JP2024035330A - ３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池 - Google Patents
３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】空隙率が高く、且つ、通過する流体の圧力損失が低く、強度に優れた３次元規則骨格構造を有する金属部材を提供する。
【解決手段】空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造を有する金属部材１０であって、前記３次元規則骨格構造は、骨格１２と第一方向に延在する複数の気孔１１とを有し、前記第一方向に直交する断面において、気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５が、周期的に積層された積層構造が形成されており、積層方向に隣接する気孔列１５同士において、気孔１１および骨格１２の位相がズレていることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造を有する金属部材１０であって、前記３次元規則骨格構造は、骨格１２と第一方向に延在する複数の気孔１１とを有し、前記第一方向に直交する断面において、気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５が、周期的に積層された積層構造が形成されており、積層方向に隣接する気孔列１５同士において、気孔１１および骨格１２の位相がズレていることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は、３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池に関するものである。
従来、例えば各種電池における電極及び集電体、熱交換器用部材、消音部材、フィルター部材、衝撃吸収部材等として、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属の多孔質体が使用されている。
例えば、リチウムイオン電池の場合、正極集電体にアルミニウムの多孔質体を用いることで、正極活物質の充填密度を極限まで向上と全ての活物質からの均一な集電が可能になることによる、電池の高出力化が期待されている。この多孔質体として、住友電工製のセルメット（登録商標）が挙げられるが、ランダムな気孔構造の多孔質体のため、活性化物質を多孔質体内部まで充填することが難しい課題があった。
例えば、リチウムイオン電池の場合、正極集電体にアルミニウムの多孔質体を用いることで、正極活物質の充填密度を極限まで向上と全ての活物質からの均一な集電が可能になることによる、電池の高出力化が期待されている。この多孔質体として、住友電工製のセルメット（登録商標）が挙げられるが、ランダムな気孔構造の多孔質体のため、活性化物質を多孔質体内部まで充填することが難しい課題があった。
また、固体高分子形電解槽を用いた水電解法では、アノード電極としてチタン多孔質体電極が用いられている。アノードは、原料である液体の水を電解し、酸素ガスを生成させる役割を担う。高電解効率化のためには、気体が速やかに排出されることが重要である。チタン多孔質電極としては、例えば特許文献１，２に記載されているように、チタン繊維焼結体や発泡法による粒子焼結体が用いられている。
しかしながら、上述の金属多孔質体においては、気孔がランダム配置されていることから、気体の抜け性が悪く、電解効率が低下するおそれがあった。
しかしながら、上述の金属多孔質体においては、気孔がランダム配置されていることから、気体の抜け性が悪く、電解効率が低下するおそれがあった。
これら課題を解決する手法として、近年は金属粉末を原料とする積層造形技術が着目されている。
例えば、特許文献３，４では、電子ビームをエネルギー源として、金属粉末を溶融して積層造形することにより、燃料電池向けのセパレータを開発する技術が公開されている。
例えば、特許文献３，４では、電子ビームをエネルギー源として、金属粉末を溶融して積層造形することにより、燃料電池向けのセパレータを開発する技術が公開されている。
しかしながら、特許文献３，４に記載されたように、電子ビームやレーザーをエネルギー源として用いた場合、金属粉末原料の溶融範囲の制御が難しく、気孔を精度良く形成することができなかった。特に、１００μｍオーダーの比較的小径の気孔を周期的に造形することは非常に困難であった。このため、空隙率が高く、流体の圧力損失が低い金属多孔質体を製造することができなかった。
また、金属体多孔質体においては、加圧時のひずみ量が大きく、他の部材との接触抵抗が低いことが求められている。
また、金属体多孔質体においては、加圧時のひずみ量が大きく、他の部材との接触抵抗が低いことが求められている。
本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、空隙率が高く、且つ、通過する流体の圧力損失が低く、さらに加圧時のひずみ量が大きく、他の部材との接触抵抗が低い３次元規則骨格構造を有する金属部材、この３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えた水電解装置、燃料電池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、本発明の態様１の３次元規則骨格構造を有する金属部材は、空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造を有する金属部材であって、前記３次元規則骨格構造は、骨格と第一方向に延在する複数の気孔とを有し、前記第一方向に直交する断面において、前記気孔および前記骨格が交互に配列された気孔列が、周期的に積層された積層構造が形成されており、積層方向に隣接する前記気孔列同士において、前記気孔および前記骨格の位相がズレていることを特徴としている。
本発明の態様１の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造をなしているので、十分に空隙率が高く、気孔を介して流体を流通することができるとともに、内部に活物質等を導入することができる。
そして、前記３次元規則骨格構造を有する金属部材が、第一方向に延在する複数の気孔を有しており、第一方向に直交する断面において、前記気孔および骨格が交互に配列された気孔列が、周期的に積層された積層構造とされているので、第一方向における流体の圧力損失を大幅に低減することができる。また、活物質等を、３次元規則骨格構造を有する金属部材の内部へと容易に導入することができる。
また、積層方向に隣接する前記気孔列において、前記気孔および前記骨格の位相がズレているので、ヤング率が小さい。圧縮時には、周辺部材の形状に追随して変形することが可能であり、接触による電気抵抗や熱抵抗を小さくすることができる。
そして、前記３次元規則骨格構造を有する金属部材が、第一方向に延在する複数の気孔を有しており、第一方向に直交する断面において、前記気孔および骨格が交互に配列された気孔列が、周期的に積層された積層構造とされているので、第一方向における流体の圧力損失を大幅に低減することができる。また、活物質等を、３次元規則骨格構造を有する金属部材の内部へと容易に導入することができる。
また、積層方向に隣接する前記気孔列において、前記気孔および前記骨格の位相がズレているので、ヤング率が小さい。圧縮時には、周辺部材の形状に追随して変形することが可能であり、接触による電気抵抗や熱抵抗を小さくすることができる。
本発明の態様２は、態様１の３次元規則骨格構造を有する金属部材において、前記位相のズレがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様２の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、積層方向に隣接する前記気孔列において、前記気孔および前記骨格の位相のズレがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされているので、ヤング率が小さく、圧縮時には、周辺部材の形状に追随して変形することが可能となり、接触による電気抵抗や熱抵抗を小さくすることができる。
本発明の態様２の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、積層方向に隣接する前記気孔列において、前記気孔および前記骨格の位相のズレがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされているので、ヤング率が小さく、圧縮時には、周辺部材の形状に追随して変形することが可能となり、接触による電気抵抗や熱抵抗を小さくすることができる。
本発明の態様３は、態様１または態様２の３次元規則骨格構造を有する金属部材において、前記第一方向に直交する断面において、前記気孔の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様３の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向に直交する断面において、前記気孔の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされているとともに、空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内といるので、開口径が比較的小さな気孔が多く存在することになり、第一方向における流体の圧力損失をさらに低減することができるとともに、内部に活物質等を導入することができる。
本発明の態様３の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向に直交する断面において、前記気孔の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされているとともに、空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内といるので、開口径が比較的小さな気孔が多く存在することになり、第一方向における流体の圧力損失をさらに低減することができるとともに、内部に活物質等を導入することができる。
本発明の態様４は、態様１から態様３のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材において、前記第一方向に直交する断面において、前記骨格の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様４の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向に直交する断面において、前記骨格の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされているので、空隙率を比較的高くしても、強度を確保することができる。
本発明の態様４の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向に直交する断面において、前記骨格の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされているので、空隙率を比較的高くしても、強度を確保することができる。
本発明の態様５は、態様１から態様４のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材において、前記第一方向に直交する断面において、前記気孔列における前記骨格のピッチが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様５の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、気孔列における前記骨格のピッチが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされているので、空隙率を比較的高くしても、強度を十分に確保することができる。
本発明の態様５の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、気孔列における前記骨格のピッチが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされているので、空隙率を比較的高くしても、強度を十分に確保することができる。
本発明の態様６は、態様１から態様５のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材において、前記第一方向における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下であることを特徴としている。
本発明の態様６の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下とされているので、前記第一方向における流体の圧力損失を確実に低減することができる。
本発明の態様６の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、前記第一方向における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下とされているので、前記第一方向における流体の圧力損失を確実に低減することができる。
本発明の態様７は、態様１から態様６のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材において、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上であることを特徴としている。
本発明の態様７の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上とされているので、圧縮時に周辺部材の形状に追随して変形することになり、他の部材との接触抵抗を十分に低く抑えることができる。
本発明の態様７の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上とされているので、圧縮時に周辺部材の形状に追随して変形することになり、他の部材との接触抵抗を十分に低く抑えることができる。
本発明の態様８は、態様１から態様７のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材において、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなることを特徴としている。
本発明の態様８の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属で構成されているので、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格構造を有する金属部材を提供することができる。
本発明の態様８の３次元規則骨格構造を有する金属部材によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属で構成されているので、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格構造を有する金属部材を提供することができる。
本発明の態様９の水電解装置は、態様１から態様８のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えたことを特徴とする。
本発明の態様９の水電解装置によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えているので、気孔を介して流体を流通することができるとともに、他の部材との接触抵抗を低くすることができ、効率良く、かつ安定して水電解装置を稼働させることが可能となる。
本発明の態様９の水電解装置によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えているので、気孔を介して流体を流通することができるとともに、他の部材との接触抵抗を低くすることができ、効率良く、かつ安定して水電解装置を稼働させることが可能となる。
本発明の態様１０の燃料電池は、態様１から態様８のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えたことを特徴とする。
本発明の態様１０の燃料電池によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えているので、気孔を介して流体を流通することができるとともに、他の部材との接触抵抗を低くすることができ、効率良く、かつ安定して燃料電池を稼働させることが可能となる。
本発明の態様１０の燃料電池によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えているので、気孔を介して流体を流通することができるとともに、他の部材との接触抵抗を低くすることができ、効率良く、かつ安定して燃料電池を稼働させることが可能となる。
本発明によれば、空隙率が高く、且つ、通過する流体の圧力損失が低く、さらに加圧時のひずみ量が大きく、他の部材との接触抵抗が低い３次元規則骨格構造を有する金属部材、この３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えた水電解装置、燃料電池を提供することが可能となる。
以下に、本発明の実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材について、添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のカソード電極、水電解装置のアノード電極、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ向け電極材等の通電部材として使用されるものである。
本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０は、空隙率Ｎが５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造を有しており、図１および図２に示すように、第一方向に延在する複数の気孔１１を有しており、この第一方向に直交する断面において、気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５が、周期的に積層された積層構造とされている。
そして、積層方向に隣接する気孔列１５において、気孔１１および骨格１２の位相にズレが生じている。
そして、積層方向に隣接する気孔列１５において、気孔１１および骨格１２の位相にズレが生じている。
なお、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の空隙率Ｎは、以下の式で算出される。
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の質量（ｇ）
Ｖ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の体積（ｃｍ３）
ＤＴ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の質量（ｇ）
Ｖ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の体積（ｃｍ３）
ＤＴ：３次元規則骨格構造を有する金属部材１０を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
本実施形態においては、図１に示すように、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０は、概略直方体形状をなしており、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に沿って延在する複数の気孔１１を有している。
ここで、図２に、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０のＹ軸方向に直交する断面を示す。図２に示すように、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０は、Ｘ軸方向に向けて気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５を有しており、この気孔列１５がＺ軸方向に積層された構造とされている。
そして、積層方向（Ｚ軸方向）に隣接する気孔列１５において、Ｘ軸方向における気孔１１および骨格１２の位相にズレが生じている。
ここで、図２に、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０のＹ軸方向に直交する断面を示す。図２に示すように、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０は、Ｘ軸方向に向けて気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５を有しており、この気孔列１５がＺ軸方向に積層された構造とされている。
そして、積層方向（Ｚ軸方向）に隣接する気孔列１５において、Ｘ軸方向における気孔１１および骨格１２の位相にズレが生じている。
本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において、積層方向（Ｚ軸方向）に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレ（Ｘ軸方向のズレ）Ｄがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において、気孔１１の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面は矩形状をなしているが、この気孔１１の断面積から求めた円相当径が上述の範囲内であることが好ましい。また、矩形状の気孔１１の幅（Ｘ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内、矩形状の気孔１１の高さ（Ｚ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面は矩形状をなしているが、この気孔１１の断面積から求めた円相当径が上述の範囲内であることが好ましい。また、矩形状の気孔１１の幅（Ｘ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内、矩形状の気孔１１の高さ（Ｚ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において、骨格１２の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において骨格１２は矩形状をなしているが、この骨格１２の断面積から求めた円相当径が上述の範囲内であることが好ましい。また、矩形状の骨格１２の幅（Ｘ軸方向長さ）が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、矩形状の骨格１２の高さ（Ｚ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において骨格１２は矩形状をなしているが、この骨格１２の断面積から求めた円相当径が上述の範囲内であることが好ましい。また、矩形状の骨格１２の幅（Ｘ軸方向長さ）が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内、矩形状の骨格１２の高さ（Ｚ軸方向長さ）が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、図２に示すように、第一方向（Ｙ軸方向）に直交する断面において、気孔列１５における骨格１２のピッチＰが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、第一方向（Ｙ軸方向）における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下であることが好ましい。なお、本実施形態においては、空気を第一方向（Ｙ軸方向）に沿って、流速１．０ｍ／ｓで流通させたときの圧力損失とした。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上であることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上であることが好ましい。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなることが好ましい。
以下に、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の製造方法について、図３のフロー図を参照して説明する。
（金属粉準備工程Ｓ０１）
まず、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０を構成する金属からなる金属粉を準備する。本実施形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなる金属粉を準備する。
ここで、金属粉は、その体積基準の平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
まず、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０を構成する金属からなる金属粉を準備する。本実施形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなる金属粉を準備する。
ここで、金属粉は、その体積基準の平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
（積層成形工程Ｓ０２）
次に、上述の成形原料を用いて、バインダージェット方式の積層造形法により、３次元規則骨格構造を有する成形体を積層成形する。
ここで、バインダージェット方式の積層造形法においては、造形時に金属粉末の溶融を伴わないため、高精細な造形が可能となる特徴がある。このため、円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の比較的小さな気孔１１であっても精度良く成形することが可能となる。
次に、上述の成形原料を用いて、バインダージェット方式の積層造形法により、３次元規則骨格構造を有する成形体を積層成形する。
ここで、バインダージェット方式の積層造形法においては、造形時に金属粉末の溶融を伴わないため、高精細な造形が可能となる特徴がある。このため、円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の比較的小さな気孔１１であっても精度良く成形することが可能となる。
（脱脂工程Ｓ０３）
次に、バインダージェット方式の積層造形法によって成形された成形体を脱脂処理し、バインダーを除去する。脱脂条件（加熱温度、保持時間等）は、用いたバインダーの材質によって適宜設定することが好ましい。
次に、バインダージェット方式の積層造形法によって成形された成形体を脱脂処理し、バインダーを除去する。脱脂条件（加熱温度、保持時間等）は、用いたバインダーの材質によって適宜設定することが好ましい。
（焼結工程Ｓ０４）
次に、脱脂処理した成形体を焼結する。焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間等）は、金属粉の材質によって適宜設定することが好ましい。
焼結工程Ｓ０４によって、金属粉同士を焼結することにより、本実施形態である３次元規則骨格構造が製造されることになる。
次に、脱脂処理した成形体を焼結する。焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間等）は、金属粉の材質によって適宜設定することが好ましい。
焼結工程Ｓ０４によって、金属粉同士を焼結することにより、本実施形態である３次元規則骨格構造が製造されることになる。
以上のような構成とされた本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０によれば、空隙率Ｎが５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造をなしているので、十分に空隙率Ｎが高く、気孔１１を介して流体を流通することができるとともに、内部に活物質等を導入することができる。また、空隙率Ｎが９５％以下とされているので、強度を確保することができる。
なお、空隙率Ｎは、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがさらに好ましい。一方、空隙率Ｎは、９３％以下であることが好ましく、９１％以下であることがさらに好ましい。
なお、空隙率Ｎは、６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることがさらに好ましい。一方、空隙率Ｎは、９３％以下であることが好ましく、９１％以下であることがさらに好ましい。
そして、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０が、第一方向に延在する複数の気孔１１を有しており、第一方向に直交する断面において、気孔１１および骨格１２が交互に配列された気孔列１５が周期的に積層された積層構造とされているので、第一方向における流体の圧力損失を大幅に低減することができる。また、活物質等を、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の内部へと容易に導入することができる。
また、積層方向に隣接する気孔列１５において、気孔１１および骨格１２の位相がズレているので、空隙率Ｎが高くても強度を確保することができる。
また、積層方向に隣接する気孔列１５において、気孔１１および骨格１２の位相がズレているので、空隙率Ｎが高くても強度を確保することができる。
本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、積層方向に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレＤがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされている場合には、空隙率Ｎが高くても十分な強度を確保することができる。
なお、積層方向に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレＤは、３π／１０以上であることがさらに好ましく、５π／１６以上であることがより好ましい。一方、積層方向に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレＤは、７π／１０以下であることがさらに好ましく、１１π／１６以下であることがより好ましい。
なお、積層方向に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレＤは、３π／１０以上であることがさらに好ましく、５π／１６以上であることがより好ましい。一方、積層方向に隣接する気孔列１５における気孔１１および骨格１２の位相のズレＤは、７π／１０以下であることがさらに好ましく、１１π／１６以下であることがより好ましい。
本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、第一方向に直交する断面における気孔１１の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされている場合には、空隙率Ｎが５０％以上９５％以下の範囲内とされていることから、開口径が比較的小さな気孔１１が多く存在することになり、第一方向における流体の圧力損失をさらに低減することができるとともに、内部に活物質等を導入することができる。
なお、気孔１１の円相当径は６０μｍ以上であることがさらに好ましく、７０μｍ以上であることがより好ましい。一方、気孔１１の円相当径は１４００μｍ以下であることがさらに好ましく、１３００μｍ以下であることがより好ましい。
なお、気孔１１の円相当径は６０μｍ以上であることがさらに好ましく、７０μｍ以上であることがより好ましい。一方、気孔１１の円相当径は１４００μｍ以下であることがさらに好ましく、１３００μｍ以下であることがより好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、第一方向に直交する断面における骨格１２の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされている場合には、空隙率Ｎが５０％以上９５％以下の範囲内としても、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の強度を確保することができる。
なお、骨格１２の円相当径は６０μｍ以上であることがさらに好ましく、７０μｍ以上であることがより好ましい。一方、骨格１２の円相当径は１８０μｍ以下であることがさらに好ましく、１６０μｍ以下であることがより好ましい。
なお、骨格１２の円相当径は６０μｍ以上であることがさらに好ましく、７０μｍ以上であることがより好ましい。一方、骨格１２の円相当径は１８０μｍ以下であることがさらに好ましく、１６０μｍ以下であることがより好ましい。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、第一方向に直交する断面において、気孔列１５における骨格１２のピッチＰが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされている場合には、空隙率Ｎが５０％以上９５％以下の範囲内としても、３次元規則骨格構造を有する金属部材１０の強度を十分に確保することができる。
なお、気孔列１５における骨格１２のピッチＰは１２０μｍ以上であることがさらに好ましく、１４０μｍ以上であることがより好ましい。一方、気孔列１５における骨格１２のピッチＰは１４００μｍ以下であることがさらに好ましく、１３００μｍ以下であることがより好ましい。
なお、気孔列１５における骨格１２のピッチＰは１２０μｍ以上であることがさらに好ましく、１４０μｍ以上であることがより好ましい。一方、気孔列１５における骨格１２のピッチＰは１４００μｍ以下であることがさらに好ましく、１３００μｍ以下であることがより好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、第一方向における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下である場合には、第一方向における流体の圧力損失を確実に低減することができる。
なお、第一方向における空気の圧力損失は２５０００Ｐａ以下であることがさらに好ましく、２００００Ｐａ以下であることがより好ましい。
なお、第一方向における空気の圧力損失は２５０００Ｐａ以下であることがさらに好ましく、２００００Ｐａ以下であることがより好ましい。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上である場合には、圧縮時に周辺部材の形状に追随して変形することになり、他の部材との接触抵抗を十分に低く抑えることができる。
また、本実施形態である３次元規則骨格構造を有する金属部材１０において、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属で構成されている場合には、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格構造を有する金属部材１０を提供することができる。
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、本実施形態では、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の二つの方向に延在する気孔１１を有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の三つの方向に延在する気孔１１を有するものであってもよいし、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれか一方向のみに延在する気孔１１を有するものであってもよい。
さらに、本実施形態では、概略直方体形状をなす３次元規則骨格構造を有する金属部材として説明したが、これに限定されることはなく、他の形状の３次元規則骨格構造を有する金属部材であってもよい。
例えば、本実施形態では、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の二つの方向に延在する気孔１１を有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の三つの方向に延在する気孔１１を有するものであってもよいし、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のいずれか一方向のみに延在する気孔１１を有するものであってもよい。
さらに、本実施形態では、概略直方体形状をなす３次元規則骨格構造を有する金属部材として説明したが、これに限定されることはなく、他の形状の３次元規則骨格構造を有する金属部材であってもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
（本発明例１－４および比較例５）
まず、表１に示す金属からなる金属粉を平均粒径３０μｍとなるように篩分することで成形原料を調製した。
この成形原料を用いて、バインダージェット方式の３Ｄプリンタ（DigitalMetal社製DM P2500）によって、３次元規則骨格構造を積層造形し、２５０℃でバインダーを硬化させることで３次元規則骨格構造の成形体を得た。
まず、表１に示す金属からなる金属粉を平均粒径３０μｍとなるように篩分することで成形原料を調製した。
この成形原料を用いて、バインダージェット方式の３Ｄプリンタ（DigitalMetal社製DM P2500）によって、３次元規則骨格構造を積層造形し、２５０℃でバインダーを硬化させることで３次元規則骨格構造の成形体を得た。
得られた成形体を脱脂処理（加熱温度：４００℃、保持時間：２時間）し、その後、焼結処理を実施し、３次元規則骨格構造を有する金属部材を製造した。なお、アルミニウム粉の場合は、焼結温度を６５０℃、保持時間を５時間とし、銅粉の場合は、焼結温度を１０００℃、保持時間を５時間とし、ＳＵＳ粉の場合は、焼結温度を１３００℃、保持時間を５時間とし、チタン粉の場合は、焼結温度を１２００℃、保持時間を２時間とした。
（比較例１－３）
まず、原料粉末として、平均粒径：１５μｍの水素化チタン粉末および平均粒径：１０μｍの純チタン粉末を用意した。さらに、水溶性樹脂結合剤としてメチルセルロースを用意し、有機溶剤としてネオペンタン、ヘキサンおよびブタンを用意し、可塑剤としてグリセリンおよびエチレングリコールを用意し、溶媒として水を用意し、さらに界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を用意した。
まず、原料粉末として、平均粒径：１５μｍの水素化チタン粉末および平均粒径：１０μｍの純チタン粉末を用意した。さらに、水溶性樹脂結合剤としてメチルセルロースを用意し、有機溶剤としてネオペンタン、ヘキサンおよびブタンを用意し、可塑剤としてグリセリンおよびエチレングリコールを用意し、溶媒として水を用意し、さらに界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を用意した。
先に用意した水素化チタン粉末、水溶性樹脂結合剤としてのメチルセルロース、有機溶剤としてのネオペンタン、ヘキサンおよびヘプタン、可塑剤としてのグリセリンおよびエチレングリコール、溶媒としての水を配合し、必要に応じて界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を添加して１５分間混練し、チタン含有スラリーを作製した。
得られたチタン含有スラリーを用いて、ブレードギャップ：０．４ｍｍでドクターブレード法により、ジルコニア製板の上にスラリー層を成形した。
このスラリー層をジルコニア製板の上に載せたまま高温・高湿度槽に供給し、そこで温度：４０℃ 、湿度：９０％ 、２０分間保持の条件で発泡させたのち、温度：８０℃ 、１５分間保持の条件の温風乾燥を行い、グリーンシート成形体を作製した。
そして、グリーンシート成形体を脱脂処理し、１１７０℃、１０時間保持の条件で焼結を行い、チタン多孔質板材（金属部材）を得た。
このスラリー層をジルコニア製板の上に載せたまま高温・高湿度槽に供給し、そこで温度：４０℃ 、湿度：９０％ 、２０分間保持の条件で発泡させたのち、温度：８０℃ 、１５分間保持の条件の温風乾燥を行い、グリーンシート成形体を作製した。
そして、グリーンシート成形体を脱脂処理し、１１７０℃、１０時間保持の条件で焼結を行い、チタン多孔質板材（金属部材）を得た。
（比較例４）
市販品の骨格径２０μｍ、気孔率６０％、厚み５００μｍの繊維焼結体（金属部材）を準備した。
市販品の骨格径２０μｍ、気孔率６０％、厚み５００μｍの繊維焼結体（金属部材）を準備した。
（骨格および気孔）
本発明例１－４および比較例５の３次元規則骨格構造を有する金属部材においては、気孔の延在方向（第一方向）に直交する断面における骨格径、骨格のピッチ、気孔の円相当径について、Ｘ線ＣＴ測定（装置名：SMX1000、SHIMAZU株式会社製）によって測定した。
測定後のデータは解析ソフト（VG studio max 3.2）を用いて、金属部材の３次元画像データを得た。この３次元画像データを、厚み方向に５０μｍ間隔で切り出した２次元画像（面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍの範囲）に対して、２値化処理（画像解析ソフトWinROOF(三谷商事株式会社)を用いた。自動２値化→判別分析法→しきい値：54-255の条件を指定し、縮退処理の操作を２度行い、計測する。）を施して、金属部材における骨格部分と気孔部分を分離し、骨格の円相当径、骨格のピッチ、気孔の円相当径を算出した。
本発明例１－４および比較例５の３次元規則骨格構造を有する金属部材においては、気孔の延在方向（第一方向）に直交する断面における骨格径、骨格のピッチ、気孔の円相当径について、Ｘ線ＣＴ測定（装置名：SMX1000、SHIMAZU株式会社製）によって測定した。
測定後のデータは解析ソフト（VG studio max 3.2）を用いて、金属部材の３次元画像データを得た。この３次元画像データを、厚み方向に５０μｍ間隔で切り出した２次元画像（面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍの範囲）に対して、２値化処理（画像解析ソフトWinROOF(三谷商事株式会社)を用いた。自動２値化→判別分析法→しきい値：54-255の条件を指定し、縮退処理の操作を２度行い、計測する。）を施して、金属部材における骨格部分と気孔部分を分離し、骨格の円相当径、骨格のピッチ、気孔の円相当径を算出した。
（空隙率）
本発明例１－４および比較例１－５の金属部材の空隙率Ｎを、以下のようにして算出した。
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：金属部材の質量（ｇ）
Ｖ：金属部材の体積（ｃｍ３）
ＤＴ：金属部材を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
本発明例１－４および比較例１－５の金属部材の空隙率Ｎを、以下のようにして算出した。
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：金属部材の質量（ｇ）
Ｖ：金属部材の体積（ｃｍ３）
ＤＴ：金属部材を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
（圧力損失）
本発明例１－４および比較例１－５の金属部材について、以下のようにして気孔の延在方向の圧力損失を評価した。
４０ｍｍ×２０ｍｍ、深さ０．２ｍｍの溝が掘られた圧損測定用プレート（８０ｍｍ角×厚み１５ｍｍ）に、４０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの金属部材（本発明例１－４および比較例１－４）を設置した。また、中央部を４０ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切り抜いたフッ素ゴム製のガスケット（８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ）を金属部材の外枠として設置した。
上部から８０ｍｍ×８０ｍｍの金属板をかぶせ、ばねを組み込んだねじを用いて、面圧０．２５ＭＰａで押さえた。
本発明例１－４および比較例１－５の金属部材について、以下のようにして気孔の延在方向の圧力損失を評価した。
４０ｍｍ×２０ｍｍ、深さ０．２ｍｍの溝が掘られた圧損測定用プレート（８０ｍｍ角×厚み１５ｍｍ）に、４０ｍｍ×２０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの金属部材（本発明例１－４および比較例１－４）を設置した。また、中央部を４０ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切り抜いたフッ素ゴム製のガスケット（８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ）を金属部材の外枠として設置した。
上部から８０ｍｍ×８０ｍｍの金属板をかぶせ、ばねを組み込んだねじを用いて、面圧０．２５ＭＰａで押さえた。
圧損測定用プレートには、深さ１０ｍｍのマニフォールドを、金属部材の左右両側に設けた。マニフォールドに内径φ４ｍｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）チューブを接続し、圧損測定用プレートに空気を流す。空気の流量は、マスフローメーターでコントロールした。圧損測定用プレート前後での圧力差を、デジタル微微差圧計（GC63 長野計器）で測定した。なお、空気の流速を１．０ｍ／ｓとした。
（ひずみ量）
２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出したサンプルを、８０ｍｍ×８０ｍｍの圧縮測定用治具に設置する。２０ｋＮの容量を持つ圧縮測定装置（ミネベア製 Techno Graph TG-20kNB）に設置し、金属部材の面に対して垂直方向に加圧する。この時の位置座標は、リニアゲージ（キーエンス社 AT-005V）３本及びコントローラ（AT-V500）を用いて行い、圧縮応力－ひずみ線曲線（図５参照）を得て、４ＭＰａ加圧時における金属部材のひずみ量を算出した。
２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出したサンプルを、８０ｍｍ×８０ｍｍの圧縮測定用治具に設置する。２０ｋＮの容量を持つ圧縮測定装置（ミネベア製 Techno Graph TG-20kNB）に設置し、金属部材の面に対して垂直方向に加圧する。この時の位置座標は、リニアゲージ（キーエンス社 AT-005V）３本及びコントローラ（AT-V500）を用いて行い、圧縮応力－ひずみ線曲線（図５参照）を得て、４ＭＰａ加圧時における金属部材のひずみ量を算出した。
発泡金属からなる比較例１－３、および、繊維焼結体からなる比較例４においては、圧力損失が大きく成った。気孔がランダム配置されているためと推測される。
また、第一方向に延在する気孔を有し、気孔と骨格の位相が一致している比較例５においては、圧力損失は十分に低くなったが、ひずみ量が０．５％と小さくなった。
これに対して、一方向に延在する気孔を有する本発明例１－４においては、圧力損失が十分に低く、かつ、ひずみ量が十分に確保されていた。このため、他の部材との接触抵抗が低くなり、通電性および放熱性に優れていた。
また、第一方向に延在する気孔を有し、気孔と骨格の位相が一致している比較例５においては、圧力損失は十分に低くなったが、ひずみ量が０．５％と小さくなった。
これに対して、一方向に延在する気孔を有する本発明例１－４においては、圧力損失が十分に低く、かつ、ひずみ量が十分に確保されていた。このため、他の部材との接触抵抗が低くなり、通電性および放熱性に優れていた。
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、空隙率が高く、且つ、通過する流体の圧力損失が低く、さらに加圧時のひずみ量が大きく、他の部材との接触抵抗が低い３次元規則骨格構造を有する金属部材を提供可能であることが確認された。
１０ ３次元規則骨格構造を有する金属部材
１１ 気孔
１２ 骨格
１５ 気孔列
１１ 気孔
１２ 骨格
１５ 気孔列
Claims (10)
- 空隙率が５０％以上９５％以下の範囲内とされた３次元規則骨格構造を有する金属部材であって、
前記３次元規則骨格構造は、骨格と第一方向に延在する複数の気孔とを有し、
前記第一方向に直交する断面において、前記気孔および前記骨格が交互に配列された気孔列が、周期的に積層された積層構造が形成されており、
積層方向に隣接する前記気孔列同士において、前記気孔および前記骨格の位相がズレていることを特徴とする３次元規則骨格構造を有する金属部材。 - 前記位相のズレがπ／４以上３π／４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- 前記第一方向に直交する断面において、前記気孔の円相当径が５０μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- 前記第一方向に直交する断面において、前記骨格の円相当径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- 前記第一方向に直交する断面において、前記気孔列における前記骨格のピッチが１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とされていることを請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- 前記第一方向における空気の圧力損失が３００００Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- ４ＭＰａで加圧したときのひずみ量が１．０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材。
- 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えたことを特徴とする水電解装置。
- 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の３次元規則骨格構造を有する金属部材からなる電極を備えたことを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022139722A JP2024035330A (ja) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | ３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池 |
| PCT/JP2023/032127 WO2024048791A1 (ja) | 2022-09-02 | 2023-09-01 | ３次元規則骨格構造を有する金属部材、３次元規則骨格を有する電極、水電解装置、燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022139722A JP2024035330A (ja) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | ３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024035330A true JP2024035330A (ja) | 2024-03-14 |
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ID=90194947
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022139722A Pending JP2024035330A (ja) | 2022-09-02 | 2022-09-02 | ３次元規則骨格構造を有する金属部材、水電解装置、燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2024035330A (ja) |
-
2022
- 2022-09-02 JP JP2022139722A patent/JP2024035330A/ja active Pending
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