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公開番号2025075699
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-15
出願番号2023187054
出願日2023-10-31
発明の名称電極および水電解装置
出願人ノリタケ株式会社
代理人個人,個人
主分類C25B 11/091 20210101AFI20250508BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】優れた電極性能を発揮できる水電解装置用の電極を提供する。
【解決手段】
ここに開示される電極1は、導電性基材10と、少なくともNi-Fe酸化物と金属Niとを含む触媒層20とを備えている。この触媒層20は、導電性基材10の上に形成された第1層21と、第1層21の上に形成され、Fe元素の含有量が第1層よりも多い第2層22とを備えている。そして、導電性基材10から触媒層20の表面20aに向かう元素分析において、第1層21におけるFe率の増加割合が0.17%/nm以上であり、第2層22におけるFe率の増加割合が0.17%/nm未満である。そして、第1層21の厚みT₁に対する第2層22の厚みT₂の割合が0.9以下である。かかる構成の電極1は、水電解装置用の電極として優れた性能を発揮できる。
【選択図】図2

特許請求の範囲【請求項１】
導電性基材と、
前記導電性基材の表面に形成され、少なくともＮｉ－Ｆｅ酸化物と金属Ｎｉとを含む触媒層と
を備え、
前記触媒層は、
前記導電性基材の上に形成されており、Ｎｉ元素の含有量よりもＦｅ元素の含有量の方が少ない高Ｎｉ領域を含む第１層と、
前記第１層の上に形成され、Ｆｅ元素の含有量が前記第１層よりも多い第２層と
を備えており、
前記導電性基材から前記触媒層の表面に向かうＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンにおけるＮｉ元素とＦｅ元素の総カウント数に対する前記Ｆｅ元素のカウント数の比率をＦｅ率（％）としたとき、
前記第１層は、前記ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿った前記Ｆｅ率の増加割合が０．１７％／ｎｍ以上であり、
前記第２層は、前記ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿った前記Ｆｅ率の増加割合が０．１７％／ｎｍ未満であり、
前記第１層の厚みに対する前記第２層の厚みの割合が０．９以下である、電極。
続きを表示（約 710 文字）【請求項２】
前記第１層は、前記ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿った前記Ｆｅ率の増加割合が３．１７％／ｎｍ以上である、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記第１層における前記Ｆｅ率の平均値が５％以上４５％以下である、請求項１に記載の電極。
【請求項４】
前記第２層における前記Ｆｅ率の平均値が４０％以上８５％以下である、請求項１に記載の電極。
【請求項５】
前記触媒層の断面の電子顕微鏡観察に基づいた前記第２層の緻密度が５０％以下である、請求項１に記載の電極。
【請求項６】
前記触媒層の断面の電子顕微鏡観察に基づいた前記第１層の緻密度が５０％以上である、請求項１に記載の電極。
【請求項７】
前記触媒層は、ＢＣＣ構造の金属Ｆｅを実質的に含有しない、請求項１に記載の電極。
【請求項８】
前記触媒層は、ＮｉＯを実質的に含有しない、請求項１に記載の電極。
【請求項９】
前記導電性基材は、Ｎｉ基材である、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
第１基材の表面に第１触媒層を有する酸素発生極と、
第２基材の表面に第２触媒層を有する水素発生極と、
前記酸素発生極と前記水素発生極との間に介在するアニオン交換膜と、
前記第１触媒層の表面近傍に取り付けられた水供給管と、
前記第１基材と前記第２基材とを電気的に接続する導電ラインと
を備えており、
前記酸素発生極が、請求項１～９のいずれか一項に記載の電極であることを特徴とする、水電解装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
ここに開示される技術は、電極および水電解装置に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
エネルギー問題や環境問題の観点から、再生可能エネルギーを電力に変換する技術（太陽電池や風力発電など）が種々提案されている。しかし、再生可能エネルギーを電力の状態で貯蔵すると、大規模な蓄電設備が必要になるため、設備コストが高騰する原因になる。そこで、近年では、電力を使用して水系電解液（アルカリ水溶液など）を酸素と水素に分解する水電解装置が提案されている。これによって、再生可能エネルギーを有用ガスに変換できるため、再生可能エネルギーの貯蔵に要する設備コストを低減できる。
【０００３】
この種の水電解装置の一例として、ＡＥＭ型水電解装置が挙げられる。ＡＥＭ型水電解装置では、アニオン交換膜（ＡｎｉｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）を介して、酸素発生極（アノード）と水素発生極（カソード）とが対向している。そして、特許文献１（国際公開第２０２２／２５０１１９号）には、ＡＥＭ型水電解装置の酸素発生極の一例が開示されている。具体的には、特許文献１に記載の電極（触媒）は、ニッケル基材上に、ＮｉＯＯＨを含む酸化ニッケル層と、ＮｉＦｅを含む層と、をこの順に有する。上記構成の電極は、ニッケル基材とＮｉＦｅ層との間に酸化ニッケル層が介在しているため、アルカリ環境下でも、優れた耐久性と触媒活性を発揮できるとされている。なお、特許文献１には、ニッケル基材に対して酸化工程とＦｅ電着工程を実施することによって、上記構成の電極が製造される旨が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第２０２２／２５０１１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、実際の産業において水電解装置を使用する場合、低電圧でも有用ガスを十分に生成できるような高性能の電極が要求される。しかし、従来の電極は、十分に高い電極性能を有しているとは言えず、改良の余地が残されていた。ここに開示される技術は、かかる課題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
種々の実験を行った結果、本発明者は、上述した酸化工程とＦｅ電着工程を含む製造方法を実施した際に、顕著に優れた電極性能を有する電極がごく稀に製造されることを発見した。そして、かかる発見に対して検討を重ねた結果、Ｆｅ電着工程の電着条件（電圧、処理時間）と、Ｆｅ電着用電解液のＦｅ濃度とを調節することによって、より高性能な電極を安定的に製造できることを見出した。そして、この高性能の電極の構造を分析したところ、驚くべきことに、特許文献１に記載の電極とは全く異なる構造を有していることが分かった。ここに開示される電極は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【０００７】
ここに開示される電極は、導電性基材と、導電性基材の表面に形成され、少なくともＮｉ－Ｆｅ酸化物と金属Ｎｉとを含む触媒層とを備えている。この触媒層は、導電性基材の上に形成されており、Ｎｉ元素の含有量よりもＦｅ元素の含有量の方が少ない高Ｎｉ領域を含む第１層と、第１層の上に形成され、Ｆｅ元素の含有量が第１層よりも多い第２層とを備えている。第１層は、ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿ったＦｅ率の増加割合が０．１７％／ｎｍ以上である。また、第２層は、ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿った前記Ｆｅ率の増加割合が０．１７％／ｎｍ未満である。そして、ここに開示される電極では、第１層に対する第２層の厚み割合が０．９以下である。なお、ここでの「ＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンに沿ったＦｅ率」とは、導電性基材から触媒層の表面に向かうＴＥＭ－ＥＤＸラインスキャンにおけるＮｉ元素とＦｅ元素の総カウント数に対するＦｅ元素のカウント数の比率である。
【０００８】
上述の通り、本発明者らは、上記構成の電極が顕著に優れた性能を有することを実験で確認している。ここに開示される技術を限定することを意図したものではないが、この電極性能の大幅な改善は、以下のような作用によって生じていると推測される。
【０００９】
まず、ここに開示される電極では、導電性基材の上に第１層が形成されている。この第１層は、Ｎｉ元素に対してＦｅ元素が少ない高Ｎｉ領域を含んでいる。このことから、第１層には、優れた電子伝導性を有する金属Ｎｉが多量に存在していると予想される。一方、第１層の上には、第２層が形成されている。この第２層は、第１層よりも多くのＦｅ元素を含んでいる。このことから、この第２層には、優れた触媒活性を有するＮｉ－Ｆｅ酸化物が多量に存在していると予想される。このような多層構造の触媒層では、アニオン交換膜を介して対向電極から供給される水酸化イオン（ＯＨ
－
）が第２層に接触しやすい。これによって、優れた触媒活性を効率良く発揮できる。また、電子伝導性に優れた第１層が導電性基材と接しているため、導電性基材と触媒層との電子の授受を促進できる。
【００１０】
加えて、第１層では、触媒層の表面（上層側）に向かうにつれて、Ｆｅ量が増加し、かつ、Ｎｉ量が減少するという濃度勾配が生じている。すなわち、第１層は、水酸化イオンが供給されやすい上層に向かうにつれて触媒活性が高くなるという特徴を有している。一方で、この第１層は、導電性基材（下層側）に向かうにつれて、Ｆｅ量が減少し、かつ、Ｎｉ量が増加している。このため、第１層は、導電性基材との電子の授受が直接行われる下層における電子伝導性が高くなっている。このように、この第１層は、厚み方向における各地点において、触媒活性と電子伝導性とのバランスが好適に変化している。
（【００１１】以降は省略されています）

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