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公開番号2024072400
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-28
出願番号2022183176
出願日2022-11-16
発明の名称触媒層付電解質膜、膜電極接合体および水電解装置
出願人東レ株式会社
代理人
主分類C25B 13/02 20060101AFI20240521BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水電解性能が良好であり、かつ酸素ガス中の水素濃度を十分に低減することができる、触媒層付電解質膜を提供する。
【解決手段】
電解質膜と、前記電解質膜の第一主面側に配置されるカソード触媒層と、前記電解質膜の第二主面側に配置されるアノード触媒層と、を有する触媒層付電解質膜であって、前記アノード触媒層が、イリジウム元素と、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、金、銀、およびオスミウムからなる群より選択される少なくとも1種の貴金属元素と、を含み、前記電解質膜が、前記第一主面を有し炭化水素系高分子電解質を含む第1の層と、前記第二主面を有しフッ素系高分子電解質を含む第2の層と、を有し、前記第1の層の厚みが前記第2の層の厚みより大きいことを特徴とする、触媒層付電解質膜。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の第一主面側に配置されるカソード触媒層と、前記電解質膜の第二主面側に配置されるアノード触媒層と、を有する触媒層付電解質膜であって、前記アノード触媒層が、イリジウム元素と、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、金、銀およびオスミウムからなる群より選択される少なくとも１種の貴金属元素と、を含み、前記電解質膜が、前記第一主面を有し炭化水素系高分子電解質を含む第１の層と、前記第二主面を有しフッ素系高分子電解質を含む第２の層と、を有し、前記第１の層の厚さが前記第２の層の厚さより大きいことを特徴とする、触媒層付電解質膜。
続きを表示（約 630 文字）【請求項２】
前記貴金属元素が白金およびパラジウムのいずれかまたは双方である、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項３】
前記貴金属元素が、貴金属元素を含む粒子の形態で含まれる、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項４】
前記イリジウム元素が、イリジウム元素を含む粒子の形態で含まれる、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項５】
前記イリジウム元素が酸化イリジウムの形態で含まれる、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項６】
前記アノード触媒層における前記イリジウム元素の質量（Ｉｒ質量）と前記貴金属元素の質量（ＮＭ質量）との比率（Ｉｒ質量：ＮＭ質量）が５１：４９～９９：１の範囲である、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項７】
前記アノード触媒層がフッ素系高分子電解質を含む、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項８】
前記カソード触媒層が白金を含む、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項９】
前記炭化水素系高分子電解質が芳香族炭化水素系ポリマーを含む、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
【請求項１０】
前記第１の層の厚みが４０μｍ以上２５０μｍ以下であり、前記第２の層の厚みが１μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１に記載の触媒層付電解質膜。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒層付電解質膜、膜電極接合体および水電解装置に関する。
続きを表示（約 1,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、次世代におけるエネルギーの貯蔵・輸送手段として、水素エネルギーが注目されている。水素は、燃料電池の燃料として用いることで、熱機関を用いた発電よりも理論的に高いエネルギー効率で電力に変換可能で、かつ有害物を排出しないことから、高効率なクリーンエネルギー源となり得る。
【０００３】
水素製造方式の一つに水の電気分解がある。再生可能エネルギーによる余剰電力を使用して水を電気分解すれば、二酸化炭素を排出することなく電力を水素エネルギーに変換可能である。さらに、水素は貯蔵方式によっては、タンクローリーやタンカーで輸送でき、必要な時に必要な場所へ供給可能なため、水の電気分解は電力貯蔵のツールとして高い可能性を有している。
【０００４】
水の電気分解による水素製造方式は、アルカリ水電解と高分子電解質膜（ＰＥＭ）型水電解があるが、ＰＥＭ型水電解は高電流密度での運転が可能であり、再生可能エネルギーの出力変動に柔軟に対応できるというメリットを有する。
【０００５】
ＰＥＭ型水電解は、一般に、高分子電解質膜によって内部がアノードとカソードとに区画された電解セルに水を供給し、アノードで酸素、カソードで水素を生成させる。
【０００６】
ＰＥＭ型水電解における高分子電解質膜として、従来からパーフルオロカーボンスルホン酸などのフッ素系高分子電解質が一般的に知られている。しかしながら、フッ素系高分子電解質は、高価であること、ガスバリア性が低いこと、などの課題があり、フッ素系高分子電解質に替えて炭化水素系高分子電解質の使用が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一方、ＰＥＭ型水電解装置では、カソードで生成した水素が電解質膜を透過してアノードに到達するという「クロスオーバー」が発生することにより、アノードで生成した酸素中に水素が混入して酸素の純度を低下させることがある。また、酸素中の水素濃度が４％を超えると爆発の危険性がある。そこで、酸素ガス中の水素濃度を低減することが求められている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２には、アノード触媒層に酸化イリジウムおよび白金を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１６－２１６８２６号公報
特開２００８－２４００６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
炭化水素系高分子電解質膜は、フッ素系高分子電解質膜に比べて、水電解性能の向上が期待できる。その一方で、炭化水素系高分子電解質膜を用いた水電解装置に特許文献２に開示されているような触媒層を適用しても、酸素ガス中の水素濃度を十分に低減することができなかった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、水電解性能が良好であり、かつ酸素ガス中の水素濃度を十分に低減することができる、触媒層付電解質膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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