JP7230640B2 - POROUS ELECTRODE AND WATER ELECTROLYSIS CELL INCLUDING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、電解装置用電極などに好適な多孔質体電極とそれを備えた水電解セルに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a porous electrode suitable for an electrode for an electrolytic device and a water electrolysis cell having the same.
現在、脱CO2社会の達成をキーワードとして、主要なエネルギー源に水素を利用する社会の実現に向けた動きが加速している。この動きの中で、近い将来、水素が不足すると予想されており、効率良く水素を製造する技術や部材の開発が進められている。
現在、水素の製造方法として有望視されているのは、再生可能エネルギー(RE)を用いて水電解装置により水を電解する手法である。
水電解装置には、固体酸化物形水電解装置(SOEC)やアルカリ形水電解装置(PAWEM)など、いくつかの種類が存在するが、特に電解効率が良好で高純度の水素を生産可能な固体高分子形(PEM形)水電解装置が注目されている。
Currently, with the keyword of achieving a CO2 - free society, there is an accelerating movement toward realizing a society that uses hydrogen as a major energy source. In this trend, hydrogen is expected to run short in the near future, and the development of technologies and materials for efficiently producing hydrogen is underway.
At present, a method of electrolyzing water with a water electrolyzer using renewable energy (RE) is considered promising as a method for producing hydrogen.
There are several types of water electrolyzers, such as solid oxide water electrolyzers (SOEC) and alkaline water electrolyzers (PAWEM), but they have particularly good electrolysis efficiency and are capable of producing high-purity hydrogen. A solid polymer type (PEM type) water electrolysis device is attracting attention.
PEM形水電解装置の課題はアノード電極にあり、通常、PEM形水電解装置のアノード電極は多孔質体からなる。アノード電極の内部においては、原料である水と電解後に生じた酸素ガスの気液が混合した状態となるため、電解反応で生成した酸素ガスが多孔質電極の孔内に留まることでアノード電極内部の反応面に原料の水が供給されず、電解効率の低下を招く問題があった。
従って、PEM形水電解装置においてアノード電極の構造を水電解に対し最適化し、電解効率を向上させる必要がある。
A problem with the PEM type water electrolyzer lies in the anode electrode, and the anode electrode of the PEM type water electrolyzer is usually made of a porous material. Inside the anode electrode, the raw material water and oxygen gas generated after electrolysis are in a mixed state. There is a problem that the raw material water is not supplied to the reaction surface of , resulting in a decrease in electrolysis efficiency.
Therefore, it is necessary to optimize the structure of the anode electrode for water electrolysis in the PEM type water electrolyzer to improve the electrolysis efficiency.
現状、多くのアノード電極は、水電解の逆反応に相当する固体高分子形燃料電池(PEFC)の電極が代用されている。
PEFCの酸素極側では、水電解と逆反応、すなわち、酸素と水素が反応して水を生成する反応がなされている。
PEFCの電極に求められる役割は、原料である酸素ガスをスムーズに反応面に運ぶこと、そして、生成した水を原料である酸素ガスの移動の妨げにならないように速やかに排出することである。
At present, many anode electrodes are substituted with electrodes of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), which corresponds to the reverse reaction of water electrolysis.
On the oxygen electrode side of the PEFC, a reverse reaction to water electrolysis, that is, a reaction in which oxygen and hydrogen react to produce water is taking place.
The roles required of PEFC electrodes are to smoothly transport oxygen gas, the raw material, to the reaction surface, and to quickly discharge the water produced so as not to interfere with the movement of the oxygen gas, the raw material.
従来から、水を効率的に排出できるように、3次元網目構造の平板状の金属多孔体が電極として用いられており、物理量としての圧損が低いことを指標として、電極性能が評価されている(特許文献1参照)。
特許文献1には、Niを含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、Niの含有量が50質量%以上であり、厚さ0.10mm以上、0.5mm以下、気孔率55~85%の薄い金属多孔体からなる燃料電池向けの電極が開示されている。
Conventionally, a flat plate-shaped porous metal body with a three-dimensional network structure has been used as an electrode so that water can be discharged efficiently, and the electrode performance is evaluated using low pressure loss as a physical quantity as an index. (See Patent Document 1).
更に、電極からの液体の排出性を向上させるために、電極構造を改良した技術も開示されている(特許文献2、3参照)。
特許文献2には、金属焼結体の骨格により辺が構成された複数の多面体状の空隙を相互に連続形成した多面体状の空隙が連続された金属多孔質板からなり、空隙率50%以上、98%以下の金属多孔質板が記載されている。
特許文献3には、金属焼結体の骨格により辺が構成された複数の多面体状の空隙を相互に連続形成した多孔質金属積層体からなり、多孔質層と隣接層を積層してレーザーで溶融し固化させて溶融接合層を形成する技術が記載されている。
Furthermore, techniques have been disclosed in which the electrode structure is improved in order to improve the dischargeability of liquid from the electrodes (see
In
また、水電解装置のアノード向け電極として、PEFCの電極構造の技術思想を発展させる形式で水反応部までの水の圧損を低くし、水電解反応部までの水供給を行い易くした構造が提供されている(特許文献4、5参照)。
特許文献4には、第1流路を形成する流路層と、流路層より細孔を有する中間層と、中間層より細孔とされた膜支持層を有するアノード側給電体をアノード側セパレータに一体化した構成が記載されている。
特許文献5には、水電解装置における電解セルを構成し、固体電解質に圧接使用される給電体であって、エキスパンドメタルを積層して空隙率を50~95%とした圧縮弾性率5~50MPaの給電体を備えた電解セルが開示されている。
In addition, as an electrode for the anode of a water electrolysis device, a structure is provided in which the pressure loss of water up to the water reaction part is reduced by developing the technical concept of the electrode structure of PEFC, and water is easily supplied to the water electrolysis reaction part. (See
In
上述のPEM形水電解装置においてアノード電極に求められるのは、液体の水をより長時間反応面に留めるとともに、反応で生じたガスを速やかに排出できる機能である。すなわち、アノード電極において、酸素ガスの圧損は低く、液体の水の圧損は高くなる構造が求められる。 What is required of the anode electrode in the PEM-type water electrolysis apparatus described above is the function of retaining liquid water on the reaction surface for a longer period of time and the ability to quickly discharge the gas generated by the reaction. That is, in the anode electrode, a structure is required in which pressure loss of oxygen gas is low and pressure loss of liquid water is high.
しかし、特許文献1に記載された構成は、燃料電池向け電極の技術であり、液体とガスの両方の抜け性が良好な圧力損失の小さな多孔質体を提供できる技術であるので、電極に水を長く留めるという技術思想が見られない問題がある。
特許文献2に記載の技術は、複数の金属多孔質体を積層した構造であり、電極平面内にて気孔率が異なる領域を共存させ、面方向の気孔率を変量することはできるが、気孔径を変量することはできないので、液体を長く留め、ガスを早く排出する構造には対応できない問題がある。
However, the configuration described in
The technique described in
特許文献3に記載の技術は、気孔率や孔径の異なる複数の多孔質体を積層し、レーザー溶断することで孔径や気孔率の異なる層を複数有する電極を製造することは可能である。ところが、この技術では面垂直方向に気孔径や気孔率を変量することはできるが、面内方向で気孔径を変量することはできない。このため、液体を長く留め、ガスを早く排出する電極構造には対応できない問題がある。
特許文献4に記載の技術は、電極内に水と空気の圧損が両方下がるような給電体の構造を適用しているので、液体を長く留め、ガスを早く排出する電極構造には対応できない問題がある。
特許文献5に記載の技術は、電解反応面の外側に反応面まで水を流通させやすい給電体を設けているが、液体を長く留め、ガスを早く排出する電極構造には対応できない問題がある。
The technique described in
The technology described in
In the technique described in
本発明は前記の問題に鑑み創案されたものであり、その目的は、PEM形水電解装置のアノード電極用などとして好適であり、電極内に液体を流し、ガスを発生させる反応を利用する電極に適用して好適であり、液体の圧損を高く、ガスの圧損を低くすることができる金属多孔質体電極とそれを備えた水電解セルの提供を目的とする。 The present invention has been invented in view of the above-mentioned problems, and its object is suitable for use as an anode electrode of a PEM type water electrolysis device, etc., and an electrode that utilizes a reaction in which liquid is flowed into the electrode and gas is generated. It is an object of the present invention to provide a metal porous electrode and a water electrolysis cell equipped with the same, which is suitable for application to a liquid and can increase the pressure loss of a liquid and reduce the pressure loss of a gas.
(1)上記目的を達成するために本発明の一形態に係る多孔質体電極は、液体を流す方向に3次元網目構造の少なくとも奇数の導電性多孔質層が連続配置された多孔質体電極であり、 液体を流す方向に沿って特定の奇数番目の基準多孔質層とそれに隣接する偶数番目の多孔質層とそれに隣接する特定の他の奇数番目の下流側多孔質層において、前記基準多孔質層の平均気孔径が50μm以上500μm以下の範囲にあり、前記奇数番目の下流側多孔質層の平均気孔径が100μm以上600μm以下の範囲内であり、前記基準多孔質層の平均気孔径よりも前記奇数番目の下流側多孔質層の平均気孔径が大きくされるとともに、前記偶数番目の多孔質層に存在する気孔は800μm以下の範囲に分布しており、前記偶数番目の多孔質層に存在する気孔のうち、600μm超800μm以下の気孔径を有する気孔が、3%以上存在することを特徴とする。 (1) In order to achieve the above object, a porous electrode according to one aspect of the present invention is a porous electrode in which at least an odd number of conductive porous layers having a three-dimensional network structure are continuously arranged in the direction of liquid flow. In a specific odd-numbered reference porous layer, an even-numbered porous layer adjacent thereto, and a specific other odd-numbered downstream porous layer adjacent thereto along the direction of liquid flow, the reference porous layer The average pore diameter of the porous layer is in the range of 50 μm or more and 500 μm or less, and the average pore diameter of the odd-numbered downstream porous layer is in the range of 100 μm or more and 600 μm or less, and is larger than the average pore diameter of the reference porous layer. Also, the average pore diameter of the odd-numbered downstream porous layer is increased, and the pores present in the even-numbered porous layer are distributed in a range of 800 μm or less, and the even-numbered porous layer has It is characterized in that 3% or more of the existing pores have a pore diameter of more than 600 μm and 800 μm or less .
本発明者の研究により、水電解装置などに好適なアノード側の電極構造を検討したところ、電極内を流れる液体の圧損は高く、電極において発生したガスはスムーズに排出する構造が必要と考えられる。
このため、多孔質層を少なくとも奇数層設け、奇数番目の基準多孔質層と偶数番目の多孔質層と次の奇数番目の下流側多孔質層に対し、基準多孔質層の平均気孔径より、下流側の奇数番目の平均気孔径を大きくすることにより孔質体電極からのガスの排出を容易とする。
また、偶数番目の多孔質層に前記基準多孔質層の平均気孔径を下限値とした気孔が存在するので、この偶数番目の多孔質層の存在により多孔質体電極を流れる液体の圧損を気体の圧損に比べ高くすることができる。
As a result of research conducted by the present inventor, an electrode structure on the anode side suitable for a water electrolysis device was investigated. .
For this reason, at least odd-numbered porous layers are provided, and for the odd-numbered reference porous layer, the even-numbered porous layer, and the next odd-numbered downstream porous layer, the average pore diameter of the reference porous layer is By increasing the average pore size of odd-numbered pores on the downstream side, gas can be easily discharged from the porous electrode.
In addition, since the even-numbered porous layers have pores whose lower limit is the average pore diameter of the reference porous layer, the presence of the even-numbered porous layers reduces the pressure loss of the liquid flowing through the porous electrode. can be made higher than the pressure loss of
多孔質体電極の内部に液体を流すとともに、多孔質体電極の内部で発生したガスをスムーズに排出するために、奇数番目の多孔質層の平均気孔径はいずれも50μm以上600μm以下の範囲であって、基準多孔質層の平均気孔径よりも下流側多孔質層の平均気孔径が大きい必要がある。また、偶数番目の多孔質層に600μm超800μm以下の気孔径を有する気孔が分布していることにより、多孔質体電極を流れる液体の圧損を気体の圧損に比べ高くすることができる。 The average pore diameter of each odd-numbered porous layer should be in the range of 50 μm to 600 μm in order to allow the liquid to flow inside the porous electrode and to smoothly discharge the gas generated inside the porous electrode. Therefore, the average pore diameter of the downstream porous layer must be larger than the average pore diameter of the reference porous layer. In addition, since pores having a pore diameter of more than 600 μm and not more than 800 μm are distributed in the even-numbered porous layers, the pressure loss of liquid flowing through the porous electrode can be made higher than the pressure loss of gas.
(3)本発明の一形態に係る多孔質体電極は、前記下流側多孔質層の平均気孔径より、前記基準多孔質層の平均気孔径が50μm以上小さいことが好ましい。 (3) In the porous electrode according to one aspect of the present invention, it is preferable that the average pore diameter of the reference porous layer is 50 μm or more smaller than the average pore diameter of the downstream porous layer.
下流側多孔質層の平均気孔径より基準多孔質層の平均気孔径が50μm以上小さいことは、下流側多孔質層の平均気孔径が基準多孔質層の平均気孔径より50μm以上大きいことを意味する。これにより、多孔質体電極の内部において、液体が基準多孔質層から下流側多孔質層に向かって流れる場合に適度の圧損が生じ、液体が多孔質体電極の内部の反応面に適度な時間留まりつつ、かつ、スムーズに流れる。 The average pore diameter of the reference porous layer being 50 μm or more smaller than the average pore diameter of the downstream porous layer means that the average pore diameter of the downstream porous layer is 50 μm or more larger than the average pore diameter of the reference porous layer. do. As a result, when the liquid flows from the reference porous layer toward the downstream porous layer inside the porous electrode, a moderate pressure loss is generated, and the liquid stays on the reaction surface inside the porous electrode for a moderate amount of time. Holds and flows smoothly.
(4)本発明の一形態に係る多孔質体電極は、前記偶数番目の多孔質層において液体の流れる方向に沿う幅が50μm以上であり、液体の流れる方向に沿う電極全長の1/2以下かつ5mm以下であることが好ましい。
偶数番目の多孔質層の幅が50μm未満では、奇数番目の多孔質層との区別ができなくなり、奇数番目の多孔質層の間に界面として設ける偶数番目の多孔質層の性能を発揮し難くなる。また、偶数番目の多孔質層の幅が電極全長の1/2を超えると、平均気孔径を規定した奇数番目の多孔質層の割合が低くなり、反応効率が低下する。また、偶数番目の多孔質層の幅が5mmを超えると、多孔質層7の強度が弱くなり、多孔質体電極1が多孔質層7の部分において折れ易くなる問題がある。
(4) In the porous electrode according to one aspect of the present invention, the even-numbered porous layer has a width of 50 μm or more along the direction of liquid flow, and 1/2 or less of the total length of the electrode along the direction of liquid flow. And it is preferably 5 mm or less.
If the width of the even-numbered porous layer is less than 50 μm, it becomes impossible to distinguish it from the odd-numbered porous layer, and it is difficult to exhibit the performance of the even-numbered porous layer provided as an interface between the odd-numbered porous layers. Become. Further, when the width of the even-numbered porous layers exceeds 1/2 of the total length of the electrode, the ratio of the odd-numbered porous layers that define the average pore diameter becomes low, and the reaction efficiency decreases. On the other hand, if the width of the even-numbered porous layer exceeds 5 mm, the strength of the
(5)本発明の一形態に係る多孔質体電極は、前記多孔質層の気孔率が70%以上98%以下であることが好ましい。
この範囲の気孔率であれば、ガス抜け性に優れ、3次元網目構造として多孔質電極に必要な強度を得ることができ、液体に対する適度な圧損を有する多孔質体電極を提供することができる。
(5) In the porous electrode according to one aspect of the present invention, the porous layer preferably has a porosity of 70% or more and 98% or less.
If the porosity is in this range, it is possible to provide a porous electrode that is excellent in gas release, has a three-dimensional network structure and has the strength necessary for the porous electrode, and has an appropriate pressure drop against liquids. .
(6)本発明の一形態に係る多孔質体電極は、前記多孔質層が、金属多孔質焼結体からなることが好ましい。
多孔質焼結体の構成を採用した多孔質層ならば、例えば発泡剤と金属粉末の混合により発泡後、金属粉末どうしの融着により3次元網目構造を有する多孔質層を得ることができる。
(6) In the porous electrode according to one aspect of the present invention, it is preferable that the porous layer is made of a metal porous sintered body.
In the case of a porous layer adopting the structure of a porous sintered body, a porous layer having a three-dimensional network structure can be obtained by, for example, mixing a foaming agent with a metal powder to form a foam, and then fusing the metal powders together.
(7)本発明の一形態に係る水電解セルは、(1)~(6)に記載の多孔質体電極を備えた水電解セルであり、前記多孔質体電極と、該多孔質体電極に水を流す方向と直交する側の側面に順次積層された第1の触媒層と、イオン透過膜と、第2の触媒層と、対向電極を備えたことを特徴とする。 (7) A water electrolysis cell according to one aspect of the present invention is a water electrolysis cell comprising the porous electrode according to (1) to (6), wherein the porous electrode and the porous electrode It comprises a first catalyst layer, an ion permeable membrane, a second catalyst layer, and a counter electrode, which are sequentially laminated on a side surface perpendicular to the direction of water flow.
本形態による水電解セルであれば、多孔質体電極を用いて水を電解する場合、電極内の反応面において生じた酸素ガスを素早く排出して反応面に水を十分に供給できるとともに、水の圧損を適度に制御して反応面に水を適切に留めることで反応効率の高い電解ができる水電解セルを提供できる。 With the water electrolysis cell according to the present embodiment, when water is electrolyzed using a porous electrode, oxygen gas generated on the reaction surface in the electrode can be quickly discharged to sufficiently supply water to the reaction surface, and water can be supplied to the reaction surface. It is possible to provide a water electrolysis cell that can perform electrolysis with high reaction efficiency by appropriately controlling the pressure loss of the reaction surface and appropriately retaining water on the reaction surface.
本発明の一形態によれば、基準多孔質層の平均気孔径より、下流側多孔質層の平均気孔径を大きくすることで多孔質体電極からのガスの排出性を向上できる。また、偶数番目の多孔質層に基準多孔質層の平均気孔径以上の所定範囲の気孔径分布を示す複数の気孔を設けたので、この偶数番目の多孔質層の存在と、それを挟む奇数番目の多孔質層の存在の組み合わせにより、多孔質体電極を流れる液体の圧損を適度な範囲で高く調整できる。
よって、ガス排出性に優れ、電極内部の反応部に液体をスムーズに供給出来るとともに、電極内部を流れる液体を反応に必要な時間留めることができ、反応効率の良好な多孔質体電極とそれを備えた水電解セルを提供できる。
According to one aspect of the present invention, by making the average pore diameter of the downstream porous layer larger than the average pore diameter of the reference porous layer, the discharge of gas from the porous electrode can be improved. In addition, since the even-numbered porous layers are provided with a plurality of pores exhibiting a pore size distribution in a predetermined range equal to or larger than the average pore size of the reference porous layer, the existence of the even-numbered porous layers and the odd-numbered By combining the presence of the third porous layer, the pressure loss of the liquid flowing through the porous electrode can be adjusted to be high within a moderate range.
Therefore, the porous electrode has excellent gas discharge properties, can smoothly supply the liquid to the reaction part inside the electrode, and can hold the liquid flowing inside the electrode for the time necessary for the reaction, and has good reaction efficiency. It is possible to provide a water electrolysis cell equipped with
以下に本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
図1は本発明に係る第1実施形態の多孔質体電極1を備えた水電解セルAの一例を示すもので、この例の水電解セルAは、アノード側の板状の多孔質体電極1を起立させた状態で描いている。この多孔質体電極1の一側面(図1では左側面)に第1の触媒層2とイオン透過膜(固体高分子膜)3と第2の触媒層4と対向電極5が順次積層されている。水電解セルAにおいて、図示略の電源の正極側に多孔質体電極1が接続され、図示略の電源の負極側に対向電極5が接続される。
この水電解セルAは、イオン透過膜3を備えたいわゆるPEM型の水電解セルの一例を示している。
Although the present invention will be described in detail below, the present invention is not limited to the embodiments described below.
FIG. 1 shows an example of a water electrolysis cell A having a
This water electrolysis cell A is an example of a so-called PEM type water electrolysis cell provided with an ion
多孔質体電極1は、図1、図2に示す例では下側から順に第1番目(奇数番目)の基準多孔質層6と第2番目(偶数番目)の多孔質層7と第3番目(奇数番目)の下流側多孔質層8を縦方向に積層した3層構造からなる。
図1に示す水電解セルAは、電極1、5に図示略の電源から通電するとともに、基準多孔質層6の底部側から基準多孔質層6の内部に水を導入し、導入した水を基準多孔質層1、多孔質層7、下流側多孔質層8の順に流動させることで水を電解する水電解セルである。
図示略の電源から電極1、5に通電するとともに、水電解セルAにおいて、基準多孔質層6、多孔質層7、下流側多孔質層8の順に水が流れるうちに、水を電気分解することができ、生成した水素イオンをイオン透過膜3を介し対向電極5側に移動させ、多孔質体電極からなる対向電極5において水素を回収することができる。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
In the water electrolysis cell A shown in FIG. 1, the
Electricity is applied to the
多孔質体電極1は陽極とされ、H2O→2H++2e-+1/2O2で示される反応がなされ、対向電極5は陰極とされ、2H++2e-→H2↑の反応がなされ、全体で、H2O→H2+1/2O2の反応がなされる。多孔質体電極1はアノード電極、対向電極5はカソード電極とされる。
このため、多孔質体電極1において、基準多孔質層6側から水を供給すると下流側多孔質層8の上部からO2ガスが排出され、対向電極5の上部からH2が排出される。
The
Therefore, in the
以上説明の水電解を行う水電解セルAにおいて、アノード電極とされる多孔質体電極1は、内部を水が流れ、内部で酸素ガスが発生する。アノード電極の内部において水を電気分解する反応面においては、酸素ガスが存在すると、水と反応面が接触できないため、多孔質体電極1の内部から酸素ガスを速やかに排出することが望ましく、反応面に対し水を十分に供給する必要がある。
In the water electrolysis cell A that performs water electrolysis as described above, water flows through the interior of the
このため、本実施形態の多孔質体電極1は、水の流れる方向に沿って、基準多孔質層6、多孔質層7、下流側多孔質層8を順次設けた3層構造を採用し、各多孔質層の気孔径、気孔径分布、気孔率、幅などを特別な値または範囲に設定している。
基準多孔質層6、多孔質層7、下流側多孔質層8は、Ti、Ti合金、Ni、Ni合金、あるいは、Au、Ptなどの貴金属あるいはそれらの合金からなる多孔質層からなる。基準多孔質層6、多孔質層7、下流側多孔質層8はこれら材料の他、導電性の炭素系材料から構成されていても良い。
基準多孔質層6、多孔質層7、下流側多孔質層8は、一例として、これらの材料から構成された平板状の多孔質焼結体からなり、内部は3次元網目構造とされている。
基準多孔質層(奇数番目の多孔質層)6は、一例として、平均気孔径が50~600μmの範囲内で所定の平均気孔径を有する多孔質層である。例えば、平均気孔径50μmあるいは100μmなどの3次元網目構造を有する多孔質焼結体からなる。
For this reason, the
The reference
The reference
The reference porous layer (odd-numbered porous layer) 6 is, for example, a porous layer having a predetermined average pore size within the range of 50 to 600 μm. For example, it is made of a porous sintered body having a three-dimensional network structure with an average pore diameter of 50 μm or 100 μm.
ここでの平均気孔径とは、以下の方法で求めた値とする。
まず、測定対象の多孔質層にX線透視測定(装置名:SMX1000、SIMAZU株式会社製)を行い、解析ソフト(VG studio max 3.2)を用いて、多孔質層の0.1mm間隔毎に撮影した複数の3次元画像データを得る。例えば、短冊板状の多孔質層である場合、板厚方向に複数の断層面を想定し、多孔質層の長さ方向一端から他端までX線により解析することができる。
このようにして得た必要枚数の3次元画像データを別の解析ソフト(WinROOF Ver 7.0、三谷商事株式会社製)を用い、断面画像に対して金属部と空隙部で2値化処理を行い、この2値化処理した画像から気孔径を見積もり、気孔径の平均値を算出することで平均気孔径を求めることができる。
Let the average pore diameter here be the value calculated|required by the following method.
First, the porous layer to be measured is subjected to X-ray fluoroscopic measurement (device name: SMX1000, manufactured by SIMAZU Co., Ltd.), and using analysis software (VG studio max 3.2), the porous layer is photographed at intervals of 0.1 mm. A plurality of three-dimensional image data are obtained. For example, in the case of a strip-shaped porous layer, it is possible to assume a plurality of tomographic planes in the plate thickness direction and analyze the porous layer from one end to the other in the length direction by X-rays.
Using another analysis software (WinROOF Ver 7.0, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.), the required number of 3D image data obtained in this way is binarized for the metal part and the void part for the cross-sectional image. The average pore diameter can be obtained by estimating the pore diameter from the binarized image and calculating the average value of the pore diameters.
下流側多孔質層(奇数番目の多孔質層)8は、一例として、平均気孔径が50~600μmの範囲内で所定の平均気孔径を有する多孔質層である。例えば、平均気孔径500μmあるいは600μmなどの3次元網目構造を有する多孔質焼結体からなる。ただし、下流側多孔質層8の平均気孔径は、基準多孔質層6の平均気孔径より、50μm以上大きいことが好ましい。換言すると、基準多孔質層6の平均気孔径は、下流側多孔質層8の平均気孔径より50μm以上小さいことが好ましい。
下流側多孔質層8を構成する材料は、基準多孔質層6を構成する材料と同一の材料からなる。例えば、基準多孔質層6と下流側多孔質層8はTiまたはTi合金の多孔質焼結体からなる。
The downstream porous layer (odd-numbered porous layer) 8 is, for example, a porous layer having a predetermined average pore size within the range of 50 to 600 μm. For example, it is made of a porous sintered body having a three-dimensional network structure with an average pore diameter of 500 μm or 600 μm. However, the average pore diameter of the downstream
The material forming the downstream
基準多孔質層6と下流側多孔質層8の平均気孔径は、50~600μmの範囲であることが好ましいが、平均気孔径が50μm未満では、気孔が小さすぎて生成した酸素ガスのガス抜け性が悪くなる。これらの平均気孔径が600μmを超える値では、電極としての導電パスが少なすぎて、第1の触媒層2を有効に利用することができない。このため、水電解セルAを構成した場合に電解効率が低下する問題がある。
ただし、上述したように、下流側多孔質層8の平均気孔径は基準多孔質層6の平均気孔径より50μm以上大きいことが好ましい。
これにより、多孔質体電極1の内部において、液体を基準多孔質層6から下流側多孔質層8に向かって流す場合に適度の圧損を生じ、液体を多孔質体電極1の反応面に適度な時間留まりつつ、かつ、スムーズに流すことができる。
The average pore diameter of the reference
However, as described above, the average pore diameter of the downstream
As a result, when the liquid is caused to flow from the reference
偶数番目の多孔質層7は、基準多孔質層6および下流側多孔質層8を構成する材料と同一材料からなり、3次元網目構造を有する。さらに、基準多孔質層6の平均気孔径より大きい気孔径であって、多孔質層7に含まれる気孔が所定の範囲の気孔径分布を有する多孔質焼結体から多孔質層7が形成されている。
偶数番目の多孔質層7において、気孔径分布の範囲は、2000μm以下が好ましく、1000μm以下がより好ましい。
多孔質層7の気孔径分布の上限が2000μmを超えるようであると、多孔質層7の強度が弱くなり、多孔質体電極1が多孔質層7の部分において折れ易くなる問題がある。
多孔質層7においては、平均気孔径50μm以上500μm以下の範囲の気孔と、平均気孔径100μm以上600μm以下の範囲の気孔に加え、平均気孔径600μm超2000μm以下の範囲の気孔が含まれていてもよい。
The even-numbered
In the even-numbered
If the upper limit of the pore size distribution of the
The
多孔質層7の気孔径分布は例えば、800μm以下などである。この場合、200μm以下の範囲の気孔が40%以上60%以下程度、200μm超600μm以下の範囲の気孔が35%以上55%以下程度、600μm超800μm以下の範囲の気孔が3%以上10%以下程度含まれている状態を例示できるがこの範囲に限るものではない。以上説明の気孔径分布において%は気孔の個数割合を示す。
600μm超800μm以下の範囲の気孔が3%未満となると、多孔質層7が基準多孔質層6や下流側多孔質層8と区別がつかなくなり、多孔質層7が液体の圧損を調整する機能を生じ難くなる。
The pore size distribution of the
When the pores in the range of more than 600 μm and 800 μm or less are less than 3%, the
多孔質層7の幅(多孔質体電極1の内部を流れる液体の流れ方向に沿う幅:図1では多孔質体電極1の高さ方向に沿う厚さ)は、50μm以上、多孔質体電極1の全長(液体の流れ方向に沿う全長)の1/2以下かつ5mm以下であることが好ましい。なお、多孔質体電極1の全長は、液体の流れ方向に沿って10mm以上は必要であり、10mm未満では水電解電極として性能を確保することができなくなるため、多孔質層7の最大は5mm以下と判断した。
多孔質層7の幅が50μm未満では他の多孔質層6、8と区別がつかなくなり、多孔質層7が液体の圧損を調整する機能を生じ難くなる。また、多孔質層7の幅が1/2を超えるようでは平均気孔径を規定した奇数番目の多孔質層の割合が低くなり、反応効率が低下する。また5mmを超えると多孔質層7の強度が弱くなり、多孔質体電極1が多孔質層7の部分において折れ易くなる問題がある。
The width of the porous layer 7 (the width along the flow direction of the liquid flowing inside the porous electrode 1: the thickness along the height direction of the
If the width of the
基準多孔質層6、偶数番目の多孔質層7、下流側多孔質層8の気孔率は、いずれも、70%以上、98%以下であることが好ましい。気孔率が70%未満であると、多孔質体電極1としてのガス抜け性が悪くなり、98%を超える気孔率では多孔質層自身の強度が不足し、多孔質体電極1として必要な強度が得られない。
The porosity of the reference
「多孔質体電極1の製造方法」
以下、多孔質体電極1を多孔質チタン焼結体から構成する場合の製造方法の一例について、説明する。
(スラリー作製工程)
スラリー作製工程では、チタン粉末、水素化チタン粉末、またはこれらの混合粉末に、有機バインダー、発泡剤、可塑剤、水及び必要に応じて界面活性剤を混合して発泡性のスラリーを作製する。原料粉末として、例えば、平均粒径0.5~30μmの純チタン粉末の混合粉末を用いることができる。
上記の混合粉末を結合させる有機バインダーとして、水溶性のメチルセルロースまたはポリビニルアルコールを用いることができる。発泡剤として、ネオペンタン、ヘキサンおよびペプタンを用いることができる。そして、可塑剤として、グリセリンを用い、界面活性剤として、アルキルベンゼンスルホン酸塩を用いることができる。
例えば、混合粉末と有機バインダーと発泡剤と可塑剤と界面活性剤と水を混合してスラリーを作製する。この場合、発泡剤は0.1~5質量%程度添加することができる。
"Manufacturing method of
An example of a manufacturing method for forming the
(Slurry preparation process)
In the slurry preparation step, titanium powder, titanium hydride powder, or a mixed powder thereof is mixed with an organic binder, a foaming agent, a plasticizer, water and, if necessary, a surfactant to prepare foamable slurry. As the raw material powder, for example, a mixed powder of pure titanium powder having an average particle size of 0.5 to 30 μm can be used.
Water-soluble methyl cellulose or polyvinyl alcohol can be used as an organic binder for binding the mixed powder. Neopentane, hexane and heptane can be used as blowing agents. Glycerin can be used as the plasticizer, and alkylbenzenesulfonate can be used as the surfactant.
For example, a mixed powder, an organic binder, a foaming agent, a plasticizer, a surfactant, and water are mixed to prepare a slurry. In this case, the foaming agent can be added in an amount of about 0.1 to 5% by mass.
バインダー(水溶性樹脂結合剤)としては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースアンモニウム、エチルセルロース、ポリビニルアルコールなどを使用することができる。
発泡剤は、ガスを発生してスラリーに気泡を形成できるものであればよく、揮発性有機溶剤、例えば、ペンタン、ネオペンタン、ヘキサン、イソヘキサン、イソペプタン、ベンゼン、オクタン、トルエンなどの炭素数5~8の非水溶性炭化水素系有機溶剤を使用することができる。
界面活性剤としては、アルキルベンゼンスルホン酸塩、α‐オレフィンスルホン酸塩、アルキル流酸エステル塩、アルキルエーテル硫酸エステル塩、アルカンスルホン酸塩等のアニオン界面活性剤、ポリエチレングリコール誘導体、多価アルコール誘導体などの非イオン性界面活性剤および両性界面活性剤などを使用することができる。
As the binder (water-soluble resin binder), methylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, carboxymethylcellulose ammonium, ethylcellulose, polyvinyl alcohol and the like can be used.
The foaming agent may be any one that can generate gas to form bubbles in the slurry, and is a volatile organic solvent such as pentane, neopentane, hexane, isohexane, isopeptane, benzene, octane, toluene, etc., having 5 to 8 carbon atoms. of water-insoluble hydrocarbon organic solvents can be used.
Examples of surfactants include anionic surfactants such as alkylbenzenesulfonates, α-olefinsulfonates, alkyl sulfates, alkyl ether sulfates, and alkanesulfonates, polyethylene glycol derivatives, polyhydric alcohol derivatives, and the like. of nonionic surfactants and amphoteric surfactants can be used.
可塑剤は、スラリーを成形して得られる成形体に可塑性を付与するために添加され、例えばエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリンなどの多価アルコール、鰯油、菜種油、オリーブ油などの油脂、石油エーテルなどのエーテル類、フタル酸ジエチル、フタル酸ジNブチル、フタル酸ジエチルヘキシル、フタル酸ジオクチル、ソルビタンモノオレート、ソルビタントリオレート、ソルビタンパルミテート、ソルビタンステアレートなどのエステル等を使用することができる。 Plasticizers are added to impart plasticity to molded bodies obtained by molding slurries. and esters such as diethyl phthalate, di-N-butyl phthalate, diethylhexyl phthalate, dioctyl phthalate, sorbitan monooleate, sorbitan trioleate, sorbitan palmitate and sorbitan stearate.
(シート成形工程)
次に、これらのスラリーから発泡性のシート状成形体を成形する。ここで成形工程、発泡工程は、公知のドクターブレード装置を利用したシート成形機を用いて成形できる。
シート成形機は、例えば、搬送ローラによって駆動され、無限軌道を構成するキャリアシートと、このキャリアシート上に設置されてスラリーが貯留されるスラリー貯留部と、この貯留部の下流側のキャリアシート上に配置されたドクターブレードと、発泡槽と、乾燥室とを備える。
(Sheet forming process)
Next, these slurries are molded into a foamable sheet-like molding. Here, the molding process and the foaming process can be performed using a sheet molding machine using a known doctor blade device.
The sheet forming machine includes, for example, a carrier sheet that is driven by a conveying roller and that forms an endless track, a slurry storage section that is installed on the carrier sheet to store slurry, and a carrier sheet on the downstream side of the storage section. a doctor blade, a foaming bath, and a drying chamber.
成形工程では、シート成形機を用いて、スラリー貯留部からキャリアシート上にスラリーを供給し、ドクターブレードによってキャリアシート上のスラリーの厚さを所定値に調整してシート状スラリーを製造する。
このシート状スラリーを製造する場合、スラリー貯留部を2基、キャリアシートの幅方向に隣接させて設けておき、一方のスラリー貯留部に基準多孔質層6を形成するためのスラリーを収容し、他方のスラリー貯留部に下流側多孔質層8を形成するためのスラリーを収容しておく。
In the forming step, a sheet forming machine is used to supply slurry from a slurry reservoir onto a carrier sheet, and a doctor blade adjusts the thickness of the slurry on the carrier sheet to a predetermined value to produce a sheet-like slurry.
When this sheet-shaped slurry is produced, two slurry reservoirs are provided adjacent to each other in the width direction of the carrier sheet, and slurry for forming the reference
2基のスラリー貯留部から、キャリアシート上に同時に2種類のスラリーを隣接させて供給し、2種類のスラリーをそれぞれドクターブレードでシート状に加工すると、2つの隣接したスラリーが境界部分で混じり合い、境界部分に混合層を形成できる。後の工程において、一方のシート状スラリーから基準多孔質層6を形成し、他方のシート状スラリーから下流側多孔質層8を生成し、混合層の部分から多孔質層7を形成する。
When two types of slurry are simultaneously supplied onto a carrier sheet from two slurry reservoirs so as to be adjacent to each other, and each of the two types of slurry is processed into a sheet by a doctor blade, the two adjacent slurries are mixed at the boundary. , can form a mixed layer at the boundary. In subsequent steps, the reference
発泡工程において、シート状スラリー全体をキャリアシートごと発泡槽内に挿入し、例えば、温度70℃、湿度90%程度で必要時間保持し、乾燥室内で温風を送風して温風乾燥させる。この発泡工程によって、シート状スラリー中の発泡剤が発泡して、三次元網目構造を有するとともに、この網目構造の骨格部分にチタン粉末が位置した発泡成形体を作製できる。 In the foaming process, the entire sheet-like slurry is inserted into a foaming tank together with the carrier sheet, and is maintained at, for example, a temperature of 70° C. and a humidity of about 90% for a required period of time, and hot air is blown into the drying chamber to dry it. By this foaming step, the foaming agent in the sheet-like slurry is foamed to produce a foamed molded product having a three-dimensional network structure and titanium powder located in the skeleton portion of this network structure.
キャリアシートから発泡成形体を取り出し、脱脂炉等で乾燥させた後、真空雰囲気中などで700~1300℃に加熱保持すると、3次元網目構造の骨格部分に位置するチタン粉末同士を焼結できることによって、3次元網目構造を有する導電性のシート状成形体を得ることができる。
このシート状成形体において、一方のスラリー貯留部から排出したスラリーを元として基準多孔質層6を形成でき、他方のスラリー貯留部から排出したスラリーを元として下流側多孔質層8を形成でき、両方のスラリーを混合させた境界部分に偶数番目の多孔質層7を形成できる。
このシート状成形体において、境界部分の多孔質層とその幅方向両側のシート状部分を含めて必要な幅、長さの板状に切り出すことで図2に示す3層構造の板状の多孔質体電極1を得ることができる。
After removing the foamed molded body from the carrier sheet and drying it in a degreasing furnace or the like, it is heated and held at 700 to 1300° C. in a vacuum atmosphere or the like. , a conductive sheet-like molded article having a three-dimensional network structure can be obtained.
In this sheet-like formed body, the reference
In this sheet-like molding, a plate-like porous layer having a three-layer structure shown in FIG. A
以上説明の多孔質体電極1を備えた水電解セルAは、電極1、5に図示略の電源から通電するとともに、基準多孔質層6の底部側から基準多孔質層6の内部に水を導入し、導入した水を基準多孔質層1、多孔質層7、下流側多孔質層8の順に流動させることで水を電解することができる。そして、対向電極5側から水素を回収することができる。
多孔質体電極1の内部を水が流れる場合、水は基準多孔質層6を最初に流れるが、基準多孔質層6の平均気孔径は、50μm以上500μm以下の範囲に形成されているので、水をスムーズに流すことができ、酸素ガスの排出性についても問題がない。
また、基準多孔質層6の平均気孔径よりも下流側多孔質層8の平均気孔径を50μm以上大きくしているので、これらの層で発生した酸素ガスの排出性に優れる。
更に、偶数番目の多孔質層7に気孔径分布2000μm以下の範囲の気孔を設けていることにより、基準多孔質層6から下流側多孔質層8に水が移動する場合、水に対する適度の圧損を生じさせるとともに、ガスに対する圧損を小さく保てる。
この効果については、偶数番目の多孔質層7に、基準多孔質層6由来の平均気孔径50μm以上500μm以下の範囲の気孔と、下流側多孔質層8由来の平均気孔径100μm以上600μm以下の範囲の気孔に加え、両層のスラリーが混合したことにより生じる平均気孔径600μm超2000μm以下の範囲の大きな気孔が含まれていることにより、より良好に発揮される。
In the water electrolysis cell A equipped with the
When water flows inside the
In addition, since the average pore diameter of the downstream
Furthermore, since the even-numbered
Regarding this effect, the even-numbered
偶数番目の多孔質層の幅を50μm以上、液体の流れ方向電極全長の1/2以下、かつ、5mm以下としているので、水の流れと酸素ガスの排出性に影響する偶数番目の多孔質層の幅を好適な範囲とすることができ、偶数番目の多孔質層の存在により水に対する適度の圧損発生と、酸素ガスに対する低い圧損を発現できる。
また、偶数番目の多孔質層7の幅を電極全長の1/2以下かつ5mm以下としているので、平均気孔径を規定した奇数番目の多孔質層6、8の電極全体に占める割合を十分に確保することができ、電極として良好な反応効率で電解ができる。また、電極に必要な強度も確保できる。
The even-numbered porous layers have a width of 50 µm or more, 1/2 or less of the total length of the electrode in the liquid flow direction, and 5 mm or less. can be set within a suitable range, and the presence of the even-numbered porous layers can produce a moderate pressure drop against water and a low pressure drop against oxygen gas.
In addition, since the width of the even-numbered
「第2実施形態」
図4は本発明に係る多孔質体電極の第2実施形態を示す。
この第2実施形態の多孔質電極11は、第1番目の多孔質層6と第2番目の多孔質層7と第3番目の多孔質層8と第4番目の多孔質層9と第5番目の多孔質層10が連続形成された5層構造の電極である。
この第2実施形態のように、奇数番目の多孔質層を3層設け、偶数番目の多孔質層を2層設けた5層構造を採用しても良い。
"Second Embodiment"
FIG. 4 shows a second embodiment of the porous electrode according to the present invention.
The
As in the second embodiment, a five-layer structure in which three odd-numbered porous layers and two even-numbered porous layers are provided may be employed.
奇数番目の多孔質層を3層設けた場合であっても、多孔質層6、8、10の平均気孔径は、50μm~600μmの範囲になるように、順次大きく形成されていることが好ましい。例えば、第1番目(奇数番目)の多孔質層6の平均気孔径を100μm、第3番目(奇数番目)の多孔質層8の平均気孔径を300μm、第5番目(奇数番目)の多孔質層10の平均気孔径を600μmなどのように設定することができる。
また、この構造において、第1番目の多孔質層6の平均気孔径を第3番目の多孔質層8の平均気孔径よりも50μm以上小さく、第3番目の多孔質層8を第5番目の多孔質層10の平均気孔径よりも50μm以上小さくすることが好ましい。
第2番目の多孔質層7と第4番目の多孔質層9はいずれも偶数番目の多孔質層であるため、気孔径分布を2000μm以下の範囲の気孔径分布とすることが好ましい。
更に、第2番目の多孔質層7と第4番目の多孔質層9はいずれも幅50μm以上であり、幅5mm以下とすることが好ましい。
Even when three odd-numbered porous layers are provided, the average pore diameters of the
Further, in this structure, the average pore diameter of the first
Since both the second
Further, both the second
第2実施形態の多孔質体電極11にあっても、奇数番目の多孔質層6、8、10の平均気孔径の関係は第1実施形態の構造の場合と同様であり、偶数番目の多孔質層7、9の気孔径分布は第1実施形態の構造の場合と同様である。また、奇数番目の多孔質層6、8、10と偶数番目の多孔質層7、9の関係も第1実施形態の構造の場合と同様である。
In the
このため、第2実施形態の多孔質体電極11にあっても、第1実施形態の多孔質体電極Aと同様に、迅速な酸素ガスの排出と水が流れる場合の適度な圧損の発生により、水電解効率の良い水電解セルを構成できる。
Therefore, even in the
なお、第1実施形態と第2実施形態において示したように、奇数番目の多孔質層を2層あるいは3層ではなく、4層以上設けても良く、偶数番目の多孔質層を1層あるいは2層ではなく、3層以上設けても差し支えなく、設ける層数に制限はない。
ただし、奇数番目の多孔質層の間に偶数番目の多孔質層を設ける関係から、多孔質体電極の全体を構成する多孔質層の層数は奇数とすることが好ましい。
As shown in the first and second embodiments, four or more odd-numbered porous layers may be provided instead of two or three, and one or more even-numbered porous layers may be provided. Instead of two layers, three or more layers may be provided, and the number of layers to be provided is not limited.
However, since even-numbered porous layers are provided between odd-numbered porous layers, the number of porous layers constituting the entire porous electrode is preferably an odd number.
平均粒径20μmのチタン粉末(60質量%)に発泡剤と有機バインダーと多価アルコールの可塑剤と界面活性剤を合計2質量%混合し、残部水の組成を有する第1のスラリーを作製した。
平均粒径20μmのチタン粉末(50質量%)に発泡剤と有機バインダーと多価アルコールの可塑剤と界面活性剤を合計2質量%混合し、残部水の組成を有する第2のスラリーを作製した。
A total of 2% by mass of a foaming agent, an organic binder, a polyhydric alcohol plasticizer, and a surfactant were mixed with titanium powder (60% by mass) having an average particle size of 20 μm to prepare a first slurry having a composition of the balance being water. .
A total of 2% by mass of a foaming agent, an organic binder, a polyhydric alcohol plasticizer, and a surfactant were mixed with titanium powder (50% by mass) having an average particle size of 20 μm to prepare a second slurry having a composition of the balance being water. .
第1のスラリーと第2のスラリーをシート成形機のキャリアシート上にキャリアシートの走行方向に向かって左右に隣接するように供給し、キャリアシートの幅方向一側に第1のスラリーからなる第1のシート状スラリーをキャリアシートの幅方向他側に第2のスラリーからなる第2のシート状スラリーを形成した。キャリアシート上において第1のシート状スラリーと第2のシート状スラリーは境界部分で混じり合い、混合層を形成した。
第1のシート状スラリーと混合層と第2のシート状スラリーが一体となったシートを発泡槽内で湿度:75~95%、温度:30~40℃、滞留時間10~20分の条件で発泡させ、引き続き乾燥室内で乾燥させた。この発泡工程で発泡剤が発泡し、3次元網目構造を有するとともに、網目構造の骨格部分にチタン粉末が位置したグリーンシート(発泡成形体)を得た。
A first slurry and a second slurry are supplied onto a carrier sheet of a sheet forming machine so as to be adjacent to each other in the running direction of the carrier sheet, and a first slurry comprising the first slurry is supplied to one side in the width direction of the carrier sheet. A second slurry sheet was formed on the other side of the carrier sheet in the width direction. On the carrier sheet, the first sheet-like slurry and the second sheet-like slurry were mixed at the boundary portion to form a mixed layer.
A sheet in which the first sheet-like slurry, the mixed layer, and the second sheet-like slurry are integrated is placed in a foaming tank under the conditions of humidity: 75 to 95%, temperature: 30 to 40°C, and residence time of 10 to 20 minutes. It was foamed and subsequently dried in a drying cabinet. In this foaming step, the foaming agent was foamed to obtain a green sheet (foam molding) having a three-dimensional network structure and titanium powder located in the skeleton portion of the network structure.
このグリーンシートを1150℃に加熱保持し、3次元網目構造の骨格部分に存在するチタン粉末どうしを焼結することにより、チタンからなる3次元網目構造を有する導電性のシート状成形体を得た。
このシート状成形体において、第1のスラリーから形成した部分を第1番目の多孔質層(基準多孔質層)、混合層から形成した部分を第2番目(偶数番目)の多孔質層、第2のスラリーから形成した部分を第3番目(下流側奇数番目)の多孔質層とした。
このシート状成形体から3つの多孔質層を含むように縦55mm、横38mmの短冊状に裁断し、多孔質体電極を得た。この多孔質体電極の厚さは0.1mmであった。
This green sheet was heated and held at 1150° C. to sinter the titanium powder present in the skeleton portion of the three-dimensional network structure, thereby obtaining an electrically conductive sheet-like compact having a three-dimensional network structure made of titanium. .
In this sheet-shaped formed body, the portion formed from the first slurry is the first porous layer (reference porous layer), the portion formed from the mixed layer is the second (even-numbered) porous layer, and the portion formed from the mixed layer is the second porous layer. The portion formed from the slurry of No. 2 was used as the third (downstream odd-numbered) porous layer.
This sheet-like compact was cut into strips having a length of 55 mm and a width of 38 mm so as to include three porous layers, thereby obtaining a porous electrode. The thickness of this porous electrode was 0.1 mm.
この多孔質体電極の第1番目の多孔質層と第2番目の多孔質層と第3番目の多孔質層について、それぞれ、各層の厚さ方向に複数の断面位置でX線透視測定(装置名:SMX1000、SIMAZU株式会社製)を行い、解析ソフト(VG studio max 3.2)を用いて、多孔質体電極の3次元画像データを得た。
各3次元画像データを別の解析ソフト(WinROOF Ver 7.0、三谷商事株式会社製)を用い、厚さ方向に複数の仮想断面を採取した各断面画像に対して金属部と空隙部で2値化処理を行い、この値から気孔径を見積もり、平均値を算出することで第1番目の多孔質層と第3番目の多孔質層の平均気孔径を求めた。
For the first porous layer, the second porous layer, and the third porous layer of this porous electrode, X-ray fluoroscopic measurement (apparatus Name: SMX1000, manufactured by SIMAZU Corporation) was performed, and three-dimensional image data of the porous electrode was obtained using analysis software (VG studio max 3.2).
Using separate analysis software (WinROOF Ver 7.0, manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.) for each 3D image data, binarize the metal part and the void part for each cross-sectional image obtained by collecting multiple virtual cross-sections in the thickness direction. The average pore diameters of the first porous layer and the third porous layer were obtained by performing the treatment, estimating the pore diameter from this value, and calculating the average value.
第2番目の多孔質層は、第1のスラリーと第2のスラリーの混合層から形成されたものであり、各スラリーに含まれている膨張剤が混合されて異常膨張などを起こし、形成されている気孔径が広い範囲に分布した。第2の多孔質層については平均気孔径ではなく、気孔径の分布を求めた。
測定の結果、第1の多孔質層の平均気孔径は50μm、第3の多孔質層の平均気孔径は600μm、第2の多孔質層の気孔径は800μm以下の範囲に分布していた。
この多孔質体電極を実施例1の試料として、水を透過させ、水流速を測定する試験を行った。実施例1の試料について、空気を透過させ、空気流速を測定する試験を行った。
圧力損失は、一方向からマスフローメーターで流量を制御した25℃の流体(空気・水)を流すことが可能な直方体形状の筒に、短冊状多孔質体電極を設置し、電極前後の差圧を測定して求めた。
The second porous layer is formed from a mixed layer of the first slurry and the second slurry, and the expansion agent contained in each slurry is mixed to cause abnormal expansion, etc., and is formed. The pore diameters were distributed over a wide range. For the second porous layer, the pore size distribution was obtained instead of the average pore size.
As a result of measurement, the average pore diameter of the first porous layer was 50 μm, the average pore diameter of the third porous layer was 600 μm, and the pore diameter of the second porous layer was 800 μm or less.
Using this porous electrode as a sample of Example 1, a test was conducted in which water was allowed to permeate and the water flow rate was measured. The sample of Example 1 was subjected to a test to transmit air and measure the air flow velocity.
The pressure loss was measured by placing a strip-shaped porous electrode in a cuboid-shaped cylinder that allows fluid (air/water) at 25°C to flow from one direction and controlling the flow rate with a mass flow meter. was obtained by measuring
次に、比較のために、第1の多孔質層を形成した場合に使用したスラリーのみを用いて平均気孔径50μmの短冊状多孔質体電極(縦55mm、横38mm、厚さ0.1mm)を得、この多孔質体電極を比較例1の試料とした。
次に、比較のために、第3の多孔質層を形成した場合に使用したスラリーのみを用いて平均気孔径600μmの短冊状多孔質体電極(縦55mm、横38mm、厚さ0.1mm)を得、この多孔質体電極を比較例2の試料とした。
これらの比較例1、2を用い、先の実施例1の試料で行った水透過試験における圧損比と空気透過試験における圧損比を測定した。
試験条件1では、水流速0.6m/s、空気流速30m/sを採用し、試験条件2では、水流速0.8m/s、空気流速40m/sを採用した。
Next, for comparison, strip-shaped porous electrodes (length 55 mm, width 38 mm, thickness 0.1 mm) having an average pore diameter of 50 μm were prepared using only the slurry used when forming the first porous layer. This porous electrode was used as a sample of Comparative Example 1.
Next, for comparison, strip-shaped porous electrodes (length 55 mm, width 38 mm, thickness 0.1 mm) having an average pore diameter of 600 μm were prepared using only the slurry used when forming the third porous layer. This porous electrode was used as a sample of Comparative Example 2.
Using these Comparative Examples 1 and 2, the pressure loss ratio in the water permeation test and the pressure loss ratio in the air permeation test performed on the sample of Example 1 were measured.
実施例1、比較例1、比較例2の各試料について、(水の圧力損失/空気の圧力損失)の値を以下の表1に対比して示す。 The values of (pressure loss of water/pressure loss of air) for each sample of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are shown in Table 1 below.
表1に示す結果から明かなように、第1番目の多孔質層の平均気孔径50μm、第2番目の多孔質層の気孔径分布800μm以下、第3番目の多孔質層の平均気孔径600μmの実施例1は、(水の圧力損失/空気の圧力損失)の値が比較例1、2よりも大きかった。表1に示す比率が大きいということは、水の圧力損失が大きいか、空気の圧力損失が小さいことを意味する。
従って、実施例1の多孔質体電極であるならば、比較例1、2の多孔質体電極に対比し、水の圧力損失が大きく、空気の圧力損失が小さいと見積もることができるので、図1に示す水電解装置用の多孔質体電極として好適であり、反応効率の良好な水電解装置を提供できる。
As is clear from the results shown in Table 1, the average pore diameter of the first porous layer was 50 µm, the pore diameter distribution of the second porous layer was 800 µm or less, and the average pore diameter of the third porous layer was 600 µm. In Example 1, the value of (pressure loss of water/pressure loss of air) was larger than those of Comparative Examples 1 and 2. A large ratio shown in Table 1 means that the pressure loss of water is large or the pressure loss of air is small.
Therefore, in the porous electrode of Example 1, it can be estimated that the pressure loss of water is large and the pressure loss of air is small compared to the porous electrodes of Comparative Examples 1 and 2. 1, and can provide a water electrolysis device with good reaction efficiency.
なお、実施例1の多孔質体電極について、偶数番目の多孔質層の気孔分布は800μm以下であったが、200μm以下の気孔割合と、200μm超~600μm以下の気孔割合と、600μm超~800μm以下の気孔割合を測定した。
その結果、200μm以下の気孔割合は50%、200μm超~600μm以下の気孔割合は45%、600μm超~800μm以下の気孔割合は5%であった。
Regarding the porous electrode of Example 1, the pore distribution of the even-numbered porous layer was 800 μm or less, but the ratio of pores of 200 μm or less, the ratio of pores of more than 200 μm to 600 μm, and the ratio of pores of more than 600 μm to 800 μm The following pore ratios were measured.
As a result, the ratio of pores of 200 μm or less was 50%, the ratio of pores of more than 200 μm to 600 μm or less was 45%, and the ratio of pores of more than 600 μm to 800 μm or less was 5%.
図5は実施例1の多孔質体電極について、X線解析により2値化処理した後のデータ解析例を示す写真である。
図5に示す短冊状多孔質体電極の下半分側に平均気孔径50μmの多孔質層が形成され、図5の上半分側に平均気孔径600μmの多孔質層が形成され、両層の境界部分に偶数番目の多孔質層が形成されている状態が描かれている。
図6に示す短冊状多孔質電極体は全体が平均気孔径50μmの気孔を有する電極体であることが描かれている。
FIG. 5 is a photograph showing an example of data analysis of the porous electrode of Example 1 after binarization processing by X-ray analysis.
A porous layer with an average pore diameter of 50 μm is formed on the lower half side of the strip-shaped porous electrode shown in FIG. 5, and a porous layer with an average pore diameter of 600 μm is formed on the upper half side of FIG. A state in which an even-numbered porous layer is formed in a portion is depicted.
The strip-shaped porous electrode body shown in FIG. 6 is drawn as an electrode body having pores with an average pore diameter of 50 μm as a whole.
A…水電解セル、1…多孔質体電極、2…第1の触媒層、3…イオン透過膜(固体高分子膜)、4…第2の触媒層、5…対向電極、6…基準多孔質層(奇数番目の多孔質層)、7…多孔質層、8…下流側多孔質層(奇数番目の多孔質層)、9…第2の偶数番目の多孔質層、10…多孔質体電極、11…第2の下流側多孔質層。
A... Water electrolysis cell, 1... Porous body electrode, 2... First catalyst layer, 3... Ion permeable membrane (solid polymer membrane), 4... Second catalyst layer, 5... Counter electrode, 6... Reference porosity Porous layer (odd-numbered porous layer) 7
Claims (6)
液体を流す方向に沿って特定の奇数番目の基準多孔質層とそれに隣接する偶数番目の多孔質層とそれに隣接する特定の他の奇数番目の下流側多孔質層において、
前記基準多孔質層の平均気孔径が50μm以上500μm以下の範囲にあり、前記奇数番目の下流側多孔質層の平均気孔径が100μm以上600μm以下の範囲内であり、前記基準多孔質層の平均気孔径よりも前記奇数番目の下流側多孔質層の平均気孔径が大きくされるとともに、
前記偶数番目の多孔質層に存在する気孔は800μm以下の範囲に分布しており、前記偶数番目の多孔質層に存在する気孔のうち、600μm超800μm以下の気孔径を有する気孔が、3%以上存在することを特徴とする多孔質体電極。 A porous electrode in which at least an odd number of conductive porous layers with a three-dimensional network structure are continuously arranged in the direction of liquid flow,
In a specific odd-numbered reference porous layer, an even-numbered porous layer adjacent thereto, and a specific other odd-numbered downstream porous layer adjacent thereto along the direction of liquid flow,
The average pore diameter of the reference porous layer is in the range of 50 μm or more and 500 μm or less, the average pore diameter of the odd-numbered downstream porous layer is in the range of 100 μm or more and 600 μm or less, and the average of the reference porous layer The average pore diameter of the odd-numbered downstream porous layer is made larger than the pore diameter, and
The pores present in the even-numbered porous layers are distributed in a range of 800 μm or less, and among the pores present in the even-numbered porous layers, the pores having a pore diameter of more than 600 μm and 800 μm or less account for 3%. A porous electrode characterized by comprising the above .
前記多孔質体電極と、該多孔質体電極に水を流す方向と直交する側の側面に順次積層された第1の触媒層と、イオン透過膜と、第2の触媒層と、対向電極を備えたことを特徴とする水電解セル。 A water electrolysis cell comprising the porous electrode according to any one of claims 1 to 5 ,
The porous electrode, a first catalyst layer sequentially laminated on the side surface perpendicular to the direction in which water flows through the porous electrode, an ion permeable membrane, a second catalyst layer, and a counter electrode. A water electrolysis cell comprising:
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