[发明专利]钛材料

说明书

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池的分隔件用钛材料。

背景技术

燃料电池利用氢与氧键合反应时产生的能量进行发电，因此，从节能和环境对策这两方面出发，是期待其导入和普及的新一代发电系统。燃料电池中有固体电解质型、熔融碳酸盐型、磷酸型、以及固体高分子型等种类。

它们之中，固体高分子型燃料电池的输出密度高、可以小型化，此外，在比其它类型的燃料电池低温的条件下工作，容易启动以及停止。根据这样的优点，固体高分子型燃料电池在汽车用以及家庭用的小型热电联产中的利用受到期待，近年来特别受到关注。

图1A为固体高分子型燃料电池(以下，也简称为“燃料电池”)的立体图，是示出组合多个单电池单元而制作的燃料电池整体的图。图1B为构成燃料电池的单电池单元的立体分解图。

如图1A所示，燃料电池1为单电池单元的集合体(堆)。在各单电池单元中，如图1B所示，在固体高分子电解质膜2的一面层叠阳极侧电极膜(也称为“燃料电极膜”；以下称“阳极”。)3，在另一面层叠阴极侧电极膜(也称为“氧化剂电极膜”；以下称“阴极”。)4，在其两面叠放分隔件(双极板)5a、5b。

燃料电池中，有在邻接的2个单电池单元之间或每隔几个单电池单元配置有具有冷却水的流通路的分隔件的水冷型燃料电池。本发明也将这样的水冷型燃料电池的分隔件用钛材料作为对象。

作为固体高分子电解质膜(以下简称“电解质膜”。)2，主要使用具有氢离子(质子)交换基团的氟系质子传导膜。

阳极3和阴极4均以将具有导电性的碳纤维制成片状的碳片(或与碳片相比薄的碳纸、或者更薄的碳布)为主体。阳极3和阴极4中，有时也设置有催化剂层，所述催化剂层由颗粒状的铂催化剂、石墨粉、以及根据需要而添加的具有氢离子(质子)交换基团的氟树脂形成。

在分隔件5a的阳极3侧的表面形成有沟状的流路6a。在该流路6a中流通燃料气体(氢气或含氢气体)A，氢被供给至阳极3。此外，在分隔件5b的阴极4侧的表面形成有沟状的流路6b。该流路6b中流通空气等氧化性气体B，氧被供给至阴极4。阳极3和阴极4分别作为透过燃料气体和氧化性气体的气体扩散层而发挥作用。阳极3和阴极4中设置有催化剂时，燃料气体或氧化性气体与该催化剂层接触而促进反应。发生燃料气体与氧化性气体的电化学反应而产生直流电力。

固体高分子型燃料电池的分隔件所要求的主要功能如下所述。

(1)作为将燃料气体、或氧化性气体均匀地供给至电池面内的“流路”的功能

(2)作为使在阴极侧生成的水与反应后的空气、氧之类的载气一起从燃料电池高效地排出到体系外的“流路”的功能

(3)与电极膜(阳极3、阴极4)接触而成为电通道，进而成为邻接的2个单电池单元间的电“连接器”的功能

(4)在邻接的电池单元(cell)间，作为一个电池单元的阳极室与邻接的电池单元的阴极室的“分隔壁”的功能

(5)在水冷型燃料电池中，作为冷却水流路与邻接的电池单元的“分隔壁”的功能

固体高分子型燃料电池中使用的分隔件(以下简称为“分隔件”。)的基材材料需要为能够实现这样的功能的材料。基材材料中大致分为金属系材料和碳系材料。

使用金属系材料时，对平板状的材料进行压制加工而成形为具有沟状的流路等形状的分隔件。以钛为首的金属系材料具有作为金属特有的性质的加工性优异、能够使分隔件的厚度较薄、由此可实现分隔件的轻量化这样的优点。

但是，有时会因分隔件表面发生氧化而导致分隔件表面的导电性降低。另外，在电解质膜为氟系质子传导膜时，有时会从电解质膜释放氟，由此分隔件表面发生腐蚀而生成氟化物，分隔件表面的导电性降低。这样，由金属系材料形成的分隔件与电极膜(阳极和阴极)的接触电阻升高成为问题。对于该问题，提出了以下的方案。

专利文献1中提出了：在钛制分隔件基材中，从应与电极接触的表面去除钝化覆膜后，在该表面通过镀覆等形成金等贵金属的层。

专利文献2中，作为解决钛制分隔件的耐腐蚀性(耐氧化性)的问题而不使用金等贵金属的方案，提出了通过蒸镀而在表面形成了由碳形成的导电性触点层的钛制分隔件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-105523号公报

专利文献2：日本特许第4367062号公报

专利文献3：日本特许第5348355号公报

专利文献4：日本特许第4981284号公报

非专利文献