JP7392087B1 - Water electrolysis cell parts, water electrolysis cells and water electrolysis cell stacks - Google Patents
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
【課題】コーティング材と、アノードガス拡散層の基材又はセパレータの基材との間で亀裂が低減され、貫通抵抗の小さい接合界面を形成して腐食が抑制可能な水電解セル用部材を提供する。【解決手段】アノードガス拡散層及びセパレータの少なくとも一方である水電解セル用部材であって、アノードガス拡散層の基材及びセパレータ基材の少なくとも一方の基材と、前記基材の表面上の少なくとも一部に位置する導電性セラミクスを含むコーティング材と、前記基材と前記コーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層と、を備え、前記酸素を含むチタン層の厚さは、78.7nm以下であり、前記コーティング材の厚さは、190nm以上4223nm以下である水電解セル用部材。【選択図】なし[Problem] To provide a member for a water electrolysis cell in which cracks are reduced between a coating material and a base material of an anode gas diffusion layer or a base material of a separator, and corrosion can be suppressed by forming a joint interface with low penetration resistance. do. [Solution] A member for a water electrolysis cell, which is at least one of an anode gas diffusion layer and a separator, includes a base material of at least one of the base material of the anode gas diffusion layer and the separator base material; A coating material containing conductive ceramics located at least in a portion thereof, and a titanium layer containing oxygen located between the base material and the coating material, the thickness of the titanium layer containing oxygen being 78 cm. 7 nm or less, and the thickness of the coating material is 190 nm or more and 4223 nm or less. [Selection diagram] None
Description
本開示は、水電解セル用部材、水電解セル及び水電解セルスタックに関する。 The present disclosure relates to a water electrolysis cell member, a water electrolysis cell, and a water electrolysis cell stack.
水の電気分解(以下、「水電解」という場合がある。)は、電気分解によって水から水素及び酸素を生成する方法である。例えば、エネルギー源として水素を利用する技術において、水電解は、持続可能な水素生成のための有望な技術である。 Water electrolysis (hereinafter sometimes referred to as "water electrolysis") is a method of producing hydrogen and oxygen from water by electrolysis. For example, in technologies that utilize hydrogen as an energy source, water electrolysis is a promising technology for sustainable hydrogen production.
水電解に用いる水電解セルは、セパレータ、アノードガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜等をこの順番で備える(例えば、下記特許文献1参照)。 A water electrolysis cell used for water electrolysis includes a separator, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, etc. in this order (for example, see Patent Document 1 below).
アノードで発生する酸素ガスと接触する部材、例えば、ガス拡散層(GDL)、セパレータ等は、高酸化雰囲気にさらされる。そのため、ガス拡散層、セパレータ等は、腐食しやすく、その結果、水電解セルの抵抗が増加しやすくなり、水電解セルが短寿命化しやすい。 Members that come into contact with the oxygen gas generated at the anode, such as gas diffusion layers (GDLs), separators, etc., are exposed to a highly oxidizing atmosphere. Therefore, the gas diffusion layer, the separator, etc. are easily corroded, and as a result, the resistance of the water electrolysis cell is likely to increase, and the life of the water electrolysis cell is likely to be shortened.
触媒との接触抵抗低減及び腐食の抑制の観点から、特許文献1に記載の水電解セルにて、アノード触媒層とアノードガス拡散層との間を白金等の貴金属でめっき被覆する方法がある。しかし、アノードガス拡散層に亀裂が生じやすく、未被覆部が露出して腐食を抑制できないおそれがある。 From the viewpoint of reducing contact resistance with the catalyst and suppressing corrosion, there is a method of plating a noble metal such as platinum between the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer in the water electrolysis cell described in Patent Document 1. However, cracks are likely to occur in the anode gas diffusion layer, and uncoated portions may be exposed and corrosion may not be suppressed.
本開示の目的は、コーティング材と、アノードガス拡散層の基材又はセパレータの基材との間で亀裂が低減され、貫通抵抗の小さい接合界面を形成して腐食が抑制可能な水電解セル用部材、並びにこれを備える水電解セル及び水電解セルスタックを提供することである。 The purpose of the present disclosure is for a water electrolysis cell in which cracks are reduced between a coating material and a base material of an anode gas diffusion layer or a base material of a separator, and corrosion can be suppressed by forming a joint interface with low penetration resistance. An object of the present invention is to provide a member, and a water electrolysis cell and a water electrolysis cell stack including the same.
本開示は、以下の態様を含む。
<1> アノードガス拡散層及びセパレータの少なくとも一方である水電解セル用部材であって、
アノードガス拡散層の基材及びセパレータ基材の少なくとも一方の基材と、
前記基材の表面上の少なくとも一部に位置する導電性セラミクスを含むコーティング材と、
前記基材と前記コーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層と、を備え、
前記酸素を含むチタン層の厚さは、78.7nm以下であり、
前記コーティング材の厚さは、190nm以上4223nm以下である水電解セル用部材。
<2> 前記導電性セラミクスは、窒化物、炭化物及び炭窒化物の少なくともいずれかを含み、前記窒化物、前記炭化物及び前記炭窒化物は、それぞれ独立に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルを少なくとも1種類以上含む<1>に記載の水電解セル用部材。
<3> 前記導電性セラミクスは、窒化チタンを含む<1>に記載の水電解セル用部材。
<4> 前記酸素を含むチタン層の厚さは、45.5nm以下である<1>~<3>のいずれか1つに記載の水電解セル用部材。
<5> 前記酸素を含むチタン層の厚さは、10.9nm以下である<1>~<4>のいずれか1つに記載の水電解セル用部材。
<6> 前記コーティング材の厚さは、490nm以上4223nm以下である<1>~<5>のいずれか1つに記載の水電解セル用部材。
<7> 前記コーティング材の厚さは、2042nm以上4223nm以下である<1>~<6>のいずれか1つに記載の水電解セル用部材。
<8> セパレータと、アノードガス拡散層と、アノード触媒と、カソード触媒と、電解質膜と、を備える水電解セルであって、
前記水電解セルに含まれる前記セパレータ及び前記アノードガス拡散層の少なくとも一方は、<1>~<7>のいずれか1つに記載の水電解セル用部材から構成されている水電解セル。
<9> <8>に記載の水電解セルを複数積層してなる水電解セルスタック。
The present disclosure includes the following aspects.
<1> A water electrolysis cell member that is at least one of an anode gas diffusion layer and a separator,
At least one base material of an anode gas diffusion layer base material and a separator base material;
a coating material containing conductive ceramics located on at least a portion of the surface of the base material;
a titanium layer containing oxygen located between the base material and the coating material,
The thickness of the titanium layer containing oxygen is 78.7 nm or less,
The coating material has a thickness of 190 nm or more and 4223 nm or less.
<2> The conductive ceramic includes at least one of a nitride, a carbide, and a carbonitride, and the nitride, the carbide, and the carbonitride each independently include titanium, zirconium, vanadium, niobium, and tantalum. The member for a water electrolysis cell according to <1>, comprising at least one type of.
<3> The water electrolysis cell member according to <1>, wherein the conductive ceramic contains titanium nitride.
<4> The water electrolysis cell member according to any one of <1> to <3>, wherein the oxygen-containing titanium layer has a thickness of 45.5 nm or less.
<5> The water electrolysis cell member according to any one of <1> to <4>, wherein the oxygen-containing titanium layer has a thickness of 10.9 nm or less.
<6> The water electrolysis cell member according to any one of <1> to <5>, wherein the coating material has a thickness of 490 nm or more and 4223 nm or less.
<7> The water electrolysis cell member according to any one of <1> to <6>, wherein the coating material has a thickness of 2042 nm or more and 4223 nm or less.
<8> A water electrolysis cell comprising a separator, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst, a cathode catalyst, and an electrolyte membrane,
A water electrolysis cell, wherein at least one of the separator and the anode gas diffusion layer included in the water electrolysis cell is composed of the member for a water electrolysis cell according to any one of <1> to <7>.
<9> A water electrolysis cell stack formed by laminating a plurality of water electrolysis cells according to <8>.
本開示によれば、コーティング材と、アノードガス拡散層の基材又はセパレータの基材との間で亀裂が低減され、貫通抵抗の小さい接合界面を形成して腐食が抑制可能な水電解セル用部材、並びにこれを備える水電解セル及び水電解セルスタックが提供される。 According to the present disclosure, cracks are reduced between the coating material and the base material of the anode gas diffusion layer or the base material of the separator, and a joint interface with low penetration resistance is formed to suppress corrosion for a water electrolysis cell. A member, a water electrolysis cell, and a water electrolysis cell stack including the member are provided.
以下、本開示の実施形態について説明する。本開示は、以下の実施形態に何ら制限されず、本開示の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。図面における寸法の比率は、必ずしも実際の寸法の比率を表すものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described below. The present disclosure is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate changes within the scope of the purpose of the present disclosure. The proportions of dimensions in the drawings do not necessarily represent the proportions of actual dimensions.
本開示において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。 In the present disclosure, a numerical range expressed using "~" means a range that includes the numerical values written before and after "~" as lower and upper limits.
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値に置き換えられてもよく、ある数値範囲で記載された下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の下限値に置き換えられてもよい。本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えられてもよい。 In numerical ranges described step by step in this disclosure, the upper limit stated in one numerical range may be replaced with the upper limit of another numerical range described step by step, and the upper limit described in a certain numerical range The lower limit value given may be replaced by a lower limit value of another numerical range described step by step. In the numerical ranges described step by step in this disclosure, the upper limit or lower limit described in a certain numerical range may be replaced with the value shown in the Examples.
本開示において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。 In the present disclosure, a combination of two or more preferred embodiments is a more preferred embodiment.
<水電解セル用部材>
以下、本開示の水電解セル用部材について説明する。
本開示の水電解セル用部材は、アノードガス拡散層及びセパレータの少なくとも一方である水電解セル用部材であって、アノードガス拡散層の基材及びセパレータ基材の少なくとも一方の基材と、前記基材の表面上の少なくとも一部に位置する導電性セラミクスを含むコーティング材と、前記基材と前記コーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層と、を備え、前記酸素を含むチタン層の厚さは、78.7nm以下であり、前記コーティング材の厚さは、190nm以上4223nm以下である。
<Materials for water electrolysis cells>
The water electrolysis cell member of the present disclosure will be described below.
The member for a water electrolysis cell of the present disclosure is a member for a water electrolysis cell that is at least one of an anode gas diffusion layer and a separator, and includes at least one of the base material of the anode gas diffusion layer and the separator base material, and the base material of the anode gas diffusion layer and the separator base material. A coating material containing conductive ceramics located on at least a portion of the surface of a base material, and a titanium layer containing oxygen located between the base material and the coating material, the titanium layer containing oxygen. The thickness of the coating material is 78.7 nm or less, and the thickness of the coating material is 190 nm or more and 4223 nm or less.
本開示の水電解セル用部材は、アノードガス拡散層及びセパレータ(好ましくはアノード用のセパレータ)の少なくとも一方であり、水電解セルの構成部材として用いられる。本開示の水電解セル用部材では、導電性セラミクスを含むコーティング材と基材との間に酸素を含むチタン層が存在することでコーティング材と基材との間で残留応力が緩和され、アノードガス拡散層又はセパレータの腐食が抑制され、その結果、低貫通抵抗を実現することができる。 The water electrolysis cell member of the present disclosure is at least one of an anode gas diffusion layer and a separator (preferably an anode separator), and is used as a constituent member of a water electrolysis cell. In the water electrolysis cell member of the present disclosure, the presence of the titanium layer containing oxygen between the coating material containing conductive ceramics and the base material relieves residual stress between the coating material and the base material, and the anode Corrosion of the gas diffusion layer or separator is suppressed, and as a result, low penetration resistance can be achieved.
さらにコーティング材の厚さを薄くすることで、アノードガス拡散層の基材又はセパレータの基材との間で亀裂が低減され、貫通抵抗の小さい接合界面を形成することができる。また、酸素を含むチタン層の厚さを薄くすることで貫通抵抗のさらに小さい接合界面を形成することができる。 Furthermore, by reducing the thickness of the coating material, cracks between the coating material and the base material of the anode gas diffusion layer or the separator are reduced, and a bonding interface with low penetration resistance can be formed. Further, by reducing the thickness of the titanium layer containing oxygen, a bonding interface with even lower penetration resistance can be formed.
アノードガス拡散層は、水電解セルにおいてアノードに配置されるガス拡散層である。セパレータは、ガス拡散層において電解質膜とは反対側の面に配置される部材である。 The anode gas diffusion layer is a gas diffusion layer disposed at the anode in a water electrolysis cell. The separator is a member disposed on the opposite side of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer.
水電解セルは、水の電気分解によって水素及び酸素を生成する機能を有する最小単位である。ガス拡散層は、水電解装置に適用されてもよい。水電解装置は、水の電気分解によって水素及び酸素を生成する装置である。水電解装置は、水電解セルを複数積層してなる水電解セルスタックを備えていてもよい。 A water electrolysis cell is the smallest unit capable of producing hydrogen and oxygen by electrolysis of water. The gas diffusion layer may be applied to a water electrolysis device. A water electrolysis device is a device that generates hydrogen and oxygen by electrolyzing water. The water electrolysis device may include a water electrolysis cell stack formed by stacking a plurality of water electrolysis cells.
(基材)
本開示の水電解セル用部材は、アノードガス拡散層の基材及びセパレータ基材の少なくとも一方の基材を備える。水電解セル用部材がアノードガス拡散層である場合、基材はアノードガス拡散層の基材であり、水電解セル用部材がセパレータである場合、基材はセパレータ基材である。
(Base material)
The water electrolysis cell member of the present disclosure includes at least one of a base material of an anode gas diffusion layer and a separator base material. When the water electrolysis cell member is an anode gas diffusion layer, the base material is a base material of the anode gas diffusion layer, and when the water electrolysis cell member is a separator, the base material is a separator base material.
基材の材質としては特に限定されず、チタン、ステンレス等の金属、カーボンなどが挙げられる。後述の水電解によって基材とコーティング材との間に酸素を含むチタン層が形成されやすくなる観点、並びにコーティング材の亀裂発生及び電気抵抗を抑制する観点から、基材は、チタンを含むことが好ましい。 The material of the base material is not particularly limited, and examples thereof include metals such as titanium and stainless steel, and carbon. The base material may contain titanium, from the viewpoint that a titanium layer containing oxygen is likely to be formed between the base material and the coating material by water electrolysis described below, and from the viewpoint of suppressing cracking and electrical resistance of the coating material. preferable.
基材内を流体が流通可能となる観点から、基材は、多孔質体、粉末焼結体、繊維焼結体、金属メッシュ、フェルト等から構成されていてもよい。 From the viewpoint of allowing fluid to flow through the base material, the base material may be composed of a porous body, a powder sintered body, a fiber sintered body, a metal mesh, felt, or the like.
(コーティング材)
本開示の水電解セル用部材は、基材の表面上の少なくとも一部に位置する導電性セラミクスを含むコーティング材を備える。コーティング材は、1種又は2種以上の導電性セラミクスを含んでいればよく、導電性セラミクスからなる層又は膜であってもよい。
(Coating material)
The water electrolysis cell member of the present disclosure includes a coating material containing conductive ceramics located on at least a portion of the surface of a base material. The coating material only needs to contain one or more types of conductive ceramics, and may be a layer or film made of conductive ceramics.
コーティング材に含まれる導電性セラミクスは、窒化物、炭化物及び炭窒化物の少なくともいずれかを含むことが好ましく、窒化物、炭化物及び炭窒化物は、それぞれ独立に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルを少なくとも1種類以上含むことが好ましい。 The conductive ceramic contained in the coating material preferably contains at least one of nitride, carbide, and carbonitride, and nitride, carbide, and carbonitride each independently include titanium, zirconium, vanadium, niobium, It is preferable that at least one kind of tantalum is included.
導電性セラミクスは、窒化物、炭化物又は炭窒化物のいずれかであってもよく、窒化物であってもよい。窒化物、炭化物及び炭窒化物は、少なくともチタンを含んでいてもよく、チタンと共にその他の金属(例えば、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ及びタンタルの少なくともいずれか1種)を含んでいてもよい。 The conductive ceramic may be a nitride, a carbide, a carbonitride, or a nitride. Nitride, carbide, and carbonitride may contain at least titanium, and may contain other metals (for example, at least one of zirconium, vanadium, niobium, and tantalum) together with titanium.
コーティング材に含まれる導電性セラミクスとしては、例えば、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タンタル等が挙げられる。中でも、水電解により酸素を含むチタン層が形成されやすいため、窒化チタンを含むことが好ましく、窒化チタンからなることがより好ましい。 Examples of the conductive ceramics contained in the coating material include titanium nitride, titanium carbonitride, zirconium nitride, vanadium nitride, niobium nitride, and tantalum nitride. Among these, since a titanium layer containing oxygen is likely to be formed by water electrolysis, it is preferable to contain titanium nitride, and more preferably to be made of titanium nitride.
基材上に導電性セラミクスを含むコーティング材を形成する方法は特に限定されない。例えば、AIP(アークイオンプレーティング)法、PLD(パルスレーザーデポジション)法、ガス窒化法等によりコーティング材を形成することが可能である。表面を粗化してコーティング材との密着性を高めるため、基材に対してブラスト処理を実施してもよい。 The method of forming a coating material containing conductive ceramics on a base material is not particularly limited. For example, the coating material can be formed by AIP (arc ion plating), PLD (pulsed laser deposition), gas nitriding, or the like. In order to roughen the surface and improve adhesion with the coating material, the base material may be subjected to blasting treatment.
コーティング材の厚さが薄いと、アノードガス拡散層の基材又はセパレータの基材との間で亀裂が低減され、内部抵抗が小さくなる傾向にある。このため、コーティング材の厚さは、190nm以上4223nm以下であり、490nm以上4223nm以下であることが好ましく、2042nm以上4223nm以下であることがより好ましく、2042nm以上3000nm以下であることがさらに好ましい。
コーティング材の厚さを調整することで、コーティング材の亀裂の発生、進展等を抑制することができるため、コーティング材と基材界面に形成する酸素を含むチタン層の厚さを薄くすることができる。コーティング材の厚さを薄くすることで、亀裂の発生、進展等を抑制できる傾向にある。コーティング材の厚さを大きくすることで、貫通抵抗の増加を抑制できる傾向にある。
When the thickness of the coating material is thin, cracks between the coating material and the base material of the anode gas diffusion layer or the separator tend to be reduced, and the internal resistance tends to be reduced. Therefore, the thickness of the coating material is 190 nm or more and 4223 nm or less, preferably 490 nm or more and 4223 nm or less, more preferably 2042 nm or more and 4223 nm or less, and even more preferably 2042 nm or more and 3000 nm or less.
By adjusting the thickness of the coating material, it is possible to suppress the occurrence and propagation of cracks in the coating material, so it is possible to reduce the thickness of the titanium layer containing oxygen that forms at the interface between the coating material and the base material. can. By reducing the thickness of the coating material, it tends to be possible to suppress the occurrence and propagation of cracks. Increasing the thickness of the coating material tends to suppress an increase in penetration resistance.
(酸素を含むチタン層)
本開示の水電解セル用部材は、基材とコーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層を備える。導電性セラミクスを含むコーティング材と基材との間に酸素を含むチタン層が存在することでコーティング材と基材との間で高密着な接合界面が形成されて腐食が抑制可能となる。例えば、基材及びコーティング材近傍を収束イオンビームで断面加工した後、走査透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光器で分析することで、酸素を含むチタン層の厚さを評価することができる。
(Titanium layer containing oxygen)
The water electrolysis cell member of the present disclosure includes a titanium layer containing oxygen located between a base material and a coating material. Due to the presence of the titanium layer containing oxygen between the coating material containing conductive ceramics and the base material, a highly adhesive bonding interface is formed between the coating material and the base material, making it possible to suppress corrosion. For example, the thickness of the titanium layer containing oxygen can be evaluated by cross-sectionally processing the vicinity of the base material and coating material with a focused ion beam, and then analyzing it with a scanning transmission electron microscope and an energy dispersive X-ray spectrometer. can.
酸素を含むチタン層の厚さは、コーティング材の接触抵抗を抑制する観点から、酸素を含むチタン層の厚さは、78.7nm以下であり、45.5nm以下であることが好ましく、10.9nm以下であることがより好ましい。酸素を含むチタン層の厚さを薄くすることで、貫通抵抗が低減可能である。 From the viewpoint of suppressing the contact resistance of the coating material, the thickness of the titanium layer containing oxygen is 78.7 nm or less, preferably 45.5 nm or less, and 10. More preferably, the thickness is 9 nm or less. Penetration resistance can be reduced by reducing the thickness of the titanium layer containing oxygen.
基材とコーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層を形成する方法としては特に限定されない。例えば、基材にスパッタリング法などにより酸化チタン、窒化チタン等を積層してもよい。コーティング材を備える基材をアノードガス拡散層及びセパレータの少なくとも一方として水電解セル、水電解セルを積層してなる水電解スタック等に組み込み、当該水電解セル、水電解スタック等を用いて水電解を行うことでコーティング材を備える基材を酸素雰囲気下にさらしてもよい。 The method for forming the oxygen-containing titanium layer located between the base material and the coating material is not particularly limited. For example, titanium oxide, titanium nitride, etc. may be laminated on the base material by sputtering or the like. A base material provided with a coating material is incorporated as at least one of an anode gas diffusion layer and a separator into a water electrolysis cell, a water electrolysis stack formed by laminating water electrolysis cells, etc., and water electrolysis is performed using the water electrolysis cell, water electrolysis stack, etc. By performing this step, the base material provided with the coating material may be exposed to an oxygen atmosphere.
前述のように水電解を行うことでコーティング材を備える基材を酸素雰囲気下にさらす場合、水電解時のセル温度、水の流量、電流密度、水電解時間等を調整することで酸素を含むチタン層の厚さを調整することができる。 When exposing a base material with a coating material to an oxygen atmosphere by performing water electrolysis as described above, adjusting the cell temperature, water flow rate, current density, water electrolysis time, etc. during water electrolysis can make it possible to contain oxygen. The thickness of the titanium layer can be adjusted.
<水電解セル>
以下、本開示の水電解セルについて説明する。
本開示の水電解セルは、セパレータと、アノードガス拡散層と、アノード触媒と、カソード触媒と、電解質膜と、を備える水電解セルであって、前記水電解セルに含まれるセパレータ及びアノードガス拡散層の少なくとも一方は、前述の本開示の水電解セル用部材から構成されている。
<Water electrolysis cell>
The water electrolysis cell of the present disclosure will be described below.
A water electrolysis cell of the present disclosure includes a separator, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst, a cathode catalyst, and an electrolyte membrane, the separator and anode gas diffusion layer included in the water electrolysis cell. At least one of the layers is composed of the water electrolysis cell member of the present disclosure described above.
本開示の水電解セルでは、セパレータ(好ましくはアノード用のセパレータ)及びアノードガス拡散層の少なくとも一方は、前述の本開示の水電解セル用部材から構成されている。 In the water electrolysis cell of the present disclosure, at least one of the separator (preferably a separator for an anode) and the anode gas diffusion layer is composed of the above-described member for a water electrolysis cell of the present disclosure.
例えば、本開示の水電解セルは、前述の本開示の水電解セル用部材から構成されたアノード用のセパレータを備えていてもよく、前述の本開示の水電解セル用部材から構成されたアノードガス拡散層を備えていてもよく、その両方を備えていてもよい。 For example, the water electrolysis cell of the present disclosure may include an anode separator made of the water electrolysis cell member of the present disclosure described above, and the anode separator made of the water electrolysis cell member of the present disclosure described above. It may include a gas diffusion layer or both.
前述の本開示の水電解セル用部材以外から構成され得るセパレータ及びアノードガス拡散層、アノード触媒、カソード触媒、電解質膜等としては、従来公知の水電解セルにて使用されるセパレータ及びアノードガス拡散層、アノード触媒、カソード触媒と電解質膜等を適用してもよい。 The separator, anode gas diffusion layer, anode catalyst, cathode catalyst, electrolyte membrane, etc. that may be composed of materials other than the aforementioned water electrolysis cell members of the present disclosure include separators and anode gas diffusion layers used in conventionally known water electrolysis cells. layers, anode catalysts, cathode catalysts and electrolyte membranes, etc. may be applied.
水電解セルは、他の構成要素を更に含んでいてもよい。他の構成要素は、公知の水電解セルの構成要素から選択されてもよい。他の構成要素としては、例えば、カソードガス拡散層、ガスケット、シール材等が挙げられる。 The water electrolysis cell may further include other components. Other components may be selected from known water electrolysis cell components. Other components include, for example, a cathode gas diffusion layer, a gasket, a sealing material, and the like.
例えば、電解質膜は、水電解に使用される公知の電解質膜(イオン交換膜であってもよい)から選択されてもよい。電解質膜は、プロトン(H+)を選択的に透過する性質を有することが好ましい。電解質膜としては、例えば、高分子電解質膜(PEM)が挙げられる。高分子電解質膜としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン膜が挙げられる。スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン膜としては、例えば、ナフィオン膜が挙げられる。 For example, the electrolyte membrane may be selected from known electrolyte membranes (which may be ion exchange membranes) used for water electrolysis. The electrolyte membrane preferably has a property of selectively permeating protons (H + ). Examples of the electrolyte membrane include polymer electrolyte membranes (PEM). Examples of the polymer electrolyte membrane include perfluorocarbon membranes having sulfonic acid groups. Examples of perfluorocarbon membranes having sulfonic acid groups include Nafion membranes.
電解質膜は、イオン性基を有することによりプロトン伝導性を有するポリマーであり、例えば、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質のいずれであってもよい。 The electrolyte membrane is a polymer having proton conductivity due to having an ionic group, and may be, for example, either a fluoropolymer electrolyte or a hydrocarbon polymer electrolyte.
ここで、フッ素系高分子電解質とは、ポリマー中のアルキル基及び/又はアルキレン基における水素の大部分又は全部がフッ素原子に置換されたものを意味する。イオン性基を有するフッ素系高分子電解質の代表例としては、“ナフィオン”(登録商標)(ケマーズ(株)製)、“アクイビオン”(登録商標)(ソルベイ社製)、“フレミオン”(登録商標)(AGC(株)製)及び“アシプレックス”(登録商標)(旭化成(株)製)などの市販品が挙げられる。 Here, the fluoropolymer electrolyte refers to a polymer in which most or all of the hydrogen atoms in alkyl groups and/or alkylene groups have been replaced with fluorine atoms. Representative examples of fluoropolymer electrolytes having ionic groups include "Nafion" (registered trademark) (manufactured by Chemours Corporation), "Aquivion" (registered trademark) (manufactured by Solvay), and "Flemion" (registered trademark). ) (manufactured by AGC Corporation) and "Aciplex" (registered trademark) (manufactured by Asahi Kasei Corporation).
炭化水素系電解質としては、主鎖に芳香環を有する芳香族炭化水素系ポリマーが好ましい。ここで、芳香環としては、ベンゼン環、ナフタレン骨格等の炭素原子と水素原子のみからなる炭化水素系芳香環だけでなく、ピリジン環、イミダゾール環、チオール環等のヘテロ環などを含んでいてもよい。また、芳香環ユニットと共に一部脂肪族系ユニットがポリマーを構成していてもよい。 As the hydrocarbon electrolyte, an aromatic hydrocarbon polymer having an aromatic ring in the main chain is preferred. Here, the aromatic ring includes not only a hydrocarbon aromatic ring consisting only of carbon atoms and hydrogen atoms such as a benzene ring and a naphthalene skeleton, but also a hetero ring such as a pyridine ring, an imidazole ring, and a thiol ring. good. Moreover, some aliphatic units may constitute the polymer together with the aromatic ring units.
芳香族炭化水素系ポリマーの具体例としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリアリーレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン、ポリアリーレン、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミドスルホンから選択される構造を芳香環とともに主鎖に有するポリマーが挙げられる。なお、ここでいうポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン等は、その分子鎖にスルホン結合、エーテル結合、ケトン結合等を有している構造の総称であり、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンスルホンなどを含む。芳香族炭化水素系ポリマーは、これらの構造を複数有していてもよい。これらのなかでも、芳香族炭化水素系ポリマーとして特にポリエーテルケトン骨格を有するポリマー、すなわちポリエーテルケトン系ポリマーが好ましい。 Specific examples of aromatic hydrocarbon polymers include polysulfone, polyether sulfone, polyphenylene oxide, polyarylene ether, polyphenylene sulfide, polyphenylene sulfide sulfone, polyparaphenylene, polyarylene, polyarylene ketone, polyether ketone, and polyarylene phosphine. Examples include polymers having a structure selected from oxide, polyetherphosphine oxide, polybenzoxazole, polybenzthiazole, polybenzimidazole, polyamide, polyimide, polyetherimide, and polyimide sulfone in the main chain together with an aromatic ring. In addition, polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, etc. mentioned here are general terms for structures having sulfone bonds, ether bonds, ketone bonds, etc. in their molecular chains, and include polyether ketone ketone, polyether ether ketone, etc. , polyetheretherketoneketone, polyetherketoneetherketoneketone, polyetherketone sulfone, etc. The aromatic hydrocarbon polymer may have a plurality of these structures. Among these, as the aromatic hydrocarbon polymer, a polymer having a polyetherketone skeleton, that is, a polyetherketone polymer is particularly preferred.
電解質膜は、補強材と組み合わせてもよい。補強材を用いることで、例えば、ホットプレス法により電解質膜と電極を接合する際に膜が破損することによるガスのリーク、電極内の短絡等が生じにくくなる。 The electrolyte membrane may be combined with a reinforcing material. By using the reinforcing material, for example, when the electrolyte membrane and the electrode are bonded together using a hot press method, gas leakage and short circuits within the electrode due to damage to the membrane are less likely to occur.
補強材の具体例としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、FEP(テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体)等のフッ素系高分子又はPE(ポリエチレン),PP(ポリプロピレン)等の熱可塑性樹脂、PI(ポリイミド)、PSF(ポリスルホン)、PES(ポリエーテルスルホン)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PPSS(ポリフェニレンスルフィドスルホン)、PPO(ポリフェニレンオキシド)、PEK(ポリエーテルケトン)、PBI(ポリベンズイミダゾール)、PPS(ポリフェニレンスルフィド)、PPP(ポリパラフェニレン)、PPQ(ポリフェニルキノキサリン)、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、ポリベンゾチアゾール(PBT)、ポリパラフェニレンテレフタルアミド(PPTA)等のエンジニアリングプラスチックなどからなる均質な多孔質膜が挙げられる。 Specific examples of reinforcing materials include PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), and FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer). fluorine-based polymers such as polymers such as PE (polyethylene), thermoplastic resins such as PP (polypropylene), PI (polyimide), PSF (polysulfone), PES (polyethersulfone), PEEK (polyetheretherketone), PPSS (polyphenylene sulfide sulfone), PPO (polyphenylene oxide), PEK (polyetherketone), PBI (polybenzimidazole), PPS (polyphenylene sulfide), PPP (polyparaphenylene), PPQ (polyphenylquinoxaline), polybenzoxazole ( Examples include homogeneous porous membranes made of engineering plastics such as PBO), polybenzothiazole (PBT), and polyparaphenylene terephthalamide (PPTA).
アノード触媒及びカソード触媒は、水電解に使用される公知の触媒から選択されてもよい。触媒の成分としては、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、スズ、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、バナジウム、これらの合金及びこれらの酸化物が挙げられる。触媒の形態は、粒子であってもよい。また、アノード触媒は、担体に担持された触媒を含んでいてもよい。アノード触媒の担体としては、例えば、酸化チタン、酸化スズ等の金属酸化物が挙げられる。カソード触媒は、担体に担持された触媒を含んでいてもよい。カソード触媒の担体としては、例えば、カーボンブラック等の導電性炭素材料が挙げられる。 The anode catalyst and cathode catalyst may be selected from known catalysts used for water electrolysis. Examples of catalyst components include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, tin, iron, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, alloys thereof, and oxides thereof. The catalyst may be in the form of particles. Further, the anode catalyst may include a catalyst supported on a carrier. Examples of the carrier for the anode catalyst include metal oxides such as titanium oxide and tin oxide. The cathode catalyst may include a catalyst supported on a carrier. Examples of the carrier for the cathode catalyst include conductive carbon materials such as carbon black.
水電解セルは、アノード触媒(好ましくはアノード触媒粒子)及びアイオノマーを含むアノード触媒層を備えていてもよく、カソード触媒(好ましくはカソード触媒粒子)及びアイオノマーを含むカソード触媒層を備えていてもよい。これにより、触媒層内での触媒とアイオノマーの接触面積が増えるため、反応が促進される傾向にある。アイオノマーは、プロトン伝導体として機能する材料である。アノード触媒層及びカソード触媒層は、それぞれ独立に、電解質膜に塗布されて形成される層であってもよく、基材フィルムに塗布された層が電解質膜に熱転写されて形成される層であってもよい。 The water electrolysis cell may be equipped with an anode catalyst layer containing an anode catalyst (preferably anode catalyst particles) and an ionomer, and may be equipped with a cathode catalyst layer containing a cathode catalyst (preferably cathode catalyst particles) and an ionomer. . This increases the contact area between the catalyst and the ionomer within the catalyst layer, which tends to accelerate the reaction. Ionomers are materials that function as proton conductors. The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer may be formed by being applied to an electrolyte membrane independently, or may be a layer formed by thermally transferring a layer applied to a base film to the electrolyte membrane. It's okay.
水電解セルにおける各構成要素の配置は、公知の水電解セルを参考に決定されてもよい。例えば、水電解セルの断面の少なくとも一部において、電解質膜がアノード触媒とカソード触媒との間に位置していてもよい。水電解セルにおいて、電解質膜並びにアノード触媒及びカソード触媒は、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層との間に位置することが好ましい。水電解セルにおいて、電解質膜、アノード触媒及びカソード触媒並びにガス拡散層は、2つのセパレータの間に位置することが好ましい。 The arrangement of each component in the water electrolysis cell may be determined with reference to known water electrolysis cells. For example, an electrolyte membrane may be located between an anode catalyst and a cathode catalyst in at least a portion of the cross section of the water electrolysis cell. In the water electrolysis cell, the electrolyte membrane and the anode and cathode catalysts are preferably located between the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer. In the water electrolysis cell, the electrolyte membrane, anode catalyst and cathode catalyst, and gas diffusion layer are preferably located between two separators.
水電解セルの一例を図1に示す。図1は、水電解セルの概略断面図である。図1に示すように、水電解セル100は、図1の上側から順にアノードセパレータ60と、アノードガス拡散層20と、触媒層付き電解質膜(Catalyst Coated Membrane:CCM)10と、カソードガス拡散層30と、カソードセパレータ70と、を備える。触媒層付き電解質膜10は、アノード触媒12、電解質膜11及びカソード触媒13から構成されている。さらに、アノードセパレータ60と電解質膜11との間にガスケット40が配置されており、カソードセパレータ70と電解質膜11との間にガスケット50が配置されている。 An example of a water electrolysis cell is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a water electrolysis cell. As shown in FIG. 1, the water electrolysis cell 100 includes, in order from the top of FIG. 1, an anode separator 60, an anode gas diffusion layer 20, a catalyst coated membrane (CCM) 10, and a cathode gas diffusion layer. 30 and a cathode separator 70. The electrolyte membrane 10 with a catalyst layer is composed of an anode catalyst 12, an electrolyte membrane 11, and a cathode catalyst 13. Further, a gasket 40 is arranged between the anode separator 60 and the electrolyte membrane 11, and a gasket 50 is arranged between the cathode separator 70 and the electrolyte membrane 11.
アノードセパレータ60及びアノードガス拡散層20の少なくとも一方が、前述の本開示の水電解セル用部材から構成されていることが好ましい。アノードセパレータ60が前述の本開示の水電解セル用部材から構成されている場合、コーティング材がアノードガス拡散層20側に位置することが好ましく、アノードガス拡散層20が前述の本開示の水電解セル用部材から構成されている場合、コーティング材がアノード触媒12側に位置することが好ましい。 It is preferable that at least one of the anode separator 60 and the anode gas diffusion layer 20 is made of the above-described water electrolysis cell member of the present disclosure. When the anode separator 60 is composed of the water electrolysis cell member of the present disclosure described above, the coating material is preferably located on the anode gas diffusion layer 20 side, and the anode gas diffusion layer 20 is the water electrolysis cell member of the present disclosure described above. In the case of a cell member, the coating material is preferably located on the anode catalyst 12 side.
<水電解装置>
以下、本開示の水電解装置について説明する。
本開示の水電解装置は、前述の本開示の水電解セルを複数積層してなる水電解セルスタックであってもよく、当該水電解セルスタック又は本開示の水電解セルと他の構成要素とを備える装置であってもよい。
<Water electrolysis device>
The water electrolysis device of the present disclosure will be described below.
The water electrolysis device of the present disclosure may be a water electrolysis cell stack formed by laminating a plurality of the water electrolysis cells of the present disclosure described above, and the water electrolysis cell stack or the water electrolysis cell of the present disclosure and other components. The device may be equipped with the following.
他の構成要素は、公知の水電解装置の構成要素から選択されてもよい。他の構成要素としては、例えば、パワーコンディショナー、水ポンプ、イオン交換樹脂、熱交換器及び除湿器などの補機類が挙げられる。 Other components may be selected from known water electrolysis device components. Other components include, for example, auxiliary equipment such as a power conditioner, water pump, ion exchange resin, heat exchanger, and dehumidifier.
以下、実施例により本開示を詳細に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に制限されるものではない。以下の実施例に示される事項は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更されてもよい。 Hereinafter, the present disclosure will be explained in detail with reference to Examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples. The matters shown in the following examples may be changed as appropriate without departing from the spirit of the present disclosure.
<実施例1>
基材として、繊維径が20μm、厚さが200μm、空隙率が56%、縦と横の長さがそれぞれ5cmであるTi繊維焼結体(べカルトジャパン社製)からなる基材(Ti繊維基材)を準備し、コーティング材作製用のコーティング材として窒化チタンを準備した。Ti繊維基材にブラスト処理した後、ガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンで構成されたコーティング材(窒化チタンコーティング材)をTi繊維基材上に形成した。ガス通気が可能なチャンバー内にTi繊維基材を設置、試料温度が650℃となるよう加熱した後、窒素ガスをチャンバー内に導入し、窒化処理を20時間実施した。
<Example 1>
The base material was a Ti fiber sintered body (manufactured by Bekaert Japan Co., Ltd.) with a fiber diameter of 20 μm, a thickness of 200 μm, a porosity of 56%, and a vertical and horizontal length of 5 cm each. A base material) was prepared, and titanium nitride was prepared as a coating material for producing the coating material. After blasting the Ti fiber base material, titanium nitride was grown by a gas nitriding method to form a coating material made of titanium nitride (titanium nitride coating material) on the Ti fiber base material. The Ti fiber base material was placed in a chamber that allows gas ventilation, and after heating the sample to a temperature of 650° C., nitrogen gas was introduced into the chamber and nitriding treatment was performed for 20 hours.
窒化チタンコーティング材を備えるTi繊維基材の断面加工をした後、走査透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光器(日本電子株式会社製・JSM-6510A)を併用し、窒化チタンコーティング材の厚さ(nm)を測定した。窒化チタンコーティング材の厚さは、無作為に選択した10点の平均値とした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.46であった。 After processing the cross section of the Ti fiber base material with the titanium nitride coating material, we used a scanning transmission electron microscope and an energy dispersive X-ray spectrometer (JSM-6510A manufactured by JEOL Ltd.) to examine the titanium nitride coating material. The thickness (nm) was measured. The thickness of the titanium nitride coating material was the average value of 10 randomly selected points. log{thickness of coating material (nm)}=3.46.
次に、窒化チタンコーティング材を備えるTi繊維基材からなるアノードガス拡散層と、アノード側のセパレータ(アノードセパレータ)と、アノード触媒と、カソード触媒と、電解質膜と、カソードガス拡散層と、カソード側のセパレータ(カソードセパレータ)と、アノード側のエンドプレートと、アノード側の集電板と、アノード側のエンドプレートと、集電板の間に配置する絶縁シートと、カソード側のエンドプレートと、カソード側の集電板と、カソード側のエンドプレートと集電板の間に配置する絶縁シートと、を備える水電解セルを作製した。アノードセパレータとしては、電極設置部の縦と横の長さがそれぞれ5cmであり、一辺5cmの範囲で溝と山の幅がそれぞれ1mm、深さが2mmである流路が26本並列で配置された、Ptめっき処理したチタン製のセパレータを使用した。カソードセパレータとしては、電極設置部の縦と横の長さがそれぞれ5cmであり、一辺5cmの範囲で溝と山の幅がそれぞれ1mm、深さが2mmである流路が26本並列で配置されたカーボン製のセパレータを使用した。カソードガス拡散層は、カーボン材(SGLカーボンジャパン株式会社製)のものを使用し、縦と横の長さがそれぞれ5cmとなるよう切り取った。触媒層付き電解質膜はエフシー開発株式会社製の市販品を使用した。アノードとカソードの縦と横の長さはそれぞれ5cmであり、アノード触媒は、酸化イリジウムを含む触媒粉末とアイオノマーからなる混合物、カソード触媒は、Pt/C触媒とアイオノマーからなる混合物で構成される。アノードとカソードのガスケットはそれぞれ、電極設置部を切り取ったポリテトラフルオロエチレン(テフロンTM)のシートを使用した。ガスケットの電極設置部を切り取った部分に電極層が配置され、さらに電極設置部と、アノードとカソードの流路部分が重なるよう、アノードセパレータと、窒化チタンコーティング材を備えるTi繊維基材からなるアノードガス拡散層と、触媒層付き電解質膜と、カソードガス拡散層と、カソードセパレータとを積層した。アノードとカソードそれぞれのセパレータを、集電板と絶縁シートとエンドプレートの順に積層し、ボルトで締結することで水電解セルを作製した。アノード側のセパレータには水の入口と、発生した酸素と未反応の水が排出される配管を、カソード側のセパレータには発生した水素が排出される配管をそれぞれ設置した。アノードとカソードの集電板をそれぞれ外部電源(菊水電子工業株式会社製・PWR2001L)に接続した。 Next, an anode gas diffusion layer made of a Ti fiber base material provided with a titanium nitride coating material, an anode side separator (anode separator), an anode catalyst, a cathode catalyst, an electrolyte membrane, a cathode gas diffusion layer, and a cathode gas diffusion layer. side separator (cathode separator), anode side end plate, anode side current collector plate, anode side end plate, insulating sheet placed between the current collector plates, cathode side end plate, cathode side A water electrolysis cell was fabricated, including a current collector plate and an insulating sheet placed between the end plate on the cathode side and the current collector plate. As an anode separator, the vertical and horizontal lengths of the electrode installation part are each 5 cm, and 26 channels are arranged in parallel within an area of 5 cm on each side, each with a groove width of 1 mm and a depth of 2 mm. In addition, a titanium separator plated with Pt was used. As for the cathode separator, the vertical and horizontal lengths of the electrode installation part are each 5 cm, and 26 channels are arranged in parallel within an area of 5 cm on each side, each having a groove width of 1 mm and a depth of 2 mm. A carbon separator was used. A carbon material (manufactured by SGL Carbon Japan Co., Ltd.) was used as the cathode gas diffusion layer, and the layer was cut to have a vertical and horizontal length of 5 cm. As the electrolyte membrane with a catalyst layer, a commercially available product manufactured by FC Kaihatsu Co., Ltd. was used. The vertical and horizontal lengths of the anode and cathode are each 5 cm, and the anode catalyst is composed of a mixture of a catalyst powder containing iridium oxide and an ionomer, and the cathode catalyst is composed of a mixture of a Pt/C catalyst and an ionomer. For the anode and cathode gaskets, polytetrafluoroethylene (Teflon ™ ) sheets with the electrode installation portions cut out were used. An anode made of a Ti fiber base material with an anode separator and a titanium nitride coating material, in which an electrode layer is arranged in the cutout part of the electrode installation part of the gasket, and the electrode installation part and the anode and cathode flow path overlap. A gas diffusion layer, an electrolyte membrane with a catalyst layer, a cathode gas diffusion layer, and a cathode separator were laminated. A water electrolysis cell was fabricated by laminating the anode and cathode separators in the order of current collector plate, insulating sheet, and end plate, and fastening them with bolts. The separator on the anode side was equipped with a water inlet and piping for discharging generated oxygen and unreacted water, and the separator on the cathode side was equipped with piping for discharging generated hydrogen. The anode and cathode current collector plates were each connected to an external power source (manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd., PWR2001L).
以下の条件で前述の水電解セルに電流を印加して水電解を行った。
セル温度:60℃
水の流量:100mL/min
電流密度:2000mA/cm2
水電解時間:25時間
Water electrolysis was performed by applying a current to the water electrolysis cell described above under the following conditions.
Cell temperature: 60℃
Water flow rate: 100mL/min
Current density: 2000mA/ cm2
Water electrolysis time: 25 hours
水電解後に水電解セルを解体し、窒化チタンコーティング材を備えるTi繊維基材からなるアノードガス拡散層を取り出した。収束イオンビーム(FEI社製・Versa3D)で薄膜断面加工した後、走査透過型電子顕微鏡観察とエネルギー分散型X線分光器(日本電子株式会社・JEM-ARM200F)を併用して、Ti繊維基材及び窒化チタンコーティング材の界面にチタン及び酸素を含む薄い層が形成されていることを確認した。この層は、窒化チタンコーティング材中の粒界を介して酸素が拡散することで形成された酸素を含むチタン層である、と推測される。酸素を含むチタン層の厚さは、無作為に抽出した5点の平均値とした。酸素を含むチタン層の厚さは5nmであった。 After water electrolysis, the water electrolysis cell was disassembled, and the anode gas diffusion layer made of a Ti fiber base material provided with a titanium nitride coating material was taken out. After processing the thin film cross-section with a focused ion beam (FEI, Versa3D), we examined the Ti fiber base material using a combination of scanning transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectrometer (JEOL Ltd., JEM-ARM200F). It was confirmed that a thin layer containing titanium and oxygen was formed at the interface of the titanium nitride coating material. This layer is presumed to be an oxygen-containing titanium layer formed by oxygen diffusion through grain boundaries in the titanium nitride coating material. The thickness of the titanium layer containing oxygen was the average value of five randomly extracted points. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 5 nm.
<実施例2>
実施例1と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.28であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、水電解時間120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは19nmであった。
<Example 2>
In the same manner as in Example 1, titanium nitride was grown on a Ti fiber base material by a gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 15 hours. log{thickness of coating material (nm)}=3.28.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the water electrolysis time was changed to 120 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 19 nm.
<実施例3>
実施例1と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を8時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.02であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、水電解時間を200時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは32nmであった。
<Example 3>
In the same manner as in Example 1, titanium nitride was grown on a Ti fiber base material by a gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 8 hours. log{thickness of coating material (nm)}=3.02.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the water electrolysis time was changed to 200 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 32 nm.
<実施例4>
実施例1と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を4時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=2.73であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、電流密度を4000mA/cm2に、水電解時間を120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは48nmであった。
<Example 4>
In the same manner as in Example 1, titanium nitride was grown on a Ti fiber base material by a gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 4 hours. log{thickness of coating material (nm)}=2.73.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the current density was changed to 4000 mA/cm 2 and the water electrolysis time was changed to 120 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 48 nm.
<実施例5>
実施例1と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を2時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=2.33であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、セルの温度を80℃、電流密度を4000mA/cm2、水電解時間を120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは65nmであった。
<Example 5>
In the same manner as in Example 1, titanium nitride was grown on a Ti fiber base material by a gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 2 hours. log{thickness of coating material (nm)}=2.33.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the cell temperature was changed to 80° C., the current density was changed to 4000 mA/cm 2 , and the water electrolysis time was changed to 120 hours. Water electrolysis was performed. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 65 nm.
<実施例6>
実施例1に記載のTi繊維基材に対してアークイオンプレーティング(AIP)法により窒化チタンを蒸着させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。Ti繊維焼結体からなる基材をチャンバーに配置し、バイアス電源とプロセスガスの窒素をそれぞれチャンバーに接続した。基材を200℃に加熱し、処理時間5時間で窒化チタンを堆積した。窒化チタンコーティング材の厚さは、実施例1に記載の方法で評価したところ、log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.01であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、水電解時間を120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは20nmであった。
<Example 6>
Titanium nitride was deposited on the Ti fiber base material described in Example 1 by arc ion plating (AIP) to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. A base material made of a Ti fiber sintered body was placed in a chamber, and a bias power source and a process gas of nitrogen were each connected to the chamber. The substrate was heated to 200° C. and titanium nitride was deposited for a treatment time of 5 hours. The thickness of the titanium nitride coating material was evaluated by the method described in Example 1, and was found to be log{thickness of coating material (nm)}=3.01.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the water electrolysis time was changed to 120 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 20 nm.
<実施例7>
縦と横の長さがそれぞれ5cmとなるよう、厚さが1mmのTi板(ニラコ社製)を切り出した。実施例1に記載のアノードセパレータの流路の溝と山の幅で、深さが300μmとなるようエッチング処理により流路を形成し、基材(Ti基材)とした。Ti基材に対してAIP法により窒化チタンを蒸着させ、窒化チタンで構成されたコーティング材(窒化チタンコーティング材)をTi基材上に形成した。基材を650℃に加熱し、処理時間を8時間とした以外は実施例6と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.02であった。
次に、水電解セルを作製した。実施例1に記載のアノードセパレータとして、流路が形成されておらず、深さ1mmで窒化チタンが形成されたTi基材が配置できるよう、縦と横の長さをそれぞれ5mmとしたセパレータを使用し、アノードガス拡散層は、実施例1に記載の窒化チタンコーティング材を備えるTi繊維焼結体とし、水電解時間を120時間に変更した以外は、実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは20nmであった。
<Example 7>
A Ti plate (manufactured by Nilaco) with a thickness of 1 mm was cut out so that the vertical and horizontal lengths were each 5 cm. A flow path was formed by etching to a depth of 300 μm based on the width of the grooves and peaks of the flow path of the anode separator described in Example 1, and a base material (Ti base material) was obtained. Titanium nitride was deposited on the Ti base material by the AIP method, and a coating material made of titanium nitride (titanium nitride coating material) was formed on the Ti base material. The procedure was the same as in Example 6 except that the substrate was heated to 650° C. and the treatment time was 8 hours. log{thickness of coating material (nm)}=3.02.
Next, a water electrolysis cell was produced. As the anode separator described in Example 1, a separator was used in which no flow path was formed and the vertical and horizontal lengths were each 5 mm so that a Ti base material on which titanium nitride was formed at a depth of 1 mm could be placed. Water electrolysis was carried out in the same manner as in Example 1, except that the anode gas diffusion layer was a Ti fiber sintered body with the titanium nitride coating material described in Example 1, and the water electrolysis time was changed to 120 hours. went. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 20 nm.
<比較例1>
実施例6と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を40時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.63であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、水電解時間を120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは112nmであった。
<Comparative example 1>
In the same manner as in Example 6, titanium nitride was grown on the Ti fiber base material by the gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 40 hours. log{thickness of coating material (nm)}=3.63.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the water electrolysis time was changed to 120 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 112 nm.
<比較例2>
実施例6と同様にして、SUS316L板からなる基材(SUS基材)に対してAIP法により窒化チタンを蒸着させ、窒化チタンで構成されたコーティング材(窒化チタンコーティング材)をSUS316L基材上に形成した。処理時間を25時間とした以外は実施例6と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=3.64であった。
窒化チタンコーティング材を備えるSUS基材を用い、水電解時間を120時間とした以外は実施例6と同様にして水電解セルを作製した。
<Comparative example 2>
In the same manner as in Example 6, titanium nitride was deposited by AIP method on a base material made of SUS316L plate (SUS base material), and a coating material made of titanium nitride (titanium nitride coating material) was deposited on the SUS316L base material. was formed. The same procedure as in Example 6 was carried out except that the treatment time was 25 hours. log{thickness of coating material (nm)}=3.64.
A water electrolysis cell was produced in the same manner as in Example 6 except that a SUS base material provided with a titanium nitride coating material was used and the water electrolysis time was 120 hours.
水電解後の水電解セルについて、実施例1と同様にしてSUS基材及び窒化チタンコーティング材の界面に薄い層が形成されていることを確認した。この層は、窒化チタンコーティング材中を酸素が拡散することで形成された酸素を含むチタン層(Tiは窒化チタンコーティング材由来)である、と推測される。酸素を含むチタン層の厚さは94nmであった。 Regarding the water electrolysis cell after water electrolysis, it was confirmed in the same manner as in Example 1 that a thin layer was formed at the interface between the SUS base material and the titanium nitride coating material. This layer is presumed to be a titanium layer containing oxygen (Ti is derived from the titanium nitride coating material) formed by oxygen diffusion in the titanium nitride coating material. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 94 nm.
<比較例3>
実施例1と同様にTi繊維基材を準備し、コーティング材作製用のコーティング材として白金(Pt)を準備した。Ti繊維基材に対してめっき法によりPtで被覆した。log{コーティング材の厚さ(nm)}=2.29であった。
Ptコーティング材を備えるTi繊維基材を用いて、アノードガス拡散層とし、セルの温度を80℃、水電解時間を120時間とした以外は、実施例1と同様にして水電解セルを作製した。酸素を含むチタン層の厚さは95nmであった。
<Comparative example 3>
A Ti fiber base material was prepared in the same manner as in Example 1, and platinum (Pt) was prepared as a coating material for producing a coating material. A Ti fiber base material was coated with Pt by a plating method. log{thickness of coating material (nm)}=2.29.
A water electrolysis cell was produced in the same manner as in Example 1, except that a Ti fiber base material with a Pt coating material was used as an anode gas diffusion layer, the cell temperature was 80 ° C., and the water electrolysis time was 120 hours. . The thickness of the titanium layer containing oxygen was 95 nm.
<比較例4>
実施例1と同様にして、Ti繊維基材に対してガス窒化法により窒化チタンを成長させ、窒化チタンコーティング材をTi繊維基材上に形成した。窒化処理時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にした。log{コーティング材の厚さ(nm)}=1.97であった。
次に、実施例1と同様にして水電解セルを作製し、セル温度を80℃、水電解時間を120時間に変更した以外は実施例1と同様にして水電解を行った。酸素を含むチタン層の厚さは108nmであった。
<Comparative example 4>
In the same manner as in Example 1, titanium nitride was grown on a Ti fiber base material by a gas nitriding method to form a titanium nitride coating material on the Ti fiber base material. The same procedure as in Example 1 was carried out except that the nitriding treatment time was 1 hour. log{thickness of coating material (nm)}=1.97.
Next, a water electrolysis cell was prepared in the same manner as in Example 1, and water electrolysis was performed in the same manner as in Example 1 except that the cell temperature was changed to 80° C. and the water electrolysis time was changed to 120 hours. The thickness of the titanium layer containing oxygen was 108 nm.
(コーティング材のはく離有無の評価)
水電解試験後に水電解セルを解体し、アノード触媒層の表面を走査透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光器(日本電子株式会社製・JSM-6510A)を併用して微細構造観察と元素分析を実施することで、基材からコーティング材が剥離してコーティング材がアノード触媒層表面に転写されたか否かを確認した。転写されていなければ、基材とコーティング材の密着性が良好であると判断した。
(Evaluation of peeling of coating material)
After the water electrolysis test, the water electrolysis cell was disassembled, and the surface of the anode catalyst layer was observed using a scanning transmission electron microscope and an energy dispersive X-ray spectrometer (JSM-6510A manufactured by JEOL Ltd.) to observe the fine structure and elements. By performing the analysis, it was confirmed whether the coating material was peeled off from the base material and transferred to the surface of the anode catalyst layer. If no transfer was observed, it was determined that the adhesion between the base material and the coating material was good.
(亀裂評価)
各実施例及び各比較例についてコーティング材に亀裂が生じているか否かを以下のようにして評価した。水電解試験後に水電解セルを解体し、アノード触媒層の表面を走査透過型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光器(日本電子株式会社製・JSM-6510A)を併用して微細構造観察と元素分析を実施することで、コーティング材に亀裂が生じているか否かを確認した。
(Crack evaluation)
For each Example and each Comparative Example, whether or not cracks were generated in the coating material was evaluated as follows. After the water electrolysis test, the water electrolysis cell was disassembled, and the surface of the anode catalyst layer was observed using a scanning transmission electron microscope and an energy dispersive X-ray spectrometer (JSM-6510A manufactured by JEOL Ltd.) to observe the fine structure and elements. By conducting an analysis, it was confirmed whether or not cracks had occurred in the coating material.
(貫通抵抗の測定)
各実施例及び各比較例について貫通抵抗の測定を以下のようにして行った。
まず、測定サンプルとして、各実施例及び各比較例で得られた水電解後であるコーティング材を備える基材を準備した。デジタル低抵抗計(鶴賀電機株式会社・3566)と電気的に接続した2つの上下電極(白金箔、面積3.14cm2)の間に各測定サンプル(面積3.14cm2、厚さ0.2mm)を挟み、デジタルフォースゲージ(型番:ZTA-1000N、株式会社イマダ製)により1MPaに加圧した。この時の抵抗値をデジタル低抵抗計から読み取り、貫通抵抗とした。
(Measurement of penetration resistance)
The penetration resistance of each Example and each Comparative Example was measured as follows.
First, as a measurement sample, a base material provided with the coating material after water electrolysis obtained in each Example and each Comparative Example was prepared. Each measurement sample (area 3.14 cm 2 , thickness 0.2 mm) was placed between two upper and lower electrodes (platinum foil, area 3.14 cm 2 ) electrically connected to a digital low resistance meter (Tsuruga Denki Co., Ltd., 3566). ) and pressurized to 1 MPa using a digital force gauge (model number: ZTA-1000N, manufactured by Imada Co., Ltd.). The resistance value at this time was read using a digital low resistance meter and was defined as the penetration resistance.
各実施例及び各比較例におけるコーティング材のはく離有無の評価、亀裂評価及び貫通抵抗の測定の結果を表1に示す。 Table 1 shows the results of the evaluation of peeling of the coating material, crack evaluation, and measurement of penetration resistance in each Example and each Comparative Example.
表1に示すように、コーティング材に窒化チタンを使用したTi繊維焼結体又はTi板を使用した実施例1~7、比較例1、比較例2及び比較例4では、基材における窒化チタン未被覆部はほとんど確認されなかった。さらに、水電解セル解体後もコーティング材のはく離が見られず、コーティング材と基材の密着性は良好であった。これに対し、コーティング材にPtを使用した比較例3では、コーティング後もPt未被覆部が多く確認された。水電解後には、コーティング材の基材からのはく離が見られ、コーティング材と基材の密着性が不十分であることがわかった。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 7, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4, in which a Ti fiber sintered body or a Ti plate using titanium nitride as the coating material, titanium nitride in the base material Almost no uncoated parts were observed. Furthermore, no peeling of the coating material was observed even after disassembling the water electrolysis cell, and the adhesion between the coating material and the base material was good. On the other hand, in Comparative Example 3 in which Pt was used as the coating material, many areas not covered with Pt were observed even after coating. After water electrolysis, peeling of the coating material from the base material was observed, indicating that the adhesion between the coating material and the base material was insufficient.
さらに、実施例1~7及び比較例4では、コーティング材に亀裂が確認されなかったが、比較例1及び比較例2では、基材の種類に依らず、コーティング材に亀裂が発生していることを確認した。このことから、コーティング材の厚さを厚くすることで、コーティング材内に発生する応力が大きくなり、亀裂が発生したことを示している。亀裂が発生した、比較例1のコーティング材の厚さは4223nmであったことから、これよりも薄い方が亀裂の発生が抑制できることが分かった。 Furthermore, in Examples 1 to 7 and Comparative Example 4, no cracks were observed in the coating material, but in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, cracks occurred in the coating material regardless of the type of base material. It was confirmed. This indicates that by increasing the thickness of the coating material, the stress generated within the coating material increased, causing cracks to occur. Since the thickness of the coating material of Comparative Example 1 in which cracks occurred was 4223 nm, it was found that cracks could be suppressed by being thinner than this.
実施例1~7及び比較例1~4に示したコーティング材付き基材の貫通抵抗と、酸素を含むチタン層の厚さの関係を評価した結果を図2に示す。貫通抵抗をY、酸素を含むチタン層の厚さをXとし、原点を通る二次関数で近似したところ、以下の式(1)が得られた。
Y=0.0052X2 + 0.8627X・・・(1)
コーティング材に亀裂のあった比較例1と比較例2、水電解試験前に未被覆があり、密着性が不十分であった比較例3では、酸素を含むチタン層の厚さが厚く、貫通抵抗が大きかった。このことは、実施例1~7では、貫通抵抗の増加を誘発する酸素を含むチタン層の厚さを薄く抑制できているのに対し、比較例1~3では、亀裂、未被覆部等で、高抵抗な酸素を含むチタン層が優先的に形成されて酸素を含むチタン層の厚さが厚くなり、貫通抵抗の増加を誘発したことを示している。比較例4では、コーティング材に亀裂及びはく離は見られなかったが、酸素を含むチタン層の厚さが厚く、貫通抵抗が大きかった。窒化チタンは、電気抵抗が小さい材料であるが、水電解によって大部分が酸素を含むチタン層となり、コーティング材の電気抵抗が大きくなったことが要因として考えられる。このことから、酸素を含むチタン層の厚さは、貫通抵抗が100mΩ・cm2以下となる78.7nmとすることが好ましい。水電解セルの抵抗を低減するため、貫通抵抗が50mΩ・cm2以下となる45.5nm以下とすることがより好ましく、貫通抵抗が10mΩ・cm2以下となる10.9nm以下とすることがさらに好ましいことが分かった。
FIG. 2 shows the results of evaluating the relationship between the penetration resistance of the coating material-coated substrates shown in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 and the thickness of the oxygen-containing titanium layer. When Y is the penetration resistance and X is the thickness of the titanium layer containing oxygen, the following equation (1) is obtained by approximating with a quadratic function passing through the origin.
Y=0.0052X 2 + 0.8627X...(1)
In Comparative Examples 1 and 2, in which the coating material had cracks, and in Comparative Example 3, in which the coating material was not coated before the water electrolysis test and the adhesion was insufficient, the thickness of the titanium layer containing oxygen was thick and there was no penetration. There was a lot of resistance. This means that in Examples 1 to 7, the thickness of the titanium layer containing oxygen, which induces an increase in penetration resistance, was suppressed to a small thickness, whereas in Comparative Examples 1 to 3, cracks, uncoated parts, etc. This indicates that a high-resistance oxygen-containing titanium layer was preferentially formed, increasing the thickness of the oxygen-containing titanium layer and causing an increase in penetration resistance. In Comparative Example 4, no cracks or peeling were observed in the coating material, but the oxygen-containing titanium layer was thick and the penetration resistance was high. Titanium nitride is a material with low electrical resistance, but water electrolysis turns it into a titanium layer that mostly contains oxygen, which is thought to be the cause of the increase in electrical resistance of the coating material. For this reason, the thickness of the titanium layer containing oxygen is preferably 78.7 nm so that the penetration resistance is 100 mΩ·cm 2 or less. In order to reduce the resistance of the water electrolysis cell, the thickness is more preferably 45.5 nm or less so that the penetration resistance is 50 mΩ·cm 2 or less, and more preferably 10.9 nm or less so that the penetration resistance is 10 mΩ·cm 2 or less. I found it favorable.
実施例1~7及び比較例1~4に示したコーティング材付き基材の貫通抵抗と、コーティング材の厚さの関係を評価した結果を図3に示す。このうち、コーティング材にはく離や亀裂がなかった実施例1~7と比較例4について、貫通抵抗をY、log{コーティング材の厚さ(nm)}をZとし、二次関数で近似したところ、以下の式(2)が得られた。
Y=55.594Z2-398.13Z+718.78・・・(2)
コーティング材の厚さが薄すぎると、コーティング材に占める高抵抗な酸素を含むチタン層が占める割合が大きくなるため、貫通抵抗が増加する。一方、比較例1と比較例2に示したように、コーティング材の厚さが厚すぎると、亀裂が発生し、高貫通抵抗を誘発する。このことから、コーティング材の厚さは、貫通抵抗が100mΩ・cm2以下となる190nm以上4223nm以下とすることが好ましい。水電解セルの抵抗を低減するため、貫通抵抗が50mΩ・cm2以下となる490nm以上4223nm以下とすることがより好ましく、貫通抵抗が10mΩ・cm2以下となる2042nm以上4223nm以下とすることがさらに好ましいことが分かった。
FIG. 3 shows the results of evaluating the relationship between the penetration resistance of the coating material-coated substrates shown in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 and the thickness of the coating material. Among these, for Examples 1 to 7 and Comparative Example 4, in which there were no peeling or cracks in the coating material, penetration resistance was set as Y, log{thickness of coating material (nm)} was set as Z, and approximated by a quadratic function. , the following equation (2) was obtained.
Y=55.594Z 2 -398.13Z+718.78...(2)
If the thickness of the coating material is too thin, the penetration resistance increases because the proportion of the coating material occupied by the titanium layer containing high resistance oxygen increases. On the other hand, as shown in Comparative Examples 1 and 2, if the thickness of the coating material is too thick, cracks will occur, leading to high penetration resistance. From this, the thickness of the coating material is preferably 190 nm or more and 4223 nm or less so that the penetration resistance is 100 mΩ·cm 2 or less. In order to reduce the resistance of the water electrolysis cell, it is more preferable that the thickness is 490 nm or more and 4223 nm or less so that the penetration resistance is 50 mΩ·cm 2 or less, and it is more preferably 2042 nm or more and 4223 nm or less that the penetration resistance is 10 mΩ·cm 2 or less. I found it favorable.
10:触媒層付き電解質膜
11:電解質膜
12:アノード触媒
13:カソード触媒
20:アノードガス拡散層
30:カソードガス拡散層
40:ガスケット
50:ガスケット
60:アノードセパレータ
70:カソードセパレータ
100:セル
10: Electrolyte membrane with catalyst layer 11: Electrolyte membrane 12: Anode catalyst 13: Cathode catalyst 20: Anode gas diffusion layer 30: Cathode gas diffusion layer 40: Gasket 50: Gasket 60: Anode separator 70: Cathode separator 100: Cell
Claims (5)
アノードガス拡散層の基材及びセパレータ基材の少なくとも一方の基材と、
前記基材の表面上の少なくとも一部に位置する導電性セラミクスを含むコーティング材と、
前記基材と前記コーティング材との間に位置する酸素を含むチタン層と、を備え、
前記酸素を含むチタン層の厚さは、20nm以下であり、
前記コーティング材の厚さは、1032nm以上3000nm以下であり、
前記基材はチタンを含み、
前記導電性セラミクスは、窒化チタンを含む水電解セル用部材。 A water electrolysis cell member that is at least one of an anode gas diffusion layer and a separator,
At least one base material of an anode gas diffusion layer base material and a separator base material;
a coating material containing conductive ceramics located on at least a portion of the surface of the base material;
a titanium layer containing oxygen located between the base material and the coating material,
The thickness of the titanium layer containing oxygen is 20 nm or less,
The thickness of the coating material is 1032 nm or more and 3000 nm or less,
The base material includes titanium,
The conductive ceramic is a member for a water electrolysis cell containing titanium nitride .
前記水電解セルに含まれる前記セパレータ及び前記アノードガス拡散層の少なくとも一方は、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の水電解セル用部材から構成されている水電解セル。 A water electrolysis cell comprising a separator, an anode gas diffusion layer, an anode catalyst, a cathode catalyst, and an electrolyte membrane,
A water electrolysis cell, wherein at least one of the separator and the anode gas diffusion layer included in the water electrolysis cell is composed of the member for a water electrolysis cell according to any one of claims 1 to 3 .
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