低温燃料电池分离器及其生产方法技术

低温燃料电池的分离器包括不锈钢衬底Ｓ，在所述不锈钢衬底的表面上粘附着呈点状分布的碳粒子例如石墨粒子ＧＰ或炭黑聚集体ＣＡ。优选通过渗出层ＤＬ将碳粒子粘合到衬底Ｓ的表面上。碳粒子分散层可以是分散有石墨粒子ＧＰ或炭黑聚集体ＣＡ的镀层或是通过对施加到衬底Ｓ表面上的碳粒子分散涂料中的有机成份进行热分解而形成。由于没有氧化膜的碳粒子粘附在耐酸不锈钢衬底Ｓ的表面上，所以分离器的接触电阻很低。因此，由多个燃料电池叠加在一起构成的能量发生器显示出很高的能量发生效率而且因焦耳热引起的热量损失很小。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及一种可在相对低温下工作的燃料电池，例如固体大分子燃料电池的金属分离器及其生产方法。与其它类型的燃料电池相比，固体大分子燃料电池具有能在低于100℃温度下工作以及在短时间内开始工作的优点。由于这种燃料电池的结构全部由固体部件构成，所以能很容易地保持其工作状态和将其用于各种承受振动或冲击的场合。此外，由于燃料电池具有很高的功率密度所以可以将其尺寸设计得较小。燃料电池还具有很好的燃烧效率以及低噪声。考虑到这些优点，目前已经研究和尝试将燃料电池用于安装在电动汽车或类似物的发动机上。如果将燃料电池设计成能如汽油发动机那样长距离行驶，则装有这种燃料电池的汽车基本上不会对环境造成任何有害影响，这是因为CO2减少了一半，所以不会产生SOx或NOx。传统的固体大分子燃料电池具有固体大分子薄膜，固体大分子薄膜的分子内包含质子交换基。薄膜起质子导电电解质的作用。燃料电池的内部由薄膜分成两个区。用与其它类型的燃料电池相同的方式，在一个区上施加燃料气体例如氢气，同时在另一个区上施加氧化气例如氧气。图1A中示出了燃料电池的内部结构。将空气电极2和氢电极3分别耦接到固体大分子薄膜1的两侧。薄膜1的两侧通过垫片4面对分离器5。在空气电极2一侧的分离器5上形成空气送入孔6和空气排出孔7，而在氢电极3一侧的另一个分离器5上形成氢气送入孔8和氢气排出孔9。在分离器5上形成沿氢气g和氧气或空气o的流动方向延伸的多个槽10，以便使氢气g和氧气或空气o均匀分布。由于在分离器5中设有水冷却装置，所以通过供水孔11送入冷却水w，使水在分离器5中循环并通过排水孔12将水排出便可以在产生能量的过程中释放热量。通过氢气送入孔8送到氢电极3和分离器5之间间隙中的氢气g在放电之后转变成质子。产生的质子透过固体大分子薄膜1接收空气电极2一侧的电子，并与穿过空气电极2和分离器5之间间隙的氧气或空气o一起燃烧。所以，通过在空气电极2和氢电极3之间施加载荷便可以得到电能。由于每一个燃料电池的电动力极小，所以在实际应用中需要如图1B所示把多个燃料电池叠加在一起来获得所需电压。所以将夹在分离器之间的固体大分子薄膜作为一个单元使用。由于采用了将多个燃料电池叠加在一起的结构，所以产生能量的效率明显受分离器5的电阻影响。为了提高产生能量的效率需要具有低接触电阻及良好导电性的分离器材料。基于此种考虑，出于与OHM第83卷No.7第55～61页和FUJI GIHOH第68卷No.3第164～167页所公开的磷酸盐燃料电池同样的想法目前采用的是石墨分离器。这种石墨分离器是通过将石墨块切割成实体形状并将成形后的石墨块加工成各种孔和槽的形状而制成的。切割加工过程非常浪费石墨材料而且需要昂贵的加工费用，所以使整个燃料电池非常昂贵。而且切割加工过程的生产率很低。此外，用脆性石墨制成的分离器在受振动、冲击等情况下容易断裂或损坏。为了克服石墨分离器的这些缺点，日本专利申请第180883 A1/1996号中提出了一种通过压制、冲压等金属板生产分离器的方法。然而，当用金属板作为燃料电池分离器的材料时，会出现其它问题。即，供氧气或空气o通过的空气电极2一侧的区域是pH值为2～3的酸性条件。还没有发现在强酸条件下具有足够耐酸性和显示出具有作为分离器使用时所需特性例如良好导电性、与电极具有低接触电阻和耐腐蚀的金属材料构造。可以将耐酸材料例如不锈钢作为耐酸性条件的金属材料使用。由于这种材料的表面可形成钝化层所以其显示了极佳的耐酸性，但是这种钝化层将增加材料与氢气或空气电极的作用表面或接触电阻。接触电阻的增大意味着会在分离器与氢气和空气电极的接触面上产生大量焦耳热。产生的焦耳热将浪费性消耗由燃料电池得到的电能，从而导致产生能量的效率降低。其它金属板通常也具有在其上增大接触电阻的氧化层。金是一种不会在表面上形成钝化或氧化层而且耐酸性气氛的金属材料。然而，金是一种非常昂贵的材料，所以实际上不可能用金作为燃料电池分离器的合适材料。铂也是一种能阻止在其表面形成钝化或氧化层和耐酸性气氛的金属材料。然而，由于铂也是一种极昂贵的材料所以也不能作为分离器材料使用。此外，用作分离器的金属材料应该具有良好的加工性，这是因为需要通过压制、冲压等工艺制成多个可供氢气和空气穿过的槽10或法兰。通过在金属材料表面上使用有机大分子薄膜或润滑剂可以改善金属材料的加工性。然而，使用有机大分子薄膜或润滑剂会增加金属材料的接触电阻，所以在由多个燃料电池叠加制成的能量发生器中将产生大量焦耳热。产生焦耳热意味着损失电能和降低能量发生器的能量产生效率。在将加有润滑剂的金属材料加工成实体形状之后，将对金属材料进行脱脂和漂洗等后处理。这种后处理增加了处理步骤，而且还需要对废液处理支出。如果用有机或flon溶剂对加工的金属材料进行脱脂，则由于溶剂的扩散将会使大气质量变坏。当在金属材料表面上使用有机薄膜时，可以在不使用润滑剂的情况下将金属材料加工成实体形状。然而，由于使用了有机膜将使金属材料的接触电阻增大，而且由于有机膜耐酸性条件的能力很差所以它会从金属材料的表面剥离或溶解。专利技术概述本专利技术的目的在于提供一种能解决上述问题的金属分离器。通过在不锈钢表面上布置呈点状分布的碳粒子或形成金属镀层或涂料薄膜可以在不减小耐酸性的情况下确保金属分离器具有极佳的导电性和低接触电阻，其中所述碳粒子分散在不锈钢表面上。按照本专利技术所述第一种低温燃料电池分离器的特征在于将碳粒子粘合到用耐腐蚀金属板制成的分离器表面上，所述金属板具有在腐蚀性气氛中预先形成的氧化层。作为衬底的代表性金属板是表面具有钝化层的不锈钢。优选将碳粒子以点状分布的形式施加到衬板表面上。通过将碳粒子施加到不锈钢板表面上然后用0.1％～50％的压缩比滚压不锈钢板而将碳粒子压到不锈钢板上可提高碳粒子在不锈钢衬底上的粘合性和抗剥离性。可以在对碳粒子施压后对不锈钢板进行热处理。通过热处理在碳粒子和不锈钢衬底之间形成有利于粘合的渗出层。碳粒子可以是炭黑或石墨粒子。第二种分离器具有涂覆了金属镀层的不锈钢衬底，其中碳粒子以暴露于大气中的形式分散。镀层可以是镍—铬、钛、钽或钛—钽层。分散在镀层中的碳粒子可以是炭黑或石墨粒子。镍—铬镀层优选包含5重量％～60重量％的铬和选择性包含0.3重量％～40重量％的钼。第三种分离器具有由通过渗出层粘合到不锈钢衬底表面上的碳粒子构成的碳键合层。细粒状的碳粘合到碳粘合层中碳粒子的表面上。通过将分散有碳粒子的涂料施加到不锈钢衬底上然后进行加热使有机成份分解和消失从而将碳粒子保持在不锈钢衬底表面上的方式形成碳粘合层。在非氧化气氛中在300℃～1150℃下进行热处理可以完成涂料薄膜的热分解。在进行热处理之前，可以用0.1％～50％的压缩比滚压用涂料薄膜涂覆的不锈钢板。 附图说明图1A是表示用固体大分子薄膜作为电解质的传统燃料电池内部结构的剖面图；图1B是处于分解状态下的同一传统燃料电池的俯视图；图2A是表示不锈钢衬底的剖面图，所述不锈钢衬底上施加了呈点状分布的石墨粒子；图2B是表示不锈钢衬底的剖面图，所述不锈钢衬底表面上具有通过渗出层粘结的石墨粒子；图2C是表示不锈钢衬底的剖面图，所述不锈钢衬底上聚集的炭黑呈点状分布；图2D是表示不锈钢衬底的剖面图，所述不锈钢衬底表面上本文档来自技高网...

【技术保护点】
低温燃料电池的分离器，包括：金属板衬底，所述金属板衬底上生成在腐蚀性气氛中保持耐酸性的氧化膜，在所述金属板衬底表面上施加碳粒子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：福居康，松野雅典，斋藤实，
申请(专利权)人：日新制钢株式会社，丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]