燃料电池间隔件用材料及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于燃料电池的燃料电池间隔件用材料及其制造方法以及燃料电池 间隔件的制造方法。
【背景技术】
[0002] 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大小的影响， 另外噪音、振动也少，因此，被期待作为覆盖各种用途、规模的能量源。具体来说，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)、生物燃料电池等燃料电池。 其中，正在推进面向燃料电池汽车、家庭用燃料电池（家庭用热电联供系统）、移动电话、个 人电脑等便携设备的固体高分子型燃料电池的开发。
[0003] 固体高分子型燃料电池（以下有时也简称为燃料电池）如下构成，即：用阳极电极 和阴极电极夹持固体高分子电解质膜形成单蓄电单元，隔着形成有作为气体（氢、氧等）通 路的槽的间隔件（也称双极板），将多个上述单蓄电单元叠合成堆而构成。燃料电池通过增 加每个堆的蓄电单元数，能够提高输出功率。
[0004] 并且，燃料电池用的间隔件是用于将产生的电流取出至燃料电池外部的部件，因 而对其材料要求接触电阻（是指在电极和间隔件表面之间由于界面现象而产生电压下降） 低，并且该低接触电阻在作为间隔件的使用中长时间维持。
[0005] 此外，燃料电池的蓄电单元内部为高温、酸性气氛，因而燃料电池用的间隔件需要 即便在这样的气氛下也长时间维持高导电性。要发挥该性能，要求使导电层在间隔件的基 材上良好地覆盖，减小基材暴露的面积，以及提高基材与在基材上形成的导电层之间的密 合性。
[0006] 尤其在汽车用途中，由于行进时的振动等，间隔件表面受到来自所接触的碳布、碳 纸的摩擦，因此间隔件的导电层需要和基材非常牢固地结合。
[0007] 为了满足这些要求，指向使用金属材料作为基材的间隔件，例如提出了以下提案。
[0008] 提出了一种间隔件，该间隔件能够薄型化，以具有优异加工性和高强度的铝合金、 不锈钢、镍合金、钛合金等金属材料作为基材，在该基材上覆盖兼具耐蚀性和导电性的Au、 Pt等贵金属从而赋予了耐蚀性和导电性。然而，这些贵金属材料价格非常昂贵，因此成本变 尚。
[0009] 因此，针对上述问题，提出了不使用贵金属材料的金属间隔件的制造方法。
[0010] 例如提出了通过气相成膜法在基材自身的氧化皮膜的表面形成中间层和导电性 薄膜的方法（专利文献1)、通过气相成膜法在基材表面形成利用由半金属元素等构成的部 分和由碳等构成的部分构成的表面处理层的方法（专利文献2)。
[0011] 另外，研宄了在钛基材的表面形成碳层后，通过热处理形成碳化钛的中间层的方 法（专利文献3)。
[0012] 现有技术文献
[0013] 专利文献
[0014] 专利文献1 :日本特开2004-185998号公报
[0015] 专利文献2 :日本特开2004-14208号公报
[0016] 专利文献3 :日本特开2012-28046号公报
【发明内容】
[0017] 发明要解决的问题
[0018] 然而，专利文献1和2中公开的技术由于在基材表面通过气相成膜法形成有中间 层、导电性薄膜等，存在各层的界面处的密合性弱的担忧。另外，由于使用气相成膜法，因而 生产率差。
[0019] 另外，专利文献3中公开的技术能够得到足够性能，但热处理是连续退火或者以 批次处理对切板进行热处理，是生产率差、耗费成本的技术。具体来说，在连续退火中，为了 得到非氧气氛，需要流通大量的氩气、氮气，因而成本高。另外，在切板的批次处理中，由于 后续工序中的材料的处理繁杂，因而批量生产性存在问题。
[0020] 本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的课题在于提供基材与碳层之间的密合 性和导电耐久性（长时间维持导电性的性质）优异、且生产效率也优异的燃料电池间隔件 用材料及其制造方法。
[0021] 用于解决问题的手段
[0022] 发明者进行了深入研宄，结果发现，在燃料电池间隔件用材料的制造工序之一的 热处理工序中，用含有粘合剂化合物以及碳的涂布层覆盖钛基材（以下有时仅记作"基 材"）的表面，之后，将钛基材以卷成卷状的状态在真空气氛下进行热处理，由此能够解决上 述课题，从而完成了本发明。
[0023] 即，本发明的燃料电池间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以下的由钛或钛合金构成的钛基材的表面形成含有包含碳原子 及氧原子的粘合剂化合物以及碳的涂布层；热处理工序，对被上述涂布层覆盖的钛基材进 行热处理，被上述涂布层覆盖的钛基材在被卷成卷状的状态下进行热处理，上述热处理工 序在10Pa以下的真空气氛下进行，上述热处理工序中，由上述涂布层形成碳层、在上述钛 基材和上述碳层之间形成包含碳化钛的中间层。
[0024] 如此，本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法通过对涂布层进行热处理而形 成碳层，并且在钛基材与碳层之间形成包含碳化钛的层或包含碳化钛和碳固溶钛的层（以 下适当称作"中间层"）。其结果是，该中间层能够提高基材与碳层之间的密合性。
[0025] 另外，通过将被涂布层覆盖的钛基材在卷于辊上的状态下进行热处理，能够以高 生产效率进行加工。另外，将钛基材在被卷成卷状的状态下进行热处理时，通过在l〇Pa以 下的真空气氛下进行，能够抑制涂布层被产生的气体氧化而损害碳层密合性。
[0026] 本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法中，基材为冷轧材，优选在冷轧后未 实施退火处理的冷轧材。此时，能够使形成中间层的热处理和退火处理这两个热处理工序 统一成一个热处理工序，从而使工序简化。
[0027] 另外，优选在涂布工序之后、热处理工序之前还进行对被涂布层覆盖的钛基材进 行压接的压接工序。通过使涂布层压接于基材，能够进一步提高在热处理工序中形成的碳 层的密合性。
[0028] 另外，本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法中，优选在热处理工序之后还 进行对钛基材的翘曲进行矫正的矫正工序。在燃料电池间隔件用材料的成形时要求平坦度 的情况下，能够改善平坦度。
[0029] 另外，被涂布层覆盖的钛基材的卷内径优选为400mm以上。由此，钛基材的翘曲减 小，不需要进行上述矫正工序。
[0030] 本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法中，热处理工序优选为包括：减压工 序，将被涂布层覆盖的钛基材搬入第1室之中，对上述第1室进行减压；真空热处理工序， 将上述钛基材从减压后的上述第1室移动到维持在真空气氛的第2室，在上述第2室中对 上述钛基材进行加热来实施热处理；冷却工序，将上述热处理后的钛基材移动到第3室，在 上述第3室中导入气体来冷却上述钛基材，上述第1~3室各自为可密闭的彼此不同的室。 此外，上述真空热处理工序优选为包括：使钛基材升温的升温工序、和将升温后的上述钛基 材保持在升温状态的保持工序，上述升温工序和上述保持工序在不同的室中进行。
[0031] 如果能够像这样将热处理工序分成多个工序，各个工序在不同的室中进行，则能 够提高每单位时间的热处理能力。
[0032] 本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法中，为了提高生产率，优选在热处理 工序之后还包含对上述钛基材进行裁切的裁切工序。
[0033] 此外，通过进行利用冲压加工在由上述的燃料电池间隔件用材料的制造方法制造 的燃料电池间隔件用材料的表面形成气体通路的冲压加工工序，能够连续生产燃料电池间 隔件。
[0034] 另外，本发明的卷状燃料电池间隔件用材料的特征在于，具有厚度40ym以上且 200ym以下的由钛或钛合金构成的钛基材、覆盖所述钛基材的碳层和在所述钛基材与所述 碳层之间的包含碳化钛的中间层，用两张碳布由两面夹着所述燃料电池间隔件用材料，进 而使用接触面积4cm2的铜电极以接触载荷196N对其外侧进行加压，保持由两面进行加压 的状态不变，以20cm/秒的速度沿面方向拉出所述基材后，覆盖基材的碳层的覆盖面积是 拉出所述基材前的覆盖基材的碳层的覆盖面积的一半以上。
[0035] 本发明的卷状燃料电池间隔件用材料由于具有上述构成，因而基材与碳层之间的 密合性和导电耐久性优异，而且生产效率也优异。
[0036] 发明效果
[0037] 根据本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法，能够制造基材与碳层之间的密 合性和导电耐久性优异、且生产效率也优异的燃料电池间隔件材料。另外，根据本发明的燃 料电池间隔件用材料，可以提供即便在燃料电池蓄电单元内部的高温、酸性气氛下也能够 长时间维持高导电性的燃料电池间隔件。
【附图说明】
[0038] 图1A是用于对本发明的燃料电池间隔件用材料的导电耐久性进行评价的接触电 阻测定装置的示意图。
[0039] 图1B是用于对本发明的燃料电池间隔件用材料的密合性进行评价的密合性评价 装置的示意图。
【具体实施方式】
[0040]