[發明專利]固體高分子型燃料電池用碳分隔件、固體高分子型燃料電池的電池單元、以及固體高分子型燃料電池

有效

• 申請號: 201680055844.3
• 申請日: 2016-09-20
• 公開（公告）號: CN108028395B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 樽谷芳男
• 申請（專利權）人: 日本制鐵株式會社
• 主分類號: H01M8/0213
• 分類號: H01M8/0213;H01M8/1004;C22C38/00;C22C38/54
• 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

一種固體高分子型燃料電池用碳分隔件，其具有由鋼制成的芯材和碳層，鋼的化學組成以質量％計為C：超過0.02％且0.12％以下、Si：0.05～1.5％、Al：0.001～1.0％、Mn：0.01～1.0％、P：0.045％以下、S：0.01％以下、N：0.06％以下、V：0.5％以下、Cr：超過13.0％且不足25.0％、Mo：0～2.5％、Ni：0～0.8％、Cu：0～0.8％、REM：0～0.1％、B：0～1.0％、Sn：0～2.5％、In：0～0.1％、余量：Fe以及雜質，鋼中具有包含微細分散析出的M₂₃C₆型Cr系碳化物的析出物，析出物的一部分從鋼表面突出。

技術領域

本發明涉及固體高分子型燃料電池用碳分隔件和應用了該分隔件的固體高分子型燃料電池的電池單元、以及固體高分子型燃料電池。

背景技術

燃料電池為利用氫和氧發出直流電流的電池，大致分為固體電解質型、熔融碳酸鹽型、磷酸型以及固體高分子型。各個形式源自構成燃料電池的基本部分的電解質部分的構成材料。

現在，作為達到商用階段的燃料電池，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鹽型。隨著近年來的技術開發的進展，在室溫附近工作的固體高分子型和在700℃以上工作的固體電解質型開始作為汽車搭載用或者家庭用小型電源備受關注。

圖1為示出固體高分子型燃料電池的結構的說明圖，圖1(a)為燃料電池的電池單元(單格)的分解圖，圖1(b)為燃料電池整體的立體圖。

如圖1(a)以及圖1(b)所示，燃料電池1為單格的集合體。單格如圖1(a)所示，具有在固體高分子膜2的一個面層疊燃料電極膜(陽極)3，在另一面層疊氧化劑電極膜(陰極)4，在這兩個面重疊分隔件5a、5b的結構。

作為代表性的固體高分子膜2，存在具有氫離子(質子)交換基的氟系離子交換樹脂膜。

燃料電極膜3和氧化劑電極膜4分別具有擴散層和設置在該擴散層的固體高分子膜2側的表面的催化劑層。擴散層由碳纖維構成的碳紙或碳布組成，催化劑層由顆粒狀的鉑催化劑、石墨粉、具有氫離子(質子)交換基的氟系樹脂組成。并且，燃料電極膜3以及氧化劑電極膜4具有的催化劑層分別與透過擴散層的燃料氣體或者氧化性氣體接觸。

從在分隔件5a上設置的流路6a流通燃料氣體(氫氣或者含氫氣體)A而將氫氣供給到燃料電極膜3上。此外，從在分隔件5b上所設置的流路6b流通空氣那樣的氧化性氣體B，供給氧氣。通過這些氣體的供給，產生電化學反應而產生直流電力。

對于固體高分子型燃料電池分隔件所要求的機能如下：(1)在燃料極側，作為面內均勻地供給燃料氣體的“流路”的機能；(2)作為將在陰極側生成的水與反應后的空氣、氧氣之類的載氣一同高效地從燃料電池排出到體系外的“流路”的機能；(3)作為在長時間內維持電極的低電接觸電阻、良好的導電性的單格間的電“連接器”的機能；以及(4)作為在鄰接的電池單元中一個電池單元的陽極室與鄰接的電池單元的陰極室的“隔壁”的機能等。

至今，對發揮上述機能的分隔件的基材進行了各種研究。用于分隔件的材料大致分為金屬系材料和碳系材料。

碳板材碳系材料應用于分隔件，在實驗室水平進行了深入研究。但是，碳板材存在容易破裂的問題，進而，存在用于使表面平坦的機械加工成本以及用于形成氣體流路的機械加工成本大幅增高的問題。這些均是較大的問題，存在難以使燃料電池商用化的狀況。

有一種動向是應用碳復合材料來代替碳板材，所述碳復合材料中，將熱塑性樹脂或者熱固性樹脂作為粘合劑。作為導電性碳質粉末，使用鱗片狀石墨、土塊狀石墨、乙炔黑、碳黑、科琴黑、膨脹石墨、人造石墨的粉末等，作為其平均粒徑，使用大約10nm～100μm的粉末。正在積極開發作為粘合劑的樹脂，近年來性能顯著改善，并且生產率以及成本方面也有顯著的改善。