[发明专利]燃料电池间隔件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的、以钛为基材的燃料电池间隔件。

背景技术

通过连续供给氢等燃料和氧等氧化剂从而能够持续地输出电力的燃料电池与干电池等一次电池、铅蓄电池等二次电池不同，发电效率高且基本不受系统规模的大小影响，另外噪音、振动也少，因此，被期待作为覆盖各种用途、规模的能源。具体来说，燃料电池开发出了固体高分子型燃料电池(PEFC)、碱性电解质型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、生物燃料电池等。其中，正在推进面向燃料电池汽车、家庭用废热发电系统、手机、个人电脑等便携设备的固体高分子型燃料电池的开发。

固体高分子型燃料电池(以下称燃料电池)通过以下方式构成，即：用阳极和阴极夹持固体高分子电解质膜形成单元电池，隔着形成有成为气体(氢、氧等)的流路的槽的间隔件(也称双极板)，将多个上述单元电池叠合在一起而构成。

间隔件也是用于将在燃料电池内产生的电流向外部输出的部件，因此，应用接触电阻(是指在电极与间隔件表面之间，因界面现象产生电压下降。)低的材料。另外，由于燃料电池的内部是pH2～4左右的酸性气氛，所以要求间隔件有高耐腐蚀性，还要求在该酸性环境中的使用中长期保持所述低接触电阻这样的特性。因此，以往应用的是，将石墨粉末的成形体削出而制造、或由石墨和树脂的混合物成形体形成等的碳制的间隔件。但是，这样的碳制的间隔件的强度、韧性差，对燃料电池施加振动、冲击时有可能发生破坏。因此，一直在研究使用了加工性和强度优异的铝、钛、镍、以它们为基础的合金或不锈钢等金属材料的间隔件。

若将铝、不锈钢等应用于间隔件，则在燃料电池的内部的酸性气氛下发生腐蚀而金属离子溶出，因而使固体高分子电解质膜、催化剂提前劣化。另一方面，钛等耐腐蚀性良好的金属在腐蚀环境下形成导电性低的钝化膜，因而接触电阻劣化(上升)。由此，正在开发以金属材料为基材，在其表面覆盖能够长期保持的具有导电性的皮膜，从而赋予了耐腐蚀性和导电性的间隔件。

作为具有导电性、且耐腐蚀性的皮膜材料，可以举出Au、Pt这样的贵金属或贵金属合金，但如果用这样的贵金属材料覆盖间隔件则成本变高。因此，公开了应用碳材料作为具有导电性和耐腐蚀性的廉价的材料，并将含有它的皮膜设置于金属基材的表面的间隔件的技术。例如，对于专利文献1和专利文献2所公开的间隔件而言，在不锈钢中选择耐酸性高的添加了Cr、Ni的奥氏体系或奥氏体-铁氧体二相系的不锈钢为基材，在其表面分散并附着碳粒子，专利文献1通过压接，专利文献2通过热处理，分别使其密合在基材上。

但是，这些间隔件中，碳粒子呈岛状附着，因此基材部分地露出，即使是耐酸性高的不锈钢基材，在燃料电池中使用时铁离子也有可能溶出。因此，正在开发通过将耐腐蚀性优异的钛应用于基材，无论表面的导电性皮膜的环境屏蔽性(阻隔性)，基材都没有腐蚀的风险的间隔件。

专利文献3所公开的间隔件利用化学气相沉淀(CVD)法或溅射法使覆盖表面的碳膜在高温下成膜，形成非晶质从而提高导电性，成为低接触电阻的间隔件。此外，专利文献4所公开的间隔件为了提高耐腐蚀性而残留金属基材的氧化皮膜，为了赋予该氧化皮膜与覆盖表面的包含碳的导电性薄膜的密接性，而具备包含选自Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr等金属元素或Si等半金属元素的中间层，进一步从中间层到导电性薄膜在其界面使配合比例由金属元素等向碳推移。专利文献5所公开的间隔件为了赋予耐腐蚀性而在金属基材表面使类金刚石碳层成膜，在其上，利用电弧离子镀(AIP)装置形成分散并附着有石墨粒子的导电部。

但是，专利文献3～5所记载的间隔件具备利用CVD法或溅射法成膜的非晶质的碳膜，因此阻隔性不充分，基材因钝化膜而不发生腐蚀的间隔件的导电性劣化，另外碳膜与其基底(金属基材、中间层)的密接性不充分。另外，根据CVD法等，为了使碳膜成膜成充分的膜厚需要处理时间，所以生产率差。

因此，本申请发明人通过在钛基材上形成碳层后进行热处理，开发了在基材与碳层之间形成了具有碳化钛的中间层的间隔件(参照专利文献6)。像这样，通过使基材的钛与碳层的碳发生反应而形成中间层，碳层与基材的密接性优异，另外凭借导电性的碳化钛成为低电阻的间隔件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3904690号公报

专利文献2：日本专利第3904696号公报

专利文献3：日本特开2007-207718号公报

专利文献4：日本专利第4147925号公报