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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】P2024072199
(43)【公開日】2024-05-27
(54)【発明の名称】水電解セル、及び水電解セルスタック
(51)【国際特許分類】
C25B 11/093 20210101AFI20240520BHJP
C25B 11/052 20210101ALI20240520BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240520BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240520BHJP
【ＦＩ】
C25B11/093
C25B11/052
C25B1/04
C25B9/00 A
【審査請求】有
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022182922
(22)【出願日】2022-11-15
(71)【出願人】
【識別番号】000220262
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宇根本 篤
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K011AA10
4K011AA11
4K011AA30
4K011AA69
4K011BA07
4K011CA04
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021DB31
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
【課題】高い触媒活性を示しかつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層の提供。
【解決手段】Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオンとを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、アイオノマーと、を含むアノード触媒層。
【選択図】なし
【解決手段】Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオンとを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、アイオノマーと、を含むアノード触媒層。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含むアノード触媒層。
アイオノマーと、
を含むアノード触媒層。
【請求項2】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項3】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．６２０～－０．０９０である、請求項２に記載のアノード触媒層。
【請求項4】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．５００～－０．１８０である、請求項３に記載のアノード触媒層。
【請求項5】
前記アルカリ土類金属イオンとして、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載のアノード触媒層。
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項6】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとして、チタンイオンを含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項7】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとしてジルコニウムイオンを含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項8】
前記アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸基を含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項9】
アノードガス拡散層と、請求項１に記載のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える水電解セル。
【請求項10】
請求項９に記載の水電解セルが積層された水電解セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、アノード触媒層、水電解セル、及び水電解セルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
水電解に用いる水電解セルは、アノードセパレータ、アノードガス拡散層、アノード触媒、電解質膜、カソード触媒、カソードガス拡散層、カソードセパレータ等を備えている。アノード触媒及びカソード触媒については、水電解に適した触媒が検討されている。
【0004】
例えば、特許文献１には、ナノ構造化ウィスカーの上に、少なくとも１つの層を含む酸素発生反応電解触媒を有し、前記酸素発生反応電解触媒のいずれの層も、各層のカチオン及び元素金属の総計含有量に対して、少なくとも９５原子パーセントのＩｒ及び５原子パーセント以下のＰｔを全体で含む、ナノ構造化ウィスカーを含む酸素発生反応電極が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表２０１８－５１９４２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
イリジウム、ルテニウム等のアノード活性を有する元素を含むアノード触媒は高い触媒活性を有する。しかし、アノード触媒は水電解中に強酸化雰囲気に晒されるため、例えば、ルテニウム、イリジウム等の元素は溶解しやすく、当該元素を含むアノード触媒は不安定化しやすい。
【0007】
例えば、特許文献１のようなイリジウムを含む触媒ではイリジウムが溶解しやすく、当該触媒は不安定化するおそれがある。
【0008】
本開示の目的は、高い触媒活性を示し、かつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層、並びに、このアノード触媒層を含む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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示は、以下の態様を含む。
＜１＞
トイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含むアノード触媒層。
＜２＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、＜１＞に記載のアノード触媒層。
＜３＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．６２０～－０．０９０である、＜２＞に記載のアノード触媒層。
＜４＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．５００～－０．１８０である、＜３＞に記載のアノード触媒層。
＜５＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、＜１＞～＜４＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜６＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとして、チタンイオンを含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜７＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとしてジルコニウムイオンを含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜８＞
前記アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸基を含む、＜１＞～＜７＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜９＞
アノードガス拡散層と、＜１＞～＜８＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える水電解セル。
＜１０＞
＜９＞に記載の水電解セルが積層された水電解セルスタック。
＜１＞
トイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含むアノード触媒層。
＜２＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、＜１＞に記載のアノード触媒層。
＜３＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．６２０～－０．０９０である、＜２＞に記載のアノード触媒層。
＜４＞
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．５００～－０．１８０である、＜３＞に記載のアノード触媒層。
＜５＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、＜１＞～＜４＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜６＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとして、チタンイオンを含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜７＞
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとしてジルコニウムイオンを含む、＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜８＞
前記アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸基を含む、＜１＞～＜７＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層。
＜９＞
アノードガス拡散層と、＜１＞～＜８＞のいずれか１項に記載のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える水電解セル。
＜１０＞
＜９＞に記載の水電解セルが積層された水電解セルスタック。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、高い触媒活性を示し、かつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層、並びに、このアノード触媒層を含む水電解セル及び水電解セルスタックが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
＜アノード触媒層＞
本開示のアノード触媒層は、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を含む。また、本開示のアノード触媒層は、アイオノマーを含む。
本開示のアノード触媒層は、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を含む。また、本開示のアノード触媒層は、アイオノマーを含む。
【0017】
本開示によれば、高い触媒活性を示しかつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層が得られる。この効果が奏される理由は、必ずしも明確ではないものの、以下のように推察される。
本開示のアノード触媒層は、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を含むことで安定した触媒活性を持続することができる。さらに、ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンとしてイリジウムイオン及びルテニウムイオンの少なくとも一方を含み、Ａサイトイオン及びＢサイトイオンが上記のイオンであることで、当該アノード触媒層を備える水電解セルの電流密度を高めることが可能となり、高い触媒活性を示す。また、アイオノマーを含むことで優れたイオン伝導性が得られ、高い触媒活性を示す。
以上により、高い触媒活性を示しかつ安定した触媒活性を持続できるものと推察される。
本開示のアノード触媒層は、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を含むことで安定した触媒活性を持続することができる。さらに、ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンとしてイリジウムイオン及びルテニウムイオンの少なくとも一方を含み、Ａサイトイオン及びＢサイトイオンが上記のイオンであることで、当該アノード触媒層を備える水電解セルの電流密度を高めることが可能となり、高い触媒活性を示す。また、アイオノマーを含むことで優れたイオン伝導性が得られ、高い触媒活性を示す。
以上により、高い触媒活性を示しかつ安定した触媒活性を持続できるものと推察される。
【0018】
（酸化物触媒）
まず、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオンとを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒について説明する。
酸化物触媒は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、従来公知の固相法、液相法等により当該ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を作製可能である。固相法としては、固体原料の直接反応による方法が挙げられ、液相法としては、ペッチーニ法、錯体重合法、水熱合成法等が挙げられる。
まず、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオンとを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒について説明する。
酸化物触媒は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、従来公知の固相法、液相法等により当該ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒を作製可能である。固相法としては、固体原料の直接反応による方法が挙げられ、液相法としては、ペッチーニ法、錯体重合法、水熱合成法等が挙げられる。
【0019】
ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒は、一般的にＡＢＯ３の化学式で表される。ペロブスカイト型構造の酸化物触媒は酸素不定性を有するものもある。酸素量が３より欠損、あるいは過剰となっていてもよい。また、ＡサイトイオンとＢサイトイオンは、それぞれ別の元素に部分的に置換されていてもよい。
【0020】
・アルカリ土類金属イオン（Ａサイトイオン）
ペロブスカイト型構造のＡサイトイオンは、アルカリ土類金属イオンを含む。アルカリ土類金属イオンとしては、例えばカルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン、ラジウムイオン等が挙げられる。アルカリ土類金属イオンとしては、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、ストロンチウムイオンを含むことがより好ましい。Ａサイトイオンは、１種のアルカリ土類金属イオンであってもよく、２種以上のアルカリ土類金属イオンであってもよい。
ペロブスカイト型構造のＡサイトイオンは、アルカリ土類金属イオンを含む。アルカリ土類金属イオンとしては、例えばカルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン、ラジウムイオン等が挙げられる。アルカリ土類金属イオンとしては、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、ストロンチウムイオンを含むことがより好ましい。Ａサイトイオンは、１種のアルカリ土類金属イオンであってもよく、２種以上のアルカリ土類金属イオンであってもよい。
【0021】
・イリジウムイオン及びルテニウムイオン（Ｂサイトイオン）
ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンは、イリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含む。イリジウムイオン及びルテニウムイオンは、いずれか一方のみを含んでも、両方を含んでもよい。なお、イリジウムイオンを含むことが好ましい。
ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンは、イリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含む。イリジウムイオン及びルテニウムイオンは、いずれか一方のみを含んでも、両方を含んでもよい。なお、イリジウムイオンを含むことが好ましい。
【0022】
アイオノマーの含有量（Ｘ）と、Ｂサイトイオンに含まれるイリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が、安定した触媒活性を持続できる観点から、－０．８６０～０．０６０であることが好ましく、－０．６２０～－０．０９０であることがより好ましく、－０．５００～－０．１８０であることがさらに好ましい。
ここで、セルの内部抵抗を低減して水電解反応の効率を高める観点から、アノード触媒層において、触媒粒子を高分散して反応面積を高める一方、イオン伝導を担うアイオノマーの量を適量に調整することが好ましい。イリジウムイオン及びルテニウムイオンに対するアイオノマーの比率を少な過ぎない範囲とすることで、イオン伝導パスが十分に得られセルの内部抵抗が低減され、水電解反応の効率を高められる。一方、イリジウムイオン及びルテニウムイオンに対するアイオノマーの比率を多過ぎない範囲とすることで、アイオノマーが触媒表面を覆って反応面積が少なくなることが抑制され、セルの内部抵抗が低減され、水電解反応の効率を高められる。
ここで、セルの内部抵抗を低減して水電解反応の効率を高める観点から、アノード触媒層において、触媒粒子を高分散して反応面積を高める一方、イオン伝導を担うアイオノマーの量を適量に調整することが好ましい。イリジウムイオン及びルテニウムイオンに対するアイオノマーの比率を少な過ぎない範囲とすることで、イオン伝導パスが十分に得られセルの内部抵抗が低減され、水電解反応の効率を高められる。一方、イリジウムイオン及びルテニウムイオンに対するアイオノマーの比率を多過ぎない範囲とすることで、アイオノマーが触媒表面を覆って反応面積が少なくなることが抑制され、セルの内部抵抗が低減され、水電解反応の効率を高められる。
【0023】
本開示のアノード触媒層における、Ｂサイトイオンとしてのイリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度は、安定した触媒活性を持続できる観点から、５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下であることが好ましく、７ｍｏｌ％以上６０ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、１０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下であることがさらに好ましい。
【0024】
・金属イオン（Ｂサイトイオン）
ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンは、金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）を含む。金属イオンとしては、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等の金属のイオンが挙げられる。中でも、金属イオンは、安定な元素でありアノード触媒層の安定した触媒活性を持続できる観点から、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、チタンイオン、及びジルコニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことがより好ましい。Ｂサイトイオンにおける前記金属イオンは、１種の金属イオンのみであってもよく、２種以上の金属イオンであってもよい。
ペロブスカイト型構造のＢサイトイオンは、金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）を含む。金属イオンとしては、例えばチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等の金属のイオンが挙げられる。中でも、金属イオンは、安定な元素でありアノード触媒層の安定した触媒活性を持続できる観点から、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、チタンイオン、及びジルコニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含むことがより好ましい。Ｂサイトイオンにおける前記金属イオンは、１種の金属イオンのみであってもよく、２種以上の金属イオンであってもよい。
【0025】
Ａサイトイオンにおけるアルカリ土類金属イオンと、Ｂサイトイオンにおける金属イオンと、の組み合わせについて説明する。アルカリ土類金属イオンと金属イオンとの組み合わせは、特に限定されるものではないが、アノード触媒層の安定した触媒活性を持続できる観点から、アルカリ土類金属イオンとしてストロンチウムイオンを含み、金属イオンとしてチタンイオンを含むことが好ましい。また、アノード触媒層の安定した触媒活性を持続できる観点から、アルカリ土類金属イオンとしてストロンチウムイオンを含み、金属イオンとしてジルコニウムイオンを含むことが好ましい。
【0026】
Ａサイトイオンに含まれる金属イオンのモル濃度、Ｂサイトイオンに含まれる金属イオンのモル濃度、及びＢサイトイオンに含まれるイリジウムイオンおよびルテニウムイオンのモル濃度は、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によりアノード触媒を分析することで求めることができる。
【0027】
本開示のアノード触媒層における、上記酸化物触媒（ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒）の含有率は、特に限定されず、アノード触媒層の全量に対して、７０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましく、９５質量％以上であることがさらに好ましく、１００質量％であることが最も好ましい。
【0028】
（アイオノマー）
次いで、アイオノマーについて説明する。
アイオノマーとは、例えばイオン架橋されたエチレン骨格を基本構造にもつ樹脂である。アイオノマーとしては、優れたイオン伝導を得る観点から、パーフルオロスルホン酸基を骨格中に含むことが好ましい。
次いで、アイオノマーについて説明する。
アイオノマーとは、例えばイオン架橋されたエチレン骨格を基本構造にもつ樹脂である。アイオノマーとしては、優れたイオン伝導を得る観点から、パーフルオロスルホン酸基を骨格中に含むことが好ましい。
【0029】
パーフルオロスルホン酸基を含むアイオノマーとしては、代表例として下記式（１）で示されるアイオノマーが挙げられる。
【0030】
【化1】
【0031】
（式（１）中、ｍは０～１０を、ｎは１～１０を、ｘは１～２０を、ｙは１００以上を表す。）
【0032】
例えば、ナフィオン（登録商標）１１７は、式（１）において（ｍ≧１、ｎ＝２、ｘ＝５～１３．５、ｙ＝１０００）の構造を有する。アイオノマーの化学構造は、触媒からアノード触媒層をはく離させ、固体ＮＭＲ（核磁気共鳴）測定とＣＨＮ分析（炭素Ｃ、水素Ｈ、窒素Ｎ原子分析）を併用することで評価することができる。さらに、触媒とアイオノマーの比率は、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）分析により評価することができる。
【0033】
本開示のアノード触媒層は、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒、及びアイオノマー以外の成分を含んでいてもよい。例えば、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒以外の触媒活性を有する成分、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒の生成に用いた原料の未反応成分、副反応成分、担体等が挙げられる。担体には、水電解条件で安定な酸化チタンや酸化スズ等が挙げられる。
【0034】
＜水電解セル＞
本開示の水電解セルは、アノードガス拡散層と、前述の本開示のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える。
本開示の水電解セルは、アノードガス拡散層と、前述の本開示のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える。
【0035】
アノードガス拡散層、電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層及びセパレータとしては、従来公知の水電解セルにて使用される部材を適用してもよい。
【0036】
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、ガスケット、シール材等が挙げられる。
【0037】
例えば、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層としては、それぞれ独立に、多孔質体、粉末焼結体、繊維焼結体、金属メッシュ、フェルトなどの、層内を流体が流通可能とする物質を用いることができる。
【0038】
アノードガス拡散層は、酸化による高抵抗化を抑制する観点から、耐食性の導電性材料でコーティングされていてもよい。コーティング材としては、例えば、白金、金、銀、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン等が挙げられる。
【0039】
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等が挙げられる。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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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、バナジウム及びこれらの合金、これらの酸化物等が挙げられる。触媒の形態は、粒子であってもよい。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。担体としては、例えば、カーボンブラック等が挙げられる。
【0047】
水電解セルは、酸化物触媒（アノード触媒、好ましくは酸化物触媒粒子）及びアイオノマーを含む本開示に係るアノード触媒層を備える。また、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との接触面積が増えるため、反応が促進される傾向にある。
【0048】
酸化物触媒（アノード触媒）の一次粒子径は１ｎｍ～１０μｍであることが好ましく、２ｎｍ～１μｍであることがより好ましく、５ｎｍ～１００ｎｍであることがさらに好ましい。酸化物触媒（アノード触媒）の一次粒子径が１ｎｍ以上であることにより、接触面積を増加させるために必要なアイオノマーの混合比が大きくなりすぎず、アノード触媒層内部での電子伝導パスを多く確保できるため、高抵抗化しにくくなる傾向にある。アノード触媒の一次粒子径が１０μｍ以下であることにより、アイオノマーとの接触面積の低下が抑制されるため、高抵抗化しにくくなる傾向にある。触媒の粒子径は、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡により評価できる。
【0049】
セパレータとしては、アノードガス拡散層側に配置されるアノードセパレータ、及びカソードガス拡散層側に配置されるカソードセパレータが挙げられる。セパレータの材質としては、例えば、チタン、ステンレス、カーボン等が挙げられる。アノード側に発生する酸素による酸化抑制の観点から、アノードセパレータは、チタンを含むことが好ましい。
【0050】
アノードセパレータは、酸化による高抵抗化を抑制するため、耐食性の導電性材料でコーティングされていてもよい。コーティング材としては、例えば、白金、金、銀、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン等が挙げられる。
【0051】
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。水電解セルにおいて、電解質膜は、アノード触媒層とカソード触媒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、電解質膜並びにアノード触媒層及びカソード触媒層は、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、アノード触媒層及びカソード触媒層並びにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層は、２つのセパレータの間に位置することが好ましい。
【0052】
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、アノード触媒層１２と、電解質膜１１と、カソード触媒層１３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。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。
【0053】
＜水電解装置＞
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。
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。
【0054】
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。
【実施例0055】
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。
【0056】
＜実施例１＞
ペッチーニ法により、イリジウムイオンをチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）のＢサイトに組み込んだペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を得た。出発原料は、硝酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＮＯ３）２）、チタンテトラブトキシド（Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉ）及びヘキサクロロイリジウム酸カリウム（Ｋ２ＩｒＣｌ６）とした。Ｓｒ（ＮＯ３）２を３０．２ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を５．７ｇ、クエン酸一水和物（Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏ）を２０．１ｇ、それぞれ秤量し、７５０ｍＬの純水に投入して混合し、室温で１時間以上攪拌して溶解した。この混合溶液を溶液Ａとした。Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを８．１ｇ秤量して、３００ｍＬのエチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）とともに混合し、１時間以上攪拌して混合した。この混合溶液を溶液Ｂとした。溶液Ａを溶液Ｂに投入した後、ホットスターラーを使用し、７０℃で３時間以上攪拌混合した。その後、混合溶液をジルコニア製るつぼに移し、１８０℃で１２時間、２００℃で６時間、３００℃で６時間、５００℃で３時間、６００℃で６時間熱処理した。熱処理後の粉末を回収し、濃度１Ｍの塩酸水溶液５００ｍＬとともにビーカーに投入して６時間以上攪拌し、未反応成分を取り除いた。得られた混合溶液は、吸引ろ過器を使用して水洗し、オーブンにて６０℃で乾燥した後、触媒粉末を得た。合成した触媒粉末に対して、Ｘ線回折測定を実施したところ、ペロブスカイト型構造に由来する回折パターンが得られた。得られた粉末を王水に溶解し、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）により分析したところ、Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は６７ｍｏｌ％であった。
ペッチーニ法により、イリジウムイオンをチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）のＢサイトに組み込んだペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を得た。出発原料は、硝酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＮＯ３）２）、チタンテトラブトキシド（Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉ）及びヘキサクロロイリジウム酸カリウム（Ｋ２ＩｒＣｌ６）とした。Ｓｒ（ＮＯ３）２を３０．２ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を５．７ｇ、クエン酸一水和物（Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏ）を２０．１ｇ、それぞれ秤量し、７５０ｍＬの純水に投入して混合し、室温で１時間以上攪拌して溶解した。この混合溶液を溶液Ａとした。Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを８．１ｇ秤量して、３００ｍＬのエチレングリコール（Ｃ２Ｈ６Ｏ２）とともに混合し、１時間以上攪拌して混合した。この混合溶液を溶液Ｂとした。溶液Ａを溶液Ｂに投入した後、ホットスターラーを使用し、７０℃で３時間以上攪拌混合した。その後、混合溶液をジルコニア製るつぼに移し、１８０℃で１２時間、２００℃で６時間、３００℃で６時間、５００℃で３時間、６００℃で６時間熱処理した。熱処理後の粉末を回収し、濃度１Ｍの塩酸水溶液５００ｍＬとともにビーカーに投入して６時間以上攪拌し、未反応成分を取り除いた。得られた混合溶液は、吸引ろ過器を使用して水洗し、オーブンにて６０℃で乾燥した後、触媒粉末を得た。合成した触媒粉末に対して、Ｘ線回折測定を実施したところ、ペロブスカイト型構造に由来する回折パターンが得られた。得られた粉末を王水に溶解し、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）により分析したところ、Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は６７ｍｏｌ％であった。
【0057】
合成した触媒粉末を用いて、電流密度測定用の試験用アノード触媒層を作製した。得られた触媒粉末を１０ｇ、アイオノマーに相当する５質量％ナフィオン分散溶液（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社製、７０１６０）を、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）（アイオノマーの含有量（Ｘ）と、Ｂサイトイオンに含まれるイリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値）が－０．６６２となるよう秤量し、２－プロパノール、及び純水とともにガラス容器に移し、ホモジェナイザーにより３０分以上混合してアノードスラリーを得た。
カソード触媒には市販のＰｔ／Ｃ（白金／カーボン）を用い、アイオノマーと混合してカソードスラリーを得た。
アノードスラリーとカソードスラリーをそれぞれ縦と横の長さがいずれも５ｃｍであるポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））シート上に噴霧し、ホットプレスを用いて電解質膜上に転写することで触媒層付き電解質膜を作製した。テフロンシートへの塗布前後の質量差からアノード触媒量を決定し、触媒の金属元素の比率からイリジウム塗布量を計算した。転写前後のテフロンシートの質量を比較したところ、アノード触媒層の転写率は１００％であった。
カソード触媒には市販のＰｔ／Ｃ（白金／カーボン）を用い、アイオノマーと混合してカソードスラリーを得た。
アノードスラリーとカソードスラリーをそれぞれ縦と横の長さがいずれも５ｃｍであるポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））シート上に噴霧し、ホットプレスを用いて電解質膜上に転写することで触媒層付き電解質膜を作製した。テフロンシートへの塗布前後の質量差からアノード触媒量を決定し、触媒の金属元素の比率からイリジウム塗布量を計算した。転写前後のテフロンシートの質量を比較したところ、アノード触媒層の転写率は１００％であった。
【0058】
作製した触媒層付き電解質膜を２ｃｍ角に切り取り、アノード触媒をヘラではがして掻き取り、王水中に溶解してＩＣＰ（株式会社日立ハイテクサイエンス製、ＰＳ３５２０ＶＤＤＩＩ）分析することで、触媒の組成と塗布量を分析したところ、触媒の仕込みの組成および塗布量と一致していた。また、固体１９Ｆ－ＮＭＲ分析（Ｂｒｕｋｅｒ社製・ＡＶＡＮＣＥ ＮＥＯ４００）を実施した。試験は、シングルパルス法、スペクトル幅２００ｋＨｚ、パルス幅２．４μｓｅｃ、試料回転数２０ｋＨｚで実施してスペクトルを得た。さらに、イオンクロマトグラフィーによりフッ素と硫黄成分を分析し、アイオノマーの構造を推定したところ、仕込みのアイオノマーの組成と一致していた。推定されたアイオノマーの構造と、イオンクロマトグラフィーによる元素分析の結果から、触媒層に含まれるアイオノマーの質量を推定し、単位面積あたりのアイオノマー塗布量を計算したところ、仕込みの塗布量と一致していた。
【0059】
触媒層付き電解質膜と、アノードガス拡散層と、アノード側のセパレータと、カソードガス拡散層と、カソード側のセパレータと、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。アノード側のセパレータは、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ものを使用した。カソード側のセパレータは、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ものを使用した。アノードガス拡散層は、Ｐｔめっき処理したチタン繊維焼結体を使用した。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。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（登録商標））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、アノード側のセパレータと、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、カソード側のセパレータとを積層した。アノード側とカソード側の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。アノード側とカソード側の集電板をそれぞれ外部電源（菊水電子工業株式会社製、ＰＷＲ１２０１Ｌ）に接続した。
水電解セルに外部電源を接続後、水電解セルの温度を６０℃に昇温し、流量１００ｍｌ／ｍｉｎで水を水電解セルに供給した。１．５０Ｖから１．９０Ｖまで、定電圧制御で０．１Ｖ刻みで２分ずつ保持し、１．９０Ｖに到達後は、１．５０Ｖまで０．１Ｖ刻みで２分ずつ保持した。これを１サイクルとし、合計１０サイクルのコンディショニングを実施した。次いで、水電解セルの電圧を、定電圧制御で２．３Ｖで１００時間保持し、その後、電圧１．８Ｖでの電流値を計測することで、ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝を計算したところ、０．８９１であった。
水電解セルに外部電源を接続後、水電解セルの温度を６０℃に昇温し、流量１００ｍｌ／ｍｉｎで水を水電解セルに供給した。１．５０Ｖから１．９０Ｖまで、定電圧制御で０．１Ｖ刻みで２分ずつ保持し、１．９０Ｖに到達後は、１．５０Ｖまで０．１Ｖ刻みで２分ずつ保持した。これを１サイクルとし、合計１０サイクルのコンディショニングを実施した。次いで、水電解セルの電圧を、定電圧制御で２．３Ｖで１００時間保持し、その後、電圧１．８Ｖでの電流値を計測することで、ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝を計算したところ、０．８９１であった。
【0060】
＜実施例２＞
出発原料として、Ｓｒ（ＮＯ３）２を６２．４ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１１．９ｇ、Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを４．２ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを４１．６ｇ、純水を１５００ｍＬ、Ｃ２Ｈ６Ｏ２を６００ｍＬとした以外は、実施例１と同様にしてペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は３３ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４３８となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０７３であった。
出発原料として、Ｓｒ（ＮＯ３）２を６２．４ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１１．９ｇ、Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを４．２ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを４１．６ｇ、純水を１５００ｍＬ、Ｃ２Ｈ６Ｏ２を６００ｍＬとした以外は、実施例１と同様にしてペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は３３ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４３８となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０７３であった。
【0061】
＜実施例３＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．１３７となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を得た。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．８４３であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．１３７となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を得た。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．８４３であった。
【0062】
＜実施例４＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．０３９となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．８０８であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．０３９となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．８０８であった。
【0063】
＜実施例５＞
出発原料に、Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＣ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを用い、Ｂａ（ＮＯ３）２を５８．７ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を５．５ｇ、Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを４．８ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを１９．３ｇ、純水を７００ｍＬ、Ｃ２Ｈ６Ｏ２を３００ｍＬとした以外は、実施例１と同様にしてペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は４５ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４６３となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０３７であった。
出発原料に、Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＣ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを用い、Ｂａ（ＮＯ３）２を５８．７ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を５．５ｇ、Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉを４．８ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを１９．３ｇ、純水を７００ｍＬ、Ｃ２Ｈ６Ｏ２を３００ｍＬとした以外は、実施例１と同様にしてペロブスカイト型構造を有する酸化物を含む触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は４５ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４６３となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０３７であった。
【0064】
＜実施例６＞
出発原料を、Ｓｒ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびオキシ塩化ジルコニウム八水和物（ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏ）とした。Ｓｒ（ＮＯ３）２を８６．８ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１４．１ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを１４．４ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを３４５ｇ、それぞれ秤量し、６００ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１５００ｍＬの純水に投入して混合し、室温で１時間以上攪拌した。その後、ホットスターラーを使用し、７５℃で３時間以上攪拌混合した。その後、混合溶液をジルコニア製るつぼに移し、１８０℃で１２時間、２００℃で６時間、３００℃で６時間、５００℃で３時間、６００℃で６時間、７００℃で６時間熱処理した。熱処理後の粉末の回収し、それ以降の操作は実施例１と同様にして、触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は４０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４５９となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０４９であった。
出発原料を、Ｓｒ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびオキシ塩化ジルコニウム八水和物（ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏ）とした。Ｓｒ（ＮＯ３）２を８６．８ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１４．１ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを１４．４ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを３４５ｇ、それぞれ秤量し、６００ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１５００ｍＬの純水に投入して混合し、室温で１時間以上攪拌した。その後、ホットスターラーを使用し、７５℃で３時間以上攪拌混合した。その後、混合溶液をジルコニア製るつぼに移し、１８０℃で１２時間、２００℃で６時間、３００℃で６時間、５００℃で３時間、６００℃で６時間、７００℃で６時間熱処理した。熱処理後の粉末の回収し、それ以降の操作は実施例１と同様にして、触媒粉末を作製した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は４０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４５９となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０４９であった。
【0065】
＜実施例７＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．１５８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．７９２であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．１５８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．７９２であった。
【0066】
＜実施例８＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．０１８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．７３２であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．０１８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．７３２であった。
【0067】
＜実施例９＞
出発原料に、Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを用い、Ｂａ（ＮＯ３）２を９７．６ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１２．８ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを８．５ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを３１５ｇ、それぞれ秤量し、５５０ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１４００ｍＬの純水に投入し、実施例６と同様にして触媒粉末を合成した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は５０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４６８となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０４１であった。
出発原料に、Ｂａ（ＮＯ３）２、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを用い、Ｂａ（ＮＯ３）２を９７．６ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１２．８ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを８．５ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを３１５ｇ、それぞれ秤量し、５５０ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１４００ｍＬの純水に投入し、実施例６と同様にして触媒粉末を合成した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は５０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４６８となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．０４１であった。
【0068】
＜実施例１０＞
出発原料に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを用い、ＣａＣＯ３を５２．０ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１６．０ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを２５．０ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを４００ｇ、それぞれ秤量し、７０ｍＬの硝酸および７００ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１７００ｍＬの純水に投入し、実施例６と同様にして触媒粉末を合成した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は５０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４４０となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．００９であった。
出発原料に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、Ｋ２ＩｒＣｌ６およびＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを用い、ＣａＣＯ３を５２．０ｇ、Ｋ２ＩｒＣｌ６を１６．０ｇ、ＺｒＯＣｌ２・８Ｈ２Ｏを２５．０ｇ、Ｃ６Ｈ８Ｏ７・Ｈ２Ｏを４００ｇ、それぞれ秤量し、７０ｍＬの硝酸および７００ｍＬのＣ２Ｈ６Ｏ２とともに１７００ｍＬの純水に投入し、実施例６と同様にして触媒粉末を合成した。Ｂサイトのイリジウムイオンのモル濃度は５０ｍｏｌ％であった。
さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．４４０となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、１．００９であった。
【0069】
＜実施例１１＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．２６１となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．３９８であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．２６１となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．３９８であった。
【0070】
＜実施例１２＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．１３７となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．１４６であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．１３７となるよう調整した以外は、実施例２と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．１４６であった。
【0071】
＜実施例１３＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．１５８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．０７９であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．１５８となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、０．０７９であった。
【0072】
＜実施例１４＞
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．２４０となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．５２３であった。
ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が０．２４０となるよう調整した以外は、実施例６と同様にしてアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を作製した。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．５２３であった。
【0073】
＜比較例１＞
アノード触媒に、市販のＲｕＯ２を使用した。さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．０００となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を得た。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのルテニウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｒｕ）｝は、－０．８４３であった。
アノード触媒に、市販のＲｕＯ２を使用した。さらに、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－１．０００となるよう、ナフィオン分散溶液を混合しアノードスラリーを得た。その後、実施例１と同様にして、触媒層付き電解質膜を得た。ｌｏｇ｛１．８Ｖでのルテニウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｒｕ）｝は、－０．８４３であった。
【0074】
＜比較例２＞
実施例２と同様にして、ペロブスカイト型構造を有する酸化物（ＳｒＴｉ０．６７Ｉｒ０．３３Ｏ３）を含む触媒粉末を作製した。次いで、アノードスラリーを得るにあたって、バインダーとしてＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）へ溶解させたポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（株式会社クレハ、Ｌ＃１１２０）を使用した。触媒粉末とＰＶｄＦが固形分の質量比率で９５：５となるよう秤量し、ＮＭＰを添加してスラリーの粘度を調整し、アノードスラリーを得た。アノードスラリーを、触媒粉末とバインダーの合計質量で１．０ｍｇ／ｃｍ２となるよう、テフロンシート上にバーコーターで塗布した以外は、実施例１に記載の方法で触媒層付き電解質膜を得た。
ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．９０７であった。
実施例２と同様にして、ペロブスカイト型構造を有する酸化物（ＳｒＴｉ０．６７Ｉｒ０．３３Ｏ３）を含む触媒粉末を作製した。次いで、アノードスラリーを得るにあたって、バインダーとしてＮ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）へ溶解させたポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）（株式会社クレハ、Ｌ＃１１２０）を使用した。触媒粉末とＰＶｄＦが固形分の質量比率で９５：５となるよう秤量し、ＮＭＰを添加してスラリーの粘度を調整し、アノードスラリーを得た。アノードスラリーを、触媒粉末とバインダーの合計質量で１．０ｍｇ／ｃｍ２となるよう、テフロンシート上にバーコーターで塗布した以外は、実施例１に記載の方法で触媒層付き電解質膜を得た。
ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝は、－０．９０７であった。
【0075】
【表1】
【0076】
実施例１～１４はいずれも、比較例１のｌｏｇ｛１．８Ｖでのルテニウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｒｕ）の値と比較して、ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝の値が大きかった。ＲｕＯ２は、高電位では溶出が進行することが知られている。このことから、２．３Ｖでの定電圧運転中に触媒が溶出して失活したことを示している。試験後に水電解セルを解体し、触媒層付き電解質膜の断面に対し走査電子顕微鏡とエネルギー分散型Ｘ線分光法を併用して微細構造と元素分析を実施したところ、アノード触媒層近傍の電解質内に、Ｒｕを含む酸化物の析出物が存在することを確認した。これに対し、実施例１～１４のなかで、ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝がもっとも大きかった実施例２では、比較例１で見られたような触媒の構成元素の電解質膜への溶出が見られていなかった。このことは、ペロブスカイト型構造を有する触媒は、高電位でも安定であることを示している。
【0077】
実施例１～１４はいずれも、比較例２と比較してｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝が大きかった。実施例１～１４では、触媒層にプロトンが移動することができ、水電解反応の活性サイトの形成に必要なアイオノマーを含んでいるのに対し、比較例２では、触媒層にプロトンの移動や、水電解反応の活性サイト形成に寄与しないＰＶｄＦをバインダーとして含んでいる。このことから、比較例２では、アノード触媒層内部にプロトンのパスや反応の活性サイトが形成されておらず、触媒の性能が引き出せなかったことが要因として考えられる。
【0078】
実施例１～１４では、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．３より小さい範囲では、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が大きくなるにしたがってｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝が大きくなる傾向を示した。このことは、イリジウム質量あたりのアイオノマーの質量を大きくすることで、アノード触媒層内部にプロトンのパスが効率的に形成され、性能が良くなったことが考えられる。また、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が－０．３より大きい範囲では、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が小さくなるにしたがってｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝が大きくなる傾向を示した。イリジウム質量あたりのアイオノマーの量が多くなると、触媒表面をアイオノマーが覆い、その結果として水電解反応の活性サイトの量が少なくなることが考えられるが、この範囲では、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）が小さくなるにしたがって過剰なアイオノマーが少なくなり、水電解反応の活性サイトがアノード触媒層内部に効率良く導入されて性能が良くなったと考えられる。
【0079】
また、図２に示すように、ペロブスカイト型構造を有するアノード触媒とアイオノマーとを含むアノード触媒層を備える水電解セルでは、ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ）をＰとし、ｌｏｇ｛１．８Ｖでのイリジウム質量あたりの電流密度（Ａ／ｍｇ－Ｉｒ）｝をＱとすると、ＰとＱの関係は、アノード触媒の構成元素や、Ｂサイトに含まれるイリジウムイオンの濃度に依らず、
Ｑ＝－２．１２３２Ｐ３－５．２８９２Ｐ２－２．７９６９Ｐ＋０．６６６２
で表されることが分かった。このことから、Ｐが－０．８６０以上０．０６０以下では、Ｑが０．５以上となり高性能な水電解セルであることがわかった。Ｐが－０．６２０以上－０．０９０以下では、Ｑが０．８６以上となり、より高性能な水電解セルであることがわかった。さらに、Ｐが－０．５００以上－０．１８０以下では、Ｑが１以上となり、より高性能な水電解セルであることがわかった。
Ｑ＝－２．１２３２Ｐ３－５．２８９２Ｐ２－２．７９６９Ｐ＋０．６６６２
で表されることが分かった。このことから、Ｐが－０．８６０以上０．０６０以下では、Ｑが０．５以上となり高性能な水電解セルであることがわかった。Ｐが－０．６２０以上－０．０９０以下では、Ｑが０．８６以上となり、より高性能な水電解セルであることがわかった。さらに、Ｐが－０．５００以上－０．１８０以下では、Ｑが１以上となり、より高性能な水電解セルであることがわかった。
【符号の説明】
【0080】
１１：電解質膜
１２：アノード触媒層
１３：カソード触媒層
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：水電解セル
１２：アノード触媒層
１３：カソード触媒層
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：水電解セル
【図1】
【図2】
【手続補正書】
【提出日】2023-06-12
【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】
Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含み、
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、アノード触媒層。
アイオノマーと、
を含み、
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、アノード触媒層。
【請求項2】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．６２０～－０．０９０である、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項3】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．５００～－０．１８０である、請求項２に記載のアノード触媒層。
【請求項4】
前記アルカリ土類金属イオンとして、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載のアノード触媒層。
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項5】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとして、チタンイオンを含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項6】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとしてジルコニウムイオンを含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項7】
前記アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸基を含む、請求項１に記載のアノード触媒層。
【請求項8】
アノードガス拡散層と、請求項１に記載のアノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、を備える水電解セル。
【請求項9】
請求項８に記載の水電解セルが積層された水電解セルスタック。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0055】
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。なお、実施例１１～実施例１４は、本開示の参考例として示すものである。
【手続補正書】
【提出日】2023-09-20
【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】
アノードガス拡散層と、アノード触媒層と、電解質膜と、カソード触媒層と、カソードガス拡散層と、セパレータと、水電解に用いられる水と、を備える水電解セルであって、
前記アノード触媒層は、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含み、
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、水電解セル。
前記アノード触媒層は、Ａサイトイオンにアルカリ土類金属イオンを含み、Ｂサイトイオンにイリジウムイオン及びルテニウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種と金属イオン（但し、イリジウムイオン及びルテニウムイオンを除く）とを含む、ペロブスカイト型構造を有する酸化物触媒と、
アイオノマーと、
を含み、
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．８６０～０．０６０である、水電解セル。
【請求項2】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．６２０～－０．０９０である、請求項１に記載の水電解セル。
【請求項3】
前記アイオノマーの含有量（Ｘ）と、前記Ｂサイトイオンに含まれる前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計含有量（Ｙ）と、の質量比の対数値（ｌｏｇ（Ｘ／Ｙ））が－０．５００～－０．１８０である、請求項２に記載の水電解セル。
【請求項4】
前記アルカリ土類金属イオンとして、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、及びバリウムイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載の水電解セル。
前記金属イオンとして、チタンイオン、ジルコニウムイオン、及びスズイオンからなる群より選択される少なくとも１種を含み、
前記Ｂサイトイオンにおける前記イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計モル濃度が５ｍｏｌ％以上６７ｍｏｌ％以下である、請求項１に記載の水電解セル。
【請求項5】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとして、チタンイオンを含む、請求項１に記載の水電解セル。
【請求項6】
前記アルカリ土類金属イオンとして、ストロンチウムイオンを含み、前記金属イオンとしてジルコニウムイオンを含む、請求項１に記載の水電解セル。
【請求項7】
前記アイオノマーが、パーフルオロスルホン酸基を含む、請求項１に記載の水電解セル。
【請求項8】
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の水電解セルが積層された水電解セルスタック。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0001】
本開示は、水電解セル、及び水電解セルスタックに関する。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
本開示の目的は、高い触媒活性を示し、かつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層を含む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。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0010】
本開示によれば、高い触媒活性を示し、かつ安定した触媒活性を持続できるアノード触媒層を含む水電解セル及び水電解セルスタックが提供される。