JPWO2019106879A1 - Method for manufacturing metal porous body, fuel cell and metal porous body - Google Patents

Method for manufacturing metal porous body, fuel cell and metal porous body Download PDF

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Abstract

本開示は、多孔体基材と、耐熱コーティング膜とを有する金属多孔体であって、上記多孔体基材は、ニッケル合金を表面に有する骨格と、上記骨格によって形成されている連続気孔とを有し、上記耐熱コーティング膜は、上記骨格の表面を被覆し、上記金属多孔体は、その外観が平板状の形状を有する、金属多孔体を提供する。The present disclosure is a metal porous body having a porous body base material and a heat-resistant coating film, and the porous body base material has a skeleton having a nickel alloy on the surface and continuous pores formed by the skeleton. The heat-resistant coating film covers the surface of the skeleton, and the metal porous body provides a metal porous body having a flat plate-like appearance.

Description

本開示は、金属多孔体、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11月29日に出願した日本特許出願である特願2017−228595号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。 The present disclosure relates to a metal porous body, a fuel cell, and a method for producing the metal porous body. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-228595, which was filed on November 29, 2017. All the contents of the Japanese patent application are incorporated herein by reference.

各種燃料電池のなかでも、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell;SOFC、以下「SOFC」とも記載する。)は、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell;PEFC)又はリン酸形燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell;PAFC)に比べて高温で作動させる必要がある。しかし、SOFCは、発電効率が高い、白金等の高価な触媒を必要としない、排熱を利用できる等の利点を有するため、開発が盛んに進められている。
上記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。
Among various fuel cells, the solid oxide fuel cell (SOFC, hereinafter also referred to as “SOFC”) is a solid oxide fuel cell (PEFC) or a phosphoric acid type fuel cell. It needs to be operated at a higher temperature than a fuel cell (Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC). However, SOFCs are being actively developed because they have advantages such as high power generation efficiency, no need for expensive catalysts such as platinum, and utilization of waste heat.
The SOFC includes a solid electrolyte layer formed of a solid oxide and an electrode layer laminated on both sides of the solid electrolyte layer. In addition, a porous current collector is provided to collect and extract the electrons generated by the electrodes. This current collector often has a function as a gas diffusion layer in order to diffuse the gas supplied to the electrodes to generate electricity efficiently.

燃料電池のガス拡散層には、一般に、カーボン構造体又はステンレス鋼(SUS)構造体が利用されている。カーボン構造体及び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、カーボン構造体及び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には問題があった。
A carbon structure or a stainless steel (SUS) structure is generally used for the gas diffusion layer of the fuel cell. A groove serving as a gas flow path is formed in the carbon structure and the SUS structure. The width of the groove is about 500 μm, and it is a continuous linear shape. Since the grooves are provided in about 1/2 of the area of the surface where the carbon structure and the SUS structure come into contact with the electrolyte, the porosity of the gas diffusion layer is about 50%.
Since the gas diffusion layer as described above does not have a very high porosity and has a large pressure loss, there is a problem in increasing the output while reducing the size of the fuel cell.

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。 As a method for producing a metal porous body having a high porosity and a large surface area, a method of forming a metal layer on the surface of a resin molded body such as a foamed resin is known. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-154517 (Patent Document 1), the surface of the skeleton of a resin molded product is subjected to a conductive treatment, an electroplating layer made of metal is formed on the surface, and the resin molded product is provided as necessary. A method for producing a metal porous body by incineration and removal is described.

特開平11−154517号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-154517

本開示の一態様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、ニッケル合金の表面に耐熱コーティング膜が形成されている、
金属多孔体、である。
本開示の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
上記の本開示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用意工程と、
前記多孔体基材の骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、
を有し、
前記多孔体基材は、少なくとも骨格の表面がニッケル合金によって形成されている、
金属多孔体の製造方法、である。
The metal porous body according to one aspect of the present disclosure is
A flat metal porous body having continuous pores,
The skeleton of the metal porous body has a heat-resistant coating film formed on the surface of a nickel alloy.
It is a metal porous body.
The method for producing a metal porous body according to one aspect of the present disclosure is as follows.
A method for producing a metal porous body according to one aspect of the present disclosure described above.
A preparation process for preparing a flat plate-shaped porous base material having continuous pores, and
A heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous base material, and
Have,
At least the surface of the skeleton of the porous substrate is formed of a nickel alloy.
A method for producing a porous metal body.

換言すると、本開示の他の一態様に係る金属多孔体は、
多孔体基材と、耐熱コーティング膜とを有する金属多孔体であって、
上記多孔体基材は、
ニッケル合金を表面に有する骨格と、
上記骨格によって形成されている連続気孔とを有し、
上記耐熱コーティング膜は、上骨格の表面を被覆し、
上記金属多孔体は、その外観が平板状の形状を有する、
金属多孔体である。
また、本開示の他の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
上記の金属多孔体の製造方法であって、
上記骨格と、上記骨格によって形成されている上記連続気孔とを有する多孔体基材を用意する用意工程と、
上記多孔体基材における上記骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、
を有し、
上記多孔体基材は、その外観が平板状の形状を有し、
上記多孔体基材における上記骨格は、その表面にニッケル合金を有する、
金属多孔体の製造方法である。
In other words, the metal porous body according to another aspect of the present disclosure is
A metal porous body having a porous body base material and a heat-resistant coating film.
The porous base material is
A skeleton with a nickel alloy on the surface and
It has continuous pores formed by the skeleton and
The heat-resistant coating film covers the surface of the upper skeleton and
The metal porous body has a flat plate-like appearance.
It is a metal porous body.
In addition, the method for producing a metal porous body according to another aspect of the present disclosure is described.
The above method for producing a metal porous body.
A preparation step of preparing a porous base material having the skeleton and the continuous pores formed by the skeleton, and
A heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous substrate,
Have,
The porous base material has a flat plate-like appearance, and has a flat plate shape.
The skeleton of the porous substrate has a nickel alloy on its surface.
This is a method for producing a metal porous body.

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。FIG. 1 is an enlarged photograph showing the structure of a skeleton of an example of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure. 図2は、本開示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。FIG. 2 is an enlarged view showing an outline of a partial cross section of an example of a metal porous body according to the embodiment of the present disclosure. 図3は、金属多孔体における耐熱コーティング膜の平均膜厚を測定する方法において、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。FIG. 3 is a schematic view showing an example of a state in which areas A to E are defined on the metal porous body in a method of measuring the average film thickness of the heat-resistant coating film in the metal porous body. 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。FIG. 4 is a diagram showing an outline of an image when a cross section of the skeleton (cross section taken along the line AA of FIG. 2) in the area A of the metal porous body shown in FIG. 図5は、図4に示す耐熱コーティング膜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。FIG. 5 is a schematic view showing an example of the field of view (i) when the heat-resistant coating film 11 shown in FIG. 4 is magnified and observed with a scanning electron microscope. 図6は、図4に示す耐熱コーティング膜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。FIG. 6 is a schematic view showing an example of a field of view (ii) when the heat-resistant coating film 11 shown in FIG. 4 is magnified and observed with a scanning electron microscope. 図7は、図4に示す耐熱コーティング膜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。FIG. 7 is a schematic view showing an example of a field of view (iii) when the heat-resistant coating film 11 shown in FIG. 4 is magnified and observed with a scanning electron microscope. 図8は、三次元網目状構造の骨格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。FIG. 8 is a diagram showing an outline of a partial cross section of an example of a porous base material having a skeleton having a three-dimensional network structure. 図9は、三次元網目状構造の骨格を有する多孔体基材の別の一例の、部分断面の概略を表す図である。FIG. 9 is a diagram showing an outline of a partial cross section of another example of a porous base material having a skeleton having a three-dimensional network structure. 図10は、三次元網目状構造の骨格を有する樹脂成形体の一例としての、発泡ウレタン樹脂の写真である。FIG. 10 is a photograph of a urethane foam resin as an example of a resin molded body having a skeleton having a three-dimensional network structure.

[本開示が解決しようとする課題]
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及びSUS構造体の代わりに気孔率が高い金属多孔体を用いることを検討した。
SOFCは、800℃程度の高温で作動する燃料電池である。SOFCは、負極(燃料極)には水素及び一酸化炭素が、正極(空気極)には空気(酸素)が供給される。このため、SOFCの空気極のガス拡散層として金属多孔体を用いる場合には、800℃程度の高温でかつ酸化性の雰囲気という非常に厳しい条件下においても長期に亘って安定性を有する金属多孔体を用いる必要がある。
そこで本発明者等は、800℃程度の高温酸化条件下でも使用可能な金属多孔体を作製すべく鋭意探求を重ねた。まず、耐酸化性に優れる合金としてニッケルタングステン(NiW)及びニッケルモリブデン(NiMo)に着目し、骨格がニッケルタングステン又はニッケルモリブデンからなる金属多孔体を作製した。そして、大気中、800℃で500時間という条件で熱処理を行なった。
その結果、骨格がニッケルタングステン又はニッケルモリブデンからなる金属多孔体であっても、800℃程度の高温酸化雰囲気で長時間熱処理した後では、骨格の一部にヒビ又は割れが発生してしまうことが見出された。
[Issues to be solved by this disclosure]
The present inventors have studied the use of a metal porous body having a high porosity instead of the carbon structure and the SUS structure as the current collector and gas diffusion layer of the fuel cell.
SOFC is a fuel cell that operates at a high temperature of about 800 ° C. In SOFC, hydrogen and carbon monoxide are supplied to the negative electrode (fuel electrode), and air (oxygen) is supplied to the positive electrode (air electrode). Therefore, when a metal porous body is used as the gas diffusion layer of the air electrode of the SOFC, the metal porous body has stability for a long period of time even under extremely severe conditions such as a high temperature of about 800 ° C. and an oxidizing atmosphere. You need to use your body.
Therefore, the present inventors have made extensive efforts to produce a metal porous body that can be used even under high-temperature oxidation conditions of about 800 ° C. First, focusing on nickel tungsten (NiW) and nickel molybdenum (NiMo) as alloys having excellent oxidation resistance, a metal porous body having a skeleton made of nickel tungsten or nickel molybdenum was prepared. Then, the heat treatment was performed in the air at 800 ° C. for 500 hours.
As a result, even if the skeleton is a metal porous body made of nickel tungsten or nickel molybdenum, cracks or cracks may occur in a part of the skeleton after long-term heat treatment in a high-temperature oxidizing atmosphere of about 800 ° C. Found.

そこで本開示は上記問題点に鑑み、高温酸化条件下においても長期に亘って安定性を有し、SOFCの空気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。 Therefore, in view of the above problems, the present disclosure has long-term stability even under high-temperature oxidation conditions, and is a metal porous body that can be suitably used as a current collector and a gas diffusion layer for an air electrode of SOFC. The purpose is to provide the body.

[本開示の効果]
本開示によれば、高温酸化条件下においても長期に亘って安定性を有し、SOFCの空気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。
[Effect of this disclosure]
According to the present disclosure, there is provided a metal porous body which has stability for a long period of time even under high temperature oxidation conditions and can be suitably used as a current collector and a gas diffusion layer for SOFC air electrodes. be able to.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の一態様に係る金属多孔体は、
多孔体基材と、耐熱コーティング膜とを有する金属多孔体であって、
上記多孔体基材は、
ニッケル合金を表面に有する骨格と、
上記骨格によって形成されている連続気孔とを有し、
上記耐熱コーティング膜は、上骨格の表面を被覆し、
上記金属多孔体は、その外観が平板状の形状を有する、
金属多孔体、である。
上記(1)に記載の開示の態様によれば、高温酸化条件下においても長期に亘って安定性を有し、SOFCの空気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。
[Explanation of Embodiments of the present disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
(1) The metal porous body according to one aspect of the present disclosure is
A metal porous body having a porous body base material and a heat-resistant coating film.
The porous base material is
A skeleton with a nickel alloy on the surface and
It has continuous pores formed by the skeleton and
The heat-resistant coating film covers the surface of the upper skeleton and
The metal porous body has a flat plate-like appearance.
It is a metal porous body.
According to the aspect of the disclosure described in (1) above, it has stability for a long period of time even under high temperature oxidation conditions, and can be suitably used as a current collector and gas diffusion layer for an air electrode of SOFC. A possible metal porous body can be provided.

(2)上記(1)に記載の金属多孔体は、
上記耐熱コーティング膜が銀又はコバルトを含むことが好ましい。
上記(2)に記載の開示の態様によれば、高温酸化条件下においても導電性に優れる金属多孔体を提供することができる。
(2) The metal porous body described in (1) above is
The heat-resistant coating film preferably contains silver or cobalt.
According to the disclosed aspect described in (2) above, it is possible to provide a metal porous body having excellent conductivity even under high temperature oxidation conditions.

(3)上記(1)又は上記(2)に記載の金属多孔体は、
上記耐熱コーティング膜は、その平均膜厚が1μm以上であることが好ましい。
上記(3)に記載の開示の態様によれば、高温耐酸化性により優れる金属多孔体を提供することができる。
(3) The metal porous body according to the above (1) or (2) is
The heat-resistant coating film preferably has an average film thickness of 1 μm or more.
According to the disclosed aspect described in (3) above, it is possible to provide a metal porous body having better high temperature oxidation resistance.

(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、
上記ニッケル合金が、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上の金属との合金を主成分とすることが好ましい。
上記(4)に記載の開示の態様によれば、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、上記主成分とは、上記ニッケル合金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) The metal porous body according to any one of the above (1) to (3) is
It is preferable that the nickel alloy contains an alloy of nickel and any one or more metals selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium as a main component.
According to the disclosed aspect described in (4) above, it is possible to provide a metal porous body having high corrosion resistance and high strength.
The main component is the component having the largest proportion in the nickel alloy.

(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、
上記骨格の形状は、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、
その気孔率が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、
その平均気孔径が50μm以上、5000μm以下であることが好ましい。
上記(5)から上記(7)のいずれか一項に記載の開示の態様によれば、軽量でかつ表面積が大きい金属多孔体を提供することができる。
(5) The metal porous body according to any one of the above (1) to (4) is
The shape of the skeleton is preferably a three-dimensional network structure.
(6) The metal porous body according to any one of the above (1) to (5) is
The porosity is preferably 60% or more and 98% or less.
(7) The metal porous body according to any one of the above (1) to (6) is
The average pore diameter is preferably 50 μm or more and 5000 μm or less.
According to the disclosed aspect according to any one of the above (5) to (7), it is possible to provide a lightweight metal porous body having a large surface area.

(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、
その厚みが500μm以上、5000μm以下であることが好ましい。
上記(8)に記載の開示の態様によれば、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。
(8) The metal porous body according to any one of the above (1) to (7) is
The thickness is preferably 500 μm or more and 5000 μm or less.
According to the disclosed aspect described in (8) above, it is possible to provide a lightweight and high-strength metal porous body.
The thickness of the above-mentioned metal porous body means the distance between the main surfaces of the flat metal porous body.

(9)本開示の一態様に係る燃料電池は、
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、燃料電池である。
上記(9)に記載の開示の態様によれば、発電効率が高く、小型で軽量な燃料電池を提供することができる。
(9) The fuel cell according to one aspect of the present disclosure is
A fuel cell comprising the metal porous body according to any one of (1) to (8) above as a gas diffusion layer.
According to the aspect of the disclosure described in (9) above, it is possible to provide a small and lightweight fuel cell having high power generation efficiency.

(10)本開示の一態様に係る金属多孔体の製造方法は、
上記(1)から上記(8)のいずれか一項に記載の金属多孔体の製造方法であって、
上記骨格と、上記骨格によって形成されている上記連続気孔とを有する多孔体基材を用意する用意工程と、
上記多孔体基材における上記骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、
を有し、
上記多孔体基材は、その外観が平板状の形状を有し、
上記多孔体基材における上記骨格は、その表面にニッケル合金を有する、
金属多孔体の製造方法、である。
(11)上記(10)に記載の金属多孔体の製造方法は、
上記用意工程は、骨格と上記骨格によって形成されている連続気孔を有する樹脂成形体の表面にニッケル合金をめっきすることによって行ない、
上記樹脂成形体は、その外観が平板状の形状を有することが好ましい。
上記(10)又は上記(11)に記載の開示の態様によれば、上記(1)に記載の金属多孔体を製造することが可能な金属多孔体の製造方法を提供することができる。
(10) The method for producing a porous metal body according to one aspect of the present disclosure is as follows.
The method for producing a porous metal body according to any one of (1) to (8) above.
A preparation step of preparing a porous base material having the skeleton and the continuous pores formed by the skeleton, and
A heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous substrate,
Have,
The porous base material has a flat plate-like appearance, and has a flat plate shape.
The skeleton of the porous substrate has a nickel alloy on its surface.
A method for producing a porous metal body.
(11) The method for producing a metal porous body according to (10) above is
The preparation step is performed by plating a nickel alloy on the surface of the skeleton and the resin molded body having continuous pores formed by the skeleton.
The resin molded product preferably has a flat plate-like appearance.
According to the aspect of the disclosure described in the above (10) or the above (11), it is possible to provide a method for producing a metal porous body capable of producing the metal porous body according to the above (1).

(12)上記(10)又は上記(11)に記載の金属多孔体の製造方法は、
上記多孔体基材の骨格の形状は、三次元網目状構造であることが好ましい。
上記(12)に記載の開示の態様によれば、上記(5)に記載の金属多孔体を製造することが可能な金属多孔体の製造方法を提供することができる。
(12) The method for producing a metal porous body according to the above (10) or (11) is described.
The shape of the skeleton of the porous base material is preferably a three-dimensional network structure.
According to the aspect of the disclosure described in the above (12), it is possible to provide a method for producing a metal porous body capable of producing the metal porous body according to the above (5).

[本開示の実施態様の詳細]
本開示の実施態様に係る金属多孔体、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。
[Details of Embodiments of the present disclosure]
Specific examples of the metal porous body, the fuel cell, and the method for producing the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure will be described in more detail below. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.

<金属多孔体>
本開示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。本実施形態の一側面において、上記金属多孔体は、多孔体基材と、耐熱コーティング膜とを有する。上記多孔体基材は、骨格と、上記骨格によって形成されている連続気孔とを有する。また、上記金属多孔体は、その外観が平板状の形状を有する。金属多孔体において連続気孔は少なくとも対向する主面同士を貫通するように形成されていればよい。換言すると上記連続気孔は、金属多孔体の上記形状における対向する主面同士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(多孔体基材の骨格の形状)としては、例えば、パンチングメタル及びエキスパンドメタルのようなメッシュ状の形状及び、三次元網目状構造のような形状が挙げられる。ここで、「三次元網目状構造」とは、構成する固体成分(例えば、金属、樹脂等)が立体的に網目状に広がっている構造を意味する。なお、金属多孔体の骨格それ自体(又は後述する多孔体基材の骨格それ自体)が連続気孔を有している必要はない。言い換えると、当該骨格それ自体が多孔質である必要はない。
<Metal porous body>
The metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has continuous pores and has a flat plate shape as a whole. In one aspect of the present embodiment, the metal porous body has a porous body base material and a heat-resistant coating film. The porous substrate has a skeleton and continuous pores formed by the skeleton. Further, the metal porous body has a flat plate-like appearance. In the metal porous body, the continuous pores may be formed so as to penetrate at least the opposing main surfaces. In other words, the continuous pores may be formed so as to penetrate the opposing main surfaces of the metal porous body in the above shape. From the viewpoint of increasing the surface area of the metal porous body, it is preferable that as many continuous pores as possible are formed. Examples of the shape of the skeleton of the porous metal body (the shape of the skeleton of the porous metal base material) include a mesh-like shape such as punching metal and expanded metal, and a shape such as a three-dimensional network structure. Here, the "three-dimensional network structure" means a structure in which the constituent solid components (for example, metal, resin, etc.) are three-dimensionally spread in a network shape. It is not necessary that the skeleton of the porous metal body itself (or the skeleton of the porous body base material described later) has continuous pores. In other words, the skeleton itself does not have to be porous.

金属多孔体の骨格はニッケル合金の表面に耐熱コーティング膜が形成されている。すなわち、ニッケル合金が基材となっており、その表面全体を覆うように耐熱コーティング膜が形成されている。本実施形態の一側面において、上記多孔体基材は、ニッケル合金を表面に有する骨格と、上記骨格の表面を被覆する耐熱コーティング膜とを有すると把握することもできる。金属多孔体の骨格の表面(多孔体基材の骨格の表面)に耐熱コーティング膜が形成されておらず、ニッケルタングステン又はニッケルモリブデンによって骨格が形成されている場合には、当該金属多孔体が800℃程度の高温下で酸化雰囲気に長時間さらされると、骨格の一部にヒビ又は割れが発生してしまい、金属多孔体の用途によっては使用に適さなくなってしまう場合がある。これに対して本開示の実施形態に係る金属多孔体は、ニッケル合金(多孔体基材の骨格)の表面に耐熱コーティング膜が形成されている。そのため、当該金属多孔体が800℃程度の高温下で酸化雰囲気に曝されたとしても骨格にヒビ又は割れが発生せずに長時間安定して使用することができる。このため、本開示の実施形態に係る金属多孔体は、例えば、SOFCの空気極のガス拡散層として用いたとしても骨格の強度が低下せず、好適に用いることができる。また、金属多孔体は表面積が大きいため燃料ガスをより多く拡散させることができる。そのため当該金属多孔体は、燃料ガスと電解質との接触機会を高めて発電効率が高いSOFCを提供することができる。 The skeleton of the metal porous body has a heat-resistant coating film formed on the surface of the nickel alloy. That is, a nickel alloy is used as a base material, and a heat-resistant coating film is formed so as to cover the entire surface thereof. In one aspect of the present embodiment, it can be understood that the porous substrate has a skeleton having a nickel alloy on the surface and a heat-resistant coating film covering the surface of the skeleton. When the heat-resistant coating film is not formed on the surface of the skeleton of the porous metal body (the surface of the skeleton of the porous metal substrate) and the skeleton is formed by nickel tungsten or nickel molybdenum, the metal porous body is 800. When exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature of about ° C. for a long time, a part of the skeleton may be cracked or cracked, which may make it unsuitable for use depending on the application of the metal porous body. On the other hand, in the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure, a heat-resistant coating film is formed on the surface of a nickel alloy (skeleton of the porous body base material). Therefore, even if the metal porous body is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature of about 800 ° C., the skeleton can be used stably for a long time without cracking or cracking. Therefore, the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure can be preferably used without lowering the strength of the skeleton even if it is used as a gas diffusion layer of the air electrode of SOFC, for example. Further, since the metal porous body has a large surface area, more fuel gas can be diffused. Therefore, the metal porous body can increase the contact opportunity between the fuel gas and the electrolyte to provide SOFC having high power generation efficiency.

耐熱コーティング膜としては、例えば、銀(Ag)、コバルト(Co)、金(Au)、白金(Pt)等の、高温酸化雰囲気下において安定な金属又は合金であればよい。金属多孔体の製造コストを抑えるという観点からは耐熱コーティング膜は銀又はコバルトであることが好ましい。本実施形態の一側面において耐熱コーティング膜としては、例えば、銀(Ag)、コバルト(Co)、金(Au)、白金(Pt)等の、高温酸化雰囲気下において安定な金属又は合金を含んでいてもよいし、銀又はコバルトを含んでいてもよい。
銀及び金は、導電性が非常に高いため、金属多孔体の導電率を高くすることができる。また、コバルトは酸素の影響によって表面が酸化コバルトとなる。酸化コバルトは800℃程度の高温環境下で導電性を発揮するようになる。このため、耐熱コーティング膜が銀、金又はコバルトである場合には、本開示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の機能も良好になる。
The heat-resistant coating film may be a metal or alloy that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere, such as silver (Ag), cobalt (Co), gold (Au), and platinum (Pt). From the viewpoint of suppressing the production cost of the metal porous body, the heat-resistant coating film is preferably silver or cobalt. In one aspect of the present embodiment, the heat-resistant coating film contains, for example, a metal or alloy that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere, such as silver (Ag), cobalt (Co), gold (Au), and platinum (Pt). It may contain silver or cobalt.
Since silver and gold have very high conductivity, the conductivity of the metal porous body can be increased. In addition, the surface of cobalt becomes cobalt oxide due to the influence of oxygen. Cobalt oxide becomes conductive in a high temperature environment of about 800 ° C. Therefore, when the heat-resistant coating film is silver, gold, or cobalt, the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has a good function not only as a gas diffusion layer but also as a current collector in the fuel cell.

耐熱コーティング膜は、その平均膜厚が1μm以上であることが好ましい。耐熱コーティング膜の平均膜厚が1μm以上であることにより、800℃程度の高温の酸化雰囲気下でも金属多孔体を長期に亘って安定に保つことができる。耐熱コーティング膜は一般に高価である。そのため、金属多孔体の製造コストを抑える観点からは、耐熱コーティング膜の平均膜厚は50μm以下程度であることが好ましい。これらの観点から、耐熱コーティング膜の平均膜厚は、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。 The heat-resistant coating film preferably has an average film thickness of 1 μm or more. When the average film thickness of the heat-resistant coating film is 1 μm or more, the metal porous body can be kept stable for a long period of time even in an oxidizing atmosphere at a high temperature of about 800 ° C. Heat resistant coatings are generally expensive. Therefore, from the viewpoint of suppressing the production cost of the metal porous body, the average film thickness of the heat-resistant coating film is preferably about 50 μm or less. From these viewpoints, the average film thickness of the heat-resistant coating film is more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 20 μm or less.

ニッケル合金は、ニッケルとニッケル以外の金属との合金を主成分としていればよく、ニッケルとニッケル以外の金属との合金以外の成分が意図的又は不可避的に含まれていても構わない。なお、主成分とは、上記ニッケル合金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。例えば、上記主成分は、上記ニッケル合金において占める割合が50%以上の成分であってもよい。
ニッケル合金は、比較的耐酸化性に優れ、かつ、強度の高いものであることが好ましいという観点から、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上の金属との合金を主成分とすることが好ましい。すなわち、ニッケル合金は、ニッケルタングステン(NiW)、ニッケルモリブデン(NiMo)、ニッケルアルミ(NiAl)又はニッケルチタン(NiTi)を主成分とすることが好ましい。
The nickel alloy may contain an alloy of nickel and a metal other than nickel as a main component, and may intentionally or inevitably contain a component other than the alloy of nickel and a metal other than nickel. The main component means the component having the largest proportion in the nickel alloy. For example, the main component may be a component that accounts for 50% or more of the nickel alloy.
The nickel alloy is preferably one or more metals selected from the group consisting of nickel and tungsten, molybdenum, aluminum and titanium from the viewpoint that it is preferable that the nickel alloy has relatively excellent oxidation resistance and high strength. It is preferable to use the alloy with and as the main component. That is, it is preferable that the nickel alloy contains nickel tungsten (NiW), nickel molybdenum (NiMo), nickel aluminum (NiAl) or nickel titanium (NiTi) as main components.

前述のように金属多孔体の骨格の形状(多孔体基材の骨格の形状)はメッシュ状の形状であってもよいが、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である場合には、パンチングメタル又はエキスパンドメタルのような形状の骨格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。 As described above, the shape of the skeleton of the metal porous body (the shape of the skeleton of the porous body base material) may be a mesh shape, but a three-dimensional network structure is more preferable. When the shape of the skeleton is a three-dimensional network structure, the surface area can be further increased as compared with the skeleton having a shape such as punching metal or expanded metal. Further, since the shape of the skeleton is more complicated, more gas can be diffused when used as a gas diffusion layer of a fuel cell.

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開示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、本開示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。なお、図1は耐熱コーティング膜として銀のめっき膜が骨格の表面(多孔体基材の骨格の表面)に形成された金属多孔体の例である。
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の表面は基材(多孔体基材)となっているニッケル合金12の表面を覆うように耐熱コーティング膜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。
In the following, the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure will be described in more detail by taking the case where the skeleton of the metal porous body has a three-dimensional network structure as an example.
FIG. 1 shows an enlarged photograph showing a skeleton of a three-dimensional network structure of an example of a metal porous body according to the embodiment of the present disclosure. Further, FIG. 2 shows an enlarged schematic view of the cross section of the metal porous body shown in FIG. 1 in an enlarged view. Note that FIG. 1 is an example of a metal porous body in which a silver plating film is formed on the surface of the skeleton (the surface of the skeleton of the porous body base material) as a heat-resistant coating film.
When the shape of the skeleton has a three-dimensional network structure, the inside 14 of the skeleton 13 of the metal porous body 10 is typically hollow as shown in FIG. The surface of the skeleton 13 has a structure in which the heat-resistant coating film 11 is formed so as to cover the surface of the nickel alloy 12 which is the base material (porous base material). Further, the metal porous body 10 has continuous pores, and the pore portion 15 is formed by the skeleton 13.

なお、図2では耐熱コーティング膜11の厚みをニッケル合金12の厚みと同程度に示しているが、前述のように耐熱コーティング膜11の平均膜厚は1μm以上、50μm以下であることが好ましい。また、耐熱コーティング膜11の厚みは通常はニッケル合金12よりも薄いものである。耐熱コーティング膜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。耐熱コーティング膜11の平均膜厚の測定方法の概略を図3〜図7に示す。 Although the thickness of the heat-resistant coating film 11 is shown in FIG. 2 to be about the same as the thickness of the nickel alloy 12, the average film thickness of the heat-resistant coating film 11 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less as described above. Further, the thickness of the heat-resistant coating film 11 is usually thinner than that of the nickel alloy 12. The average film thickness of the heat-resistant coating film 11 is measured by observing the cross section of the skeleton 13 of the metal porous body 10 with an electron microscope as follows. The outline of the method of measuring the average film thickness of the heat-resistant coating film 11 is shown in FIGS. 3 to 7.

まず、例えば、図3に示すように、外観が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。他の側面において、金属多孔体の骨格のA−A線断面は、円形状又は四角形状であってもよい。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ニッケル合金12の膜が有る。そして、耐熱コーティング膜11はニッケル合金12の外側表面を覆うようにして形成されている。 First, for example, as shown in FIG. 3, the metal porous body 10 having a flat plate appearance is arbitrarily divided into areas, and five measurement points (areas A to E) are selected. Then, one skeleton 13 of the metal porous body 10 is arbitrarily selected in each area, and the cross section of the skeleton shown in FIG. 2 is observed with a scanning electron microscope (SEM). As shown in FIG. 4, the cross section of the skeleton 13 of the metal porous body 10 along the line AA has a substantially triangular shape. On the other side, the A-A line cross section of the skeleton of the metal porous body may be circular or square. In the example shown in FIG. 4, the inside 14 of the skeleton of the metal porous body 10 is hollow, and a film of nickel alloy 12 is provided facing the hollow portion. The heat-resistant coating film 11 is formed so as to cover the outer surface of the nickel alloy 12.

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、耐熱コーティング膜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3つの視野で耐熱コーティング膜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つの視野で耐熱コーティング膜11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耐熱コーティング膜11の平均膜厚という。 If the entire A-A line cross section of the skeleton can be observed by SEM, the magnification is further increased so that the entire thickness direction of the heat-resistant coating film 11 can be confirmed, and the thickness direction can be seen as large as possible within one field of view. Set to. Then, the maximum thickness and the minimum thickness of the heat-resistant coating film 11 are measured in three fields of view with respect to the AA line cross section of the same skeleton by changing the field of view. In all areas, the maximum and minimum thicknesses of the heat-resistant coating film 11 were measured from three viewpoints for the A-A line cross section of an arbitrary skeleton at one location, and the average of them was the average film thickness of the heat-resistant coating film 11. That is.

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線断面の視野(ii)の概念図を、図7には視野(iii)の概念図を示す。 As an example, FIG. 5 shows a conceptual diagram of a visual field (i) when an AA line cross section of an arbitrary one skeleton in area A of the metal porous body 10 shown in FIG. 3 is observed by SEM. Similarly, FIG. 6 shows a conceptual diagram of a visual field (iii) of the AA line cross section of the same skeleton, and FIG. 7 shows a conceptual diagram of a visual field (iii).

エリアAにおける任意の1箇所の骨格のA−A線断面における耐熱コーティング膜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、耐熱コーティング膜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、耐熱コーティング膜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。耐熱コーティング膜11の厚みとは、ニッケル合金12の表面から垂直方向に伸びる耐熱コーティング膜11の厚みをいうものとする。
なお、耐熱コーティング膜11とニッケル合金12との間に合金層が形成されている場合には、前記耐熱コーティング膜11の厚みとは、ニッケル合金12の表面から垂直方向に伸びる合金層と耐熱コーティング膜11の厚み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、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つの視野における耐熱コーティング膜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耐熱コーティング膜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)の平均を耐熱コーティング膜11の平均膜厚という。
The thickness of the heat-resistant coating film 11 is maximized in each of the visual fields (i) to (iii) when the heat-resistant coating film 11 in the A-A line cross section of an arbitrary one skeleton in the area A is observed by SEM. The thickness (maximum thickness A (i), maximum thickness A (ii), maximum thickness A (iii)) and the thickness at which the thickness of the heat-resistant coating film 11 is minimized (minimum thickness a (i), minimum thickness a (ii)). , Minimum thickness a (iii)) is measured. The thickness of the heat-resistant coating film 11 means the thickness of the heat-resistant coating film 11 extending in the vertical direction from the surface of the nickel alloy 12.
When an alloy layer is formed between the heat-resistant coating film 11 and the nickel alloy 12, the thickness of the heat-resistant coating film 11 is the alloy layer extending vertically from the surface of the nickel alloy 12 and the heat-resistant coating. It shall mean the total thickness of the film 11.
As a result, the maximum thickness A (i) to the maximum thickness A (iii) of the three fields of view and the minimum thickness a (i) to the minimum thickness a ( iii) is decided. For Areas B, C, D, and E, the maximum thickness and the minimum thickness of the heat-resistant coating film 11 in three visual fields are measured for the AA line cross section of an arbitrary skeleton in the same manner as in Area A.
The average of the maximum thickness A (i) to the maximum thickness E (iii) and the minimum thickness a (i) to the minimum thickness e (iii) of the heat-resistant coating film 11 measured as described above is the average of the heat-resistant coating film 11. It is called the average film thickness.

本開示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−(多孔質材の質量[g]/(多孔質材の見かけ体積[cm]×素材密度[g/cm]))×100[%]
The metal porous body according to the embodiment of the present disclosure preferably has a porosity of 60% or more and 98% or less. When the porosity of the metal porous body is 60% or more, the metal porous body can be made very lightweight, and further, when the metal porous body is used as a gas diffusion layer of a fuel cell, gas diffusion You can improve your sex. Further, when the porosity of the metal porous body is 98% or less, the metal porous body can be made to have sufficient strength. From these viewpoints, the porosity of the metal porous body is more preferably 70% or more and 98% or less, and further preferably 80% or more and 98% or less.
The porosity of a metal porous body is defined by the following equation.
Porosity = (1- (mass of porous material [g] / (apparent volume of porous material [cm 3 ] x material density [g / cm 3 ])) x 100 [%]

金属多孔体の平均気孔径は50μm以上、1000μm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1000μm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)あたりの気孔数をセル数として計数し、平均気孔径=25.4mm/セル数として算出されるものをいうものとする。
The average pore diameter of the metal porous body is preferably 50 μm or more and 1000 μm or less. When the average pore diameter is 50 μm or more, the strength of the metal porous body can be increased, and further, when the metal porous body is used as the gas diffusion layer of the fuel cell, the gas diffusibility can be increased. When the average pore diameter is 1000 μm or less, the bendability of the metal porous body can be improved. From these viewpoints, the average pore diameter of the metal porous body is more preferably 100 μm or more and 500 μm or less, and further preferably 150 μm or more and 400 μm or less.
The average pore size of the metal porous body is obtained by observing the surface of the metal porous body with a microscope or the like and counting the number of pores per inch (25.4 mm) as the number of cells, and the average pore size = 25.4 mm / number of cells. It shall mean what is calculated as.

平板状の形状を有する上記金属多孔体は、その厚みが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は、その厚みが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。 The thickness of the metal porous body having a flat plate shape is preferably 500 μm or more and 5000 μm or less. When the thickness of the metal porous body is 500 μm or more, it is possible to obtain a metal porous body having sufficient strength and having high gas diffusion performance when used as a gas diffusion layer of a fuel cell. When the thickness of the metal porous body is 5000 μm or less, a lightweight metal porous body can be obtained. From these viewpoints, the thickness of the metal porous body is more preferably 600 μm or more and 2000 μm or less, and further preferably 700 μm or more and 1500 μm or less.

<燃料電池>
本開示の実施形態に係る燃料電池は、上記の本開示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、他の構成は従来の燃料電池と同様の構成を採用することができる。当該他の構成としては、例えば、固体電解質層、上記固体電解質層を挟んで両側に積層された電極層、ガスの拡散をより均一にするための簡易なガス流路加工が施されたインターコネクタ等が挙げられる。なお、本開示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。
燃料電池の種類は限定的ではなく、固体酸化物形燃料電池(SOFC)をはじめ固体高分子形燃料電池(PEFC)又はリン酸形燃料電池(PAFC)であってもよい。
一般に固体酸化物形燃料電池は800℃程度の高温で動作するものであり、空気極には酸素を含む空気が供給される。このため、空気極側のガス拡散層として配置される金属多孔体は非常に厳しい条件の高温酸化雰囲気においても安定に存在できるものである必要がある。
上述の本開示の実施形態に係る金属多孔体は、骨格の表面(多孔体基材の骨格の表面)に耐熱コーティング膜が形成されているため、800℃程度の高温酸化雰囲気においても長期間安定に存在することができる。また、本開示の実施形態に係る金属多孔体は気孔率が高いため、ガス拡散層として用いた場合にガスを効率よく拡散させることができる。更に、本開示の実施形態に係る金属多孔体は導電性も高いため、集電体としても高い機能を発揮することができる。このため本開示の実施形態に係る金属多孔体をガス拡散層及び集電体として用いた燃料電池は発電効率が高いものとなる。
<Fuel cell>
The fuel cell according to the embodiment of the present disclosure may be provided with the metal porous body according to the above-described embodiment of the present disclosure as a gas diffusion layer, and other configurations shall be the same as those of the conventional fuel cell. Can be done. Other configurations include, for example, a solid electrolyte layer, electrode layers laminated on both sides of the solid electrolyte layer, and an interconnector with a simple gas flow path processing for more uniform gas diffusion. And so on. The metal porous body according to the embodiment of the present disclosure can act not only as a gas diffusion layer but also as a current collector.
The type of fuel cell is not limited, and may be a solid oxide fuel cell (SOFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), or a phosphoric acid fuel cell (PAFC).
Generally, a solid oxide fuel cell operates at a high temperature of about 800 ° C., and air containing oxygen is supplied to the air electrode. Therefore, the metal porous body arranged as the gas diffusion layer on the air electrode side needs to be able to exist stably even in a high temperature oxidizing atmosphere under extremely severe conditions.
Since the heat-resistant coating film is formed on the surface of the skeleton (the surface of the skeleton of the porous base material), the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure described above is stable for a long period of time even in a high-temperature oxidizing atmosphere of about 800 ° C. Can exist in. Further, since the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has a high porosity, gas can be efficiently diffused when used as a gas diffusion layer. Further, since the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has high conductivity, it can exhibit a high function as a current collector. Therefore, the fuel cell using the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure as the gas diffusion layer and the current collector has high power generation efficiency.

<金属多孔体の製造方法>
本開示の実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、上記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用意工程と、前記多孔体基材の骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する耐熱コーティング膜形成工程と、を有するものである。他の側面において、上記金属多孔体の製造方法は、上記骨格と、上記骨格によって形成されている上記連続気孔とを有する多孔体基材を用意する用意工程と、上記多孔体基材における上記骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、を有し、上記多孔体基材は、その外観が平板状の形状を有し、上記多孔体基材における上記骨格は、その表面にニッケル合金を有する。
以下に各工程を詳述する。
<Manufacturing method of porous metal>
The method for producing a metal porous body according to the embodiment of the present disclosure is the above-mentioned method for producing a metal porous body, which includes a preparation step of preparing a flat plate-shaped porous body base material having continuous pores and the porous body group. It has a heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the material. In another aspect, the method for producing the metal porous body includes a preparation step of preparing a porous body base material having the skeleton and the continuous pores formed by the skeleton, and the skeleton in the porous body base material. The porous body base material has a flat plate-like appearance, and the skeleton of the porous body base material has a heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the porous body. It has a nickel alloy on the surface.
Each step will be described in detail below.

(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。他の側面において、上記多孔体基材は、上記骨格と、上記骨格によって形成されている上記連続気孔とを有すると把握することもできる。上記多孔体基材は本開示の実施形態に係る金属多孔体における基材(多孔体基材)、すなわちニッケル合金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又はエキスパンドメタルのようなメッシュ状の形状でもよいが、三次元網目状構造の形状であることがより好ましい。
上記多孔体基材は、少なくとも骨格の表面がニッケル合金によって形成されているものであればよい。多孔体基材の骨格は、内部が中空の構造であってもよいし、樹脂成形体の表面にニッケル合金が形成された構造であってもよい。
(Preparation process)
The preparation step is a step of preparing a porous base material having continuous pores and having a flat plate shape as a whole. On another aspect, it can also be seen that the porous substrate has the skeleton and the continuous pores formed by the skeleton. The porous body base material is a base material (porous body base material) in the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure, that is, a nickel alloy 12. Therefore, the porous base material prepared in this step may have a mesh-like skeleton shape such as punching metal or expanded metal, but is more preferably a three-dimensional network-like shape.
The porous base material may have at least the surface of the skeleton formed of a nickel alloy. The skeleton of the porous base material may have a hollow structure inside, or may have a structure in which a nickel alloy is formed on the surface of the resin molded body.

ニッケル合金は、上記した本開示の実施形態に係る金属多孔体におけるニッケル合金と同じものであればよい。すなわち、ニッケル合金はニッケルとニッケル以外の金属との合金を主成分としていればよく、ニッケルとニッケル以外の金属との合金以外の成分が意図的又は不可避的に含まれていても構わない。ニッケル合金は、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上の金属との合金であることが好ましい。 The nickel alloy may be the same as the nickel alloy in the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure described above. That is, the nickel alloy may contain an alloy of nickel and a metal other than nickel as a main component, and may intentionally or inevitably contain a component other than the alloy of nickel and a metal other than nickel. The nickel alloy is preferably an alloy of nickel and any one or more metals selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium.

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はニッケル合金82によって形成されている。多孔体基材80は三次元網目状構造の骨格を有し、骨格83の内部84は中空になっている。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。
図9に、三次元網目状構造の骨格を有する多孔体基材の別の一例の断面を拡大視した拡大模式図を示す。図9に示すように、多孔体基材90の骨格93は、三次元網目状構造の骨格を有する樹脂成形体96の骨格の表面を覆うようにニッケル合金92が形成された構造を有する。また、多孔体基材90は連続気孔を有しており、骨格93によって気孔部95が形成されている。
FIG. 8 shows an enlarged schematic view of an example of a porous base material having a skeleton having a three-dimensional network structure in an enlarged view. As shown in FIG. 8, the skeleton 83 of the porous base material 80 is formed of a nickel alloy 82. The porous base material 80 has a skeleton having a three-dimensional network structure, and the inside 84 of the skeleton 83 is hollow. Further, the porous base material 80 has continuous pores, and the pore portion 85 is formed by the skeleton 83.
FIG. 9 shows an enlarged schematic view of another example of a porous base material having a skeleton having a three-dimensional network structure, which is an enlarged view of a cross section. As shown in FIG. 9, the skeleton 93 of the porous base material 90 has a structure in which the nickel alloy 92 is formed so as to cover the surface of the skeleton of the resin molded body 96 having the skeleton of the three-dimensional network structure. Further, the porous base material 90 has continuous pores, and the pore portion 95 is formed by the skeleton 93.

多孔体基材の骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成することで本開示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及び平均気孔径それぞれは、多孔体基材の気孔率及び平均気孔径と略等しくなる。このため、多孔体基材の気孔率及び平均気孔径は、製造目的である金属多孔体の気孔率及び平均気孔径に応じて適宜選択すればよい。多孔体基材の気孔率及び平均気孔径は、前述の本開示の実施形態に係る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。 Since the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure is formed by forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous body base material, the porosity and the average pore diameter of the metal porous body are each set to the porous body base material. Porosity and average porosity are approximately equal to. Therefore, the porosity and the average pore diameter of the porous base material may be appropriately selected according to the porosity and the average pore diameter of the metal porous body to be manufactured. The porosity and average pore size of the porous body substrate are defined in the same manner as the porosity and average pore size of the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure described above.

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(平板状)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、ポリウレタン樹脂又はメラミン樹脂等を用いることができる。図10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、カーボン及び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及び銅等の導電性金属による層を形成したり、蒸着法又は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。
If the desired porous substrate is not available on the market, it may be produced by the following method.
First, a sheet-shaped (flat plate-shaped) resin molded body having a skeleton having a three-dimensional network structure (hereinafter, also simply referred to as “resin molded body”) is prepared. As the resin molded body, a polyurethane resin, a melamine resin, or the like can be used. FIG. 10 shows a photograph of a urethane foam resin having a skeleton having a three-dimensional network structure.
Subsequently, a conductive treatment step of forming a conductive layer on the surface of the skeleton of the resin molded body is performed. The conductive treatment includes, for example, applying a conductive coating material containing conductive particles such as carbon and conductive ceramic, forming a layer made of a conductive metal such as nickel and copper by a electroless plating method, or a vapor deposition method. Alternatively, it can be carried out by forming a layer made of a conductive metal such as aluminum by a sputtering method.

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、ニッケル合金をめっきする。ニッケル合金のめっきは公知の手法によって行なえばよい。
ニッケルタングステンは、例えば、硫酸ニッケルが0.15mol/L、タングステン酸ナトリウムが0.15mol/L、クエン酸三アンモニウムが0.3mol/Lのめっき浴を用いて、pH7、浴温度40℃、電流密度5A/dmの条件でめっきすることができる。なお、電流密度は基材の見かけ面積を基準とする。
また、ニッケルモリブデンは、例えば、硫酸ニッケルが0.15mol/L、モリブデン酸ナトリウムが0.15mol/L、クエン酸三アンモニウムが0.3mol/Lのめっき浴を用いて、pH7、浴温度40℃、電流密度5A/dmの条件でめっきすることができる。なお、電流密度は基材の見かけ面積を基準とする。ここで、「基材の見かけ面積」とは、例えば、平板状の形状を有する基材における主面の面積を意味する。
Subsequently, a nickel alloy is plated using a resin molded product having a conductive layer formed on the surface of the skeleton as a base material. Plating of the nickel alloy may be performed by a known method.
Nickel tungsten is, for example, using a plating bath having nickel sulfate of 0.15 mol / L, sodium tungstate of 0.15 mol / L, and triammonium citrate of 0.3 mol / L, pH 7, bath temperature 40 ° C., current. Plating can be performed under the condition of a density of 5 A / dm 2 . The current density is based on the apparent area of the base material.
Further, for nickel molybdenum, for example, using a plating bath in which nickel sulfate is 0.15 mol / L, sodium molybdate is 0.15 mol / L, and triammonium citrate is 0.3 mol / L, pH 7 and bath temperature 40 ° C. , Plating can be performed under the condition of current density of 5 A / dm 2 . The current density is based on the apparent area of the base material. Here, the "apparent area of the base material" means, for example, the area of the main surface of the base material having a flat plate shape.

上記のようにして樹脂成形体の骨格の表面にニッケル合金のめっき膜を形成することで、図9に示す多孔体基材90が得られる。また、樹脂成形体の骨格の表面にニッケル合金のめっき膜を形成した後に、熱処理等によって樹脂成形体を除去することで、図8に示す多孔体基材80を得ることができる。
なお、多孔体基材の気孔率及び平均気孔径それぞれは、基材として用いる樹脂成形体の気孔率及び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及び平均気孔径に応じて樹脂成形体の気孔率及び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。
By forming a nickel alloy plating film on the surface of the skeleton of the resin molded product as described above, the porous body base material 90 shown in FIG. 9 can be obtained. Further, the porous base material 80 shown in FIG. 8 can be obtained by forming a nickel alloy plating film on the surface of the skeleton of the resin molded body and then removing the resin molded body by heat treatment or the like.
The porosity and the average pore diameter of the porous base material are substantially equal to the porosity and the average pore diameter of the resin molded product used as the base material. Therefore, the porosity and the average pore diameter of the resin molded product may be appropriately selected according to the porosity and the average porosity of the porous base material, which is the purpose of production. The porosity and average pore diameter of the resin molded product are defined in the same manner as the porosity and average pore diameter of the metal porous body described above.

骨格の表面に導電層を形成した樹脂成形体の表面にニッケル合金によるめっき膜を形成する方法として他には、まず、ニッケルめっき膜を形成し、その後にニッケル以外の金属によるめっき膜を形成し合金化させる方法も挙げられる。
例えば、ニッケル合金として、ニッケルアルミニウム又はニッケルチタンによるめっき膜を形成する場合には、樹脂成形体の骨格の表面にまずニッケルめっき膜を形成し、続けてアルミニウムめっき膜又はチタンめっき膜を形成すればよい。アルミニウム又はチタンのめっきをする際に高温の溶融塩浴を用いると、アルミニウム又はチタンをめっきすると同時にニッケルとの合金化が進行し、また樹脂成形体も消失する。なお、アルミニウムをめっきする際に低温の溶融塩浴を用いる場合には、アルミニウムめっき膜形成後に熱処理をしてニッケル及びアルミニウムの合金化と、樹脂成形体の除去とを行なえばよい。
Another method of forming a nickel alloy plating film on the surface of a resin molded body having a conductive layer formed on the surface of the skeleton is to first form a nickel plating film and then to form a plating film made of a metal other than nickel. There is also a method of alloying.
For example, in the case of forming a nickel aluminum or nickel titanium plating film as a nickel alloy, a nickel plating film is first formed on the surface of the skeleton of the resin molded body, and then an aluminum plating film or a titanium plating film is formed. Good. When a high-temperature molten salt bath is used when plating aluminum or titanium, alloying with nickel proceeds at the same time as plating aluminum or titanium, and the resin molded body disappears. When a low-temperature molten salt bath is used for plating aluminum, heat treatment may be performed after forming the aluminum plating film to alloy nickel and aluminum and remove the resin molded body.

ニッケルめっき膜の形成は無電解ニッケルめっき及び電解ニッケルめっきのどちらを利用しても構わないが、電解めっきの方が、効率が良いため好ましい。電解ニッケルめっきを行う場合は、常法に従って行えばよい。電解ニッケルめっき処理に用いるめっき浴としては、公知又は市販のものを使用することができ、例えば、ワット浴、塩化浴、スルファミン酸浴等が挙げられる。
骨格の表面に導電層が形成された樹脂成形体を上記めっき浴に浸し、樹脂成形体を陰極に、ニッケル対極板を陽極に接続して、直流又はパルス断続電流を通電させることにより、導電層の表面にニッケルめっき膜を形成することができる。
Either electroless nickel plating or electrolytic nickel plating may be used for forming the nickel plating film, but electrolytic plating is preferable because it is more efficient. When performing electrolytic nickel plating, it may be carried out according to a conventional method. As the plating bath used for the electrolytic nickel plating treatment, known or commercially available plating baths can be used, and examples thereof include a watt bath, a chloride bath, and a sulfamic acid bath.
A conductive layer is formed by immersing a resin molded body having a conductive layer formed on the surface of the skeleton in the plating bath, connecting the resin molded body to a cathode and a nickel counter electrode plate to an anode, and energizing a direct current or a pulse intermittent current. A nickel-plated film can be formed on the surface of the.

アルミニウムのめっきは、溶融塩浴中で、ニッケルめっき膜形成後の樹脂成形体がカソードとして作用するように電気分解(溶融塩電解)することで行なうことができる。
溶融塩としては、例えば、ハロゲン化物系の溶融塩にアルミニウムハロゲン化物を添加した電解液を用いることが可能である。ハロゲン化物系の溶融塩としては、例えば、塩化物系の溶融塩又はフッ化物系の溶融塩を用いることができる。塩化物系の溶融塩としては、例えばKCl、NaCl、CaCl、LiCl、RbCl、CsCl、SrCl、BaCl、MgCl又は、これらの共晶塩などを用いることができる。またフッ化物系の溶融塩としては、例えばLiF、NaF、KF、RbF、CsF、MgF、CaF、SrF、BaF又は、これらの共晶塩などを用いることができる。上記ハロゲン化物のなかでも、効率の観点から塩化物系の溶融塩を用いることが好ましく、なかでも安価で入手が容易という点からは、KCl、NaCl、CaClを用いることが好ましい。
また、有機系ハロゲン化物とアルミニウムハロゲン化物の共晶塩である有機溶融塩を使用することで、低い温度でアルミニウムのめっき膜を形成することができる。有機系ハロゲン化物としては、例えば、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロライド(EMIC)、ブチルピリジニウムクロライド(BPC)を挙げることができる。アルミニウムハロゲン化物としては、例えば、塩化アルミニウム(AlCl)を挙げることができる。
有機溶融塩を用いてアルミニウムのめっきを行った場合には、例えば、大気等の酸化性雰囲気下で600℃程度以上に加熱することで、ニッケルとアルミニウムとを合金化させつつ、樹脂成形体を焼却除去することができる。
Aluminum plating can be performed by electrolysis (molten salt electrolysis) in a molten salt bath so that the resin molded body after forming the nickel plating film acts as a cathode.
As the molten salt, for example, an electrolytic solution obtained by adding an aluminum halide to a halide-based molten salt can be used. As the halide-based molten salt, for example, a chloride-based molten salt or a fluoride-based molten salt can be used. As the chloride-based molten salt, for example, KCl, NaCl, CaCl 2 , LiCl, RbCl, CsCl, SrCl 2 , BaCl 2 , MgCl 2, or a eutectic salt thereof can be used. As the fluoride-based molten salt, for example, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 , BaF 2, or a eutectic salt thereof can be used. Among the above halides, it is preferable to use a chloride-based molten salt from the viewpoint of efficiency, and among them, KCl, NaCl, and CaCl 2 are preferably used from the viewpoint of low cost and easy availability.
Further, by using an organic molten salt which is a eutectic salt of an organic halide and an aluminum halide, an aluminum plating film can be formed at a low temperature. Examples of the organic halide include 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (EMIC) and butylpyridinium chloride (BPC). Examples of the aluminum halide include aluminum chloride (AlCl 3 ).
When aluminum is plated with an organic molten salt, for example, by heating to about 600 ° C. or higher in an oxidizing atmosphere such as the atmosphere, the resin molded product is formed while alloying nickel and aluminum. Can be incinerated and removed.

チタンのめっきは、第1族金属の金属イオンと、フッ化物イオンと、チタニウムイオンとを含む。例えば、フッ化リチウム(LiF)及びフッ化ナトリウム(NaF)のうち少なくとも一つと、塩化リチウム(LiCl)及び塩化ナトリウム(NaCl)のうち少なくとも一つとの溶融塩浴に更にチタンを溶解し、当該チタンが溶解した溶融塩浴中でニッケルを主成分とする金属多孔体をカソードとして溶融塩電解することで行なうことができる。
チタニウムイオンは、Ti4+又はTi3+であればよい。
Plating of titanium contains metal ions of Group 1 metals, fluoride ions, and titanium ions. For example, titanium is further dissolved in a molten salt bath containing at least one of lithium fluoride (LiF) and sodium fluoride (NaF) and at least one of lithium chloride (LiCl) and sodium chloride (NaCl). It can be carried out by molten salt electrolysis using a metal porous body containing nickel as a main component in a molten salt bath in which sodium chloride is dissolved.
The titanium ion may be Ti 4+ or Ti 3+ .

上記溶融塩浴にチタンを添加して溶融塩浴中で、3Ti4++Ti金属→4Ti3+という均化反応を生じさせる必要がある。溶融塩浴に添加するチタンの量は、溶融塩浴中のTi4+がTi3+となるのに必要最低限な量を超える量とすればよい。溶融塩浴にチタンを予め十分に溶解させておくことで、続いて行なう溶融塩電解時において電析するチタンが溶融塩浴中に溶解しないようにすることができる。It is necessary to add titanium to the molten salt bath to cause a disproportionation reaction of 3Ti 4+ + Ti metal → 4Ti 3+ in the molten salt bath. The amount of titanium added to the molten salt bath may be an amount exceeding the minimum amount necessary for Ti 4+ in the molten salt bath to become Ti 3+ . By sufficiently dissolving titanium in the molten salt bath in advance, it is possible to prevent the titanium electrodeposited during the subsequent molten salt electrolysis from being dissolved in the molten salt bath.

(耐熱コーティング膜形成工程)
耐熱コーティング膜形成工程は、上記用意工程で用意した多孔体基材の骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する工程である。他の側面において、耐熱コーティング膜形成工程は、上記用意工程で用意した多孔体基材の表面に耐熱コーティング膜を形成する工程と把握することもできる。耐熱コーティング膜を形成する方法は限定されるものではないが、効率よく形成する観点からは、めっきによって形成することが好ましい。
耐熱コーティング膜は、銀(Ag)、コバルト(Co)、金(Au)、白金(Pt)等の、高温酸化雰囲気下において安定な金属又は合金であればよい。金属多孔体の製造コストの観点からは、上記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトであることが好ましい。他の側面において、上記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトを含むことが好ましい。
(Heat-resistant coating film forming process)
The heat-resistant coating film forming step is a step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous base material prepared in the above preparation step. On another aspect, the heat-resistant coating film forming step can also be understood as a step of forming the heat-resistant coating film on the surface of the porous base material prepared in the above preparation step. The method for forming the heat-resistant coating film is not limited, but it is preferably formed by plating from the viewpoint of efficient formation.
The heat-resistant coating film may be a metal or alloy that is stable in a high-temperature oxidizing atmosphere, such as silver (Ag), cobalt (Co), gold (Au), and platinum (Pt). From the viewpoint of the production cost of the metal porous body, the heat-resistant coating film is preferably silver or cobalt. On the other side, the heat resistant coating film preferably contains silver or cobalt.

−銀めっき−
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。
-Silver plating-
The silver plating method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, it is preferable to carry out by electroplating in a silver-based methanesulfonate plating bath. Further, it is preferable to perform silver strike plating before silver plating.

−コバルトめっき−
コバルトのめっき方法は特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法によって行なうことが好ましい。すなわち、コバルトめっき液として、硫酸コバルト350g/L、塩化コバルト45g/L、塩化ナトリウム25g/L、ホウ酸35g/Lの組成の水溶液を用意し、室温(20℃程度)で、電流密度を2A/dmとすることで、多孔体基材の骨格の表面にコバルトをめっきすることができる。
-Cobalt plating-
The method for plating cobalt is not particularly limited, but it is preferable to use the following method, for example. That is, as a cobalt plating solution, an aqueous solution having a composition of cobalt sulfate 350 g / L, cobalt chloride 45 g / L, sodium chloride 25 g / L, and boric acid 35 g / L was prepared, and the current density was 2A at room temperature (about 20 ° C.). By setting / dm 2 , cobalt can be plated on the surface of the skeleton of the porous base material.

<水素の製造方法、及び水素の製造装置>
本開示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又は、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。
<Hydrogen production method and hydrogen production equipment>
The metal porous body according to the embodiment of the present disclosure can be suitably used for, for example, a gas diffusion layer for a fuel cell or an electrode for hydrogen production by water electrolysis. Hydrogen production methods are broadly divided into [1] alkaline water electrolysis method, [2] PEM (Polymer Electrolyte Membrance) method, and [3] SOEC (Solid Oxide Electrolyte Cell) method, all of which are metals. A porous body can be used.

上記[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とを浸漬し、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と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、金属多孔体は上から見た場合(例えば、金属多孔体の外観が平板状であるときの主面側から見た場合)の平均気孔径が100μm以上、5000μm以下であることが好ましい。金属多孔体を上から見た場合の平均気孔径が100μm以上であることにより、発生した水素又は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、金属多孔体を上から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、金属多孔体を上から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。
金属多孔体の厚さ及び金属の目付量は、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/m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。
The alkaline water electrolysis method of the above [1] is a method in which an anode and a cathode are immersed in a strong alkaline aqueous solution and water is electrolyzed by applying a voltage. By using a metal porous body as an electrode, the contact area between water and the electrode is increased, and the efficiency of electrolysis of water can be improved.
In the method for producing hydrogen by the alkaline water electrolysis method, the average pore diameter of the metal porous body when viewed from above (for example, when viewed from the main surface side when the appearance of the metal porous body is flat) is 100 μm. It is preferably 5000 μm or less. When the average pore diameter of the metal porous body is 100 μm or more when viewed from above, the generated hydrogen or oxygen bubbles are clogged in the pores of the metal porous body, and the contact area between water and the electrode is reduced. It can be suppressed. Further, when the average pore diameter when the metal porous body is viewed from above is 5000 μm or less, the surface area of the electrode becomes sufficiently large, and the efficiency of electrolysis of water can be improved. From the same viewpoint, it is more preferable that the average pore diameter when the metal porous body is viewed from above is 400 μm or more and 4000 μm or less.
The thickness of the metal porous body and the basis weight of the metal may cause deflection when the electrode area becomes large, and therefore may be appropriately selected depending on the scale of the equipment. The basis weight of the metal is preferably 200 g / m 2 or more and 2000 g / m 2 or less, more preferably 300 g / m 2 or more and 1200 g / m 2 or less, and 400 g / m 2 or more and 1000 g. It is more preferably about / m 2 or less. A plurality of metal porous bodies having different average pore diameters can be used in combination in order to achieve both the removal of air bubbles and the securing of the surface area.

上記[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とを配置し、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形燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。陽極側と陰極側と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。陽極及び陰極共に電極を透過させて水及び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。 The PEM method of the above [2] is a method of electrolyzing water using a solid polymer electrolyte membrane. By arranging an anode and a cathode on both sides of the solid polymer electrolyte membrane and applying a voltage while flowing water on the anode side, hydrogen ions generated by electrolysis of water are transferred to the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane. It is a method of moving and extracting as hydrogen on the cathode side. The operating temperature is about 100 ° C. It has the same configuration as a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity with hydrogen and oxygen and discharges water, and operates in the exact opposite direction. Since the anode side and the cathode side are completely separated, there is an advantage that high-purity hydrogen can be extracted. Since both the anode and the cathode need to allow water and hydrogen gas to pass through the electrode, the electrode needs to be a conductive porous body.

本開示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、固体高分子形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、金属多孔体は上から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。金属多孔体を上から見た場合の平均気孔径が150μm以上であることにより、発生した水素及び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、金属多孔体を上から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、金属多孔体を上から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。 Since the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has a high porosity and good electrical conductivity, it can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell, and thus can be used for PEM-type water electrolysis. Can be suitably used. In the method for producing hydrogen by the PEM method, it is preferable that the metal porous body has an average pore diameter of 150 μm or more and 1000 μm or less when viewed from above. When the metal porous body is viewed from above, the average pore diameter is 150 μm or more, so that the generated hydrogen and oxygen bubbles are clogged in the pores of the metal porous body, and the contact area between water and the solid polymer electrolyte membrane is increased. It is possible to prevent it from becoming smaller. In addition, when the metal porous body is viewed from above, the average pore diameter is 1000 μm or less, so that sufficient water retention can be ensured, and water can be prevented from passing through before the reaction, which is efficient. Water can be electrolyzed. From the same viewpoint, the average pore diameter when the metal porous body is viewed from above is more preferably 200 μm or more and 700 μm or less, and further preferably 300 μm or more and 600 μm or less.

金属多孔体の厚さ及び金属の目付量は、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と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、加圧時の変形及び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/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。The thickness of the metal porous body and the basis weight of the metal may be appropriately selected depending on the scale of the equipment, but if the porosity becomes too small, the pressure loss for passing water increases, so the porosity is 30% or more. It is preferable to adjust the thickness and the basis weight of the metal so as to be. Further, in the PEM method, since the conduction between the solid polymer electrolyte membrane and the electrode is pressure-bonded, the amount of metal attached to the eye is adjusted so that the increase in electrical resistance due to deformation and creep during pressurization is within a practically acceptable range. There is a need. The basis weight of the metal is preferably 200 g / m 2 or more and 2000 g / m 2 or less, more preferably 300 g / m 2 or more and 1200 g / m 2 or less, and 400 g / m 2 or more and 1000 g. It is more preferably about / m 2 or less. In addition, in order to secure the porosity and achieve both electrical connection, a plurality of metal porous bodies having different average pore diameters can be used in combination.

上記[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とを配置し、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形燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。
The SOEC method of the above [3] is a method of electrolyzing water using a solid oxide electrolyte membrane, and the composition differs depending on whether the electrolyte membrane is a proton conductive membrane or an oxygen ion conductive membrane. In the oxygen ion conductive membrane, hydrogen is generated on the cathode side where water vapor is supplied, so that the hydrogen purity is lowered. Therefore, from the viewpoint of hydrogen production, it is preferable to use a proton conductive film.
By arranging anodes and cathodes on both sides of the proton conduction film and applying a voltage while introducing water vapor to the anode side, hydrogen ions generated by electrolysis of water are moved to the cathode side through the solid oxide electrolyte membrane. This is a method in which only hydrogen is taken out on the cathode side. The operating temperature is about 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. It has the same configuration as a solid oxide fuel cell that generates electricity with hydrogen and oxygen and discharges water, and operates in the exact opposite direction.

陽極及び陰極共に電極を透過させて水蒸気及び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。本開示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及び耐熱性とを備えているため、固体酸化物形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。 Since it is necessary for both the anode and the cathode to allow water vapor and hydrogen gas to pass through the electrodes, the electrodes need to be conductive and have a porous body that can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere, especially on the anode side. Since the metal porous body according to the embodiment of the present disclosure has a high porosity, good electrical conductivity, high oxidation resistance and heat resistance, it can be suitably used for a solid oxide fuel cell. In addition, it can be suitably used for SOEC type water electrolysis.

SOEC方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は上から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。金属多孔体を上から見た場合の平均気孔径が150μm以上であることにより、水蒸気及び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、金属多孔体を上から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、金属多孔体を上から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。 In the method for producing hydrogen by the SOC method, it is preferable that the metal porous body has an average pore diameter of 150 μm or more and 1000 μm or less when viewed from above. When the metal porous body is viewed from above, the average pore diameter is 150 μm or more, so that water vapor and generated hydrogen are clogged in the pores of the metal porous body, and the contact area between the water vapor and the solid oxide electrolyte membrane becomes small. It can be suppressed that it ends up. Further, when the metal porous body is viewed from above, the average pore diameter is 1000 μm or less, so that it is possible to prevent the pressure loss from becoming too low and the water vapor from passing through before sufficiently reacting. From the same viewpoint, the average pore diameter when the metal porous body is viewed from above is more preferably 200 μm or more and 700 μm or less, and further preferably 300 μm or more and 600 μm or less.

金属多孔体の厚さ及び金属の目付量は、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、加圧時の変形及び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。The thickness of the metal porous body and the basis weight of the metal may be appropriately selected depending on the scale of the equipment, but if the porosity becomes too small, the pressure loss for introducing water vapor increases, so the porosity is 30% or more. It is preferable to adjust the thickness and the basis weight of the metal so as to be. Further, in the SOEC method, the conduction between the solid oxide electrolyte membrane and the electrode is pressure-bonded, so it is necessary to adjust the amount of metal texture so that the increase in electrical resistance due to deformation and creep during pressurization is within a practically acceptable range. There is. The basis weight of the metal is preferably 200 g / m 2 or more and 2000 g / m 2 or less, more preferably 300 g / m 2 or more and 1200 g / m 2 or less, and 400 g / m 2 or more and 1000 g. It is more preferably about / m 2 or less. In addition, in order to secure the porosity and achieve both electrical connection, a plurality of metal porous bodies having different average pore diameters can be used in combination.

<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、ニッケル合金の表面に耐熱コーティング膜が形成されている、
水素の製造方法。
(付記2)
前記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトである、付記1に記載の水素の製造方法。
(付記3)
前記耐熱コーティング膜の平均膜厚は1μm以上である、付記1又は付記2に記載の水素の製造方法。
(付記4)
前記ニッケル合金は、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上と、の合金を主成分とする、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酸化物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。
<Additional notes>
The above description includes the features described below.
(Appendix 1)
A method of generating hydrogen by electrolyzing water using a metal porous body as an electrode.
The metal porous body is a flat metal porous body having continuous pores, and is
The skeleton of the metal porous body has a heat-resistant coating film formed on the surface of a nickel alloy.
Method for producing hydrogen.
(Appendix 2)
The method for producing hydrogen according to Appendix 1, wherein the heat-resistant coating film is silver or cobalt.
(Appendix 3)
The method for producing hydrogen according to Appendix 1 or Appendix 2, wherein the heat-resistant coating film has an average film thickness of 1 μm or more.
(Appendix 4)
The hydrogen according to any one of Appendix 1 to Appendix 3, wherein the nickel alloy is mainly composed of an alloy of nickel and any one or more selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium. Manufacturing method.
(Appendix 5)
The method for producing hydrogen according to any one of Appendix 1 to Appendix 4, wherein the skeleton has a three-dimensional network structure.
(Appendix 6)
The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 5, wherein the metal porous body has a porosity of 60% or more and 98% or less.
(Appendix 7)
The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 6, wherein the metal porous body has an average pore diameter of 50 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 8)
The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 7, wherein the metal porous body has a thickness of 500 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 9)
The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 8, wherein the water is a strong alkaline aqueous solution.
(Appendix 10)
The metal porous bodies are arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane and the metal porous body are brought into contact with each other, and each metal porous body acts as an anode and a cathode, and water is placed on the anode side. The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 8, wherein hydrogen is generated on the cathode side by supplying and electrolyzing the mixture.
(Appendix 11)
The metal porous bodies are arranged on both sides of the solid oxide electrolyte membrane, and the solid oxide electrolyte membrane and the metal porous body are brought into contact with each other, and each metal porous body acts as an anode and a cathode, and water vapor is generated on the anode side. The method for producing hydrogen according to any one of Supplementary note 1 to Supplementary note 8, wherein hydrogen is generated on the cathode side by supplying water to electrolyze water.

(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、ニッケル合金の表面に耐熱コーティング膜が形成されている、
水素の製造装置。
(付記13)
前記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトである、付記12に記載の水素の製造装置。
(付記14)
前記耐熱コーティング膜の平均膜厚は1μm以上である、付記12又は付記13に記載の水素の製造装置。
(付記15)
前記ニッケル合金は、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上と、の合金を主成分とする、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酸化物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。
(Appendix 12)
A hydrogen production device that can generate hydrogen by electrolyzing water.
A flat metal porous body having continuous pores as an electrode is provided.
The skeleton of the metal porous body has a heat-resistant coating film formed on the surface of a nickel alloy.
Hydrogen production equipment.
(Appendix 13)
The hydrogen production apparatus according to Appendix 12, wherein the heat-resistant coating film is silver or cobalt.
(Appendix 14)
The hydrogen production apparatus according to Appendix 12 or Appendix 13, wherein the heat-resistant coating film has an average film thickness of 1 μm or more.
(Appendix 15)
The hydrogen according to any one of Appendix 12 to Appendix 14, wherein the nickel alloy is mainly composed of an alloy of nickel and any one or more selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium. Manufacturing equipment.
(Appendix 16)
The hydrogen production apparatus according to any one of Supplementary note 12 to Supplementary note 15, wherein the skeleton has a three-dimensional network structure.
(Appendix 17)
The hydrogen production apparatus according to any one of Supplementary note 12 to Supplementary note 16, wherein the metal porous body has a porosity of 60% or more and 98% or less.
(Appendix 18)
The hydrogen production apparatus according to any one of Supplementary note 12 to Supplementary note 17, wherein the metal porous body has an average pore diameter of 50 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 19)
The hydrogen production apparatus according to any one of Supplementary note 12 to Supplementary note 18, wherein the metal porous body has a thickness of 500 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 20)
The hydrogen production apparatus according to any one of Supplementary note 12 to Supplementary note 19, wherein the water is a strong alkaline aqueous solution.
(Appendix 21)
It has anodes and cathodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane.
The anode and the cathode are in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and are in contact with each other.
A hydrogen production apparatus capable of generating hydrogen on the cathode side by electrolyzing the water supplied to the anode side.
The hydrogen production apparatus according to any one of Appendix 12 to Appendix 19, wherein the metal porous body is used for at least one of the anode and the cathode.
(Appendix 22)
It has anodes and cathodes on both sides of the solid oxide electrolyte membrane.
The anode and the cathode are in contact with the solid oxide electrolyte membrane, and are in contact with each other.
A hydrogen production apparatus capable of generating hydrogen on the cathode side by electrolyzing the water vapor supplied to the anode side.
The hydrogen production apparatus according to any one of Appendix 12 to Appendix 19, wherein the metal porous body is used for at least one of the anode and the cathode.

(付記101)
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、ニッケル合金の表面に耐熱コーティング膜が形成されている、
金属多孔体。
(付記102)
前記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトである、付記101に記載の金属多孔体。
(付記103)
前記耐熱コーティング膜の平均膜厚は1μm以上である、付記101又は付記102に記載の金属多孔体。
(付記104)
前記ニッケル合金は、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上と、の合金を主成分とする、付記101から付記103のいずれか一項に記載の金属多孔体。
(付記105)
前記骨格の形状が三次元網目状構造である、付記101から付記104のいずれか一項に記載の金属多孔体。
(付記106)
前記金属多孔体は、気孔率が60%以上、98%以下である、付記101から付記105のいずれか一項に記載の金属多孔体。
(付記107)
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101から付記106のいずれか一項に記載の金属多孔体。
(付記108)
前記金属多孔体は、厚みが500μm以上、5000μm以下である、付記101から付記107のいずれか一項に記載の金属多孔体。
(付記109)
付記101から付記108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、燃料電池。
(付記110)
付記101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用意工程と、
前記多孔体基材の骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、
を有し、
前記多孔体基材は、少なくとも骨格の表面がニッケル合金によって形成されている、
金属多孔体の製造方法。
(付記111)
前記用意工程は、連続気孔を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面にニッケル合金をめっきすることによって行なう、
付記110に記載の金属多孔体の製造方法。
(付記112)
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、付記110又は付記111に記載の金属多孔体の製造方法。
(Appendix 101)
A flat metal porous body having continuous pores,
The skeleton of the metal porous body has a heat-resistant coating film formed on the surface of a nickel alloy.
Porous metal.
(Appendix 102)
The metal porous body according to Appendix 101, wherein the heat-resistant coating film is silver or cobalt.
(Appendix 103)
The metal porous body according to Appendix 101 or Appendix 102, wherein the heat-resistant coating film has an average film thickness of 1 μm or more.
(Appendix 104)
The metal according to any one of Appendix 101 to Appendix 103, wherein the nickel alloy is mainly composed of an alloy of nickel and any one or more selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium. Porous body.
(Appendix 105)
The metal porous body according to any one of the items 101 to 104, wherein the skeleton has a three-dimensional network structure.
(Appendix 106)
The metal porous body according to any one of Appendix 101 to Appendix 105, wherein the metal porous body has a porosity of 60% or more and 98% or less.
(Appendix 107)
The metal porous body according to any one of Supplementary notes 101 to 106, wherein the metal porous body has an average pore diameter of 50 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 108)
The metal porous body according to any one of Supplementary note 101 to Supplementary note 107, wherein the metal porous body has a thickness of 500 μm or more and 5000 μm or less.
(Appendix 109)
A fuel cell comprising the metal porous body according to any one of Supplementary notes 101 to 108 as a gas diffusion layer.
(Appendix 110)
The method for producing a metal porous body according to Appendix 101.
A preparation process for preparing a flat plate-shaped porous base material having continuous pores, and
A heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous base material, and
Have,
At least the surface of the skeleton of the porous substrate is formed of a nickel alloy.
A method for producing a porous metal body.
(Appendix 111)
The preparation step is performed by plating a nickel alloy on the surface of the skeleton of a flat plate-shaped resin molded product having continuous pores.
The method for producing a porous metal body according to Appendix 110.
(Appendix 112)
The method for producing a metal porous body according to Appendix 110 or Appendix 111, wherein the shape of the skeleton of the porous body base material is a three-dimensional network structure.

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。本発明の範囲は特許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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples, but these Examples are examples, and the metal porous body and the like of the present invention are not limited thereto. The scope of the present invention is indicated by the description of the claims, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.

(実施例1)
−用意工程−
まず、三次元網目状構造の骨格を有する樹脂成形体として、厚みが1.2mmで、主面の大きさが15cm×15cmの発泡ウレタンを用意した。発泡ウレタンの気孔率は95%であり、平均気孔径は440μmであった。
前記発泡ウレタンを導電化処理することにより、骨格の表面に導電層を形成した。導電化処理は、カーボンを分散させた溶媒を塗布、乾燥することで行った。
導電化処理後の発泡ウレタンを基材として用いて、発泡ウレタンの骨格の表面にニッケルタングステンのめっき膜の形成を行った。ニッケルタングステンのめっきは、硫酸ニッケルが0.15mol/L、タングステン酸ナトリウムが0.15mol/L、クエン酸三アンモニウムが0.3mol/Lのめっき浴を用いて、pH7、浴温度40℃、電流密度5A/dmの条件で行なった。なお、電流密度は基材の見かけ面積を基準としたものである。
これにより、骨格の表面がニッケルタングステンによって構成されている多孔体基材No.1が得られた。
−耐熱コーティング膜形成工程−
前記多孔体基材No.1の骨格の表面に、耐熱コーティング膜として銀のめっき膜を形成し、更に、熱処理により樹脂成形体(発泡ウレタン)の除去を行った。
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、電流密度は多孔体基材の見かけ面積を基準としたものである。
これにより、ニッケルタングステンの表面に銀のめっき膜が形成された金属多孔体No.1が得られた。
(Example 1)
-Preparation process-
First, as a resin molded body having a skeleton having a three-dimensional network structure, urethane foam having a thickness of 1.2 mm and a main surface size of 15 cm × 15 cm was prepared. The porosity of urethane foam was 95%, and the average pore diameter was 440 μm.
A conductive layer was formed on the surface of the skeleton by subjecting the urethane foam to a conductive treatment. The conductive treatment was carried out by applying a solvent in which carbon was dispersed and drying.
A nickel-tungsten plating film was formed on the surface of the urethane foam skeleton using urethane foam after the conductivity treatment as a base material. Nickel-tungsten plating is performed using a plating bath containing 0.15 mol / L nickel sulfate, 0.15 mol / L sodium tungstate, and 0.3 mol / L triammonium citrate, pH 7, bath temperature 40 ° C., and current. The procedure was performed under the condition of a density of 5 A / dm 2 . The current density is based on the apparent area of the base material.
As a result, the porous base material No. 1 whose skeleton surface is made of nickel-tungsten. 1 was obtained.
-Heat-resistant coating film forming process-
The porous base material No. A silver plating film was formed as a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of No. 1, and the resin molded body (urethane foam) was further removed by heat treatment.
For silver plating, a silver plating solution having a composition of silver potassium cyanide 2 g / L and sodium cyanide 100 g / L was used, the temperature of the plating solution was 25 ° C., the current density was 2 A / dm 2 , and the anode was a stainless steel plate. It was carried out by energizing for 20 minutes using. The current density is based on the apparent area of the porous base material.
As a result, the metal porous body No. 1 in which a silver plating film was formed on the surface of nickel-tungsten. 1 was obtained.

(実施例2)
−用意工程−
実施例1と同様にして多孔体基材No.1を用意した。
−耐熱コーティング膜形成工程−
前記多孔体基材No.1の骨格の表面に、耐熱コーティング膜としてコバルトのめっき膜を形成し、更に、熱処理により樹脂成形体(発泡ウレタン)の除去を行った。
コバルトのめっきは、硫酸コバルト350g/L、塩化コバルト45g/L、塩化ナトリウム25g/L、ホウ酸35g/Lの組成のコバルトめっき液を用意し、室温(約20℃)で、電流密度を2A/dmとすることで行なった。なお、電流密度は多孔体基材の見かけ面積を基準としたものである。
これにより、ニッケルタングステンの表面にコバルトのめっき膜が形成された金属多孔体No.2が得られた。
(Example 2)
-Preparation process-
The porous base material No. 1 was prepared in the same manner as in Example 1.
-Heat-resistant coating film forming process-
The porous base material No. A cobalt plating film was formed as a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of No. 1, and the resin molded body (urethane foam) was further removed by heat treatment.
For cobalt plating, a cobalt plating solution having a composition of cobalt sulfate 350 g / L, cobalt chloride 45 g / L, sodium chloride 25 g / L, and boric acid 35 g / L was prepared, and the current density was 2 A at room temperature (about 20 ° C.). This was done by setting / dm 2 . The current density is based on the apparent area of the porous base material.
As a result, the metal porous body No. 1 in which a cobalt plating film was formed on the surface of nickel-tungsten. 2 was obtained.

(実施例3)
−用意工程−
まず、三次元網目状構造の骨格を有する樹脂成形体として、厚みが1.2mmで、主面の大きさが15cm×15cmの発泡ウレタンを用意した。発泡ウレタンの気孔率は95%であり、平均気孔径は440μmであった。
前記発泡ウレタンを導電化処理することにより、骨格の表面に導電層を形成した。導電化処理は、カーボンを分散させた溶媒を塗布、乾燥することで行った。
導電化処理後の発泡ウレタンを基材として用いて、発泡ウレタンの骨格の表面にニッケルモリブデンのめっき膜の形成を行った。ニッケルモリブデンのめっきは、硫酸ニッケルが0.15mol/L、モリブデン酸ナトリウムが0.15mol/L、クエン酸三アンモニウムが0.3mol/Lのめっき浴を用いて、pH7、浴温度40℃、電流密度5A/dmの条件で行なった。なお、電流密度は基材の見かけ面積を基準としたものである。
これにより、骨格の表面がニッケルモリブデンによって構成されている多孔体基材No.2が得られた。
−耐熱コーティング膜形成工程−
前記多孔体基材No.2の骨格の表面に、耐熱コーティング膜として銀のめっき膜を形成し、更に、熱処理により樹脂成形体(発泡ウレタン)の除去を行った。
銀のめっき膜の形成及び熱処理は実施例1と同様にして行った。
これにより、ニッケルモリブデンの表面に銀のめっき膜が形成された金属多孔体No.3が得られた。
(Example 3)
-Preparation process-
First, as a resin molded body having a skeleton having a three-dimensional network structure, urethane foam having a thickness of 1.2 mm and a main surface size of 15 cm × 15 cm was prepared. The porosity of urethane foam was 95%, and the average pore diameter was 440 μm.
A conductive layer was formed on the surface of the skeleton by subjecting the urethane foam to a conductive treatment. The conductive treatment was carried out by applying a solvent in which carbon was dispersed and drying.
A nickel molybdenum plating film was formed on the surface of the urethane foam skeleton using urethane foam after the conductivity treatment as a base material. Nickel molybdate plating is performed using a plating bath containing 0.15 mol / L nickel sulfate, 0.15 mol / L sodium molybdate, and 0.3 mol / L triammonium citrate, pH 7, bath temperature 40 ° C., and current. The procedure was performed under the condition of a density of 5 A / dm 2 . The current density is based on the apparent area of the base material.
As a result, the porous base material No. 1 whose skeleton surface is composed of nickel molybdenum. 2 was obtained.
-Heat-resistant coating film forming process-
The porous base material No. A silver plating film was formed as a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of No. 2, and the resin molded body (urethane foam) was further removed by heat treatment.
The formation of the silver plating film and the heat treatment were carried out in the same manner as in Example 1.
As a result, the metal porous body No. 1 in which a silver plating film was formed on the surface of nickel molybdenum. 3 was obtained.

(実施例4)
−用意工程−
実施例3と同様にして多孔体基材No.2を用意した。
−耐熱コーティング膜形成工程−
前記多孔体基材No.2の骨格の表面に、耐熱コーティング膜としてコバルトのめっき膜を形成し、更に、熱処理により樹脂成形体(発泡ウレタン)の除去を行った。
コバルトのめっき膜の形成及び熱処理は実施例3と同様にして行った。
これにより、ニッケルモリブデンの表面にコバルトのめっき膜が形成された金属多孔体No.4が得られた。
(Example 4)
-Preparation process-
A porous base material No. 2 was prepared in the same manner as in Example 3.
-Heat-resistant coating film forming process-
The porous base material No. A cobalt plating film was formed as a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of No. 2, and the resin molded body (urethane foam) was further removed by heat treatment.
The formation of the cobalt plating film and the heat treatment were carried out in the same manner as in Example 3.
As a result, the metal porous body No. 1 in which a cobalt plating film was formed on the surface of nickel molybdenum. 4 was obtained.

−評価−
実施例において作製した金属多孔体No.1〜No.4について、高温耐酸化性と抵抗を以下のようにして評価した。なお、参考として多孔体基材No.1及びNo.2についても同様に高温耐酸化性と抵抗を評価した。
-Evaluation-
The metal porous body No. produced in the examples. 1-No. For No. 4, the high temperature oxidation resistance and resistance were evaluated as follows. For reference, the porous base material No. 1 and No. Similarly, the high temperature oxidation resistance and resistance of No. 2 were evaluated.

(外観)
金属多孔体No.1〜No.4の気孔率は94%であり、平均気孔径は430μmであった。
また、金属多孔体No.1〜No.4の骨格の断面をSEMによって観察し、上述のようにして耐熱コーティング膜の平均膜厚を測定した。その結果、金属多孔体No.1の耐熱コーティング膜の平均膜厚は20μmであり、金属多孔体No.2は10μmであり、金属多孔体No.3は20μmであり、金属多孔体No.4は10μmであった。
(appearance)
Metal porous body No. 1-No. The porosity of No. 4 was 94%, and the average porosity was 430 μm.
In addition, the metal porous body No. 1-No. The cross section of the skeleton of No. 4 was observed by SEM, and the average film thickness of the heat-resistant coating film was measured as described above. As a result, the metal porous body No. The average film thickness of the heat-resistant coating film No. 1 was 20 μm, and the metal porous body No. 2 is 10 μm, and the metal porous body No. 3 is 20 μm, and the metal porous body No. 4 was 10 μm.

(高温耐酸化性)
金属多孔体No.1〜No.4及び多孔体基材No.1、No.2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〜No.4及び多孔体基材No.1、No.2の骨格を目視により観察した。
その結果、骨格の表面に耐熱コーティング膜が形成されていない多孔体基材No.1及びNo.2は、骨格の一部にヒビや割れが発生してしまっており、脆くなっていた。これに対し、金属多孔体No.1〜No.4は、熱処理後においても骨格に異常はなく、十分な強度を保っていた。
(High temperature oxidation resistance)
Metal porous body No. 1-No. 4 and the porous base material No. 1, No. 2 was heat-treated in the air at 800 ° C. for 500 hours.
Metal porous body No. after heat treatment. 1-No. 4 and the porous base material No. 1, No. The skeleton of No. 2 was visually observed.
As a result, the porous base material No. in which the heat-resistant coating film was not formed on the surface of the skeleton. 1 and No. No. 2 had cracks and cracks in a part of the skeleton and was fragile. On the other hand, the metal porous body No. 1-No. No. 4 had no abnormality in the skeleton even after the heat treatment and maintained sufficient strength.

(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〜No.4及び多孔体基材No.1、No.2を熱処理した。
熱処理後の金属多孔体No.1〜No.4及び多孔体基材No.1、No.2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1に示す。
(Resistance measurement)
As in the case of measuring the strength, the metal porous body No. 1-No. 4 and the porous base material No. 1, No. 2 was heat-treated.
Metal porous body No. after heat treatment. 1-No. 4 and the porous base material No. 1, No. For No. 2, the electrical resistance was measured.
For the measurement of the electric resistance, the size of the test piece was 4 cm × 4 cm, and the electric resistance in the thickness direction was measured at 800 ° C. by the four-terminal method. The results are shown in Table 1.

表1より、金属多孔体No.1〜No.4は多孔体基材No.1及びNo.2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。 From Table 1, the metal porous body No. 1-No. No. 4 is a porous base material No. 1 and No. Compared with 2, it showed an extremely low resistance value even at a high temperature of 800 ° C., indicating that it can be suitably used as a current collector for SOFCs.

10 金属多孔体、 11 耐熱コーティング膜、 12 ニッケル合金、 13 骨格、 14 骨格の内部、 15 気孔部、 80 多孔体基材、 82 ニッケル合金、 83 骨格、 84 骨格の内部、 85 気孔部、 90 多孔体基材、 92 ニッケル合金、 93 骨格、 95 気孔部、 96 樹脂成形体。 10 metal porous body, 11 heat resistant coating film, 12 nickel alloy, 13 skeleton, 14 skeleton inside, 15 pores, 80 porous base material, 82 nickel alloy, 83 skeleton, 84 skeleton inside, 85 pores, 90 porous Body base material, 92 nickel alloy, 93 skeleton, 95 pores, 96 resin molded body.

Claims (12)

多孔体基材と、耐熱コーティング膜とを有する金属多孔体であって、
前記多孔体基材は、
ニッケル合金を表面に有する骨格と、
前記骨格によって形成されている連続気孔とを有し、
前記耐熱コーティング膜は、前記骨格の表面を被覆し、
前記金属多孔体は、その外観が平板状の形状を有する、
金属多孔体。
A metal porous body having a porous body base material and a heat-resistant coating film.
The porous base material is
A skeleton with a nickel alloy on the surface and
It has continuous pores formed by the skeleton and
The heat-resistant coating film covers the surface of the skeleton and
The metal porous body has a flat plate-like appearance.
Porous metal.
前記耐熱コーティング膜は、銀又はコバルトを含む、請求項1に記載の金属多孔体。 The metal porous body according to claim 1, wherein the heat-resistant coating film contains silver or cobalt. 前記耐熱コーティング膜は、その平均膜厚が1μm以上である、請求項1又は請求項2に記載の金属多孔体。 The metal porous body according to claim 1 or 2, wherein the heat-resistant coating film has an average film thickness of 1 μm or more. 前記ニッケル合金は、ニッケルと、タングステン、モリブデン、アルミニウム及びチタンからなる群より選択されるいずれか一種以上の金属との合金を主成分とする、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。 The nickel alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein the nickel alloy contains an alloy of nickel and any one or more metals selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, aluminum and titanium as a main component. The described metal porous body. 前記骨格の形状は、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。 The metal porous body according to any one of claims 1 to 4, wherein the shape of the skeleton is a three-dimensional network structure. 前記金属多孔体は、その気孔率が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。 The metal porous body according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal porous body has a porosity of 60% or more and 98% or less. 前記金属多孔体は、その平均気孔径が50μm以上、1000μm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。 The metal porous body according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal porous body has an average pore diameter of 50 μm or more and 1000 μm or less. 前記金属多孔体は、その厚みが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。 The metal porous body according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal porous body has a thickness of 500 μm or more and 5000 μm or less. 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、燃料電池。 A fuel cell comprising the metal porous body according to any one of claims 1 to 8 as a gas diffusion layer. 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の製造方法であって、
前記骨格と、前記骨格によって形成されている前記連続気孔とを有する多孔体基材を用意する用意工程と、
前記多孔体基材における前記骨格の表面に耐熱コーティング膜を形成する、耐熱コーティング膜形成工程と、
を有し、
前記多孔体基材は、その外観が平板状の形状を有し、
前記多孔体基材における前記骨格は、その表面にニッケル合金を有する、
金属多孔体の製造方法。
The method for producing a porous metal body according to any one of claims 1 to 8.
A preparation step of preparing a porous base material having the skeleton and the continuous pores formed by the skeleton, and
A heat-resistant coating film forming step of forming a heat-resistant coating film on the surface of the skeleton of the porous substrate,
Have,
The porous substrate has a flat plate-like appearance.
The skeleton of the porous substrate has a nickel alloy on its surface.
A method for producing a porous metal body.
前記用意工程は、骨格と前記骨格によって形成されている連続気孔を有する樹脂成形体の表面にニッケル合金をめっきすることによって行ない、
前記樹脂成形体は、その外観が平板状の形状を有する、
請求項10に記載の金属多孔体の製造方法。
The preparation step is performed by plating a nickel alloy on the surface of a skeleton and a resin molded body having continuous pores formed by the skeleton.
The resin molded body has a flat plate-like appearance.
The method for producing a porous metal body according to claim 10.
前記多孔体基材の骨格の形状は、三次元網目状構造である、請求項10又は請求項11に記載の金属多孔体の製造方法。 The method for producing a metal porous body according to claim 10 or 11, wherein the shape of the skeleton of the porous body base material is a three-dimensional network structure.
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