[发明专利]固体高分子型燃料电池分隔件用钛材料及其制造方法以及使用它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、作为其构成要素的分隔件中使用的钛材料以及钛材料的制造方法。

背景技术

燃料电池利用氢与氧键合反应时产生的能量，因而从节能和环境对策这两方面出发，是其导入和普及受到期待的新一代发电系统。这样的燃料电池有固体电解质型、熔融碳酸盐型、磷酸型以及固体高分子型等各种燃料电池。

在它们之中，固体高分子型燃料电池的输出密度高、可以小型化，此外与其它类型的燃料电池相比在低温下工作、启动停止容易。因此，固体高分子型燃料电池被期待用于电动汽车、家庭用的小型热电同时供给系统，近年来特别受到关注。

图1是表示固体高分子型燃料电池(以下也简称为“燃料电池”)的结构的图，图1的(a)是构成燃料电池的单电池的分解图，图1的(b)是将大量的单电池组合而制作的燃料电池整体的立体图。

如图1所示，燃料电池1为单电池的集合体(堆栈)。单电池中，如图1的(a)所示，在固体高分子电解质膜2的一面层叠被称为阳极侧气体扩散电极层或燃料电极膜的元件(以下简称为“阳极”)3。另一方面，在固体高分子电解质膜2的另一面层叠被称为阴极侧气体扩散电极层或氧化剂电极膜的元件(以下简称为“阴极”)4。单电池的结构如下：在一面层叠了阳极3而另一面层叠了阴极4的固体高分子电解质膜2的两面叠置有分隔件(双极板)5a、5b。

另外，还有在上述单电池与单电池之间、或者给多个单电池的每个配置了带冷却水的流通路的水分隔件的水冷型燃料电池。本发明也将那样的水冷型燃料电池作为对象。

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。阳极3和阴极4中有时还设置有由颗粒状的铂催化剂、石墨粉、以及根据需要的具有氢离子(质子)交换基的氟树脂形成的催化剂层。此时，燃料气体或者氧化性气体与该催化剂层接触而促进反应。

燃料气体(氢气或者含有氢气的气体)A流经分隔件5a中设置的流路6a向燃料电极膜3供给氢气。此外，空气之类的氧化性气体B流经分隔件5b中设置的流路6b并供给氧气。通过供给这些气体来发生电化学反应、产生直流电力。

固体高分子型燃料电池的分隔件所需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)作为将阴极侧生成的水与反应后的空气、氧气等载气一同从燃料电池中有效地排出到体系外的“流路”的功能；

(3)与电极膜(阳极3、阴极4)接触而成为电的通道，进而成为单电池间的电的“连接器”的功能；

(4)在相邻的电池间，作为一侧的电池的阳极室与邻接的电池的阴极室的“隔壁”的功能；以及

(5)水冷型燃料电池中，作为冷却水流路与邻接的电池的“隔壁”的功能。

作为实现这样的功能所需的固体高分子型燃料电池中使用的分隔件(以下简称为“分隔件”)的基材材料，大致分为金属系材料和碳系材料。

以钛为代表的金属系材料具有金属特有的加工性优异、可以降低分隔件的厚度、实现分隔件的轻量化等的优点，但担心由金属表面的氧化导致导电性降低。因此，成问题的是利用金属系材料的分隔件(以下简称为“金属制分隔件”)与气体扩散层的接触电阻有可能上升。

另一方面，碳系材料具有可以得到轻量的分隔件的优点，但存在具有透气性的问题、机械强度低的问题。

其中，关于金属制分隔件、特别是由钛系材料形成的分隔件(以下简称为“钛制分隔件”)，迄今提出了各种方案、如以下的专利文献1～5。

专利文献1中提出了如下的钛制分隔件，为了提高耐蚀性(耐氧化性)，从分隔件的与电极接触的表面去除钝态覆膜之后，通过镀敷等在其表面形成以金为中心的贵金属的薄膜层。然而，在汽车等的移动物件用燃料电池或者固定装置用燃料电池中大量使用以金为中心的贵金属，从经济性、资源量制约的观点来看存在问题，专利文献1中提出的钛制分隔件未被普及。

因此，作为解决钛制分隔件的耐蚀性(耐氧化性)的问题而不使用以金为中心的贵金属的尝试，存在专利文献2。专利文献2中提出了通过蒸镀在表面形成有包含碳的导电触点层的钛制分隔件。然而，蒸镀为需要特殊的装置的工艺，因此设备成本上升并且需要大量的时间，导致生产率降低而出现问题。因此，现状是专利文献2中提出的钛制分隔件未被积极地利用。