[發(fā)明專利]非晶碳膜、形成非晶碳膜的方法、具有非晶碳膜的導(dǎo)電性部件以及燃料電池用隔板

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780018780.0
• 申請(qǐng)日: 2007-05-22
• 公開（公告）號(hào): CN101448740A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 伊關(guān)崇;山田由香;中西和之;大島正;森廣行;堀江俊男;鈴木憲一;北原學(xué)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社豐田中央研究所
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02;C23C16/26;C23C16/50;H01B1/04;H01B5/14;H01B13/00;H01M8/02
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王海川;穆德駿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種以碳為主要成分并顯示出導(dǎo)電性的非晶碳膜、形 成該非晶碳膜的方法以及以燃料電池用隔板為代表的具有非晶碳膜的 導(dǎo)電性部件。

背景技術(shù)

由于碳的資源量幾乎無限并且無害，所以考慮到資源和環(huán)境問題， 碳是一種極好的材料。碳材料具有多種原子間鍵合形態(tài)，而且多種晶 體結(jié)構(gòu)是公知的，諸如金剛石、類金剛石碳、石墨、富勒烯和碳納米 管。尤其是，具有非晶結(jié)構(gòu)的類金剛石碳(非晶碳)由于具有高機(jī)械強(qiáng)度 和優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性，因此希望將其應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中。

然而，普通非晶碳膜的電阻處于從半導(dǎo)體到絕緣體的范圍內(nèi)。為 進(jìn)一步拓寬非晶碳的應(yīng)用范圍，需要賦予非晶碳以導(dǎo)電性。非晶碳的 一種應(yīng)用是燃料電池的隔板。圖8示意性地示出單電池固體聚合物燃 料電池的一個(gè)實(shí)例。圖8的左圖示出了層壓前其各組成要素的布置， 并且圖8的右圖示出了這些要素層壓后的狀態(tài)。單電池1由電解質(zhì)膜 1a和從兩側(cè)夾住電解質(zhì)膜1a的一對(duì)電極(空氣電極1b和燃料電極1c) 構(gòu)成。隔板2具有其上形成多個(gè)凹道的凹道形成表面2b、2c。隔板2 分別被設(shè)置在樹脂隔板框架3內(nèi)并被層壓，從而使空氣電極1b和凹道 形成表面2b相互面對(duì)，并且燃料電極1c和凹道形成表面2c相互面對(duì)。 由此，在電極和隔板之間形成被電極表面和凹道所區(qū)劃的氣體通道， 而且作為燃料電池的反應(yīng)氣體的燃料氣體和氧氣被有效地供應(yīng)到電極 表面上。

在燃料電池中，燃料氣體和氧氣需要在不混合的前提下單獨(dú)供應(yīng) 到整個(gè)電極表面。因此，隔板需要是氣密性的。而且，隔板需要收集 反應(yīng)產(chǎn)生的電子，并且當(dāng)多個(gè)電池被層壓時(shí)隔板作為電連接器用于連 接相鄰的單電池，因而隔板還需要具有良好的導(dǎo)電性。而且，由于電 解質(zhì)表面是強(qiáng)酸性，所以隔板需要具有耐蝕性。

因此，通常使用石墨板作為隔板材料。然而，由于石墨板很容易 裂開，所以石墨板的問題在于形成多個(gè)氣體通道、使表面平坦等隔板 生產(chǎn)場(chǎng)合的加工性問題。另一方面，由于金屬材料在導(dǎo)電性和加工性 方面都是優(yōu)越的，并且尤其是鈦和不銹鋼具有優(yōu)越的耐蝕性，所以金 屬材料能夠被用作隔板材料。然而，由于具有優(yōu)越耐蝕性的金屬材料 很容易被鈍化，所以存在使燃料電池內(nèi)阻增加并引起電壓下降的問題。 因此，金屬基材表面覆蓋有導(dǎo)電性非晶碳膜的隔板開始引起了關(guān)注。

用于賦予非晶碳以導(dǎo)電性的方法的實(shí)例包括將金屬添加到非晶碳 中的方法(參見特開2002-38268號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)和特開2004-284915 號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2))。然而，添加的金屬可能會(huì)變成腐蝕的原因，并且 添加了金屬的非晶碳在使用中與其它金屬接觸時(shí)，可能會(huì)變成粘著的 原因，這樣，有時(shí)會(huì)破壞非晶碳固有的化學(xué)穩(wěn)定性。

另一方面，在特開2002-327271號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)3)中，在不添加 金屬的前提下賦予非晶碳以導(dǎo)電性。專利文獻(xiàn)3公開了一種碳膜，該 碳膜的結(jié)構(gòu)是在部分晶體內(nèi)具有sp²鍵合碳的sp²鍵合性晶體在膜的厚 度方向上從膜的最底層(基材側(cè))連續(xù)地延伸到最頂層(表面?zhèn)?，并且除 sp²鍵合性晶體之外的其它部分是非晶的。根據(jù)專利文獻(xiàn)3的描述，考 慮到碳膜的耐蝕性和耐磨耗性，減少sp²鍵合性晶體的含量是重要的。 因此，希望sp²鍵合性晶體從碳膜的基材側(cè)到表面?zhèn)冗B續(xù)存在，這是因 為它有效地增加了碳膜的膜厚度方向上的導(dǎo)電性，并因此有助于減小 sp²鍵合性晶體的含量。引用的文獻(xiàn)3也指出sp²鍵合性晶體的含量增 加引起碳膜的硬度降低以及耐磨耗性降低。也就是說，引用的文獻(xiàn)3 暗示出碳膜的非晶部分包含大量的能改進(jìn)耐磨耗性和硬度的sp³鍵合 碳。因此，存在的可能性是在無連續(xù)sp²鍵合性晶體的與膜厚度垂直的 方向上出現(xiàn)導(dǎo)電性惡化，并且出現(xiàn)電各向異性。