JPH10102273A - Water electrolytic cell - Google Patents

Water electrolytic cell

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JPH10102273A
JPH10102273A JP8255934A JP25593496A JPH10102273A JP H10102273 A JPH10102273 A JP H10102273A JP 8255934 A JP8255934 A JP 8255934A JP 25593496 A JP25593496 A JP 25593496A JP H10102273 A JPH10102273 A JP H10102273A
Authority
JP
Japan
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platinum
polymer electrolyte
plating
water electrolysis
hydrogen
Prior art date
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Pending
Application number
JP8255934A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Arai
良幸 新井
Hiroshi Tazaki
博 田崎
Tsuneo Suzuki
恒男 鈴木
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Eneos Corp
Original Assignee
Japan Energy Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH10102273A publication Critical patent/JPH10102273A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water electrolytic cell for producing high-purity hydrogen and oxygen in the water electrolysis using a solid high molecular electrolyte. SOLUTION: The water electrolytic cell 10 is provided with a solid high molecular electrolyte 1 consisting of a fluororesin cation-exchange membrane, the catalytic electrodes (anode 3 and cathode 2) set on both sides of the electrolyte and the feeders 5 and 4 furnished respectively on the catalytic electrodes and prepared by plating the surface of a metallic sintered compact with platinum. Both sides of the electrolyte 1 are plated with a platinum-group metal 43 at >=0.05mg/cm<2> .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、水電解セルに関す
る。さらに詳しくは、高純度の酸素および水素を製造す
ることが可能な水電解セルに関する。
[0001] The present invention relates to a water electrolysis cell. More specifically, the present invention relates to a water electrolysis cell capable of producing high-purity oxygen and hydrogen.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体高分子電解質膜を使用した高
効率の水電解方法が注目されている。以下、固体高分子
電解質膜を用いた代表的な水電解セルの原理、構造を図
面によって説明する。図2は、その概略断面図を示す。
図2に示すように、水電解セル10の構造は、触媒電極
2,3を接合した固体高分子電解質膜1を挟んで、その
両側に給電体4,5(エキスパンドメタル)と通電板
6,7からなり、固体高分子電解質膜1で仕切られた陰
極室11と陽極室12から構成されている。この水電解
セル10による水電解の機構は、陰極室11及び陽極室
12へ水を供給し、電極2,3間に直流電流を通電する
ことによって、陽極室12では酸素が発生し、同時に生
成した水素イオンは固体高分子電解質膜1を移動し、陰
極室11で電子を得て水素ガスとなる。従来、このよう
な固体高分子電解質膜に触媒電極を接合する方法として
は(1)無電解めっき法、(2)ホットプレス法が知ら
れている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to a highly efficient water electrolysis method using a solid polymer electrolyte membrane. Hereinafter, the principle and structure of a typical water electrolysis cell using a solid polymer electrolyte membrane will be described with reference to the drawings. FIG. 2 shows a schematic sectional view thereof.
As shown in FIG. 2, the structure of the water electrolysis cell 10 is such that feeders 4 and 5 (expanded metal) and current-carrying plates 6 and 6 are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1 to which the catalyst electrodes 2 and 3 are joined. And a cathode compartment 11 and an anode compartment 12 separated by the solid polymer electrolyte membrane 1. The mechanism of water electrolysis by the water electrolysis cell 10 is that water is supplied to the cathode chamber 11 and the anode chamber 12 and a direct current is applied between the electrodes 2 and 3 so that oxygen is generated in the anode chamber 12 and generated simultaneously. The hydrogen ions move through the solid polymer electrolyte membrane 1, obtain electrons in the cathode chamber 11, and become hydrogen gas. Conventionally, (1) electroless plating and (2) hot pressing have been known as methods for bonding a catalyst electrode to such a solid polymer electrolyte membrane.

【0003】しかし、これらの方法にはそれぞれ、次の
ような問題があった。 (1)無電解めっき法 この方法は、固体高分子電解質膜の表面に触媒電極を還
元析出させて電極を形成する湿式処理方法であり、膜と
触媒電極の接触抵抗が小さく、接合強度が大きいことを
特徴とする(例えば、特公昭58−47471号公
報)。しかし、めっき法であるために金属しか接合する
ことができず、従って酸化物等を直接電極として用いる
ことはできなかった。また、膜を十分に張った状態でな
いと均一にめっきを行なうことができず、大型化を図る
ことが困難であるという問題があった。 (2)ホットプレス法 この方法は、予め触媒を含む電極フィルムを作製してお
き、これを固体高分子電解質膜の表面に熱圧着して接合
体を形成する乾式処理方法である(例えば、特公昭58
−15544号公報)。このため、触媒種として、金
属,酸化物のいずれをも用いることができる反面、電極
の厚さが厚くなり、接触抵抗が大きく、接合強度が弱
い。また、この方法では、電極中に触媒を均一に分散さ
せたフィルムを作製することが困難であった。
However, each of these methods has the following problems. (1) Electroless plating method This method is a wet processing method in which a catalyst electrode is formed by reducing and depositing a catalyst electrode on the surface of a solid polymer electrolyte membrane. The contact resistance between the membrane and the catalyst electrode is small, and the bonding strength is large. (For example, Japanese Patent Publication No. 58-47471). However, because of the plating method, only a metal can be bonded, and thus an oxide or the like cannot be directly used as an electrode. Further, if the film is not sufficiently stretched, plating cannot be performed uniformly, and there is a problem that it is difficult to increase the size. (2) Hot pressing method This method is a dry processing method in which an electrode film containing a catalyst is prepared in advance and this is thermocompression-bonded to the surface of a solid polymer electrolyte membrane to form a bonded body (for example, Kosho 58
No. 15544). For this reason, any of metal and oxide can be used as the catalyst species, but the thickness of the electrode is increased, the contact resistance is large, and the bonding strength is low. Also, with this method, it was difficult to produce a film in which the catalyst was uniformly dispersed in the electrode.

【0004】これらの問題を解決するために、本発明者
等は、新規な構造の水電解セルを提案した(特願平8−
12714号)。その第一の特徴は、給電体4、5とし
て金属(例えばチタン)の粉末焼結体の表面に白金メッ
キを施したものを用いたことにある。第二の特徴は、例
えば、酸化イリジウムまたは酸化ルテニウムと高分子電
解質との混合体をこの焼結体上に塗布することにより陽
極3を、例えば白金黒と高分子電解質との混合体をこの
焼結体上に塗布することにより陰極2を形成することに
ある。このような構造により、従来法と比較して作製が
容易であり、セル電圧の低い水電解セルを実現した。
[0004] In order to solve these problems, the present inventors have proposed a water electrolysis cell having a novel structure (Japanese Patent Application No. Hei 8-8).
No. 12714). The first feature is that the power supply bodies 4 and 5 are each made of a metal (for example, titanium) powder sintered body whose surface is plated with platinum. The second feature is that, for example, a mixture of iridium oxide or ruthenium oxide and a polymer electrolyte is coated on the sintered body to form the anode 3, for example, a mixture of platinum black and a polymer electrolyte. The purpose of the present invention is to form the cathode 2 by applying it on the body. With such a structure, a water electrolysis cell which is easier to manufacture than the conventional method and has a low cell voltage is realized.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
水電解セルは発生水素中に数十ppmの酸素を、また、
発生酸素中に1〜2%の水素を不純物として含有する。
水素中の不純物である酸素は、例えば水素を液化する際
に固体となり、液化装置に重大な損傷を及ぼすおそれが
あるなど、水素の二次処理上問題が生ずるため、可能な
限り取り除くことが望ましい。また、爆発限界(4%以
上)に近い1〜2%の水素を含有した酸素を発生させる
ことは極めて危険であり、酸素中の水素濃度を低減させ
ることが重要である。
However, the above-mentioned water electrolysis cell contains several tens ppm of oxygen in the generated hydrogen,
The generated oxygen contains 1-2% hydrogen as an impurity.
Oxygen, which is an impurity in hydrogen, becomes a solid, for example, when liquefying hydrogen, and may cause serious damage to the liquefaction apparatus. . Further, it is extremely dangerous to generate oxygen containing 1 to 2% of hydrogen which is close to the explosion limit (4% or more), and it is important to reduce the concentration of hydrogen in oxygen.

【0006】水電解により生成する水素、酸素中の不純
物を低減させる方法としては、たとえば、固体高分子電
解質膜の陽極側面に表面抵抗値が10〜1000Ω/c
mの白金族金属層を設けることが開示されている(特開
平3−107488号公報)。この方法では、白金めっ
き量が、0.4mg/cm2 以上必要であり、めっき時
間も極めて長い。また、純度も酸素99.98%、水素
99.89%と必ずしも満足できるものではない。
As a method for reducing impurities in hydrogen and oxygen generated by water electrolysis, for example, a surface resistance value of 10 to 1000 Ω / c is applied to the anode side surface of the solid polymer electrolyte membrane.
It is disclosed that an m-th platinum group metal layer is provided (JP-A-3-107488). In this method, the platinum plating amount is required to be 0.4 mg / cm 2 or more, and the plating time is extremely long. Further, the purity is not always satisfactory, that is, 99.98% of oxygen and 99.89% of hydrogen.

【0007】本発明は、上述の問題に鑑み、水電解セル
の改良を企図したものであり、固体高分子電解質を用い
た水電解法において、高純度の水素および酸素ガスを製
造するための水電解セルを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has been made to improve a water electrolysis cell. In a water electrolysis method using a solid polymer electrolyte, a water electrolysis method for producing high-purity hydrogen and oxygen gas is provided. The purpose is to provide a cell.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、高純度の水素および酸素を製造する
方法について鋭意検討した結果、両面に微量の白金族金
属をめっきした固体高分子電解質膜を用いることによ
り、水電解において高純度の水素および酸素を製造でき
ることを見出した。すなわち、本発明によれば、フッ素
樹脂系陽イオン交換膜からなる固体高分子電解質と、そ
の両面に設けられた触媒電極(陽極および陰極)と、そ
の触媒電極上にそれぞれ設けられた金属焼結体の表面に
白金めっきを施した給電体とを備えた水電解セルにおい
て、固体高分子電解質の表面に白金族金属をめっきして
なることを特徴とする水電解セルが提供される。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have conducted intensive studies on a method for producing high-purity hydrogen and oxygen. It has been found that high-purity hydrogen and oxygen can be produced in water electrolysis by using a polymer electrolyte membrane. That is, according to the present invention, a solid polymer electrolyte comprising a fluororesin-based cation exchange membrane, catalyst electrodes (anode and cathode) provided on both surfaces thereof, and metal sintering provided on the catalyst electrodes respectively A water electrolysis cell comprising a power feeding body having a body surface plated with platinum and comprising a solid polymer electrolyte plated with a platinum group metal on the surface.

【0009】また、その好ましい態様として、前記白金
族金属のめっき量が、0.05mg/cm2以上である
ことを特徴とする水電解セルが提供される。
In a preferred embodiment, there is provided a water electrolysis cell characterized in that the plating amount of the platinum group metal is 0.05 mg / cm 2 or more.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明の水電解セルの実施
の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。図1
は、本発明の水電解セルを模式的に示す概略断面図であ
る。本発明の水電解セルは、図1に示すように、フッ素
樹脂系陽イオン交換膜からなる固体高分子電解質1と、
その両面に設けられた触媒電極(陽極および陰極)3,
2とその触媒電極上にそれぞれ設けられた金属焼結体の
表面に白金めっきを施した給電体5,4とを備えた水電
解セル10において、固体高分子電解質1の両面に好ま
しくは0.05mg/cm2 以上(片面のめっき量、以
下同様)の白金族金属43をめっきすることにより高純
度の水素、酸素が得られるという知見に基づいている。
その理由は、必ずしも明らかではないが、陰極2側から
膜内を拡散する水素および陽極3側から拡散する酸素
が、それぞれ対極側の膜表面で触媒金属2,3によって
燃焼消費されることにより、不純物ガスとして混入する
量が減少すると考えられる。以下、各構成要素について
説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the water electrolysis cell of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG.
1 is a schematic sectional view schematically showing a water electrolysis cell of the present invention. As shown in FIG. 1, the water electrolysis cell of the present invention comprises a solid polymer electrolyte 1 comprising a fluororesin-based cation exchange membrane,
Catalyst electrodes (anode and cathode) provided on both sides
2 and power feeders 5 and 4 provided with platinum plating on the surface of a metal sintered body provided on each of the catalyst electrodes thereof. This is based on the finding that high-purity hydrogen and oxygen can be obtained by plating a platinum group metal 43 of at least 05 mg / cm 2 (a plating amount on one side, the same applies hereinafter).
Although the reason is not necessarily clear, hydrogen diffused in the film from the cathode 2 side and oxygen diffused from the anode 3 side are burned and consumed by the catalyst metals 2 and 3 on the counter electrode side film surface, respectively. It is considered that the amount mixed as impurity gas is reduced. Hereinafter, each component will be described.

【0011】1.固体高分子電解質膜 本発明に用いる固体高分子電解質膜1としては、たとえ
ば、スルホン基、カルボキシル基またはホスホン基を有
するフッ素樹脂系陽イオン交換膜を挙げることができ、
具体的にはNAFION(登録商標、以下同様) 11
2,115,117,450(デュポン社製)等を好適
に用いることができる。
1. Solid Polymer Electrolyte Membrane Examples of the solid polymer electrolyte membrane 1 used in the present invention include a fluorinated resin-based cation exchange membrane having a sulfone group, a carboxyl group or a phosphone group.
Specifically, NAFION (registered trademark, the same applies hereinafter) 11
2, 115, 117, 450 (manufactured by DuPont) or the like can be preferably used.

【0012】2.白金族金属めっき 固体高分子電解質1の両面にめっきされる白金族金属と
しては、白金,パラジウム,ロジウムなどの水素−酸素
の燃焼触媒能の大きい金属を挙げることができる。なか
でも、白金またはパラジウムが好ましい。これらの白金
族金属を固体高分子電解質膜にめっきする方法として
は、特に制限はないが、公知の無電解めっき法を用いる
ことができる。例えば、白金族金属イオン含有水溶液
(吸着浴)中で固体高分子電解質膜に金属イオンを含浸
させた後、この固体高分子電解質膜を還元剤含有溶液
(還元浴)に浸漬すればよい。より具体的には白金族金
属イオン含有水溶液は、亜硝酸アンミン白金酸にアンモ
ニア水を加え煮沸してアンミン錯体白金としたものであ
り、過剰のアンモニアは十分に揮発させることが望まし
い。亜硝酸アンミン白金酸の濃度は0.2〜2g/1、
好ましくは0.25〜1g/1である。0.2g/1未
満であると濃度が薄く十分な吸着量が得られず、2g/
1を超えると吸着量の制御がむずかしくなり、かつ、高
価な薬品のためコストも増加する。還元浴は水素化ホウ
素ナトリウム水溶液であり、濃度は0.01〜0.1重
量%好ましくは0.03〜0.06重量%である。0.
01重量%未満では還元に時間がかかり、0.1重量%
を超えるとコストが高くなる。吸着浴への好ましい浸漬
条件は、温度は30〜80℃、時間は30分〜2時間、
還元浴への好ましい浸漬条件は、温度は30〜60℃、
時間は30分〜1時間である。本発明では、この条件下
で固体高分子電解質膜の両面に、それぞれ白金族金属を
0.05mg/cm2以上、好ましくは0.05〜0.
3mg/cm2、特に好ましくは0.05〜0.2mg
/cm2 めっきする。めっき量が0.05mg/cm2
未満では、燃焼反応が十分進行せずガスの純度が悪くな
り、また、めっき量が多くなると、不純物を燃焼させる
ために必要な量以上の白金をめっきすることになり、余
分なコストをかけることとなる。 3.給電体 本発明に用いられる給電体4,5としては、図1に示す
ように金属粉末(例えばチタン、タンタル、ジルコニウ
ム、ニオブ、ニッケル、ステンレス等)の焼結体41の
表面に白金めっき42を施したもの、またはその粉末の
表面に白金メッキを施したものを焼結したものを用いる
ことにより、気液流路構造を持つ多孔質給電体を焼結法
で作製することができる(特願平8−12714号参
照)。
2. Platinum Group Metal Plating Examples of the platinum group metal plated on both surfaces of the solid polymer electrolyte 1 include metals having high hydrogen-oxygen combustion catalytic ability, such as platinum, palladium, and rhodium. Of these, platinum or palladium is preferred. The method for plating these platinum group metals on the solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but a known electroless plating method can be used. For example, after the solid polymer electrolyte membrane is impregnated with metal ions in a platinum group metal ion-containing aqueous solution (adsorption bath), the solid polymer electrolyte membrane may be immersed in a reducing agent-containing solution (reduction bath). More specifically, the platinum group metal ion-containing aqueous solution is obtained by adding ammonia water to ammineplatinic nitrite and boiling to form an ammine complex platinum, and it is desirable that excess ammonia is sufficiently volatilized. The concentration of ammine platinate nitrite is 0.2-2 g / 1,
Preferably it is 0.25 to 1 g / 1. If it is less than 0.2 g / 1, the concentration is so low that a sufficient amount of adsorption cannot be obtained, and
If it exceeds 1, it becomes difficult to control the amount of adsorption, and the cost increases because of expensive chemicals. The reducing bath is an aqueous solution of sodium borohydride, and the concentration is 0.01 to 0.1% by weight, preferably 0.03 to 0.06% by weight. 0.
If the content is less than 01% by weight, reduction takes time, and
Exceeding the cost increases. Preferred immersion conditions in the adsorption bath are as follows: temperature is 30 to 80 ° C., time is 30 minutes to 2 hours,
Preferred immersion conditions in the reducing bath are as follows:
The time is 30 minutes to 1 hour. In the present invention, under these conditions, a platinum group metal of 0.05 mg / cm 2 or more, preferably 0.05 to 0.
3 mg / cm 2 , particularly preferably 0.05 to 0.2 mg
/ Cm 2 plating. Plating amount is 0.05mg / cm 2
If the amount is less than the above, the combustion reaction does not proceed sufficiently and the purity of the gas is deteriorated.If the amount of plating is large, the amount of platinum that is required to burn the impurities is plated, and an extra cost is required. Becomes 3. As shown in FIG. 1, a platinum plating 42 is provided on the surface of a sintered body 41 of a metal powder (for example, titanium, tantalum, zirconium, niobium, nickel, stainless steel, etc.). A porous power feeder having a gas-liquid flow path structure can be manufactured by a sintering method by using a material that has been subjected to a sintering process or a product obtained by sintering a product obtained by applying a platinum plating to the surface of the powder. Hei 8-12714).

【0013】そして、気液流路構造を持つ多孔質給電体
を焼結法で作製した後、触媒電極を担持するが、その前
段階として、白金(Pt)をめっきする。この理由は、
通電時にセル電圧に関係する接触抵抗を軽減するため
と、特に陽極側ではTi等が陽極酸化を受、絶縁性のT
i等の酸化皮膜をつくることを防止するためである。T
i等の酸化皮膜が生成するとセル電圧は高くなる。
After a porous feeder having a gas-liquid flow path structure is manufactured by a sintering method, a catalyst electrode is supported. Platinum (Pt) is plated as a preceding step. The reason for this is
In order to reduce the contact resistance related to the cell voltage at the time of energization, especially on the anode side, Ti or the like undergoes anodization and the insulating T
This is to prevent the formation of an oxide film such as i. T
When an oxide film such as i is formed, the cell voltage increases.

【0014】Ti等の焼結体にPtをめっきする方法
は、前述の、固体高分子電解質への白金族金属のめっき
の場合と同様である。なお、本発明においては、金属
(例えばチタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ、ニ
ッケル、ステンレス等)の表面に前述のような白金めっ
きを施したものを前述のように焼結処理してもよい。
The method of plating Pt on a sintered body of Ti or the like is the same as the method of plating a platinum group metal on a solid polymer electrolyte. In the present invention, a metal (for example, titanium, tantalum, zirconium, niobium, nickel, stainless steel, etc.) whose surface is subjected to platinum plating as described above may be subjected to sintering as described above.

【0015】4.触媒電極 本発明に用いられる触媒電極に要求される物性として、
(1)電気の良導体、(2)耐酸性、(3)耐酸化性、
(4)耐還元性、(5)耐熱性、があるが、水電解のコ
ストに大きく影響するセル電圧を低下させるため、陽極
側では酸素過電圧、陰極側では水素過電圧の小さな金属
または酸化物を使用する必要がある。酸素・水素過電圧
の小さな金属は、一般的に白金族である。本発明に用い
られる陽極側の触媒電極3の金属として、酸素過電圧の
低いイリジウム、もしくはルテニウムおよびそれらの酸
化物、またはこれらを含む混合物が好ましく、陰極側の
触媒電極2の金属としては、水素過電圧の低い白金黒等
が好ましい。触媒電極は、既知の種々の方法により金属
焼結体上に生成することが可能であり、例えば熱分解
法、電解めっき法、無電解めっき法、塗布法等を用いる
ことができるが、塗布法が最も簡便である。
4. Catalyst electrode As the physical properties required for the catalyst electrode used in the present invention,
(1) good conductor of electricity, (2) acid resistance, (3) oxidation resistance,
Although there are (4) reduction resistance and (5) heat resistance, a metal or oxide having a small oxygen overvoltage on the anode side and a small hydrogen overvoltage on the cathode side is used to reduce the cell voltage which greatly affects the cost of water electrolysis. Must be used. Metals with a small oxygen-hydrogen overvoltage are generally of the platinum group. As the metal of the catalyst electrode 3 on the anode side used in the present invention, iridium or ruthenium having a low oxygen overvoltage or ruthenium and oxides thereof, or a mixture containing them is preferable. As the metal of the catalyst electrode 2 on the cathode side, a hydrogen overvoltage Is preferred. The catalyst electrode can be formed on the metal sintered body by various known methods. For example, a thermal decomposition method, an electrolytic plating method, an electroless plating method, a coating method, and the like can be used. Is the most convenient.

【0016】(1)陽極 本発明の実施の形態においては、図1に示すように、陽
極3として酸化イリジウム又は酸化ルテニウムと高分子
電解質との混合体を用いている。前記多孔質体給電体上
に酸化イリジウム又は酸化ルテニウムを設ける方法とし
て、本発明においては、水電解で使用する固体高分子電
解質膜(例えばNAFION 117等)と同一の組成
を有する液状の高分子電解質(NAFIONエマルジョ
ン:Aldrich Chemical Company社製)と粉状の触媒(I
rO2 又はRuO2 等)とを混合し、ペースト状態にし
てから給電体の表面に刷毛等で塗布または、スプレー法
を用いて吹き付けた後、乾燥させて電極とする方法を用
いている。使用するIrO2 又はRuO2 等としては粒
度0.5〜100μm、特には0.5〜1μmのもの
が、比表面積,触媒活性等を考慮に入れると好ましい。
ペーストの状態としては、触媒金属の濃度が、5〜70
重量%、好ましくは10〜50重量%である。5重量%
未満であると焼結体に染み込んでしまうので触媒金属を
設けることができず、70重量%を超えるとペーストの
状態にならない。触媒金属の量を変化させることによっ
て任意の設定量(担持量)とすることができる。好まし
い担持量としては0.5mg/cm2 〜10mg/cm
2 、さらに好ましくは1.5〜4mg/cm2 である。
0.5mg/cm2 未満であると電極としての性能が劣
り、10mg/cm2 を超えるとコスト高となる。刷毛
で塗布後乾燥すると液状の高分子電解質と共存している
有機溶媒が除去され触媒金属と高分子電解質の混じった
フイルムのような状態で多孔質体給電体の表面に触媒金
属が設けられる。さらに、その表面を上記と同じ液状の
高分子電解質で重ね塗りを行うことにより、高分子電解
質層を形成する。この重ね塗り量としては0.01μm
〜100μm、好ましくは0.5μm〜10μmであ
る。0.01μm未満であると、膜の剥離の抑制にやや
難があり、100μmを超えると膜は強固であるが、セ
ル電圧が高くなる。この膜を乾燥するが、乾燥温度は8
0〜150℃で30〜60分程度で十分である。
(1) Anode In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a mixture of iridium oxide or ruthenium oxide and a polymer electrolyte is used as the anode 3. In the present invention, as a method of providing iridium oxide or ruthenium oxide on the porous power feeder, in the present invention, a liquid polymer electrolyte having the same composition as a solid polymer electrolyte membrane (for example, NAFION 117 or the like) used in water electrolysis. (NAFION emulsion: manufactured by Aldrich Chemical Company) and a powdery catalyst (I
rO 2 or RuO 2 ) to form a paste, and then apply it to the surface of the power supply with a brush or the like, or spray it using a spray method, and then dry it to form an electrode. IrO 2 or RuO 2 used preferably has a particle size of 0.5 to 100 μm, particularly preferably 0.5 to 1 μm in consideration of the specific surface area, catalytic activity and the like.
As the state of the paste, the concentration of the catalyst metal is 5 to 70.
% By weight, preferably 10 to 50% by weight. 5% by weight
If it is less than 70%, the catalyst metal cannot be provided because it permeates into the sintered body, and if it exceeds 70% by weight, it does not become a paste. An arbitrary set amount (support amount) can be obtained by changing the amount of the catalyst metal. A preferable loading amount is 0.5 mg / cm 2 to 10 mg / cm
2 , more preferably 1.5 to 4 mg / cm 2 .
If it is less than 0.5 mg / cm 2 , the performance as an electrode will be poor, and if it exceeds 10 mg / cm 2 , the cost will be high. When applied with a brush and then dried, the organic solvent coexisting with the liquid polymer electrolyte is removed, and the catalyst metal is provided on the surface of the porous power feeder in a state like a film in which the catalyst metal and the polymer electrolyte are mixed. Further, the surface is overcoated with the same liquid polymer electrolyte as above to form a polymer electrolyte layer. The coating amount is 0.01 μm
To 100 μm, preferably 0.5 μm to 10 μm. If it is less than 0.01 μm, it is somewhat difficult to suppress peeling of the film, and if it exceeds 100 μm, the film is strong but the cell voltage becomes high. The film is dried at a drying temperature of 8
About 30 to 60 minutes at 0 to 150 ° C. is sufficient.

【0017】(2)陰極 本発明の実施の形態においては、図1に示すように、陰
極2として、白金黒と前記高分子電解質との混合体を用
いている。使用する白金黒としては、粒度0.1〜10
μm、特には0.5〜1μmのものが、比表面積,触媒
活性等を考慮に入れると好ましい。電極の製造方法は上
記と同様である。なお、Pt黒担持量は、0.5〜10
mg/cm2 、好ましくは2〜3mg/cm2 である。
0.5mg/cm2 未満では、電極としての性能が劣
り、10mg/cm2 を超えるとコスト高となる。
(2) Cathode In the embodiment of the present invention, a mixture of platinum black and the above-mentioned polymer electrolyte is used as the cathode 2 as shown in FIG. The platinum black used has a particle size of 0.1 to 10
μm, especially 0.5 to 1 μm, is preferable in consideration of the specific surface area, catalytic activity and the like. The method for manufacturing the electrode is the same as described above. The amount of Pt black supported is 0.5 to 10
mg / cm 2, and preferably 2~3mg / cm 2.
If it is less than 0.5 mg / cm 2 , the performance as an electrode will be poor, and if it exceeds 10 mg / cm 2 , the cost will be high.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明を実施例によってさらに具体的
に説明する。
EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.

【0019】[実施例1]市販の陽イオン交換膜(デュ
ポン社製、商品名:Nafion 117) の両面に吸
着−還元法により白金をめっきした。吸着浴は、水1リ
ットルに亜硝酸アンミン白金1.65g(Pt量1g/
リットル相当)、アンモニア水(29重量%)1ccを
加えアンモニア臭がなくなるまで30分程度煮沸した。
浴温度を50℃に調整し、これに約90分間イオン交換
膜を浸漬しアンミン錯体イオン形態にあるPtを吸着さ
せた。次に40℃の0.05重量%水素化ホウ素ナトリ
ウム水溶液(還元浴)にイオン交換膜を浸漬し、吸着し
たPtイオンを還元析出させた。このようにして得られ
た白金のめっき量は約0.27mg/cm2 、表面抵
抗値は約5×106 Ω/□であった。白金のめっき量
は、膜にめっきした白金を王水中に再溶解し、その重量
から測定した。また、表面抵抗は膜を150℃1時間乾
燥させ、23℃30%の恒温恒湿室に3日間放置し、湿
度調整を行なった後に、JIS K6911に準拠して
測定を行なった。チタン焼結体(粒径150μm、焼結
温度850℃、2時間、寸法:78×78×4mm)に
白金めっきを行なった基体に、IrO2 粉末(徳力本店
社製)とナフィオン分散液(アルドリッチケミカル社
製)を混合したペーストを塗布し150℃で30分乾燥
したものを陽極、Pt黒粉末(徳力本店社製)とナフィ
オン分散液(アルドリッチケミカル社製)を混合したペ
ーストを塗布し150℃で30分乾燥したものを陰極と
し、上記イオン交換膜を用いて図1に示す構成のセルに
より水電解を行なった。電流密度1〜3A/cm2 、8
0℃でガス発生量、純度、槽電圧の測定を行なった。結
果を表1に示す。
Example 1 Platinum was plated on both surfaces of a commercially available cation exchange membrane (trade name: Nafion 117, manufactured by DuPont) by an adsorption-reduction method. In the adsorption bath, 1.65 g of ammine platinum nitrite (Pt amount 1 g /
Liter) and 1 cc of aqueous ammonia (29% by weight), and the mixture was boiled for about 30 minutes until the smell of ammonia disappeared.
The bath temperature was adjusted to 50 ° C., and the ion exchange membrane was immersed in this for about 90 minutes to adsorb Pt in the form of ammine complex ions. Next, the ion-exchange membrane was immersed in a 0.05% by weight aqueous solution of sodium borohydride (reduction bath) at 40 ° C., and the adsorbed Pt ions were reduced and precipitated. The platinum plating amount thus obtained was about 0.27 mg / cm 2 , and the surface resistance was about 5 × 10 6 Ω / □. The amount of platinum plating was measured by re-dissolving the platinum plated on the film in aqua regia and its weight. The surface resistance was measured by drying the film at 150 ° C. for 1 hour, leaving it in a constant temperature and humidity room at 23 ° C. and 30% for 3 days, adjusting the humidity, and then measuring in accordance with JIS K6911. IrO 2 powder (manufactured by Tokuriki Honten) and Nafion dispersion liquid (Aldrich) were applied to a substrate obtained by plating platinum on a titanium sintered body (particle size: 150 μm, sintering temperature: 850 ° C., 2 hours, dimensions: 78 × 78 × 4 mm). An anode, a paste obtained by mixing Pt black powder (manufactured by Tokuriki Honten) and Nafion dispersion liquid (manufactured by Aldrich Chemical Co.) was applied to the anode, which was then dried at 150 ° C. for 30 minutes. The resultant was dried for 30 minutes as a cathode, and water electrolysis was carried out using the above ion exchange membrane in a cell having the structure shown in FIG. Current density 1-3 A / cm 2 , 8
At 0 ° C., the amount of generated gas, purity, and cell voltage were measured. Table 1 shows the results.

【0020】 [表1] ──────────────────────────────────── サンプルNo. 電流密度 槽電圧 水素純度 酸素純度 電流効率[%] (A/cm2) [V] [%] [%] 水素 酸素 ──────────────────────────────────── Pt117-1 1 1.78 100.000 100.000 98.6 98.9 2 2.05 100.000 100.000 98.9 99.1 3 2.21 100.000 100.000 99.0 99.1 ────────────────────────────────────[Table 1] ──────────────────────────────────── Sample No. Current density Bath voltage Hydrogen purity Oxygen purity Current efficiency [%] (A / cm 2 ) [V] [%] [%] Hydrogen oxygen ──────────────────────── ──────────── Pt117-1 1 1.78 100.000 100.000 98.6 98.9 2 2.05 100.000 100.000 98.9 99.1 3 2.21 100.000 100.000 99.0 99.1 ───────────────── ───────────────────

【0021】[比較例]実施例1において、前記陽イオ
ン交換膜(Nafion 117)に白金めっきを行わ
なかったこと以外は、実施例1と同様にした。結果を表
2に示す。
Comparative Example The procedure of Example 1 was repeated except that the cation exchange membrane (Nafion 117) was not plated with platinum. Table 2 shows the results.

【0022】 [表2] ──────────────────────────────────── サンプルNo. 電流密度 槽電圧 水素純度 酸素純度 電流効率[%] (A/cm2) [V] [%] [%] 水素 酸素 ──────────────────────────────────── Ptなし 1 1.88 99.998 98.610 97.8 98.6 2 2.12 99.997 98.980 98.4 99.3 3 2.29 99.996 99.060 98.4 99.2 ────────────────────────────────────[Table 2] ──────────────────────────────────── Sample No. Current density Bath voltage Hydrogen purity Oxygen purity Current efficiency [%] (A / cm 2 ) [V] [%] [%] Hydrogen oxygen ────────────────────────な し No Pt 1 1.88 99.998 98.610 97.8 98.6 2 2.12 99.997 98.980 98.4 99.3 3 2.29 99.996 99.060 98.4 99.2 ────────────────── ──────────────────

【0023】[実施例2]実施例1において、実施例1
で用いた吸着浴に、約60分間浸漬した陽イオン交換膜
(Nafion 117) を用いたこと以外は実施例1
と同様にした。その結果を表3に示す。
[Embodiment 2] In Embodiment 1, Embodiment 1
Example 1 except that a cation exchange membrane (Nafion 117) immersed for about 60 minutes was used in the adsorption bath used in Step 1.
Same as. Table 3 shows the results.

【0024】[0024]

【表3】 ──────────────────────────────────── サンプルNo. 電流密度 槽電圧 水素純度 酸素純度 電流効率[%] (A/cm2) [V] [%] [%] 水素 酸素 ──────────────────────────────────── Pt117-2 1 1.88 100.000 99.990 98.2 98.4 2 2.11 100.000 99.995 98.5 98.9 3 2.26 100.000 99.997 98.6 99.2 ────────────────────────────────────[Table 3] ──────────────────────────────────── Sample No. Current density Bath voltage Hydrogen purity Oxygen Purity Current efficiency [%] (A / cm 2 ) [V] [%] [%] Hydrogen Oxygen ─────────────────────────── ───────── Pt117-2 1 1.88 100.000 99.990 98.2 98.4 2 2.11 100.000 99.995 98.5 98.9 3 2.26 100.000 99.997 98.6 99.2 ──────────────────── ────────────────

【0025】[実施例3]実施例1において、吸着浴に
おける、亜硝酸アンミン白金量を0.41g(Pt量
0.25g/l相当)、アンモニア水(29%)を0.
25ccに変え、かつこの吸着浴に50℃、60分間浸
漬した陽イオン交換膜(Nafion 117)を用い
たこと以外は、実施例1と同様にした。その結果を表4
に示す。このようにして得られた白金のめっき量は、約
0.05mg/cm2 であり、表面抵抗値は約5×10
6Ω/□であった。
Example 3 In Example 1, the amount of ammine platinum nitrite in the adsorption bath was 0.41 g (corresponding to a Pt amount of 0.25 g / l), and the amount of ammonia water (29%) was 0.1%.
The procedure was the same as that of Example 1 except that the cation exchange membrane (Nafion 117) was changed to 25 cc and immersed in the adsorption bath at 50 ° C. for 60 minutes. Table 4 shows the results.
Shown in The plating amount of platinum thus obtained was about 0.05 mg / cm 2 , and the surface resistance was about 5 × 10
It was 6 Ω / □.

【0026】 [表4] ──────────────────────────────────── サンプルNo. 電流密度 槽電圧 水素純度 酸素純度 電流効率[%] (A/cm2) [V] [%] [%] 水素 酸素 ──────────────────────────────────── Pt117-2 1 1.75 100.000 99.962 98.5 98.8 2 2.17 100.000 99.970 98.6 99.1 3 2.27 100.000 99.979 98.7 − ────────────────────────────────────[Table 4] ──────────────────────────────────── Sample No. Current density Bath voltage Hydrogen purity Oxygen purity Current efficiency [%] (A / cm 2 ) [V] [%] [%] Hydrogen oxygen ──────────────────────── ──────────── Pt117-2 1 1.75 100.000 99.962 98.5 98.8 2 2.17 100.000 99.970 98.6 99.1 3 2.27 100.000 99.979 98.7 − ───────────────── ───────────────────

【0027】実施例のPtめっき条件とPtめっき量お
よび表面抵抗の値の関係をまとめて表5に示す。
Table 5 summarizes the relationship between the Pt plating conditions, the amount of Pt plating and the value of the surface resistance in the examples.

【0028】 [表5] ──────────────────────────────────── Pt吸着条件 Ptめっき量 表面抵抗 Pt濃度(g /l)温度(℃)時間(min) (mg/cm2) (Ω/□) ──────────────────────────────────── 比較例 − − − − 1×104 ──────────────────────────────────── 実施例1 1.00 50 90 0.05 5×106 実施例2 1.00 50 60 − − 実施例3 0.25 50 60 0.27 5×106 ──────────────────────────────────── 以上の結果より、極めて微量の白金族金属めっきを行な
った固体高分子電解質膜を用いることにより、水素中不
純物は 0、 酸素中不純物も数百ppm以下に低減でき
ることがわかる。
[Table 5] ──────────────────────────────────── Pt adsorption conditions Pt plating amount Surface Resistance Pt concentration (g / l) Temperature (° C) Time (min) (mg / cm 2 ) (Ω / □) ─────────────────────── ───────────── Comparative example − − − − 1 × 10 4 ─────────────────────────── ───────── Example 1 1.00 50 90 0.05 5 × 10 6 Example 2 1.00 50 60 − − Example 3 0.25 50 60 0.27 5 × 10 6 ───────────よ り From the above results, by using a solid polymer electrolyte membrane with a very small amount of platinum group metal plating, It is understood that impurities in hydrogen can be reduced to 0 and impurities in oxygen can be reduced to several hundred ppm or less.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、
生成ガス中の不純物濃度が低く、水素爆発の危険や二次
処理上の問題の少ない水素、酸素を製造する水電解セル
を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to provide a water electrolysis cell for producing hydrogen and oxygen, which has a low impurity concentration in a generated gas and has little risk of hydrogen explosion or a problem in secondary treatment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の水電解セルを模式的に示す概略断面図
である。
FIG. 1 is a schematic sectional view schematically showing a water electrolysis cell of the present invention.

【図2】従来の水電解セルを模式的に示す概略断面図で
ある。
FIG. 2 is a schematic sectional view schematically showing a conventional water electrolysis cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子電解質膜 2 触媒電極(陰極) 3 触媒電極(陽極) 4 給電体(陰極側) 5 給電体(陽極側) 6,7 通電板 10 水電解セル 11 陰極室 12 陽極室 41 金属粉末焼結体 42 白金めっき 43 白金族金属めっき REFERENCE SIGNS LIST 1 solid polymer electrolyte membrane 2 catalyst electrode (cathode) 3 catalyst electrode (anode) 4 power supply (cathode side) 5 power supply (anode side) 6 and 7 conductive plate 10 water electrolysis cell 11 cathode chamber 12 anode chamber 41 metal powder Sintered body 42 Platinum plating 43 Platinum group metal plating

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 フッ素樹脂系陽イオン交換膜からなる固
体高分子電解質と、その両面に設けられた触媒電極(陽
極および陰極)と、その触媒電極上にそれぞれ設けられ
た金属焼結体の表面に白金めっきを施した給電体とを備
えた水電解セルにおいて、固体高分子電解質の両面に白
金族金属をめっきしてなることを特徴とする水電解セ
ル。
1. A solid polymer electrolyte comprising a fluorinated resin-based cation exchange membrane, catalyst electrodes (anode and cathode) provided on both surfaces thereof, and a surface of a metal sintered body provided on each of the catalyst electrodes. A water electrolysis cell comprising a power supply body plated with platinum and a platinum group metal on both surfaces of a solid polymer electrolyte.
【請求項2】 前記、白金族金属のめっき量が、0.0
5mg/cm2 以上であることを特徴とする請求項1記
載の水電解セル。
2. The plating amount of the platinum group metal is 0.0
2. The water electrolysis cell according to claim 1, wherein the concentration is 5 mg / cm 2 or more.
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