[发明专利]铁素体系不锈钢钢材、和使用其的固体高分子形燃料电池用分隔件及固体高分子形燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及铁素体系不锈钢钢材、和使用其的固体高分子形燃料电池用分隔件以及固体高分子形燃料电池。需要说明的是，在此所称的分隔件有时也称为双极板(bipolar plate)。

背景技术

燃料电池为利用氢气和氧气以直流电流发电的电池，大致分为固体电解质形、熔融碳酸盐形、磷酸形和固体高分子形。各形式源自构成燃料电池的主体部分的电解质部分的构成材料。

现在，作为达到商用阶段的燃料电池，存在在200℃左右工作的磷酸形、和在650℃左右工作的熔融碳酸盐形。随着近年的技术开发进展，在室温左右工作的固体高分子形、和在700℃以上工作的固体电解质形作为汽车装载用或家庭用小型电源受到关注。

图1为表示固体高分子形燃料电池的结构的说明图，图1的(a)为燃料电池单元(单电池)的分解图、图1的(b)为燃料电池整体的立体图。

如图1的(a)和图1的(b)所示，燃料电池1为单电池的集合体。单电池如图1的(a)所示具有在固体高分子电解质膜2的一面层叠燃料电极膜(阳极)3、在另一面层叠氧化剂电极膜(阴极)4、在这两面重叠分隔件5a及5b的结构。

作为代表性的固体高分子电解质膜2，存在具有氢离子(质子)交换基团的氟系离子交换树脂膜。

对于燃料电极膜3和氧化剂电极膜4，在包含由碳纤维构成的碳纸或碳布的扩散层表面设置包含颗粒状的铂催化剂和石墨粉、具有氢离子(质子)交换基团的氟树脂的催化剂层，与透过扩散层的燃料气体或氧化性气体接触。

由设置于分隔件5a的流路6a流通燃料气体(氢气或含有氢气的气体)A、向燃料电极膜3供给氢气。另外，由设置于分隔件5b的流路6b流通空气那样的氧化性气体B、供给氧气。通过这些气体的供给，产生电化学反应而产生直流电力。

固体高分子形燃料电池分隔件所要求的功能，为(1)在燃料极侧、作为面内均匀地供给燃料气体的“流路”的功能；(2)作为将在阴极侧生成的水由燃料电池与反应后的空气、氧气等载气一起有效地排出到系统外的“流路”的功能；(3)作为长时间作为电极维持低电阻、良电导性的单电池间的电的“连接器”的功能；和(4)在邻接的单元作为一个单元的阳极室与邻接的单元的阴极室的“间壁墙”的功能等。

迄今，作为分隔件材料，碳板材的适用以实验室水平进行深入研究，但是存在碳板材容易破裂的问题，进而存在用于使得表面平坦的机械加工成本和用于气体流路形成的机械加工成本非常高的问题。分别为大的问题，存在燃料电池的商用化其本身是困难的状況。

在碳之中，热膨胀性石墨加工品格外廉价，因此作为固体高分子形燃料电池分隔件用原材料最受到关注。但是，应付越来越严格的尺寸精度、产生于燃料电池适用中的经年性的粘合用有机树脂的劣化、受到电池运转条件的影响进行的碳腐蚀、以及燃料电池装配时和使用中产生的预想不到的破裂事故等作为今后也应该解决的问题残留。

作为对峙于这种石墨系原材料的适用的研究的行动，为了降低成本，开始尝试将不锈钢适用于分隔件。

专利文献1中公开了包含金属制构件、在与单位电池的电极的接触面直接实施了镀金的燃料电池用分隔件。作为金属制构件，可列举出不锈钢、铝和Ni-铁合金，作为不锈钢，使用SUS304。该发明中，分隔件由于实施镀金，因此分隔件与电极的接触电阻降低，由分隔件向电极的电子的导通良好，因此燃料电池的输出电压增大。

专利文献2中公开了使用由形成于表面的钝态覆膜通过大气容易生成的金属材料形成的分隔件的固体高分子形燃料电池。作为金属材料，可列举出不锈钢和钛合金。该发明中，在分隔件中使用的金属的表面必定存在钝态覆膜，金属的表面在化学上难以侵入，由燃料电池单元生成的水被离子化的程度降低，燃料电池单元的电化学反应度降低得到抑制。另外，通过去除分隔件与电极膜等接触的部分的钝态覆膜、形成贵金属层，由此电接触电阻值减小。

但是，即使将通过专利文献1及2公开的在表面具备钝态覆膜的不锈钢等金属材料直接用于分隔件，耐蚀性也不充分，产生金属的溶出，由于溶出金属离子而负载催化性能劣化。另外，由于溶出后生成的Cr-OH或Fe-OH等腐蚀生成物而分隔件的接触电阻增加，因此现状是，对于由金属材料形成的分隔件，将成本置之度外实施镀金等贵金属镀覆。

这种状況下，作为分隔件，也提出了不实施昂贵的表面处理就可以单纯直接适用的耐蚀性优异的不锈钢。