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公開番号2025033214
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-13
出願番号2023138777
出願日2023-08-29
発明の名称電極、膜電極接合体、電気化学セル、スタック、電解装置
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類C25B 11/054 20210101AFI20250306BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】実施形態は、耐久性に優れた電極を提供する。
【解決手段】実施形態の電極は、基材と、基材上に設けられ、シート層とギャップ層が交互に積層した触媒層と、を有する。触媒層は、電解用であり、触媒層は、Ir、Ru、Pt、Pd、Hf、V、Au、Ta、W、Nb、Zr、Mo及びCrからなる群より選ばれる1種以上の第1金属及びNi、Co、Mn、Fe、Cu、Al及びZnからなる群より選ばれる1種以上の第2金属を含み、触媒層は、第1領域と第2領域を含み、第1領域の第1金属は、第2領域の第1金属よりも酸化されていて、第1領域に含まれる第2金属の比率は、第2領域に含まれる第2金属の比率よりも小さい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
基材と、
前記基材上に設けられ、シート層とギャップ層が交互に積層した触媒層と、
を有し、
前記触媒層は、電解用であり、
前記触媒層は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｖ、Ａｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１金属及びＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ及びＺｎからなる群より選ばれる１種以上の第２金属を含み、
前記触媒層は、第１領域（高耐久）と第２領域（高活性）を含み、
前記第１領域の前記第１金属は、前記第２領域の前記第１金属よりも酸化されていて、
前記第１領域に含まれる前記第２金属の比率は、前記第２領域に含まれる前記第２金属の比率よりも小さい電極。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層する請求項１に記載の電極
【請求項３】
前記第１領域は、前記触媒層の前記基材側とは反対側の表面に存在する請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層し、
前記層状の第１領域は、前記触媒層中に２以上に含まれ、
前記層状の第２領域は、前記２以上の層状の第１領域の間に存在する請求項１に記載の電極。
【請求項５】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層し、
前記層状の第１領域の平均厚さは、前記層状の第２領域の平均厚さよりも薄い請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域及び前記層状の前記第２領域は、複数の前記シート層と複数の前記ギャップ層を含み、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層する請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域及び前記層状の前記第２領域は、複数の前記シート層と複数の前記ギャップ層を含み、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層し、
前記層状の第１領域は、前記層状の第２領域と直接的に接する請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域及び前記層状の前記第２領域は、複数の前記シート層と複数の前記ギャップ層を含み、
前記層状の第１領域と前記層状の第２領域は、前記シート層と前記ギャップ層の積層方向に積層し、
前記層状の第１領域の前記シート層が前記層状の第２領域の前記ギャップ層と直接的に接続し、又は、前記層状の第１領域のギャップ層が前記第２領域の前記シート層と直接的に接続する請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域及び前記層状の前記第２領域は、複数の前記シート層と複数の前記ギャップ層を含み、
前記層状の第１領域及び前記層状の第２領域に前記第２金属としてＮｉを含み、
前記第１領域に含まれるＮｉ比率は、前記第２領域に含まれるＮｉの比率よりも高い請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記第１領域は、層状であり、
前記第２領域は、層状であり、
前記層状の第１領域及び前記層状の前記第２領域は、複数の前記シート層と複数の前記ギャップ層を含み、
前記層状の第１領域の空孔率は、前記層状の第２領域の空孔率よりも低い請求項１に記載の電極。
（【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】
本発明の実施形態は、電極、膜電極接合体、電気化学セル、スタック、電解装置に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、電気化学セルは盛んに研究されている。電気化学セルのうち、例えば、固体高分子型水電解セル（ＰＥＭＥＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣｅｌｌ）は、大規模エネルギー貯蔵システムの水素生成としての利用が期待されている。十分な耐久性と電解特性を確保するため、ＰＥＭＥＣの陰極には白金（Ｐｔ）ナノ粒子触媒が、陽極にはイリジウム（Ｉｒ）ナノ粒子触媒のような貴金属触媒が、一般に使用されている。また、アンモニアからも水素を得る方法が検討されている。他にも、二酸化炭素を電気分解してメタノールやエチレンなどの有機物や一酸化炭素を生成する電解装置のアノードにも利用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特表２０１８－５１９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、耐久性の高い電極を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の電極は、基材と、基材上に設けられ、シート層とギャップ層が交互に積層した触媒層と、を有する。触媒層は、電解用であり、触媒層は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｖ、Ａｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１金属及びＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ及びＺｎからなる群より選ばれる１種以上の第２金属を含み、触媒層は、第１領域と第２領域を含み、第１領域の第１金属は、第２領域の第１金属よりも酸化されていて、第１領域に含まれる第２金属の比率は、第２領域に含まれる第２金属の比率よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態の電極の模式図。
実施形態の触媒層の模式断面図。
実施形態の電極の模式図。
実施形態の電極の模式図。
実施形態の電極の模式図。
実施形態の分析スポット。
実施形態の膜電極接合体の模式図。
実施形態の電気化学セルの模式図。
実施形態のスタックの模式図。
実施形態の電解装置の概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、以下の説明では、同一部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
【０００８】
明細書中の物性値は、温度が２５［℃］で、圧力が１［ａｔｏｍ］における値である。各部材の厚さ及び組成比は、積層方向の距離の平均値である。
【０００９】
（第１実施形態）
第１実施形態は、電極に関する。図１に実施形態の電極１００の模式断面図を示す。電極１００は、基材１と、触媒層２を有する。
【００１０】
触媒層２は、実施形態において、電解用の触媒として用いられている。電解反応は、例えば、水又はアンモニアから水素を生成する。電解反応は、例えば、二酸化炭素から一酸化炭素を生成する。触媒層２は、アンモニアの電解生成におけるアノード触媒としても用いられる。
（【００１１】以降は省略されています）

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