JP7197043B1 - 水電解セルの製造方法 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract
【課題】水電解セルに用いるガス拡散層用シートを円滑に吸着保持することを可能とする水電解セルの製造方法を提供する。【解決手段】トレーに置かれたガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持して搬送する工程を含む水電解セルの製造方法であって、トレーとガス拡散層用シートとが対向する部位に外気を導入しながらガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持する。【選択図】図５
Description
本開示は水電解に用いられる水電解セルの製造方法に関する。
例えば特許文献１には、積層されたＭＥＡ用基材の中からＭＥＡ用基材を１枚ずつ吸着搬送手段により吸着保持して所定位置まで搬送し、所定位置にて組付けを行う燃料電池セルの製造装置において、搬送時に、複数枚のＭＥＡ用基材が吸着するのを抑制することが開示されている。ここで吸着を抑制する方法として、吸着面を湾曲させる、吸着搬送手段に吸着されたＭＥＡ用基材の外縁に媒体を吹き付ける、搬送すべきでないＭＥＡ用基材をＭＥＡ用基材が積層される位置に吸着させておくことが記載されている。
水電解セルに用いられるガス拡散層となるシートであるガス拡散層用シートも、自動化のために水電解セルの製造過程において吸着して搬送することが望まれるが、従来の技術ではガス拡散層用シートが置かれたトレーからこのガス拡散層用シートのみを吸い上げることが難しかった。
上記問題に鑑み本開示は、水電解セルに用いるガス拡散層用シートを円滑に吸着保持することを可能とする水電解セルの製造方法を提供することを目的とする。
発明者は、水電解セルに用いるガス拡散層用シートは平面度が良く、緻密であり、重いため、吸着治具で吸い上げようとすると当該ガス拡散層用シートと該シートが置かれたトレーとの間が負圧になるため、ガス拡散層用シートのみを適切に吸い上げることが難しい知見を得た。
発明者は、これは、ガス拡散層用シートとトレーとの間に外気が入ることができないためであると考え、ガス拡散層用シートとトレーとの間に外気を導入する手段を設けることによりこれを解決して本発明を完成させた。
発明者は、これは、ガス拡散層用シートとトレーとの間に外気が入ることができないためであると考え、ガス拡散層用シートとトレーとの間に外気を導入する手段を設けることによりこれを解決して本発明を完成させた。
本願は、トレーに置かれたガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持して搬送する工程を含む水電解セルの製造方法であって、トレーとガス拡散層用シートとが対向する部位に外気を導入しながらガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持する、水電解セルの製造方法を開示する。
外気の導入は、トレーに設けられた突起によりトレーとガス拡散層用シートとの間の空隙から行われるようにしてもよい。
外気の導入は、トレーに設けられた貫通孔により行われてもよい。
吸着保持する際には、吸着治具をガス拡散層用シートから０．１ｍｍ以上間隔を有する状態から吸引力によりガス拡散層用シートを吸い上げるようにしてもよい。
本開示によれば、水電解セルのためのガス拡散層用シートが置かれているトレーから、ガス拡散用シートのみを吸着保持するに際し、トレーとガス拡散用シートとの間に外気が入ることができ、ガス拡散層用シートのみを円滑に吸着保持することが可能となるため、工程の自動化をしても不具合が生じ難くなる。
１．水電解セルの構成
図１、図２に１つの形態にかかる水電解セル１０の構造を説明する図を示した。水電解セル１０は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、このような水分解セル１０が複数積層されて水電解スタックを構成している。図１は水電解セル１０を平面視した図、図２は図１のＡーＡ断面の一部であり水電解セル１０のうち水電解が行われる部位である水電解部１０ａにおける層構成を説明する図である。
図１、図２に１つの形態にかかる水電解セル１０の構造を説明する図を示した。水電解セル１０は純水を水素と酸素とに分解するための単位要素であり、このような水分解セル１０が複数積層されて水電解スタックを構成している。図１は水電解セル１０を平面視した図、図２は図１のＡーＡ断面の一部であり水電解セル１０のうち水電解が行われる部位である水電解部１０ａにおける層構成を説明する図である。
水電解セル１０は複数の層からなり、固体高分子電解質膜１１を挟んで一方が酸素発生極（アノード）、他方が水素発生極（カソード）となる。アノードは固体高分子電解質膜１１側からアノード触媒層１２、アノードガス拡散層１３、アノードセパレータ１４がこの順に積層されている。一方、カソードは固体高分子電解質膜１１側からカソード触媒層１５、カソードガス拡散層１６、カソードセパレータ１７をこの順に備えている。ここで、水電解膜電極接合体は、固体高分子電解質膜１１、固体高分子電解質膜１１のアノード側に配置されたアノード触媒層１２、及び、固体高分子電解質膜１１のカソード側に配置されたカソード触媒層１５の積層体を意味する。水電解膜電極接合体の厚さは０．４ｍｍ程度が典型的であり、水電解部１０ａにおける水電解セル１０の厚さは１．３ｍｍ程度が典型的である。
各層は例えば次の通りである。
各層は例えば次の通りである。
１．１．固体高分子電解質膜
固体高分子電解質膜１１はプロトン伝導性を有する膜の１つの態様である。本形態で固体高分子電解質膜１１を構成する材料（電解質）は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性（電気伝導性）を示す。より具体的にはパーフルオロ系電解質であるナフィオン（Nafion、登録商標）による膜が挙げられる。
固体高分子電解質膜１１の厚さは特に限定されることはないが、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。
固体高分子電解質膜１１はプロトン伝導性を有する膜の１つの態様である。本形態で固体高分子電解質膜１１を構成する材料（電解質）は固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂材料等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜が挙げられる。これは湿潤状態で良好なプロトン伝導性（電気伝導性）を示す。より具体的にはパーフルオロ系電解質であるナフィオン（Nafion、登録商標）による膜が挙げられる。
固体高分子電解質膜１１の厚さは特に限定されることはないが、２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。
１．２．アノード触媒層
アノード触媒層（酸素極触媒層）１２は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の貴金属触媒及びその酸化物を少なくとも１つ以上含む触媒を有する層である。触媒としてより具体的には、Ｐt、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム酸化物、又は、これらの混合物が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、酸化イリジウム(ＩｒＯ２、ＩｒＯ３)、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。
ルテニウム酸化物としては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２、Ｒｕ２Ｏ３）、ルテニウムタンタル酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムチタンセリウム酸化物等が挙げられる。
イリジウムルテニウム酸化物としては、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物等が挙げられる。
アノード触媒層（酸素極触媒層）１２は、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ等の貴金属触媒及びその酸化物を少なくとも１つ以上含む触媒を有する層である。触媒としてより具体的には、Ｐt、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、イリジウムルテニウム酸化物、又は、これらの混合物が挙げられる。
イリジウム酸化物としては、酸化イリジウム(ＩｒＯ２、ＩｒＯ３)、イリジウムスズ酸化物、イリジウムジルコニウム酸化物等が挙げられる。
ルテニウム酸化物としては、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２、Ｒｕ２Ｏ３）、ルテニウムタンタル酸化物、ルテニウムジルコニウム酸化物、ルテニウムチタン酸化物、ルテニウムチタンセリウム酸化物等が挙げられる。
イリジウムルテニウム酸化物としては、イリジウムルテニウムコバルト酸化物、イリジウムルテニウムスズ酸化物、イリジウムルテニウム鉄酸化物、イリジウムルテニウムニッケル酸化物等が挙げられる。
ここでアノード触媒層１２にはアイオノマを含んでもよい。アイオノマを含むことにより塗工性向上を図る他、その親水性により水分解の際に供給される水の透過を円滑に行うことができる。含まれるアイオノマとしては固体高分子電解質膜に用いる電解質であるパーフルオロ系電解質を含むアイオノマを挙げることができる。
１．３．アノードガス拡散層
アノードガス拡散層１３は、アノード側に配置されるガス拡散層であり、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的には金属繊維（例えばチタン繊維）または金属粒子（チタン粒子）などの焼結体からなる多孔質導電性部材等を挙げることができる。
アノードガス拡散層１３は、アノード側に配置されるガス拡散層であり、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的には金属繊維（例えばチタン繊維）または金属粒子（チタン粒子）などの焼結体からなる多孔質導電性部材等を挙げることができる。
１．４．アノードセパレータ
アノードセパレータ１４は、アノードガス拡散層１３に純水を供給するとともに水が分解して発生した酸素が流れる流路１４ａを備える部材である。
アノードセパレータ１４は、アノードガス拡散層１３に純水を供給するとともに水が分解して発生した酸素が流れる流路１４ａを備える部材である。
また、アノードセパレータ１４には、図１からわかるように、水電解部１０ａから延長して外側となる位置で、流路１４ａの一端側となる部位には水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ1、水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ２が設けられ、流路１４ａの他端側となる部位には水及び酸素出口孔Ｏ２／Ｈ２Ｏｏｕｔ、水及び水素出口孔Ｈ２／Ｈ２Ｏｏｕｔが設けられている。ここで流路１４ａは一端が水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ１に通じ、他端が水及び酸素出口孔Ｏ２／Ｈ２Ｏｏｕｔに通じている。
１．５．カソード触媒層
カソード触媒層１５に含まれる触媒は、公知の触媒を用いることができ、例えば白金、白金被覆チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、ニッケルグリオキシム等を挙げることができる。
ここでカソード触媒層１５にはアイオノマを含んでもよい。アイオノマを含むことにより塗工性向上を図ることができる。含まれるアイオノマとしては固体高分子電解質膜に用いる電解質であるパーフルオロ系電解質からなるアイオノマを挙げることができる。
カソード触媒層１５に含まれる触媒は、公知の触媒を用いることができ、例えば白金、白金被覆チタン、白金担持カーボン、パラジウム担持カーボン、コバルトグリオキシム、ニッケルグリオキシム等を挙げることができる。
ここでカソード触媒層１５にはアイオノマを含んでもよい。アイオノマを含むことにより塗工性向上を図ることができる。含まれるアイオノマとしては固体高分子電解質膜に用いる電解質であるパーフルオロ系電解質からなるアイオノマを挙げることができる。
１．６．カソードガス拡散層
カソードガス拡散層１６は、カソード側に配置されるガス拡散層であり、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。
カソードガス拡散層１６は、カソード側に配置されるガス拡散層であり、公知のものを用いることができるが、ガス透過性及び導電性を有する部材によって構成されている。具体的にはカーボンクロスやカーボンペーパー等の多孔質部材等を挙げることができる。
１．７．カソードセパレータ
カソードセパレータ１７は、水素イオンが還元されて発生した水素、及び、水素イオンが固体高分子電解質膜１１を透過するときにこれに随伴した水が流れる流路１７ａを備える部材である。
カソードセパレータ１７は、水素イオンが還元されて発生した水素、及び、水素イオンが固体高分子電解質膜１１を透過するときにこれに随伴した水が流れる流路１７ａを備える部材である。
また、カソードセパレータ１７には、図１からわかるように、水電解部１０ａから延長して外側となる位置で、流路１７ａの一端側となる部位には水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ１、水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ２が設けられ、流路１７ａの他端側となる部位には水及び酸素出口孔Ｏ２／Ｈ２Ｏｏｕｔ、水及び水素出口孔Ｈ２／Ｈ２Ｏｏｕｔが設けられている。ここで流路１７ａは一端が水入口孔Ｈ２Ｏｉｎ２に通じ、他端が水及び水素出口孔Ｈ２／Ｈ２Ｏｏｕｔに通じている。
１．８．水電解セルによる水素の生成
以上説明した水電解セル１０により次のように純水から水素及び酸素が生成される。従って、本開示の水電解セル及び水電解スタックは上記の他にも水素を生成するために必要な公知の部材や構成を備えることができる。
アノードセパレータ１４の流路１４ａからアノード（酸素発生極）に供給された純水（Ｈ２Ｏ）は、アノードとカソードとの間に通電することで、電位がかかったアノード触媒層１２で酸素、電子及びプロトン（Ｈ＋）に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜１１を通りカソード触媒層１５に移動する。一方、アノード触媒層１２で分離された電子は外部回路を通りカソード触媒層１５に達する。そして、カソード触媒層１５にてプロトンが電子を受け取り水素（Ｈ２）が発生する。発生した水素はカソードセパレータ１７に達して流路１７ａから排出される。なお、アノード触媒層１２で発生した酸素はアノードセパレータ１４に達して流路１４ａから排出される。
以上説明した水電解セル１０により次のように純水から水素及び酸素が生成される。従って、本開示の水電解セル及び水電解スタックは上記の他にも水素を生成するために必要な公知の部材や構成を備えることができる。
アノードセパレータ１４の流路１４ａからアノード（酸素発生極）に供給された純水（Ｈ２Ｏ）は、アノードとカソードとの間に通電することで、電位がかかったアノード触媒層１２で酸素、電子及びプロトン（Ｈ＋）に分解される。このときプロトンは固体高分子電解質膜１１を通りカソード触媒層１５に移動する。一方、アノード触媒層１２で分離された電子は外部回路を通りカソード触媒層１５に達する。そして、カソード触媒層１５にてプロトンが電子を受け取り水素（Ｈ２）が発生する。発生した水素はカソードセパレータ１７に達して流路１７ａから排出される。なお、アノード触媒層１２で発生した酸素はアノードセパレータ１４に達して流路１４ａから排出される。
２．水電解セルの製造方法
水電解セルは上記のように複数の層が積層されてなるが、これは例えば次のように製造される。
水電解セル１つ分の膜電極積層体（固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極触媒層、他方の面に水素極触媒層が積層された積層体）に対して、図２の配置に倣って、酸素極ガス拡散層用シートを積層することにより酸素極ガス拡散層、水素極ガス拡散層用シートを積層することにより水素極ガス拡散層を形成する。
水電解セルは上記のように複数の層が積層されてなるが、これは例えば次のように製造される。
水電解セル１つ分の膜電極積層体（固体高分子電解質膜の一方の面に酸素極触媒層、他方の面に水素極触媒層が積層された積層体）に対して、図２の配置に倣って、酸素極ガス拡散層用シートを積層することにより酸素極ガス拡散層、水素極ガス拡散層用シートを積層することにより水素極ガス拡散層を形成する。
ここで、酸素極ガス拡散層用シート、水素極ガス拡散層用シートである水分解に用いるガス拡散層用シート２０は、図３に示したように膜電極接合体に積層される前にはトレー２１に乗せられている。このトレー２１に乗せられたガス拡散層用シート２０は、吸着力によりガス拡散層用シート２０を保持可能な吸着治具が先端に具備されたロボットアーム等により吸着搬送され、膜電極接合体に積層される。
このとき、図３に示したようにトレー２１には、ガス拡散用シート２０のシート面に対向する部位に突起２２が間隔を有して複数設けられており、隣り合う突起２２の間隙に形成されるトレー２１とガス拡散層用シート２０とが対向する部位の空隙に外気を導入できるように構成されている。
このとき、図３に示したようにトレー２１には、ガス拡散用シート２０のシート面に対向する部位に突起２２が間隔を有して複数設けられており、隣り合う突起２２の間隙に形成されるトレー２１とガス拡散層用シート２０とが対向する部位の空隙に外気を導入できるように構成されている。
突起２２の数や形状は特に限定されるものではないが、突起が少ないとガス拡散層用シートを置いたときに歪みが大きくなるため、突起はある程度以上の数が配置されてた方がよい。また、ガス拡散層用シートへの傷つきを防止する観点から突起２２の先端は平坦面を有し、その縁では面取り（Ｃ面取り、Ｒ面取り）されていることが好ましい。従って柱状や凸線条の突起を挙げることができる。
さらに突起の高さも特に限定されることはないが、０．１ｍｍ～０．３ｍｍ以下程度であることが好ましい。
複数の突起２２の配列態様は特に限定されることはないが、柱状の突起が複数配置される場合は、縦横に所定の間隔を有して配列される態様や千鳥配列される態様等を挙げることができる。
さらに突起の高さも特に限定されることはないが、０．１ｍｍ～０．３ｍｍ以下程度であることが好ましい。
複数の突起２２の配列態様は特に限定されることはないが、柱状の突起が複数配置される場合は、縦横に所定の間隔を有して配列される態様や千鳥配列される態様等を挙げることができる。
ロボットアームにより吸着治具２５が移動し、図４に示したように、吸着治具２５がガス拡散用シート２０に対して間隙を有して配置される。間隙の大きさは０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。上限は特に限定されることはないが、１ｍｍ以下である。これにより吸着治具２５の衝突によるガス拡散層用シート２０への傷つきが防止される。
続いて当該間隙を有する状態から吸引治具２５が吸引力を発揮し、図５に示したようにガス拡散用シート２０を吸い上げるようにして吸引保持する。吸引保持されたガス拡散層用シート２０は、膜電極積層体に積層され、プレスされることで一体となる。これに対して、後の工程で酸素極セパレータ１４、水素極セパレータ１７を接合することで水電解セルとなる。
また、上記ではトレー２１とガス拡散層用シート２０とが対向する部位に外気を導入すつ手段として突起２２を配置したが、他の態様として図６に断面を示したように突起２２の代わりにトレー２１に複数の貫通孔２１ａが設けられていてもよい。これにより貫通孔を通じてトレー２１とガス拡散層用シート２０とが対向する部位に外気を導入することができる。
３．効果等
本開示によれば、突起の間隙、又は、貫通孔からガス拡散層用シートとトレーとの間に外気が入ることができ、ガス拡散層用シートを円滑に吸着保持することが可能となるため、工程の自動化をしても不具合が生じ難くなる。
本開示によれば、突起の間隙、又は、貫通孔からガス拡散層用シートとトレーとの間に外気が入ることができ、ガス拡散層用シートを円滑に吸着保持することが可能となるため、工程の自動化をしても不具合が生じ難くなる。
１０ 水電解セル
１１ 固体高分子電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ アノードガス拡散層（酸素発生極ガス拡散層）
１４ アノードセパレータ（酸素発生極セパレータ）
１５ カソード触媒層
１６ カソードガス拡散層（水素発生極ガス拡散層）
１７ カソードセパレータ（水素発生極セパレータ）
２０ ガス拡散層用シート
２１ トレー
２１ａ 貫通孔
２２ 突起
１１ 固体高分子電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ アノードガス拡散層（酸素発生極ガス拡散層）
１４ アノードセパレータ（酸素発生極セパレータ）
１５ カソード触媒層
１６ カソードガス拡散層（水素発生極ガス拡散層）
１７ カソードセパレータ（水素発生極セパレータ）
２０ ガス拡散層用シート
２１ トレー
２１ａ 貫通孔
２２ 突起
Claims (4)
- トレーに置かれたガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持して搬送する工程を含む水電解セルの製造方法であって、
前記トレーと前記ガス拡散層用シートとが対向する部位に外気を導入しながら前記ガス拡散層用シートを吸着治具により吸着保持する、水電解セルの製造方法。 - 前記外気の導入は、前記トレーに設けられた突起により前記トレーと前記ガス拡散層用シートとの間の空隙から行われる、請求項１に記載の水電解セルの製造方法。
- 前記外気の導入は、前記トレーに設けられた貫通孔により行われる、請求項１に記載の水電解セルの製造方法。
- 前記吸着保持する際には、前記吸着治具を前記ガス拡散層用シートから０．１ｍｍ以上間隔を有する状態から吸引力により前記ガス拡散層用シートを吸い上げる、請求項１～３のいずれか１項に記載の水電解セルの製造方法。
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