专利名称：燃料电池用金属隔板及其贵金属涂布方法
技术领域：
本发明涉及一种被层叠于在电解质两侧设有一对电极的电解质电极构造体而构成燃料电池的燃料电池用金属隔板及其贵金属涂布方法。
背景技术：
例如，固体高分子型燃料电池具备由一对隔板夹持电解质膜电极构造体(MEA)的单位单电池(发电单电池)，其中电解质膜电极构造体(MEA)在由高分子离子交换膜形成的电解质膜(电解质)的两侧分别配置了阳极电极及阴极电极。这种燃料电池通常在作为车载用而使用时，为了得到希望的发电力，作为将规定数量(例如，数十 数百)的单位单电池层叠的燃料电池堆使用。
此时，在隔板的面内，形成有反应气体沿电极面流动的反应气体流路。因此，在使用金属隔板作为隔板的情况下，通过将所述金属隔板冲压成形为波形状，从而设有与电极面抵接的凸部和形成反应气体流路的凹部。在上述的金属隔板中，需要良好地维持导电性、耐腐蚀性及耐磨损性。因此，在金属隔板的表面上形成金的涂布层。例如，在日本特开2010-077464号公报中公开一种使被镀部件的凸部件与浸溃在电镀液中的保液部件接触，从而对所述凸部的顶面部选择性地实施电解镀的方法。在该方法中，电镀液为Au电镀液，使用最大电流密度20 260A/dm2、平均电流密度5 26A/dm2的脉冲电流来进行电镀。但是，在实施了镀金处理的金属隔板中，金容易剥离，存在无法长期良好使用的顾虑。因此，金属隔板的耐用年数下降。
发明内容
本发明为解决这种问题，目的在于提供一种能够有效抑制贵金属的剥离，且能够良好地维持导电性、耐腐蚀性及耐磨损性的燃料电池用金属隔板及其贵金属涂布方法。本发明涉及一种被层叠于在电解质两侧设有一对电极的电解质电极构造体而构成燃料电池的燃料电池用金属隔板及其贵金属涂布方法。该金属隔板通过将金属板成形为波形状，从而设有抵接于电解质电极构造体的凸部以及在与所述电解质电极构造体之间形成反应气体流路的凹部。而且，在凸部上形成有贵金属涂布层，并且所述贵金属涂布层具有主贵金属涂布部以及在所述主贵金属涂布部的周围延伸的网眼状贵金属涂布部。另外，该贵金属涂布方法具有对凸部实施粗面化处理的工序；从喷墨器向实施了所述粗面化处理的所述凸部喷出贵金属微粒子而形成贵金属涂布层的工序。根据本发明，在金属隔板的凸部上形成的贵金属涂布层具有主贵金属涂布部以及在所述主贵金属涂布部的周围延伸的网眼状贵金属涂布部。因此，贵金属涂布层牢固且可靠地设置于金属隔板的凸部，从而尽可能抑制其从所述凸部剥离。在此，作为贵金属，至少使用金、白金或银。由此，能够有效抑制贵金属的剥离，能够良好地维持导电性、耐腐蚀性及耐磨损性。另外，根据本发明，在对金属隔板的凸部实施了粗面化处理后，通过喷墨器在所述凸部上形成有贵金属涂布层。因此，在凸部的被粗面化处理的部位，贵金属流入网眼状而形成网眼状贵金属涂布部。因此，贵金属涂布层牢固且可靠地设置于金属隔板的凸部，尽可能抑制其从所述凸部剥离。由此，能够有效抑制贵金属的剥离，能够良好地维持导电性、耐腐蚀性及耐磨损性。从参考附图进行的下面的优选的实施方式例的说明，上述目的及其他目的、特征、及优点会更明确。
图I是本发明的第一实施方式的燃料电池用金属隔板即第一及第二金属隔板被装入的燃料电池的主要部分分解立体说明图。图2是所述燃料电池的剖面说明图。图3是所述第二金属隔板的正面说明图。图4是所述燃料电池的主要部分剖面说明图。图5是在所述第一及第二金属隔板的凸部设置的金涂布层的说明图。图6是用于形成所述金涂布层的工序说明图。图7是喷墨器装置的说明图。图8是第一实施方式与现有例的母材腐蚀时的金剥离强度的关系说明图。图9是第一实施方式与现有例的接触电阻的关系说明图。图10是在本发明的第二实施方式的燃料电池用金属隔板的凸部上设置的金涂布层的说明图。图11是金的面积率引起的与水的接触角的变化的说明图。
具体实施例方式如图I及图2所示，燃料电池10的电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)14被本发明的第一实施方式的第一金属隔板16和第二金属隔板18夹持。电解质膜电极构造体14和第一金属隔板16及第二金属隔板18以电极面为铅直面的方式在水平方向(箭头A方向)上层叠。第一金属隔板16及第二金属隔板18具有沿重力方向延伸的纵长形状。第一金属隔板16及第二金属隔板18例如由钢板、不锈钢板、铝板、或者镀敷处理钢板等构成，平面具有矩形形状，并且通过将金属制薄板冲压加工成波板状，从而成形为剖面凹凸形状。在燃料电池10的重力方向(箭头C方向)上端缘部，在层叠方向的箭头A方向相互连通而沿箭头B方向(水平方向)排列设有用于供应氧化剂气体、例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔20a ;用于供应冷却介质的冷却介质入口连通孔22a ;及用于供应燃料气体、例如含氢气体的燃料气体入口连通孔24a。
在燃料电池10的重力方向下端缘部，在箭头A方向上相互连通而沿箭头B方向排列设有用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔24b ;用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔22b ;及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔20b。在第一金属隔板16的电解质膜电极构造体14侧的面16a上设有沿重力方向延伸的直线状的氧化剂气体流路26。如图2所示，第一金属隔板16设有抵接于电解质膜电极构造体14的凸部28a ;以及在与所述电解质膜电极构造体14之间形成氧化剂气体流路26的凹部28b。氧化剂气体流路26与氧化剂气体入口连通孔20a及氧化剂气体出口连通孔20b连通。在第一金属隔板16的面16b上，形成氧化剂气体流路26的背面形状的、即，在凸部28a的背面侧形成冷却介质流路30。该冷却介质流路30与冷却介质入口连通孔22a及冷却介质出口连通孔22b连通。如图3所示，在第二金属隔板18的电解质膜电极构造体14侧的面18a上，形成与 燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通、且沿箭头C方向(重力方向)延伸的直线状的燃料气体流路32。如图2所示，第二金属隔板18设有与电解质膜电极构造体14抵接的凸部34a以及在与所述电解质膜电极构造体14之间形成燃料气体流路32的凹部34b。在第一金属隔板16的面16a、16b上,绕该第一金属隔板16的外周端部一周并通过烧印或注射成形等将第一密封部件36 —体化。在第二金属隔板18的面18a、18b上，绕该第二金属隔板18的外周端部一周将第二密封部件38 —体化。第一密封部件36及第二密封部件38例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料，缓冲材料或者填料材料。更优选适当使用具有放水作用的橡胶部件，例如硅酮橡胶(硅酮等)。如图I及图2所示，电解质膜电极构造体14例如具备在全氟磺酸(〃一 7 &才口 7 > * >酸)的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜40 ;夹持所述固体高分子电解质膜40的阳极电极42及阴极电极44。阳极电极42及阴极电极44具有由碳纸等构成的气体扩散层；以及将表面承载有白金合金的多孔质碳粒子均匀涂布在所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成于固体高分子电解质膜40的两面。如图4所示，在第一金属隔板16的凸部28a及第二金属隔板18的凸部34a上，仅由贵金属粒子、例如金微粒子形成金涂布层(贵金属涂布层)46a、46b。需要说明的是，作为贵金属粒子，除了金微粒子以外，还可以使用白金微粒子或银微粒子。金涂布层46a、46b具有凸部28a、34a的平坦区域LI ;以及位于所述平坦区域LI的两侧，覆盖所述凸部28a、34a的角部，即覆盖圆角部而设置的圆角部区域L2、L3。如图5所示,金涂布层46a、46b分别具有主金涂布部(主贵金属涂布部)48以及在所述主金涂布部48的周围延伸的网眼状金涂布部(网眼状贵金属涂布部)50。主金涂布部48如后所述，具有由喷墨器形成的点状，另一方面，网眼状金涂布部50例如具有沿着凸部28a、34a的第一金属隔板16及第二金属隔板18的粒界形成的不规则的网眼形状(变形虫(7 J —K)形状)。相互相邻的金涂布层46a是通过各网眼状金涂布部50彼此相互缠绕而构成的，并且相互相邻的金涂布层46b是通过各网眼状金涂布部50彼此相互缠绕而构成的。接着，以下对第一金属隔板16的金涂布方法(贵金属涂布方法)进行说明。需要说明的是，第二金属隔板18的金涂布方法与第一金属隔板16同样，其详细的说明省略。该金涂布方法如图6所示，基本上具有对凸部28a实施粗面化处理的工序(SI)；从喷墨器(后述)向实施了所述粗面化处理的所述凸部28a喷出金微粒子而形成金涂布层46a的工序(S2)；以及对形成有所述金涂布层46a的所述凸部28a实施热处理的工序(S3)。具体地说，首先，将构成第一金属隔板16的钢板(一般的SUS板材)浸溃在硝酸或硫酸等酸之中，实施电解蚀刻处理。因此，钢板的粒界优先被蚀刻，实质上对所述钢板的表面实施粗面化处理。
需要说明的是，作为粗面化处理，除了使用上述的酸的蚀刻处理以外，也可以采用基于其他的溶液的电解蚀刻处理、基于氯化铁(塩化第二铁)的溶削处理、基于金属刷的抛光处理或者光刻处理等。接着，如图7所示，进行基于喷墨器装置60的金涂布处理。喷墨器装置60具备喷墨头62，在该喷墨头62上设有多个喷嘴64。各喷嘴64被设定为与凸部28a的金涂布范围(平坦区域LI及圆角部区域L2、L3)对应的涂布宽度尺寸。在喷墨头62上连接供应线66的一端,并且所述供应线66的另一端被浸溃在墨液容器68内的溶液70中。溶液70例如仅具有IOnm以下的金微粒子与用于使所述金微粒子分散的分散剂。分散剂是所谓的界面活性剂，其具有在一个分子内具备亲水基和疏水基的化学构造。在作为溶液而使用有机溶剂时，有机溶剂中的分散剂朝向金微粒子的周围配置未水基，另一方面，疏水基朝向所述未水基的外侧配向。因此，从构成喷墨器装置60的喷墨头62将溶液70涂布在被粗面化处理后的第一金属隔板16上。因此，在第一金属隔板16的各凸部28a形成由溶液70形成的涂面。进而，对第一金属隔板16实施热处理。由此，将分散剂分解除去，并且凸部28a上的金微粒子彼此被烧结而一体化。因此，在凸部28a上形成金涂布层46a。此时，在第一实施方式中，金涂布层46a具有与喷墨头62的各喷嘴64的喷出开口形状对应的点状的主金涂布部48 ;通过蚀刻处理而沿粒界的不规则的网眼形状(变形虫形状)的网眼状金涂布部50。而且，相互相邻的金涂布层46a的各网眼状金涂布部50彼此相互缠绕。因此，金涂布层46a被牢固且可靠地设置于第一金属隔板16的凸部28a，尽可能抑制其从所述凸部28a剥离。即，如图8所示，在第一实施方式中，与实施了金镀敷处理的现有例相比，母材(钢板)腐蚀时的金剥离强度大幅度提高。在该图8中，横轴表示随着钢板腐蚀而熔析的铁的熔析量，并且纵轴表示腐蚀时的金的表面积相对于所述钢板腐蚀前的金的表面积的比例。由此，在第一实施方式中，可以有效抑制金从凸部28a剥离，能够良好地维持导电性、耐腐蚀性及耐磨损性。进而，在第一实施方式中，覆盖第一金属隔板16的凸部28a的角部而设有金涂布层46a(在图4中，圆角部区域L2、L3)。在燃料电池10，由于在层叠方向上施加有载荷，所以凸部28a的角部容易进入电解质膜电极构造体14内(主要是气体扩散层的表面)。因此，如图9所示，与在凸部28a的角部未设置金涂布层46a的现有例相比，在第一实施方式中，接触电阻被大幅度降低。进而另外，在第一实施方式中，金涂布层46a仅由金构成。由此，例如与混有树脂材料的情况相比，能够可靠地形成良好的导电路径。进而，一方的燃料电池10的第一金属隔板16与另一方的燃料电池10的第二金属隔板18相互接触而形成冷却介质流路30(参照图2)。因此，在相互接触的第一金属隔板16的凸部(凹部28b的背面形状)与第二金属隔板18的凸部(凹部34b的背面形状)上形成金涂布层46a、46b。因此，可以良好地降低相互接触的第一金属隔板16与第二金属隔板18的接触电阻。对该燃料电池10的动作，进行以下说明。
首先，如图I所示，向氧化剂气体入口连通孔20a供应含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔24a供应含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质入口连通孔22a供应纯水或甘醇、油等冷却介质。因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔20a被供应给第一金属隔板16的氧化剂气体流路26。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路26在重力方向上移动，被供应给电解质膜电极构造体14的阴极电极44。另一方面，燃料气体如图3所示，从燃料气体入口连通孔24a被供应给第二金属隔板18的燃料气体流路32。燃料气体沿着燃料气体流路32在重力方向上移动，被供应给电解质膜电极构造体14的阳极电极42。因此，在各电解质膜电极构造体14中，被供应给阴极电极44的氧化剂气体与被供应给阳极电极42的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而消耗，从而进行发电。另外，冷却介质如图I所不，从冷却介质入口连通孔22a向第一金属隔板16与第二金属隔板18之间被导入冷却介质流路30。冷却介质沿着冷却介质流路30在重力方向上移动，对电解质膜电极构造体14的发电面进行冷却后，被排出向冷却介质出口连通孔22b。沿氧化剂气体流路26流动的氧化剂气体被排出向氧化剂气体出口连通孔20b，另一方面，沿燃料气体流路32流动的燃料气体被排出向燃料气体出口连通孔24b。图10是在本发明的第二实施方式的燃料电池用金属隔板80的凸部设置的金涂布层(贵金属涂布层)82的说明图。金涂布层82具有仅由贵金属粒子、例如金微粒子形成的主金涂布部(主贵金属涂布部)84和在所述主金涂布部84的周围延伸的网眼状金涂布部(网眼状贵金属涂布部)86。相互相邻的金涂布层82的各网眼状金涂布部86彼此相互缠绕。从喷墨器装置60(参照图7)喷出的金微粒子形成每隔一定间隔t而分开并配置为格子状的点状。设定金微粒子的面积率，使得金涂布层82具有亲水性或憎水性。具体地说，将不锈钢(例如，SUS316L)在加热为40°C的40°玻美(# 一 J )的氯化铁中浸溃3分钟，对进行了酸清洗的坯材表面，通过喷墨器法以点直径为150 μ m的方式印刷金。而且，检测因面积率引起的与水的接触角的变化，得到图11所示的关系。由此，判明了当面积率在10 %以下时，具有亲水性(接触角60°以下)，另一方面，当面积率在50%以上时，具有憎水性(接触角100°以上)。因此，在金属隔板80中，通过设定金涂布层82的面积率，可以具有亲水性或憎水性。
另外，使用银作为贵金属，并进行与上述同样的处理。如果是，判明了当面积率在65 %以下时，具有亲水性。因此,在要求亲水性时,可使用面积率在10 %以下的金、或面积率在65%以下的银。需要说 明的是，在使用白金作为贵金属时，与上述同样，通过设定面积率可以发挥希望的功能(亲水性或憎水性)。
权利要求
1.一种燃料电池用金属隔板(16),其被层叠于在电解质(40)的两侧设有一对电极(42,44)的电解质电极构造体(14)而构成燃料电池(10)，其特征在于， 所述金属隔板(16)通过将金属板成形为波形状，从而设有与所述电解质电极构造体(14)抵接的凸部(28a)以及在与所述电解质电极构造体(14)之间形成反应气体流路(26)的凹部(28b)， 在所述凸部(28a)形成有贵金属涂布层(46a)，并且 所述贵金属涂布层(46a)具有主贵金属涂布部(48)以及在所述主贵金属涂布部(48)的周围延伸的网眼状贵金属涂布部(50)。
2.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 所述网眼状贵金属涂布部(50)沿所述金属隔板(16)的粒界形成。
3.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 相互相邻的所述贵金属涂布层(46a)的各网眼状贵金属涂布部(50)彼此相互缠绕构成。
4.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 所述贵金属涂布层(46a)覆盖所述凸部(28a)的角部而设置。
5.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 两张所述金属隔板(16、18)彼此相互接触而形成冷却介质流路， 并且两张所述金属隔板(16、18)在相互接触的凸部形成所述贵金属涂布层(46a、46b)。
6.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 所述贵金属涂布层(46a)仅由金构成。
7.如权利要求I所述的燃料电池用金属隔板，其特征在于， 所述主贵金属涂布部(48)具有每隔一定间隔而分开并排列为格子状的点状。
8.一种燃料电池用金属隔板的贵金属涂布方法，燃料电池用金属隔板(16)被层叠于在电解质(40)的两侧设有一对电极(42、44)的电解质电极构造体(14)而构成燃料电池(10)，其特征在于， 所述金属隔板(16)通过将金属板成形为波形状从而设有与所述电解质电极构造体(14)抵接的凸部(28a)以及在与所述电解质电极构造体(14)之间形成反应气体流路(26)的凹部(28b)， 所述贵金属涂布方法具有对所述凸部(28a)实施粗面化处理的工序；以及从喷墨器向实施了所述粗面化处理的所述凸部(28a)喷出贵金属微粒子而形成贵金属涂布层(46a)的工序。
9.如权利要求8所述的燃料电池用金属隔板的贵金属涂布方法，其特征在于， 从所述喷墨器喷出的所述贵金属微粒子形成每隔一定间隔而分开并排列为格子状的点状。
10.如权利要求8所述的燃料电池用金属隔板的贵金属涂布方法，其特征在于， 从所述喷墨器喷出的所述贵金属微粒子通过设定面积率以具有亲水性或憎水性。
11.如权利要求8所述的燃料电池用金属隔板的贵金属涂布方法，其特征在于， 向从所述喷墨器喷出的所述贵金属微粒子中仅添加由疏水基及亲水基构成的分散剂。
全文摘要
提供一种燃料电池用金属隔板及其贵金属涂布方法，与电解质膜电极构造体(14)层叠而构成燃料电池(10)的第一金属隔板(16)通过将金属板成形为波形状，从而设有与电解质膜电极构造体(14)抵接的凸部(28a)以及在与所述电解质膜电极构造体(14)之间形成氧化剂气体流路(26)的凹部(28b)。在凸部(28a)上形成金涂布层(46a)，并且所述金涂布层(46a)具有主金涂布部以及在所述主金涂布部的周围延伸的网眼状金涂布部。
文档编号H01M8/02GK102738485SQ20121009984
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者大谷辉幸, 宇都宫政男, 河村俊树 申请人:本田技研工业株式会社