特許ウォッチ

公開番号2024119040
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-02
出願番号2024013536
出願日2024-01-31
発明の名称電極およびその製造方法
出願人JFEスチール株式会社
代理人個人,個人
主分類C25B 11/073 20210101AFI20240826BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】十分低い水素過電圧を有し、水素発生の速度も速く、しかも水素発生電極上の活性物質の失活の無い、電極を提供する。
【解決手段】鉄原子を50mass%以上含む基材の表面に、厚さが10マイクロメートル以上のマッキナワイトの層を有するものとする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
鉄原子を５０ｍａｓｓ％以上含む基材の表面に、厚さが１０マイクロメートル以上のマッキナワイトの層を有する電極。
続きを表示（約 160 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電極の製造方法であって、前記基材を、前記基材の表面積に対する比液量が５０ｍＬ／ｃｍ
２
以上且つ６０℃超に保たれた、濃度が１．０ｍａｓｓ％以上のチオシアン酸アンモニウム水溶液中に１５時間以上浸漬し、前記基材の表面にマッキナワイトを形成する、電極の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＫＯＨ水溶液などのアルカリ性の水溶液を用いて該水溶液中の電極間で水酸化物イオン（ＯＨ
－
イオン）を交換する水電解装置に供する、水素を発生させるための水素発生用電極や、触媒用電極などの電極と、該電極の製造方法に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
世界的な脱炭素化の潮流を受け、水素ガスの利用が模索されている。それは、水素ガスの利用は環境負荷が低いからである。例えば、燃料電池の場合、発電後の排出物は水であり、環境負荷が低い。また、水素ガスはＣＯ
２
の再利用にも用いることができる。すなわち、ＣＯ
２
と水素ガスからメタンを合成するメタネーションがその代表例である。このように水素ガスは、これから脱炭素社会を実現するための非常に有用な物質と考えられている。しかし、水素ガスの製造に目を向けると、水素ガスの製造工程が十分に脱炭素化されているとは言えない。
【０００３】
現状の水素ガスの製造方法は、化石燃料の改質、製鉄所・化学工場等からの副生ガス、バイオマス、水の電気分解の４種類である。化石燃料の改質や製鉄所・化学工場等からの副生ガスに関しては、元の燃料が石油などの地下資源であり、当然水素ガスの製造過程でのＣＯ
２
排出が避けられない。バイオマスは地下資源由来ではないが、バイオマスのみによって、これからの脱炭素社会を支えるのに十分な量の水素ガスを得ることは難しい。そもそもバイオマスからの主たる１次生成ガスはメタノールやメタンであり、水素に改質せずそのまま利用する方が効率的である場合の方が多い。
【０００４】
ここで、水の電気分解（いわゆる水電解）は、電気を用いて水を酸素ガスと水素ガスに分解する方法である。地下資源由来の燃料を使用した電気を用いる場合は、脱炭素化された製造方法により得られた水素ガスとは言えないが、いわゆる自然エネルギー由来の電気を用いる場合は脱炭素化された製造方法により得られた水素ガスといえる。
【０００５】
以上の通り、水素ガスの製造方法を比較すると、自然エネルギーを用いた水電解は、その製造過程においてＣＯ
２
が発生しない水素の製造方法であり、最も将来性がある。
【０００６】
水電解の方法の一つにアルカリ形やＡＥＭ（ＡｎｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）形といった、ＫＯＨなどのアルカリ性の水溶液を電解する方法がある。これらの電解方法は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ。ＰｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ：固体高分子膜の略とされることもある）形水電解と比較して水素や酸素発生電極に高価な合金を用いる必要が無く、比較的安価な水電解方法として知られている。しかし、これらの水電解は、アルカリ性の水溶液を用いるがための特有の問題がある。すなわち、供給電力の低下や、供給電力の断絶時に、水素発生電極に用いる触媒が変質ないしは電解液に溶出する結果、その触媒活性を失う、いわゆる失活という問題がある。このため、自然エネルギーとして知られている風力発電や太陽光発電のように、その電力の変動幅が大きかったり夜間に電力の供給が断絶したりする電源での水素ガスの製造が難しかった。
【０００７】
上記の問題を解決するために、電力の供給が低下したり断絶したりしたときに、貯蔵しておいた水素を用いて発電し水電解を継続することも考えられているが、産業に利用できる水素を得る方法としては効率が悪いことは言うまでもない。また、水素製造のために水電解装置近傍に巨大な水素貯蔵タンクや燃料電池を建設する必要があるため、付帯設備が大掛かりになり、トータルで製造コストを低減できているとは言い難かった。
【０００８】
上記の水素発生電極における触媒の失活を解決するために、例えば特許文献１では、ニッケル基材上にニッケル酸化物を形成させた水素発生極およびその製造方法が提案されている。すなわち酸化による変質に強いニッケル酸化物を６００℃以下の温度でニッケル基材上に塗布焼結する方法及びそのようにして得られた水素発生電極を開示している。しかし、例え６００℃以下の温度であるとはいえ焼結によるニッケル基材の強度の劣化を完全に防止することは難しかった。
【０００９】
また、特許文献２では、水素吸着が起きやすい金属と水素が脱離しやすい金属を組み合わせた電極が提案されている。すなわち、物質としての安定性の高い金属において、上記のような特性を有する２種類の金属を組み合わせて、水素触媒活性が高く（これを水素過電圧が低いという）かつ安定性の優れた電極が開示されている。しかし、電極上における水素吸着サイトと水素脱離サイトが異なるため、水素発生の速度が十分に速いとは言えず、水素発生の効率が必ずしも高くなかった。
【００１０】
また、特許文献３では、低い水素過電圧を示し且つ耐久性に優れた水素発生用電極としてモリブデンまたはタングステンの炭化物、酸化物、硫化物から選択された１種類以上の化合物からなる担体にニッケルの微粒子を担持した水素発生用電極が提案されている。しかし、同文献３に記載の製造方法には焼結工程が含まれているため、電極基材の強度の劣化を完全に防止することは難しかった。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許