[发明专利]固体高分子型燃料电池分隔件用不锈钢薄钢板

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池分隔件用不锈钢薄钢板。特别是涉及作为汽车搭载用、家庭用等的电源使用的固体高分子型燃料电池的分隔件(双极板)用不锈钢薄钢板。

背景技术

燃料电池为利用氢和氧发出直流电流的电池，大致分为固体电解质型、熔融碳酸盐型、磷酸型和固体高分子型。各个形式源自构成燃料电池的基本部分的电解质部分的构成材料。

现在，作为达到商用阶段的燃料电池，存在在200℃附近工作的磷酸型，以及在650℃附近工作的熔融碳酸盐型。伴随着近年来的技术开发的进展，在700℃以上工作的固体电解质型、和在80℃以下也工作的固体高分子型作为汽车搭载用或家庭用小型电源均受到关注，以市场扩大为目标的制品销售已经开始。

图1为示出固体高分子型燃料电池的结构的说明图，图1的(a)为燃料电池单元(单格)的分解图，图1的(b)为燃料电池整体的立体图。如同一图所示，燃料电池1为单格的集合体。单格如图1的(a)所示，具有在固体高分子膜2的一个面层叠燃料电极膜(阳极)3，在另一面层叠氧化剂电极膜(阴极)4，在这两个面重叠分隔件5a、5b的结构。作为代表性的固体高分子膜2，存在具有氢离子(质子)交换基的氟系离子交换树脂膜。在燃料电极膜3以及氧化剂电极膜4中，设置由颗粒状的铂催化剂和碳粉、具有氢离子(质子)交换基的氟系树脂组成的催化剂层，与通过扩散层的燃料气体或者氧化性气体接触。从在分隔件5a上设置的流路6a流通燃料气体(氢气或者含氢气体)A而将氢供给到燃料电极膜3上。此外，从在分隔件5b上所设置的流路6b流通空气那样的氧化性气体B，供给氧。通过这些气体的供给，产生电化学反应而产生直流电力。

对于固体高分子型燃料电池分隔件所要求的功能如下：

(1)在燃料极侧，作为面内均匀地供给燃料气体的流路的功能；

(2)作为将在阴极侧生成的水与反应后的空气、氧气之类的载气一同高效地从燃料电池排出到体系外的“流路”的功能；

(3)作为在长时间内维持电极的低电阻、良好的导电性的单格间的电连接器的功能；以及

(4)作为在邻接的单元中一个单元的阳极室与相邻的单元的阴极室的“分隔壁”的功能等。

迄今为止，研究了应用碳板材作为分隔件材料，但碳板材存在容易破裂的问题，进而存在用于使表面平坦的机械加工成本和用于形成气体流路的机械加工成本变得非常高的问题。

碳中，热膨胀性石墨加工品格外廉价，因此，作为固体高分子型燃料电池分隔件用原材料最受关注。然而，为了降低透气性赋予作为分隔壁的功能，必须考虑制造成本，并且实施作为燃料电池环境下的耐久性优异的粘结材料的有机系树脂的开发和选定、焙烧。也需要基于长时间的应用的劣化对策。成为制品应用阶段，但今后应解决的课题也多。

与这样的石墨系原材料的应用的研究不同，开始尝试在分隔件原材料中应用不锈钢。

专利文献1中公开了，由金属制构件形成、且对与单位电池的电极的接触面直接实施了镀金的燃料电池用分隔件。作为金属制构件，可以举出不锈钢、铝、Ni-铁合金，作为不锈钢，使用SUS304。该发明中，分隔件实施了镀金，因此，分隔件与电极的接触电阻降低，电子从分隔件向电极的导通变得良好，因此，燃料电池的输出电压变大。

专利文献2中公开了使用由于大气而容易生成在表面所形成的钝化膜的金属材料组成的分隔件的固体高分子电解质型燃料电池。作为金属材料，可以列举出不锈钢、钛合金。在该发明中，在分隔件中所使用的金属的表面一定存在钝化膜，金属的表面不易被化学侵蚀，在燃料电池单元中生成的水被离子化的程度降低，抑制了燃料电池单元的电化学反应度的降低。此外，去除分隔件的与电极膜等接触的部分的钝化膜形成贵金属层，从而使导电时接触电阻变小。

然而，由专利文献1、2公开的、将在表面具备钝化膜的不锈钢那样的金属材料直接用于分隔件，耐腐蚀性不充分、引起金属的溶出，由于溶出金属离子有使负载催化剂性能劣化的可能性。此外，由于在溶出后生成的Cr-OH，Fe-OH那样的腐蚀产物，有分隔件的接触电阻增加的危险，因此在由金属材料组成的分隔件上实施将成本置之度外的镀金等贵金属镀覆是现状。

如此，迄今为止，只不过有将金属材料应用于分隔件的成绩，尚处于远远未达到实用化的现状。

作为分隔件，极强烈地期望开发出在电池环境下的导电性优异、且即便不实施昂贵的表面处理耐腐蚀性也优异的不锈钢。可以毫不夸张地说，不锈钢制分隔件的实用化掌握固体高分子型燃料电池的商用化和应用扩大的成功与否。