[發明專利]對碳的接觸導電性和耐久性優異的燃料電池分隔件用鈦材料或鈦合金材料、使用其的燃料電池分隔件、以及燃料電池

有效

• 申請號: 201480007125.5
• 申請日: 2014-01-31
• 公開（公告）號: CN104981931B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 高橋一浩;香川琢;紀平寬;德野清則;西本工;田中幸基
• 申請（專利權）人: 新日鐵住金株式會社
• 主分類號: H01M8/0206
• 分類號: H01M8/0206;H01M8/0247;C22C14/00
• 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

本發明涉及以電力作為驅動源的汽車或發電系統等中使用的低接觸電阻性的固體高分子型燃料電池分隔件所使用的鈦材料或鈦合金材料、即對碳的接觸導電性和耐久性優異的燃料電池分隔件用鈦材料或鈦合金材料、以及使用其的燃料電池分隔件。

背景技術

近年來，作為汽車用燃料電池，固體高分子型燃料電池的開發開始快速推進。固體高分子型燃料電池為使用氫和氧，并將氫離子選擇透過型的有機物膜(與無機物的復合化的開發也在進行)用作電解質的燃料電池。作為燃料的氫氣，除了純氫氣以外，還可以使用由醇類的改性而得到的氫氣等。

然而，現有的燃料電池系統的構成部件、構件單價高，為了應用于民生，構成部件、構件的大幅低成本化是必不可少的。另外，應用于汽車用途時，不僅要求低成本化還要求作為燃料電池的心臟部分的電池堆的小型化。固體高分子型燃料電池采用在被稱為Membrane Electrode Assembly(以下，有時記為“MEA”。)的固體高分子膜、與電極及氣體擴散層一體化后的兩側按上分隔件的結構，將其層疊多層構成電池堆。

分隔件中所需的特性，有電子傳導性、兩極的氧氣與氫氣的分離性、與MEA的接觸電阻低，以及在燃料電池內的環境中具有良好的耐久性等。此處，MEA中氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL)通常由碳纖維聚集而成的碳紙制成，因此分隔件需要對碳的接觸導電性良好。

作為分隔件用材料的不銹鋼、鈦材料等在原樣時通常對碳的接觸導電性低，因此為了提高對碳的接觸導電性而提出了許多方案。提高對碳的接觸導電性時，導電性低的鈍化覆膜的存在成為阻礙。雖然為犧牲耐久性就能夠解決的課題，但燃料電池內為嚴苛的腐蝕環境，因此要求分隔件非常高的耐久性。

因此，實際情況是充分滿足的分隔件用的金屬材料的開發極其困難。目前為止，雖然碳分隔件成為主流，但若使金屬分隔件實用化，則可以使燃料電池自身小型化，進而，可以保障在燃料電池生產工序中不產生裂紋，因此為了量產化及普及，強烈需要分隔件的金屬化。

在這種背景下，例如，在專利文獻1中公開了從薄壁、輕量化等觀點出發，通過使用在鋼材中析出有具有導電性的化合物的特殊的不銹鋼，從而能夠有效地降低不銹鋼的接觸電阻的技術。

還進行了將耐久性優異的鈦應用于分隔件中的研究。鈦的情況下也與不銹鋼同樣地由于在鈦最外表面存在鈍化覆膜而導致與MEA的接觸電阻高。因此，例如，專利文獻2中公開了使TiB系析出物分散于鈦中從而降低與MEA的接觸電阻的技術。

專利文獻3中公開了一種分隔件用鈦合金，其特征在于，其由以質量％計含有Ta：0.5～15％且根據需要限制了Fe和O量的鈦合金形成，從最外表面至深度0.5μm的范圍的平均氮濃度為6原子％以上，且在該區域存在氮化鉭和氮化鈦。

另外，專利文獻3中公開了在分隔件用鈦合金的制造方法中，在氮氣氣氛中且在600～1000℃的溫度范圍加熱3秒以上。

專利文獻4、5和6中公開了在鈦或不銹鋼制金屬分隔件的制作工序中，用噴砂法或輥加工法將導電物質按壓到表層部的技術。在該技術中，通過以貫通金屬表面的鈍化覆膜的形式配置導電物質的表面微細結構，從而兼有對碳的導電性和耐久性。

專利文獻7中公開了一種燃料電池分隔件的制造方法，將形成于鈦表面的包含碳化鈦或氮化鈦的雜質通過陽極氧化處理轉換成氧化物之后實施鍍覆處理。形成于鈦表面的碳化鈦或氮化鈦在暴露于腐蝕環境期間溶解，作為阻礙接觸導電性的氧化物再析出，從而降低接觸導電性。

上述方法為抑制發電時(使用時)雜質的氧化、提高耐久性的方法。然而，為了確保導電性和耐久性必須有昂貴的鍍膜。

專利文獻8中公開了以下技術：將元素周期表的第3族元素合金化而成的鈦系合金作為母材，在其表面涂布BN粉末，實施加熱處理而形成氧化覆膜，形成耐蝕導電性覆膜。

該技術在作為鈦合金的鈍化覆膜的氧化物覆膜晶格中的鈦原子的位置摻雜雜質原子來提高導電性。

專利文獻9和10中公開了以下技術：在軋制加工鈦制燃料電池分隔件時，使用含碳軋制油進行軋制，在表層形成含碳化鈦的改性層，并在其上形成膜密度高的碳膜，從而確保導電性和耐久性。

該技術中雖然對碳紙的導電性提高，但耐久性由碳膜來維持，因此需要形成致密的碳膜。在單純的碳與鈦的界面接觸電阻增大，因此在兩者之間配置有提高導電性的碳化鈦。然而，碳膜存在缺陷時，不能防止改性層(含碳化鈦)和母材的腐蝕，生成阻礙接觸導電性的腐蝕產物。