JP2020167041A - Electrode and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、陽極または陰極として使用する電極に関するとともに、陽極又は陰極として使用する電極を製造する電極製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode used as an anode or a cathode, and also relates to an electrode manufacturing method for manufacturing an electrode used as an anode or a cathode.
低沸点金属である亜鉛を含む多孔性金属錯体(PCP/MOF)を焼成した窒素ドープカーボンに白金を担持させた燃料電池電極が開示されている(特許文献1参照)。この燃料電池電極は、低沸点金属である亜鉛を含む多孔性金属錯体(PCP/MOF)を製造原料として用いるため、原料由来の金属をほとんど含まず、大きな比表面積を有するNDCである触媒担持体を得ることができ、少量の白金担持により高活性な白金触媒を得ることができる。さらに、製造原料である多孔性金属錯体(PCP/MOF)由来の金属が含まれていないため、焼成条件を自由に設定できる。すなわち、原料として用いる多孔性金属錯体(PCP/MOF)の有機化合物リンカーの変更や焼成温度の調節により、得られるNDC中の含窒素量や結晶化度をコントロールすることが可能となる。 A fuel cell electrode in which platinum is supported on nitrogen-doped carbon obtained by calcining a porous metal complex (PCP / MOF) containing zinc, which is a low boiling metal, is disclosed (see Patent Document 1). Since this fuel cell electrode uses a porous metal complex (PCP / MOF) containing zinc, which is a low boiling metal, as a production raw material, it contains almost no metal derived from the raw material and is an NDC catalyst carrier having a large specific surface area. Can be obtained, and a highly active platinum catalyst can be obtained by supporting a small amount of platinum. Further, since the metal derived from the porous metal complex (PCP / MOF) which is a manufacturing raw material is not contained, the firing conditions can be freely set. That is, it is possible to control the nitrogen content and crystallinity in the obtained NDC by changing the organic compound linker of the porous metal complex (PCP / MOF) used as a raw material and adjusting the firing temperature.
固体高分子形燃料電池の電極触媒として各種の白金担持カーボンが広く利用されている。しかし、白金族元素は、貴金属であり、その生産量に限りがある希少な資源であることから、その使用量を抑えることが求められている。さらに、今後の固体高分子形燃料電池の普及に向けて高価な白金以外の金属を利用した非白金触媒を有する廉価な電極の開発が求められている。 Various platinum-supported carbons are widely used as electrode catalysts for polymer electrolyte fuel cells. However, since platinum group elements are precious metals and are rare resources whose production amount is limited, it is required to reduce the amount used. Further, for the spread of polymer electrolyte fuel cells in the future, it is required to develop an inexpensive electrode having a non-platinum catalyst using a metal other than platinum, which is expensive.
本発明の目的は、白金族元素を利用することなく、廉価に作ることができ、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮することができる電極及びその電極の電極製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、水素ガス発生装置において電気分解を効率よく行うことができ、多量の水素ガスを発生させることができる電極及びその電極の電極製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is an electrode that can be manufactured at low cost without using a platinum group element and can exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element, and an electrode of the electrode. The purpose is to provide a manufacturing method. Another object of the present invention is to be able to generate sufficient electricity in the fuel cell, to supply sufficient electrical energy to the load connected to the fuel cell, and to make electrolysis efficient in the hydrogen gas generator. It is an object of the present invention to provide an electrode which can be well performed and can generate a large amount of hydrogen gas, and an electrode manufacturing method for the electrode.
前記課題を解決するための本発明の第1の前提は、陽極又は陰極として使用する電極である。 The first premise of the present invention for solving the above problems is an electrode used as an anode or a cathode.
前記第1の前提における本発明の電極の特徴として、電極は、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を有し、連続気泡は、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成されていることにある。 As a feature of the electrode of the present invention in the first premise, the electrode uniformly mixes and disperses a predetermined binder with permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy, and uniformly mixes a predetermined pore-forming material. A permalloy fine powder mixture that is dispersed and mixed with a binder and a pore-forming material in a permalloy fine powder is formed into a thin plate having a predetermined area, and then the permalloy fine powder mixed molded product formed into a thin plate having a predetermined area is degreased and sintered. As a result, it is a thin plate-shaped foamed metal electrode with a microporous structure in which a large number of fine continuous pores are evenly formed while the permalloy fine powder is melt-bonded, and has substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element. The open cells are defined by a permalloy melt in which permalloy fine powder is melt-bonded.
本発明の電極の一例として、電極では、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とFe−NiパーマロイにおけるNiの含有率とが決定されている。 As an example of the electrode of the present invention, in the electrode, the Fe-Ni content in Fe-Ni permalloy and the Ni content in Fe-Ni permalloy are used so that the work function of the permalloy fine powder is close to the work function of the platinum group element. Has been decided.
本発明の電極の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が、薄板状発泡金属電極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、薄板状発泡金属電極の外周縁と内周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている。 As another example of the electrode of the present invention, open cells formed in the thin plate-shaped foamed metal electrode extend between the front surface and the rear surface of the thin plate-shaped foamed metal electrode while being irregularly bent in the thickness direction. , It extends between the outer peripheral edge and the inner peripheral edge of the thin plate-shaped foamed metal electrode while being irregularly bent in the radial direction.
本発明の電極の他の一例としては、径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が、厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。 As another example of the electrode of the present invention, those open cells extending in the radial direction and bent in the thickness direction are partially connected in the radial direction, and one open cell and the other open cell communicate with each other. Then, the open cells adjacent to each other in the thickness direction and bent and extended in the radial direction are partially connected in the thickness direction, and one open cell and the other open cell communicate with each other, and the average diameter of the open cells becomes , It is not uniform in the thickness direction and changes irregularly in the thickness direction, and is not uniform in the radial direction and changes irregularly in the radial direction.
本発明の電極の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に形成された連続気孔の平均径が、1μm〜100μmの範囲にあるとともに、±0.1μm〜±5マイクロμmの範囲で変化している。 As another example of the electrode of the present invention, the average diameter of continuous pores formed in the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 1 μm to 100 μm and changes in the range of ± 0.1 μm to ± 5 microμm. ing.
本発明の電極の他の一例としては、薄板状発泡金属電極の厚み寸法が、0.05mm〜0.5mmの範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the thickness dimension of the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 0.05 mm to 0.5 mm.
本発明の電極の他の一例としては、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率が、45%〜55%の範囲にあり、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率が、45%〜55%の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the Fe content in Fe-Ni permalloy is in the range of 45% to 55%, and the Ni content in Fe-Ni permalloy is in the range of 45% to 55%. It is in.
本発明の電極の他の一例としては、薄板状発泡金属電極に成形された連続気泡の気孔率が、45%〜55%の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the porosity of the open cells formed on the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 45% to 55%.
本発明の電極の他の一例としては、薄板状発泡金属電極の密度が、6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the density of the thin foamed metal electrode is in the range of 6.0g / cm 2 ~8.0g / cm 2 .
本発明の電極の他の一例としては、パーマロイ微粉体の粒径が、1μm〜100μmの範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the particle size of the permalloy fine powder is in the range of 1 μm to 100 μm.
前記課題を解決するための本発明の第2の前提は、陽極又は陰極として使用する電極を製造する電極製造方法である。 The second premise of the present invention for solving the above problems is an electrode manufacturing method for manufacturing an electrode used as an anode or a cathode.
前記第2の前提における本発明の電極製造方法の特徴としては、電極製造方法が、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する含有率決定工程と、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイを微粉砕してパーマロイ微粉体を作るパーマロイ微粉体作成工程と、パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体に所定のバインダー及び所定の気孔形成材を加え、パーマロイ微粉体にバインダーと気孔形成材とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物を薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂するとともにパーマロイ微粉体混合成形物を所定温度で焼結し、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されているとともに、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって連続気泡が画成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極を作る薄板状発泡金属電極作成工程とを有することにある。 The feature of the electrode manufacturing method of the present invention in the second premise is that the electrode manufacturing method is such that the work function of permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy is close to the work function of platinum group elements. -The content rate determination step for determining the Fe content and Ni content in Ni permalloy, and the Fe-Ni permalloy formed from Fe and Ni with the content rate determined by the content rate determination step are finely pulverized and permalloy. A predetermined binder and a predetermined pore-forming material are added to the permalloy fine powder preparation step for producing fine powder and the permalloy fine powder prepared by the permalloy fine powder preparation step, and the binder and the pore-forming material are uniformly mixed with the permalloy fine powder. Permalloy fine powder mixture preparation step to make a permalloy fine powder mixture by dispersing, and permalloy fine powder mixture preparation step to make a permalloy fine powder mixed mixture by molding the permalloy fine powder mixture prepared by the step to make a permalloy fine powder mixture into a thin plate. A large number of permalloy fine powders are melt-bonded by degreasing the permalloy fine powder mixed moldings prepared by the product preparation process and the permalloy fine powder mixed molding preparation process and sintering the permalloy fine powder mixed moldings at a predetermined temperature. A process for producing a thin plate-shaped foamed metal electrode having a microporous structure in which open cells are defined by a permalloy melt obtained by melt-bonding permalloy fine powder while fine continuous pores are evenly formed. To have.
本発明の電極製造方法の一例としては、重量比決定工程が、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率を45%〜55%の範囲で決定し、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率を45%〜55%の範囲で決定する。 As an example of the electrode manufacturing method of the present invention, the weight ratio determination step determines the Fe content in Fe-Ni permalloy in the range of 45% to 55%, and the Ni content in Fe-Ni permalloy is 45%. Determined in the range of ~ 55%.
本発明の電極製造方法の他の一例としては、パーマロイ微粉体作成工程が、Fe−Niパーマロイを1μm〜100μmの粒径に微粉砕する。 As another example of the electrode manufacturing method of the present invention, the permalloy fine powder preparation step finely pulverizes Fe-Ni permalloy to a particle size of 1 μm to 100 μm.
本発明の電極製造方法の他の一例としては、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程が、射出成形又は押出成形によってパーマロイ微粉体混合物を成形して0.05mm〜0.5mmの厚み寸法を有する所定面積かつ薄板状のパーマロイ微粉体混合成形物を作る。 As another example of the electrode manufacturing method of the present invention, a predetermined step of producing a permalloy fine powder mixed molded product has a thickness dimension of 0.05 mm to 0.5 mm by molding the permalloy fine powder mixed product by injection molding or extrusion molding. Make a permalloy fine powder mixed molded product with an area and a thin plate shape.
本発明に係る電極によれば、それがFe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体にバインダー及び気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が均一に形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、電極が白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性(触媒作用)を有するから、優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、燃料電池や水素ガス発生装置の電極として好適に使用することができる。電極は、高価な白金族元素を使用しない非白金であり、電極のコストを下げることができる。 According to the electrode according to the present invention, the permalloy fine powder is obtained by uniformly mixing and dispersing a predetermined binder in a permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy and uniformly mixing and dispersing a predetermined pore-forming material. A permalloy fine powder mixture in which a binder and a pore-forming material are mixed is molded into a thin plate having a predetermined area, and then the permalloy fine powder mixed molded product formed into a thin plate having a predetermined area is degreased and sintered to form a permalloy fine powder. Is a thin plate-shaped foamed metal electrode with a microporous structure in which a large number of fine continuous pores are uniformly formed while being melt-bonded, and the electrode has substantially the same catalytic activity (catalytic action) as a fuel electrode or an air electrode containing a platinum group element. ), It is possible to exhibit excellent catalytic activity (catalytic action), and it can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. The electrode is non-platinum that does not use expensive platinum group elements, and the cost of the electrode can be reduced.
パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイにおける前記Feの含有率とFe−NiパーマロイにおけるNiの含有率とが決定されている電極は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とが決定されているから、電極が白金族元素を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、電極が白金族元素を含む燃料極や空気極と略同様の触媒活性(触媒作用)を有するから、白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、燃料電池や水素ガス発生装置の電極として好適に使用することができる。電極は、それが白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極を燃料電池に使用することで、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、電極を水素ガス発生装置に使用することで、電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。 The electrode in which the Fe content in Fe-Ni permalloy and the Ni content in Fe-Ni permalloy are determined so that the work function of the permalloy fine powder is close to the work function of the platinum group element is the permalloy fine powder. Since the Fe content and the Ni content in Fe-Ni permalloy are determined so that the work function of the body is close to the work function of the platinum group element, the electrode is abbreviated as an electrode carrying a platinum group element. Since it has the same work function and the electrode has substantially the same catalytic activity (catalytic action) as a fuel electrode or an air electrode containing a platinum group element, it has substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode carrying a platinum group element. It can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. Since the electrode exhibits almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying a platinum group element, it is possible to generate sufficient electricity in the fuel cell by using the electrode in the fuel cell. It is possible to supply sufficient electrical energy to the load connected to the fuel cell, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, it is possible to efficiently perform electrolysis and a large amount of hydrogen in a short time. Gas can be generated.
薄板状発泡金属電極に形成された連続気泡が薄板状発泡金属電極の前面と後面との間で厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、薄板状発泡金属電極の外周縁と内周縁との間で径方向へ不規則に曲折しながら延びている電極は、厚み方向や径方向へ不規則に曲折しながら延びる複数の連続気孔が電極に形成されているから、電極の比表面積が大きく、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、電極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電極は、それの比表面積が大きいとともに白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、燃料電池や水素ガス発生装置の電極として好適に使用することができ、電極を燃料電池に使用することで、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、電極を水素ガス発生装置に使用することで、電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。 The open cells formed on the thin plate-shaped foamed metal electrode extend between the front surface and the rear surface of the thin plate-shaped foamed metal electrode while being irregularly bent in the thickness direction, and the outer and inner peripheral edges of the thin plate-shaped foamed metal electrode. Since the electrode extending irregularly in the radial direction with the electrode has a plurality of continuous pores extending irregularly in the thickness direction and the radial direction, the specific surface area of the electrode is increased. Large, gas (oxygen and hydrogen) and liquid (water) can flow through these continuous pores, and the gas and liquid can be brought into wide contact with the contact surface of the continuous pores of the electrode, and the catalytic activity (catalytic action) of the electrode. Can be used effectively and to the maximum extent. Since the electrode has a large specific surface area and exhibits substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode carrying a platinum group element, it can be suitably used as an electrode for a fuel cell or a hydrogen gas generator. By using the electrodes in the fuel cell, it is possible to generate sufficient electricity in the fuel cell, supply sufficient electric energy to the load connected to the fuel cell, and use the electrodes as a hydrogen gas generator. By using it, electrolysis can be performed efficiently, and a large amount of hydrogen gas can be generated in a short time.
径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が径方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気泡が厚み方向において部分的に繋がって一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している電極は、一方の連続気泡と他方の連続気泡とが互いに連通し、それら連続気泡の平均径が厚み方向及び径方向に向かって不規則に変化しているから、電極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができるとともに、電極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電極は、それの比表面積が大きいとともに白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、燃料電池や水素ガス発生装置の電極として好適に使用することができ、電極を燃料電池に使用することで、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、電極を水素ガス発生装置に使用することで、電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。 These open cells that are adjacent in the radial direction and extend by bending in the thickness direction are partially connected in the radial direction, and one open bubble and the other open bubble communicate with each other, and are adjacent in the thickness direction and bend in the radial direction. The open cells extending in the thickness direction are partially connected in the thickness direction, and one open cell and the other open cell communicate with each other, and the average diameter of the open cells is not uniform in the thickness direction but in the thickness direction. In the electrode that changes irregularly toward and is not uniform in the radial direction and changes irregularly in the radial direction, one open cell and the other open cell communicate with each other. Since the average diameter of these open cells changes irregularly in the thickness direction and the radial direction, the specific surface area of the electrode can be increased, and the continuous pores can be made into gas (oxygen and hydrogen) or liquid (water). ) Can flow through and a gas or liquid can be brought into contact with the contact surface of the continuous pores of the electrode in a wide range, and the catalytic activity (catalytic action) of the electrode can be effectively and maximized. Since the electrode has a large specific surface area and exhibits almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying a platinum group element, it can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. By using the electrodes in the fuel cell, it is possible to generate sufficient electricity in the fuel cell, supply sufficient electrical energy to the load connected to the fuel cell, and generate hydrogen gas in the electrodes. By using it in an apparatus, it is possible to efficiently perform electrolysis and generate a large amount of hydrogen gas in a short time.
薄板状発泡金属電極に形成された連続気孔の平均径が1μm〜100μmの範囲にあるとともに、±0.1μm〜±5マイクロμmの範囲で変化している電極は、連続気孔の平均径が前記範囲にあり、連続気孔の平均径が前記範囲で変化しているから、電極の単位体積当たりに多数の連続気孔が形成され、電極の比表面積が大きく、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることができ、電極の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。電極は、それの比表面積が大きいとともに白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、燃料電池や水素ガス発生装置の電極として好適に使用することができ、電極を燃料電池に使用することで、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、電極を水素ガス発生装置に使用することで、電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。 The average diameter of the continuous pores formed on the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 1 μm to 100 μm, and the average diameter of the continuous pores of the electrode changing in the range of ± 0.1 μm to ± 5 microμm is described above. Since it is in the range and the average diameter of the continuous pores changes in the above range, a large number of continuous pores are formed per unit volume of the electrode, the specific surface area of the electrode is large, and the continuous pores are gas (oxygen and hydrogen). Gas or liquid can be brought into contact with the contact surface of the continuous pores of the electrode in a wide range while flowing or liquid (water), and the catalytic activity (catalytic action) of the electrode can be effectively and maximized. Since the electrode has a large specific surface area and exhibits substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode carrying a platinum group element, it can be suitably used as an electrode for a fuel cell or a hydrogen gas generator. By using the electrodes in the fuel cell, it is possible to generate sufficient electricity in the fuel cell, supply sufficient electric energy to the load connected to the fuel cell, and use the electrodes as a hydrogen gas generator. By using it, electrolysis can be performed efficiently, and a large amount of hydrogen gas can be generated in a short time.
薄板状発泡金属電極の厚み寸法が0.05mm〜0.5mmの範囲にある電極は、その厚み寸法を前記範囲にすることで、電極の電気抵抗を小さくすることができ、電極に電流をスムースに流すことができる。電極は、それが白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を有するとともに、それに電流がスムースに流れるから、電極を燃料電池に使用することで、燃料電池において十分な電気を発電することができ、燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することができるとともに、電極を水素ガス発生装置に使用することで、水素ガス発生装置において電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。 For electrodes in which the thickness dimension of the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 0.05 mm to 0.5 mm, the electrical resistance of the electrode can be reduced by setting the thickness dimension in the above range, and the current can be smoothly applied to the electrode. Can be flushed to. Since the electrode has almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying a platinum group element and the current flows smoothly through it, it is sufficient in the fuel cell to use the electrode in the fuel cell. Electricity can be generated, sufficient electric energy can be supplied to the load connected to the fuel cell, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, the electrolysis is efficient in the hydrogen gas generator. It can be done well and a large amount of hydrogen gas can be generated in a short time.
Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率が45%〜55%の範囲にあり、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率が45%〜55%の範囲にある電極は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とが前記範囲で決定されているから、電極が白金属元素を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、白金属元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有する非白金の陽極又は陰極として好適に使用することができる。 Electrodes in which the Fe content in Fe-Ni permalloy is in the range of 45% to 55% and the Ni content in Fe-Ni permalloy is in the range of 45% to 55% have a platinum work function of permalloy fine powder. Since the Fe content and the Ni content in Fe-Ni permalloy are determined within the above range so as to approximate the work function of the group element, the electrode has substantially the same work as the electrode carrying the platinum group element. It has a function and can exhibit excellent catalytic activity (catalytic action) that is almost the same as an electrode carrying a platinum group element, and it is possible to fully and surely utilize the catalytic function and has excellent catalytic activity (excellent catalytic activity (catalytic action). It can be suitably used as a non-platinum anode or a cathode having a catalytic action).
薄板状発泡金属電極に成形された連続気泡の気孔率が45%〜55%の範囲にある電極は、薄板状発泡金属電極(電極)の気孔率を前記範囲にすることで、薄板状発泡金属電極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に形成され、電極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極の接触面に広範囲に接触させることが可能となり、白金族金属を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電極は、その触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有する非白金の陽極または陰極として好適に使用することができる。 The porosity of the open cells formed on the thin plate-shaped foamed metal electrode is in the range of 45% to 55%. By setting the porosity of the thin plate-shaped foamed metal electrode (electrode) to the above range, the thin plate-shaped foamed metal The electrode is formed into a porosity having a large number of fine continuous pores (a microporous structure in which fine continuous pores having an average diameter of 1 μm to 100 μm are uniformly and uniformly formed), and the specific surface area of the electrode can be increased. While gas (oxygen and hydrogen) and liquid (water) pass through these continuous pores, gas and liquid can be brought into contact with the contact surface of the electrode over a wide range, and the catalytic activity is almost the same as that of an electrode carrying a platinum group metal. (Catalytic action) can be reliably exerted. The electrode can be suitably used as a non-platinum anode or cathode having excellent catalytic activity (catalytic action) and can fully and reliably utilize its catalytic function.
薄板状発泡金属電極の密度が6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲にある電極は、薄板状発泡金属電極の密度を前記範囲にすることで、電極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に成形され、電極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、白金属元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電極は、その触媒機能を最大限かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有する非白金の陽極または陰極として好適に使用することができる。
Electrode by the density of the thin foamed metal electrode on the range, continuous electrode is many fine density of the sheet-like porous metal electrode is in the range of 6.0g / cm 2 ~8.0g /
パーマロイ微粉体の粒径が1μm〜100μmの範囲にある電極は、パーマロイ微粉体の粒径を前記範囲にすることで、電極が多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に成形され、電極の比表面積を大きくすることができ、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体を電極のそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能となり、白金属元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を確実に発揮することができる。電極は、その触媒機能を最大限かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有する非白金の陽極または陰極として好適に使用することができる。 Electrodes having a particle size of Permalloy fine powder in the range of 1 μm to 100 μm are porous (average diameter is 1 μm to 100 μm) having a large number of fine continuous pores by setting the particle size of Permalloy fine powder to the above range. It is formed into a microporous structure in which fine continuous pores are evenly and uniformly formed), and the specific surface area of the electrode can be increased, while gas (oxygen and hydrogen) and liquid (water) pass through these continuous pores. It is possible to bring a gas or liquid into contact with the contact surface of the continuous pores of the electrode over a wide range, and it is possible to reliably exhibit the catalytic activity (catalytic action) substantially similar to that of the electrode carrying the white metal element. The electrode can be suitably used as a non-platinum anode or cathode having excellent catalytic activity (catalytic action), which can make full use of its catalytic function.
本発明に係る電極製造方法によれば、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する含有率決定工程と、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイを微粉砕してパーマロイ微粉体を作るパーマロイ微粉体作成工程と、パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体に所定のバインダー及び所定の気孔形成材を加え、パーマロイ微粉体にバインダーと前記気孔形成材とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物を薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂するとともにパーマロイ微粉体混合成形物を所定温度で焼結し、パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されているとともに、パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって連続気泡が画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極を作る薄板状発泡金属電極作成工程との各工程によって電極を製造するから、電極を廉価に作ることができ、白金族元素を担持した電極と略同一の仕事関数を備えるとともに、白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することが可能な非白金の電極(陽極又は陰極)を作ることができ、触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能な非白金の電極を作ることができる。電極製造方法は、それによって作られた電極が白金を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、燃料電池において十分な電気を発電することが可能であって燃料電池に接続された負荷に十分な電気エネルギーを供給することが可能な電極を作ることができるとともに、水素ガス発生装置において電気分解を効率よく行うことが可能であって短時間に多量の水素ガスを発生させることが可能な電極を作ることができる。 According to the electrode manufacturing method according to the present invention, the content of Fe in Fe-Ni permalloy and the work function of Ni so that the work function of permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy is close to the work function of platinum group elements. A content rate determination step for determining the content rate, a permalloy fine powder preparation step for producing permalloy fine powder by finely pulverizing Fe-Ni permalloy formed from Fe and Ni having a content rate determined by the content rate determination step. A predetermined binder and a predetermined pore-forming material are added to the permalloy fine powder prepared by the permalloy fine powder preparation step, and the binder and the pore-forming material are uniformly mixed and dispersed in the permalloy fine powder to prepare a permalloy fine powder mixture. Permalloy fine powder mixed molding making step and permalloy fine powder mixed molding making step to make permalloy fine powder mixed molded product by molding the permalloy fine powder mixed mixed made by the fine powder mixed making step into a thin plate shape, and permalloy fine powder mixed molding The permalloy fine powder mixed molded product prepared in the product preparation process is degreased and the permalloy fine powder mixed molded product is sintered at a predetermined temperature, and a large number of fine continuous pores are evenly formed while the permalloy fine powder is melt-bonded. At the same time, the electrode is manufactured by each step of making a thin plate-shaped foamed metal electrode having a microporous structure in which open cells are defined and surrounded by a permalloy melt in which permalloy fine powder is melt-bonded. , The electrode can be made at a low cost, has substantially the same work function as the electrode carrying the platinum group element, and exhibits almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying the platinum group element. It is possible to make a non-platinum electrode (anode or a cathode) capable of making a non-platinum electrode capable of fully and surely utilizing the catalytic function. In the electrode manufacturing method, since the electrode produced by the electrode exhibits substantially the same catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying platinum, it is possible to generate sufficient electricity in the fuel cell, and the fuel cell can be used. It is possible to make electrodes that can supply sufficient electrical energy to the connected load, and it is possible to efficiently perform electrolysis in a hydrogen gas generator and generate a large amount of hydrogen gas in a short time. It is possible to make an electrode that can be made to.
含有率決定工程がFe−NiパーマロイにおけるFeの含有率を45%〜55%の範囲で決定し、Fe−NiパーマロイにおけるNiの含有率を45%〜55%の範囲で決定する電極製造方法は、パーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、含有率決定工程においてFe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とが前記範囲で決定するから、白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することが可能な非白金の電極(陽極又は陰極)を作ることができ、触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能な非白金の電極を作ることができる。 An electrode manufacturing method in which the content rate determination step determines the Fe content in Fe-Ni permalloy in the range of 45% to 55% and the Ni content in Fe-Ni permalloy in the range of 45% to 55%. Since the Fe content and Ni content in Fe-Ni permalloy are determined in the above range in the content rate determination step so that the work function of the permalloy fine powder is close to the work function of the platinum group element, the platinum group It is possible to make a non-platinum electrode (anode or cathode) capable of exhibiting almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as an electrode carrying an element, and it is possible to fully and surely utilize the catalytic function. Possible non-platinum electrodes can be made.
パーマロイ微粉体作成工程がFe−Niパーマロイを1μm〜100μmの粒径に微粉砕する電極製造方法は、Fe−Niパーマロイを微粉砕してパーマロイ微粉体の粒径を前記範囲にすることで、多数の微細な連続気孔を有する多孔質(平均径が1μm〜100μmの微細な連続気孔が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造)に成形された電極を作ることができ、比表面積が大きい電極を作ることができるとともに、それら連続気孔を気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流しつつ気体や液体をそれら連続気孔における接触面に広範囲に接触させることが可能な電極を作ることができる。 There are many electrode manufacturing methods in which the permalloy fine powder preparation process finely grinds Fe-Ni permalloy to a particle size of 1 μm to 100 μm by finely grinding Fe-Ni permalloy and setting the particle size of the permalloy fine powder within the above range. It is possible to make an electrode formed into a porous material having fine continuous pores (a microporous structure in which fine continuous pores having an average diameter of 1 μm to 100 μm are formed evenly and uniformly), and to make an electrode having a large specific surface area. At the same time, it is possible to make an electrode capable of bringing the gas or liquid into wide contact with the contact surface in the continuous pores while allowing the gas (oxygen and hydrogen) or the liquid (water) to pass through the continuous pores.
パーマロイ微粉体混合成形物作成工程が射出成形又は押出成形によってパーマロイ微粉体混合物を成形して0.05mm〜0.5mmの厚み寸法を有する所定面積かつ薄板状のパーマロイ微粉体混合成形物を作る電極製造方法は、微粉体混合物を成形した厚み寸法0.05mm〜0.5mmの微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔を有するマイクロポーラス構造かつ薄板状の電極を作ることができ、マイクロポーラス構造かつ薄板状の電極を廉価に作ることができるとともに、優れた触媒活性(触媒作用)を有して触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能な非白金の電極(陽極又は陰極)を作ることができる。電極製造方法は、厚み寸法が0.05mm〜0.5mmの範囲の電極を作ることができるから、電気抵抗が小さく電流をスムースに流すことが可能な(プロトン導電性が高い)電極(陽極又は陰極)を作ることができる。 Electrode in which the Permalloy fine powder mixed molded product preparation process forms a Permalloy fine powder mixed molded product by injection molding or extrusion molding to produce a permalloy fine powder mixed molded product having a predetermined area and a thin plate shape having a thickness dimension of 0.05 mm to 0.5 mm. The manufacturing method is a microporous structure and thin plate-shaped electrode having a large number of fine continuous pores by degreasing and sintering a fine powder mixed molded product having a thickness dimension of 0.05 mm to 0.5 mm obtained by molding the fine powder mixed mixture. Non-platinum, which has a microporous structure and a thin plate-like electrode at a low cost, has excellent catalytic activity (catalytic action), and can sufficiently and reliably utilize the catalytic function. Electrodes (anolyte or catalyst) can be made. In the electrode manufacturing method, since an electrode having a thickness in the range of 0.05 mm to 0.5 mm can be produced, an electrode (anode or an anode or an electrode having high proton conductivity) that has low electrical resistance and can smoothly flow an electric current. Cathode) can be made.
一例として示す電極10の斜視図である図1等の添付の図面を参照し、本発明に係る電極の詳細を説明すると、以下のとおりである。なお、図2は、電極10の一例として示す部分拡大図である。図1では、厚み方向を矢印Xで示し、径方向を矢印Yで示す。
The details of the electrode according to the present invention will be described with reference to the attached drawings such as FIG. 1 which is a perspective view of the
電極10は、陽極又は陰極として使用され、固体高分子形燃料電池17の燃料極18(触媒電極)や空気極19(触媒電極)(図5参照)、水素ガス発生装置30のアノード31(電極触媒)やカソード32(電極触媒)(図8参照)として利用される。電極10は、前面11及び後面12を有するとともに、所定の面積及び所定の厚み寸法L1を有し、その平面形状が四角形に成形されている。電極10は、多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)が満遍なく均一に形成された多孔質(マイクロポーラス構造)の薄板状発泡金属電極である。連続気孔13には、気体(酸素及び水素)や液体(水)が通流する。なお、電極10の平面形状に特に制限はなく、四角形の他に、その用途にあわせて円形や楕円形、多角形等の他のあらゆる平面形状に成形することができる。
The
電極10は、粉状に微粉砕(粉砕加工)されたFe−Niパーマロイ41から形成されている。Fe−Niパーマロイ41のパーマロイ微粉体42(微粉状に加工されたFe−Niパーマロイ41)に所定のバインダー43(紛状の樹脂系バインダー)を混合し、パーマロイ微粉体42とバインダー43とを均一に混合・分散した微粉体混合物45を作り、更に、微粉体混合物45に所定の気孔形成材44(発泡剤)を混合し、気孔形成材44を均一に混合・分散した微粉体混合物45を作る。作成した微粉体混合物45を押出成形又は射出成形によって所定面積の薄板状に成形(押出成形又は射出成形)して薄板状の微粉体混合成形物46を作り、作成した微粉体混合成形物46を脱脂及び所定温度で焼結(焼成)することから電極10が作られている(図9参照)。連続気泡13は、パーマロイ微粉体42が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成かつ囲繞されている。
The
電極10では、パーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41における(Fe−Niパーマロイ41の全重量(100%)に対する)Fe(鉄)の含有率(重量比)とNi(ニッケル)の含有率(重量比)とが決定されている。具体的には、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率(重量比)が45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲にあり、Fe−Niパーマロイ41におけるNiの含有率(重量比)が45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲にある。
At the
なお、Feの仕事関数は、4.67(eV)であり、Niの仕事関数は、5.22(eV)である。Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率及びFe−Niパーマロイ41におけるNiの含有率が前記範囲外になると、パーマロイ微粉体42の仕事関数を白金族元素の仕事関数に近似させることができず、微粉体混合物45を成形した微粉体混合成形物46を脱脂・焼結(焼成)して作られた電極10が白金族元素を担持した電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮することができない。
The work function of Fe is 4.67 (eV), and the work function of Ni is 5.22 (eV). When the Fe content in the Fe-
パーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率とNiの含有率とが前記範囲にあるから、電極10が白金族元素(白金)を担持した(含む)電極と略同一の仕事関数を備え、電極10が白金族元素(白金)を担持した(含む)電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができる。
Since the Fe content and Ni content in Fe-
電極10には、径が異なる多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)が形成されている。電極10は、多数の微細な連続気孔13が形成されているから、その比表面積が大きい。記薄板状発泡金属電極に形成されたそれら連続気孔13は、電極10の前面11に開口する複数の通流口14と、電極10の後面12に開口する複数の通流口14とを有し、電極10の前面11から後面12に向かって電極10をその厚み方向に貫通しているとともに、電極10の中心から外周縁15に向かってその径方向に貫通している。
A large number of fine continuous pores 13 (continuous ventilation holes) having different diameters are formed in the
それら連続気孔13は、電極10の前面11と後面12との間において電極10の厚み方向へ不規則に曲折しながら延びているとともに、電極10の外周縁15から中心に向かって電極10の径方向へ不規則に曲折しながら延びている。径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら連続気孔13(連続通気孔)は、径方向において部分的につながり、一方の気孔13と他方の気孔13とが互いに連通している。厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら連続気孔13(連続通気孔)は、厚み方向において部分的につながり、一方の気孔13と他方の気孔13とが互いに連通している。
The continuous pores 13 extend between the
それら連続気孔13の平均径(開口面積)は、厚み方向に向かって一様ではなく、厚み方向に向かって不規則に変化しているとともに、径方向に向かって一様ではなく、径方向に向かって不規則に変化している。それら連続気孔13は、その平均径(開口面積)が大きくなったり、小さくなったりしながら厚み方向と径方向とへ不規則に開口している。また、電極10の前面11に開口する通流口14と後面12に開口する通流口14とは、その平均径(開口面積)が一様ではなく、その平均径がすべて相違している。それら連続気孔13の平均径(開口面積)や前後面11,12の通流口14の平均径(開口面積)は、1μm〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲にあり、±0.1μm〜±5μm(連続気孔13の平均径の変化幅)の範囲で変化している。
The average diameter (opening area) of these
電極10は、厚み方向や径方向へ不規則に曲折しながら延びる複数の連続気孔13(連続通気孔)が形成され、その気孔13の平均径が1〜100μmの範囲(好ましくは、45μm〜55μmの範囲)にあり、連続気孔13の平均径の変化幅が±0.1μm〜±5μmの範囲にあるから、電極10の単位体積当たりに多数の連続気孔13が形成され、電極10の比表面積を大きくすることができ、それら気孔13をガス(気体)や液体が通流しつつガス(気体)や液体を電極10のそれら気孔25における接触面に広範囲に接触させることができ、電極10の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。
The
電極10(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極)は、その厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲にある。電極10の厚み寸法L1が0.05mm未満では、その強度が低下し、衝撃が加えられたときに電極10が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合がある。電極10の厚み寸法L1が0.5mmを超過すると、電極10の電気抵抗が大きくなり、電極10に電流がスムースに流れず(プロトン導電性が低く)、電極10が固体高分子形燃料電池17に使用されたときに燃料電池17において十分な電気を発電することができず、燃料電池17に接続された負荷29に十分な電気エネルギーを供給することができない。また、電極10が水素ガス発生装置30に使用されたときに電気分解を効率よく行うことができず、水素ガス発生装置30において短時間に多量の水素ガスを発生させることができない。
The electrode 10 (thin plate-shaped foamed metal electrode having a microporous structure) has a thickness dimension L1 in the range of 0.05 mm to 0.5 mm. If the thickness dimension L1 of the
電極10は、その厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲にあるから、電極10が高い強度を有してその形状を維持することができ、電極10に衝撃が加えられたときの電極10の破損や損壊を防ぐことができる。更に、電極10の電気抵抗を小さくすることができ、電極10に電流がスムースに流れ(プロトン導電性が高く)、電極10が固体高分子形燃料電池17に使用されたときに燃料電池17において十分な電気を発電することができ、燃料電池17に接続された負荷29に十分な電気エネルギーを供給することができる。また、電極10が水素ガス発生装置30に使用されたときに電気分解を効率よく行うことができ、水素ガス発生装置30において短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。
Since the thickness dimension L1 of the
電極10(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極)は、その気孔率が45%〜55%の範囲にある。電極10の気孔率が45%未満では、電極10に多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)が形成されず、電極10の比表面積を大きくすることができない。電極10の気孔率が55%を超過すると、連続気孔13(連続通気孔)の平均径(開口面積)や前後面11,12の通流口14の平均径(開口面積)が必要以上に大きくなり、電極10の強度が低下し、衝撃が加えられたときに電極10が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、電極10の触媒作用が低下し、触媒活性を発揮することができない。
The electrode 10 (thin plate-shaped foamed metal electrode having a microporous structure) has a porosity in the range of 45% to 55%. If the pore ratio of the
電極10は、その気孔率が前記範囲にあるから、電極10が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔13(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔13)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面11,12の通流口14(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口14)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、電極10の比表面積を大きくすることができ、それら気孔13を気体や液体が通流しつつ気体や液体を電極10のそれら気孔13における接触面に広く接触させることができる。更に、電極10の触媒作用が向上し、優れた触媒活性を発揮することができる。
Since the porosity of the
電極10(マイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極)は、その密度が6.0g/cm2〜8.0g/cm2の範囲、好ましくは、6.5g/cm2〜7.5g/cm2の範囲にある。電極10の密度が6.0g/cm2(6.5g/cm2)未満では、電極10の強度が低下し、衝撃が加えられたときに電極10が容易に破損又は損壊し、その形状を維持することができない場合があるとともに、電極10の触媒作用が低下し、触媒活性を発揮することができない。電極10の密度が8.0g/cm2(7.5g/cm2)を超過すると、電極10に多数の微細な連続気孔13や多数の微細な通流口14が形成されず、電極10の比表面積を大きくすることができないとともに、電極10の触媒作用が低下し、触媒活性を発揮することができない。
Electrode 10 (thin plate porous metal electrodes of the micro-porous structure) in the range that the density of 6.0g / cm 2 ~8.0g / cm 2 , preferably, 6.5g / cm 2 ~7.5g / cm 2 Is in the range of. If the density of the
電極10は、その密度が前記範囲にあるから、電極10が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔13(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔13)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面11,12の通流口14(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口14)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、電極10の比表面積を大きくすることができ、それら気孔13を気体や液体が通流しつつ気体や液体を電極10のそれら気孔13における接触面に広く接触させることができ、電極10の触媒作用を有効かつ最大限に利用することができる。更に、電極10の触媒作用が向上し、電極10に優れた触媒活性を発揮させることができる。
Since the density of the
パーマロイ微粉体42(粉状に加工されたFe−Niパーマロイ)の粒径は、1μm〜100μmの範囲、好ましくは、30μm〜60μmの範囲にある。パーマロイ微粉体42の粒径が1μm未満では、パーマロイ微粉体42によって連続気孔13(連続通気孔)が塞がれ、電極10に多数の微細な連続気孔13を形成することができず、電極10の比表面積を大きくすることができないとともに、電極10の触媒作用が低下し、触媒活性を発揮することができない。パーマロイ微粉体42の粒径が100μmを超過すると、連続気孔13の平均径(開口面積)や前後面11,12の通流口15の平均径(開口面積)が必要以上に大きくなり、電極10に多数の微細な連続気孔13を形成することができず、電極10の比表面積を大きくすることができないとともに、電極10の触媒作用が低下し、触媒活性を発揮することができない。
The particle size of the permalloy fine powder 42 (Fe-Ni permalloy processed into powder) is in the range of 1 μm to 100 μm, preferably in the range of 30 μm to 60 μm. If the particle size of the permalloy
電極10は、パーマロイ微粉体42の粒径が前記範囲にあるから、電極10が平均径(開口面積)の異なる多数の微細な連続気孔13(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の連続気孔13)や平均径(開口面積)の異なる多数の微細な前後面11,12の通流口14(平均径が1〜100μmの範囲、好ましくは、45μm〜55μmの範囲の通流口14)を有する多孔質(マイクロポーラス構造)に成形され、電極10の比表面積を大きくすることができ、それら気孔13を気体や液体が通流しつつ気体や液体を電極10のそれら気孔13における接触面に広く接触させることができるとともに、電極10の触媒活性(触媒作用)を有効かつ最大限に利用することができる。更に、電極10の触媒作用が向上し、電極10に優れた触媒活性を発揮させることができる。
Since the particle size of the permalloy
図3は、電極10を使用したセル16の一例を示す分解斜視図であり、図4は、電極10を使用したセル16の側面図である。図5は、電極10を使用した固体高分子形燃料電池17の発電を説明する図であり、図6は、電極10の起電圧試験の結果を示す図である。図7は、電極10のI−V特性試験の結果を示す図である。
FIG. 3 is an exploded perspective view showing an example of the
電極10を使用したセル16の一例としては、図3に示すように、電極10を使用した燃料極18(陽極)と、電極10を使用した空気極19(陰極)と、燃料極18及び空気極19に介在する固体高分子電解質膜20(電極接合体膜)(フッ素系イオン交換膜)と、燃料極18の厚み方向外側に位置するセパレータ21(バイポーラプレート)と、空気極19の厚み方向外側に位置するセパレータ22(バイポーラプレート)とから形成されている。それらセパレータ21,22には、反応ガス(水素や酸素等)の供給流路が刻設されている(彫り込まれている)。
As an example of the
セル16では、図4に示すように、燃料極18や空気極19、固体高分子電解質膜20が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体23(Membrane Electrode Assembly, MEA)を構成し、膜/電極接合体23をそれらセパレータ21,22が挟み込んでいる。膜/電極接合体23では、ホットプレスによって固体高分子電解質膜20の一方の面に燃料極18の面が隙間なく密着し、固体高分子電解質膜20の他方の面に空気極19の面が隙間なく密着している。固体高分子形燃料電池17では、複数のセル16(単セル)が一方向へ重なり合って直列につながれてセルスタック(燃料電池スタック)を形成する。固体高分子電解質膜20は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。
In the
燃料極18とセパレータ21との間には、ガス拡散層24が形成され、空気極19とセパレータ22との間には、ガス拡散層25が形成されている。燃料極18とセパレータ21との間であってガス拡散層24の上部及び下部には、ガスシール26が設置されている。空気極19とセパレータ22との間であってガス拡散層25の上部及び下部には、ガスシール27が設置されている。
A
固体高分子形燃料電池17では、図5に示すように、燃料極18(電極10)に水素(燃料)が供給され、空気極19(電極10)に空気(酸素)が供給される。燃料極18(電極10)では、水素がH2→2H++2e−の反応(触媒作用)によってプロトン(水素イオン、H+)と電子とに分解される。その後、プロトンが固体高分子電解質膜20内を通って空気極19(電極10)へ移動し、電子が導線28内を通って空気極19へ移動する。固体高分子電解質膜20には、燃料極18で生成されたプロトンが通流する。空気極19では、固体高分子電解質膜20から移動したプロトンと導線28を移動した電子とが空気中の酸素と反応し、4H++O2+4e→2H2Oの反応によって水が生成される。
In the polymer
燃料極18(電極10)や空気極19(電極10)は、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率(重量比)とNiの含有率(重量比)とが決定されているから、電極10(燃料極18(陽極)及び空気極19(陰極))が白金族元素(白金)を担持した(含む)電極と略同一の仕事関数を備え、白金族元素(白金)を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を示し、水素がプロトンと電子とに効率よく分解される。 The fuel electrode 18 (electrode 10) and the air electrode 19 (electrode 10) are Fe in Fe-Ni permalloy so that the work function of the permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy is close to the work function of the platinum group element. Since the content (weight ratio) of Ni and the content (weight ratio) of Ni are determined, the electrode 10 (fuel electrode 18 (anode) and air electrode 19 (catalyst)) carries a platinum group element (platinum). It has almost the same work function as the electrode (including), and shows almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as the electrode carrying a platinum group element (platinum), and hydrogen is efficiently decomposed into protons and electrons. To.
起電圧試験では、水素ガスを注入してから15分の間、燃料極18(電極10)と空気極19(電極10)との間(電極10間)の電圧(V)を測定した。図6の起電圧試験の結果を示す図では、横軸に測定時間(min)を表し、縦軸に電極間の電圧(V)を表す。白金族元素を利用した(担持させた)燃料極や空気極(白金電極)を使用した固体高分子形燃料電池では、起電圧試験の結果を示す図6から分かるように、燃料極と空気極との間(電極間)の電圧が1.079(V)前後であった。それに対し、燃料極18(非白金の電極10)及び空気極19(非白金の電極10)を使用した固体高分子形燃料電池10では、燃料極18と空気極19との間(電極10間)の電圧(起電力)が0.98(V)〜1.02(V)であった。
In the electromotive voltage test, the voltage (V) between the fuel electrode 18 (electrode 10) and the air electrode 19 (electrode 10) (between the electrodes 10) was measured for 15 minutes after the hydrogen gas was injected. In the figure showing the result of the electromotive force test of FIG. 6, the horizontal axis represents the measurement time (min), and the vertical axis represents the voltage (V) between the electrodes. In a polymer electrolyte fuel cell using (supported) a fuel electrode using a platinum group element or an air electrode (platinum electrode), the fuel electrode and the air electrode can be seen from FIG. 6 showing the results of the electromotive voltage test. The voltage between and (between electrodes) was around 1.079 (V). On the other hand, in the polymer
I−V特性試験では、燃料極18(電極10)と空気極19(電極10)との間(電極10間)に負荷29を接続し、電圧と電流との関係を測定した。図7のI−V特性試験の結果を示す図では、横軸に電流(A)を表し、縦軸に電圧(V)を表す。燃料極18(非白金の電極10)及び空気極19(非白金の電極10)を使用した固体高分子形燃料電池10では、I−V特性試験の結果を示す図7から分かるように、白金族元素を利用した(担持させた)燃料極や空気極(白金電極)を使用した固体高分子形燃料電池の電圧降下率と大差のない結果が得られた。図6の起電圧試験の結果や図6のI−V特性試験の結果に示すように、白金族元素を利用していない非白金の燃料極18(非白金の電極10)及び空気極19(非白金の電極10)が電子を放出させて水素イオンとなる反応を促進させる優れた触媒作用を有するとともに、白金を利用した燃料極や空気極(白金電極)と略同様の酸素還元機能(触媒作用)を有することが確認された。
In the IV characteristic test, a
電極10は、それがFe−Niパーマロイ41から形成され、Fe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42に所定のバインダー43を均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材44を均一に混合・分散し、パーマロイ微粉体42にバインダー43及び気孔形成材44を混合したパーマロイ微粉体混合物45を所定面積の薄板状に成形した後、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物46を脱脂・焼結することで、多数の微細な連続気孔13が満遍なく均一に形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極10であり、それら連続気孔13が溶融結合したパーマロイ微粉体42のパーマロイ溶融物に画成かつ囲繞され、更に、パーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率(重量比)とNiの含有率(重量比)とが決定されているから、Fe−Niパーマロイ41の触媒活性を利用することで、白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、その触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有する燃料極18(陽極)や空気極19(陰極)として好適に使用することができる。
The
電極10は、それが白金属元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10を固体高分子形燃料電池17に使用することで、燃料電池17において十分な電気を発電することができ、燃料電池17に接続された負荷29に十分な電気エネルギーを供給することができる。電極10は、それがFe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42から作られているから、高価な白金族元素(白金(Pt))が使用されておらず、電極10の材料費を低減させることができ、電極10(燃料極18(陽極)や空気極19(陰極))を廉価に作ることができる。
Since the
図8は、電極10を使用した水素ガス発生装置30の電気分解を説明する図である。電極10を使用した水素ガス発生装置30の一例としては、図8に示すように、電極10を使用したアノード31(陽極)と、電極10を使用したカソード32(陰極)と、アノード31及びカソード32の間に介在する固体高分子電解質膜33(電極接合体膜)(フッ素系イオン交換膜)と、陽極給電部材34及び陰極給電部材35と、陽極用貯水槽36及び陰極用貯水槽37と、陽極主電極38及び陰極主電極39とから形成されている。
FIG. 8 is a diagram illustrating electrolysis of the
水素ガス発生装置30では、アノード31(陽極)やカソード32(陰極)、固体高分子電解質膜33が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体40 (Membrane Electrode Assembly, MEA)を構成し、膜/電極接合体40を陽極給電部材34と陰極給電部材35とが挟み込んでいる。固体高分子電解質膜33は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。膜/電極接合体40では、ホットプレスによって固体高分子電解質膜33の一方の面にカソード32(陰極)の面が隙間なく密着し、固体高分子電解質膜20の一方の面にアノード31(陽極)の面が隙間なく密着している。
In the
陽極給電部材34は、アノード31(陽極)の外側に位置してアノード31に密着し、アノード31に+の電流を給電する。陽極用貯水槽36は、陽極給電部材34の外側に位置して陽極給電部材34に密着している。陽極主電極38は、陽極用貯水槽36の外側に位置して陽極給電部材34に+の電流を給電する。陰極給電部材35は、カソード32(陰極)の外側に位置してカソード32に密着し、カソード32に−の電流を給電する。陰極用貯水槽37は、陰極給電部材35の外側に位置して陰極給電部材35に密着している。陰極主電極39は、陰極用貯水槽37の外側に位置して陰極給電部材35に−の電流を給電する。
The
水素ガス発生装置30では、図8に矢印で示すように、陽極用貯水槽36及び陰極用貯水槽37に水(H2O)が給水され、陽極主電極38に電源から+の電流が給電されるとともに、陰極主電極39に電源から−の電流が給電される。陽極主電極38に給電された+の電流が陽極給電部材34からアノード31(陽極)に給電され、陰極主電極39に給電された−の電流が陰極給電部材35からカソード32(陰極)に給電される。
In the
アノード31(陽極)(電極10)では、2H2O→4H++4e−+O2の陽極反応(触媒作用)によって酸素が生成され、カソード32(陰極)(電極10)では、4H++4e−→2H2の陰極反応(触媒作用)によって酸素が生成される。プロトン(水素イオン:H+)は、固体高分子電解質膜33内を通ってカソード32へ移動する。固体高分子電解質膜33には、アノード31で生成されたプロトンが通流する。
At the anode 31 (anode) (electrode 10), oxygen is generated by the anode reaction (cathode) of 2H 2 O → 4H + + 4e − + O 2 , and at the cathode 32 (cathode) (electrode 10), 4H + + 4e − → oxygen is produced by the cathodic reaction of 2H 2 (catalytic). Protons (hydrogen ions: H + ) move through the solid
電極10(アノード31及びカソード32)は、Fe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率(重量比)とNiの含有率(重量比)とが決定されているから、電極10(アノード31及びカソード32)が白金族元素(白金)を担持した電極と略同一の仕事関数を備え、白金属元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができ、その触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有するアノード31(陽極)やカソード32(陰極)として好適に使用することができる。
The electrode 10 (
電極10(アノード31及びカソード32)は、それが白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10(アノード31及びカソード32)を水素ガス発生装置30に使用することで、水素ガス発生装置30において電気分解を効率よく行うことができ、短時間に多量の水素ガスを発生させることができる。電極10(アノード31及びカソード32)は、それがFe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42から作られているから、高価な白金族元素(白金(Pt))が使用されておらず、電極10の材料費を低減させることができ、電極10(アノード31及びカソード32)を廉価に作ることができる。
Since the electrode 10 (
図9は、電極10の製造方法を説明する図である。電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)は、図9に示すように、含有率決定工程S1、パーマロイ微粉体作成工程S2、パーマロイ微粉体混合物作成工程S3、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4、薄板状発泡金属電極作成工程S5を有する電極製造方法によって製造される。電極製造方法では、Fe−Niパーマロイ42を原料として電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を製造する。
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing the
含有率決定工程S1では、Fe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する。Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率は、45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲で決定され、Fe−Niパーマロイ41におけるNiの含有率は、45%〜55%の範囲、好ましくは、49%〜51%の範囲で決定される。
In the content rate determination step S1, the Fe-
パーマロイ微粉体作成工程S2では、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイ41を微粉砕してパーマロイ微粉体42を作る。微粉砕機によってFe−Niパーマロイ41を1μm〜100μmの粒径、好ましくは、30μm〜60μmの粒径に微粉砕し、粒径が1μm〜100μm、好ましくは、粒径が30μm〜60μmのパーマロイ微粉体42を作る。
In the permalloy fine powder preparation step S2, Fe—
電極製造方法は、Fe−Niパーマロイ41を1μm〜100μmの粒径、好ましくは、30μm〜60μmの粒径に微粉砕することで、多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)を有する多孔質に成形されて比表面積が大きいマイクロポーラス構造かつ薄板状発泡金属電極10を作ることができ、それら連続気孔13をガス(気体)や液体が通流しつつ気体や液体を電極10のそれら気孔13における接触面に広範囲に接触させることが可能な電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。
The electrode manufacturing method is a porosity having a large number of fine continuous pores 13 (continuous ventilation holes) by finely pulverizing Fe-
パーマロイ微粉体混合物作成工程S3では、パーマロイ微粉体作成工程S2によって作成したパーマロイ微粉体42に所定のバインダー43及び所定の気孔形成材44を加え、パーマロイ微粉体42にバインダー43と気孔形成材44とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物45を作る。電極製造方法は、高価な白金族金属(白金(Pt))が使用されていないから、電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を廉価に作ることができる。
In the permalloy fine powder mixture preparation step S3, a
パーマロイ微粉体混合物作成工程S3では、Fe−Niパーマロイ41のパーマロイ微粉体42とバインダー43(粉状の樹脂系バインダー)とを混合機又は攪拌機に投入し、混合機又は攪拌機によってFe−Niパーマロイ41のパーマロイ微粉体42とバインダー43とを攪拌・混合し、パーマロイ微粉体42及びバインダー43が均一に混合・分散した微粉体混合物45(発泡金属成形材)を作る。次に、微粉体混合物45に所定量の気孔形成材44(粉体の発泡剤)を混入(添加)する。所定量の気孔形成材44を混合機又は攪拌機に投入し、混合機又は攪拌機によって微粉体混合物45に気孔形成材44を均一に混合・分散させた微粉体混合物45(発泡金属成形材料)を作る。気孔形成材44(粉体の発泡剤)の混入量(添加量)によって電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)に形成される連続気孔13の平均径や気孔率が決まる。
In the permalloy fine powder mixture preparation step S3, the permalloy
パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4では、パーマロイ微粉体混合物作成工程S3によって作られた微粉体混合物45(発泡金属成形材料)を射出成形機(図示せず)又は押出成形機(図示せず)に投入し、微粉体混合物45を射出成形機によって射出成形し、又は、微粉体混合物45を押出成形機によって押し出し成形し、微粉体混合物45を所定面積の薄板状(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲)に成形した微粉体混合成形物46(発泡金属成形物)を作る。
In the Permalloy fine powder mixed molding preparation step S4, the fine powder mixture 45 (foam metal molding material) prepared by the Permalloy fine powder mixture preparation step S3 is injected into an injection molding machine (not shown) or an extrusion molding machine (not shown). The
薄板状発泡金属電極作成工程S5では、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程S4の射出成形又は押出成形によって作られたパーマロイ微粉体混合成形物46(発泡金属成形物)を脱脂し、脱脂したパーマロイ微粉体混合成形物46を焼成炉(燃焼炉、電気炉等)に投入し、パーマロイ微粉体混合成形物46を焼成炉において所定温度で所定時間焼結(焼成)し、多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)が満遍なく均一に形成され、それら連続気泡13が溶融結合したパーマロイ微粉体42のパーマロイ溶融物によって画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極10(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32))を作る。
In the thin plate-shaped foamed metal electrode producing step S5, the permalloy fine powder mixed molded product 46 (foamed metal molded product) produced by the injection molding or extrusion molding of the permalloy fine powder mixed molded product preparation step S4 is degreased and degreased. The body mixed molded
焼結(焼成)温度は、900℃〜1400℃である。焼結(焼成)時間は、2時間〜6時間である。薄板状発泡金属電極作成工程S5では、所定面積の薄板状に成形したパーマロイ微粉体混合成形物52(発泡金属成形物)の焼結時において、パーマロイ微粉体混合成形物46の内部において気孔形成材44(粉体の発泡剤)が発泡した後、気孔形成材44がパーマロイ微粉体混合成形物46の内部から消失し、多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)が形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極10(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32))が製造される。
The sintering (baking) temperature is 900 ° C to 1400 ° C. The sintering (baking) time is 2 hours to 6 hours. In the thin plate-shaped foamed metal electrode producing step S5, when the permalloy fine powder mixed molded product 52 (foamed metal molded product) molded into a thin plate shape having a predetermined area is sintered, the pore-forming material is inside the permalloy fine powder mixed molded
電極製造方法は、射出成形又は押出成形によってFe−Niパーマロイ41のパーマロイ微粉体42がバインダー43を介して連結され、射出成形又は押出成形によって作られたパーマロイ微粉体混合成形物46(発泡金属成形物)を脱脂した後、所定温度で焼結(焼成)することで、多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)を有するマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極10(厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができるとともに、高い強度を有して形状を維持することができ、衝撃が加えられたときの破損や損壊を防ぐことが可能な電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。電極製造方法は、厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲の電極10を作ることができるから、電気抵抗が小さく電流をスムースに流すことが可能な(プロトン導電性に優れた)電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。
In the electrode manufacturing method, the permalloy
電極製造方法は、Fe−Niパーマロイ41を微粉砕したパーマロイ微粉体42の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、Fe−Niパーマロイ41におけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する含有率決定工程と、含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイ41を微粉砕してパーマロイ微粉体42を作るパーマロイ微粉体作成工程と、パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体42に所定のバインダー43及び所定の気孔形成材44を加え、パーマロイ微粉体42にバインダー43と気孔形成材44とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物45を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物45を射出成形又は押出成形によって薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物46を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物46を脱脂するとともにパーマロイ微粉体混合成形物46を所定温度で焼結し、パーマロイ微粉体42が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔13が満遍なく均一に形成されているとともに、パーマロイ微粉体42が溶融結合したパーマロイ溶融物によって連続気泡13が画成かつ囲繞されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極10を作る薄板状発泡金属電極作成工程との各工程によって電極10を製造するから、それら工程S1〜S5によって厚み寸法L1が0.05mm〜0.5mmの範囲であって多数の微細な連続気孔13(連続通気孔)を形成した電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)(マイクロポーラス構造薄板状発泡金属電極)を製造することができ、電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を廉価に作ることができる。
The electrode manufacturing method includes the Fe content and the Ni content in the Fe-
電極製造方法は、白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮することができるとともに、優れた触媒活性(触媒作用)を有して触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能な白金族金属非含有の電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。
The electrode manufacturing method can exhibit almost the same excellent catalytic activity (catalytic action) as an electrode carrying a platinum group element, and also has excellent catalytic activity (catalytic action) to sufficiently and reliably perform a catalytic function. Platinum group metal-free electrodes 10 (
電極製造方法は、それによって作られた電極10が白金族元素を担持した電極と略同様の優れた触媒活性(触媒作用)を発揮するから、固体高分子形燃料電池17において十分な電気を発電することが可能であって固体高分子形燃料電池17に接続された負荷29に十分な電気エネルギーを供給することが可能な白金族金属少含有の電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。電極製造方法は、水素ガス発生装置30において電気分解を効率よく行うことが可能であって短時間に多量の水素ガスを発生させることが可能な白金族金属少含有の電極10(燃料極18及び空気極19、アノード31及びカソード32)を作ることができる。
In the electrode manufacturing method, since the
10 電極
11 前面
12 後面
13 連続気孔(連続通気孔)
14 通流口
15 外周縁
16 セル
17 固体高分子形燃料電池
18 燃料極(陽極)
19 空気極(陰極)
20 固体高分子電解質膜
21 セパレータ(バイポーラプレート)
22 セパレータ(バイポーラプレート)
23 膜/電極接合体
24 ガス拡散層
25 ガス拡散層
26 ガスシール
27 ガスシール
28 導線
29 負荷
30 水素ガス発生装置
31 アノード(陽極)
32 カソード(陰極)
33 固体高分子電解質膜
34 陽極給電部材
35 陰極給電部材
36 陽極用貯水槽
37 陰極用貯水槽
38 陽極主電極
39 陰極主電極
40 膜/電極接合体
41 Fe−Niパーマロイ
42 パーマロイ微粉体
43 バインダー
44 気孔形成材(発泡剤)
45 パーマロイ微粉体混合物
46 パーマロイ微粉体混合成形物
L1 厚み寸法
S1 含有率決定工程
S2 パーマロイ微粉体作成工程
S3 パーマロイ微粉体混合物作成工程
S4 パーマロイ微粉体混合成形物作成工程
S5 薄板状発泡金属電極作成工程
10
14
19 Air pole (cathode)
20 Solid
22 Separator (bipolar plate)
23 Membrane /
32 Cathode
33 Solid
45 Permalloy
Claims (14)
前記電極は、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体に所定のバインダーを均一に混合・分散しつつ所定の気孔形成材を均一に混合・分散し、前記パーマロイ微粉体に前記バインダー及び前記気孔形成材を混合したパーマロイ微粉体混合物を所定面積の薄板状に成形した後、前記所定面積の薄板状に成形した前記パーマロイ微粉体混合成形物を脱脂・焼結することで、前記パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極であり、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性を有し、前記連続気泡は、前記パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって画成されていることを特徴とする電極。 In electrodes used as anodes or cathodes
In the electrode, a predetermined binder is uniformly mixed and dispersed in permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy, and a predetermined pore-forming material is uniformly mixed and dispersed, and the binder and the pores are uniformly mixed in the permalloy fine powder. The permalloy fine powder is formed by molding the permalloy fine powder mixture mixed with the forming material into a thin plate shape having a predetermined area, and then degreasing and sintering the permalloy fine powder mixed molded product formed into the thin plate shape having the predetermined area. It is a thin plate-shaped foamed metal electrode with a microporous structure in which a large number of fine continuous pores are evenly formed while being melt-bonded, and has substantially the same catalytic activity as an electrode containing a platinum group element, and the open cells are the permalloy. An electrode characterized in that fine powder is defined by a melt-bonded permalloy melt.
前記電極製造方法が、Fe−Niパーマロイを微粉砕したパーマロイ微粉体の仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記Fe−NiパーマロイにおけるFeの含有率とNiの含有率とを決定する含有率決定工程と、前記含有率決定工程によって決定した含有率のFe及びNiから形成されたFe−Niパーマロイを微粉砕してパーマロイ微粉体を作るパーマロイ微粉体作成工程と、前記パーマロイ微粉体作成工程によって作成したパーマロイ微粉体に所定のバインダー及び所定の気孔形成材を加え、前記パーマロイ微粉体に前記バインダーと前記気孔形成材とを均一に混合・分散してパーマロイ微粉体混合物を作るパーマロイ微粉体混合物作成工程と、前記パーマロイ微粉体混合物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合物を薄板状に成形してパーマロイ微粉体混合成形物を作るパーマロイ微粉体混合成形物作成工程と、前記パーマロイ微粉体混合成形物作成工程によって作成したパーマロイ微粉体混合成形物を脱脂するとともに該パーマロイ微粉体混合成形物を所定温度で焼結し、前記パーマロイ微粉体が溶融結合しつつ多数の微細な連続気孔が満遍なく形成されているとともに、前記パーマロイ微粉体が溶融結合したパーマロイ溶融物によって前記連続気泡が画成されたマイクロポーラス構造の薄板状発泡金属電極を作る薄板状発泡金属電極作成工程とを有することを特徴とする電極製造方法。 In an electrode manufacturing method for manufacturing an electrode used as an anode or a cathode,
In the electrode manufacturing method, the Fe content and the Ni content in the Fe-Ni permalloy are set so that the work function of the permalloy fine powder obtained by finely pulverizing Fe-Ni permalloy is close to the work function of the platinum group element. The content rate determination step to be determined, the permalloy fine powder preparation step of finely pulverizing Fe-Ni permalloy formed from Fe and Ni having the content rate determined by the content rate determination step to produce permalloy fine powder, and the permalloy fine powder. A predetermined binder and a predetermined pore-forming material are added to the permalloy fine powder prepared in the body preparation step, and the binder and the pore-forming material are uniformly mixed and dispersed in the permalloy fine powder to prepare a permalloy fine powder mixture. The permalloy fine powder mixture preparation step, the permalloy fine powder mixed product preparation step of molding the permalloy fine powder mixture prepared by the permalloy fine powder mixture preparation step into a thin plate shape to make a permalloy fine powder mixed molding, and the permalloy fine powder The permalloy fine powder mixed molded product prepared in the mixed molded product preparation step is degreased and the permalloy fine powder mixed molded product is sintered at a predetermined temperature, and the permalloy fine powder is melt-bonded and a large number of fine continuous pores are evenly formed. It is characterized by having a thin plate-shaped foamed metal electrode producing step of forming a thin plate-shaped foamed metal electrode having a microporous structure in which open cells are defined by a permalloy melt obtained by melt-bonding the permalloy fine powder. Electrode manufacturing method.
The permalloy fine powder mixed molding preparation step is to mold the permalloy fine powder mixed by injection molding or extrusion molding, and the permalloy fine powder mixed molding having a thickness dimension of 0.05 mm to 0.5 mm and having a predetermined area and a thin plate shape. The electrode manufacturing method according to any one of claims 11 to 13 for making a product.
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