高分子电解质型燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种高分子电解质型燃料电池。高分子电解质型燃料电池具有由高分子电解质膜以及挟持该膜的一对气体扩散电极组成的ＭＥＡ，在ＭＥＡ的外面设有导电性隔板。在导电性隔板上使用碳材料，考虑制造成本，研究使用金属基材。对于使用金属基材的导电性隔板，要求即使暴露在高湿度中长时间，也不腐蚀，具有强的耐腐蚀性，同时也可以抑制和ＭＥＡ的接触电阻的增大。本发明专利技术中对高分子电解质型燃料电池中的导电性隔板，通过使用由金属基材（１）以及设在所述金属基材上、具有疏水性或碱性基的树脂（２）和导电性粒子状物质（３）组成，和ＭＥＡ接触的、导电性树脂层（２）组成的物质，满足所述要求。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种作为民用配置系统和移动体用的发电器有用的高分子电解质型燃料电池。高分子电解质型燃料电池具有高分子电解质膜以及挟持该膜的一定气体扩散电极组成的电解质膜-电极接合体(MEAmenbraneelectrode assembly)。高分子电解质膜具有例如-CF2-的骨架，由磺酸在侧链末端的全氟碳磺酸组成。气体扩散电极由连接高分子电解质膜的催化剂层以及配置在催化剂层的外面具有通气性和导电性的电极基材组成。另外催化剂层由担持铂系的金属的碳粉末等组成。在MEA的外面配置有用于固定MEA，同时相互电串联地连接邻接的MEA的导电性隔板。导电性隔板具有用于将燃料气或氧化剂气体供给到气体扩散电极上，运载由氢气和氧气的反应生产成的水和剩余的气体的气体流路。导电性隔板的气体流路和气体扩散电极的周围配有垫圈等密封材料，防止气体混合和向外部的渗漏。得到发电装置的情况，为了提高输出电压，多个积层MEA和具有一对气体流路的导电性隔板的导电性隔板组成的单电池。在各气体流路上通过歧管从外部供给燃料气和氧化剂气体。并且利用电极反应产生的电流在电极基材上集电，通过导电性隔板放到外部。导电性隔板大多有气密性以及耐腐蚀性的碳材料组成。另外，考虑制造成本以及导电性隔板的加工以及薄型化的容易度，也研究使用不锈钢等金属基材的导电性隔板。使用金属基材的导电性隔板由于长时间暴露在高湿度气体中，所以需要强的耐腐蚀性。另外为了提高电池的发电效率，导电性隔板和MEA的接触电阻的控制也很重要。因而在使用不锈钢板作为金属基材的场合，不锈钢板的表面上形成氧化铬组成的钝态层，提高其耐腐蚀性。但是当形成比较厚的稳定的钝态层于金属基材的表面时，钝态层形成电阻，所以接触电阻增大。因而不能得到高输出的电池。相反，钝态层不稳定时，金属基材腐蚀，溶出的金属离子使MEA受损。在金属基材的表面上设置金等耐腐蚀性金属的化学电镀或电镀等得到的层的方法也有研究。但是难以低成本化。也有方法讨论将碳粉末分散在纤维素、聚氯乙烯、环氧树脂等中的树脂组成物涂敷在金属基材的表面。但是也存在耐久性问题。也有方法讨论在金属基材的表面上形成用于提高耐腐蚀性的层，同时在隔板和MEA接触的部分上配置用于贯穿所述层形成导电通路的高硬度的导电性粒子状物质。该方法成本比较低。但是长时间使用电池，仍然溶出金属离子，MEA受损。另外第1导电性隔板或第2导电性隔板在其一方的面上具有将氧化剂气体供给到MEA气体扩散电极的一方上的气体流路，也可以在另一方的面上具有将燃料气体供给到MEA气体扩散电极的一方上的气体流路。导电性状物质优选具有不足100m2/g的比表面的碳粉末组成的物质。另外导电性粒子状物质优选玻璃状碳组成的物质。本专利技术的高分子电解质性燃料电池在金属基材和导电性树脂层的之间优选具有含有选自金属Zn、金属Sn、金属Al、含有Cr的化合物、含有Mo的化合物以及含有W的化合物组成的族的至少一种的层。图2是显示本专利技术的实施例制成的单电池的耐久试验结果的图。最佳实施形态供给到高分子电解质型燃料电池上的氧化剂和燃料气体为了维持高分子电解质膜的导电性需要加湿。另外在阴极上由于电池反应生成水。所以一般认为电池运转中导电性隔板和气体扩散电极的接触部分上凝聚着水蒸气。并且二氧化碳和杂质离子溶解在凝聚的水蒸气中。结果加速了导电性隔板的金属基材的腐蚀。本专利技术的导电性隔板由金属基材和金属基材的表面上设有的导电性树脂层构成。并且导电性树脂层和气体扩散电极接触。导电性树脂层由具有使导电性粒子状物质分散的疏水性或碱性基的树脂组成。另外树脂也可以具有疏水性基和碱性基两种。使用导电性树脂层上具有疏水性基的树脂，由于疏水性具有离子传导性的水难以浸透导电性树脂层，到达金属基材的表面。所以如果在导电性树脂层上有气孔，通过该孔水接触金属基材产生的腐蚀也可以抑制。作为疏水性基例如有-F、-CF3、-CF2-、五氟苯基等含有氟原子的基等。一方面不锈钢等合金利用表面形成的氧化物钝态层，提高耐腐蚀性。该钝态层的稳定性受氛围气的pH的影响。酸性氛围气钝态层腐蚀，从不锈钢中溶出的离子量增多。溶出的金属离子取代氢离子进入高分子电解质膜中，降低膜的氢离子传导度。另外一般认为金属离子降低高分子电解质膜的含水率，降低铂的催化活性。这里在导电性树脂层上使用具有碱性基的树脂，隔板表面的pH增高，钝态稳定化。结果电池使用中，长时间抑制金属离子的溶出。作为碱性基例如有氨基、酰胺基、亚胺基等含有氮原子的基。树脂具有这些基的场合，由于氮原子的电子对，邻接的金属表面的氧化物层稳定化，所以导电性隔板的耐腐蚀性提高。另外金属基材的表面配有含有比Zn、Sn、Al等金属基材的金属离子化倾向大的金属的层，从而抑制来自金属基材的金属离子的溶出。另外在金属基材的表面形成含有Cr、Mo、W等的氧化物以及氢氧化物的层，也能抑制来自金属基材的金属离子的溶出。为了得到高的导电性，导电性树脂层必须含有足够量的导电性粒子状物质。但是在金属基材的表面生成的金属离子，通过在树脂和导电性粒子的表面的界面扩散，向导电性隔板的外部溶出，所以导电性粒子状物质的比表面积优选小的。作为导电性粒子状物质，具有某种程度耐腐蚀性的金属、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物等的粉末是有效的。例如碳、钛、氧化钌、氮化钛、碳化钛等的粉末是有效的。另外，这些中碳粉末特别有效。碳粉末优选层状黑铅(石墨)、鳞状黑铅、玻璃状碳等组成的物质。另外其中优选玻璃状碳粉末。这是由于认为金属粒子在层状黑铅等的层间扩散，向外部溶出。另外考虑导电性和金属离子的溶出抑制的平衡优选导电性高的层状黑铅的粉末和玻璃状碳等的非结晶碳的粉末混合使用。导电性树脂层上的导电性粒子状物质的含有量一般为每100重量份树脂，为100～900重量份。金属基材的表面的钝态层由于使增大接触电阻的原因，所以在没有腐蚀问题的场合，最好在形成导电性树脂层之前预先除去钝态层。另外金属基材考虑耐腐蚀性优选不锈钢、碳钢等组成的物质。但是本专利技术中也可以使用铝等耐腐蚀性低的金属组成的金属基材。电极基材例如有碳纸、编织碳纤维得到的交叉、碳纤维和碳粉末的混合物中加入有机粘合剂成型得到的碳毡等。高分子电解质膜可以使用现有的高分子电解质型燃料电池的MEA上使用的物质。化学式(1) 然后，准备作成气体扩散电极基材厚度为300μm的碳纸。并且在其一面设有由聚四氟乙烯(PTFE)的水性分散液处理的碳粉(比表面积180m2/g、PTFE的含有量为每100重量份碳粉末为200重量份)组成的厚度约为40μm的层。其次在该层上涂附所述浆，形成厚度约为30μm的催化层。，得到气体扩散电极。在一对气体扩散电极上将催化层设置为内侧，挟持高分子电解膜，在110℃热压处理30秒，得到MEA。作为高分子电解质膜，使用Nafion112(Du Pont公司制，厚度约为50μm)。再准备厚度为500μm的不锈钢板(SUS316)两片。准备用于形成导电性树脂组成物。树脂组成物为利用行星球磨机将氟烃弹性体(CF2＝CF-CF＝CF2、CH3-CF＝CF2、CF2＝CF2等组成的共聚物粉末)、鳞状黑铅以及甲基乙基酮组成的混合物(重量比10∶50∶40)混炼得到的物质。氟烃弹性体具有疏水性。该树脂组成物涂附在各不锈钢板的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分子电解质型燃料电池，由高分子电解质膜以及挟持所述高分子电解质膜的一对气体扩散电极组成的电解质膜－电极接合体、具有将氧化剂气体供给到所述一对气体扩散电极的一方的气体流路的第１导电性隔板以及具有将燃料气体供给到所述一对气体扩散电极的另一方的气体流路的第２导电性隔板组成，其特征为，所述第１导电性隔板以及第２导电性隔板的至少一方由在金属基材和金属基材上设有的而且和所述电解质膜－电极接合体接触的导电性树脂层组成，所述导电性树脂层由具有疏水性或碱性基的树脂以及导电性粒子状物质组成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：行天久朗，酒井修，羽藤一仁，新仓顺二，小原英夫，西田和史，
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]