator according to claim 1 or 2.
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