(57)【要約】【課題】水電気分解用触媒として、貴金属系触媒以外の触媒を用いた水電気分解用積層体及びそれを用いた水電気分解装置を提供することを課題とする。【解決手段】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極及び他方の面側に配置される水素生成電極と、を備える水電気分解用積層体であって、前記酸素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む酸素生成電極触媒層とを有し、前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、水電気分解用積層体；及びそれを用いた水電気分解装置等を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極触媒層及び他方の面側に配置される水素生成電極触媒層と、
を備える水電気分解用積層体であって、
前記酸素生成電極触媒層が、基体と、触媒を含み、
前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、
水電気分解用積層体。
【請求項２】
前記水素生成電極触媒層が、基体と、触媒を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、
請求項１に記載の水電気分解用積層体。
【請求項３】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極及び他方の面側に配置される水素生成電極と、
を備える水電気分解用積層体であって、
前記酸素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む酸素生成電極触媒層とを有し、
前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、
水電気分解用積層体。
【請求項４】
前記水素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む水素生成電極触媒層とを有し、
前記触媒が、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、
請求項３に記載の水電気分解用積層体。
【請求項５】
前記不動態を形成する金属が、Ti、Cr、Al、Ni及びSnから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水分解用積層体。
【請求項６】
前記酸素生成電極触媒層が、固体高分子電解質膜の面側の少なくとも一部の表面に高分子電解質を含む、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水電気分解用積層体。
【請求項７】
前記基体が、ガス透過性である、請求項３〜６のいずれか１項に記載の水電気分解用積層体。
【請求項８】
前記基体の少なくとも一部が、金属メッシュ、不織布、金属多孔性シート、又は金属多孔体から構成される、請求項３〜７のいずれか１項に記載の水電気分解用積層体。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の水電気分解用積層体を備えた水電気分解セル。
【請求項１０】
前記積層体の外側に、１以上のガス分離層を有する、請求項９に記載の水電気分解セル。
【請求項１１】
前記積層体の外側に、集電極を有する、請求項９又は１０に記載の水電気分解セル。
【請求項１２】
前記水電気分解用積層体と集電極の間に、１以上のクッション層を有する、請求項１１に記載の水電気分解セル。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の水電気分解用積層体、又は請求項９〜１２のいずれか１項に記載の水電気分解セルを備えた、水電気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電気分解用積層体及びそれを用いた水電気分解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水を電気分解して酸素及び水素を生成する技術が知られている。近年、再生可能エネルギーを水素エネルギーに変換して貯蔵するシステムに、水電気分解（水電解）技術を利用することが提案されている（非特許文献１）。中でも、高い電解効率及び電解電流密度を示す、固体高分子型水電気分解の利用が種々検討されている。固体高分子型水電気分解では、電解質として、プロトン導電性のフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子膜が用いられ、この高分子膜の一方の面にアノード（酸素生成電極）、他方の面にカソード（水素生成電極）が積層された積層体が用いられる。また、それぞれの電極には、電気分解用触媒層が積層される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Journal of the Japan Institute of Energy, 94, 27-34 (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
固体高分子型水電気分解では、原理上、カソード側もさることながら、アノード側が強酸性環境になる。そのため、電気分解用触媒として、耐強酸性を有する酸化イリジウム等の貴金属系触媒が用いられている。しかし、貴金属は資源として乏しく、高価であり、このことが、固体高分子型水電気分解システムの普及を妨げる一因となっている。したがって、本発明は、水電気分解用触媒として、貴金属系触媒以外の触媒を用いた水電気分解用積層体及びそれを用いた水電気分解装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、水電気分解用触媒として非貴金属系触媒を用い、触媒層を構成する基体の材料として酸性条件下で不動態を形成可能な金属を含む材料を用いることで、水電気分解が進行可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨は以下に関する。
【０００６】
［１］
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極触媒層及び他方の面側に配置される水素生成電極触媒層と、
を備える水電気分解用積層体であって、
前記酸素生成電極触媒層が、基体と、触媒を含み、
前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、
水電気分解用積層体。
［２］
前記水素生成電極触媒層が、基体と、触媒を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、
［１］に記載の水電気分解用積層体。
【０００７】
［３］
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極及び他方の面側に配置される水素生成電極と、
を備える水電気分解用積層体であって、
前記酸素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む酸素生成電極触媒層とを有し、
前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、
前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、
水電気分解用積層体。
［４］
前記水素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む水素生成電極触媒層とを有し、
前記触媒が、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びWから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、
［３］に記載の水電気分解用積層体。
【０００８】
［５］
前記不動態を形成する金属が、Ti、Cr、Al、Ni及びSnから選ばれる少なくとも１種の金属を含む、［１］〜［４］のいずれかに記載の水分解用積層体。
［６］
前記酸素生成電極触媒層が、固体高分子電解質膜の面側の少なくとも一部の表面に高分子電解質を含む、
［１］〜［５］のいずれかに記載の水電気分解用積層体。
【０００９】
［７］
前記基体が、ガス透過性である、［３］〜［６］のいずれかに記載の水電気分解用積層体。
［８］
前記基体の少なくとも一部が、金属メッシュ、不織布、金属多孔性シート、又は金属多孔体から構成される、［３］〜［７］のいずれかに記載の水電気分解用積層体。
【００１０】
［９］
［１］〜［８］のいずれかに記載の水電気分解用積層体を備えた水電気分解セル。
［１０］
前記積層体の外側に、１以上のガス分離層を有する、［９］に記載の水電気分解セル。［１１］
前記積層体の外側に、集電極を有する、［９］又は［１０］に記載の水電気分解セル。［１２］
前記水電気分解用積層体と集電極の間に、１以上のクッション層を有する、［１１］に記載の水電気分解セル。
［１３］
［１］〜［８］のいずれかに記載の水電気分解用積層体、又は［９］〜［１２］のいずれかに記載の水電気分解セルを備えた、水電気分解装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、貴金属系触媒以外の触媒を用いた水電気分解用積層体及びそれを用いた水電気分解装置を提供することができる。すなわち、貴金属元素を含有することなく、コストが低減された、酸素生成電極触媒を備える水電気分解用積層体及びそれを用いた水
分解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の水電気分解用積層体の構成（触媒層付電解質膜）について説明する模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の水電気分解用積層体の構成（膜電極接合体）について説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について説明する。
＜水電気分解用積層体＞
本発明の一態様は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極触媒層及び他方の面側に配置される水素生成電極触媒層と、を備える水電気分解用積層体であって、前記酸素生成電極触媒層が、基体と、触媒を含み、前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、水電気分解用積層体（以下、「本発明の第一の積層体」ということがある）に関する。
【００１４】
本発明のさらなる一態様は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面側に配置される酸素生成電極及び他方の面側に配置される水素生成電極と、を備える水電気分解用積層体であって、前記酸素生成電極が、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む酸素生成電極触媒層とを有し、前記基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含み、前記触媒が、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種を含む、水電気分解用積層体（以下、「本発明の第二の積層体」ということがある）に関する。
【００１５】
以下、「本発明の第一の積層体」と「本発明の第二の積層体」を合わせて「本発明の積層体」ということがある。
【００１６】
従来、非貴金属は貴金属に比して安定性が低く、水電気分解用触媒、特に強酸性環境下となる酸素発生電極触媒としては用いることができないと考えられていた。本発明においては、このような非貴金属を酸素発生電極触媒として用いて、水電気分解に成功したものである。
本発明は、固体高分子電解質膜を利用した水電気分解用積層体に関し、当該積層体中の一構成層である基体が、酸性条件下で不動態を形成する少なくとも１種の金属を含むことを一つの特徴とする。前記金属は、酸性条件下において耐腐食性の酸化物被膜（不動態膜）を形成し、それにより前記積層体の表面の腐食が抑制され、触媒層に含まれる非貴金属の酸化物等の安定性が向上すると考えられる。その結果、非貴金属触媒層による水電気分解を進行させることができる。また、基体として上記条件を満足しない材料（例えば、カーボン）からなる基体を用いた場合と比較して、抵抗値の低減効果が得られる場合がある。
【００１７】
（固体高分子電解質膜）
固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子材料で形成されており、プロトンを選択的に伝導する一方で、水素生成電極と酸素生成電極との間で物質が混合したり拡散することを抑制する。
プロトン伝導性を有する高分子材料としては、限定されないが、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂等が挙げられる。プロトン伝導性を有する高分子材料のイオン交換容量（IEC）は、0.7〜2 meq／gが好ましく、1〜1.2meq／gがより好ましい。イオン交換容量が0.7 meq／g以上であれば、プロ
トン伝導度が高い固体高分子電解質膜が得られる点で好ましい。一方、1.2 meq／g以下であれば、充分に高い耐水性を有する固体高分子電解質膜が得られる点で好ましい。
固体高分子電解質膜の厚さは、5〜300 μmが好ましく、10〜150 μmがより好ましい。
【００１８】
（酸素生成電極触媒層）
酸素生成電極触媒層は、固体高分子電解質膜の一方の面に接して設けられている。酸素生成電極触媒層は、不動態となる金属酸化物を形成する少なくとも１種の金属を含む基体と、非貴金属である、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種の触媒を含む。
【００１９】
（（基体））
基体は、酸性条件下で、不動態となる金属酸化物を形成する少なくとも１種の金属を含む。
ここで、酸性条件とは、水電気分解用装置における酸素生成電極付近で生じる酸性条件である。限定されないが、酸性条件とは、例えば＜pH 7.0、＜pH 6.0、＜pH 5.0又は＜pH
4.0である。
【００２０】
酸性条件下で不動態を形成する金属としては、限定されないが、Ti、Cr、Al、Ni、Sn等が挙げられる。より強固な不動態を形成する観点から、より望ましくはTi、Al及びNiから選ばれる金属が挙げられる。
基体は、上記不動態を形成する金属からなるか、又はさらにMn、Fe、Co、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、W等の金属を含む合金、金属間化合物等からなってよい。
【００２１】
基体は、電子伝導性を有することが好ましい。電子伝導度は、1.0×10-2 S／cm以上が好ましい。基体の電子伝導度が1.0×10-2 S／cm以上の場合には、十分な電子伝導性を付与することができる点で好ましい。
基体は、触媒を保持するための基材としての役割の他、特に触媒が基体の一部の表面に配置される場合、集電部材としても機能する（以下、この態様を「酸素生成電極基体」ということがある）。
酸素生成電極基体の厚さは、50〜1000 μmが好ましく、100〜500 μmがより好ましい。
【００２２】
酸素生成電極基体は、好ましくはガス透過性を有する構造体である。このような構造体として、例えば、金属メッシュ、不織布、金属多孔性シート（径：たとえば100〜1000 μm）、又は金属多孔体（金属粉末や金属繊維を焼結した多孔体、金属発泡成形体等）等の構造体が挙げられる。
【００２３】
（（触媒））
酸素生成電極触媒層は、非貴金属である、Mn、Fe、Co及びNiから選ばれる金属の酸化物及び水酸化物から選ばれる少なくとも１種の触媒を含む。
酸素生成電極触媒層は、上記非貴金属系触媒以外に、触媒能力をさらに向上させるために、貴金属系触媒である、Ru、Rh、Pd、Ir、及びPt等から選ばれる金属の金属酸化物を含んでもよい。
また、非貴金属である第１の触媒金属と貴金属系である第２の触媒金属との合金、あるいは、第１の触媒金属と第２の触媒金属からなる金属間化合物であってよい。
【００２４】
これらの触媒は、基体と触媒が混合された触媒層に存在するものでもよく、また、基体の固体高分子電解質膜の面側の少なくとも一部の表面に配置される触媒層に存在するものであってもよい。
触媒層中に含まれる触媒量（金属元素として質量換算）は、通常0.001〜5 mg／cm2の範囲内にあればよく、0.001〜0.2 mg／cm2の範囲内にあることが好適である。
触媒層の厚さは、好ましくは0.1〜10 μm、より好ましくは0.2〜5 μmである。
【００２５】
（（高分子電解質））
触媒層は、触媒を結着させる、あるいは、触媒層内のプロトン伝導性を向上させるために、高分子電解質を含んでもよい。高分子電解質として、例えばプロトン伝導性を有するイオノマー（カチオン交換型のイオノマー）等が挙げられる。カチオン交換型のイオノマーとしては、限定されないが、ナフィオン（登録商標）、フレミオン（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸ポリマーが挙げられる。好ましくは、前述の固体高分子電解質膜と同一又は類似の構造を有するイオノマーを含むことが好ましい。
カチオン交換型のイオノマーのイオン交換容量（IEC）は、0.7〜3 meq／gが好ましく、1〜2.5 meq／gがより好ましい。カチオン交換型のイオノマーと基体の質量比は、0.1〜2が好ましく、0.2〜1.5がより好ましい。質量比が0.1以上であれば、十分なイオン伝導性を得ることができる点で好ましい。一方、質量比が2以下であれば、触媒に対するイオノマーの被覆厚みが増えず、反応物質が触媒活性点に接触することが阻害されたり、電子伝導性が低下することにより電極活性が低下することがない点で好ましい。
【００２６】
高分子電解質は、触媒層成分として他の成分と共に塗布されてよく、又は触媒層を形成した後、触媒層を被覆するように塗布してもよい。触媒層を被覆するように塗布した場合の塗布層の厚さは、ガスのクロスリーク性の観点からはより厚い方が好ましく、抵抗低減の観点からはより薄い方が好ましい。塗布層の厚さは、例えば、50〜200 μmが好ましく、100〜130 μmがより好ましい。
【００２７】
（水素生成電極触媒層）
本発明の第一の積層体は、一態様として、基体と、触媒を含む、水素生成電極触媒層を有する。
本発明の第二の積層体は、一態様として、基体と、基体の少なくとも一部の表面に配置される触媒を含む水素生成電極触媒層とを有する、水素生成電極を有する。
【００２８】
水素生成電極触媒層は、固体高分子電解質膜の酸素生成電極側の他方の面に接して設けられている。水素生成電極触媒層は、基体と、触媒を含む。
【００２９】
（（基体））
触媒は基体に担持され、基体は、電子伝導性を有する材料であることが好ましい。電子伝導性材料の電子伝導度は、1.0×10-2 S／cm以上が好ましい。電子伝導性材料の電子伝導度が1.0×10-2 S／cm以上の場合には、十分な電子伝導性を付与することができる点で好ましい。基体は、触媒が基体の一部の表面に配置され、触媒層を形成するものであってもよい（以下、この態様を「水素生成電極基体」と言うことがある）。
水素生成電極基体の厚さは、50〜1000 μmが好ましく、100〜500 μmがより好ましい。
【００３０】
当該電子伝導性材料として、ガス透過性を有するものが好ましく、例えば、多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料が挙げられる。多孔性カーボンとしては、ケッチェンブラック（登録商標）、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）等のカーボンブラックが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の酸化物等が挙げられる。この他、触媒金属を担持するための多孔性の電子伝導性材料として、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等の金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物が挙げられる。
【００３１】
（（触媒））
触媒は、非貴金属である第１の触媒金属である、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びW等から選ばれる金属、及び貴金属である第２の触媒金属である、Ru、Rh、Pd、Ir、及びPt等から選ば
れる金属から選ばれる1種以上の触媒を含む。また、第１の触媒金属と第２の触媒金属を含む金属組成物で構成されてもよい。この場合、金属組成物の形態は、第１の触媒金属と第２の触媒金属との合金、あるいは、第１の触媒金属と第２の触媒金属からなる金属間化合物である。好ましくは、触媒として、非貴金属である第１の触媒金属である、Mn、Fe、Co、Ni、Mo及びW等から選ばれる金属から選ばれる1種以上の触媒を含む。
触媒層中に含まれる触媒量（金属元素として質量換算）は、一般に0.001〜5mg／cm2の範囲内にあればよく、0.05〜0.6mg／cm2の範囲内にあることが好適である。
触媒層の厚さは、好ましくは0.1〜10 μm、より好ましくは0.2〜5 μmである。
【００３２】
水素生成電極触媒層には、前述の電子伝導性材料を、触媒金属を担持した基体とは別に添加してもよい。これによって、水素生成電極触媒粒子間の電子伝導経路を増やすことができ、水素生成電極触媒層の幾何面積当たりの抵抗を下げることができる場合もある。
水素生成電極触媒層は、添加剤としてポリテトラフルオロエチレン（PTFE）等のフッ素系樹脂を含んでもよい。
【００３３】
（（高分子電解質））
水素生成電極触媒層は、高分子電解質を含んでもよい。水素生成電極触媒層に含まれる高分子電解質の態様は、前述の酸素生成電極触媒層に含まれる高分子電解質の態様と同じである。
【００３４】
（（製造方法））
本発明の第一の積層体として、例えば、図１に示すような積層体が挙げられる。本発明の第一の積層体は、酸素生成電極触媒層12、固体高分子電解質膜11、水素生成電極触媒層13をこの順で積層した積層体（触媒層付電解質膜10）である。このように、電解質膜の両面に触媒層を積層させたもの（即ち触媒層／電解質膜／触媒層の層構成のもの）は触媒層付電解質膜（Catalyst Coated Membrane；CCM）と称される。
【００３５】
触媒層付電解質膜の形成方法は、特に限定されず、公知の方法を用いることができる。触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜表面に、上記のような触媒層を形成するための成分を含む触媒層ペースト組成物を塗布及び乾燥させることで作製することができる。あるいは、予め触媒層を支持体上に作製し、この支持体上の触媒層を固体高分子電解質膜に転写する方法（転写法）によっても作製することができる。
【００３６】
本発明の第二の積層体として、例えば、図２に示すような積層体が挙げられる。本発明の第二の積層体は、酸素生成電極26（酸素生成電極基体24、酸素生成電極触媒層22）、固体高分子電解質膜21、水素生成電極27（水素生成電極触媒層23、水素生成電極基体25）をこの順で積層した積層体（膜電極接合体20）である。このような、電解質膜の両面に触媒層及びさらにガス拡散性の基体を順次積層させたもの（即ち、ガス拡散性の基体／触媒層／電解質膜／触媒層／ガス拡散性の基体の層構成のもの）は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；MEA）と称されている。
【００３７】
膜電極接合体の形成方法は、特に限定されず、公知の方法（化学メッキ法、熱プレス接合法等）を用いることができる。
【００３８】
（水電気分解セル）
本発明の水電気分解セルは、少なくとも本発明の積層体を含む水電気分解セルである。なお、本発明の積層体以外の公知の水電気分解セルの構成要素を含んでもよい。
【００３９】
（（ガス分離層））
本発明に係る水電気分解セルは、水電気分解セルの構成要素として、ガス分離層を有し
てもよい。ガス分離層は、生成したガスを分離するとともに、触媒層に均一に電力を供給するための層としても機能する。
【００４０】
ガス分離層としては、特に制限されず公知のものを使用することができるが、多孔性基材又は多孔性基材と微多孔性基材との積層構造体等が挙げられる。
【００４１】
例えば、ガス分離層を構成する材料として、耐食性金属又は合金からなる金属メッシュ等を用いることができる。ガス分離層の厚さは、50〜1000 μmが好ましく、100〜500 μmがより好ましい。また、ガス分離層を構成する材料の電子伝導度は、10−2S／cm以上であることが好ましい。また、表面に撥水処理、親油処理等の加工を施すことが好ましい。
【００４２】
（（集電極））
本発明に係る水電気分解セルは、水電気分解セルの構成要素として、集電極を有してもよい。
集電極としては、特に制限されず公知のものを使用することができるが、例えばチタン、カ−ボン等の導電性材質からなる多孔体等が挙げられる。集電極の厚さは、50〜1000 μmが好ましく、100〜500 μmがより好ましい。集電極を構成する材料の電子伝導度は、10−2S／cm以上であることが好ましい。
【００４３】
（（クッション層））
本発明に係る水電気分解セルは、水電気分解セルの構成要素として、水電気分解用積層体と集電極の間に、クッション層を有してもよい。
クッション層は、触媒層に均一に電力を供給するための層として機能し、このような機能を奏する材料であれば限定されず用いることができる。通常、１以上の金属メッシュ、不織布、又は金属多孔性シート等を少なくとも含む。クッション層の厚さは、50〜1000 μmが好ましく、100〜500 μmがより好ましい。このようなクッション層は、集電極からの電流が均一に触媒層に流し、反応性の向上、触媒の劣化防止等の作用を有する。また、クッション層を構成する材料の電子伝導度は、10−2S／cm以上であることが好ましい。
【００４４】
（水電気分解装置）
本発明の水電気分解装置は、少なくとも本発明の積層体又は本発明の水電気分解セルを含む水電気分解装置である。なお、本発明の積層体又は本発明の水電気分解セル以外の公知の水電気分解装置の構成要素を含んでもよい。
【００４５】
水電気分解装置においては、電極の端子に直流電源が接続される。この状態で、酸素生成電極及び水素生成電極は、固体高分子電解質膜に対して圧着されており、電流を流すことにより、酸素生成電極触媒の触媒作用により、アノード側では酸素が生成する。陽イオン、もしくは陰イオンは固体高分子電解質膜を通過し、水素生成電極触媒の触媒作用により、カソード側では水素が生成する。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の例示であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００４７】
＜実施例１：水電気分解セルの作製＞
（酸素生成電極の作製）
基体であるカーボンペーパー又はTi多孔質シート上に、酸化イリジウム（IrOx）粉末を純水に懸濁した懸濁液（9 wt％）を200 μL/cm2となるように、金属硝酸塩溶液（3 M）を150 ℃以上の温度で熱酸化させて形成した酸化マグネシウム（MnOx）溶液、酸化ニッケル（NiOx）溶液又は酸化コバルト（CoOx）溶液を、それぞれ400 μL/cm2となるように、基
体上に塗布後、焼成（乾燥）し、ナフィオン溶液を塗布し、酸素生成電極を作製した。
【００４８】
（水素生成電極の作製）
カーボンペーパー上に、白金カーボン（PtC）粉末（6 wt％）及びナフィオン溶液を混合したスラリーを200 μL/cm2となるように、基体上に塗布後、焼成（乾燥）し、水素生成電極を作製した。
【００４９】
（膜電極接合体の作製）
固体高分子電解質膜を挟み込むように、上記のように作製した酸素生成電極と水素生成電極を、熱圧着し、膜電極接合体を作製した。
【００５０】
（水電気分解セルの作製）
上記のように作製した膜電極接合体を水電気分解セル（自作セル）に組み込み、水電気分解セルを作製した。
【００５１】
＜実施例２：各種膜電極接合体を用いた水電気分解セルの性能評価＞
酸素生成電極側へ純水を供給した状態で、上記のように作製した水電気分解セルに電圧を印加していき、電流値を測定し、立ち上がり電圧（水電気分解が開始される電圧；分解電圧）（V）を求めた。
【００５２】
基体としてカーボンペーパーを使用し、触媒を使用しないもの、触媒としてIrOx、MnOx、NiOx又はCoOxを使用したものについて測定したところ、触媒なし: 1.55 V、IrOx: 1.40
V、MnOx: 1.53 V、NiOx: 1.42 V、CoOx: 1.49 Vの立ち上がり電圧が確認された。また、泡の発生も確認された。
【００５３】
貴金属触媒IrOxを用いた膜電極接合体と比較すると電流値は低いが、非貴金属も触媒として作用することが確認された。
【００５４】
基体としてTi多孔質シートを使用し、触媒を使用しないもの、触媒としてIrOx、MnOx又はNiOxを使用したものについて、上記と同様に、立ち上がり電圧（V）を求めた。触媒なし: 1.51 V、IrOx: 0.89 V、MnOx: 1.33 V、NiOx: 1.09 Vの立ち上がり電圧が確認された。また、泡の発生も確認された。
【００５５】
非貴金属も触媒として作用することが確認された。基体がカーボンペーパーの場合に比べて、電流値の向上、過電圧の低減が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の積層体及びそれを用いた水電気分解装置は、特にコスト低減に優れる。また耐久性に優れ、安定な水電気分解が可能である。
【符号の説明】
【００５７】
10:触媒層付電解質膜
11:固体高分子電解質膜
12:酸素生成電極触媒層
13:水素生成電極触媒層
20:膜電極接合体
21:固体高分子電解質膜
22:酸素生成電極触媒層
23:水素生成電極触媒層
24:酸素生成電極基体
25:水素生成電極基体
26:酸素生成電極
27:水素生成電極
【図１】
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【図２】
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