固体高分子型燃料电池间隔件用金属板制造技术

本发明专利技术以低成本提供一种接触电阻低且间隔件使用环境下的耐久性优异，适于作为固体高分子型燃料电池用间隔件的金属板。具体而言，一种固体高分子型燃料电池间隔件用金属板，其在金属制的基体的表面具有由Sn合金层构成的被膜，在该被膜中含有导电性粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固体高分子型燃料电池间隔件用金属板
本专利技术涉及接触电阻值低且耐腐蚀性优异的固体高分子型燃料电池（proton-exchangemembranefuelcell）的间隔件（separator）用金属板。
技术介绍
近年，从保护地球环境（globalenvironment）的观点出发，正在进行发电效率（powergenerationefficiency）优异且不排放CO2的燃料电池的开发。这种燃料电池通过使H2与O2发生电化学反应而产生电，其基本结构具有三明治（sandwich）这样的结构，由电解质膜（electrolytemembrane）（即离子交换膜（ionexchangemembrane））、2个电极（即燃料极（afuelelectrode）及空气极（anairelectrode））、O2（即空气）和H2的扩散层（diffusionlayer）以及2个间隔件构成。而且，根据所使用的电解质膜的种类，正在开发磷酸型燃料电池（phosphoric-acidfuelcell）、熔融碳酸盐型燃料电池（moltencarbonatefuelcell）、固体氧化物型燃料电池（solid-oxidefuelcell）、碱型燃料电池（alkalinefuelcells）以及固体高分子型燃料电池（PEFC；proton-exchangemembranefuelcellorpolymerelectrolytefuelcell）等。这些燃料电池中，固体高分子型燃料电池与其他燃料电池相比，具有以下优点：（a）发电温度为80℃左右，能够以非常低的温度发电，（b）可实现燃料电池主体的轻量化、小型化，（c）能够在短时间启动，燃料效率（fuelefficiency）、输出密度（outputdensity）高等。因此，固体高分子型燃料电池作为电动车（electricvehicle）的车载用电源（onboardpowersupply）、家庭用（householduse）或业务用固定型发电机（stationarytypecompactelectricgenerator），携带用的小型发电机（portableandcompactdispersedpowersystem），是目前最受关注的燃料电池。固体高分子型燃料电池是介由高分子膜（polymermembrane）由H2和O2获取电，如图1所示，将膜-电极接合体（Membrane-ElectrodeAssembly）1利用气体扩散层2、3（例如碳纸（carbonpaper）等）及间隔件4、5夹持，将其作为单独构成要素（所谓单电池（singlecell）），在间隔件4与间隔件5之间生成电动势（electromotiveforce）。应予说明，膜-电极接合体1被称为MEA（即Membrance·ElectrodeAssembly），是使高分子膜在该膜的表面背面与担载了铂系催化剂（platinumcatalyst）的碳黑（carbonblack）等电极材料一体化而得到的，厚度为数10μm~数100μm。另外，气体扩散层2、3大多数情况也与膜-电极接合体1一体化。将固体高分子型燃料电池用于上述用途时，串联数十~数百个如上所述的单电池而构成燃料电池堆（stack）来使用。在此，对于间隔件4、5，除了作为（A）将单电池之间隔开的隔壁（separator）的作用以外，还要求作为（B）运送产生的电子的导电体（electricconductor）、（C）O2（即空气）与H2流动的空气流路6、氢流路7、（D）排出生成的水、气体的排出流路（兼备空气流路6、氢流路7）的功能。而且，为了将固体高分子型燃料电池实用化，需要使用耐久性（durability）、导电性（conductivity）优异的间隔件。关于耐久性，作为电动车的车载用电源使用的情况下应为约5000小时。另外，作为家庭用的固定型发电机等使用的情况下应为约40000小时。因此，间隔件要求能够耐受长时间发电的耐腐蚀性。其理由是因为金属离子因腐蚀而溶出时，电解质膜的质子传导性（protonconductivity）降低。另外，关于导电性，优选间隔件与气体扩散层的接触电阻极低。其理由是因为间隔件与气体扩散层的接触电阻增大时，固体高分子型燃料电池的发电效率降低。换句话说，间隔件与气体扩散层的接触电阻越小，发电特性越优异。目前，使用了石墨（graphite）作为间隔件的固体高分子型燃料电池已经实用化。由该石墨构成的间隔件具有接触电阻较低且不被腐蚀这种优点。然而，石墨制的间隔件容易受到冲击破损，因此不仅难以小型化，而且存在用于形成空气流路（airflowchannel）、氢流路（hydrogenflowchannel）的加工成本高等缺点。由石墨构成的间隔件所具有这些缺点已成为妨碍固体高分子型燃料电池普及的原因。因此，作为间隔件的材料，尝试使用金属材料来代替石墨。特别是从提高耐久性的观点出发，对将不锈钢或钛、钛合金等作为原材料的间隔件实用化，在进行各种研究。例如，专利文献1中公开了使用不锈钢或者钛合金等的容易形成钝化膜的金属作为间隔件的技术。然而，钝化膜的形成导致接触电阻的上升，引起发电效率的降低。因此，被指出这些金属原材料与石墨原材料相比存在接触电阻大且耐腐蚀性差等需要改善的问题点。另外，专利文献2中公开了通过在奥氏体系钢板（SUS304）等金属间隔件的表面实施镀金（goldplate），从而降低接触电阻，确保高输出的技术。然而，如果镀金很薄，则难以防止针孔（pinhole）的产生，相反地为厚镀金则出现成本问题。另外，专利文献3中公开了使碳粉末分散在铁素体系不锈钢基体上而得到改善了导电性（即降低接触电阻）的间隔件的方法。然而，使用碳粉末时，也在间隔件的表面处理方面需要花费相应的成本，因此依然存在成本问题。另外，也指出实施了表面处理的间隔件在组装时产生划伤等时存在耐腐蚀性显著降低等问题点。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2000-277133号公报
技术实现思路
本专利技术能有效解决上述问题，其目的在于以低成本提供一种接触电阻低且间隔件使用环境下的耐久性优异，适于用作固体高分子型燃料电池用间隔件的金属板。进而，专利技术人等反复进行了用于开发在固体高分子型燃料电池用的间隔件使用环境（pH3（硫酸环境）、使用温度80℃）下富有耐腐蚀性的材料的各种研究。即，对涂布了各种金属、各种氧化物的材料在间隔件使用环境下的耐腐蚀性和处理成本进行了研究。其结果，得到以下见解：Sn涂覆件的处理成本低，虽然不满足目标耐腐蚀性，但具有较优异的耐腐蚀性。因此，专利技术人等进一步进行研究，结果判明，如图7所示，如果是金属Sn单体则耐腐蚀性不充分，但通过制成含有Ni或Fe的一种以上的Sn合金，特别优选制成属于金属间化合物（intermetalliccompound）的Ni3Sn2，从而能使固体高分子型燃料电池用的间隔件使用环境下的耐腐蚀性变优异。另一方面，还判明存在属于金属间化合物的Ni3Sn2及Ni3Sn4的接触电阻高这一问题。应予说明，图7是将在SUS447J1的表面形成了膜厚10μm的各种被膜的试样浸渍于温度：80℃、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.23 JP 2010-099922;2011.02.02 JP 2011-021091.一种固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，其特征在于，在金属制的基体的表面具有由Sn合金层构成的被膜，在该被膜中含有导电性粒子；所述Sn合金层含有Ni或Fe的1种以上，在所述被膜与所述基体之间作为中间层具有至少1层的与所述Sn合金层相同组成的Sn合金层，所述中间层由2～4层构成，这些层的总厚度为6μm以下。2.根据权利要求1所述的固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，所述Sn合金层为Ni3Sn2层。3.根据权利要求1所述的固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，所述导电性粒子的导电度为1×102Ω-1·m-1以上，平均粒径为0.1～6μm。4.根据权利要求2所述的固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，所述导电性粒子的导电度为1×102Ω-1·m-1以上，平均粒径为0.1～6μm。5.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，所述导电性粒子的含量为0.1～30质量％。6.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子型燃料电池的间隔件用金属板，所述导电性粒子选...

【专利技术属性】
技术研发人员：西山直树，石川伸，宇城工，加藤康，
申请(专利权)人：杰富意钢铁株式会社，
类型：
国别省市：