[发明专利]用于燃料电池的不锈钢分离器的制造方法

说明书

本申请是分案申请，原申请的申请号为“200780052648.1”，申请日为2007年07月27日，发明名称为“用于燃料电池的不锈钢分离器及其制造方法”。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的不锈钢分离器及其表面处理方法。本发明尤其涉及经过表面处理以改进导电性和抗腐蚀性的用于燃料电池的不锈钢分离器及其表面处理方法。

背景技术

燃料电池是通常通过氢和氧的氧化和还原将化学能转换成电能的电化学能量转换装置。

在阳极，发生氧化将氢分裂成氢离子和电子。氢离子通过电解液移动到阴极，而电子通过电路移动到阴极。在阴极，发生还原将氢离子和电子与氧组合产生水。

仅使用燃料电池的单个单元电池因其低电压而不切实际，因此在实际上通常使用一组几个到几百个单元电池。此时，设置分离器以保证单元电池之间的电连接同时分离单元电池组中的反应气体。

之前，通常使用石墨基分离器。然而近来已积极开发了金属分离器以克服石墨基分离器的问题，比如石墨的高脆性和高制造成本。

分离器需要具有足够高的导电性以保证各个单元电池之间的电连接。此外，由于燃料电池内部具有高浓度的氢离子，高温和强腐蚀环境，也需要分离器具有足够高的抗腐蚀性。

为了保证分离器的导电性和抗腐蚀性，日本专利申请公开号H11-162478和H10-228914公开了将贵金属，比如金，电镀在金属分离器表面上的技术。

不管抗腐蚀性和导电性改进如何，上面所述的这种技术制造成本高且产生缺陷比如针孔，这导致实用性低。

日本专利申请公开号2003-276249和2003-272653公开了将非常薄的金膜镀在金属分离器上以降低成本的技术。然而，这些技术的问题在于存在高的腐蚀可能性，该腐蚀和因在金的涂布期间产生的氢引起的针孔有关，且尽管金薄薄地涂布在上面，但和其他湿法涂布相比仍然昂贵。

PCT WO99/19927公开了一项将相对便宜的碳粉末分散在金属分离器的表面上，并通过辊轧和热处理扩散进入分离器的钝化膜以改进导电性的技术。

然而，扩散进入钝化膜的碳和钝化膜中大量存在的铬结合会沉淀出碳化铬，从而降低了铬含量。因此，材料表面上的抗腐蚀性变差，对燃料电池的性能产生负面影响。

此外，当这样的燃料电池用于车辆时，碳粉末可能因操作期间的振动和分离器分离，且由于不锈钢在没有合适的预处理时具有高接触电阻，因此它不适合用作金属分离器的原材料。

日本专利申请公开号2000-353531公开了通过钛的高温氮化在分离器表面上形成氮化钛膜的方法。PCT WO2005/124913A1公开了一种方法，通过该方法，具有气体和冷却剂路径的Ti板通过压制形成，并在还原性气氛中进行溅射和等离子体氮化处理以在分离器表面上形成氮扩散层。然而这些现有技术因使用昂贵的Ti材料和真空处理引起的低生产力而存在商业化的困难。

图1是说明市售常规不锈钢片的原子比作为自表面的深度的函数而变化的示意图。

所述不锈钢片具有从不锈钢片表面向沿着内部方向约1.5nm的深度形成的钝化膜并含有大量铁(Fe)和氧(O)。

所述钝化膜含有金属组分，比如铁、镍、铬等，这些金属组分会和外部环境中的氧结合，在钝化膜上形成氧化膜。

因而，由于Fe和O的结合在不锈钢片表面上形成的铁氧化物比如FeO、Fe₂O₃、和Fe₃O₄不能抑制分离器在80℃的高温下在硫酸气氛中的腐蚀并充当绝缘体，所述铁氧化物降低分离器的导电性，从而引起燃料电池性能的退化。

发明内容

本发明的一方面在于提供用于燃料电池的不锈钢分离器及其表面处理方法，该方法通过不锈钢片的表面改性以选择性地溶解钝化膜中大量存在的铁，可以提供铬的原子比增大的钝化膜。

本发明的另一方面在于提供用于燃料电池的不锈钢分离器及其表面处理方法，简单地通过蚀刻不锈钢片可以改进钝化膜的导电性和抗腐蚀性。

本发明的另一方面在于提供用于燃料电池的不锈钢分离器及其表面处理方法，该方法保证降低金属离子的洗出，以使燃料电池的性能即使在长期工作后也不变差。

本发明的另一方面在于提供改进了导电性、抗腐蚀性和耐久性的不锈钢分离器，和使用该不锈钢分离器的燃料电池。