JPWO2022026332A5

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Publication number: JPWO2022026332A5
Application number: JP2023505401A
Authority: JP
Publication date: 2024-06-27

Description

一実施形態では、方法は、粉末技法によって、陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽のアノード側ガス拡散層として機能するように構成される、多孔性チタンシートを作製することを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽のアノード側ガス拡散層として機能するように構成される、多孔性チタンシートであって、前記多孔性チタンシートは、粉末技法によって形成される、多孔性チタンシート。
（項目２）
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面より高い多孔性を有する、項目１に記載の多孔性チタンシート。
（項目３）
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、アノード側流動プレートに面するように構成され、前記多孔性チタンシートの第２の主側面は、アノード電極に面するように構成される、項目２に記載の多孔性チタンシート。
（項目４）
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面より少なくとも１０パーセント高い、前記多孔性を有する、項目２に記載の多孔性チタンシート。
（項目５）
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、溝を含み、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面は、溝がない、略平面状の表面を有する、項目１に記載の多孔性チタンシート。
（項目６）
前記多孔性チタンシートは、その少なくとも一方の表面上に窒化チタンコーティングを含有し、
前記多孔性チタンシートは、純粋なチタン、または５０原子パーセント超のチタンと、５０原子パーセント未満のモリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、またはジルコニウムのうちの少なくとも１つとを含有する、チタン合金を備える、項目１に記載の多孔性チタンシート。
（項目７）
前記多孔性チタンシートは、１～５ミクロンの範囲内の平均細孔径を有する、ミクロ細孔と、３０～４０ミクロンの範囲内の平均細孔径を有する、マクロ細孔とを備える、二峰性の細孔径分布を含む、項目１に記載の多孔性チタンシート。
（項目８）
前記多孔性チタンシートの厚さ方向において前記多孔性チタンシートを通して延在する、伝導性ビアをさらに備える、項目１に記載の多孔性チタンシート。
（項目９）
ＰＥＭ電解槽であって、
アノード側流動プレートと、
カソード側流動プレートと、
前記アノード側流動プレートと前記カソード側流動プレートとの間に位置する、ＰＥＭポリマー電解質と、
前記電解質と前記アノード側流動プレートとの間に位置する、項目１に記載の多孔性チタンシートを備える、アノード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記電解質との間に位置する、アノード電極と、
前記電解質と前記カソード側流動プレートとの間に位置する、カソード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層と前記電解質との間に位置する、カソード電極と
を備える、ＰＥＭ電解槽。
（項目１０）
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面より高い多孔性を有し、または
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記アノード側流動プレートに面し、前記多孔性チタンシートの第２の主側面は、前記アノード電極に面し、または
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面より少なくとも１０パーセント高い、前記多孔性を有し、または
前記アノード側ガス拡散層に面する前記アノード側流動プレートの第１の主表面は、水流チャネル溝を含有し、前記アノード側流動プレートの第１の主表面に面する前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記水流チャネル溝の実質的な鏡像である、溝を含み、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面は、溝がない、略平面状の表面を有する、項目９に記載のＰＥＭ電解槽。
（項目１１）
粉末技法によって、陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽のアノード側ガス拡散層として機能するように構成される、多孔性チタンシートを作製することを含む、方法。
（項目１２）
前記粉末技法は、ダイ空洞の中にチタン粉末および潤滑剤の混合物を提供することと、前記ダイ空洞内の前記チタン粉末および潤滑剤の混合物を圧縮し、グリーンシートを形成することと、前記グリーンシートを脱バインダすることと、前記グリーンシートを焼結し、前記多孔性チタンシートを形成することとを含む、粉末冶金技法を含む、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記粉末技法は、テープ成形を含む、項目１１に記載の方法。
（項目１４）
前記テープ成形は、
チタン含有粉末と結合剤、溶媒、および塑性剤を混合し、滑動材料を形成することと、
前記滑動材料をテープ担体ウェブ上に分注することと、
ドクターブレードを使用して、前記テープ担体ウェブ上で移動する前記滑動材料をグリーンチタン含有テープに平坦化することと、
前記グリーンチタン含有テープを乾燥させることと、
前記グリーンチタン含有テープを、第１の多孔性を有する第１のチタングリーンシートに切断することと、
第１のグリーンシートを焼結し、前記多孔性チタンシートを形成することと
を含む、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記チタン含有粉末は、元素チタンおよび水素化チタン粉末の混合物を備え、
前記水素化チタンは、発熱反応において元素チタンに熱転換される、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記滑動材料に細孔形成剤材料を添加し、前記焼結することの間に前記細孔形成剤材料を除去し、前記多孔性チタンシート内に細孔を形成することをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記平坦化、乾燥、切断、および焼結するステップは、同一の可動テープ担体ウェブ上で持続的に生じる、項目１４に記載の方法。
（項目１８）
前記焼結することに先立って、前記第１のチタングリーンシート上の前記第１の多孔性と異なる第２の多孔性を有する、第２のチタングリーンシートを設置することをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１９）
前記第１および第２のチタングリーンシートは、前記多孔性チタンシートの第１の主側面が前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面より高い多孔性を有するように、相互と接触して焼結され、
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、アノード側流動プレートに面するように構成され、前記多孔性チタンシートの第２の主側面は、アノード電極に面するように構成される、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記チタン含有粉末は、前記多孔性チタンシートの厚さの５０％未満の平均直径を有し、
前記チタン含有粉末はさらに、前記多孔性チタンシートの厚さの２０％以内である、平均直径を有する、付加的なチタン含有粒子、または前記多孔性チタンシートの厚さの２０％以内である、平均長を有する、チタン含有ワイヤのうちの少なくとも一方と混合され、
前記付加的なチタン含有粒子または前記チタン含有ワイヤのうちの少なくとも一方は、前記多孔性チタンシートの厚さ全体を通して延在し、前記伝導性ビアとして機能する、項目１４に記載の方法。
（項目２１）
窒素含有雰囲気中で前記多孔性チタンシートを反応焼結し、前記多孔性チタンシートの少なくとも一方の表面上に窒化チタンコーティングを形成することをさらに含む、項目１１に記載の方法。
（項目２２）
前記多孔性チタンシートを前記ＰＥＭ電解槽の中に設置することをさらに含む、項目１１に記載の方法。

Claims

陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽のアノード側ガス拡散層として機能するように構成される多孔性チタンシートであって、前記多孔性チタンシートは、粉末技法によって形成され、
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、溝を含み、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面は、溝がない、略平面状の表面を有し、
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面より高い多孔性を有し、
連続的な多孔性勾配が、前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面と前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面との間に形成される、多孔性チタンシート。
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、アノード側流動プレートに面するように構成され、前記多孔性チタンシートの前記第２の主側面は、アノード電極に面するように構成される、請求項１に記載の多孔性チタンシート。
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面の多孔性より少なくとも１０パーセント高い多孔性を有する、請求項１に記載の多孔性チタンシート。
前記多孔性チタンシートは、その少なくとも一方の表面上に窒化チタンコーティングを含有し、
前記多孔性チタンシートは、純粋なチタン、または５０原子パーセント超のチタンと、５０原子パーセント未満のモリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、またはジルコニウムのうちの少なくとも１つとを含有するチタン合金を備える、請求項１に記載の多孔性チタンシート。
前記多孔性チタンシートは、１～５ミクロンの範囲内の平均細孔径を有するミクロ細孔と、３０～４０ミクロンの範囲内の平均細孔径を有するマクロ細孔とを備える、二峰性の細孔径分布を含む、請求項１に記載の多孔性チタンシート。
前記多孔性チタンシートの厚さ方向において前記多孔性チタンシートを通して延在する伝導性ビアをさらに備える、請求項１に記載の多孔性チタンシート。
ＰＥＭ電解槽であって、
アノード側流動プレートと、
カソード側流動プレートと、
前記アノード側流動プレートと前記カソード側流動プレートとの間に位置する、ＰＥＭポリマー電解質と、
前記電解質と前記アノード側流動プレートとの間に位置する、請求項１に記載の多孔性チタンシートを備える、アノード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層と前記電解質との間に位置する、アノード電極と、
前記電解質と前記カソード側流動プレートとの間に位置する、カソード側ガス拡散層と、
前記カソード側ガス拡散層と前記電解質との間に位置する、カソード電極と
を備え、
前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面より高い多孔性を有し、
連続的な多孔性勾配が、前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面と前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面との間に形成される、ＰＥＭ電解槽。
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、前記アノード側流動プレートに面し、前記多孔性チタンシートの前記第２の主側面は、前記アノード電極に面し、または
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、前記多孔性チタンシートの前記反対の第２の主側面より少なくとも１０パーセント高い多孔性を有し、または
前記アノード側ガス拡散層に面する前記アノード側流動プレートの第１の主表面は、水流チャネル溝を含有し、前記アノード側流動プレートの第１の主表面に面する前記多孔性チタンシートの第１の主側面は、前記水流チャネル溝の実質的な鏡像である溝を含み、前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面は、溝がない、略平面状の表面を有する、請求項７に記載のＰＥＭ電解槽。
粉末技法によって、陽子交換膜（ＰＥＭ）電解槽のアノード側ガス拡散層として機能するように構成される多孔性チタンシートを作製することを含む、方法。
前記粉末技法は、ダイ空洞の中にチタン粉末および潤滑剤の混合物を提供することと、前記ダイ空洞内の前記チタン粉末および潤滑剤の混合物を圧縮し、グリーンシートを形成することと、前記グリーンシートを脱バインダすることと、前記グリーンシートを焼結し、前記多孔性チタンシートを形成することとを含む、粉末冶金技法を含む、請求項９に記載の方法。
前記粉末技法は、テープ成形を含む、請求項９に記載の方法。
前記テープ成形は、
チタン含有粉末と結合剤、溶媒、および塑性剤を混合し、滑動材料を形成することと、
前記滑動材料をテープ担体ウェブ上に分注することと、
ドクターブレードを使用して、前記テープ担体ウェブ上で移動する前記滑動材料をグリーンチタン含有テープに平坦化することと、
前記グリーンチタン含有テープを乾燥させることと、
前記グリーンチタン含有テープを、第１の多孔性を有する第１のチタングリーンシートに切断することと、
第１のグリーンシートを焼結し、前記多孔性チタンシートを形成することと
を含む、請求項１１に記載の方法。
前記チタン含有粉末は、元素チタンおよび水素化チタン粉末の混合物を備え、
前記水素化チタンは、発熱反応において元素チタンに熱転換される、請求項１２に記載の方法。
前記滑動材料に細孔形成剤材料を添加し、前記焼結することの間に前記細孔形成剤材料を除去し、前記多孔性チタンシート内に細孔を形成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記平坦化、乾燥、切断、および焼結するステップは、同一の可動テープ担体ウェブ上で持続的に生じる、請求項１２に記載の方法。
前記焼結することに先立って、前記第１のチタングリーンシート上に前記第１の多孔性と異なる第２の多孔性を有する第２のチタングリーンシートを設置することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記第１および第２のチタングリーンシートは、前記多孔性チタンシートの第１の主側面が前記多孔性チタンシートの反対の第２の主側面より高い多孔性を有するように、相互と接触して焼結され、
前記多孔性チタンシートの前記第１の主側面は、アノード側流動プレートに面するように構成され、前記多孔性チタンシートの前記第２の主側面は、アノード電極に面するように構成される、請求項１６に記載の方法。
前記チタン含有粉末は、前記多孔性チタンシートの厚さの５０％未満の平均直径を有し、
前記チタン含有粉末はさらに、前記多孔性チタンシートの厚さの２０％以内である平均直径を有する付加的なチタン含有粒子、または前記多孔性チタンシートの厚さの２０％以内である平均長を有するチタン含有ワイヤのうちの少なくとも一方と混合され、
前記付加的なチタン含有粒子または前記チタン含有ワイヤのうちの少なくとも一方は、前記多孔性チタンシートの厚さ全体を通して延在し、伝導性ビアとして機能する、請求項１２に記載の方法。
窒素含有雰囲気中で前記多孔性チタンシートを反応焼結し、前記多孔性チタンシートの少なくとも１つの表面上に窒化チタンコーティングを形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記多孔性チタンシートを前記ＰＥＭ電解槽の中に設置することをさらに含む、請求項９に記載の方法。