[發明專利]固體高分子型燃料電池的隔板用不銹鋼板及使用該鋼板的固體高分子型燃料電池

有效

• 申請號: 200980148903.1
• 申請日: 2009-10-07
• 公開（公告）號: CN102239593A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: 上仲秀哉;今村淳子;關彰;武內孝一
• 申請（專利權）人: 住友金屬工業株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C22C38/00;H01M8/10
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

技術領域

本發明涉及固體高分子型燃料電池以及作為其構成要素的隔板用的不銹鋼材料。

背景技術

燃料電池由于利用氫與氧的結合反應時產生的能量，因此從節能和環境對策兩方面出發，是有望被引進和普及的下一代發電系統。燃料電池具有多種類型，例如有固體電解質型、熔融碳酸鹽型、磷酸型和固體高分子型等。

在這些當中，固體高分子型燃料電池的輸出功率密度高，可以小型化，另外，在比其它類型的燃料電池更低的溫度下工作，且起動停止容易。因此，固體高分子型燃料電池有望在電動汽車或家庭用小型熱電聯供上利用，近年來，特別引人注目。

圖1所示為固體高分子型燃料電池(以下也簡稱為“燃料電池”)的結構圖。圖1(a)是構成燃料電池的單電池的分解圖，圖1(b)是將多個單電池組合而制作的燃料電池總體的立體圖。

如圖1所示，燃料電池1是單電池的集合體(stack，疊加)。如圖1(a)所示，單電池為如下結構：在固體高分子電解質膜2的一個面上層疊有起電池的陰極的作用的氣體擴散電極層3(也稱為燃料電極膜，以下也表示為“陰極”)，且在另一個面上層疊有起電池的陽極的作用的氣體擴散電極層(也稱為氧化劑電極膜，以下也表示為“陽極”)4，在該兩個面上重疊有隔板(雙極板)5a、5b。

另外，還具有在上述單電池與單電池之間或每隔幾個單電池配置有具有冷卻水的流通通路的水分離器的水冷型燃料電池。本發明也以這種水冷型燃料電池為對象。

作為固體高分子電解質膜(以下簡稱為“電解質膜”)2，使用具有氫離子(質子)交換基的氟系質子傳導膜。陰極3和陽極4中設置有粒狀的鉑催化劑和石墨粉，此外根據需要有時也設置有由具有氫離子(質子)交換基團的氟樹脂構成的催化劑層。在該情況下，燃料氣體或氧化性氣體與該催化劑層接觸，促進反應。

燃料氣體(氫氣或含氫的氣體)A流經設置在隔板5a上的流路6a，將氫供給到燃料電極膜3。另外，諸如空氣之類的氧化性氣體B流經設置在隔板5b上的流路6b，供給氧。通過這些氣體的供給，發生電化學反應，產生直流電力。

對固體高分子型燃料電池的隔板所要求的主要功能如下所述：

(1)作為將燃料氣體、氧化性氣體均勻地供給到電池面內的“流路”的功能，

(2)作為將陽極側生成的水與反應后的空氣、氧之類的載氣一起從燃料電池有效地排出到系統外的“流路”的功能，

(3)與電極膜(陰極3、陽極4)接觸，成為電通路，進一步成為單電池之間的導電“連接器”的功能，

(4)作為相鄰的電池之間的一個電池的陰極室與相鄰的電池的陽極室的“間壁”的功能，以及，

(5)作為水冷型燃料電池中的冷卻水流路與相鄰的電池的“間壁”的功能。

作為要求實現這種功能的固體高分子型燃料電池中使用的隔板(以下簡稱為“隔板”)的基材的材料，大致分為金屬系材料和碳系材料。

基于不銹鋼、Ti、碳鋼等金屬系材料的隔板可通過壓制加工等方法來制造。另一方面，在利用碳系材料的隔板的制造方法中，具有多種方法。作為該方法，可列舉出將酚醛系、呋喃系等熱固化性樹脂浸漬到石墨基板中固化并燒成的方法，將碳粉末與酚醛樹脂、呋喃樹脂或焦油瀝青等混煉，壓制成型或注射成型為板狀，將所得部件燒成，形成為玻璃狀碳的方法。

以不銹鋼為首的金屬系材料具有優異的金屬特有的加工性、可以使隔板的厚度較薄、實現隔板的輕量化等優點。然而，有可能由于腐蝕所致的金屬離子溶出、金屬表面氧化而使導電性降低。因此，基于金屬系材料的隔板(以下稱為“金屬隔板”)存在與氣體擴散電極層的接觸電阻(以下簡稱為“接觸電阻”)可能上升的問題。

另一方面，碳系材料具有可獲得輕量的隔板的優點。然而，存在具有氣體透過性等問題、機械強度低等問題。

作為解決與金屬隔板有關的上述問題的方法之一，如專利文獻1所示，提出了在金屬隔板的與基材的電極接觸的表面上實施鍍金的方案。然而，在汽車等移動物體用燃料電池和固定裝置用燃料電池中大量使用金這一點從經濟性和資源用量制約的觀點出發存在問題。

因此，作為不使用金而解決上述問題的嘗試之一，提出了用碳被覆金屬隔板表面的方案。

以下列舉了迄今為止作為用碳被覆金屬隔板表面的方法而提出的技術。