[发明专利]非晶碳膜、形成非晶碳膜的方法、具有非晶碳膜的导电性部件以及燃料电池用隔板

说明书

技术领域

本发明涉及一种以碳为主要成分并显示出导电性的非晶碳膜、形 成该非晶碳膜的方法以及以燃料电池用隔板为代表的具有非晶碳膜的 导电性部件。

背景技术

由于碳的资源量几乎无限并且无害，所以考虑到资源和环境问题， 碳是一种极好的材料。碳材料具有多种原子间键合形态，而且多种晶 体结构是公知的，诸如金刚石、类金刚石碳、石墨、富勒烯和碳纳米 管。尤其是，具有非晶结构的类金刚石碳(非晶碳)由于具有高机械强度 和优越的化学稳定性，因此希望将其应用在各个工业领域中。

然而，普通非晶碳膜的电阻处于从半导体到绝缘体的范围内。为 进一步拓宽非晶碳的应用范围，需要赋予非晶碳以导电性。非晶碳的 一种应用是燃料电池的隔板。图8示意性地示出单电池固体聚合物燃 料电池的一个实例。图8的左图示出了层压前其各组成要素的布置， 并且图8的右图示出了这些要素层压后的状态。单电池1由电解质膜 1a和从两侧夹住电解质膜1a的一对电极(空气电极1b和燃料电极1c) 构成。隔板2具有其上形成多个凹道的凹道形成表面2b、2c。隔板2 分别被设置在树脂隔板框架3内并被层压，从而使空气电极1b和凹道 形成表面2b相互面对，并且燃料电极1c和凹道形成表面2c相互面对。 由此，在电极和隔板之间形成被电极表面和凹道所区划的气体通道， 而且作为燃料电池的反应气体的燃料气体和氧气被有效地供应到电极 表面上。

在燃料电池中，燃料气体和氧气需要在不混合的前提下单独供应 到整个电极表面。因此，隔板需要是气密性的。而且，隔板需要收集 反应产生的电子，并且当多个电池被层压时隔板作为电连接器用于连 接相邻的单电池，因而隔板还需要具有良好的导电性。而且，由于电 解质表面是强酸性，所以隔板需要具有耐蚀性。

因此，通常使用石墨板作为隔板材料。然而，由于石墨板很容易 裂开，所以石墨板的问题在于形成多个气体通道、使表面平坦等隔板 生产场合的加工性问题。另一方面，由于金属材料在导电性和加工性 方面都是优越的，并且尤其是钛和不锈钢具有优越的耐蚀性，所以金 属材料能够被用作隔板材料。然而，由于具有优越耐蚀性的金属材料 很容易被钝化，所以存在使燃料电池内阻增加并引起电压下降的问题。 因此，金属基材表面覆盖有导电性非晶碳膜的隔板开始引起了关注。

用于赋予非晶碳以导电性的方法的实例包括将金属添加到非晶碳 中的方法(参见特开2002-38268号公报(专利文献1)和特开2004-284915 号公报(专利文献2))。然而，添加的金属可能会变成腐蚀的原因，并且 添加了金属的非晶碳在使用中与其它金属接触时，可能会变成粘着的 原因，这样，有时会破坏非晶碳固有的化学稳定性。

另一方面，在特开2002-327271号公报(专利文献3)中，在不添加 金属的前提下赋予非晶碳以导电性。专利文献3公开了一种碳膜，该 碳膜的结构是在部分晶体内具有sp²键合碳的sp²键合性晶体在膜的厚 度方向上从膜的最底层(基材侧)连续地延伸到最顶层(表面侧)，并且除 sp²键合性晶体之外的其它部分是非晶的。根据专利文献3的描述，考 虑到碳膜的耐蚀性和耐磨耗性，减少sp²键合性晶体的含量是重要的。 因此，希望sp²键合性晶体从碳膜的基材侧到表面侧连续存在，这是因 为它有效地增加了碳膜的膜厚度方向上的导电性，并因此有助于减小 sp²键合性晶体的含量。引用的文献3也指出sp²键合性晶体的含量增 加引起碳膜的硬度降低以及耐磨耗性降低。也就是说，引用的文献3 暗示出碳膜的非晶部分包含大量的能改进耐磨耗性和硬度的sp³键合 碳。因此，存在的可能性是在无连续sp²键合性晶体的与膜厚度垂直的 方向上出现导电性恶化，并且出现电各向异性。