JP7065335B1 - 電極触媒インク、電極触媒、水電解セル、及び水電解装置 - Google Patents

Abstract

電極触媒インク（１）は、層状複水酸化物を含む触媒（１０）と、有機ポリマー（１１）と、溶媒（１２）とを含む。溶媒（１２）は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含む。第３の溶媒は、第１の溶媒の沸点及び第２の溶媒の沸点より高い沸点を有する。第３の溶媒と触媒（１０）とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒa1［ＭＰａ1/2］と、第３の溶媒と有機ポリマー（１１）とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒa2［ＭＰａ1/2］とは、２．０８Ｒa1－１６．０≦Ｒa2≦２．０８Ｒa1－１３．５の関係を満たす。

Description

本開示は、電極触媒インク、電極触媒、水電解セル、及び水電解装置に関する。

従来、電極触媒インクを用いて電極触媒を形成することが知られている。例えば、特許文献１には、燃料電池用電極触媒インクの添加溶媒を選定する方法が開示されている。

一方、近年、水電解装置に使用される触媒材料の開発が期待されている。

特開２０１７－１４２９３１号公報

本開示は、低い過電圧を有する電極触媒を作製するための電極触媒インクを提供する。

本開示は、
層状複水酸化物を含む触媒と、
有機ポリマーと、
溶媒と、を含み、
前記溶媒は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含み、
前記第３の溶媒は、前記第１の溶媒の沸点及び前記第２の溶媒の沸点より高い沸点を有し、
前記第３の溶媒と前記触媒とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a1［ＭＰａ^1/2］と、前記第３の溶媒と前記有機ポリマーとのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a2［ＭＰａ^1/2］とは、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係を満たす、電極触媒インクを提供する。

本開示によれば、低い過電圧を有する電極触媒を作製するための電極触媒インクを提供できる。

図１は、本実施形態に係る電極触媒インクを模式的に示す図である。 図２は、ハンセン溶解度パラメータ（ＨＳＰ）空間における、触媒のＨＳＰの値、第３の溶媒のＨＳＰの値、有機ポリマーのＨＳＰの値、混合溶媒のＨＳＰの値、ＨＳＰ距離Ｒ_a1、ＨＳＰ距離Ｒ_a2、及びＨＳＰ距離Ｒ_a3の概念を示す図である。 図３は、layered double hydride（ＬＤＨ）の結晶構造の一例を模式的に示す図である。 図４は、本実施形態に係る電極触媒インクの別の一例を模式的に示す図である。 図５は、第２実施形態に係る水電解セルの一例を模式的に示す断面図である。 図６は、第３実施形態に係る水電解装置の一例を模式的に示す断面図である。 図７は、第４実施形態に係る水電解セルの一例を模式的に示す断面図である。 図８は、第５実施形態に係る水電解装置の一例を模式的に示す断面図である。 図９は、各実施例及び各比較例に係る電極触媒インクのＨＳＰ距離Ｒ_a1とＨＳＰ距離Ｒ_a2との関係を示すグラフである。 図１０は、実施例１に係る電極触媒インクの固化物の写真を示す図である。 図１１は、実施例５に係る電極触媒インクの固化物の写真を示す図である。 図１２は、比較例４に係る電極触媒インクの固化物の写真を示す図である。

＜本開示の基礎となった知見＞
地球温暖化対策として、太陽光及び風力等の再生可能エネルギーの利用が注目を浴びている。しかし、再生可能エネルギーによる発電では、余剰電力が無駄になるという問題が発生する。このため、再生可能エネルギーの利用効率は、必ずしも十分ではない。そこで、余剰電力から水素を製造して貯蔵する方法が検討されている。

余剰電力から水素を製造する方法として、一般的に、水の電気分解が用いられうる。水の電気分解は、水電解とも呼ばれる。水素を安価かつ安定的に製造するために、高効率かつ長寿命な水電解装置の開発が求められている。水電解装置の主要な構成要素として、ガス拡散層、電極触媒層、及び電解質膜からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）が挙げられる。

膜電極接合体の製造のために水電解用の電極触媒インクを調製することが考えられる。例えば、水電解用の電極触媒インクとして、水及び有機溶媒等の２種類以上の溶媒に触媒材料及び有機ポリマーを分散させた分散液が用いられる。つまり、混合溶媒に触媒材料及び有機ポリマーを分散させた分散液が電極触媒インクとして使用される。この分散液は、触媒及び有機ポリマーに対して適切な親和性を有するように設計されていることが重要である。電極触媒インクを用いて膜電極接合体の電極触媒層を作製するために、例えば、電極触媒インクを電解質膜又はガス拡散層に塗布することが考えられる。電極触媒インクを電解質膜又はガス拡散層に塗布する方法の例は、スプレー法、ダイコート法、スリットコート法、及びディップ法である。これにより、アノード及びカソードの少なくとも一方に電極触媒が含まれた電極触媒層が得られる。

電極触媒層を作製するために、電極触媒インクを電解質膜又はガス拡散層に塗布した後に、電極触媒インクに含まれる溶媒を除去する必要がある。溶媒は、例えば、電極触媒インクを乾燥させることによって除去できる。電極触媒インクに含まれる混合溶媒の各溶媒の沸点及び揮発性は異なりうる。そのため、電極触媒インクの乾燥過程において溶媒の組成が変化し、触媒及び有機ポリマーの溶媒に対する親和性が変化する可能性がある。これにより、電極触媒インクを乾燥させて電極触媒層を作製した場合、電極触媒層の表面にひび割れが生じる可能性がある。

膜電極接合体において、電極触媒層の剥離しやすさは、例えば、下記の式により評価できる。下記の式において、Ｆは、電極触媒層と電解質膜との接触部分又は電極触媒層とガス拡散層との接触部分をせん断するために必要な摩擦力である。Ａは、電極触媒層と電解質膜との間の真実接触面積の総和又は電極触媒層とガス拡散層との間の真実接触面積の総和である。τは、電極触媒層と電解質膜との間の凝着部の平均せん断強さ又は電極触媒層とガス拡散層との間の凝着部の平均せん断強さである。
Ｆ＝Ａ・τ

膜電極接合体において、電極触媒層と電解質膜との間の接触面積又は電極触媒層とガス拡散層との間の接触面積は、電極触媒層におけるひび割れにより低減しやすい。この場合、電極触媒層と電解質膜との間の接触抵抗又は電極触媒層とガス拡散層との間の接触抵抗が大きく、膜電極接合体の初期性能が低いことが想定される。加えて、電極触媒層と電解質膜との間の接触面積又は電極触媒層とガス拡散層との間の接触面積が低減すると、上記の式に示すとおり、膜電極接合体から電極触媒が剥離しやすいので、膜電極接合体の耐久性が低いことが想定される。

これらの検討を踏まえると、電極触媒インクの固化物を含む電極触媒にひび割れが発生することは、例えば、電極触媒の過電圧の低減の観点から有利であるとは言い難いと理解される。そこで、本発明者らは、低い過電圧を有する電極触媒を作製するための電極触媒インクについて鋭意検討を重ねた。その結果、電極触媒インクにおいて、混合溶媒において比較的高い沸点を有する溶媒が電極触媒インクに含まれる成分と所定の関係にあることが電極触媒の過電圧を低減するうえで有利であることを新たに見出した。

＜本開示に係る一態様の概要＞
本開示の第１態様に係る電極触媒インクは、
層状複水酸化物を含む触媒と、
有機ポリマーと、
溶媒と、を含み、
前記溶媒は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含み、
前記第３の溶媒は、前記第１の溶媒の沸点及び前記第２の溶媒の沸点より高い沸点を有し、
前記第３の溶媒と前記触媒とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a1［ＭＰａ^1/2］と、前記第３の溶媒と前記有機ポリマーとのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a2［ＭＰａ^1/2］とは、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係を満たす。

第１態様によれば、低い過電圧を有する電極触媒を作製するための電極触媒インクが提供されうる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る電極触媒インクでは、前記層状複水酸化物は、Ｎｉ及びＦｅを含んでいてもよい。第２態様によれば、電極触媒は優れた触媒活性をより確実に有しうる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る電極触媒インクでは、前記電極触媒インクは、前記触媒を担持する担体をさらに含んでいてもよく、前記担体は、遷移金属を含んでいてもよい。第３態様によれば、電極触媒は優れた触媒活性をより確実に有しうる。

本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係る電極触媒インクでは、前記遷移金属は、Ｎｉを含んでいてもよい。第４態様によれば、電極触媒は優れた触媒活性をより確実に有しうる。

本開示の第５態様において、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係る電極触媒インクでは、前記有機ポリマーは、スルホン酸イオン基を有するパーフルオロカーボンポリマーを含んでいてもよい。第５態様によれば、電極触媒の耐久性をより確実に向上させることができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１から第５態様のいずれか１つに係る電極触媒インクでは、前記第３の溶媒は、２－メトキシエタノール、２－エトキシエタノール、エチレングリコールモノブチルエーテル、１－メトキシ－２－プロパノール、及びプロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテートからなる群より選ばれる少なくとも１つであってもよい。第６態様によれば、低い過電圧を有する電極触媒がより確実に作製されやすい。

本開示の第７態様に係る電極触媒は、
第１から第６態様のいずれか１つに係る電極触媒インクの固化物を含む。

第７態様によれば、電極触媒が低い過電圧を有しやすい。

本開示の第８態様に係る水電解セルは、
アノードと、
カソードと、
前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を備え、
前記アノード及び前記カソードからなる群より選ばれる少なくとも１つは、第７態様に係る電極触媒を含む。

第８態様によれば、水電解セルは、低い過電圧を有しやすい。

本開示の第９態様において、例えば、第８態様に係る水電解セルでは、前記電解質膜は、アニオン交換膜を含んでいてもよい。第９態様によれば、アノードで発生した酸素ガスとカソードで発生した水素ガスとが混合しにくい。

本開示の第１０態様において、例えば、第８態様に係る水電解セルでは、前記電解質膜は、カチオン交換膜を含んでいてもよい。第１０態様によれば、アノードで発生した酸素ガスとカソードで発生した水素ガスとが混合しにくい。

本開示の第１１態様に係る水電解セルは、
第一空間と第二空間とを隔てる隔膜と、
前記第一空間に設けられたアノードと、
前記第二空間に設けられたカソードと、を備え、
前記アノード及び前記カソードからなる群より選ばれる少なくとも１つは、第７態様に係る電極触媒を含む。

第１１態様によれば、水電解セルは、低い過電圧を有しやすい。

本開示の第１２態様に係る水電解装置は、
第８から第１１態様のいずれか１つに係る水電解セルと、
前記アノード及び前記カソードに接続され、前記アノード及び前記カソードの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備える。

第１２態様によれば、水電解装置は、低い過電圧を有しやすい。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。よって、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る電極触媒インクを模式的に示す図である。本実施形態に係る電極触媒インク１は、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を含む触媒１０と、有機ポリマー１１と、溶媒１２とを含む。溶媒１２は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含む。第３の溶媒は、第１の溶媒の沸点及び第２の溶媒の沸点より高い沸点を有する。第３の溶媒と触媒１０とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a1［ＭＰａ^1/2］と、第３の溶媒と有機ポリマー１１とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a2［ＭＰａ^1/2］とは、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係を満たす。このような構成によれば、低い過電圧を有する電極触媒を作製するための電極触媒インク１が提供されうる。

ハンセン溶解度パラメータ（ＨＳＰ）は、物質間の溶解特性を表すパラメータである。本明細書において、ＨＳＰは、ヒルデブランドの溶解度パラメータを、ロンドン分散力、双極子間力、及び水素結合力の３つの凝集エネルギー成分に分解したベクトル量のパラメータを意味する。本明細書において、ＨＳＰのロンドン分散力に対応する成分を分散項δｄと記載し、ＨＳＰの双極子間力に対応する成分を極性項δｐと記載し、ＨＳＰの水素結合力に対応する成分を水素結合項δｈと記載する。各パラメータの単位は、ＭＰａ^1/2である。

ＨＳＰはベクトル量であるので、例えば、純粋な物質において、同一のＨＳＰの値を有する物質は、ほとんど存在しない。一般的に使用される物質については、ＨＳＰのデータベースが構築されている。このデータベースを参照することによって、特定の物質のＨＳＰの値を入手することが可能である。一方、データベースにＨＳＰの値が登録されていない物質の場合、Hansen Solubility Parameters in Practice（HSPiP）等のコンピュータソフトウェアを用いることによって、物質の化学構造からＨＳＰの値が計算可能である。加えて、複数の物質を含む混合物のＨＳＰの値は、各物質のＨＳＰの値に、混合物全体に対する各物質の体積比を乗じた値の和として算出できる。例えば、溶媒Ｓ_a及び溶媒Ｓ_bからなる混合溶媒Ｓ_mのＨＳＰの値は、混合溶媒におけるそれらの溶媒の体積比が溶媒Ｓ_aの体積：溶媒Ｓ_bの体積で表してｘ：ｙであるときに、以下の式（１）により表される。

式（１）において、δｄ_mは、混合溶媒Ｓ_mのＨＳＰの分散項である。δｐ_mは、混合溶媒Ｓ_mのＨＳＰの極性項である。δｈ_mは、混合溶媒Ｓ_mのＨＳＰの水素結合項である。δｄ_aは、溶媒Ｓ_aのＨＳＰの分散項である。δｐ_aは、溶媒Ｓ_aのＨＳＰの極性項である。δｈ_aは、溶媒Ｓ_aのＨＳＰの水素結合項である。δｄ_bは、溶媒Ｓ_bのＨＳＰの分散項である。δｐ_bは、溶媒Ｓ_bのＨＳＰの極性項である。δｈ_bは、溶媒Ｓ_bのＨＳＰの水素結合項である。

図２は、ＨＳＰ空間における、触媒１０のＨＳＰの値、第３の溶媒のＨＳＰの値、有機ポリマー１１のＨＳＰの値、混合溶媒Ｓ_mのＨＳＰの値、ＨＳＰ距離Ｒ_a1、ＨＳＰ距離Ｒ_a2、及びＨＳＰ距離Ｒ_a3の概念を示す図である。上記したとおり、溶媒１２は、第３の溶媒を含む。第３の溶媒は、例えば、高沸点溶媒に相当する。ＨＳＰ距離Ｒ_a1は、ＨＳＰ空間における、触媒１０と第３の溶媒とのＨＳＰ距離を意味する。ＨＳＰ距離Ｒ_a2は、ＨＳＰ空間における、第３の溶媒と有機ポリマー１１とのＨＳＰ距離を意味する。ＨＳＰ距離Ｒ_a3は、ＨＳＰ空間における、第３の溶媒と第３の溶媒を除く２種類以上の溶媒からなる混合溶媒Ｓ_mとのＨＳＰ距離を意味する。

上記したとおり、溶媒１２は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含む。第３の溶媒は、第１の溶媒の沸点及び第２の溶媒の沸点より高い沸点を有する。つまり、第３の溶媒は、第１の溶媒及び第２の溶媒よりも揮発しにくい。このため、電極触媒インク１の乾燥工程において、第１の溶媒及び第２の溶媒が揮発しても、第３の溶媒は触媒１０又は有機ポリマー１１の近くに長期間にわたって存在しやすい。これにより、電極触媒インク１を乾燥させることによって得られる電極触媒においてひび割れが生じにくい。その結果、低い過電圧を有する電極触媒が提供されうる。

上記したとおり、電極触媒インク１において、ＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2が２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係を満たす。これにより、第３の溶媒と触媒１０との親和性と、第３の溶媒と有機ポリマー１１との親和性との関係が所望の状態に調節されやすい。これにより、有機ポリマー１１が凝集しにくく、触媒１０と有機ポリマー１１とが吸着して有機ポリマー１１が触媒１０の表面に存在しやすい。加えて、電極触媒インク１において、触媒１０と溶媒１２との親和性が良好に保たれ、電極触媒インク１において触媒１０が良好に分散しやすい。さらに、電極触媒インク１において、有機ポリマー１１は、触媒１０の表面から離れにくい。また、上記のとおり、第３の溶媒は、電極触媒インク１の乾燥工程において触媒１０又は有機ポリマー１１の近くに長期間にわたって存在しやすい。このため、電極触媒インク１の乾燥工程において、有機ポリマー１１が触媒１０の表面に存在しやすく、有機ポリマー１１が触媒１０の表面から離れにくい。これにより、電極触媒インク１を乾燥させることによって得られる電極触媒においてひび割れが生じにくい。その結果、低い過電圧を有する電極触媒が提供されうる。ＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2は、それぞれ、以下の式（２）及び（３）により表される。

Ｒ_a1 ²＝４×（δｄ_c－δｄ_p）²＋（δｐ_c－δｐ_p）²＋（δｈ_c－δｈ_p）² 式（２）

Ｒ_a2 ²＝４×（δｄ_i－δｄ_p）²＋（δｐ_i－δｐ_p）²＋（δｈ_i－δｈ_p）² 式（３）

式（２）において、δｄ_cは、触媒１０のＨＳＰの分散項である。δｐ_cは、触媒１０のＨＳＰの極性項である。δｈ_cは、触媒１０のＨＳＰの水素結合項である。式（３）において、δｄ_iは、有機ポリマー１１のＨＳＰの分散項である。δｐ_iは、有機ポリマー１１のＨＳＰの極性項である。δｈ_iは、有機ポリマー１１のＨＳＰの水素結合項である。式（２）及び（３）において、δｄ_pは、第３の溶媒のＨＳＰの分散項である。δｐ_pは、第３の溶媒のＨＳＰの極性項である。δｈ_pは、第３の溶媒のＨＳＰの水素結合項である。なお、ＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2は、第３の溶媒の沸点の影響を受けにくい。

第３の溶媒は、溶媒１２に含まれる他の溶媒との混和性が高くてもよい。これにより、溶媒１２は、相分離しにくい。例えば、第３の溶媒Ｓ_pと第３の溶媒を除く２種類以上の溶媒からなる混合溶媒Ｓ_mとのＨＳＰ距離Ｒ_a3［ＭＰａ^1/2］は、以下の式（４）により表される。

Ｒ_a3 ²＝４×（δｄ_m－δｄ_p）²＋（δｐ_m－δｐ_p）²＋（δｈ_m－δｈ_p）² 式（４）

２種類の物質の間の親和性及び混和性は、２種類の物質の間のＨＳＰ距離と所定の相関関係を有しやすい。ＨＳＰ距離Ｒ_a3は、特定の値に限定されない。ＨＳＰ距離Ｒ_a3は、例えば、３０ＭＰａ^1/2以下である。これにより、電極触媒インク１において、第３の溶媒と、第３の溶媒を除く２種類以上の溶媒から成る混合溶媒とが、優れた混和性を有しやすい。ＨＳＰ距離Ｒ_a3は、２５ＭＰａ^1/2以下であってもよく、２０ＭＰａ^1/2以下であってもよい。ＨＳＰ距離Ｒ_a3の下限値は、特定の値に限定されず、１０ＭＰａ^1/2であってもよく、１５ＭＰａ^1/2であってもよい。

電極触媒インク１において、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係が満たされる限り、ＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2は、特定の値に限定されない。ＨＳＰ距離Ｒ_a2は、１４以下であってもよく、１３ＭＰａ^1/2以下であってもよく、１０ＭＰａ^1/2以下であってもよい。ＨＳＰ距離Ｒ_a2は、５ＭＰａ^1/2以上であってもよく、１０ＭＰａ^1/2以上であってもよい。

［有機ポリマー］
上記したとおり、電極触媒インク１は、有機ポリマー１１を含む。有機ポリマー１１は、例えば、触媒１０を分散させる。有機ポリマー１１は、触媒１０の表面に存在しうる有機材料でありうる。有機ポリマー１１は、例えば、触媒１０の表面の少なくとも一部に存在する。有機ポリマー１１は、触媒１０同士の間に存在していてもよい。有機ポリマー１１は、触媒１０に接していてもよい。触媒１０の表面の少なくとも一部を有機ポリマー１１が被覆していてもよい。電極触媒インク１に有機ポリマー１１が含まれることによって、有機ポリマー１１によって生じる立体障害により触媒１０同士の凝集が抑制されうる。これにより、電極触媒インク１において、触媒１０及び有機ポリマー１１は、優れた分散性を有しやすい。加えて、電極触媒インク１に有機ポリマー１１が含まれていることによって、電極触媒を基板等の基材上に形成したときに、基材と電極触媒との接合性を向上させることができる。これにより、優れた耐久性を有する電極触媒が提供されうる。

有機ポリマー１１は、特定の有機材料に限定されない。有機ポリマー１１は、フッ素を含む有機ポリマーであってもよい。有機ポリマー１１は、フッ素を含むイオン交換樹脂であってもよい。有機ポリマー１１は、フッ素及びスルホン酸イオン基を有する有機ポリマーであってもよい。有機ポリマー１１は、スルホン酸イオン基を有するパーフルオロカーボンポリマーを含んでいてもよい。有機ポリマー１１にフッ素が含まれていることによって、有機ポリマー１１の熱安定性及び電気化学安定性を向上させることができる。さらに、有機ポリマー１１にフッ素が含まれていることによって、電極触媒の耐アルカリ性をより確実に向上させることができる。スルホン酸イオン基を有するパーフルオロカーボンポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標）である。ナフィオンは、例えば、プロトン伝導性を有する有機ポリマーである。ナフィオンは、以下の化学式を有する。

上記化学式中、ｙ／ｘは、１≦ｙ／ｘ≦９を満たす。ｎは、０以上２以下の整数である。

有機ポリマー１１のＨＳＰの値は、例えば、データベースの参照又はＨＳＰｉＰ等のコンピュータソフトウェアを用いた計算によって求めることができる。有機ポリマー１１が疎水性部分及び親水性部分を含む両親媒性構造を有する場合、有機ポリマー１１のＨＳＰの値は、疎水性部分及び親水性部分のそれぞれについて上記方法によって求めることができる。電極触媒インク１に含まれている溶媒１２が疎水性の溶媒である場合、有機ポリマー１１の疎水性部分のＨＳＰの値が用いられてもよい。電極触媒インク１に含まれている溶媒１２が親水性の溶媒である場合、有機ポリマー１１の親水性部分のＨＳＰの値が用いられてもよい。

例えば、ナフィオンの親水性部分におけるＨＳＰの分散項は、１５．２ＭＰａ^1/2である。ナフィオンの親水性部分におけるＨＳＰの極性項は、９．３ＭＰａ^1/2である。ナフィオンの親水性部分におけるＨＳＰの水素結合項は、１９．６ＭＰａ^1/2である。また、例えば、ナフィオンの疎水性部分におけるＨＳＰの分散項は、１５．５ＭＰａ^1/2である。ナフィオンの疎水性部分におけるＨＳＰの極性項は、１６．０ＭＰａ^1/2である。ナフィオンの疎水性部分におけるＨＳＰの水素結合項は、４２．３ＭＰａ^1/2である。

有機ポリマー１１の等価質量（ＥＷ）は、特定の値に限定されない。等価質量とは、スルホン酸イオン基等のアニオン性の官能基１モル当たりの有機ポリマー１１の質量を意味する。有機ポリマー１１の等価質量は、１１００ｇ／ｍｏｌ以下であってもよく、９００ｇ／ｍｏｌ以下であってもよい。これにより、触媒１０の凝集がより確実に抑制されうる。その結果、電極触媒インク１において、触媒１０及び有機ポリマー１１は、優れた分散性をより確実に有しやすい。有機ポリマー１１の等価質量の下限値は、特定の値に限定されず、７２０ｇ／ｍｏｌであってもよく、９８０ｇ／ｍｏｌであってもよい。

［溶媒］
溶媒１２は、例えば、電極触媒インク１において触媒１０と有機ポリマー１１とを分散させる溶媒である。溶媒１２は、少なくとも３種類の溶媒を含む。溶媒１２は、例えば、触媒１０及び有機ポリマー１１を分散させる。溶媒１２は、４種類以上の溶媒を含んでいてもよい。第３の溶媒の沸点が第１の溶媒の沸点及び第２の溶媒の沸点より高い限り、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒は、特定の溶媒に限定されない。第１の溶媒の沸点と第２の溶媒の沸点との差は、特定の値に限定されず、例えば、４０℃以下である。これにより、電極触媒インク１を電極に塗布した後の乾燥過程において、溶媒１２における第１の溶媒の含有量と第２の溶媒の含有量との比率が変化しにくい。その結果、低い過電圧を有する電極触媒がより確実に作製されやすい。加えて、これにより、電極触媒インク１を電極に塗布した後の乾燥過程において、第１の溶媒及び第２の溶媒は乾燥されやすいので、電極触媒の生産性をより確実に向上させることができる。溶媒１２において、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒は、例えば、極性溶媒である。第１の溶媒の例は、水である。第２の溶媒の例は、アルコールである。アルコールの沸点は、特定の値に限定されず、例えば、６０℃以上１１０℃以下である。アルコールの例は、メタノール、エタノール、１－プロパノール、及び２―プロパノールである。アルコールは、これらから選ばれる少なくとも１つのアルコールのみが用いられてもよく、複数種類のアルコールが用いられてもよい。第３の溶媒は、例えば、エーテル結合を有する。第３の溶媒は、例えば、２－メトキシエタノール、２－エトキシエタノール、エチレングリコールモノブチルエーテル、１－メトキシ－２－プロパノール、及びプロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテートからなる群より選ばれる少なくとも１つである。これらの溶媒によれば、電極触媒インク１を電極に塗布した後の乾燥過程において、溶媒１２と触媒１０との親和性の変化及び溶媒１２と有機ポリマー１１との親和性の変化が抑制されやすい。その結果、低い過電圧を有する電極触媒がより確実に作製されやすい。

第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒は、互いに相溶性を有する。溶媒１２において、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒は、十分に相溶しており、相分離していないことが望ましい。各溶媒の種類及び各溶媒の混合比率は、溶媒１２が室温にて相分離を生じないように調整されうる。

第３の溶媒は、例えば、電極触媒インク１において触媒１０と有機ポリマー１１とを分散させる溶媒である。溶媒１２は、例えば、電極触媒インク１を電極に塗布した後の乾燥過程において除去される。このとき、溶媒１２の組成が変化しうる。第３の溶媒は、電極触媒インク１の乾燥過程において、溶媒１２に含まれる他の溶媒よりも揮発しにくい。これにより、電極触媒インク１を電極に塗布した後の乾燥過程において、溶媒１２と触媒１０との親和性の変化及び溶媒１２と有機ポリマー１１との親和性の変化が抑制されやすい。その結果、電極触媒インク１の乾燥によって得られる電極触媒においてひび割れが生じにくい。

溶媒１２が３種類の溶媒を含む場合、溶媒１２における第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒の含有量の比は、特定の値に限定されない。溶媒１２における第３の溶媒の含有量は、特定の値に限定されない。溶媒１２における第３の溶媒の含有量は、例えば、１０質量％以下である。これにより、電極触媒インク１を乾燥させるために必要な加熱時間及び加熱によるコストが抑制されうる。溶媒１２における第３の溶媒の含有量は、５体積％以下であってもよく、２体積％以下であってもよい。溶媒１２における第３の溶媒の含有量の下限値は、例えば、１体積％であってもよい。

溶媒１２における第２の溶媒の体積に対する第１の溶媒の体積の比率は、特定の値に限定されない。溶媒１２における第２の溶媒の体積に対する第１の溶媒の体積の比率は、０．１以上９．０以下であってもよく、０．２以上５．０以下であってもよく、０．５以上１．５以下であってもよい。

第３の溶媒の沸点は、特定の値に限定されない。第３の溶媒の沸点は、例えば、１００℃以上である。第３の溶媒の沸点は、１１０℃以上であってもよく、１１５℃以上であってもよく、１２０℃以上であってもよい。第３の溶媒の沸点の上限値は、特定の値に限定されず、２５０℃であってもよく、２３０℃であってもよく、２２０℃であってもよく、２１０℃であってもよい。これにより、電極触媒インク１を乾燥させたときに、溶媒１２と触媒１０との親和性の変化及び溶媒１２と有機ポリマー１１との親和性の変化が抑制されやすい。その結果、電極触媒インク１の乾燥によって得られる電極触媒にひび割れが生じにくい。沸点は、大気圧下での沸点を意味する。

［触媒］
触媒１０は、水電解セルのアノード又はカソードにおいて、水素及び酸素等のガスの生成反応に対して活性を有する材料である。触媒１０は、層状複水酸化物（ＬＤＨ）を主成分として含んでいてもよい。「主成分」は、質量基準で最も多く含まれている成分を意味する。このような構成によれば、電極触媒インク１の乾燥によって得られる電極触媒は、低い過電圧をより確実に有しやすい。

ＬＤＨは、例えば、２種以上の遷移金属を含む。遷移金属は、例えば、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、及びＲｕからなる群より選ばれる少なくとも２つを含む。

ＬＤＨは、例えば、下記の組成式（５）で表される組成を有する。
［Ｍ１²⁺ _1-xＭ２³⁺ _x（ＯＨ）₂］［ｙＡ^n-・ｍＨ₂Ｏ］ 組成式（５）

組成式（５）において、Ｍ１²⁺は、二価の遷移金属イオンである。Ｍ２³⁺は、三価の遷移金属イオンである。Ａ^n-は、層間の陰イオンである。ｘは、０＜ｘ＜１の条件を満たす有理数である。ｙは、電荷バランスの必要量に相当する数である。ｎは、整数である。ｍは、適切な有理数である。

ＬＤＨは、例えば、Ｎｉ及びＦｅを含んでいてもよい。例えば、組成式（５）において、Ｍ１は、Ｎｉであり、かつ、Ｍ２は、Ｆｅであってもよい。このような構成によれば、電極触媒インク１を乾燥させることによって得られる電極触媒は、優れた触媒活性をより確実に有し、例えば、Ｍ１がＣｏである場合に比べて高い触媒活性が発揮されやすい。

ＬＤＨに含まれるＮｉ及びＦｅの総物質量に対するＦｅの物質量の比率は、０．２５以上０．５以下であってもよい。このような構成によれば、電極触媒インク１を乾燥させることによって得られる電極触媒は、優れた触媒活性をより確実に有しうる。

ＬＤＨは、キレート剤を含んでいてもよい。この場合、ＬＤＨにおける遷移金属イオンにキレート剤が配位していてもよい。これにより、ＬＤＨの分散安定性を向上させることができる。また、ＬＤＨがキレート剤を含んでいるので、小さい粒子径を有するＬＤＨが製造されうる。その結果、ＬＤＨの表面積を向上させることができるので、触媒活性を向上させることができる。ＬＤＨの平均粒径は、１００ｎｍ以下であってもよく、５０ｎｍ以下であってもよい。また、ＬＤＨの平均粒径は、１０ｎｍ以下であってもよい。ＬＤＨの平均粒径の下限値は、特定の値に限定されない。その下限値は、１．５ｎｍであってもよく、２ｎｍであってもよい。ＬＤＨは、１又は複数の微小な単結晶の領域を含む一次粒子及びそれらが集合した二次粒子を備える。ＬＤＨの平均粒径は、小角Ｘ線散乱法（ＳＡＸＳ）により得られた粒度分布を、粒径と分布との関係を２次元分布図で表したとき、２次元分布図の面積を総粒子数で割った値である。分布とは、当該粒径の粒子数が占める総体積に比例した数値を意味する。２次元分布図の面積は、例えば、粒径と当該粒径に対応する粒子数との積である。

キレート剤は、特定のキレート剤に限定されない。キレート剤は、例えば、ＬＤＨにおいて遷移金属に配位する有機化合物である。キレート剤は、２座の有機配位子及び３座の有機配位子の少なくとも１つであってもよい。キレート剤の例は、β－ジケトン、β－ケトエステル、及びヒドロキシカルボン酸である。β－ジケトンの例は、アセチルアセトン（ＡＣＡＣ）、トリフルオロアセチルアセトン、ヘキサフルオロアセチルアセトン、ベンゾイルアセトン、テノイルトリフルオロアセトン、ジピロバイルメタン、ジベンゾイルメタン、及びアスコルビン酸である。β－ケトエステルの例は、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、アセト酢酸アリル、アセト酢酸ベンジル、アセト酢酸－ｎ－プロピル、アセト酢酸－ｉｓｏ－プロピル、アセト酢酸－ｎ－ブチル、アセト酢酸－ｉｓｏ－ブチル、アセト酢酸－ｔｅｒｔ－ブチル、アセト酢酸－２－メトキシエチル、及び３－オキソペンタン酸メチルである。ヒドロキシカルボン酸及びその塩の例は、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、グルコン酸、フェルラ酸、乳酸、グルクロン酸、及びそれらの塩である。キレート剤は、アセチルアセトン及びクエン酸三ナトリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。キレート剤は、アセチルアセトン及びトリソジウムシトレートの少なくとも１つであってもよい。

Ａ^n-は、層間イオンである。Ａ^n-は、無機イオン又は有機イオンである。無機イオンの例は、ＣＯ₃ ^2-、ＮＯ₃ ^-、Ｃｌ^-、ＳＯ₄ ^2-、Ｂｒ^-、ＯＨ^-、Ｆ^-、Ｉ^-、Ｓｉ₂Ｏ₅ ^2-、Ｂ₄Ｏ₅（ＯＨ）₄ ^2-、及びＰＯ₄ ^3-である。有機イオンの例は、ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＳＯ₄ ^-、ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＣＯＯ^-、ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＰＯ₄ ^-、及びＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＮＯ₃ ^-である。Ａ^n-は、水分子とともに金属水酸化物の層の間に挿入される陰イオンである。Ａ^n-の電荷及びイオンの大きさは、特定の値に限定されない。ＬＤＨは、１種類のＡ^n-を含んでいてもよいし、複数種類のＡ^n-を含んでいてもよい。

図３は、組成式（５）で表されるＬＤＨの結晶構造の一例を模式的に示す図である。図３に示すように、ＬＤＨ２０は、Ｍ１²⁺又はＭ２³⁺を中心とする８面体の各頂点にＯＨ^-を有する。金属水酸化物は、［Ｍ１_1-xＭ２_x（ＯＨ）₂］^x+で表される。金属水酸化物は、水酸化物八面体が稜を共有して二次元に連なった層状構造を有している。金属水酸化物の層の間には、アニオン及び水分子が位置している。金属水酸化物の層は、ホスト層２１として機能し、アニオン及び水分子がゲスト層２２として挿入されている。つまり、全体としてＬＤＨ２０は、金属水酸化物のホスト層２１とアニオン及び水分子のゲスト層２２とが交互に積層されたシート状構造を有している。ＬＤＨ２０は、金属水酸化物の層に含まれているＭ１²⁺の一部をＭ２³⁺に置換した構造を有する。そのため、ＬＤＨ２０の表面は、通常、正に帯電している。

触媒１０は、典型的には、粒子の形状を有する。粒子の形状は、特定の形状に限定されない。その形状の例は、球状、楕円球状、繊維状、及び鱗片状である。

触媒１０のＨＳＰの値は、例えば、以下のようにして算出できる。まず、室温（２５℃）にて、溶媒に触媒１０を添加して混合液を調製する。この混合液を、超音波ホモジナイザーを用いて３０分間微細化処理を行ったあと、混合液を２５℃で静置させる。混合液の調製に使用した溶媒について、ＨＳＰ空間にプロットを作成する。溶媒のＨＳＰの値は、例えば、データベースの参照又はＨＳＰｉＰ等のコンピュータソフトウェアを用いた計算によって求めることができる。次に、３０分以上触媒１０が沈降しなかったと判断した混合液に含まれている溶媒のプロットのみが内包されるようにＨＳＰ空間においてハンセン球を作成する。このハンセン球の中心を、触媒１０のＨＳＰの値と定義する。なお、混合液における触媒１０の沈降は、例えば、混合液にレーザー光を照射してチンダル現象を観察することによって確認できる。

触媒１０のＨＳＰの値の算出に使用される溶媒は、特定の種類の溶媒に限定されない。触媒１０のＨＳＰの値の算出に使用される溶媒の数も、特定の数に限定されない。例えば、触媒１０がＬＤＨを含む場合、触媒１０のＨＳＰの値の算出に使用される溶媒の例は、水、メタノール、エタノール、ジエチルエーテル、１，４－ジオキサン、ジメトキシメタン、酢酸エチル、アセトン、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン、１－ブタノール、シクロヘキサン、シクロヘキサノール、ジブチルエーテル、ジアセトンアルコール、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、γ-ブチロラクトン、メチルイソブチルケトン、塩化メチレン、ｎ－ブチルアセテート、Ｎ－メチルピロリドン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、テトラクロロエチレン、トルエン、及びヘキサンである。触媒１０のＨＳＰの値の算出に使用される溶媒は、これらの溶媒からなる群より選ばれる少なくとも１つを用いてもよく、複数種類の溶媒を用いてもよい。例えば、触媒１０がＬＤＨを含む場合、触媒１０のＨＳＰの値の算出には、例えば、水、メタノール、エタノール、ジエチルエーテル、１，４－ジオキサン、ジメトキシメタン、酢酸エチル、アセトン、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、ニトロメタン、クロロホルム、クロロベンゼン、及びヘキサンを用いることができる。

［担体］
電極触媒は、担体をさらに含んでいてもよい。担体は、例えば、触媒を担持する。このような構成によれば、担体は、その表面に触媒を安定的に配置できるので、電極触媒の触媒活性が高く保たれやすい。

図４は、本実施形態に係る電極触媒インクの別の一例を模式的に示す図である。電極触媒インク２は、触媒１０と、有機ポリマー１１と、溶媒１２と、担体１３とを含む。このような構成であっても、溶媒１２が第３の溶媒を含むので、電極触媒インク２を乾燥させることによって得られる電極触媒にひび割れが生じにくい。その結果、低い過電圧を有する電極触媒が提供されうる。

電極触媒インク２において、有機ポリマー１１は、例えば、触媒１０の表面の少なくとも一部に存在する。有機ポリマー１１は、触媒１０同士の間に存在していてもよい。有機ポリマー１１は、担体１３の表面に存在していてもよい。有機ポリマー１１は、担体１３同士の間に存在していてもよい。有機ポリマー１１は、担体１３と触媒１０との間に存在していてもよい。電極触媒インク２に有機ポリマー１１が含まれることによって、有機ポリマー１１によって生じる立体障害により触媒１０及び担体１３の凝集が抑制されうる。これにより、電極触媒インク２において、触媒１０、有機ポリマー１１、及び担体１３は、優れた分散性をより確実に有しやすい。加えて、電極触媒インク２に有機ポリマー１１が含まれていることによって、電極触媒を基板等の基材上に形成したときに、基材と電極触媒との接合性を向上させることができる。これにより、優れた耐久性を有する電極触媒が提供されうる。

電極触媒インク２において、触媒１０によって、担体１３の表面が被覆されていてもよい。触媒１０は、例えば、担体１３の表面に接している。担体１３の表面の全体が触媒１０によって被覆されていてもよい。担体１３の表面の一部のみが触媒１０によって被覆されていてもよい。担体１３は、表面が触媒１０によって被覆された断面を有していてもよい。担体１３の表面に触媒１０を含む被覆層が形成されていてもよい。被覆層は、触媒１０を主成分として含んでいてもよい。

担体１３は、典型的には導電性を有する。担体１３は、特定の材料に限定されない。担体１３の材料の例は、遷移金属及び炭素材料である。遷移金属の例は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、及びＲｕである。炭素材料の例は、アセチレンブラック及びケッチェンブラック（ＫＢ）である。これにより、電極触媒は、優れた触媒活性をより確実に有しやすい。担体１３は、これらの材料から選ばれる単一の材料のみを含んでいてもよく、複数の材料を含んでいてもよい。担体１３が複数の遷移金属を含むとき、担体１３は合金で作られていてもよい。

担体１３は、例えば、フォーム等の多孔質材料を含んでいてもよい。

担体１３の形状は、特定の形状に限定されない。担体１３は、例えば、粒子の形状である。粒子の形状は、特定の形状に限定されない。その形状の例は、球状、楕円球状、繊維状、及び鱗片状である。

担体１３のサイズは、特定の値に限定されない。例えば、担体１３の形状が球状である場合、担体１３の平均粒径は、特定の値に限定されない。担体１３の平均粒径は、１００ｎｍ以下であってもよく、５０ｎｍ以下であってもよい。担体１３の平均粒径の下限値は、１０ｎｍであってもよく、２０ｎｍであってもよい。これにより、担体１３は、十分な量のＬＤＨを担持しやすい。さらに、このような構成によれば、電極触媒インク２を乾燥させることによって得られる電極触媒は、例えば、水電解のアノード反応において、優れた耐久性をより確実に有することができる。担体１３の平均粒径は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、担体１３を観察することによって求めることができる。具体的に、平均粒径は、担体１３の全体を観察できる任意の５０個の担体１３のそれぞれについて、その最大径及び最小径の平均値を各担体１３の粒径と定めたうえで、その粒径の算術平均として定めることができる。

電極触媒インク２が触媒１０を担持する担体１３を含む場合でも、触媒１０と担体１３との複合材料のＨＳＰの値は、例えば、上記した方法で求めることができる。加えて、上記した方法で得られたＨＳＰの値は、触媒のＨＳＰの値と定義される。

［電極触媒］
本実施形態に係る電極触媒は、電極触媒インク１又は２の固化物を含む。つまり、本実施形態に係る電極触媒は、電極触媒インク１又は２を乾燥させることによって得られる。これにより、電極触媒は、低い過電圧を有しやすい。

本実施形態に係る電極触媒は、例えば、プロトン交換膜型の水電解装置、アニオン交換膜型の水電解装置、又はアルカリ隔膜型の水電解装置に使用される。電極触媒は、上記の水電解装置において、アノード及びカソードの少なくとも１つに使用されうる。

（第２実施形態）
図５は、本実施形態に係る水電解セルの一例を模式的に示す断面図である。

水電解セル３は、電解質膜３１と、アノード１００と、カソード２００とを備える。電解質膜３１は、例えば、アノード１００とカソード２００との間に配置されている。アノード１００及びカソード２００の少なくとも１つは、第１実施形態で説明した電極触媒を含んでいる。

電解質膜３１は、イオン伝導性を有する電解質膜であってもよい。電解質膜３１は、特定の種類に限定されない。電解質膜３１は、アニオン交換膜を含んでいてもよい。電解質膜３１は、アニオン交換膜であってもよい。電解質膜３１は、アノード１００で発生した酸素ガスとカソード２００で発生した水素ガスとが混合しにくいように構成されている。

アノード１００は、例えば、触媒層３０を含む。触媒層３０は、電解質膜３１の一方の主面上に設けられていてもよい。「主面」とは、電解質膜３１の最も広い面積を有する面を意味する。触媒層３０に含まれている電極触媒は、例えば、第１実施形態で説明した電極触媒である。アノード１００には、多孔性及び導電性のガス拡散層３３が触媒層３０の上にさらに設けられていてもよい。

カソード２００は、例えば、触媒層３２を含む。触媒層３２は、電解質膜３１の他方の主面上に設けられていてもよい。つまり、触媒層３２は、電解質膜３１に対して、触媒層３０が設けられている主面とは反対側の主面上に設けられていてもよい。触媒層３２に使用されうる触媒金属は、特定の種類に限定されない。この電極触媒は、白金であってもよく、第１実施形態で説明した電極触媒であってもよい。カソード２００には、多孔性及び導電性のガス拡散層３４が触媒層３２の上にさらに設けられていてもよい。

以上の構成によれば、アノード１００及びカソード２００の少なくとも１つに、第１実施形態で説明した電極触媒が含まれているので、水電解セル３は低い過電圧を有しやすい。

（第３実施形態）
図６は、本実施形態に係る水電解装置の一例を模式的に示す断面図である。

水電解装置４は、水電解セル３と、電圧印加器４０とを備える。水電解セル３は、第２実施形態の水電解セル３と同様であるので説明を省略する。

電圧印加器４０は、水電解セル３のアノード１００及びカソード２００に接続されている。電圧印加器４０は、水電解セル３のアノード１００及びカソード２００に電圧を印加する装置である。

電圧印加器４０によって、アノード１００における電位が高くなり、カソード２００における電位が低くなる。電圧印加器４０は、アノード１００及びカソード２００の間に電圧を印加できる限り、特定の種類に限定されない。電圧印加器４０は、アノード１００及びカソード２００の間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。具体的には、電圧印加器４０がバッテリ、太陽電池、燃料電池等の直流電源に接続されているときは、電圧印加器４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備えている。電圧印加器４０が商用電源等の交流電源に接続されているときは、電圧印加器４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータを備えている。電圧印加器４０は、水電解装置４に供給する電力が所定の設定値となるように、アノード１００及びカソード２００の間に印加される電圧、並びにアノード１００及びカソード２００の間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。

以上の構成によれば、水電解装置４は、低い過電圧を有しやすい。

（第４実施形態）
図７は、本実施形態に係る水電解セルの一例を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る水電解セル５は、例えば、アルカリ水溶液を利用したアルカリ水電解セル５である。アルカリ水電解では、アルカリ水溶液が用いられる。アルカリ水溶液の例は、水酸化カリウム水溶液、及び水酸化ナトリウム水溶液である。

アルカリ水電解セル５は、電解槽７０と、隔膜４１と、アノード３００及びカソード４００を備える。電解槽７０は、内部に設けられた隔膜４１によって、第一空間５０と第二空間６０とに隔てられる。アノード３００は、第一空間５０に設けられている。カソード４００は、第二空間６０に設けられている。アノード３００及びカソード４００の少なくとも１つは、第１実施形態で説明した電極触媒を含む。

アノード３００には、第１実施形態で説明した電極触媒が含まれていてもよい。アノード３００は、例えば、触媒層を含み、その触媒層に、第１実施形態で説明した電極触媒が含まれていてもよい。

カソード４００には、第１実施形態で説明した電極触媒が含まれていてもよい。カソード４００は、例えば、触媒層を含み、その触媒層に、第１実施形態で説明した電極触媒が含まれていてもよい。

隔膜４１は、例えば、アルカリ水電解用の隔膜である。

アノード３００は、隔膜４１に接触させた状態で配置されていてもよく、アノード３００と隔膜４１との間に間隔を有していてもよい。カソード４００は、隔膜４１に接触させた状態で配置されていてもよく、カソード４００と隔膜４１との間に間隔を有していてもよい。

アルカリ水電解セル５は、アルカリ水溶液を電解して水素及び酸素を製造する。アルカリ水電解セル５の第一空間５０には、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物を含む水溶液が供給されうる。アルカリ水電解セル５の第二空間６０には、アルカリ水溶液が供給されうる。第一空間５０及び第二空間６０から所定濃度のアルカリ水溶液を排出しながら電解することで、水素及び酸素を製造する。

以上の構成によれば、アノード３００及びカソード４００の少なくとも１つに第１実施形態で説明した電極触媒が含まれているので、アルカリ水電解セル５は、低い過電圧を有しやすい。

（第５実施形態）
図８は、本実施形態に係る水電解装置の一例を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る水電解装置６は、例えば、アルカリ水溶液を利用したアルカリ水電解装置６である。アルカリ水電解装置６は、アルカリ水電解セル５と、電圧印加器４０とを備える。アルカリ水電解セル５は、第４実施形態のアルカリ水電解セル５と同様であるので説明を省略する。

電圧印加器４０は、アルカリ水電解セル５のアノード３００及びカソード４００に接続されている。電圧印加器４０は、アルカリ水電解セル５のアノード３００及びカソード４００に電圧を印加する装置である。

以上の構成によれば、アルカリ水電解装置６は、低い過電圧を有しやすい。

以下、実施例により本開示をさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例は本開示の一例であり、本開示は以下の実施例に限定されない。

（実施例１）
（Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒材料の作製）
まず、遷移金属としてＮｉ及びＦｅを含むＬＤＨであるＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨを以下のようにして作製した。まず、水及びエタノールの混合溶媒を調製した。使用したエタノールは、富士フィルム和光純薬社製の試薬特級品であった。混合溶媒における水及びエタノールの体積比率は、水の体積：エタノールの体積で表して、２：３であった。この混合溶媒に、富士フィルム和光純薬社製の塩化ニッケル六水和物及び富士フィルム和光純薬社製の塩化鉄六水和物を溶解させた。この混合溶媒において、Ｎｉイオン及びＦｅイオンの合計濃度は、１．０ｍｏｌ／リットルであり、かつ、Ｎｉイオン及びＦｅイオンの総物質量に対するＦｅイオンの物質量の比率は、０．３３であった。さらに、キレート剤としてアセチルアセトン（ＡＣＡＣ）を、Ｎｉイオン及びＦｅイオンの総物質量の３分の１の物質量になるように混合溶媒に添加した。このようにして得られた溶液を、３０分間撹拌した。

その後、この溶液に含まれているＮｉとＦｅが全て理想的に反応した場合に生成するＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨの質量と同一の質量のＮｉ粒子を、担体としてこの溶液に加えた。このＮｉ粒子は、US Research Nanomaterials, Inc.製であり、２０ｎｍの粒径を有していた。次に、Ｎｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む溶液に、溶液中の塩化物イオンの物質量の２倍の物質量のプロピレンオキサイド（ＰＯＸ）をｐＨ上昇剤として添加した。このようにして得られた溶液を、１分間撹拌した。このとき、ＰＯＸは、溶液中の水素イオンを徐々に捕捉するので、溶液のｐＨは徐々に上昇した。そのため、得られた溶液を３日間ほど静置した後、目的の試料であるＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む混合物を回収した。

（電極触媒インクの調製）
Ｎｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む混合物と、アルドリッチ社製の５体積％のナフィオン分散溶液（製品番号：５２７０８４）と、純水と、エタノールとをサンプル管に加えて溶液を調製した。この溶液の調製において、Ｎｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む混合物の添加量は、２０ｍｇであった。ナフィオン分散溶液の添加量は３９．２マイクロリットル（μＬ）であった。ナフィオン分散溶液に含まれている水、１－プロパノール、及びエタノールの体積比率は、水の体積：１－プロパノールの体積：エタノールの体積で表して、４５：４８：２であった。純水の添加量は０．５０ミリリットル（ｍＬ）であり、エタノールの添加量は、０．４８ｍＬであった。使用したエタノールは、富士フィルム和光純薬社製の試薬特級品であった。このようにして得られた溶液に、高沸点溶媒として０．０２ｍＬの２－メトキシエタノールを加え、得られた溶液に対し、超音波ホモジナイザーを用いて３０分間微細化処理を行うことによって、実施例１に係る電極触媒インクを調製した。

（ハンセン溶解度パラメータの算出）
Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒を、表１に示す各溶媒に加えて混合液を調製した。各混合液の調製において、Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒の添加量は３ｍｇであり、各溶媒の添加量は１０ｍＬであった。各混合液に対し、超音波ホモジナイザーを用いて３０分間微細化処理を行った後、各混合液を静置させてサンプルを調製した。なお、各サンプルの調製は、室温（２５℃）で実施した。これらのサンプルにおいて、Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒の沈降のしやすさを測定した。各サンプルにおいて、混合液を２５℃で静置させて１５分以内に触媒が沈降したサンプルを「３」と評価した。混合液を２５℃で静置させて１５分から３０分の間に触媒が沈降したサンプルを「２」と評価した。混合液を２５℃で静置させて３０分以内に触媒が沈降したサンプルを「１」と評価した。混合液を２５℃で静置させて３０分以上触媒が沈降しなかったサンプルを「０」と評価した。結果を表１に示す。混合液における触媒の沈降の有無は、チンダル現象によって判断した。各混合液を２５℃で静置させ、この混合液に５２０ｎｍのレーザー光を照射した。このとき、目視にてチンダル現象が観察されなかった場合、触媒が沈降したと判断した。目視にてチンダル現象が観察された場合、触媒が沈降しなかったと判断した。

次に、ＨＳＰ空間において、各サンプルに使用された溶媒のＨＳＰの値をプロットした。ＨＳＰｉＰを用いて、上記方法にて「０」と評価したサンプルに使用された溶媒のプロットのみが内包されるようにＨＳＰ空間においてハンセン球を作成し、このハンセン球の中心を、Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒のＨＳＰの値と定義した。その結果、Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒のＨＳＰの分散項δｄは、１２．６ＭＰａ^1/2であった。Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒のＨＳＰの極性項δｐは、１４．８ＭＰａ^1/2であった。Ｎｉ担体に担持されたＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒のＨＳＰの水素結合項δｈは、１３．７ＭＰａ^1/2であった。

（ＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＲ_a2の算出）
実施例１に係る電極触媒インクにおいて、高沸点溶媒とＮｉ－Ｆｅ ＬＤＨ触媒とのＨＳＰ距離Ｒ_a1［ＭＰａ^1/2］及び高沸点溶媒とナフィオンとのＨＳＰ距離Ｒ_a2［ＭＰａ^1/2］を、それぞれ、以下の式（６）及び（７）に従って決定した。高沸点溶媒である２－メトキシエタノールのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。なお、式（６）及び（７）では、ＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pにＭＰａ^1/2を用いて表したときの数値が代入される。結果を表２及び図９に示す。
Ｒ_a1 ²＝４×（１２．６－δｄ_p）²＋（１４．８－δｐ_p）²＋（１３．７－δｈ_p）² 式（６）
Ｒ_a2 ²＝４×（１５．２－δｄ_p）²＋（９．３－δｐ_p）²＋（１９．６－δｈ_p）² 式（７）

（実施例２）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりに２－エトキシエタノールを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、実施例２に係る電極触媒インクを調製した。２－エトキシエタノールのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、実施例２に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（実施例３）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりにエチレングリコールモノブチルエーテルを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、実施例３に係る電極触媒インクを調製した。エチレングリコールモノブチルエーテルのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、実施例３に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（実施例４）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりに１－メトキシ－２－プロパノールを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、実施例４に係る電極触媒インクを調製した。１－メトキシ－２－プロパノールのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、実施例４に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（実施例５）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりにプロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテートを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、実施例５に係る電極触媒インクを調製した。プロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテートのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、実施例５に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（比較例１）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりにエタノールアミンを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、比較例１に係る電極触媒インクを調製した。エタノールアミンのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、比較例１に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（比較例２）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりにプロパノールアミンを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、比較例２に係る電極触媒インクを調製した。プロパノールアミンのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、比較例２に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（比較例３）
高沸点溶媒として、２－メトキシエタノールの代わりにイソプロパノールアミンを使用したことを除き、実施例１に係る電極触媒インクの調製と同様にして、比較例３に係る電極触媒インクを調製した。イソプロパノールアミンのＨＳＰの分散項δｄ_p、ＨＳＰの極性項δｐ_p、及びＨＳＰの水素結合項δｈ_pをデータベースを参照して求めた。そのうえで、式（６）及び（７）に従って、比較例３に係る電極触媒インクにおけるＨＳＰ距離Ｒ_a1及びＨＳＰ距離Ｒ_a2を決定した。結果を表２及び図９に示す。

（比較例４）
実施例１において調製した、Ｎｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む混合物と、アルドリッチ社製のナフィオン分散溶液（製品番号：５２７０８４）と、純水と、エタノールとをサンプル管に加えて溶液を調製した。この溶液の調製において、Ｎｉ－Ｆｅ ＬＤＨ及びＮｉ粒子を含む混合物の添加量は２０ｍｇであった。ナフィオン分散溶液の添加量は９．８μＬであった。純水の添加量は０．５０ｍＬであり、エタノールの添加量は、０．５ｍＬであった。使用したエタノールは、富士フィルム和光純薬社製の試薬特級品であった。この溶液に高沸点溶媒を加えずに、超音波ホモジナイザーを用いて３０分間微細化処理を行うことによって、比較例４に係る電極触媒インクを調製した。

図９は、各実施例及び各比較例に係る電極触媒インクのＨＳＰ距離Ｒ_a1とＨＳＰ距離Ｒ_a2との関係を示すグラフである。横軸は、ＨＳＰ距離Ｒ_a1を示し、縦軸は、ＨＳＰ距離Ｒ_a2を示す。図９において、破線は、Ｒ_a2＝２．０８Ｒ_a1－１６．０を満たす直線と、Ｒ_a2＝２．０８Ｒ_a1－１３．５を満たす直線とを示す。図９に記載したとおり、実施例１から５に係る電極触媒インクでは、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係が満たされていた。

（触媒の過電圧の評価）
各実施例及び各比較例に係る電極触媒の過電圧を測定した。測定には、Princeton Applied Research社製のポテンシオスタットVersaSTAT4及びPine Research社製の回転電極AFE3T050GCを用いた。回転電極上に、各実施例及び各比較例に係る電極触媒インクを１９．６μＬ滴下した後、室温にて乾燥させることによって、各実施例及び各比較例に係る過電圧測定用の電極触媒を作製した。回転ディスク電極（ＲＤＥ）法によって、以下の測定条件で、水電解セルのアノード反応由来の電流を測定した。アノード反応は、酸素発生反応である。結果を表３に示す。

［測定条件］
・溶液：１ｍｏｌ／リットルのＫＯＨ水溶液
・電位：１．０Ｖから１．６５Ｖ（ｖｓ．可逆水素電極（ＲＨＥ））
・サイクル数：１２０サイクル
・電位掃引速度：１０ｍＶ毎秒
・電極回転速度：１５００回転毎分(ｒｐｍ)
・電極への触媒の担持量：０．２ｍｇ／ｃｍ²
・測定温度：２７℃

各実施例及び各比較例において、電流密度が１０ｍＶ／ｃｍ²となったときの電圧値から理論電圧である１．２２９Ｖを差し引いた値を過電圧と評価した。ＲＤＥ測定において、１サイクル目の過電圧の測定結果及び１２０サイクル目の過電圧の測定結果を表３に示す。実施例１から５に係る電極触媒では、１サイクル目の過電圧は、２７０ｍＶ未満であった。加えて、実施例１から５に係る電極触媒では、１２０サイクル目の過電圧は、２７０ｍＶ未満であった。実施例１から５に係る電極触媒インクを用いて作製された電極触媒は、優れた初期性能及び優れた耐久性を有していた。一方、比較例１、３、及び４に係る電極触媒では、１サイクル目の過電圧は、２７０ｍＶより大きかった。加えて、比較例１から４に係る電極触媒では、１２０サイクル目の過電圧は、２８０ｍＶより大きかった。比較例１から４に係る電極触媒は、実施例１から５に係る電極触媒に比べて、低い初期性能及び低い耐久性を有していた。

（電極触媒インクの固化物の外観の評価）
各実施例及び各比較例に係る電極触媒インクから１０μＬの量を量り取り、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜に塗布した後、室温にて乾燥させることによって、各実施例及び各比較例に係る固化物を得た。

図１０は、実施例１に係る固化物を示す写真である。図１１は、実施例５に係る固化物を示す写真である。図１２は、比較例４に係る固化物を示す写真である。図１０及び１１に示すとおり、実施例１及び５に係る固化物では、ひび割れは確認できなかった。一方、図１２に示すとおり、比較例４に係る固化物では、ひび割れが生じていた。

比較例１から３に係る固化物では、目視したときに、固化物の表面に溝のようなものが観察された。比較例１から３に係る固化物では、固化物の外側部分において、内側部分と比較して固化物が薄くなっている様子が確認された。

本開示に係る電極触媒インクは、水電解装置に利用されうる。

１、２ 電極触媒インク
３ 水電解セル
４ 水電解装置
５ アルカリ水電解セル
６ アルカリ水電解装置
１０ 触媒
１１ 有機ポリマー
１２ 溶媒
１３ 担体
２０ ＬＤＨ
２１ ホスト層
２２ ゲスト層
３０、３２ 触媒層
３１ 電解質膜
３３、３４ ガス拡散層
４０ 電圧印加器
４１ 隔膜
５０ 第一空間
６０ 第二空間
７０ 電解槽
１００、３００ アノード
２００、４００ カソード

Claims (12)

1. 層状複水酸化物を含む触媒と、
   有機ポリマーと、
   溶媒と、を含み、
   前記溶媒は、第１の溶媒、第２の溶媒、及び第３の溶媒を含み、
   前記第３の溶媒は、前記第１の溶媒の沸点及び前記第２の溶媒の沸点より高い沸点を有し、
   前記第３の溶媒と前記触媒とのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a1［ＭＰａ^1/2］と、前記第３の溶媒と前記有機ポリマーとのハンセン溶解度パラメータ距離Ｒ_a2［ＭＰａ^1/2］とは、２．０８Ｒ_a1－１６．０≦Ｒ_a2≦２．０８Ｒ_a1－１３．５の関係を満たす、
   電極触媒インク。
2. 前記層状複水酸化物は、Ｎｉ及びＦｅを含む、
   請求項１に記載の電極触媒インク。
3. 前記触媒を担持する担体をさらに含み、
   前記担体は、遷移金属を含む、
   請求項１又は２に記載の電極触媒インク。
4. 前記遷移金属は、Ｎｉを含む、
   請求項３に記載の電極触媒インク。
5. 前記有機ポリマーは、スルホン酸イオン基を有するパーフルオロカーボンポリマーを含む、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電極触媒インク。
6. 前記第３の溶媒は、２－メトキシエタノール、２－エトキシエタノール、エチレングリコールモノブチルエーテル、１－メトキシ－２－プロパノール、及びプロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテートからなる群より選ばれる少なくとも１つである、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電極触媒インク。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電極触媒インクを乾燥させることを含む、
   電極触媒の製造方法。
8. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を備える、水電解セルの製造方法であって、
   前記アノード及び前記カソードからなる群より選ばれる少なくとも１つは、請求項１から６のいずれか１項に記載の電極触媒インクの固化物を含む、
   水電解セルの製造方法。
9. 前記電解質膜は、アニオン交換膜を含む、
   請求項８に記載の水電解セルの製造方法。
10. 前記電解質膜は、カチオン交換膜を含む、
    請求項８に記載の水電解セルの製造方法。
11. 第一空間と第二空間とを隔てる隔膜と、前記第一空間に設けられたアノードと、前記第二空間に設けられたカソードと、を備える、水電解セルの製造方法であって、
    前記アノード及び前記カソードからなる群より選ばれる少なくとも１つは、請求項１から６のいずれか１項に記載の電極触媒インクの固化物を含む、
    水電解セルの製造方法。
12. 請求項８から１１のいずれか１項に記載の水電解セルの製造方法を含み、
    前記アノード及び前記カソードの間に電圧を印加する電圧印加器を前記アノード及び前記カソードに接続することと、を含む、
    水電解装置の製造方法。

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