专利名称：多孔部件及其制造方法，以及采用它们的电化学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于电极基板等的多孔部件及其制造方法，以及采用多孔部件所构成的固体高分子型燃料电池等的电化学装置。
现有技术日本专利3211378公开一种将经过部分憎水处理的泡沫金属用于固体高分子型燃料电池的气体扩散电极，以提高电极的气体扩散性和导电性，从而改进燃料电池的发电性能的技术。
日本专利2953555公开了使用具有金属线网状结构的金属多孔体作为固体高分子型燃料电池的集电极(兼作气体扩散层用)，对该金属多孔体的金属线末端部分的二极板等，通过使用高的局部电压以降低接触电阻的技术。
还有，美国专利5798187公开了把金属网屏用于固体高分子型燃料电池的扩散电极中，以改进集电性能及气体扩散性，并实现了燃料电池小型化和轻质。
本发明拟解决的课题上述日本专利3211378的燃料电池，用于气体扩散电极的泡沫金属的耐腐蚀性有问题。
固体高分子型燃料电池的电极部件，由于暴露在强酸性的氛围气中，镍、铜、铝等金属易发生腐蚀，溶出的金属成分产生使催化剂的活性降低等不良的影响，导致发电性能降低。另外，作为其对策而采用化学上稳定的铂或金等贵金属进行被覆、以提高泡沫金属的耐腐蚀性的方法，成本高。因此，难以确保长期的性能稳定和低成本。
另外，日本专利2953555和美国专利5798187中所示的燃料电池，作为金属多孔体或金属网屏的材料是使用具有耐腐蚀性的某些金属，例如，当采用耐腐蚀性优良的不锈钢时，则由于在表面生成的铬氧化物所构成的牢固的稳定被膜而使部件之间(例如，气体扩散电极和隔膜之间)的接触电阻升高，发电性能不能提高。
当隔片也采用同样不锈钢时，接触电阻更加增大，发电性能更加下降。
还有，如在电极和隔片表面各被覆铂、金等贵金属，可以确保耐腐蚀性和降低接触电阻，但该法的材料成本高，在通常的工业品中无法使用。
用于解决本课题的手段为了解决上述课题，本发明提供一种多孔部件，其具有平均孔径50μm～1mm、气孔率80％或以上的3维网状结构的金属多孔体和金属基体，通过固体层扩散处理进行接合的整体结构。
该多孔部件金属多孔体及/或金属基体，优选的是由至少含有1种选自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，该多孔部件优选的是金属多孔体和金属基体的接合面电阻在4.5mΩ·cm2以下及金属多孔体的骨格部分和金属基体接合界面的氧浓度在10重量％以下。
该多孔部件，是将金属多孔体和金属基体进行层叠，并在加压的状态下于还原性气氛中，在900℃以上～1300℃以下的温度进行热处理，通过界面的固体层扩散，使金属多孔体和金属基体进行接合的方法而制造。
本发明提供一种使该多孔部件作为气体扩散电极和隔片部件配置在高分子电解质膜及催化剂电极层的两个侧面而构成的固体高分子型燃料电池等的电化学装置。
作用本发明的多孔部件，由于金属多孔体和呈金属箔等的金属基体成为一个整体，两者接合部分的接触电阻大幅度降低，因此，当用作燃料电池的隔片兼气体扩散电极时，可以提高发电性能。
另外，由于作为气体扩散电极的金属多孔体和作为隔片的金属基体成为一个整体，所以，装置的组装性能得到提高。
还有，金属多孔体和金属基体，当采用至少含有1种选自Ni、Mo、Cu、B、Al、Si、Ti、C等元素的Fe-Cr或Ni-Cr合金材料形成时，可设计成满足所要求特性的合金，即根据使用环境的导电性、强度、耐热性、耐腐蚀性的多孔部件。
另外，在用作电极板时，金属多孔体和金属基体接合面的电阻愈低愈好，金属多孔体和金属基体通过固体层扩散进行接合的本发明的多孔部件，电阻可达到4.5mΩ·cm2以下。
金属多孔体的骨格部和金属基体接合界面的氧浓度优选在10重量％以下，其理由如下。在通过固体层扩散进行接合时，由于金属多孔体和金属基体的表面生成的氧化被膜中的氧扩散至母体材料内，使界面的氧浓度降低。因此，界面的氧浓度可以是固体层扩散程度判断的指标。如果该氧浓度在10重量以下，则通过固体层扩散的接合良好，接合面的电阻就非常小。
本发明的多孔部件，通过上述方法可以廉价地进行制造，采用该多孔部件也可使电化学装置成本降低。另外，由于金属多孔体和金属基体的接触电阻低，金属多孔体用作燃料电池的气体流路和扩散电极、金属基板用作隔片时的电压损失小，燃料电池的发电性也得到提高。
附图的简单说明
图1是表示本发明的多孔部件概要的断面图。
图2是表示金属多孔体和金属基板接合部分的示意图。
图3是采用本发明的多孔部件作为气体扩散电极兼隔片的电化学装置的示意图。
本发明实施方案图1表示本发明多孔部件1的概要。图中的2是具有3维网状结构的金属多孔体，3是金属基体。
金属多孔体2是由至少含有1种选自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，该金属多孔体2的平均孔径为50μm～1mm、气孔率80％以上。
另一方面，金属基体3与金属多孔体2同样，是由至少含有1种选自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组分的Fe-Cr-Ni合金制成的不锈钢等所形成的金属箔。
该金属多孔体2和金属基体3，两者层叠后用适当的压力进行加压，在该状态下，在还原气氛中，在900℃以上～1300℃以下的温度下热处理所需要的时间，通过固体层扩散、接合成整体。
图2示意性表示两者的接合部。因此，金属多孔体2的骨格部分4与金属基体3局部接触，通过固体层扩散接合部分进行接合，接合部分的接触电阻降低。
还有，在日本申请2002-82484中本发明申请人之一提出一种表面气孔率比中心部气孔率小的3维网状结构的金属多孔体，采用这种该金属多孔体时，与金属基体3的接触面积增加，接触电阻更加变小。
图3示出采用本发明的多孔部件1的电化学装置重要部分的概要。图中5是高分子电解质膜，在该高分子电解质膜5的左右，使催化剂电极6和本发明的多孔部件1相对重合而进行配置，多孔部件1的金属多孔体2起气体流路兼扩散电极的功能，而金属基体3起隔片的功能。图3是1个电池的电化学装置，但采用在金属基体3的两面配置有金属多孔体的部件，借此也可以得到直线排列层叠的多个电池的电化学装置。
下面举出更详细的实施例。
实施例把表1中所示组成的金属多孔体和金属箔加以组合，层叠，以压力25g/cm2进行加压，并在保持该加压状态下，于真空中在1200℃进行热处理30分钟，金属多孔体和金属箔通过固体层扩散形成整体，制成多孔部件No.1～No.10。
在制造工序中用于层叠材料的加压的压力可在0.1g/cm2～1kg/cm2的范围内。0.1g/cm2以下，接合不充分，另一方面，1kg/cm2以上，金属多孔体在热处理时被压缩，并有受到破坏的可能性。
表1
表1中的多孔部件No.1～No.10中所用的金属多孔体于温度25℃、1当量的硫酸溶液中浸渍，测定24小时后的重量减少率和压缩强度。结果示于表2。
表2
当因腐蚀引起的重量减少率大时，金属多孔体的强度大幅度下降，不仅作为电极而且作为各种部件的材料都不适用，所以，因腐蚀引起的重量减少率优选在20重量％以下。另外，压缩强度优选1MPa或以上，这是由于即使在加压的状态下多个部件进行层叠也可以保持多孔结构的功能。表2所示的金属多孔体，其重量减少率全部满足优选的要求，另外，厚度小而气孔率大的No.6金属多孔体，压缩强度在1MPa以下，而其他样品全都确保1MPa以上的压缩强度。
另外，对表1中的No.1～No.8多孔部件，测定金属多孔体和金属箔接合面的接触电阻。其结果示于表3。另外，作为比较例，表1的多孔部件No.3中所用的金属多孔体和金属箔没有通过固体层扩散进行接合而简单地重叠，测定此时的接触电阻的结果一并示于表3。还有，接触电阻在试样0.5MPa的加压下进行测定。
表3
其次，采用ナフイオン(商品名，デュポン社制造，膜厚100μm)作为高分子电解质膜，在该高分子电解质膜的两侧，按图3所示配置负载有铂催化剂的催化剂电极，再于其外侧配置表3的多孔部件作为气体扩散电极及隔片，构成电池，采用该电池制作固体高分子型燃料电池。
作为该燃料电池的性能评价，是测定在电池内导入燃料气体时的电池初始电压和经过100小时后的电池电压。其结果示于表4。
表4
发明的效果从上述实施例可知，本发明的多孔部件是把金属多孔体和金属基体构成一个整体，使两者间的接触电阻大大减小，因此，当将其用作固体高分子型燃料电池的气体扩散电极兼隔片时，电压损失降低，燃料电池的发电性能提高。另外，抑制了发电性能的经时恶化，电池的长期性能也得到提高。
另外，不采用昂贵的贵金属进行被覆也可以使长期性能提高，从而也可抑制成本的增加，提供廉价的燃料电池等成为可能。
产业上的利用领域本发明涉及在电极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构成的固体高分子型燃料电池等电化学装置。
权利要求
1.一种多孔部件，其是由具有平均孔径50μm～1mm、气孔率80％以上的3维网状结构的金属多孔体和金属基体通过固体层扩散处理进行接合的整体结构。
2.按照权利要求1中所述的多孔部件，其特征在于，金属多孔体和/或金属基体是由至少含有1种选自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.按照权利要求1或2中所述的多孔部件，其特征在于，金属多孔体和金属基体接合界面的电阻在4.5mΩ·cm2以下。
4.按照权利要求1或2中所述的多孔部件，其特征在于，金属多孔体的骨格部分和金属基体接合界面的氧浓度在10重量％以下。
5.一种多孔部件的制造方法，其特征在于，把金属多孔体和金属基体进行层叠，在加压的状态下，在还原气氛中，于900℃以上～1300℃以下的温度进行热处理，通过在界面上的固体层扩散，使金属多孔体和金属基体相接合。
6.一种电化学装置，其特征在于，把权利要求1～4中任何一项所记载的金属多孔质部件作为气扩散电极和隔片部件而配置在高分子电解质膜及催化剂电极层的两面。
全文摘要
本发明提供一种多孔部件，其可以用作固体高分子型燃料电池的气体扩散电极兼隔片，价廉，长期使用的可靠性优良，并且作为电极使用时的电压损失少，燃料电池的发电性能提高，发电性能可以长期保持稳定。多孔部件1是把具有平均孔径50μm～1mm、气孔率80％以上的3维网状结构的金属多孔体2和金属箔等金属基体3，通过固体层扩散处理进行接合，形成整体结构。
文档编号C22C38/00GK1531126SQ20041002871
公开日2004年9月22日 申请日期2004年3月10日 优先权日2003年3月11日
发明者原田敬三, 佐野诚治, 治, 义, 梶原隆, 白石隆义 申请人:住友电气工业株式会社, 丰田汽车株式会社