专利名称：燃料电池用隔板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池用隔板，特别涉及适用于汽车用电源、便携式仪器用电源、分散电源等中所使用的固体高分子型燃料电池的隔板。
背景技术：
从发电效率高、对环境的负担小等的角度考虑，作为下一代的能源，正广泛地进行着对于燃料电池的研究。燃料电池是使作为燃料的氢与氧发生电化学反应从而获取电能的发电装置。根据所使用的电解质的种类，燃料电池分类为固体氧化物型燃料电池(S0FC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体高分子型燃料电池(PEFC)、直接甲醇型燃料电池(DMFC)。其中，PEFC和DMFC与其他类型的燃料电池相比，工作温度低，约为70 90°C，并且利用PEFC能够实现IkW左右的高效率的发电，利用DMFC也能够实现数百W左右的高效率的发电，因此，特别是在汽车或便携式仪器等中的应用让人期待。特别是，DMFC是小型的燃料电池，正在努力研究其在便携式仪器中的应用。对于隔板，需要气体透过性小、具有优异的导电性、接触电阻低、具有优异的耐蚀性等。特别是对于耐蚀性和导电性的要求近来不断提高，作为耐蚀性的评价标准，可以列举“将隔板在PH约为I的硫酸溶液中浸溃1000小时，也不生锈(或腐蚀)”。特别是，DMFC是小型的燃料电池，要求其表面的导电性优异。作为具有这样的特性的隔板用材料，通常采用碳材料。但是，碳材料由于缺乏韧性而且很脆，难以加工，具有加工成本高的问题。于是，近年来，研究着作为隔板用材料使用容易加工而且加工成本低廉的不锈钢来替代碳材料。在不锈钢的表 面，钢中所含的Cr与大气中的氧结合生成氧化皮膜(钝化皮膜)，因此具有优异的耐蚀性，但是，接触电阻大，无法直接用作隔板用材料。因此，可以考虑利用具有优异的耐蚀性和导电性的贵金属覆盖不锈钢的表面，但是由于钝化皮膜和金属膜的附着性非常差，直接在不锈钢的表面形成金属膜是非常困难的。因此，到目前为止，进行如下方法通过蚀刻等完全去除钝化皮膜之后，形成含有Ni等的金属的底层镀层，之后，镀上贵金属。然而，如果长期使用由上述的方法得到的隔板，存在耐蚀性降低、作为燃料电池的性能降低的问题。这可以认为这是因为腐蚀液经由在贵金属膜上生成的针孔进入内部，不断进行异种金属接触腐蚀(电镀腐蚀)而造成的。因此，该方法无法满足上述的耐蚀性的评价标准(将隔板浸溃在强酸性溶液中1000小时以上也识别不出锈的产生)。另一方面，专利文献I和2公开了一种不去除形成于不锈钢的表面的钝化层而直接在其上形成贵金属层的隔板。根据专利文献1，使直接形成于钝化层之上的金属的覆盖率为2. 3% 94%时，能够提高隔板的耐蚀性，并且能够充分减少接触电阻。另外，根据专利文献2，在钝化层之上直接形成贵金属层之后，以100°C以上、600°C以下的温度，在真空中或不活泼气体中进行5分钟以下时间的热处理，由此在母材(例如不锈钢)和贵金属层之间使母材的金属成分适度扩散至贵金属层，结果附着性得到改
口 O现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2004-296381号公报专利文献2 :日本特开2007-323988号公报
发明内容
发明所要解决的课题然而，根据本发明人的研究，专利文献I中所记载的燃料电池用隔板的耐蚀性不充分。另外，专利文献2中所记载 的隔板，由于需要进行用于提高对贵金属层的不锈钢的附着性的热处理，因此，具有产量低、成本高的问题。本发明的目的在于提供一种具有优异的耐蚀性并且能够以低成本制造的燃料电池用隔板及其制造方法。用于解决课题的方法本发明的燃料电池用隔板具有不锈钢基材、形成于上述不锈钢基材上的、具有针孔的金镀层和形成于上述针孔内的不锈钢的钝化层，并且具有上述金镀层和上述不锈钢基材不经由不锈钢的钝化层而接触的区域。在上述金镀层和上述不锈钢基材之间优选不存在不锈钢的钝化层。上述金镀层的厚度优选为至少O. 01 μ m以上，进一步优选为O. 05 μ m以上。在某实施方式中，具有上述金镀层和上述不锈钢基材经由实质上不含铬的铁氧化物层接触的区域。上述金镀层和上述不锈钢基材之间存在实质上不含铬的铁氧化物层。在某实施方式中，上述钝化层的厚度为4nm以上。在某实施方式中，上述金镀层的厚度为O. 3μπι以下。在某实施方式中，上述金镀层的接触电阻为ΙΟι Ω · cm2以下。本发明的燃料电池用隔板的制造方法包括工序a，准备不锈钢基材；工序b，在上述工序a之后，使用酸性的金触击镀液在上述不锈钢基材的表面形成触击金镀层；工序c，在上述工序b之后，在上述触击金镀层之上形成主金镀层；和工序d，在上述工序c之后，在上述金镀层具有针孔时，以能够在上述针孔内形成不锈钢的钝化层的条件，进行钝化处理。在某实施方式中，钝化处理中优选使用30%以上的浓度的硝酸。在某实施方式中，还包括在上述工序a之后、上述工序b之前，对上述不锈钢基材的表面进行蚀刻的工序。在某实施方式中，在上述工序c中形成的金镀层具有针孔，在上述工序d中，在上述针孔内形成不锈钢的钝化层。本发明的燃料电池用隔板只要具有与通过上述的任一种的燃料电池用隔板的制造方法制得的燃料电池用隔板本质上相同的结构即可。也就是说，只要具有如下结构即可至少去除金镀层和不锈钢基材之间的钝化层的一部分，结果改善了金镀层和不锈钢基材的附着性，进一步通过在金镀层的针孔内形成不锈钢的钝化层来提高耐蚀性。发明效果
根据本发明，能够提供一种具有优异的耐蚀性且金镀层的附着性高的燃料电池用隔板及其制造方法。
图1的(a) (e)是用于说明本发明的实施方式的燃料电池用隔板20的制造方法的示意性截面图。图2是表示不锈钢基材的浓度分布的曲线图，(a)是表示市场销售的不锈钢(SUS304)基材的浓度分布的曲线图，(b)是表示对表面进行蚀刻和水洗之后的浓度分布的曲线图。图3 (a)是表示在蚀刻和水洗之后以10%硝酸水溶液进行钝化处理之后的浓度分布的曲线图，(b)是在蚀刻和水洗之后以10%硝酸水溶液进行钝化处理之后的浓度分布的曲线图。图4 Ca)和(b)是表不分别对应于试样4和试样8的样品的浓度分布的曲线图。
具体实施例方式下面，参照
本发明的实施方式的燃料电池用隔板及其制造方法。本发明并不限于不例的实施方式。图1 (a) (e)中表示用于说明本发明的实施方式的燃料电池用隔板20的制造方法的示意性截面图。在本发明的实施方式的 燃料电池用隔板的制造方法中，首先，如图1 (a)所示，准备不锈钢基材12。不锈钢基材12具有由不锈钢构成的主体部12a和形成于主体部12a的表面的钝化层(钝化皮膜)14。钝化层14，众所周知，将不锈钢放置于大气中则自然形成，包括铬的氧化物、铬和铁的氢氧化物，具有优异的耐蚀性。可以认为在主体部12a侧形成铬的氧化物层，在表面侧形成铬和铁的氢氧化物层。钝化层14的厚度根据条件而不同，为数nm左右。作为不锈钢，例如，能够合适地使用奥氏体类不锈钢(例如，SUS304、SUS316)或奥氏体一铁素体类不锈钢(例如，SUS329J1)。在下一个工序之前，根据需要，也可以对钝化层14的表面进行洗净和/或脱脂。接着，如图1 (b)所示，对不锈钢基材12的表面进行蚀刻。作为蚀刻液，例如，使用盐酸或盐酸和硝酸的混合酸，能够去除钝化层14。另外，代替蚀刻，利用作为电解液使用硫酸水溶液的阴极电解法也能够去除钝化层14。这样，在下一个使用酸性的金触击镀液形成触击金镀层22s的工序之前，通过暂时去除钝化层14，能够提高最终的镀金的结果的均匀性。能够通过目视容易地确认镀金的结果的均匀性。此外，优选在去除钝化层14之后、形成触击金镀层之前，例如通过水洗去除附着在不锈钢基材12 (主体部12a)的表面的蚀刻液。此时，有时再次形成钝化层。另外，根据去除钝化层14之后的保存环境，有时再次形成钝化层。在上述的方法中，暂时去除钝化层14之后，不镑钢基材的表面的均勻性提闻，因此，之后即使形成纯化层，也能够提闻最终的镀金的结果的均匀性。此外，在使用酸性的金触击镀液形成触击金镀层的过程中，不锈钢基材12的表面的钝化层14至少一部分被去除，因此，在触击镀金工序之前，即使未预先去除钝化层14，也能够得到具有优异的耐蚀性和附着性的金镀层。通过进行参照图1 (b)说明的蚀刻工序，能够提高最终的镀金的结果的均匀性。自然形成的氧化层根据历史(压延条件、保存环境、处理前加工状况等)，氧化的程度、氧化层的厚度或氧化层的组成不均匀，可以认为，通过利用蚀刻处理去除不均匀的氧化层，能够提高表面的均匀性。接着，如 图1 (C)所示，使用酸性的金触击镀液(例如，小岛化学药品株式会社制K-770)在去除钝化层14之后露出的主体部12a的表面形成触击金镀层22s。作为酸性的金触击镀液，能够广泛使用公知的金触击镀液。例如，优选为pH为O. 4以上、1. O以下(液温为20°C以上、40°C以下)的金触击镀液。电流密度例如为O. 5A/dm2以上、8. OA/dm2以下，金镀时间例如为30秒以上、90秒以下。触击金镀层22s的厚度例如优选为O. 005 μ m以上、
O.05 μ m以下。触击金镀层22s非常薄，因此具有针孔22sa。此外，如上所述，即使省略参照图1 (b)说明的去除钝化层14的工序，在金触击镀工序中也发生钝化层14的去除，因此，能够得到图1 (c)所示的结构。接着，如图1 (d)所示，在触击金镀层22s之上形成主金镀层22m。主金镀层22m例如使用氰化金镀液形成。含有氰化合物的金镀液(例如，日本高纯度化学株式会社制TEMPERESIST BL),能够广泛使用公知的金镀液。例如，优选为pH为6. O以上、6. 5以下(液温为60°C以上70°C以下)的金镀液。电流密度例如为O. 02A/dm2以上、O. 3A/dm2以下，金镀时间例如为100秒以上、300秒以下.王金锻层22m不需要形成得很厚，触击金锻层22s和王金锻层22m —起得到的金镀层22也可以具有针孔22a。根据本发明的发明人的研究，为了形成没有针孔的金镀层22，需要金镀层22的整体的厚度大约为1. 2μπι以上。如后面的实施例所示，金镀层22的整体的厚度只要能够充分降低接触电阻即可，优选为至少O. 01 μ m以上，进一步优选为O. 05 μ m以上。另外，不需要使金镀层22的厚度超过O. 3 μ m，能够以O. 3 μ m以下的厚度充分地使接触电阻降低。金镀层22的接触电阻优选为ΙΟπιΩ · cm2。接着，如图1 (e)所示，通过对形成有金镀层22的不锈钢基材的主体部12a进行钝化处理，得到燃料电池用隔板20。钝化处理以在金镀层具有针孔时能够在针孔内形成不锈钢的钝化层的条件进行。例如，如实验例所示，能够通过在30°C的30质量％的硝酸水溶液中浸溃5分钟来进行。当然不限于该条件，例如也可以在50°C的30质量％的硝酸水溶液浸溃约10秒钟。优选硝酸水溶液的浓度为30质量％以上。通过进行钝化处理，在针孔22a内露出的不锈钢基材的主体部12a被钝化，在针孔22a内形成不锈钢的钝化层16。钝化层16的厚度与一般的钝化层的厚度同样地为数nm (例如4nm)以上即可。如上所述，根据本发明的实施方式的燃料电池用隔板的制造方法，使用酸性的触击金镀液形成触击金镀层22s，因此，在金镀层22和不锈钢基材12a之间，几乎不存在不锈钢的钝化层14，能够提高金镀层22和不锈钢基材12a的附着性。其次，在形成金镀层22之后，进行钝化处理，因此，即使金镀层22中存在针孔22a，在针孔22a内露出的不锈钢基材12a也被钝化，在针孔22a内形成不锈钢的钝化层16，从而能够提高耐蚀性。金镀层22也可以具有针孔，因此不需要形成得很厚，镀金工序的产量高，材料费低廉。另外，在触击金镀工序之前，如果通过对不锈钢基材的表面进行蚀刻或阴极电解，去除钝化层，能够提高最终的镀金的结果的均匀性。下面，例示实施例来详细说明本发明的实施方式的燃料电池用隔板及其制造方法。作为图1 (a)所示的不锈钢基材12，准备由奥氏体不锈钢(SUS304)形成的基材(纵80mmX横80mmX厚1. 0mm)。图2 Ca)中表示通过以辉光放电发光分光分析法分析该基材的表面得到的浓度分布的例子。横轴表示距基材表面的深度，纵轴以原子％ (at%)表示各原子的浓度。其中，图2中，省略了碳、镍、铜、硅、锰的结果。对以下的辉光放电发光分光分析结果也同样。从图2 Ca)可知，在该基材12的表面，确认有Fe (铁)、Cr (铬)和O (氧)，形成有氧化物层。该氧化物层，众所周知，为钝化层14。以氧原子浓度为峰值的一半的深度进行评价，钝化层14的厚度约为4. 4nm。接着，通过将上述基材12在蚀刻液(盐酸和硝酸的混合酸)中在30°C浸溃5分钟，对基材12的表面进行蚀刻，之后，通过在储藏于容器中的自来水中浸溃两次，洗掉蚀刻液。图2 (b)表示以辉光放电发光分光分析法分析该基材的表面的结果的例子。最表面的附近的氧原子浓度略低于图2 (a)，往深度方向的变化平缓，除此之外，与图2 (a)的浓度分布相同。由此，可以认为，即使通过蚀刻去除钝化层14，在水洗和/或其后的空气中的保存中，再次形成钝化层14。此外，由图2 (b)的浓度分布可知，与上述同样地求得的钝化层14的厚度约为6.1nm0另外，图3 (a)和(b)中表示使用硝酸对实施了蚀刻和水洗的基材实施钝化处理、以辉光放电发光分光分析法分析得到的基材的表面的结果。图3 (a)是使用10%硝酸水溶液时的结果，图3 (b)是使用30%硝酸水溶液时的结果。图3 Ca)和(b)的浓度分布全都几乎与图2 Ca)的浓度分布相同，可以认为，通过利用硝酸的钝化处理，表面的钝化层的组成和厚度不发生变化。此外，由图3 (a)和(b)的浓度分布可知，与上述同样地求得的钝化层14的厚度分别为约4. 5nm和约4. 3nm。根据图2 图3的结果,可以认为,在本实验中使用的基材的表面形成的钝化层14的厚度为约4nm 约6nm的范围。
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金镀通过使用了酸性的触击金镀液的触击金镀和使用了氰化金镀液的主金镀进行。触击金镀是使用氰类、PH为O. 8、温度为35°C的金触击镀液(小岛化学药品株式会社制K-770500ml/L(两倍稀释))、以电流密度lA/dm2进行了 40秒的电解镀。以该此条件得到的触击金镀层的厚度约为O. 01 μ m。镀层的厚度只要没有特别说明，就是利用荧光X射线膜厚计测得的厚度。当形成比约O. 01 μ m厚的金镀层时，接着触击金镀，进行主金镀。在主金镀中，使用pH为6. 3、温度为65°C的氰化金镀液(日本高纯度化学株式会社制TEMPERESIST BL200g/L、氰化金钾8.0g/L)，以电流密度O. lA/dm2，通过调整通电时间，调节主金镀层的厚度。通电时间为4分钟，能够得到厚度约为O.1 μ m的主金镀层。改变上述的条件，制作试样，评价了耐蚀性和接触电阻。在下述的表I 一并表示各试样的制作条件和评价结果。通过目视观察在pHl的硫酸水溶液(80°C)中浸溃1000小时之后的表面，对耐蚀性进行了评价。确认了金镀层的腐蚀的试样以X表示，还未腐蚀但观察到变色的试样以Λ表示，观察不到变色的试样以〇表示。其中，〇具有耐于实用的耐蚀性。将各试样(隔板)，在其间隔着碳纸，使用实施了金镀的铜板(集电板)以lOkgf/cm2的面压夹持的状态，利用毫欧姆计以流通IA的电流时的电阻值评价了接触电阻。另外，当用于IW左右的PEFC用燃料电池时，金镀层的接触电阻优选为ΙΟπιΩ · cm2以下，进一步优选为5m Ω · cm2以下。[表I]
权利要求
1.一种燃料电池用隔板，其特征在于，具有 不锈钢基材； 形成于所述不锈钢基材上的、具有针孔的金镀层；和 形成于所述针孔内的不锈钢的钝化层， 并且具有所述金镀层和所述不锈钢基材不经由不锈钢的钝化层而接触的区域。
2.如权利要求1所述的燃料电池用隔板，其特征在于 具有所述金镀层和所述不锈钢基材经由实质上不含铬的铁氧化物层接触的区域。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用隔板，其特征在于 所述钝化层的厚度为4nm以上。
4.如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池用隔板，其特征在于所述金镀层的厚度为O. 3 μ m以下。
5.如权利要求1 4中任一项所述的燃料电池用隔板，其特征在于所述金镀层的接触电阻为IOm Ω · cm2以下。
6.一种燃料电池用隔板的制造方法，其特征在于，包括 工序a,准备不镑钢基材； 工序b，在所述工序a之后，使用酸性的金触击镀液在所述不锈钢基材的表面形成触击金镀层； 工序C，在所述工序b之后，在所述触击金镀层之上形成金镀层；和工序d，在所述工序c之后，在所述金镀层具有针孔时，以能够在所述针孔内形成不锈钢的钝化层的条件进行钝化处理。
7.如权利要求6所述的燃料电池用隔板的制造方法，其特征在于 所述工序d使用30%以上的浓度的硝酸进行。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池用隔板的制造方法，其特征在于，还包括 在所述工序a之后、所述工序b之前，对所述不锈钢基材的表面进行蚀刻的工序。
9.如权利要求6 8中任一项所述的燃料电池用隔板的制造方法，其特征在于 在所述工序c中形成的金镀层具有针孔， 在所述工序d中，在所述针孔内形成不锈钢的钝化层。
10.一种燃料电池用隔板，其特征在于 其是通过权利要求6 9中任一项所述的燃料电池用隔板的制造方法制得的。
全文摘要
本发明的燃料电池用隔板(20)具有不锈钢基材(12a)、形成于不锈钢基材(12a)上的具有针孔(22a)的金镀层(22)和形成于针孔(22a)内的不锈钢的钝化层(16)，并且具有金镀层(22)和不锈钢基材(12a)不经由不锈钢的钝化层而接触的区域。本发明的燃料电池用隔板(20)通过在不锈钢基材(12)的表面利用酸性的金触击镀液形成触击金镀层之后，形成金镀层(22)，其后进行钝化处理而制得。根据本发明，提供一种具有优异的耐蚀性并且能够以低成本制造的燃料电池用隔板及其制造方法。
文档编号H01M8/10GK103069629SQ20118004011
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月20日
发明者横田将幸 申请人:株式会社新王材料