(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池を小型化しつつ高出力化することが可能なガス拡散層に好適に用いられる金属多孔体の提供。【解決手段】膜・電極接合体（ＭＥＡ）Ｍが、イオン交換膜１の両面にガス拡散電極つまり白金触媒を含む活性炭層２−１、２−２を有しており、夫々アノードとしての水素極とカソードとしての空気極であり、集電体３−１、３−２が、両極の集電体とガス拡散層を兼ねており、セパレータ４−１、４−２が、例えば、市販の黒鉛板を用いることができ、ガス供給・排出路も兼ねているガス拡散層４−１−１、４−２−１は、ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、厚さが０．１０〜０．５０ｍｍである金属多孔体。金属多孔体の気孔率が５５〜８５％であることが好ましく、更に金属多孔体がＣｒを１〜５０質量％含有することが好ましい金属多孔体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、
前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、
厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である金属多孔体。
【請求項２】
前記金属多孔体の気孔率が、５５％以上、８５％以下である請求項１に記載の金属多孔体。
【請求項３】
前記金属多孔体はクロム（Ｃｒ）を更に含み、前記クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下である請求項１又は請求項２に記載の金属多孔体。
【請求項４】
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をガス拡散層に用いた燃料電池。
【請求項５】
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造を有する平板状の金属多孔体の製造方法であって、
三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面に、炭素粉末を含む導電化材を塗布して前記樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する工程と、
前記樹脂成形体に、前記金属多孔体におけるニッケルの含有率が５０質量％以上となるようにニッケルめっき層を形成して、樹脂構造体を形成する工程と、
前記樹脂構造体から前記樹脂成形体を除去して金属多孔体を得る工程と、
前記樹脂成形体が除去された金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延する工程と、
を含む金属多孔体の製造方法。
【請求項６】
前記炭素粉末がカーボンブラック、活性炭又は黒鉛である請求項５に記載の金属多孔体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属多孔体、燃料電池、及び金属多孔体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換膜を電解質とした固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）がコジェネレーション用に実用化され、これを動力源とする自動車の実用化が始まっている。
固体高分子型燃料電池の基本的な構造は、アノード、膜、カソードからなる。膜がイオン交換膜であり、スルフォン基を持つフッ素系交換膜が主として採用されている。この膜の特性の向上により、固体高分子型燃料電池の実用化が促進されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、アノード、カソードの各電極の背面にガス拡散層及びセパレータが配されて単電池となり、これを積層構造として使用される（例えば、特許文献１等）。作動温度は、性能、生成水の蒸発による系からの除去、寿命などを考慮して、７０℃〜１１０℃程度の範囲が採用されている。作動温度を高くすれば、放電特性は向上する。コジェネレーション用では、高温の排熱が得られるなどの利点があるが、寿命は低温の場合よりも短くなる。
【０００４】
なお、ガス拡散層としては、一般にカーボン繊維を不織布状に加工したカーボンペーパーが用いられており、集電体としても機能させている。また、同じくガス拡散層として、セパレータとして用いられる炭素板に溝を設けて、ガスの供給及び排出を容易にしている。このように、ガス拡散層としてカーボンペーパーと溝を併用するのが一般的である。なお、カーボンペーパーは膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）がセパレータの溝に食い込むのを抑制する働きもしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１２９２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
固体高分子型燃料のセパレータとして用いる炭素板に形成される溝の気孔率は、炭素にどの程度設けるかに依存するが、実用的には５０％程度である。すなわち、炭素板の一方の面の面積のほぼ１／２程度に溝が設けられている。また、溝の形状は長方形であり、その幅は５００μｍ程度である。
【０００７】
ＭＥＡに低い圧力で均一にガスを供給するためには、溝の幅を大きく、深くするほど好ましく、さらに単位面積当たり溝の占める比率を大きくするほど好ましい。ところが、セパレータに設ける溝を多くするほどセパレータの導電性が低下してしまい、これにより電池特性が低下してしまう。電池特性へのセパレータの導電性の影響は大きいため、電池特性の面からは、溝の比率は小さく、浅くするほど好ましいということになる。
【０００８】
また、溝の幅を小さく、数多く設けるほどＭＥＡへガスが均一に供給される。しかしながら、溝の幅が小さくなるほど、単電池を一体化する際に加える加圧によってＭＥＡが溝にくい込み易くなり、ＭＥＡの変形や、溝としての機能の低下を招いてしまう。この弊害は電池が大型化し、電池が多くなるほど顕著になる。つまり電極が大きく、セル数が増し、必要な負荷が大きくなる程大きくなる。
【０００９】
上記のように、ガス供給の点ではセパレータに形成する溝の比率を増すことが好ましいが、電気的な特性からは溝の比率を下げる方がよい。また、溝の精度が要求され、溝を形成する工程の複雑化に伴いセパレータが高価になってしまう。また、溝は一方向で形成されているので、たとえば水が詰まるとガスの移動が阻害されてしまう。
【００１０】
そこで本発明者等は、ガス拡散層として三次元網目状構造を有する金属多孔体を用いることを検討した。その結果、三次元網目状構造を有する金属多孔体は気孔率が高く、なおかつ、一方向にしかガスが進めない従来の溝加工に比べて、ガスの拡散経路が多数あり、ガスの流路の断面積が大きいため、圧力損失を少なくすることができた。しかしながら従来の金属多孔体は厚さが比較的厚いため、燃料電池の体積が大きくなってしまい、燃料電池の容量や出力の体積密度を大きくするためには、更なる改良の余地があることが見出された。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みて、燃料電池を小型化しつつ高出力化することが可能なガス拡散層に好適に用いられる金属多孔体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様に係る金属多孔体は、ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である金属多孔体、である。
【発明の効果】
【００１３】
上記発明によれば、燃料電池を小型化しつつ高出力化することが可能なガス拡散層に好適に用いられる金属多孔体を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池のセルの構成の一例の概略を表す図である。
【図２】実施例における電池Ａ〜Ｆの電流−電圧特性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係る金属多孔体は、
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、
前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、
厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である金属多孔体、
である。
なお、以下では「三次元網目状構造を有する金属多孔体」のことを単に「金属多孔体」とも記す。
上記（１）に記載の金属多孔体は、充分に高い気孔率を有しながら、従来の金属多孔体に比べて厚さが薄いものである。このため、燃料電池のガス拡散層として用いた場合に、燃料電池を小型化し、かつ高出力のものにすることができる。
【００１６】
（２）本発明の実施形態に係る金属多孔体は、前記金属多孔体の気孔率が、５５％以上、８５％以下である上記（１）に記載の金属多孔体、である。
上記（２）に記載の金属多孔体は、燃料電池のガス拡散層として用いた場合に、ガスの拡散性をより高めることが可能な金属多孔体である。
【００１７】
（３）本発明の実施形態に係る金属多孔体は、前記金属多孔体はクロム（Ｃｒ）を更に含み、前記クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下である上記（１）又は上記（２）に記載の金属多孔体、である。
上記（３）に記載の金属多孔体は、耐食性により優れた金属多孔体である。
【００１８】
（４）本発明の実施形態に係る燃料電池は、上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載の金属多孔体をガス拡散層に用いた燃料電池、である。
上記（４）に記載の燃料電池は、小型かつ高出力の燃料電池であり、体積当たりの発電量に優れた燃料電池である。
【００１９】
（５）本発明の実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造を有する平板状の金属多孔体の製造方法であって、
三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面に、炭素粉末を含む導電化材を塗布して前記樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する工程と、
前記樹脂成形体に、前記金属多孔体におけるニッケルの含有率が５０質量％以上となるようにニッケルめっき層を形成して、樹脂構造体を形成する工程と、
前記樹脂構造体から前記樹脂成形体を除去して金属多孔体を得る工程と、
前記樹脂成形体が除去された金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延する工程と、
を含む金属多孔体の製造方法、である。
上記（５）に記載の金属多孔体の製造方法により、上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載の金属多孔体を製造することができる。
【００２０】
（６）本発明の実施形態に係る金属多孔体の製造方法は、前記炭素粉末がカーボンブラック、活性炭又は黒鉛である上記（５）に記載の金属多孔体の製造方法、である。
上記（６）に記載の金属多孔体の製造方法により、上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載の金属多孔体をより安価に製造することができる。
【００２１】
なお、上記（３）に記載の金属多孔体のようにクロムを含む金属多孔体を製造する場合には、上記（５）又は上記（６）に記載の金属多孔体の製造方法において、クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるように、導電化処理剤にクロム粉末又は酸化クロム粉末を添加するか、あるいは、クロムめっき層を形成すればよい。
具体的には、例えば、以下の（ｉ）〜（iii）に記載の方法によりクロムを含有する金属多孔体を製造することができる。
【００２２】
（ｉ）少なくともニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）を含む三次元網目状構造を有する平板状の金属多孔体の製造方法であって、
三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面に、前記金属多孔体におけるクロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるようにクロム粉末又は酸化クロム粉末を含む導電化材を塗布して前記樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する工程と、
前記樹脂成形体に、前記金属多孔体におけるニッケルの含有率が５０質量％以上となるようにニッケルめっき層を形成して、樹脂構造体を形成する工程と、
前記樹脂構造体から前記樹脂成形体を除去して金属多孔体を得る工程と、
前記樹脂成形体が除去された金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延する工程と、
を含む金属多孔体の製造方法。
上記（ｉ）に記載の金属多孔体の製造方法は、樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する際にクロム粉末又は酸化クロム粉末を含む導電処理材を使用するため、その後にクロムめっき層を形成する工程が不要となる。このため、より低コストでの金属多孔体の提供が可能となる。
【００２３】
（ii）少なくともニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）を含む三次元網目状構造を有する平板状の金属多孔体の製造方法であって、
三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面に、炭素粉末を含む導電化材を塗布して前記樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する工程と、
前記樹脂成形体に、前記金属多孔体におけるニッケルの含有率が５０質量％以上、クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるように、ニッケルめっき層及びクロムめっき層を形成して樹脂構造体を形成する工程と、
前記樹脂構造体から前記樹脂成形体を除去して金属多孔体を得る工程と、
前記樹脂成形体が除去された金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延する工程と、
を含む金属多孔体の製造方法。
上記（ii）に記載の金属多孔体の製造方法においては、樹脂成形体の骨格の表面に形成するニッケルめっき層とクロムめっき層の形成順序は限定されるものではなく、どちらを先に形成しても構わない。しかしながら、前記金属多孔体はクロムの含有量に比べてニッケルの含有量の方が多いため、めっき後の基材のハンドリングを考慮すると、ニッケルめっき層を先に形成することが好ましい。
【００２４】
（iii）少なくともニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）を含む三次元網目状構造を有する平板状の金属多孔体の製造方法であって、
三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体の骨格の表面に、炭素粉末を含む導電化材を塗布して前記樹脂成形体の骨格の表面を導電化処理する工程と、
前記樹脂成形体に、前記金属多孔体におけるニッケルの含有率が５０質量％以上となるように、ニッケルめっき層を形成して樹脂構造体を形成する工程と、
前記樹脂構造体から前記樹脂成形体を除去してニッケル多孔体を得る工程と、
前記ニッケル多孔体にクロム源粉末と焼結防止剤粉末を充填し、還元性雰囲気で熱処理して、クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下になるようにクロムをニッケル多孔体中に拡散させたのち、洗浄により残留粉末を除去して金属多孔体を得る工程と、
前記樹脂成形体が除去された金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延する工程と、
を含む金属多孔体の製造方法。
【００２５】
本発明の実施形態に係る金属多孔体はニッケルやクロムの他にも、例えば、スズ、アルミニウム、銅、鉄、タングステン、チタン、コバルト、リン、ホウ素、マンガン、銀、金などを、発明の効果を損なわない範囲で、意図的にあるいは不可避的に含んでいても構わない。ただし、スズ、又はタングステンを含む場合は金属多孔体の骨格が脆くなるため、圧延時に破損する可能性があり、スズ及びタングステンの含有率を５質量％未満に抑えることが好ましい。
【００２６】
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る金属多孔体等の具体例を以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００２７】
＜金属多孔体＞
本発明の実施形態に係る金属多孔体は、ニッケル（Ｎｉ）を５０質量％以上含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体であって、厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下の薄い金属多孔体である。
本発明の実施形態に係る金属多孔体は高い気孔率を有し、かつ薄い平板状である。このため、燃料電池におけるガス拡散層として用いた場合に、ガスの供給・排気性能を向上させ、かつ燃料電池を小型化することができる。即ち、従来の燃料電池のセパレータに形成されている溝の構成に換えて用いることができる。例えば、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）の水素極側のガス拡散層や、固体高分子型燃料電池の水素極側のガス拡散層に好ましく用いることができる。
【００２８】
前記金属多孔体はニッケルが５０質量％以上含まれているため靭性に優れ、圧延加工が可能である。圧延加工が可能であるという性質を損なわない限り、ニッケル以外の金属成分を意図的に含有させてもいいし、不可避的不純物が含まれていても構わない。金属多孔体に意図的に添加させる金属としては、例えば、クロム（Ｃｒ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、マンガン（Ｍｎ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが挙げられる。
【００２９】
また、金属多孔体の厚さは０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である。金属多孔体の厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下であることにより、燃料電池のガス拡散層として用いた場合に、燃料電池の小型化に寄与することができる。また、金属多孔体はガスの圧力損失が少なく、ガスの拡散性にも優れているため、燃料電池を高出力化することもできる。金属多孔体の厚さが０．１０ｍｍ未満であると気孔率が小さくなり過ぎて燃料電池へのガス供給能力が下がってしまう。また、金属多孔体の厚さが０．５０ｍｍ超であると、燃料電池の小型化への寄与が少なくなってしまう。これらの観点から、金属多孔体の厚さは、０．２０ｍｍ以上、０．４０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００３０】
本発明の実施形態に係る金属多孔体は気孔率が５５％以上、８５％以下であることが好ましい。気孔率が５５％以上であると、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、ガスの圧力損失をより少なくすることができる。また、気孔率が８５％以下であると、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、ガスの拡散性をより高くすることができる。これは、金属多孔体が三次元網目状構造を有しているため、気孔率が小さくなるとガスが金属多孔体の骨格に当たって拡散する率が高くなるからである。さらに、金属多孔体の気孔率が８５％以下であると、導電性にも優れるようになる。これらの観点から、本発明の実施形態に係る金属多孔体は、気孔率が７０％以上、８２％以下であることがより好ましく、７５％以上、８０％以下であることが更に好ましい。
【００３１】
本発明の実施形態に係る金属多孔体は、クロム（Ｃｒ）を更に含み、前記クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下であることが好ましい。クロムの含有率が１質量％以上であることにより金属多孔体の耐食性をより高めることができる。これにより、金属多孔体を、固体高分子型燃料電池や固体酸化物型燃料電池の空気極側のガス拡散層としても用いることが可能となる。また、クロムの含有率が５０質量％以下であることにより、金属多孔体の電気抵抗が高くなることを抑制することができる。これらの観点から、金属多孔体におけるクロムの含有率は、２質量％以上、４０質量％以下であることがより好ましく、４質量％以上、３０質量％以下であることが更に好ましい。
【００３２】
本発明の実施形態に係る金属多孔体において、ニッケルの目付量は２５０ｇ／ｍ2以上、９５０ｇ／ｍ2以下程度であることが好ましい。また、金属多孔体がニッケル以外の金属成分を含む場合には、当該金属成分とニッケルの合計の目付量が２５０ｇ／ｍ2以上、９５０ｇ／ｍ2以下程度であることが好ましい。
金属の目付量の合計が２５０ｇ／ｍ2以上であることにより、金属多孔体の強度と導電性を充分に高くすることができる。また、金属の目付量の合計を９５０ｇ／ｍ2以下とすることで、製造コストの上昇や重量の増加を抑制することができる。これらの観点から、金属の目付量の合計は、３５０ｇ／ｍ2以上、８５０ｇ／ｍ2以下程度であることがより好ましく、４５０ｇ／ｍ2以上、７５０ｇ／ｍ2以下程度であることが更に好ましい。
【００３３】
本発明の実施形態に係る平板状の金属多孔体は上から見た場合の孔径が、１００μｍ以上、６５０μｍ以下であることが好ましい。孔径が１００μｍ以上であることにより、燃料ガス供給時の圧損を小さくすることができる。また、孔径が６５０μｍ以下であることにより、燃料ガスのＭＥＡへの均一な拡散を促進することができる。これらの観点から、金属多孔体の孔径は、２００μｍ以上、５５０μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以上、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
なお、平均孔径は金属多孔体のセル数の逆数から求めた値である。セル数は、金属多孔体表面に長さ１インチの線を引いたときに、線と交差する最表面のセルの数を数えた数値であり、単位は個/インチである。但し、１インチは２．５４センチメートルとする。
【００３４】
＜燃料電池＞
本発明の実施形態に係る燃料電池は、前記本発明の実施形態に係る金属多孔体をガス拡散層として用いた燃料電池である。燃料電池の種類は特に限定されるものではなく、固体高分子型燃料電池であってもよいし、固体酸化物型燃料電池であってもよい。
以下では、固体高分子型燃料電池を例に説明する。
【００３５】
固体高分子型燃料電池におけるイオン交換膜等は従来のものを利用することができる。例えば、イオン交換膜と触媒層とを接合した膜・電極接合体などは、市販されているものをそのまま利用することができる。アノード、カソードの白金触媒はいずれも約０．５ｍｇ／ｃｍ2が担持されたガス拡散電極、イオン交換膜としてＮａｆｉｏｎ（登録商標）  １１２を用いて一体化されている。
【００３６】
図１は、固体高分子型燃料電池の単セルの断面概略図である。
図１においては、膜・電極接合体（ＭＥＡ）Ｍは、イオン交換膜１の両面にガス拡散電極つまり白金触媒を含む活性炭層（２−１、２−２）を有している。それぞれアノードとしての水素極とカソードとしての空気極である。また、集電体（３−１、３−２）は、両極の集電体とガス拡散層を兼ねており、例えば、市販の撥水性処理したカーボンペーパーを用いることができる。カーボンペーパーとしては例えば、多孔度は約５０％、フッ素樹脂約１５％が添加されていて撥水性を有しているものを用いることができる。
【００３７】
セパレータ（４−１、４−２）は、例えば、市販の黒鉛板を用いることができる。ガス拡散層（４−１−１、４−２−１）は、本発明の実施形態に係る金属多孔体であり、ガス供給・排出路も兼ねている。本発明の実施形態に係る金属多孔体は、従来の金属多孔体に比べて厚さが非常に薄いため、燃料電池を小型化することができる。
なお、図１は単セルであるが、実用化されている燃料電池では、セパレータを介して所望の電圧に対応できるようにセルが積層されて構成されている。通常各セルは直列結合なのでセパレータの一方面がカソードであれば、他の面には隣のセルのアノードがくるように組み立てられ、周辺をボルト、ナットなどで加圧一体化している。
【００３８】
＜金属多孔体の製造方法＞
本発明実施形態に係る金属多孔体は種々の方法によって製造することができ、その製造方法としては、例えば、前記（５）、（６）や前記（ｉ）〜（iii）に記載の方法等が挙げられる。
従来の三次元網目状構造を有する金属多孔体は、電池用としては、電極の活物質保持量を多くするために、気孔率が９５％程度と大きくなるように製造されている。これに対して本発明に係る金属多孔体は、燃料電池のガス拡散層として用いた場合に、ガスの良好な供給、排気、拡散を良好に行い、更に、燃料電池の小型化に寄与することを主たる目的としているため、従来の金属多孔体の製造方法に改良を加えたものである。
以下に、金属多孔体の製造方法についてより詳細に説明する。
【００３９】
（三次元網目状構造を有する樹脂成形体）
基材として用いる三次元網目状構造を有する平板状の樹脂成形体としては、多孔性のものであればよく公知又は市販のものを使用できる。例えば、樹脂製の発泡体、不織布、フェルト、織布などを用いることができる。また、必要に応じてこれらを組み合わせて用いることもできる。素材としては特に限定されるものではないが、金属をめっきした後焼却処理により除去できるものが好ましい。また、樹脂成形体の取扱い上、特にシート状のものにおいては剛性が高いと折れるので柔軟性のある素材であることが好ましい。
【００４０】
前記樹脂成形体としては樹脂発泡体を用いることが好ましい。樹脂発泡体としては発泡ウレタン、発泡スチレン、発泡メラミン樹脂等が挙げられるが、これらの中でも、特に気孔率が大きい観点から、発泡ウレタンが好ましい。
【００４１】
樹脂成形体の気孔率は限定的でなく、通常６０％以上、９７％以下程度、好ましくは８０％以上、９６％以下程度である。樹脂成形体の厚さは限定的でなく、得られる金属多孔体の用途に応じて適宜決定されるが、通常６００μｍ以上、５０００μｍ以下程度、好ましくは８００μｍ以上、２０００μｍ以下程度とすればよい。なお、樹脂成形体は気孔率が非常に大きいものであるため、厚さが５００μｍ以下であると、平板状の形状を保つことができない。
以下では、三次元網目状構造を有する樹脂成形体として発泡状樹脂を用いた場合を例にとって説明する。
【００４２】
（導電化処理）
導電化処理は、樹脂成形体の骨格の表面に導電性を有する層を設けることができる限り、特に限定されるものではない。導電性を有する層（導電被覆層）を構成する材料としては、例えば、ニッケル、スズ、クロム、銅、鉄、タングステン、チタン、ステンレススチール等の金属の他、カーボン粉末等の炭素粉末が挙げられる。
導電化処理の具体例としては、例えばニッケル、スズ、クロムなどの金属粉末や黒鉛粉末にバインダを加えて得られる導電性塗料の塗布、無電解めっき処理、スパッタリングや蒸着・イオンプレーティングなどの気相処理等が好ましく挙げられる。
【００４３】
ニッケルを用いた無電解めっき処理は、例えば、還元剤として次亜リン酸ナトリウムを含有した硫酸ニッケル水溶液等の公知の無電解ニッケルめっき浴に発泡状樹脂を浸漬することによって行うことができる。必要に応じて、めっき浴浸漬前に、樹脂成形体を微量のパラジウムイオンを含む活性化液（カニゼン社製の洗浄液）等に浸漬してもよい。
【００４４】
ニッケル又はクロムを用いたスパッタリング処理としては、例えば、まず、基板ホルダーに樹脂成形体を取り付けた後、不活性ガスを導入しながらホルダーとターゲット（ニッケル又はクロム）との間に直流電圧を印加する。これによりイオン化した不活性ガスをニッケル又はクロムに衝突させて、吹き飛ばしたニッケル粒子又はクロム粒子を樹脂成形体表面に堆積すればよい。
【００４５】
カーボン粉末や金属粉末等の導電性塗料を塗布する場合には、前記樹脂成形体の骨格の表面に導電性を有する粉末（例えば、ステンレススチール等の金属材料の粉末、結晶質のグラファイト、非晶質のカーボンブラック等のカーボンの粉末）とバインダとの混合物を塗着する方法等が挙げられる。また、このときに、クロム粉末又は酸化クロム粉末と炭素粉末とを用いてもよい。クロム粉末又は酸化クロム粉末を用いる場合には、金属多孔体におけるクロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるようにすればよい。これにより、クロムめっき工程が不要となる。
またクロム粉末又は酸化クロム粉末を用いる場合には、ニッケルへの拡散性を考慮すると０．１μｍ以上、１０μｍ以下程度の粒径の粉末を用いることが好ましく、０．５μｍ以上、５μｍ以下程度の粒径の粉末を用いることがより好ましい。
【００４６】
炭素粉末としては、カーボンブラック、活性炭、黒鉛などを用いることができ、特に材料に限定はない。導電性を均一にすることを目的にする場合にはカーボンブラックを採用し、導電被覆層の強度を考慮する際には黒鉛の微粉末を用いればよい。また、活性炭も含めて混合することは好ましい。スラリーを作製する際に一般的に用いられる増粘剤、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などを添加しても良い。このスラリーを、厚さを調整して板状あるいは帯状に裁断しておいた樹脂成形体の骨格に塗着し、乾燥させることで、樹脂成形体の骨格の表面を導電化することができる。
【００４７】
導電被覆層にニッケルを用いる場合は樹脂成形体表面に連続的に形成されていればよく、目付量は限定的でないが、通常５ｇ/ｍ2以上、１５ｇ/ｍ2以下程度、好ましくは７ｇ/ｍ2以上、１０ｇ/ｍ2以下程度とすればよい。
【００４８】
（ニッケルめっき層の形成）
ニッケルめっき層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、電解ニッケルめっきの方が、効率が良いため好ましい。電解ニッケルめっき処理は、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。
前記の無電解めっきやスパッタリングにより表面に導電層を形成された樹脂構造体をめっき浴に浸し、樹脂構造体を陰極に、ニッケル対極板を陽極に接続して直流或いはパルス断続電流を通電させることにより、導電層上に、さらにニッケルの被覆を形成することができる。
【００４９】
電解ニッケルめっき層の目付量は、金属多孔体の最終的な金属組成として、ニッケルの含有率が５０質量％以上となるように調整すればよい。
なお、金属多孔体において、ニッケルの目付量は２５０ｇ／ｍ2以上、９５０ｇ／ｍ2以下程度とすることが好ましい。また、ニッケル以外の金属成分を含み、ニッケル合金による金属多孔体とする場合には、金属総量の目付量を２５０ｇ／ｍ2以上、９５０ｇ／ｍ2以下程度とすることが好ましい。
【００５０】
（クロムめっき層の形成）
樹脂構造体にクロムめっき層を形成する場合には、例えば、次のようにして行うことができる。すなわち、公知のクロムめっき方法に従って行えばよく、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る。例えば、６価クロム浴、３価クロム浴を用いることができる。めっき対象となる多孔体を前記クロムめっき浴に浸して陰極に接続し、対極としてクロム板を陽極に接続して直流あるいはパルス断続電流を通電させることによりクロムめっき層を形成することができる。
クロムめっきの目付量は、金属多孔体の最終的な金属組成として、ニッケルの含有率が５０質量％以上、クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるように調整すればよい。
【００５１】
（めっき時のめっき液の循環）
三次元網目状構造を有する樹脂成形体のような基材へのめっきは、一般的に内部へ均一にめっきすることが難しい。内部への未着を防いだり、内部と外部のめっき付着量の差を低減したりするために、めっき液を循環させることが好ましい。循環の方法としては、ポンプを使用したり、めっき槽内部にファンを設置したりするなどの方法がある。また、これらの方法を用いて樹脂成形体にめっき液を吹き付けたり、吸引口に樹脂成形体を隣接させたりすると、樹脂成形体の内部にめっき液の流れができやすくなって効果的である。
【００５２】
（樹脂成形体の除去）
表面に金属めっき層が形成された樹脂構造体から基材として用いた樹脂成形体を除去する方法は限定的でなく、薬品による処理や、焼却による燃焼除去の方法が挙げられる。焼却による場合には、例えば、６００℃程度以上の大気等の酸化性雰囲気下で加熱すればよい。
得られた金属多孔体を、必要に応じて還元性雰囲気下で加熱処理して金属を還元することにより、ニッケルを主成分とする金属多孔体が得られる。
【００５３】
（クロマイズ処理）
樹脂成形体の骨格表面の導電被覆層にクロムを添加したり、樹脂成形体の骨格の表面にクロムめっきをしたりする方法以外にも、金属多孔体の骨格表面をクロマイズ処理することによって金属多孔体をニッケルクロム合金多孔体とすることもできる。
クロマイズ処理は、ニッケル膜にクロムを拡散浸透させる処理であり、公知の手法を採用できる。例えば、金属多孔体にクロム源粉末、焼結防止剤粉末（アルミナ粉末）、ハロゲン化物、を混合した浸透材を充填して還元性雰囲気で加熱する粉末パック法を採用することができる。また、浸透材と金属多孔体を離間して配置し、還元性雰囲気中で加熱し、浸透材のガスを形成して金属多孔体表面のニッケルに浸透材を浸透させることもできる。ニッケル中にクロムを拡散させた後に洗浄して残留粉末を除去することでニッケルクロムからなる金属多孔体を得ることができる。
ニッケルクロム中のクロムの含有量はクロマイズ処理の加熱時間によって調整することができる。最終的に得られる金属多孔体のクロム含有率が１質量％以上、５０質量％以下となるようにすればよい。
【００５４】
（金属多孔体を圧延する工程）
上記のように、本発明の実施形態に係る金属多孔体は靭性を有するため、圧延加工によって調厚することが可能である。このため、ローラープレス機や平板プレス等によって、金属多孔体の厚さを０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延すればよい。金属多孔体を圧延することにより、金属多孔体の厚さを均一にし、かつ、表面の凹凸のバラツキをなくすことができる。また、金属多孔体を圧延することにより気孔率を小さくすることができる。
【００５５】
平板状の多孔体は圧延によって若干伸びるが、上から見た場合の平均孔径が変化するほどには変形しない。このため、圧延する前の平板状の多孔体を上から見た場合の平均孔径は、圧延した後の平均孔径と同様に、１００μｍ以上、６５０μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以上、５５０μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以上、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
また、金属多孔体を圧延する前においては、気孔率は、６０％以上、９７％以下であることが好ましく、８０％以上、９６％以下であることがより好ましい。一方、金属多孔体を０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下に圧延した後においては、気孔率は、５５％以上、８５％以下であることが好ましく、７０％以上、８２％以下であることがより好ましく、７５％以上、８０％以下であることが更に好ましい。
【００５６】
なお、金属多孔体を燃料電池のガス拡散層として用いる場合には、燃料電池に組み込まれた際のガス拡散層の厚さよりもわずかに厚い厚さの金属多孔体を製造し、燃料電池への組み込み時の圧力により金属多孔体を変形させて厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下となるようにしてもよい。このとき、金属多孔体を予めわずかに圧延しておいて、燃料電池に組み込まれた際のガス拡散層の厚さよりもわずかに厚い厚さの金属多孔体としてもよい。これにより燃料電池のＭＥＡとガス拡散層（金属多孔体）との密着性をより高めることができる。
【００５７】
＜水素の製造方法、および水素の製造装置＞
本発明の実施形態に係る金属多孔体は、燃料電池用途以外に、水電解による水素製造用途にも好適に使用できる。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方式、及び［３］ＳＯＥＣ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。
【００５８】
前記［１］のアルカリ水電解方式では、強アルカリ水溶液に陽極と陰極を浸漬し、電圧を印加することで水を電気分解する方式である。金属多孔体を電極として使用することで水と電極の接触面積が大きくなり、水の電気分解の効率を高めることができる。
アルカリ水電解方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は上から見た場合の孔径が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孔径が１００μｍ以上であることにより、発生した水素・酸素の気泡が金属多孔体の気孔部に詰まって水と電極との接触面積が小さくなることを抑制することができる。また、金属多孔体を上から見た場合の孔径が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孔径は４００μｍ以上、４０００μｍ以下であることがより好ましい。
金属多孔体の厚さや金属量は、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。気泡の抜けと表面積の確保を両立するために、異なる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。
【００５９】
前記［２］のＰＥＭ方式は、固体高分子電解質膜を用いて水を電気分解する方法である。固体高分子電解質膜の両面に陽極と陰極を配置し、陽極側に水を流しながら電圧を印加することで、水の電気分解により発生した水素イオンを、固体高分子電解質膜を通して陰極側へ移動させ、陰極側で水素として取り出す方式である。動作温度は１００℃程度である。水素と酸素で発電して水を排出する固体高分子型燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。陽極側と陰極側は完全に分離されているため、純度の高い水素を取り出せる利点がある。陽極・陰極共に電極を透過させて水・水素ガスを通す必要があるため、電極には導電性の多孔体が必要である。
【００６０】
本発明の実施形態に係る金属多孔体は高い気孔率と良好な電気伝導性を備えているため、固体高分子型燃料電池に好適に使用できるのと同じように、ＰＥＭ方式の水電解にも好適に使用できる。ＰＥＭ方式による水素の製造方法においては、金属多孔体は上から見た場合の孔径が１００μｍ以上、６５０μｍ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孔径が１００μｍ以上であることにより、発生した水素・酸素の気泡が金属多孔体の気孔部に詰まって水と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孔径が６５０μｍ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孔径は、２００μｍ以上、５５０μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以上、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００６１】
金属多孔体の厚さや金属量は、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量を調整することが好ましい。また、ＰＥＭ方式では固体高分子電解質膜と電極の導通は圧着になるため、加圧時の変形・クリープによる電気抵抗増加が、実用上問題ない範囲になるように金属量を調節する必要がある。金属量としては２５０ｇ／ｍ２以上、９５０ｇ／ｍ２以下程度であることが好ましく、３５０ｇ／ｍ2以上、８５０ｇ／ｍ2以下程度であることがより好ましく、４５０ｇ／ｍ2以上、７５０ｇ／ｍ2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。
【００６２】
前記［３］のＳＯＥＣ方式は、固体酸化物電解質膜を用いて水を電気分解する方法で、電解質膜がプロトン伝導膜か酸素イオン伝導膜かによって構成が異なる。酸素イオン伝導膜では、水蒸気を供給する陰極側で水素が発生するため、水素純度が下がる。そのため、水素製造の観点からはプロトン伝導膜を用いることが好ましい。
プロトン伝導膜の両側に陽極と陰極を配置し、陽極側に水蒸気を導入しながら電圧を印加することで、水の電気分解により発生した水素イオンを、固体酸化物電解質膜を通して陰極側へ移動させ、陰極側で水素のみを取り出す方式である。動作温度は６００℃〜８００℃程度である。水素と酸素で発電して水を排出する固体酸化物型燃料電池と、同様の構成で全く逆の動作をさせるものである。
【００６３】
陽極・陰極共に電極を透過させて水蒸気・水素ガスを通す必要があるため、電極には導電性かつ、特に陽極側で高温の酸化雰囲気に耐える多孔体が必要である。本発明の実施形態に係る金属多孔体は高い気孔率と良好な電気伝導性と高い耐酸化性・耐熱性を備えているため、固体酸化物型燃料電池に好適に使用できるのと同じように、ＳＯＥＣ方式の水電解にも好適に使用できる。酸化性雰囲気となる側の電極には、Ｃｒなどの高い耐酸化性を有する金属を添加したＮｉ合金の使用が好ましい。
【００６４】
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孔径が１００μｍ以上、６５０μｍ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孔径が１００μｍ以上であることにより、水蒸気や発生した水素が金属多孔体の気孔部に詰まって水蒸気と固体酸化物電解質膜との接触面積が小さくなってしまうことを抑制することができる。また、金属多孔体を上から見た場合孔径が６５０μｍ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孔径は、２００μｍ以上、５５０μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以上、５００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００６５】
金属多孔体の厚さや金属量は、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量を調整することが好ましい。また、ＳＯＥＣ方式では固体酸化物電解質膜と電極の導通は圧着になるため、加圧時の変形・クリープによる電気抵抗増加が、実用上問題ない範囲になるように金属量を調節する必要がある。金属量としては２５０ｇ／ｍ２以上、９５０ｇ／ｍ２以下程度であることが好ましく、３５０ｇ／ｍ2以上、８５０ｇ／ｍ2以下程度であることがより好ましく、４５０ｇ／ｍ2以上、７５０ｇ／ｍ2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。
【００６６】
＜付記＞
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
（付記１）
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の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水素の製造方法であって、
前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、
厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である、水素の製造方法。
（付記２）
前記金属多孔体の気孔率が、５５％以上、８５％以下である付記１に記載の水素の製造方法。
（付記３）
前記金属多孔体はクロム（Ｃｒ）を更に含み、前記クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下である付記１又は付記２に記載の水素の製造方法。
（付記４）
前記水が強アルカリ水溶液である付記１から付記３のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
（付記５）
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３のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
（付記６）
固体酸化物電解質膜の両側に前記金属多孔体を配置して前記固体高分子電解質膜と前記金属多孔体とを接触させ、それぞれの金属多孔体を陽極及び陰極として作用させ、前記陽極側に水蒸気を供給して水を電気分解することによって、前記陰極側に水素を発生させる、付記１から付記３のいずれか一項に記載の水素の製造方法。
（付記７）
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、
ニッケル（Ｎｉ）を含む三次元網目状構造の平板状の金属多孔体を電極として備え、
前記ニッケルの含有率は５０質量％以上であり、
厚さが０．１０ｍｍ以上、０．５０ｍｍ以下である、水素の製造装置。
（付記８）
前記金属多孔体の気孔率が、５５％以上、８５％以下である付記７に記載の水素の製造装置。
（付記９）
前記金属多孔体はクロム（Ｃｒ）を更に含み、前記クロムの含有率が１質量％以上、５０質量％以下である付記７又は付記８に記載の水素の製造装置。
（付記１０）
前記水が強アルカリ水溶液である付記７から付記９のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
（付記１１）
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７から付記９のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
（付記１２）
固体酸化物電解質膜の両側に陽極及び陰極を有し、
前記陽極及び前記陰極は前記固体高分子電解質膜と接触しており、
前記陽極側に供給された水蒸気を電気分解することによって前記陰極側に水素を発生させることが可能な水素の製造装置であって、
前記陽極及び前記陰極の少なくとも一方に前記金属多孔体を用いる、付記７から付記９のいずれか一項に記載の水素の製造装置。
【実施例】
【００６７】
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範囲によって示され、特許請求の範囲の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６８】
［実施例１］
−金属多孔体の作製−
（三次元網目状構造を有する樹脂成形体の導電化処理）
三次元網目状構造を有する樹脂成形体として、気孔率９６％、平均孔径４５０μｍ、厚さ２．０ｍｍのウレタン樹脂発泡体のシートを用いた。平均粒径０．５μｍの黒鉛微粉末と２０質量％のポリプロピレン水性エマルジョンを用い、黒鉛に対して樹脂部が４．５質量％になるように加えた。更に、カルボキシメチルセルロースを増粘剤として０．１質量％加えてスラリーとした。このスラリーに上記のウレタン樹脂発泡体を浸漬した。そして、ウレタン樹脂発泡体を引き上げ、ロール間を通して余分なスラリーを除去し、乾燥させて骨格の表面を導電化した。炭素・ポリプロピレンによる導電被覆層の付着量は８０ｇ／ｍ２とした。
【００６９】
（ニッケルめっき）
導電性を付与したウレタン樹脂発泡体を、公知のスルファミン酸浴法で電解ニッケルめっきを施した。公知の組成、つまりスルファミン酸ニッケル４３０ｇ／Ｌ、塩化ニッケル７ｇ／Ｌ、ホウ酸３２ｇ／Ｌを主とする浴で、電流密度を２５０ｍＡ／ｃｍ２として電解ニッケルめっきを行った。これにより、樹脂成形体の骨格の表面にニッケルめっき層が形成された樹脂構造体を得た。ニッケルめっき層が形成された樹脂構造体におけるニッケルの目付量は５５０ｇ／ｍ２とした。
【００７０】
（樹脂成形体の除去）
前記樹脂構造体を、空気中７５０℃で加熱して樹脂成形体を焼却除去した。ついで、水素雰囲気中で８５０℃、１０分間加熱して一部酸化したニッケルの還元と焼鈍を行った。これにより三次元網目状構造を有する金属多孔体（ニッケル多孔体）を得た。この金属多孔体の気孔率は約９７％であった。厚さもほぼ同じ２．０ｍｍであった。
【００７１】
（クロムとの合金化）
ニッケルのニッケルクロム合金化は公知の方法を採用した。まず、クロム粉末、塩化アンモン、アルミナが９０：１：９質量％になるよう混合し、これを上記で作製した金属多孔体に充填した。そして、水素雰囲気中で８００℃に加熱してクロムを拡散させ合金化した。クロムの含有量が２１質量％になるように合金化し、均一に合金化していることを確認した。このニッケルクロム合金多孔体の気孔率は約９６％であった。ニッケルクロム合金多孔体における金属の総目付量は、７００ｇ／ｍ２であった。
【００７２】
（金属多孔体の調厚）
前記ニッケルクロム合金多孔体をローラープレス機により、厚さを０．５ｍｍに圧延して金属多孔体１を得た。金属多孔体１の気孔率は約８４％であった。
【００７３】
−燃料電池の作製−
上記の金属多孔体１を、固体高分子型燃料電池（単セル）のガス拡散層兼ガス供給・排出路として用いた。
金属多孔体１を用いて単セルを組み立てるために市販のＭＥＡを用い、金属多孔体１を５×５ｃｍに裁断して、図１に示した単セルを構成した。ＭＥＡを２枚のカーボンペーパーで挟み、更にその外側を２枚の金属多孔体１で挟んで単セルを構成した。空気極と水素極がリークしないよう、ガスケットと凹型に加工したカーボン成形体を用い、４角をボルトとナットにより締め付け固定した。これにより、各構成材料の接触性の向上とともに水素、空気のセルからの漏れを防止した。なお、セパレータのカーボン成形体は、実用的には積層電池にするのでその厚さは１〜２ｍｍ程度であるが、実施例は単セルであり、締め付けに耐える強度にするために厚さ１０ｍｍとした。このセルを電池Ａとした。
【００７４】
［実施例２］
実施例１に記載の方法と同様の方法により、気孔率が９６％でニッケルの目付量が７００ｇ／ｍ２のニッケル多孔体を作製した。このニッケル多孔体の厚さが０．５０ｍｍとなるようにローラープレス機によって圧延して金属多孔体２を得た。金属多多孔体２の気孔率は約８４％であった。
実施例１と同様に、空気極側にはニッケルクロムの金属多孔体１を用い、水素極側にはニッケル多孔体の金属多孔体２を用いて単セルを作製した。このセルを電池Ｂとした。
【００７５】
［実施例３］
ニッケルめっき量を３５０ｇ／ｍ２、クロム濃度を２２質量％にした以外は実施例１と同様の手法で、目付量が４５０ｇ／ｍ２のニッケルクロム合金多孔体を作製し、ローラープレス機によって０．１２ｍｍに圧延して金属多孔体３を得た。金属多孔体３の気孔率は５８％となった。
両極に金属多孔体３を用いた以外は実施例１と同様にして電池Ｃを得た。
【００７６】
［比較例１］
汎用のセパレータ（カーボン成形体）に溝を形成したものをガス拡散層として用いて単セルを構成した。つまり、電池Ａと同様のＭＥＡ、カーボンペーパーをアノード、カソードともに用いた。溝は深さ、幅ともに１ｍｍ、とし、溝間の幅を１ｍｍとした。したがって見掛けの気孔率は、ほぼ５０％になる。このセルを電池Ｄとした。
【００７７】
［比較例２］
実施例３で作製した目付量が４５０ｇ／ｍ２のニッケルクロム合金多孔体をローラープレス機によって０．０８ｍｍに圧延し、金属多孔体Ａを得た。金属多孔体Ａの気孔率は３７％となった。
両極に金属多孔体Ａを用いた以外は実施例１と同様にして電池Ｅを得た。
【００７８】
［比較例３］
実施例１で作製した目付量が７００ｇ／ｍ２のニッケルクロム合金多孔体をローラープレス機によって０．７０ｍｍに圧延し、金属多孔体Ｂを得た。金属多孔体Ｂの気孔率は８８％となった。
両極に金属多孔体Ｂを用いた以外は実施例１と同様にして電池Ｆを得た。
【００７９】
［評価］
−電流電圧特性−
電池Ａ〜Ｆのアノードに水素を、カソードに空気を供給して、放電特性を調べた。
なお、各ガスの供給は負荷に応じて調整する装置を用いた。電極の周囲温度は２５℃、作動温度として８０℃を採用した。
図２に電池Ａ〜Ｆの電流−電圧特性を表すグラフを示す。図２の縦軸は電圧（単位：Ｖ）を表し、横軸は電流（単位：Ａ）を表す。
【００８０】
図２で明らかなように、単セル放電電圧は、低電流密度から電池Ａ、Ｂがほぼ同等で推移する。実施例３の電池Ｃは若干電圧が低いが、高電流密度まで０．５Ｖ以上を維持している。
一方、比較例の電池は初期から電圧に差が現れた。電池Ｄ、Ｆではセル電圧が０．５Ｖにまで低下するのが約６Ａであった。これは、電池Ｄでは集電体がカーボンであるため、電池Ａ〜Ｃに比べて導電性が劣っているためである。また、電池Ｆは導電性に関しては電池Ａ〜Ｃと材質的に同等であるが、金属多孔体の厚さが不適切であったためガス供給能力が劣るためである。
一方、電池Ｅは初期から電圧が大きく低下し、２Ａ程度で０．２Ｖに達して発電が停止してしまった。金属多孔体の厚さを薄くし過ぎたため水素及び空気を供給するために必要な圧力が非常に高く、ガス供給能力が劣っていたためである。また、生成水がガス拡散、供給路に溜まって放電電圧がばらつく現象については電池Ｄ、Ｅでは認められたが、電池Ａ〜Ｃ及びＦでは起こらなかった。
【００８１】
次に、電池Ａ〜Ｄについて、放電電流密度５００ｍＡ／ｃｍ２で５０００時間連続放電を行った。その結果、電池Ａ〜Ｃでは放電電圧の低下はなかったが、電池Ｄでは７％、電池Ｆでは５％低下した。
放電を中止して両極へのガス供給を停止し、電池を室温に戻して１０日間放置後に、再び５００ｍＡ／ｃｍ２で放電できる時間を測定した。その結果、電池Ａ〜Ｃでは３０分以内で休止前の電圧を示したが、電池Ｄでは７５分間を要した。これは、電池Ａ〜Ｃでは金属多孔体をガス拡散層に用いているため、放電生成物の水がガス拡散層兼ガス供給・排気路に留まってガスの流れを阻害することがないためであると考えられる。
また、放電特性を評価した後に各セルを分解して調べたところ、電池Ｄでは、溝の幅部分がカーボンペーパーにくい込んでいて、ガスの流れを阻害していた。一方、電池Ａ〜Ｃではガス拡散層が金属多孔体であるため、溝と異なり、カーボンペーパーにくい込む現象はまったく認められなかった。
【符号の説明】
【００８２】
Ｍ              膜・電極接合体（ＭＥＡ）
１              イオン交換膜
２−１          ガス拡散電極（白金触媒を含む活性炭層）
２−２          ガス拡散電極（白金触媒を含む活性炭層）
３−１          集電体
３−２          集電体
４−１          セパレータ
４−１−１      ガス拡散層
４−２          セパレータ
４−２−１      ガス拡散層
【図１】
2017033917.tif 000003
【図２】
2017033917.tif 000004