燃料电池的隔离件用不锈钢板及其制造方法技术

本发明专利技术涉及燃料电池的隔离件用不锈钢板，具备由不锈钢板构成的基体以及低电阻率的金属粒子，在上述基体的表面形成凸部间的平均间隔为10nm～300nm的凹凸结构，使上述低电阻率的金属粒子的平均粒径为50nm～1.0μm，使上述低电阻率的金属粒子在上述基体的凹凸结构的表面每1μm2附着1.0个以上，使上述低电阻率的金属粒子的平均粒径相对于上述凸部间的平均间隔的比为1.0～15.0。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池的隔离件用不锈钢板及其制造方法
本专利技术涉及接触电阻(以下，有时也称为接触阻力)优异的燃料电池的隔离件用不锈钢板及其制造方法。
技术介绍
近年来，从保护地球环境的观点出发，正在进行发电效率优异且不排出二氧化碳的燃料电池的开发。该燃料电池由氢和氧通过电化学反应而产生电，其基本结构具有三明治这样的结构，由电解质膜(离子交换膜)、2个电极(燃料电极和空气电极)、氧(空气)和氢的扩散层以及2个隔离件构成。而且，根据所使用的电解质膜的种类，分类为磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、碱性燃料电池和固体高分子型燃料电池(PEFC；proton-exchangemembranefuelcell或polymerelectrolytefuelcell)，分别进行开发。这些燃料电池中，固体高分子型燃料电池与其它燃料电池相比，具有如下等优点：(a)发电温度为80℃左右，能够以特别低的温度发电，(b)燃料电池主体能够轻量化、小型化，(c)能够以短时间启动，燃料效率、输出密度高。因此，固体高分子型燃料电池被期待用作电动汽车的搭载用电源、家庭用或业务用的定置型发电机、便携式的小型发电机。固体高分子型燃料电池介由高分子膜从氢和氧取出电，如图1所示，将膜－电极接合体1利用气体扩散层2、3(例如碳纸等)和隔离件4、5夹持，将其作为单一的构成要素(所谓的单电池)。然后，使隔离件4与隔离件5之间产生电动势。此外，上述的膜－电极接合体1被称为MEA(Membrane-ElectrodeAssembly)，是将高分子膜和在该膜的表面和背面载持有铂系催化剂的炭黑等电极材料一体化而成的，厚度为数10μm～数100μm。另外赛，气体扩散层2、3也大多与膜－电极接合体1一体化。另外，在将固体高分子型燃料电池供于实用时，一般将如上所述的单电池串联地连接数十～数百个而构成燃料电池堆来使用。在此，对隔离件4、5除要求作为(a)隔开单电池间的隔壁的作用以外，还要求如下功能：(b)运输所产生的电子的导电体，(c)氧(空气)和氢流动的空气流路6、氢流路7，(d)排出所生成的水、气体的排出路(兼具空气流路6、氢流路7)；因此，需要优异的耐久性、导电性。在此，关于耐久性，在用作电动汽车的搭载用电源时，假设为约5000小时。另外，在用作家庭用的定置型发电机等时，假定为约40000小时。因此，对隔离件要求能够承受长时间的发电的耐腐蚀性。其理由是因为若因腐蚀而金属离子溶出，则高分子膜(电解质膜)的质子传导性下降。另外，关于导电性，优选隔离件与气体扩散层的接触电阻尽可能低。其理由是因为若隔离件与气体扩散层的接触电阻增大，则固体高分子型燃料电池的发电效率下降。即，可以说隔离件与气体扩散层的接触电阻越小，发电特性越优异。直至目前为止，使用石墨作为隔离件的固体高分子型燃料电池已实用化。该由石墨构成的隔离件存在接触电阻较低，而且不会腐蚀的优点。然而，由于石墨制的隔离件容易因冲击而破损，因此，存在不仅难以小型化，而且用于形成空气流路、氢流路的加工成本高的缺点。由石墨构成的隔离件所具有的这些缺点成为阻碍固体高分子型燃料电池的普及的原因。因此，作为隔离件的原材料，进行了应用金属原材料代替石墨的尝试。特别是从耐久性提高和接触电阻降低的观点出发，对以不锈钢、钛、钛合金等为原材料的隔离件的实用化进行了各种研究。例如，专利文献1中公开了使用不锈钢或钛合金等容易形成钝化皮膜的金属作为隔离件的技术。然而，专利文献1所公开的技术中，伴随钝化皮膜的形成，导致接触电阻的上升，导致发电效率的下降。如此，专利文献1所公开的金属原材料存在与石墨原材料相比接触电阻大等问题。另外，专利文献2中公开了通过在奥氏体系钢板(SUS304)等金属隔离件的表面实施镀金来降低接触电阻、确保高输出功率的技术。然而，镀金存在成本增加的问题。另外，专利文献3和4中公开了通过在氢氟酸等含有氟离子的处理液中浸渍不锈钢，使不锈钢表面的钝化皮膜含有氟，与此同时在不锈钢表面的一部分设置规定的微细凹凸结构而降低接触电阻的技术。然而，氢氟酸等含有氟离子的处理液由于化学活性极高，因此产生处理操作时的安全性的问题。另外，在处理操作后排出的废液的处理中，仍然产生安全性的问题。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平8-180883号公报专利文献2：日本特开平10-228914号公报专利文献3：日本特开2010-13684号公报专利文献4：国际公开第2013/080533号
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述现状而开发的，其目的在于提供一种能够低成本且安全地得到优异的接触电阻的燃料电池的隔离件用不锈钢板及其制造方法。于是，本专利技术专利技术人等为了解决上述课题，为了提高燃料电池的隔离件用不锈钢板的接触电阻特性而进行了深入研究。首先，本专利技术专利技术人等尝试了通过在不锈钢板的表面在各种条件下实施各种低电阻率的金属镀覆来降低接触电阻。然而，仅实施低电阻率的金属镀覆时，无论如何调整处理条件、使用的金属，均无法实现镀金那样的接触电阻的降低。因此，本专利技术专利技术人等在使用这样的低电阻率的金属时，为了实现进一步的接触电阻的降低而进一步反复进行了研究。其结果得到如下见解：通过在作为基体的不锈钢板的表面形成规定的凹凸结构且在由该基体的凹凸结构构成的表面(以下，也称为凹凸表面)附着规定量的低电阻率的金属粒子并适当地控制低电阻率的金属粒子的平均粒径相对于凸部间的平均间隔的比，能够实现接触电阻的大幅降低。在此，对于通过在作为基体的不锈钢板的表面形成规定的凹凸结构且在该基体的凹凸表面附着规定量的低电阻率的金属粒子并适当地控制低电阻率的金属粒子的平均粒径相对于凸部间的平均间隔的比，能够实现接触电阻的大幅降低的理由，本专利技术专利技术人等认为如下。即，不锈钢在其表面具有钝化皮膜，由于该钝化皮膜，用作燃料电池的隔离件时的接触电阻增大。另外，对于Ag、Cu等低电阻率的金属粒子，也由于在大气中在金属粒子表面形成氧化皮膜，因此，即使使这样的金属粒子简单地附着于作为基体的不锈钢板的表面，也得不到低电阻率的金属原本的接触电阻，接触电阻仍然增大。燃料电池的隔离件如图1所示，在对由碳纸、碳布等构成的气体扩散层施加规定的负荷的状态下进行接触。因此，如图2所示，通过在作为基体的不锈钢板的表面形成规定的凹凸结构且在该基体的凹凸表面附着规定量的低电阻率的金属粒子并适当地控制低电阻率的金属粒子的平均粒径相对于凸部间的平均间隔的比，从而在隔离件与气体扩散层接触时，低电阻率的金属粒子被按压于基体表面的凹凸并嵌入于凸部。此时，不锈钢板表面、特别是凸部的钝化皮膜的一部分被破坏，并且形成于低电阻率的金属粒子的表面的薄的氧化皮膜的一部分也被破坏，该被破坏的部分彼此成为接合点，使不锈钢与低电阻率的金属粒子不介由这样的钝化皮膜、氧化皮膜而接合(接触)。本专利技术专利技术人等认为其结果接触电阻大幅降低。本专利技术是基于上述见解并进一步进行研究而完成的。即，本专利技术的主旨构成如下。1.一种燃料电池的隔离件用不锈钢板，具备由不锈钢板构成的基体以及低电阻率的金属粒子，上述基体的表面具备具有凹部和凸部的凹凸结构，该凸部间的平均间隔为10nm～300nm，上述低电阻率的金属粒子的平均粒径为50nm～1.0μm，并且上述低电阻率的金属粒子在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池的隔离件用不锈钢板，具备由不锈钢板构成的基体以及低电阻率的金属粒子，所述基体的表面具备具有凹部和凸部的凹凸结构，该凸部间的平均间隔为10nm～300nm，所述低电阻率的金属粒子的平均粒径为50nm～1.0μm，并且所述低电阻率的金属粒子在所述基体的凹凸结构的表面每1μm2附着1.0个以上，所述低电阻率的金属粒子的平均粒径相对于所述凸部间的平均间隔的比为1.0～15.0。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.24 JP 2015-2522931.一种燃料电池的隔离件用不锈钢板，具备由不锈钢板构成的基体以及低电阻率的金属粒子，所述基体的表面具备具有凹部和凸部的凹凸结构，该凸部间的平均间隔为10nm～300nm，所述低电阻率的金属粒子的平均粒径为50nm～1.0μm，并且所述低电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：矢野孝宜，石川伸，上力，
申请(专利权)人：杰富意钢铁株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP