(57)【要約】【課題】優れた耐久性と電流効率とを備えた電解セルを得ることができる水電解セル用給電体の製造方法を提供する。【解決手段】繊維径が１０〜４０μｍの範囲にある金属繊維からなる金属繊維焼結体を圧延加工することにより形成された給電体５，６を電極触媒層３，４に接合する工程を備える。前記圧延加工は、繊維径が２０〜４０μｍの範囲にあるＴｉ繊維からなる金属繊維焼結体に２００ＭＰａ以上の応力を付与して行う。また、前記圧延加工は、繊維径が１０〜３０μｍの範囲にあるステンレス鋼繊維からなる金属繊維焼結体に１００ＭＰａ以上の応力を付与して行う。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極触媒層に挟持された固体高分子電解質膜を備える水電解セル用給電体の製造方法であって、
繊維径が１０〜４０μｍの範囲にある金属繊維からなる金属繊維焼結体を圧延加工することにより形成された給電体を該電極触媒層に接合する工程を備えることを特徴とする水電解セル用給電体の製造方法。
【請求項２】
前記圧延加工は、繊維径が２０〜４０μｍの範囲にあるＴｉ繊維からなる金属繊維焼結体に２００ＭＰａ以上の応力を付与して行うことを特徴とする請求項１記載の水電解セル用給電体の製造方法。
【請求項３】
前記圧延加工は、繊維径が１０〜３０μｍの範囲にあるステンレス鋼繊維からなる金属繊維焼結体に１００ＭＰａ以上の応力を付与して行うことを特徴とする請求項１記載の水電解セル用給電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水電解セル用給電体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水の電解により水素と酸素とを製造する装置として、図１に示すような構成を備える水電解セル１が知られている。図１示の水電解セル１は、固体高分子電解質膜２を一対の電極触媒層３，４で挟持し、電極触媒層３，４の上にそれぞれ多孔質給電体５，６を積層したものである。
【０００３】
水電解セル１では、電極触媒層３，４に水を供給する一方、電圧を印加することにより、水の電解を行う。このとき、陽極側では次式（１）のように水の電解が起きて酸素と水素イオンとが生成し、電子が電極に与えられる。前記水素イオンは、前記固体高分子電解質膜２を透過して陰極側に移動し、陰極側の電極から電子を与えられる。この結果、陰極側では次式（２）のように水素が生成する。
【０００４】
【化１】
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従って、前記水電解セル１では、陽極側からは酸素を取り出すことができ、陰極側からは水素を取り出すことができる。
【０００５】
前記水電解セル１において、電極触媒層３，４は、例えば、触媒粉末を分散させたペーストをポリテトラフルオロエチレン製シートにスクリーン印刷し、該シートから固体高分子電解質膜２に転写されることにより、固体高分子電解質膜２と接合されている。
【０００６】
また、多孔質給電体５，６は、通電性の他、電極触媒層３，４に水を供給する機能と、水電解により生成したガスを排出する機能とが必要とされる。そこで、このような機能を備える材料として、例えば、金属の短繊維または長繊維を圧縮して所定の形状に成形した後、焼結し、白金メッキを施した金属繊維焼結体が用いられている。
【０００７】
しかしながら、前記金属繊維焼結体からなる給電体は、電極触媒層３，４に接合する際に、繊維が固体高分子電解質膜２に突き刺さりピンホール等の損傷を生じることがあるという不都合がある。前記固体高分子電解質膜に損傷が生じると、水電解セルの電流効率が経時的に低下し、十分な耐久性が得られない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた耐久性と電流効率とを備えた電解セルを得ることができる水電解セル用給電体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、一対の電極触媒層に挟持された固体高分子電解質膜を備える水電解セル用給電体の製造方法であって、繊維径が１０〜４０μｍの範囲にある金属繊維からなる金属繊維焼結体を圧延加工することにより形成された給電体を該電極触媒層に接合する工程を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の製造方法によれば、前記金属繊維焼結体を圧延加工して前記給電体を形成することにより、該給電体の表面が平滑になる。従って、前記給電体を前記電極触媒層に接合する際に、繊維が固体高分子電解質膜に突き刺さって損傷することを防止することができ、優れた耐久性を備える水電解セルを得ることができる。
【００１１】
また、本発明の製造方法では、前記金属繊維の繊維径が１０〜４０μｍの範囲にあることにより、優れた電流効率を備える水電解セルを得ることができる。前記金属繊維の繊維径が１０μｍ未満では、前記金属繊維焼結体の内部抵抗が大きくなるために、一定の電流密度に対する所要電圧が高くなり電力効率が低下する。一方、前記金属繊維の繊維径が４０μｍを超えると、前記電極触媒層との接触抵抗が大きくなるために、一定の電流密度に対する所要電圧が高くなり、電流効率が低下する。
【００１２】
前記水電解セルでは、陽極側は酸化雰囲気となるので、前記金属繊維焼結体はＴｉ等の耐酸化性を備える材料からなることが好ましい。前記金属繊維焼結体が、繊維径が２０〜４０μｍの範囲にあるＴｉ繊維からなるときには、前記圧延加工は、該金属繊維焼結体に２００ＭＰａ以上の応力を付与して行うことにより、該金属繊維焼結体の表面を平滑にすることができる。また、前記Ｔｉ繊維が前記範囲の繊維径を備えることにより、優れた電流効率を備える水電解セルを得ることができる。
【００１３】
また、前記水電解セルでは、陰極側は還元雰囲気となるので、特に耐酸化性は要求されない。従って、陰極側の前記金属繊維焼結体は、ステンレス鋼等からなることにより、安価に製造することができる。前記金属繊維焼結体が、繊維径が１０〜３０μｍの範囲にあるステンレス鋼繊維からなるときには、前記圧延加工は、該金属繊維焼結体に１００ＭＰａ以上の応力を付与して行うことにより、該金属繊維焼結体の表面を平滑にすることができる。また、前記ステンレス鋼繊維が前記範囲の繊維径を備えることにより、優れた電流効率を備える水電解セルを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水電解セルの構成を示す説明的断面図であり、図２は水電解セルの電流効率の経時変化を示すグラフであり、図３は水電解セルの電流密度に対する電圧の関係を示すグラフである。
【００１５】
まず、第１の実施形態について説明する。
【００１６】
図１示の水電解セル１は、固体高分子電解質膜２を一対の電極触媒層３，４で挟持し、電極触媒層３，４の上にそれぞれ多孔質給電体５，６を積層したものを、電極板７，８間に挟持したものである。電極板７，８は、それぞれ外側に不導体からなる支持体９，１０を備え、ボルト１１とナット１２とにより締め付けられている。
【００１７】
また、水電解セル１は、上部に電極板７，８、支持体９，１０を貫通して設けられた上部気液輸送マニフォールド１３，１４を備え、下部に電極板７，８、支持体９，１０を貫通して設けられた下部気液輸送マニフォールド１５，１６を備えている。
【００１８】
水電解セル１では、下部気液輸送マニフォールド１５，１６から電極触媒層３，４に水を供給する一方、電極板７，８、多孔質給電体５，６を介して電極触媒層３，４に電圧を印加することにより、水の電解を行う。このとき、例えば電極触媒層３が陽極側となり、電極触媒層４が陰極側となるとすると、電極触媒層３側の上部気液輸送マニフォールド１３から酸素が取り出され、電極触媒層４側の上部気液輸送マニフォールド１４から水素が取り出される。
【００１９】
前記水電解セル１において、固体高分子電解質膜２は、厚さ５６μｍの陽イオン交換膜からなる。
【００２０】
電極触媒層３，４は、例えば、固体高分子電解質膜２と同一成分からなる電解質を溶解した電解質溶液に所定量の触媒粉末を分散させてペースト状にしたものをポリテトラフルオロエチレン製シートにスクリーン印刷することにより形成されている。そして、前記シートの電極触媒層３，４が形成された面で固体高分子電解質膜２を挟持した状態でホットプレスすることにより、電極触媒層３，４が固体高分子電解質膜２側に転写され、固体高分子電解質膜２と接合されている。
【００２１】
本実施形態の水電解セル１では、電極触媒層３が陽極側、電極触媒層４が陰極側となる。そこで、陽極側の多孔質給電体５は、耐酸化性に優れる繊維径２０μｍのＴｉ繊維からなり、空隙率５０％、厚さ０．５ｍｍの金属繊維焼結体に、２００ＭＰａの応力を付与して圧延加工して厚さ０．４ｍｍとする（圧下率２０％）ことにより形成されている。一方、陰極側の多孔質給電体６は、繊維径１２μｍのステンレス鋼繊維からなり、空隙率６０％、厚さ０．５ｍｍの金属繊維焼結体に、１００ＭＰａの応力を付与して圧延加工して厚さ０．４ｍｍとする（圧下率２０％）ことにより形成されている。尚、多孔質給電体５，６は、いずれも白金メッキが施されている。
【００２２】
また、電極板７，８は、チタン、ステンレス等に白金めっきを施すことにより形成されている。
【００２３】
次に、第１の実施形態の水電解セル１（実施例１）を用いて、電流密度１．４Ａ／ｃｍ２、８０℃の条件下に水の電解を行い、電流効率の経時変化を測定した。この結果、初期電流効率、３００時間後の電流効率とも９８．０％であった。結果を図２、表１に示す。
【００２４】
次に、第２の実施形態について説明する。
【００２５】
第２の実施形態の水電解セル１は、陽極側の多孔質給電体５として、繊維径２０μｍのＴｉ繊維からなり、空隙率５０％、厚さ１ｍｍの金属繊維焼結体を圧延加工せずにそのまま用い、陰極側の多孔質給電体６として、繊維径１２μｍのステンレス鋼繊維からなり、空隙率６０％、厚さ１ｍｍの金属繊維焼結体に、１００ＭＰａの応力を付与して圧延加工して厚さ０．８ｍｍとする（圧下率２０％）ことにより形成されているものを用いた以外は、第１の実施形態と全く同一の構成を備えている。
【００２６】
次に、第２の実施形態の水電解セル１（実施例２）を用いて、第１の実施形態と全く同一の条件下に水の電解を行い、電流効率の経時変化を測定した。この結果、初期電流効率は９８．２％であり、３００時間後の電流効率は９７．０％であった。結果を図２、表１に示す。
【００２７】
次に、比較のために、陽極側の多孔質給電体５として、繊維径２０μｍのＴｉ繊維からなり、空隙率５０％、厚さ１ｍｍの金属繊維焼結体を圧延加工せずにそのまま用い、陰極側の多孔質給電体６として、繊維径１２μｍのステンレス鋼繊維からなり、空隙率６０％、厚さ１ｍｍの金属繊維焼結体を圧延加工せずにそのまま用いた以外は、第１の実施形態と全く同一の構成を備える水電解セル（比較例１）を用いて、第１の実施形態と全く同一の条件下に水の電解を行い、電流効率の経時変化を測定した。この結果、初期電流効率は９８．１％であり、３００時間後の電流効率は９４．７％であった。結果を図２、表１に示す。
【００２８】
【表１】
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図２、表１から、金属繊維焼結体を圧延加工することにより形成された給電体を用いる実施例１，２の水電解セルによれば、圧延加工しない金属繊維焼結体をそのまま給電体として用いる比較例１の水電解セルよりも、３００時間後の電流効率の低下が小さく、優れた耐久性を備えていることが明らかである。
【００２９】
次に、第３の実施形態について説明する。
【００３０】
第３の実施形態の水電解セル１は、陽極側の多孔質給電体５として、繊維径３５μｍのＴｉ繊維からなり、空隙率５０％、厚さ０．５ｍｍの金属繊維焼結体を第１の実施形態と全く同一にして圧延加工して用いた以外は、第１の実施形態と全く同一の構成を備えている。
【００３１】
次に、第１の実施形態の水電解セル１を用いて水の電解を行ったとき（実施例１）と、第３の実施形態の水電解セル１を用いて水の電解を行ったとき（実施例３）との電流密度に対する電解電圧の関係を測定した。結果を図３に示す。
【００３２】
また、比較のために、陽極側の多孔質給電体５として、繊維径５０μｍのＴｉ繊維からなり、空隙率５０％、厚さ０．５ｍｍの金属繊維焼結体を第１の実施形態と全く同一にして圧延加工して用いた以外は、第１の実施形態と全く同一の構成を備えている水電解セルを用いて水の電解を行ったとき（比較例２）の電流密度に対する電解電圧の関係を測定した。結果を図３に併せて示す。
【００３３】
図３から、Ｔｉ繊維の繊維径が２０μｍである実施例１の水電解セルまたは、Ｔｉ繊維の繊維径が３５μｍである実施例３の水電解セルによれば、Ｔｉ繊維の繊維径が５０μｍである比較例２の水電解セルに比較して、同一の電流密度に対する電圧が低く、優れた電力効率を備えていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水電解セルの一構成例を示す説明的断面図。
【図２】水電解セルの電流効率の経時変化を示すグラフ。
【図３】水電解セルの電流密度に対する電圧の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…水電解セル、　２…固体高分子電解質膜、　３，４…電極触媒層、　５，６…給電体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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