JP7193109B2 - Electrode and electrode manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、陽極又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 for use as an anode or a cathode, and to an electrode manufacturing method for manufacturing an electrode for use 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白金触媒を含む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 containing a platinum catalyst is disclosed 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-point metal (see Patent Document 1). Since this fuel cell electrode uses a porous metal complex (PCP/MOF) containing zinc, which is a low boiling point metal, as a production raw material, it contains almost no metal derived from the raw material and has a large specific surface area. can be obtained, and a highly active platinum catalyst can be obtained by supporting a small amount of platinum. Furthermore, since no metal derived from the porous metal complex (PCP/MOF), which is the raw material for production, is contained, the firing conditions can be set freely. That is, by changing the organic compound linker of the porous metal complex (PCP/MOF) used as a raw material and by adjusting the firing temperature, it is possible to control the nitrogen content and crystallinity of the obtained NDC.
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 types of platinum-supported carbon are widely used as electrode catalysts for polymer electrolyte fuel cells. However, since platinum group elements are precious metals and scarce resources with a limited production amount, it is required to suppress their usage. Furthermore, development of inexpensive electrodes with non-platinum catalysts using metals other than expensive platinum is required for the future spread of polymer electrolyte fuel cells.
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 to provide an electrode that can be produced at low cost without using a platinum group element and that can exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element, and an electrode of the electrode. It is to provide a manufacturing method. Another object of the present invention is to be able to generate sufficient electricity in a fuel cell, supply sufficient electrical energy to a load connected to the fuel cell, and efficiently carry out electrolysis in a hydrogen gas generator. An object of the present invention is to provide an electrode capable of performing well and generating a large amount of hydrogen gas, and a method of manufacturing 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 the electrode used as the anode or cathode.
前記第1の前提における本発明の電極の特徴は、電極が、各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を圧縮した後に焼成したアロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体と、アロイ粉体を両面に担持させた所定面積のカーボン電極板とから形成され、金属粉体混合物では、選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択されている電極であって、3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が、48Ni-42Cu-10Zn、48Ni-45Mo-7Mn、48Fe-48Ni-4Cu、48Fe-46Ti-6Ag、48Cu-48Fe-4Zn、又は、48Cu-46Fe-6Agの組成(重量比)を有するアロイ粉体の仕事関数以上であることにある。 The feature of the electrode of the present invention in the first premise is that the electrode is a metal powder mixture in which powders of at least three transition metals selected from various transition metals are uniformly mixed and dispersed. It is formed from an alloy powder obtained by finely pulverizing the alloy molded product and a carbon electrode plate having a predetermined area on which the alloy powder is supported on both sides, and in the metal powder mixture, the work of at least three selected transition metals An electrode in which at least three transition metals are selected from among various transition metals such that the composite work function of the function approximates the work function of a platinum group element, wherein the work functions of the three transition metals are Synthetic work function has a composition (weight ratio) of 48Ni-42Cu-10Zn, 48Ni-45Mo-7Mn, 48Fe-48Ni-4Cu, 48Fe-46Ti-6Ag, 48Cu-48Fe-4Zn, or 48Cu-46Fe-6Ag The work function is equal to or higher than that of the alloy powder .
本発明の電極の一例として、カーボン電極板の両面には、カーボン電極板の厚み方向へ重なるアロイ粉体によってアロイ粉体積層ポーラス構造物が形成されている。 As an example of the electrode of the present invention, an alloy powder laminate porous structure is formed on both surfaces of a carbon electrode plate by alloy powders overlapping in the thickness direction of the carbon electrode plate.
本発明の電極の他の一例としては、遷移金属の粉体の粒径が、10μm~200μmの範囲にあり、アロイ粉体の粒径が、10μm~200μmの範囲にあり、カーボン電極板の厚み寸法が、0.03mm~0.3mmの範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the particle size of the transition metal powder is in the range of 10 μm to 200 μm, the particle size of the alloy powder is in the range of 10 μm to 200 μm, and the thickness of the carbon electrode plate is The dimensions are in the range 0.03 mm to 0.3 mm.
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物が、Ni(ニッケル)の粉体を主成分とし、金属粉体混合物では、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。 As another example of the electrode of the present invention, the metal powder mixture contains Ni (nickel) powder as a main component, and in the metal powder mixture, the work function of Ni and at least two other transitions other than Ni At least two transition metal powders other than Ni powder are selected from various transition metals so that the combined work function with the metal work function approximates the work function of the platinum group element. there is
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物の全重量に対するNi(ニッケル)の粉体の重量比が、30%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%~20%の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the weight ratio of Ni (nickel) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and one type of electrode excluding Ni powder is used. A metal powder mixture in which the weight ratio of the transition metal powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 20% to 50%, and at least one other transition metal powder excluding Ni powder. of the total weight is in the range of 3% to 20%.
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物が、Fe(鉄)の粉体を主成分とし、金属粉体混合物では、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。 As another example of the electrode of the present invention, the metal powder mixture contains Fe (iron) powder as a main component, and in the metal powder mixture, the work function of Fe and at least two other transitions excluding Fe At least two transition metal powders other than Fe powder are selected from various transition metals so that the combined work function with the metal work function approximates the work function of the platinum group element. there is
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物の全重量に対するFe(鉄)の粉体の重量比が、30%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%~20%の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the weight ratio of Fe (iron) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and one type of electrode excluding Fe powder is used. A metal powder mixture in which the weight ratio of the transition metal powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 20% to 50%, and at least one other transition metal powder excluding the Fe powder. of the total weight is in the range of 3% to 20%.
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物が、Cu(銅)の粉体を主成分とし、金属粉体混合物では、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。 As another example of the electrode of the present invention, the metal powder mixture contains Cu (copper) powder as a main component, and in the metal powder mixture, the work function of Cu and at least two other transitions other than Cu At least two transition metal powders other than Cu powder are selected from various transition metals so that the combined work function with the metal work function approximates the work function of the platinum group element. there is
本発明の電極の他の一例としては、金属粉体混合物の全重量に対するCu(銅)の粉体の重量比が、30%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、20%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が、3%~20%の範囲にある。 As another example of the electrode of the present invention, the weight ratio of Cu (copper) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and one type of electrode excluding Cu powder is used. A metal powder mixture in which the weight ratio of the transition metal powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 20% to 50%, and at least one other transition metal powder excluding Cu powder. of the total weight is in the range of 3% to 20%.
本発明の電極の他の一例として、アロイ成形物では、選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が金属粉体混合物の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体が接合されている。 As another example of the electrode of the present invention, in the alloy molded product, at least two transition metals among the selected transition metals are melted during firing of the metal powder mixture, and the melted transition metals are used as a binder. of powder are joined together.
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 electrodes used as anodes or cathodes.
前記第2の前提における本発明の電極製造方法の特徴は、電極製造方法が、各種の遷移金属から選択する少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属を選択する遷移金属選択工程と、遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を作る金属粉体混合物作成工程と、金属粉体混合物作成工程によって作られた金属粉体混合物を所定圧力で加圧して金属粉体圧縮物を作る金属粉体圧縮物作成工程と、金属粉体圧縮物作成工程によって作られた金属粉体圧縮物を所定温度で焼成してアロイ成形物を作るアロイ成形物作成工程と、アロイ成形物作成工程によって作られたアロイ成形物を微粉砕してアロイ粉体を作るアロイ粉体作成工程と、アロイ粉体作成工程によって作られたアロイ粉体を所定面積のカーボン電極板の両面に担持させるアロイ粉体担持工程とを有する電極製造方法であって、3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が、48Ni-42Cu-10Zn、48Ni-45Mo-7Mn、48Fe-48Ni-4Cu、48Fe-46Ti-6Ag、48Cu-48Fe-4Zn、又は、48Cu-46Fe-6Agの組成(重量比)を有するアロイ粉体の仕事関数以上であることにある。 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 composite work function of the work functions of at least three transition metals selected from various transition metals is approximate to the work function of a platinum group element. A transition metal selection step of selecting at least three types of transition metals from various transition metals, and powders of at least three types of transition metals selected by the transition metal selection step were uniformly mixed and dispersed. a metal powder mixture producing step for producing a metal powder mixture; and a metal powder compact producing step for producing a metal powder compact by applying a predetermined pressure to the metal powder mixture produced by the metal powder mixture producing step. , an alloy molded product creation step in which the metal powder compact created in the metal powder compact creation step is sintered at a predetermined temperature to form an alloy compact, and the alloy compact created in the alloy compact creation step is finely ground. An electrode manufacturing method having an alloy powder preparation step of pulverizing to produce an alloy powder, and an alloy powder supporting step of supporting the alloy powder prepared by the alloy powder preparation step on both sides of a carbon electrode plate having a predetermined area. and the composite work function of the work functions of the three transition metals is 48Ni-42Cu-10Zn, 48Ni-45Mo-7Mn, 48Fe-48Ni-4Cu, 48Fe-46Ti-6Ag, 48Cu-48Fe-4Zn, or It is equal to or higher than the work function of the alloy powder having the composition (weight ratio) of 48Cu-46Fe-6Ag .
本発明の電極製造方法の一例としては、金属粉体混合物作成工程が、遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属を10μm~200μmの粒径に微粉砕し、アロイ粉体作成工程が、アロイ成形物を10μm~200μmの粒径に微粉砕する。 As an example of the electrode manufacturing method of the present invention, the metal powder mixture preparation step includes pulverizing at least three transition metals selected in the transition metal selection step to a particle size of 10 μm to 200 μm, and the alloy powder preparation step. pulverizes the alloy molding to a particle size of 10 μm to 200 μm.
本発明の電極製造方法の他の一例としては、金属粉体圧縮物作成工程が、金属粉体混合物作成工程によって作られた金属粉体混合物を500Mpa~800Mpaの圧力で加圧して金属粉体圧縮物を作る。 As another example of the electrode manufacturing method of the present invention, the metal powder compact preparation step presses the metal powder mixture prepared by the metal powder mixture preparation step at a pressure of 500 Mpa to 800 Mpa to compress the metal powder. make things
本発明の電極製造方法の他の一例としては、アロイ成形物作成工程が、遷移金属選択工程によって選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属を溶融させる温度で金属粉体圧縮物を焼成し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体を接合する。 As another example of the electrode manufacturing method of the present invention, the step of preparing an alloy molded article includes forming the compacted metal powder at a temperature at which at least two transition metals among the transition metals selected in the transition metal selection step are melted. The transition metal powders are bonded using the sintered and melted transition metal as a binder.
本発明の電極製造方法の他の一例としては、アロイ粉体担持工程が、0.03mm~0.3mmの厚み寸法のカーボン電極板の両面にアロイ粉体を担持させ、カーボン電極板の厚み方向へ重なるアロイ粉体によってカーボン電極板の両面にアロイ粉体積層ポーラス構造物を形成する。 As another example of the electrode manufacturing method of the present invention, the alloy powder supporting step includes supporting the alloy powder on both sides of a carbon electrode plate having a thickness of 0.03 mm to 0.3 mm, and An alloy powder laminated porous structure is formed on both sides of the carbon electrode plate by the overlapping alloy powder.
本発明に係る電極によれば、それが各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を圧縮した後に焼成したアロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体と、アロイ粉体を両面に担持させた所定面積のカーボン電極板とから形成され、選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択されているから、アロイ粉体を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、アロイ成形物が各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属から形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極を廉価に作ることができる。電極は、それが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、多量の水素ガスを発生させることができる。 According to the electrode according to the present invention, an alloy molded product obtained by compressing a metal powder mixture in which at least three types of transition metal powders selected from various transition metals are uniformly mixed and dispersed and then fired is finely divided. It is formed from a pulverized alloy powder and a carbon electrode plate having a predetermined area on which the alloy powder is supported on both sides, and the composite work function of the work function of at least three selected transition metals is the work function of the platinum group element. Since at least three transition metals are selected from various transition metals so as to approximate to It can exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing an element, and can be suitably used as an electrode for a fuel cell or a hydrogen gas generator. The electrode is a platinum-less electrode in which the alloy molding is formed from at least three types of transition metals selected from various transition metals, and expensive platinum group elements are not used, and the electrode can be manufactured at a low cost. Since the electrode exhibits approximately the same catalytic activity (catalysis) as an electrode containing a platinum group element, the electrode can be used in a fuel cell to generate sufficient electricity in the fuel cell. In addition to being able to supply sufficient electrical energy to the load connected to the battery, by using the electrodes in a hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed and a large amount of hydrogen gas can be generated. can.
カーボン電極板の厚み方向へ重なるアロイ粉体によってカーボン電極板の両面にアロイ粉体積層ポーラス構造物が形成されている電極は、カーボン電極板の両面にアロイ粉体積層ポーラス構造物を形成することで、アロイ粉体の比表面積を大きくすることができ、アロイ粉体の触媒作用を十分に利用することができるとともに、アロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、アロイ粉体積層ポーラス構造物を形成した電極が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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The electrode in which the alloy powder laminated porous structure is formed on both sides of the carbon electrode plate by the alloy powder overlapping in the thickness direction of the carbon electrode plate forms the alloy powder laminated porous structure on both sides of the carbon electrode plate. Therefore, the specific surface area of the alloy powder can be increased, and the catalytic action of the alloy powder can be fully utilized. It has the same work function, can exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element, and can be suitably used as an electrode for a fuel cell or a hydrogen gas generator. As for the electrode, since the electrode formed of the alloy powder laminated porous structure exhibits substantially the same catalytic activity (catalytic action) as the electrode containing the platinum group element, the use of the electrode in the fuel cell is sufficient for the fuel cell. It is possible to generate sufficient electricity and supply sufficient electrical energy to the load connected to the fuel cell, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, electrolysis can be performed efficiently. , can generate a large amount of hydrogen gas.
遷移金属の粉体の粒径が10μm~200μmの範囲にあり、アロイ粉体の粒径が10μm~200μmの範囲にあり、カーボン電極板の厚み寸法が0.03mm~0.3mmの範囲にある電極は、カーボン電極板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、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、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。 The grain size of the transition metal powder is in the range of 10 μm to 200 μm, the grain size of the alloy powder is in the range of 10 μm to 200 μm, and the thickness of the carbon electrode plate is in the range of 0.03 mm to 0.3 mm. By setting the thickness of the carbon electrode plate within the above range, the electrical resistance of the electrode can be reduced and the current can flow smoothly through the electrode. Since electrodes allow current to flow smoothly, the use of electrodes in a fuel cell can generate sufficient electricity in the fuel cell to supply sufficient electrical energy to the load connected to the fuel cell. In addition, by using the electrode in a hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed, and a large amount of hydrogen gas can be generated.
金属粉体混合物がNi(ニッケル)の粉体を主成分とし、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている電極は、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、アロイ成形物がNiの粉体と各種の遷移金属から選択されたNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極を廉価に作ることができる。電極は、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The metal powder mixture contains Ni (nickel) powder as a main component, and the composite work function of the work function of Ni and the work functions of at least two other transition metals excluding Ni is approximate to the work function of the platinum group element. Thus, the electrode in which at least two types of transition metal powders other than Ni powder are selected from various transition metals has the work function of Ni and at least two other types of transition metals other than Ni. At least two types of transition metal powders other than Ni powder are selected from various transition metals so that the combined work function with the work function of the transition metal approximates the work function of the platinum group element. Therefore, the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure has substantially the same work function as the electrode containing the platinum group element, and has substantially the same catalytic activity (catalysis) as the electrode containing the platinum group element. can be exhibited, and can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. In the electrode, the alloy molding is formed from Ni powder and at least two transition metal powders other than Ni powder selected from various transition metals, and expensive platinum group elements are used. It is platinum-less and can be manufactured at low cost. Electrodes exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as electrodes containing a platinum group element. Sufficient electrical energy can be supplied to the connected load, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed and a large amount of hydrogen gas can be generated.
金属粉体混合物の全重量に対するNi(ニッケル)の粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある電極は、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているとともに、Niの粉体の重量比やNiの粉体を除く少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比、Niの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比を前記範囲にすることで、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The weight ratio of Ni (nickel) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and the total weight of the metal powder mixture of one type of transition metal powder excluding Ni powder is The weight ratio to the weight is in the range of 20% to 50%, and the weight ratio of at least one other transition metal powder, excluding the Ni powder, to the total weight of the metal powder mixture is 3% to 20%. A range of electrodes are selected from various transition metals such that the composite work function of the work function of Ni and the work functions of at least two other transition metals excluding Ni approximates the work function of a platinum group element. At least two types of transition metal powder other than Ni powder are selected, and the weight ratio of Ni powder and the weight ratio of at least one type of transition metal powder excluding Ni powder are selected. By setting the weight ratio of at least one other transition metal powder excluding Ni powder to the above range, the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure is an electrode containing a platinum group element It has almost the same work function as that of an electrode containing a platinum group element, and can exhibit almost the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element. 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, electrolysis can be performed efficiently, and a large amount of hydrogen can be produced. Gas can be generated.
金属粉体混合物がFe(鉄)の粉体を主成分とし、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている電極は、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、アロイ成形物がFeの粉体と各種の遷移金属から選択されたFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極を廉価に作ることができる。電極は、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The metal powder mixture is mainly composed of Fe (iron) powder, and the combined work function of the work function of Fe and the work function of at least two other transition metals excluding Fe is approximate to the work function of the platinum group element Thus, the electrode in which at least two types of transition metal powders other than Fe powder are selected from various transition metals has the work function of Fe and at least two other types of metals other than Fe. At least two types of transition metal powders other than Fe powder are selected from various transition metals so that the combined work function with the work function of the transition metal approximates the work function of the platinum group element. Therefore, the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure has substantially the same work function as the electrode containing the platinum group element, and has substantially the same catalytic activity (catalysis) as the electrode containing the platinum group element. can be exhibited, and can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. In the electrode, the alloy molding is formed from Fe powder and at least two transition metal powders other than Fe powder selected from various transition metals, and expensive platinum group elements are used. It is platinum-less and can be manufactured at low cost. Electrodes exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as electrodes containing a platinum group element. Sufficient electrical energy can be supplied to the connected load, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed and a large amount of hydrogen gas can be generated.
金属粉体混合物の全重量に対するFe(鉄)の粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある電極は、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているとともに、Feの粉体の重量比やFeの粉体を除く少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比、Feの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比を前記範囲にすることで、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The weight ratio of Fe (iron) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and the entire metal powder mixture of one type of transition metal powder excluding Fe powder The weight ratio to the weight is in the range of 20% to 50%, and the weight ratio of at least one other transition metal powder, excluding the Fe powder, to the total weight of the metal powder mixture is 3% to 20%. A range of electrodes are selected from various transition metals such that the combined work function of the work function of Fe and the work functions of at least two other transition metals excluding Fe approximates the work function of a platinum group element. At least two transition metal powders other than the Fe powder are selected, and the weight ratio of the Fe powder and the weight ratio of the at least one transition metal powder excluding the Fe powder are selected. By setting the weight ratio of the powder of at least one other transition metal excluding the powder of Fe to the above range, the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure is an electrode containing a platinum group element It has almost the same work function as that of an electrode containing a platinum group element, and can exhibit almost the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element. 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, electrolysis can be performed efficiently, and a large amount of hydrogen can be produced. Gas can be generated.
金属粉体混合物がCu(銅)の粉体を主成分とし、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている電極は、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、アロイ成形物がCuの粉体と各種の遷移金属から選択されたCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極を廉価に作ることができる。電極は、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The metal powder mixture is mainly composed of Cu (copper) powder, and the combined work function of the work function of Cu and the work function of at least two other transition metals excluding Cu is approximate to the work function of the platinum group element Thus, the electrode in which at least two transition metal powders other than Cu powder are selected from various transition metals has the work function of Cu and at least two other types of transition metals other than Cu. At least two types of transition metal powders other than Cu powder are selected from among various transition metals so that the composite work function with the work function of the transition metal approximates the work function of the platinum group element. Therefore, the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure has substantially the same work function as the electrode containing the platinum group element, and has substantially the same catalytic activity (catalysis) as the electrode containing the platinum group element. can be exhibited, and can be suitably used as an electrode of a fuel cell or a hydrogen gas generator. In the electrode, the alloy molding is formed from Cu powder and at least two transition metal powders other than Cu powder selected from various transition metals, and expensive platinum group elements are used. It is platinum-less and can be manufactured at low cost. Electrodes exhibit substantially the same catalytic activity (catalytic action) as electrodes containing a platinum group element. Sufficient electrical energy can be supplied to the connected load, and by using the electrodes in the hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed and a large amount of hydrogen gas can be generated.
金属粉体混合物の全重量に対するCu(銅)の粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の金属粉体混合物の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある電極は、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているとともに、Cuの粉体の重量比やCuの粉体を除く少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比、Cuの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体の重量比を前記範囲にすることで、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 The weight ratio of Cu (copper) powder to the total weight of the metal powder mixture is in the range of 30% to 50%, and the entire metal powder mixture of one type of transition metal powder excluding Cu powder The weight ratio is in the range of 20% to 50%, and the weight ratio of at least one other transition metal powder, excluding Cu powder, to the total weight of the metal powder mixture is 3% to 20%. A range of electrodes are selected from various transition metals such that the combined work function of the work function of Cu and the work functions of at least two other transition metals excluding Cu approximates the work function of a platinum group element. At least two types of transition metal powder other than Cu powder are selected, and the weight ratio of Cu powder and the weight ratio of at least one type of transition metal powder excluding Cu powder are selected. , the weight ratio of the powder of at least one other transition metal excluding the powder of Cu is within the above range, so that the electrode having the alloy powder or the alloy powder laminated porous structure contains a platinum group element It has almost the same work function as that of an electrode containing a platinum group element, and can exhibit almost the same catalytic activity (catalytic action) as an electrode containing a platinum group element. 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, electrolysis can be performed efficiently, and a large amount of hydrogen can be produced. Gas can be generated.
選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が金属粉体混合物の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体が接合されている電極は、遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が溶融することでアロイ成形物を作ることができるとともに、アロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体を作ることができ、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極を作ることができる。電極は、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する電極が白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、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、多量の水素ガスを発生させることができる。 At least two transition metals among the selected transition metals are melted during firing of the metal powder mixture, and the electrode in which the transition metal powders are bonded using the melted transition metals as a binder is made of transition metals. An alloy molded product can be made by melting at least two kinds of transition metals of, and an alloy powder can be made by finely pulverizing the alloy molded product, and an alloy powder or an alloy powder laminated porous structure can be produced. It is possible to make an electrode with The electrode has substantially the same work function as the electrode containing the platinum group element, and has substantially the same catalytic activity (catalysis) as the electrode containing the platinum group element. By using the electrodes in the fuel cell, sufficient electricity can be generated in the fuel cell, sufficient electrical energy can be supplied to the load connected to the fuel cell, and the electrodes is used in the hydrogen gas generator, electrolysis can be efficiently performed, and a large amount of hydrogen gas can be generated.
本発明に係る電極製造方法によれば、各種の遷移金属から選択する少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属を選択する遷移金属選択工程と、遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を作る金属粉体混合物作成工程と、金属粉体混合物作成工程によって作られた金属粉体混合物を所定圧力で加圧して金属粉体圧縮物を作る金属粉体圧縮物作成工程と、金属粉体圧縮物作成工程によって作られた金属粉体圧縮物を所定温度で焼成してアロイ成形物を作るアロイ成形物作成工程と、アロイ成形物作成工程によって作られたアロイ成形物を微粉砕してアロイ粉体を作るアロイ粉体作成工程と、アロイ粉体作成工程によって作られたアロイ粉体を所定面積のカーボン電極板の両面に担持させるアロイ粉体担持工程との各工程によって電極を製造するから、白金族元素を利用しない白金レスの電極を廉価に作ることができ、触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有して燃料電池や水素ガス発生装置に好適に使用す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, among various transition metals, the composite work function of the work functions of at least three transition metals selected from various transition metals is approximated to the work function of the platinum group element. a transition metal selection step of selecting at least three types of transition metals from a metal powder compact creation step of pressurizing the metal powder mixture created by the metal powder mixture creation step at a predetermined pressure to form a metal powder compact, and a metal powder compact creation step. An alloy molded product making process for making an alloy molded product by firing the compressed metal powder at a predetermined temperature, and an alloy powder for making the alloy powder by pulverizing the alloy molded product made by the alloy molded product making process. Since the electrode is manufactured by each process of the body preparation process and the alloy powder support process in which the alloy powder prepared in the alloy powder preparation process is supported on both sides of a carbon electrode plate having a predetermined area, platinum group elements are used. It is possible to make a platinum-less electrode at a low cost, and it is possible to fully and reliably utilize the catalytic function, and it has excellent catalytic activity (catalytic action) and is suitable for fuel cells and hydrogen gas generators. Electrodes can be made that can be used.
金属粉体混合物作成工程が遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属を10μm~200μmの粒径に微粉砕し、アロイ粉体作成工程がアロイ成形物を10μm~200μmの粒径に微粉砕する電極製造方法は、遷移金属を前記範囲の粒径に微粉砕することでアロイ成形物を作ることができるとともに、アロイ成形物を前記範囲の粒径に微粉砕することでアロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する白金レスの電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であって優れた触媒活性(触媒作用)を有して燃料電池や水素ガス発生装置に好適に使用することが可能な電極を作ることができる。 The metal powder mixture preparation step pulverizes at least three transition metals selected by the transition metal selection step to a particle size of 10 μm to 200 μm, and the alloy powder preparation step pulverizes the alloy molding to a particle size of 10 μm to 200 μm. In the method of manufacturing an electrode by pulverizing, an alloy molded product can be produced by pulverizing the transition metal to a particle size within the above range, and the alloy molded product is pulverized to a particle size within the above range to obtain an alloy powder. Alternatively, it is possible to make a platinum-less electrode having an alloy powder laminated porous structure, and it is possible to fully and reliably utilize the catalytic function, and it has excellent catalytic activity (catalytic action). Electrodes can be made that are suitable for use in hydrogen gas generators.
金属粉体圧縮物作成工程が金属粉体混合物作成工程によって作られた金属粉体混合物を500Mpa~800Mpaの圧力で加圧して金属粉体圧縮物を作る電極製造方法は、金属粉体混合物を前記範囲の圧力で加圧(圧縮)することで、金属粉体圧縮物を作ることができ、その金属粉体圧縮物を焼成してアロイ成形物を作ることができるとともに、アロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する白金レスの電極を作ることができる。 The electrode manufacturing method in which the metal powder compact creation step pressurizes the metal powder mixture produced by the metal powder mixture creation step at a pressure of 500 Mpa to 800 Mpa to make the metal powder compact, comprises: By pressing (compressing) within a range of pressure, a metal powder compact can be produced, and the metal powder compact can be sintered to produce an alloy molded product, and the alloy molded product can be pulverized. Platinum-less electrodes can be made with solid alloy powders or alloy powder laminated porous structures.
アロイ成形物作成工程が遷移金属選択工程によって選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属を溶融させる温度で金属粉体圧縮物を焼成し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体を接合する電極製造方法は、遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が溶融することでアロイ成形物を作ることができるとともに、アロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体を作ることができ、アロイ粉体又はアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する白金レスの電極を作ることができる。 The metal powder compact is fired at a temperature at which at least two types of transition metals selected in the transition metal selection step are melted in the alloy molded product creation step, and the transition metals are combined with the melted transition metals as a binder. In the electrode manufacturing method for joining powders, at least two kinds of transition metals out of the transition metals are melted to form an alloy molded product, and the alloy molded product is pulverized to produce an alloy powder. It is possible to make platinum-less electrodes with alloy powders or alloy powder laminated porous structures.
アロイ粉体担持工程が0.03mm~0.3mmの厚み寸法のカーボン電極板の両面にアロイ粉体を担持させ、カーボン電極板の厚み方向へ重なるアロイ粉体によってカーボン電極板の両面にアロイ粉体積層ポーラス構造物を形成する電極製造方法は、アロイ粉体の比表面積を大きくしたアロイ粉体積層ポーラス構造物を有する白金レスの電極を作ることができるとともに、カーボン電極板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、電流をスムースに流すことが可能な白金レスの電極を作ることができる。 In the alloy powder supporting step, the alloy powder is supported on both sides of a carbon electrode plate having a thickness of 0.03 mm to 0.3 mm, and the alloy powder is deposited on both sides of the carbon electrode plate by the alloy powder overlapping in the thickness direction of the carbon electrode plate. The electrode manufacturing method for forming the body laminated porous structure can produce a platinum-less electrode having the alloy powder laminated porous structure with an increased specific surface area of the alloy powder, and the thickness dimension of the carbon electrode plate can be adjusted as described above. By setting it within the range, the electrical resistance of the electrode can be reduced, and a platinum-less electrode that allows current to flow smoothly can be produced.
一例として示す電極10A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10Aの部分拡大正面図であり、図3は、図2のA-A線端面図である。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 now be described with reference to the accompanying drawings, such as FIG. 1, which is a perspective view of the
電極10Aは、陽極(アノード)又は陰極(カソード)として使用され、燃料電池21の電極(触媒)(図6参照)や水素ガス発生装置30の電極(触媒)(図11参照)として利用される。電極10Aは、前面11及び後面12を有するとともに、所定面積及び所定の厚み寸法を有し、その平面形状が四角形に成形されている。なお、電極10A(電極10Bを含む)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10Aは、アロイ粉体13(合金粉体)と所定面積のカーボン電極板14とから形成されている。アロイ粉体13は、アロイ成形物42(合金成形物)(図12参照)を微粉砕することから作られている。アロイ粉体13は、その粒径が10μm~200μmの範囲にある。アロイ成形物42は、粉状に加工(微粉砕)された各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40(図12参照)を圧縮した後に焼成(焼結)することから作られている。遷移金属としては、3d遷移金属や4d遷移金属が使用される。3d遷移金属には、Ti(チタン)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)が使用される。4d遷移金属には、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Ag(銀)が使用される。
The
遷移金属の粉体には、粉状に加工(微粉砕)されたTi(チタン)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたCr(クロム)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたMn(マンガン)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたFe(鉄)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたCo(コバルト)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたNi(ニッケル)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたCu(銅)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたZn(亜鉛)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたNb(ニオブ)粉体、粉状に加工(微粉砕)されたMo(モリブデン)粉体、粉状に加工されたAg(銀)粉体が使用される。 The transition metal powder includes Ti (titanium) powder processed into powder (pulverized), Cr (chromium) powder processed into powder (pulverized), and powdered (pulverized). Mn (manganese) powder processed into powder (finely ground) Fe (iron) powder processed into powder (finely ground) Co (cobalt) powder processed into powder (finely ground) ) Ni (nickel) powder processed into powder (finely ground) Cu (copper) powder processed into powder (finely ground) Zn (zinc) powder processed into powder (finely ground) Pulverized) Nb (niobium) powder, Mo (molybdenum) powder processed into powder (pulverized), and Ag (silver) powder processed into powder are used.
Tiの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたTi)やCrの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたCr)、Mnの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたMn)、Feの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたFe)、Coの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたCo)、Niの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたNi)、Cuの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたCu)、Znの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたZn)、Nbの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたNb)、Moの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたMo)、Agの粉体(粉状に加工(微粉砕)されたAg)は、それらの粒径が10μm~200μmの範囲にある。 Ti powder (Ti processed into powder (pulverized)), Cr powder (Cr processed into powder (pulverized)), Mn powder (processed into powder (pulverized)) Mn), Fe powder (Fe processed into powder (pulverized)), Co powder (Co processed into powder (pulverized)), Ni powder (processed into powder ( finely pulverized) Ni), Cu powder (powder processed (pulverized) Cu), Zn powder (pulverized (pulverized) Zn), Nb powder (powder Nb) processed (pulverized) into powder), Mo powder (Mo processed into powder (pulverized)), Ag powder (Ag processed into powder (pulverized)) has a particle size in the range of 10 μm to 200 μm.
金属粉体混合物40では、選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数(物質から電子を取り出すのに必要なエネルギー)の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択されている。Tiの仕事関数は、4.14(eV)、Crの仕事関数は、4.5(eV)、Mnの仕事関数は、4.1(eV)、Feの仕事関数は、4.67(eV)、Coの仕事関数は、5.0(eV)、Niの仕事関数は、5.22(eV)、Cuの仕事関数は、5.10(eV)、Znの仕事関数は、3.63(eV)、Nbの仕事関数は、4.01(eV)、Moの仕事関数は、4.45(eV)、Agの仕事関数は、4.31(eV)である。なお、白金の仕事関数は、5.65(eV)である。
In the
金属粉体混合物40の一例としては、粉状に加工(微粉砕)されたNi(ニッケル)の粉体を主成分とし、Niの粉体とNiを除く粉状に加工(微粉砕)されたその他の少なくとも2種類の遷移金属(粉状のTi(チタン)、粉状のCr(クロム)、粉状のMn(マンガン)、粉状のFe(鉄)、粉状のCo(コバルト)、粉状のCu(銅)、粉状のZn(亜鉛)、粉状のNb(ニオブ)、粉状のMo(モリブデン)、粉状のAg(銀)のうちの少なくとも2種類)の粉体とを均一に混合・分散した金属粉体混合物40である。
As an example of the
主成分となるNi(ニッケル)の粉体とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とを混合した金属粉体混合物40は、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。
A
Niの粉体を主成分としたアロイ成形物42では、選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が金属粉体混合物40の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体が接合されている。Niを主成分としたアロイ粉体13は、Niの粉体を主成分とした金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成することから作られたアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。
In the alloy molded
Ni(ニッケル)の粉体を主成分とした金属粉体混合物40では、金属粉体混合物40の全重量に対するNiの粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Fe(鉄)粉体、Co(コバルト)粉体、Cu(銅)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの少なくとも1種類)の金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Niの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Fe(鉄)粉体、Co(コバルト)粉体、Cu(銅)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの他の少なくとも1種類)の金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある。
In the
Ni(ニッケル)を主成分としたアロイ粉体13(Niを主成分とした合金粉体)の具体例としては、Niの粉体、Cuの粉体、ZNの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するNiの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するCuの粉体重量比が42%、金属粉体混合物40の全重量に対するZnの粉体重量比が10%である。Niの融点が1455℃、Cuの融点が1084.5℃、Znの融点が419.85℃であるから、Znの粉体及びCuの粉体が溶融し、溶融したZn及びCuがバインダーとなってNiの粉体を接合している。
As a specific example of the
Ni(ニッケル)を主成分としたアロイ粉体13の他の具体例としては、Niの粉体、Mnの粉体、Moの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するNiの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するMnの粉体重量比が7%、金属粉体混合物40の全重量に対するMoの粉体重量比が45%である。Niの融点が1455℃、Mnの融点が1246℃、Moの融点が2623℃であるから、Mnの粉体及びNiの粉体が溶融し、溶融したMn及びNiがバインダーとなってMoの粉体を接合している。
As another specific example of the
金属粉体混合物40の他の一例としては、粉状に加工(微粉砕)されたFe(鉄)の粉体を主成分とし、Feの粉体とFeを除く粉状に加工(微粉砕)されたその他の少なくとも2種類の遷移金属(粉状のTi(チタン)、粉状のCr(クロム)、粉状のMn(マンガン)、粉状のCo(コバルト)、粉状のNi(ニッケル)、粉状のCu(銅)、粉状のZn(亜鉛)、粉状のNb(ニオブ)、粉状のMo(モリブデン)、粉状のAg(銀)のうちの少なくとも2種類)の粉体とを均一に混合・分散した金属粉体混合物40である。
As another example of the
主成分となるFe(鉄)の粉体とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とを混合した金属粉体混合物40は、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。
A
Feの粉体を主成分としたアロイ成形物42では、選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が金属粉体混合物40の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体が接合されている。Feを主成分としたアロイ粉体13は、Feの粉体を主成分とした金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成することから作られたアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。
In the alloy molded
Fe(鉄)の粉体を主成分とした金属粉体混合物40では、金属粉体混合物40の全重量に対するFeの粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Co(コバルト)粉体、Ni(ニッケル)粉体、Cu(銅)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの少なくとも1種類)の金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Feの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Co(コバルト)粉体、Ni(ニッケル)粉体、Cu(銅)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの他の少なくとも1種類)の前記金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある。
In the
Fe(鉄)を主成分としたアロイ粉体13(Feを主成分とした合金粉体)の具体例としては、Feの粉体、Niの粉体、Cuの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するFeの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するNiの粉体重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するCuの粉体重量比が4%である。Feの融点が1536℃、Niの融点が1455℃、Cuの融点が1084.5℃であるから、Cuの粉体及びNiの粉体が溶融し、溶融したCu及びNiがバインダーとなってFeの粉体を接合している。
As a specific example of the
Fe(鉄)を主成分としたアロイ粉体13の他の具体例としては、Feの粉体、Tiの粉体、Agの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するFeの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するTiの粉体重量比が46%、金属粉体混合物40の全重量に対するAgの粉体重量比が6%である。Feの融点が1536℃、Tiの融点が1666℃、Agの融点が961.93℃であるから、Agの粉体及びFeの粉体が溶融し、溶融したAg及びFeがバインダーとなってTiの粉体を接合している。
As another specific example of the
金属粉体混合物40の他の一例としては、粉状に加工(微粉砕)されたCu(銅)の粉体を主成分とし、Cuの粉体とCuを除く粉状に加工(微粉砕)されたその他の遷移金属(粉状のTi(チタン)、粉状のCr(クロム)、粉状のMn(マンガン)、粉状のFe(鉄)、粉状のCo(コバルト)、粉状のNi(ニッケル)、粉状のZn(亜鉛)、粉状のNb(ニオブ)、粉状のMo(モリブデン)、粉状のAg(銀)のうちの少なくとも2種類)の粉体とを均一に混合・分散した金属粉体混合物40である。
As another example of the
主成分となるCu(銅)の粉体とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とを混合した金属粉体混合物40は、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されている。
A
Cuの粉体を主成分としたアロイ成形物42では、選択された遷移金属のうちの少なくとも2種類の遷移金属が金属粉体混合物40の焼成時に溶融し、溶融した遷移金属をバインダーとしてそれら遷移金属の粉体が接合されている。Cuを主成分としたアロイ粉体は、Cuの粉体を主成分とした金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成することから作られたアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。
In the alloy molded
Cu(銅)の粉体を主成分とした金属粉体混合物40では、金属粉体混合物40の全重量に対するCuの粉体の重量比が30%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Fe(鉄)粉体、Co(コバルト)粉体、Ni(ニッケル)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの少なくとも1種類)の金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が20%~50%の範囲にあり、Cuの粉体を除く他の少なくとも1種類の遷移金属の粉体(Ti(チタン)粉体、Cr(クロム)粉体、Mn(マンガン)粉体、Fe(鉄)粉体、Co(コバルト)粉体、Ni(ニッケル)粉体、Zn(亜鉛)粉体、Nb(ニオブ)粉体、Mo(モリブデン)粉体、Ag(銀)粉体のうちの他の少なくとも1種類)の金属粉体混合物40の全重量に対する重量比が3%~20%の範囲にある。
In the
Cu(銅)を主成分としたアロイ粉体13(Cuを主成分とした合金粉体)の具体例としては、Cuの粉体、Feの粉体、Znの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するCuの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するFeの粉体重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するZnの粉体重量比が4%である。Cuの融点が1084.5℃、Feの融点が1536℃、Znの融点が419.58℃であるから、Znの粉体及びCuの粉体が溶融し、溶融したZn及びCuがバインダーとなってFeの粉体を接合している。
As a specific example of the
Cu(銅)を主成分としたアロイ粉体13の他の具体例としては、Cuの粉体、Feの粉体、Agの粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成してアロイ成形物42を作り、そのアロイ成形物42を微粉砕した粒径が10μm~200μmの微粉砕物である。このアロイ粉体13は、金属粉体混合物40の全重量に対するCuの粉体の重量比が48%、金属粉体混合物40の全重量に対するFeの粉体重量比が46%、金属粉体混合物40の全重量に対するAgの粉体重量比が6%である。Cuの融点が1084.5℃、Feの融点が1536℃、Agの融点が961.93℃であるから、Agの粉体及びCuの粉体が溶融し、溶融したAg及びCuがバインダーとなってFeの粉体を接合している。
As another specific example of the
カーボン電極板14は、前面15及び後面16を有するとともに、所定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。なお、カーボン電極板14の平面形状に特に制限はなく、四角形の他に、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。カーボン電極板14の一例としては、数μm~数10μmのカーボングラファイト(黒鉛)粉末と導電性バインダー(導電性結合材)とを冷間静水圧プレスによって成形した後、約3000℃で黒鉛化したシート状の電極材を使用する。カーボン電極板14の他の一例としては、数μm~数10μmのカーボングラファイト(黒鉛)粉末と導電性バインダー(導電性結合材)とを押出型から押し出し成形した後、約3000℃で黒鉛化したシート状の電極材を使用する。カーボン電極板14としては、ガラス状カーボンを使用することもできる。
The
カーボン電極板14は、その厚み寸法L1が0.03mm~0.3mmの範囲、好ましくは、0.05mm~0.1mmの範囲にある。カーボン電極板14の前面15の全域及び後面16の全域(両面の全域)には、図3に示すように、既述の複数のアロイ粉体13が担持されている。アロイ粉体13は、カーボン電極板14の前面15の全域及び後面16の全域(両面)に導電性バインダー(導電性結合材)やプラズマ溶射によって担持される。
The
カーボン電極板14の厚み寸法L1が0.03mm未満では、その強度が低下し、衝撃が加えられたときにカーボン電極板14(電極10A(または電極10B))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。カーボン電極板14の厚み寸法L1が0.3mmを超過すると、カーボン電極板14(電極10A(または電極10B))の電気抵抗が大きくなり、カーボン電極板14(電極10A(または電極10B))に電流がスムースに流れず、電極10A(または電極10B)が燃料電池21に使用されたときに燃料電池21において十分な電気を発電することができず、燃料電池21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ない。また、電極10A(または電極10B)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。
If the thickness dimension L1 of the
カーボン電極板14は、その厚み寸法L1が0.03mm~0.3mmの範囲、好ましくは、0.05mm~0.1mmの範囲にあるから、カーボン電極板14(電極10A(または電極10B))が高い強度を有してその形状を維持することができ、カーボン電極板14に衝撃が加えられたときのカーボン電極板14の破損や損壊を防ぐことができる。さらに、厚み寸法L1を前記範囲にすることで、カーボン電極板14(電極10A(または電極10B))の電気抵抗を小さくすることができ、カーボン電極板14(電極10A(または電極10B))に電流がスムースに流れ、電極10Aが燃料電池21に使用されたときに燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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。また、電極10A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
図4は、他の一例として示す電極10Bの部分拡大正面図であり、図5は、図4のB-B線端面図である。電極10Bが図1の電極10Aと異なるところは、カーボン電極板14の厚み方向へ重なる複数のアロイ粉体13によってアロイ粉体積層ポーラス構造物17がカーボン電極板14の前面15及び後面16(両面)に形成されている点にあり、その他の構成は図1の電極10Aと同一であるから、図1と同一の符号を付すとともに、図1の電極10Aの説明を援用することで、この電極10Bのその他の構成の詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a partially enlarged front view of an
電極10Bは、陽極(アノード)又は陰極(カソード)として使用され、燃料電池21の電極(触媒)(図6参照)や水素ガス発生装置30の電極(触媒)(図11参照)として利用される。電極10B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を有し、その平面形状が四角形に成形されている。電極10Bは、アロイ粉体13(合金粉体)と、両面(前後面15,16)にアロイ粉体13を担持させた所定面積のカーボン電極板14とから形成されている。
The
カーボン電極板14の前面15の全域と後面16の全域(両面の全域)とには、カーボン電極板14の厚み方向へ重なり合った(積層された)複数のアロイ粉体13によってアロイ粉体積層ポーラス構造物17が形成されている。アロイ粉体13は、アロイ成形物42(合金成形物)を微粉砕することから作られている。アロイ成形物42は、粉状に加工(微粉砕)された各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成(焼結)することから作られている。遷移金属や金属粉体混合物40、アロイ成形物42、アロイ粉体13は、図1の電極10Aのそれらと同一である。遷移金属粉体の粒径やアロイ粉体13の粒径、カーボン電極板14の厚み寸法L1は、図1の電極10Aのそれらと同一である。
The entire area of the
アロイ粉体積層ポーラス構造物17には、径が異なる多数の微細な流路18(通路孔)が形成されている。それら流路18(通路孔)には、気体(水素ガスや酸素ガス)または液体(水)が通流する。それら流路18(通路孔)は、カーボン電極板14の前面15の側に開口する複数の通流口19とカーボン電極板14の後面16の側に開口する複数の通流口19とを有し、電極10Bの前面11に向かってアロイ粉体積層ポーラス構造物17を貫通しているとともに、電極10Bの後面12に向かってアロイ粉体積層ポーラス構造物17を貫通している。
A large number of fine flow paths 18 (passage holes) having different diameters are formed in the alloy powder laminate
それら流路18は、カーボン電極板14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、カーボン電極板14の外周縁から中心に向かってカーボン電極板14の径方向へ不規則に曲折しながら延びている。カーボン電極板14の径方向へ隣接して厚み方向へ曲折して延びるそれら流路18は径方向において部分的につながり、一方の流路18と他方の流路18とが互いに連通している。カーボン電極板14の厚み方向へ隣接して径方向へ曲折して延びるそれら流路18は厚み方向において部分的につながり、一方の流路18と他方の流路18とが互いに連通している。
The
それら流路18(通路孔)の開口面積(開口径)は、カーボン電極板14の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、カーボン電極板14の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。それら流路18は、その開口面積(開口径)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、前面11に開口する通流口19と後面12に開口する通流口19とは、その開口面積(開口径)が一様ではなく、その面積が相違している。それら流路18(通路孔)の開口径や通流口19の開口径は、1μm~100μmの範囲にある。
The opening areas (opening diameters) of the channels 18 (passage holes) are not uniform in the thickness direction of the
アロイ粉体積層ポーラス構造物17は、その空隙率が15%~30%の範囲にあり、その相対密度が70%~85%の範囲にある。アロイ粉体積層ポーラス構造物17の空隙率が15%未満であって相対密度が85%を超過すると、アロイ粉体積層ポーラス構造物17に多数の微細な流路18(通路孔)が形成されず、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができない。アロイ粉体積層ポーラス構造物17の空隙率が30%を超過し、相対密度が70%未満では、流路18(通路孔)の開口面積(開口径)が必要以上に大きくなり、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の強度が低下し、衝撃が加えられたときにアロイ粉体積層ポーラス構造物17が容易に破損又は損壊し、その形態を維持することができない場合がある。
The alloy powder laminated
アロイ粉体積層ポーラス構造物17は、その空隙率及び相対密度が前記範囲にあるから、アロイ粉体積層ポーラス構造物17が開口面積(開口径)の異なる多数の微細な流路18(通路孔)を有する多孔質となり、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができ、それら流路18(通路孔)を気体や液体が通流しつつ気体や液体をアロイ粉体積層ポーラス構造物17の接触面(アロイ粉体13の表面)に広く接触させることができる。
Since the porosity and relative density of the alloy powder laminate
アロイ粉体積層ポーラス構造物17は、その密度が5.0g/cm2~7.0g/cm2の範囲にある。アロイ粉体積層ポーラス構造物17の密度が5.0g/cm2未満では、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の強度が低下し、衝撃が加えられたときにアロイ粉体積層ポーラス構造物17が容易に破損又は損壊し、その形態を維持することができない場合がある。アロイ粉体積層ポーラス構造物17の密度が7.0g/cm2を超過すると、アロイ粉体積層ポーラス構造物17に多数の微細な流路18(通路孔)が形成されず、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができない。
The alloy powder laminated
カーボン電極板14の両面(前後面15,16)に形成されたアロイ粉体積層ポーラス構造物17は、その密度が前記範囲にあるから、アロイ粉体積層ポーラス構造物17が多数の微細な流路18(通路孔)を有する多孔質に成形され、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができ、それら流路18(通路孔)を気体や液体が通流しつつ気体や液体をアロイ粉体積層ポーラス構造物17の接触面(アロイ粉体13の表面)に広く接触させることができる。
The alloy powder laminate
それら遷移金属の粉体の粒径が10μm未満では、遷移金属によって流路18(通路孔)が塞がれ、アロイ粉体積層ポーラス構造物17に多数の微細な流路18を形成することができず、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができない。それら遷移金属の粉体の粒径が200μmを超過すると、流路18(通路孔)の開口面積(開口径)が必要以上に大きくなり、アロイ粉体積層ポーラス構造物17に多数の微細な流路18を形成することができず、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができない。それら遷移金属の粉体の粒径が前記範囲にあるから、アロイ粉体積層ポーラス構造物17が多数の微細な流路18(通路孔)を有する多孔質に成形され、アロイ粉体積層ポーラス構造物17の比表面積を大きくすることができ、それら流路18を気体や液体が通流しつつ気体や液体をアロイ粉体積層ポーラス構造物17の接触面(アロイ粉体13の表面)に広く接触させることができる。
If the particle size of the transition metal powder is less than 10 μm, the flow path 18 (passage hole) is blocked by the transition metal, and a large number of
図6は、電極10A,10Bを使用したセル20の一例を示す分解斜視図であり、図7は、電極10A,10Bを使用したセル20の側面図である。図8は、電極10A,10Bを使用した燃料電池21(固体高分子形燃料電池)の発電を説明する図であり、図9は、電極10A,10Bの起電圧試験の結果を示す図である。図10は、電極10A,10BのI-V特性試験の結果を示す図である。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing an example of a
電極10A又は電極10Bを使用したセル20の一例としては、図6に示すように、電極10A又は電極10Bを使用した燃料極22(アノード)と、電極10A又は電極10Bを使用した空気極23(カソード)と、燃料極22及び空気極23の間に介在する固体高分子電解質膜24(スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜)と、燃料極22の厚み方向外側に位置するセパレータ25a(バイポーラプレート)と、空気極23の厚み方向外側に位置するセパレータ25b(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25a,25b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20では、図7に示すように、燃料極22や空気極23、固体高分子電解質膜24が厚み方向へ重なり合って一体化し、膜/電極接合体 (Membrane Electrode Assembly, MEA)を構成し、膜/電極接合体をそれらセパレータ25a,25bが挟み込んでいる。固体高分子電解質膜24と燃料極22(電極10A又は電極10B)及び空気極23(電極10A又は電極10B)とは、ホットプレスによって積層され@、固体高分子電解質膜24とアロイ粉体13とが隙間なく重なり合い、固体高分子電解質膜24とアロイ粉体13とが隙間なく密着し、又は、固体高分子電解質膜24とアロイ粉体積層ポーラス構造物17とが隙間なく重なり合い、固体高分子電解質膜24とアロイ粉体積層ポーラス構造物17とが隙間なく密着している。燃料電池21(固体高分子形燃料電池)では、複数のセル20(単セル)が一方向へ重なり合い、それらセル20が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25は、プロトン導電性があり、電子導電性がない。
In the
燃料極22とセパレータ25aとの間には、ガス拡散層26aが形成され、空気極23とセパレータ25bとの間には、ガス拡散層26bが形成されている。燃料極22とセパレータ25aとの間であってガス拡散層26aの上部及び下部には、ガスシール27aが設置されている。空気極23とセパレータ25bとの間であってガス拡散層26bの上部及び下部には、ガスシール27bが設置されている。
A
燃料電池21(固体高分子形燃料電池)では、図8に示すように、燃料極22(電極10A又は電極10B)に水素(燃料)が供給され、空気極23(電極10A又は電極10B)に空気(酸素)が供給される。燃料極22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24内を通って空気極23に移動し、電子が導線28内を通って空気極23に移動する。固体高分子電解質膜24には、燃料極22で生成されたプロトンが通流する。空気極23では、固体高分子電解質膜24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 fuel cell 21 (polymer electrolyte fuel cell), as shown in FIG. 8, hydrogen (fuel) is supplied to the fuel electrode 22 (
少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択され、選択された少なくとも3種類の遷移金属から作られたアロイ粉体13がカーボン電極板14の両面(前後面15,16)に担持され、アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17が燃料極22(電極10A又は電極10B)や空気極23(電極10A又は電極10B)を構成するから、燃料極22や空気極23が優れた触媒活性(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。
at least three transition metals are selected from among the transition metals such that the composite work function of the work functions of the at least three transition metals approximates the work function of the platinum group element, and the selected at least three transition metals are The
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22と空気極23との間(電極10Aの間や電極10Bの間)の電圧(V)を測定した。図9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)電極(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9から分かるように、燃料極と空気極との間の電圧が1.079(V)前後であった。それに対し、燃料極22(白金レスの電極10A,10B)及び空気極23(白金レスの電極10A,10B)を使用した固体高分子形燃料電池21では、燃料極22と空気極23との間の電圧(起電力)が1.01(V)~1.02(V)であった。
In the electromotive voltage test, the voltage (V) between the
I-V特性試験では、燃料極22と空気極23との間(電極10Aの間や電極10Bの間)に負荷29を接続し、電圧と電流との関係を測定した。図10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22(白金レスの電極10A,10B)及び空気極23(白金レスの電極10A,10B)を使用した固体高分子形燃料電池21では、I-V特性試験の結果を示す図10から分かるように、白金族元素を利用した(担持させた)電極(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9の起電圧試験の結果や図10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白金レスの燃料極22及び空気極23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
図11は、電極10A,10B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10A,10Bを使用した水素ガス発生装置30の一例は、図11に示すように、電極10A又は電極10Bを使用した陽極31(アノード)と、電極10A又は電極10Bを使用した陰極32(カソード)と、陽極31及び陰極32の間に介在する固体高分子電解質膜33(スルホン酸基を有するフッ素 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。水素ガス発生装置30は、陽極31及び陰極32に電気を通電し、陽極31で酸化反応を起こすとともに陰極32で還元反応を起こすことで水を化学分解する。
FIG. 11 is a diagram illustrating electrolysis of
水素ガス発生装置30では、陽極31や陰極32、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 (Membrane Electrode Assembly, MEA)を構成し、膜/電極接合体を陽極給電部材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と陽極31(電極10A又は電極10B)及び陰極32(電極10A又は電極10B)とは、ホットプレスによって積層され、固体高分子電解質膜33とアロイ粉体13とが隙間なく重なり合い、又は、固体高分子電解質膜22とアロイ粉体積層ポーラス構造物17とが隙間なく重なり合っている。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。
In the
陽極給電部材34は、陽極31の外側に位置して陽極31に密着し、陽極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、陰極32の外側に位置して陰極32に密着し、陰極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 anode
水素ガス発生装置30における水の電気分解では、図11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から陽極31(アノード)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から陰極32(カソード)に給電される。
In the electrolysis of water in the
陽極31(電極10A又は電極10B)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、陰極32(電極10A又は電極10B)では、4H++4e-→2H2の陰極反応(触媒作用)によって水素が生成される。プロトン(水素イオン:H+)は、固体高分子電解質膜33内を通って陽極31から陰極32に移動する。固体高分子電解質膜33には、陽極31で生成されたプロトンが通流する。少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択され、選択された少なくとも3種類の遷移金属から作られたアロイ粉体13がカーボン電極板14の両面(前後面15,16)に担持され、アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17が陽極31(電極10A又は電極10B)や陰極32(電極10A又は電極10B)を構成するから、陽極31や陰極32が優れた触媒活性(触媒作用)を示し、水素ガス発生装置30において効率よく電気分解が行われ、短時間に多量の水素ガスが発生する。
At the anode 31 (
電極10Aは、それが各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した後に焼成したアロイ成形物42を微粉砕したアロイ粉体13と、アロイ粉体13を両面(前後面15,16)に担持させた所定面積のカーボン電極板14とから形成され、選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択されているから、アロイ粉体13を有する電極10Aが白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、燃料電池21や水素ガス発生装置30の電極10Aとして好適に使用することができる。
The
電極10Aは、それが白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10Aを燃料電池21に使用することで、燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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とともに、電極10Aを水素ガス発生装置30に使用することで、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において多量の水素ガスを発生させることができる。
Since the
カーボン電極板14の厚み方向へ重なり合った(積層された)複数のアロイ粉体13によってカーボン電極板14の両面(前後面15,16)にアロイ粉体積層ポーラス構造物17が形成されている電極10Bは、カーボン電極板14の両面にアロイ粉体積層ポーラス構造物17を形成することで、アロイ粉体積層ポーラス構造物17(アロイ粉体13)の比表面積を大きくすることができ、アロイ粉体13の触媒作用を十分に利用することができるとともに、アロイ粉体積層ポーラス構造物17を有する電極10Bが白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、燃料電池21や水素ガス発生装置30の電極10Bとして好適に使用することができる。
An electrode in which an alloy powder laminate
電極10Bは、アロイ粉体積層ポーラス構造物17を形成した電極10Bが白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10Bを燃料電池21に使用することで、燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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とともに、電極10Bを水素ガス発生装置30に使用することで、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において多量の水素ガスを発生させることができる。電極10Aや電極10Bは、アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17が各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属から形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、それら電極10A,10Bを廉価に作ることができる。
Since the
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がNi(ニッケル)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、Niの仕事関数とNiを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17を有する電極10A,10Bが白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、燃料電池21や水素ガス発生装置30の電極10A,10Bとして好適に使用することができる。
The
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がNi(ニッケル)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10Aや電極10Bを燃料電池21に使用することで、燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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とともに、電極10Aや電極10Bを水素ガス発生装置30に使用することで、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において多量の水素ガスを発生させることができる。電極10Aや電極10Bは、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17がNiの粉体と各種の遷移金属から選択されたNiの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極10A,10Bを廉価に作ることができる。
The
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がFe(鉄)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、Feの仕事関数とFeを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17を有する電極10A,10Bが白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、燃料電池21や水素ガス発生装置30の電極10A,10Bとして好適に使用することができる。
The
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がFe(鉄)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10Aや電極10Bを燃料電池21に使用することで、燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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とともに、電極10Aや電極10Bを水素ガス発生装置30に使用することで、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において多量の水素ガスを発生させることができる。電極10Aや電極10Bは、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17がFeの粉体と各種の遷移金属から選択されたFeの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極10A,10Bを廉価に作ることができる。
The
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がCu(銅)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、Cuの仕事関数とCuを除く他の少なくとも2種類の遷移金属の仕事関数との合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中からCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体が選択されているから、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17を有する電極10A,10Bが白金族元素を含む電極と略同一の仕事関数を備え、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、燃料電池21や水素ガス発生装置30の電極10A,10Bとして好適に使用することができる。
The metal powder mixture 40 (the
金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)がCu(銅)の粉体を主成分とした電極10Aや電極10Bは、白金族元素を含む電極と略同様の触媒活性(触媒作用)を発揮するから、電極10Aや電極10Bを燃料電池21に使用することで、燃料電池21において十分な電気を発電することができ、燃料電池21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10Aや電極10Bを水素ガス発生装置30に使用することで、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において多量の水素ガスを発生させることができる。電極10Aや電極10Bは、アロイ粉体13又はアロイ粉体積層ポーラス構造物17がCuの粉体と各種の遷移金属から選択されたCuの粉体を除く他の少なくとも2種類の遷移金属の粉体とから形成され、高価な白金族元素が利用されていない白金レスであり、電極10A,10Bを廉価に作ることができる。
The
図12は、電極10A,10Bの製造方法を説明する図である。電極10Aや電極10Bは、図11に示すように、遷移金属選択工程S1、金属粉体混合物作成工程S2、金属粉体圧縮物作成工程S3、アロイ成形物作成工程S4、アロイ粉体作成工程S5、アロイ粉体担持工程S6を有する電極製造方法によって製造される。
12A and 12B are diagrams for explaining a method of manufacturing the
遷移金属選択工程S1では、各種の遷移金属41から選択する少なくとも3種類の遷移金属41の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属41(Ti(チタン)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Ag(銀))を選択する。
In the transition metal selection step S1, at least transition metals selected from
遷移金属選択工程S1において、既述のように、Ni(ニッケル)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、Cu(銅)及びZN(亜鉛)を選択し、又は、Mn(マンガン)及びMo(モリブデン)を選択する。Fe(鉄)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、Ni(ニッケル)及びCu(銅)を選択し、又は、Ti(チタン)及びAg(銀)を選択する。Cu(銅)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、Fe(鉄)及びZn(亜鉛)を選択し、又は、Fe(鉄)及びAg(銀)を選択する。
In the transition metal selection step S1, as described above, in the metal powder mixture 40 (
金属粉体混合物作成工程S2では、遷移金属選択工程S1によって選択された少なくとも3種類の遷移金属41の粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。金属粉体混合物作成工程において、Ni(ニッケル)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、遷移金属選択工程S1によって選択されたNi、Cu(銅)、ZN(亜鉛)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してNiの粉体42、Cuの粉体42、Znの粉体42を作成する。次に、Niの粉体42やCuの粉体42、Znの粉体42を混合機に投入して混合機によってNiの粉体42、Cuの粉体42、Znの粉体42を攪拌・混合し、Niの粉体42、Cuの粉体42、Znの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。
In the metal powder mixture preparation step S2, a
又は、遷移金属選択工程S1によって選択されたNi(ニッケル)、Mn(マンガン)、Mo(モリブデン)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してNiの粉体42、Mnの粉体42、Moの粉体42を作成する。次に、Niの粉体42やMnの粉体42、Moの粉体42を混合機に投入して混合機によってNiの粉体42、Mnの粉体42、Moの粉体42を攪拌・混合し、Niの粉体42、Mnの粉体42、Moの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。
Alternatively, each of Ni (nickel), Mn (manganese), and Mo (molybdenum) selected in the transition metal selection step S1 is pulverized to a particle size of 10 μm to 200 μm by a pulverizer to obtain
金属粉体混合物作成工程S2において、Fe(鉄)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、遷移金属選択工程S1によって選択されたFe、Ni(ニッケル)、Cu(銅)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してFeの粉体42、Niの粉体42、Cuの粉体42を作成する。次に、Feの粉体42やNiの粉体42、Cuの粉体42を混合機に投入して混合機によってFeの粉体42、Niの粉体42、Cuの粉体42を攪拌・混合し、Feの粉体42、Niの粉体42、Cuの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物30を作る。
In the metal powder mixture preparation step S2, in the metal powder mixture 40 (
又は、遷移金属選択工程S1によって選択されたFe(鉄)、Ti(チタン)、Ag(銀)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してFeの粉体42、Tiの粉体42、Agの粉体42を作成する。次に、Feの粉体42やTiの粉体42、Agの粉体42を混合機に投入して混合機によってFeの粉体42、Tiの粉体42、Agの粉体42を攪拌・混合し、Feの粉体42、Tiの粉体42、Agの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。
Alternatively, each of Fe (iron), Ti (titanium), and Ag (silver) selected in the transition metal selection step S1 is pulverized to a particle size of 10 μm to 200 μm by a pulverizer to obtain
金属粉体混合物作成工程S2において、Cu(銅)を主成分とした金属粉体混合物40(アロイ粉体13やアロイ粉体積層ポーラス構造物17)では、遷移金属選択工程S1によって選択されたCu、Fe(鉄)、Zn(亜鉛)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してCuの粉体42、Feの粉体42、Znの粉体42を作成する。次に、Cuの粉体42やFeの粉体42、Znの粉体42を混合機に投入して混合機によってCuの粉体42、Feの粉体42、Znの粉体42を攪拌・混合し、Cuの粉体42、Feの粉体42、Znの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。
In the metal powder mixture preparation step S2, in the metal powder mixture 40 (
又は、遷移金属選択工程S1によって選択されたCu(銅)、Fe(鉄)、Ag(銀)のそれぞれを微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してCuの粉体42、Feの粉体42、Agの粉体42を作成する。次に、Cuの粉体42やFeの粉体42、Agの粉体42を混合機に投入して混合機によってCuの粉体42、Feの粉体42、Agの粉体42を攪拌・混合し、Cuの粉体42、Feの粉体42、Agの粉体42が均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る。
Alternatively, each of Cu (copper), Fe (iron), and Ag (silver) selected in the transition metal selection step S1 is pulverized to a particle size of 10 μm to 200 μm by a pulverizer to obtain
金属粉体圧縮物作成工程S3では、金属粉体混合物作成工程S2によって作られた金属粉体混合物40を所定圧力で加圧し、金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。金属粉体圧縮物作成工程S3では、金属粉体混合物40を所定の金型に入れ、金型をプレス機によって加圧(プレス)するプレス加工によって金属粉体圧縮物43を作る。プレス加工時におけるプレス圧(圧力)は、500Mpa~800Mpaの範囲にある。
In the metal powder compact creation step S3, the
プレス圧(圧力)が500Mpa未満では、金属粉体混合物40を十分に圧縮することができず、所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作ることができない。プレス圧(圧力)が800Mpaを超過すると、アロイ成形物作成工程S4によって作られるアロイ成形物44の硬度が必要以上に高くなり、アロイ粉体作成工程S5によって所期する粒径のアロイ粉体13を作ることができない。電極製造方法は、金属粉体混合物40を前記範囲の圧力で加圧(圧縮)することで、所定硬度の金属粉体圧縮物43を作ることができ、その金属粉体圧縮物43を焼成して所定硬度のアロイ成形物44を作ることができるとともに、アロイ成形物44を微粉砕した所定粒径のアロイ粉体13を作ることができる。
If the pressing pressure (pressure) is less than 500 Mpa, the
金属粉体圧縮物作成工程S3において、Ni(ニッケル)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Niの粉体42、Cu(銅)の粉体42、ZN(亜鉛)粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。又は、Niの粉体42、Mn(マンガン)の粉体42、Mo(モリブデン)の粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。
In the metal powder compact creation step S3, the metal powder compact 41 containing Ni (nickel) as a main component includes
金属粉体圧縮物作成工程S3において、Fe(鉄)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Feの粉体42、Ni(ニッケル)の粉体42、Cu(銅)の粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。又は、Feの粉体42、Ti(チタン)の粉体42、Ag(銀)の粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。
In the metal powder compact creation step S3, the metal powder compact 41 containing Fe (iron) as a main component includes
金属粉体圧縮物作成工程S3において、Cu(銅)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Cuの粉体42、Fe(鉄)の粉体42、Zn(亜鉛)の粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧(圧縮)して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。又は、Cuの粉体42、Fe(鉄)の粉体42、Ag(銀)の粉体42を混合した金属粉体混合物40の所定量を金型に投入し、その金属粉体混合物40をプレス加工によって加圧して金属粉体混合物40を圧縮した所定面積及び所定厚みの金属粉体圧縮物43を作る。
In the metal powder compact creation step S3, the metal powder compact 41 containing Cu (copper) as a main component includes
アロイ成形物作成工程S4では、金属粉体圧縮物作成工程S3によって作られた金属粉体圧縮物43を炉(蒸気過熱炉や電気炉等)に投入し、金属粉体圧縮物43を炉において所定温度で焼成(焼結)し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。アロイ成形物作成工程S4では、遷移金属選択工程S1によって選択された少なくとも3種類の遷移金属41うちの少なくとも2種類の遷移金属41を溶融させる温度で金属粉体圧縮物43を長時間焼成する。焼成(焼結)時間は、3時間~6時間である。アロイ成形物作成工程S4では、所定面積及び所定厚みに圧縮された金属粉体圧縮物43の焼成時において、少なくとも2種類の遷移金属41の粉体42が溶融し、溶融した遷移金属41をバインダーとして他の遷移金属41の粉体42を接合(固着)する。
In the alloy molding production step S4, the metal powder compact 43 produced in the metal powder compact production step S3 is put into a furnace (steam heating furnace, electric furnace, etc.), and the
アロイ成形物作成工程S4において、Ni(ニッケル)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Niの粉体42、Cu(銅)の粉体42、ZN(亜鉛)粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Niの粉体42、Cuの粉体42、Znの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Zn及びCuの粉体42を溶融させる温度(例えば、1100℃~1200℃)で金属粉体圧縮物43を焼成(焼結)し、溶融したZn及びCuの粉体42によってNiの粉体42が接合(固着)される。
In the alloy molding production step S4, in the metal powder compact 41 containing Ni (nickel) as a main component,
また、アロイ成形物作成工程S4において、Ni(ニッケル)を主成分とした金属粉体圧縮物43では、Niの粉体42、Mn(マンガン)の粉体42、Mo(モリブデン)の粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Niの粉体42、Mnの粉体42、Moの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Mn及びNiの粉体42を溶融させる温度(例えば、1460℃~1500℃)で金属粉体圧縮物43を焼成し、溶融したMn及びNiの粉体42によってMoの粉体42が接合(固着)される。
In addition, in the alloy molding production step S4, in the metal powder compact 43 containing Ni (nickel) as a main component,
アロイ成形物作成工程S4において、Fe(鉄)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Feの粉体42、Ni(ニッケル)の粉体42、Cu(銅)の粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Feの粉体42、Niの粉体42、Cuの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Cu及びNiの粉体42を溶融させる温度(例えば、1460℃~1500℃)で金属粉体圧縮物43を焼成し、溶融したCu及びNiの粉体42によってFeの粉体42が接合(固着)される。
In the alloy molding production step S4, in the metal powder compact 41 mainly composed of Fe (iron),
また、アロイ成形物作成工程S4において、Fe(鉄)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Feの粉体42、Ti(チタン)の粉体42、Ag(銀)の粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Feの粉体42、Tiの粉体42、Agの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Ag及びFeの粉体42を溶融させる温度(例えば、1540℃~1600℃)で金属粉体圧縮物43を焼成し、溶融したAg及びFeの粉体42によってTiの粉体42が接合(固着)される。
In addition, in the alloy molding production step S4, in the metal powder compact 41 containing Fe (iron) as a main component,
アロイ成形物作成工程S4において、Cu(銅)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Cuの粉体42、Fe(鉄)の粉体42、Zn(亜鉛)の粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Cuの粉体42、Feの粉体42、Znの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Zn及びCuの粉体42を溶融させる温度(例えば、1090℃~1200℃)で金属粉体圧縮物43を焼成し、溶融したZn及びCuの粉体42によってFeの粉体42が接合(固着)される。
In the alloy molding production step S4, in the metal powder compact 41 mainly composed of Cu (copper),
また、アロイ成形物作成工程S4において、Cu(銅)を主成分とした金属粉体圧縮物41では、Cuの粉体42、Fe(鉄)の粉体42、Ag(銀)の粉体42を混合した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を炉において長時間焼成し、開口径が1μm~100μmの範囲の多数の微細な流路(通路孔)を形成したポーラス構造のアロイ成形物44を作る。Cuの粉体42、Feの粉体42、Agの粉体42から形成されたアロイ成形物44では、Ag及びCuの粉体42を溶融させる温度(例えば、1090℃~1200℃)で金属粉体圧縮物43を焼成し、溶融したAg及びCuの粉体42によってFeの粉体42が接合(固着)される。
In addition, in the alloy molding production step S4, the metal powder compact 41 containing Cu (copper) as a main component includes
アロイ粉体作成工程S5では、アロイ成形物作成工程S4によって作られたアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕してアロイ粉体13を作る。Ni(ニッケル)を主成分としたアロイ粉体13(Niを主成分とした合金粉体)の一例としては、Niの粉体42、Cuの粉体42、ZNの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。Ni(ニッケル)を主成分としたアロイ粉体13の他の一例としては、Niの粉体42、Mnの粉体42、Moの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。
In the alloy powder production step S5, the
Fe(鉄)を主成分としたアロイ粉体13(Feを主成分とした合金粉体)の一例としては、Feの粉体42、Niの粉体42、Cuの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。Fe(鉄)を主成分としたアロイ粉体13の他の一例としては、Feの粉体42、Tiの粉体42、Agの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。
As an example of the
Cu(銅)を主成分としたアロイ粉体13(Cuを主成分とした合金粉体)の一例としては、Cuの粉体42、Feの粉体42、Znの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。Cu(銅)を主成分としたアロイ粉体13の他の一例としては、Cuの粉体42、Feの粉体42、Agの粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を圧縮した金属粉体圧縮物43を焼成してアロイ成形物44を作り、そのアロイ成形物44を微粉砕機によって10μm~200μmの粒径に微粉砕した微粉砕物である。
As an example of the
アロイ粉体担持工程S6では、アロイ粉体作成工程S5によって作られた複数のアロイ粉体13を所定面積及び0.03mm~0.3mmの厚み寸法L1のカーボン電極板14の前面15の全域と後面16の全域(両面の全域)とに担持させる。また、アロイ粉体担持工程S6では、複数のアロイ粉体13をカーボン電極板14の厚み方向へ重なり合うように(積層するように)、それらアロイ粉体13を所定面積及び0.03mm~0.3mmの厚み寸法L1のカーボン電極板14の前面15の全域と後面16の全域(両面の全域)とに担持させ、カーボン電極板14の厚み方向へ重なり合う(積層した)複数のアロイ粉体13によって既述のアロイ粉体積層ポーラス構造物17を形成する。アロイ粉体担持工程S6では、アロイ粉体13をカーボン電極板14の両面に導電性バインダー(導電性結合材)やプラズマ溶射によって担持する。
In the alloy powder supporting step S6, the plurality of alloy powders 13 produced in the alloy powder producing step S5 are placed on the entire
電極製造方法は、各種の遷移金属41から選択する少なくとも3種類の遷移金属41の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、各種の遷移金属41の中から少なくとも3種類の遷移金属41を選択する遷移金属選択工程S1と、遷移金属選択工程S1によって選択された少なくとも3種類の遷移金属41の粉体42を均一に混合・分散した金属粉体混合物40を作る金属粉体混合物作成工程S2と、金属粉体混合物作成工程S2によって作られた金属粉体混合物40を所定圧力で加圧して金属粉体圧縮物43を作る金属粉体圧縮物作成工程S3と、金属粉体圧縮物作成工程S3によって作られた金属粉体圧縮物43を所定温度で焼成してアロイ成形物44を作るアロイ成形物作成工程S4と、アロイ成形物作成工程S4によって作られたアロイ成形物44を微粉砕してアロイ粉体13を作るアロイ粉体作成工程S5と、アロイ粉体作成工程S5によって作られたアロイ粉体13を所定面積のカーボン電極板14の両面(前後面15,16)に担持させるアロイ粉体担持工程S6との各工程によって電極10A又は電極10Bを製造するから、白金族元素を利用しない白金レスの電極10A,10Bを廉価に作ることができ、触媒機能を十分かつ確実に利用することが可能であって優れた触媒活性(触媒作用)を有して燃料電池21や水素ガス発生装置30に好適に使用することが可能な電極10A,10Bを作ることができる。
In the electrode manufacturing method, at least three of
電極製造方法は、厚み寸法L1が0.03mm~0.3mmの範囲のカーボン電極板14の前面15の全域と後面16の全域とにアロイ粉体13を担持させ、複数のアロイ粉体13を備えた電極10A又は複数のアロイ粉体13が重なり合ったアロイ粉体積層ポーラス構造物17が形成された電極10Bを作ることができるから、電極10A,10Bの電気抵抗を低くすることができ、電極10A,10Bに電流がスムースに流れ、燃料電池21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21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電極10Aや電極10Bを作ることができるとともに、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、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可能な電極10Aや電極10Bを作ることができる。
In the electrode manufacturing method, the
10A 電極
10B 電極
11 前面
12 後面
13 アロイ粉体(合金粉体)
14 カーボン電極板
15 前面
16 後面
17 アロイ粉体積層ポーラス構造物
18 流路
19 通流口
20 セル
21 燃料電池
22 燃料極
23 空気極
24 固体高分子電解質膜(スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜)
25a セパレータ(バイポーラプレート)
25b セパレータ(バイポーラプレート)
26a ガス拡散層
26b ガス拡散層
27a ガスシール
27b ガスシール
28 導線
29 負荷
30 水素ガス発生装置
31 陽極
32 陰極
33 固体高分子電解質膜(スルホン酸基を有するフッ素系イオン交換膜)
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 金属粉体混合物
41 遷移金属
42 粉体
43 金属粉体圧縮物
44 アロイ成形物(合金成形物)
14
25a separator (bipolar plate)
25b separator (bipolar plate)
26a
34
Claims (15)
前記電極が、各種の遷移金属から選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を圧縮した後に焼成したアロイ成形物を微粉砕したアロイ粉体と、前記アロイ粉体を両面に担持させた所定面積のカーボン電極板とから形成され、前記金属粉体混合物では、前記選択された少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属が選択されている電極であって、前記3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が、48Ni-42Cu-10Zn、48Ni-45Mo-7Mn、48Fe-48Ni-4Cu、48Fe-46Ti-6Ag、48Cu-48Fe-4Zn、又は、48Cu-46Fe-6Agの組成(重量比)を有する前記アロイ粉体の仕事関数以上であることを特徴とする電極。 In the electrodes used as anodes or cathodes,
an alloy powder obtained by pulverizing an alloy molding obtained by compressing a metal powder mixture in which at least three kinds of transition metal powders selected from various transition metals are uniformly mixed and dispersed and then firing the electrode, and a carbon electrode plate having a predetermined area on both sides of which the alloy powder is supported. In the metal powder mixture, the composite work function of the work functions of the selected at least three transition metals is An electrode in which at least three transition metals are selected from the various transition metals so as to approximate the work function, wherein a composite work function of the work functions of the three transition metals is 48Ni-42Cu -10Zn, 48Ni-45Mo-7Mn, 48Fe-48Ni-4Cu, 48Fe-46Ti-6Ag, 48Cu-48Fe-4Zn, or at least the work function of the alloy powder having a composition (weight ratio) of 48Cu-46Fe-6Ag An electrode characterized by:
前記電極製造方法が、各種の遷移金属から選択する少なくとも3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が白金族元素の仕事関数に近似するように、前記各種の遷移金属の中から少なくとも3種類の遷移金属を選択する遷移金属選択工程と、前記遷移金属選択工程によって選択された少なくとも3種類の遷移金属の粉体を均一に混合・分散した金属粉体混合物を作る金属粉体混合物作成工程と、前記金属粉体混合物作成工程によって作られた金属粉体混合物を所定圧力で加圧して金属粉体圧縮物を作る金属粉体圧縮物作成工程と、前記金属粉体圧縮物作成工程によって作られた金属粉体圧縮物を所定温度で焼成してアロイ成形物を作るアロイ成形物作成工程と、前記アロイ成形物作成工程によって作られたアロイ成形物を微粉砕してアロイ粉体を作るアロイ粉体作成工程と、前記アロイ粉体作成工程によって作られたアロイ粉体を所定面積のカーボン電極板の両面に担持させるアロイ粉体担持工程とを有する電極製造方法であって、前記3種類の遷移金属の仕事関数の合成仕事関数が、48Ni-42Cu-10Zn、48Ni-45Mo-7Mn、48Fe-48Ni-4Cu、48Fe-46Ti-6Ag、48Cu-48Fe-4Zn、又は、48Cu-46Fe-6Agの組成(重量比)を有する前記アロイ粉体の仕事関数以上であ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,
At least three transition metals selected from the various transition metals are used so that the combined work function of the work functions of at least three transition metals selected from the various transition metals approximates the work function of the platinum group element. and a metal powder mixture preparation step of preparing a metal powder mixture by uniformly mixing and dispersing powders of at least three types of transition metals selected in the transition metal selection step. a metal powder compact creation step of pressurizing the metal powder mixture created in the metal powder mixture creation step at a predetermined pressure to make a metal powder compact; an alloy molded article producing step for producing an alloy molded article by sintering the compressed metal powder at a predetermined temperature; and an alloy powder carrying step of carrying the alloy powder produced in the alloy powder producing step on both sides of a carbon electrode plate having a predetermined area, wherein the three kinds of transitions The composite work function of the metal work function is 48Ni-42Cu-10Zn, 48Ni-45Mo-7Mn, 48Fe-48Ni-4Cu, 48Fe-46Ti-6Ag, 48Cu-48Fe-4Zn, or a composition of 48Cu-46Fe-6Ag ( weight ratio) is equal to or higher than the work function of the alloy powder .
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