JP2014210975A - 金属被膜されたバイメタル板を含むセルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】高コストの炭素コーティングを省略することができる、電解槽用のセルセパレータを提供する。【解決手段】鋼／チタン‐バイメタル板１が、チタン板がＰＥＭ電解セル５のアノード側に設置され、鋼板がカソード側に設置されるように組み込まれることにより、高コストの炭素コーティングを省略した電解槽用のセルセパレータとすることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、電解槽用のセルセパレータ、とりわけＰＥＭ電解槽用のセルセパレータに関する。

水を酸素と水素とに分解する酸電解は、通常はプロトン交換膜電解槽（ＰＥＭ電解槽）中において行われる。このＰＥＭ電解槽内では、アノードとカソードとがプロトン伝導膜によって相互に隔絶されている。この膜材料としては通常、ポリフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）を強化材無しで、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）マトリクスにより強化して使用する。

電解槽のアノードチャンバとカソードチャンバとを分離するためのセルセパレータないしはバイポーラプレートとは、従来技術では、チタン製またはチタン合金製の薄板を指す。

チタンは、水素に触れるといわゆる水素脆化するという傾向がある。これは、水素が金属中に侵入することによりチタン薄板が脆化することを指しており、この脆化は、セパレータの物性および寿命に直接悪影響を与え、ひいては電解槽そのものに直接悪影響を与えるものである。従来技術ではこのことに対応するために、たとえば、セルセパレータのカソード側の面に高密度の炭素コーティングを設けていた。

本発明の課題は、高コストの炭素コーティングを省略することができるセルセパレータを実現することである。

前記課題は、鋼／チタン‐バイメタル板を含む、電解槽用のセルセパレータの構成により解決される。

チタン板と鋼板とから成るバイメタル板を含む本発明のセルセパレータの断面図である。 流路構造（流路）が既に入った状態の、本発明のバイメタルセルセパレータの断面図である。 本発明のＰＥＭ電解槽の１つのＰＥＭ電解槽セルの各層の断面図である。

発明の開示
ここで驚くべきことに、ＰＥＭ電解槽においてカソード側に鋼／チタンバイメタル板をセルセパレータとして用いることにより、高コストの炭素コーティングを省略できることが判明した。さらに有利には、バイポーラプレートの機械的安定性は、低コストの特殊鋼板によって実現される。このことは、格段に高コストのチタン板の厚さを小さくできるという効果を奏し、この効果はさらに、電解槽の製造コストにも好影響を及ぼす。このようにして本発明では、コスト削減を実現すると同時に、従来技術のチタン板の水素脆化の問題を回避して機械的安定性と耐久性とを改善したセルセパレータを実現したものである。

したがって本発明では、
鋼／チタン‐バイメタル板を含む、電解槽用のセルセパレータ
を提供するものである。

本発明において「電解槽」とは、特に、アノードとカソードとをプロトン伝導膜により相互に隔絶したプロトン交換膜電解槽（固体高分子形電解槽、ＰＥＭ電解槽）を指す。この膜材料としては通常、ポリフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）を強化材無しで、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）マトリクスにより強化して使用する。

電解槽の電解セルの水素側に設置されたカソードは、典型的には、当業者に知られている標準水素電極（ＮＨＥ）に対して０Ｖに近い電位にされる。カソードは有利には、プロトン伝導膜表面に設けられた触媒層と、多孔質の電流分配層と、流れ分配構造とから成る。多孔質の電流分配層は有利には、炭素繊維から形成した不織布または織布から成るか、または薄く延伸した複数のチタン板の積層体から成るか、またはチタン繊維から成るか、または多孔質のチタン焼結物から成るか、またはこれらを組み合わせたものから成ることができる。前記チタン繊維は、織り加工をすることが可能であり、また、織り加工しない状態でも可能である。前記流れ分配構造は有利には、流路構造を有する導電性ポリマーから形成される。このポリマーの導電性はたとえば、煤等の炭素を充填することにより実現することができる。この流路構造は、射出成形または型押し成形またはフライス加工により形成することができる。上述の態様に代えて択一的に、カソードの流れ分配構造をチタンから形成することもできる。この場合には、チタン全体に、セルの全寿命にわたって高密度の保護層を形成するのが有利である。このような保護層は、従来技術から当業者に知られており、その１例に炭素から成る保護層がある。この保護層は、たとえばＰＶＤ法（physical vapour deposition）を用いて形成することができる。それゆえ１つの実施形態では、アノード側および／またはカソード側に酸化物層低減コーティングが設けられる。

本発明の１つの有利な実施形態では、前記バイメタル板の鋼側が前記セルセパレータのカソード側となる。

通常動作時には、本発明の電解槽の電解セルのアノードの電位は＋１．０Ｖ〜＋２．５Ｖの領域内になる。アノードは有利には、プロトン伝導膜表面に設けられた触媒層と、多孔質の電流分配層と、流れ分配構造とを有する。この多孔質の電流分配層は有利には、薄く延伸した複数のチタン板の積層体から成るか、またはチタン繊維から成るか、または多孔質のチタン焼結物から成るか、またはこれらを組み合わせたものから成ることができる。前記チタン繊維は、織り加工をすることが可能であり、また、織り加工しない状態でも可能である。前記流れ分配構造は、チタンプレートまたは多孔質のチタン構造体に設けられた複数の流路から成ることができ、これらの流路は液体の水を電極へ供給し、生じた気体酸素を排出輸送する。このチタンプレートは同時に、本発明のバイメタルセルセパレータのチタン板部材として機能することもできる。本発明の有利な実施形態では、アノードおよび／またはカソードの流路構造はバイメタル板に型押し成形することができる。

本発明においてチタンとは、市販されているチタン板と、市販されているチタン合金、たとえばＴｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ（すなわち、アルミニウム６％とバナジウム４％を含むチタン合金）等との双方を用いることができる。その他にも、当業者に知られており一般的に用いられている適切なチタン合金がある。

本発明のセルセパレータは、鋼板とチタン板とから成るバイメタル板を有する。一般的にバイメタルとは、異なる金属または金属合金の２層から成る金属ストリップを指す。これら２層は、大抵は形状接続または材料接続されている。

ここで有利なのは、使用される鋼を特殊鋼とすること、有利には、ＡＩＳＩ記号３１６，３１６Ｌ，４１０，３０４，３０３，３０４Ｌ，３０１，Ｐ２０００および３２１の特殊鋼の群のうちいずれかの特殊鋼とすることであり、特に有利なのはＡＩＳＩ記号３１６および３１６Ｌである。ＡＩＳＩ記号は、特殊鋼の組成を表す米国鉄鋼協会の規格記号であり、当業者に周知である。ここで挙げた特殊鋼は単なる例であると解すべきであり、当業者であればこれらの例を参酌すれば、本発明にて使用するのに適した他の特殊鋼を選定することができる。

本発明のセルセパレータのバイメタル板は、鋼板とチタン板とを結合することにより形成することができる。この結合は、リベット結合、スポット溶接、ねじ留め、接着、特に有利には金属被膜により行うことができる。

当業者であれば、本発明における上述の有利な金属被膜とは一般的に、双方の板金を相互に重ねて高圧でプレスしながら、各部材の再結晶温度未満の温度で圧延する冷間圧延法または常温圧接法を指すと解する。双方の接触面を非常にきつくコンタクトさせることにより、障害となる表面層を破壊し、これにより作用するようになった原子間結合力により、両ワークが安定的に結合される。このようにして、鋼板とチタン板との接触領域に分離不能な結合が生じる。このような結合は特に、電流を流す部材に適している。他の種類のコーティングと比較すると、上述の金属被膜はさらに、後続の型押し成形工程中に、たとえば本発明のセルセパレータのバイメタル板に流路構造を型押し成形するときに、ひびが入らないという利点も奏し、このように流路構造を型押し成形するのが有利である。

本発明のバイメタルセルセパレータの全厚は１０〜２０００μｍの間であり、有利には２０〜１０００μｍの間であり、特に有利には５０〜５００μｍの間である。

ここで有利なのは、鋼板がチタン板より厚いことである。鋼板の厚さが大きいほど、かつ、相対的にチタン板の厚さが小さくなるほど、高コストのチタン板の削減によってコストをより大きく削減することができる。それゆえ１つの有利な実施形態では、本発明のバイメタルセルセパレータの全厚に対する鋼板の厚さの割合は少なくとも５５％であり、有利には少なくとも６０％であり、さらに有利には少なくとも６５％であり、特に有利には少なくとも７０％であり、さらに特に有利には少なくとも７５％である。その際には、本発明のバイメタルセルセパレータの全厚のうち残りの部分は、鋼板の上述の厚さに対応するチタン板の厚さであることは明らかである。

カソード側には時々酸素も存在することがあるので、接触抵抗を低減させるために酸化物層低減コーティングを設けることが可能である特殊鋼合金が幾つか存在する。アノード側にも同様に、接触抵抗低減層を設けることができる。このようなコーティングや、これに対応する被着手法は、従来技術から当業者に公知である。

本発明の特に有利な実施形態では、セルセパレータは、全厚が５０〜２００μｍである、金属被膜により形成されたバイメタル板を含み、当該バイメタル板は、アノード側に設けられた薄いチタン板と、カソード側に設けられたより厚い鋼板とから成り、本発明のバイメタルセパレータの全厚に対する前記鋼板の厚さの割合は少なくとも５５％であり、有利には少なくとも６０％であり、さらに有利には少なくとも６５％であり、特に有利には少なくとも７０％であり、さらに特に有利には少なくとも７５％である。前記鋼板は有利には、ＡＩＳＩ記号３１６Ｌの特殊鋼板である。１つの有利な実施形態では上述のセルセパレータは、鋼板とチタン板とを相互に重ねて冷間圧延することにより、特に簡単に実現することができる。

本発明はさらに、電解槽における、有利には金属被膜により製造されたチタン／鋼‐バイメタル板の、セルセパレータとしての使用も対象とする。前記電解槽は有利にはＰＥＭ電解槽である。

図１は、チタン板（２）と鋼板（３）とから成るバイメタル板（１）を含む本発明のセルセパレータの断面図である。

図２は、流路構造（複数の流路（４））が既に入った状態の、本発明のバイメタルセルセパレータ（１）の断面図である。

図３は、本発明のＰＥＭ電解槽の１つのＰＥＭ電解セル（５）の各層の断面図である。バイポーラプレート／セルセパレータ（１）は、当該セルセパレータ（１）のチタン板（２）が電解セル（５）のアノード側に設置され、鋼板（３）が当該電解セル（５）のカソード側に設置されるように組み込まれる。電解セル（５）のアノード側はさらに、流れ分配層（６）と電流分配層（７）と触媒層（８）と膜（９）とを有する。電解セル（５）のカソード側はさらに、流れ分配層（１０）と電流分配層（１１）と触媒層（１２）と膜（１３）とを有する。（１）と（６）と（１０）とを組み合わせた構成に代えて、図２に示したように成形されたバイメタル板を用いることも可能である。

１ バイメタル板
２ チタン板
３ 鋼板
４ 流路
５ ＰＥＭ電解槽セル
６，１０ 流れ分配層
７，１１ 電流分配層
８，１２ 触媒層
９，１３ 膜

Claims (10)

1. 鋼／チタン‐バイメタル板（１）を含む、電解槽用のセルセパレータ。
2. 鋼側（３）が、前記セルセパレータ（１）のカソード側を成す、
   請求項１記載のセルセパレータ。
3. 前記鋼は特殊鋼であり、有利には、ＡＩＳＩ記号３１６，３１６Ｌ，４１０，３０４，３０３，３０４Ｌ，３０１，Ｐ２０００および３２１の特殊鋼の群のうちいずれかの特殊鋼であり、特に有利にはＡＩＳＩ記号３１６および３１６Ｌである、
   請求項１または２記載のセルセパレータ。
4. 前記セルセパレータは、鋼板（３）およびチタン板（２）の金属被膜により製造されており、
   前記バイメタルセパレータ（１）の全厚に対する前記鋼板（３）の厚さの割合は少なくとも５５％であり、有利には少なくとも６０％であり、さらに有利には少なくとも６５％であり、特に有利には少なくとも７０％であり、非常に有利には少なくとも７５％である、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のセルセパレータ。
5. アノードおよび／またはカソードの流路構造（４）が前記バイメタル板（１）に形成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のセルセパレータ。
6. アノード側および／またはカソード側に酸化物層低減コーティングが設けられている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のセルセパレータ。
7. 有利にはＰＥＭ電解槽である電解槽における、セルセパレータとしての、有利には金属被膜により形成されたチタン／鋼‐バイメタル板（１）の使用。
8. 鋼／チタン‐バイメタル板（１）を有するセルセパレータを含む電解槽、有利にはＰＥＭ電解槽。
9. 前記バイメタル板（１）の鋼は特殊鋼であり、
   前記バイメタルセパレータの全厚に対する前記鋼板（３）の厚さの割合は、少なくとも５５％であり、有利には少なくとも６０％であり、さらに有利には少なくとも６５％であり、特に有利には少なくとも７０％であり、非常に有利には少なくとも７５％である、
   請求項８記載の電解槽。
10. 前記セルセパレータは、鋼板（３）およびチタン板（２）の金属被膜により形成されている、
    請求項８または９記載の電解槽。

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