高分子电解质型燃料电池制造技术

本发明专利技术的高分子电解质型燃料电池的隔板具有向其电极供给氧化剂气体或燃料气体的气体通道，由金属板和形成于该金属板表面的导电性薄膜所构成。金属板和前述导电性薄膜之间具有因导电性薄膜材料扩散而形成的扩散层。该燃料电池即使长时间使用，金属板也不会产生腐蚀和溶解，且输出功率稳定。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于便携式电源、电动汽车用电源、家用发电及废热供暖系统等的固体高分子电解质型燃料电池，特别涉及导电性隔板的改良。
技术介绍
使用固体高分子电解质的燃料电池，通过使含氢燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体间进行电化学反应，可同时产生电力和热量。该燃料电池基本上由选择性地输送氢离子的高分子电解质膜及在该高分子电解质膜的两面形成的一对电极、即阳极和阴极所构成。前述电极通常由形成于高分子电解质膜表面的以载有铂族金属催化剂的碳粉为主组分的催化剂层和在该催化剂层外表面形成的兼具通气性和导电性的扩散层构成。为使供给电极的燃料气体和氧化剂气体不向外部泄漏、且两种气体不互相混合，在电极周围配置了气体密封材料和垫圈夹住高分子电解质膜。这些密封材料和垫圈预先与电极及高分子电解质膜形成一体，它们被称为MEA(电极电解质膜接合体)。在MEA外侧配置将它们机械固定的导电性隔板，同时该隔板还可使相邻的MEA互相电气串联或根据不同情况进行并联连接。在隔板与MEA接触的部分形成了向电极面供给反应气体、并将生成的气体和剩余气体运送出去的气体通道。气体通道也可与隔板分别设置，但一般采用在隔板表面设置沟槽形成气体通道的方式。为了向这些沟槽内供给燃料气体及氧化剂气体，需要配管夹具将分别供给燃料气体及氧化剂气体的配管按照所用隔板的数目进行分支，并将其分支端部直接接入隔板的沟槽内。该夹具被称为多支管，上述由燃料气体及氧化剂气体的供给配管直接接入的类型被称为外部多支管。多支管中还有结构更简单的被称为内部多支管。内部多支管是在形成了气体通道的隔板上设置贯通孔，将气体通道的出入口连通至该贯通孔，由该孔直接向气体通道供给燃料气体及氧化剂气体。由于燃料电池在工作过程中会发热，所以为了使电池维持在良好的温度状态，必须要用冷却水等进行冷却。通常，每1～3个单电池设置可流过冷却水的冷却部分。冷却部分可插入在隔板和隔板间，也可在隔板背面设置冷却水通道形成冷却部分，大多数情况下使用后者。这些MEA、隔板及冷却部分交替重叠，层叠10～200个单电池，然后用端板隔着集电板及绝缘板夹住该层叠体，最后用固紧螺栓从两端固定，就构成了常规的层叠电池。上述高分子电解质型燃料电池的隔板必须具备较高的导电性，且对燃料气体及氧化剂气体的气密性较高，还必须对氢/氧的氧化还原反应具有较高的耐腐蚀性。因此，传统的隔板一般都由碎碳黑和膨胀石墨等碳材构成，气体通道也是对其表面进行切削而形成，使用膨胀石墨时，则利用铸模来成形制作。以往对碳板进行切削的方法很难使碳板的材料成本和对其进行切削所需的成本下降。此外，使用膨胀石墨的方法的材料成本也较高，可以说这些都阻碍了它们的实用化。近年来，正尝试用不锈钢等金属板来代替以往使用的碳材。但是，关于上述使用金属板的方法，因为金属板暴露在高温且pH为2～3左右的氧化性氛围气中，如果长时间使用，则金属板会出现腐蚀和溶解。金属板一旦被腐蚀，则腐蚀部分的电阻会增加，导致电池输出功率下降。此外，金属板一旦溶解，则溶解的金属离子会向高分子电解质扩散，它们在高分子电解质膜的离子交换部位被捕集，其结果是导致高分子电解质本身的离子传导性下降。因此，如果直接使用金属板作为隔板，并使电池长时间工作，则存在发电效率逐渐下降的问题。本专利技术的目的是对用于燃料电池的隔板进行改进，提供以易于加工的金属为原材料、即使露出的表面暴露在酸性氛围气中也可维持化学惰性、腐蚀和溶解受到抑制、且具有良好导电性的隔板。专利技术的揭示本专利技术提供了高分子电解质型燃料电池，该电池的特征是具备高分子电解质膜、夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极、具有向前述阳极提供燃料气体的气体通道的阳极侧导电性隔板及具有向前述阴极提供氧化剂气体的气体通道的阴极侧导电性隔板，前述阳极侧导电性隔板和阴极侧导电性隔板由金属及隔着特定的中间层覆盖朝向阳极或阴极的金属表面的耐氧化性导电性薄膜组成。对附图的简单说明附图说明图1为本专利技术实施例的燃料电池主要部分的模拟截面图。图2为同一燃料电池的阳极侧隔板的平面图。图3为同一燃料电池的阴极侧隔板的平面图。图4为构成阳极侧隔板的金属板的平面图。图5为构成阳极侧隔板的绝缘片的平面图。图6为本专利技术实施例及比较例的燃料电池的输出功率特性图。图7为本专利技术另一实施例中的隔板的金属基板的表面处理工艺的截面图。图8为本专利技术又另一实施例中的金属基板的表面处理工艺的截面图。图9为本专利技术其它实施例中的金属基板的表面处理工艺的截面图。实施专利技术的最佳方式本专利技术的隔板基本由表面隔着特定的中间层被耐氧化性导电性薄膜覆盖的金属板构成。而且该金属板上具有通过压力加工等形成的可作为气体通道的凸缘或沟槽。本专利技术的较好的隔板由朝向电极的表面具有导入燃料气体或氧化剂气体的凸缘或沟槽的前述经过加工的金属板和起垫圈作用的具有弹性的绝缘片组合而成。前述绝缘片协同前述金属板上的凸缘或沟槽一起形成将燃料气体或氧化剂气体从其供给侧导向排出侧的气体通道，且起到防止燃料气体或氧化剂气体从前述气体通道泄漏到外部的垫圈作用。形成导电性薄膜的金属板可采用不锈钢、铝等导电性良好，且通过压力加工等易于形成可作为气体通道的凸缘或沟槽的金属板。覆盖前述金属板表面的耐氧化性导电性薄膜较理想的是由Au、Pt、Rh、Pd等贵金属组成。其较好状态是，导电性薄膜由至少1种选自氢、氮、碳及硼的非金属与过渡金属掺杂而形成的侵入型化合物(往往也称为侵入型合金)构成。侵入型化合物中，特别好的是TiN、ZrN、TiAlN、TiZrN、TaN、WN、CrN等氮化物及TiC、ZrC、WC、TaC等碳化物。使用这些导电性薄膜时，形成于该薄膜和金属板界面的中间层是前述导电性薄膜材料扩散到金属板中的扩散层。由前述贵金属形成薄膜时最好采用rf溅射法，但也可采用化学蒸镀法或电镀法等形成。利用前述氮化物形成导电性薄膜时最好采用以形成氮化物的金属为靶子的在含有氮气的氛围气中进行溅射的方法，利用碳化物形成导电性薄膜时则最好分别采用以该碳化物为靶子进行溅射的方法。形成以上导电性薄膜后，为了形成前述扩散层，最好在非氧化性氛围气中，具体是在氩气、氮气或真空(0.1Pa以下)氛围气中，于250～400℃进行5分钟～2小时的热处理。在其他状态中，上述导电性薄膜及扩散层以岛状覆盖在金属板表面。这种情况下，金属板上未形成导电性薄膜的部分最好形成耐腐蚀性薄膜。呈岛状覆盖的部分的各个面积至少为50埃×50埃，该覆盖部分占整个金属板的面积比最好在30％以上。覆盖前述金属板薄膜的耐氧化性的导电性薄膜的其他较好状态，如以上所示化合物，由选自Ti、Cr、Zr、Al、Ta及W的元素的氮化物或碳化物构成。采用这些导电性薄膜时，形成于该薄膜和金属板界面的中间层由构成导电性化合物薄膜的金属元素形成。为了形成该导电性化合物薄膜，首先在金属板表面由构成导电性化合物的金属元素形成中间层，然后在其上形成导电性化合物薄膜。该中间层不仅能够提高金属基板和导电性薄膜的粘合力，还可防止气孔的产生。形成这些中间层及导电性化合物薄膜的方法最好采用上述rf溅射法。此外，如果使导电性薄膜中的金属元素含有率沿着与中间层形成的界面到导电性薄膜的表面方向减少，设计为呈倾斜分布，这样不仅能够提高金属隔板和导电性薄膜的粘合力，还可缓解薄膜的残留应力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
高分子电解质型燃料电池，其特征在于，具备高分子电解质膜、夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极、具有向前述阳极提供燃料气体的气体通道的阳极侧导电性隔板及具有向前述阴极提供氧化剂气体的气体通道的阴极侧导电性隔板，前述阳极侧导电性隔板和阴极侧导电性隔板由金属板及部分或全面覆盖朝向阳极或阴极的金属板表面的耐氧化性导电性薄膜构成，前述金属板和导电性薄膜的界面部分具有因前述导电性薄膜材料扩散而形成的扩散层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：西田和史，新仓顺二，行天久朗，羽藤一仁，小原英夫，神原辉寿，藤井觉，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]