Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, способ его получения и полимерно-электролитный топливный элемент с его применением

Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, способ его получения и полимерно-электролитный топливный элемент с его применением

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к полимерно-электролитному топливному элементу (топливному элементу с твердым полимерным электролитом), титановому материалу для применения в сепараторе, который представляет собой его компонент, и способу получения титанового материала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Для производства электроэнергии в топливных элементах используют энергию, выделяющуюся во время реакции, в которой объединяются водород и кислород. Таким образом, в плане мер по экономии энергии и защиты окружающей среды речь идет о следующем поколении системы производства энергии, практическое и широко распространенное применение которой является желательным. Существуют топливные элементы разнообразных типов, в том числе твердоэлектролитные топливные элементы, топливные элементы на основе расплавленного карбоната, фосфорнокислотные топливные элементы и полимерно-электролитные топливные элементы.

[0003] Среди них полимерно-электролитные топливные элементы имеют более высокую плотность энергии и могут быть сделаны более компактными. Кроме того, они работают при низких температурах и отличаются простотой пуска и останова по сравнению с топливными элементами других типов. Благодаря этому полимерно-электролитные топливные элементы в недавние годы стали привлекать в себе особенно пристальное внимание, так как предполагается использование их в электрических транспортных средствах и в домашнем обиходе в качестве малогабаритного теплоэлектрогенераторного оборудования.

[0004] Фиг. 1 представляет диаграмму, которая иллюстрирует конструкцию полимерно-электролитного топливного элемента (далее также называемого просто «топливным элементом»), с фиг. 1(а), которая показывает вид в покомпонентном изображении отдельной ячейки, входящей в состав топливного элемента, и фиг. (b) представляет общий перспективный вид топливного элемента, состоящего из собранных вместе многочисленных отдельных ячеек.

[0005] Как показано на фиг. 1, топливный элемент 1 представляет собой пакет отдельных ячеек. В отдельной ячейке, как показано на фиг. 1(а), так называемый газодиффузионный слой 3 анодной стороны, или топливный электрод 3 (далее называемый просто «анодом»), размещен на одной стороне полимерно-электролитной мембраны 2. На другой стороне полимерно-электролитной мембраны 2 размещен так называемый газодиффузионный слой 4 катодной стороны, или окислительный электрод 4 (далее называемый просто «катодом»). Отдельная ячейка имеет структуру, в которой: анод 3 расположен на одной стороне полимерно-электролитной мембраны 2, и катод 4 размещен на другой ее стороне; и на одной и другой сторонах, соответственно, расположены сепараторы (биполярные пластины) 5а, 5b.

[0006] Примеры топливных элементов включают топливный элемент с водяным охлаждением, в котором между отдельными ячейками или между сборками из двух или более отдельных ячеек размещен водяной сепаратор, имеющий канал для охлаждающей воды. Такой топливный элемент с водяным охлаждением также находится в пределах области настоящего изобретения.

[0007] В качестве полимерно-электролитной мембраны 2 (далее называемой просто «электролитной мембраной») применяют фторированную мембрану с протонной проводимостью, имеющую группы, способные к обмену ионов водорода (протонов). Анод 3 и катод 4 могут быть снабжены слоем катализатора, который включает дисперсный платиновый катализатор, графитовый порошок и необязательно фторированную смолу с группами, способными к обмену ионов водорода (протонов). В этом случае реакция стимулируется контактом топливного газа со слоем катализатора.

[0008] Топливный газ А (водород или водородсодержащий газ) подают через канал 6а, сформированный в сепараторе 5а, для подведения водорода к топливному электроду 3. Газообразный окислитель В, такой как воздух, подают через канал 6b, сформированный в сепараторе 5b для подведения кислорода. Подача этих газов вызывает электрохимическую реакцию для генерирования постоянного электрического тока.

[0009] Нижеизложенное представляет основные функции, которые должен исполнять сепаратор полимерно-электролитного топливного элемента.

(1) Функция «канала» для равномерного подведения топливного газа и газообразного окислителя к поверхностям электродов.

(2) Функция «канала» для эффективного удаления воды, образующейся на катодной стороне, из системы топливного элемента вместе с газами-носителями, такими как воздух или кислород, после реакции.

(3) Функция, состоящая в создании пути для электрического тока в результате контакта с электродами (анодом 3 и катодом 4) и назначении в качестве электрического «соединителя» между отдельными ячейками.

(4) Функция «изолирующей стенки» между смежными отдельными ячейками для изоляции анодной камеры одной отдельной ячейки от катодной камеры соседней отдельной ячейки; и

(5) в топливном элементе с водяным охлаждением функция «изолирующей стенки» для изоляции канала для охлаждающей воды от соседней отдельной ячейки.

[0010] Сепараторы для применения в полимерно-электролитном топливном элементе (далее называемые просто «сепараторами») должны обеспечивать исполнение вышеописанных функций. В качестве базового материала для получения таких сепараторов, как правило, применяют либо материал на основе металла, либо материал на основе углерода.

[0011] Металлические материалы, такие как титан, имеют преимущества, например, в том, что проявляют хорошую обрабатываемость, типичную для металлов, и тем самым позволяют изготавливать более тонкие сепараторы, которые обусловливают получение легковесных сепараторов. Однако они имеют тот недостаток, что окисление поверхности металла может вызывать снижение электрической проводимости. Таким образом, сепараторы, выполненные из металлических материалов (далее называемые просто «металлическими сепараторами»), создают проблему возможного возрастания контактного сопротивления в контакте с газодиффузионным слоем.

[0012] С другой стороны, углеродные материалы имеют преимущество в том, что дают легковесные сепараторы, тогда как их недостатки проявляются в том, что они, например, являются проницаемыми для газов и имеют низкую механическую прочность.

[0013] В отношении металлических сепараторов, в частности сепараторов, выполненных из титанового материала (далее называемых просто «титановым сепаратором»), имеются разнообразные стандартные предложения, как раскрытые в патентных документах 1-5, перечисленных ниже.

[0014] Патентный документ 1 предлагает титановый сепаратор, имеющий тонкую пленку из благородного металла, главным образом из золота, сформированную на его поверхности, например, плакированием после удаления пассивирующей пленки с поверхности сепаратора, которая находится в контакте с электродом, чтобы повысить коррозионную стойкость (устойчивость к окислению). Однако применение больших количеств благородного металла, в частности золота, в топливных элементах для мобильных систем, таких как автомобили, или в стационарных топливных элементах является нецелесообразным из экономических соображений и ограниченных ресурсов. Поэтому титановый сепаратор, предложенный в патентном документе 1, не представляется пригодным для широкого распространения.

[0015] Патентный документ 2 предлагает решение проблемы коррозионной стойкости (устойчивости к окислению) титанового сепаратора без использования благородных металлов, в частности, золота. Патентный документ 2 предлагает титановый сепаратор, имеющий на своей поверхности проводящий промежуточный слой, содержащий углерод, сформированный осаждением из паровой фазы. Однако осаждение из паровой фазы представляет собой процесс, для которого требуется специальное оборудование, что ведет к возрастанию стоимости оборудования и выполнению операции в течение многих часов. Это имеет результатом снижение производительности и тем самым создает проблему. Вследствие этого титановый сепаратор, предложенный в патентном документе 2, в настоящее время значительного применения не нашел.

[0016] Патентный документ 3 предлагает способ сокращения роста контактного сопротивления, который может происходить вследствие окисления поверхности металла, причем способ предусматривает применение титанового сепаратора, имеющего на своей поверхности металлическую пленку, содержащую диспергированные электропроводные керамические материалы. Этот материал, имеющий содержащую керамический материал металлическую пленку, имеет недостатки в том, что: при штамповании листовой заготовки для придания формы сепаратора диспергированный керамический материал затрудняет процесс формования, и иногда может происходить растрескивание, или может возникать сквозное отверстие в сепараторе во время обработки. В дополнение, поскольку керамические материалы могут обусловливать износ пресс-формы, может оказаться необходимой замена пресс-формы на другую, изготовленную из дорогостоящего материала, такого как спеченный карбид. По этим причинам титановый сепаратор, предлагаемый в патентном документе 3, не нашел практического применения.

[0017] Патентный документ 4 предлагает титановый материал для применения в сепараторах, причем титановый материал сформирован в стадиях, в которых: титановый сплав в качестве базового материала, содержащий металл платиновой группы, подвергают обработке в процессе декапирования путем погружения его в раствор, содержащий неокислительную кислоту и кислоту со свойствами окислителя, тем самым вызывая концентрирование металла платиновой группы на поверхности, и после этого проводят термическую обработку базового материала титанового сплава в атмосфере с низким содержанием кислорода. Это приводит к образованию смешанного слоя из металла платиновой группы и оксида титана на поверхности титанового материала для сепараторов, тем самым с образованием титанового материала с хорошей электрической проводимостью, с контактным сопротивлением, составляющим 10 мОм·см² или менее, когда электрический ток с величиной 7,4 мА подводят при давлении на поверхность 5 кг/см².

[0018] В патентном документе 4 снижение контактного сопротивления достигается выполнением термической обработки. Это ведет к утолщению пассивирующей пленки на поверхности титановой пластины, что создает проблему повышения контактного сопротивления и нестабильности контактного сопротивления при эксплуатации в течение длительного периода времени. Кроме того, выполнение термической обработки ведет к возрастанию затрат и, более того, создает проблемы снижения производительности и деформирования в результате термической обработки вследствие жестких условий атмосферы при термической обработке. В дополнение непатентный документ 1 также представляет титановый материал типа, предложенного в патентном документе 4.

[0019] Патентный документ 5 предлагает титановый материал для применения в сепараторах, имеющий на своей поверхности слой, насыщенный металлом платиновой группы, причем титановый материал формируют подверганием титанового сплава в качестве базового материала, содержащего металл платиновой группы, обработке в процессе декапирования погружением его в кислотный раствор, содержащий неокислительную кислоту.

[0020] Кроме того, в патентных документах 4 и 5, из соображений подавления поглощения водорода титановым материалом, в процессе декапирования применяют кислотный раствор, содержащий кислоту с окислительными свойствами. Благодаря этому в титановом материале, предложенном в патентных документах 4 и 5, в слое под переосажденным слоем металла платиновой группы образуются оксиды титана, которые создают проблему высокого начального контактного сопротивления в состоянии сразу после декапирования. Кроме того, существуют дополнительные проблемы в том, например, что утолщение поверхностной пассивирующей пленки ведет к повышению контактного сопротивления вследствие влияния продуктов коррозии или тому подобных, когда топливный элемент работает в течение длительного времени. В частности, в изобретении, раскрытом в патентном документе 4, вышеописанные проблемы становятся даже более серьезными вследствие выполнения термической обработки.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[0021] Патентный документ 1: публикация японской патентной заявки № 2003-105523

Патентный документ 2: Японский патент № 4367062

Патентный документ 3: публикация японской патентной заявки № Н11-162479

Патентный документ 4: Японский патент № 4032068

Патентный документ 5: публикация японской патентной заявки № 2006-190643

НЕПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[0022] Непатентный документ 1: Research and Development («Исследования и разработки»), KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS, том 55, №.3 (2005), авторы Toshiki SATOH, Shinji SAKASHITA, Takashi YASHIKI, Masahito FUKUDA, стр. 48-51.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

[0023] Как было описано выше, для титановых сепараторов были предложены определенные способы, чтобы разрешить проблему снижения электрической проводимости и повышения контактного сопротивления вследствие окисления на поверхности. Способы включают плакирование благородным металлом, в частности золотом; осаждение углерода из паровой фазы; диспергирование керамических материалов и концентрирование металла платиновой группы. Однако эти способы плакирования благородным металлом, осаждения углерода из паровой фазы и диспергирования керамических материалов не нашли широкого применения.

[0024] Ввиду вышеизложенного авторы настоящего изобретения обратили свое внимание на способ концентрирования металла платиновой группы и провели исследования и обнаружили, что существовали проблемы, которые должны быть разрешены, как описано ниже в пунктах (1)-(3).

(1) Повышение скорости концентрирования металла платиновой группы/экономия времени при поверхностной обработке

Как было описано выше, согласно примерам патентных документов 4 и 5, концентрирование металла платиновой группы выполняют погружением в кислотный раствор, содержащий кислоту со свойствами окислителя, и это обусловливает повышение толщины поверхностной пленки. Вследствие этого ввиду необходимости концентрировать увеличенное количество металла платиновой группы на поверхности, обработка для концентрирования должна выполняться в течение длительного времени, требуя пяти минут или более продолжительности погружения. Чтобы обеспечить достаточную производительность, эта поверхностная обработка должна быть завершена в пределах короткого периода времени, чтобы сделать возможной непрерывную обработку.

[0025] (2) Снижение содержания металла платиновой группы

Необходимо разработать материал, который позволяет концентрировать металл платиновой группы на поверхности до высокой концентрации и простым путем, и тем самым достигать снижения начального контактного сопротивления по сравнению с традиционными материалами, даже когда используют материал, имеющий низкое содержание металла платиновой группы, который представляет собой дорогостоящий материал.

[0026] (3) Устранение вакуумной термической обработки

В случае титанового сепаратора, какой предложен в патентном документе 4, пассивирующая пленка, которая образуется на поверхности титана в процессе декапирования, имеет исключительно низкую электрическую проводимость в состоянии сразу после декапирования. Вследствие этого для формирования пути электрической проводимости между титановой матрицей и поверхностью пленки смешением переосажденного металла платиновой группы с пассивирующей пленкой выполняют термическую обработку в атмосфере вакуума (атмосфере с низким содержанием кислорода), чтобы обеспечить смешение посредством термической диффузии. Эта термическая обработка вызывает увеличение толщины пассивирующей пленки, что приводит к проблемам повышения контактного сопротивления, снижения долговременной стабильности и даже деформации сепаратора после штамповки.

[0027] Настоящее изобретение было выполнено с учетом этой ситуации. Соответственно этому задача настоящего изобретения состоит в создании титанового материала для сепараторов полимерно-электролитного топливного элемента (топливного элемента с твердым полимерным электролитом), способа его получения и полимерно-электролитного топливного элемента с его применением, которые способны разрешить вышеуказанные проблемы (1)-(3).

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

[0028] Для разрешения вышеуказанных проблем (1)-(3) авторы настоящего изобретения изучили способ, который способен достигать хорошей электрической проводимости созданием титанового сепаратора с поверхностью, на которой металл платиновой группы размещен открытым и сконцентрирован с высокой концентрацией и простым путем.

[0029] После обстоятельных исследований авторы настоящего изобретения нашли, что как для титановых сепараторов, предложенных в патентных документах 4 и 5, подвергание титанового сплава, содержащего металл платиновой группы, обработке в процессе декапирования является эффективным способом. Ввиду этого авторы настоящего изобретения исследовали метод декапирования для достижения концентрации металла платиновой группы на поверхности титанового сплава в течение более короткого времени и с более высокой концентрацией. Более конкретно к содержащему металл платиновой группы титановому сплаву, который должен быть подвергнут декапированию, добавляли следовые количества разнообразных элементов и сравнивали достигнутые концентрации металла платиновой группы на поверхности. В результате этого было обнаружено, что при добавлении редкоземельного металла к содержащему металл платиновой группы титановому сплаву в пределах способности образовывать твердый раствор можно обеспечить концентрирование металла платиновой группы на поверхности за более короткое время и с более высокой концентрацией, чем традиционными способами.

[0030] Как предполагается, это может быть отнесено на счет повышения скорости растворения титана в кислотной среде, которое происходит, когда к титановому сплаву добавлены следовые количества редкоземельного металла. Например, эксперименты показали, что когда к чистому титану класса 1 согласно JIS (Японскому промышленному стандарту) добавляют 0,01% по массе иттрия (Y), скорость его растворения при погружении в кипящий 3%-ный раствор соляной кислоты повышается в четыре раза.

[0031] Еще одним фактом, полученным из экспериментов, был такой, что, когда следовые количества редкоземельного металла добавляют к содержащему металл платиновой группы титановому сплаву в пределах способности образовывать твердый раствор, скорость растворения и повторного осаждения металла платиновой группы возрастает с увеличением скорости растворения титана, и, соответственно этому, повышается скорость концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового сплава. Кроме того, еще одним обнаруженным экспериментально фактом был такой, что в условиях с использованием такой же продолжительности погружения в процессе декапирования титановый сплав с добавленным редкоземельным металлом проявляет более высокий уровень концентрирования металла платиновой группы на поверхности, чем титановый сплав, к которому редкоземельный металл не добавлен. Примеры этих экспериментальных результатов показаны в фиг. 2.

[0032] Фиг. 2 представляет график, иллюстрирующий сравнение профилей концентрации Pd вблизи поверхности титанового сплава между ситуацией, в которой редкоземельный металл добавлен, и ситуацией, в которой редкоземельный металл не добавлен. Для эксперимента, результаты которого показаны на фиг. 2, приготовили следующие материалы: титановый материал, сформированный из титанового сплава (сорта 17 по стандарту ASTM); и титановый материал с добавленным редкоземельным металлом, сформированный из титанового сплава (сорта 17 по стандарту ASTM) с Y, который представляет собой редкоземельный элемент, добавленный в количестве 0,01% по массе. Эти титановые материалы были подвергнуты обработке в процессе декапирования погружением в кипящий 3%-ный раствор соляной кислоты в течение 96 часов. Каждый из титановых материалов после подвергания обработке в процессе декапирования был проанализирован для выявления профиля концентрации Pd в зависимости от глубины (толщины) с использованием метода GDOES (оптическая эмиссионная спектроскопия тлеющего разряда). Таблица 1 показывает подробности анализа методом GDOES по профилям концентрации Pd относительно глубины.

[0033]

Таблица 1
Цель исследования	Метод анализа	Анализатор	Определение содержания Pd
Профиль концентрации Pd относительно глубины	GDOES	Оптико-эмиссионный спектрометр в тлеющем разряде Marcus Type RF(GD-Profiler 2 фирмы HORIBA)	Калибровочные кривые, построенные для расчета содержания Pd с использованием чистого Pd, Ti-0,15Pd, Ti-0,06Pd и чистого Ti

[0034] Фиг. 2 показывает, что случай, в котором добавляют 0,01% по массе Y (смотри сплошную кривую линию), проявляется концентрацией Pd на поверхности (0 нм глубины), в 1,6 раза большей, чем в случае, в котором Y не был добавлен (смотри пунктирную кривую линию).

[0035] В случае, в котором был добавлен Y в количестве 0,01% по массе, концентрация Pd на поверхности после обработки поверхности декапированием составляла около 15% по массе, и содержание Pd в матрице составляло 0,05% по массе. То есть в этих условиях погружения Pd концентрировался на поверхности до уровня, примерно в 300 раз более высокого, чем в матрице.

[0036] Хотя фиг. 2 показывает только один случай с использованием редкоземельного металла, то есть случай с использованием Y, было обнаружено, что другие редкоземельные металлы также способны обеспечивать концентрирование металла платиновой группы до высокой концентрации.

[0037] Вышеуказанный эффект, созданный добавлением редкоземельного металла к титановому сплаву, представляет собой вновь обнаруженный научный факт, полученный в ходе исследования в настоящем изобретении.

[0038] На основе этих экспериментальных фактов авторы настоящего изобретения выполнили обстоятельные исследования концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового сплава и снижения контактного сопротивления (начального контактного сопротивления) титанового сплава, имеющего поверхность с концентрированным металлом платиновой группы. Таким образом, авторы настоящего изобретения обнаружили следующие факты (а)-(f).

[0039] (а) Титановый сплав состоит, в % по массе, из металла платиновой группы: от 0,005% до 0,15%, и редкоземельного металла: от 0,002% до 0,10%, с остальным количеством, состоящим из Ti и загрязняющих примесей. При подвергании титанового сплава обработке в процессе декапирования металл платиновой группы растворяется и повторно осаждается на поверхности сплава. Это позволяет металлу платиновой группы, который имеет хорошую электрическую проводимость, размещаться открытым на поверхности титанового сплава, в то же время концентрируясь на ней, и поэтому обеспечивает получение титанового материала, имеющего пониженное контактное сопротивление, и тем самым пригодного для применения в сепараторах для полимерно-электролитного топливного элемента. Как предполагается, это явление проявляется в результате следующего процесса: поскольку скорость повторного осаждения металла платиновой группы возрастает вследствие эффекта добавления редкоземельного металла, повторное осаждение имеет место в состоянии, в котором металл платиновой группы смешивается с пассивирующей пленкой, сформированной во время процесса декапирования, и часть металла платиновой группы остается открытой и осаждается на пассивирующую пленку.

[0040] (b) Для получения титанового материала, имеющего пониженное контактное сопротивление и тем самым пригодного для применения в сепараторах, пленка, сформированная из оксида титана и металла платиновой группы, размещенная на поверхности титанового сплава в вышеуказанном процессе декапирования, имеет толщину 50 нм или менее.

[0041] (с) Для получения титанового материала, имеющего пониженное контактное сопротивление и тем самым пригодного для применения в сепараторах, концентрация металла платиновой группы, размещенного открыто на поверхности титанового сплава, предпочтительно составляет 1,5% по массе или более. Кроме того, слой с концентрированным металлом платиновой группы, сформированный в результате размещения металла платиновой группы открытым на поверхности титанового сплава, предпочтительно имеет толщину 1 нм или более.

[0042] (d) Когда в качестве редкоземельного металла используют Y для введения в титановый сплав, обработка поверхности для концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового сплава выполняется простым путем.

[0043] (е) Когда в качестве металла платиновой группы используют Pd для введения в титановый сплав, еще больше усиливается снижение контактного сопротивления, тем самым обеспечивая возможность получения титанового материала, более пригодного для применения в сепараторах полимерно-электролитного топливного элемента.

[0044] (f) Для инициирования реакции растворения, как описанной в вышеуказанном пункте (а), титановый сплав, как описанный в вышеуказанном пункте (а), погружают в раствор неокислительной кислоты, содержащий главным образом соляную кислоту, которая способна легко растворять редкоземельные металлы, чтобы обеспечить металлу платиновой группы возможность концентрироваться на поверхности сплава. Это позволяет получить титановый материал, имеющий пониженное контактное сопротивление, и полученный титановый материал пригоден для применения в сепараторах.

[0045] Настоящее изобретение было выполнено на основе вышеуказанных обнаруженных фактов, и его сущность относится к: титановому материалу для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, как описано ниже в пунктах (1)-(5); способу получения титанового материала для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, как описано ниже в пунктах (6)-(7), и полимерно-электролитному топливному элементу, как описано ниже в пункте (8).

[0046] (1) Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, состоящий, в % по массе, из металла платиновой группы: от 0,005% до 0,15% и редкоземельного металла: от 0,002% до 0,10%, с остальным количеством, состоящим из Ti и загрязняющих примесей.

[0047] (2) Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента согласно вышеуказанному пункту (1), причем титановый материал снабжен пленкой, сформированной из оксида титана и металла платиновой группы на его поверхности, и пленка имеет толщину 50 нм или менее.

[0048] (3) Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента согласно вышеуказанному пункту (2), в котором концентрация металла платиновой группы на поверхности пленки составляет 1,5% по массе или более.

[0049] (4) Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента согласно любому из вышеуказанных пунктов (1)-(3), в котором редкоземельным металлом является Y.

[0050] (5) Титановый материал для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента согласно любому из вышеуказанных пунктов (1)-(4), в котором металлом платиновой группы является Pd.

[0051] (6) Способ получения титанового материала для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента, причем способ включает стадии, в которых: подвергают титановый сплав обработке в процессе декапирования с использованием раствора неокислительной кислоты, причем титановый сплав состоит, в % по массе, из металла платиновой группы: от 0,005% до 0,15% и редкоземельного металла: от 0,002% до 0,10%, с остальным количеством, состоящим из Ti и загрязняющих примесей; и обеспечивают возможность концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового сплава.

[0052] (7) Способ получения титанового материала для сепаратора полимерно-электролитного топливного элемента согласно вышеуказанному пункту (6), в котором раствор неокислительной кислоты содержит соляную кислоту в качестве существенного компонента.

[0053] (8) Полимерно-электролитный топливный элемент, включающий пакет отдельных ячеек, причем отдельные ячейки размещены рядом друг с другом с расположенным между ними сепаратором, каждая из отдельных ячеек включает топливный электрод, окислительный электрод и полимерно-электролитную мембрану, размещенную между топливным электродом и окислительным электродом, причем пакет отдельных ячеек снабжается топливным газом и газообразным окислителем для генерирования постоянного электрического тока, причем сепаратор включает титановый материал согласно любому из вышеуказанных пунктов (1)-(5).

[0054] В нижеприведенном описании единица «%», используемая в отношении состава титанового сплава, предполагает обозначение «% по массе».

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0055] Согласно настоящему изобретению, может быть с высокой эффективностью создан титановый материал с имеющей хорошую электрическую проводимость пленкой на его поверхности благодаря включению в него редкоземельного металла. С помощью этой пленки титановый материал согласно настоящему изобретению способен достигать снижения начального контактного сопротивления и обеспечивать хорошую коррозионную стойкость.

[0056] Способом получения титанового материала согласно настоящему изобретению можно сформировать пленку, имеющую хорошую электрическую проводимость, без необходимости в термической обработке после процесса декапирования, и поэтому можно повысить производительность.

[0057] Полимерно-электролитный топливный элемент согласно настоящему изобретению включает сепаратор, выполненный из титанового материала согласно настоящему изобретению, в котором достигается пониженное контактное сопротивление, и обеспечивается хорошая коррозионная стойкость, как описано выше. Благодаря этому полимерно-электролитный топливный элемент имеет высокое начальное напряжение и проявляет уменьшенное снижение напряжения с течением времени.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0058] [Фиг. 1] Фиг. 1 представляет диаграмму, которая иллюстрирует конструкцию полимерно-электролитного топливного элемента, с фиг. 1(а), которая показывает вид в покомпонентном изображении отдельной ячейки, входящей в состав топливного элемента, и фиг. (b) представляет общий перспективный вид топливного элемента, состоящего из собранных вместе многочисленных отдельных ячеек.

[Фиг. 2] Фиг. 2 представляет график, иллюстрирующий сравнение профилей концентрации Pd вблизи поверхности титанового сплава между ситуацией, в которой редкоземельный металл был добавлен, и ситуацией, в которой редкоземельный металл не был добавлен.

[ФИГ. 3] Фиг. 3 представляет схематическое изображение устройства, используемого для измерения контактного сопротивления титанового материала.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0059] Как было описано выше, титановый материал согласно настоящему изобретению состоит из металла платиновой группы: от 0,005% до 0,15% и редкоземельного металла: от 0,002% до 0,10%, с остальным количеством, состоящим из Ti и загрязняющих примесей. Подробности настоящего изобретения изложены ниже.

[0060] 1. Композиционный диапазон титанового материала и обоснования ограничений

1-1. Металл платиновой группы

Металл платиновой группы, как используемый здесь, имеет отношение к Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt. Металлы платиновой группы имеют более низкое удельное электрическое сопротивление, чем у титана (Ti). Они устойчивы к окислению и коррозии в условиях среды, в которой работает полимерно-электролитный топливный элемент и которая не вызывают повышения их удельного электрического сопротивления. С другой стороны, Ti изначально имеет высокое удельное электрическое сопротивление по сравнению с металлами платиновой группы. Более того, его удельное электрическое сопротивление дополнительно возрастает, когда на поверхности титанового материала в атмосфере или в рабочей среде полимерно-электролитного топливного элемента образуется пассивирующая пленка. Пассивирующая пленка, которая образуется на поверхности титанового материала, служит в качестве защитного механизма для того, чтобы Ti мог проявлять превосходную коррозионную стойкость в разнообразных средах, и поэтому является необходимой, когда титановый сплав применяют в сепараторе, чтобы сохранять устойчивость к коррозии.

[0061] Титановый материал согласно настоящему изобретению может быть снабжен пленкой, сформированной из оксида титана и металла платиновой группы, на его поверхности при подвергании поверхностной обработке декапированием, как описано позже, и эта пленка представляет собой пассивирующую пленку. Более конкретно поверхность титанового материала покрыта пассивирующей пленкой, состоящей из оксида титана, тогда как металл платиновой группы концентрируется в ней. Этот сконцентрированный металл платиновой группы пронизывает пассивирующую пленку для создания пути для электрического тока между пассивирующей пленкой и матрицей титанового материала. Благодаря этому титановый материал согласно настоящему изобретению имеет пониженное контактное сопротивление, которое достигается посредством металла платиновой группы, тогда как в то же время проявляет коррозионную стойкость, которая достигается с помощью оксида титана.

[0062] Титановый материал согласно настоящему изобретению формируют введением в него одного или более металлов платиновой группы, как было упомянуто выше. Общее содержание введенных металлов платиновой группы (далее называемое просто «содержанием металла платиновой группы») должно быть в диапазоне от 0,005% до 0,15%. Это было определено на основе содержания металла платиновой группы, необходимого для обеспечения концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового материала в результате поверхностной обработки описываемым позже декапированием и достижения пониженного контактного сопротивления. Когда содержание металла платиновой группы составляет менее 0,005%, достаточного концентрирования металла платиновой группы на поверхности титанового материала не происходит, так что снижение контактного сопротивления не может быть достигнуто. Между тем, содержание металла платиновой группы, превышающее 0,15%, приводит к чрезмерно высокой стоимости материала.

[0063] Из соображений баланса между экономической целесообразностью и коррозионной стойкостью, содержание металла платиновой группы предпочтительно составляет величину в диапазоне от 0,01% до 0,05%. Это обусловливается тем, что даже в этом диапазоне содержания металла платиновой группы титановый материал согласно настоящему изобретению имеет контактное сопротивление, сравнимое с контактным сопротивлением титанового материала, имеющим содержание металла платиновой группы, превышающее 0,05%, и поэтому способен достигать пониженного контактного сопротивления.

[0064] В настоящем изобретении среди металлов платиновой группы, Ru, Rh, Pd, Os, Ir и Pt, наиболее предпочтительным является Pd, поскольку он является относительно недорогим, и достигает высокой степени снижения контактного сопротивления сравнительно с его содержанием. С другой стороны, Rh и Pt экономически нецелесообразны, так как они являются очень дорогостоящими. Кроме того, Ru и Ir являются несколько менее дорогостоящими, чем Pd, и могут быть применены в качестве замены палладия (Pd). Однако их эффекты не столь высоки сравнительно с Pd, и поэтому предпочтителен Pd, который является стабильно доступным.

[0065] 1-2. Редкоземельный металл

1-2-1. Обоснования для введения редкоземельного металла

Авторы настоящего изобретения исследовали эффект снижения контактного сопротивления, достигаемый концентрированием металла платиновой группы. В исследовании к сплаву Ti-0,02Pd добавляли не только редкоземельные металлы, но также разнообразные элементы, и титановый сплав подвергали поверхностной обработке погружением в 7,5%-ный раствор соляной кислоты при температуре 60°С. В результате исследования с использованием разнообразных элементов было найдено, что редкоземе