(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着・還元・成長工程によって製作される水素製造用セルの製造方法であって、
固体高分子電解質溶液を用いて平らな平面上に固体高分子電解質の薄膜を形成し、
白金族に属する金属塩とアルカリ性水溶液とを用いて上記薄膜に白金族アンミン錯体を吸着させて、
還元剤を用いて上記薄膜の白金族アンミン錯体を還元して当該薄膜に白金族金属微粒子を担持させてから、
別途用意した固体高分子電解質膜に上記薄膜を接合した後に、
無電解メッキを施して上記薄膜の白金族金属微粒子を成長させる
ことを特徴とする水素製造用セルの製造方法。
【請求項２】
請求項１の製造方法により製造されていることを特徴とする水素製造用セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子膜を用いた水素発生装置の水素製造用セルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素製造法として固体高分子電解質膜を用いる水電解法は電解の効率が高く、また電極の単位面積当たりの水素発生量が多いものとして知られている。この固体高分子水電解用のセル製作法として、例えば「吸着・還元・成長法」と呼ばれる化学メッキ法が提案されている（特公昭５８−４７４７１号公報参照）。
【０００３】
この吸着・還元・成長法は触媒となる金属を大きく分けて３つの工程で担持することを特徴としている。先ず表面を粗化し、洗浄した固体高分子電解質膜を用意する。これを白金族のアンミン錯イオンを含む溶液に浸漬するなどして膜のイオン交換基へ白金族アンミン錯イオンを吸着させる。次に還元剤たとえば水素化硼素塩（ＮａＢＨ4 ）水溶液で処理することにより膜内表層部に白金族金属を析出させる。この膜を白金族塩とジアルキルアミンボラン等の還元剤などから成るメッキ液に浸漬した際、先に折出した金属粒子を核として膜表層に選択的に担持され、触媒電極層が形成される。
【０００４】
以下に吸着・還元・成長法（従来法）の製造工程の一例を図５を参照して説明する。
【０００５】
▲１▼  固体高分子電解質膜（一例としてデュポン社の「ナフィオン（登録商標）１７７」（商品名）等）０１を用いる（図５（ａ）参照）。
▲２▼  固体高分子電解質膜０１の表面を粗化（マイルドサンドブラスト処理によって表面を粗化する）する（図５（ｂ）参照）。
▲３▼  洗浄工程
▲４▼  吸着工程・・・白金族のアンミン錯イオン等の吸着溶液に浸透させ、固体高分子電解質膜０１のイオン交換基に白金族アンミン錯イオン０２を吸着（膜内にも吸着させる）させる（図５（ｄ）参照）。
▲５▼  還元工程・・・ＮａＢＨ4 水溶液等の還元剤に接させることにより吸着した白金族アンミン錯イオン０２を金属層０３として還元析出させる（図５（ｅ）参照）。
▲６▼  成長工程・・・化学メッキ（無電解メッキ）にて還元後の固体高分子電解質膜０１に触媒（一例としてＩｒ等）０４を担持する（図５（ｆ）参照）。
▲７▼  洗浄工程
▲８▼  完成
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の吸着・還元・成長法における課題として吸着工程では、膜内全体のイオン交換基に白金族アンミン錯イオンが吸着してしまうため、還元工程で表面側から還元剤を作用させる際、どのような条件を選定しようとも膜内部に白金族金属が多少なりとも析出した。
図６に示すように、膜０１内部に金属が析出すると、これを電気的通路０５として電子導伝を持つため、従来の方法によれば電流効率の低下はさけられないものであった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明にかかる水素製造用セルの製造方法は、吸着・還元・成長工程によって製作される水素製造用セルの製造方法であって、固体高分子電解質溶液を用いて平らな平面上に固体高分子電解質の薄膜を形成し、白金族に属する金属塩とアルカリ性水溶液とを用いて上記薄膜に白金族アンミン錯体を吸着させて、還元剤を用いて上記薄膜の白金族アンミン錯体を還元して当該薄膜に白金族金属微粒子を担持させてから、別途用意した固体高分子電解質膜に上記薄膜を接合した後に、無電解メッキを施して上記薄膜の白金族金属微粒子を成長させることを特徴とする。
また、本発明にかかる水素製造用セルは、上述した製造方法により製造されていることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、吸着工程で膜内部全体に白金族アンミン錯イオンを吸着させない方法として、吸着に先立ち高分子電解質の薄膜を用意し、この薄膜に吸着・還元処理を施すと共に、この薄膜を別途用意した固体高分子電解質膜の両面に接合することにより、白金族微粒子層を形成し、その後成長工程を実施するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
前記課題の本質は、吸着工程において膜内部全体に白金族アンミン錯イオンを吸着させてしまうことにある。そして、次の工程である還元工程において、できるだけ膜表層に白金族金属を析出させるために還元剤の種類、濃度や温度条件などを制御しているが、本発明者等の膜の分析により、膜内部にも析出してしまうことが判明した。
そこで、本発明では、中心となる膜とは別の薄膜を用意し、この薄膜に吸着及び還元を実施するようにした。
すなわち、本実施の形態にかかる固体高分子膜を用いた水素製造用セル構造は、図１に示すように、吸着・還元・成長工程によって製作される水素製造用セル構造であって、固体高分子電解質からなる薄膜１１に、白金族に属する金属塩とアルカリ性水溶液とからなる吸着剤１２を施し、次いで還元剤１３を用いて上記吸着剤を施した薄膜に還元を施してなり、別途用意した固体高分子電解質膜１５の両面に上記薄膜を接合してなるものである。
【００１２】
以下、白金微粒子の担持法の概略を示す図１を用いて、本実施の形態の内容を説明する。
先ず、薄膜１１として、数μｍから数１０μｍの厚みをもつものを用意する。図１（ａ）に示すように、上記薄膜１１としては、例えば固体高分子電解質溶液（例えばアルドリッチ社製のナフィオン（デュポン社の登録商標））の５ｗｔ％溶液等を平らな平面上に滴下し、薄く広げたのち乾燥させることによって製作することができる。
該薄膜１１の膜厚は数μｍ〜数１０μｍとしている。
【００１３】
次に、白金族の金属塩とアンモニア水を混合し吸着液１２を調合する。調合液組成としては、従来技術にて提案された方法（特公昭５８−４７４７１号公報）と同様な組成（白金，ロジウム，ルテニウム，パラジウム，イリジウム等の金属の塩化物、硫酸塩、硝酸塩、クロロアンモニウム塩等の白金族に族する金属の塩をアルカリ性水溶液中に0.０００１〜0.１モル／リットル、好ましくは0.０１〜0.０５モル／リットル）が本発明においても適切である。
アルカリ水溶液としては、上記金属塩をアンミン錯イオンの形態とすべく、アンモニア水が使用される。
上記調合液１２を薄膜に施す方法としては、図２（ｂ）に示すような例えば霧吹き等を用いる方法や、その他例えば調合液を滴下するなどの方法、或いは薄膜を調合液に浸漬するなの方法により、調合液と薄膜との十分な接触をもたせるようにすればよい。これらの方法を適宜用いることにより薄膜中のイオン交換基に白金族アンミン錯体を吸着させる。
【００１４】
次に、図１（ｃ）に示すように、還元剤１３中に薄膜１１を浸漬させて、白金族アンミン錯体を還元し、白金族金属微粒子１４を担持させる。このとき、従来法であれば固体高分子電解質膜表層により多くの白金族金属が析出するように、また良好な金属担持状態を得るために、水素化硼素塩水溶液で処理することが必須であったが、本発明においては上記水素化硼素塩水溶液に限定されず、その他の還元剤（例えばヒドラジンヒドロキシアミン等）でも処理が可能である。
【００１５】
次に、図１（ｄ）に示すように、還元を終了し白金族金属微粒子１４の担持された薄膜１１を別途用意した固体高分子電解質膜（数１０μｍ〜数１００μｍ）１５の両面に接合する。
上記接合方法としては、加熱及び加圧して行う。
上記接合温度は、１２０〜２２０℃の範囲で行えばよいが、好ましくは１５０〜１８０℃の範囲とするのが良い。また加圧圧力は１５〜７０kgｆ／ｃｍ2 の範囲で行えばよいが、３５kgｆ／ｃｍ2 程度で行うことにより、良好なセル特性を示すのでより好ましい。
【００１６】
次の工程である（ｅ）成長工程も上述した従来技術にて提案された方法（特公昭５８−４７４７１号公報）が適切な方法である。
すなわち白金族金属塩をアルカリ性水溶液に溶解させジアルキルアミンホランを還元剤として用い無電解メッキを行うようにすればよい。
この後、酸及び純水で洗浄し完成する。
【００１７】
接合工程の終わったセルを見ると、本発明によれば白金族金属を薄膜にのみ吸着・還元しているため膜内部には全く金属粒子が存在しないものとなった。
成長工程は先に存在する金属粒子を核として金属が成長して行くため全く金属粒子の存在しない膜内部では、成長反応は起こらない。そのため膜内部に金属による電路の発生は無く、高い電流効率を示すセルが得られる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の好適な一実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
▲１▼  先ず、薄膜製作のためアルドリッチ社製のナフィオン（デュポン社の登録商標）溶液（５ｗｔ％）を用意し、薄いテフロン（デュポン社の登録商標）製のパレット２１の上に滴下し、薄く広げ大気中にて乾燥させた。ほぼ乾燥したことを確認してから１６０℃に設定したオーブンに入れ２０分間焼成し、約６μｍの薄膜２２を得た。
▲２▼  吸着工程はパレットのままそこへ〔Ｐt(ＮＨ3)4 〕Ｃｌ2 を０．３ｇを８０ｍｌの純水に溶かした溶液を注ぎ、１０分間静置した。その後溶液を捨て純水で１回すすいだ後還元工程を行った。
▲３▼  還元工程用の還元液として２８％アンモニア水２ｍｌと純水３５０ｍｌと水素化ホウ素ナトリウム０．８ｇを混ぜ合わせたものをパレットに注いだ。５分に１回パレットをかるくゆすり、３０分間還元処理を行った。還元液を捨て３回純水ですすいだ。
▲４▼  パレットの底をカッタ２３を用いて切断して切り出し、テフロン製のパレット２１についた白金の担持された薄膜２４を得た（図２参照）。
この切り出したものにアルドリッチ社製のナフィオン溶液をエタノールで１０倍に薄めたものをハケでかるく塗布した。
▲５▼  次に、図３に示すように、このナフィオン溶液を塗布した薄膜２１を担持した薄膜２４を１７０℃に設定したホットプレス機（図示せず）を用い、４０kgｆ／ｃｍ2 の圧力にて３分間加熱加圧して固体高分子電解質膜２５の両面に接合した。接合後テフロン製のパレット２１の底であったテフロン板２１をはがし、白金微粒子が表面層のみに担持された固体高分子膜を得た。
▲６▼  更に成長工程として塩化イリジウム０．３ｇ、２８％アンモニア水３０ｍｌ、５％ジメチルアミンボラン１０ｍｌと水２００ｍｌを混合したものを８０℃に保ち２時間膜に触れさせた。
▲７▼  この後、膜を液から出し酸洗浄と水によるすすぎ洗いを行った。
【００２０】
図４に電流密度と電流効率の関係を示す。
従来の方法によれば９４〜９６％であった電流効率が今日新しく発明した方法によれば９６〜９８％と改善された。
ここで電流効率及び電流から計算される理論水素量の計算式を下記「数１」に示す。
【００２１】
【数１】
0003652854.tif 000002
【００２３】
【発明の効果】
本発明にかかる水素製造用セルの製造方法は、吸着・還元・成長工程によって製作される水素製造用セルの製造方法であって、固体高分子電解質溶液を用いて平らな平面上に固体高分子電解質の薄膜を形成し、白金族に属する金属塩とアルカリ性水溶液とを用いて上記薄膜に白金族アンミン錯体を吸着させて、還元剤を用いて上記薄膜の白金族アンミン錯体を還元して当該薄膜に白金族金属微粒子を担持させてから、別途用意した固体高分子電解質膜に上記薄膜を接合した後に、無電解メッキを施して上記薄膜の白金族金属微粒子を成長させるので、白金族金属を薄膜にのみ吸着・還元することとなり、その後の成長工程は先に存在する金属粒子を核として金属が成長して行くため全く金属粒子の存在しない膜内部では、成長反応は起こらず、そのため膜内部に金属による電路の発生は無く、高い電流効率を示すセルが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の白金族微粒子の担持方法の概略図である。
【図２】本発明の実施例にかかる薄膜の製造方法の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施例にかかる薄膜の接合方法の一例を示す図である。
【図４】電流密度と電流効率の関係を示す図である。
【図５】従来技術にかかる吸着・還元・成長方法の概略工程図である。
【図６】従来技術にかかる吸着・還元・成長後の膜の拡大断面図である。
【符号の説明】
１１  薄膜
１２  調合液
１３  還元剤
１４  白金族金属微粒子
１５  固体高分子電解質膜
２１  薄いテフロン（デュポン社の登録商標）製のパレット
２２  薄膜
２３  カッタ
２４  ナフィオン溶液を塗布した薄膜を担持した薄膜
２５  固体高分子電解質膜
【図１】
0003652854.tif 000003
【図２】
0003652854.tif 000004
【図３】
0003652854.tif 000005
【図４】
0003652854.tif 000006
【図５】
0003652854.tif 000007
【図６】
0003652854.tif 000008