JP2001508589A - 燃料電池および燃料電池を構成させるための鉄をベースとする合金の使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、１個の膜電極ユニット、２個のストリームコレクタおよび／または１個のセルフレームおよび／または１個の双極性板を含む燃料電池に関するものであり、この場合この材料は、有利に作用の総和２６．９以上を有する、Ｆｅをベースとする材料からなる固体の構成部材の少なくとも１つから形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料電池および燃料電池を構成させるための 鉄をベースとする合金の使用 本発明は、１個の膜電極ユニット、２個のストリームコレクタおよび／または １個のセルフレームまたは１個の双極性板を含む燃料電池に関するものであり、 この場合固体の構成部材の少なくとも１つは、使用される材料の重量が僅かであ りかつ耐蝕性が高いことを示す。 黒鉛または別の炭素材料から製造されている燃料電池、殊にＰＥＭ−燃料電池 のような低温燃料電池のセルフレーム、双極性板、コレクタ板および／または他 の固体構成部材は、これまでに公知である。例えば、これから製造された板の厚 さは、導入される気液分布構造体に基づいて少なくとも２〜２．５ｍｍであり、 したがって材料の僅かな厚さにも拘わらず、構成された燃料電池の比較的に高い 重量および大きな容積を生じる。 欧州特許出願公開第０６２９０１５号明細書Ａ１には、双極性板またはコレク タ板のための材料として、次の合金または金属が開示されている：アルミニウム 、チタンまたはこれらの合金、ジルコニウム、ニオブ、タンタルまたはさらにこ れら５つの元素の中の１つ を有する合金。更に、この欧州特許出願公開第０６２９０１５号明細書には、前 記元素は電気絶縁性の保護性酸化物によって不動態化されていてもよく、上記金 属に対して選択的に板はなお耐蝕性の材料、例えば黒鉛、高合金鋼、不銹鋼また はクロム−ニッケル合金からなるものであってもよいことが開示されている。し かし、前記金属から成る十分に好適な合金の組成に関連する正確な記載は、これ までに公知ではない。 材料の完成のためには、炭素材料は、重すぎ、セルフレーム、ストリームコレ クタおよび／または双極性板等の製造の際には高価すぎる。更に、この金属は、 高すぎる腐食敏感性を有し、酸化層の形成による不動態化のために燃料電池内で の電流輸送の際に高すぎる損失を示す。 従って、本発明の課題は、燃料電池のコレクタ板および／またはセルフレーム および／または構造部材が − 安価で耐蝕性であり（酸膜電極との直接の接触の場合にも）、 − 良好に変形可能であり（良好な深絞り加工の等級）、 − 僅かな接触抵抗を有し、最後に − 板への加工の際に導入される気液分布構造体にも拘わらず、僅かな厚さおよ び特に僅かな重量を有するような材料から得ることができる、材料の完成に役立 つ燃料電池を提供することである。 本発明の対象は、１個の膜電極ユニット、２個のストリームコレクタおよび／ または１個のセルフレームおよび／または１個の双極性板を含む燃料電池であり 、この場合この材料は、次の組成： Ｃの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｓｉの含量：０〜２重量％、 Ｃｒの含量：８．２５〜４６．５重量％、 Ｍｏの含量：１．２５〜１４．０重量％、 Ｎｉの含量：２．２５〜４０．５重量％、 Ｃｕの含量：０〜４．０重量％、 Ｍｎの含量：０〜１３重量％、 Ｎの含量 ：０．０２〜１重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０９重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 を有する合金から選択されている、Ｆｅをベースとする材料からの固体の構成部 材の少なくとも１つを形成している。 鉄をベースとする材料としては、Ｆｅは、原則的に本発明により使用される合 金の主成分であり、この場合主成分の表記は、百分率の記載により定義可能であ るのではなく、別の成分に対して相対的なものとみなされる。 更に、本発明の対象は、燃料電池の構成の際に上記 の組成の１つを有する鉄をベースとする合金の使用である。 本発明の好ましい態様は、従属請求項ならびに明細書の記載および実施例から 明らかである。 好ましくは、ストリームコレクタおよび／またはセルフレームおよび／または 双極性板のためのＦｅをベースとする材料は、次の合金： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｓｉの含量：０〜１重量％、 Ｃｒの含量：１６．５〜２５．０重量％、 Ｍｏの含量：２．５〜７．０重量％、 Ｎｉの含量：４．５〜２６．０重量％、 Ｃｕの含量：０〜２．０重量％、 Ｍｎの含量：０〜６．５重量％、 Ｎの含量 ：０．０４〜０．５重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．２５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０４５重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 から選択される。 合金元素の分布が均一な場合、不銹鋼の相対的な孔 の総和（作用の総和Ｗ＝Ｃｒ％＋３．３×Ｍｏ％＋３０×Ｎ％）によって評価さ れてよい。本発明の１つ の好ましい態様の場合には、少なくとも１つの固体の構成部材のためのＦｅをベ ースとする材料は、作用の総和が２６．９以上、特に好ましくは３０を上廻る１ つの合金から選択されている。 １つの特に好ましい実施態様の場合には、Ｆｅをベースとする材料は、接触抵 抗を減少させるために、なお付加的に表面処理されている。この種の表面処理の １つの方法は、金メッキであるかまたは例えば窒化チタンを用いての処理である 。しかし、表面処理は、導電性ポリマーのプラスチックでの被覆によって実現さ れていてもよい。本明細書中で同じかまたは改善された耐蝕性の場合には、原則 的に、接触抵抗を減少させるための全ての公知の表面処理が使用されてもよい。 「固体の構成部材」とは、例えばセルフレーム、ストリームコレクタおよび／ またはコレクタ板、双極性板、隔離板および／または電極板または他の構成部材 、例えばフレーム素子等のことであり、目的に適うようによく考えられているよ うに、標準条件下で形状安定な材料からの性状を有している。この場合には、そ の側で任意の顕著な表面構造またはその他の形成された表面構造を有することが できる角形、円形、管形またはその他の構成部材が重要であり、この場合には、 この構成部材中に冷媒または反応媒体が流れるか、またはこの構成部材中に膜電 極ユニットが張圧される。最終的には、パッキン部材であってもよい。また、実 際には、本発明により使用される材料からなる軸方向の通路もしくは引張棒、ま たは軸方向の通路もしくは引張棒の一部の性状を有していてもよい。 換言すれば、ポリマー−電解質膜上およびこの膜に接続されている両電極上に 到るまで燃料電池の全ての他の構成材料は、本発明により記載される合金から選 択されていてもよい。 ドイツ連邦共和国特許第４４４２２８５号明細書中に記載された、燃料電池の 構成のための概念には、材料に対して材料製造に役立つ生産方法、例えば型打ち およびエンボス加工を使用することが設けられている。本発明により記載される Ｆｅをベースとする材料は、このような加工に適している。 気体分布構造体および／または液体分布構造体を有する板としての使用のため には、本発明により使用されるＦｅをベースとする材料は、２０〜３００μｍ、 有利に５０〜２００μｍ、特に有利に約１００μｍの僅かな厚さを有している。 電極板もしくは隔離板としての使用またはその他の使用のためには、場合によっ てはなお板の全く別の厚さが好ましい。本発明によれば、合金が使用されるよう な固体の構成部材に応じて、燃料電池の本発明によって意図される減少された重 量は、勿論、部材の厚さとともに増大する。 前記材料から、上記ドイツ連邦共和国特許明細書に記載された燃料電池の場合 には、電極板ならびに隔離 板およびフレーム素子の性状を有していてもよく、この場合には、公知技術水準 と比較して明らかに重量の減少が生じる。 以下、本発明によれば、なお有利に使用される合金が記載される： 合金１．４５３９（材料番号） Ｃの含量 ：０〜０．０２重量％、 Ｃｒの含量：１９．０〜２１．０重量％、 Ｍｏの含量：４．０〜５．０重量％、 Ｎｉの含量：２４．０〜２６．０重量％、 Ｃｕの含量：１．０〜２．０重量％、 Ｎの含量 ：０．０４〜０．１５重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 合金１．４４６２： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｃｒの含量：２１．０〜２３．０重量％、 Ｍｏの含量：２．５〜３．５重量％、 Ｎｉの含量：４．５〜６．５重量％、 Ｎの含量 ：０．０８〜０．２重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 合金１．４４３９： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｃｒの含量：１６．５〜１８．５重量％、 Ｍｏの含量：４．０〜５．０重量％、 Ｎｉの含量：１２．５〜１４．５重量％、 Ｎの含量 ：０．１２〜０．２２重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 合金１．４５６５： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｃｒの含量：２３．０〜２５．０重量％、 Ｍｏの含量：３．５〜４．５重量％、 Ｎｉの含量：１６．０〜１８．０重量％、 Ｍｎの含量：５．０〜６．５重量、 Ｎの含量 ：０．４〜０．５重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．１０重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 合金１．４５２９： Ｃの含量 ：０〜０．０２重量％、 Ｓｉの含量：０〜１重量％、 Ｃｒの含量：１９．０〜２１．０重量％、 Ｍｏの含量：６．０〜７．０重量％、 Ｎｉの含量：２４．０〜２６．０重量％、 Ｃｕの含量：０．５〜１．５重量％、 Ｍｎの含量：０〜２．０重量％、 Ｎの含量 ：０．１〜０．２５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０１５重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 合金１．３９６４： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｓｉの含量：０〜１重量％、 Ｃｒの含量：２０．０〜２１．５重量％、 Ｍｏの含量：３．０〜３．５重量％、 Ｎｉの含量：１５．０〜１７．０重量％、 Ｍｎの含量：４．０〜６．０重量％、 Ｎの含量 ：０．２〜０．３５重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．２５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０２５重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．００１重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 本発明により提案された合金を用いた場合には、材料製造に役立つ燃料電池を 安価に製造することができ、この場合には、簡単にコンパクトな構造形式を実現 させることができる。その上、本発明により記載された材料は、板および／また はフレーム素子と酸電解液との直接の接触の際にも比較的に高い耐蝕性を有して いる。更に、この材料は、良好な深絞り加工の等級を有し、即ち良好に変形可能 である。最後に、この材料は、僅かな接触抵抗を有し、この接触抵抗は、相応す る表面処理によってなお最適化されていてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｚ Ｙ 8/10 8/10 (72)発明者 ジークフリート ビルクレ ドイツ連邦共和国 Ｄ―91315 ヘーヒシ ュタット ファイト―シュトス―シュトラ ーセ 46

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１個の膜電極ユニット、２個のストリームコレクタおよび／または１個のセ ルフレームおよび／または１個の双極性板を含む燃料電池、この場合固体の構成 部材の少なくとも１つの材料は、次の組成： Ｃの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｓｉの含量：０〜２重量％、 Ｃｒの含量：８．２５〜４６．５重量％、 Ｍｏの含量：１．２５〜１４．０重量％、 Ｎｉの含量：２．２５〜４０．５重量％、 Ｃｕの含量：０〜４．０重量％、 Ｍｎの含量：０〜１３重量％、 Ｎの含量 ：０．０２〜１重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０９重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 を有する、Ｆｅをベースとする材料（合金）を含む。 ２．Ｆｅをベースとする材料が次の組成： Ｃの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｓｉの含量：０〜１重量％、 Ｃｒの含量：１６．５〜２５．０重量％、 Ｍｏの含量：２．５〜７．０重量％、 Ｎｉの含量：４．５〜２６．０重量％、 Ｃｕの含量：０〜２．０重量％、 Ｍｎの含量：０〜６．５重量％、 Ｎの含量 ：０．０４〜０．５重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．２重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０４５重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０３重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 を有する、請求項１記載の燃料電池。 ３．Ｆｅをベースとする材料が作用の総和２６．９以上を有する、請求項１また は２記載の燃料電池。 ４．Ｆｅをベースとする材料が表面処理されている、請求項１から３までのいず れか１項に記載の燃料電池。 ５．燃料電池がＰＥＭ−燃料電池である、請求項１から４までのいずれか１項に 記載の燃料電池。 ６．燃料電池を構成させるための、組成： Ｃの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｓｉの含量：０〜２重量％、 Ｃｒの含量：８．２５〜４６．５重量％、 Ｍｏの含量：１．２５〜１４．０重量％、 Ｎｉの含量：２．２５〜４０．５重量％、 Ｃｕの含量：０〜４．０重量％、 Ｍｎの含量：０〜１３重量％、 Ｎの含量 ：０．０２〜１重量％、 Ｎｂの含量：０〜０．５重量％、 Ｐの含量 ：０〜０．０９重量％、 Ｓの含量 ：０〜０．０６重量％、 Ｆｅの含量：１００重量％までの残分 を有する、Ｆｅをベースとする合金の使用。