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公開番号2025018833
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023122884
出願日2023-07-27
発明の名称水素発生用陰極、アルカリ水電解用陰極、陰極の製造方法、複極式電解セル、アルカリ水電解用電解槽及び水素製造方法
出願人旭化成株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類C25B 11/093 20210101AFI20250130BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】水素発生の起動と停止を繰り返し行う場合でも、過電圧が上昇してしまうことなく、長期にわたって高いエネルギー変換効率を維持できる水素発生用陰極を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するべく、本発明は、導電性基材の表面上に、少なくともPt、Pt酸化物及びPt水酸化物のうちの少なくとも1つと、ScあるいはYから選択される元素Rの金属、酸化物及び水酸化物のうちの少なくとも1つと、を含有する触媒層を有する、水素発生用陰極であって、前記触媒層中の、Pt元素と元素Rのモル比(Pt:R)が、95:5～65:35であることを特徴とする。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
導電性基材の表面上に、少なくともＰｔ、Ｐｔ酸化物及びＰｔ水酸化物のうちの少なくとも１つと、
ＳｃあるいはＹから選択される元素Ｒの金属、酸化物及び水酸化物のうちの少なくとも１つと、
を含有する触媒層を有する、水素発生用陰極であって、
前記触媒層中の、Ｐｔ元素と元素Ｒのモル比（Ｐｔ：Ｒ）が、９５：５～６５：３５であることを特徴とする、水素発生用陰極。
続きを表示（約 750 文字）【請求項２】
アルカリ水電解用陰極であることを特徴とする、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記触媒層が、前記導電性基材に含有される元素と同種の元素を含有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の陰極。
【請求項４】
前記触媒層が、Ｐｔ元素と元素Ｒのモル比が異なる、前記導電性基材の表面上に形成される第一層と、該第一層上に形成される第二層とからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の陰極。
【請求項５】
前記第二層における元素Ｒのモル比が、前記第一層における元素Ｒのモル比よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の陰極。
【請求項６】
前記第一層が、前記導電性基材に含有される元素と同種の元素を含有していることを特徴とする、請求項４又は５に記載の陰極。
【請求項７】
前記触媒層のＰｔ金属の（１１１）面によって回折されるＸ線のピーク面積をＩＰｔ、ＰｔＯの（２００）面および（１１１）面によって回折されるＸ線のピーク面積をＩＰｔＯとしたとき、［ＩＰｔ／（ＩＰｔ＋ＩＰｔＯ）］の値が、０．１以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の陰極。
【請求項８】
前記元素ＲがＹであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の陰極。
【請求項９】
前記導電性基材が、Ｎｉを含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の陰極。
【請求項１０】
前記導電性基材が、線径０．０５ｍｍ以上１．００ｍｍ以下のＮｉの細線を２０メッシュ以上６０メッシュ以下で編んだ平織メッシュであることを特徴とする、請求項９に記載の陰極。
（【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、水素発生用陰極、アルカリ水電解用陰極、陰極の製造方法、複極式電解セル、アルカリ水電解用電解槽及び水素製造方法に関する。
続きを表示（約 1,500 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素等の温室効果ガスによる地球温暖化、化石燃料の埋蔵量の減少等の問題を解決するため、再生可能エネルギーを利用した風力発電や太陽光発電等の技術が注目されている。
【０００３】
再生可能エネルギーは、出力が気候条件に依存するため、その変動が非常に大きいという性質がある。そのため、再生可能エネルギーによる発電で得られた電力を一般電力系統に輸送することが常に可能とはならず、電力需給のアンバランスや電力系統の不安定化等の社会的な影響が懸念されている。
【０００４】
そこで、再生可能エネルギーから発電された電力を、貯蔵及び輸送が可能な形に代えて、これを利用しようとする研究が行われている。具体的には、再生可能エネルギーから発電された電力を利用した水の電気分解（電解）により、貯蔵及び輸送が可能な水素を発生させ、水素をエネルギー源や原料として利用することが検討されている。
【０００５】
水素は、石油精製、化学合成、金属精製等の場面において、工業的に広く利用されており、近年では、燃料電池車（ＦＣＶ）向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。このため、再生可能エネルギーから特に水素を得る技術の開発に対する期待は高い。
【０００６】
水の電気分解の方法としては、固体高分子型水電解法、高温水蒸気電解法、アルカリ水電解法等があるが、数十年以上前から工業化されていること、大規模に実施することができること、他の水電解装置に比べると安価であること等から、アルカリ水電解は特に有力なものの一つとされている。
【０００７】
しかしながら、今後アルカリ水電解をエネルギーの貯蔵及び輸送のための手段として適応させるためには、前述のとおり出力の変動が大きい電力を効率的且つ安定的に利用して水電解を行うことを可能にする必要があり、アルカリ水電解用の電解セルや装置の諸課題を解決することが求められている。
【０００８】
アルカリ水電解において電解電圧を低く抑えて、水素製造の電力原単位を改善するという課題を解決するためには、電解セルの構造として、特に、隔膜と電極との隙間を実質的に無くした構造である、ゼロギャップ構造と呼ばれる構造を採用することが有効なことはよく知られている（特許文献１、２参照）。ゼロギャップ構造では、発生するガスを電極の細孔を通して電極の隔膜側とは反対側に素早く逃がすことによって、電極間の距離を低減しつつ、電極近傍におけるガス溜まりの発生を極力抑えて、電解電圧を低く抑制している。ゼロギャップ構造は、電解電圧の抑制にきわめて有効であり、種々の電解装置に採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特許第５５５３６０５号公報
国際公開第２０１５／０９８０５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１、２に記載の従来のアルカリ水電解用陰極では、意図する電解反応を進行させる正通電と、正通電を停止した後に発生する逆電流（逆電）の通電とを繰り返すことで、触媒層が減耗あるいは脱落し、過電圧が上昇してしまうという課題があった。そのため、再生可能エネルギーのような変動電源では、長期にわたって高いエネルギー変換効率を維持することが困難であった。
（【００１１】以降は省略されています）

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