CN101889363A - 用于制造燃料电池分隔器的方法、燃料电池分隔器以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种制造耐腐蚀性能得到提高的燃料电池分隔器的方法。一种制造将燃料电池的相邻电池单元10分隔开的燃料电池分隔器22的方法，该方法包含：对由金属材料构成的分隔器基材24进行金触击电镀，由此形成具有10到200nm厚度的第一镀金层。优选为，在通过金触击电镀形成的第一镀金层之上进行附加的镀金，由此形成第二镀金层。

Description

用于制造燃料电池分隔器的方法、燃料电池分隔器以及燃料电池
技术领域
本发明涉及用于制造燃料电池分隔器的方法、燃料电池分隔器和燃料电池，并特别涉及制造将燃料电池的相邻电池单元分隔开的燃料电池分隔器的方法、燃料电池分隔器和燃料电池。
背景技术
作为表现出高水平效率和优秀的环境特性的电池，燃料电池近来受到关注。在燃料电池中，一般地，作为氧化剂气体的空气中的氧进行与作为燃料气体的氢的电化学反应，由此产生电能。作为氢与氧之间的电化学反应的结果，产生水。
多种燃料电池包括磷酸燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池、固体电解质燃料电池、碱性燃料电池和固体高分子燃料电池。其中，固体高分子燃料电池提供了例如室温启动和迅速的启动时间等优点，受到了特别的关注。这种类型的固体高分子燃料电池可被用作例如车辆等移动物体的动力源。
固体高分子燃料电池通过堆叠多个单体电池、集电器、端板等等组装而成。用于燃料电池的各个电池单元包含电解质膜、触媒层、气体扩散层和分隔器。
专利文献1公开了一种使用镀金(gold plating)来以低成本为不锈钢赋予良好的焊接特性和导线结合特性的方法，其中，作为预处理，通过在包含无机酸和有机酸的电解槽中在两个分立的阶段中对不锈钢进行阴极电解，使不锈钢的表面高度活化，使得当进行镀金时，针孔(pinhole)等不会发生，且电镀附着显著改善。
专利文献2公开了一种用于燃料电池的金属分隔器，其中，不锈钢的部分进行电镀，以便避免制造成本的显著增大，其中，分隔器实现了与气体扩散电极的良好的接触电阻，并具有使得分隔器的所需寿命得以实现的良好的耐腐蚀性，且其中，导电内含物暴露在具有耐腐蚀性的表面之外，且导电内含物未暴露的表面部分用金涂敷。
专利文献1：JP 61-243193A
专利文献2：JP 2004-71321A
发明内容
本发明解决的问题
然而，在燃料电池分隔器由例如钛等的金属材料制造的情况下，通常，具有高导电性的导体，例如上面提到的金，用于对分隔器表面进行涂敷，由此，降低与气体扩散层等的接触电阻。如果导体的涂敷膜不是以致密的方式形成，则分隔器可能由于由燃料电池发电环境产生的氟(F)或氯(Cl)或类似物腐蚀。
本发明提供了制造具有特别改进的耐腐蚀性的燃料电池分隔器的方法、燃料电池分隔器以及包含燃料电池分隔器的燃料电池。
解决问题的手段
本发明提供了一种制造对燃料电池的相邻电池单元进行分隔的燃料电池分隔器的方法，该方法包含对由金属材料构成的分隔器基材进行金触击电镀，由此形成具有大约10nm到大约200nm的厚度的第一镀金层。
另外，在上面的制造燃料电池分隔器的方法中，优选为，在通过金触击电镀形成的第一镀金层之上进行附加的镀金，由此形成第二镀金层。
另外，在上面的制造燃料电池分隔器的方法中，第一镀金层优选为以不小于大约70nm且不大于大约120nm的厚度形成。
另外，在上面的制造燃料电池分隔器的方法中，第一镀金层优选为以不小于大约70nm且不大于大约100nm的厚度形成。
另外，在上面的制造燃料电池分隔器的方法中，分隔器基材优选为由钛或不锈钢模制而成。
另外，本发明还提供了使用上面的制造燃料电池分隔器的方法制造而成的燃料电池分隔器。
另外，本发明还提供了一种燃料电池，其包含使用上面的制造燃料电池分隔器的方法制造而成的燃料电池分隔器。
本发明的效果
如上所述，在根据本发明制造燃料电池分隔器的方法以及根据本发明的燃料电池分隔器和燃料电池中，由于金可在燃料电池分隔器的表面上更为致密地形成，耐腐蚀性可得到进一步的改进。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的燃料电池的电池单元的截面；
图2为一流程图，其示出了根据本发明一实施例制造分隔器的方法；
图3A-3C为原理图，其示出了根据本发明一实施例在分隔器基材上具有预定厚度的第一镀金层的形成；
图4示出了在本发明一实施例中用于进行电化学高温腐蚀测试的测试设备；
图5示出了在本发明中一实施例中的腐蚀评估测试的结果；
图6示出了在本发明一实施例中的耐腐蚀评估测试的结果；
图7示出了在本发明一实施例中，比较性实例1的分隔器测试件的截面观察结果；
图8示出了在本发明一实施例中，实例1的分隔器测试件的截面观察结果。
参考标号说明
10：用于燃料电池的电池单元
12：电解质膜
14：触媒层
16：气体扩散层
18：膜电极组件
20：网眼模制体(expanded molding)
22：分隔器
24：分隔器基材
26：导电层
28：第一镀金层
30：第二镀金层
具体实施方式
下面参照附图提供根据本发明的实施例的详细介绍。首先介绍用于燃料电池的电池单元的结构。图1示出了用于燃料电池的电池单元10的截面，用于燃料电池的电池单元10包含：膜电极组件(MEA)18，其集成了电解质膜12、触媒层14和气体扩散层16，并构成燃料电池的电极；网眼模制体20，其为形成气体通道的气体通道结构；分隔器22，其将燃料气体或氧化剂气体与相邻的电池单元(图中未示出)分隔开。图1所示用于燃料电池的电池单元10仅仅为一个实例，电池单元结构不限于此结构。
电解质膜12具有将在阳极电极侧产生的氢离子传输到阴极电极侧的功能。化学上稳定的氟树脂，例如全氟化碳磺酸离子交换膜(perfluorocarbonsulfonic acid ion exchange membrane)等可用作用于电解质膜12的材料。
触媒层14具有加速以下反应的功能：氢在阳极电极侧的氧化反应，氧在阴极电极侧的还原反应。触媒层14包含触媒和触媒支撑物。为了使得可用于反应的电极表面积最大化，触媒通常采用粘附到触媒支撑物的粒子的形式。对于氢的氧化反应和氧的还原反应，具有小的活化过电压的例如铂等的铂族元素可用作触媒。碳材料——例如炭黑等——可用作触媒支撑物。
气体扩散层16具有通过触媒层14扩散例如氢气等的燃料气体和例如空气等的氧化剂气体的功能，并具有传输电子的功能。表现出导电性的材料——例如碳纤维织物或炭纸等——可用于气体扩散层16。
网眼模制体20被层叠到膜电极组件18的两个表面，并用作形成气体通道的气体通道结构。网眼模制体20被层叠，以便接触分隔器22和膜电极组件18的气体扩散层16，并被电气连接到膜电极组件18和分隔器22。网眼模制体20具有网状(mesh)结构，其包含大量开口，因此，较大量的燃料气体或类似物可接触膜电极组件18并经历化学反应，意味着燃料电池的电池单元10的发电效率可得到提高。
对于网眼模制体20，可使用JIS G 3351中规定的网眼金属，或JIS A5505中规定的金属板网或金属多孔材料。另外，网眼模制体20优选为由钛、钛合金或不锈钢等模制而成。此优选的原因在于，这些金属材料具有高的机械强度，并在金属表面上包含钝化膜等非活性覆盖物，因此表现出良好的耐腐蚀性，钝化膜包含稳定的氧化物(例如TiO、Ti2O3、TiO2、CrO2、CrO或Cr2O3)。对于不锈钢，可使用奥氏体不锈钢或铁氧体不锈钢等。
分隔器22被层叠到网眼模制体20，并具有对相邻电池单元(附图中未示出)中的燃料气体和氧化剂气体进行分隔的功能。另外，分隔器22还具有电气连接相邻电池单元(附图中未示出)的功能。分隔器22包含分隔器基材24以及在分隔器基材24上形成的导电层26。
分隔器基材24优选为由钛、钛合金或不锈钢等模制而成。如上面所介绍的，此优选的理由在于，钛材料和不锈钢具有高的机械强度，并包含在金属表面上形成的非活性覆盖物，例如包含稳定的氧化物的钝化膜，因此表现出良好的耐腐蚀性。
导电层26具有减小网眼模制体20和分隔器基材24之间的接触电阻的功能。导电层26使用金(Au)作为导体形成。金(Au)具有良好的耐腐蚀性，并具有高的导电性。
导电层26包含第一镀金层28和第二镀金层30。如下面所介绍的，第一镀金层28在分隔器基材24的表面上使用金触击电镀法形成，而第二镀金层30在第一镀金层28之上使用厚镀金法或类似方法形成。使用金触击电镀形成第一镀金层28使得能够形成更为致密的覆盖膜。另外，使用金触击电镀形成该层还使得分隔器基材24和第一镀金层28之间的粘合性能够得到改进。
接下来介绍制造燃料电池分隔器22的方法。
图2为一流程图，其示出了制造分隔器的方法。制造分隔器22的方法包含分隔器基材成形步骤(S10)、清洁步骤(S12)、中和步骤(S14)、酸洗步骤(S16)、第一镀金层形成步骤(S18)、第二镀金层形成步骤(S20)。仅仅具有在分隔器基材24上形成的第一镀金层28的燃料电池分隔器也可通过省略图2的流程图所示的第二镀金层形成步骤(S20)并循序执行分隔器基材成形步骤(S10)、清洁步骤(S12)、中和步骤(S14)、酸洗步骤(S16)、第一镀金层形成步骤(S18)来制造。
分隔器基材成形步骤(S10)为由金属材料对分隔器基材24进行成形的步骤。如上面所提到的，钛或不锈钢或类似物可用作该金属材料。通过对钛或不锈钢进行轧制或压制加工或类似的加工，分隔器基材24被成形为例如片状或类似的形状。
清洁步骤(S12)为对分隔器基材24进行清洁的步骤。例如，分隔器基材24可通过碱浸渍去油等来清洁。氢氧化钠或类似物的碱性溶液或类似物可用于碱浸渍去油。通过用碱浸渍去油等来对分隔器基材24进行清洁，粘附到分隔器基材24表面的油成分或类似物可被去除。
中和步骤(S14)为在清洁之后进行中和并于是移除遗留在分隔器基材24上的残存碱性溶液的步骤。中和处理可通过例如将清洁后的分隔器基材24在中和溶液中浸渍来进行。硫酸溶液、盐酸溶液或硝酸溶液或类似物可用作中和溶液。在从中和溶液之中移出之后，分隔器基材24可用去离子水或类似物清洗。
酸洗步骤(S16)为对已经经过中和处理以及类似处理的分隔器基材24进行酸洗、由此移除在分隔器基材24表面上形成的氧化物等的步骤。酸洗处理可通过将分隔器基材24浸渍到硝酸-氢氟酸溶液或氢氟酸溶液或类似物之中来进行。在从硝酸-氢氟酸溶液或类似物中移出之后，用去离子水或类似物清洗分隔器基材24。
第一镀金层形成步骤(S18)为在经过酸洗处理及类似处理的分隔器基材24上形成第一镀金层28的步骤。第一镀金层28使用金触击电镀法来形成。使用金触击电镀法的理由在于使得第一镀金层28更为致密地形成。传统进行的金电解电镀方法等可用于金触击电镀方法。包含金钾氰化物或金钠亚硫酸盐的电镀槽可用作金触击电镀槽。另外，碱性槽或酸性槽等可用作金触击电镀槽。在金触击电镀法中，金属离子浓度被设置为低于典型厚镀金法中使用的金属离子浓度，且电镀在相对较高的电流密度下进行。在这种情况下，电流密度可被设置为例如在从大约0.2到大约2A/dm2的范围内。
图3A-3C为原理图，其示出了在分隔器基材24上以预定厚度水平形成第一镀金层28，其中，图3A为一原理图，其示出了以大约3nm的厚度形成第一镀金层28，图3B为一原理图，其示出了以大约100nm的厚度形成第一镀金层28，图3C为一原理图，其示出了以超过大约200nm的厚度形成第一镀金层28。
第一镀金层28典型地以不小于大约10nm且不大于大约200nm的厚度形成。使得第一镀金层28的厚度不小于大约10nm的原因在于，如果第一镀金层以小于大约10nm的厚度使用金触击电镀形成，则镀金层倾向于具有增大数量的不规则和缺陷，镀金层不能以致密的方式形成。使得第一镀金层28的厚度不大于大约200nm的原因在于，如果第一镀金层28以大于大约200nm的厚度使用金触击电镀形成，则所沉积的金粒子可能变得较粗糙，镀金层的致密性可能劣化。第一镀金层28优选为以不小于大约70nm且不大于大约120nm的厚度形成，甚至更为优选的是以不小于大约70nm且不大于大约100nm的厚度形成。这是因为使用不小于大约70nm且不大于大约100nm的厚度形成第一镀金层28可得到分隔器22的耐腐蚀性的进一步的改进。
第二镀金层形成步骤(S20)为在已经形成第一镀金层28的分隔器基材24上形成第二镀金层30的步骤。第二镀金层30可以使用例如厚镀金法等来形成。传统进行的电解电镀方法或类似方法可用于厚镀金法。包含金钾氰化物或金钠亚硫酸盐或类似物的电镀槽可被用作镀金槽。另外，碱性槽、中性槽或酸性槽或类似物可用于镀金槽。例如以从大约100nm到大约20μm范围内的厚度，第二镀金层30在第一镀金层28上形成。
根据上面介绍的配置，通过使用金触击电镀法在分隔器基材24上形成第一镀金层，第一镀金层可更为致密地形成，使得第一镀金层的耐腐蚀性得到提高，结果，燃料电池分隔器的耐腐蚀性也可得到改善。另外，通过在致密的第一镀金层上形成第二镀金层，包含第一镀金层与第二镀金层的导电层的耐腐蚀性可进一步得到增强，意味着燃料电池分隔器的耐腐蚀性可进一步得到改进。
实例
下面基于实例和比较性实例提供对本发明的细节的更为详细的介绍，但本发明不受下面给出的实例的限制。
变化第一电镀层28的金触击层的厚度，评估耐腐蚀性。耐腐蚀性评估通过在作为分隔器基材24的钛片上仅仅形成金触击电镀层来进行。钛片首先进行碱法除油清洗，接着，使用硫酸进行中性处理，并用硝酸-氢氟酸溶液进行酸清洗处理。随后，酸洗后的钛片进行金触击电镀。对于金触击电镀，使用碱性无氰镀金槽。于是，在电流密度设置为1A/dm2的情况下，在镀金时间被调节为形成从3nm到200nm(3nm，5nm，10nm，20nm，30nm，40nm，50nm，60nm，70nm，80nm，100nm，120nm，140nm，160nm，180nm或200nm)厚度金触击电镀层的情况下，形成金触击电镀层。
根据对于JIS Z2294中规定的金属材料的电化学高温腐蚀测试方法进行腐蚀测试。图4示出了进行电化学高温腐蚀测试中使用的测试设备。测试在对大气开放的系统中进行。测试中使用的溶液为基于硫酸的溶液。测试溶液的温度设置到50℃。腐蚀测试在50小时上进行，同时，施加固定的电位。通过基于外观观察和腐蚀发生电流来确定腐蚀发生时间，进行耐腐蚀性的评估。
图5示出了腐蚀评估测试的结果。如图5所示，金触击电镀层的厚度沿着横轴绘制，腐蚀发生时间沿着纵轴绘制，对于具有变化的厚度的各个金触击电镀层，腐蚀发生时间的数据被示为黑色菱形(diamond)。当金触击电镀层的厚度小于10nm时，腐蚀发生时间短于500小时，不能获得令人满意的耐腐蚀性。随着金触击电镀层的厚度从10nm增大到70nm，腐蚀发生时间逐渐延长，随着金触击电镀层的厚度从70nm增大到100nm，腐蚀发生时间迅速延长，于是，随着金触击镀金层的厚度从100nm增大到200nm，腐蚀发生时间逐渐缩短。通过这种方式，当金触击电镀层的厚度在10nm到200nm范围内时，腐蚀发生时间长于500小时，意味着可以获得良好的耐腐蚀性。
接下来，为了评估分隔器的耐腐蚀性如何依赖于金触击电镀层的存在或不存在而变化，制备两种类型的分隔器测试件，并接着对之进行腐蚀评估测试。首先介绍根据实例1制造分隔器测试件的方法。在实例1的分隔器测试件的制造方法中，由钛模制而成的钛片首先进行碱法去油清洗，接着使用硫酸进行中和处理以及使用硝酸-氢氟酸溶液进行酸洗处理。随后，使用碱性无氰镀金槽，对酸洗后的钛片进行金触击电镀。金触击电镀层的厚度被设置为100nm。于是，使用碱性无氰镀金槽，在金触击电镀层上进行厚镀金。此镀金层的厚度设置为20μm。
下面介绍根据比较性实例1制造分隔器测试件的方法。在比较性实例1的分隔器测试件的制造方法中，由钛模制而成的钛片首先进行碱法去油清洗，接着以对与实例1中的分隔器测试件介绍的相同的方式进行中和处理以及酸洗处理。随后，在酸洗后的钛片上直接形成厚度为20μm的厚镀金，而不首先形成金触击电镀层。厚镀金使用以对于实例1介绍的相同的方法进行。
对于实例1以及比较性实例1的分隔器测试件进行耐腐蚀评估测试。耐腐蚀评估测试根据上面提到的JIS Z2294进行。图6示出了耐腐蚀评估测试的结果。如图6所示，发电持续时间沿着横轴绘制，腐蚀发生电流沿着纵轴绘制，对于实例1的比较器测试件的数据被示为黑色方块，对于比较性实例1的分隔器测试件的数据被示为黑色菱形。采用比较性实例1的分隔器测试件，在测试开始后500小时，腐蚀发生电流值开始增大，意味着腐蚀正在进行。相反，采用实例1的分隔器测试件，即使是在测试开始后2000小时，也几乎观察不到腐蚀发生电流的增大。
接着，使用金相显微镜对耐腐蚀性测试开始后已经过去2000小时的分隔器测试件进行截面检查。图7示出了比较性实例1的分隔器测试件的截面观察结果。另外，图8示出了实例1的分隔器测试件的截面观察结果。在比较性实例1的分隔器测试件中，在表面上观察到侵蚀的部分。相反，在实例1的分隔器测试件中，在表面上观察不到侵蚀部分。由这些结果显然可见，通过在钛片上提供金触击电镀层，耐腐蚀性可得到改进。

Claims (7)

1.一种制造对燃料电池的相邻的电池单元进行分隔的燃料电池分隔器的方法，该方法包括：
对包含金属材料的分隔器基材进行金触击电镀，由此形成具有大约10nm到大约200nm的厚度的第一镀金层。
2.根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法，其还包含：
在通过金触击电镀形成的第一镀金层之上进行附加的镀金，由此形成第二镀金层。
3.根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法，其中：
第一镀金层以不小于大约70nm且不大于大约120nm的厚度形成。
4.根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法，其中：
第一镀金层以不小于大约70nm且不大于大约100nm的厚度形成。
5.根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法，其中：
分隔器基材由钛或不锈钢模制而成。
6.一种燃料电池分隔器，其使用根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法制造而成。
7.一种燃料电池，其包含使用根据权利要求1的制造燃料电池分隔器的方法制造而成的燃料电池分隔器。
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