电极、其制造方法、水电解装置和燃料电池

本发明涉及电极、其制造方法、水电解装置和燃料电池。

背景技术：

1、在水电解装置、燃料电池、二次电池以及双电层电容器的电极中，使用铂等贵金属作为催化剂。已知有在nimo(镍钼)合金中形成石墨烯膜的贱金属合金(例如非专利文献1)。已知将含有cr、mn、fe、co和ni的合金用作氧还原反应(orr：oxygen reduction reaction)用催化剂(例如非专利文献2)。

2、现有技术文献

3、非专利文献

4、非专利文献1：“具有抗腐蚀性且产氢效率高的贱金属电极，”[online]，平成30年3月30日，国立大学法人筑波大学、国立大学法人大阪大学、国立大学法人东北大学，[令和2年9月16日检索]，互联网<url：http://www.tsukuba.ac.jp/wp-content/upload s/180330ito-1.pdf>

5、非专利文献2：adv.energy mater.2018，8，1802269

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、贵金属价格昂贵，如果在电极中使用贵金属，则装置变得昂贵。贱金属价格便宜，但化学稳定性低。因此，若将贱金属用于电极，则无法耐受长时间的使用，耐久性降低。若如非专利文献1那样使用石墨烯膜，则制造成本增大。不同的反应种类所要求的催化剂的特性不同是本领域技术人员的一般常识，不会将orr催化剂用于析氧反应(oer：oxygenevolution reaction)用催化剂或析氢反应(her：hydrogen evolution reaction)用催化剂。为了使oer进行、为了得到期望的电流密度而对oer催化剂施加过电压，oer催化剂暴露于高电位，被氧化而容易劣化。因此，通常不将orr用催化剂用作oer催化剂。也使用her催化剂的装置，有的容易被氧化而容易劣化。因此，通常不将orr用催化剂用作her催化剂。此外，氢氧化反应(hor：hydrogen oxidation reaction)用催化剂有co中毒的问题。因此，通常不将orr用催化剂用作hor催化剂。

3、本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种廉价且提高了耐久性的电极、其制造方法以及水电解装置。

4、用于解决课题的手段

5、本发明是一种电极，其包含合金作为析氧反应用或析氢反应用的催化剂，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，上述3种以上的贱金属元素形成固溶体。

6、在上述构成中，上述3种以上的贱金属元素可以为fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少3种元素。

7、在上述构成中，可以构成为，上述3种以上的贱金属元素为5种以上的贱金属元素。

8、在上述构成中，可以构成为，上述3种以上的贱金属元素为6种以上的贱金属元素。

9、在上述构成中，上述催化剂可以为析氧反应用的催化剂。

10、本发明是一种电极，其包含合金作为氢氧化反应用的催化剂，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，上述3种以上的贱金属元素形成固溶体。

11、在上述构成中，上述3种以上的贱金属元素可以为fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少3种元素。

12、在上述构成中，可以构成为，上述3种以上的贱金属元素为5种以上的贱金属元素。

13、在上述构成中，可以构成为，上述3种以上的贱金属元素为6种以上的贱金属元素。

14、本发明是一种电极，其具备：碳纤维；和由贱金属构成的催化剂，其至少一部分元素与上述碳纤维化学键合。

15、在上述构成中，可以构成为，上述催化剂是由cr、mn、fe、co、ni和mo中的至少2种元素构成的合金。

16、在上述构成中，可以构成为，上述催化剂为nimo合金。

17、本发明是一种水电解装置，其具备：阳极，其包含合金作为析氧反应用或析氢反应用的催化剂，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，上述3种以上的贱金属元素形成固溶体；阴极；和固体高分子电解质膜，其设置在上述阳极与上述阴极之间。

18、在上述构成中，可以构成为，上述阴极为包含合金作为析氧反应用或析氢反应用的催化剂的电极，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，上述3种以上的贱金属元素形成固溶体。

19、在上述构成中，可以构成为，上述阴极为具备碳纤维和由贱金属构成的催化剂的电极，上述催化剂的至少一部分元素与上述碳纤维化学键合。

20、在上述构成中，可以构成为，上述阳极为包含合金作为催化剂的电极，上述合金由fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少5种元素构成，上述至少5种元素的原子组成比大致相等，上述至少5种元素形成固溶体。

21、本发明是一种水电解装置，其具备：阳极；阴极，其为具备碳纤维和由贱金属构成的催化剂的电极，上述催化剂的至少一部分元素与上述碳纤维化学键合；和固体高分子电解质膜，其设置在上述阳极与上述阴极之间。

22、本发明是一种燃料电池，其具备：阳极，其为包含合金作为氢氧化反应用催化剂的电极，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，上述3种以上的贱金属元素形成固溶体；阴极；和电解质膜，其设置在上述阳极与上述阴极之间。

23、本发明是一种电极的制造方法，其包括：使贱金属的氧化物附着于碳纤维的表面的工序；和通过在还原气体气氛下对上述碳纤维进行热处理，从而形成与上述碳纤维化学键合、含有贱金属的催化剂的工序。

24、在上述构成中，可以构成为：使上述氧化物附着的工序包括在含有多种贱金属的水溶液中布置上述碳纤维，使用水热合成法，使上述多种贱金属的氧化物附着于上述碳纤维的表面；形成上述催化剂的工序包括形成上述多种贱金属的合金的工序。

25、发明效果

26、根据本发明，能够提供廉价且提高了耐久性的电极、其制造方法以及水电解装置。

技术特征：

1.一种电极，其包含合金作为析氧反应用或析氢反应用的催化剂，所述合金由3种以上的贱金属元素构成，所述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，所述3种以上的贱金属元素形成固溶体。

2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少3种元素。

3.根据权利要求1或2所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为5种以上的贱金属元素。

4.根据权利要求1或2所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为6种以上的贱金属元素。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的电极，其中，所述催化剂为析氧反应用的催化剂。

6.一种电极，其包含合金作为氢氧化反应用的催化剂，所述合金由3种以上的贱金属元素构成，所述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，所述3种以上的贱金属元素形成固溶体。

7.根据权利要求6所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少3种元素。

8.根据权利要求6或7所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为5种以上的贱金属元素。

9.根据权利要求6或7所述的电极，其中，所述3种以上的贱金属元素为6种以上的贱金属元素。

10.一种电极，其具备：

11.根据权利要求10所述的电极，其中，所述催化剂是由cr、mn、fe、co、ni和mo中的至少2种元素构成的合金。

12.根据权利要求11所述的电极，其中，所述催化剂为nimo合金。

13.一种水电解装置，其具备：

14.根据权利要求13所述的水电解装置，其中，所述阴极是权利要求1～4中任一项所述的电极。

15.根据权利要求13所述的水电解装置，其中，所述阴极是权利要求10～12中任一项所述的电极。

16.根据权利要求13～15中任一项所述的水电解装置，其中，所述阳极是包含合金作为催化剂的电极，所述合金由fe、cu、ni、al、pb、zn、sn、w、mo、ta、mg、co、bi、cd、ti、zr、sb、mn、be、cr、ge、v、ga、hf、in、nb、re和tl中的至少5种元素构成，所述至少5种元素的原子组成比大致相等，所述至少5种元素形成固溶体。

17.一种水电解装置，其具备：

18.一种燃料电池，其具备：

19.一种电极的制造方法，其包括：

20.根据权利要求19所述的电极的制造方法，其中，

技术总结
电极10具备合金作为催化剂，上述合金由3种以上的贱金属元素构成，上述3种以上的贱金属元素的原子组成比大致相等，且上述3种以上的贱金属元素形成固溶体。另外，电极12具备碳纤维和由贱金属构成的催化剂，上述催化剂的至少一部分元素与上述碳纤维化学键合。此外，水电解装置具备阳极、阴极、以及设置于上述阳极与上述阴极之间的固体高分子电解质膜，上述阳极为上述电极10，和/或上述阴极为上述电极12。

技术研发人员：伊藤良一
受保护的技术使用者：国立大学法人筑波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13