燃料电池用隔板和其制造方法技术

燃料电池用隔板具备不锈钢制基材、取向性非晶碳膜、混合层和多个突起，其中，所述取向性非晶碳膜：在该基材的至少与电极对向的表面上形成，以C为主成分，含有3～20原子％的N、大于0原子％且为20原子％以下的H，且在将该C的总量设为100原子%时，具有sp2杂化轨道的碳Csp2为70原子％以上且小于100原子％，石墨的(002)面沿厚度方向取向，所述混合层：在所述基材和所述取向性非晶碳膜的界面上生成，含有该两者的构成原子各一种以上，所述多个突起：从所述混合层突出到所述取向性非晶碳膜内，平均长度为10～150nm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及主要用于固体高分子型燃料电池的燃料电池用隔板。
技术介绍
燃料电池通过使含有氢气的燃料气体和空气等含氧气的氧气气体进行电化学反应，来同时产生电カ和热。图13示意性示出单电池的固体高分子型燃料电池的一例。图13的左图示出了叠层前的各结构要素的排列，图13的右图示出了它们叠层后的状态。单电池I由电解质膜Ia和从两侧夹持电解质膜Ia的一组电极(空气极Ib和燃料极Ic)构成。隔板2具有形成了多个凹条的凹条形成面2b、2c。隔板2被装在树脂制的隔板架3中，叠层成空气极Ib和凹条形成面2b对向、燃料极Ic和凹条形成面2c对向。这样就在电极和隔板之间构成了由电极表面和凹条划分出的气体流路，有效将作为燃料电池中的反应气体的燃料气体和氧气气体供给到电极表面。燃料电池需要在燃料气体和氧气气体彼此不混合、保持分离开地供至电极表面全体。因此，隔板需要对气体具有气密性。进而，隔板需要将反应产生的电子汇集、并且作为多个单电池叠层时相邻单电池之间的电连接件具有良好的导电性。此外，由于电解质表面显示强酸性，所以隔板要求具有耐腐蚀性。因此，作为隔板的材料，通常使用石墨板材，但由于石墨板材容易裂，所以当在石墨板材上形成多个气体流路、或使其表面变平坦等来生产隔板时，在加工性上存在问题。另一方面，金属材料不仅导电性而且加工性优异，特别别是钛、不锈钢，耐腐蚀性优异，所以可以作为隔板的材料使用。但由于耐腐蚀性优异的金属材料容易钝化，所以存在燃料电池的内部电阻増大，引起电压下降的问题。专利文献I中公开了由金属制部件制成的、与单电池的电极接触的接触面直接镀上金的燃料电池用隔板。由于接触面镀金，所以隔板和电极之间的接触电阻降低，导通良好，燃料电池的输出电压变大。可以想到，如果象在金属制部件上镀上难以被腐蚀的金那样、使隔板上完全覆盖上导电性物质，则金属制部件难以被腐蚀，可以防止金属离子的流出，且显示低接触电阻。但镀金，从成本、资源方面来看存在实用化的大阻碍。专利文献2中公开了耐腐蚀性高、接触电阻低的不锈钢。具体地说，使导电性的金属介质物分散成穿破不锈钢表面的钝态皮膜，从而使不锈钢的接触电阻降低。但即使基体钝化，也不能避免成为电解质膜劣化的原因的铬离子、铁离子等的溶出。此外，在电位相当高的腐蚀环境下，金属介质物也慢慢被腐蚀，所以可以预测到，如果金属介质物经腐蚀而钝化，则输出电压降低。 为了解决上述问题，在金属制的基材的表面覆盖具有导电性的非晶碳膜的燃料电池用隔板受到关注。例如，专利文献3和专利文献4中公开了用导电性的非晶碳膜覆盖金属板的隔板。通过在金属板上覆盖非晶碳膜，隔板显示出耐腐蚀性。特别是，专利文献4使用离子化蒸镀法在金属制的基板的表面形成主要由碳和氢构成的非晶碳膜。讲述了，通过用离子化蒸镀进行成膜，入射的碳膜形成分子和构成基板表层的原子化学性结合，形成中间层。但专利文献5，通过在非晶碳膜中増加具有SP2杂化轨道的碳、降低氢的含量，从而确保导电性。碳原子，根据化学键中的原子轨道的不同，而分为具有sp杂化轨道的碳(Csp)、具有Sp2杂化轨道的碳(Csp2)、具有sp3杂化轨道的碳(Csp3)这三种。例如，仅由Csp3构成的金刚石，仅形成O键，通过O电子的定域化而显示出高绝缘性。另ー方面，石墨仅由Csp2构成，形成O键和键，通过电子的离域化显示高导电性。专利文献5中记载的非晶碳膜，由于总碳中存在的Csp2的比例较多，所以促进了电子的离域化，并且由于氢的含量减少，所以抑制了 C 一 H键(0键)的分子终端化(molecular termination)。结果显示出高导电性。现有技术文献专利文献专利文献I:日本特开平10 — 228914号公报 专利文献2:日本特开2001 — 32056号公报专利文献3:日本特开2000 — 67881号公报专利文献4:日本特开2005 — 93172号公报专利文献5:日本特开2008 — 4540号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题燃料电池用隔板的特性通常要在符合实际的燃料电池的使用环境的条件下进行评价。即、如果是耐腐蚀性，如果不在施加电压的严酷条件下进行评价试验，就不能说具有满足作为燃料电池用隔板的特性。专利文献3和专利文献4中进行没有这样严酷的条件下的特性评价，所以可以认为，在用于燃料电池时不能发挥所要求的导电性和耐腐蚀性。专利文献3和专利文献4中所记载的耐腐蚀性的评价方法不是在施加电压下进行的，所以即使存在可造成非晶碳膜腐蚀的气孔，也不会引起离子移动。即、专利文献3和专利文献4中记载的评价方法不是符合实际的燃料电池的使用环境的试验。特别是在专利文献4的实施例中，在不锈钢制的基材上直接形成由氢和碳构成的非晶碳膜。不锈钢是含有约12质量％以上铬(Cr)的低碳的铁基合金。不锈钢，由于在表面形成稳定的钝态被膜而稳定化，所以显示出优异的耐腐蚀性。与钝态被膜的形成极有关联的合金元素是Cr，当Cr浓度大于12质量％吋，耐腐蚀性急剧提高，变得几乎不被环境腐蚀。但如果在不锈钢制的基材中从非晶碳膜扩散进碳，则不锈钢中含有的添加元素Cr会与扩散进的碳结合，形成碳化物等。因此在它们的周围形成Cr量少的低铬层。在低铬层形成的周围，由于Cr浓度比原来的不锈钢低，所以存在以下问题难以形成稳定的钝态被膜，不锈钢的耐腐蚀性局部降低，隔板容易被腐蚀。本专利技术人等鉴于上述问题，目的在于提供一种在不锈钢制的基材上形成了非晶碳膜的，所述燃料电池用隔板即使在符合燃料电池的实际使用环境的条件下也显示出优异的导电性和耐腐蚀性。解决课题的方法经本专利技术人深入研究，结果发现了，通过使专利文献5所述的非晶碳膜在保持非晶质结构的情况下使石墨的(002)面在膜内取向，可以成为导电性高的致密非晶碳膜。进而清楚了，通过在特定的成膜条件下在不锈钢制的基材的表面上形成这种非晶碳膜，可以得到具有特征性截面结构的燃料电池用隔板。于是，本专利技术人发展了该成果，从而完成了后面所述的各种专利技术。S卩、本专利技术的燃料电池用隔板，其特征在于，具备基材、取向性非晶碳膜、混合层和多个突起，其中，所述基材由不锈钢制成， 所述取向性非晶碳膜在所述基材的至少与电极对向的表面上形成，以碳(C)作为主成分，含有3 20原子％的氮(N)以及大于0原子％且20原子％以下的氢⑶，在将该碳的总量设为100原子％吋，具有sp2杂化轨道的碳量为70原子％以上且小于100原子％，石墨的(002)面沿厚度方向取向，所述混合层在所述基材和所述取向性非晶碳膜的界面上生成，含有该两者的构成原子各ー种以上，所述多个突起从所述混合层向所述取向性非晶碳膜内突出，平均长度为10 150nmo本专利技术的燃料电池用隔板所具有的取向性非晶碳膜，含有的C中的70原子％以上是具有sp2杂化轨道的碳(Csp2)。进而，石墨的(002)面沿厚度方向取向。即、取向性非晶碳膜呈环结构沿着厚度方向连续铺展、并且该环结构以层状重叠的结构，所以主要在厚度方向上显示高导电性。此外，由于取向性非晶碳膜含有N和H，所以即使取向也不会变成完全的结晶结构(石墨结构)，而是采取不具有长距离有序性的非晶结构。进而，由于取向性非晶碳膜是具有高取向性的致密的膜，所以膜密度高且硬。因此，本专利技术的燃料电池用隔板，不仅机械特性，而且在耐腐蚀性、耐药品性、氧气阻隔性等方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.25 JP 293878/20091.ー种燃料电池用隔板，其特征在于，具备基材、取向性非晶碳膜、混合层和多个突起，其中， 所述基材由不锈钢制成， 所述取向性非晶碳膜在所述基材的至少与电极对向的表面上形成，以碳(C)作为主成分，含有3 20原子％的氮(N)以及大于0原子％且20原子％以下的氢⑶，在将该碳的总量设为100原子％吋，具有Sp2杂化轨道的碳量为70原子％以上且小于100原子％，石墨的(002)面沿厚度方向取向， 所述混合层在所述基材和所述取向性非晶碳膜的界面上生成，含有该两者的构成原子各ー种以上， 所述多个突起从所述混合层向所述取向性非晶碳膜内突出，平均长度为10 150nm。2.如权利要求I所述的燃料电池用隔板，所述混合层具有至少碳(C)和氮(N)向所述基材的表层扩散而成的扩散层。3.如权利要求I或2所述的燃料电池用隔板，混合层具有化合物层，所述化合物层含有选自以下化合物中的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊关崇，中西和之，小泽康弘，山田由香，长谷川元，小泉雅史，藤泽克利，上田直树，久野裕彦，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：