[发明专利]表面覆有碳膜的金属材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面覆有碳膜的金属材料；特定言之，本发明尤其关于一种可使用于燃料电池的双极板材料的制造的表面覆有碳膜的金属材料。

背景技术

近年来，由于能源短缺及地球温室效应等因素，氢供系统的燃料电池(fuelcell)的发展引起人们的注意，盖燃料电池非但无非充电电池(non-chargeablebattery)用完即丢弃所导致的环保上的问题，亦可免除传统充电电池(chargeablebattery)需进行耗时充电程序的缺点。此外，燃料电池的排放物(例如水)对环境亦无危害。

一般而言，燃料电池零组件包含膜电极组(membrane-electrodeassembly，MEA)、气体扩散层、及具有气体流道的双极板(Bipolarplate)等。其中双极板占燃料电池约90％的体积，系影响电池功率密度与制作成本的重要因素，其作用为电流的收集与传送、气体的分布以及热管理等，故一般以具备优良的电传导性、热传导性、机械强度、防腐蚀性与化学安定性者为益。

目前的双极板材料通常系以石墨、复合材料或刚性较好的金属材料为主。其中，以石墨的使用历史最为悠久、且最常用，其具有良好导电性及抗蚀性，但缺点为加工(如车削、钻孔、或薄型化)不易、机械强度不足、价格昂贵及气密性不佳。复合材料，以高分子/石墨复合材料为例，虽然其价格较为低廉，但其机械性能不佳且导电率不如商用石墨，故仍未能广为应用。因此，价格低廉且导电性及机械性能均优于商用石墨的金属双极板，已被认为是未来燃料电池双极板的主流。

然而，金属材料在燃料电池双极板的应用上，并非全无缺点。其常见的一个缺点为，金属材料(例如不锈钢、镍合金、铝合金等)在燃料电池严苛的操作环境下，易被腐蚀而释放出金属离子，进而影响燃料电池的寿命，因此，必须提高金属材料表面的抗腐蚀性，以提升其应用性。常见的一手段为在金属基材表面覆盖上一层惰性贵金属(如银、金、铂、钯等)，然而这些贵金属的使用将大幅增加成本。此外，亦已提出在金属基材表面披覆碳膜，以阻绝腐蚀环境。例如，美国专利第5,068,126号揭示使用热裂解化学气相沉积法以在不同合金基板表面上形成粒状石墨堆积层，随后再以物理气相沉积工艺以在石墨堆积层表面披覆金属合金镀膜，最后再于金属合金镀膜表面沉积一粒状碳堆积层。惟此一方法除过程繁杂外，所制得的表面覆有碳膜的金属材料由于该石墨堆积层及该粒状碳堆积层均系由颗粒状石墨堆积而成，并非连续且致密的碳膜，因此无法于例如燃料电池的严苛腐蚀环境中使用。

发明内容

本发明的目的是在不使用昂贵的贵金属、且不需预先形成触媒层的情况下，简易地制得表面覆有连续且致密的碳膜的金属材料，其中碳膜系牢固地生长在金属表面，其导电性十分优良，且具有双相结构(非晶相及类石墨相)，不易被强酸/强碱穿透侵蚀。因此本发明金属材料可于严苛的化学/电化学环境中使用，并可取代特定用途的昂贵高密度石墨块材。

一种表面覆有碳膜的金属材料，包含：一金属基材；以及一碳膜，包含非晶相及类石墨相；铁、铜、铝、镍、钛、前述的合金、及前述的组合；其中该金属基材系选自以下群组：不锈钢、平碳钢、低合金钢、铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、及其组合；其中该金属基材系不锈钢或平碳钢；其中该碳膜系一单层结构，其厚度为约60微米；其中以波长为约514.5纳米的氩气激光作为测量光源，测得该碳膜的拉曼光谱学R值系为0.25；其中该碳膜系一多层结构；其中该碳膜包含一或多层非晶相层及一或多层类石墨相层，彼此交替堆迭。

具体实施方式

一种表面覆有碳膜的金属材料，包含：一金属基材；以及一碳膜，包含非晶相及类石墨相；铁、铜、铝、镍、钛、前述的合金、及前述的组合；其中该金属基材系选自以下群组：不锈钢、平碳钢、低合金钢、铜合金、铝合金、镍合金、钛合金、及其组合；其中该金属基材系不锈钢或平碳钢；其中该碳膜系一单层结构，其厚度为约60微米；其中以波长为约514.5纳米的氩气激光作为测量光源，测得该碳膜的拉曼光谱学R值系为0.25；其中该碳膜系一多层结构；其中该碳膜包含一或多层非晶相层及一或多层类石墨相层，彼此交替堆迭。