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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024035606
(43)【公開日】2024-03-14
(54)【発明の名称】３次元規則骨格を有する電極、水電解装置、燃料電池
(51)【国際特許分類】
C25B 11/03 20210101AFI20240307BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240307BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240307BHJP
C25B 11/046 20210101ALI20240307BHJP
C25B 11/042 20210101ALI20240307BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20240307BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20240307BHJP
H01M 4/02 20060101ALI20240307BHJP
H01G 11/70 20130101ALI20240307BHJP
H01G 11/68 20130101ALI20240307BHJP
H01G 9/052 20060101ALI20240307BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240307BHJP
H01M 4/66 20060101ALN20240307BHJP
【ＦＩ】
C25B11/03
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B11/046
C25B11/042
H01M4/86 M
H01M4/13
H01M4/02 Z
H01G11/70
H01G11/68
H01G9/052 500
H01M8/10 101
H01M4/66 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022140184
(22)【出願日】2022-09-02
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構水電解水素製造技術高度化のための基盤技術研究開発／アルカリ水電解及び固体高分子形水電解の高度化委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504182255
【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】佐野 陽祐
(72)【発明者】
【氏名】大森 信一
(72)【発明者】
【氏名】加藤 純
(72)【発明者】
【氏名】光島 重徳
(72)【発明者】
【氏名】黒田 義之
(72)【発明者】
【氏名】長澤 兼作
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
5E078
5H017
5H018
5H050
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K011AA11
4K011AA15
4K011AA17
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
5E078AB06
5E078FA07
5E078FA12
5E078FA13
5E078FA25
5H017AA03
5H017AS01
5H017CC05
5H017DD08
5H017EE01
5H017EE04
5H017EE05
5H017HH02
5H017HH03
5H017HH10
5H018AA06
5H018AS03
5H018EE02
5H018EE10
5H018HH03
5H018HH04
5H018HH05
5H050AA12
5H050BA17
5H050DA04
5H050DA06
5H050DA07
5H050DA08
5H050FA09
5H050FA10
5H050HA03
5H050HA04
5H050HA07
5H050HA09
5H050HA17
5H126BB06
(57)【要約】
【課題】触媒層等の他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良く、電解効率に優れた３次元規則骨格を有する電極を提供する。
【解決手段】厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層１１と、この井型シート層１１から立設された複数のピン部材１６によって構成されたピン構造層１５と、を有し、井型シート層１１の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、ピン構造層１５の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされており、井型シート層１１の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされ、ピン構造層１５の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされている。
【選択図】図１
【解決手段】厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層１１と、この井型シート層１１から立設された複数のピン部材１６によって構成されたピン構造層１５と、を有し、井型シート層１１の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、ピン構造層１５の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされており、井型シート層１１の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされ、ピン構造層１５の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層と、この井型シート層から立設された複数のピン部材によって構成されたピン構造層と、を有し、
前記井型シート層の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされており、
前記井型シート層の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする３次元規則骨格を有する電極。
前記井型シート層の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされており、
前記井型シート層の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする３次元規則骨格を有する電極。
【請求項2】
骨格径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とされ、前記ピン構造層において前記ピン部材の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２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３次元規則骨格を有する電極。
【請求項3】
アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金から選択されるいずれか一種の金属からなることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格を有する電極。
【請求項4】
水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１に記載の３次元規則骨格を有する電極。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の３次元規則骨格を有する電極を備えたことを特徴とする水電解装置。
【請求項6】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の３次元規則骨格を有する電極を備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、３次元規則骨格を有する電極、水電解装置、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
脱ＣＯ２社会実現に向け、化石エネルギーの代替として、太陽光や風量エネルギーをはじめとする再生可能エネルギーが着目されて久しい。しかしながら、（１）巨大な太陽光や風力発電施設などのエネルギー供給地から、エネルギー消費地である都市部へのエネルギー輸送方法、（２）電力網に入れることのできない余剰電力や、電力需要ピークと供給ピークの時間差に起因する電力ロス、など、再生可能エネルギーのさらなる普及には多くの課題がある。解決に向けた一策として、余剰の再生可能エネルギーから得られる電気エネルギーを、水電解装置にて化学エネルギー（化合物）に変換し、化石代替エネルギーとして利用する方法が検討されている。水素やメチルシクロヘキサンがその化合物として有名である。
【0003】
水電解装置のアノードには、原料である液体の水を触媒へ効率的に供給するための流路構造と、電解用の電流を供給するための給電体が必要である。流路構造は、溝加工を施したＰｔめっきチタンプレートが一般的である。チタンは機械加工が難しく、コスト高につながっている。
給電体としては、例えば特許文献１に開示されているように、平板の垂直（Ｚ軸）方向に貫通孔を設けた電極が開発されている。
しかしながら、この特許文献１に開示された電極においては、ＸＹ平面方向への水の供給が難しいため、電極に水を供給する流路構造が必要となる。
給電体としては、例えば特許文献１に開示されているように、平板の垂直（Ｚ軸）方向に貫通孔を設けた電極が開発されている。
しかしながら、この特許文献１に開示された電極においては、ＸＹ平面方向への水の供給が難しいため、電極に水を供給する流路構造が必要となる。
【0004】
これら課題を解決する手法として、近年は金属粉末を原料とする積層造形技術が着目されている。
例えば、特許文献２，３では、電子ビームをエネルギー源として、金属粉末を溶融して積層造形することにより、燃料電池向けのセパレータを開発する技術が公開されている。
例えば、特許文献２，３では、電子ビームをエネルギー源として、金属粉末を溶融して積層造形することにより、燃料電池向けのセパレータを開発する技術が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１９－１３７８９１号公報
【特許文献2】特開２０２１－１０８２５０号公報
【特許文献3】特開２０２１－１０８２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、電解装置の電極においては、多孔質体の気孔径が重要となる。電極の気孔径が大きすぎると触媒層等の他の部材との接触抵抗が大きくなり、電解効率が低下してしまう。一方、電極の気孔径が小さすぎると気泡の抜けが悪くなり、やはり、電解効率が低下してしまう。
ここで、特許文献２，３に記載されたように、電子ビームやレーザーをエネルギー源として用いた場合、金属粉末原料の溶融範囲の制御が難しく、気孔を精度良く形成することができなかった。特に、電極として重要な１００μｍオーダーの比較的小径の気孔を周期的に造形することは非常に困難であった。
ここで、特許文献２，３に記載されたように、電子ビームやレーザーをエネルギー源として用いた場合、金属粉末原料の溶融範囲の制御が難しく、気孔を精度良く形成することができなかった。特に、電極として重要な１００μｍオーダーの比較的小径の気孔を周期的に造形することは非常に困難であった。
【0007】
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、触媒層等の他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良く、電解効率に優れた３次元規則骨格を有する電極、この３次元規則骨格構造を有する電極を備えた水電解装置、燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の態様１の３次元規則骨格を有する電極は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層と、この井型シート層から立設された複数のピン部材によって構成されたピン構造層と、を有し、前記井型シート層の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされており、前記井型シート層の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされ、前記ピン構造層の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【0009】
本発明の態様１の３次元規則骨格を有する電極によれば、厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層と、この井型シート層から立設された複数のピン部材によって構成されたピン構造層と、を有しているので、流路構造と給電体構造とが一体化されており、接触抵抗を低く、かつ、気泡の抜けが良くなり、電解効率を大幅に向上させることが可能となる。
【0010】
そして、井型シート層の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされているので、ピン構造層を支持する強度を確保でき、かつ、気泡の抜けを良くすることができる。また、ピン構造層の厚みが１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされているので、井型シート層およびピン構造層での気泡の抜けを良くすることができる。
また、前記井型シート層の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされているので、ピン構造層を支持する面積を確保でき、かつ、気泡の抜けを良くすることができる。また、ピン構造層の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされているので、ピン構造層の強度を確保できるとともに、ピン構造層での気泡の抜けを良くすることができる。
また、前記井型シート層の空隙率が２０％以上７０％以下の範囲内とされているので、ピン構造層を支持する面積を確保でき、かつ、気泡の抜けを良くすることができる。また、ピン構造層の空隙率が７０％以上９９％以下の範囲内とされているので、ピン構造層の強度を確保できるとともに、ピン構造層での気泡の抜けを良くすることができる。
【0011】
本発明の態様２は、態様１の３次元規則骨格を有する電極において、骨格径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とされ、前記ピン構造層において前記ピン部材の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様２の３次元規則骨格を有する電極によれば、骨格径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とされているので、強度を十分に確保することができるとともに、微細な周期構造となり、触媒等の他の部材との接触面積を確保することが可能となる。
また、前記ピン構造層において前記ピン部材の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、ピン構造層の強度を確保できるとともに、ピン構造層における気泡の抜けをさらに良くすることができる。
本発明の態様２の３次元規則骨格を有する電極によれば、骨格径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とされているので、強度を十分に確保することができるとともに、微細な周期構造となり、触媒等の他の部材との接触面積を確保することが可能となる。
また、前記ピン構造層において前記ピン部材の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、ピン構造層の強度を確保できるとともに、ピン構造層における気泡の抜けをさらに良くすることができる。
【0012】
本発明の態様３は、態様１または態様２の３次元規則骨格を有する電極において、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金から選択されるいずれか一種の金属からなることを特徴としている。
本発明の態様３の３次元規則骨格を有する電極によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金から選択されるいずれか一種の金属で構成されているので、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格を有する電極を提供することができる。
本発明の態様３の３次元規則骨格を有する電極によれば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金から選択されるいずれか一種の金属で構成されているので、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格を有する電極を提供することができる。
【0013】
本発明の態様４は、態様１から態様３のいずれかひとつの３次元規則骨格を有する電極において、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であることを特徴としている。
本発明の態様４の３次元規則骨格を有する電極によれば、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であるので、電極としての特性に優れている。
本発明の態様４の３次元規則骨格を有する電極によれば、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であるので、電極としての特性に優れている。
【0014】
本発明の態様５の水電解装置は、態様１から態様４のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する電極を備えたことを特徴とする。
本発明の態様５の水電解装置によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する電極を備えているので、他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良くなり、効率良く安定して水電解装置を稼働させることが可能となる。
本発明の態様５の水電解装置によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する電極を備えているので、他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良くなり、効率良く安定して水電解装置を稼働させることが可能となる。
【0015】
本発明の態様６の燃料電池は、態様１から態様４のいずれかひとつの３次元規則骨格構造を有する電極を備えたことを特徴とする。
本発明の態様６の燃料電池によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する電極を備えているので、他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良くなり、効率良く安定して燃料電池を稼働させることが可能となる。
本発明の態様６の燃料電池によれば、上述の３次元規則骨格構造を有する電極を備えているので、他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良くなり、効率良く安定して燃料電池を稼働させることが可能となる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、触媒層等の他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良く、電解効率に優れた３次元規則骨格を有する電極、この３次元規則骨格構造を有する電極を備えた水電解装置、燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明の実施形態である３次元規則骨格を有する電極について、添付した図面を参照して説明する。
【0019】
本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０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として使用されるものである。
【0020】
本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０は、３次元規則骨格構造を有しており、図１に示すように、厚さ方向（Ｚ方向）に複数の貫通孔を有する井型シート層１１と、この井型シート層１１から立設された複数のピン部材１６で構成されたピン構造層１５と、を備えている。
なお、図１においては、１本のピン部材１６を例示しているが、実際には、複数本のピン部材１６が井型シート層１１から立設することで、ピン構造層１５を構成している。
なお、図１においては、１本のピン部材１６を例示しているが、実際には、複数本のピン部材１６が井型シート層１１から立設することで、ピン構造層１５を構成している。
【0021】
そして、井型シート層１１の空隙率Ｎ１が２０％以上７０％以下の範囲内とされ、井型シート層１１の厚みｔ１（Ｚ方向厚さ）が１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内とされている。
なお、井型シート層１１の空隙率Ｎ１は、以下の式で算出される。
Ｎ１（％）＝（１－（Ｗ１／（Ｖ１×Ｄ１Ｔ）））×１００
Ｗ１：井型シート層１１の質量（ｇ）
Ｖ１：井型シート層１１の体積（ｃｍ３）
Ｄ１Ｔ：井型シート層１１を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
なお、井型シート層１１の空隙率Ｎ１は、以下の式で算出される。
Ｎ１（％）＝（１－（Ｗ１／（Ｖ１×Ｄ１Ｔ）））×１００
Ｗ１：井型シート層１１の質量（ｇ）
Ｖ１：井型シート層１１の体積（ｃｍ３）
Ｄ１Ｔ：井型シート層１１を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
【0022】
また、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２が７０％以上９９％以下の範囲内とされ、ピン構造層１５の厚みｔ２（Ｚ方向厚さ）が１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内とされている。
なお、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２は、以下の式で算出される。
Ｎ２（％）＝（１－（Ｗ２／（Ｖ２×Ｄ２Ｔ）））×１００
Ｗ２：ピン構造層１５の質量（ｇ）
Ｖ２：ピン構造層１５の体積（ｃｍ３）
Ｄ２Ｔ：ピン構造層１５を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
なお、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２は、以下の式で算出される。
Ｎ２（％）＝（１－（Ｗ２／（Ｖ２×Ｄ２Ｔ）））×１００
Ｗ２：ピン構造層１５の質量（ｇ）
Ｖ２：ピン構造層１５の体積（ｃｍ３）
Ｄ２Ｔ：ピン構造層１５を構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
【0023】
ここで、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０においては、骨格径が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、ピン構造層１５において、ピン部材１６の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、ピン構造層１５において、ピン部材１６の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上１０００本／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
【0024】
なお、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０においては、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅又は銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金から選択されるいずれか一種の金属からなることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０においては、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
さらに、井型シート層１１の貫通孔の内径は、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
また、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０においては、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
さらに、井型シート層１１の貫通孔の内径は、１μｍ以上５００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【0025】
以下に、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０の製造方法について、図２のフロー図を参照して説明する。
【0026】
（金属粉準備工程Ｓ０１）
まず、３次元規則骨格を有する電極１０を構成する金属からなる金属粉を準備する。本実施形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなる金属粉を準備する。
ここで、金属粉は、その体積基準の平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
まず、３次元規則骨格を有する電極１０を構成する金属からなる金属粉を準備する。本実施形態では、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、ステンレス、チタンまたはチタン合金のいずれか一種の金属からなる金属粉を準備する。
ここで、金属粉は、その体積基準の平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
【0027】
（積層成形工程Ｓ０２）
次に、上述の成形原料を用いて、バインダージェット方式の積層造形法により、多孔質骨格構造を有する成形体を積層成形する。
ここで、バインダージェット方式の積層造形法においては、造形時に金属粉末の溶融を伴わないため、高精細な造形が可能となる特徴がある。
次に、上述の成形原料を用いて、バインダージェット方式の積層造形法により、多孔質骨格構造を有する成形体を積層成形する。
ここで、バインダージェット方式の積層造形法においては、造形時に金属粉末の溶融を伴わないため、高精細な造形が可能となる特徴がある。
【0028】
（脱脂工程Ｓ０３）
次に、バインダージェット方式の積層造形法によって成形された成形体を脱脂処理し、バインダーを除去する。脱脂条件（加熱温度、保持時間等）は、用いたバインダーの材質によって適宜設定することが好ましい。
次に、バインダージェット方式の積層造形法によって成形された成形体を脱脂処理し、バインダーを除去する。脱脂条件（加熱温度、保持時間等）は、用いたバインダーの材質によって適宜設定することが好ましい。
【0029】
（焼結工程Ｓ０４）
次に、脱脂処理した成形体を焼結する。焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間等）は、金属粉の材質によって適宜設定することが好ましい。
焼結工程Ｓ０４によって、金属粉同士を焼結することにより、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０が製造されることになる。
次に、脱脂処理した成形体を焼結する。焼結条件（雰囲気、焼結温度、焼結時間等）は、金属粉の材質によって適宜設定することが好ましい。
焼結工程Ｓ０４によって、金属粉同士を焼結することにより、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０が製造されることになる。
【0030】
以上のような構成とされた本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０によれば、厚さ方向に複数の貫通孔を有する井型シート層１１と、この井型シート層１１から立設された複数のピン部材１６で構成されたピン構造層１５と、を有しているので、流路構造と給電体構造とが一体化されており、他の部材との接触抵抗が低くなるとともに、気泡の抜けが良くなり、電解効率を大幅に向上させることが可能となる。
【0031】
そして、井型シート層１１の厚みｔ１が１０μｍ以上とされているので、ピン構造層１５を支持する強度を確保することができる。一方、井型シート層１１の厚みｔ２が５００μｍ以下とされているので、気泡の抜けを良くすることができる。
なお、井型シート層１１の厚みｔ１の下限は２０μｍ以上とすることが好ましく、３０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、井型シート層１１の厚みｔ１の上限は４００μｍ以下とすることが好ましく、３００μｍ以下とすることがより好ましい。
なお、井型シート層１１の厚みｔ１の下限は２０μｍ以上とすることが好ましく、３０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、井型シート層１１の厚みｔ１の上限は４００μｍ以下とすることが好ましく、３００μｍ以下とすることがより好ましい。
【0032】
ピン構造層１５の厚みｔ２が１００μｍ以上とされているので、井型シート層１１での気泡の抜けを良くすることができる。一方、ピン構造層１５の厚みｔ２が５０００μｍ以下とされているので、ピン構造層１５での気泡の抜けを良くすることができる。
なお、ピン構造層１５の厚みｔ２の下限は１５０μｍ以上とすることが好ましく、２００μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ピン構造層１５の厚みｔ２の上限は４０００μｍ以下とすることが好ましく、３０００μｍ以下とすることがより好ましい。
なお、ピン構造層１５の厚みｔ２の下限は１５０μｍ以上とすることが好ましく、２００μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ピン構造層１５の厚みｔ２の上限は４０００μｍ以下とすることが好ましく、３０００μｍ以下とすることがより好ましい。
【0033】
井型シート層１１の空隙率Ｎ１が２０％以上とされているので、井型シート層１１での気泡の抜けを良くすることができる。一方、井型シート層１１の空隙率Ｎ１が７０％以下とされているので、ピン構造層１５を支持する面積を確保することができる。
なお、井型シート層１１の空隙率Ｎ１の下限は２５％以上とすることが好ましく、３０％以上とすることがより好ましい。一方、井型シート層１１の空隙利率Ｎ１の上限は６０％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。
なお、井型シート層１１の空隙率Ｎ１の下限は２５％以上とすることが好ましく、３０％以上とすることがより好ましい。一方、井型シート層１１の空隙利率Ｎ１の上限は６０％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。
【0034】
ピン構造層１５の空隙率Ｎ２が７０％以上とされているので、ピン構造層１５での気泡の抜けを良くすることができる。一方、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２が９５％以下とされているので、ピン構造層１５の強度を確保することができる。
なお、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２の下限は７５％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、ピン構造層１５の空隙利率Ｎ２の上限は９８％以下とすることが好ましく、９７％以下とすることがより好ましい。
なお、ピン構造層１５の空隙率Ｎ２の下限は７５％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、ピン構造層１５の空隙利率Ｎ２の上限は９８％以下とすることが好ましく、９７％以下とすることがより好ましい。
【0035】
本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０において、骨格径が５０μｍ以上とされている場合には、強度を十分に確保することができる。一方、骨格径が３００μｍ以下とされている場合には、微細な周期構造となり、触媒等の他の部材との接触面積を確保することが可能となる。
なお、骨格径の下限は６０μｍ以上であることがより好ましく、７０μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、骨格径の上限は２８０μｍ以下であることがより好ましく、２５０μｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、骨格径の下限は６０μｍ以上であることがより好ましく、７０μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、骨格径の上限は２８０μｍ以下であることがより好ましく、２５０μｍ以下であることがさらに好ましい。
【0036】
本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０において、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数が１０本／ｃｍ２以上とされている場合には、強度を十分に確保することができる。一方、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数が１０００本／ｃｍ２以下とされている場合には、ピン構造層１５における気泡の抜けをさらに良くすることができる。
なお、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数の下限は２０本／ｃｍ２以上であることがより好ましく、３０本／ｃｍ２以上であることがさらに好ましい。一方、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数の上限は９００本／ｃｍ２以下であることがより好ましく、８００本／ｃｍ２以下であることがさらに好ましい。
なお、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数の下限は２０本／ｃｍ２以上であることがより好ましく、３０本／ｃｍ２以上であることがさらに好ましい。一方、ピン構造層１５におけるピン部材１６の単位面積当たりの本数の上限は９００本／ｃｍ２以下であることがより好ましく、８００本／ｃｍ２以下であることがさらに好ましい。
【0037】
また、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０が、チタンまたはチタン合金、導電性、耐食性等の要求特性に応じた３次元規則骨格を有する電極を提供することができる。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０において、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上である場合には、電極としての特性に優れている。
さらに、本実施形態である３次元規則骨格を有する電極１０において、水の電解時における電流密度が５．０ Ａ／ｃｍ２以上である場合には、電極としての特性に優れている。
【0038】
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。
【実施例0039】
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。
【0040】
（本発明例１－５）
まず、表１に示す金属からなる金属粉を平均粒径３０μｍとなるように篩分することで成形原料を調製した。
この成形原料を用いて、バインダージェット方式の３Ｄプリンタ（DigitalMetal社製DM P2500）によって、井型シート層およびピン構造層を積層造形し、２５０℃でバインダーを硬化させることで３次元規則骨格構造の成形体を得た。
まず、表１に示す金属からなる金属粉を平均粒径３０μｍとなるように篩分することで成形原料を調製した。
この成形原料を用いて、バインダージェット方式の３Ｄプリンタ（DigitalMetal社製DM P2500）によって、井型シート層およびピン構造層を積層造形し、２５０℃でバインダーを硬化させることで３次元規則骨格構造の成形体を得た。
【0041】
得られた成形体を脱脂処理（加熱温度：４００℃、保持時間：２時間）し、その後、焼結処理を実施し、３次元規則骨格を有する電極を製造した。なお、アルミニウム粉の場合は、焼結温度を６５０℃、保持時間を５時間とし、銅粉の場合は、焼結温度を１０００℃、保持時間を５時間とし、ＳＵＳ粉の場合は、焼結温度を１３００℃、保持時間を５時間とし、チタン粉の場合は、焼結温度を１２００℃、保持時間を２時間とした。
【0042】
（比較例１）
まず、原料粉末として、平均粒径：１５μｍの水素化チタン粉末および平均粒径：１０μｍの純チタン粉末を用意した。さらに、水溶性樹脂結合剤としてメチルセルロースを用意し、有機溶剤としてネオペンタン、ヘキサンおよびブタンを用意し、可塑剤としてグリセリンおよびエチレングリコールを用意し、溶媒として水を用意し、さらに界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を用意した。
まず、原料粉末として、平均粒径：１５μｍの水素化チタン粉末および平均粒径：１０μｍの純チタン粉末を用意した。さらに、水溶性樹脂結合剤としてメチルセルロースを用意し、有機溶剤としてネオペンタン、ヘキサンおよびブタンを用意し、可塑剤としてグリセリンおよびエチレングリコールを用意し、溶媒として水を用意し、さらに界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を用意した。
【0043】
先に用意した水素化チタン粉末、水溶性樹脂結合剤としてのメチルセルロース、有機溶剤としてのネオペンタン、ヘキサンおよびヘプタン、可塑剤としてのグリセリンおよびエチレングリコール、溶媒としての水を配合し、必要に応じて界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を添加して１５分間混練し、チタン含有スラリーを作製した。
【0044】
得られたチタン含有スラリーを用いて、ブレードギャップ：０．４ｍｍでドクターブレード法により、ジルコニア製板の上にスラリー層を成形した。
このスラリー層をジルコニア製板の上に載せたまま高温・高湿度槽に供給し、そこで温度：４０℃ 、湿度：９０％ 、２０分間保持の条件で発泡させたのち、温度：８０℃ 、１５分間保持の条件の温風乾燥を行い、グリーンシート成形体を作製した。
そして、グリーンシート成形体を脱脂処理し、１１７０℃、１０時間保持の条件で焼結を行い、発泡チタンシート材を得た。
このスラリー層をジルコニア製板の上に載せたまま高温・高湿度槽に供給し、そこで温度：４０℃ 、湿度：９０％ 、２０分間保持の条件で発泡させたのち、温度：８０℃ 、１５分間保持の条件の温風乾燥を行い、グリーンシート成形体を作製した。
そして、グリーンシート成形体を脱脂処理し、１１７０℃、１０時間保持の条件で焼結を行い、発泡チタンシート材を得た。
【0045】
（比較例２）
骨格径２０μｍ、気孔率８０％、厚み５００μｍの繊維焼結体（市販品）を準備した。
骨格径２０μｍ、気孔率８０％、厚み５００μｍの繊維焼結体（市販品）を準備した。
【0046】
（空隙率）
本発明例１－５の井型シート層およびピン構造層の空隙率Ｎ、比較例１，２のシート材の空隙率Ｎを、以下のようにして算出した。
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：質量（ｇ）
Ｖ：体積（ｃｍ３）
ＤＴ：構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
本発明例１－５の井型シート層およびピン構造層の空隙率Ｎ、比較例１，２のシート材の空隙率Ｎを、以下のようにして算出した。
Ｎ（％）＝（１－（Ｗ／（Ｖ×ＤＴ）））×１００
Ｗ：質量（ｇ）
Ｖ：体積（ｃｍ３）
ＤＴ：構成する金属の真密度（ｇ／ｃｍ３）
【0047】
（骨格径）
本発明例１－５のピン構造層の骨格径を、Ｘ線ＣＴ測定（装置名：SMX1000、SHIMAZU株式会社製）によって測定した。測定後のデータは解析ソフト（VG studio max 3.2）を用いて、ピン構造層の３次元画像データを得た。この３次元画像データを、厚み方向に５０μｍ間隔で切り出した２次元画像（面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍの範囲）に対して、２値化処理（画像解析ソフトWinROOF(三谷商事株式会社)を用いた。自動２値化→判別分析法→しきい値：54-255の条件を指定し、縮退処理の操作を２度行い、計測する。）を施して、ピン構造層の骨格径を算出した。
本発明例１－５のピン構造層の骨格径を、Ｘ線ＣＴ測定（装置名：SMX1000、SHIMAZU株式会社製）によって測定した。測定後のデータは解析ソフト（VG studio max 3.2）を用いて、ピン構造層の３次元画像データを得た。この３次元画像データを、厚み方向に５０μｍ間隔で切り出した２次元画像（面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍの範囲）に対して、２値化処理（画像解析ソフトWinROOF(三谷商事株式会社)を用いた。自動２値化→判別分析法→しきい値：54-255の条件を指定し、縮退処理の操作を２度行い、計測する。）を施して、ピン構造層の骨格径を算出した。
【0048】
（井型シート層の厚み、前記ピン構造層の厚み）
上記骨格径と同様の手法で、測定・算出した。
上記骨格径と同様の手法で、測定・算出した。
【0049】
（ピン部材の単位面積当たりの本数）
上記骨格径と同様の手法で、測定・算出した。
上記骨格径と同様の手法で、測定・算出した。
【0050】
（水の電解時における電流密度）
本発明例１－５および比較例１，２の電極について、以下のようにして、水の電解時における電流密度を評価した。本発明例１－５および比較例１，２の電極を１ｃｍ角に切り出し、物理蒸着法にて、Ｐｔめっき（めっき厚：０．５μｍ以上）を施した。これを、アノード電極とした。
カソード電極として、厚み３００μｍのカーボンペーパーを用いた。触媒として、アノード側には酸化イリジウム粉末、カソード側にはＰｔＲｕ粉末を用いた。イオン交換膜として、Nafion115（DuPont製）を用いた。
水電解セルに、セル締結圧２ＭＰａの条件で組み込み、純水を共有し、温度８０℃、電解電圧２．５Ｖの条件で電流密度を測定した。
本発明例１－５および比較例１，２の電極について、以下のようにして、水の電解時における電流密度を評価した。本発明例１－５および比較例１，２の電極を１ｃｍ角に切り出し、物理蒸着法にて、Ｐｔめっき（めっき厚：０．５μｍ以上）を施した。これを、アノード電極とした。
カソード電極として、厚み３００μｍのカーボンペーパーを用いた。触媒として、アノード側には酸化イリジウム粉末、カソード側にはＰｔＲｕ粉末を用いた。イオン交換膜として、Nafion115（DuPont製）を用いた。
水電解セルに、セル締結圧２ＭＰａの条件で組み込み、純水を共有し、温度８０℃、電解電圧２．５Ｖの条件で電流密度を測定した。
【0051】
【表1】
【0052】
発泡金属からなる比較例１、および、繊維焼結体からなる比較例２においては、電解時における電流密度が４．３Ａ／ｃｍ２、４．０Ａ／ｃｍ２と低くなった。
これに対して、井型シート層とピン構造層とを積層造形した本発明例１－５においては、電解時における電流密度が５．０Ａ／ｃｍ２以上と高くなった。
これに対して、井型シート層とピン構造層とを積層造形した本発明例１－５においては、電解時における電流密度が５．０Ａ／ｃｍ２以上と高くなった。
【0053】
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、触媒層等の他の部材との接触抵抗が低く、且つ、気泡の抜けが良く、電解効率に優れた３次元規則骨格を有する電極を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【0054】
１０ ３次元規則骨格を有する電極
１１ 井型シート層
１５ ピン構造層
１６ ピン部材
１１ 井型シート層
１５ ピン構造層
１６ ピン部材
【図1】
【図2】