[发明专利]基于钛的材料、制造基于钛的材料的方法以及燃料电池分隔器

说明书

技术领域

本发明涉及基于钛的材料，该基于钛的材料被形成为使高导电性膜形成在由钛或钛合金制成的基材(base material)的表面上。具体而言，本发明涉及能够确保膜的粘附性的基于钛的材料、制造基于钛的材料的方法以及由基于钛的材料制成的燃料电池分隔器(fuel cell separator)。

背景技术

使用电解质膜的聚合物电解质燃料电池可在低温下操作，并且尺寸和重量均减小。因此，已经研究了将聚合物电解质燃料电池应用于诸如汽车的移动体。特别地，作为生态汽车，配备有聚合物电解质燃料电池的染料电池车辆受到社会关注。

如图10所示，这样的聚合物电解质燃料电池包括作为主要构成要素的膜电极组件(MEA)95，该MEA 95被保持在各自具有燃料(氢)气体流动通路和空气流动通路的分隔器96之间。通过这样做，形成了称为单电池的一个燃料电池90。膜电极组件95具有的结构使得阳极电极(阳极催化剂层)93a被层叠在作为离子交换膜的电解质膜91的一侧上且阴极电极(阴极催化剂层)93b被层叠在电解质膜91的另一侧上。阳极催化剂层93a包括气体扩散层94a。阴极催化剂层93b包括气体扩散层94b。

基于钛的材料可被用作燃料电池的分隔器的材料。上述材料具有在其表面层上的钝化氧化物膜。该氧化物膜在通常环境下是抗腐蚀的，因此希望使用氧化物膜作为分隔器的材料。燃料电池的分隔器在燃料电池发电期间被供能。然而，由于氧化物膜，存在接触电阻增加的可能性，因此劣化了向分隔器的导电性。这导致燃料电池的发电特性的降低。于是，在基于钛的材料(由钛制成的基材)的表面上形成(沉积)碳膜以确保分隔器的导电性。

顺便提及，通过轧制(rolling)来调整这样的钛基材的厚度。在轧制期间，由于轧制油，在钛基材的表面上形成TiCx层(轧制变质层(rolling-altered layer))。轧制变质层容易腐蚀，因此会劣化钛基材的抗腐蚀特性。于是，在轧制钛基材时，通常，从钛基材去除轧制变质层，并在已经去除了轧制变质层的表面上沉积碳膜。

然而，当在钛基材的表面上沉积碳膜时，碳膜的粘附性不十分好，因此存在碳膜的剥离等等的可能性。鉴于上述情况，提出了例如这样的基于钛的材料，该材料被形成为使得诸如Ti和Zr的过渡金属元素或者诸如Si和B的准金属(metalloid)元素形成作为在基材的氧化物膜与碳膜之间的中间层(参见例如日本专利申请公开2004-185998(JP-A-2004-185998))。通过形成上述中间层，可以改善钛基材与碳膜之间的粘附性。

然而，当在JP-A-2004-185998的情况下制造基于钛的材料时，需要在形成碳膜之前在钛基材的表面上沉积中间层。这增加了制造工艺，并可导致制造成本的增加。此外，依赖于构成中间层的材料的选择，不能充分确保粘附性，因而不足够可靠。

发明内容

本发明提供了一种基于钛的材料，在该材料上可形成具有高粘附强度的低成本碳膜而不增加制造工艺，且还提供一种制造基于钛的材料的方法。

发明人研究并获得这样的构思，当在钛基材的表面上形成碳膜时，希望包含钛和碳二者的层作为中间层。发明人关注于作为在用于调整上述钛的厚度的轧制工艺中包含上述成分的层的形成在基材表面上的轧制变质层。轧制变质层为在轧制期间从钛基材化学或机械变质(alter)的层，并且是包含碳化钛(TiCx)且在其表面上具有凹凸(asperity)的层。因此，发明人发现，当在上述层上沉积碳膜时，可以改善与碳膜的粘附性。

本发明的第一方面提供了一种制造基于钛的材料的方法。所述方法包括：通过包含碳的轧制油轧制钛基材以在所述基材的表面上形成包含碳化钛的轧制变质层；以及在所述轧制变质层已形成于其上的所述表面上沉积碳膜。

对于第一方面，通过利用包含碳的轧制油进行轧制，通过在轧制期间的能量(加热基材的能量、由在轧制期间产生的轧制热导致的能量等)而在基材的表面上形成轧制变质层。轧制变质层为包含碳化钛的层，该碳化钛是通过轧制油的碳与基材的钛之间的反应而获得的，并且在该层的表面上形成凹凸。

通过在上述轧制变质层的表面上形成碳膜，轧制变质层用作包含碳化钛的中间层。因此，轧制变质层具有对碳膜的碳的亲合力，并且，由于该层的表面的凹凸，可以呈现对碳膜的锚定效果。此外，轧制变质层为基材的一部分变质的层，因此轧制变质层对基材的粘附性同样是高的。