[发明专利]无定形碳膜、无定形碳膜的形成方法、具备无定形碳膜的导电性构件和燃料电池用隔板

说明书

技术领域

本发明涉及以碳为主成分、显示导电性的无定形碳(非晶碳)膜及其形成方法、以及燃料电池的隔板所代表的具备无定形碳膜的导电性构件。

背景技术

碳由于埋藏量几乎是无限的、且无害，因此从资源问题和环境问题方面来看也是极优异的材料。碳材料，原子间的结合形态是多样的，已知有金刚石、类金刚石碳、石墨、富勒烯、碳纳米管这些各种各样的结晶结构。其中，具有无定形(非晶质)结构的类金刚石碳(无定形碳)，由于具有高的机械强度和优异的化学稳定性，因此向各产业领域的应用受到期待。

但是，一般的无定形碳膜的电阻，处于从半导体到绝缘体的区域。为了进一步扩大无定形碳的用途，要求对无定形碳赋予导电性。作为无定形碳的用途之一，可列举燃料电池的隔板。在图5中示意地示出单元电池的固体高分子型燃料电池的一例。图5的左图表示层叠之前的各构成要素的排列，图5的右图表示将它们层叠后的状态。单元电池1由电解质膜1a和将其从两侧夹持的一组电极(空气电极1b及燃料电极1c)构成。隔板2具有形成有多条凹条的凹条形成面2b、2c。隔板2被收纳于树脂制的隔板框3中，层叠为空气电极1b和凹条形成面2b、燃料电极1c和凹条形成面2c分别相对。如此，在电极与隔板之间构成用电极表面和凹条划分而成的气体流路，燃料电池中的作为反应气体的燃料气体和氧气高效地供给到电极表面。

在燃料电池中，需要燃料气体和氧气在以相互不混合的方式分离的状态下供给到整个电极表面。因此，隔板需要相对于气体的气密性。而且，隔板在将通过反应而产生的电子集电的同时，作为使多个单元电池层叠了时相邻的单元电池彼此的电连接器需要良好的导电性。另外，由于电解质表面显示强酸性，因此对隔板要求耐蚀性。

因此，作为隔板的材料，一般使用石墨板材。但是，由于石墨板材容易开裂，因此在石墨板材上形成多个气体流路、或者使其表面平坦等来生产隔板的情况下，可加工性存在问题。另一方面，金属材料导电性和可加工性均优异，特别是钛、不锈钢耐蚀性优异，因此能够作为隔板的材料使用。然而，由于耐蚀性优异的金属材料容易钝化，所以存在燃料电池的内阻增大而引起电压下降的问题。因此，在金属制的基材的表面覆盖了具有导电性的无定形碳膜的隔板正受到关注。

作为对无定形碳赋予导电性的方法，可列举向无定形碳中添加金属的方法(参照日本特开2002-038268号公报和日本特开2004-284915号公报)。但是，有时添加的金属成为腐蚀的原因，或与其他金属相接触来使用时成为粘着的原因等等，从而无定形碳原本具有的化学稳定性受损。

因此，在日本特开2008-004540号公报中公开了一种导电性和耐蚀性优异的无定形碳膜，其是基于下述见解得到的：通过控制无定形碳的氢量、和具有sp²杂化轨道的碳量(Csp²量)等而使由具有sp²杂化轨道的碳(Csp²)形成的结构增加，能够对无定形碳膜赋予导电性。具体而言，无定形碳膜以碳为主成分，包含超过0at％且为30at％以下的氢，根据需要包含20at％以下的氮，且在将该碳的总量设为100at％时，Csp²量为70at％以上且小于100at％。该无定形碳膜，由于Csp²在全部碳中占有的比例多，所以促进π电子的非局部存在化，并且降低了氢的含量，所以抑制了由C-H键(σ键)所导致的分子终端化。其结果，该无定形碳膜显示高的导电性。另外，该无定形碳膜是无定形的，没有如单晶石墨所显示的电各向异性。

而且，对燃料电池的隔板要求的功能之一，有将通过电池反应在电极上生成的生成水从气体流路快速地排出、确保燃料气体和氧气的通路的功能。气体流路中滞留的水招致燃料电池的发电性能的下降。因此，改善气体流路的表面的润湿性对燃料电池的性能来说是重要的。例如，日本特开2011-108547号公报中记载有为了使无定形碳膜的亲水性提高而使无定形碳膜含有20at％的氮。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2002-038268号公报

专利文献2:日本特开2004-284915号公报

专利文献3:日本特开2008-004540号公报

专利文献4:日本特开2011-108547号公报

发明内容