[发明专利]铁素体类不锈钢材、使用其的固体高分子型燃料电池用分隔件以及固体高分子型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及铁素体类不锈钢材和使用其的固体高分子型燃料电池用分隔件以及固体高分子型燃料电池。需要说明的是，其中所谓分隔件有时也称为双极板。

背景技术

燃料电池为利用氢和氧而产生直流电流的电池，大致分为固体电解质型、熔融碳酸盐型、磷酸型以及固体高分子型。各个形式源自构成燃料电池的基本部分的电解质部分的构成材料。

现在，作为达成商用阶段的燃料电池，具有在200℃附近工作的磷酸型以及在650℃附近工作的熔融碳酸盐型。随着近年的技术开发的进展，在室温附近工作的固体高分子型和在700℃以上工作的固体电解质型作为汽车搭载用或者家庭用小型电源而被关注。

图1为示出固体高分子型燃料电池的结构的说明图，图1的(a)为燃料电池单元(单格)的分解图，图1的(b)为燃料电池整体的立体图。

如图1的(a)以及图1的(b)所示，燃料电池1为单格的集合体。单格如图1的(a)所示，具有在固体高分子电解质膜2的1个面层叠燃料电极膜(阳极)3，在另一面层叠氧化剂电极膜(阴极)4，在这两个面叠加分隔件5a、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)交换基的氟系离子交换树脂膜。

在燃料电极膜3以及氧化剂电极膜4中，在由碳纤维构成的碳纸或者碳布组成的扩散层表面设置由颗粒状的铂催化剂、石墨粉、具有氢离子(质子)交换基的氟树脂组成的催化剂层，与透过扩散层的燃料气体或者氧化性气体接触。

从设置于分隔件5a的流路6a流通燃料气体(氢或者含氢气体)A，将氢供给到燃料电极膜3。此外，从设置于分隔件5b的流路6b流通如空气那样的氧化性气体B，供给氧。通过这些气体的供给而产生电化学反应，从而产生直流电。

固体高分子型燃料电池分隔件中所要求的机能是：(1)在燃料极侧，作为面内均一地供给燃料气体的“流路”的机能；(2)在阴极侧，作为将生成的水与通过燃料电池反应后的空气、氧气这样载气一起高效地排出到体系外的“流路”的机能；(3)经过长时间，作为电极维持低电阻、良好的导电性的单格间的电“连接器”的机能；以及(4)在相邻电池中作为与一个电池的阳极室邻接的电池的阴极室的“分隔壁”的机能等。

至今，作为分隔件材料，碳板的应用在实验室水平进行了深入研究，但存在碳板材容易破裂的问题，进而存在用于使表面平坦的机械加工成本以及用于气体流路形成的机械加工成本极端增大的问题。上述均为较大的问题，存在燃料电池的商用化自身难以进行的情况。

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型燃料电池分隔件用原材料而最受关注。然而，对应于越来越严格的尺寸精度，受到在燃料电池应用中产生的经年的粘接用有机树脂的劣化、电池运转条件的影响而加剧的碳腐蚀，以及在组装燃料电池时和使用中发生的不能预期的破损事故等作为今后应该解决的问题而残留。

作为这样的石墨系原材料的应用的研究的动向，以成本削减为目的，开始尝试应用不锈钢作为分隔件。

专利文献1中公开了由金属制部件组成、在与单元电池的电极的接触面实施直接镀金的燃料电池用分隔件。作为金属制部件，可以列举出不锈钢、铝以及Ni-铁合金，作为不锈钢使用SUS304。在该发明中，分隔件实施镀金，因此分隔件与电极的接触电阻降低，从分隔件向电极的电子导通良好，因此燃料电池的输出电压变大。

专利文献2中公开了：使用了由表面所形成的钝化覆膜容易通过空气生成的金属材料形成的分隔件的、固体高分子型燃料电池。作为金属材料，可以列举出不锈钢和钛合金。在该发明中，在分隔件中所使用的金属的表面上必须存在钝化覆膜，由此金属的表面难以被化学地侵蚀、在燃料电池单元中生成的水被离子化的程度降低，从而燃料电池单元的电化学反应程度的降低被抑制。此外，去除与分隔件的电极膜等接触的部分的钝化覆膜，形成贵金属层，从而使接触电阻值变小。

然而，即便将由专利文献1以及2所公开的、在表面具备钝化覆膜的不锈钢那样的金属材料直接用作分隔件，耐腐蚀性不充分，引起金属溶出，由于溶出金属离子而使负载催化剂性能劣化。此外，由于在溶出后生成的Cr-OH以及Fe-OH那样的腐蚀产物，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实施无视成本的镀金等贵金属镀敷。

这样的情况下，作为分隔件，还提出能够不实施昂贵的表面处理而直接无垢应用的耐腐蚀性优异的不锈钢。