(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子固体電解質膜の両面に水素極触媒層と酸素極触媒層とを有すると共に、前記水素極触媒層及び前記酸素極触媒層に給電させる給電体を前記水素極触媒層及び前記酸素極触媒層の外側に各々配してなる水電解セルを備えた水電解装置において、
前記水素極触媒層が、白金粒子を担持した白金担持カーボン触媒と白金ブラック粒子とを混合したものであり、
前記給電体が、表面に白金蒸着した膜厚が０．１μｍ以上０．５μｍ以下の白金蒸着層を有するフォトエッチングチタンメッシュであることを特徴とする水電解装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記酸素極触媒層が、白金ブラック粒子と酸化イリジウム粒子とを混合したもの、又は前記酸化イリジウム粒子のみからなるものであることを特徴とする水電解装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記酸化イリジウム粒子が、比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の高比表面積酸化イリジウム粒子であることを特徴とする水電解装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記水電解セルを複数のセパレータ板で挟みつつ複数積層してセルスタックを構成してな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】
本発明は、電気化学的な反応を利用して水を電気分解する水電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水電解セルは、電気化学的な反応を利用して水を電気分解し、水素や酸素等を発生させるものである。例えば、電解質として高分子電解質膜を使用する水電解装置は、高分子固体電解質膜、触媒電極（水素極触媒、酸素極触媒）、触媒電極に電流を流すための給電体、それらを収めたセパレータを備えている。
【０００３】
例えば、従来の水電解装置の一例を図１４に示す。図１４に示すように、従来の水電解装置１００は、水電解セル１０１が導電性のセパレータ板１０２で挟まれて構成されており、水電解セル１０１は、高分子固体電解質膜１０３と、その両側に設けられた水素極触媒層１０４と酸素極触媒層１０５と、各々の触媒層の外側に配置してなる給電体１０６とから構成されている。図中、符号１０７はゴムパッキンである。また、複数の水電解セル１０１を、セパレータ板１０２を介して積層したセルスタック構造とすることができる。
【０００４】
また、水素極触媒層１０４には白金（Ｐｔ）ブラック粒子１１０を、酸素極触媒層１０５にはＰｔブラック粒子１１０と酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子１１１を、セパレータ板１０２にはチタン（Ｔｉ）が各々用いられている。これは、水電解電位が高く、さらにセル構成として強酸性の高分子固体電解質膜１０３を使用するため、安価な汎用金属が使用できず、Ｐｔなどのように貴金属メッキ及び貴金属触媒しか使用できないためである。
【０００５】
また、給電体１０６にはＰｔめっきを施したチタン製のメッシュが用いられている。これは、酸素極側にカーボンを使用すると、高電位では酸素と反応して炭酸ガスとなり腐食されるからである。また、カーボンは１．２Ｖ以上で酸化分解するため酸素雰囲気では使用できず、給電体１０６としてカーボンを用いることはできないためである。
【０００６】
酸素極触媒層１０５を有するアノード側に水を供給し、給電体１０６に電圧をかけることで、下記式（１）のように、アノード側で、水が分解され、酸素が発生し、水素イオンが高分子固体電解質膜１０３中を移動する。
Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ2↑  …（１）
【０００７】
そして、水素極触媒層１０４を有するカソード側で、下記式（２）のように、高分子固体電解質膜１０３中を移動してきた水素イオンが電子を受け取り水素が発生する。
２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ2↑  …（２）
【０００８】
このように、従来の水電解装置１００は、水を電気分解することで水素を発生させるようにしている（特許文献１、特許文献２、参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２９８９３８号公報
【特許文献２】特開平０８−２６９７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の水電解装置１００では、触媒としてＰｔブラック粒子１１０を用い、給電体１０６としてＰｔメッキしたチタン製のメッシュをして使用しているため、Ｐｔの使用量が多く、水電解セル１０１のコストが高い、という問題ある。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑み、コスト低減を図ると共に、水電解性能を向上させることが可能な水電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】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、高分子固体電解質膜の両面に水素極触媒層と酸素極触媒層とを有すると共に、前記水素極触媒層及び前記酸素極触媒層に給電させる給電体を前記水素極触媒層及び前記酸素極触媒層の外側に各々配してなる水電解セルを備えた水電解装置において、前記水素極触媒層が、白金粒子を担持した白金担持カーボン触媒と白金ブラック粒子とを混合したものであり、前記給電体が、表面に白金蒸着した膜厚が０．１μｍ以上０．５μｍ以下の白金蒸着層を有するフォトエッチングチタンメッシュであることを特徴とする水電解装置にある。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記酸素極触媒層が、白金ブラック粒子と酸化イリジウム粒子とを混合したもの、又は前記酸化イリジウム粒子のみからなるものであることを特徴とする水電解装置にある。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明において、前記酸化イリジウム粒子が、比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の高比表面積酸化イリジウム粒子であることを特徴とする水電解装置にある。
【００１７】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記水電解セルを複数のセパレータ板で挟みつつ複数積層してセルスタックを構成してなることを特徴とする水電解装置にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高分子固体電解質膜の片側に設けた水素極触媒層が、白金粒子を担持した白金担持カーボン触媒を含むものであるため、白金（Ｐｔ）ブラック粒子の使用量を減少させてもカーボン担体表面にＰｔ粒子を担持することでＰｔの比表面積を増大させることができる。このため、Ｐｔ表面での反応面積が少量でもＰｔブラック粒子のみを用いた場合と同等の水電解反応が可能となり、コスト低減を図ると共に、水電解性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００２０】
［第一の実施の形態］
本発明による第一の実施の形態に係る水電解装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明による第一の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概略図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａは、高分子固体電解質膜１１と、その両面に水素極触媒層１２Ａと酸素極触媒層１３Ａとを有すると共に、水素極触媒層１２Ａ及び酸素極触媒層１３Ａに給電させる給電体１４Ａを水素極触媒層１２Ａ及び酸素極触媒層１３Ａの外側に各々配してなる水電解セル１５Ａと、該水電解セル１５Ａを複数のセパレータ板１６、１６で挟みつつ複数積層してセルスタックを構成してなる水電解装置において、水素極触媒層１２Ａが、白金（Ｐｔ）粒子を担持した白金（Ｐｔ）担持カーボン触媒１７を含むものである。なお、本実施の形態では、単セル構造を用いて説明する。
また、図中、符号１８は、ゴムパッキンを図示する。
【００２１】
ここで、本発明で水素極触媒層１２Ａは、白金（Ｐｔ）ブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを混合してなるものである。水素極触媒層１２Ａは、Ｐｔブラック粒子１９及びＰｔ担持カーボン触媒１７を高分子電解質溶液２１と撥水化剤２２とから溶液に分散させ、このＰｔブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを含有する溶液を塗布して形成されたものである。
【００２２】
また、本実施の形態においては、水素極触媒層１２Ａとして、Ｐｔブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを混合したものを用いているが、Ｐｔブラック粒子１９を加えずＰｔ担持カーボン触媒１７のみを用いるようにしてもよい。
【００２３】
また、酸素極触媒層１３Ａは、白金（Ｐｔ）ブラック粒子１９と酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子２０とを混合してなるものである。酸素極触媒層１３Ａは、Ｐｔブラック粒子１９と酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子２０を高分子電解質溶液２１と撥水化剤２２とに分散させた溶液を用いて給電体１４Ａと接する面にメッキを行い、形成されたものである。また、本実施の形態においては、酸素極触媒層１３Ａとして、Ｐｔブラック粒子１９とＩｒＯ2粒子２０とを混合したものを用いているが、Ｐｔブラック粒子１９を加えずＩｒＯ2粒子２０のみを用いるようにしてもよい。
【００２４】
給電体１４Ａは、材質としてチタン（Ｔｉ）が使用され、表面にＰｔめっきしたチタンメッシュが用いられる。給電体１４Ａとしてはこれに限定されるものではなく、例えばチタン金属繊維のウェブ焼結体からなる布であって、この布繊維間に多数の空隙を有するものなどを用いてもよい。
【００２５】
高分子固体電解質膜１１としては、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系陽イオン交換膜、例えば「ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）」  Ｎ-１１２，Ｎ-１１５，Ｎ-１１７，ＮＥ-１１１０（商品名：デュポン社製）等を用いることができる。その他フッ素樹脂系陽イオン交換膜としては、旭化成ケミカルズ株式会社製のフッ素系陽イオン交換膜（商品名：アシプレックス−Ｆ（ＡｃｉｐｌｅｘＦ））及び旭硝子株式会社製のフッ素系陽イオン交換膜（商品名：フレミオン）を用いることができる。高分子固体電解質膜１１としては、特にこれに限定されるものではない。
【００２６】
本実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａにおいては、酸素極触媒層１３Ａを有するアノード側に水を供給し、給電体１４Ａに電圧をかけると、アノード側で水が分解され、酸素が発生し、水素イオンが高分子電解質膜１１中を移動する（下記式（１）、参照）。
Ｈ2Ｏ  →  ２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋  １／２Ｏ2↑  …（１）
【００２７】
そして、水素極触媒層１２Ａを有するカソード側で、高分子固体電解質膜１１中を移動してきた水素イオンが電子を受け取り水素が発生する（下記式（２）、参照）。
２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ2↑  …（２）
【００２８】
本実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａにおいては、水素極触媒層１２ＡにＰｔブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを混合してなるものを用いているため、水素極触媒層１２Ａで使用されているＰｔブラック粒子１９の使用量を減らすことができると共に、図１４に示すような従来の水電解装置１００と同等かそれ以上の水電解性能を有することができる。
【００２９】
これは、図１４に示すような従来の水電解装置１００の水素極触媒層１０４で用いられるＰｔブラック粒子１１０は粒径が数十μｍ程度で比表面積は数ｍ2／ｇ以下であるのに対し、Ｐｔ担持カーボン触媒１７のカーボン担体表面に担持したＰｔ粒子の比表面積は１００ｍ2／ｇ以上に相当するためである。
【００３０】
このため、Ｐｔ担持カーボン触媒１７と白金（Ｐｔ）ブラックの合計Ｐｔ使用重量が少量でも水素極触媒層１２Ａは、図１４に示すような従来の水電解装置１００のようにＰｔブラック粒子１１０のみからなる触媒層の場合と同等の反応面積を有し、従来と同等の水電解反応を可能とすることができる。
【００３１】
このように、本実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａによれば、水素極触媒層１２Ａが、Ｐｔブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを混合してなるものであるため、触媒層でのＰｔブラック粒子１９の使用量を従来より減少させてもＰｔ担持カーボン触媒１７のカーボン担体表面に担持したＰｔ粒子の比表面積は増大しているため、Ｐｔ使用重量が少量でも触媒層にＰｔブラック粒子１９のみを用いた場合と同等の水電解反応が可能となり、コスト低減を図ると共に、水電解性能を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施の形態においては、セパレータ板１６を水電解セル１５Ａの両側に一組設けるようにしているが、セパレータ板１６を介して水電解セル１５Ａを少なくとも二つ以上積層させるようにしてもよい。
【００３３】
［第二の実施の形態］
本発明による第二の実施の形態に係る水電解装置について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明による第二の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
図２に示すように、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｂは、図１に示す第一の実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａの構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【００３４】
図２に示すように、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｂは、前記図１に示した第一の実施の形態に係る第一の水電解装置１０Ａの給電体１４Ａに代えて表面にＰｔめっきしたＰｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４を用いたものである。
【００３５】
即ち、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｂの水電解セル１５Ｂは、給電体１４Ａに代えて表面にＰｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｂを有するものである。
【００３６】
表面にＰｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｂを用いることで、水素極触媒層１２Ａ、酸素極触媒層１３Ａの各々の触媒層のＰｔブラック粒子１９の添加量を大幅に低減しても図１４に示すような従来の水電解装置１００と同等の水電解性能を得ることができる。
【００３７】
これは、水素極触媒層１２Ａ、酸素極触媒層１３Ａの内部の電子伝導性を確保するため、Ｐｔを添加していたが、給電体１４Ｂの表面にフラットなＰｔメッキ層２３を形成しているため、水素極触媒層１２Ａ、酸素極触媒層１３Ａの触媒表面のＰｔメッキ層２３との接触面積が増大し、電子伝導性を確保することができるためである。
【００３８】
また、Ｐｔメッキ層２３の膜厚としては、例えば１μｍ〜３μｍ程度が好ましく、実用的には２μｍ程度が好ましい。コスト的には膜厚が薄ければ薄いほど白金使用量が少なくなりコスト的に有利となるが、一般的なメッキ法では１μｍ以下の厚さではピンホール（メッキされていない部分）が発生しやすくなるためである。
【００３９】
また、図３、４は、本実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。図３に示すように、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｃは、Ｐｔブラック粒子１９とＰｔ担持カーボン触媒１７とを混合してなる水素極触媒層１２Ａに代えて、Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、Ｐｔ担持カーボン触媒１７のみからなる水素極触媒層１２Ｂを有する水電解セル１５Ｃを用いるようにしてもよい。
【００４０】
また、図４に示すように、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｄは、Ｐｔブラック粒子１９とＩｒＯ2粒子２０とを混合してなる酸素極触媒層１３Ａに代えて、Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、ＩｒＯ2粒子２０のみからなる酸素極触媒層１３Ｂを有する水電解セル１５Ｃを用いるようにしてもよい。
【００４１】
Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、Ｐｔ担持カーボン触媒１７のみからなる水素極触媒層１２Ｂや、Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、ＩｒＯ2粒子２０のみからなる酸素極触媒層１３Ｂを用いても、表面にＰｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｂを設けることで、触媒層の触媒表面のＰｔメッキ層２３との接触面積が増大し、電子伝導性を確保することができる。このため、Ｐｔブラック粒子１９を添加しなくても図１４に示すような従来の水電解装置１００と同等の水電解性能を得ることができる。
【００４２】
このように、本実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｂ〜Ｄによれば、表面にＰｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｂを有することで、水電解セル１５Ｂの単位面積当たりのＰｔ使用量を大幅に低減することができると共に、Ｐｔ使用量を減らしても従来と同等の水電解反応を可能とすることができる。
【００４３】
［第三の実施の形態］
本発明による第三の実施の形態に係る水電解装置について、図５を参照して説明する。
図５は、本発明による第三の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
図５に示すように、本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅは、図３に示す第二の実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｃの構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【００４４】
図５に示すように、本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅは、前記図３に示した第二の実施の形態に係る第二の水電解装置１０ＣのＩｒＯ2粒子２０を比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の高比表面積酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子２５とするものである。
【００４５】
即ち、本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅの水電解セル１５Ｅは、ＩｒＯ2粒子２０に代えて比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の高比表面積ＩｒＯ2粒子２５からなるものである。
【００４６】
酸素極触媒層１３Ｃに比表面積が５０ｍ2/ｇ以上の高比表面積ＩｒＯ2粒子２５を用いることで、ＩｒＯ2粒子２０よりもナノレベルに微細化し、比表面積を増大させることができるため、触媒反応面積を増大させ、図１４に示すような従来の水電解装置１００よりも水電解性能を大幅に向上させることができる。
【００４７】
これは、ＩｒＯ2粒子２０は、例えば２Ａ／ｃｍ2の電流密度では水電解効率を８０％以上に達成することは困難であったのに対し、高比表面積ＩｒＯ2粒子２５は、ＩｒＯ2粒子２０を微粒化し比表面積を例えば５０ｍ2/ｇ以上に増大し、触媒反応面積を増大させているため、単位面積あたりの電流値が増加しても水電解性能の低下を防ぐことができるからである。
【００４８】
また、図６、７は、本実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。図６に示す本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｆのように、Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、高比表面積ＩｒＯ2粒子２５のみからなる酸素極触媒層１３Ｄを有する水電解セル１５Ｆを用いるようにしてもよい。また、図７に示す本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｇのように、図１に示す第一の実施の形態に係る第一の水電解装置１０ＡのＩｒＯ2粒子２０に代えて高比表面積ＩｒＯ2粒子２５を用いた酸素極触媒層１３Ｅを有する水電解セル１５Ｇを用いるようにしてもよい。また、Ｐｔブラック粒子１９を添加していない高比表面積ＩｒＯ2粒子２５のみからなる酸素極触媒層１３Ｄを用いてもよい。
【００４９】
また、本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅ〜１０Ｇにおいて、Ｐｔブラック粒子１９を各々の触媒層に添加したものを触媒層として用いるようにしてもよい。
【００５０】
このように、本実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅ〜Ｇによれば、酸素極触媒層１３Ｃ、１３Ｄに比表面積が５０ｍ2/ｇ以上（より好ましくは６０ｍ2/ｇ以上）の高比表面積ＩｒＯ2粒子２５を用いることで、ＩｒＯ2粒子２０よりもナノレベルに微細化し、比表面積を増大し、触媒反応面積を増大させることができるため、単位面積あたりの電流値を増加させても水電解性能の低下を防ぎ、水電解性能を向上させることができる。
［第四の実施の形態］
【００５１】
本発明による第四の実施の形態に係る水電解装置について、図８を参照して説明する。
図８は、本発明による第四の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
図８に示すように、本実施の形態に係る第四の水電解装置１０Ｈは、図５に示す第三の実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅの構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
【００５２】
図８に示すように、本実施の形態に係る第四の水電解装置１０Ｈは、前記図５に示した第三の実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅの給電体１４Ｂに代えて表面にＰｔ蒸着したＰｔ蒸着層２６を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｃを用いたものである。
【００５３】
即ち、本実施の形態に係る第四の水電解装置１０Ｈの水電解セル１５Ｈは、表面にＰｔ蒸着層２６を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｃを有するものである。
【００５４】
表面にＰｔ蒸着層２６を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｃを用いることで、図２〜図４に示す第二の実施の形態に係る第二の水電解装置１０Ｂ〜１０Ｄ、図５〜図７に示す第三の実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅ〜１０Ｇのように、フォトエッチングチタンメッシュ２４の表面にＰｔメッキ層２３を用いるより、Ｐｔメッキ層２３を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｂと同様、触媒層の触媒表面とＰｔ蒸着層２６との接触面積が増大し、電子伝導性を確保することができる。このため、水電解セル１５の単位面積当たりのＰｔ使用量を大幅に低減することができると共に、Ｐｔ粒子量を減らしても図１４に示すような従来の水電解装置１００と同等の水電解性能を得ることができる。
【００５５】
また、Ｐｔ蒸着層２６の膜厚としては、０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好ましく、実用的には０．２μｍ程度が好ましい。これは、コスト的には膜厚が薄ければ薄いほど白金使用量が少なくなりコスト的に有利となるが、蒸着法では０.１μｍ以下の厚さではピンホール（メッキされていない部分）が発生しやすくなるためである。
【００５６】
また、図９は、本実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。図９に示す本実施の形態に係る第四の水電解装置１０Ｉのように、Ｐｔブラック粒子１９を添加せず、高比表面積ＩｒＯ2粒子２５のみからなる酸素極触媒層１３Ｄを有する水電解セル１５Ｉを用いるようにしてもよい。
【００５７】
よって、図８、９に示す本実施の形態に係る第四の水電解装置１０Ｈ、１０Ｉによれば、表面にＰｔ蒸着層２６を有するフォトエッチングチタンメッシュ２４からなる給電体１４Ｃを有することで、水電解セル１５の単位面積当たりのＰｔ使用量を大幅に低減することができると共に、Ｐｔ使用量を減らしても従来と同等の水電解反応を可能とすることができる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明の効果を示す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。
【００５９】
本実施の形態に係る水電解装置の水電解セルの水電解性能（エネルギー効率）について検証する。
【００６０】
［水電解セルの作成方法］
【００６１】
まず、本実施例において用いられる水電解セルの作成方法について説明する。
触媒、高分子電解質溶液、撥水化材（結着材）をエタノール溶液に分散させた水素極用スラリーと酸素極用スラリーをそれぞれ作成し、過熱吸引台にセットした高分子電解質膜（商品名：ナフィオン膜）にスプレー塗布法で片面づつ均一に所定量塗布した。そして、両面に触媒層を塗布したセルを約８０℃で所定時間乾燥した後、所定温度、所定圧力で約１分間ホットプレスし、均一なセルを得た。その後、セルを約１００℃で所定時間煮沸洗浄することで、水電解セルを得た。
【００６２】
実施例１において用いられる水電解セルの作成方法について具体的に説明する。
白金ブラック１．５ｇ、白金担持カーボン（白金６６．８ｗｔ％カーボン担持触媒）０．５ｇ、撥水化剤としてＰＴＦＥ粉末０．３７ｇを秤量し、約１００ｃｃのガラス容器に入れた。そして、５ｗｔ％ナフィオン溶液１１．２２ｍｌ（デュポン社製）、エタノール６０ｍｌを加え、超音波分散を５分間行い、水素極触媒層用のスプレー塗布用スラリーとした。
また、白金ブラック２．１０ｇ、酸化イリジウム３．７ｇ、撥水化剤としてＰＴＦＥ粉末０．４８ｇを秤量し、約１００ｃｃのガラス容器に入れ、次に５ｗｔ％ナフィオン溶液２５．２ｍｌ、エタノール９０ｍｌを加え、超音波分散を５分間行い、酸素極触媒用のスプレー塗布用スラリーとした。
そして、所定サイズに切り出したナフィオン膜を多孔質板プレートの吸引式過熱台に設置し、プレート表面温度を８０℃に保持しながら、自動スプレー塗布装置を用いて、酸素極側、負極側の順に上記のようにして作成したスラリーを各々スプレー塗布し、触媒層を成型した。
また、ナフィオン膜両面に触媒層を塗布した水電解セルは、８０℃、１時間乾燥後、約３０℃の恒温槽で保管し、重量が恒量となること（重量が変化しないこと）を確認してから使用した。
そして、作成した上記水電解セルを約２ｍｍ厚のＰＴＦＥ板で挟みこみ、更に両側を厚さ１ｍｍのステンレス板で挟みこんで、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力でプレスし、１６０℃まで昇温後、１分間保持してホットプレスを行った。その後、作成した水電解セルをイオン交換水中、室温で約８時間以上浸漬後、約１００℃まで煮沸し、約１時間保持し、冷却することで洗浄処理を行った。
【００６３】
比較例１、２及び実施例２〜実施例１１において用いられる水電解セルの作成方法についても、上記実施例１と同様の方法でスラリーを各々作成し、同様にスプレー塗布法により水電解セルを作成した。
【００６４】
以上、前記のようにして作成された水電解セルの水素極触媒層と酸素極触媒層での材料の種類と各々の使用量をまとめた結果を下記表１に示す。
【００６５】
【表１】
0005072652.tif 000002
【００６６】
また、前記のようにして作成された水電解セルの水素極触媒層と給電体との水素極白金使用量、酸素極触媒層と給電体との酸素極白金使用量、酸化イリジウム比表面積、給電体の種類をまとめた結果を下記表２に示す。
【００６７】
【表２】
0005072652.tif 000003
【００６８】
［実施例１〜実施例４及び比較例１の水電解性能（エネルギー効率）の検証］
本発明の第一の実施の形態に係る水電解装置と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例１〜実施例４と図１４に示すような従来の水電解装置１００の水電解セル１０１を用いた比較例１について、電解性能（エネルギー効率）を検証した。
【００６９】
［水電解セルの評価方法］
水電解セルの評価方法について説明する。水電解セルに給電体としてＰｔメッキしたチタンメッシュを両極側から挟み、水電解セルとした。その後、純水を供給し、所定電流を流した時の電圧と発生ガス量及び不純物濃度を測定し、電流効率と電圧効率から電解性能（エネルギー効率）を求めた。
【００７０】
本発明の第一の実施の形態と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルに用いる実施例１〜実施例４と図１４に示すような従来の水電解装置１００の水電解セルに用いる比較例１について、電解性能（エネルギー効率）を上記表２に示す。
【００７１】
［実施例１〜実施例４及び比較例１の水電解性能（エネルギー効率）］
図１０は、水素極触媒層の合計白金担持量とエネルギー効率との関係を示した図である。表２、図１０に示すように、本発明の第一の実施の形態に係る水電解装置と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例１〜実施例４の水素極触媒層の合計白金担持量が、図１４に示すような従来の水電解装置１００を用いた比較例１の水素極触媒層１０４の合計白金担持量よりも少ないにも関わらず、本発明の第一の実施の形態に係る水電解装置と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例１〜実施例４の方が図１４に示すような従来の水電解装置１００を用いた比較例１よりも電解性能（エネルギー効率）が高いか同等であった。
【００７２】
よって、水素極触媒層にＰｔブラック粒子とＰｔ担持カーボン触媒とを混合してなるものを用いると共に、酸素極触媒層に高比表面積酸化イリジウム粒子を用いることで、従来より水素極触媒層でのＰｔブラック粒子の使用量を減少させても、従来と同等かそれ以上の水電解性能を有することが確認できた。
【００７３】
［実施例５〜実施例８の水電解性能（エネルギー効率）］
本発明の第二の実施の形態と第三の実施の形態に係る水電解装置を用いた実施例５〜実施例８の水電解性能について説明する。
本発明の第二の実施の形態と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例５〜実施例８の水素極触媒層の水素極白金使用量、酸素極触媒層の酸素極白金使用量、水素極触媒層と酸素極触媒層との合計白金担持量を合わせた両極合計白金担持量、給電体の種類、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）を上記表２に示す。
【００７４】
図１１は、水電解装置の両電極合計白金担持量とエネルギー効率との関係を示した図である。表２、図１１に示すように、本発明の第二の実施の形態に係る水電解装置と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例５〜実施例８の両極合計白金担持量が、本発明の第一の実施の形態に係る水電解装置と第三の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例１〜実施例４の両極合計白金担持量よりも少ないにも関わらず、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）がほぼ同等であった。
【００７５】
また、図１４に示すような従来の水電解装置１００の水電解セルを用いた比較例１と比較しても、実施例５〜実施例８の両極合計白金担持量の方が、比較例１の両極合計白金担持量よりも少ないにも関わらず、実施例５〜実施例８の方が図１４に示すような従来の水電解装置１００を用いた比較例１と電解性能（エネルギー効率）がほぼ同等であった。
【００７６】
よって、表面にＰｔメッキ層を有するフォトエッチングチタンメッシュからなる給電体を使用し、水素極触媒層にＰｔ担持カーボン触媒のみを用いると共に、酸素極触媒層に高比表面積ＩｒＯ2粒子を用いることで、水素極触媒層にＰｔブラック粒子を添加しなくても従来とほぼ同等の水電解性能を得ることができる。
【００７７】
［高比表面積ＩｒＯ2粒子の比表面積の水電解性能（エネルギー効率）への影響］
異なる比表面積を有する高比表面積ＩｒＯ2粒子を用いた水電解セルの水電解性能について説明する。
実施例５、６は、比表面積が約６０ｍ2／ｇの高比表面積ＩｒＯ2粒子を用い、実施例７、８は、比表面積が約１１２ｍ2／ｇの高比表面積ＩｒＯ2粒子を用いたものである。
また、比較例２は比表面積が約１．０ｍ2／ｇのＩｒＯ2粒子を水素極触媒層に用いたものである。
【００７８】
実施例５、６のＩｒＯ2粒子の比表面積を上記表２に示す。
また、比表面積が約１．０ｍ2／ｇのＩｒＯ2粒子を水素極触媒層に用いた水電解装置の比較例２の水電解セルの水素極触媒層と給電体との水素極白金使用量、酸素極触媒層と給電体との酸素極白金使用量、ＩｒＯ2粒子の比表面積、給電体の種類、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）を上記表２に示す。
【００７９】
図１２は、酸化イリジウム粒子の比表面積とエネルギー効率との関係を示した図である。表２、図１２に示すように、高比表面積ＩｒＯ2粒子を水素極触媒層に用いた実施例５〜実施例８の方が、比表面積が約１．０ｍ2／ｇのＩｒＯ2粒子からなる水素極触媒層を用いた比較例２に比べ水電解性能を大幅に向上させることができた。
【００８０】
よって、酸素極触媒層に高比表面積のＩｒＯ2粒子を用い、従来から用いられているＩｒＯ2粒子よりもナノレベルに微細化することで、従来よりも水電解性能を大幅に向上させることができる。
【００８１】
［実施例９〜実施例１１の水電解性能（エネルギー効率）］
本発明の第四の実施の形態に係る水電解装置を用いた実施例９〜実施例１１の水電解性能について説明する。
本発明の第四の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例９〜実施例１１の水素極触媒層の合計白金担持量、給電体白金メッキ使用量、酸素極触媒層の合計白金担持量、給電体白金メッキ使用量、両極合計白金担持量、両極合計白金使用量、給電体の種類、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）を表２に示す。
両極合計白金使用量は、両極合計白金担持量と両電極の合計白金担持量とを合計したものである。
【００８２】
図１３は、水電解装置の両電極合計白金使用量とエネルギー効率との関係を示した図である。表２、図１３に示すように、本発明の第四の実施の形態に係る水電解装置の水電解セルを用いた実施例９〜実施例１１の両極合計白金使用量の方が、図５に示す第三の実施の形態に係る第三の水電解装置１０Ｅを用いた実施例７、８の両極合計白金使用量よりも大幅に少ないにも関わらず、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）がほぼ同等であった。
【００８３】
また、図１４に示すような従来の水電解装置１００の水電解セルを用いた比較例１と比較しても、実施例９〜実施例１１の両極合計白金使用量の方が、図１４に示すような従来の水電解装置１００を用いた比較例１、２の両極合計白金使用量よりも大幅に少ないにも関わらず、水電解セルの電解性能（エネルギー効率）がほぼ同様かそれ以上であった。
【００８４】
よって、表面にＰｔ蒸着層を有するフォトエッチングチタンメッシュからなる給電体を使用し、水素極触媒層にＰｔ担持カーボン触媒のみを用いると共に、酸素極触媒層に高比表面積ＩｒＯ2粒子を用いることで、水電解セルの単位面積当たりのＰｔ使用量を大幅に低減することができると共に、触媒層にＰｔブラック粒子を添加しなくても従来とほぼ同等の水電解性能を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上のように、本発明に係る水電解装置は、水電解セルでのＰｔ使用量を減少させつつ従来と同様の水電解反応が可能であり、コスト低減を図りつつ水電解性能を向上させることができるため、水を電気分解して水素を発生させる水電解装置に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明による第一の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概略図である。
【図２】本発明による第二の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
【図３】本発明による第二の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。
【図４】本発明による第二の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。
【図５】本発明による第三の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
【図６】本発明による第三の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。
【図７】本発明による第三の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。
【図８】本発明による第四の実施の形態に係る水電解装置の構成を簡略に示す概念図である。
【図９】本発明による第四の実施の形態に係る水電解装置の他の構成を簡略に示す概念図である。
【図１０】水素極触媒層の合計白金担持量とエネルギー効率との関係を示した図である。
【図１１】水電解装置の両電極合計白金担持量とエネルギー効率との関係を示した図である。
【図１２】酸化イリジウム粒子の比表面積とエネルギー効率との関係を示した図である。
【図１３】水電解装置の両電極合計白金使用量とエネルギー効率との関係を示した図である。
【図１４】従来の水電解装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０Ａ  第一の水電解装置
１０Ｂ〜１０Ｄ  第二の水電解装置
１０Ｅ〜１０Ｇ  第三の水電解装置
１０Ｈ、１０Ｉ  第四の水電解装置
１１  高分子固体電解質膜
１２Ａ、１２Ｂ  水素極触媒層
１３Ａ〜１３Ｃ  酸素極触媒層
１４Ａ〜１４Ｃ  給電体
１５Ａ〜１５Ｉ  水電解セル
１６  セパレータ板
１７  Ｐｔ担持カーボン触媒
１８  ゴムパッキン
１９  Ｐｔブラック粒子
２０  酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子
２１  高分子電解質溶液
２２  撥水化剤
２３  Ｐｔメッキ層
２４  フォトエッチングチタンメッシュ
２５  高比表面積酸化イリジウム（ＩｒＯ2）粒子
２６  Ｐｔ蒸着層
【図１】
0005072652.tif 000004
【図２】
0005072652.tif 000005
【図３】
0005072652.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005072652.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005072652.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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