[发明专利]碱水电解用阳极及其制造方法

说明书

提供：即使以可再生能源等功率变动大的电力作为动力源时，电解性能也难以劣化、历经长期地稳定地维持优异的催化活性的碱水电解用阳极。碱水电解用阳极10具备：至少其表面由镍或镍基合金形成的导电性基体2；和，配置于导电性基体2的表面上的、由具有岩盐型结构的锂复合氧化物形成的催化剂层6，锂复合氧化物包含锂(Li)、镍(Ni)、铁(Fe)及铝(Al)，并且Li/Ni/Fe/Al/O的原子比为(0.4～1.1)/(0.4～0.8)/(0.05～0.2)/(0.05～0.2)/2.0。

技术领域

本发明涉及碱水电解用阳极及其制造方法。

背景技术

氢是适于贮藏及运送，并且环境负荷小的二次能源，因此将氢用作能源载体的氢能源系统备受关注。目前，氢主要通过化石燃料的水蒸气改性等制造。然而，从地球温室效应、化石燃料枯竭问题的观点来看，基础技术之中，通过使用太阳能发电、风力发电等可再生能源的水电解制造氢的技术是重要的。水电解为低成本且适于大规模化，是氢制造的有效技术。

水电解使用的构件之中，阳极材料在实际上的工作条件下的氧发生过电压大于0.3V的情况较多。这与目前的电解工业中利用的氢产生、氯产生的过电压为0.1V左右相比，可以说有大幅的改良余地。需要说明的是，使用可再生能源等功率变动大的电力作为水电解(用)电源时，可以历经长期地稳定地维持优异的催化活性的阳极处于开发阶段，尚未被实用化。

目前实用的水电解大致分为两种。1种为碱水电解，电解质使用高浓度碱水溶液。另一种为固体高分子型水电解，电解质使用固体高分子膜(SPE)。用水电解进行大规模的氢制造时，与使用大量采用昂贵的贵金属的电极的固体高分子型水电解相比，认为使用镍等铁系金属等廉价的材料的碱水电解更适合。

高浓度碱水溶液的电导率会随着温度上升而升高，但腐蚀性也会升高。因此，操作温度的上限抑制在80～90℃左右。通过耐受高温及高浓度的碱水溶液的电解槽的构成材料、各种配管材料的开发、低电阻隔膜、及扩大表面积并赋予催化剂的电极的开发，电流密度0.6Acm^-2下的电解槽电压被改善至2V以下。

作为碱水电解用阳极，使用在高浓度碱水溶液中稳定的镍系材料，有报道称在使用稳定的动力源的碱水电解的情况下，镍系阳极具有几十年以上的寿命(非专利文献1及2)。然而，以可再生能源为动力源时，成为剧烈的启动停止、负荷变动等严苛的条件的情况较多，镍系阳极的性能劣化成为问题(非专利文献3)。

镍氧化物的生成反应、及所生成的镍氧化物的还原反应均在金属表面进行。因此，随着这些反应，形成于金属表面的电极催化剂的脱附被促进。用于电解的电力得不到供给时，电解会停止，镍系阳极被维持在比产氧电位(1.23V vs.RHE)低的电位、且比作为对电极的产氢用阴极(0.00V vs.RHE)高的电位。电解槽内，产生基于各种化学种的电动势，通过电池反应的进行，阳极电位维持为较低，镍氧化物的还原反应被促进。

对于通过电池反应产生的电流，例如在组合有阳极室和阴极室等多个电池单元的电解堆的情况下，会通过连接电池单元间的配管而泄漏。作为防止这样的电流泄漏的对策，例如，有在停止时持续流通微小的电流这样的方法等。然而，对于在停止时持续流通微小的电流而言，需要特殊的电源控制，并且经常会生成氧及氢，因此有在运用管理上会耗费过度的精力等问题。另外，为了有意地避免逆电流状态，可以在刚停止后将液体去除来防止电池反应，但在预想用类似再生能源这样的功率变动大的电力进行工作的情况下，可以说不是适当的处置。

以往，作为碱水电解中使用的产氧用阳极的催化剂(阳极催化剂)，使用铂族金属、铂族金属氧化物、阀金属氧化物、铁族氧化物、镧系金属氧化物等。作为其他阳极催化剂，已知有：Ni-Co、Ni-Fe等以镍为基础的合金体系；表面积扩大的镍；尖晶石系的Co₃O₄、NiCo₂O₄、钙钛矿系的LaCoO₃、LaNiO₃等导电性氧化物(陶瓷材料)；贵金属氧化物；镧系金属和贵金属形成的氧化物等(非专利文献3)。