[发明专利]固体高分子型燃料电池的隔板用不锈钢板及使用该钢板的固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池以及作为其构成要素的隔板用的不锈钢材料。

背景技术

燃料电池由于利用氢与氧的结合反应时产生的能量，因此从节能和环境对策两方面出发，是有望被引进和普及的下一代发电系统。燃料电池具有多种类型，例如有固体电解质型、熔融碳酸盐型、磷酸型和固体高分子型等。

在这些当中，固体高分子型燃料电池的输出功率密度高，可以小型化，另外，在比其它类型的燃料电池更低的温度下工作，且起动停止容易。因此，固体高分子型燃料电池有望在电动汽车或家庭用小型热电联供上利用，近年来，特别引人注目。

图1所示为固体高分子型燃料电池(以下也简称为“燃料电池”)的结构图。图1(a)是构成燃料电池的单电池的分解图，图1(b)是将多个单电池组合而制作的燃料电池总体的立体图。

如图1所示，燃料电池1是单电池的集合体(stack，叠加)。如图1(a)所示，单电池为如下结构：在固体高分子电解质膜2的一个面上层叠有起电池的阴极的作用的气体扩散电极层3(也称为燃料电极膜，以下也表示为“阴极”)，且在另一个面上层叠有起电池的阳极的作用的气体扩散电极层(也称为氧化剂电极膜，以下也表示为“阳极”)4，在该两个面上重叠有隔板(双极板)5a、5b。

另外，还具有在上述单电池与单电池之间或每隔几个单电池配置有具有冷却水的流通通路的水分离器的水冷型燃料电池。本发明也以这种水冷型燃料电池为对象。

作为固体高分子电解质膜(以下简称为“电解质膜”)2，使用具有氢离子(质子)交换基的氟系质子传导膜。阴极3和阳极4中设置有粒状的铂催化剂和石墨粉，此外根据需要有时也设置有由具有氢离子(质子)交换基团的氟树脂构成的催化剂层。在该情况下，燃料气体或氧化性气体与该催化剂层接触，促进反应。

燃料气体(氢气或含氢的气体)A流经设置在隔板5a上的流路6a，将氢供给到燃料电极膜3。另外，诸如空气之类的氧化性气体B流经设置在隔板5b上的流路6b，供给氧。通过这些气体的供给，发生电化学反应，产生直流电力。

对固体高分子型燃料电池的隔板所要求的主要功能如下所述：

(1)作为将燃料气体、氧化性气体均匀地供给到电池面内的“流路”的功能，

(2)作为将阳极侧生成的水与反应后的空气、氧之类的载气一起从燃料电池有效地排出到系统外的“流路”的功能，

(3)与电极膜(阴极3、阳极4)接触，成为电通路，进一步成为单电池之间的导电“连接器”的功能，

(4)作为相邻的电池之间的一个电池的阴极室与相邻的电池的阳极室的“间壁”的功能，以及，

(5)作为水冷型燃料电池中的冷却水流路与相邻的电池的“间壁”的功能。

作为要求实现这种功能的固体高分子型燃料电池中使用的隔板(以下简称为“隔板”)的基材的材料，大致分为金属系材料和碳系材料。

基于不锈钢、Ti、碳钢等金属系材料的隔板可通过压制加工等方法来制造。另一方面，在利用碳系材料的隔板的制造方法中，具有多种方法。作为该方法，可列举出将酚醛系、呋喃系等热固化性树脂浸渍到石墨基板中固化并烧成的方法，将碳粉末与酚醛树脂、呋喃树脂或焦油沥青等混炼，压制成型或注射成型为板状，将所得部件烧成，形成为玻璃状碳的方法。

以不锈钢为首的金属系材料具有优异的金属特有的加工性、可以使隔板的厚度较薄、实现隔板的轻量化等优点。然而，有可能由于腐蚀所致的金属离子溶出、金属表面氧化而使导电性降低。因此，基于金属系材料的隔板(以下称为“金属隔板”)存在与气体扩散电极层的接触电阻(以下简称为“接触电阻”)可能上升的问题。

另一方面，碳系材料具有可获得轻量的隔板的优点。然而，存在具有气体透过性等问题、机械强度低等问题。

作为解决与金属隔板有关的上述问题的方法之一，如专利文献1所示，提出了在金属隔板的与基材的电极接触的表面上实施镀金的方案。然而，在汽车等移动物体用燃料电池和固定装置用燃料电池中大量使用金这一点从经济性和资源用量制约的观点出发存在问题。

因此，作为不使用金而解决上述问题的尝试之一，提出了用碳被覆金属隔板表面的方案。

以下列举了迄今为止作为用碳被覆金属隔板表面的方法而提出的技术。