燃料电池隔离器及其制造方法技术

一种燃料电池隔离器（１０），包括：　　　　金属基底（１１），该基底（１１）具有形成其表面的由该基底的材料氧化而成的氧化膜（１１ａ）；以及　　　　形成在该基底的该氧化膜表面上的导电薄膜（１２）。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别涉及固体高分子电解质型燃料电池的金属隔离器的表面处理层的结构。
技术介绍
一种固体高分子电解质型燃料电池由层积(层叠)的模块构成，每一模块又通过层积至少一个由膜电极组件(以下称为“MEA”)和隔离器(隔板)构成的电池而构成。每个MEA由一个由离子交换膜形成的电解质膜、一个由位于该电解质膜的一个表面上的催化层构成的电极(阳极)和一个由位于该电解质膜另一表面上的催化层构成的电极(阴极)构成。通常，MEA与隔离器之间有一扩散层。该扩散层促使反应气体扩散到催化层中。隔离器中有一把燃料气体(氢)供应给阳极的燃料气体通道(配流槽)和一把氧化气体(氧或在通常情况下为空气)供应给阴极的氧化气体通道。隔离器用作相邻电池之间的电子通路。在电池层积体沿电池层积的方向上的相反两端上有接线端(电极板)、绝缘器和端板。该电池层积体在电池层积方向上被夹紧，并用在电池层积方向上伸展到电池层积体外部的紧固件(例如压板)和螺栓和螺母固定。这样就形成一电池层积体。在固体高分子电解质型燃料电池的阳极一侧上，发生氢分解成氢离子(质子)和电子的反应。氢离子经电解质膜迁移到阴极一侧。在阴极一侧，氢离子与氧气和电子(即生成在相邻MEA的阳极上的电子经隔离器来到该阴极上，或生成在电池层积体一端上的电池的阳极上的电子经外部电路来到该电池另一相反端上的阴极上)反应，从而生成水。阳极侧阴极侧由于隔离器需要具有导电性，因此隔离器一般由金属、碳或导电树脂构成，或由一金属隔离器和一树脂架组合而成。碳隔离器和导电树脂隔离器在化学上稳定，因此即使与酸水接触也能保持导电性。但是，由于对形成在隔离器中的通道的底面的强度要求，因此碳隔离器和导电树脂隔离器必需有较大的厚度，从而造成电池层积体的长度增加。与此相反，尽管用凹槽和凸脊形成通道，具有较高强度的金属隔离器可做得较薄。这样，可减小电池层积体的长度。但是，受酸水腐蚀成为问题，导致导电性下降、输出减小。即。要采用金属隔离器，金属隔离器必需能长期保持良好的导电性和良好的耐腐蚀性。作为一种相关技术，在日本专利延迟公开No.2001-93538公开的一种技术中，燃料电池的金属隔离器的基底(不锈钢)表面上有一导电薄膜和一由与基底材料不同的金属材料构成的耐酸薄膜。但是，该现有金属隔离器的一个问题是，由于该耐酸薄膜和基底用不同金属材料制成，因此成本提高。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是提供一种燃料电池的隔离器。该燃料电池隔离器包括金属基底，该基底具有形成其表面的由该基底的材料氧化而成的氧化膜；以及形成在该该氧化膜表面上的导电薄膜。本专利技术的另一方面是提供一种燃料电池隔离器的制造方法。该制造方法包括下列步骤用基底材料在基底表面上形成氧化膜；和在该氧化膜表面上形成导电薄膜。根据上述，该导电薄膜实现低电阻(高导电性)；该氧化膜在即使该导电薄膜中有针孔的情况下，也能基本防止或减小隔离器基底的溶出，从而实现高耐腐蚀性。此外，由于该氧化膜是由基底材料氧化而成，因此其形成成本比用不同材料氧化而成的氧化膜要低。本专利技术的一个目的是提供一种有金属基底的低成本燃料电池隔离器，它能长期稳定保持低电阻(高导电性)和高耐腐蚀性。为了至少部分实现该目的，本专利技术提供一种燃料电池隔离器，该隔离器包括金属基底，该基底具有形成其表面的由该基底的材料氧化而成的氧化膜；以及形成在该氧化膜表面上的导电薄膜；本专利技术还提供一种制造方法，该制造方法包括下列步骤用基底材料在该基底表面上形成氧化膜；和在该氧化膜表面上形成导电薄膜。根据本专利技术的，由该导电薄膜实现低电阻(高导电性)。此外，即使该导电薄膜中有针孔，该氧化膜也能基本防止或减小隔离器基底的溶出，从而实现高耐腐蚀性。此外，由于该氧化膜是一种由隔离器基底本身形成的氧化膜，因此该氧化膜的形成成本比用不同材料制成的氧化膜低。按照本专利技术上述方面的一种优选形式，该导电薄膜可为金属薄膜、贵金属薄膜或由原子水平的碳(C)形成的碳薄膜。按照另一种优选形式，该燃料电池隔离器可进一步包括设在该基底的氧化膜与该导电薄膜之间的提高附着性的中间层。同样，该燃料电池隔离器的制造方法可进一步包括在该基底的氧化膜与导电薄膜之间形成提高附着性的中间层的步骤。由于提高附着性的中间层形成在基底的氧化膜与导电薄膜之间，因此确保该表面处理层的良好附着性，从而实现高的耐久性(寿命)。这样，可长期保持高导电性和高耐腐蚀性。在本专利技术上述方面的又一优选形式中，导电薄膜可为金属薄膜，中间层可为由选自金属元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W以及准金属元素Si和B中至少一种元素形成的Me层。在本专利技术上述方面的另一优选形式中，导电薄膜可为由原子水平的碳(C)形成的碳薄膜，中间层可由一种由选自金属元素Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W以及准金属元素Si和B中至少一种元素形成的Me层和一种形成在该Me层上、含有碳(C)和金属或准金属元素(Me)且其中碳(C)的比例随着离开该基底的距离的增加而增加的碳-Me梯度层中的至少一层形成。在又一优选形式中，该燃料电池隔离器可进一步包括在导电薄膜表面上的碳涂膜。此外，该燃料电池隔离器的制造方法可进一步包括在导电薄膜表面上形成碳涂膜的步骤。由于在导电薄膜表面上形成碳涂膜，因此与耐久性有关的可靠性可进一步提高。附图说明从以下结合附图对本专利技术优选实施例的详细说明中可更好理解本专利技术的上述实施例和其他实施例、目的、特征、优点、技术和工业意义，附图中图1为根据本专利技术实施例1的燃料电池隔离器一部分的放大剖面图；图2为根据本专利技术实施例2的燃料电池隔离器一部分的放大剖面图；图3为根据本专利技术实施例3的燃料电池隔离器一部分的放大剖面图；图4为对本专利技术燃料电池隔离器进行耐腐蚀试验(耦合电流试验法)的剖面图；图5为示出本专利技术燃料电池隔离器耐腐蚀试验的结果的条块图(条件1-5的试件1的离子溶出量)；图6为示出本专利技术燃料电池隔离器耐腐蚀试验的结果的条块图(条件1-4的试件2的离子溶出量)；图7为对本专利技术燃料电池隔离器进行导电性试验(接触电阻试验法)的剖面图；图8为示出本专利技术燃料电池隔离器导电性试验的结果的条块图(条件1-5的试件1在腐蚀前和腐蚀后的接触电阻)；图9为示出本专利技术燃料电池隔离器导电性试验的结果的条块图(条件1-4的试件2在腐蚀前和腐蚀后的接触电阻)；图10为示出从导电性试验确定的条件1、条件4和条件5的各燃料电池试件的各层之间的接触电阻或各层的电阻率(固有电阻)的比例的概念性(原理性)条块图； 图11为对本专利技术燃料电池隔离器进行附着性试验(使用喷水试验法)的剖面图；图12为示出本专利技术燃料电池隔离器的附着性试验的结果的条块图(条件2-5的试件1在附着性试验前和附着性试验后的Au薄膜残留率)；图13为示出本专利技术燃料电池隔离器的附着性试验的结果的条块图(条件2-4的试件2在附着性试验前和附着性试验后的C薄膜残留率)；以及图14A为本专利技术燃料电池隔离器变型I的剖面图。图14B为本专利技术燃料电池隔离器变型II的剖面图。图14C为本专利技术燃料电池隔离器变型III的剖面图。图14D为本专利技术燃料电池隔离器变型IV的剖面图。图14E为本专利技术燃料电池隔离器变型V的剖面图。图14F为本专利技术燃料电池隔离器变型VI的剖面图。图14G为本专利技术燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：中田博道，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：