JP2010053400A - Method for manufacturing porous conductor for electrolyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜に接触し、電解用の給電体として使用される電解装置用多孔質導電体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a porous conductor for an electrolytic device that is in contact with an electrolyte membrane and used as a power feeding body for electrolysis.
例えば、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを備えたアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持した固体高分子型燃料電池が知られている。 For example, an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each having an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched by separators. Solid polymer fuel cells are known.
この種の燃料電池は、アノード側電極に燃料ガス(主に水素を含有するガス)が供給される一方、カソード側電極に酸化剤ガス(主に酸素を含有するガス、例えば、空気)が供給されることにより、直流の電気エネルギを得ている。 In this type of fuel cell, fuel gas (mainly containing hydrogen) is supplied to the anode side electrode, while oxidant gas (mainly oxygen-containing gas, for example, air) is supplied to the cathode side electrode. As a result, DC electric energy is obtained.
一般的に、燃料である水素を製造するために、水電解装置が採用されている。この水電解装置は、水を分解して水素(及び酸素)を発生させるため、固体高分子電解質膜を用いている。固体高分子電解質膜の両面には、電極触媒層が設けられて電解質膜・電極構造体が構成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体の両側には、給電体を配設してユニットが構成されている。すなわち、ユニットは、実質的には、上記の燃料電池と同様に構成されている。 In general, a water electrolysis apparatus is employed to produce hydrogen as a fuel. This water electrolysis apparatus uses a solid polymer electrolyte membrane in order to decompose water and generate hydrogen (and oxygen). Electrode catalyst layers are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an electrolyte membrane / electrode structure, and a power feeder is provided on both sides of the electrolyte membrane / electrode structure. It is configured. That is, the unit is configured substantially in the same manner as the above fuel cell.
そこで、複数のユニットが積層された状態で、積層方向両端に電圧が付与されるとともに、アノード側給電体に水が供給される。このため、電解質膜・電極構造体のアノード側では、水が分解されて水素イオン(プロトン)が生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、電子と結合して水素が製造される。一方、アノード側では、水素と共に生成された酸素が、余剰の水を伴ってユニットから排出される。 Therefore, in a state where a plurality of units are stacked, a voltage is applied to both ends in the stacking direction, and water is supplied to the anode-side power feeding body. For this reason, water is decomposed and hydrogen ions (protons) are generated on the anode side of the electrolyte membrane / electrode structure, and the hydrogen ions permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode side to bond with electrons. Thus, hydrogen is produced. On the other hand, on the anode side, oxygen produced together with hydrogen is discharged from the unit with excess water.
上記の給電体としては、例えば、特許文献1に開示されているように、膜電極接合体の両側面に配して用いられる水電解セル用給電体で、不活性ガスの雰囲気中でチタンをプラズマ溶射することにより前記膜電極接合体に接する表面を平滑化したチタン繊維焼結板からなるものが知られている。 As said electric power feeder, as disclosed by patent document 1, for example, it is the electric power feeder for water electrolysis cells used by arranging on both sides of a membrane electrode assembly, and titanium is used in an inert gas atmosphere. There has been known one made of a titanium fiber sintered plate in which the surface in contact with the membrane electrode assembly is smoothed by plasma spraying.
ところで、チタン繊維焼結板とその表面のプラズマ溶射層とでは、空隙率及びチタン材の形状が極端に異なっている。このため、両者の接合界面で電気抵抗が増大し、給電体としての電気抵抗が見掛けの空隙率以上に高くなり、大きな損失電圧を生じるという問題がある。さらに、両者の接合界面における空隙率の大きな変化により、通液性や通気性が低下するおそれがある。 By the way, the porosity and the shape of the titanium material are extremely different between the titanium fiber sintered plate and the plasma sprayed layer on the surface thereof. For this reason, there is a problem in that the electrical resistance increases at the joint interface between the two, and the electrical resistance as a power supply becomes higher than the apparent porosity, resulting in a large loss voltage. Furthermore, there is a possibility that liquid permeability and air permeability may be reduced due to a large change in the porosity at the joint interface between the two.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、高強度を保持して有効に薄肉化を図るとともに、空隙率を良好に向上させることが可能な電解装置用多孔質導電体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and provides a method for producing a porous conductor for an electrolytic device capable of effectively reducing the thickness while maintaining high strength and improving the porosity. The purpose is to provide.
本発明は、電解質膜に接触し、電解用の給電体として使用される電解装置用多孔質導電体の製造方法に関するものである。この製造方法は、球状チタン粉末を焼結処理して球状チタン粉末焼結体を形成する工程と、前記球状チタン粉末焼結体に、前記球状チタン粉末焼結体よりも細粒の球状チタン粉末を溶射することにより、前記電解質膜に接する球状チタン粉末溶射層を形成する工程とを有している。 The present invention relates to a method for producing a porous conductor for an electrolytic device that is in contact with an electrolyte membrane and used as a power feeding body for electrolysis. This manufacturing method includes a step of sintering a spherical titanium powder to form a spherical titanium powder sintered body, and a spherical titanium powder finer than the spherical titanium powder sintered body in the spherical titanium powder sintered body. A step of forming a spherical titanium powder sprayed layer in contact with the electrolyte membrane.
また、溶射は、減圧プラズマ溶射であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that thermal spraying is a low pressure plasma spraying.
さらに、少なくとも球状チタン粉末溶射層には、メッキ処理が施されることが好ましい。 Further, it is preferable that at least the spherical titanium powder sprayed layer is plated.
本発明によれば、球状チタン粉末焼結体に、球状チタン粉末を溶射するため、薄く且つ緻密な多孔質溶射層である球状チタン粉末溶射層を形成することができる。従って、球状チタン粉末溶射層は、高強度を確保するとともに、ガス及び水の透過性を維持して、電解質膜の保持力を向上させることが可能になる。 According to the present invention, since the spherical titanium powder is thermally sprayed on the spherical titanium powder sintered body, it is possible to form a spherical titanium powder sprayed layer which is a thin and dense porous sprayed layer. Therefore, the spherical titanium powder sprayed layer can ensure high strength, maintain gas and water permeability, and improve the retention of the electrolyte membrane.
さらに、球状チタン粉末を溶射することにより、緻密な球状チタン粉末溶射層の薄肉化が図られるとともに、溶融度や溶射速度を変えることによって球状チタン粉末溶射層の空隙率も制御可能になる。このため、任意の厚さに正確且つ容易に制御することができ、しかもベース層に合わせた空隙率に設定することが可能になる。 Further, by spraying the spherical titanium powder, the dense spherical titanium powder sprayed layer can be thinned, and the porosity of the spherical titanium powder sprayed layer can be controlled by changing the melting degree and the spraying speed. For this reason, the thickness can be accurately and easily controlled to an arbitrary thickness, and the porosity can be set according to the base layer.
その上、ベース層である球状チタン粉末焼結体は、再度焼結されることがなく、空隙率が変化することを可及的に阻止することが可能になる。すなわち、ベース層と球状チタン粉末溶射層の積層構造において、空隙率の均一化が可能であり、電解液の透過性(通液性)に影響を与えることがない。 In addition, the spherical titanium powder sintered body as the base layer is not sintered again, and it is possible to prevent the porosity from changing as much as possible. That is, in the laminated structure of the base layer and the spherical titanium powder sprayed layer, the porosity can be made uniform, and the permeability (liquid permeability) of the electrolytic solution is not affected.
図1は、本発明の実施形態に係る製造方法により製造される電解装置用多孔質導電体が適用される水電解装置10の斜視説明図であり、図2は、前記水電解装置10の一部断面側面図である。
FIG. 1 is a perspective explanatory view of a
水電解装置10は、複数の単位セル12が水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端には、同様にターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。
The
水電解装置10は、例えば、矢印A方向に延在する複数のタイロッド22を介してエンドプレート20a、20b間を一体的に締め付け保持する。なお、水電解装置10は、四角形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含む箱状ケーシング(図示せず)により一体的に保持される構成を採用してもよい。また、水電解装置10は、立方体形状の他、円柱体形状等の種々の形状に設定可能である。
The
図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bの側部には、端子部24a、24bが外方に突出して設けられる。端子部24a、24bは、配線26a、26bを介して電源28に電気的に接続される。陽極(アノード)側である端子部24aは、電源28のプラス極に接続される一方、陰極(カソード)側である端子部24bは、前記電源28のマイナス極に接続される。
As shown in FIG. 1,
図2及び図3に示すように、単位セル12は、電解質膜・電極構造体32と、この電解質膜・電極構造体32を挟持するアノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36とを備える。アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36は、例えば、カーボン部材等で構成され、又は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して、あるいは切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
電解質膜・電極構造体32は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜(50μm程度)に水が含浸された固体高分子電解質膜38と、前記固体高分子電解質膜38を挟持し且つ該固体高分子電解質膜38を補強するアノード側給電体(電解装置用多孔質導電体)40及びカソード側給電体(電解装置用多孔質導電体)42とを備える。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜38の両面には、アノード電極触媒層44a及びカソード電極触媒層44bが形成される。アノード電極触媒層44aは、例えば、Ru(ルテニウム)系触媒を使用する一方、カソード電極触媒層44bは、例えば、白金触媒を使用する。
An anode
単位セル12の矢印B方向(図3中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、水(純水)を供給するための供給連通孔46が設けられる。単位セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、反応により生成された酸素及び使用済みの水を排出するための排出連通孔48と、反応により生成された水素を流すための水素流通連通孔50とが、矢印C方向に配列して設けられる。
At one end edge of the
図4に示すように、アノード側セパレータ34の電解質膜・電極構造体32に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する第1流路52が設けられる。この第1流路52は、アノード側給電体40の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、供給連通孔46と排出連通孔48とに連通する。このアノード側セパレータ34の他方の面34bは、平坦状に構成される。
As shown in FIG. 4, for example, a
図3に示すように、カソード側セパレータ36の電解質膜・電極構造体32に向かう面36aには、例えば、矢印B方向に延在する第2流路54が形成される。この第2流路54は、カソード側給電体42の表面積に対応する範囲内に設けられるとともに、水素流通連通孔50に連通する。このカソード側セパレータ36の他方の面36bは、平坦状に構成される。
As shown in FIG. 3, for example, a
アノード側セパレータ34及びカソード側セパレータ36の外周端部を周回して、シール部材56a、56bが一体化される。このシール部材56a、56bには、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
The
図1に示すように、エンドプレート20aには、供給連通孔46、排出連通孔48及び水素流通連通孔50に連通する配管58a、58b及び58cが接続される。
As shown in FIG. 1,
次いで、電解質膜・電極構造体32を構成するアノード側給電体40を製造する作業について、図5に示すフローチャートに沿って説明する。
Next, an operation for manufacturing the anode-
なお、カソード側給電体42は、アノード側給電体40と同様に製造されるため、その詳細な説明は省略する。また、このカソード側給電体42は、必要に応じて設けられており、特にカソード側に発生する高圧水素に対して固体高分子電解質膜38を保持するための強度を必要とするアノード側給電体40のみが設けられる場合もある。
In addition, since the cathode side electric
先ず、図6に示すように、所定の平均粒径(固体高分子電解質膜38の膜厚と同等若しくは大きな粒径、例えば、45μm〜150μm)の球状ガスアトマイズチタン粉末60は、高密度アルミナ製の皿状焼結容器62内に無加圧で充填される。
First, as shown in FIG. 6, a spherical gas atomized
焼結容器62内では、球状ガスアトマイズチタン粉末60が無加圧で真空焼結されることにより(ステップS1)、薄板状の球状チタン粉末焼結体64が製造される(図7参照)。球状チタン粉末焼結体64は、気孔率が10%〜50%の範囲内に設定される。なお、焼結温度は、チタンの融点よりも低く、例えば、800℃〜1300℃の範囲内が好ましい。
In the
次に、ステップS2に進んで、球状チタン粉末焼結体64に、前記球状チタン粉末焼結体64よりも細粒の球状チタン粉末66を溶射することにより、固体高分子電解質膜38に接する球状チタン粉末溶射層68が形成される(図8参照)。球状チタン粉末66は、純チタン粒子又はチタン合金粒子であり、平均粒径は、固体高分子電解質膜38の膜厚以下の粒径、例えば、45μm以下に設定される。
Next, the process proceeds to step S2, and the
この溶射処理は、減圧プラズマ溶射処理であり、具体的には、図9に示すように、真空チャンバ70に球状チタン粉末焼結体64が配置されるとともに、この真空チャンバ70では、溶射ガン72が前記球状チタン粉末焼結体64に対向する。溶射ガン72には、粉末材料入口74、作動ガス入口76、冷却水入口78a及び冷却水出口78bが設けられている。
This thermal spraying process is a low-pressure plasma spraying process. Specifically, as shown in FIG. 9, a spherical titanium powder sintered
そこで、真空チャンバ70内において、溶射ガン72の粉末材料入口74から球状チタン粉末66が供給されるとともに、作動ガス入口76からアルゴン又はヘリウム等の不活性ガスが供給される。この状態で、プラズマジェットを発生させ、この中に球状チタン粉末66が投入されることにより、前記球状チタン粉末66の溶融粒子が球状チタン粉末焼結体64に溶射される。
Therefore, in the
その際、プラズマ溶射が真空中若しくは不活性ガス中で行われるため、チタン粒子表面に酸化皮膜が形成されることがない。このため、低溶融度状態で成膜が行われ、気孔率が10%〜50%の範囲内に設定された多孔質の球状チタン粉末溶射層68が確実に形成される。
At this time, since plasma spraying is performed in a vacuum or in an inert gas, an oxide film is not formed on the surface of the titanium particles. Therefore, film formation is performed in a low melting state, and the porous spherical titanium powder sprayed
さらに、ステップS3に進んで、球状チタン粉末溶射層68の表面及び球状チタン粉末焼結体64の表面に、研削又は切削による平滑化処理が施される(図10参照)。この平滑化処理では、研削等によって目詰まりが発生しており、前記平滑化処理後にエッチング処理が施される(ステップS4)。
Furthermore, it progresses to step S3 and the smoothing process by grinding or cutting is given to the surface of the spherical titanium powder sprayed
例えば、、エッチング溶液として、硝酸が10ml、10%のフッ化水素酸が10ml及び純水が180mlの混合溶液を用い、90秒間のエッチング時間で室温によるエッチングが行われる。なお、平滑化処理及びエッチング処理は、必要に応じて行えばよく、削除することもできる。 For example, as an etching solution, a mixed solution of 10 ml of nitric acid, 10 ml of 10% hydrofluoric acid and 180 ml of pure water is used, and etching is performed at room temperature with an etching time of 90 seconds. Note that the smoothing process and the etching process may be performed as necessary, and may be deleted.
次いで、洗浄及び活性化処理が行われた後、ステップS5に進んで、少なくとも球状チタン粉末溶射層68に対して、例えば、白金(Pt)によるメッキ処理が施される。
Next, after the cleaning and activation processes are performed, the process proceeds to step S5, and at least the spherical titanium powder sprayed
これにより、アノード側給電体40が製造され、前記アノード側給電体40は、固体高分子電解質膜38の一方側に配置されるとともに、同様に処理されたカソード側給電体42は、前記固体高分子電解質膜38の他方向に配置される。従って、電解質膜・電極構造体32が得られる。
As a result, the anode-side
上記のように構成される水電解装置10の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、配管58aから水電解装置10の供給連通孔46に水が供給されるとともに、ターミナルプレート16a、16bの端子部24a、24bに電気的に接続されている電源28を介して電圧が付与される。このため、図3に示すように、各単位セル12では、供給連通孔46からアノード側セパレータ34とアノード側給電体40との間に形成される第1流路52に水が供給され、この水が前記アノード側給電体40に沿って移動する。
As shown in FIG. 1, water is supplied from a
従って、水は、アノード電極触媒層44aで電気により分解され、水素イオン、電子及び酸素が生成される。この陽極反応により生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜38を透過してカソード電極触媒層44b側に移動し、電子と結合して高圧な水素が得られる。
Accordingly, water is decomposed by electricity in the anode
このため、カソード側セパレータ36とカソード側給電体42との間に形成される第2流路54に沿って水素が流動し、この水素が、水素流通連通孔50を流れて水電解装置10の外部に取り出し可能となる。一方、第1流路52には、反応により生成した酸素と、使用済みの水とが流動しており、これらが排出連通孔48に沿って水電解装置10の外部に排出される。
For this reason, hydrogen flows along the
この場合、本実施形態では、電解質膜・電極構造体32を構成するアノード側給電体40及びカソード側給電体42のうち、少なくとも前記アノード側給電体40は、焼結処理により球状チタン粉末焼結体64が形成された後、減圧プラズマ溶射処理により、前記球状チタン粉末焼結体64に球状チタン粉末66が溶射されて球状チタン粉末溶射層68が形成されている。
In this case, in the present embodiment, at least the anode-side
従って、球状チタン粉末焼結体64に、粒径の小さな球状チタン粉末66が溶射されるため、薄く且つ緻密な多孔質溶射層である球状チタン粉末溶射層68を形成することができる。このため、球状チタン粉末溶射層68は、高強度を確保してカソード側に発生する高圧水素に対して固体高分子電解質膜38の保持力を向上させるとともに、ガス及び水の透過性を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。
Accordingly, since the
さらに、細粒状の球状チタン粉末66が溶射されるため、緻密な球状チタン粉末溶射層68の薄肉化が図られるとともに、例えば、数十μm単位で任意の厚さに正確且つ容易に制御することができる。しかも、ベース層である球状チタン粉末焼結体64は、再度焼結されることがなく、空隙率が変化することを可及的に阻止することが可能になる。これにより、水電解処理を良好に遂行することができるという利点がある。
Furthermore, since the fine
なお、本実施形態では、水電解装置10を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、種々の電解装置に適用できる。
In addition, although this embodiment demonstrated using the
10…水電解装置 12…単位セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18a…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
24a、24b…端子部 28…電源
32…電解質膜・電極構造体 34…アノード側セパレータ
36…カソード側セパレータ 38…固体高分子電解質膜
40…アノード側給電体 42…カソード側給電体
44a…アノード電極触媒層 44b…カソード電極触媒層
46…供給連通孔 48…排出連通孔
50…水素流通連通孔 52、54…流路
60…球状ガスアトマイズチタン粉末 62…焼結容器
64…球状チタン粉末焼結体 66…球状チタン粉末
68…球状チタン粉末溶射層 72…溶射ガン
DESCRIPTION OF
Claims (3)
球状チタン粉末を焼結処理して球状チタン粉末焼結体を形成する工程と、
前記球状チタン粉末焼結体に、前記球状チタン粉末焼結体よりも細粒の球状チタン粉末を溶射することにより、前記電解質膜に接する球状チタン粉末溶射層を形成する工程と、
を有することを特徴とする電解装置用多孔質導電体の製造方法。 A method for producing a porous conductor for an electrolysis device that is in contact with an electrolyte membrane and is used as a power feeding body for electrolysis,
A step of sintering spherical titanium powder to form a spherical titanium powder sintered body;
Forming a spherical titanium powder sprayed layer in contact with the electrolyte membrane by spraying the spherical titanium powder sintered body with a finer spherical titanium powder than the spherical titanium powder sintered body;
A method for producing a porous conductor for an electrolytic device, comprising:
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