專利名稱：多孔部件及其制造方法，以及采用它們的電化學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于電極基板等的多孔部件及其制造方法，以及采用多孔部件所構(gòu)成的固體高分子型燃料電池等的電化學(xué)裝置。
現(xiàn)有技術(shù)日本專利3211378公開一種將經(jīng)過部分憎水處理的泡沫金屬用于固體高分子型燃料電池的氣體擴(kuò)散電極，以提高電極的氣體擴(kuò)散性和導(dǎo)電性，從而改進(jìn)燃料電池的發(fā)電性能的技術(shù)。
日本專利2953555公開了使用具有金屬線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體作為固體高分子型燃料電池的集電極(兼作氣體擴(kuò)散層用)，對(duì)該金屬多孔體的金屬線末端部分的二極板等，通過使用高的局部電壓以降低接觸電阻的技術(shù)。
還有，美國專利5798187公開了把金屬網(wǎng)屏用于固體高分子型燃料電池的擴(kuò)散電極中，以改進(jìn)集電性能及氣體擴(kuò)散性，并實(shí)現(xiàn)了燃料電池小型化和輕質(zhì)。
本發(fā)明擬解決的課題上述日本專利3211378的燃料電池，用于氣體擴(kuò)散電極的泡沫金屬的耐腐蝕性有問題。
固體高分子型燃料電池的電極部件，由于暴露在強(qiáng)酸性的氛圍氣中，鎳、銅、鋁等金屬易發(fā)生腐蝕，溶出的金屬成分產(chǎn)生使催化劑的活性降低等不良的影響，導(dǎo)致發(fā)電性能降低。另外，作為其對(duì)策而采用化學(xué)上穩(wěn)定的鉑或金等貴金屬進(jìn)行被覆、以提高泡沫金屬的耐腐蝕性的方法，成本高。因此，難以確保長期的性能穩(wěn)定和低成本。
另外，日本專利2953555和美國專利5798187中所示的燃料電池，作為金屬多孔體或金屬網(wǎng)屏的材料是使用具有耐腐蝕性的某些金屬，例如，當(dāng)采用耐腐蝕性優(yōu)良的不銹鋼時(shí)，則由于在表面生成的鉻氧化物所構(gòu)成的牢固的穩(wěn)定被膜而使部件之間(例如，氣體擴(kuò)散電極和隔膜之間)的接觸電阻升高，發(fā)電性能不能提高。
當(dāng)隔片也采用同樣不銹鋼時(shí)，接觸電阻更加增大，發(fā)電性能更加下降。
還有，如在電極和隔片表面各被覆鉑、金等貴金屬，可以確保耐腐蝕性和降低接觸電阻，但該法的材料成本高，在通常的工業(yè)品中無法使用。
用于解決本課題的手段為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種多孔部件，其具有平均孔徑50μm～1mm、氣孔率80％或以上的3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體和金屬基體，通過固體層擴(kuò)散處理進(jìn)行接合的整體結(jié)構(gòu)。
該多孔部件金屬多孔體及/或金屬基體，優(yōu)選的是由至少含有1種選自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料所形成。
另外，該多孔部件優(yōu)選的是金屬多孔體和金屬基體的接合面電阻在4.5mΩ·cm2以下及金屬多孔體的骨格部分和金屬基體接合界面的氧濃度在10重量％以下。
該多孔部件，是將金屬多孔體和金屬基體進(jìn)行層疊，并在加壓的狀態(tài)下于還原性氣氛中，在900℃以上～1300℃以下的溫度進(jìn)行熱處理，通過界面的固體層擴(kuò)散，使金屬多孔體和金屬基體進(jìn)行接合的方法而制造。
本發(fā)明提供一種使該多孔部件作為氣體擴(kuò)散電極和隔片部件配置在高分子電解質(zhì)膜及催化劑電極層的兩個(gè)側(cè)面而構(gòu)成的固體高分子型燃料電池等的電化學(xué)裝置。
作用本發(fā)明的多孔部件，由于金屬多孔體和呈金屬箔等的金屬基體成為一個(gè)整體，兩者接合部分的接觸電阻大幅度降低，因此，當(dāng)用作燃料電池的隔片兼氣體擴(kuò)散電極時(shí)，可以提高發(fā)電性能。
另外，由于作為氣體擴(kuò)散電極的金屬多孔體和作為隔片的金屬基體成為一個(gè)整體，所以，裝置的組裝性能得到提高。
還有，金屬多孔體和金屬基體，當(dāng)采用至少含有1種選自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料形成時(shí)，可設(shè)計(jì)成滿足所要求特性的合金，即根據(jù)使用環(huán)境的導(dǎo)電性、強(qiáng)度、耐熱性、耐腐蝕性的多孔部件。
另外，在用作電極板時(shí)，金屬多孔體和金屬基體接合面的電阻愈低愈好，金屬多孔體和金屬基體通過固體層擴(kuò)散進(jìn)行接合的本發(fā)明的多孔部件，電阻可達(dá)到4.5mΩ·cm2以下。
金屬多孔體的骨格部和金屬基體接合界面的氧濃度優(yōu)選在10重量％以下，其理由如下。在通過固體層擴(kuò)散進(jìn)行接合時(shí)，由于金屬多孔體和金屬基體的表面生成的氧化被膜中的氧擴(kuò)散至母體材料內(nèi)，使界面的氧濃度降低。因此，界面的氧濃度可以是固體層擴(kuò)散程度判斷的指標(biāo)。如果該氧濃度在10重量以下，則通過固體層擴(kuò)散的接合良好，接合面的電阻就非常小。
本發(fā)明的多孔部件，通過上述方法可以廉價(jià)地進(jìn)行制造，采用該多孔部件也可使電化學(xué)裝置成本降低。另外，由于金屬多孔體和金屬基體的接觸電阻低，金屬多孔體用作燃料電池的氣體流路和擴(kuò)散電極、金屬基板用作隔片時(shí)的電壓損失小，燃料電池的發(fā)電性也得到提高。
附圖的簡單說明

圖1是表示本發(fā)明的多孔部件概要的斷面圖。
圖2是表示金屬多孔體和金屬基板接合部分的示意圖。
圖3是采用本發(fā)明的多孔部件作為氣體擴(kuò)散電極兼隔片的電化學(xué)裝置的示意圖。
本發(fā)明實(shí)施方案圖1表示本發(fā)明多孔部件1的概要。圖中的2是具有3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體，3是金屬基體。
金屬多孔體2是由至少含有1種選自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料所形成的。另外，該金屬多孔體2的平均孔徑為50μm～1mm、氣孔率80％以上。
另一方面，金屬基體3與金屬多孔體2同樣，是由至少含有1種選自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料或用添加有Mo組分的Fe-Cr-Ni合金制成的不銹鋼等所形成的金屬箔。
該金屬多孔體2和金屬基體3，兩者層疊后用適當(dāng)?shù)膲毫M(jìn)行加壓，在該狀態(tài)下，在還原氣氛中，在900℃以上～1300℃以下的溫度下熱處理所需要的時(shí)間，通過固體層擴(kuò)散、接合成整體。
圖2示意性表示兩者的接合部。因此，金屬多孔體2的骨格部分4與金屬基體3局部接觸，通過固體層擴(kuò)散接合部分進(jìn)行接合，接合部分的接觸電阻降低。
還有，在日本申請(qǐng)2002-82484中本發(fā)明申請(qǐng)人之一提出一種表面氣孔率比中心部氣孔率小的3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體，采用這種該金屬多孔體時(shí)，與金屬基體3的接觸面積增加，接觸電阻更加變小。
圖3示出采用本發(fā)明的多孔部件1的電化學(xué)裝置重要部分的概要。圖中5是高分子電解質(zhì)膜，在該高分子電解質(zhì)膜5的左右，使催化劑電極6和本發(fā)明的多孔部件1相對(duì)重合而進(jìn)行配置，多孔部件1的金屬多孔體2起氣體流路兼擴(kuò)散電極的功能，而金屬基體3起隔片的功能。圖3是1個(gè)電池的電化學(xué)裝置，但采用在金屬基體3的兩面配置有金屬多孔體的部件，借此也可以得到直線排列層疊的多個(gè)電池的電化學(xué)裝置。
下面舉出更詳細(xì)的實(shí)施例。
實(shí)施例把表1中所示組成的金屬多孔體和金屬箔加以組合，層疊，以壓力25g/cm2進(jìn)行加壓，并在保持該加壓狀態(tài)下，于真空中在1200℃進(jìn)行熱處理30分鐘，金屬多孔體和金屬箔通過固體層擴(kuò)散形成整體，制成多孔部件No.1～No.10。
在制造工序中用于層疊材料的加壓的壓力可在0.1g/cm2～1kg/cm2的范圍內(nèi)。0.1g/cm2以下，接合不充分，另一方面，1kg/cm2以上，金屬多孔體在熱處理時(shí)被壓縮，并有受到破壞的可能性。
表1

表1中的多孔部件No.1～No.10中所用的金屬多孔體于溫度25℃、1當(dāng)量的硫酸溶液中浸漬，測定24小時(shí)后的重量減少率和壓縮強(qiáng)度。結(jié)果示于表2。
表2

當(dāng)因腐蝕引起的重量減少率大時(shí)，金屬多孔體的強(qiáng)度大幅度下降，不僅作為電極而且作為各種部件的材料都不適用，所以，因腐蝕引起的重量減少率優(yōu)選在20重量％以下。另外，壓縮強(qiáng)度優(yōu)選1MPa或以上，這是由于即使在加壓的狀態(tài)下多個(gè)部件進(jìn)行層疊也可以保持多孔結(jié)構(gòu)的功能。表2所示的金屬多孔體，其重量減少率全部滿足優(yōu)選的要求，另外，厚度小而氣孔率大的No.6金屬多孔體，壓縮強(qiáng)度在1MPa以下，而其他樣品全都確保1MPa以上的壓縮強(qiáng)度。
另外，對(duì)表1中的No.1～No.8多孔部件，測定金屬多孔體和金屬箔接合面的接觸電阻。其結(jié)果示于表3。另外，作為比較例，表1的多孔部件No.3中所用的金屬多孔體和金屬箔沒有通過固體層擴(kuò)散進(jìn)行接合而簡單地重疊，測定此時(shí)的接觸電阻的結(jié)果一并示于表3。還有，接觸電阻在試樣0.5MPa的加壓下進(jìn)行測定。
表3

其次，采用ナフイオン(商品名，デュポン社制造，膜厚100μm)作為高分子電解質(zhì)膜，在該高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)，按圖3所示配置負(fù)載有鉑催化劑的催化劑電極，再于其外側(cè)配置表3的多孔部件作為氣體擴(kuò)散電極及隔片，構(gòu)成電池，采用該電池制作固體高分子型燃料電池。
作為該燃料電池的性能評(píng)價(jià)，是測定在電池內(nèi)導(dǎo)入燃料氣體時(shí)的電池初始電壓和經(jīng)過100小時(shí)后的電池電壓。其結(jié)果示于表4。
表4

發(fā)明的效果從上述實(shí)施例可知，本發(fā)明的多孔部件是把金屬多孔體和金屬基體構(gòu)成一個(gè)整體，使兩者間的接觸電阻大大減小，因此，當(dāng)將其用作固體高分子型燃料電池的氣體擴(kuò)散電極兼隔片時(shí)，電壓損失降低，燃料電池的發(fā)電性能提高。另外，抑制了發(fā)電性能的經(jīng)時(shí)惡化，電池的長期性能也得到提高。
另外，不采用昂貴的貴金屬進(jìn)行被覆也可以使長期性能提高，從而也可抑制成本的增加，提供廉價(jià)的燃料電池等成為可能。
產(chǎn)業(yè)上的利用領(lǐng)域本發(fā)明涉及在電極基板等中使用的多孔部件及其制造方法，以及采用多孔部件所構(gòu)成的固體高分子型燃料電池等電化學(xué)裝置。
權(quán)利要求
1.一種多孔部件，其是由具有平均孔徑50μm～1mm、氣孔率80％以上的3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體和金屬基體通過固體層擴(kuò)散處理進(jìn)行接合的整體結(jié)構(gòu)。
2.按照權(quán)利要求1中所述的多孔部件，其特征在于，金屬多孔體和/或金屬基體是由至少含有1種選自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料形成的。
3.按照權(quán)利要求1或2中所述的多孔部件，其特征在于，金屬多孔體和金屬基體接合界面的電阻在4.5mΩ·cm2以下。
4.按照權(quán)利要求1或2中所述的多孔部件，其特征在于，金屬多孔體的骨格部分和金屬基體接合界面的氧濃度在10重量％以下。
5.一種多孔部件的制造方法，其特征在于，把金屬多孔體和金屬基體進(jìn)行層疊，在加壓的狀態(tài)下，在還原氣氛中，于900℃以上～1300℃以下的溫度進(jìn)行熱處理，通過在界面上的固體層擴(kuò)散，使金屬多孔體和金屬基體相接合。
6.一種電化學(xué)裝置，其特征在于，把權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所記載的金屬多孔質(zhì)部件作為氣擴(kuò)散電極和隔片部件而配置在高分子電解質(zhì)膜及催化劑電極層的兩面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多孔部件，其可以用作固體高分子型燃料電池的氣體擴(kuò)散電極兼隔片，價(jià)廉，長期使用的可靠性優(yōu)良，并且作為電極使用時(shí)的電壓損失少，燃料電池的發(fā)電性能提高，發(fā)電性能可以長期保持穩(wěn)定。多孔部件1是把具有平均孔徑50μm～1mm、氣孔率80％以上的3維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬多孔體2和金屬箔等金屬基體3，通過固體層擴(kuò)散處理進(jìn)行接合，形成整體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C22C38/00GK1531126SQ20041002871
公開日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月11日
發(fā)明者原田敬三, 佐野誠治, 治, 義, 梶原隆, 白石隆義 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 豐田汽車株式會(huì)社