專利名稱：燃料電池用隔板及其制造方法,以及導電性耐腐蝕金屬材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池用隔板及其制造方法，以及導電性耐腐蝕金屬材料，特別涉及電化學苛刻條件下的燃料電池環(huán)境中仍具有優(yōu)良耐腐蝕性和導電性的、而且具有良好的二次加工性能的燃料電池用隔板及其制造方法以及導電性耐腐蝕金屬材料。
背景技術(shù)：
燃料電池具有高效率，因為可以將化學變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而且由于大氣污染物質(zhì)(NOx、SOx等)的排出量少，因而具有對地球環(huán)境好的特長。該燃料電池分為固體高分子電解質(zhì)型(PEFC)、磷酸型(PAFC)、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等，其中特別是固體高分子電解質(zhì)型燃料電池，有望將來作為汽車、一般家庭等電力來普及使用。
圖5是固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的概略結(jié)構(gòu)。這樣的固體高分子電解質(zhì)型燃料電池200，由多個單元在縱向(圖中的上下方向)上連接而構(gòu)成，每個單元具有，一對平板狀的隔板201A、201B，在其兩面具有以固定間隔形成的溝槽202A、202B、202C、202D；在隔板201A、201B之間設置的電解質(zhì)膜203；電解質(zhì)膜203和隔板201B之間設置的空氣極204和電解質(zhì)膜203和隔板201A之間設置的燃料極205。
隔板201A、201B在電連接空氣極204和燃料極205之間的同時，也是為了使燃料和空氣(氧化劑)不混合的部件。溝槽202B、202D用做上下連接的單元的燃料和空氣的通路。
電解質(zhì)膜203由高分子電解質(zhì)膜構(gòu)成。空氣極204的結(jié)構(gòu)具有由多孔質(zhì)的支持層204a和空氣極觸媒層204b。燃料極205的結(jié)構(gòu)具有多孔質(zhì)的支持層205a和燃料極觸媒層205b。
在圖5中，使空氣極204與空氣208接觸，同時使燃料極205和作為燃料的氫氣207接觸，在燃料極上氫氣207就分解成氫離子和電子。該氫離子在電解質(zhì)膜203內(nèi)與水成為一體，向空氣極204側(cè)移動，另一方面，電子經(jīng)過外部回路向空氣極204側(cè)移動。在空氣極204，氧(O2/2)、電子(2e-)和氫離子(2H+)發(fā)生反應，生成水(H2O)。
燃料電池的隔板201A、201B，要求對于還原性氣氛和氧化性氣氛的氣體都具有耐腐蝕性，以及高的電子導電性。以往主要使用以石墨系為主的材料，現(xiàn)在也可以使用復雜的、可以進行高精度加工的金屬材料。例如已知有導電性和耐腐蝕性的隔板結(jié)構(gòu)(例如參見特開2000-353531號公報，段落0016，圖2)，其以不銹鋼(SUS)為基礎(chǔ)，在不銹鋼表面上形成保護膜，保護膜含有Ti、Cr等的氮化物，并且氮的含量從表面開始向內(nèi)部逐漸減少。
還有，已知在僅以耐腐蝕性金屬材料，或者以其他金屬材料的表面上具有耐腐蝕性金屬材料的復合材料形成的隔板基材上，通過形成膜厚為0.0005～0.01μm的由Au、Pt、Ru、Pd等貴金屬形成的導電性接點層，構(gòu)成具有耐腐蝕性和導電性的隔板(參照特開2004-158437號公報，段落0037～0041，圖1、圖2)。
此外，在SUS、Al等金屬為基礎(chǔ)的基材的兩面上，使用Mo、Ti、Zr、Ta、Cr、Nb、V、W中的任何一種形成包覆層，然后放置于高溫的碳、硅或者氮的化合物氣氛中，進行滲碳、滲硅處理或者氮化處理，形成陶瓷化的表面層，這樣形成具有高導電性和耐腐蝕性的金屬隔板(參照特開2000-323148號公報，段落0016，圖2)。
但是，對于以往的隔板，就隔板輕量化的要求而言并未充分達到要求。為了使隔板輕量化，例如，可以使用以導電性優(yōu)良且輕的金屬材料Al、Mg等金屬及其合金材料作為基材，但這些材料的耐腐蝕性不夠，在電池環(huán)境那樣的苛刻條件下易于溶出(腐蝕)，直接使用有困難。
在使用純Al、低濃度Al合金(Al以外的合金成分為低濃度)作為基材材料，并選擇Ti作為直接接觸的耐腐蝕性被覆材料時，由于Ti和Al的變形阻力的差異大，存在Ti/Al的包覆加工極其困難的問題。
還有，使用Al合金或者Mg合金作為基材材料，并選擇Ti作為直接接觸的耐腐蝕性被覆材料時，在與Ti包覆層的界面上易于形成脆性化合物層，因此，難以穩(wěn)定地制造薄壁型的包覆加工材料，即使可以制作尺寸小的(小的樣品)制品，也還存在難以成品率良好地制造大尺寸制品的問題。還有，如果對由Al合金或者Mg合金作與Ti直接包覆加工形成的板材，進行壓力加工成型加工成隔板，就產(chǎn)生龜裂，在接合部分產(chǎn)生局部的剝離，使得不可能進行良好的成型(加工性不足)。在與Ti包覆層的界面上生成的化合物層被認為是產(chǎn)生龜裂的原因。發(fā)明內(nèi)容所以，本發(fā)明的目的是提供燃料電池用隔板及其制作方法和可用于這種燃料電池隔板的導電性耐腐蝕金屬材料。這種燃料電池隔板，即使在電化學苛刻條件下的燃料電池環(huán)境中仍具有優(yōu)良耐腐蝕性和導電性，并且可以實現(xiàn)輕量化，而且具有良好的加工性能。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的燃料電池用隔板為以鋁合金或者鎂合金為基材，在所述基材的至少一側(cè)上設置鈦或者鈦合金的被覆層，具有將所述基材和所述被覆層合成一體的接合金屬層的燃料電池用隔板，其特征為，所述接合金屬層為比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬。
還有，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的導電性耐腐蝕金屬材料為，以鋁合金或者鎂合金為基材材料，在所述基材的至少一側(cè)上設置鈦或者鈦合金的被覆層，具有將所述基材和所述被覆層合成一體的接合金屬層的導電性耐腐蝕金屬材料，其特征為，所述接合金屬層為比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬。
還有，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供燃料電池用隔板的制造方法，其包括，在以鋁合金或者鎂合金為基材的至少一側(cè)表面上，通過具有比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬構(gòu)成的接合金屬層進行由鈦或者鈦合金構(gòu)成的被覆層的被覆加工的第1工序，以及在所述被覆層的與前述基材接合面的相反面上形成導電性保護膜的第2工序。
此外，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供燃料電池用隔板的制造方法，其包括，在由鈦或者鈦合金形成的被覆層的一側(cè)表面上預先形成導電性的保護膜，在相反側(cè)的表面上形成接合金屬膜的第1工序；以及通過比所述基材材料和所述被覆層變形阻力小的金屬構(gòu)成的接合金屬層，對所述被覆膜層和由鋁合金或者鎂合金構(gòu)成的基材進行被覆加工的2工序。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得的燃料電池用隔板，其在電化學苛刻條件下的燃料電池環(huán)境中仍具有優(yōu)良耐腐蝕性和導電性，并且可以實現(xiàn)隔板的輕量化，而且具有良好的加工性。根據(jù)本發(fā)明，還可獲得可以用于該燃料電池用隔板的導電性耐腐蝕金屬材料。


圖1是本發(fā)明實施方式相關(guān)的燃料電池用隔板的剖視圖。
圖2是本發(fā)明實施方式相關(guān)的燃料電池用隔板的制造方法工序的說明圖。
圖3顯示包覆軋制時的異?，F(xiàn)象，(a)包覆軋制時出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的說明圖，(b)正常包覆軋制的說明圖。
圖4是與圖2不同的本發(fā)明實施方式相關(guān)的燃料電池用隔板的制造方法工序的說明圖。
圖5是固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的概略構(gòu)成的分解立體圖。
其中，1燃料電池用隔板11基材12A、12B接合金屬層13A、13B被覆層14A、14B保護層30軋制機30A、30B軋輥31、34被軋制材料20032表面破裂固體高分子電解質(zhì)型燃料電池202A、202B、202C、202D溝槽201A、201B隔板203電解質(zhì)膜204空氣極205燃料極204a、205a多孔質(zhì)支持層204b空氣極觸媒層
205b燃料極觸媒層具體實施方式
燃料電池用隔板的結(jié)構(gòu)圖1顯示本發(fā)明實施方式涉及的燃料電池用隔板。該燃料電池用隔板1具有，由變形阻力小于鈦材的輕質(zhì)金屬材料構(gòu)成的板狀基材11，該基材11的兩面上形成的一對接合金屬層12A、12B，在該接合金屬層12A、12B表面形成的一對被覆層13A、13B，和該被覆層13A、13B表面形成的保護膜14A和14B。其中，變形阻力體現(xiàn)對于塑性變形的抵抗力。
基材11可以使用變形阻力小于鈦材(被覆層13A、13B)的輕質(zhì)金屬Al合金或者Mg合金，優(yōu)選使用Al-Mg合金。合金中可以含有Cr、Mn等，具體而言，可以例舉4.4Mg-0.7Mn-0.15Cr-余量Al的示例。其中，變形阻力體現(xiàn)對于塑性變形的抵抗力。
基材11具有伴隨著塑性加工而硬化的性質(zhì)(加工硬化)。還有，被覆層13A、13B也具有加工硬化的傾向。所以如果基材11和被覆層13A、13B的變形阻力的值相近的話，由于達到了平衡而使硬度提高?；?1和被覆層13A、13B的變形阻力比，即被覆層的變形阻力/基材的變形阻力，越接近于1，則加工性越好，希望該變形阻力比的范圍為0.5～2.5，更加希望該變形阻力比的范圍為0.7～2.0，特別希望該變形阻力比的范圍為0.8～1.5。變形阻力之比，例如可以由維氏硬度(Hv)之比求出。
接合金屬層12A、12B，可以使用比基材11和被覆層13A、13B變形阻力低的金屬。接合金屬層12A、12B，在進行包覆加工時，為了使在界面不形成(抑制形成)劣化加工性的脆性化合物層(例如，Ti-Mg化合物、Mg的氧化物，使得包覆材料的延展性極度降低，據(jù)認為這些物質(zhì)的生成原因是基底層(基材11)中的Mg的擴散)，可以使用純鋁或者實質(zhì)性不含Mg的鋁合金等金屬。這里，“實質(zhì)性不含Mg的鋁合金”是指Mg含有量在可以忽略上述脆性化合物的形成的范圍(不對加工性有負面影響的范圍)。即，接合金屬層12A、12B，只要是具有比基材11和被覆層13A、13B低的變形阻力、具有抑制脆性化合物層形成的作用(降低到可以忽略的地步)的金屬，就可以作為適合的材料來使用。
對于被覆層13A、13B，可以使用導電性和耐腐蝕性優(yōu)良的Ti或者Ti合金。被覆層13A、13B形成包覆層，包括接合金屬層12A、12B，由基材11和包覆層構(gòu)成的整體厚度為0.05～2mm。其中被覆層13A、13B占厚度的5～30％。
保護膜14A、14B是用來防止被覆膜13A、13B氧化的(確保導電性)，是由納米金屬膜構(gòu)成的導電處理膜。保護膜14A、14B，除了貴金屬的納米膜、還可以是石墨系涂膜、氮化膜中的任意一種，或者這些中的2種或以上的組合。
燃料電池用隔板的制造方法以下，對本實施方式相關(guān)的燃料電池用隔板的制造方法進行說明。圖2顯示了一例本實施方式的燃料電池用隔板的制造方法的工序。圖中，S表示步驟。
首先，在作為基材11的Al合金板或者Mg合金板，特別是優(yōu)選的Al-Mg合金板的上下面上，包覆軋制純鋁板，形成接合金屬層12A、12B，形成Al/Al-Mg合金(Al合金、Mg合金)/Al的包覆板(S101)。
然后在上述包覆板的上下面上，包覆軋制由Ti的耐腐蝕金屬板構(gòu)成被覆層13A、13B，形成Ti/Al/Al-Mg合金(Al合金、Mg合金)/Al/Ti的5層包覆板(S102)。
除了軋制以外，也可以使用靜水壓擠壓等的塑性加工進行包覆來完成包覆化。這里的塑性加工中的包覆，是指通過包覆加工(包覆)進行一體化加工的意思。本實施方式中，是基材層11和被覆層13A、13B通過接合金屬層12A、12B一體化形成的意思。
然后依次進行接合熱處理(S103)、精軋?zhí)幚?S104)、退火熱處理(S105)和表面導電處理(形成保護膜14A、14B)(S106)，完成可以作為燃料電池用隔板1的平板狀輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料。該輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料經(jīng)過壓力加工等二次加工(S107)，得到如圖5所示的可以用于燃料電池的隔板201A、201B。
其中，進行接合熱處理(S103)的原因是為了提高包覆層界面上的結(jié)構(gòu)金屬原子間的化學結(jié)合性(主要是金屬鍵)、提高接合性。退火熱處理(S105)具有提高包覆材料延展性的效果。而且，退火熱處理(S105)的工序要根據(jù)加工硬化的程度來適當實施。
圖3是包覆軋制(包覆加工)時的模式圖。圖3中，軋制機30具有一對上下配置的軋輥30A、30B，在這對軋輥30A、30B之間插入由基材11和被覆層13A、13B構(gòu)成的被軋制材料31，進行包覆軋制。
圖3的(a)是比較例，該被軋制材料31僅施加了被覆層13A、13B，沒有施加接合金屬層12A、12B。相對于此，圖3(b)是相當于如圖1顯示結(jié)構(gòu)的燃料電池隔板1，由基材11和被軋制材料34所構(gòu)成，其中，被軋制材料34由在基材11的兩面上由接合金屬層12A、12B和被覆層13A、13B構(gòu)成的包覆層33A、33B所構(gòu)成。另外，對于圖3中的(a)、(b)，均是在沒有設置保護膜14A、14B的狀態(tài)下進行軋制。
圖3(a)所示的現(xiàn)象是軋制異常，是由于稱為皺褶(ripple)的缺陷(變形異常)而產(chǎn)生的表層破裂32的狀態(tài)。皺褶的意思是指復合材料(圖3中為被軋制材料31)的表層界面(接合界面)部分形成的波紋狀異常變形。另外，在圖3(b)中所示的被軋制材料34，為正常進行軋制，沒有發(fā)生皺褶和表層破裂。
皺褶在不設置接合金屬層12A、12B的情況下易于產(chǎn)生，使健全加工的條件范圍變得極窄。所以，接合金屬層12A、12B是必需的構(gòu)成要素。
同樣的皺褶現(xiàn)象，不僅出現(xiàn)在包覆軋制的最初階段，在其后的軋制工序中也會發(fā)生，即使在這時，接合金屬層的效果也很明顯。
燃料電池用隔板的其他制造方法圖4顯示與圖2不同的本發(fā)明實施方式所相關(guān)的燃料電池用隔板的制造方法的工序。圖中，S仍表示步驟。
首先，作為預先被覆層13A、13B的Ti或者Ti合金片的一側(cè)表面上通過氣相成膜法形成導電性保護膜14A、14B，以及在另一側(cè)表面上形成純Al的接合金屬層12A、12B(例如厚度約為0.05～1μm)(S201)。
然后將在S201中形成的被覆層13A、13B與作為基材11的Al合金板或者Mg合金板(優(yōu)選Al-Mg合金板)，在二者之間夾著接合合金層12A、12B的情況下進行包覆軋制，形成保護膜/Ti/Al/Al-Mg合金(Al合金、Mg合金)/Al/Ti/保護膜的7層結(jié)構(gòu)的包覆板(S202)。
然后依次進行接合熱處理(S203)、精軋?zhí)幚?S204)和退火熱處理(S205)，來完成可以作為燃料電池用隔板1使用的平板狀的的輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料。對該輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料進行壓力加工等的二次加工(S206)，獲得可以用于如圖5所示的燃料電池的隔板201A、201B。其中，退火熱處理(S205)的工序根據(jù)加工硬化的程度適度進行。
根據(jù)本發(fā)明方式，可以實現(xiàn)如下的效果(1)使用與被覆層13A、13B的變形阻力的差異小的Al合金或者Mg合金作為基材11，在基材11和被覆層13A、13B之間設置一定的接合金屬層12A、12B，而且在被覆層13A、13B的表面設置保護膜14A、14B，通過這樣的結(jié)構(gòu)，可以獲得具有優(yōu)良耐腐蝕性和導電性的、良好加工性的、輕質(zhì)的燃料電池用隔板。
(2)在基材11和被覆層13A、13B之間設置接合金屬層12A、12B，其中接合金屬層12A、12B由比基材11和被覆層13A、13B的變形阻力小的金屬純鋁或者實質(zhì)上不含Mg的Al合金構(gòu)成，通過抑制使加工性惡化的脆性化合物層的形成，可以獲得壁薄且輕質(zhì)的、具有良好加工性能的燃料電池用隔板，例如與以往的SUS系的隔板相比，相同尺寸時可以達到大約1/2質(zhì)量的輕量化。
(3)因為有可能實現(xiàn)輕量化，最適合作為金屬隔板用于固體高分子型燃料電池(PEFC)或者直接甲醇固體燃料電池(DMFC)，因此有望實現(xiàn)移動物體用燃料電池電源和固定型燃料電池電源的小型輕量化。
(4)根據(jù)上述實施方式的制造方法，可以獲得精加工過程中健全性良好的、作為隔板來說特性上沒有問題的燃料電池用隔板。特別是，根據(jù)圖4所示的制造方法，在由氣相成膜法作為表面導電處理膜(保護膜)的形成方法時，由于可以由氣相成膜法連續(xù)作業(yè)同時形成表面導電處理膜(保護膜)和接合金屬層，可以有效地制造高品質(zhì)、高性能的隔板。
本發(fā)明并不限定于上述實施方式，在不變更其實質(zhì)的范圍內(nèi)可以進行各種變形。例如在上述實施方式中，包覆層設置在基材11的兩側(cè)，根據(jù)用途、使用環(huán)境等，也可以僅在單面上進行處理。有時，基材11的一個面還可以暴露在外。
還有，包覆層的形成方法(加工方法)除了已經(jīng)說明的包覆冷軋制的方法以外，還可以有中溫、高溫包覆軋制，或者真空包覆軋制，還有，也可以是通過靜水壓擠壓等擠壓法的塑性加工的方法來作為成型方法。
上述實施方式中得到的輕質(zhì)導電耐腐蝕金屬材料，并不限于燃料電池用隔板的用途，還可以用于要求有導電性和耐腐蝕性的元件用材料，例如導電材料、電接點材料、電磁波屏蔽體、電化學電極、防帶電材料等。特別是最適合于苛刻的耐腐蝕性環(huán)境下，要求具有導電性的元件用材料。特別可以在管理系統(tǒng)之外的要求金屬離子不可溶出的清潔環(huán)境下使用，具體而言，最適合用于固體高分子型燃料電池、甲醇燃料電池等的隔板等。
實施例以下，對本發(fā)明的實施例進行說明。
實施例1～6，比較例1～2使用表1～表4所示的結(jié)構(gòu)材料，依照圖2所示的本實施方式的制造方法，制造可以用于燃料電池用隔板的輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料。表2～表4分別表示所使用的結(jié)構(gòu)材料(Al合金、鎂合金和Ti合金)的成分組成，使用Ti材(T-1到T-3，共三種)作為被覆層，以純鋁材料、鋁合金材料(A-1到A5，共五種)、鎂合金材料(M-1)作為基材，使用純鋁材料(A-1)作為接合金屬層。
首先，準備厚度為1mm的基材材料作為原材料，將接合金屬層和被覆層進行包覆軋制，使得形成的材料中，被覆層占厚度的20％，接合金屬層占5％，基材層占75％?；牟牧蠟榧冧X或者鋁合金時，在基材和Ti材(被覆層)之間夾著接合金屬層，這樣進行冷包覆加工(接合)；基材材料為鎂合金時，進行中溫包覆接合。之后，進行接合熱處理、精軋?zhí)幚?，加工成整體厚度為0.3mm(0.3mmt)的板材，再施加貴金屬的納米膜作為表面導電處理，制造成輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料(t是表示板厚的記號)。
然后進行變形阻力比(硬度比)的測定，以及加工健全性、有無基材材料的金屬離子溶出的評價，結(jié)果如表1所示。
被覆層和基材的變形阻力比，即被覆層的變形阻力/基材的變形阻力，是測定軟化材(O材)在室溫(RT)的維氏硬度(Hv)之比。
加工健全性，是針對缺陷和延展性的，沒有缺陷且延展性好的表示為○，有輕度皺褶發(fā)生的為△，表層發(fā)生破裂(發(fā)生重度皺褶)的表示為×。其中對有無皺褶的判斷，是對軋制加工后的板材的長度方向(軋制方向)相垂直的斷面上，進行光學顯微鏡進行觀測(目測)來判定。
判斷有無基材材料的金屬離子溶出的試驗，將0.3mmt的板材表面用環(huán)氧樹脂封裝，露出一部分表面(板材的端面被保護起來)，將該試樣在硫酸水溶液(pH2、80℃)中浸漬100小時后，由誘導接合等離子發(fā)光分光分析裝置(ICP-AES，Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy)的方法進行水溶液中金屬離子的測定，未檢測出基材材料的金屬離子的表示為○，檢測出的表示為×。
表1改變結(jié)構(gòu)金屬材料種類的輕量導電性耐腐蝕金屬材料的評價結(jié)果

表2基材(鋁合金)的成分組成

表3基材(鎂合金)的成分組成

表4被覆層(鈦材)的成分組成

如表1所示，基材使用硬度比大的比較例1的純Al材(A-1)和比較例2的Al-Mn合金(A-2)時，產(chǎn)生皺褶、表層龜裂(表層破裂)，無法順利進行包覆軋制和其后的精軋?zhí)幚?。另一方面，實施?～6中以Al-Mg合金材料(A-3、A-4)、Al-Cu合金材料(A-5)和Mg合金材料為基材時，硬度比接近1，在加工性(加工健全性)方面沒有問題。
還有，從發(fā)生表面龜裂(表面破裂)的比較例1和比較例2中可以檢測出基材材料的金屬離子(Al離子)，但在實施例1～6中沒有檢測出來。這表明，加工健全性對耐腐蝕性有強烈影響。
還有，使用T-1、T-2、T-3三種鈦材作為被覆層，在加工上沒有特別的問題。變形阻力比較小的鈦材和Al-Mg合金或者Mg合金的組合，可以有效的作為燃料電池用耐腐蝕金屬材料。
實施例7～10，比較例3～7使用如表5所示的結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)成比，依照圖2所示的本實施方式的制造方法，制造可以用于燃料電池用隔板的輕量導電性耐腐蝕金屬材料。表5中的T-1、A-1～A-4與上述表2及表4中所示的成分組成相同。
進行加工健全性、材料成本高低以及長期電池特性(1000小時、隔板的耐腐蝕性、耐久性試驗)的評價，結(jié)果如表5所示。
加工健全性，是針對缺陷和延展性的，沒有缺陷且延展性好的表示為○，有輕度皺褶發(fā)生的為△，表層發(fā)生破裂(發(fā)生重度皺褶)的表示為×。其中對有無皺褶的判斷，是對軋制加工后的板材的長度方向(軋制方向)相垂直的斷面上，進行光學顯微鏡進行觀測(目測)來判定。
至于材料成本的高低，成本低的(低于Ti材的1/3)表示為○，成本高的(高于Ti材的1/3)表示為×。還有，表中的“-”表示未評價。
長期電池特性試驗(1000小時)中，對制造出的輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料進行二次加工(壓力加工)，制成固體高分子用的燃料電池隔板之后，與其他用途的MEA(Membrane Electrode Assembly)組合，形成燃料電池單元，進行發(fā)電試驗。其中，MEA是將溶液(シグマアドリツジジャパン社制，Nafion5％溶液)中分散的(燃料極和空氣極)觸媒(田中貴金屬工業(yè)株式會社制，TEC10V50E)在電解質(zhì)膜(デュポン社制，Nafionl12)上涂布，由熱壓接合的辦法制作。這時，燃料極一側(cè)和空氣極一側(cè)都調(diào)整到白金量為0.4mg/cm2的涂布厚度。還有，發(fā)電試驗的條件為，燃料(氫氣)利用率為70％、氧化劑(空氣中的氧氣)利用率為40％，以恒電流密度通電(電流密度為0.25A/cm2)。發(fā)電試驗的結(jié)果，如果是未見電池特性惡化、穩(wěn)定的(輸出電壓的降低率小于等于10mv/kh)則表示為○，電池特性惡化的(輸出電壓的降低率大于10mv/kh)表示為×。
表5結(jié)構(gòu)材料和其構(gòu)成以及評價結(jié)果

由表5可知，在沒有接合金屬層時，使用薄壁材料(0.5mmt以下)無法獲得健全品(t是表示板厚的記號)。還有，作為接合金屬層，使用純Al、Al-Mn合金時，厚度為0.5mmt～0.05mmt的薄壁化是可能的。還有，被覆層的Ti的構(gòu)成比(厚度)在大于等于5％時，得到健全品。如果Ti構(gòu)成比(厚度)大于等于30％，由于Ti的價格高從經(jīng)濟性方面考慮不合適。
此外，對實施例7～10進行長期電池特性試驗，即使發(fā)電1000小時，也未見電池特性的惡化，性能穩(wěn)定，因此可以確認，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池隔板(輕質(zhì)導電性耐腐蝕金屬材料)，在電化學苛刻條件的燃料電池環(huán)境中仍具有優(yōu)秀的耐腐蝕性和耐久性，并且具有良好的加工性(進行壓力加工這樣的二次加工也不產(chǎn)生缺陷)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用隔板，其以鋁合金或者鎂合金為基材，在所述基材的至少一側(cè)上設置鈦或者鈦合金的被覆層，并具有將所述基材和所述被覆層合成一體的接合金屬層的燃料電池用隔板，其特征在于所述接合金屬層為比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用隔板，其特征在于所述基材和所述被覆層的變形阻力比，即被覆層的變形阻力/基材的變形阻力，以維氏硬度(Hv)的比計，其范圍為0.5～2.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用隔板，其特征在于所述具有低變形阻力的金屬為純鋁或者實質(zhì)性不含鎂的鋁合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用隔板，其特征在于在所述被覆層的與所述基材接合面的相反面上形成導電性的保護膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池用隔板，其特征在于所述保護膜可以是貴金屬納米膜、石墨系涂膜、氮化膜中的任意一種，或者這些中的2種或以上的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用隔板，其特征在于所述基材、所述被覆層和所述接合金屬層的整體厚度為0.05～2mm，所述被覆層的厚度占所述整體厚度的5～30％。
7.一種導電性耐腐蝕金屬材料，其為以鋁合金或者鎂合金為基材，在所述基材的至少一側(cè)上設置鈦或者鈦合金的被覆層，并具有將所述基材和所述被覆層合成一體的接合金屬層的導電性耐腐蝕金屬材料，其特征在于所述接合金屬層為比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬。
8.一種燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于該方法包括在以鋁合金或者鎂合金為基材的至少一側(cè)的表面上，對由鈦或者鈦合金構(gòu)成的被覆層進行包覆加工的第1工序，其中在所述被覆層和所述基材之間存在由比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬構(gòu)成的接合金屬層；以及在所述被覆層的與所述基材接合面的相反面上形成導電性保護膜的第2工序。
9.一種燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于該方法包括預先在鈦或者鈦合金形成的被覆層的一側(cè)表面上形成導電性的保護膜，以及在相反側(cè)的表面上形成接合金屬膜的第1工序；以及在所述被覆膜和由鋁合金或者鎂合金構(gòu)成的基材之間，形成由比所述基材和所述被覆層變形阻力小的金屬構(gòu)成的接合金屬層，對所述被覆膜和由鋁合金或者鎂合金構(gòu)成的基材進行包覆加工的第2工序。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于由軋制或者靜水壓擠壓包覆來進行所述包覆加工工序。
全文摘要
本發(fā)明提供燃料電池用隔板及其制作方法，和用于這種燃料電池隔板的導電性耐腐蝕金屬材料。這種燃料電池隔板的特點是，即使在電化學苛刻條件下的燃料電池環(huán)境中仍具有優(yōu)良的耐腐蝕性和導電性，并且可以實現(xiàn)輕量化，而且具有良好的加工性能。在由鋁合金或者鎂合金形成的基材(11)表面上，形成由純鋁或者不含鎂的鋁合金構(gòu)成的接合金屬層(12A、12B)，在其表面上形成具有耐腐蝕性的、由鈦或者鈦合金形成的被覆層(13A、13B)，進而，在被覆層(13A、13B)的表面上形成具有導電性的保護膜(14A、14B)。
文檔編號H01M8/02GK1797814SQ200510097520
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者清藤雅宏, 和島峰生, 中川和彥, 福田州洋, 笹岡高明, 野村克己 申請人:日立電線株式會社