JP2004273359A

JP2004273359A - 多孔質部材とその製造方法及びそれを用いた電気化学装置

Info

Publication number: JP2004273359A
Application number: JP2003065138A
Authority: JP
Inventors: Keizo Harada; 敬三原田; Seiji Sano; 誠治佐野; Takashi Kajiwara; 隆梶原; Takayoshi Shiraishi; 隆義白石
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30
Also published as: EP1458042A1; US20050112353A1; CN1531126A

Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池のガス拡散電極兼セパレータとして使用でき、安価で長期信頼性に優れ、さらに、電極として用いた場合の電圧ロスが少なく、燃料電池の発電性能向上、発電性能の長期安定化を可能ならしめる多孔質部材を提供する。
【解決手段】平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍで気孔率が８０％以上である３次元網目構造を有する金属多孔体２と、金属箔などの金属基体３とを固層拡散処理により接合し、一体構造をなしている多孔質部材１となした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電極基板等に適用される多孔質部材とその製造方法及び多孔質部材を用いて構成される固体高分子型燃料電池などの電気化学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池のガス拡散電極に一部を撥水処理した発泡金属を適用し、電極のガス拡散性と導電性を向上させて燃料電池の発電性能を向上させる技術が下記特許文献１に示されている。
【０００３】
また、固体高分子型燃料電池の集電極（ガス拡散層を兼用）に金属ワイヤーの網状構造をもつ金属多孔体を適用し、この金属多孔体の金属ワイヤー末端部分の二極板等に対する高い局在化圧を利用して接触抵抗を低減する技術が下記特許文献２に示されている。
【０００４】
さらに、固体高分子型燃料電池のガス拡散電極に金属メッシュのスクリーンを適用して集電性能とガス拡散性を向上させ、併せて燃料電池の小型軽量化を実現する技術が下記特許文献３に示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２１１３７８号（請求項１）
【特許文献２】
特許第２９５３５５５号（頁９〜１２）
【特許文献３】
ＵＳＰ５，７９８，１８７（頁４〜６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１の燃料電池は、ガス拡散電極に適用した発泡金属の耐蝕性に問題がある。
【０００７】
固体高分子型燃料電池の電極部材は、強酸性雰囲気に晒されるため、ニッケル、銅、アルミニウムなどの金属では腐食が生じ易く、溶出した金属成分が触媒の活性を低下させるなどの悪影響を及ぼすため、発電性能の劣化を招く。また、その対策として化学的に安定した白金や金などの貴金属を被覆して発泡金属の耐蝕性を高める方法を採ると高コストになる。従って、長期性能の確保と低コスト化を両立させるのが難しい。
【０００８】
また、特許文献２及び３に示される燃料電池は、金属多孔体や金属メッシュスクリーンの材料として耐蝕性のある金属、例えば、耐蝕性に優れるステンレス鋼を用いると、表面に生じたクロム酸化物からなる強固な不動態皮膜によって部材間（たとえば、ガス拡散電極とセパレータ間）の接触抵抗が高くなり、発電性能が高まらない。
【０００９】
セパレータにも同じステンレス鋼を用いると接触抵抗はさらに増大し、発電性能はさらに低下する。
【００１０】
なお、電極やセパレータの表面に白金、金などの貴金属を被覆すれば耐蝕性の確保と接触抵抗低減を両立させることができるが、この方法は材料コストが高まるため汎用工業品には不向きである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明においては、平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍで気孔率が８０％以上である３次元網目構造を有する金属多孔体と金属基体が固層拡散処理により接合された一体構造をなしている多孔質部材を提供する。
【００１２】
この多孔質部材の金属多孔体及び／又は金属基体は、Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒ合金にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃの中から選択された少なくとも１種の元素を含ませた材料で形成されているのが好ましい。
【００１３】
また、この多孔質部材は、金属多孔体と金属基体の接合面の電気抵抗が、４．５ｍΩ・ｃｍ^２以下であるものや、金属多孔体の骨格部と金属基体の接合界面の酸素濃度が１０ｗｔ％以下であるものが好ましい。
【００１４】
この多孔質部材は、金属多孔体と金属基体を積層して加圧した状態で還元性雰囲気下において９００℃以上、１３００℃以下の温度で熱処理を行い、界面での固層拡散により金属多孔体と金属基体を接合する方法で製造する。
【００１５】
この発明においては、かかる多孔質部材を高分子電解質膜及び触媒電極層の両面部にガス拡散電極とセパレータ部材として配置した固体高分子型燃料電池などの電気化学装置も併せて提供する。
【００１６】
【作用】
この発明の多孔質部材は、金属多孔体と金属箔などで形成される金属基体が一体化しているため、両者の接合部の接触抵抗が大幅に低減し、燃料電池のセパレータ兼用ガス拡散電極として使用すると発電性能の向上が可能になる。
【００１７】
また、ガス拡散電極となす金属多孔体とセパレータとなす金属基体が一体化しているので、装置の組み立て性の向上効果ももたらす。
【００１８】
なお、金属多孔体や金属基体を、Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒ合金にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃの中から選択された少なくとも１種の元素を含ませた材料で形成すると、要求特性に応じた合金設計が可能になり、使用環境に応じて、導電性、強度、耐熱性、耐蝕性等の要求特性を満たす多孔質部材を提供することが可能になる。
【００１９】
また、電極板として使用する場合には、金属多孔体と金属基体の接合面の電気抵抗は低いほど望ましく、金属多孔体と金属基体を固層拡散により接合したこの発明の多孔質部材によれば、電気抵抗４．５ｍΩ・ｃｍ^２以下を実現できる。
【００２０】
金属多孔体の骨格部と金属基体の接合界面の酸素濃度が１０ｗｔ％以下であるものが好ましいとしたのは、以下の理由による。即ち、固層拡散による接合では金属多孔体および金属基体の表面に生じている酸化皮膜中の酸素が母材内に拡散するため界面での酸素濃度は低下する。従って、界面の酸素濃度は、固層拡散の程度判断の指標となる。その酸素濃度が１０ｗｔ％以下であれば、固層拡散による接合が良好になされており、接合面の電気抵抗が非常に小さくなる。
【００２１】
この発明の多孔質部材は、先に述べた方法で安価に製造することができ、この多孔質部材を採用する電気化学装置のコスト低減も図れる。また、金属多孔体と金属基体の接触抵抗が低いため、金属多孔体を燃料電池のガス流路兼拡散電極、金属基体をセパレータとして使用したときの電圧ロスが小さく燃料電池の発電性能も向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明の多孔質部材１の概要を示す。図の２は３次元網目構造を有する金属多孔体、３は金属基体である。
【００２３】
金属多孔体２は、Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒ合金にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃの中から選択された少なくとも１種の元素を含ませた材料で形成されている。また、この金属多孔体２は、平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍで気孔率が８０％以上となっている。
【００２４】
一方、金属基体３は、金属多孔体２と同様、Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒ合金にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃの中から選択された少なくとも１種の元素を含ませた材料やＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金にＭｏを添加した組成のステンレス鋼などで形成された金属箔が用いられている。
【００２５】
この金属多孔体２と金属基体３は、両者を積層して適度の圧力で加圧し、この状態で還元雰囲気下に置いて９００℃以上、１３００℃以下の温度で所要時間熱処理し、固層拡散を生じさせて接合一体化されている。
【００２６】
図２に両者の接合部を模式化して示す。このように、金属多孔体２の骨格部４が局所的に金属基体３に接触し、その接触部が固層拡散によりくっついて接合部の接触抵抗が小さくなっている。
【００２７】
なお、出願人のうちの１名は、表面の気孔率を中心部の気孔率よりも小さくした３次元網目構造の金属多孔体を特願２００２−８２４８４で提案しており、その金属多孔体を採用すると、金属基体３との接触面積を増加させて接触抵抗をさらに小さくすることができる。
【００２８】
図３は、この発明の多孔質部材１を採用した電気化学装置の要部の概要を示している。図中５は高分子電解質膜であり、この高分子電解質膜５の左右に触媒電極６とこの発明の多孔質部材１を向かい合わせにして配置し、多孔質部材の金属多孔体２をガス流路兼拡散電極として、また、金属基体３をセパレータとして各々機能させる。図では１セルの電気化学装置であるが、金属基体３の両面に金属多孔体を接合した部材を用いることで、直列積層された複数セルの電気化学装置を得ることもできる。
【００２９】
以下に、より詳細な実施例を挙げる。
−実施例−
表１に示す組成の金属多孔体と金属箔を組合わせ、これを積層して圧力２５ｇ／ｃｍ^２で加圧し、この加圧状態を保って真空中で１２００℃、３０分の熱処理を行い、金属多孔体と金属箔が固層拡散により一体化した多孔質部材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０を作製した。
【００３０】
この製造工程における積層材の加圧圧力は、０．１ｇ／ｃｍ^２〜１ｋｇ／ｃｍ^２の範囲に規定するのがよい。０．１ｇ／ｃｍ^２以下では接合が不十分になり、一方１ｋｇ／ｃｍ^２以上では金属多孔体が熱処理時に圧縮されて潰れる可能性がある。
【００３１】
【表１】

【００３２】
この表１の多孔質部材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０に用いた金属多孔体を、温度２５℃の１規定の硫酸液に浸漬し、２４時間経過後の重量減少率と圧縮強度を測定した。その結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】

【００３４】
腐食による重量減少率が大きいと金属多孔体の強度が大幅に低下し、電極に限らず各種部材の材料として不向きなものになるので、腐食による重量減少率は２０ｗｔ％以下であるのが好ましい。また、圧縮強度は複数部材の積層により加圧された状態でも多孔構造を維持して要求機能を満たすために１ＭＰａ以上あるのが好ましい。表２の金属多孔体は、重量減少率については全てが好ましいとした要求を満たしており、また、圧縮強度は、厚みが小さくて気孔率の大きいＮｏ．６の金属多孔体が１ＭＰａを少し下回っているが、他のものは全て１ＭＰａ以上の強度が確保されている。
【００３５】
さらに、表１の多孔質部材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８について、金属多孔体と金属箔の接合面の接触抵抗を測定した、その結果を表３に示す。また、比較例として、表１の多孔質部材Ｎｏ．３に用いた金属多孔体と金属箔を固層拡散による接合を行わずに単に重ね、そのときの接触抵抗を測定した結果も表３に併せて示す。なお、接触抵抗は、試料を０．５ＭＰａの加圧下において測定した。
【００３６】
【表３】

【００３７】
次に、高分子電解質膜としてナフィオン（デュポン社製商品名、膜厚１００μｍ）を用い、その高分子電解質膜の両側に図３に示すように白金触媒を担持した触媒電極を配置し、さらにその外側に表３の多孔質部材をガス拡散電極およびセパレータとして配置してセルを構成し、これを用いて固体高分子型燃料電池を作製した。
【００３８】
そして、この燃料電池の性能評価として、電池内に燃料ガスを導入した時の初期セルの電圧と１００時間経過後のセル電圧を測定した。その結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】

【００４０】
【発明の効果】
上記の実施例からも分かるように、この発明の多孔質部材は、金属多孔体と金属基体が一体化されて両者間の接触抵抗が大幅に小さくなっており、これを固体高分子型燃料電池のガス拡散電極兼セパレータとして用いると、電圧ロスが小さくなり、燃料電池の発電性能が向上する。また、発電性能の経時劣化が抑制され、電池の長期性能も向上する。
【００４１】
さらに、高価な貴金属による被覆処理を行わずに長期性能を向上させ得るのでコスト増も抑えられ、安価な燃料電池などを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の多孔質部材の概要を示す断面図
【図２】金属多孔体と金属基体の接合部を示す模式図
【図３】この発明の多孔質部材をガス拡散電極兼セパレータとして採用した電気化学装置の模式図
【符号の説明】
１多孔質部材
２金属多孔体
３金属基体
４骨格部
５高分子電解質膜
６触媒電極

Claims

平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍで気孔率が８０％以上である３次元網目構造を有する金属多孔体と金属基体が固層拡散処理により接合された一体構造をなしている多孔質部材。
金属多孔体及び／又は金属基体が、Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒ合金にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃの中から選択された少なくとも１種の元素を含ませた材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の多孔質部材。
金属多孔体と金属基体の接合面の電気抵抗が、４．５ｍΩ・ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質部材。
金属多孔体の骨格部と金属基体の接合界面の酸素濃度が１０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質部材。
金属多孔体と金属基体を積層して加圧した状態で還元性雰囲気下において９００℃以上、１３００℃以下の温度で熱処理を行い、界面での固層拡散により金属多孔体と金属基体を接合することを特徴とする多孔質部材の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載の多孔質部材を高分子電解質膜及び触媒電極層の両面部にガス拡散電極とセパレータ部材として配置することを特徴とする電気化学装置。