CN101599542A - 燃料电池金属隔板用板材及制造方法和燃料电池金属隔板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池金属隔板的板材，该板材包括金属基底、在金属基底表面上形成的含有钛(Ti)的中间层和在中间层表面上形成的Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于1nm和不超过9nm的平均厚度。本发明涉及一种包括板材的燃料电池金属隔板，其中该板材具有凹凸形状。

Description

燃料电池金属隔板用板材及制造方法和燃料电池金属隔板
本发明是基于2008-6-3申请的日本专利申请No.2008-145976做出的，该日本专利申请的全部内容在此均引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池金属隔板的板材(board material)，具体地，涉及一种适合于生产具有改良延展性的金属隔板的板材，本发明还涉及一种生产用于燃料电池金属隔板的板材的方法，本发明还涉及一种燃料电池金属隔板。
背景技术
图8为部件分解透视图，示意性地表示了带有隔板的传统固体高分子电解质型(polyelectrolyte)燃料电池的单元电池(unit cell)。该固体高分子电解质型燃料电池的单元电池71(下文中引用为“单元燃料电池”)的组成包括MEA(膜电极接合体)75、隔板77、隔板79和密封垫(gasket)80。其中MEA包括固体高分子电解质膜、燃料电极(氢电极或者阳极)和氧化剂电极(空气电极或者阴极)；隔板77位于氢电极侧，其中燃料气体通道76是朝向MEA75的一面(或者燃料电极)来形成的；隔板79在空气电极侧，其中氧化剂气体通道78是朝向MEA75的另一面(或者氧化剂电极)来形成的；密封垫80被夹持放置在MEA75和隔板77或79之间，用于将MEA75的周围密封。
燃料电极设置在固体高分子电解质膜72的一面上，并包括阳极侧催化剂层和配置于阳极侧催化剂层外侧的气体扩散(分散)层81。氧化剂电极设置在固体高分子电解质膜72的另一面上，并包括阴极侧催化剂层和配置于阴极侧催化剂层外侧的气体扩散(分散层)81。该隔板77、79均为提供在燃料电极和氧化剂电极之间电连接的部件，并避免了燃料和氧化剂的混合。
优选地，MEA75和金属隔板77或79之间的接触电阻很低，从而减少了单元燃料电池71的内部损失，该电阻被要求不高于约150mΩ·cm2。该接触电阻更优选地不高于100mΩ·cm2和最优选地不高于70mΩ·cm2。
单元燃料电池71通过电化学反应产生电力，该电化学反应采用在燃料气体中的氢气和在氧化剂气体中的氧气在约80℃的温度条件下进行。当流动通过燃料气体通道76的燃料气体中的氢与燃料电极的阳极侧催化剂层接触时，便发生以下式子中所示的反应。
2H2→4H++4e-
氢离子H+经过固体高分子电解质膜72迁移至对向电极一侧，到达阴极侧催化剂层，然后与在氧化剂气体中的氧气反应从而产生水，其中氧化剂气体流经氧化剂气体通道78。
4H++4e-+O2→2H2O
由上述电极反应产生的电动力通过隔板77、79放出。
通常，隔板材料需要具有耐腐蚀性和在其表面穿透方向上的导电性。典型地，耐腐蚀金属如不锈钢(SUS)被用来作为隔板材料，从而提供耐腐蚀性，同时在表面涂敷贵金属从而在其表面穿透方向上提供导电性。因而，耐腐蚀性和在其表面穿透方向上的导电性均可以满足。
作为普通措施的一个例子，专利文献1公开了一种方法，其中在不锈钢材料或者钛(Ti)材料上涂敷了一种贵金属或者合金层，为了尽量降低贵金属的使用量，该层为1-40nm厚。然而，由本发明人实施的一个对比试验表明了，即使贵金属层直接在带有Ti涂层的金属板材上形成时，隔板的接触电阻随着时间增加，特别是对于150-500小时的实际耐久性，从而该材料在需要超过150小时耐久性(duration)的情况下，很难应用到隔板上。
总体而言，存在重大问题如在金属Ti板材上镀敷贵金属时的附着破坏，这是由于Ti是一种典型的难以被镀敷的材料。用于在金属Ti板材上镀敷贵金属的一些方法如下所述，其中金属Ti板材是难以被镀敷的材料。
下述的专利文献2公开了一种用于在金属Ti板材上镀敷Au或者Au-Pd合金的方法，其中金属Ti板材在施镀前进行了酸洗来清除Ti板材的钝化膜，然后在其上直接形成了贵金属层。
下述的专利文献3公开了一种方法，其中金属板材由不锈钢、Al或Ti形成，在其上形成了附着层，该附着层可以为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si或B或以上任意元素形成的合金，同时厚度为约10nm-10μm的贵金属层作为导电贵金属形成在附着层上。专利文献3公开了一种Cr附着层的实例。
下述的专利文献4(权利要求8)公开了一种方法，其中可以为Ti、Ni、Ta、Nb或Pt的附着层形成在带有Ti涂层的板材上，然后贵金属层形成于其上，该贵金属层可以为Au或类似物并具有低于0.0005至0.01μm的厚度。上述形成附着层的方法是有效的，其中该附着层作为用于贵金属电镀的基底层。
本发明的相关现有技术如下所示。
专利文献1：JP-A-2004-127711
专利文献2：JP-A-2007-146250
专利文献3：JP-A-2004-185998
专利文献4：JP-A-2004-158437
金属隔板的表面结构包括暴露于燃料的表面(阳极表面)和暴露于氧化剂的表面(阴极表面)。在两个电极表面上，长时间暴露在电池环境下可能导致金属隔板的接触电阻的增加。
在阳极表面上，长时间暴露在氢气环境下导致金属隔板的耐久性受到损害，其中在上述专利文献中描述的结构和方法导致了氢吸收，该氢吸收导致了耐久性的降低。在阴极表面，虽然没有直接暴露在氢气环境下，但是当长时间暴露在电池环境下时，也可能发生氢吸收。
发明内容
本发明的一个目的为提供一种用于燃料电池金属隔板的板材，其适用于生产减少贵金属使用量且提高耐久性的燃料电池隔板，根据燃料电池的两种环境(阳极表面和阴极表面)，其中金属基底的表面被薄薄地涂敷了贵金属，对应于耐久性来选择贵金属涂层的所需厚度、贵金属的类型、涂层的生产方法和涂层结构。本发明的另一个目的在于提供一种生产用于燃料电池金属隔板板材的方法以及一种燃料电池金属隔板。
(1)根据本发明的一个实施方式，用于燃料电池金属隔板的板材包括：金属基底、形成在金属基底上的中间层和形成在中间层表面上的由纯金(Au)构成并具有1nm～9nm的平均厚度的Au层，所述中间层含有钛(Ti)。
在上述的实施方式(1)中，可以做出下面的变化和改变。
(i)中间层含有相对于其中的Ti含量不高于5wt％的钯(Pd)。
(2)根据本发明的另一个实施方式，用于燃料电池金属隔板的板材包括：金属基底、形成在金属基底表面上的下中间层、形成在下中间层表面上的具有不高于1nm的平均厚度的上中间层以及形成在上中间层表面上的由纯金(Au)构成的平均厚度为1nm～9nm的Au层，所述下中间层含有钛(Ti)，所述上中间层包括Pd层。
(3)根据本发明的另一个实施方式，用于燃料电池金属隔板的板材，其中金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该板材包括：金属基底、形成在金属基底表面上的中间层和形成在中间层表面上的由纯金(Au)构成的平均厚度为2nm～15nm的Au层，其中，所述中间层含有钛(Ti)。
在上述的实施例(3)中，可以做出下面的改变和变化。
(ii)中间层含有相对于其中的Ti含量不高于20wt％的钯(Pd)。
(4)根据本发明的另一个实施方式，用于燃料电池金属隔板的板材，其中金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该板材包括：金属基底、形成在金属基底表面上的下中间层、形成在下中间层表面上的不高于2nm的平均厚度的上中间层以及形成在上中间层表面上的由纯金(Au)构成的平均厚度为2nm～15nm的Au层，所述下中间层含有钛(Ti)，所述上中间层包括Pd层。
(5)根据本发明的另一个实施方式，燃料电池金属隔板由实施方式1-4中任一项所述板材构成，其中板材具有凹凸(concavo-convex)形状。
(6)根据本发明的另一个实施方式，一种生产板材的方法，其中该板材用于燃料电池金属隔板，该方法包括：在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成含有钛(Ti)的中间层和在相同的反应室中通过气相方法在中间层表面上形成由纯金(Au)构成的平均厚度为1nm～9nm的Au层。
在上述的实施方式(6)中，可以实施下面的改变和变化。
(iii)中间层含有相对于其中的Ti含量不高于5wt％的钯(Pd)。
(7)根据本发明的另一个实施方式，一种生产板材的方法，其中该板材用于燃料电池金属隔板，该方法包括：在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成含有钛(Ti)的下中间层、在下中间层的表面上形成含有钯(Pd)层并且平均厚度不超过1nm的上中间层以及在相同的反应室中通过气相方法在上中间层的表面上形成由纯金(Au)构成的平均厚度为1nm～9nm的Au层。
(8)根据本发明的另一个实施方式，一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，其中该燃料电池金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该方法包括：在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成含有钛(Ti)的中间层和在相同的反应室中通过气相方法在中间层表面上形成由纯金(Au)构成并且平均厚度为2nm～15nm的Au层。
在上述的实施方式(8)中，可以实施下面的改变和变化。
(iv)中间层包括相对于其中的Ti含量不高于20wt％的钯(Pd)。
(9)根据本发明的另一个实施例，一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，其中该燃料电池金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该方法包括：在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成含有钛(Ti)的下中间层、在下中间层的表面上形成包括钯(Pd)层并且平均厚度不超过2nm的上中间层和在相同的反应室中通过气相方法在上中间层的表面上形成由纯金(Au)构成的平均厚度为2nm～15nm的Au层。
根据本发明，提供一种用于燃料电池隔板的板材，其对应于金属基底的材料、电池的使用环境和金属隔板的生产量，可以降低贵金属的使用量并提高耐久性。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中用于燃料电池金属隔板的板材的剖面图；
图2A是本发明一个实施方式中的固体高分子电解质型燃料电池的单元电池的分解透视图；
图2B是表示了图2A中MEA21的侧面图；
图3是本发明第二实施方式中用于燃料电池金属隔板的板材的剖面图；
图4是本发明第三实施方式中用于燃料电池金属隔板的板材的剖面图；
图5是示意性地表示了测量金属隔板电阻方法的说明图；
图6A是作为实施例的已压制隔板形状的顶视图；
图6B是图6A中的部件B的放大剖面图；
图7是简单剥离试验的执行过程的照片；
图8是传统的固体高分子电解质型燃料电池的单元电池的分解透视图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的优选实施方式。
首先，结合图2A和2B说明本发明的一个实施方式中的固体高分子电解质型燃料电池的单元电池，该燃料电池使用了金属隔板。
如图2A和2B中所示，固体高分子电解质型燃料电池的单元电池20包括具有板状形状的MEA21、在MEA21两侧上形成的金属隔板22a、22b、和密封垫23a、23b，其中密封垫23a、23b被夹持在MEA21和隔板22a、22b之间用于将MEA21的周围密封。
MEA21包括固体高分子电解质膜24，燃料电极(阳极)25a在固体高分子电解质膜24的一个表面上形成，同时氧化剂电极(阴极)25b在固体高分子电解质膜24的另一个表面上形成。
燃料电极包括阳极侧的催化剂层和气体扩散(分散)层26a，该气体扩散(分散)层被夹持在阳极侧催化剂层和密封垫23a之间来形成。该氧化剂电极25b包括阴极侧的催化剂层和气体扩散(分散)层26b，该气体扩散(分散)层被夹持在阳极侧催化剂层和密封垫23b之间来形成。
阳极侧隔板22a具有凹槽(concave groove)形的燃料气体通道27a，该燃料气体通道27a朝向MEA21(燃料电极25a)的一个表面来形成。阴极侧隔板22b具有凹槽形的氧化剂气体通道27b，该氧化剂气体通道27b朝向MEA21(氧化剂电极25b)的另一个表面来形成。
多个固体高分子电解质型燃料电池的单元电池20叠加起来形成燃料电池。
下文中，将描述本发明的一个实施方式中的用于金属隔板的板材。
如图1所示，第一实施方式中用于金属隔板的板材1包括金属基底2、在金属基底2表面上形成的中间层3和在中间层3表面上形成的Au层4，其中层3包括钛(Ti)作为其主要成分，层4由金(Au)形成。
金属基底2包括Ti材料、Ti合金材料或涂覆了Ti的金属材料(例如，在SUS双面由Ti进行包覆涂层而形成的复合材料)。
中间层3起到附着层的作用，用于连接金属基底2和Au层4。中间层3包括Ti材料或者Ti合金材料。中间层3具有相对于Ti含量不超过5wt％(当0wt％时，为纯Ti)的钯(Pd)浓度。
如果中间层3具有低于2nm的平均厚度d2，可能导致接触电阻的增加。如果中间层3具有超过100nm的平均厚度d2，可能发生从金属基底2上剥离(或分离)。因此，优选地，中间层3的平均厚度d2为从5nm至100nm。
如果中间层3是由选自Zr、Ta或Cr的材料形成，在电池环境下其会引起用于金属隔板的板材1的接触电阻的增加，然而，如果该材料选自Ti材料或者Ti-Pd合金，就可以避免接触电阻的增加。
特别地，在中间层3中添加Pd提供了以下三个好处。
(1)如果Pd作为组分混合进入中间层3内，与未混合Pd的情况相比，可以提高中间层3和Au层4之间的附着性。这是由于Au其自身在化学上并不与其它大多数金属结合，但是如果具有很大化学活性的Pd在中间层3中存在，将提升在中间层3和Au层4之间的化学结合能。
(2)Pd具有对于氟化物的抗腐蚀性，该氟化物在燃料电池环境中以微量排出。因而，中间层3可以在耐久性上得到改良并因而可以避免形成在中间层3上的Au层剥离(分离)和泄漏，从而提高Au层4的耐久性。
(3)如果Pd原子在Ti层(中间层3)附近存在，加速了在Ti层上氧化层的形成。氧化层作为氢隔离物，可以降低氢吸收并然后可以避免Ti层从金属基底2上的剥离，其中氢吸收是由于与金属腐蚀相关的氢气的产生所引起的，从而用于金属隔板的板材可以提高耐久性。
Au层4起到电接触层的作用，用于增加接触电阻。如果Au层4在燃料电池环境下长时间放置的话，会引起剥离的问题，在这种情况下，作为另外贵金属中的一种的Pd被混合进入其中作为Au中的杂质。
如果Au层4的平均厚度低于1nm，Au层4导致了接触电阻的增加，这是由于在Ti层上形成的氧化层，而该氧化层形成是由于阳极电池环境(湿气+氢气)中的湿气，由于长时间的重复使用，氧化层在平均厚度上增加了不低于1nm。
进一步，如果Au层4的平均厚度超过9nm，Au层4导致了其应变(strain)的增加从而易于从金属基底2上剥离。Au层4应变的增大是由Ti的体积膨胀引起的，而Ti的体积膨胀归因于中间层3的氢气吸收。
由于氢气吸收引起的Ti层体积膨胀在阳极环境下变的显著(因为氢气环境)，Au层的平均厚度被设定为不低于1nm和不高于9nm。
在下文中，将描述本发明一个实施方式中制造用于金属隔板的板材的制造方法。
制造用于金属隔板的板材的方法包括：制备金属基底2的第一步骤，通过在金属基质2的表面上形成中间层3、在中间层3表面上形成Au层4的生产材料组件的第二步骤，和完成材料组件压制成形的第三步骤。在第二步骤中，该中间层3的形成是通过利用反应室采用气相工艺完成的，中间层3包括作为主要成分的钛(Ti)并包括与Ti含量相比不超过5wt％(当为0wt％时，为纯Ti)的钯(Pd)，该Au层4的形成是在相同的反应室中采用气相工艺完成的，Au层包括足金或者纯金(Au)。该气相工艺包括的工艺技术如：沉积、离子束、溅射或CVD。
第一步骤和第二步骤均可以在另一个步骤之前进行，从而获得用于金属隔板的板材1。进一步，如果金属基底2进行了凹凸工艺，该工艺为一种为了形成凹凸形状的工艺，可以获得用于燃料电池的金属隔板。
下文中，将描述本发明第一实施方式的具体操作。
在用于金属隔板的板材1中，当在中间层3中添加了Pd时，与未添加Pd的情况相比，Au层不易于从金属基底2上剥离，这是由于添加了Pd的中间层3可以将Au层4与金属基底2紧密地化学结合到一起。
另外，如果Pd被添加进入中间层3，Au层4可以避免泄漏。进一步，添加有Pd的中间层3避免了氢吸收从而中间层3不易于从金属基底2上剥离。
因而，对应于金属基底的材料种类、用于燃料电池的金属隔板使用环境(阳极表面或阴极表面)、金属隔板的价格和产量，用于金属隔板的板材1能够实现耐久性的提高。
在用于金属隔板的板材1中，中间层3在平均厚度d2上被设定为5-100nm，同时Au层在平均厚度d1上被设定为1-9nm，从而可以提高耐久性并同时减少贵金属的使用。
用于金属隔板的板材1可以在阳极和阴极两侧上使用，但是特别地，优选用于阳极侧。
根据实施方式中的制造方法，用于金属隔板的板材1可以被简单和恰当的生产。
下文中，将描述本发明的第二实施例。
如图3中所示，根据第二实施例的用于金属隔板的板材31包括：金属基底32，在金属基底32表面上形成的下中间层33，该中间层33由纯钛(Ti)构成，和在下中间层33的表面上形成的上中间层34，该层34由纯Pd构成。
下中间层33起到紧密接触层的作用，用于制成金属基底32和上中间层34的紧密接触，同时上中间层34起到用于连接中间层33和Au层35的附着层作用。下中间层33具有与图1中所示用于金属隔板的板材中间层3相同的平均厚度，具有平均厚度d2。
由于上中间层34包含Ti，如果平均厚度d3不超过1nm，该层34可以避免氢吸收，但是如果平均厚度d3超过了1nm，可能导致氢吸收的增加。因此，上中间层34的平均厚度d3被设定为不超过1nm(其不包括“d3是0nm”的情况，这是因为该情况具有与以下情况相同的含义，即“在如图1中所示的用于金属隔板的板材中，中间层3的Pd浓度为0wt％”)。
为什么上中间层34的平均厚度d3被设定为不超过1nm的原因是，如果Pd原子成为多原子层(在厚度上超过1nm)，在Pd原子之间会发生应力应变，从而该局部应变成为氢吸收的一个因素。另一方面，如果Pd原子在尺寸上相当于约单原子(在厚度上约不超过1nm)，在Pd原子之间的应力应变被极大的降低了(在恰好单原子的情况下，Pd原子之间的应力应变为零)，从而在Pd多原子层的情况下发生的氢吸收不会发生。
制造板材31的方法可以完成如下，即，代替图1中所示的制造用于金属隔板的板材1的方法中的第二步骤中的中间层3的形成方法，而是采用以下步骤来形成中间层3，即形成下中间层33和然后形成具有不超过1nm平均厚度d3的上中间层34(其不包括“d3是0nm”的情况，这是因为该情况具有与以下情况相同的含义，即“在如图1中所示的用于金属隔板的板材中，中间层3的Pd浓度为0wt％”)。
用于金属隔板的板材31除了具有用于金属隔板的板材1所自身具有的优点之外，还具有额外的优点，即下中间层33提供了在金属基底32与上中间层34之间紧密接触层的作用，同时该上中间层34提供了作为在下中间层33和Au层35之间的附着层的作用，从而其可以提高耐久性。
在下文中，将描述本发明一个实施方式中的用于阴极侧金属隔板的板材。
如图4A中所示，第三实施例中用于金属隔板的板材41具有在图1中所示的用于金属隔板的板材1类似的结构。但是板材41在中间层43的Pd浓度以及Au层44的平均厚度d4上与板材1不同，其中中间层43在金属基底42的表面上形成。中间层43具有与其中的Ti含量相比不超过20wt％(当为0wt％时，为纯Ti)的钯(Pd)浓度，Au层44的平均厚度d4为2nm～15nm。
如图4B中所示，用于金属隔板的板材401也可以具有与板材31类似的结构，用于金属隔板的该板材31如图3中所示，具有中间层的板材401包括下中间层403和上中间层404，用于代替板材31中的中间层43。然而，上中间层404的平均厚度d5为不超过2nm(其不包括“d5是0nm”的情况，这是因为该情况具有与以下情况相同的含义，即“在如图4A中所示的用于金属隔板的板材41中，中间层43的Pd浓度为0wt％”)。
如果Au层44、404的平均厚度d4为低于2nm，Au层44、404会引起接触电阻的增加，这是由于以下情况，即在Ti层上形成的氧化层，该氧化层形成是由于阴极电池环境(湿气+空气)中的湿气和氧气，由于长时间的重复使用，氧化层在平均厚度上增加了不低于2nm。在阴极环境下，Au层44、404在氧原子浓度很高的环境下使用，从而被作为电接触层使用的Au层44、404的平均厚度d4必须比其在阳极环境下使用的要大。
进一步，如果Au层44、404的平均厚度超过15nm，Au层44、404会引起应变的增加从而其可能会从金属基底42上剥离。为什么该平均厚度上限要大于其在阳极环境下的原因是，由氢吸收导致的中间层43体积膨胀要小于在阳极环境情况下，从而Au层44、404在如此程度的应变积聚的情况下不易于剥离。
如果在中间层43内添加Pd，中间层43可以避免氢吸收，轻微发生的该氢吸收归因于在阴极侧微量产生的氢气以及在湿气中的氢原子。
虽然由阴极侧微量产生的氢气以及在湿气中的氢原子引起了氢吸收的轻微发生，但是该发生量并没有像在阳极环境下发生的那么多，因此，可以设想，如果上中间层404的平均厚度d5被设定为不超过2nm的范围，实际上对于耐久性是不存在问题的。
制造板材41的方法可以代替制造如图1中所示的用于金属隔板板材1的方法实施，根据以下情况，当添加Pd到中间层中时，Pd浓度被设定为不超过20wt％(当0wt％时，为纯Ti)，同时Au层具有2～15nm的平均厚度来形成。另外，如果形成以下中间层来代替中间层43，就可以获得用于金属隔板的板材401，该中间层包括下中间层403和上中间层404，其中上中间层404的平均厚度d5为不超过2nm(其不包括“d5是0nm”的情况，这是因为该情况具有与以下情况相同的含义，即“在如图4A中所示的用于金属隔板的板材41中，中间层43的Pd浓度为0wt％”)。
根据实施方式用于金属隔板的板材41具有与用于金属隔板的板材1相同的优点，根据实施方式用于金属隔板的板材401具有与用于金属隔板的板材31相同的优点。
具体实施方式
首先，将描述制备试样的方法。
金属基底包括一种使用将SUS和Ti进行包覆轧制接合(clad rollingjunction)和精密轧制而形成的板材，和另一种使用被归类为一级(first class)(在JIS中关于Ti质量的标称名称)的纯Ti。前一种包覆轧制的板材由以下步骤形成，准备SUS430板(厚度：1mm)和Ti板(厚度：0.1mm)，通过包覆轧制接合形成Ti/SUS430/Ti的结构，然后实施轧制从而得到具有0.1mm厚度j的精加工尺寸(finishing size)板材。在精加工尺寸中，Ti层的厚度为0.01mm(一个表面)同时作为芯层的SUS430材料厚度为0.08mm。作为后一种板材，使用的Ti材料(厚度：0.1mm)被归类为一级。
中间层和Au层通过溅射工艺成形。该溅射工艺是通过使用RF溅射设备(由ULVAC.Inc.，制造，设备型号：SH-350)实施的。所述中间层和Au层是在氩(Ar)气氛中和7Pa的压力下形成的，同时RF根据金属种类合理调整输出。在首先进行层成形平均速度的测量后，通过层成形的时间来实施每个金属种类的厚度控制。
最后，通过使用模具进行压制成型，从而获得了用于燃料电池的金属隔板(参见图6A)。在这种情况下，用于燃料气体(或者氧化剂气体)(e+e)的通道(垂直延伸形成的凹槽或者凹部如图6A中所示)长度被设定为52mm，通道的节距(参照图6B中部件B的描述)被设定为2.9mm(i)×17(凹部和凸部交替形成并垂直延伸，如图6A中所示)，通道深度k(沿深度方向延伸的凹部和凸部之间的高度差，如图6A中所示)被设定为0.6mm。其它尺寸中，b为31mm，c为30mm，d为40mm，f为70mm。
下面，将描述试样耐久性的评价方法。
(1)金属隔板的电阻测量
金属隔板的耐久性通过在电池运行试验之前和之后测量各种金属隔板的电阻值(当其与MEA的气体扩散(分散)层进行接触时的电阻值)的变量来进行评价。
如在图5中所示，特别的，金属隔板的电阻测量由以下过程完成，即制备好的金属隔板51(2×2cm2)通过碳素纸被夹在镀金铜块53之间，并通过液压机使其负重(10kg/cm2)，在金属隔板51和碳素纸52之间的电阻R(mΩ)由四端子测量方法(高速，1kHz，数码MILLIOHM测量机，由Adex公司生产，部件编号：AX-125A)进行测量。通过如图5所表示的电流端子线(A)和电压端子线(V)的连接来进行测量。金属隔板51的表面电阻r由以下公式计算获得。
r(mΩ·cm2)＝R×S(金属隔板的面积)×λ(表面接触的占有率)
公式中λ＝0.5
使用碳素纸52(由Toray Industries，Inc.，生产，部件编号：TGP-H-060)作为MEA的气体扩散(分散)层。
(2)金属隔板每个Ti层的氢吸收量的检查以及确定是否存在氢脆。
在电池试验后测量金属隔板的氢含量。该测量是通过燃烧试样完成的从而能确定在燃烧时产生的氢量。氢含量的测量使用了测量设备(由HORIBA Ltd.，生产，型号：EMGA-1110)。另外，试样中每个Ti层的氢含量Nt由实际测量得到的氢含量基于以下公式计算得出。
Nm＝(Ns·ρsVs+Nt·ρsVs)/(ρsVs+ρtVt)
也就是，这是基于以下假设，即由试验获得的值Nm遵守简单的合成规则，即遵守Ns(SUS层的氢含量)、Nt(Ti层的氢含量)、Vs(SUS的体积占有率)和Vt(Ti层的体积占有率)之间的关系。由于Au层和中间层在厚度上比金属基底薄，因此它们在公式中被忽略了。
另外，SUS材料的密度ρs为7.8g/cm3，同时Ti材料的密度ρt为5g/cm3，如果Ti/SUS/Ti包覆材料在当前试验中被用作金属基底，那么在所有情况下Vt为0.2，同时Vs为0.8。
关于SUS材料，初始(早期)Ns被设定为7ppm，在运行后Ns(500-5000小时)被设定为15ppm。
单独采用了分析试验得到了SUS材料的氢含量。另外，如果纯Ti被用作金属基底，实际测量得到的氢含量被设定为与每个Ti层的氢含量相等。在当前测量方法中，测量精度的有效数字为两位数的程度。
在一些试样中，涉及到由于氢吸收引起的氢脆。为了研究氢脆的影响，实施了简单的剥离试验。特别的，如图7中所示，将钳子的刃口沿金属隔板通道的垂直方向放置在金属隔板上，从而切掉一部分试样。通过目视观察在金属隔板采用钳子切断后形成的断面，如果该表面层被观察到变脆并且剥离和破坏了，其就被认为是“脆化剥离”，在由钳子切断后，如果观察到表面层并没有被剥离和破坏(如同正常切断的金属材料的表面)，那其就被认为是“无脆化剥离”。
下面将描述用于耐久性评价的电池运行试验的条件。
作为固体高分子电解质膜，使用了氟基(碳氟化合物)固体高分子电解质膜(注册名称为“Nafion112”的固体，“Nafion112”为注册商标，由DuPont生产)，发电电极的尺寸为50×50mm2。作为电极催化剂，使用了担载了铂(Pt)的催化剂(由Tanaka Kikinzoku公司制造，部件编号：TEC10V50E)，作为气体扩散(分散)层，使用了碳素纸(由TorayIndustries，inc.，部件编号：TGP-H-060)。密封垫以夹层形成从而组装了具有如图2A中所示结构的燃料电池，该密封垫不仅起到用于燃料气体或者氧化剂气体通道形成组件的功能，还起到密封组件的功能。关于运行条件，纯氢作为燃料气体以5cc/min的供应速度供应(包括99％相对湿度的湿气)，同时空气作为氧化剂气体以260cc/min的供应速度供应(包括99％相对湿度的湿气)。与预定温度一样，电池被设定为80度。电池在未加载的情况下分配电力，并运行500-5000小时。
实施例A1～A12
使用图1中所示板材的金属隔板的12种试样是通过以下方法制备，即改变Au层的平均厚度和同时改变纯Ti(Pd的浓度为0wt％)和Pd浓度在3-7wt％的范围的Ti-Pd来作为中间层，然后燃料电池通过使用上述试样作为阳极表面进行装配，另外，对燃料电池进行电池测试。
在本试验中，也需要准备用于阴极的金属隔板，因此，使用实施例A3同样的金属隔板来用作本试验中的阴极金属隔板。
对比例A1～19
使用图1中所示板材的金属隔板的19种试样是通过以下方法制备，即改变Au层的平均厚度和同时改变纯Ti(Pd的浓度为0wt％)和Pd浓度在3-7wt％的范围的Ti-Pd来作为中间层，然后燃料电池通过使用上述试样作为阳极表面进行装配，另外，对燃料电池进行电池测试。
表1表示了在发电之前和之后，31种的金属隔板的电阻和氢测量值，以及在运行测试后的试样简单剥离试验的结果。
表1
Figure A20091013692400191
注释：作为隔板的金属基质，使用了一种由SUS和Ti包覆轧制结合和精密轧制形成的材料。
在该试验中，当造成了下述现象中任何一种时，该试样就被认为是“不可应用”，其中该现象包括以下情况：运行了5000小时后的金属隔板的电阻不低于16mΩ·cm2，每个Ti层的氢含量低于10000ppm，和表面被剥离了。
如表1中所示，关于Au层，初始(早期)性能没有任何问题，甚至在平均厚度变得不低于10nm时，然而，在长时间运行后可能引起电阻值的增加。这里认为电阻值增加的原因是如果厚度增加了，层的应变量也会增加，从而Au层剥离。
另外，关于中间层，检验了添加Pd的影响，作为结果，在未添加Pd和Pd浓度不低于6％这两种情况下，氢的含量都增加了。该检验结果表明了添加Pd可以更加有效地预防氢吸收，虽然在Pd浓度为零时其依然是使用的，因为这时氢含量保持在约9000ppm。
实施例B1至B12
使用纯Ti作为金属基底，类似于实施例A1～A12制备试样。作为用于阴极的金属隔板，使用了如实施例B11的相同的金属隔板，从而实施了电池运行测试试验。
对比例B1～B19
使用纯Ti作为金属基底，类似于对比例A1～A19制备试样。
类似于表1中所示，表2表示了仅金属基底被改变为纯Ti时的测量值。
表2
Figure A20091013692400211
注释：作为隔板的金属基底，使用了包含纯Ti的材料。
用于金属隔板的板材的结构和金属隔板耐久性试验的结果都与在表1情况下的相似或相同。这里认为每个Ti层的氢含量初始(早期)值与表1的情况不同的原因是，在形成金属基质的方法，例如包覆接合中Ti吸收了氢。
实施例C1～C12
接下来，将描述中间层包括上中间层和下中间层时的实验结果。制备了由纯Ti形成的下中间层。下中间层的平均厚度被设定为约10nm，并且通过改变由纯Pd构成的上中间层的平均厚度为0.1nm至1.0nm来制备试样。
另外，通过改变由纯Au(纯度：3N)构成的Au层的平均厚度为1nm至9nm来制备12种试样。然后使用上述试样作为阳极表面来制备燃料电池，对燃料电池进行电池测试。在当前实验中的用于阴极的金属隔板，使用了如实施例C12试样相同的金属隔板。
对比例C1～C19
制备了由纯Ti构成的下中间层。下中间层的平均厚度被设定为10nm，通过改变由纯Pd构成的上中间层的平均厚度为0.1nm至1.7nm来制备试样。
另外，通过改变由纯Au(纯度：3N)构成的Au层的平均厚度为0.3nm至12nm来制备19种试样。然后使用上述试样作为阳极表面装配燃料电池，然后对燃料电池进行电池测试。在当前实验中的用于阴极的金属隔板，使用了如实施例C12试样相同的金属隔板。
本实验提供了以下证明，即Au层平均厚度的优选应用范围为1nm至9nm，上中间层平均厚度的优选应用范围为不超过1nm。
表3
Figure A20091013692400231
注释：作为隔板的金属基质，使用了一种由SUS和Ti包覆轧制结合和精密轧制形成的材料。中间层具有双层结构。
如图3中所示，如果上中间层具有不超过1nm的平均厚度，可能引起氢吸收上的增加，因而，如果该层具有很薄的厚度，则可以避免氢吸收。
实施例D1～D12
使用了图4A中所示板材的金属隔板的12种试样进行如下方式制备，即通过改变Au层的平均厚度并同时改变纯Ti(Pd浓度为0wt％)和Ti-Pd中的Pd浓度为5-20wt％来制备，其中纯Ti和Ti-Pd作为中间层，然后使用上述试样作为阴极表面来装配燃料电池，然后对燃料电池进行电池测试。
在当前试验中，还需要用于阳极的金属隔板。因此，作为当前试验中用于阳极的金属隔板，使用了如实施例D5试样相同的金属隔板。
对比例D1～D19
使用了图4A中所示板材的金属隔板的19种试样进行如下方式制备，即通过改变Au层的平均厚度并同时改变纯Ti(Pd浓度为0wt％)和Ti-Pd中的Pd浓度为5-30wt％来制备，其中纯Ti和Ti-Pd作为中间层，然后使用上述试样作为阴极表面来装配燃料电池，然后对燃料电池进行电池测试。
在当前试验中，还需要用于阳极的金属隔板。因此，作为当前试验中用于阳极的金属隔板，使用了如实施例D5试样相同的金属隔板。
本实验提供了如下证明，即Au层平均厚度的优选应用范围为2nm至15nm，同时中间层Pd浓度的优选应用范围是不超过20wt％。
表4
注释：作为用于阴极的隔板的金属基质，使用了一种由SUS和Ti包覆轧制结合和精密轧制形成的材料。
图4A、4B表示了在电池运行环境下阴极(空气电极)也会引起氢吸收，尽管没有阳极(氢电极)引起的大，优选的中间层具有合适的Pd浓度。
优选地在阴极的Au层比在阳极的Au层要更加厚。这里认为甚至在平均厚度超过9nm时却没有影响耐久性的原因是，氢吸收很少，从而层的应变量也减少了。另外这里认为平均厚度需要2nm的原因是其被安置在氧化环境中。
实施例E1～E12
接下来，将描述中间层包括下中间层和上中间层时的试验结果。制备了由纯Ti构成的下中间层，下中间层的平均厚度被设定为约20nm，通过改变由纯Pd构成的上中间层平均厚度为0.2nm至2.0nm的方式来制备试样。
另外，通过改变由纯Au(纯度：3N)构成的Au层的平均厚度为2nm至15nm来制备12种试样。然后，使用上述试样作为阴极表面来装配燃料电池，然后对燃料电池进行电池测试。在当前实验中的用于阳极的金属隔板，使用了如实施例E3试样相同的金属隔板。
对比例E1～E19
制备了由纯Ti构成的下中间层。下中间层的平均厚度被设定为20nm，通过改变由纯Pd构成的上中间层平均厚度为0.2nm至3.3nm的方式来制备试样。
另外，通过改变由纯Au(纯度：3N)构成的Au层的平均厚度为0.8nm至20nm来制备19种试样。然后，使用上述试样作为阴极表面来装配燃料电池，然后对燃料电池进行电池测试。在当前实验中的用于阳极的金属隔板，使用了如实施例E3试样相同的金属隔板。本实验提供了如下证明，即Au层平均厚度的优选应用范围为2nm至15nm，同时上中间层平均厚度的优选应用范围为不超过2nm。
表5
注释：作为用于阴极的隔板的金属基质，使用了一种由SUS和Ti包覆轧制结合和精密轧制形成的材料。中间层具有双层结构。
如图5中所示，如果上中间层具有超过2nm的平均厚度，可能引起氢吸收的增加，因而，如果层具有较薄的厚度，其可以避免氢吸收。
上面描述的在不同实施例中这些平均厚度的检验方法包括，如使用ICP(感应耦合等离子)质量分析，或者XPS(X射线光电光谱分析)。根据上述的方法，通过选取将要进行测量的具有电接触层的金属部件的多个随机位置作为分析试样，可以分别测量层的平均厚度。
另外，与ICP和XPS一样，使用TEM(透射电子显微镜)的分析方法也可以测量平均厚度。
虽然本发明出于充分和清楚说明的目的已经针对特定的实施例进行了详细描述，但是本申请权利要求并不因此受到限制，相反地，而是对于本领域技术人员能够在说明书中所得到的修改和变化形式都应包括在本申请权利要求书的保护范围内。

Claims (16)

1.一种用于燃料电池金属隔板的板材，该板材包括：
金属基底；
在所述金属基底表面上形成的中间层，该中间层含有钛(Ti)；和
在所述中间层表面上形成的Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于1nm和不高于9nm的平均厚度。
2.如权利要求1所述的板材，其中所述中间层含有相对于其中的Ti含量不超过5wt％的钯(Pd)。
3.一种用于燃料电池金属隔板的板材，该板材包括：
金属基底；
在所述金属基底表面上形成的下中间层，该下中间层含有钛(Ti)；
在所述下中间层表面上形成的上中间层，该上中间层包括Pd层并且具有不超过1nm的平均厚度；和
在所述上中间层表面上形成的Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于1nm和不高于9nm的平均厚度。
4.一种用于燃料电池金属隔板的板材，该板材包括：
金属基底；
在所述金属基底表面上形成的中间层，该中间层含有钛(Ti)；和
在所述中间层表面上形成的Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于2nm和不高于15nm的平均厚度。
5.如权利要求4所述的板材，其中该中间层含有相对于其中的Ti含量不高于20wt％的钯(Pd)。
6.一种用于燃料电池金属隔板的板材，用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该板材包括：
金属基底；
在所述金属基底表面上形成的含有钛(Ti)的下中间层；
在所述下中间层表面上形成的上中间层，该上中间层包括Pd层，并且具有不高于2nm的平均厚度；和
形成在所述上中间层表面上的Au层，该Au层由纯金(Au)构成，并且具有不低于2nm和不高于15nm的平均厚度。
7.一种燃料电池金属隔板，包括权利要求1所述的板材，其中该板材具有凹凸形状。
8.一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，该方法包括：
在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成中间层，该中间层含有钛(Ti)；和
在相同的反应室中通过气相方法在中间层表面上形成Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于1nm和不高于9nm的平均厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述中间层含有相对于其中的Ti含量不高于5wt％的钯(Pd)。
10.一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，该方法包括：
在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成下中间层，该下中间层含有钛(Ti)；
在所述下中间层的表面上形成上中间层，该上中间层包括钯(Pd)层并且具有不超过1nm的平均厚度；和
在相同的反应室中通过气相方法在所述上中间层的表面上形成Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于1nm和不高于9nm的平均厚度。
11.一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，其中该燃料电池金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该方法包括：
在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成中间层，该中间层含有钛(Ti)；和
在相同的反应室中通过气相方法在所述中间层表面上形成Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于2nm和不高于15nm的平均厚度。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述中间层含有相对于其中的Ti含量不高于20wt％的钯(Pd)。
13.一种制造用于燃料电池金属隔板的板材的方法，其中该燃料电池金属隔板用于包覆MEA(膜电极接合体)的氧化剂电极侧，该方法包括：
在反应室中通过气相方法在金属基底的表面上形成下中间层，该中间层含有钛(Ti)；
在所述下中间层的表面上形成上中间层，该上中间层包括钯(Pd)层并且具有不超过2nm的平均厚度；和
在相同的反应室中通过气相方法在所述上中间层的表面上形成Au层，该Au层由纯金(Au)构成并且具有不低于2nm和不高于15nm的平均厚度。
14.一种燃料电池金属隔板，包括权利要求3所述的板材，其中该板材具有凹凸形状。
15.一种燃料电池金属隔板，包括权利要求4所述的板材，其中该板材具有凹凸形状。
16.一种燃料电池金属隔板，包括权利要求6所述的板材，其中该板材具有凹凸形状。
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