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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022170650
(43)【公開日】2022-11-10
(54)【発明の名称】膜電極接合体および電解による水素発生方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/23 20210101AFI20221102BHJP
C25B 11/052 20210101ALI20221102BHJP
C25B 11/081 20210101ALI20221102BHJP
C25B 11/075 20210101ALI20221102BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20221102BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20221102BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20221102BHJP
B01J 23/755 20060101ALI20221102BHJP
B01J 23/889 20060101ALI20221102BHJP
B01J 23/80 20060101ALI20221102BHJP
B01J 23/847 20060101ALI20221102BHJP
B01J 23/883 20060101ALI20221102BHJP
B01J 23/89 20060101ALI20221102BHJP
B01J 27/24 20060101ALI20221102BHJP
B01J 35/02 20060101ALI20221102BHJP
B01J 35/10 20060101ALI20221102BHJP
C01B 3/02 20060101ALI20221102BHJP
C25B 11/03 20210101ALI20221102BHJP
C25B 11/053 20210101ALI20221102BHJP
C25B 11/091 20210101ALI20221102BHJP
【ＦＩ】
C25B9/23
C25B11/052
C25B11/081
C25B11/075
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B13/04 301
B01J23/755 M
B01J23/889 M
B01J23/80 M
B01J23/847 M
B01J23/883 M
B01J23/89 M
B01J27/24 M
B01J35/02 311B
B01J35/10 301G
C01B3/02 H
C25B11/03
C25B11/053
C25B11/091
【審査請求】有
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021172261
(22)【出願日】2021-10-21
(31)【優先権主張番号】110115289
(32)【優先日】2021-04-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW
(71)【出願人】
【識別番号】390023582
【氏名又は名称】財團法人工業技術研究院
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１９５，Ｓｅｃ．４，ＣｈｕｎｇＨｓｉｎｇＲｄ．，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ ３１０４０
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】弁理士法人ＷｉｓｅＰｌｕｓ
(72)【発明者】
【氏名】林國興
(72)【発明者】
【氏名】黄篠君
(72)【発明者】
【氏名】蔡麗端
(72)【発明者】
【氏名】陳浩銘
【テーマコード（参考）】
4G169
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
4G169AA03
4G169BA08B
4G169BA17
4G169BB02A
4G169BB02B
4G169BB11A
4G169BB11B
4G169BC16A
4G169BC16B
4G169BC31A
4G169BC31B
4G169BC33A
4G169BC33B
4G169BC35A
4G169BC35B
4G169BC43A
4G169BC50A
4G169BC54A
4G169BC55A
4G169BC55B
4G169BC56A
4G169BC58A
4G169BC58B
4G169BC59A
4G169BC59B
4G169BC62A
4G169BC62B
4G169BC66A
4G169BC66B
4G169BC67A
4G169BC67B
4G169BC68A
4G169BC68B
4G169BC70A
4G169BC70B
4G169BC75A
4G169BC75B
4G169CC32
4G169DA06
4G169EA08
4G169EA12
4G169EB11
4G169EB15X
4G169EB17X
4G169EB17Y
4G169EC22X
4G169EC22Y
4G169EC26
4G169EC28
4G169EE06
4G169EE09
4K011AA10
4K011AA21
4K011AA22
4K011AA30
4K011AA49
4K011BA07
4K011BA08
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB16
4K021DB18
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB53
(57)【要約】
【課題】水素発生効率を向上しかつ製造コストを抑えることのできる、流路層を有さない膜電極接合体を提供する。
【解決手段】膜電極接合体は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜を含む。第１の電極は第１の金属メッシュ、第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層、第２の金属メッシュ、および第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層を含む。第１の金属メッシュはアニオン交換膜と第２の金属メッシュとの間に配置される。第２の金属メッシュは第１の金属メッシュよりも厚く、第１の触媒層は第２の触媒層よりも厚い。第２の触媒層は鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムである。第２の触媒層は結晶質である。
【選択図】図２
【解決手段】膜電極接合体は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜を含む。第１の電極は第１の金属メッシュ、第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層、第２の金属メッシュ、および第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層を含む。第１の金属メッシュはアニオン交換膜と第２の金属メッシュとの間に配置される。第２の金属メッシュは第１の金属メッシュよりも厚く、第１の触媒層は第２の触媒層よりも厚い。第２の触媒層は鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムである。第２の触媒層は結晶質である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含む膜電極接合体であって、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
膜電極接合体。
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含む膜電極接合体であって、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
膜電極接合体。
【請求項2】
前記第１の電極がアノードであり、前記第２の電極がカソードであり、かつ前記第２の触媒層が鉄、コバルト、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、または金である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項3】
前記第１の触媒層の化学構造がＭ’ａＭ”ｂＮ２、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅまたはＭｘＲｕｙＮ２（式中、Ｍ’はＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、Ｍ”はＮｂ、Ｔａ、またはこれらの組み合わせであり、ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０．７≦ａ≦１．７、０．３≦ｂ≦１．３、ａ＋ｂ＝２、０．２４≦ｃ≦１．７、０．３≦ｄ≦１．７６、０．３８≦ｅ≦３．６１、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２であり、かつｘ＋ｙ＝２である。）であり、
Ｍ’ａＭ”ｂＮ２が立方晶系であり、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅが立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質である、請求項２に記載の膜電極接合体。
Ｍ’ａＭ”ｂＮ２が立方晶系であり、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅが立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質である、請求項２に記載の膜電極接合体。
【請求項4】
前記第１の電極がカソードであり、前記第２の電極がアノードであり、かつ前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、金、またはアルミニウムである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項5】
前記第１の触媒層の化学構造がＭｘＲｕｙＮ２またはＭｘＲｕｙであり、ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２、ｘ＋ｙ＝２であり、ＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙが立方晶系である、請求項４に記載の膜電極接合体。
【請求項6】
前記第１の触媒層の厚さが０．２５マイクロメートルから１マイクロメートルであり、前記第２の触媒層の厚さが０．０１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項7】
前記第２の金属メッシュの孔径が６０マイクロメートルから１２０マイクロメートルである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項8】
前記第２の金属メッシュと前記第２の触媒層との重量比が９０：１０から９９．９：０．１である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項9】
前記膜電極接合体が第１の集電体と第２の集電体との間に介設され、前記第１の電極が前記アニオン交換膜と前記第１の集電体との間に配置され、前記第２の電極が前記アニオン交換膜と前記第２の集電体との間に配置され、かつ前記第１の電極と前記第１の集電体との間には流路層が無い、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項10】
前記第２の電極が、
第３の金属メッシュと、
前記第３の金属メッシュを覆う第３の触媒層と、
第４の金属メッシュと、
前記第４の金属メッシュを覆う第４の触媒層と、
を含み、
前記第３の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第４の金属メッシュとの間に配置され、
前記第４の金属メッシュが前記第３の金属メッシュよりも厚く、前記第３の触媒層が前記第４の触媒層よりも厚く、前記第４の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第４の触媒層が結晶質である、請求項１に記載の膜電極接合体。
第３の金属メッシュと、
前記第３の金属メッシュを覆う第３の触媒層と、
第４の金属メッシュと、
前記第４の金属メッシュを覆う第４の触媒層と、
を含み、
前記第３の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第４の金属メッシュとの間に配置され、
前記第４の金属メッシュが前記第３の金属メッシュよりも厚く、前記第３の触媒層が前記第４の触媒層よりも厚く、前記第４の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第４の触媒層が結晶質である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項11】
前記膜電極接合体が第１の集電体と第２の集電体との間に介設され、前記第１の電極が前記アニオン交換膜と前記第１の集電体との間に配置され、前記第２の電極が前記アニオン交換膜と前記第２の集電体との間に配置され、前記第１の電極と前記第１の集電体との間には流路層が無く、かつ前記第２の電極と前記第２の集電体との間には流路層が無い、請求項１０に記載の膜電極接合体。
【請求項12】
膜電極接合体をアルカリ水溶液中に浸漬する工程であって、前記膜電極接合体が、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含み、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極に電位を印加して前記アルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるようにする工程と、
を含む、
電解による水素発生の方法。
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含み、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極に電位を印加して前記アルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるようにする工程と、
を含む、
電解による水素発生の方法。
【請求項13】
前記アルカリ水溶液のｐＨ値が１３以上である、請求項１２に記載の電解による水素発生の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術分野は膜電極接合体に関し、より詳細には、膜電極接合体を用いる電解による水素発生の方法に関する。
【背景技術】
【0002】
昨今のエネルギー不足により代替エネルギーを見い出すことが急務となっているが、水素エネルギーは最良の選択である。燃料として用いられる水素ガスは環境保護の要求を満たしており、水の電解は水素と酸素とを生成する最も簡単な方法である。カーボンニュートラルのための環境に優しい水素源技術の将来の発展において、アルカリ水電解による水素発生には、設備構築のコストが低い、および部材の寿命が長いといった利点があるため、将来有望な技術であると共に、全世界で注目されている。
【0003】
クリーンな再生可能エネルギーの使用は、国際的に未来の発展の趨勢となっている。現段階でのグローバルな発展においては、再生エネルギーの効率を改善すること、特に余剰電力の部分に焦点が置かれている。水の電解による水素発生は、再生可能な電力の余剰電力を調節するのに役立つ。よって、水の電解による水素発生のコストおよび効率の改善は、次世代技術を産業化する重要な基礎となる。各構成要素を有効に整合して電解の効率改善およびコスト低減を図ることが、極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第１０６０４８５４号明細書（Ｂ２）
【特許文献2】米国特許第１０５１９５５５号明細書（Ｂ２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の電解には、アルカリ水溶液を取り込むと共に、電解により生成された水素および酸素を排出するための流路層（flow channel layer）が必要である。しかし、流路層は機械加工により作製されるものであって高価であるため、電解のコストを増加させてしまう。よって、流路層を省くことのできる新規な膜電極接合体が求められる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の１実施形態は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜を含む膜電極接合体を提供する。第１の電極は、第１の金属メッシュと、第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、第２の金属メッシュと、第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層とを含み、第１の金属メッシュはアニオン交換膜と第２の金属メッシュとの間に配置され、第２の金属メッシュは第１の金属メッシュよりも厚く、第１の触媒層は第２の触媒層よりも厚く、第２の触媒層は、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ第２の触媒層は結晶質である。
【0007】
本開示の１実施形態は、膜電極接合体をアルカリ水溶液中に浸漬する工程を含む電解による水素発生の方法であって、膜電極接合体が、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜を含む、方法を提供する。第１の電極は、第１の金属メッシュと、第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、第２の金属メッシュと、第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層とを含み、第１の金属メッシュはアニオン交換膜と第２の金属メッシュとの間に配置され、第２の金属メッシュは第１の金属メッシュよりも厚く、第１の触媒層は第２の触媒層よりも厚く、第２の触媒層は、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ第２の触媒層は結晶質である。当該方法は、第１の電極および第２の電極に電位を印加してアルカリ水溶液を電解し、第１の電極または第２の電極の一方の電極で水素を生成させ、かつ第１の電極または第２の電極の他方の電極で酸素を生成させる工程と、をさらに含む。
【発明の効果】
【0008】
水素発生効率を向上すると共に、製造コストを抑えることのできる、流路層を有さない新規な膜電極接合体が開示される。
【0009】
添付の図面を参照としながら、以下の実施形態において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】水素発生に用いる電解装置を示している。
【図2】水素発生に用いる電解装置を示している。
【図3】１実施形態における濃度の異なる鉄前駆体溶液からなるＦｅ－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線を示している。
【図4】１実施形態における濃度の異なるコバルト前駆体溶液からなるＣｏ－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線を示している。
【図5】１実施形態における濃度の異なるコバルト前駆体溶液からなるＣｏ－発泡ニッケルのＨＥＲ曲線を示している。
【図6】１実施形態における膜電極接合体の電流対電圧曲線を示している。
【図7】１実施形態における膜電極接合体の電流対電圧曲線を示している。
【図8】１実施形態における膜電極接合体の電流対電圧曲線を示している。
【図9】１実施形態における、６０時間動作後の膜電極接合体の電流対電圧曲線を示している。
【図10】１実施形態における膜電極接合体の電流対電圧曲線を示している。
【図11】各種膜電極接合体の電流対電圧曲線の比較を示している。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下の詳細な記載では、説明の目的で、開示された実施形態が十分理解されるように多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、これら特定の詳細が無くても、１つまたはそれ以上の実施形態が実施可能であるということは、明らかであろう。また、図を簡潔とするために、周知の構造及び装置は概略的に図示されている。
【0012】
図１に示されるように、本開示の１実施形態は、水素発生に用いる電解装置１００を提供する。アニオン交換膜１３がアノード１１とカソード１５との間に配置されて膜電極接合体（ＭＥＡ）１０が形成され、ＭＥＡ１０は２つの集電体１９の間に配置される。反応物質（例えばアルカリ水溶液）をＭＥＡ１０中に取り込み、かつ生成物（例えば水素および酸素）をＭＥＡ１０から排出するために、集電体１９とアノード１１との間に１つの流路層１７が配置される必要があり、かつ集電体１９とカソード１５との間にもう１つの流路層１７が配置される必要がある。一般に、流路層１７の製造コストは高いため、水素発生に用いる電解装置１００のコストが上がってしまう。
【0013】
かかる流路層の問題を克服するため、本開示の１実施形態は、図２に示されるような水素発生に用いる電解装置２００を提供する。この水素発生に用いる電解装置２００は、２つの集電体１９の間に配置されるＭＥＡ２０を含む。ＭＥＡ２０はアノード１１、カソード１５、およびアノード１１とカソード１５との間に配置されるアニオン交換膜１３を含む。アノード１１は、触媒層Ｃ１（図示せず）に覆われている金属メッシュ１１Ａ、および触媒層Ｃ２（図示せず）に覆われている金属メッシュ１１Ｂを含む。金属メッシュ１１Ａはアニオン交換膜１３と金属メッシュ１１Ｂとの間に配置される。例えば、金属メッシュ１１Ａは、ステンレス鋼メッシュ、Ｔｉメッシュ、Ｎｉメッシュ、Ｎｉ合金メッシュ、ニオブ合金メッシュ、銅メッシュ、またはアルミニウムメッシュであってよい。触媒層Ｃ１の化学構造は、Ｍ’ａＭ”ｂＮ２、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅまたはＭｘＲｕｙＮ２である（ただし、Ｍ’はＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、Ｍ”はＮｂ、Ｔａ、またはこれらの組み合わせであり、ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０．７≦ａ≦１．７、０．３≦ｂ≦１．３、ａ＋ｂ＝２、０．２４≦ｃ≦１．７、０．３≦ｄ≦１．７６、０．３８≦ｅ≦３．６１、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２であり、かつｘ＋ｙ＝２である。）。Ｍ’ａＭ”ｂＮ２は立方晶系であり、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅは立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙＮ２は立方晶系または非晶質である。触媒層Ｃ１に覆われた金属メッシュ１１Ａについては、本出願人が先に出願した台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書を参照にすることができる。なお、触媒層Ｃ１は上述した触媒組成に限定されず、アノードに適した任意の市販の触媒であってもよいという点に留意されたい。
【0014】
また、金属メッシュ１１Ｂはステンレス鋼メッシュ、Ｔｉメッシュ、Ｎｉメッシュ、Ｎｉ合金メッシュ、ニオブ合金メッシュ、銅メッシュ、またはアルミニウムメッシュであってよい。触媒層Ｃ２は、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムである。１実施形態において、金属メッシュ１１Ｂを覆う触媒層Ｃ２は、鉄、コバルト、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、または金である。触媒層Ｃ２に覆われる金属メッシュ１１Ｂは化学的還元によって形成されるため、触媒層Ｃ２は結晶質となる。実験から、結晶質の触媒層Ｃ２の電解による水素発生の効果は、非晶質の触媒層Ｃ２よりも高いことが分かっている。さらに、金属メッシュ１１Ｂは、流路層に代わってその機能を果たすように、金属メッシュ１１Ａよりも厚くなっている。１実施形態において、金属メッシュ１１Ａは、表面が平滑なステンレス鋼メッシュであり、金属メッシュ１１Ｂは、表面が粗いニッケルメッシュ（例えば発泡ニッケル（nickel foam））である。金属メッシュ１１Ａは、金属メッシュ１１Ｂがアニオン交換膜１３に突き刺さらないよう、アニオン交換膜１３を保護することができる（穿通されたアニオン交換膜１３は装置のショート不良を引き起こし得る）。金属メッシュ１１Ｂは、高価な流路層に取って代わることができる上、流路層よりも優れた電解による水素発生の効果を提供できる。また、触媒層Ｃ１は触媒層Ｃ２よりも厚い。触媒層Ｃ１の厚さは０．２５マイクロメートル（μｍ）から１マイクロメートルであってよく、触媒層Ｃ２の厚さは０．０１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルであってよい。触媒層Ｃ１の厚さが触媒層Ｃ２の厚さ以下であると、電解による水素発生の効果が不十分となる。
【0015】
図２に示されるように、カソード１５は、触媒層Ｃ３（図示せず）に覆われた金属メッシュ１５Ａ、および触媒層Ｃ４（図示せず）に覆われた金属メッシュ１５Ｂを含む。金属メッシュ１５Ａはアニオン交換膜１３と金属メッシュ１５Ｂとの間に配置される。例えば、金属メッシュ１５Ａはステンレス鋼メッシュ、Ｔｉメッシュ、Ｎｉメッシュ、Ｎｉ合金メッシュ、ニオブ合金メッシュ、銅メッシュ、またはアルミニウムメッシュであってよい。触媒層Ｃ３の化学構造は、ＭｘＲｕｙＮ２またはＭｘＲｕｙである（ただし、ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２、ｘ＋ｙ＝２である。）。ＭｘＲｕｙＮ２は立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙは立方晶系である。触媒層Ｃ３に覆われた金属メッシュ１５Ａについては、本出願人が先に出願した台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書を参照にすることができる。なお、触媒層Ｃ３は上述した触媒組成に限定されず、カソードに適した任意の市販の触媒であってもよいという点に留意されたい。
【0016】
また、金属メッシュ１５Ｂは、ステンレス鋼メッシュ、Ｔｉメッシュ、Ｎｉメッシュ、Ｎｉ合金メッシュ、ニオブ合金メッシュ、銅メッシュ、またはアルミニウムメッシュであってよい。触媒層Ｃ４は、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムである。１実施形態において、金属メッシュ１５Ｂを覆う触媒層Ｃ４は、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、金、またはアルミニウムである。触媒層Ｃ４に覆われる金属メッシュ１５Ｂは化学的還元によって形成されるため、触媒層Ｃ４は結晶質となる。実験から、結晶質の触媒層Ｃ４の電解による水素発生の効果は、非晶質の触媒層Ｃ４よりも高いことが分かっている。さらに、金属メッシュ１５Ｂは、流路層に代わってその機能を果たすように、金属メッシュ１５Ａよりも厚くなっている。１実施形態において、金属メッシュ１５Ａは表面が平滑なステンレス鋼メッシュであり、金属メッシュ１５Ｂは表面が粗いニッケルメッシュ（例えば発泡ニッケル）である。金属メッシュ１５Ａは、金属メッシュ１５Ｂがアニオン交換膜１３に突き刺さらないよう、アニオン交換膜１３を保護することができる（穿通されたアニオン交換膜１３は装置のショート不良を引き起こし得る）。金属メッシュ１５Ｂは、高価な流路層に取って代わることができる上、流路層よりも優れた電解による水素発生の効果を提供できる。また、触媒層Ｃ３は触媒層Ｃ４よりも厚い。触媒層Ｃ３の厚さは１０マイクロメートルから１００マイクロメートルであってよく、触媒層Ｃ４の厚さは０．０１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルであってよい。触媒層Ｃ３の厚さが触媒層Ｃ４の厚さ以下であると、電解による水素発生の効果が不十分となる。
【0017】
１実施形態において、アニオン交換膜１３はハロゲンイオン含有イミダゾールポリマーまたはその他の適した素材であってよい。例えば、アニオン交換膜１３はＦＡＳ（Fumatech社製）またはＸ３７－５０（Dioxide materials社製）であり得る。ＭＥＡ２０は、アルカリ水溶液を電解することによって水素を生成するのに用いられるため、他のイオン交換膜ではなく、アニオン交換膜１３が採用される。いくつかの実施形態では、集電体はステンレス鋼プレート、チタンプレート、またはその他の適したプレートであってよい。
【0018】
アノード１１の金属メッシュ１１Ｂおよびカソード１５の金属メッシュ１５Ｂは流路層として機能し得るため、ＭＥＡ２０と集電体１９との間にさらなる流路層の存在は必要ない。なお、図２では、アノード１１およびカソード１５の両者に２層金属メッシュの設計を採用しているが、本開示はこれに限定されることはないという点に留意されたい。例えば、アノードを別の市販のアノード（非金属メッシュ）として流路層と組み合わせて用いてもよく、カソードだけに２層金属メッシュの設計を用いて流路層を省くようにする。また、カソードを別の市販のカソード（非金属メッシュ）として流路層と組み合わせて用いてもよく、アノードだけに２層金属メッシュの設計を用いて流路層を省くようにする。つまり、ＭＥＡの片側のみに２層金属メッシュを用いて流路層を省き、ＭＥＡの他方の側に従来の流路層を用いるようにすることができる。
【0019】
いくつかの実施形態において、触媒層Ｃ１の厚さは０．２５マイクロメートルから１マイクロメートルであり、触媒層Ｃ３の厚さは１０マイクロメートルから１００マイクロメートルである。触媒層Ｃ１または触媒層Ｃ３が薄すぎると、電解による水素発生の効果が不十分となってしまう。触媒層Ｃ１または触媒層Ｃ３が厚過ぎると、電解による水素発生の効果が不十分となってしまう。いくつかの実施形態において、触媒層Ｃ２（または触媒層Ｃ４）の厚さは０．０１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルである。触媒層Ｃ２または触媒層Ｃ４が薄すぎると、触媒層が無い場合と効果が同等になってしまう。触媒層Ｃ２または触媒層Ｃ４が厚過ぎると、ＭＥＡの電解による水素発生の効果が低下してしまう。
【0020】
いくつかの実施形態において、金属メッシュ１１Ｂまたは金属メッシュ１５Ｂの孔径は６０マイクロメートルから１２０マイクロメートルである。金属メッシュ１１Ｂまたは金属メッシュ１５Ｂの孔径が小さすぎると、反応物質、例えばアルカリ水溶液が有効にＭＥＡ２０に取り込まれ得ない、またはガス生成物（例えば水素および酸素）が有効にＭＥＡ２０から排出され得なくなる。金属メッシュ１１Ｂまたは金属メッシュ１５Ｂの孔径が過度に大きいと、電解による水素発生の効率を長時間保つことができなくなる（例えば、長時間動作後の減衰の程度が高まる）。
【0021】
いくつかの実施形態において、金属メッシュ１１Ｂと触媒層Ｃ２との重量比は９０：１０から９９．９：０．１であるか、または金属メッシュ１５Ｂと触媒層Ｃ４との重量比は９０：１０から９９．９：０．１である。上記重量比が過度に低い（例えば、触媒層の量が多すぎる）と、電解の水素発生の効率が不十分になってしまう。上記重量比が過度に高い（例えば、触媒層の量が少なすぎる）と、触媒層が無い場合と効果が同等になってしまう。
【0022】
いくつかの実施形態において、触媒層Ｃ２に覆われた金属メッシュ１１Ｂは、触媒層Ｃ４に覆われた金属メッシュ１５Ｂと同じものである。或いは、触媒層Ｃ２に覆われた金属メッシュ１１Ｂは、触媒層Ｃ４に覆われた金属メッシュ１５Ｂと、例えば、触媒の種類が異なる、金属メッシュの孔径が異なる、金属メッシュの厚さが異なる、またはこれらの組み合わせであるように、異なるものである。例として、金属メッシュ１１Ｂを覆う触媒層Ｃ２には鉄を採用してよく、金属メッシュ１５Ｂを覆う触媒層Ｃ４にはコバルトまたは金を採用してよい。
【0023】
本開示の１実施形態は、ＭＥＡ２０をアルカリ水溶液中に浸漬する工程を含む電解による水素発生の方法を提供する。ＭＥＡ２０は上述したものと類似するものであり、よって詳細をここで繰り返さない。次いで、アノード１１およびカソード１５に電位を印加してアルカリ水溶液を電解し、カソード１５で水素を生成すると共に、アノード１１で酸素を生成するようにする。１実施形態において、アルカリ水溶液のｐＨ値は１３以上である。アルカリ水溶液のｐＨ値が低すぎると、その導電性が不十分となってしまう。１実施形態において、アルカリ水溶液のｐＨ値は１４である。
【0024】
以下に、本分野において通常の知識を有する者がより容易に理解できるよう、添付の図面を参照にしながら、例示的な実施例を記載する。本発明概念は、ここに記載される例示的な実施例に限定されることなく、様々な形式で具体化することができる。明確とするため、周知の部分についての記載は省き、全体を通し、類似する符号は類似する構成要素を指すものとする。
【実施例0025】
実施例１(各種金属に覆われる発泡ニッケル)
市販の発泡ニッケル（GF28024657、Merck社製）を次のステップにより前処理した：（１）アセトン中に浸漬し超音波振動を１５分；（２）脱イオン水で１０分洗浄；（３）１０ｗｔ％のＨＣｌ中に浸漬し超音波振動および洗浄３０分の後、水で洗浄；ならびに（４）５０℃の真空オーブン中で乾燥。前処理の後、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｒの金属前駆体溶液２５０ｍＭをそれぞれ調製した。前処理した発泡ニッケルを金属前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌してから、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、金属－発泡ニッケルサンプルを得た。透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の回折パターンから、サンプルの金属は結晶質相を有していることがわかった。なお、金属により発泡ニッケルを被覆する方法は化学的還元の方法であることから、結晶質相の金属が形成されることになるという点に注目されたい。電気メッキのような別の方法が用いられた場合、発泡ニッケル上に形成される金属は結晶質相ではない。ハーフセルの電気化学性能を次のステップにより測定した。０．１Ｍ ＫＯＨ溶液中で、Ａｇ／ＡｇＣｌを参照電極とし、ＯＥＲ（酸素発生反応）およびＨＥＲ（水素発生反応）のＥＩＳおよびＬＳＶを測定した。ＥＩＳ測定では、ＯＥＲおよびＨＥＲの走査範囲は０．１Ｈｚから１００００Ｈｚとした。ＯＥＲのＬＳＶ測定では、走査電圧を１．０Ｖから２．０Ｖの範囲とし、走査速度を１０ｍＶ／ｓとし、かつ走査の回数を３回とした。ＨＥＲのＬＳＶ測定では、走査電圧を０から０．４Ｖの範囲とし、走査速度を１０ｍＶ／ｓとし、かつ走査の回数を３回とした。
市販の発泡ニッケル（GF28024657、Merck社製）を次のステップにより前処理した：（１）アセトン中に浸漬し超音波振動を１５分；（２）脱イオン水で１０分洗浄；（３）１０ｗｔ％のＨＣｌ中に浸漬し超音波振動および洗浄３０分の後、水で洗浄；ならびに（４）５０℃の真空オーブン中で乾燥。前処理の後、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｒの金属前駆体溶液２５０ｍＭをそれぞれ調製した。前処理した発泡ニッケルを金属前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌してから、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、金属－発泡ニッケルサンプルを得た。透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の回折パターンから、サンプルの金属は結晶質相を有していることがわかった。なお、金属により発泡ニッケルを被覆する方法は化学的還元の方法であることから、結晶質相の金属が形成されることになるという点に注目されたい。電気メッキのような別の方法が用いられた場合、発泡ニッケル上に形成される金属は結晶質相ではない。ハーフセルの電気化学性能を次のステップにより測定した。０．１Ｍ ＫＯＨ溶液中で、Ａｇ／ＡｇＣｌを参照電極とし、ＯＥＲ（酸素発生反応）およびＨＥＲ（水素発生反応）のＥＩＳおよびＬＳＶを測定した。ＥＩＳ測定では、ＯＥＲおよびＨＥＲの走査範囲は０．１Ｈｚから１００００Ｈｚとした。ＯＥＲのＬＳＶ測定では、走査電圧を１．０Ｖから２．０Ｖの範囲とし、走査速度を１０ｍＶ／ｓとし、かつ走査の回数を３回とした。ＨＥＲのＬＳＶ測定では、走査電圧を０から０．４Ｖの範囲とし、走査速度を１０ｍＶ／ｓとし、かつ走査の回数を３回とした。
【0026】
【表1】
【0027】
表１に示されるように、非貴金属のうちではＣｏ－発泡ニッケルのＨＥＲ性能が最も優れており、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２における過電圧が１４７ｍＶであった。また、貴金属のうちではＡｕ－発泡ニッケルのＨＥＲ性能が最も優れており、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２における過電圧が１３２ｍＶであった。ＯＥＲ反応において、Ｆｅ－発泡ニッケルは、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２における過電圧が２７２ｍＶで、最も低かった。
【0028】
実施例２（異なる量の各種金属により覆われる発泡ニッケル）
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｒの金属前駆体溶液の濃度をそれぞれ調整した。前処理した発泡ニッケルを金属前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌してから、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、金属－発泡ニッケルサンプルを得た。各金属の発泡ニッケル上の被覆量、ＨＥＲ活性、およびＯＥＲ活性を表２および表３に示す。ＨＥＲ活性、およびＯＥＲ活性は上述した方法により測定した。
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、およびＣｒの金属前駆体溶液の濃度をそれぞれ調整した。前処理した発泡ニッケルを金属前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌してから、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、金属－発泡ニッケルサンプルを得た。各金属の発泡ニッケル上の被覆量、ＨＥＲ活性、およびＯＥＲ活性を表２および表３に示す。ＨＥＲ活性、およびＯＥＲ活性は上述した方法により測定した。
【0029】
【表2】
【0030】
【表3】
【0031】
表２および表３に示されるように、十分なＨＥＲ活性またはＯＥＲ活性が得られるような発泡ニッケルを覆う金属の用量は低いもの（例えば、１０ｗｔ％またはａｔ％以下）であった。
【0032】
実施例３
前処理した発泡ニッケルを、各種濃度の鉄前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌した。次いで、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、鉄－発泡ニッケルサンプルを得た。各種濃度の鉄前駆体溶液から形成された鉄－発泡ニッケルサンプルについて、エネルギー分散型Ｘ線で測定し、元素分析を行った。各種鉄－発泡ニッケルサンプルのＨＥＲ活性およびＯＥＲ活性が上述したような方法により測定されて、それらの結果が表４に示される。さらに、各種濃度の鉄前駆体溶液から形成された鉄－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線が図３に示されている。図３における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。表４に示されるように、少量の鉄で覆われた発泡ニッケルはＨＥＲおよびＯＥＲを改善させる効果を備えていた。
前処理した発泡ニッケルを、各種濃度の鉄前駆体溶液中に浸漬して３時間撹拌した。次いで、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、鉄－発泡ニッケルサンプルを得た。各種濃度の鉄前駆体溶液から形成された鉄－発泡ニッケルサンプルについて、エネルギー分散型Ｘ線で測定し、元素分析を行った。各種鉄－発泡ニッケルサンプルのＨＥＲ活性およびＯＥＲ活性が上述したような方法により測定されて、それらの結果が表４に示される。さらに、各種濃度の鉄前駆体溶液から形成された鉄－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線が図３に示されている。図３における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。表４に示されるように、少量の鉄で覆われた発泡ニッケルはＨＥＲおよびＯＥＲを改善させる効果を備えていた。
【0033】
【表4】
【0034】
実施例４
前処理した発泡ニッケルを、各種濃度のコバルト前駆体溶液中にそれぞれ浸漬して３時間撹拌した。次いで、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、コバルト－発泡ニッケルサンプルを得た。各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルサンプルについて、エネルギー分散型Ｘ線で測定し、元素分析を行った。各種コバルト－発泡ニッケルサンプルのＨＥＲ活性およびＯＥＲ活性が上述したような方法により測定されて、それらの結果が表５に示される。さらに、各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線が図４に示されている。図４における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルのＨＥＲ曲線が図５に示されている。図５における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。表５に示されるように、少量のコバルトで覆われた発泡ニッケルはＨＥＲおよびＯＥＲを改善させる効果を備えていた。
前処理した発泡ニッケルを、各種濃度のコバルト前駆体溶液中にそれぞれ浸漬して３時間撹拌した。次いで、発泡ニッケルの表面を、浸出液が透明になるまで脱イオン水で洗浄した。発泡ニッケル上の余分な水気を拭取ペーパーで拭い、９０℃での熱風循環型オーブンで乾燥させることにより、コバルト－発泡ニッケルサンプルを得た。各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルサンプルについて、エネルギー分散型Ｘ線で測定し、元素分析を行った。各種コバルト－発泡ニッケルサンプルのＨＥＲ活性およびＯＥＲ活性が上述したような方法により測定されて、それらの結果が表５に示される。さらに、各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルのＯＥＲ曲線が図４に示されている。図４における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。各種濃度のコバルト前駆体溶液から形成されたコバルト－発泡ニッケルのＨＥＲ曲線が図５に示されている。図５における横軸は可逆水素電極（ＲＨＥ）に対する電圧（Ｖ）であり、縦軸は電流密度（Ｊ，ｍＡ／ｃｍ２）である。表５に示されるように、少量のコバルトで覆われた発泡ニッケルはＨＥＲおよびＯＥＲを改善させる効果を備えていた。
【0035】
【表5】
【0036】
実施例５
市販のＰｔＣをカーボンペーパーおよび発泡ニッケル（孔径９１マイクロメートル）に塗布し、ＨＥＲのカソードとして用いた。市販の不溶性アノード（ＩｒＯ２／ＲｕＯ２－Ｔｉメッシュ、ＤＳＡ電極）および発泡ニッケル（孔径９１マイクロメートル）をＯＥＲのアノードとして用いた。アニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をＰｔＣのカソードとＤＳＡ電極のアノードとの間に介設して膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。ＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、次いで２Ｍ ＫＯＨ溶液に浸漬してその電気化学活性をテストした。走査電圧を１．２Ｖから２．２Ｖの範囲とし、走査速度を５０ｍＶ／ｓとした。その膜電極接合体は、２Ｖで５．１８Ａの電流を生じさせることができた。ＭＥＡの電位を２Ｖに制御し、１０００分連続して動作させたところ、ＭＥＡの電流減衰は約４．６％となった。
市販のＰｔＣをカーボンペーパーおよび発泡ニッケル（孔径９１マイクロメートル）に塗布し、ＨＥＲのカソードとして用いた。市販の不溶性アノード（ＩｒＯ２／ＲｕＯ２－Ｔｉメッシュ、ＤＳＡ電極）および発泡ニッケル（孔径９１マイクロメートル）をＯＥＲのアノードとして用いた。アニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をＰｔＣのカソードとＤＳＡ電極のアノードとの間に介設して膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。ＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、次いで２Ｍ ＫＯＨ溶液に浸漬してその電気化学活性をテストした。走査電圧を１．２Ｖから２．２Ｖの範囲とし、走査速度を５０ｍＶ／ｓとした。その膜電極接合体は、２Ｖで５．１８Ａの電流を生じさせることができた。ＭＥＡの電位を２Ｖに制御し、１０００分連続して動作させたところ、ＭＥＡの電流減衰は約４．６％となった。
【0037】
発泡ニッケルの孔径を１５１マイクロメートルに変えたことを除き、上述の実験を繰り返し行った。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。膜電極接合体は２Ｖで５．４２Ａの電流を生じさせることができた。ＭＥＡの電位を２Ｖに制御し、１０００分連続して動作させたところ、ＭＥＡの電流減衰は約２６．２％となった。
【0038】
発泡ニッケルの孔径を２１９マイクロメートルに変えたことを除き、上述の実験を繰り返し行った。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。膜電極接合体は２Ｖで５．６３Ａの電流を生じさせることができた。ＭＥＡの電位を２Ｖに制御し、１０００分連続して動作させたところ、ＭＥＡの電流減衰は約２２．４％となった。これら実験からわかるように、発泡ニッケルの孔径が大きすぎると、長時間動作後のＭＥＡの減衰の程度が高まる。
【0039】
実施例６－１
台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例２および１２のように、導電性カーボンペーパー上にＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５触媒を作製して、ＨＥＲのカソードとした。また、台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例９のＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュをＯＥＲのアノードとして選択した。そして、市販のアニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をそれらカソードとアノードとの間に介設してＭＥＡを形成した。そのＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、蛇行状（serpentine）流路層をＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと一方の集電体との間に介設し、もう１つの蛇行状流路層をＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュともう一方の集電体との間に介設した。ＭＥＡを２Ｍ ＫＯＨ溶液中に浸漬し、下記のようにそのＬＳＶの電気化学活性をテストした。走査電圧は１．０Ｖから２．０Ｖまでの範囲とし、走査速度は５０ｍＶ／ｓとした。ＭＥＡの電流対電圧曲線が図６に示されている。
台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例２および１２のように、導電性カーボンペーパー上にＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５触媒を作製して、ＨＥＲのカソードとした。また、台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例９のＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュをＯＥＲのアノードとして選択した。そして、市販のアニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をそれらカソードとアノードとの間に介設してＭＥＡを形成した。そのＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、蛇行状（serpentine）流路層をＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと一方の集電体との間に介設し、もう１つの蛇行状流路層をＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュともう一方の集電体との間に介設した。ＭＥＡを２Ｍ ＫＯＨ溶液中に浸漬し、下記のようにそのＬＳＶの電気化学活性をテストした。走査電圧は１．０Ｖから２．０Ｖまでの範囲とし、走査速度は５０ｍＶ／ｓとした。ＭＥＡの電流対電圧曲線が図６に示されている。
【0040】
実施例６－２
実施例６－２は実施例６－１と類似しているが、実施例６－２ではＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびＣｏ－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＯＥＲのアノードとして用い、かつＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。ＭＥＡの電流対電圧曲線は図７に示されるとおりである。
実施例６－２は実施例６－１と類似しているが、実施例６－２ではＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびＣｏ－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＯＥＲのアノードとして用い、かつＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。ＭＥＡの電流対電圧曲線は図７に示されるとおりである。
【0041】
実施例６－３
実施例６－３は実施例６－１と類似しているが、実施例６－３ではＮｉ０．７５Ｒｕ１．２５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびＣｏ－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＨＥＲのカソードとして用い、かつＮｉ０．７５Ｒｕ１．２５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。ＭＥＡの電流対電圧曲線は図８に示されるとおりである。
実施例６－３は実施例６－１と類似しているが、実施例６－３ではＮｉ０．７５Ｒｕ１．２５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびＣｏ－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＨＥＲのカソードとして用い、かつＮｉ０．７５Ｒｕ１．２５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。ＭＥＡの電流対電圧曲線は図８に示されるとおりである。
【0042】
実施例６－４
実施例６－４は実施例６－１と類似しているが、実施例６－４ではＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーおよびそれぞれ異なる金属－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＨＥＲのアノードとして用い、Ｎｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびそれぞれ異なる金属－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＯＥＲのアノードとして用い、かつＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いたと共に、Ｎｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。６０時間動作した後のＭＥＡの電流対電圧曲線は図９に示されるとおりである。この実施例ではアノードおよびカソードにおける金属－発泡ニッケルは同じであるが、アノードおよびカソードにおける金属－発泡ニッケルは異なるものであってもよい（例えば、発泡ニッケルの孔径が異なる、発泡ニッケルを覆う金属の量が異なる、金属の種類が異なる、またはこれらの組み合わせ）という点を理解すべきである。
実施例６－４は実施例６－１と類似しているが、実施例６－４ではＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーおよびそれぞれ異なる金属－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＨＥＲのアノードとして用い、Ｎｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュおよびそれぞれ異なる金属－発泡ニッケル（例えば実施例１）をＯＥＲのアノードとして用い、かつＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いたと共に、Ｎｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュと集電体との間に介設される蛇行状流路層を省いた点が相違している。ＭＥＡの他の構成要素および電気化学活性のテスト方法は上述と同じようにした。６０時間動作した後のＭＥＡの電流対電圧曲線は図９に示されるとおりである。この実施例ではアノードおよびカソードにおける金属－発泡ニッケルは同じであるが、アノードおよびカソードにおける金属－発泡ニッケルは異なるものであってもよい（例えば、発泡ニッケルの孔径が異なる、発泡ニッケルを覆う金属の量が異なる、金属の種類が異なる、またはこれらの組み合わせ）という点を理解すべきである。
【0043】
実施例７
台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例１１および１２のＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーをＨＥＲのカソードとして選び、台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例９のＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュをＯＥＲのアノードとして選び、かつ市販のアニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をそれらカソードとアノードとの間に介設してＭＥＡを形成した。そしてＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、ピン型（ｐｉｎ－ｔｙｐｅ）流路層をＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと一方の集電体との間に介設し、もう１つのピン型流路層をＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュともう一方の集電体との間に介設した。ＭＥＡを２Ｍ ＫＯＨ溶液中に浸漬し、下記のようにそのＬＳＶの電気化学活性をテストした。走査電圧は１．０Ｖから２．０Ｖまでの範囲とし、走査速度は５０ｍＶ／ｓとした。ＭＥＡの電流対電圧曲線が図１０に示されている。実施例６－１、実施例６－２、実施例６－３、および実施例７の電流対電極曲線の比較が図１１に示されている。この比較からわかるように、一方の電極にだけ（例えばアノードまたはカソード）に金属－発泡ニッケルを採用した場合、ＭＥＡの水素発生効率が改善され、かつＭＥＡの片側の流路層を省くことができることが示された。アノードおよびカソードの両方に金属－発泡ニッケルを採用した場合には、ＭＥＡの水素発生効率がより改善され、かつＭＥＡの両側の流路層を省くことができた。
台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例１１および１２のＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーをＨＥＲのカソードとして選び、台湾特許第Ｉ６７７５９６号明細書における作製例９のＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュをＯＥＲのアノードとして選び、かつ市販のアニオン交換膜Ｘ３７－５０（Dioxide Materials製）をそれらカソードとアノードとの間に介設してＭＥＡを形成した。そしてＭＥＡを２つのステンレス鋼集電体の間に介設し、ピン型（ｐｉｎ－ｔｙｐｅ）流路層をＮｉ０．０６５Ｒｕ１．９３５－導電性カーボンペーパーと一方の集電体との間に介設し、もう１つのピン型流路層をＮｉ１．５Ｎｂ０．５Ｎ２－ステンレス鋼メッシュともう一方の集電体との間に介設した。ＭＥＡを２Ｍ ＫＯＨ溶液中に浸漬し、下記のようにそのＬＳＶの電気化学活性をテストした。走査電圧は１．０Ｖから２．０Ｖまでの範囲とし、走査速度は５０ｍＶ／ｓとした。ＭＥＡの電流対電圧曲線が図１０に示されている。実施例６－１、実施例６－２、実施例６－３、および実施例７の電流対電極曲線の比較が図１１に示されている。この比較からわかるように、一方の電極にだけ（例えばアノードまたはカソード）に金属－発泡ニッケルを採用した場合、ＭＥＡの水素発生効率が改善され、かつＭＥＡの片側の流路層を省くことができることが示された。アノードおよびカソードの両方に金属－発泡ニッケルを採用した場合には、ＭＥＡの水素発生効率がより改善され、かつＭＥＡの両側の流路層を省くことができた。
【0044】
開示した方法および材料に様々な変更および変化を加え得るということが、当業者には明らかであろう。本明細書および実施例は単に例示であるとみなされるよう意図されており、本開示の真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物により示される。
【符号の説明】
【0045】
１０、２０…膜電極接合体
１１…アノード
１１Ａ、１１Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ…金属メッシュ
１３…アニオン交換膜
１５…カソード
１７…流路層
１９…集電体
１００、２００…水素発生に用いる電解装置
１１…アノード
１１Ａ、１１Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ…金属メッシュ
１３…アニオン交換膜
１５…カソード
１７…流路層
１９…集電体
１００、２００…水素発生に用いる電解装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【手続補正書】
【提出日】2022-09-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含む膜電極接合体であって、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質であり、
前記膜電極接合体が第１の集電体と第２の集電体との間に介設されるように用いられ、前記第１の電極が前記アニオン交換膜と前記第１の集電体との間に配置され、前記第２の電極が前記アニオン交換膜と前記第２の集電体との間に配置され、かつ前記第１の電極と前記第１の集電体との間には流路層が無く、
前記第１の電極および前記第２の電極は、電位を印加されてアルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるために用いられる、
膜電極接合体。
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含む膜電極接合体であって、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質であり、
前記膜電極接合体が第１の集電体と第２の集電体との間に介設されるように用いられ、前記第１の電極が前記アニオン交換膜と前記第１の集電体との間に配置され、前記第２の電極が前記アニオン交換膜と前記第２の集電体との間に配置され、かつ前記第１の電極と前記第１の集電体との間には流路層が無く、
前記第１の電極および前記第２の電極は、電位を印加されてアルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるために用いられる、
膜電極接合体。
【請求項2】
前記第１の電極がアノードであり、前記第２の電極がカソードであり、かつ前記第２の触媒層が鉄、コバルト、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、または金である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項3】
前記第１の触媒層の化学構造がＭ’ａＭ”ｂＮ２、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅまたはＭｘＲｕｙＮ２（式中、Ｍ’はＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、Ｍ”はＮｂ、Ｔａ、またはこれらの組み合わせであり、ＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０．７≦ａ≦１．７、０．３≦ｂ≦１．３、ａ＋ｂ＝２、０．２４≦ｃ≦１．７、０．３≦ｄ≦１．７６、０．３８≦ｅ≦３．６１、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２であり、かつｘ＋ｙ＝２である。）であり、
Ｍ’ａＭ”ｂＮ２が立方晶系であり、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅが立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質である、請求項２に記載の膜電極接合体。
Ｍ’ａＭ”ｂＮ２が立方晶系であり、Ｍ’ｃＭ”ｄＣｅが立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質である、請求項２に記載の膜電極接合体。
【請求項4】
前記第１の電極がカソードであり、前記第２の電極がアノードであり、かつ前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、金、またはアルミニウムである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項5】
前記第１の触媒層の化学構造がＭｘＲｕｙＮ２またはＭｘＲｕｙであり、ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、またはＺｎであり、０＜ｘ＜１．３、０．７＜ｙ＜２、ｘ＋ｙ＝２であり、ＭｘＲｕｙＮ２が立方晶系または非晶質であり、かつＭｘＲｕｙが立方晶系である、請求項４に記載の膜電極接合体。
【請求項6】
前記第１の触媒層の厚さが０．２５マイクロメートルから１マイクロメートルであり、前記第２の触媒層の厚さが０．０１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項7】
前記第２の金属メッシュの孔径が６０マイクロメートルから１２０マイクロメートルである、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項8】
前記第２の金属メッシュと前記第２の触媒層との重量比が９０：１０から９９．９：０．１である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項9】
前記第２の電極が、
第３の金属メッシュと、
前記第３の金属メッシュを覆う第３の触媒層と、
第４の金属メッシュと、
前記第４の金属メッシュを覆う第４の触媒層と、
を含み、
前記第３の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第４の金属メッシュとの間に配置され、
前記第４の金属メッシュが前記第３の金属メッシュよりも厚く、前記第３の触媒層が前記第４の触媒層よりも厚く、前記第４の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第４の触媒層が結晶質である、請求項１に記載の膜電極接合体。
第３の金属メッシュと、
前記第３の金属メッシュを覆う第３の触媒層と、
第４の金属メッシュと、
前記第４の金属メッシュを覆う第４の触媒層と、
を含み、
前記第３の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第４の金属メッシュとの間に配置され、
前記第４の金属メッシュが前記第３の金属メッシュよりも厚く、前記第３の触媒層が前記第４の触媒層よりも厚く、前記第４の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第４の触媒層が結晶質である、請求項１に記載の膜電極接合体。
【請求項10】
前記第２の電極と前記第２の集電体との間には流路層が無い、請求項９に記載の膜電極接合体。
【請求項11】
膜電極接合体をアルカリ水溶液中に浸漬する工程であって、前記膜電極接合体が、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含み、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極に電位を印加して前記アルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるようにする工程と、
を含む、
電解による水素発生の方法。
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたアニオン交換膜と、
を含み、
前記第１の電極が、
第１の金属メッシュと、
前記第１の金属メッシュを覆う第１の触媒層と、
第２の金属メッシュと、
前記第２の金属メッシュを覆う第２の触媒層と、
を含み、
前記第１の金属メッシュが前記アニオン交換膜と前記第２の金属メッシュとの間に配置され、
前記第２の金属メッシュが前記第１の金属メッシュよりも厚く、前記第１の触媒層が前記第２の触媒層よりも厚く、前記第２の触媒層が鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、白金、金、またはアルミニウムであり、かつ前記第２の触媒層が結晶質である、
工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極に電位を印加して前記アルカリ水溶液を電解し、前記第１の電極または前記第２の電極で水素を生成させ、かつ前記第１の電極または前記第２の電極のもう一方で酸素を生成させるようにする工程と、
を含む、
電解による水素発生の方法。
【請求項12】
前記アルカリ水溶液のｐＨ値が１３以上である、請求項１１に記載の電解による水素発生の方法。