JPWO2019012947A1 - 金属多孔体、固体酸化物型燃料電池及び金属多孔体の製造方法 - Google Patents

金属多孔体、固体酸化物型燃料電池及び金属多孔体の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明の実施形態に係る金属多孔体は、連続気孔を有する平板状の金属多孔体であって、前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている金属多孔体、である。

Description

本発明は、金属多孔体、固体酸化物型燃料電池及び金属多孔体の製造方法に関する。
本出願は、2017年7月14日出願の日本出願第2017−138136号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
従来、気孔率が高く表面積の大きな金属多孔体の製造方法として、発泡樹脂等の樹脂成形体の表面に金属層を形成する方法が知られている。例えば特開平11−154517号公報(特許文献1)には、樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理し、この上に金属からなる電気めっき層を形成し、必要に応じて樹脂成形体を焼却して除去することにより金属多孔体を製造する方法が記載されている。
また、特開2012−132083号公報(特許文献2)では、耐酸化性及び耐食性を有するとともに気孔率が大きく、各種電池、キャパシタ、燃料電池等の集電体に適した金属多孔体として、ニッケルスズ合金からなる金属多孔体が提案されている。更に、特開2012−149282号公報(特許文献3)では、高い耐食性を有する金属多孔体として、ニッケルクロム合金からなる金属多孔体が提案されている。
特開平11−154517号公報 特開2012−132083号公報 特開2012−149282号公報
本発明の一態様に係る金属多孔体は、
連続気孔を有する板状の金属多孔体であって、
前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている、
金属多孔体である。
本発明の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
上記の本発明の一態様に係る金属多孔体を製造する方法であって、
連続気孔を有する平板状の多孔体基材を用意する工程と、
前記多孔体基材の骨格の表面に銀をめっきする工程と、
を有し、
前記多孔体基材の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有する、
金属多孔体の製造方法である。
図1は、三次元網目状構造の骨格を有する金属多孔体の一例の、骨格の構造を示す拡大写真である。 図2、本発明の実施形態に係る金属多孔体の一例の、部分断面の概略を表す拡大図である。 図3は、金属多孔体における銀層の平均膜厚を測定する方法において、平面的に見た金属多孔体上にエリアA〜エリアEを定めた状態の一例を表す概略図である。 図4は、図3に示す金属多孔体のエリアAにおける骨格の断面(図2のA−A線断面)を走査型電子顕微鏡で観察した場合の像の概略を表す図である。 図5は、図4に示す銀層11を走査型電子顕微鏡で拡大して観察した場合の、視野(i)の一例を表す概略図である。 図6は、図4に示す銀層11を走査型電子顕微鏡で拡大して観察した場合の、視野(ii)の一例を表す概略図である。 図7は、図4に示す銀層11を走査型電子顕微鏡で拡大して観察した場合の、視野(iii)の一例を表す概略図である。 図8は、三次元網目状構造を有する多孔体基材の一例の、部分断面の概略を表す図である。 図9は、三次元網目状構造の骨格を有する樹脂成形体の一例の、発泡ウレタン樹脂の写真である。 図10は、実施例で作製した金属多孔体No.1の骨格の断面(図2のA−A線断面)を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。 図11は、実施例で作製した金属多孔体No.1の骨格の断面(図2のA−A線断面)のニッケルの分布をエネルギー分散型分光法で測定した結果を示す図である。 図12は、実施例で作製した金属多孔体No.1の骨格の断面(図2のA−A線断面)のクロムの分布をエネルギー分散型分光法で測定した結果を示す図である。 図13は、実施例で作製した金属多孔体No.1の骨格の断面(図2のA−A線断面)の銀の分布をエネルギー分散型分光法で測定した結果を示す図である。
[本開示が解決しようとする課題]
各種燃料電池のなかでも、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC、以下「SOFC」とも記す)は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)やリン酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell:PAFC)に比べて高温で作動させる必要があるが、発電効率が高い、白金等の高価な触媒を必要としない、排熱を利用できるなどの利点を有するため、開発が盛んに進められている。
前記SOFCは、固体酸化物から形成された固体電解質層と、この固体電解質層を挟んで両側に積層形成された電極層とを備えて構成されている。また、電極で生成される電子を収集して取り出すために多孔質の集電体が設けられている。この集電体は電極に供給されるガスを拡散して効率よく発電させるためにガス拡散層としての機能を備えている場合が多い。
燃料電池のガス拡散層には、一般に、カーボン構造体やステンレス鋼(SUS)構造体が利用されている。カーボン構造体やSUS構造体にはガス流路となる溝が形成されている。溝の幅は約500μm程度であり、一繋がりの線状になっている。溝は、カーボン構造体やSUS構造体が電解質と接触する面の面積の約1/2程度に設けられているため、ガス拡散層の気孔率は50%程度である。
上記のようなガス拡散層は気孔率がそれほど高くなく、また、圧力損失も大きいため、燃料電池を小型化しつつ出力を大きくすることが困難であった。
本発明者等は、燃料電池の集電体兼ガス拡散層としてカーボン構造体やSUS構造体の代わりに三次元網目状構造の骨格を有する金属多孔体を用いることを検討した。
SOFCは800℃程度の高温で作動させるため、集電体兼ガス拡散層として金属多孔体を用いるには高耐熱性を備えている必要がある。また、空気極側では高温下で酸化が進行するため、耐酸化性も要求される。
高耐熱性に優れた金属多孔体としては、例えば、骨格がニッケルクロム(NiCr)合金やニッケルクロムスズ(NiCrSn)合金からなる金属多孔体が挙げられる。これらの金属多孔体は更に耐食性や耐酸化性も備えており、SOFCの酸素極用の集電体兼ガス拡散層として好適である。
しかしながら、高耐熱性の効果を高めるためにクロム(Cr)の含有量を多くすると、クロムは800℃程度の高温下では昇華して飛散してしまい、燃料電池の触媒性能を低下させてしまう虞がある。また、クロムは導電性が低いため、SOFCの酸素極において集電性能を高めるという点においても改良の余地がある。
そこで本発明は上記問題点に鑑み、高耐熱性を有し、かつ導電性が高く、SOFCの酸素極用の集電体兼ガス拡散層としても好適に用いることが可能な金属多孔体を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
本開示によれば、高耐熱性を有し、かつ導電性が高く、SOFCの酸素極用の集電体兼ガス拡散層としても好適に用いることが可能な金属多孔体を提供することができる。
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係る金属多孔体は、
連続気孔を有する板状の金属多孔体であって、
前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている、
金属多孔体、である。
上記(1)に記載の発明の態様によれば、高耐熱性を有し、かつ導電性が高く、SOFCの酸素極用の集電体兼ガス拡散層としても好適に用いることが可能な金属多孔体を提供することができる。
(2)上記(1)に記載の金属多孔体は、
前記合金層が更にスズを含有することが好ましい。
上記(2)に記載の発明の態様によれば、より高い耐食性を有する複合金属多孔体を提供することができる。
(3)上記(1)又は上記(2)に記載の金属多孔体は、
前記合金層が、Niを主成分とするNiCr合金又はNiを主成分とするNiSnCr合金であることが好ましい。
上記(3)に記載の発明の態様によれば、耐食性が高く、また高強度の金属多孔体を提供することができる。
なお、前記合金層の主成分とは、前記合金層において占める割合が最も多い成分のことをいうものとする。
(4)上記(1)から上記(3)のいずれか一項に記載の金属多孔体は、
前記銀層の平均膜厚が1μm以上であることが好ましい。
上記(4)に記載の発明の態様によれば、より高い導電性を有する金属多孔体を提供することができる。
(5)上記(1)から上記(4)のいずれか一項に記載の金属多孔体は、
前記骨格の形状が三次元網目状構造であることが好ましい。
(6)上記(1)から上記(5)のいずれか一項に記載の金属多孔体は、
気孔率が60%以上、98%以下であることが好ましい。
(7)上記(1)から上記(6)のいずれか一項に記載の金属多孔体は、
平均気孔径が50μm以上、5000μm以下であることが好ましい。
上記(5)から上記(7)に記載の発明の態様によれば、軽量でかつ表面積が大きく、燃料電池のガス拡散層として使用した場合にガスの拡散性能の高い金属多孔体を提供することができる。
(8)上記(1)から上記(7)のいずれか一項に記載の金属多孔体は、
厚みが500μm以上、5000μm以下であることが好ましい。
上記(8)に記載の発明の態様によれば、軽量でかつ強度が高い金属多孔体を提供することができる。
なお、上記の金属多孔体の厚みとは、平板状の金属多孔体の主面同士の間隔をいうものとする。
(9)本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池は、
上記(1)から上記(8)のいずれか一項に記載の金属多孔体をガス拡散層として備える固体酸化物型燃料電池、である。
上記(9)に記載の発明の態様によれば、発電効率が高く、小型で軽量な固体酸化物型燃料電池を提供することができる。
(10)本発明の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
上記(1)に記載の金属多孔体を製造する方法であって、
連続気孔を有する平板状の多孔体基材を用意する工程と、
前記多孔体基材の骨格の表面に銀をめっきする工程と、
を有し、
前記多孔体基材の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有する、
金属多孔体の製造方法である。
上記(10)に記載の発明の態様によれば、上記(1)に記載の金属多孔体を製造する方法を提供することができる。
(11)上記(10)に記載の金属多孔体の製造方法は、
前記多孔体基材の骨格の形状が三次元網目状構造であることが好ましい。
上記(11)に記載の発明の態様によれば、上記(5)に記載の金属多孔体を製造する方法を提供することができる。
[本発明の実施態様の詳細]
本発明の実施態様に係る金属多孔体、固体酸化物型燃料電池及び金属多孔体の製造方法の具体例を、以下に、より詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
<金属多孔体>
本発明の実施形態に係る金属多孔体は連続気孔を有し、全体として平板状の形状をしている。金属多孔体において連続気孔は対向する主面を貫通するように形成されていればよい。金属多孔体の表面積を大きくする観点からは、なるべく多くの連続気孔が形成されていることが好ましい。金属多孔体の骨格の形状としては、例えば、パンチングメタルやエキスパンドメタルのようなメッシュ状のものや、三次元網目状構造のようなものが挙げられる。
金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に、銀層が形成されている。前記銀層はニッケルやクロムを含有する合金層の表面全体を覆うのが好ましい。ここで表面全体を覆うとは、ニッケルやクロムを含有する合金層が表面に全く露出しない状態の他、SOFCの性能を損なわない程度においてピンホール、欠け等によりニッケルやクロムを含有する合金層が一部露出している状態も含む。
従来のクロムを含有する金属多孔体は、SOFCのガス拡散層として用いると高温下でクロムが昇華して触媒性能を低下させたり、骨格の強度が低下したりする虞があったが、本発明の実施形態に係る金属多孔体は骨格の表面に銀層が形成されているためクロムの昇華を抑制することができる。クロムは800℃程度の高温環境下でも銀層中に殆ど拡散しない。このため本発明の実施形態に係る金属多孔体は、SOFCの空気極のガス拡散層として用いた場合にも、触媒性能を低下させたり、骨格の強度を低下させたりすることがなく、発電効率が高いSOFCを提供することができる。更に、金属多孔体の骨格の表面に形成されている銀層は導電性が非常に高いため、本発明の実施形態に係る金属多孔体は燃料電池においてガス拡散層としてだけでなく集電体としても良好に機能する。
前記銀層は、平均膜厚が1μm以上であることが好ましい。銀層の平均膜厚が1μm以上であることにより、金属多孔体をSOFCのガス拡散層として用いた場合にクロムの昇華を十分に抑制することができる。また、クロムの昇華の抑制の効果は、銀層の厚みが50μm程度で飽和するため、金属多孔体の製造コストや気孔率を大きくする観点からは、銀層の平均膜厚は50μm以下程度であることが好ましい。これらの観点から、銀層の平均膜厚は、3μm以上、30μm以下であることがより好ましく、5μm以上、20μm以下であることが更に好ましい。
前記合金層は、ニッケルを主成分とするクロムとの合金であるNiCr合金が好ましい。更には、耐食性の向上等を目的として更にスズを含有してもよい。例えば、前記合金層は、ニッケルを主成分とするスズとクロムとの合金であるNiSnCr合金であることが好ましい。Niを主成分とするNiCr合金やNiを主成分とするNiSnCr合金であることにより、耐食性が高く、高強度の金属多孔体となる。
なお、金属多孔体の骨格には前記合金の他にも、意図的又は不可避的に他の成分が含まれていてもよい。例えば、耐食性や強度の向上を目的としてアルミニウムやチタン、モリブデン、タングステン等が含まれていてもよい。
前記金属多孔体におけるクロムの含有率は、3質量%以上、50質量%以下程度であることが好ましい。金属多孔体におけるクロムの含有率が3質量%以上であることにより金属多孔体の骨格の耐食性を高め、かつ高強度にすることができる。また、金属多孔体におけるクロムの含有率が50質量%以下であることにより、クロマイズ処理の時間を短くでき生産性が向上する。これらの観点から、金属多孔体におけるクロムの含有率は5質量%以上、47質量%以下であることがより好ましく、10質量%以上、45質量%以下であることが更に好ましい。
前記合金層がスズを含有する場合には、金属多孔体におけるスズの含有率は3質量%以上、50質量%以下程度であることが好ましい。金属多孔体におけるスズの含有率が3質量%以上であることにより金属多孔体の骨格の耐食性を高め、かつ高強度にすることができる。また、金属多孔体におけるスズの含有率が50質量%以下であることにより、スズめっきの時間を短くでき生産性が向上する。これらの観点から、金属多孔体におけるスズの含有率は5質量%以上、47質量%以下であることがより好ましく、10質量%以上、45質量%以下であることが更に好ましい。
前述のように金属多孔体の骨格の形状はメッシュ状のものであってもよいが、三次元網目状構造であることがより好ましい。骨格の形状が三次元網目状構造の場合には、パンチングメタルやエキスパンドメタルのような形状のものよりも更に表面積を大きくすることができる。また、骨格の形状がより複雑であるため、燃料電池のガス拡散層として用いた場合に、ガスをより多く拡散させることができる。
以下では、金属多孔体の骨格の形状が三次元網目状構造である場合を例にして本発明の実施形態に係る金属多孔体をより詳細に説明する。
図1に、本発明の実施形態に係る金属多孔体の一例の、三次元網目状構造の骨格を写した拡大写真を示す。また、図1に示す金属多孔体の断面を拡大視した拡大模式図を図2に示す。
骨格の形状が三次元網目状構造を有する場合には、典型的には図2に示すように、金属多孔体10の骨格13の内部14は中空になっている。そして、骨格13は合金層12の表面に銀層11が形成された構造となっている。また、金属多孔体10は連続気孔を有しており、骨格13によって気孔部15が形成されている。
なお、図2では銀層11の厚みを合金層12と同程度に示しているが、前述のように銀層11の平均膜厚は1μm以上、50μm以下であることが好ましく、銀層11の厚みは合金層12よりも薄いものである。銀層11の平均膜厚は、金属多孔体10の骨格13の断面を以下のようにして電子顕微鏡によって観察することにより測定されるものをいうものとする。銀層11の平均膜厚の測定方法の概略を図3〜図7に示す。
まず、例えば、図3に示すように、平面的に見て平板状の金属多孔体10を任意にエリア分けし、測定箇所として5箇所(エリアA〜エリアE)を選択する。そして、各エリアにおいて金属多孔体10の骨格13を任意に1箇所選択し、走査型電子顕微鏡(SEM)によってその骨格の、図2に示すA−A線断面を観察する。金属多孔体10の骨格13のA−A線断面は、図4に示すように、略三角形状をしている。図4に示す例では、金属多孔体10の骨格の内部14は中空であり、その中空部に面して合金層12の膜が有る。そして、銀層11は合金層12の外側表面を覆うようにして形成されている。
SEMによって骨格のA−A線断面全体を観察することができたら倍率を更に上げ、銀層11の厚み方向の全体が確認でき、かつ、出来得る限り一視野内で厚み方向が大きく見えるように設定する。そして、視野を変えて同じ骨格のA−A線断面について異なる3つの視野で銀層11の最大厚みと最小厚みを測定する。全てのエリアにおいて、1箇所の任意の骨格のA−A線断面について3つの視野で銀層の最大厚みと最小厚みを測定し、それらを平均したものを銀層の平均膜厚という。
例として、図5に、図3に示す金属多孔体10のエリアAにおける任意の1箇所の骨格のA−A線断面をSEMによって観察した場合の視野(i)の概念図を示す。同様に、図6には同じ骨格のA−A線断面の別の視野(ii)の概念図を、図7にはさらに別の視野(iii)の概念図を示す。
エリアAにおける任意の1箇所の骨格のA−A線断面における銀層11をSEMで観察した場合の視野(i)〜視野(iii)のそれぞれにおいて、銀層11の厚みが最大となる厚み(最大厚みA(i)、最大厚みA(ii)、最大厚みA(iii))と、銀層11の厚みが最小となる厚み(最小厚みa(i)、最小厚みa(ii)、最小厚みa(iii))を測定する。銀層11の厚みとは、合金層12の表面から垂直方向に伸びる銀層11の長さをいうものとする。なお、銀層11と合金層12との間に銀合金層が形成されている場合には、前記銀層11の厚みとは、合金層12の表面から垂直方向に伸びる銀合金層と銀層11の長さの合計をいうものとする。
これにより、エリアAにおける任意の1箇所の骨格のA−A線断面について、異なる3つの視野の最大厚みA(i)〜最大厚みA(iii)と、最小厚みa(i)〜最小厚みa(iii)が決定する。エリアB、C、D、EについてもエリアAと同様にして、任意の1箇所の骨格のA−A線断面について3つの視野における銀層11の最大厚みと最小厚みを測定する。
以上のようにして測定された銀層11の、最大厚みA(i)〜最大厚みE(iii)と、最小厚みa(i)〜最小厚みe(iii)の平均を銀層11の平均膜厚という。
本発明の実施形態に係る金属多孔体は、気孔率が60%以上、98%以下であることが好ましい。金属多孔体の気孔率が60%以上であることにより金属多孔体を非常に軽量なものとすることができ、更には、金属多孔体を燃料電池のガス拡散層として用いた場合にガスの拡散性を高めることができる。また、金属多孔体の気孔率が98%以下であることにより、金属多孔体を十分な強度のものとすることができる。これらの観点から、金属多孔体の気孔率は70%以上、98%以下であることがより好ましく、80%以上、98%以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の気孔率は次式で定義される。

気孔率(%)=(1−(Mp/(Vp×dp)))×100
Mp:金属多孔体の質量[g]
Vp:金属多孔体における外観の形状の体積[cm
dp:金属多孔体を構成する金属の密度[g/cm
金属多孔体の平均気孔径は50μm以上、5000μm以下であることが好ましい。平均気孔径が50μm以上であることにより、金属多孔体の強度を高めることができ、更には、金属多孔体を燃料電池のガス拡散層として用いた場合にガスの拡散性を高めることができる。平均気孔径が5000μm以下であることにより、金属多孔体の曲げ性を高めることができる。これらの観点から、金属多孔体の平均気孔径は100μm以上、500μm以下であることがより好ましく、150μm以上、400μm以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の平均気孔径とは、金属多孔体の表面を顕微鏡等で観察し、1インチ(25.4mm)あたりの気孔数を計数し、平均気孔径=25.4mm/気孔数として算出されるものをいうものとする。
金属多孔体の厚みは500μm以上、5000μm以下であることが好ましい。金属多孔体の厚みが500μm以上であることにより、十分な強度を有し、また、燃料電池のガス拡散層として用いた場合にガスの拡散性能が高い金属多孔体とすることができる。金属多孔体の厚みが5000μm以下であることにより、軽量な金属多孔体とすることができる。これらの観点から金属多孔体の厚みは、600μm以上、2000μm以下であることがより好ましく、700μm以上、1500μm以下であることが更に好ましい。
<固体酸化物燃料電池>
本発明の実施形態に係る固体酸化物燃料電池は、上記の本発明の実施形態に係る金属多孔体をガス拡散層として備えていればよく、他の構成は従来の固体酸化物型燃料電池と同様の構成を採用することができる。なお、本発明の実施形態に係る金属多孔体はガス拡散層としてだけでなく集電体としても作用させることができる。
一般に固体酸化物燃料電池は800℃程度の高温で動作するものであり、従来は、ガス拡散層や集電体としてクロムを含む材料を用いるとクロムが昇華して飛散し、触媒性能を低下させてしまう虞があった。また、スズが含まれている場合には、スズも昇華して飛散してしまうため、ガス拡散層や集電体が脆化してしまう虞があった。
本発明の実施形態に係る固体酸化物燃料電池は、ガス拡散層として用いる金属多孔体中にクロムやスズが含まれているが、金属多孔体の骨格の表面に銀層が形成されているためクロムやスズが飛散することがない。このため本発明の実施形態に係る金属多孔体は、触媒性能が低下したり、ガス拡散層が脆化したりする心配がない。更には、金属多孔体は気孔率が高いためガスを効率よく拡散させることができ、導電性も高いため、発電効率が高い固体酸化物型燃料電池を提供することができる。
<金属多孔体の製造方法>
本発明の実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、上記の本発明の実施形態に係る金属多孔体を製造する方法であって、連続気孔を有する平板状の多孔体基材を用意する工程と、前記多孔体基材の骨格の表面に銀をめっきする工程と、を有するものである。以下に各工程を詳述する。
(用意工程)
用意工程は、連続気孔を有し、全体として平板状の形状をしている多孔体基材を用意する工程である。前記多孔体基材は本発明の実施形態に係る金属多孔体における基材、すなわち合金層12となるものである。このためこの工程で用意する多孔体基材は、骨格の形状がパンチングメタルやエキスパンドメタルのようなメッシュ状のものでもよいが、三次元網目状構造のものであることがより好ましい。
また、前記多孔体基材は骨格がニッケル及びクロムを含有するものであればよい。多孔体基材の骨格には更にスズが含まれていてもよい。クロムとスズの含有率は、本発明の実施形態に係る金属多孔体において説明した合金層についての含有率と同様である。
図8に三次元網目状構造の骨格を有する多孔体基材の一例の断面を拡大視した拡大模式図を示す。図8に示すように、多孔体基材80の骨格83は合金層82によって形成されている。多孔体基材80は、典型的には骨格83の内部84が中空になっている。また、多孔体基材80は連続気孔を有しており、骨格83によって気孔部85が形成されている。
三次元網目状構造の骨格を有する多孔体基材としては、例えば、住友電気工業株式会社製のセルメット(Niを主成分とする金属多孔体。「セルメット」は登録商標)を好ましく用いることができる。
多孔体基材80の骨格の表面に銀層を形成することで本発明の実施形態に係る金属多孔体が形成されるため、金属多孔体の気孔率や平均気孔径は、多孔体基材80の気孔率や平均気孔径と略等しくなる。このため、多孔体基材80の気孔率や平均気孔径は、製造目的である金属多孔体の気孔率や平均気孔径に応じて適宜選択すればよい。多孔体基材80の気孔率及び平均気孔径は、前記金属多孔体の気孔率及び平均気孔径と同様に定義される。
所望の多孔体基材を市場から入手することが出来ない場合には、以下の方法によって製造してもよい。
まず、三次元網目状構造の骨格を有するシート状の樹脂成形体(以下、単に「樹脂成形体」とも記す)を用意する。樹脂成形体としては、ウレタン樹脂やメラミン樹脂等を用いることができる。図9に三次元網目状構造の骨格を有する発泡ウレタン樹脂の写真を示す。
続いて、樹脂成形体の骨格の表面に導電層を形成する導電化処理工程を行なう。導電化処理は、例えば、カーボンや導電性セラミック等の導電性粒子を含有した導電性塗料を塗布したり、無電解めっき法によってニッケルや銅等の導電性金属による層を形成したり、蒸着法やスパッタリング法によってアルミニウム等の導電性金属による層を形成したりすることによって行なうことができる。
続いて、骨格の表面に導電層を形成した樹脂成形体を基材として用いて、ニッケルを電気めっきする工程を行なう。ニッケルの電気めっきは公知の手法によって行なえばよい。
多孔体基材にクロムやスズを含有させてNiを主成分とするNiCr合金又はNiを主成分とするNiSnCr合金を製造するには、例えば、導電化処理工程において、前記導電性塗料にクロム粉末やスズ粉末を混ぜて用いればよい。
また、ニッケル製の多孔質基材をクロマイジング処理したり、更に、スズをめっきして熱処理したりすることによってNiCr合金やNiSnCr合金の形成を行なってもよい。
クロマイジング処理は、ニッケル製の多孔質基材にクロムを拡散浸透させることができる処理であればよく、公知の手法を採用できる。例えば、ニッケル製の多孔質基材にクロム粉末、ハロゲン化物、アルミナ粉末を混合した浸透材を充填して還元性雰囲気で加熱する粉末パック法を採用することができる。また、浸透材とニッケル製の多孔質基材を離間して配置し、還元性雰囲気中で加熱し、浸透材のガスを形成して多孔質基材の表面のニッケルに浸透材を浸透させることもできる。
スズのめっきは、例えば、次のようにして行うことができる。すなわち、硫酸浴として、硫酸第一スズ55g/L、硫酸100g/L、クレゾールスルホン酸100g/L、ゼラチン2g/L、βナフトール1g/Lの組成のめっき液を用意し、陰極電流密度を2A/dm、陽極電流密度を1A/dm以下とし、温度を20℃、攪拌(陰極揺動)を2m/分とすることで、スズをめっきすることができる。
最後に、熱処理等により、基材として用いた樹脂成形体を除去する除去工程を行なうことにより、三次元網目状構造の骨格を有する多孔体基材を得ることができる。
多孔体基材の気孔率や平均気孔径は、基材として用いる樹脂成形体の気孔率や平均気孔径と略等しくなる。このため、製造目的である多孔体基材の気孔率や平均気孔径に応じて樹脂成形体の気孔率や平均気孔径を適宜選択すればよい。樹脂成形体の気孔率及び平均気孔径は、前述の金属多孔体の気孔率及び平均気孔径と同様に定義される。
(銀めっき工程)
銀めっき工程は、前記多孔体基材の骨格の表面に銀をめっきする工程である。
銀のめっき方法は特に限定されるものではなく、公知の方法によって行なうことができる。例えば、メタンスルホン酸銀系のめっき浴中で電気めっきすることによって行なうことが好ましい。また、銀めっきの前に銀ストライクめっきを行なうことが好ましい。
<水素の製造方法、及び水素の製造装置>
本発明の実施形態に係る金属多孔体は、例えば、燃料電池用のガス拡散層や、水電解による水素製造用の電極に好適に使用できる。水素の製造方式には、大きく分けて[1]アルカリ水電解方式、[2]PEM(Polymer Electrolyte Membrance)方式、及び[3]SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)方式があり、いずれの方式にも金属多孔体を用いることができる。
前記[1]のアルカリ水電解方式では、強アルカリ水溶液に陽極と陰極を浸漬し、電圧を印加することで水を電気分解する方式である。金属多孔体を電極として使用することで水と電極の接触面積が大きくなり、水の電気分解の効率を高めることができる。
アルカリ水電解方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は平面的に見た場合の平均気孔径が100μm以上、5000μm以下であることが好ましい。金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径が100μm以上であることにより、発生した水素・酸素の気泡が金属多孔体の気孔部に詰まって水と電極との接触面積が小さくなることを抑制することができる。また、金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径が5000μm以下であることにより電極の表面積が十分に大きくなり、水の電気分解の効率を高めることができる。同様の観点から、金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径は400μm以上、4000μm以下であることがより好ましい。
金属多孔体の厚さや金属の目付量は、電極面積が大きくなるとたわみなどの原因となるため、設備の規模によって適宜選択すればよい。金属の目付量としては200g/m以上、2000g/m以下程度であることが好ましく、300g/m以上、1200g/m以下程度であることがより好ましく、400g/m2以上、1000g/m以下程度であることが更に好ましい。気泡の抜けと表面積の確保を両立するために、異なる平均気孔径を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて使うこともできる。
前記[2]のPEM方式は、固体高分子電解質膜を用いて水を電気分解する方法である。固体高分子電解質膜の両面に陽極と陰極を配置し、陽極側に水を流しながら電圧を印加することで、水の電気分解により発生した水素イオンを、固体高分子電解質膜を通して陰極側へ移動させ、陰極側で水素として取り出す方式である。動作温度は100℃程度である。水素と酸素で発電して水を排出する固体高分子型燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。陽極側と陰極側は完全に分離されているため、純度の高い水素を取り出せる利点がある。陽極・陰極共に電極を透過させて水・水素ガスを通す必要があるため、電極には導電性の多孔体が必要である。
本発明の実施形態に係る金属多孔体は高い気孔率と良好な電気伝導性を備えているため、固体高分子型燃料電池に好適に使用できるのと同じように、PEM方式の水電解にも好適に使用できる。PEM方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は平面的に見た場合の平均気孔径が150μm以上、1000μm以下であることが好ましい。金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径が150μm以上であることにより、発生した水素・酸素の気泡が金属多孔体の気孔部に詰まって水と固体高分子電解質膜との接触面積が小さくなってしまうことを抑制することができる。また、金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径が1000μm以下であることにより十分な保水性を確保することができ、反応する前に水が通り抜けてしまうことを抑制して、効率よく水の電気分解を行なうことができる。同様の観点から、金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径は、200μm以上、700μm以下であることがより好ましく、300μm以上、600μm以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の厚さや金属の目付量は、設備の規模によって適宜選択すればよいが、気孔率が小さくなり過ぎると水を通過させるための圧力損失が大きくなるため、気孔率は30%以上となるように厚みと金属の目付量を調整することが好ましい。また、PEM方式では固体高分子電解質膜と電極の導通は圧着になるため、加圧時の変形・クリープによる電気抵抗増加が、実用上問題ない範囲になるように金属の目付属量を調節する必要がある。
金属の目付量としては200g/m以上、2000g/m以下程度であることが好ましく、300g/m以上、1200g/m以下程度であることがより好ましく、400g/m2以上、1000g/m以下程度であることが更に好ましい。他、気孔率の確保と電気的接続の両立のために、異なる平均気孔径を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて使うこともできる。
前記[3]のSOEC方式は、固体酸化物電解質膜を用いて水を電気分解する方法で、電解質膜がプロトン伝導膜か酸素イオン伝導膜かによって構成が異なる。酸素イオン伝導膜では、水蒸気を供給する陰極側で水素が発生するため、水素純度が下がる。そのため、水素製造の観点からはプロトン伝導膜を用いることが好ましい。
プロトン伝導膜の両側に陽極と陰極を配置し、陽極側に水蒸気を導入しながら電圧を印加することで、水の電気分解により発生した水素イオンを、固体酸化物電解質膜を通して陰極側へ移動させ、陰極側で水素のみを取り出す方式である。動作温度は600℃以上、800℃以下程度である。水素と酸素で発電して水を排出する固体酸化物型燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。
陽極・陰極共に電極を透過させて水蒸気・水素ガスを通す必要があるため、電極には導電性かつ、特に陽極側で高温の酸化雰囲気に耐える多孔体が必要である。本発明の実施形態に係る金属多孔体は高い気孔率と良好な電気伝導性と高い耐酸化性・耐熱性を備えているため、固体酸化物型燃料電池に好適に使用できるのと同じように、SOEC方式の水電解にも好適に使用できる。酸化性雰囲気となる側の電極には、高い耐酸化性が要求されるため、クロムやスズを含む金属多孔体を使用することが好ましい。
SOEC方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は平面的に見た場合の平均気孔径が150μm以上、1000μm以下であることが好ましい。金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径が150μm以上であることにより、水蒸気や発生した水素が金属多孔体の気孔部に詰まって水蒸気と固体酸化物電解質膜との接触面積が小さくなってしまうことを抑制することができる。また、金属多孔体を平面的に見た場合平均気孔径が1000μm以下であることにより、圧損が低くなりすぎて水蒸気が十分に反応する前に通り抜けてしまうことを抑制することができる。同様の観点から、金属多孔体を平面的に見た場合の平均気孔径は、200μm以上、700μm以下であることがより好ましく、300μm以上、600μm以下であることが更に好ましい。
金属多孔体の厚さや金属の目付量は、設備の規模によって適宜選択すればよいが、気孔率が小さくなり過ぎると水蒸気を投入するための圧力損失が大きくなるため、気孔率は30%以上となるように厚みと金属の目付量を調整することが好ましい。また、SOEC方式では固体酸化物電解質膜と電極の導通は圧着になるため、加圧時の変形・クリープによる電気抵抗増加が、実用上問題ない範囲になるように金属の目付量を調節する必要がある。金属の目付量としては200g/m以上、2000g/m以下程度であることが好ましく、300g/m以上、1200g/m以下程度であることがより好ましく、400g/m以上、1000g/m以下程度であることが更に好ましい。他、気孔率の確保と電気的接続の両立のために、異なる平均気孔径を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて使うこともできる。
<付記>
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
金属多孔体を電極として用いて、水を電気分解することによって水素を発生させる方法であって、
前記金属多孔体は連続気孔を有する平板状の金属多孔体であり、
前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている、
水素の製造方法。
(付記2)
前記合金層は更にスズを含有する、付記1に記載の水素の製造方法。
(付記3)
前記合金層は、Niを主成分とするNiCr合金又はNiを主成分とするNiSnCr合金とする、付記1又は付記2に記載の水素の製造方法。
(付記4)
前記銀層は、平均膜厚が1μm以上である、付記1から付記3のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記5)
前記骨格の形状が三次元網目状構造である、付記1から付記4のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記6)
前記金属多孔体は、気孔率が60%以上、98%以下である、付記1から付記5のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記7)
前記金属多孔体は、平均気孔径が50μm以上、5000μm以下である、付記1から付記6のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記8)
前記金属多孔体は、厚みが500μm以上、5000μm以下である、付記1から付記7のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記9)
前記水が強アルカリ水溶液である付記1から付記8のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記10)
固体高分子電解質膜の両側に前記金属多孔体を配置して前記固体高分子電解質膜と前記金属多孔体とを接触させ、それぞれの金属多孔体を陽極及び陰極として作用させ、前記陽極側に水を供給して電気分解することによって、前記陰極側に水素を発生させる、付記1から付記8のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記11)
固体酸化物電解質膜の両側に前記金属多孔体を配置して前記固体高分子電解質膜と前記金属多孔体とを接触させ、それぞれの金属多孔体を陽極及び陰極として作用させ、前記陽極側に水蒸気を供給して水を電気分解することによって、前記陰極側に水素を発生させる、付記1から付記8のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
(付記12)
水を電気分解することによって水素を発生させることが可能な水素の製造装置であって、
電極として連続気孔を備える平板状の金属多孔体を備え、
前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている、
水素の製造装置。
(付記13)
前記合金層は更にスズを含有する、付記12に記載の水素の製造装置。
(付記14)
前記合金層は、Niを主成分とするNiCr合金又はNiを主成分とするNiSnCr合金である、付記12又は付記13に記載の水素の製造装置。
(付記15)
前記銀層は平均膜厚が1μm以上である、付記12から付記14のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記16)
前記骨格の形状が三次元網目状構造である、付記12から付記15のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記17)
前記金属多孔体は、気孔率が60%以上、98%以下である、付記12から付記16のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記18)
前記金属多孔体は、平均気孔径が50μm以上、5000μm以下である、付記12から付記17のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記19)
前記金属多孔体は、厚みが500μm以上、5000μm以下である、付記12から付記18のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記20)
前記水が強アルカリ水溶液である、付記12から付記19のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記21)
固体高分子電解質膜の両側に陽極及び陰極を有し、
前記陽極及び前記陰極は前記固体高分子電解質膜と接触しており、
前記陽極側に供給された水を電気分解することによって前記陰極側に水素を発生させることが可能な水素の製造装置であって、
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方に前記金属多孔体を用いる、付記12から付記19のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
(付記22)
固体酸化物電解質膜の両側に陽極及び陰極を有し、
前記陽極及び前記陰極は前記固体高分子電解質膜と接触しており、
前記陽極側に供給された水蒸気を電気分解することによって前記陰極側に水素を発生させることが可能な水素の製造装置であって、
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方に前記金属多孔体を用いる、付記12から付記19のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、これらの実施例は例示であって、本発明の金属多孔体等はこれらに限定されるものではない。本発明の範囲は請求の範囲の記載によって示され、請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
(実施例1)
−用意工程−
三次元網目状構造の骨格を有し、クロムの含有率が27質量%でNiを主成分とする多孔体基材No.1(住友電気工業株式会社製のセルメット、「セルメット」は登録商標)を用意した。
多孔体基材No.1は厚みが1200μmであり、気孔率が96%、平均気孔径が440μmであった。
−銀めっき工程−
上記で用意した多孔体基材No.1の骨格の表面に目付量が520g/mとなるように銀をめっきして金属多孔体No.1を得た。
銀のめっきは、シアン化銀カリウム2g/L、シアン化ナトリウム100g/Lの組成の銀めっき液を用い、めっき液の温度を25℃とし、電流密度を2A/dmとし、陽極にステンレス板を用いて20分間通電することにより行なった。なお、電流密度は多孔質基材のみかけの面積を基準としたものである。
(実施例2)
−用意工程−
三次元網目状構造の骨格を有し、クロムの含有率が5質量%でスズの含有率が15質量%の、Niを主成分とする多孔体基材No.2を用意した。
多孔体基材No.2は、厚みが1200μmであり、気孔率が96%、平均気孔径が440μmで、クロムの含有率が6質量%のセルメット(住友電気工業株式会社製、「セルメット」は登録商標)の骨格の表面に目付量が32g/mとなるようにスズをめっきし、1000℃で15分間熱処理することにより作製した。
スズのめっきは、硫酸第一スズ55g/L、硫酸100g/L、クレゾールスルホン酸100g/L、ゼラチン2g/L、βナフトール1g/Lの組成のスズめっき液を用い、めっき液の温度を20℃とし、電流密度を2A/dmとして行なった。
−銀めっき工程−
上記で用意した多孔体基材No.2の骨格の表面に目付量が520g/mとなるように銀をめっきして金属多孔体No.2を得た。
銀のめっきは実施例1と同様にして行なった。
−評価−
実施例において作製した金属多孔体No.1は、気孔率が95%であり、平均気孔径は420μmであった。また、金属多孔体No.1の銀層の平均膜厚を電子顕微鏡像で計測したところ、10μmであった。
(電子顕微鏡観察)
金属多孔体No.1の骨格の断面(図2のA−A線断面)をSEMによって観察した写真を図10に示す。図10に示すように、合金層12の表面に銀層11が形成されていることが確認できた。
(熱処理)
金属多孔体No.1を大気下で、800℃、500時間、熱処理した。
熱処理後の金属多孔体No.1の骨格の断面におけるニッケルの分布をエネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)によって測定した結果を図11に示す。同様にしてクロムの分布を測定した結果を図12に、銀の分布を測定した結果を図13に示す。
図10では、上部にSEM写真を、下部に各元素の存在有無を表すスペクトルを示す。
図10〜図13は金属多孔体No.1の骨格の断面の同じ位置を示している。図12及び図13より、合金層12中のクロムは銀層11に殆ど拡散していないことが確認された。
(強度測定)
金属多孔体No.1及び金属多孔体No.2を大気下、800℃で、0時間、144時間、288時間、500時間と時間を変えて熱処理した。比較として多孔体基材No.1も同様に熱処理した。
熱処理後の金属多孔体No.1、金属多孔体No.2及び多孔体基材No.1について、強度の測定を行なった。強度の測定は、試験片の大きさを2.5cm×2.5cmとし、常温で、圧縮試験機にて行なった。その結果を表1に示す。
Figure 2019012947
表1より、金属多孔体No.1及び金属多孔体No.2は従来の多孔体基材No.1と同程度の強度を維持できることが確認できた。
(抵抗測定)
強度測定を行なった場合と同様にして金属多孔体No.1、金属多孔体No.2及び多孔体基材No.1を熱処理した。
熱処理後の金属多孔体No.1、金属多孔体No.2及び多孔体基材No.1について、電気抵抗の測定を行なった。
電気抵抗の測定は、試験片の大きさを4cm×4cmとし、四端子法にて、800℃で厚み方向の電気抵抗を測定した。その結果を表2に示す。
Figure 2019012947
表2において「−」はデータを測定しなかったことを表す。
表2より、金属多孔体No.1及び金属多孔体No.2は従来の多孔体基材No.1と比べて、800℃の高温下においても極めて低い抵抗値を示し、SOFCの集電体としても好適に用いることができることが示された。
10 金属多孔体
11 銀層
12 合金層
13 骨格
14 骨格の内部
15 気孔部
80 多孔体基材
82 合金層
83 骨格
84 骨格の内部
85 気孔部

Claims (11)

  1. 連続気孔を有する板状の金属多孔体であって、
    前記金属多孔体の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有し、前記合金層の表面に銀層が形成されている、
    金属多孔体。
  2. 前記合金層は更にスズを含有する、請求項1に記載の金属多孔体。
  3. 前記合金層は、Niを主成分とするNiCr合金又はNiを主成分とするNiSnCr合金とする、請求項1又は請求項2に記載の金属多孔体。
  4. 前記銀層は、平均膜厚が1μm以上である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の金属多孔体。
  5. 前記骨格の形状が三次元網目状構造である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の金属多孔体。
  6. 前記金属多孔体は、気孔率が60%以上、98%以下である、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の金属多孔体。
  7. 前記金属多孔体は、平均気孔径が50μm以上、5000μm以下である、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の金属多孔体。
  8. 前記金属多孔体は、厚みが500μm以上、5000μm以下である、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の金属多孔体。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の金属多孔体をガス拡散層として備える、固体酸化物型燃料電池。
  10. 金属多孔体を製造する方法であって、
    連続気孔を有する平板状の多孔体基材を用意する工程と、
    前記多孔体基材の骨格の表面に銀をめっきする工程と、
    を有し、
    前記多孔体基材の骨格は、ニッケル及びクロムを含有する合金層を有する、
    金属多孔体の製造方法。
  11. 前記多孔体基材の骨格の形状が三次元網目状構造である、請求項10に記載の金属多孔体の製造方法。
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JP5640502B2 (ja) * 2010-07-01 2014-12-17 住友電気工業株式会社 電極接続構造および電極接続構造の製造方法
JP5617572B2 (ja) * 2010-12-01 2014-11-05 住友電気工業株式会社 ガス分解素子、ガス分解素子の製造方法及び発電装置
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JP5691107B2 (ja) 2011-01-17 2015-04-01 富山住友電工株式会社 高耐食性を有する金属多孔体及びその製造方法
JP6080088B2 (ja) * 2011-10-27 2017-02-15 住友電気工業株式会社 多孔質集電体及びこれを用いた燃料電池
JP5952149B2 (ja) * 2012-09-27 2016-07-13 住友電気工業株式会社 金属多孔体及びその製造方法
JP6055378B2 (ja) * 2013-06-19 2016-12-27 住友電気工業株式会社 金属多孔体及びその製造方法
JP2015159021A (ja) * 2014-02-24 2015-09-03 住友電気工業株式会社 多孔質集電体及び電気化学装置
JP6614131B2 (ja) * 2014-03-12 2019-12-04 住友電気工業株式会社 多孔質集電体、燃料電池及び多孔質集電体の製造方法
EP3128593B1 (en) * 2014-03-31 2019-10-02 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Porous collector and fuel cell
JP2017138136A (ja) 2016-02-02 2017-08-10 ルネサスエレクトロニクス株式会社 寿命判定装置及び寿命判定方法

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