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TW202424274A - 多孔金屬板材料 - Google Patents

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TW202424274A
TW202424274A TW112136543A TW112136543A TW202424274A TW 202424274 A TW202424274 A TW 202424274A TW 112136543 A TW112136543 A TW 112136543A TW 112136543 A TW112136543 A TW 112136543A TW 202424274 A TW202424274 A TW 202424274A
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鮑維爾 埃弗特 盧寧
艾哈邁德 達烏德 艾哈邁德 哈比耶
阿賓博拉 阿沙朱
尼古拉斯 希爾登布蘭德
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荷蘭商維克有限公司
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Abstract

多孔金屬板材料以及用於生產這樣材料的製程。此材料包括穿孔金屬底板以及在穿孔金屬底板的至少一側之上具有複數個針狀突起(pin-shaped protrusions)的電沉積層，係在保持優先生長 (preferential growth) 條件的同時藉由電沉積所製成。穿孔金屬底板具有由材料橋(material bridge)所間隔的孔隙(aperture)的圖案。孔隙包含由不同寬度(varying width)的橋所接壤的孔隙。

Description

多孔金屬板材料
本揭露係關於多孔金屬板材料，例如篩子(sieve)、篩網(screen)或板電極，以及關於生產這樣的多孔金屬板材料的電沉積製程。
迄今為止，這樣的多孔板可例如藉由在含有電解液的電鍍浴中連接導電穿孔基板，例如平板(flat sheet)或鼓(drum)，作為陰極而製成。在電沉積製程期間，維持優先生長(preferential growth)的條件，即金屬沉積不是在各個方向上均勻地生長，而是主要在電解質流的流動方向上生長。金屬板材料具有與穿孔底板相同尺寸以及形狀的孔隙，導致金屬板材料所期望的孔隙率。多孔金屬板材料可例如用作為過濾器或篩子或流通式板電極(flow-through plate electrode)。多孔板材料可為平面或非平面的。
可例如藉由維持電解質流在期望的生長方向穿過穿孔板的孔隙，及/或藉由對電解質添加有效量的光亮劑，及/或藉由使用脈衝電鍍電流來實現優先生長。
NL1021096揭露了使用具有狹縫狀(slit-shaped)穿孔的穿孔基板的製程，狹縫狀穿孔具有與狹縫的短側接壤(bordering)的短材料橋(material bridge)，以及與狹縫的長側接壤的縱向材料橋。在電沉積製程期間，金屬的沉積主要發生在狹縫的短端(short end)處的短材料橋之上。這導致了在狹縫的短端處的針狀突起(pin-shaped protusion)，且於是增加了比表面積(總面積m 2/網格面積m 2)。
由於增加了比表面積，這樣的金屬板材料特別適合作為透氣流通式板電極，例如用於水的電解。水的電解係用於生產氫氣的製程。在鹼性水電解中，將兩電極浸入高度濃縮的鹼性水溶液中，例如氫氧化鉀(KOH)溶液。藉由陰極室之中氫陽離子的還原生產氫氣，同時藉由陽極室之中氫氧根離子的氧化生產氧氣。因為氧化以及還原發生在電極的表面，所以電極的比表面積較佳地應該最大化。另一方面，產生的氫氣和氧氣應該迅速從電極表面釋放並排出，且應該避免氣泡堵塞電極的孔。
因此，期望提供一種可製成具有大幅增加的比表面積的金屬板材料。
為此，本發明提供一種多孔金屬板材料，包括穿孔金屬底板(base plate)及在穿孔金屬底板的至少一側之上具有針狀突起(pin-shaped protrusions)的電沉積層，係在保持優先生長條件的同時藉由電沉積所製成。穿孔金屬底板具有由材料橋所間隔的孔隙的圖案。孔隙包含由不同寬度(varying width)的橋所接壤的孔隙。
根據NL1021095的教示，突起僅在狹縫狀孔隙的外端(outer end)處生長於材料橋之上。現在已經發現，也可藉由改變相鄰的孔隙之間的最短距離來獲得突起，例如藉由改變材料橋的寬度及/或節點(nodal point)的寬度，對於非狹縫狀的孔隙也是如此。圖案可與高密度的橋一起使用，這提供了非常有效率的方法來優化所生產的多孔板材料的比表面積以及孔隙率(porosity)。
各個橋可例如各自具有固定的寬度，其中有些橋比其他橋更寬。舉例來說，在一列(row)孔隙的長度方向上的橋可具有比相鄰列的孔隙之間的橋更大或更小的寬度。替換地，或額外地，各個橋可各自具有不同的寬度，例如在孔隙不具有直線輪廓(straight outline)的一側。例如具有圓形或星形(star shaped)孔隙等就是此種情況。
在特定實施例中，相鄰孔隙的最寬橋的寬度Ww與相鄰相同孔隙的最窄橋的寬度Wn的比例R Bridge為R＞1,0。
孔隙可為狹縫狀，但也可為多邊形，例如三角形或長方形、或圓形、卵形(oval)、 橢圓形、或星形。也可使用具有不同輪廓及/或尺寸的孔隙的組合。因此，本揭露也涉及一種多孔金屬板材料，包括穿孔金屬底板及在穿孔金屬底板的至少一側之上具有針狀突起的電沉積層，係在保持優先生長條件的同時藉由電沉積所製成，其中穿孔金屬底板具有由材料橋所間隔的孔隙的圖案，且其中孔隙為非狹縫狀的，例如三角形或長方形、或圓形、卵形、橢圓形、或星形。在這方面，針狀突起為電沉積材料的沉積峰(deposition peak)。
如果比例R bridge＞1,1，例如＞1,4，則可實現好的結果。
孔隙通常以規則圖案配置，例如以列與行(column)。如果到最近孔隙最大距離的位置偏離包含此孔隙的一列的最近中心線(the nearest center line)就可獲得高密度的針狀突起。在此情況下，可以在單一橋或具有雙峰的突起上獲得一孿生對(twin pair)的突起。
穿孔金屬基板之中的孔隙可例如具有大約5-500微米的寬度或直徑。孔隙可為對齊、平行、等距以及均勻的，但也可使用其他圖案。
在本揭露的脈絡中，橋係介於兩個相鄰孔隙之間的材料。如果兩孔隙之間的最短線不與另一孔隙或彼此更靠近的另一對孔隙之間的橋交叉(cross)，則認為一對孔隙係相鄰的。橋上給定點處的橋寬度為給定點處的兩相鄰孔隙之間的最短距離。
多孔金屬板材料可例如藉由在含有電解液的電鍍浴中使用導電穿孔金屬基板作為陰極進行電沉積所製成，電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑(levelling agent)， 其中穿孔金屬基板具有由材料橋所間隔的孔隙的圖案， 其中電解液的流動維持自多孔金屬底板的上游側穿過孔隙至下游側， 其中孔隙包含由不同寬度的橋所接壤(bordered)的複數個孔隙。在這方面，如果寬度變化超過工程公差或測量裕度(measurement margin)，則認為寬度是不同(varying)的。
各個橋的寬度可不同及/或相鄰一孔隙的最寬的橋的寬度Ww與相鄰同一孔隙的最窄的橋的寬度Wn的比率R bridge為R＞1,0。
平均流速V被定義為體積流量(volume flow rate)與所有孔隙的接合橫斷面流通面積(joint cross sectional flow-through area)，即所謂的開放面積(open area)，之間的比率。平均流速V可例如為至少2cm/s。
如果平均流速為至少10cm/s，則可獲得非常不規則的突起結構，經發現此種突起結構對於透氣板電極的生產特別地有用。因此，本發明也關於一種電沉積製程，藉由在含有電解液的電鍍浴中使用導電穿孔金屬基板作為陰極進行電沉積，電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑， 其中穿孔金屬基板具有由材料橋所間隔的孔隙的圖案， 其中電解液的流動以至少10cm/s的平均流速，例如至少12cm/s，維持自多孔金屬底板的上游側穿過孔隙至下游側，
替換地，或額外地，還可藉由改變節點連接相鄰材料橋的寬度來控制沉積峰的定位。因此，本發明也關於一種多孔金屬板料的製程，藉由在含有電解液的電鍍浴中使用導電穿孔金屬基板作為陰極進行電沉積，電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑， 其中穿孔金屬基板具有由材料橋所間隔的孔隙的圖案， 其中電解液的流動維持自多孔金屬底板的上游側穿過孔隙至下游側， 其中所述橋包含至少兩組平行的橋列，此些列不被所述孔隙中斷，其中一組列與另一組列交叉。這樣，不同的橋列在節點處彼此交叉，如果的橋的寬度相等，則節點的寬度為橋本身的寬度的至少1,4倍。
在特定實施例中，孔隙的圖案以及橋可具有至少3階(order of 3)的旋轉對稱性，例如至少4。「旋轉對稱的階數」係指旋轉360°時，圖案與本身重合的次數。更高的階數或旋轉對稱性導致更大的節點。
還原抑制劑抑制陽離子的還原並阻礙金屬的沉積。經發現，孔隙以及橋的局部幾何形狀，例如藉由改變相鄰孔隙之間的最短距離，特別是藉由改變橋及/或節點的寬度，可用以控制沿每個孔隙的輪廓的還原抑制劑的局部濃度的變化，導致所期望的沉積峰或突起的紋理以及圖案。
合適的還原抑制劑包含光亮劑以及流平劑。在電沉積製程期間，這樣的化合物比金屬陽離子更容易被還原，所以它們抑制了金屬的沉積。具體的示例包含濃度大約0.75-23g/l的載體光亮劑(例如對甲苯磺醯胺(paratoluene sulfonamide)、苯磺酸(benzene sulphonic acid))、流平劑、第二類光亮劑 (例如烯丙基磺酸(allyl sulfonic acid)、甲醛水合氯醛(formaldehyde chloral hydrate))以及輔助光亮劑，例如烯丙基磺酸鈉(sodium allyl sulfonate)、丙基磺酸吡啶鎓(pyridinium propyl sulfonate)，例如0.075-3.8g/l的濃度。替換地，或額外地，可使用濃度為0.075-3.8g/l的無機光亮劑，例如鈷或鋅。合適的光亮劑的特定示例包含例如1-(2-羥基-3-磺丙基)-吡啶甜菜鹼(1-(2-hydroxy-3-sulfopropyl)-pyridinium betaine)、1-(3-磺丙基)-吡啶甜菜鹼(1-(3-sulfopropyl)-pyridinium betaine；PPS)、丙腈(propionitrile)、羥基丙腈(hydroxy propionitril；HPN)、2-丁炔- 1,4-二醇(2-butyn-1,4-diol)、1,4丁炔二醇(1,4 butyndiol)，3-丁炔-1-醇(3-butyn-1-ol)，3-戊炔-1-醇(3-pentyn-1-ol)，1-(3-磺丙基)( 1-(3-sulfopropyl))，2-乙烯基吡啶甜菜鹼(2-vinylpyridinium betaine)，硫脲(thio ureum)，富馬腈(fumaronitrile)，炔丙醇(propargyl alcohol)，胺基乙腈氯化氫(amino-acetonitril-hydrogen chloride)，二烯丙胺(diallyl amine)，2 -丙炔-1-醇(2-propyn-1-ol)、喹喔啉(chinoxaline)、3-胺基丙腈富馬酸酯(3-amino propionitril fumarate)、1,4-丁炔二醇二乙氧基酸酯(1,4-butyndiol diethoxylaat)、亞乙基氰醇(ethylene cyanohydrine)、1-(2-羥基-3-磺基丙基)吡啶(1-(2-hydroxy-3-sulfopropyl) pyridine)和4-芐基-1-(3-磺基丙基)-吡啶甜菜鹼(4-benzyl-1-(3-sulfopropyl)-pyridinium betaine)。
一般來說，較高濃度的還原抑制劑導致較大的突起。合適的濃度為例如250mg/l或更多。在電沉積製程期間，還原抑制劑會被消耗。電解質之中的還原抑制劑的平均濃度可維持在恆定的水平，例如透過用於測量以及計量的線上(in-line)系統。
此製程對於基於例如鎳或銅的多孔材料的生產特別地有用。合適的電解質包含胺基磺酸鎳、硫酸鎳或氯化鎳浴，例如50-800g/l的濃度，較佳為300-450g/l。
在電沉積製程期間，穿過穿孔金屬底板的電流可例如維持在大約5-20A/dm 2。其他參數，例如pH以及溫度可保持在電沉積常用的水平，例如低於6的pH以及高於50℃的溫度。
如果用作為起始材料的穿孔金屬底板係由鎳或鎳合金所製成，則可獲得好的結果。也可使用其他導電材料，例如鋼、銅或黃銅。
用作為所揭露的製程的起始材料的穿孔金屬底板可例如為板狀或為旋轉筒(rotating drum)，例如能將電沉積製程配置為連續的卷對卷(roll-to-roll)製程。穿孔金屬底板可例如由電沉積所製成。
所生產的多孔金屬板材料可為扁平的、平面板(plane plate)或片(sheet)。替換地，它可以形成為圓柱或具有任何其他合適的構造。多孔金屬板材料可具有任何期望的厚度。如果將它用作為電極，它可例如具有厚達5mm的厚度(包含針狀突起的高度)，例如至少大約0,01mm，例如0,8-1,3mm，例如厚達1mm。
針狀突起可自一側或自兩側延伸。為在穿孔金屬底板的兩側獲得突起，可在製程期間反轉電解質的流向。
如果需要的話，針狀突起可全部具有基本上相同的長度或可為不同的長度。針狀突起可例如具有長達1000μm的長度。針狀突起可例如具有120-180μm的最大直徑。相鄰的針狀突起之間的核心至核心距離(core-to-core)可例如為大約150-300μm。
所得多孔金屬板的有效表面積可例如為穿孔金屬底板的總表面積(寬度乘以高度)的至少4倍，例如至少6倍。可選地，可進一步增加多孔金屬板的比表面積，例如透過表面積增加塗層(surface area enhancing coating)。這樣的表面積增加塗層的示例，特別是用於鹼性電解(alkaline electrolysis)，揭露於WO 2010/063695以及EP 3 159 433 A1中。在Kraglund, M. R., & Christensen, E. (2017)的論文〈使用非貴金屬催化劑的鹼性膜水電解〉(丹麥科技大學能源轉換與儲存系(Department of Energy Conversion and Storage, Technical University of Denmark))中，揭露了具有用於增加比表面積的雷尼鎳(Raney nickel)塗層的電極。
多孔金屬板材料可例如用作為篩子、過濾器或篩網、或作為催化劑、作為紋理滾筒(textured roller)、或作為流通式板電極(flow-through plate electrode)，例如電解電池(electrolysis cell)或燃料電池之中的陽極或陰極。這樣的電極在用於水的電解的電池中特別有用，更尤其是作為鹼性電解中的陰極。
可用在電解電池之中的電極，包括： -電解質儲存器(reservoir)； -膜或分隔器(separator)，將電解質儲存器分隔成氧氣生產部以及氫氣生產部； -氣體擴散陽極，於析氧反應(oxygen evolution reaction；OER)部之中的分隔器的第一表面之上； -氣體擴散陰極，於析氫反應(hydrogen evolution reaction；HER)部之中的分隔器的第二表面之上； 其中氣體擴散陰極及/或陽極為根據本揭露的電極。
當氣體擴散陰極的針狀突起指向分隔器時，獲得非常好的結果。這導致在更低的電壓下獲得更高的電流密度。在零間隙配置下，針狀突起的尖端可例如抵接分隔器。
電極可例如由非貴金屬或其合金所製成。在析氫反應(HER)中顯現出高催化活性的合金包含低-d-電子金屬(hypo-d-electronic metal)，例如鎳或鐵，與高-d-電子元素(hyper-d-electronic element)，例如鉬、鎢、鈦、鈮或銠的合金。使用鎳實現了非常好的結果。在非貴金屬中，鎳是在強鹼溶液中最穩定的金屬之一且也是用於形成氫氣與氧氣的良好催化劑。也可使用鎳合金。舉例來說，發現鐵鎳合金，例如包括有高達大約10%的鐵，特別合適作為陽極。發現包括有釩、鉬及/或錳的鎳合金特別合適用作為陰極。
於下將參照透過示例顯現出多個實施例的圖式以更多的細節與益處來進一步解釋上述的態樣。
實施例 1
如第1A圖所示，提供了具有孔隙2的圖案以及橋3的穿孔金屬底板1。穿孔金屬底板係由電沉積鎳所製成的。
孔隙2為具有圓形邊緣的狹縫，具有0,44mm的長度以及0,22mm的寬度。
卵形狹縫的外端之間的橋3具有不同寬度(varying width)。沿中心軸L1將孔隙2配置成線形。到最近孔隙2最大距離的位置P在較寬的節點處偏離中央線L1。每條線的孔隙2與相鄰線的孔隙2交錯。材料橋3包含三組平行橋列R1、R2、R3，這些列未被孔隙中斷。
使用伍德鎳衝擊鍍浴(Wood’s nickel strike bath)活化並沖洗穿孔金屬基板1。然後將穿孔金屬底板放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以7cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板。pH低於5。溫度高於50℃。
所得的紋理(texture)顯示於第1B圖。突起4主要生長於位置P並向後彎曲至相應的孔隙的外端以形成唇形(lip-shaped)邊緣。
實施例 2
如第2A圖所示，提供了具有孔隙2A的圖案以及橋3A的穿孔金屬底板1A。孔隙2A與第1A圖中的孔隙2相當類似，除了直的縱向側稍長之外。縱向側之間的最短寬度Ww與外端之間的最短寬度Wn之間的比率R bridge為R bridge= 1.1。
穿孔金屬底板1A係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1A。然後將穿孔金屬底板1A放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以7cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板。pH低於5。溫度高於50℃。
所得的紋理顯示於第2B圖。突起4A主要生長於位置P之上。在圓形端處的橋具有兩個這樣的突起，由於短距離，其在底部融合。這導致了孿生峰(twin peak)突起。
實施例 3
如第3A圖所示，提供了具有孔隙2B的圖案以及橋3B的穿孔金屬底板1B。孔隙2B為鑽石形且具有0,31mm的長度以及0,23mm的寬度。材料橋3包含三組橋3的平行列R1b、R2b、R3b，這些列未被孔隙2B中斷。
在鑽石形孔隙2B的外點(outer point)處的橋3B具有0,11mm的寬度。在孔隙的側向側之間的橋3B具有0,18mm的寬度。
因此，相鄰孔隙的最寬的橋的寬度Ww與最窄的橋的寬度的比率R bridge為R bridge=1,7。沿中心軸L2將孔隙2B配置成線形。每條線的孔隙2B交錯配置，偏離相鄰線的孔隙2B。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1B。然後將穿孔金屬底板1B放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以4,3cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板。
所得的紋理顯示於第3B圖。突起4B主要生長於三個相鄰孔隙之間的節點並在底部融合，特別是在較寬的橋上。
實施例 4
如第4A圖所示，提供了具有孔隙2C的圖案以及橋3C的穿孔金屬底板1C。孔隙2C為鑽石形且具有0,21mm的長度以及0,11mm的寬度。材料橋3C包含三組橋3C平行列R1c、R2c、R3c，這些列未被孔隙2C中斷。
在鑽石形孔隙的外點處的橋3C具有0,11mm的寬度，其等於孔隙的側向側之間的橋3C的寬度Ww，所以比率R bridge=1。沿中心軸L3將孔隙2C配置成線形。每條線的孔隙2C偏離相鄰線的孔隙。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1C。然後將穿孔金屬底板1C放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以4,7cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板1C。
所得的紋理顯示於第4B圖。突起4C主要生長於三個相鄰孔隙之間的節點之上。
實施例 5
如第5A圖所示，提供了具有孔隙2D的圖案以及橋3D的穿孔金屬底板1D。孔隙2D為狹縫狀且具有0,44mm的長度以及0,03mm的寬度。
在孔隙2D的外點處的橋3D具有0,19mm的寬度。在孔隙2D的側向側之間的橋3D具有0,13mm的寬度。
因此，相鄰孔隙2D的最寬的橋的寬度Ww與最窄的橋的寬度的比率R bridge為R bridge=1,5。沿中心軸L4將孔隙2D配置成線形。每條線的孔隙2D交錯配置，偏離相鄰線的孔隙2D。
穿孔金屬底板1D係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1D。然後將穿孔金屬底板1D放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以10cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板1D。
所得的紋理顯示於第5B圖。突起4D主要以非常規則的圖案生長於孔隙2D的外端之間的較寬的橋之上。
實施例 6
如第6A圖所示，提供了具有孔隙2E的圖案以及橋3E的穿孔金屬底板1E。孔隙2E為具有0,07mm的等長三邊的三角形。
每個三角形孔隙2E皆被相同尺寸但指向相反方向的四個三角形孔隙2E所環繞，導致橋3E的不同寬度。材料橋3E包含三組橋3E平行列R1e、R2e、R3e，這些列未被孔隙2E中斷。
穿孔金屬底板1E係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1E。然後將穿孔金屬底板1E放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以17cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板1E。
所得的紋理顯示於第6B圖。突起4E主要生長於三角形孔隙2E的尖端之間。
實施例 7
如第7A圖所示，提供了具有孔隙2F的圖案以及橋3F的穿孔金屬底板1F。孔隙2F為具有0,06mm的直徑的圓形。
相鄰孔隙之間的最短距離為0,10mm。
每個圓形孔隙2F皆被相同尺寸的六個圓形孔隙2F等距地環繞，導致橋3F的不同寬度。材料橋3F包含三組橋3F平行列R1f、R2f、R3f，這些列未被孔隙2E中斷。因此，三列橋3F在每個節點處彼此交叉。孔隙2F的圖案以及橋3F具有至少6階的旋轉對稱性。
穿孔金屬底板1F係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1F。然後將穿孔金屬底板1F放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以10,6cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板1F。
所得的紋理顯示於第7B圖。突起4F主要生長於三個相鄰的圓形孔隙之間的節點之上。
實施例 8
如第8A圖所示，提供了具有孔隙2G的圖案以及橋3G的穿孔金屬底板1G。孔隙2G為星形，具有最大寬度0,14mm。
每個星形孔隙2G皆被相同形狀以及尺寸的六個孔隙2G所環繞，導致橋3G的不同寬度。材料橋3G包含三組橋3G的平行列R1g、R2g、R3g，這些列未被孔隙2G中斷。
穿孔金屬底板1G係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1G。然後將穿孔金屬底板1G放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積在13A/dm 2/17Ah/dm 2下進行。維持電解質流以9,3cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板1G。
所得的紋理顯示於第8B圖。突起4G以不規則的圖案生長。
實施例 9
如第8A圖所示，提供了具有孔隙2H的圖案以及橋3H的穿孔金屬底板1H。孔隙2H為方形(square)，具有最大寬度0,14mm。
每個方形孔隙2H皆被相同形狀以及尺寸的八個孔隙2H所環繞。材料橋3H包含兩組橋3H的平行列R1h、R2h，這些列未被孔隙2H中斷。第一組的列的橋3H與第二組的列的橋3H成直角，導致了節點5H具有相鄰材料橋3H的寬度的1.4倍的寬度。孔隙2H的圖案以及橋3H具有至少4階的旋轉對稱性。
穿孔金屬底板1H係由電沉積鎳所製成的。
使用伍德鎳衝擊鍍浴活化並沖洗穿孔金屬基板1H。然後將穿孔金屬底板1H放置在胺基磺酸鎳溶液的電解質浴之中作為流通式陰極，胺基磺酸鎳溶液包括有大於250mg/l的1-(3-磺丙基)-吡啶鎓甜菜鹼作為還原抑制劑。沉積發生在13A/dm 2/17Ah/dm 2。維持電解質流以9,3cm/s的平均流速穿過穿孔金屬板。
所得的紋理顯示於第9B圖。突起4H以非常規則的圖案生長。
第10圖顯示了用於水的鹼性電解以生產氧氣以及氫氣的電解電池21。電解電池21包括填充有鹼性電解液的電解質儲存器22。膜或分隔器23將電解質儲存器22分隔成析氧反應(OER)部24以及析氫反應(HER)部25。氣體擴散陽極26架設至OER部24之中的分隔器23的第一表面。氣體擴散陰極27架設至HER部25之中的分隔器23的相反表面。
氣體擴散陰極27為如第1B圖或第2B圖所示的多孔金屬板，且具有針狀突起29。針狀突起29向分隔器23的方向延伸。在第3圖的零間隙配置中，針狀突起29抵接分隔器23。氣體擴散陽極26可例如為常規的網狀(mesh)電極。
電解電池21由雙極板(bipolar plate)28所接壤，雙極板28從電池堆的其他電池(未顯示)傳導電流或將電流傳導至電池堆的其他電池。
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G:穿孔金屬底板 2、2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G:孔隙 3、3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G:橋 4、4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G:突起 5H:節點 21:電解電池 22:電解質儲存器 23:分隔器 24:OER部 25:HER部 26:氣體擴散陽極 27:氣體擴散陰極 28:雙極板 29:針狀突起 L1:中心軸/中央線 L2、L3、L4:中心軸 R1、R1b、R1c、R1e、R1f、R1g、R1h、R2、R2b、R2c、R2c、R2c、R2e、R2f、R2g、R2h、R3、R3b、R3c、R3e、R3f、R3g:列 Rbridge:比率 P:位置 V:平均流速 Ww、Wn:寬度
第1A圖：以上視圖顯示了用於本發明的製程的穿孔基板的例示性實施例； 第1B圖：顯示了使用第1A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第2A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第二例示性實施例。 第2B圖：顯示了使用第2A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第3A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第三例示性實施例； 第3B圖：顯示了使用第3A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第4A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第四例示性實施例； 第4B圖：顯示了使用第4A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第5A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第五例示性實施例； 第5B圖：顯示了使用第5A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第6A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第六例示性實施例； 第6B圖：顯示了使用第6A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第7A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第七例示性實施例； 第7B圖：顯示了使用第7A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第8A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第八例示性實施例； 第8B圖：顯示了使用第8A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第9A圖：以上視圖顯示了穿孔基板的第九例示性實施例； 第9B圖：顯示了使用第9A圖的基板所生產的多孔金屬板的細節照片； 第10圖：顯示了具有根據本發明的電極的電解電池。
無
2:孔隙
3:橋
L1:中心軸/中央線
R1:列
R2:列
R3:列
P:位置

Claims (12)

  1. 一種多孔金屬板材料，包括一穿孔金屬底板(base plate)及在該穿孔金屬底板的至少一側之上具有複數個針狀突起(pin-shaped protrusions)的一電沉積層，係在保持優先生長 (preferential growth) 條件的同時藉由電沉積所製成， 其中該穿孔金屬底板具有由複數個材料橋(material bridge)所間隔的複數個孔隙(aperture)的一圖案， 其中所述孔隙包含由不同寬度(varying width)的複數個橋所接壤(bordered)的複數個孔隙。
  2. 如請求項1之多孔金屬板材料， 其中相鄰一孔隙的最寬的橋的寬度Ww與相鄰同一孔隙的最窄的橋的寬度Wn的比率R bridge小於1。
  3. 如請求項1之多孔金屬板材料， 其中所述孔隙包含由具有一不同寬度的至少一橋所接壤的複數個孔隙。
  4. 如前述請求項之任一項之多孔金屬板材料，其中所述孔隙包含具有一多邊形，例如三角形或長方形、或一圓形、一卵形(oval)、 一橢圓形、一星形或一狹縫狀(slit-shaped)輪廓的複數個孔隙，其中狹縫狀輪廓例如最大寬度Wl與最小寬度Ws的比率R aperture小於6。
  5. 如前述請求項之任一項之多孔金屬板材料，其中到最近孔隙最大距離的位置偏離包含所述最近孔隙的一列(row)的最近中心線(the nearest center line)。
  6. 如前述請求項之任一項之多孔金屬板材料，其中該穿孔金屬底板包括一電沉積板。
  7. 如前述請求項之任一項之多孔金屬板材料，係藉由在電沉積期間將電解質的平均流速維持在至少10cm/s所製成的。
  8. 一種如前述請求項之任一項之多孔金屬板材料的用途，將該多孔金屬板材料用作為篩子、流通式催化劑(flow-through catalyser)、紋理滾筒(textured roller)或電極，例如用於電解電池(electrolysis cell)或燃料電池。
  9. 一種多孔金屬板料的製造方法，藉由在含有一電解液的一電鍍浴中使用一導電穿孔金屬基板作為一陰極進行電沉積，該電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑(levelling agent)， 其中該穿孔金屬基板具有由複數個材料橋所間隔的複數個孔隙的一圖案， 其中該電解液的流動維持自該多孔金屬底板的一上游側穿過所述孔隙至一下游側， 其中所述孔隙包含由不同寬度(varying width)的複數個橋所接壤的複數個孔隙。
  10. 如請求項9之製造方法，其中在電沉積期間將該電解質的平均流速維持在至少2cm/s，例如至少10cm/s。
  11. 一種多孔金屬板料的製造方法，藉由在含有一電解液的一電鍍浴中使用一導電穿孔金屬基板作為一陰極進行電沉積，該電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑(levelling agent)， 其中該穿孔金屬基板具有由複數個材料橋所間隔的複數個孔隙的一圖案， 其中該電解液的流動維持自該多孔金屬底板的一上游側穿過所述孔隙至一下游側， 其中所述橋包含至少兩組平行的橋列，所述列不被所述孔隙中斷，其中一組的列與另一組的列交叉。
  12. 一種多孔金屬板料的製造方法，藉由在含有一電解液的一電鍍浴中使用一導電穿孔金屬基板作為一陰極進行電沉積，該電解液包括至少一還原抑制劑，例如光亮劑或流平劑(levelling agent)， 其中該穿孔金屬基板具有由複數個材料橋所間隔的複數個孔隙的一圖案， 其中該電解液的流動維持自該多孔金屬底板的一上游側穿過所述孔隙至一下游側， 其中所述孔隙的該圖案與所述橋具有至少3階的旋轉對稱性。
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