固體高分子型燃料電池的隔板用不銹鋼箔的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及耐腐蝕性和密合性優(yōu)良的固體高分子型燃料電池的隔板用不銹鋼箱。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，從保護(hù)地球環(huán)境的觀點(diǎn)出發(fā)，發(fā)電效率優(yōu)良且不排出C02的燃料電池的開 發(fā)正在進(jìn)行。該燃料電池由出和〇 2通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，因此其基本結(jié)構(gòu)具有類似于三明 治的結(jié)構(gòu)，由電解質(zhì)膜(離子交換膜）、兩個電極(燃料極和空氣極）、0 2(空氣)和出的擴(kuò)散層 以及兩個隔板構(gòu)成。
[0003] 并且，根據(jù)所使用的電解質(zhì)膜的種類，分類成磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料 電池、固體氧化物型燃料電池、堿型燃料電池和固體高分子型燃料電池 （PEFC; pro ton-exchange membrane fuel cell( 質(zhì)子交換膜燃料電池 ） 或 polymer electrolyte fuel cell(聚合物電解質(zhì)燃料電池）），分別正在進(jìn)行開發(fā)。
[0004] 這些燃料電池之中，與其它燃料電池相比，固體高分子型燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0005] (a)發(fā)電溫度為約80°C，能夠在非常低的溫度下發(fā)電；
[0006] (b)能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池主體的輕量化、小型化；
[0007] (c)能夠在短時間內(nèi)啟動，燃料效率、輸出密度高;等。
[0008] 因此，固體高分子型燃料電池被期待用作電動汽車的搭載用電源、家庭用或業(yè)務(wù) 用的固定型發(fā)電機(jī)、便攜式的小型發(fā)電機(jī)。
[0009] 固體高分子型燃料電池隔著高分子膜由出和〇2提取出電，如圖1所示，利用氣體擴(kuò) 散層2、3(例如碳紙等）以及隔板4、5夾住膜-電極接合體1，將其作為單個構(gòu)成要素(所謂的 單電池）。然后，在隔板4與隔板5之間產(chǎn)生電動勢。
[0010]需要說明的是，上述膜-電極接合體1被稱為MEA(膜-電極組件，Membrance-Electrode Assembly)，是將高分子膜與在其膜的正反面負(fù)載有鉬系催化劑的炭黑等電極 材料一體化而成的，厚度為數(shù)十μπι至數(shù)百μπι。另外，氣體擴(kuò)散層2、3多數(shù)情況下與膜-電極接 合體1 一體化。
[0011] 另外，在將固體高分子型燃料電池提供于實(shí)用的情況下，一般情況下串聯(lián)連接數(shù) 十至數(shù)百個如上所述的單電池而構(gòu)成燃料電池堆來使用。
[0012] 在此，對于隔板4、5而言，不僅要求作為(a)將單電池間隔開的隔壁的作用，還要求 作為：（b)將產(chǎn)生的電子進(jìn)行運(yùn)送的導(dǎo)電體、（c)0 2(空氣)和出流通的空氣流路6、氫氣流路7、 (d)將生成的水、氣體排出的排出通路(兼具空氣流路6、氫氣流路7)的功能，因此需要優(yōu)良 的耐久性和導(dǎo)電性。
[0013] 在此，關(guān)于耐久性，在作為電動汽車的搭載用電源使用的情況下，假設(shè)為約5000小 時。另外，在作為家庭用的固定型發(fā)電機(jī)等使用的情況下，假設(shè)為約40000小時。因此，對于 隔板，要求可耐受長時間的發(fā)電的耐腐蝕性。其原因是由于：如果金屬離子因腐蝕而溶出， 則高分子膜(電解質(zhì)膜)的質(zhì)子傳導(dǎo)性降低。
[0014] 另外，關(guān)于導(dǎo)電性，期望隔板與氣體擴(kuò)散層的接觸電阻盡可能低。其原因是由于： 如果隔板與氣體擴(kuò)散層的接觸電阻增大，則固體高分子型燃料電池的發(fā)電效率降低。即，可 以說隔板與氣體擴(kuò)散層的接觸電阻越小，則發(fā)電特性越優(yōu)良。
[0015] 迄今為止，使用石墨作為隔板的固體高分子型燃料電池正在實(shí)用化。這種由石墨 構(gòu)成的隔板具有接觸電阻相對較低、而且不腐蝕這樣的優(yōu)點(diǎn)。但是，石墨制的隔板因碰撞容 易破損，因此具有不僅難以小型化、而且用于形成空氣流路、氫氣流路的加工成本高這樣的 缺點(diǎn)。由石墨構(gòu)成的隔板所具有的這些缺點(diǎn)導(dǎo)致妨礙了固體高分子型燃料電池的普及。
[0016] 因此，作為隔板的原材料，嘗試應(yīng)用金屬原材料代替石墨。特別是，從提高耐久性 的觀點(diǎn)出發(fā)，面向?qū)⒉讳P鋼或鈦、鈦合金等作為原材料的隔板的實(shí)用化進(jìn)行了各種研究。
[0017] 例如，在專利文獻(xiàn)1中公開了使用不銹鋼或鈦合金等容易形成鈍態(tài)皮膜的金屬作 為隔板的技術(shù)。但是，形成鈍態(tài)皮膜會招致接觸電阻的升高，導(dǎo)致發(fā)電效率的降低。因此，這 些金屬原材料被指出與石墨原材料相比接觸電阻大、而且耐腐蝕性差等需要改善的問題。
[0018] 在專利文獻(xiàn)2中公開了通過對奧氏體系鋼板(SUS304)等金屬隔板的表面實(shí)施金鍍 層由此降低接觸電阻、確保高輸出功率的技術(shù)。但是，利用薄的金鍍層難以防止針孔的產(chǎn) 生，相反，利用厚金鍍層則殘留成本的問題。
[0019] 作為解決上述問題的方法，本發(fā)明人首先在專利文獻(xiàn)3中提出了"在金屬制的基體 的表面具有包含Sn合金層的皮膜并且在該皮膜中含有導(dǎo)電性粒子的固體高分子型燃料電 池的隔板用金屬板"。
[0020] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0021] 專利文獻(xiàn)
[0022] 專利文獻(xiàn)1:日本特開平8-180883號公報 [0023] 專利文獻(xiàn)2:日本特開平10-228914號公報 [0024] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2012-178324號公報 [0025] 專利文獻(xiàn)4:日本特開2013-118096號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]發(fā)明所要解決的問題
[0027] 通過開發(fā)出上述專利文獻(xiàn)3中記載的固體高分子型燃料電池的隔板用金屬板，能 夠提高在固體高分子型燃料電池的隔板的使用環(huán)境下的耐腐蝕性。
[0028] 但是，在應(yīng)用于汽車等中使用的燃料電池時，從搭載空間及能量效率的觀點(diǎn)出發(fā)， 要求減薄隔板而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步緊湊化。
[0029] 因此，本發(fā)明人在專利文獻(xiàn)4中提出如下所述的燃料電池用隔板的表面處理方法， 其中，對于高Cr不銹鋼制的基體的基材表面，不進(jìn)行中間層的形成處理，而實(shí)施發(fā)生Cr過鈍 化溶解反應(yīng)的陽極電解處理，然后立即進(jìn)行Ni 3Sn2層的形成處理。
[0030] 由此，得到了在將包含Ni3Sn2層等Sn合金層的皮膜（以下也稱為Sn合金層皮膜)薄 膜化的情況下也具有優(yōu)良的耐腐蝕性的固體高分子型燃料電池的隔板。
[0031] 但是，在燃料電池的制造工序中，在基體與Sn合金層皮膜之間需要高密合性以便 使得Sn合金層皮膜不從基體發(fā)生剝離。關(guān)于這點(diǎn)，利用上述專利文獻(xiàn)4中記載的技術(shù)，例如 在將隔板加工成期望的形狀的工序或組裝燃料電池單元的工序、使用時的振動劇烈的情況 下，有時無法說密合性一定是充分的，有可能發(fā)生皮膜的剝離。
[0032]本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)狀而開發(fā)的，其目的在于提供一種固體高分子型燃料電池的 隔板用不銹鋼箱，其導(dǎo)電性優(yōu)良自不言而喻，即使在使Sn合金層皮膜變薄的情況下也能夠 同時得到在固體高分子型燃料電池的隔板的使用環(huán)境下的優(yōu)良的耐腐蝕性和基體與Sn合 金層皮膜之間的優(yōu)良的密合性。
[0033]用于解決問題的手段
[0034]本發(fā)明人為了解決上述問題，對于使用不銹鋼箱作為固體高分子型燃料電池用隔 板的基材而針對該不銹鋼箱的各種皮膜形成處理進(jìn)行了深入研究。
[0035]其結(jié)果得出以下見解。
[0036] (1)首先，本發(fā)明人為了實(shí)現(xiàn)密合性的提高，嘗試了在形成Sn合金層皮膜之前在不 銹鋼箱制的基體表面形成由Ni或Cu這樣的純金屬層等構(gòu)成的觸擊(strike)鍍層作為基底 皮膜。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在不銹鋼箱制的基體表面設(shè)置觸擊鍍層作為基底皮膜，Sn合金層皮 膜的密合性大幅提高。但是，設(shè)置這樣的觸擊鍍層對于緊湊化這點(diǎn)而言變得不利。
[0037] (2)因此，本發(fā)明人在設(shè)置上述觸擊鍍層的基礎(chǔ)上嘗試Sn合金層皮膜的進(jìn)一步薄 膜化。但是，如果使Sn合金層皮膜變薄，則從Sn合金層皮膜通往基材的缺陷增加，通過這些 缺陷，觸擊鍍層連續(xù)地發(fā)生腐蝕。由此，成為觸擊鍍層的上層的Sn合金層皮膜發(fā)生剝離，不 銹鋼箱制的基體露出在隔板使用環(huán)境中，因此結(jié)果發(fā)現(xiàn)耐腐蝕性大幅劣化。
[0038] (3)因此，本發(fā)明人為了防止上述實(shí)現(xiàn)Sn合金層皮膜的薄膜化時所產(chǎn)生耐腐蝕性 的劣化而進(jìn)一步進(jìn)行了研究。
[0039] 其結(jié)果得出如下見解:通過將上述觸擊鍍層的附著量控制在比以往少的0.001~ lg/m2的范圍內(nèi)，能夠抑制觸擊鍍層的連續(xù)腐蝕，其結(jié)果是能夠有效地防止伴隨Sn合金層皮 膜的剝離的耐腐蝕性的劣化，而且不產(chǎn)生密合性的劣化。
[0040] 在此，關(guān)于通過將上述觸擊鍍層的附著量控制在0.001~1 g/m2的范圍由此能夠抑 制觸擊鍍層的連續(xù)腐蝕的原因，本發(fā)明人考慮如下。
[0041] 即，通過將觸擊鍍層的附著量控制在比以往少的范圍內(nèi)，由此在不銹鋼箱制的基 體表面產(chǎn)生觸擊鍍層的非鍍敷區(qū)域這樣的不連續(xù)部，該觸擊鍍層的不連續(xù)部作為阻止腐蝕 的進(jìn)行的區(qū)域而發(fā)揮作用。認(rèn)為其結(jié)果是即使在使Sn合金層皮膜變薄的情況下也可抑制觸 擊鍍層的連續(xù)腐蝕。
[0042] (4)另外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，作為觸擊鍍層，可以制成Au、Ag、Cu或Ni等的純金屬層、以 及含有選自這些元素中的至少一種的合金層，其中，包含Ni與P的合金層的Ni-P觸擊鍍層的 材料成本低、耐腐蝕性也優(yōu)良，因此適合作為觸擊鍍層。此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，特別是將該 Ni-P觸擊鍍層中的P含量控制在5~22質(zhì)量％的范圍內(nèi)，由此即使在隔板環(huán)境下長時間暴露 于高電位的情況下，也能夠更穩(wěn)定地維持優(yōu)良的耐腐蝕性。
[0043]作為其原因，本發(fā)明人認(rèn)為是由于:通過將Ni-P觸擊鍍層中的P含量控制在5~22 質(zhì)量％的范圍內(nèi)，形成了在隔板的使用環(huán)境下更穩(wěn)定的Ni-P化合物，由此，觸擊鍍層的腐蝕 被進(jìn)一步抑制。