JP2009277583A - 多孔質金属、多孔質金属の製造方法及び燃料電池用保水部材 - Google Patents

Abstract

【課題】水分保持機能を有する多孔質金属およびこの多孔質金属の製造方法、並びに、この多孔質金属を用いた燃料電池用保水部材を提供する。
【解決手段】骨格部１１と空孔部１６とを有する骨格構造をなす多孔質金属１０であって、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定され、骨格部１１に囲まれる空孔部１６の平均孔径が、３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されていることを特徴とする多孔質金属。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池用電極等として利用される多孔質金属およびこの多孔質金属の製造方法、並びに、この多孔質金属によって形成された燃料電池用保水部材に関するものである。

前述の多孔質金属としては、例えば特許文献１〜４に記載されているように、骨格部と空孔部とを有し、スポンジ状の３次元骨格構造とされた多孔質金属が提供されている。
特許文献１では、非電導体の多孔体骨格表面に電気めっきを施し、金属多孔質体を製造する方法が開示されている。また、特許文献２では、多孔質構造の樹脂に金属粉末を含有するスラリーを塗布して焼成し、金属多孔質体を製造する方法が開示されている。さらに、特許文献３、４では、金属粉末に、有機バインダー、発泡剤、可塑剤、水及び界面活性剤を混合したスラリーによって成形体を成形して、この成形体を加熱乾燥することにより３次元骨格構造となった発泡成形体を作製し、この発泡成形体を脱脂、焼結することによって製造される。ここで、焼結工程では、発泡成形体を、例えば５×１０^−３Ｐａ程度の真空雰囲気の焼結炉内に装入し、例えば１２００℃×５時間の加熱・保持を行っている。

このような多孔質金属は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の電極板として使用される。
固体高分子形燃料電池は、特許文献５に記載されているように、電解質膜とこの電解膜を挟み込むように配設された一対の電極板とからなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ―ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、電極板の外側にそれぞれ配設されるセパレータとを備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造とされている。

このような固体高分子形燃料電池においては、一方の電極板（アノード）に向けて燃料ガス（水素含有ガス）が供給され、水素がイオン化して導電膜を通じて他方の電極板（カソード）側へと移動し、イオン化した際に放出される電子が電解質膜を通らずに外部の導線側へと流れて電流となる。また、他方の電極板（カソード）に向けて酸化剤ガス（酸素含有ガス）が供給され、電解質膜を通じて移動してきた水素イオンと外部の導線から入ってくる電子と反応して水が生成する。

前述の電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）は、一方の面に触媒層が塗布された電極板が電解質膜と結着して一体化されることで形成される。
また、電極板の外側に配設されたセパレータには、供給された燃料ガスや酸化剤ガスを面状に拡げるためのガス流路溝が形成されている。

また、固体高分子形燃料電池においては、水素イオンが電解質膜を通じて移動するため、電解質膜を湿潤した状態とする必要がある。携帯型電子機器用のダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、乾燥した環境下で運転を長時間停止することも想定され、電解質膜が乾燥して長時間停止後の起動に時間が掛かることがあった。また、定置型固体高分子形燃料電池では低電流密度で運転されることが多く、水の生成が抑えられて電解質膜が乾燥しやすい状況にあるため、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の湿潤状態を管理することが重要である。
そこで、従来の燃料電池では、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給するための加湿機構を設けている。また、特許文献６には、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の全域を水蒸気飽和状態とするように管理する燃料電池システムが開示されている。
特公昭５７−３９３１７号公報 特許第３９７８６５２号公報 特開２００４−０４３９７６号公報 特開２００６−１３８００５号公報 特許第３２１１３７８号公報 特開２００５−２０３３６１号公報

ところで、特許文献６に開示された燃料電池システムでは、急激な出力変動時に十分に対処することができないおそれがあった。また、燃料電池システム自体が非常に複雑な構成となり、操業作業の煩雑化や燃料電池システムの高コスト化を招いていた。
また、燃料電池では、反応によって水が生成することになるが、この水がガス流路溝を塞ぐように位置すると酸化剤ガスが十分に供給されなくなる、いわゆるフラッディング現象が発生することになる。このため、生成した水を外部へと排出する必要があった。つまり、電解質膜を湿潤させるために水分を供給する一方で、反応によって生成した水を外部へと排出しているのである。
そこで、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）に水分を保持する機能を設けて、電解質膜の乾燥を防止することが望まれている。

一方、電極板として使用される従来の多孔質金属は、緻密な金属皮膜を形成するめっき法で作製されたり、あるいは粉末冶金法による場合でも比較的高温で長時間の焼結を行っていることから、多孔質金属の骨格部は、金属粉末が殆ど原形を留めることなく固相拡散して一体化されている。このような構造の多孔質金属では、水は骨格部に囲まれた空孔部を通じて外部に速やかに排出されることになるため、水分を保持することはできなかった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、水分保持機能を有する多孔質金属およびこの多孔質金属の製造方法、並びに、この多孔質金属を用いた燃料電池用保水部材を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明に係る多孔質金属は、骨格部と空孔部とを有する骨格構造をなす多孔質金属であって、前記骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定され、前記骨格部に囲まれる前記空孔部の平均孔径が、３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されていることを特徴としている。

このような構成とされた本発明の多孔質金属においては、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲とされていて骨格部の表面に微小な凹凸が形成されているので、水分がこの微小な凹凸に保持されることになり、水分保持機能を有する多孔質金属を提供することができる。ここで、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ以上とされているので、凹凸が確保されて水分を確実に保持することができる。また、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ以下とされているので、骨格部に接触する物体、例えば電解質膜等を傷つけるおそれがない。
さらに、前記骨格部に囲まれる前記空孔部の平均孔径が３０μｍ以上とされているので、水によって空孔部が塞がれてしまうことを防止できる。よって、燃料電池の電極板として使用した場合に、反応により生成した水が空孔部を塞ぐことによって発生するフラッディング現象を防止することができる。一方、前記空孔部の平均孔径が６００μｍ以下とされているので、空孔部を通じて流れるガスを広く分散することが可能となる。

ここで、前記骨格部を、金属粉末を含有するスラリーを発泡させて焼結させた金属焼結体で構成してもよい。
この場合、焼結条件によって金属粉末の焼結状態を制御し、骨格部の表面に金属粉末の粒径に応じた微小な凹凸を形成することにより、骨格部の表面の算術平均粗さＲａを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲に設定することができる。

また、前記骨格部を、平滑な表面を有する骨格本体とこの骨格本体の表面に固着された微小凸部とを備えた構成としてもよい。
この場合、骨格本体の表面に微小凸部を固着して形成することにより、微小な凹凸を形成して骨格部の表面の算術平均粗さＲａを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲に設定することができる。

本発明に係る多孔質金属の製造方法は、前述の多孔質金属の製造方法であって、金属網目状構造体の表面に粘着剤を塗布する工程と、金属粉末を添加して前記骨格本体の表面に前記金属粉末を固着する工程と、を備えていることを特徴としている。

金属網目状構造体としては、例えば金網等を使用することができる。ここで、前述の金属網目状構造体の骨格本体の表面は比較的平滑な状態である。この骨格本体の表面に粘着剤を塗布し、金属粉末を添加して骨格本体の表面に前記金属粉末を固着することによって、骨格本体の表面に金属粉末からなる微小凸部が形成されることになる。この微小凸部によって、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲となるのである。

また、本発明に係る燃料電池用保水部材は、前述の多孔質金属によって形成されたことを特徴としている。
この構成の燃料電池用保水部材においては、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定された多孔質金属で形成されているので、骨格部の表面に形成された微小な凹凸に水分を保持することが可能となる。これにより、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）の乾燥を防止することができ、燃料電池を安定して作動させることができる。また、骨格部に囲まれる空孔部の平均孔径が３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定された多孔質金属で形成されているので、フラッディング現象を防止することができるとともに、空孔部を通じて供給されたガスを広く分散することができる。
なお、多孔質金属の材質としては、燃料電池の内部環境下において耐食性を維持する材料、例えば、Ｆｅ−Ｃｒをベースとしたステンレス鋼、Ｎｉ−Ｃｒをベースとしたニッケル基耐食合金、チタンおよびチタン合金等が好ましい。中でもチタンおよびチタン合金は電解質膜の発電性能に悪影響を与える微量な金属イオンの溶出がないため、さらに好ましい。

本発明によれば、水分保持機能を有する多孔質金属およびこの多孔質金属の製造方法、並びに、この多孔質金属を用いた燃料電池用保水部材を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１、図２に本発明の第１の実施形態である多孔質金属として多孔質チタン１０を示す。

本発明の第１の実施形態である多孔質チタン１０は、図１に示すように、スポンジ状をなす３次元骨格構造とされ、骨格部１１とこの骨格部１１に囲まれた空孔部１６とを備えている。
本実施形態では、骨格部１１は、チタン原料粉末（金属粉末）を焼結させたチタン焼結体で構成されており、骨格部１１の表面には図２に示すように、チタン原料粉末の粒径に応じた微小凹凸部１２が形成されている。この微小凹凸部１２によって骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが、０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定されている。

骨格部１１に囲まれる空孔部１６は、その平均孔径が３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されている。このような空孔部１６が多孔質チタン１０の全体に分散して存在しており、多孔質チタン１０全体での気孔率は、７０ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％の範囲に設定されている。なお、気孔率とは、多孔質チタン１０全体の体積に対する空孔部１６の総体積の割合を示すものである。

次に、本実施形態である多孔質チタン１０の製造方法について図３に示すフローチャートを参照して各工程ごとに説明する。

（スラリー作製工程Ｓ０１）
チタン原料粉末に、有機バインダー、発泡剤、可塑剤、水及び必要に応じて界面活性剤を混合して発泡性のスラリーを作製する。
本実施形態では、原料粉末として、平均粒径１０μｍ〜２５μｍのチタン原料粉末を使用した。

上記のチタン原料粉末を結合させる有機バインダーとして、水溶性のメチルセルロースまたはポリビニルアルコールを使用する。発泡剤として、ネオペンタン、ヘキサンおよびペプタンを使用する。可塑剤として、グリセリンおよびエチレングリコールを使用した。界面活性剤として、アルキルベンゼンスルホン酸塩を使用する。
これらの原料を、混合粉末：５〜８０質量％、有機バインダー：０．０５〜１０質量％、発泡剤：０．０５〜１０質量％、可塑剤：０．１〜１５質量％、界面活性剤：０．０５ 〜５質量％、水：残部、の比率で混合して、スラリーを作製する。

（成形工程Ｓ０２）
成形工程Ｓ０２では、ドクターブレード（塗布装置）を用いて前記スラリーを塗布し、シート状の成形体を成形する。

（発泡工程Ｓ０３）
発泡工程Ｓ０３では、シート状の成形体を温度４０℃、湿度９０％で２０分保持し、８０℃の温風を１５分間送風して温風乾燥させる。この発泡工程Ｓ０３によって、前記スラリー中の発泡剤が発泡して、３次元骨格構造を有するとともにその骨格となる部分にチタン粉末が位置した発泡成形体が作製される。

（脱脂工程Ｓ０４）
前述の発泡成形体は、ジルコニア製の支持プレート上に載置され、アルゴン雰囲気中で温度５５０℃で２時間保持される。これにより、発泡成形体に含まれる脂分（有機バインダー等）が揮発除去される。その後、アルゴン雰囲気のまま約５０℃以下まで冷却し、脱脂体を得る。このようにアルゴン雰囲気で冷却することにより脱脂体の酸化が防止されることになる。

（焼結工程Ｓ０５）
脱脂体は、ジルコニア製の支持プレートに載せた状態でチタン箔に包み、アルゴン雰囲気で１０５０℃〜１４５０℃、０．５ｍｉｎ〜２０ｍｉｎの条件で焼結される。これにより、３次元骨格構造をなし、チタン粉末同士が焼結して結合した骨格部１１と空孔部１６とを有する多孔質チタン１０が製出される。なお、チタン箔は酸素ゲッターとして用いられるものであり、チタン箔を優先的に酸化させることで多孔質チタン１０の酸化を防止している。

前述のような焼結条件で焼結されることで、骨格部１１の表面に、チタン原料粉末の粒径に応じた微小凹凸部１２が形成され、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定される。また、多孔質チタン１０の骨格部１１に囲まれる空孔部１６の平均孔径が３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定される。

次に、本実施形態である燃料電池用保水部材を用いた固体高分子形燃料電池２０について図４を用いて説明する。
本実施形態である燃料電池用保水部材２４は、前述の多孔質チタン１０で形成されたものであって、後述する固体高分子形燃料電池２０において一対の電極板２４ａ，２４ｂとして使用されている。

固体高分子形燃料電池２０は、固体高分子の電解質膜２２と、電解質膜２１の両側に層状に設けられる触媒層２３、２３と、これら触媒層２３の外側にそれぞれ配設された電極板２４ａ，２４ｂと、を備えた電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ―ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）２１を有しており、電極板２４ａ、２４ｂ（多孔質チタン１０）の外側にそれぞれセパレータ２５、２５が配設されている。このような積層体が単位セルとして複数積み重ねられたスタック構造をなしている。なお、図４では、１つの単位セルのみを図示している。

ここで、一方の電極板２４ａ（アノード）には水素を含有した燃料ガスが供給され、他方の電極板２４ｂ（カソード）には酸化剤ガスが供給される。燃料ガスとしては、水素ガスやメタノールおよび天然ガスを改質した水素含有ガス等が使用される。酸化剤ガスとしては、一般に空気が使用される。

一方の電極板２４ａ（アノード）に向けて供給された燃料ガス中の水素がイオン化して電解質膜２２を通じて他方の電極板２４ｂ（カソード）側へと移動し、イオン化した際に放出される電子が電解質膜２２を通らずに外部の導線側へと流れて電流となる。そして、電解質膜２２を通じて移動してきた水素イオンと外部の導線から入ってくる電子とが、他方の電極板２４ｂ（カソード）に向けて供給された酸化剤ガスと反応して、水が生成される。このようにして電流が生じることになる。

前述した本実施形態である多孔質チタン１０においては、骨格部１１の表面に微小凹凸部１２が形成されており、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲とされているので、水分がこの微小凹凸部１２に保持されることになり、電解質膜２２の乾燥を防止することが可能となる。なお、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ以上とされているので水分を確実に保持することができる。また、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが２．５μｍ以下とされているので、骨格部１１によって電解質膜２２や触媒層２３を傷つけるおそれがない。

さらに、本実施形態では、骨格部１１に囲まれる空孔部１６の平均孔径が３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されているので、水によって空孔部１６が塞がれてしまうことがなくフラッディング現象の発生を防止することができるとともに、空孔部１６を通じて流れる燃料ガスや酸化剤ガスを面状に広く分散することが可能となる。

また、本実施形態では、骨格部１１が、チタン原料粉末を含有するスラリーを発泡させて焼結させたチタン焼結体で構成されているので、骨格部１１の表面にチタン原料粉末の粒径に応じた微小凹凸部１２を形成し、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲に設定することができる。

さらに、本実施形態では、多孔質チタン１０全体での気孔率が、７０ｖｏｌ％〜９５ ｖｏｌ％の範囲に設定されているので、燃料ガスや酸化剤ガスを確実に電解質膜２２へと供給することができる。

前述した本実施形態である多孔質チタン１０の製造方法によれば、チタン原料粉末を有するスラリーを発泡させて焼結しているので、３次元骨格構造の多孔質チタン１０を比較的容易に製造することができる。また、焼結工程において、１０５０℃〜１４５０℃、０．５ｍｉｎ〜２０ｍｉｎの条件で焼結しているので、チタン原料粉末が必要以上に固相拡散して粒成長が進行することがなく、骨格部１１の表面に前記チタン原料粉末の粒径に応じた微小凹凸部１２が形成されることになり、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内とすることができる。

また、本実施形態である燃料電池用保水部材２４によれば、骨格部１１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定され、骨格部１１に囲まれる空孔部１６の平均孔径が３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定された多孔質チタン１０によって形成されているので、骨格部１１の表面に形成された微小な凹凸に水分を保持することができるとともに空孔部１６を通じて流れるガスを広く分散することができる。よって、この燃料電池用保水部材２４を電解質膜２２に積層される電極板２４ａ、２４ｂとして使用することにより、電解質膜２２を湿潤した状態で保持することができ、固体高分子形燃料電池２０を安定して作動させることができる。また、燃料ガス及び酸化剤ガスを多孔質チタン１０の空孔部１６を通じて広く分散して供給することができる。

次に、本発明の第２の実施形態である多孔質金属としての多孔質チタン３０及びその製造方法について図５、図６を参照して説明する。
図５に示す多孔質チタン３０は、骨格部３１と空孔部３６とを有し、３次元骨格構造をなしており、骨格部３１は、平滑な表面を有する骨格本体３３とこの骨格本体３３の表面に固着された微小凸部３２とを備えている。骨格本体３３の表面に微小凸部３２が固着されることで、骨格部３１の表面の算術平均粗さＲａが、０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定されている。

また、空孔部３６は、その平均孔径が、３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されている。このような空孔部３６が多孔質チタン３０の全体に均一に分散して存在しており、多孔質チタン３０全体での気孔率は、６０ｖｏｌ％〜８５ｖｏｌ％の範囲に設定されている。

以下に、本実施形態である多孔質チタン３０の製造方法について説明する。
まず、市販のチタン製金網（３０Ｍｅｓｈ、目開き６００μｍ）を準備する（Ｓ１１）。このチタン製金網の骨格本体３３の表面は比較的平滑な状態とされる。

次に、チタン製金網の骨格本体３３の表面に粘着材を塗布する（Ｓ１２）。ここで、粘着材としては、例えばポリビニルアルコール等が使用される。
次に、粒径１０μｍ〜２５μｍのチタン粉末を添加し（Ｓ１３）、焼結することにより、骨格本体３３の表面にチタン粉末を固着させる（Ｓ１４）。

このような構成とされた本発明の第２の実施形態である多孔質チタン３０および多孔質チタン３０の製造方法によれば、骨格本体３３の表面に粘着剤を塗布し、チタン粉末を添加して骨格本体３３の表面にチタン粉末を固着することによって、骨格本体３３の表面にチタン粉末からなる微小凸部３２が形成され、この微小凸部３２によって、骨格部３１の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲となる。これにより、多孔質チタン３０が水分保持機構を有することになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、チタンで構成された多孔質チタンとして説明したが、多孔質金属の材質としては、これに限定されることはなく、燃料電池の内部環境下において耐食性を維持する材料であればよい。例示すると、Ｆｅ−Ｃｒをベースとしたステンレス鋼、Ｎｉ−Ｃｒをベースとしたニッケル基耐食合金が挙げられる。ただし、チタンおよびチタン合金は電解質膜の発電性能に悪影響を与える微量な金属イオンの溶出がないため、燃料電池用として特に好ましい。

また、チタン原料粉末として、平均粒径１０μｍ〜２５μｍのチタン粉末を使用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のチタン粉末を使用することができる。
さらに、有機バインダーとして水溶性のメチルセルロースまたはポリビニルアルコールを、発泡剤としてネオペンタン、ヘキサンおよびペプタンを、可塑剤としてグリセリンおよびエチレングリコールを、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を使用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の有機バインダー、発泡剤、可塑剤、界面活性剤を用いてもよい。

本発明の多孔質金属の作用効果を確認するために行った比較実験の結果について以下に説明する。

金属粉末として、平均粒径７μｍおよび２０μｍのステンレス鋼粉末、平均粒径１５μｍおよび２５μｍの純チタン粉末を準備した。この金属粉末を、水溶性樹脂結合剤としてメチルセルロースを、可塑剤としてグリセリンを、溶媒として水を、界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を準備し、これらを表１に示す配合組成で混練し、さらに、発泡剤としてヘキサンを表１に示す配合組成で添加、混合してスラリーを作製した。

このスラリーをドクターブレード（ブレードギャップ：０．４ｍｍ）によって板状に成形し、温度４０℃、湿度９０％、３０分間保持の条件で発泡させたのち、温度：８０℃、３０分間保持の条件で温風乾燥を行い、発泡成形体を成形した。
この発泡成形体を、ジルコニア製の板の上に載せて、アルゴン雰囲気中、温度：５５０℃、２時間保持の条件で脱脂し、アルゴンを流したまま温度：５０℃以下になるまで冷却して酸化することを防止した。

前述のようにして得られた脱脂体をジルコニア製の板に載せた状態でチタン箔で包んで、表１に示す雰囲気、温度、保持時間の条件で焼結して、3次元骨格構造を有する多孔質金属を製出した。なお、焼結条件を変更することによって、表１に示すように、本発明例１−８、比較例１、２、従来例１、２の１２種類の多孔質金属を製出した。

〔算術平均粗さＲａ〕
本発明例１−８、比較例１、２、従来例１、２の骨格部表面の算術平均粗さＲａを、レーザー顕微鏡（オリンパス社製OLS3000）を用いて以下の条件で測定した。測定結果を表２に示す。また、本発明例１および従来例１の骨格部の表面性状観察結果を図７、図８に示す。
装置：オリンパス製OLS3000
測定条件：対物100倍
カットオフ：1/3
評価長さ： 画像の視野幅
基準長さ： 評価長さに等しい
粗さ解析条件:
＜最小高さの識別＞
・断面曲線：Pzの30%
・粗さ曲線：Rzの100%
・うねり曲線：Wzの30%
＜最小長さの識別＞
・基準長さ（画像視野）の1%
＜切断レベル差算出対象負荷長さ率＞
・Rmr1：30%
・Rmr2：30%

〔平均孔径〕
次に、本発明例１−８、比較例１、２、従来例１、２の多孔質金属の試験片を走査型電子顕微鏡で観察し、その像の写真から骨格部に囲まれる空孔部の孔径を任意に２０ヶ所計測し、平均値を算出して平均孔径を測定した。測定結果を表２に示す。

〔水分保持能力〕
本発明例１−８、比較例１、２、従来例１、２の多孔質金属を圧延して厚さを０．７０±０．０２ｍｍとした。圧延した多孔質金属から４０ｍｍ×４０ｍｍの試験片を切り出し、ビーカー中で蒸留水に浸漬した状態で真空デシケータに挿入して、５０ｍｍＨｇまで減圧した。常圧に戻してビーカーから取出し、クリップではさんで空中に吊り下げ、２０分間、温度２５℃の室内に放置して、過剰の水を除去し、各試験片に保水させた。次いで、保水させた試験片を、燃料電池内部環境を模擬する条件として温度４０℃、湿度８０％の恒温恒湿槽に入れ、５分間おきに取り出して重量を測定して、乾燥による重量変化を測定した。測定結果を表２及び図９に示す。

図７、図８に示すように、焼結条件を１２５０℃、３ｍｉｎとした本発明例１においては、骨格部の表面に金属粉末（ステンレス鋼粉末）の粒径に応じた微小凹凸部が形成されており、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７２μｍとされている。一方、焼結条件を１２００℃、１８０ｍｉｎとした従来例１においては、金属粉末（ステンレス鋼粉末）が固相拡散して粒成長が進み、骨格部の表面は比較的平滑な面となっており、骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．５２μｍとされている。このように、焼結条件を変更することによって、骨格部の表面の算術平均粗さＲａを制御することが可能であることが確認される。

さらに、水分保持能力については、本発明例１−８においては、初期の保水量が従来例に対して相対的に大きく貯水能力が高いことが確認された。また、重量の経時変化が小さく、乾燥までに時間を要し、保水能力が高いことが確認された。

以上のことから、本発明によれば、固体高分子形燃料電池の電解質膜を長時間、湿度が高い状態に保つことができ、その結果、電解質膜の乾燥を抑制することができ、たとえば長期停止後や急激な出力変動時にも対応できる固体高分子形燃料電池を構成することができることが確認された。

本発明の第１の実施形態である多孔質金属の概略説明図である。 本発明の第１の実施形態である多孔質金属の骨格部の観察写真である。 本発明の第１の実施形態である多孔質金属の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態である多孔質金属からなる燃料電池用保水部材を用いた燃料電池の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態である多孔質金属の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態である多孔質金属の製造方法を示すフローチャートである。 本発明例１の多孔質金属の骨格部の表面性状観察結果である。 従来例１の多孔質金属の骨格部の表面性状観察結果である。 水分保持能力の比較結果を示すグラフである。

符号の説明

１０、３０ 多孔質チタン（多孔質金属）
１１、３１ 骨格部
２０ 燃料電池
２１ 電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）
２２ 電解質膜
２４ 燃料電池用保水部材
２４ａ、２４ｂ 電極板
３２ 微小凸部
３３ 骨格本体

Claims (5)

1. 骨格部と空孔部とを有する骨格構造をなす多孔質金属であって、
   前記骨格部の表面の算術平均粗さＲａが０．７μｍ〜２．５μｍの範囲内に設定され、
   前記骨格部に囲まれる前記空孔部の平均孔径が、３０μｍ〜６００μｍの範囲内に設定されていることを特徴とする多孔質金属。
2. 前記骨格部は、金属粉末を焼結させた金属焼結体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多孔質金属。
3. 前記骨格部は、平滑な表面を有する骨格本体と、この骨格本体の表面に固着された微小凸部と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の多孔質金属。
4. 金属網目状構造体の表面に粘着剤を塗布する工程と、金属粉末を添加して前記骨格本体の表面に前記金属粉末を固着する工程と、を備えていることを特徴とする請求項３に記載の多孔質金属の製造方法。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された多孔質金属によって形成されたことを特徴とする燃料電池用保水部材。

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