燃料电池的金属双极板以及包括该金属双极板的燃料电池

摘要

本发明公开一种燃料电池的金属双极板，包括：板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在所述金属基片的两个表面上以涂覆所述金属基片，所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，其中，所述金属双极板的两个表面分别具有与所述电极接触的接触表面和不与所述电极接触的非接触表面，并且所述金属双极板的所述两个表面都满足：所述贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率在20％至100％的范围内，而所述贵金属层相对于所述非接触表面的涂覆面积率在5％或更大但小于100％的范围内。

权利要求

1.一种燃料电池的金属双极板，包括：

板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在所述金属基片的两个表面上以涂覆所述金属基片，所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，其中，所述金属双极板的两个表面分别具有与所述电极接触的接触表面和不与所述电极接触的非接触表面，并且所述金属双极板的所述两个表面都满足：所述贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率在20％至100％的范围内，并且所述贵金属层相对于所述非接触表面的涂覆面积率在

5％或更大但小于100％的范围内，

所述贵金属层的涂覆形式具有：条状图案、彼此间隔地沿竖直和水平方向排列的多边形的图案、彼此交替偏移地排列的多边形的图案、或者犬牙织纹图案。

2.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，所述金属基片和所述贵金属层受到压缩处理。

3.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，对于所述金属双极板，在腐蚀测试之后的剥离测试中，所述贵金属层的剥离面积率为

50％或更小。

4.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，所述贵金属层的厚度在1nm至100nm的范围内。

5.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层的至少一部分的厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度。

6.根据权利要求5所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层中厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度的一部分的面积率为所述贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率的5％或更大。

7.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，构成所述金属基片的所述金属是选自下述群组中的至少之一，所述群组包括：Fe、Ni、Ti、及其合金。

8.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，构成所述贵金属层的所述贵金属是选自下述群组中的至少之一，所述群组包括：Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、及其合金。

9.根据权利要求1所述的金属双极板，其中，钝化膜通过选自下述群组中的至少一种防腐蚀处理方法而形成于所述金属基片的暴露部分上，所述群组包括：酸处理、过氧化处理、以及臭氧处理。

10.一种燃料电池的金属双极板，包括：

板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在所述金属基片的两个表面上以涂覆所述金属基片，所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，其中，所述金属双极板的一个表面具有与所述电极接触的接触表面和不与所述电极接触的非接触表面，所述金属双极板的所述一个表面满足：所述贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率在20％至100％的范围内，并且所述贵金属层相对于所述非接触表面的涂覆面积率在

5％或更大但小于100％的范围内，并且

所述金属双极板的另一表面满足：所述贵金属层相对于所述凹凸部分的整个表面的涂覆面积率在5％或更大但小于100％的范围内，所述贵金属层的涂覆形式具有：条状图案、彼此间隔地沿竖直和水平方向排列的多边形的图案、彼此交替偏移地排列的多边形的图案、或者犬牙织纹图案。

11.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，所述金属基片和所述贵金属层受到压缩处理。

12.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，对于所述金属双极板，在腐蚀测试之后的剥离测试中，所述贵金属层的剥离面积率为

50％或更小。

13.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，所述贵金属层的厚度在1nm至100nm的范围内。

14.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层的至少一部分的厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度。

15.根据权利要求14所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层中厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度的一部分的面积率为所述贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率的5％或更大。

16.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，构成所述金属基片的所述金属是选自下述群组中的至少之一，所述群组包括：Fe、Ni、Ti、及其合金。

17.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，构成所述贵金属层的所述贵金属是选自下述群组中的至少之一，所述群组包括：Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、及其合金。

18.根据权利要求10所述的金属双极板，其中，钝化膜通过选自下述群组中的至少一种防腐蚀处理方法而形成于所述金属基片的暴露部分上，所述群组包括：酸处理、过氧化处理、以及臭氧处理。

19.一种燃料电池，其包括根据权利要求1所述的金属双极板。

20.一种燃料电池，其包括根据权利要求10所述的金属双极板。

说明书

燃料电池的金属双极板以及包括该金属双极板的燃料电池

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池的金属双极板以及包括该金属双极板的燃料电池。

背景技术

[0002] 作为燃料电池，聚合物电解质燃料电池(PEFC)、硫酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等为人公知。

[0003] 通常来说，这些燃料电池以发电堆的形式提供，发电堆通过将多个隔膜电极组件经由置于其间的双极板进行交替地堆叠构造而成，每个隔膜电极组件包括依次层叠的燃料极、电解质以及空气极。

[0004] 通常来说，双极板在面向隔膜电极组件的电极(燃料极或空气极)的区域中具有凹凸部分。在这些凹凸部分中，凸形部分与电极表面接触，而凹形部分不与电极接触并用作反应气体(燃料气体或氧化剂气体)的流动通道。

[0005] 在发电过程中，这种双极板暴露于腐蚀性环境中，因此需要具有耐腐蚀性。特别是当双极板应用于PEFC中时，由于在PEFC中用具有诸如硫酸基团等强酸基团的聚合物电解质作为电解质，所以双极板暴露于强酸环境中，因此需要具有高的耐腐蚀性。另外，因为所产生的电能必须引出到电池之外，因此还需要双极板具有低的电阻。

[0006] 近来已经提出了各种金属双极板。举例来说，JP-A-2002-260681公开了一种用于PEFC的金属双极板，该双极板通过如下方式构成：采用金或类似物的贵金属层涂覆铁基合金或类似物的金属板的整个表面，然后以5％或更大的压缩率进行压缩，从而使其成为包覆件，然后形成用于气体通过的通道。

[0007] 此外，举例来说，JP-A-10-228914公开了一种用于PEFC的金属双极板，该双极板通过如下方式而构成：挤压不锈钢片材，从而形成在内周部分中具有多个凸出部和凹陷部的膨胀结构，然后在膨胀结构的凸出部的顶面上形成厚度在0.01至0.02μm的镀金层。

[0008] 在JP-A-10-228914中，在挤压之后，对膨胀部分的凸出部的顶面进行部分地镀覆，从而在该顶面上形成镀金层。

[0009] 然而，用于燃料电池的传统金属双极板存在如下问题。

[0010] 具体地说，在JP-A-2002-260681中公开的金属双极板中，由于金属片材的表面涂覆有贵金属层，并且将金属片材与贵金属层以5％或更大的压缩率进行压缩而使其成为包覆件，因此双极板具有高的耐腐蚀性和低的接触电阻。

[0011] 然而，在该金属双极板中，由于金属片材的整个表面都涂覆有贵金属层，因此存在成本高的问题。

[0012] 与此相反，在JP-A-10-228914的金属双极板中，由于仅仅在膨胀结构的凸出部的顶面上部分地镀覆镀金层，因此该技术在成本方面似乎有优势。

[0013] 然而，该金属双极板需要在挤压之后仅仅在凸形部分上选择性地镀金。因此，这需要精确的镀覆技术，制造较为困难，因此其制造成本将较高。因此，总的来说，该双极板在成本方面是不利的。

发明内容

[0014] 在这种情况下，本发明的目的是提供一种燃料电池的金属双极板，其具有高的耐腐蚀性和低的接触电阻并且能够低成本制造。

[0015] 也就是说，本发明涉及如下(1)至(11)项。

[0016] (1)一种燃料电池的金属双极板，包括：板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在金属基片的两个表面上以涂覆金属基片；所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，其中，金属双极板的两个表面分别具有与电极接触的接触表面和不与电极接触的非接触表面，并且其中，金属双极板的所述两个表面都满足：贵金属层相对于接触表面的涂覆面积率在20％至100％的范围内，并且贵金属层相对于非接触表面的涂覆面积率在5％或更大但小于100％的范围内。

[0017] (2)一种燃料电池的金属双极板，包括：板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在金属基片的两个表面上以涂覆金属基片；所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，其中，金属双极板的一个表面具有与电极接触的接触表面和不与电极接触的非接触表面，其中，金属双极板的所述一个表面满足：贵金属层相对于接触表面的涂覆面积率在20％至100％的范围内，并且贵金属层相对于非接触表面的涂覆面积率在5％或更大但小于100％的范围内，并且其中，金属双极板的另一表面满足：贵金属层相对于所述凹凸部分的整个表面的涂覆面积率在5％或更大但小于100％的范围内。

[0018] (3)根据第(1)或(2)项所述的金属双极板，其中，金属基片和贵金属层受到压缩处理。

[0019] (4)根据第(1)至(3)项中任一项所述的金属双极板，其中，对于该金属双极板，在腐蚀测试之后的剥离测试中，贵金属层的剥离面积率为50％或更小。

[0020] (5)根据第(1)至(4)项中任一项所述的金属双极板，其中，贵金属层的厚度在1nm至100nm的范围内。

[0021] (6)根据第(1)至(5)项中任一项所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层的至少一部分的厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度。

[0022] (7)根据第(6)项所述的金属双极板，其中，涂覆所述凸形部分的所述贵金属层中厚度大于涂覆所述凹形部分的所述贵金属层的厚度的一部分的面积率为贵金属层相对于所述接触表面的涂覆面积率的5％或更大。

[0023] (8)根据第(1)至(7)项中任一项所述的金属双极板，其中，构成金属基片的所述金属是选自下述群组中的至少之一，该群组包括：Fe、Ni、Ti、及其合金。

[0024] (9)根据第(1)至(8)项中任一项所述的金属双极板，其中，构成贵金属层的所述贵金属是选自下述群组中的至少之一，该群组包括：Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、及其合金。

[0025] (10)根据第(1)至(9)项中任一项所述的金属双极板，其中，钝化膜通过选自下述群组中的至少一种防腐蚀处理方法而形成于金属基片的暴露部分上，该群组包括：酸处理、过氧化处理、以及臭氧处理。

[0026] (11)一种燃料电池，其包括根据第(1)至(10)项中任一项所述的金属双极板。

[0027] 根据本发明的燃料电池的金属双极板包括：板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其部分地设置在金属基片的两个表面上以涂覆金属基片，双极板的每个表面上贵金属层的涂覆面积率限定为落在特定范围内。

[0028] 在燃料电池的金属双极板中，在金属基片与贵金属层之间形成局部电池。结果，金属基片的电位从活化状态区向钝化状态区偏移，即使在这种情况下，通常来说，金属基片本身的电位可以处于活化状态区，从而导致腐蚀。因此，即使金属基片部分地暴露于腐蚀性环境中，也可以赋予其较高的耐腐蚀性。另外，因为存在贵金属层，双极板可以确保高的电导率，与隔膜电极组件的接触电阻可以降低。

[0029] 另外，与金属基片的两个表面都完全涂覆贵金属层的情况相比，可以减少双极板中使用的贵金属的数量。因此，可以降低双极板的成本。此外，可以通过如下方式制造本发明的燃料电池的金属双极板，即：预先采用贵金属层部分地涂覆板状金属基片，然后形成凹凸部分。因此，与传统金属双极板相比，可以以更简化的方式制造本发明的双极板，因此在制造成本方面具有优势。

[0030] 当对金属基片和贵金属层进行压缩时，可以增大金属基片和贵金属层之间的粘结力。

[0031] 当在腐蚀测试之后的剥离测试中贵金属层的剥离面积率为50％或更小时，金属基片和贵金属层之间的粘结力是优良的。因此，容易使双极板保持高的耐腐蚀性和低的接触电阻，并且具有良好的耐久性。

[0032] 当贵金属层的厚度在1nm至100nm的范围内时，双极板在耐腐蚀性、电导率和成本之间获得很好的平衡。

[0033] 当涂覆凸形部分的贵金属层的至少一部分的厚度大于涂覆凹形部分的贵金属层的厚度时，可以获得如下优点。具体地说，凸形部分是要与隔膜电极组件的电极以及将要相邻设置的金属双极板接触的接触部位。因此，接触部位的电导率优选地尽可能高。因此，当涂覆凸形部分的贵金属层的至少一部分设计为其厚度大于涂覆凹形部分的贵金属层的厚度时，即使在贵金属层的厚度整体上变薄的情况下，也容易降低双极板与其它部件的接触电阻。因此，在保持高的耐腐蚀性和低的接触电阻的同时，可以进一步降低双极板的成本。

[0034] 在该情况下，当具有较大厚度的一部分的面积率为贵金属层相对于接触表面的涂覆面积率的5％或更大时，可以更容易地获得上述优点。

[0035] 另外，在通过防腐蚀处理方法将钝化膜形成于金属基片的暴露部分上的情况下，可以进一步提高耐腐蚀性。

[0036] 本发明的燃料电池使用上述金属双极板，因此不存在由于双极板腐蚀而导致电阻增大的问题以及由于析出的离子而导致电解质劣化的问题。因此，燃料电池可以具有良好的电池特性。另外，与传统情况相比，本发明的燃料电池的成本更低。

附图说明

[0037] 图1是示出本发明双极板的外观的一个实例的示意图。

[0038] 图2是部分示出本发明双极板的凹凸部分的横截面的放大图(其中省略了贵金属层)。

[0039] 图3是部分示出适用于本发明双极板的另一种凹凸部分的横截面的放大图(其中省略了贵金属层)。

[0040] 图4是部分示出适用于本发明双极板的另一种凹凸部分的横截面的放大图(其中省略了贵金属层)。

[0041] 图5是平面图，示意性示出各种涂层图案的条状图案的一个实例，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0042] 图6是平面图，示意性示出各种涂层图案的斜条图案的一个实例，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0043] 图7是平面图，示意性示出各种涂层图案的径向条图案的一个实例，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0044] 图8是平面图，示意性示出各种涂层图案的多边形图案的一个实例，多边形彼此间隔地沿竖直和水平方向排列，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0045] 图9是平面图，示意性示出各种涂层图案的多边形图案的一个实例，多边形彼此间隔地排列并且多边形和/或圆形交替偏移地排列，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0046] 图10是平面图，示意性示出各种涂层图案的犬牙格子图案的一个实例，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

[0047] 图11是平面图，示意性示出各种涂层图案的交替排列的三角形和/或梯形图案的一个实例，在凹凸部分形成于板状金属基片上之前，在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。

具体实施方式

[0048] 下面将详细描述根据本发明的燃料电池的双极板以及燃料电池。本发明的燃料电池的双极板可以称为“本双极板”，本发明的燃料电池可以称为“本燃料电池”。

[0049] 在本说明书中，“凹形部分”表示能够形成气体流动通道的部分。此外“凸形部分”表示能够形成肋的部分，在该处，金属双极板和隔膜电极组件(MEA)彼此接触或者一对金属双极板彼此接触。本文中使用的“凹凸部分”包括上面限定的凹形部分以及凸形部分。

[0050] 1.双极板

[0051] 本双极板由金属构成。因此，本双极板适用于能够在可以使用金属的温度下工作的任何类型的电池。具体地说，本双极板适用的燃料电池类型包括例如PEFC、PAFC、MCFC和SOFC。

[0052] 特别地，本双极板优选应用于PEFC。在PEFC中，电解质包含强酸基团，其中的双极板经常会暴露于严峻的腐蚀性环境中，因此需要具有高的耐腐蚀性。

[0053] 燃料电池主要具有隔膜电极组件，其中电极与电解质的两个表面结合。举例来说，在PEFC中，隔膜电极组件通常设置有电极，电极包括依次层叠的聚合物电极隔膜、催化剂层和气体扩散层，其中催化剂层和气体扩散层结合到聚合物电极隔膜的表面上(所谓MEA)。

[0054] 本双极板在使用中与燃料电池中的隔膜电极组件的电极保持接触。在本文中使用的词语“与电极接触”不仅包括本双极板与隔膜电极组件的电极直接接触的情况，而且还包括本双极板与隔膜电极组件的电极经由其间的任何其它导电部件间接接触的情况。

[0055] 图1是示出本双极板的外观的一个实例的示意图。如图1所示，本双极板10包括板状金属基片12、贵金属层14和凹凸部分16。

[0056] 在本双极板中，贵金属层设置为部分地涂覆金属基片的两个表面，双极板的每个表面上贵金属层的涂覆面积率限定为落入特定范围内。在图1中，上表面是双极板的正面，下表面是双极板的背面，尽管没有示出，但是双极板的背面与双极板的正面一样也涂覆有贵金属层。

[0057] 在本双极板中，贵金属层的涂覆面积率根据下述情况而有所不同，所述情况是：双极板的两个表面与使用该双极板的燃料电池的隔膜电极组件的电极保持接触的情况；以及双极板的一个表面与使用该双极板的燃料电池的隔膜电极组件的电极保持接触的情况。

[0058] 在本双极板中，至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成凹凸部分。通常来说，根据凹凸部分的构造可以关于金属双极板的两个表面使用还是一个表面使用来判断金属双极板的方式。

[0059] 在大多数金属双极板中，凹凸部分通过板状金属基片的塑性变形而形成，这不同于通过机械切割而形成凹凸部分的碳双极板。这是因为使用金属双极板的一个优点在于可以通过塑性变形以简单的方式形成凹凸部分。

[0060] 因此，举例来说，如图2中的放大图所示，凹凸部分16在很多情况下设计为：正面的凸形部分16a是背面的凹形部分16c，另一方面，正面的凹形部分16b是背面的凸形部分16d。

[0061] 在正面的凹形部分用作反应气体循环的气体通道的情况下，背面的凹形部分可以用作或不用作气体通道，这取决于凹凸部分的具体构造。

[0062] 更具体地说，如图1所示，举例来说，凹凸部分具有笔直的形状，那么正面的凹形部分和背面的凹形部分都可以用作气体通道。因此，在本双极板具有这种凹凸部分的情况下，双极板的正面和背面在使用中都可以与隔膜电极组件的电极保持接触。(在本双极板中，将这种类型的双极板特别地称为“双面双极板”。)

[0063] 相反，尽管未示出，但是在凹凸部分具有S形形状(例如，单个S形或多个S形)的情况下，正面的凹形部分可以用作气体通道，而背面的凹形部分不能用作气体通道，这是因为反应气体不能通过背面的凹形部分循环的缘故。因此，在本双极板具有这种凹凸部分的情况下，可以采用这样的方式，即：只有双极板的正面与隔膜电极组件的电极保持接触。(在本双极板中，将这种类型的双极板特别地称为“单面双极板”。)当使用单面双极板时，通常来说，将一对共两个单面双极板以背面彼此面对的方式组合成一个双极板。

[0064] 在本双极板中，采用贵金属层部分地涂覆金属基片的两个表面，双极板的每个表面上贵金属层的涂覆表面积限定为落入特定范围内。

[0065] 具体地说，在采用双面双极板的情况下，将双极板的正面和背面都设计为：贵金属层相对于将要与电极接触的接触表面的涂覆面积率的下限值是20％或更大，优选的是25％或更大，更优选的是30％或更大，最优选的是50％或更大。另一方面，可以与该下限值组合的上限值是100％或更小，优选的是95％或更小，更优选的是90％或更小，最优选的是
85％或更小。

[0066] 在该情况下，举例来说，上述“将要与电极接触的接触表面”是图2所示凸形部分16a或16d的平坦表面18a或18d。上述“贵金属层相对于将要与电极接触的接触表面的涂覆面积率”可以根据如下公式(1)获得。

[0067] 贵金属层相对于将要与电极接触的接触表面的涂覆面积率SC[％]＝(接触表面内涂覆金属基片的贵金属层的总面积)/(接触表面的总面积)×100 (1)

[0068] 贵金属层相对于不将与电极接触的非接触表面的涂覆面积率的下限值是5％或更大，优选的是10％或更大，更优选的是15％或更大，最优选的是20％或更大。另一方面，可以与该下限值组合的上限值是100％或更小，优选的是90％或更小，更优选的是88％或更小，最优选的是85％或更小。

[0069] 在该情况下，举例来说，上述“不将与电极接触的非接触表面”是图2所示凹形部分16b或16c的底面19b或19c以及侧面20b或20c。上述“贵金属层相对于不将与电极接触的非接触表面的涂覆面积率”可以根据如下公式(2)获得。

[0070] 贵金属层相对于不将与电极接触的非接触表面的涂覆面积率SNC[％]＝(接触表面内涂覆金属基片的贵金属层的总面积)/(非接触表面的总面积)×100 (2)

[0071] 当SC小于20％时，接触表面的耐腐蚀性趋向于降低。当SNC小于5％时，非接触表面的耐腐蚀性也趋向于降低。SC的下限值高于SNC的下限值的原因在于，接触表面可能会暴露于比非接触表面更严峻的腐蚀性环境中。

[0072] 另一方面，单面双极板的正面在使用中与电极保持接触，因此，对单面双极板应用与上述双面双极板相同的贵金属层涂覆面积率SC、SNC。

[0073] 具体地说，将单面双极板的正面设计为：贵金属层相对于将要与电极接触的接触表面的涂覆面积率SC的下限值是20％或更大，优选的是25％或更大，更优选的是30％或更大，最优选的是50％或更大。另一方面，可以与该下限值组合的上限值是100％或更小，优选的是95％或更小，更优选的是90％或更小，最优选的是85％或更小。

[0074] 贵金属层相对于不将与电极接触的非接触表面的涂覆面积率SNC的下限值是5％或更大，优选的是10％或更大，更优选的是15％或更大，最优选的是20％或更大。另一方面，可以与该下限值组合的上限值是100％或更小，优选的是90％或更小，更优选的是88％或更小，最优选的是85％或更小。

[0075] 相反，单面双极板的背面与另一单面双极板的背面电连接就基本上足够了。另外，背面所处的腐蚀性环境不是太严峻。因此，可以根据双极板正面的贵金属层相对于不将与电极接触的非接触表面的涂覆面积率SNC限定单面双极板的背面上贵金属层的涂覆面积率。

[0076] 具体地说，在单面双极板的背面上，贵金属层相对于凹凸部分的整个表面的涂覆面积率的下限值是5％或更大，优选的是10％或更大，更优选的是15％或更大，最优选的是20％或更大。另一方面，可以与该下限值组合的上限值是100％或更小，优选的是90％或更小，更优选的是88％或更小，最优选的是85％或更小。

[0077] 在该情况下，上述“贵金属层相对于凹凸部分的整个表面的涂覆面积率”可以根据如下公式(3)获得。

[0078] 贵金属层相对于凹凸部分的整个表面的涂覆面积率SBC[％]＝(涂覆凹凸部分的贵金属层的总面积)/(凹凸部分的总面积)×100

[0079] (3)

[0080] 当上述SBC小于5％时，电池之间的电阻以及燃料电池的发电性能可能会降低。

[0081] 在本双极板中，贵金属层可以设置为以任何方式涂覆金属基片的表面和背面，只要贵金属层的涂覆面积率落入上述特定范围内即可。优选的是，出于以简单的方式制造本双极板的考虑，贵金属层可以设置为例如如图1所示的条状图案。

[0082] 图1和图2是示出其中凹凸部分的横截面大致为梯形的本双极板的实施例。然而，凹凸部分的形状不限于此。举例来说，除了该实施例之外，凹凸部分可以具有如图3所示大致正方形的横截面形状，或者可以具有如图4所示大致半圆形的横截面。(在图4中，将要与电极接触的部分是平坦的，但是也可以是半圆形的；然而，前者是优选的。)[0083] 凹凸部分的间距、凸形部分的宽度以及凹形部分的凹槽深度可以适当地限定，并不受特别的限定。

[0084] 在本双极板中，金属基片由可以钝化的金属构成。在本发明中，金属不仅包括单一金属，而且包括合金。

[0085] 具体地说，构成金属基片的金属的例子包括Fe、Fe基合金、Ni、Ni基合金、Ti、Ti基合金、A1、以及A1基合金。基片可以由上述材料中的一种或多种构成。

[0086] 在上述材料中，考虑到良好的耐腐蚀性和强度，优选的是Fe基合金、Ni基合金、Ti、以及Ti基合金。在Fe基合金中，铁素体类不锈钢以及奥氏体类不锈钢具有良好的耐腐蚀性，并且在可加工性及成本方面考虑是优选的。

[0087] 更具体地说，出于降低成本的考虑，铁素体类不锈钢优选的是SUS430(以质量计包含0.12％或更少的C、1％或更少的Mn、0.6％或更少的Ni、16％至18％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)。

[0088] 另外出于降低成本的考虑，铁素体类不锈钢可以是这样一类不锈钢(下面称为“FK1钢”)，该类不锈钢以质量计包含0.03％或更少的C、1％或更少的Mn、1％或更少的Cu、1％或更少的Ni、18％至21％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质。

[0089] 另一方面，出于降低成本的考虑，在本文中优选的奥氏体类不锈钢包括：SUS301(以质量计包含0.15％或更少的C、2％或更少的Mn、6％至8％的Ni、16％至18％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)、SUS304(以质量计包含0.08％或更少的C、
2％或更少的Mn、8％至10.5％的Ni、18％至20％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)、SUS316(以质量计包含0.08％或更少的C、2％或更少的Mn、10％至14％的Ni、16％至
18％的Cr、2％至3％的Mo，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)、SUS316L(以质量计包含
0.03％或更少的C、2％或更少的Mn、12％至15％的Ni、16％至18％的Cr、2％至3％的Mo，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)；出于良好成形性的考虑，优选的奥氏体类不锈钢包括：
SUSXM7(以质量计包含0.08％或更少的C、2％或更少的Mn、3％至4％的Cu、8.5％至10.5％的Ni、17％至19％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质)。

[0090] 除了上述材料之外，考虑到良好的耐腐蚀性，在本文中优选的奥氏体类不锈钢包括这样一类不锈钢，该类不锈钢以质量计包含0.03％或更少的C、5％至7％的Mn、8％至12％的Ni、21％至25％的Cr、1％至3％的Mo、0.4％至0.6％的N，其余为大量的Fe与不可避免的杂质(下面称为“AK1钢”)；考虑到成形性，优选的奥氏体类不锈钢包括这样一类不锈钢，该类不锈钢以质量计包含0.06％或更少的C、1％至3％的Mn、12％至16％的Ni、14％至18％的Cr，其余为大量的Fe与不可避免的杂质(下面称为“AK2钢”)。

[0091] 可以考虑双极板的耐腐蚀性、强度以及重量降低程度来适当地确定金属基片的厚度。具体地说，金属基片厚度的优选上限值可以是例如1.0mm、0.8mm、或0.5mm。另一方面，可以与优选的上限值组合的优选的下限值可以是例如0.05mm、0.1mm、或0.2mm。

[0092] 金属基片可以由一个或多个层构成。当金属基片由多个层构成时，各个层可以由相同的金属或不同的金属构成。

[0093] 具体地说，构成本双极板的贵金属层的贵金属的例子包括：诸如Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir和Os等单一贵金属；及其合金(包括贵金属-贵金属合金和贵金属-贱金属合金)。这些材料中的一种或多种可以构成贵金属层。

[0094] 在这些材料中，出于优良的耐腐蚀性和电导率的考虑，优选的是Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru及其合金。更优选的是Au、Au合金、Pt、及Pt合金。这些材料中的一种或多种可以构成贵金属层。

[0095] 可以考虑双极板的耐腐蚀性、接触电阻以及成本来适当地确定贵金属层的厚度。具体地说，贵金属层厚度的优选上限值可以是例如1000nm、500nm、100nm、50nm、或20nm。另一方面，可以与优选的上限值组合的优选的下限值可以是例如1nm、5nm、或10nm。

[0096] 贵金属层可以由一个或多个层构成。当贵金属层由多个层构成时，各个构成层可以由相同的贵金属或不同的贵金属构成。

[0097] 涂覆凸形部分的贵金属层的厚度可以与涂覆凹形部分的贵金属层的厚度相同，或者可以不同。涂覆凸形部分的贵金属层和涂覆凹形部分的贵金属层在具有不同厚度的情况下优选地设计为：涂覆凸形部分的贵金属层的厚度大于涂覆凹形部分的贵金属层的厚度。这是因为凸形部分是与电极以及将要相邻设置的金属双极板接触的接触部位，该优选结构有助于减小双极板中的接触电阻。

[0098] 在该情况下，具有较厚贵金属层的部分可以是涂覆凸形部分的贵金属层的一部分或全部。可以主要考虑接触部位所需的电导率而适当地确定贵金属层的厚度较大的部分。

[0099] 优选的是，具有较大厚度的部分在其面积率方面为贵金属层相对于接触表面的涂覆面积率的5％或更大，优选的是10％或更大，更优选的是20％或更大。

[0100] 优选的是，在本双极板中，出于增大金属基片和贵金属层之间粘结力的考虑，对其进行压缩处理。

[0101] 在该情况下，优选地进行压缩处理而使得金属基片和贵金属层的总厚度通过压缩处理可以以0.1％或更大，优选的是1％或更大，更优选的是5％或更大的压缩率减小。

[0102] 在本双极板中，在腐蚀测试之后的剥离测试中贵金属层的剥离面积率优选为50％或更小，更优选的是45％或更小，进一步优选的是40％或更小。在该范围内，金属基片和贵金属层之间的粘结力是优良的，双极板可以保持高的耐腐蚀性和低的接触电阻，从而具有优良的耐用性。

[0103] 在上述“腐蚀测试”中，将双极板试样在pH值为2的沸腾硫酸溶液中保持168小时。上述“剥离测试”是基于JIS Z0237(日本工业标准)；上述“贵金属层的剥离面积率”是由在剥离测试(180度剥离)中使用的粘接带剥离的贵金属层的面积率，该面积率根据如下公式(4)获得。

[0104] 贵金属层的剥离面积率[％]＝(由粘接带剥离的贵金属层的面积)/(由粘接带剥离的贵金属层以及没有剥离的贵金属层的总面积)×100
(4)

[0105] 在本双极板中，为了进一步增强双极板的耐腐蚀性，可以对金属基片的暴露部分进行防腐蚀处理，从而在该部分上形成钝化膜。

[0106] 具体地说，防腐蚀处理的例子包括酸处理、过氧化处理、以及臭氧处理。在本文中，这些处理方法中的一种或多种可以单独地或组合地使用。

[0107] 2.制造双极板的方法

[0108] 下面描述制造具有上述构造的本双极板的方法(下面称为“本制造方法”)的一个实例。

[0109] 本制造方法主要包括如下步骤：涂覆步骤，其采用贵金属层部分地涂覆板状金属基片的两个表面；以及凹凸部分形成步骤，其通过部分地涂覆有贵金属层的板状金属基片的塑性变形而形成凹凸部分。优选的是，本方法还包括：位于涂覆步骤与凹凸部分形成步骤之间的压缩处理步骤，对金属基片和贵金属层都进行压缩处理。下面按适当顺序描述这些步骤。

[0110] 在本制造方法中，涂覆步骤是采用贵金属层预先部分地涂覆板状金属基片的两个表面的步骤。在涂覆步骤中，根据是制造双面双极板还是制造单面双极板，涂覆金属基片的正面和背面的贵金属层的涂覆面积率将有所不同。

[0111] 在该步骤中，贵金属层的涂覆形式不受特别的限制，只要在后续的凹凸部分形成步骤中形成凹凸部分之后，贵金属层的涂覆面积率落入上述特定范围内即可。可以预先考虑凹凸部分的间距、凸形部分的宽度以及凹形部分的凹槽深度而适当地确定贵金属层的涂覆形式。

[0112] 对于贵金属层的涂覆形式，出于容易调节贵金属层的涂覆面积率的考虑，优选地采用图案涂覆。基片的正面和背面上的贵金属层的涂覆形式可以相同，或者可以不同。

[0113] 图5至图11示意性示出各种涂覆形式的实施例，在凹凸部分形成之前在板状金属基片的正面和背面预先形成贵金属层。具体地说，例如贵金属层的涂覆形式包括如下各种实施例：条状图案(图5)；斜条图案(图6)；径向条图案(图7)；彼此间隔地沿竖直和水平方向排列的多边形(例如，三角形、正方形、菱形或平行四边形)、圆形、椭圆形、大致星形多边形、大致十字形多边形、大致Y形多边形、大致X形多边形(后面总称为一般术语“多边形”)的图案(图8，在该图中示出正方形图案)；彼此交替偏移地排列的多边形的图案(图9，在该图中示出正方形图案)；犬牙织纹图案(图10)；以及交替排列的三角形和/或梯形的图案(图11，在该图中示出三角形图案)。

[0114] 图5以及其它附图所示的条状是直线的，然而，本发明不限于此，而是可以包括波浪形或任何其它不受限制的形状。可以将一种或多种这样的形状组合用于涂层图案。

[0115] 除了上述形式之外，另外可以采用诸如螺线形式、斑点形式或点状形式等其它各种形式。

[0116] 图5至图10并未严格地示出与贵金属层的涂覆面积率相关的贵金属层的宽度以及其它参数。

[0117] 在这些形式中，出于容易调节贵金属层的涂覆面积率的考虑，用于本发明的优选图案是图5、图8和图10所示的图案。举例来说，当采用图5所示的条状图案时，可以获得如图1所示涂覆有贵金属层的本双极板。

[0118] 具体地说，对于贵金属层的涂覆方法，例如可以采用诸如真空蒸发、溅射、离子镀、MEB或激光烧蚀等物理气相沉积法(PVD)，诸如热CVD或等离子CVD等化学气相沉积法(CVD)，或者诸如电解镀或无电镀等镀覆法。

[0119] 在这些方法中，出于降低成本和容易形成图案的考虑，镀覆法是优选的。在涂覆贵金属层之前，如果需要的话，可以对金属基片单独地或组合地执行一种或多种预处理，诸如除去形成于其上的氧化膜、脱脂或清洗。

[0120] 在涂覆凸形部分的贵金属层的厚度与涂覆凹形部分的贵金属层的厚度不同的情况下，将涂层中不期望增大厚度的部分遮掩，可以将上述贵金属层涂覆方法在期望增大厚度的部分上重复多次。

[0121] 在本制造方法中，压缩处理步骤是压缩金属基片和贵金属层的可选步骤。如果在该步骤中处理金属基片和贵金属层，那么金属基片和贵金属层将包覆，可以增大其间的粘结力。另外，由于贵金属层几乎不会剥离，该步骤的另一优点在于有助于处理凹凸部分的后续步骤。

[0122] 具体地说，压缩处理的例子包括滚压和模压。在该情况下，优选地进行压缩处理，使得金属基片和贵金属层的总厚度可以以优选的0.1％或更小，更优选的1％或更大，进一步优选的5％或更大的压缩率被压缩。

[0123] 在本制造方法中，凹凸部分形成步骤是通过部分地涂覆有贵金属层的板状金属基片的塑性变形而形成凹凸部分的步骤。上面已经描述了凹凸部分的形状，下面将不再对其进行描述。

[0124] 具体地说，形成凹凸部分的方法的例子包括如下方法：利用模具挤压部分地涂覆有贵金属层的板状金属基片，在该模具的表面上形成有与具有所需形状的凹凸部分对应的转移面；以及引导部分地涂覆有贵金属层的板状金属基片在两个设计滚筒之间移动，在每个滚筒的表面上形成有与具有所需形状的凹凸部分对应的转移面。

[0125] 除了上述步骤之外，本制造方法还可以包括任何其它的步骤。例如，本制造方法可以包括在压缩处理步骤之后从经过压缩处理的金属基片上消除应变硬化的热处理步骤。

[0126] 3.燃料电池

[0127] 本燃料电池具有本双极板。关于本燃料电池的构造，具体地说，本燃料电池例如包括：隔膜电极组件的多重堆叠结构，其经由上述双面双极板堆叠而成；以及隔膜电极组件的多重堆叠结构，其经由以背面彼此面对的方式组合的两个单面双极板的层模压品堆叠而成。

[0128] 根据上述燃料电池的类型，隔膜电极组件的构造可以有所不同，在本燃料电池中可以适当地采用隔膜电极组件的任何传统构造。

[0129] 实例

[0130] 现在将参照下面给出的实例更具体地描述本发明。

[0131] 制备实例1R至17R和比较例1R和2R的双面双极板、以及实例1K至14K和比较例1K至3K的单面双极板。

[0132] 具体地说，贵金属层通过电镀法部分地涂覆金属基片的正面和背面，其中，贵金属层采用表1和表2所示材料形成并且具有表中所示厚度，金属基片采用表1和表2所示材料形成并且具有表中所示厚度。

[0133] 在该步骤中，考虑到在后续步骤中将要形成的凹凸部分的形状，电镀法设计为：贵金属层可以具有如表1和表2所示的涂覆面积率，并且利用图5或图8所示的图案轮廓，通过遮掩金属基片的应该保持暴露的部位，可以在图1所示金属基片的正面和背面的凹凸部分上部分地形成Au膜。

[0134] 接下来，模压如此部分地涂覆有贵金属层的板状金属基片，从而形成如图1所示的笔直凹凸部分(间距为2.7mm，凸形部分的宽度为0.9mm，凹形部分的宽度为0.9mm，斜面宽度为0.45mm，凹形部分的深度为0.5mm)，如此制备成尺寸为30mm×30mm的双面双极板和单面双极板。

[0135] 在该实例中，双面双极板和单面双极板具有相同形状的凹凸部分，用于进行简单的测试。当然，该实例的双面双极板和单面双极板的正面和背面上贵金属层的涂覆面积率落入限定的特定范围内。

[0136] 接下来，测量如此构造的双面双极板和单面双极板的接触电阻。简单地说，将双极板的正面和背面夹在复写纸(由Toray Industries.，Inc.制造)之间，并将该结构置于一2
对Au电极之间。在5至20kgf/cm 的负荷下施加100mA的电流，在该条件下测量电压。根据如此测量的电压，计算双极板的接触电阻。

[0137] 接下来，将商业上可以获得的隔膜/电极组件(包括气体扩散层)的两个表面夹在一对上述双面双极板或一对上述单面双极板之间，如此构造成PEFC电池。在这点上，隔膜/电极组件设置在双面双极板或单面双极板的正面。另外，使双面双极板或单面双极板的凸形部分的平坦表面与隔膜/电极组件的电极保持接触，而双面双极板或单面双极板的凹形部分的凹槽不与隔膜/电极组件的电极接触。

[0138] 接下来，将该PEFC电池进行1000小时的发电测试。在发电测试之后，取下双面双极板和单面双极板，视觉检查是否存在外部腐蚀。另外还测量发电过程中的电池电阻。

[0139] 上述发电测试中的发电条件如下：输出电流密度为0.5A/cm2；燃料气体为氢(流量为0.5L/min，加湿温度为70℃)；氧化剂气体为空气(流量为2.0L/min，加湿温度为70℃)；以及电池温度为70℃。

[0140] 表1和表2列出实例1R至17R和比较例1R和2R的双面双极板、以及实例1K至14K和比较例1K至3K的单面双极板的详细结构，及其测试结果。在表1和表2中，根据用于厚度测量的荧光X射线法(JIS H8501，日本工业标准)测量贵金属层的厚度。在表1中，Au-Co是指按重量百分比计为99％的Au和1％的Co的合金镀层。

[0141]

[0142]

[0143] 表1和表2中的结果表明如下结论。在比较例1R的双面双极板中，贵金属层相对于不将与MEA的电极接触的非接触表面的涂覆面积率是0％，因此该双极板没有落入本发明的范围内。结果，非接触表面遭受腐蚀，该双极板的耐腐蚀性较差。

[0144] 在比较例2R的双面双极板中，贵金属层相对于将要与MEA的电极接触的接触表面的涂覆面积率是10％，因此该双极板没有落入本发明的范围内。结果，接触表面遭受腐蚀，该双极板的耐腐蚀性较差。

[0145] 在比较例1K的单面双极板中，贵金属层相对于不将与MEA的电极接触的非接触表面的涂覆面积率是0％，贵金属层相对于背面上的全部凹凸部分的涂覆面积率也是0％，因此该双极板没有落入本发明的范围内。结果，电池电阻非常高，电池不能发电。

[0146] 在比较例2K的单面双极板中，贵金属层相对于不将与MEA的电极接触的非接触表面的涂覆面积率是5％，贵金属层相对于背面上的全部凹凸部分的涂覆面积率是0％，因此该双极板没有落入本发明的范围内。结果，电池电阻非常高，电池不能发电。

[0147] 在比较例3K的单面双极板中，贵金属层相对于将要与MEA的电极接触的接触表面的涂覆面积率是10％，因此该双极板没有落入本发明的范围内。结果，接触表面遭受腐蚀，该双极板的耐腐蚀性较差。另外，由于与MEA接触出现不良，电池电阻较高。

[0148] 相反，本发明的双面双极板和单面双极板包括：板状金属基片，其由能够钝化的金属构成；以及贵金属层，其设置在金属基片上以部分地覆盖金属基片的正面和背面，其中，双极板的正面和背面上贵金属层的涂覆面积率限定为落在特定范围内。因此，可以理解，即使金属基片部分地暴露于PEFC的严峻腐蚀性环境，金属基片仍然可以保持高的耐腐蚀性并且其接触电阻较低。另外，由于本发明可以减少昂贵的贵金属层的使用量，可以认识到，本发明的双极板在降低成本方面是有利的。

[0149] 另外，可以证实，采用这些实例的双面双极板或单面双极板的PEFC具有相对较低的电池电阻并且具有良好的发电能力。

[0150] 接下来，按照与实例1R至17R的双面双极板相同的方式制备实例18R至29R的双面双极板。然而，如表3所示，贵金属层的厚度为20nm或30nm。另外如表3所示，金属基片和贵金属层通过以0.1％、1％或5％的压缩率滚压而包覆。

[0151] 接下来，为双面双极板测试耐腐蚀性。简单地说，将双面双极板放在pH值为2的沸腾硫酸溶液中保持168小时，通过原子吸收光谱法分析溶液中析出的金属离子，并测量每升溶液中析出的金属离子的重量。

[0152] 在腐蚀测试之后立刻根据JIS Z0237对双面双极板进行剥离测试。简单地说，在腐蚀测试之后，将双面双极板从硫酸溶液中取出，然后采用超纯水清洗，采用丙酮清洗，并干燥。然后，将粘接带(50mm长×18mm宽)粘贴到双面双极板的表面上，沿着双极板表面将粘接带剥离(180度剥离)。这样，测量随着粘接带剥离的贵金属层的面积率，如此获得贵金属层的剥离面积率。

[0153] 表3示出实例18R至29R的双面双极板的详细构造及其测试结果。

[0154]

[0155] 表3表明如下结论。在实例18R至29R的双面双极板中，金属基片和贵金属层通过滚压形式的压缩处理而包覆。

[0156] 因此，可以理解，贵金属层的剥离面积率为50％或更小，金属基片和贵金属层之间的粘结力是优良的。另外，腐蚀测试中析出的离子量非常小，双极板都具有高的耐腐蚀性。这些结果证实，当在压缩步骤中处理金属基片和贵金属层时，双极板可以很好地保持其高的耐腐蚀性的优良的耐久性。

[0157] 接下来，按照与实例1R至17R的双面双极板相同的方式制备实例30R至33R的双面双极板以及比较例3R的双面双极板。在这些双极板中，为了降低成本，进一步减小贵金属层的厚度。

[0158] 另外，制备实例34R至35R的双面双极板以及比较例4R的双面双极板。这些双极板几乎按照与实例1R至17R的双面双极板相同的方式构造。

[0159] 然而，在这些双极板中，涂覆凸形部分的贵金属层的一部分的厚度大于涂覆凹形部分的贵金属层的厚度(下面称为“局部层厚增大”)。这种局部层厚增大通过如下方式获得：通过第一电镀在凹凸部分的预定部位中形成具有预定厚度的贵金属层，然后遮掩除了凸形部分上的贵金属层的厚度想要增大的部分之外的区域，并且重复电镀多次。这些双极板是用于进一步减小电池电阻和接触电阻，并且进一步降低成本。

[0160] 表4示出实例30R至35R的双面双极板以及比较例3R和4R的双面双极板的详细构造及其测试结果。

[0161]

[0162] 结果，可以证实，根据局部层厚增大，将要成为基体的贵金属层的总厚度总体上可以减小，从而减小成本，因此可以减小电池电阻和接触电阻。对于局部层厚增大，可以将不同材料的贵金属层层压，然而这可能导致局部腐蚀。因此，令人期望的是层压相同材料的贵金属层以增大厚度。

[0163] 上面已经描述了本发明的燃料电池的金属双极板以及燃料电池，然而，可以在不超出本发明的范围和要旨的条件下对本发明进行各种变动和修改。

[0164] 虽然已经参照本发明的具体实施例详细描述了本发明，但是本领域的普通技术人员可以认识到，可以在不脱离本发明的要旨和范围的条件下对本发明进行各种变动和修改。

[0165] 本申请以2006年8月9日提交的日本专利申请No.2006-216521以及2007年5月29日提交的日本专利申请No.2007-142070为基础，上述日本专利申请的内容以引用的方式并入本文。

[0166] 此外，文中引用的所有文献的全部内容以引用的方式并入本文。