燃料電池間隔件用材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于燃料電池的燃料電池間隔件用材料及其制造方法以及燃料電池 間隔件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過連續(xù)供給氫等燃料和氧等氧化劑從而能夠持續(xù)地輸出電力的燃料電池與干 電池等一次電池、鉛蓄電池等二次電池不同，發(fā)電效率高且基本不受系統(tǒng)規(guī)模大小的影響， 另外噪音、振動(dòng)也少，因此，被期待作為覆蓋各種用途、規(guī)模的能量源。具體來說，開發(fā)出了 固體高分子型燃料電池（PEFC)、堿性電解質(zhì)型燃料電池（AFC)、磷酸型燃料電池（PAFC)、熔 融碳酸鹽型燃料電池（MCFC)、固體氧化物型燃料電池（SOFC)、生物燃料電池等燃料電池。 其中，正在推進(jìn)面向燃料電池汽車、家庭用燃料電池（家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)）、移動(dòng)電話、個(gè) 人電腦等便攜設(shè)備的固體高分子型燃料電池的開發(fā)。
[0003] 固體高分子型燃料電池（以下有時(shí)也簡(jiǎn)稱為燃料電池）如下構(gòu)成，即：用陽(yáng)極電極 和陰極電極夾持固體高分子電解質(zhì)膜形成單蓄電單元，隔著形成有作為氣體（氫、氧等）通 路的槽的間隔件（也稱雙極板），將多個(gè)上述單蓄電單元疊合成堆而構(gòu)成。燃料電池通過增 加每個(gè)堆的蓄電單元數(shù)，能夠提高輸出功率。
[0004] 并且，燃料電池用的間隔件是用于將產(chǎn)生的電流取出至燃料電池外部的部件，因 而對(duì)其材料要求接觸電阻（是指在電極和間隔件表面之間由于界面現(xiàn)象而產(chǎn)生電壓下降） 低，并且該低接觸電阻在作為間隔件的使用中長(zhǎng)時(shí)間維持。
[0005] 此外，燃料電池的蓄電單元內(nèi)部為高溫、酸性氣氛，因而燃料電池用的間隔件需要 即便在這樣的氣氛下也長(zhǎng)時(shí)間維持高導(dǎo)電性。要發(fā)揮該性能，要求使導(dǎo)電層在間隔件的基 材上良好地覆蓋，減小基材暴露的面積，以及提高基材與在基材上形成的導(dǎo)電層之間的密 合性。
[0006] 尤其在汽車用途中，由于行進(jìn)時(shí)的振動(dòng)等，間隔件表面受到來自所接觸的碳布、碳 紙的摩擦，因此間隔件的導(dǎo)電層需要和基材非常牢固地結(jié)合。
[0007] 為了滿足這些要求，指向使用金屬材料作為基材的間隔件，例如提出了以下提案。
[0008] 提出了一種間隔件，該間隔件能夠薄型化，以具有優(yōu)異加工性和高強(qiáng)度的鋁合金、 不銹鋼、鎳合金、鈦合金等金屬材料作為基材，在該基材上覆蓋兼具耐蝕性和導(dǎo)電性的Au、 Pt等貴金屬?gòu)亩x予了耐蝕性和導(dǎo)電性。然而，這些貴金屬材料價(jià)格非常昂貴，因此成本變 尚。
[0009] 因此，針對(duì)上述問題，提出了不使用貴金屬材料的金屬間隔件的制造方法。
[0010] 例如提出了通過氣相成膜法在基材自身的氧化皮膜的表面形成中間層和導(dǎo)電性 薄膜的方法（專利文獻(xiàn)1)、通過氣相成膜法在基材表面形成利用由半金屬元素等構(gòu)成的部 分和由碳等構(gòu)成的部分構(gòu)成的表面處理層的方法（專利文獻(xiàn)2)。
[0011] 另外，研宄了在鈦基材的表面形成碳層后，通過熱處理形成碳化鈦的中間層的方 法（專利文獻(xiàn)3)。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2004-185998號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2004-14208號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開2012-28046號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 發(fā)明要解決的問題
[0018] 然而，專利文獻(xiàn)1和2中公開的技術(shù)由于在基材表面通過氣相成膜法形成有中間 層、導(dǎo)電性薄膜等，存在各層的界面處的密合性弱的擔(dān)憂。另外，由于使用氣相成膜法，因而 生產(chǎn)率差。
[0019] 另外，專利文獻(xiàn)3中公開的技術(shù)能夠得到足夠性能，但熱處理是連續(xù)退火或者以 批次處理對(duì)切板進(jìn)行熱處理，是生產(chǎn)率差、耗費(fèi)成本的技術(shù)。具體來說，在連續(xù)退火中，為了 得到非氧氣氛，需要流通大量的氬氣、氮?dú)?，因而成本高。另外，在切板的批次處理中，由?后續(xù)工序中的材料的處理繁雜，因而批量生產(chǎn)性存在問題。
[0020] 本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，本發(fā)明的課題在于提供基材與碳層之間的密合 性和導(dǎo)電耐久性（長(zhǎng)時(shí)間維持導(dǎo)電性的性質(zhì)）優(yōu)異、且生產(chǎn)效率也優(yōu)異的燃料電池間隔件 用材料及其制造方法。
[0021] 用于解決問題的手段
[0022] 發(fā)明者進(jìn)行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在燃料電池間隔件用材料的制造工序之一的 熱處理工序中，用含有粘合劑化合物以及碳的涂布層覆蓋鈦基材（以下有時(shí)僅記作"基 材"）的表面，之后，將鈦基材以卷成卷狀的狀態(tài)在真空氣氛下進(jìn)行熱處理，由此能夠解決上 述課題，從而完成了本發(fā)明。
[0023] 即，本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法的特征在于，具有：涂布工序，在 厚度40ym以上且200ym以下的由鈦或鈦合金構(gòu)成的鈦基材的表面形成含有包含碳原子 及氧原子的粘合劑化合物以及碳的涂布層；熱處理工序，對(duì)被上述涂布層覆蓋的鈦基材進(jìn) 行熱處理，被上述涂布層覆蓋的鈦基材在被卷成卷狀的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理，上述熱處理工 序在10Pa以下的真空氣氛下進(jìn)行，上述熱處理工序中，由上述涂布層形成碳層、在上述鈦 基材和上述碳層之間形成包含碳化鈦的中間層。
[0024] 如此，本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法通過對(duì)涂布層進(jìn)行熱處理而形 成碳層，并且在鈦基材與碳層之間形成包含碳化鈦的層或包含碳化鈦和碳固溶鈦的層（以 下適當(dāng)稱作"中間層"）。其結(jié)果是，該中間層能夠提高基材與碳層之間的密合性。
[0025] 另外，通過將被涂布層覆蓋的鈦基材在卷于輥上的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理，能夠以高 生產(chǎn)效率進(jìn)行加工。另外，將鈦基材在被卷成卷狀的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理時(shí)，通過在l〇Pa以 下的真空氣氛下進(jìn)行，能夠抑制涂布層被產(chǎn)生的氣體氧化而損害碳層密合性。
[0026] 本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法中，基材為冷軋材，優(yōu)選在冷軋后未 實(shí)施退火處理的冷軋材。此時(shí)，能夠使形成中間層的熱處理和退火處理這兩個(gè)熱處理工序 統(tǒng)一成一個(gè)熱處理工序，從而使工序簡(jiǎn)化。
[0027] 另外，優(yōu)選在涂布工序之后、熱處理工序之前還進(jìn)行對(duì)被涂布層覆蓋的鈦基材進(jìn) 行壓接的壓接工序。通過使涂布層壓接于基材，能夠進(jìn)一步提高在熱處理工序中形成的碳 層的密合性。
[0028] 另外，本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法中，優(yōu)選在熱處理工序之后還 進(jìn)行對(duì)鈦基材的翹曲進(jìn)行矯正的矯正工序。在燃料電池間隔件用材料的成形時(shí)要求平坦度 的情況下，能夠改善平坦度。
[0029] 另外，被涂布層覆蓋的鈦基材的卷內(nèi)徑優(yōu)選為400mm以上。由此，鈦基材的翹曲減 小，不需要進(jìn)行上述矯正工序。
[0030] 本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法中，熱處理工序優(yōu)選為包括：減壓工 序，將被涂布層覆蓋的鈦基材搬入第1室之中，對(duì)上述第1室進(jìn)行減壓；真空熱處理工序， 將上述鈦基材從減壓后的上述第1室移動(dòng)到維持在真空氣氛的第2室，在上述第2室中對(duì) 上述鈦基材進(jìn)行加熱來實(shí)施熱處理；冷卻工序，將上述熱處理后的鈦基材移動(dòng)到第3室，在 上述第3室中導(dǎo)入氣體來冷卻上述鈦基材，上述第1~3室各自為可密閉的彼此不同的室。 此外，上述真空熱處理工序優(yōu)選為包括：使鈦基材升溫的升溫工序、和將升溫后的上述鈦基 材保持在升溫狀態(tài)的保持工序，上述升溫工序和上述保持工序在不同的室中進(jìn)行。
[0031] 如果能夠像這樣將熱處理工序分成多個(gè)工序，各個(gè)工序在不同的室中進(jìn)行，則能 夠提高每單位時(shí)間的熱處理能力。
[0032] 本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法中，為了提高生產(chǎn)率，優(yōu)選在熱處理 工序之后還包含對(duì)上述鈦基材進(jìn)行裁切的裁切工序。
[0033] 此外，通過進(jìn)行利用沖壓加工在由上述的燃料電池間隔件用材料的制造方法制造 的燃料電池間隔件用材料的表面形成氣體通路的沖壓加工工序，能夠連續(xù)生產(chǎn)燃料電池間 隔件。
[0034] 另外，本發(fā)明的卷狀燃料電池間隔件用材料的特征在于，具有厚度40ym以上且 200ym以下的由鈦或鈦合金構(gòu)成的鈦基材、覆蓋所述鈦基材的碳層和在所述鈦基材與所述 碳層之間的包含碳化鈦的中間層，用兩張?zhí)疾加蓛擅鎶A著所述燃料電池間隔件用材料，進(jìn) 而使用接觸面積4cm2的銅電極以接觸載荷196N對(duì)其外側(cè)進(jìn)行加壓，保持由兩面進(jìn)行加壓 的狀態(tài)不變，以20cm/秒的速度沿面方向拉出所述基材后，覆蓋基材的碳層的覆蓋面積是 拉出所述基材前的覆蓋基材的碳層的覆蓋面積的一半以上。
[0035] 本發(fā)明的卷狀燃料電池間隔件用材料由于具有上述構(gòu)成，因而基材與碳層之間的 密合性和導(dǎo)電耐久性優(yōu)異，而且生產(chǎn)效率也優(yōu)異。
[0036] 發(fā)明效果
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的制造方法，能夠制造基材與碳層之間的密 合性和導(dǎo)電耐久性優(yōu)異、且生產(chǎn)效率也優(yōu)異的燃料電池間隔件材料。另外，根據(jù)本發(fā)明的燃 料電池間隔件用材料，可以提供即便在燃料電池蓄電單元內(nèi)部的高溫、酸性氣氛下也能夠 長(zhǎng)時(shí)間維持高導(dǎo)電性的燃料電池間隔件。
【附圖說明】
[0038] 圖1A是用于對(duì)本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的導(dǎo)電耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)的接觸電 阻測(cè)定裝置的示意圖。
[0039] 圖1B是用于對(duì)本發(fā)明的燃料電池間隔件用材料的密合性進(jìn)行評(píng)價(jià)的密合性評(píng)價(jià) 裝置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]