JP7290711B2 - 電気化学セル用多孔質輸送膜を作製する方法 - Google Patents
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Description
さらに、これらの多孔質輸送膜は、電気的にも重要な機能を有しており、セル膜上の触媒に可能な限り大きな電流を大面積にわたり流したり、又は、例えば燃料電池の場合には、その大電流をその膜から流したりすることができる。ここで、電気的な理由から強度のある均一な電流の通過を確保するために、可能な限り閉塞した導電性の表面を形成することが望ましい。それとは反対に、反応体の供給及び反応生成物の排出に関して、各々の生成物を可能な限り少ないエネルギー消費で通過させるのに、可能な限り孔の開いた構造が目的に適っている。
他方では、セル積層体内に所定の積層の高さで可能な限り多くの電気化学セルを配置することができるようにするために、このような多孔質輸送膜は、可能な限り薄いことが望ましい。また、用途によっては、例えば触媒を用いて水を電気分解するPEM電解槽の酸素側で、高価な材料費を考慮して、このような多孔質輸送膜を可能な限り少ない材料費で実現するのに手間がかかる。
本発明によれば、孔版印刷方法で付着されたシート状の要素を多孔質金属膜の処理済み部材上に付着することも想定することができる。これは、特に、両方の膜が異なる結合剤を使用して作製される場合に意味がある。さらには、多孔質膜の金属粉末の粒径は、微多孔質膜の粒径よりも明らかに大きいと考えられ得る。したがって、その作製方法は、膜がその構造に保たれたままであり、境界領域でのみ互いに対して結合されるように制御され得る。
この配置において結合解除が行われる。即ち、第1の熱処理において、多孔質金属膜8及びフォイル10から構成される構造体は、結合剤13が除去され、金属粒子12が多孔質金属膜8上に接触する程度に加熱される。
金属粒子12は、ここで処理済み部材を形成する。この処理済み部材は、多孔質金属膜8と共に別の高温熱処理(焼結)を受けるので、金属粒子12は相互に及び多孔質金属膜と焼結し、即ち、その最終的な幾何学的及び機械的特性に統合され、圧縮される。
その際、結果として金属粒子12と多孔質金属膜8との物質間結合が生じる。この結合は、焼結の代わりに拡散溶接によっても形成され得る。このようにして形成された多孔質輸送膜4は、フェルト構造を有する多孔質金属膜8及びその上方にある微多孔質金属膜9により形成されている。微多孔質金属膜9は、圧延によって、その表面が平滑化されているので、図6に概略的に示されているような表面14が生じる。その表面の平滑化は、場合によっては研磨により又はこれらの加工方法の組み合わせにより行われ得る。その表面の平滑化は、そのように形成された多孔質輸送膜4が触媒膜6に可能な限り全面で接触するのを確保するのに役立つ。
その際、ペースト状又は流体状の物質17の稠度は、織布15を除去した後にもある程度の分散が生じることにより、可能な限り均質で滑らかな表面が形成されるように調節されている。続いて、冒頭に記載された方法のように、第1の熱処理により結合剤が除去され、次に、焼結又は拡散溶接により金属粒子12の相互の結合及び多孔質金属膜8との結合が生じる。表面処理工程は前述のように行われ得る。さらに、結合剤の熱的除去は、化学的除去又はそれら両方の組み合わせに代えられてもよい。
前述の実施例では、対応するフォイル10又は金属粉末と結合剤とを備えた支持フォイルを載置することによってであれ、金属粒子と結合剤とから成る混合物を直接付着させることによってであれ、微多孔質金属膜9は常に多孔質金属膜8の上に成膜されている。しかしながら、図4aに基づいて示されているように、多孔質金属膜8も微多孔質金属膜9と同様に作製することができる。ここで、金属粉末と結合剤とから成る混合物が使用され、その金属粒子12が微多孔質金属膜の金属粒子12よりも明らかに大きく、その結合剤13aが結合剤13と同じ組成を有することも、それとは別の組成を有することもあり得ることがわかる。図4aでは、このような多孔質金属膜の未処理部材8aが示されている。その未処理部材は、その未処理部材の上方にあって後の微多孔質金属膜9を形成する膜の未処理部材と共に加工される。即ち、先ず、両方の膜から結合剤13及び13aが除去されることにより、2つの処理済み部材から成る二層型の処理済み部材が生じ、その二層型の処理済み部材は、後続の焼結工程で焼結されて多孔質輸送膜4になる。このように形成されたこの多孔質輸送膜4は、次に目的に応じて、例えば溶接により物質間結合で双極板1と結合されるので、自己安定性で自己支持形式の部材が生じ、その部材は特に自動化組立プロセスにおいて優れて扱いやすい。
2…経路
3…カソード側の多孔質輸送膜
4…アノード側の多孔質輸送膜
5…カソード側の触媒膜
6…アノード側の触媒膜
7…PEM
8…多孔質金属膜(フェルト)
8a…多孔質金属膜の未処理部材
9…微多孔質金属膜
10…フォイル
11…圧延ロール
12…金属粒子
12a…多孔質金属膜の金属粒子
13…結合剤
13a…多孔質金属膜の未焼結材の結合剤
14…表面
15…織布
16…ドクターブレード
17…ペースト状の物質
Claims (16)
- 電気化学セル用、PEM構造の電解槽用の多孔質輸送膜(4)を作製する方法であって、
前記多孔質輸送膜(4)の一部を形成することになる金属粉末(12)としての金属が結合剤(13)と混合され、続いて、シート状の要素に成形され、又はその混合された混合物が支持フォイル上に塗布され、その後又はその際、多孔質金属膜(8)に、前記シート状の要素又は前記支持フォイル上の混合物を接触させ、第1の熱処理により、前記結合剤(13)及び/又は前記支持フォイルが除去され、第2の熱処理により、前記多孔質金属膜(8)と前記金属粉末(12)とが拡散溶接により結合される、方法。 - 前記シート状の要素は、フォイル(10)に成形されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記フォイル(10)の成形は、押出成形により行われることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 前記フォイル(10)の成形は、前記金属粉末(12)と前記結合剤(13)とからなる混合物を用いる連続鋳造により行われることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 前記フォイル(10)の成形は、圧延により行われることを特徴とする、請求項2~4のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記シート状の要素は、孔版印刷方法によって、前記多孔質金属膜(8)上へ付着されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記金属は、チタン又は少なくとも95重量%のチタンを有するチタン系合金であることを特徴とする、請求項1~6のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記多孔質金属膜(8)は、焼結金属板、金属織布及び/又は金属フェルトにより形成されていることを特徴とする、請求項1~7のうちの1項に記載の方法。
- 前記金属粉末(12)は、45μm未満の最大粒径を有し、前記シート状の要素を作製するのに使用されることを特徴とする、請求項1~8のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記金属粉末(12)は、20μm未満の最大粒径を有することを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 前記金属粉末(12)は、10μm未満の最大粒径を有することを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 前記多孔質輸送膜(4)の表面(14)は、触媒膜(6)に接触するように定められた側で、研磨又は圧延により滑らかにされることを特徴とする、請求項1~11のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記多孔質輸送膜(4)の表面(14)は、触媒膜(6)に接触するように定められた側で化学的に、エッチングにより粗くされることを特徴とする、請求項1~12のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記シート状の要素は、0.04mm~0.2mmの厚さで形成されることを特徴とする、請求項1~13のうちの何れか1項に記載の方法。
- 前記シート状の要素は、0.04mm~0.1mmの厚さで形成されることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- 前記多孔質輸送膜(4)は、双極板に溶接されることを特徴とする、請求項1~15のうちの何れか1項に記載の方法。
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