[发明专利]铁素体系不锈钢材、分隔件、固体高分子型燃料电池、以及分隔件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁素体系不锈钢材、分隔件、固体高分子型燃料电池、以及分隔件的制造方法。需要说明的是，在此所谓分隔件也有时称为双极板。

背景技术

燃料电池为利用氢和氧发出直流电流的电池，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，作为达到商用阶段的燃料电池、存在在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结构的说明图、图1(a)为燃料电池单元(单格)的分解图，图1(b)为燃料电池整体的立体图。

如图1(a)以及图1(b)所示，燃料电池1为单格的集合体。单格如图1(a)所示，具有在固体高分子电解质膜2的一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，在这两面重叠分隔件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碳布组成的扩散层表面设置由颗粒状的铂催化剂和石墨粉、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氧化性气体接触。

从在分隔件5a上设置的流路6a流通燃料气体(氢或含氢气体)A而将氢供给到燃料电极膜3上。此外，从在分隔件5b上设置的流路6b流通空气那样的氧化性气体B，供给氧。通过这些气体的供给，产生电化学反应而产生直流电力。

对于固体高分子型燃料电池的分隔件所要求的机能如下：(1)在燃料极侧，作为面内均匀地供给燃料气体的“流路”的机能；(2)作为将在阴极侧生成的水与反应后的空气、氧之类的载气一同高效地从燃料电池排出到体系外的“流路”的机能；(3)作为在长时间内维持电极的低电阻、良好的导电性的单格间的电“连接器”的机能；以及(4)作为在邻接的单元中一个单元的阳极室与邻接的单元的阴极室的“隔壁的机能等。

至今，作为分隔件材料，碳板材的应用在实验室水平进行了深入的研究，但碳板材存在容易破裂的问题，进而，存在用于使表面平坦的机械加工成本以及用于形成气体流路的机械加工成本大幅增多的问题。分别是较大的问题，存在难以使燃料电池的商用化的状况。

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的分隔件用原材料最受关注。然而，对于变得越来越严格的尺寸精度的对应，在燃料电池应用中产生的经年的粘接用有机树脂的劣化、称为渗漏(クロスオーバー，crossover)的氢透过问题、受到电池运转条件的影响而进行的碳腐蚀、以及组装燃料电池时和使用中引起的不能预期的破裂事故等，作为今后应该解决的问题而残留。

作为对于这样的石墨系原材料的应用的研究的行动，以成本削减为目的，开始在分隔件中尝试应用不锈钢。

专利文献1中公开了由金属制构件组成，在与单电池的电极的接触面直接实施镀金的燃料电池用分隔件。作为金属制构件，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中公开了使用由于大气而容易生成在表面所形成的钝化覆膜的金属材料组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一定存在钝化覆膜，金属的表面不易被化学侵蚀，在燃料电池单元中生成的水被离子化的程度降低，抑制了燃料电池单元的电化学反应度的降低。此外，去除分隔件的与电极膜等接触部分的钝化覆膜，形成贵金属层，从而使导电时接触电阻值变小。

然而，由专利文献1、2公开的、将在表面具备钝化覆膜的不锈钢那样的金属材料原样用于分隔件，抗蚀性不充分、引起金属的溶出，由于溶出金属离子使负载催化剂性能劣化。此外，由于在溶出后生成的Cr-OH(铬系氢氧化物)、Fe-OH(铁系氢氧化物)那样的腐蚀产物，使分隔件的接触电阻增加，因此对于由金属材料形成的分隔件，现状是实施无视成本的镀金等贵金属镀覆。

这样的状况下，作为分隔件，也提出了不实施昂贵的表面处理而可以直接应用的抗蚀性优异的不锈钢。