固體高分子型燃料電池間隔件用金屬板制造技術

本發明專利技術以低成本提供一種接觸電阻低且間隔件使用環境下的耐久性優異，適于作為固體高分子型燃料電池用間隔件的金屬板。具體而言，一種固體高分子型燃料電池間隔件用金屬板，其在金屬制的基體的表面具有由Sn合金層構成的被膜，在該被膜中含有導電性粒子。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】固體高分子型燃料電池間隔件用金屬板
本專利技術涉及接觸電阻值低且耐腐蝕性優異的固體高分子型燃料電池（proton-exchangemembranefuelcell）的間隔件（separator）用金屬板。
技術介紹
近年，從保護地球環境（globalenvironment）的觀點出發，正在進行發電效率（powergenerationefficiency）優異且不排放CO2的燃料電池的開發。這種燃料電池通過使H2與O2發生電化學反應而產生電，其基本結構具有三明治（sandwich）這樣的結構，由電解質膜（electrolytemembrane）（即離子交換膜（ionexchangemembrane））、2個電極（即燃料極（afuelelectrode）及空氣極（anairelectrode））、O2（即空氣）和H2的擴散層（diffusionlayer）以及2個間隔件構成。而且，根據所使用的電解質膜的種類，正在開發磷酸型燃料電池（phosphoric-acidfuelcell）、熔融碳酸鹽型燃料電池（moltencarbonatefuelcell）、固體氧化物型燃料電池（solid-oxidefuelcell）、堿型燃料電池（alkalinefuelcells）以及固體高分子型燃料電池（PEFC；proton-exchangemembranefuelcellorpolymerelectrolytefuelcell）等。這些燃料電池中，固體高分子型燃料電池與其他燃料電池相比，具有以下優點：（a）發電溫度為80℃左右，能夠以非常低的溫度發電，（b）可實現燃料電池主體的輕量化、小型化，（c）能夠在短時間啟動，燃料效率（fuelefficiency）、輸出密度（outputdensity）高等。因此，固體高分子型燃料電池作為電動車（electricvehicle）的車載用電源（onboardpowersupply）、家庭用（householduse）或業務用固定型發電機（stationarytypecompactelectricgenerator），攜帶用的小型發電機（portableandcompactdispersedpowersystem），是目前最受關注的燃料電池。固體高分子型燃料電池是介由高分子膜（polymermembrane）由H2和O2獲取電，如圖1所示，將膜-電極接合體（Membrane-ElectrodeAssembly）1利用氣體擴散層2、3（例如碳紙（carbonpaper）等）及間隔件4、5夾持，將其作為單獨構成要素（所謂單電池（singlecell）），在間隔件4與間隔件5之間生成電動勢（electromotiveforce）。應予說明，膜-電極接合體1被稱為MEA（即Membrance·ElectrodeAssembly），是使高分子膜在該膜的表面背面與擔載了鉑系催化劑（platinumcatalyst）的碳黑（carbonblack）等電極材料一體化而得到的，厚度為數10μm~數100μm。另外，氣體擴散層2、3大多數情況也與膜-電極接合體1一體化。將固體高分子型燃料電池用于上述用途時，串聯數十~數百個如上所述的單電池而構成燃料電池堆（stack）來使用。在此，對于間隔件4、5，除了作為（A）將單電池之間隔開的隔壁（separator）的作用以外，還要求作為（B）運送產生的電子的導電體（electricconductor）、（C）O2（即空氣）與H2流動的空氣流路6、氫流路7、（D）排出生成的水、氣體的排出流路（兼備空氣流路6、氫流路7）的功能。而且，為了將固體高分子型燃料電池實用化，需要使用耐久性（durability）、導電性（conductivity）優異的間隔件。關于耐久性，作為電動車的車載用電源使用的情況下應為約5000小時。另外，作為家庭用的固定型發電機等使用的情況下應為約40000小時。因此，間隔件要求能夠耐受長時間發電的耐腐蝕性。其理由是因為金屬離子因腐蝕而溶出時，電解質膜的質子傳導性（protonconductivity）降低。另外，關于導電性，優選間隔件與氣體擴散層的接觸電阻極低。其理由是因為間隔件與氣體擴散層的接觸電阻增大時，固體高分子型燃料電池的發電效率降低。換句話說，間隔件與氣體擴散層的接觸電阻越小，發電特性越優異。目前，使用了石墨（graphite）作為間隔件的固體高分子型燃料電池已經實用化。由該石墨構成的間隔件具有接觸電阻較低且不被腐蝕這種優點。然而，石墨制的間隔件容易受到沖擊破損，因此不僅難以小型化，而且存在用于形成空氣流路（airflowchannel）、氫流路（hydrogenflowchannel）的加工成本高等缺點。由石墨構成的間隔件所具有這些缺點已成為妨礙固體高分子型燃料電池普及的原因。因此，作為間隔件的材料，嘗試使用金屬材料來代替石墨。特別是從提高耐久性的觀點出發，對將不銹鋼或鈦、鈦合金等作為原材料的間隔件實用化，在進行各種研究。例如，專利文獻1中公開了使用不銹鋼或者鈦合金等的容易形成鈍化膜的金屬作為間隔件的技術。然而，鈍化膜的形成導致接觸電阻的上升，引起發電效率的降低。因此，被指出這些金屬原材料與石墨原材料相比存在接觸電阻大且耐腐蝕性差等需要改善的問題點。另外，專利文獻2中公開了通過在奧氏體系鋼板（SUS304）等金屬間隔件的表面實施鍍金（goldplate），從而降低接觸電阻，確保高輸出的技術。然而，如果鍍金很薄，則難以防止針孔（pinhole）的產生，相反地為厚鍍金則出現成本問題。另外，專利文獻3中公開了使碳粉末分散在鐵素體系不銹鋼基體上而得到改善了導電性（即降低接觸電阻）的間隔件的方法。然而，使用碳粉末時，也在間隔件的表面處理方面需要花費相應的成本，因此依然存在成本問題。另外，也指出實施了表面處理的間隔件在組裝時產生劃傷等時存在耐腐蝕性顯著降低等問題點。專利文獻1:日本特開平8-180883號公報專利文獻2:日本特開平10-228914號公報專利文獻3:日本特開2000-277133號公報
技術實現思路
本專利技術能有效解決上述問題，其目的在于以低成本提供一種接觸電阻低且間隔件使用環境下的耐久性優異，適于用作固體高分子型燃料電池用間隔件的金屬板。進而，專利技術人等反復進行了用于開發在固體高分子型燃料電池用的間隔件使用環境（pH3（硫酸環境）、使用溫度80℃）下富有耐腐蝕性的材料的各種研究。即，對涂布了各種金屬、各種氧化物的材料在間隔件使用環境下的耐腐蝕性和處理成本進行了研究。其結果，得到以下見解：Sn涂覆件的處理成本低，雖然不滿足目標耐腐蝕性，但具有較優異的耐腐蝕性。因此，專利技術人等進一步進行研究，結果判明，如圖7所示，如果是金屬Sn單體則耐腐蝕性不充分，但通過制成含有Ni或Fe的一種以上的Sn合金，特別優選制成屬于金屬間化合物（intermetalliccompound）的Ni3Sn2，從而能使固體高分子型燃料電池用的間隔件使用環境下的耐腐蝕性變優異。另一方面，還判明存在屬于金屬間化合物的Ni3Sn2及Ni3Sn4的接觸電阻高這一問題。應予說明，圖7是將在SUS447J1的表面形成了膜厚10μm的各種被膜的試樣浸漬于溫度：80℃、本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.04.23 JP 2010-099922;2011.02.02 JP 2011-021091.一種固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，其特征在于，在金屬制的基體的表面具有由Sn合金層構成的被膜，在該被膜中含有導電性粒子；所述Sn合金層含有Ni或Fe的1種以上，在所述被膜與所述基體之間作為中間層具有至少1層的與所述Sn合金層相同組成的Sn合金層，所述中間層由2～4層構成，這些層的總厚度為6μm以下。2.根據權利要求1所述的固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，所述Sn合金層為Ni3Sn2層。3.根據權利要求1所述的固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，所述導電性粒子的導電度為1×102Ω-1·m-1以上，平均粒徑為0.1～6μm。4.根據權利要求2所述的固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，所述導電性粒子的導電度為1×102Ω-1·m-1以上，平均粒徑為0.1～6μm。5.根據權利要求1～4中任一項所述的固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，所述導電性粒子的含量為0.1～30質量％。6.根據權利要求1～4中任一項所述的固體高分子型燃料電池的間隔件用金屬板，所述導電性粒子選...

【專利技術屬性】
技術研發人員：西山直樹，石川伸，宇城工，加藤康，
申請(專利權)人：杰富意鋼鐵株式會社，
類型：
國別省市：