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JP7424134B2 - Composite titanium parts, electrodes for water electrolysis, and water electrolysis equipment - Google Patents
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Composite titanium parts, electrodes for water electrolysis, and water electrolysis equipment Download PDF

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Description

本発明は、柔軟性を有する複合チタン部材、および、この複合チタン部材からなる水電解用電極、水電解装置に関するものである。 The present invention relates to a flexible composite titanium member, a water electrolysis electrode, and a water electrolysis device made of the composite titanium member.

近年、脱CO社会のために、水素社会の実現に向けた動きが加速する中で、水素需要量の増加が見込まれており、再生可能エネルギーを用いて安価で効率良く水素を製造する技術の開発が求められている。
水素製造技術の候補としては、水電解装置が着目されており、固体酸化物形水電解装置(SOEC)やアルカリ形水電解装置等いくつか種類が存在する。その中で、固体高分子形(PEM形)水電解装置は、100℃程度で動作可能であり、かつ、電解効率と生成時の水素純度が高い、という強みを持つ。
In recent years, the demand for hydrogen is expected to increase as the movement towards realizing a hydrogen society for a CO2- free society is accelerating, and technology to produce hydrogen cheaply and efficiently using renewable energy is needed. development is required.
Water electrolysis devices are attracting attention as a candidate for hydrogen production technology, and there are several types such as solid oxide water electrolysis devices (SOEC) and alkaline water electrolysis devices. Among these, solid polymer type (PEM type) water electrolysis equipment has the advantage of being able to operate at around 100°C, and having high electrolysis efficiency and high hydrogen purity during generation.

固体高分子形水電解セルの内部構造及び部材は、例えば、カソード側から、集電板(AuめっきSUS板など)/ガス拡散層(電極):カーボン多孔質体/触媒層(Pt/C+アイオノマー)/イオン交換膜(高分子材料)/触媒層(Ir粒子+アイオノマー)/ガス拡散層(電極):チタン多孔質体/ 集電板(AuめっきSUS板など)から成る。 The internal structure and members of a solid polymer water electrolysis cell are, for example, from the cathode side: current collector plate (Au plated SUS plate, etc.) / gas diffusion layer (electrode): carbon porous body / catalyst layer (Pt/C + ionomer). ) / ion exchange membrane (polymer material) / catalyst layer (Ir particles + ionomer) / gas diffusion layer (electrode): titanium porous body / current collector plate (Au plated SUS plate, etc.).

上述のガス拡散層はGDL(gas diffusion layer)と呼ばれることが多いが、水電解反応の反応箇所である触媒層まで電流を伝える役割を担っているため、電極と呼ばれることもある。
アノード側のガス拡散層(電極)に求められる性質として、(1)原料の液体状の水と水電解後の酸素ガスを拡散させる必要があること、(2)電解時の過酷な腐食環境で腐食しないこと、がある。そのため、アノード側のガス拡散層(電極)には、耐腐食性に優れたチタン材が用いられている。
例えば、特許文献1には、ガス拡散層として、チタン繊維の焼結体を用いたものが提案されている。
The above-mentioned gas diffusion layer is often called a GDL (gas diffusion layer), but it is also called an electrode because it plays the role of transmitting current to the catalyst layer, which is the reaction site of the water electrolysis reaction.
The properties required of the gas diffusion layer (electrode) on the anode side are (1) the need to diffuse raw material liquid water and oxygen gas after water electrolysis, and (2) the need to be able to withstand the harsh corrosive environment during electrolysis. It does not corrode. Therefore, a titanium material with excellent corrosion resistance is used for the gas diffusion layer (electrode) on the anode side.
For example, Patent Document 1 proposes a gas diffusion layer using a sintered body of titanium fibers.

しかしながら、特許文献1に示すようなチタン繊維の焼結体においては、その表面に繊維の端部が露呈しており、表面に凹凸が生じ易い。ここで、上述のガス拡散層(電極)は、硬さの異なる2つの部材(柔らかい触媒層と硬い集電板)に挟まれる形で使用されるため、ガス拡散層(電極)の接触面に凹凸が生じていると、極端な応力集中が生じやすく柔らかい触媒層を傷つけるため、電極として不向きであった。 However, in the sintered body of titanium fibers as shown in Patent Document 1, the ends of the fibers are exposed on the surface, and the surface is likely to have irregularities. Here, the gas diffusion layer (electrode) mentioned above is used sandwiched between two members of different hardness (the soft catalyst layer and the hard current collector plate), so the contact surface of the gas diffusion layer (electrode) When unevenness occurs, extreme stress concentration tends to occur and damages the soft catalyst layer, making it unsuitable for use as an electrode.

そこで、例えば特許文献2には、チタン製のパンチングメタルの表面に貴金属層を形成し、表面粗さ(Ra)を0.5μm以下としたものが提案されている。
また、特許文献3には、チタン多孔質電極にチタン繊維焼結体を用いて、20~150kgf/cmの応力下でも0.3~0.7mmの厚さを維持することが可能な機械的強度と柔軟性を備えたものが提案されている。
さらに、特許文献4には、カソード側の電極の後方に、皿ばねやコイルばねを用いて、イオン交換膜と電極を密着させたものが提案されている。
Therefore, for example, Patent Document 2 proposes a method in which a noble metal layer is formed on the surface of a punching metal made of titanium, and the surface roughness (Ra) is set to 0.5 μm or less.
Furthermore, Patent Document 3 describes a machine that uses a titanium fiber sintered body for a titanium porous electrode and can maintain a thickness of 0.3 to 0.7 mm even under stress of 20 to 150 kgf/ cm2 . A system with physical strength and flexibility has been proposed.
Further, Patent Document 4 proposes a method in which an ion exchange membrane and an electrode are brought into close contact with each other by using a disc spring or a coil spring behind the electrode on the cathode side.

特開2004-259457号公報Japanese Patent Application Publication No. 2004-259457 特開2019-137891号公報Japanese Patent Application Publication No. 2019-137891 特開2018-156798号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-156798 特開2006-070322号公報Japanese Patent Application Publication No. 2006-070322

ところで、特許文献2においては、チタン製のパンチングメタルを用いており、3次元網目構造となっていないため、原料の液体状の水と水電解後の酸素ガスを十分に拡散することができないおそれがあった。また、貴金属層を形成しているので、コストが非常に増加してしまうといった問題があった。
また、特許文献3においては、チタン繊維の焼結体で構成されており、チタン繊維が離接するイオン交換膜を傷つけるおそれがあった。
By the way, in Patent Document 2, punching metal made of titanium is used and does not have a three-dimensional network structure, so there is a possibility that liquid water as a raw material and oxygen gas after water electrolysis cannot be sufficiently diffused. was there. Furthermore, since a noble metal layer is formed, there is a problem in that the cost increases significantly.
Further, in Patent Document 3, the membrane is made of a sintered body of titanium fibers, and there is a risk of damaging the ion exchange membrane in which the titanium fibers come into contact with each other.

さらに、特許文献4においては、皿ばねやコイルばねを用いているので、カソード側に配置することは可能であるが、酸素ガスが発生するアノード側に配置することはできなかった。
なお、アノード側では、上述のように酸素ガスが発生するために、体積変動によってガス拡散層(電極)と触媒層等のその他部材が離間しやすいことから、アノード側において、ガス拡散層(電極)とその他部材との密着性を向上させることが求められている。
Further, in Patent Document 4, since a disc spring or a coil spring is used, it is possible to arrange it on the cathode side, but it is not possible to arrange it on the anode side where oxygen gas is generated.
In addition, on the anode side, since oxygen gas is generated as mentioned above, the gas diffusion layer (electrode) and other components such as the catalyst layer are likely to separate due to volume fluctuation. ) and other members are required to be improved.

本発明は、以上のような事情を背景としてなされたものであって、隣接する他の部材と十分に接触させることができ、かつ、液体やガス等の流体を良好に流通させて拡散することが可能な複合チタン部材、及び、この複合チタン部材からなる水電解用電極、水電解装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made against the background of the above-mentioned circumstances, and is aimed at making it possible to sufficiently contact other adjacent members and to allow fluids such as liquids and gases to circulate and diffuse well. The object of the present invention is to provide a composite titanium member that can perform the following, as well as a water electrolysis electrode and a water electrolysis device made of the composite titanium member.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の複合チタン部材は、チタン又はチタン合金の粒子の焼結体からなり、3次元網目構造をなすチタン焼結部材と、このチタン焼結部材の一面に接合され、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造の蛇腹部材と、を備えており、前記チタン焼結部材における気孔率が52%以上95%以下の範囲内であり、前記蛇腹部材の厚み(折り込んだ高さ)が0.3mm以上2.7mm以下の範囲内とされていることを特徴としている。 In order to solve these problems and achieve the above object, the composite titanium member of the present invention comprises a titanium sintered member that is made of a sintered body of titanium or titanium alloy particles and has a three-dimensional network structure; A bellows member is bonded to one surface of the titanium sintered member and has a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape, and the porosity of the titanium sintered member is within a range of 52% or more and 95% or less. , the thickness (folded height) of the bellows member is within a range of 0.3 mm or more and 2.7 mm or less .

この構成の複合チタン部材によれば、3次元網目構造をなすチタン焼結部材を備えているので、液体やガス等の流体を良好に流通させて拡散することが可能となる。
そして、このチタン焼結部材の一面に接合され、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造(山折りと谷折りの繰り返し構造)の蛇腹部材を備えているので、この蛇腹部材によってチタン焼結部材を隣接する他の部材に向けて押圧することができ、隣接する他の部材との密着性を向上させることが可能となる。
According to the composite titanium member having this configuration, since the titanium sintered member having a three-dimensional network structure is provided, fluids such as liquids and gases can be circulated and diffused well.
The titanium sintered member is bonded to one surface of the titanium sintered member, and is provided with a bellows member having a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape (a structure in which mountain folds and valley folds are repeated). It can be pressed toward other adjacent members, and it is possible to improve the adhesion with the other adjacent members.

また、本発明の複合チタン部材においては、前記チタン焼結部材における気孔率が52%以上95%以下の範囲内とされているので、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となる。
さらに、前記蛇腹部材の厚み(折り込んだ高さ)が0.3mm以上2.7mm以下の範囲内とされているので、その弾性力によって、チタン焼結部材を隣接する部材に向けて十分に押圧することができる。
In addition, in the composite titanium member of the present invention, since the porosity of the titanium sintered member is within the range of 52% to 95%, fluids such as liquids and gases can be more effectively distributed and diffused. It becomes possible to do so.
Furthermore, since the thickness (folded height) of the bellows member is within the range of 0.3 mm or more and 2.7 mm or less, its elastic force sufficiently presses the titanium sintered member toward the adjacent member. can do.

また、本発明の複合チタン部材においては、前記蛇腹部材は、連通孔を有し、気孔率が10%以上60%以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合気孔率が10%以上60%以下の範囲内とされているので、この蛇腹部材においても、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となる。
Further, in the composite titanium member of the present invention, it is preferable that the bellows member has communicating holes and has a porosity in the range of 10% to 60%.
In this case , since the porosity is within the range of 10% or more and 60% or less, this bellows material also allows fluids such as liquids and gases to more effectively circulate and diffuse.

また、本発明の複合チタン部材においては、前記蛇腹部材を構成する前記チタン板が、エキスパンドチタン又はパンチングチタンであることが好ましい。
この場合、前記蛇腹部材を構成する前記チタン板がエキスパンドチタン又はパンチングチタンとされているので、この蛇腹部材においても、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となる。また、前記蛇腹部材の弾性力によって、チタン焼結部材を隣接する部材に向けて十分に押圧することができる。
Moreover, in the composite titanium member of the present invention, it is preferable that the titanium plate constituting the bellows member is expanded titanium or punched titanium.
In this case, since the titanium plate constituting the bellows material is made of expanded titanium or punched titanium, this bellows material also allows fluids such as liquids and gases to circulate and diffuse better. . Further, the elastic force of the bellows member allows the titanium sintered member to be sufficiently pressed toward the adjacent member.

本発明の水電解用電極は、上述の複合チタン部材からなることを特徴としている。
この構成の水電解用電極によれば、上述の複合チタン部材で構成されているので、液体やガスの流通性に優れ、かつ、他の部材との接触性に優れており、隣接する他の部材(イオン交換膜及び触媒層、 集電板)との接触抵抗を小さくすることができ、水の電解を、効率良くかつ安定して行うことが可能となる。
The water electrolysis electrode of the present invention is characterized by being made of the above-mentioned composite titanium member.
According to the electrode for water electrolysis having this structure, since it is made of the above-mentioned composite titanium member, it has excellent flowability of liquid and gas, and excellent contact with other members. Contact resistance with components (ion exchange membrane, catalyst layer, current collector plate) can be reduced, and water can be electrolyzed efficiently and stably.

本発明の水電解装置は、上述の水電解用電極を備えたことを特徴としている。
この構成の水電解用電極によれば、上述の複合チタン部材で構成された水電解用電極を備えているので、液体やガスの流通性に優れ、かつ、他の部材との接触性に優れており、隣接する他の部材(イオン交換膜及び触媒層、 集電板)との接触抵抗を小さくすることができ、水の電解を、効率良くかつ安定して行うことが可能となる。
The water electrolysis device of the present invention is characterized by being equipped with the above-mentioned water electrolysis electrode.
According to the electrode for water electrolysis having this structure, since the electrode for water electrolysis is made of the above-mentioned composite titanium member, it has excellent flowability of liquid and gas, and excellent contactability with other members. This makes it possible to reduce contact resistance with other adjacent members (ion exchange membrane, catalyst layer, current collector plate), and to perform water electrolysis efficiently and stably.

本発明によれば、隣接する他の部材と十分に接触させることができ、かつ、液体やガス等の流体を良好に流通させて拡散することが可能な複合チタン部材、及び、この複合チタン部材からなる水電解用電極、水電解装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, there is provided a composite titanium member that can be brought into sufficient contact with other adjacent members and that can circulate and diffuse fluids such as liquids and gases well, and this composite titanium member. It becomes possible to provide a water electrolysis electrode and a water electrolysis device consisting of the following.

本発明の実施形態である複合チタン部材の一例を示す説明図である。It is an explanatory view showing an example of a composite titanium member which is an embodiment of the present invention. 図1に示す複合チタン部材を構成するチタン焼結部材の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a titanium sintered member constituting the composite titanium member shown in FIG. 1. FIG. 本発明の実施形態である複合チタン部材の製造方法を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram showing a method for manufacturing a composite titanium member according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態である水電解装置の概略説明図である。1 is a schematic explanatory diagram of a water electrolysis device that is an embodiment of the present invention.

以下に、本発明の実施形態である複合チタン部材、及び、水電解用電極、水電解装置について、添付した図面を参照して説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the composite titanium member, the electrode for water electrolysis, and the water electrolysis apparatus which are embodiment of this invention are demonstrated with reference to the attached drawing.

本実施形態である複合チタン部材1は、例えば、固体高分子形燃料電池(PEFC)のカソード電極、水電解装置のアノード電極、リチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタ向け電極材等の通電部材として使用されるものである。
本実施形態においては、後述するように、図4に示す水電解装置(水電解装置)のガス拡散層(GDL)を構成する電極として用いられるものである。
The composite titanium member 1 of this embodiment is used as a current-carrying member such as a cathode electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), an anode electrode of a water electrolysis device, an electrode material for a lithium ion battery or a lithium ion capacitor, etc. It is something that
In this embodiment, as will be described later, it is used as an electrode constituting a gas diffusion layer (GDL) of a water electrolysis device (water electrolysis device) shown in FIG.

本実施形態である複合チタン部材1は、図1に示すように、チタン又はチタン合金の粒子の焼結体からなり、3次元網目構造をなすチタン焼結部材10と、このチタン焼結部材10の一面に接合され、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造の蛇腹部材20と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the composite titanium member 1 of this embodiment includes a titanium sintered member 10 that is made of a sintered body of titanium or titanium alloy particles and has a three-dimensional network structure; and a bellows member 20 having a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape.

チタン焼結部材10は、図2に示すように、多孔質体とされており、3次元網目構造とされた骨格部12と、この骨格部12に囲まれた気孔部13と、を備えている。
また、骨格部12に囲まれた気孔部13は、互いに連通するとともに、チタン焼結部材10の外部に向けて開口した連通気孔を有している。
このチタン焼結部材10は、例えば、チタンを含むチタン焼結原料粉を焼結させて構成されている。
As shown in FIG. 2, the titanium sintered member 10 is a porous body, and includes a skeleton part 12 having a three-dimensional network structure and a pore part 13 surrounded by the skeleton part 12. There is.
Further, the pore portions 13 surrounded by the skeleton portion 12 communicate with each other and have communicating holes that open toward the outside of the titanium sintered member 10 .
This titanium sintered member 10 is constructed by, for example, sintering titanium sintering raw material powder containing titanium.

また、本実施形態では、チタン焼結部材10の気孔率Pが50%以上95%以下の範囲内とされていることが好ましい。なお、チタン焼結部材10の気孔率Pは、以下の式で算出される。
P(%)=(1-(W/(V×D)))×100
W:チタン焼結部材10の質量(g)
V:チタン焼結部材10の体積(cm
:チタン焼結部材10を構成するチタンまたはチタン合金の真密度(g/cm
Moreover, in this embodiment, it is preferable that the porosity P of the titanium sintered member 10 is within the range of 50% or more and 95% or less. Note that the porosity P of the titanium sintered member 10 is calculated using the following formula.
P (%) = (1-(W/(V×D T )))×100
W: Mass (g) of titanium sintered member 10
V: Volume of titanium sintered member 10 (cm 3 )
D T : True density (g/cm 3 ) of titanium or titanium alloy constituting the titanium sintered member 10

ここで、本実施形態において、チタン焼結部材10の気孔率Pが50%以上であると、ガスや液体の流通が阻害されず、これらを十分に拡散させることが可能となる。一方、チタン焼結部材10の気孔率Pが95%以下であると、強度が確保され、取り扱い時や使用時に破損することを抑制できる。
なお、ガスや液体の流通をさらに促進するためには、チタン焼結部材10の気孔率Pの下限を70%以上とすることが好ましく、80%以上とすることがより好ましい。一方、チタン焼結部材10の強度をさらに確保するためには、チタン焼結部材10の気孔率Pの上限を93%以下とすることが好ましく、90%以下とすることがより好ましい。
Here, in this embodiment, when the porosity P of the titanium sintered member 10 is 50% or more, the flow of gas and liquid is not inhibited, and it becomes possible to sufficiently diffuse them. On the other hand, when the porosity P of the titanium sintered member 10 is 95% or less, strength is ensured and breakage during handling or use can be suppressed.
In addition, in order to further promote the flow of gas and liquid, the lower limit of the porosity P of the titanium sintered member 10 is preferably set to 70% or more, and more preferably 80% or more. On the other hand, in order to further ensure the strength of the titanium sintered member 10, the upper limit of the porosity P of the titanium sintered member 10 is preferably 93% or less, more preferably 90% or less.

さらに、本実施形態では、チタン焼結部材10の平均気孔径Rが50μm以上600μm以下の範囲内とされていることが好ましい。なお、チタン焼結部材10の平均気孔径Rは、断面観察を行い、その観察像から気孔部13の断面積から求められる円相当径(直径)とした。 Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 is within the range of 50 μm or more and 600 μm or less. Note that the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 was determined as the equivalent circle diameter (diameter) determined from the cross-sectional area of the pore portion 13 by observing the cross section.

ここで、本実施形態において、チタン焼結部材10の平均気孔径Rが50μm以上の場合には、ガスや液体の流通が阻害されず、これらを十分に拡散させることが可能となる。一方、チタン焼結部材10の平均気孔径Rが600μm以下の場合には、他の部材との接触点が確保され、接触抵抗を十分に低下させることができる。
なお、ガスや液体の流通をさらに促進するためには、チタン焼結部材10の平均気孔径Rの下限を100μm以上とすることが好ましく150μm以上とすることがより好ましい。一方、他の部材との接触点をさらに確保するためには、チタン焼結部材10の平均気孔径Rの上限を550μm以下とすることが好ましく、500μm以下とすることがより好ましい。
Here, in this embodiment, when the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 is 50 μm or more, the flow of gas and liquid is not hindered and it becomes possible to sufficiently diffuse them. On the other hand, when the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 is 600 μm or less, contact points with other members are secured, and the contact resistance can be sufficiently reduced.
In order to further promote the flow of gas and liquid, the lower limit of the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 is preferably 100 μm or more, and more preferably 150 μm or more. On the other hand, in order to further ensure contact points with other members, the upper limit of the average pore diameter R of the titanium sintered member 10 is preferably 550 μm or less, more preferably 500 μm or less.

蛇腹部材20は、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造とされており、その弾性力によって、チタン焼結部材10を押圧することが可能となる。なお、チタン板としては、エキスパンドチタン、パンチングチタン等を用いることができる。また、チタン板に孔を形成したものであってもよい。 The bellows member 20 has a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape, and its elastic force makes it possible to press the titanium sintered member 10. Note that as the titanium plate, expanded titanium, punched titanium, etc. can be used. Alternatively, it may be a titanium plate with holes formed therein.

ここで、本実施形態においては、蛇腹部材20は、図1に示すように、その厚みD(折り込んだ高さ)が0.3mm以上2.7mm以下の範囲内とされていることが好ましい。
本実施形態において、蛇腹部材20の厚みDが0.3mm以上であると、十分な弾性力が確保され、チタン焼結部材10を隣接する他の部材に向けて十分に押圧することが可能となる。一方、蛇腹部材20の厚みDが2.7mm以下であると、複合チタン部材1の厚さが必要以上に厚くなることを抑制できる。
なお、弾性力をさらに確保するためには、蛇腹部材20の厚みDの下限を0.5mm以上とすることが好ましく、0.7mm以上とすることがより好ましい。一方、複合チタン部材1の厚さをさらに薄くするためには、蛇腹部材20の厚みDの上限を2.5mm以下とすることが好ましく、2.3mm以下とすることがより好ましい。
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the thickness D (folded height) of the bellows member 20 is preferably within a range of 0.3 mm or more and 2.7 mm or less.
In this embodiment, when the thickness D of the bellows member 20 is 0.3 mm or more, sufficient elastic force is ensured, and it is possible to sufficiently press the titanium sintered member 10 toward another adjacent member. Become. On the other hand, when the thickness D of the bellows member 20 is 2.7 mm or less, the thickness of the composite titanium member 1 can be prevented from becoming thicker than necessary.
In addition, in order to further ensure elasticity, the lower limit of the thickness D of the bellows member 20 is preferably 0.5 mm or more, more preferably 0.7 mm or more. On the other hand, in order to further reduce the thickness of the composite titanium member 1, the upper limit of the thickness D of the bellows member 20 is preferably 2.5 mm or less, more preferably 2.3 mm or less.

また、本実施形態においては、蛇腹部材20は、連通孔を有しており、気孔率が10%以上60%以下の範囲内とされていることが好ましい。
本実施形態において、蛇腹部材20の気孔率が10%以上であると、ガスや液体の流通が阻害されず、これらを十分に拡散させることが可能となる。一方、蛇腹部材20の気孔率が60%以下であると、強度が確保され、十分な弾性力を得ることができ、チタン焼結部材10を隣接する他の部材に向けて十分に押圧することが可能となる。
なお、ガスや液体の流通をさらに促進するためには、蛇腹部材20の気孔率の下限を15%以上とすることが好ましく、20%以上とすることがより好ましい。一方、さらに十分な弾性力を得るためには、蛇腹部材20の気孔率の上限を55%以下とすることが好ましく、50%以下とすることがより好ましい。
Further, in the present embodiment, the bellows member 20 has communicating holes, and preferably has a porosity in the range of 10% to 60%.
In this embodiment, when the porosity of the bellows member 20 is 10% or more, the flow of gas and liquid is not inhibited and it becomes possible to sufficiently diffuse them. On the other hand, when the porosity of the bellows member 20 is 60% or less, strength is ensured, sufficient elastic force can be obtained, and the titanium sintered member 10 can be sufficiently pressed against other adjacent members. becomes possible.
In order to further promote the flow of gas and liquid, the lower limit of the porosity of the bellows member 20 is preferably 15% or more, more preferably 20% or more. On the other hand, in order to obtain more sufficient elastic force, the upper limit of the porosity of the bellows member 20 is preferably 55% or less, more preferably 50% or less.

次に、本実施形態である複合チタン部材1の製造方法について、図3のフロー図を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the composite titanium member 1 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart in FIG. 3.

本実施形態である複合チタン部材1の製造方法においては、チタン焼結部材成形工程S01と、蛇腹部材成形工程S02と、接合工程S03とを備えている。
ここで、チタン焼結部材成形工程S01においては、図3に示すように、チタン含有スラリー形成工程S11、成形体形成工程S12、発泡工程S13、脱脂工程S14、焼結工程S15、を備えている。
The method for manufacturing the composite titanium member 1 according to this embodiment includes a titanium sintered member forming step S01, a bellows member forming step S02, and a joining step S03.
Here, as shown in FIG. 3, the titanium sintered member forming step S01 includes a titanium-containing slurry forming step S11, a molded body forming step S12, a foaming step S13, a degreasing step S14, and a sintering step S15. .

(チタン含有スラリー形成工程S11)
まず、原料粉として、チタン又はチタン合金からなるチタン粉を準備する。本実施形態では、水素化チタン粉又は水素化チタン粉を脱水素することにより作製した純チタン粉を準備した。
この原料粉に、水溶性樹脂結合剤、有機溶剤、可塑剤、溶媒としての水、場合によっては界面活性剤を混合してチタン含有スラリーを作製する。
(Titanium-containing slurry forming step S11)
First, titanium powder made of titanium or a titanium alloy is prepared as a raw material powder. In this embodiment, titanium hydride powder or pure titanium powder produced by dehydrogenating titanium hydride powder was prepared.
A titanium-containing slurry is prepared by mixing a water-soluble resin binder, an organic solvent, a plasticizer, water as a solvent, and in some cases a surfactant with this raw material powder.

(成形工程S12)
次に、上述のチタン含有スラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形し、成形体を形成する。
(Molding process S12)
Next, the titanium-containing slurry described above is formed into a sheet shape by a doctor blade method or the like to form a molded body.

(発泡工程S13)
次に、上述の成形体を発泡させてスポンジ状グリーン成形体を作製する。
(Foaming step S13)
Next, the above molded body is foamed to produce a spongy green molded body.

(脱脂工程S14)
次に、上述のスポンジ状グリーン成形体をジルコニア製板の上に載せ、真空雰囲気中で加熱することにより、脱脂処理して脱脂処理体を得る。
(Degreasing step S14)
Next, the above-mentioned sponge-like green molded body is placed on a zirconia plate and heated in a vacuum atmosphere to perform a degreasing treatment to obtain a degreased body.

(焼結工程S15)
次に、上述の脱脂処理体を真空雰囲気中で50℃以下にまで冷却したのち又は冷却せずに真空雰囲気中で焼結し、チタン焼結部材を作製する。
(Sintering step S15)
Next, the above-described degreased body is cooled to 50° C. or lower in a vacuum atmosphere, or sintered in a vacuum atmosphere without cooling, to produce a titanium sintered member.

(蛇腹部材成形工程S02)
一方、エキスパンドチタン等の孔が形成されたチタン板を準備し、このチタン板を曲げ加工することにより、蛇腹部材20を得る。
(Accordion part material forming process S02)
On the other hand, a titanium plate made of expanded titanium or the like in which holes are formed is prepared, and the bellows member 20 is obtained by bending this titanium plate.

(接合工程S03)
上述のようにして得られたチタン焼結部材10と蛇腹部材20とを接合する。接合方法に特に制限はなく、溶接等の既存の方法を適用することができる。また、チタン焼結部材10と蛇腹部材20とを焼結によって一体化してもよい。
(Joining process S03)
The titanium sintered member 10 obtained as described above and the bellows member 20 are joined. There are no particular restrictions on the joining method, and existing methods such as welding can be applied. Further, the titanium sintered member 10 and the bellows member 20 may be integrated by sintering.

以上のようにして、本実施形態である複合チタン部材1が製造されることになる。 In the manner described above, the composite titanium member 1 of this embodiment is manufactured.

次に、本実施形態である水電解用電極及び水電解装置の概略図を図4に示す。なお、本実施形態の水電解装置は、電解効率及び生成時の水素純度が高い、固体高分子形水分解装置とされている。 Next, FIG. 4 shows a schematic diagram of the water electrolysis electrode and water electrolysis device according to this embodiment. Note that the water electrolysis device of this embodiment is a solid polymer type water splitting device that has high electrolysis efficiency and high hydrogen purity during generation.

本実施形態の水電解装置30は、図4示すように、対向配置されたアノード極32及びカソード極33と、これらアノード極32とカソード極33との間に配置されたイオン透過膜34と、を備えた水電解セル31を備えている。なお、イオン透過膜34の両面(アノード極32との接触面及びカソード極33との接触面)には、それぞれ触媒層35,36が形成されている。
ここで、カソード極33、イオン透過膜34、触媒層35,36については、従来の一般的な固体高分子形水電解装置で使用されているものを適用することができる。
As shown in FIG. 4, the water electrolysis device 30 of this embodiment includes an anode 32 and a cathode 33 that are arranged opposite each other, and an ion permeable membrane 34 that is arranged between the anode 32 and the cathode 33. A water electrolysis cell 31 is provided. Note that catalyst layers 35 and 36 are formed on both surfaces of the ion permeable membrane 34 (the contact surface with the anode electrode 32 and the contact surface with the cathode electrode 33), respectively.
Here, as for the cathode 33, the ion permeable membrane 34, and the catalyst layers 35 and 36, those used in conventional general solid polymer water electrolysis devices can be applied.

そして、上述のアノード極32が、本実施形態である水電解用電極とされている。このアノード極32(水電解用電極)は、上述した本実施形態である複合チタン部材1で構成されている。 The above-mentioned anode electrode 32 is an electrode for water electrolysis according to this embodiment. This anode electrode 32 (electrode for water electrolysis) is composed of the composite titanium member 1 of this embodiment described above.

上述の水電解装置30(水電解セル31)においては、図4に示すように、アノード極32側から水(HO)が供給されるとともに、アノード極32及びカソード極33に通電される。すると、水の電解によって生じた酸素(O)がアノード極32から排出され、水素(H)がカソード極33から排出されることになる。
ここで、アノード極32においては、上述のように、水(液体)と酸素(気体)が流通することになるので、これら液体及び気体を安定して流通させるために、高い気孔率を有することが好ましい。また、アノード極32は酸素に晒されるため、優れた耐食性が求められる。このため、本実施形態である複合チタン部材1からなる水電解用電極が、アノード極32として特に適している。
In the water electrolysis device 30 (water electrolysis cell 31) described above, as shown in FIG. 4, water (H 2 O) is supplied from the anode 32 side, and electricity is applied to the anode 32 and cathode 33 . Then, oxygen (O 2 ) generated by water electrolysis is discharged from the anode 32 and hydrogen (H 2 ) is discharged from the cathode 33.
Here, in the anode electrode 32, as mentioned above, water (liquid) and oxygen (gas) will flow, so in order to stably flow these liquids and gas, it is necessary to have a high porosity. is preferred. Furthermore, since the anode electrode 32 is exposed to oxygen, it is required to have excellent corrosion resistance. Therefore, the water electrolysis electrode made of the composite titanium member 1 of this embodiment is particularly suitable as the anode electrode 32.

以上のような構成とされた本実施形態である複合チタン部材1によれば、3次元網目構造をなすチタン焼結部材10を備えているので、液体やガス等の流体を良好に流通させて拡散することが可能となる。
そして、このチタン焼結部材10の一面に接合され、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造の蛇腹部材20を備えているので、この蛇腹部材20によってチタン焼結部材10を隣接する部材に向けて押圧することができ、隣接する他の部材との密着性を向上させることが可能となる。
According to the composite titanium member 1 of this embodiment configured as described above, since it includes the titanium sintered member 10 having a three-dimensional network structure, fluids such as liquids and gases can be circulated well. It becomes possible to spread.
Since the bellows member 20 is bonded to one side of the titanium sintered member 10 and has a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape, the bellows member 20 allows the titanium sintered member 10 to be directed toward an adjacent member. It can be pressed, and it is possible to improve the adhesion with other adjacent members.

ここで、本実施形態において、チタン焼結部材10における気孔率Pが50%以上95%以下の範囲内とされている場合には、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となるとともに、チタン焼結部材10自体の強度を確保することができ、取り扱い性を向上させることができる。 Here, in this embodiment, if the porosity P of the titanium sintered member 10 is within the range of 50% or more and 95% or less, fluids such as liquids and gases can be more effectively distributed and diffused. In addition, the strength of the titanium sintered member 10 itself can be ensured, and the ease of handling can be improved.

また、本実施形態において、蛇腹部材20の厚みD(折り込み高さ)が0.3mm以上2.7mm以下の範囲内とされている場合には、その弾性力によって、チタン焼結部材10を隣接する部材に向けて十分に押圧することができるとともに、複合チタン部材1(水電解用電極)が必要以上に厚くなることを抑制できる。
さらに、本実施形態において、蛇腹部材20の気孔率が10%以上60%以下の範囲内とされている場合には、この蛇腹部材20においても、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となるとともに、強度が確保され、チタン焼結部材10を隣接する部材に向けて十分に押圧することができる。
In addition, in this embodiment, when the thickness D (folding height) of the bellows member 20 is within the range of 0.3 mm or more and 2.7 mm or less, the titanium sintered member 10 is connected to the adjacent titanium sintered member 10 by its elastic force. The composite titanium member 1 (electrode for water electrolysis) can be prevented from becoming thicker than necessary.
Furthermore, in the present embodiment, when the porosity of the bellows part material 20 is within the range of 10% to 60%, this bellows part material 20 also allows fluids such as liquids and gases to circulate better. The titanium sintered member 10 can be sufficiently pressed against the adjacent member by ensuring strength.

また、本実施形態において、蛇腹部材20を構成するチタン板が、エキスパンドチタンとされている場合には、蛇腹部材20においても、液体やガス等の流体をさらに良好に流通させて拡散することが可能となる。また、蛇腹部材20の弾性力によって、チタン焼結部材10を隣接する部材に向けて十分に押圧することができる。 In addition, in this embodiment, when the titanium plate constituting the bellows member 20 is made of expanded titanium, fluids such as liquids and gases can be more effectively distributed and diffused in the bellows member 20 as well. It becomes possible. Furthermore, the elastic force of the bellows member 20 can sufficiently press the titanium sintered member 10 toward the adjacent member.

さらに、本実施形態である水電解用電極は、上述の複合チタン部材1で構成され、アノード極32として使用されているので、液体やガスの流通性に優れ、かつ、他の部材との接触性に優れており、隣接するイオン透過膜34及び触媒層35との接触抵抗を小さくすることができ、水電解を、効率良くかつ安定して行うことが可能となる。 Furthermore, since the water electrolysis electrode of this embodiment is composed of the above-described composite titanium member 1 and is used as the anode electrode 32, it has excellent flowability of liquid and gas, and has excellent contact with other members. It has excellent properties and can reduce contact resistance with the adjacent ion permeable membrane 34 and catalyst layer 35, making it possible to perform water electrolysis efficiently and stably.

本実施形態である水電解装置30においては、上述した複合チタン部材1で構成された水電解用電極をアノード極32に用いているので、液体やガスの流通性に優れ、かつ、他の部材との接触性に優れており、隣接するイオン透過膜34及び触媒層35との接触抵抗を小さくすることができ、水電解を、効率良くかつ安定して行うことが可能となる。 In the water electrolysis device 30 of this embodiment, since the water electrolysis electrode made of the composite titanium member 1 described above is used as the anode electrode 32, it has excellent fluidity and gas flowability, and also The contact resistance with the adjacent ion permeable membrane 34 and catalyst layer 35 can be reduced, and water electrolysis can be carried out efficiently and stably.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、図4に示す構造の水電解装置(水電解セル)を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、本実施形態である複合チタン部材からなる水電解用電極を備えていれば、その他の構造の水電解装置(水電解セル)であってもよい。
また、本発明の複合チタン部材を、水電解装置以外の他の用途に使用してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
For example, in this embodiment, the water electrolysis device (water electrolysis cell) having the structure shown in FIG. A water electrolysis device (water electrolysis cell) having another structure may be used as long as it includes an electrode for electrolysis.
Further, the composite titanium member of the present invention may be used for purposes other than water electrolysis devices.

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
まず、本発明例1-5においては、本実施形態で説明したチタン含有スラリー形成工程S11、成形工程S12、発泡工程S13、脱脂工程S14、焼結工程S15により、チタン焼結部材(幅35mm×長さ15mm×厚さは表1に記載)を得た。
なお、比較例1,2においては、チタン焼結部材の代わりに、表1に示す厚さのチタン板(幅35mm×長さ15mm)を準備した。
Below, the results of a confirmation experiment conducted to confirm the effects of the present invention will be explained.
First, in Inventive Example 1-5, a titanium sintered member (width 35 mm x A sample having a length of 15 mm and a thickness as shown in Table 1 was obtained.
In Comparative Examples 1 and 2, a titanium plate (width 35 mm x length 15 mm) having the thickness shown in Table 1 was prepared instead of the titanium sintered member.

また、蛇腹部材として、表1に示す気孔率、気孔径、気孔形状を有するチタン板を曲げ成形し、表1に示す厚さ(折り込み高さ)のものを準備した。
そして、本発明例1-5では、上述のチタン焼結部材の一面に蛇腹部材を接合し、複合チタン部材とした。
比較例1では、チタン板のみで構成した。
比較例2では、チタン板に表1に示す蛇腹部材を接合した。
In addition, titanium plates having the porosity, pore diameter, and pore shape shown in Table 1 were bent and formed to have the thickness (folding height) shown in Table 1 as bellows material.
In Example 1-5 of the present invention, a bellows member was bonded to one surface of the titanium sintered member described above to form a composite titanium member.
In Comparative Example 1, only a titanium plate was used.
In Comparative Example 2, the bellows material shown in Table 1 was bonded to the titanium plate.

本発明例1-5及び比較例1,2の複合チタン部材について、接触抵抗を、以下のようにして評価した。
本発明例1-5及び比較例1,2の複合チタン部材を、カーボンペーパーと接触させ、これらを2枚の銅板で挟みこんだ。銅板に対して積層方向に0.2MPaの荷重を加えた状態で、カーボンペーパーと複合チタン部材の間に1Aの直流電流を流し、接触抵抗を測定した。評価結果を表1に示す。
The contact resistance of the composite titanium members of Inventive Examples 1-5 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated as follows.
The composite titanium members of Inventive Examples 1-5 and Comparative Examples 1 and 2 were brought into contact with carbon paper, and these were sandwiched between two copper plates. With a load of 0.2 MPa applied to the copper plate in the stacking direction, a direct current of 1 A was passed between the carbon paper and the composite titanium member, and the contact resistance was measured. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0007424134000001
Figure 0007424134000001

チタン板のみで構成された比較例1においては、接触抵抗が190mΩ・cmと大きくなった。
チタン板に蛇腹部材を接合した構成の比較例2においては、接触抵抗が240mΩ・cmと大きくなった。
In Comparative Example 1, which was composed of only a titanium plate, the contact resistance was as high as 190 mΩ·cm 2 .
In Comparative Example 2, which had a configuration in which a bellows member was bonded to a titanium plate, the contact resistance was as large as 240 mΩ·cm 2 .

これに対して、3次元網目構造をなすチタン焼結部材に蛇腹部材をした構造の本発明例1-5においては、接触抵抗が130mΩ・cm以下となり、カーボンペーパーと複合チタン部材とを十分に密着させることができた。 On the other hand, in Example 1-5 of the present invention, which has a structure in which a bellows member is attached to a titanium sintered member forming a three-dimensional network structure, the contact resistance is 130 mΩ・cm 2 or less, and the carbon paper and the composite titanium member are sufficiently bonded. I was able to get it in close contact with.

以上のことから、本発明例によれば、他の部材と十分に接触することができる複合チタン部材を提供可能であることが確認された。 From the above, it was confirmed that according to the examples of the present invention, it is possible to provide a composite titanium member that can make sufficient contact with other members.

1 複合チタン部材
10 チタン焼結部材
20 蛇腹部材
30 水電解装置
32 アノード極(水電解用電極)
1 Composite titanium member 10 Titanium sintered member 20 Bellows member 30 Water electrolysis device 32 Anode electrode (electrode for water electrolysis)

Claims (5)

チタン又はチタン合金の粒子の焼結体からなり、3次元網目構造をなすチタン焼結部材と、このチタン焼結部材の一面に接合され、チタン板が蛇腹に折り曲げられた構造の蛇腹部材と、を備えており、
前記チタン焼結部材における気孔率が52%以上95%以下の範囲内であり、
前記蛇腹部材の厚み(折り込んだ高さ)が0.3mm以上2.7mm以下の範囲内とされていることを特徴とする複合チタン部材。
A titanium sintered member made of a sintered body of titanium or titanium alloy particles and has a three-dimensional network structure; a bellows member joined to one surface of the titanium sintered member and having a structure in which a titanium plate is bent into a bellows shape; It is equipped with
The porosity of the titanium sintered member is within the range of 52% or more and 95% or less,
A composite titanium member characterized in that the thickness (folded height) of the bellows member is within a range of 0.3 mm or more and 2.7 mm or less .
前記蛇腹部材は、連通孔を有し、気孔率が10%以上60%以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載の複合チタン部材。 The composite titanium member according to claim 1 , wherein the bellows member has communication holes and has a porosity in a range of 10% to 60%. 前記蛇腹部材を構成する前記チタン板が、エキスパンドチタン又はパンチングチタンであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の複合チタン部材。 3. The composite titanium member according to claim 1 , wherein the titanium plate constituting the bellows member is expanded titanium or punched titanium. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の複合チタン部材からなることを特徴とする水電解用電極。 An electrode for water electrolysis, comprising the composite titanium member according to any one of claims 1 to 3 . 請求項4に記載の水電解用電極を備えたことを特徴とする水電解装置。 A water electrolysis device comprising the water electrolysis electrode according to claim 4 .
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