固体高分子型水电解用膜电极接合体及水电解装置的制作方法

本发明涉及固体高分子型水电解用膜电极接合体及水电解装置。

背景技术：

1、从电转气，即，将剩余的电力转化为气体并储藏及利用的技术的方面出发，正在研究固体高分子型水电解装置(pem型水电解装置)的利用。

2、例如，专利文献1中公开了一种固体高分子型水电解装置，其具有膜电极接合体，所述膜电极接合体包含：具有催化剂层的阳极及阴极、和配置于阳极与阴极之间的固体高分子电解质膜。

3、现有技术文献

4、专利文献

5、专利文献1：国际公开第2020/162511号

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、近年，要求水电解装置的进一步的性能提高，具体而言，要求能够降低电解电压、减少氢的跨界(crossover)。此处，氢的跨界是指，在水电解装置中，在阴极产生的氢气通过固体高分子电解质膜向阳极侧移动。若发生氢的跨界，则有移动至阳极侧的氢气与存在于阳极侧的氧气混合、从而会产生爆发性气体的问题。

3、本发明人对专利文献1所记载那样的包含膜电极接合体的水电解装置进行了评价，结果发现，虽然能够实现低电解电压，但关于氢的跨界还有改善的余地。

4、本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于，提供能够抑制氢的跨界并且能够实现低电解电压的固体高分子型水电解用膜电极接合体及水电解装置。

5、用于解决问题的方案

6、本发明人等针对上述课题进行了深入研究，结果发现，在包含具有催化剂层的阳极及阴极、以及配置于阳极及阴极之间的固体高分子电解质膜的固体高分子型水电解用膜电极接合体中，若固体高分子电解质膜包含离子交换容量为1.25～2.00毫当量/克干燥树脂的具有离子交换基团的含氟聚合物和含铂物，则可得到期望的效果，从而完成了本发明。

7、即，发明人等发现利用以下的构成能够解决上述课题。

8、[1]一种固体高分子型水电解用膜电极接合体，其包含：固体高分子电解质膜，其包含离子交换容量为1.25～2.00毫当量/克干燥树脂的具有离子交换基团的含氟聚合物、和含铂物；阳极，其配置于上述固体高分子电解质膜的一个面，且具有催化剂层；和阴极，其配置于上述固体高分子电解质膜的另一面，且具有催化剂层。

9、[2]根据[1]所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述固体高分子电解质膜中包含的上述含铂物仅存在于自上述固体高分子电解质膜的配置有阳极的面的表面起至相对于上述固体高分子电解质膜的整体膜厚的20％的膜厚的位置。

10、[3]根据[2]所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，从上述固体高分子电解质膜的配置有上述阳极的面通过荧光x射线分析法进行测定时，铂原子的含量为0.005～0.050mg/cm2。

11、[4]根据[1]～[3]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述含铂物负载于载体上。

12、[5]根据[1]～[4]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述固体高分子电解质膜还包含加强材料。

13、[6]根据[1]～[5]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述含氟聚合物包含选自由后述式(1-3)所示的单元及后述式(1-4)所示的单元组成的组中的至少1种单元。

14、后述的式(1-3)及式(1-4)中，rf1为在碳原子-碳原子间任选包含氧原子的全氟亚烷基，rf2为单键或在碳原子-碳原子间任选包含氧原子的全氟亚烷基，rf3为单键或在碳原子-碳原子间任选包含氧原子的全氟亚烷基，r为0或1，m为0或1，m为氢原子、碱金属或季铵阳离子。

15、[7]根据[1]～[6]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述固体高分子电解质膜为层叠有多个电解质层的多层结构，上述多个电解质层中，至少1个电解质层包含上述氟聚合物和上述含铂物。

16、[8]根据[7]所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述多个电解质层包含上述含铂物，靠近阳极的电解质层的含铂物的含量比靠近阴极的电解质层的含铂物的含量多。

17、[9]根据[7]或[8]所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述多个电解质层的离子交换容量彼此不同。

18、[10]根据[7]或[9]所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述多个电解质层具有：包含含铂物的电解质层、和不含含铂物的电解质层，包含含铂物的电解质层的厚度相对于不含含铂物的电解质层的厚度的比为0.02以上且0.50以下。

19、[11]根据[1]～[10]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述固体高分子电解质膜的厚度为30μm以上且400μm以下。

20、[12]根据[1]～[11]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，上述固体高分子电解质膜中的上述含铂物相对于上述含氟聚合物的质量比为0.005以上且0.030以下。

21、[13]一种水电解装置，其包含[1]～[12]中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体。

22、发明的效果

23、根据本发明，可以提供能够抑制氢的跨界、并且能够实现低电解电压的固体高分子型水电解用膜电极接合体及水电解装置。

技术特征：

1.一种固体高分子型水电解用膜电极接合体，其包含：

2.根据权利要求1所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述固体高分子电解质膜中包含的所述含铂物仅存在于自所述固体高分子电解质膜的配置有阳极的面的表面起至相当于所述固体高分子电解质膜的整体膜厚的20％的膜厚的位置。

3.根据权利要求2所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，从所述固体高分子电解质膜的配置有所述阳极的面通过荧光x射线分析法进行测定时，铂原子的含量为0.005～0.050mg/cm2。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述含铂物负载于载体上。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述固体高分子电解质膜还包含加强材料。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述含氟聚合物包含选自由式(1-3)所示的单元及式(1-4)所示的单元组成的组中的至少1种单元，

7.根据权利要求1～6中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述固体高分子电解质膜为层叠有多个电解质层的多层结构，所述多个电解质层中，至少1个电解质层包含所述氟聚合物和所述含铂物。

8.根据权利要求7所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述多个电解质层包含所述含铂物，靠近阳极的电解质层的含铂物的含量比靠近阴极的电解质层的含铂物的含量多。

9.根据权利要求7或8所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述多个电解质层的离子交换容量彼此不同。

10.根据权利要求7或9所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述多个电解质层具有：包含含铂物的电解质层、和不包含含铂物的电解质层，包含含铂物的电解质层的厚度相对于不包含含铂物的电解质层的厚度之比为0.02以上且0.50以下。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述固体高分子电解质膜的厚度为30μm以上且400μm以下。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体，其中，所述固体高分子电解质膜中的所述含铂物相对于所述含氟聚合物的质量比为0.005以上且0.030以下。

13.一种水电解装置，其包含权利要求1～12中任一项所述的固体高分子型水电解用膜电极接合体。

技术总结
提供能够抑制氢的跨界、并且能够实现低电解电压的固体高分子型水电解用膜电极接合体及水电解装置。本发明的固体高分子型水电解用膜电极接合体包含：固体高分子电解质膜，其包含离子交换容量为1.25～2.00毫当量/克干燥树脂的具有离子交换基团的含氟聚合物、和含铂物；阳极，其配置于固体高分子电解质膜的一个面，且具有催化剂层；和阴极，其配置于固体高分子电解质膜的另一面，且具有催化剂层。

技术研发人员：奥山匠
受保护的技术使用者：AGC株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17