(57)【要約】【課題】簡易な構成によってバスバー電極での電位降下を抑制する。【解決手段】フィンガー電極１２及びバスバー電極１４を組み合わせてなる電極１００であって、電力を取り出すための取出配線１６がバスバー電極１４の線状の端部以外に接続されている構成とする。【選択図】図２
2020147838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の電極を組み合わせてなる集電電極であって、
電力を取り出すための取出配線が前記集電電極の線状の端部以外に接続されていることを特徴とする集電電極。
【請求項２】
請求項１に記載の集電電極であって、
複数のフィンガー電極と、前記フィンガー電極を相互に接続するバスバー電極と、を含み、
前記取出配線が前記バスバー電極の端部以外に接続されていることを特徴とする集電電極。
【請求項３】
請求項２に記載の集電電極であって、
前記取出配線は、前記バスバー電極の中央に接続されていることを特徴とする集電電極。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の集電電極であって、
前記取出配線は、前記バスバー電極の全長の一方の端から１／４の位置及び３／４の位置に接続されていることを特徴とする集電電極。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の集電電極であって、
矩形の基板の並行する二辺に沿って前記バスバー電極が設けられており、
前記バスバー電極に直交する方向に前記フィンガー電極が設けられており、
前記バスバー電極及び前記フィンガー電極は銀印刷電極であることを特徴とする集電電極。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の集電電極が設けられた還元反応用電極又は酸化反応用電極を含むことを特徴とする電気化学反応セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電電極及びそれを用いた電気化学反応セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学還元のための電気化学反応セルに用いられる還元反応用電極（カソード電極）の基板では、それ自身が水を還元して水素を発生し難いことが必要である。また、酸化反応用電極（アノード電極）では水が酸化されて酸素の気泡が発生するので、これを確認するために透光性を有することが望ましい。そのため、例えば、還元反応用電極及び酸化反応用電極としてフッ素ドープ酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｆ）等の透明導電層により被覆されたガラス基板が用いられている。
【０００３】
ここで、フッ素ドープ酸化スズ層のシート抵抗は１０Ω／ｓｑ程度であるので、電流が流れる際の電位降下が大きく、電気化学反応セルの変換効率を低下させる原因となる。そのため、透明導電層の表面上にフィンガー電極やバスバー電極からなる集電電極が形成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集電電極は、製造の容易さの観点からスクリーン印刷により形成できることが望ましい。しかしながら、フィンガー電極により集められた電流がバスバー電極を流れるので、スクリーン印刷で形成された印刷電極では電気抵抗を小さくするためにバスバー電極の幅を広くする、印刷回数を増やして電極層厚を大きくする、リボン電極を貼付する等の工夫が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様は、線状の電極を組み合わせてなる集電電極であって、電力を取り出すための取出配線が前記集電電極の線状の端部以外に接続されていることを特徴とする集電電極である。
【０００６】
ここで、複数のフィンガー電極と、前記フィンガー電極を相互に接続するバスバー電極と、を含み、前記取出配線が前記バスバー電極の端部以外に接続されていることが好適である。
【０００７】
また、前記取出配線は、前記バスバー電極の中央に接続されていることが好適である。また、前記取出配線は、前記バスバー電極の全長の一方の端から１／４の位置及び３／４の位置に接続されていることが好適である。
【０００８】
また、矩形の基板の並行する二辺に沿って前記バスバー電極が設けられており、前記バスバー電極に直交する方向に前記フィンガー電極が設けられており、前記バスバー電極及び前記フィンガー電極は銀印刷電極であることが好適である。
【０００９】
本発明の別の態様は、上記集電電極が設けられた還元反応用電極又は酸化反応用電極を含むことを特徴とする電気化学反応セルである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡易な構成によってバスバー電極での電位降下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電極の構成を示す平面図である。
【図２】電極の構成を示す平面図である。
【図３】電極の構成を示す平面図である。
【図４】電極の構成を示す平面図である。
【図５】電極の構成を示す平面図である。
【図６】電極の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態における電極１００は、図１の平面図に示すように、基板１０、フィンガー電極１２、バスバー電極１４及び取出配線１６を含んで構成される。
【００１３】
電極１００は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）等を還元するための電気化学反応セルに用いられる還元反応用電極及び酸化反応用電極の少なくとも１つに適用することができる。ただし、電極１００の適用範囲は、これに限定されるものではなく、集電電極を必要とする他の用途の電極に適用してもよい。
【００１４】
基板１０は、電極１００を構造的に支持する部材である。基板１０は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、透光性を有するガラス基板とすることが好適である。基板１０の一面には透明導電層が形成される。透明導電層は、電極１００における集電を効果的にするために設けられる。透明導電層は、特に限定されるものではないが、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ，ＳｎＯ２：Ｆ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫を用いることが好適である。
【００１５】
フィンガー電極１２及びバスバー電極１４は、基板１０の透明導電層から電流を集電するための集電電極を構成する。フィンガー電極１２及びバスバー電極１４は、電極１００における集電の効果を高めるために設けられる。すなわち、電極１００を大面積化した場合、透明導電層のみでは電極１００の全面において十分な反応を促進させるための導電性を確保できなくなるので、電極１００の導電性を高めるために設けられる。
【００１６】
フィンガー電極１２は、基板１０の透明導電層状において所定の間隔を置いて櫛形状に配置された線状の電極である。フィンガー電極１２は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。フィンガー電極１２は、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を含む材料で構成することが好適である。フィンガー電極１２は、例えば、スクリーン印刷を適用して、基板１０の透明導電層の表面上に銀（Ａｇ）ペーストを所望のパターンに塗布し、焼成することで形成することができる。なお、当該導電性材料を低融点のガラスコート材やシリコーンゴム（脱オキシムタイプ、低分子シロキサン低減材、耐油・耐溶剤フロロシリコーン等）、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、メタクリル（アクリル）、ポリカーボネート、フッ素樹脂（テフロン（登録商標））、エポキシ樹脂等の樹脂で被覆した構成としてもよい。
【００１７】
バスバー電極１４は、フィンガー電極１２をさらに集電するための線状の電極である。バスバー電極１４は、フィンガー電極１２の端部を相互に接続するように配置される。バスバー電極１４は、例えば、フィンガー電極１２の延設方向に対して直交する方向に延設される。バスバー電極１４は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。バスバー電極１４は、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を含む材料で構成することが好適である。バスバー電極１４は、例えば、スクリーン印刷を適用して、基板１０の透明導電層の表面上に銀（Ａｇ）ペーストを所望のパターンに塗布し、焼成することで形成することができる。なお、当該導電性材料を低融点のガラスコート材やシリコーンゴム（脱オキシムタイプ、低分子シロキサン低減材、耐油・耐溶剤フロロシリコーン等）、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、メタクリル（アクリル）、ポリカーボネート、フッ素樹脂（テフロン（登録商標））、エポキシ樹脂等の樹脂で被覆した構成としてもよい。
【００１８】
取出配線１６は、バスバー電極１４から電力を取り出すための配線である。取出配線１６は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。取出配線１６は、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を含む線材とすることが好適である。取出配線１６は、バスバー電極１４のいずれかの位置に電気的に接続される。
【００１９】
なお、電極１００を還元反応用電極として利用する場合、電極１００の表面に還元触媒機能を有する材料を担持させる。還元触媒機能を有する材料は、錯体触媒とすることができる。錯体触媒層は、ルテニウム錯体（Ｒｕ錯体）とすることが好適である。錯体触媒層は、例えば、［Ｒｕ｛４，４’−ｄｉ（１−Ｈ−１−ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ）−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＭｅＣＮ）Ｃｌ２］、［Ｒｕ｛４，４’−ｄｉ（１−Ｈ−１−ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ）−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）２Ｃｌ２］、［Ｒｕ｛４，４’−ｄｉ（１−Ｈ−１−ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ）−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）２］ｎ、［Ｒｕ｛４，４’−ｄｉ（１−Ｈ−１−ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ）−２，２’−ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＣＨ３ＣＮ）Ｃｌ２］等とすることができる。さらに、錯体触媒層は、Ｒｕ錯体モノマーと重合開始剤（例えばピロール）、触媒（例えば塩化鉄）を含むＲｕ錯体が高分子化（ポリマー）の状態でもよい。錯体触媒層による修飾は、錯体をアセトニトリル（ＭｅＣＮ）溶液に溶解した液を塗布することで作ることができる。また、錯体触媒層による修飾は、電解重合法により行うこともできる。基板１０の電極、対極にフッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ）で被覆したガラス基板、参照電極にＡｇ／Ａｇ＋電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてＡｇ／Ａｇ＋電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ａｇ／Ａｇ＋電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことにより基板１０上を錯体触媒層で修飾することができる。電解質の溶液には、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、電解質には、Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ（ＴＢＡＰ）を用いることができる。
【００２０】
電極１００を酸化反応用電極として利用する場合、電極１００の表面に酸化触媒機能を有する材料を担持させる。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）を含む材料とすることができる。酸化触媒機能を有する材料は、ナノコロイド溶液として基板１０の透明導電層の表面上に担持させることができる(T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015))。
【００２１】
電極１００では、取出配線１６がバスバー電極１４の端部以外に接続される。例えば、取出配線１６は、バスバー電極１４の中央に接続することが好適である。ここで、バスバー電極１４の中央とは、バスバー電極１４の中央位置からバスバー電極１４の全長の±１０％の範囲内を意味するものとする。また、取出配線１６は、バスバー電極１４の中央と端部との間の領域に接続することが好適である。例えば、取出配線１６は、バスバー電極１４の全長の一方の端から１／４の位置及び３／４の位置に接続されていることが好適である。ここで、バスバー電極１４の１／４の位置及び３／４の位置とは、バスバー電極１４の１／４の位置又は３／４の位置からバスバー電極１４の全長の±１０％の範囲内を意味するものとする。
【００２２】
［取出配線の配置］
以下、実施例１〜４及び比較例１〜８での電位降下に基づいて、電極１００のバスバー電極１４に対する取出配線１６の接続位置について検討する。
【００２３】
［比較例１］
比較例１では、図１に示したように、矩形の基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の片側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の一端（図１中の位置ｘ＝Ｌ）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。
【００２４】
電極は正方形として、電極サイズＬは３２ｃｍとした。バスバー電極１４の電極幅は０．５ｃｍとした。バスバー電極１４は、銀（Ａｇ）ペーストを３回繰り返してスクリーン印刷して幅５ｍｍ及び厚さ２７μｍの銀印刷電極であり、これについて実測した単位長さあたりの抵抗値ＲＡｇである３．２ｍΩ／ｃｍを計算に用いた。
【００２５】
まず、バスバー電極１４を流れる電流Ｉｂｕｓ（ｘ）を求めた。バスバー電極１４には、ｎｆｉｎｇｅｒ本のフィンガー電極１２が接続されており、これらを流れる電流がバスバー電極１４に順次流入するものとした。各フィンガー電極１２を流れる電流は全て等しいと仮定した。すなわち、取出配線１６に流れる総電流Ｉｔｏｔａｌに対して、取出配線１６から最も離れたフィンガー電極１２の接続点では電流Ｉｂｕｓ（ｘ）＝Ｉｔｏｔａｌ／ｎｆｉｎｇｅｒとなり、二番目に離れたフィンガー電極１２の接続点では電流Ｉｂｕｓ（ｘ）＝２Ｉｔｏｔａｌ／ｎｆｉｎｇｅｒとなる。したがって、和を積分に置き換えて近似すると電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（１）で表される。
【数１】
2020147838.tif 000003
【００２６】
取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝Ｌ）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（２）で表される。
【数２】
2020147838.tif 000004
【００２７】
［実施例１］
実施例１では、図２に示すように、基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の片側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の中央（図２中の位置ｘ＝Ｌ／２）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。他の条件は、比較例１と同様とした。
【００２８】
電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（１）で表される（ただし、０≦ｘ≦Ｌ／２）。取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝Ｌ／２）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（３）で表される。
【数３】
2020147838.tif 000005
【００２９】
［比較例２］
比較例２では、図３に示すように、基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の両側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の一端（図３中の位置ｘ＝Ｌ）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。他の条件は、比較例１と同様とした。
【００３０】
電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（４）で表される。
【数４】
2020147838.tif 000006
【００３１】
取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝Ｌ）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（５）で表される。
【数５】
2020147838.tif 000007
【００３２】
［実施例２］
実施例２では、図４に示すように、基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の両側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の中央（図４中の位置ｘ＝Ｌ／２）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。他の条件は、比較例１と同様とした。
【００３３】
電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（４）で表される（ただし、０≦ｘ≦Ｌ／２）。取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝Ｌ／２）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（６）で表される。
【数６】
2020147838.tif 000008
【００３４】
［実施例３］
実施例３では、図５に示すように、基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の片側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の１／４及び３／４の位置（図５中の位置ｘ＝１／４Ｌ及び３／４Ｌ）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。他の条件は、比較例１と同様とした。
【００３５】
電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（１）で表される（ただし、０≦ｘ≦Ｌ／４）。取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝１／４Ｌ，３／４Ｌ）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（７）で表される。
【数７】
2020147838.tif 000009
【００３６】
［実施例４］
実施例４では、図６に示すように、基板１０上にフィンガー電極１２を並行に配置すると共にフィンガー電極１２の両側の端部をバスバー電極１４で接続し、バスバー電極１４の１／４及び３／４の位置（図６中の位置ｘ＝１／４Ｌ及び３／４Ｌ）に取出配線１６を設けた構成としたときの電位降下を求めた。他の条件は、比較例１と同様とした。
【００３７】
電流Ｉｂｕｓ（ｘ）は数式（４）で表される（ただし、０≦ｘ≦Ｌ／４）。取出配線１６の取り付け位置（ｘ＝１／４Ｌ，３／４Ｌ）に対して、最も離れた位置（ｘ＝０）での電位降下ΔＶは数式（８）で表される。
【数８】
2020147838.tif 000010
【００３８】
［比較例３，４］
比較例１及び比較例２において、銀（Ａｇ）ペーストのスクリーン印刷により形成された銀印刷電極上に、さらに幅５ｍｍ及び厚さ３００μｍの銅（Ｃｕ）のリボン電極を貼付してバスバー電極１４を構成した場合をそれぞれ比較例３及び比較例４とした。ここで、リボン電極の単位長さあたりの抵抗値Ｒribbonを０．１３３ｍΩ／ｃｍとした。
【００３９】
比較例３及び比較例４における電位降下は、それぞれ数式（２），（５）において抵抗値ＲＡｇを抵抗値Ｒｒｉｂｂｏｎで置き換えて近似することができる。
【００４０】
［実施例５〜８］
実施例１〜４において、銀（Ａｇ）ペーストのスクリーン印刷により形成された銀印刷電極上に、さらに幅５ｍｍ及び厚さ３００μｍの銅（Ｃｕ）のリボン電極を貼付してバスバー電極１４を構成した場合をそれぞれ実施例５〜８とした。ここで、リボン電極の単位長さあたりの抵抗値Ｒribbonを０．１３３ｍΩ／ｃｍとした。
【００４１】
実施例５〜８における電位降下は、それぞれ数式（３），（６），（７），（８）において抵抗値ＲＡｇを抵抗値Ｒｒｉｂｂｏｎで置き換えて近似することができる。
【００４２】
［電位降下の結果］
比較例１〜４及び実施例１〜８について、総電流Ｉｔｏｔａｌを５Ａ及び１０Ａとしたときの電位降下を表１に示す。
【表１】
2020147838.tif 000011
【００４３】
実施例１では、比較例１に比べて、取出配線１６の接続個数が等しいにも関わらず、バスバー電極１４における電位降下を１／４にまで抑えることができた。また、実施例１では、比較例２に比べて、取出配線１６の接続箇所が少ないにも関わらず、バスバー電極１４における電位降下を１／２に抑制することができた。
【００４４】
また、取出配線１６の接続個数を多くした実施例２では、リボン電極を使用した比較例１に匹敵する程度に電位降下を抑えることができた。また、実施例２では、比較例２に比べて、取出配線１６の接続個数が等しいにも関わらず、バスバー電極１４における電位降下を１／４にまで抑えることができた。
【００４５】
さらに、実施例３では、実施例１に比べてもさらに電圧降下を１／８に抑えることができた。取出配線１６の接続個数を多くした実施例４では、リボン電極を使用した比較例４に匹敵する程度に電位降下を抑えることができた。
【００４６】
なお、リボン電極を使用した実施例５〜８では、リボン電極を形成する工程が必要となるが、リボン電極を使用しない実施例１〜４に比べてより電位降下を抑制することができた。
【００４７】
以上のように、本実施の形態における電極１００によれば、バスバー電極１４の端部に取出配線１６を接続する場合に比べて、リボン電極等を用いない場合であっても、バスバー電極１４における電位降下を抑制することができる。したがって、バスバー電極１４の幅を狭くしても従来と同程度の電位降下に収めることができ、電極１００の総面積を小さくすることができる。また、バスバー電極１４の厚さを薄くしても従来と同程度の電位降下に収めることができ、バスバー電極１４を形成するためのスクリーン印刷処理の回数を低減できる等の製造工程を簡素化することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  基板、１２  フィンガー電極、１４  バスバー電極、１６  取出配線、１００  電極。
【図１】
2020147838.tif 000012
【図２】
2020147838.tif 000013
【図３】
2020147838.tif 000014
【図４】
2020147838.tif 000015
【図５】
2020147838.tif 000016
【図６】
2020147838.tif 000017