耐蝕性、導(dǎo)電性、成型性優(yōu)異的固體高分子型燃料電池用分離器材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及作為工業(yè)用材料的耐蝕性、導(dǎo)電性、成型性優(yōu)異的金屬制分離器或構(gòu) 成其材料的薄板，以及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體高分子型燃料電池（PEFC)為將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水時的能量輸出為電力 的物質(zhì)，期待其為今后社會所需要的不排出C02的清潔能源。作為PEFC的用途熟知的有用 于汽車、家庭用燃料電池、手機(jī)等。在該P(yáng)EFC的內(nèi)部使用稱作分離器的部件。其主要是起 到形成氫氣與氧氣的通路，以及電池間的通電作用的部件。
[0003] PEFC用分離器的材料中通常使用碳和金屬兩類。由于碳的加工性差，且厚度變大、 尺寸變大，在汽車用PEFC中希望使用金屬制的分離器，懷著這樣的希望，以制造商為首，大 學(xué)等研宄機(jī)構(gòu)也正在進(jìn)行開發(fā)。
[0004] 非專利文獻(xiàn)1中報告有由金屬玻璃材料制成的分離器在超冷卻液體溫度范圍內(nèi) 的成型性、耐蝕性、接觸電阻、發(fā)電特性。
[0005] 專利文獻(xiàn)1中報告有為了將不銹鋼適用作母體使其兼具導(dǎo)電性，而用沉淀物貫穿 鈍態(tài)內(nèi)部，提高不銹鋼內(nèi)部和表面的導(dǎo)電性的制造方法。由于鈍態(tài)的電阻大，因此如果覆蓋 材料的表面則會提高接觸電阻（導(dǎo)電性惡化）。
[0006] 專利文獻(xiàn)2、3中也選擇在材料的表層形成鈍態(tài)來提高耐蝕性，但是與上述同樣 地，為了提高導(dǎo)電性需要在表面進(jìn)行電鍍等特殊處理。
[0007] 專利文獻(xiàn)4中報告了用于制造非晶質(zhì)薄板的制造裝置和方法，其能夠得到PEFC用 分離器中所需尺寸的薄板。作為主要裝置的噴射槍的構(gòu)造示于圖1。利用該噴射槍，一邊急 速冷卻飛行粉末粒子一邊在基材表面進(jìn)行成膜，最后從基材剝離而得到非晶質(zhì)的薄板。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009] 非專利文獻(xiàn)
[0010] 非專利文獻(xiàn)1 :橫山雅紀(jì)、山浦真一、木村久道、井上明久、Ni基金屬力'7只?過冷 卻液體狀態(tài)(乙朽汀§溫感7°b只加工性朽AK燃料電池用七Ab-夕?試作、粉體朽AK 粉末冶金、54 (2007)、773-777
[0011] 專利文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)1 :特開2003-193206號公報
[0013] 專利文獻(xiàn)2:特開2006-210320號公報
[0014] 專利文獻(xiàn)3:特開平10-228914號公報
[0015] 專利文獻(xiàn)4:特許第4579317號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 發(fā)明要解決的問題
[0017] 至今為止，PEFC用金屬制分離器的實際應(yīng)用變得困難起來的原因是難以得到滿足 全部的耐蝕性、導(dǎo)電性、成型性、成本的材料。據(jù)稱在非專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)1中，在通電 中，材料表面的非導(dǎo)電性氧化物生長，發(fā)電特性下降。此外，專利文獻(xiàn)2、3由于需要在表面 上進(jìn)行特殊處理，并且使用的是高價的材料，因此可視為具有用于實用化的成本壁皇。本發(fā) 明提出了不需要復(fù)雜的操作，滿足全部的耐蝕性、導(dǎo)電性、成型性的PEFC用金屬制分離器 或能夠制得該分離器等的材料的薄板，以及它們的制造方法。
[0018] 解決問題的方法
[0019] 本發(fā)明中，為了制造金屬制的薄板，使用如圖1或圖2所示的超急速冷卻迀移控制 噴射裝置（超急冷遷移制御噴射裝置）。由于其為能夠制造以粉末材料作為原料，在基材表 面上形成瞬時熔融的粉末材料的驟冷皮膜，進(jìn)而從基材剝離得到的驟冷薄板的裝置，如果 使用易成為非晶質(zhì)的組成的粉末材料，則能夠得到非晶質(zhì)的皮膜及薄板。具體而言，在飛行 時，在火焰中完全熔融的粉末材料從到達(dá)基材之前起便通過氮氣或霧氣等的制冷劑被急速 冷卻，其結(jié)果是，在基材表面上形成的皮膜成為非晶質(zhì)。圖1、圖2中的超急速冷卻迀移控制 噴射裝置的區(qū)別在于，瞬時形成的皮膜的寬度，圖1為15_寬，圖2為300_寬。兩種超急 速冷卻迀移控制噴射裝置均能得到同質(zhì)的皮膜和薄板，但是考慮到對應(yīng)于1臺超急速冷卻 迀移控制噴射裝置的制造效率，優(yōu)選圖2的這臺超急速冷卻迀移控制噴射裝置，因此，本發(fā) 明主要使用這臺裝置制造薄板。
[0020] 本發(fā)明中，將導(dǎo)電性粉末混合入易非晶質(zhì)化的組成的物質(zhì)等中作為供給于如上所 述的超急速冷卻迀移控制噴射裝置的粉末材料。
[0021] 通常，在成為非晶質(zhì)的組成的金屬凝固時，如果存在如本次混入的導(dǎo)電性粉末這 樣的成為結(jié)晶化核的物質(zhì)，則不是非晶質(zhì)而容易結(jié)晶化而凝固，但是，通過使用圖1、圖2所 示的超急速冷卻迀移控制噴射裝置，能夠防止其發(fā)生。這是因為，在飛行時，成為非晶質(zhì)的 組成的金屬粉末與導(dǎo)電性粉末不是混合狀態(tài)，而獨立飛行、凝固（成為非晶質(zhì)的組成的金 屬粉末）。即，使用混合易成為非晶質(zhì)的組成的金屬粉末與導(dǎo)電性粉末得到的粉末材料，通 過使用圖1或圖2所示的超急速冷卻迀移控制噴射裝置，能夠制造（含有）非晶質(zhì)金屬母 相中混合有導(dǎo)電性物質(zhì)的薄板。
[0022] 對此，為了實際進(jìn)行預(yù)驗證，選擇Ni65Cr15P16B4作為成為非晶質(zhì)的組成的金屬粉 末，選擇c、B4C作為導(dǎo)電性粉末，利用使用圖1所示的超急速冷卻迀移控制噴射裝置的上 述方法制造非晶質(zhì)的薄板。當(dāng)從通過薄板的DSC測定的放熱能計算出非晶質(zhì)率（以非晶 質(zhì)Ni65Cr15P16B，的放熱能作為100% )時，混合C、B4C中任意一個的導(dǎo)電性粉末的薄板 的非晶質(zhì)率均為89?95 %。與沒有混合導(dǎo)電性粉末的Ni65Cr15P16B4薄板相同的結(jié)果驗 證了Ni65Cr15P16B4的非晶質(zhì)化不受導(dǎo)電性粉末混合的影響。另外，DSC為差示掃描量熱法 (Differentialscanningcalorimetry)的縮寫，其測定測試樣品與基準(zhǔn)物質(zhì)之間的熱量 差，因此，利用該測定能夠得到測試樣品從非晶質(zhì)至結(jié)晶化時的放熱能值。
[0023] 可以考慮在作為母材（母相）的具有耐蝕性的金屬材料中使用非晶質(zhì)或結(jié)晶構(gòu)造 金屬的不銹鋼等。由于即使是非晶質(zhì)，金屬玻璃也具有成為超冷卻液體的溫度范圍，因此， 如果在該溫度范圍內(nèi)進(jìn)行成型，則不會發(fā)生破裂，能夠進(jìn)行尺寸精度優(yōu)異的加工。并且，使 用不銹鋼，利用一般制造方法生產(chǎn)板狀制品的情況下，由于形成導(dǎo)電性沉淀物，因此，如果 多添加硼（B)等進(jìn)行合金化，則很多固溶于母相，加工性惡化（固溶硬化）。但是，如果使用 利用圖1或圖2所示超急速冷卻迀移控制噴射裝置的上述制造方法，則由于混合入的導(dǎo)電 性材料的粉末成分不固溶于不銹鋼母相中，而是單獨存在于薄板內(nèi)，因此可以期待不發(fā)生 加工性的下降。實際上，制造薄板得到的物質(zhì)的截面照片示于圖4。其為，利用圖2所示的 超急速冷卻迀移控制噴射裝置，在SUS316L的粉末中混合2. 5wt%的B4C得到的粉末材料形 成的薄板的截面照片，其中虛線圈內(nèi)的深灰色為B4C。進(jìn)一步地，將用EDX分析該截面照片中 的SUS316L母相處所得到的結(jié)果示于圖5。此處，由于不能夠確認(rèn)B的峰，因此實際上驗證了 如上所述的B不固溶于不銹鋼母相中。EDX為能量色散X射線光譜法（Energydispersive X-rayspectrometry)的縮寫，其為利用能量分散型檢測器檢出向樣品照射電子射線時產(chǎn) 生的X射線，從其能量和強(qiáng)度測得構(gòu)成物體的物質(zhì)和濃度的元素分析方法。圖5中，橫軸對 應(yīng)能量，縱軸對應(yīng)強(qiáng)度。
[0024] 本發(fā)明研宄的金屬材料由于為形成鈍態(tài)而發(fā)揮耐蝕性的物質(zhì)，因此，可以認(rèn)為如 果不進(jìn)行一定的處置的話其接觸電阻會很大。因此，為了降低接觸電阻，必須混入使鈍態(tài)內(nèi) 部通電的導(dǎo)電性材料粉末。
[0025] 在導(dǎo)電性粉末材料中，研宄了利用非金屬的C系粉末。在非金屬的導(dǎo)電性粉末中， 由于作為PEFC的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境大多數(shù)為保持在pH= 3、80°C的穩(wěn)定狀態(tài)，并且成本低廉，因此， 只要成本與特性的效果一致，則在導(dǎo)電性粉末中能夠使用各種成分。這是因為，本發(fā)明使用 的超急速冷卻迀移控制噴射裝置為利用減少氧氣供給的還原性火焰于約2000°C熔融金屬 的粉末材料，因此，只要是熔點在這以上的導(dǎo)電