CN104471768A

CN104471768A - 燃料电池间隔件

Info

Publication number: CN104471768A
Application number: CN201380037628.2A
Authority: CN
Inventors: 铃木顺; 佐藤俊树; 高田悟
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: DE112013003600B4; JP2014022250A; WO2014013859A1; JP6122589B2; KR20150030230A; US9595723B2; US20150171434A1; CN104471768B; KR101728248B1; DE112013003600T5

Abstract

燃料电池间隔件(10)具备由钛或钛合金构成的基材(1)和在基材(1)上压接碳粉而形成的覆盖表面的导电性的碳层(2)，且基材(1)与碳层(2)之间形成有中间层(3)。中间层(3)通过在含有微量的氧的气氛下进行热处理而形成，含有基材(1)的Ti与碳层(2)的C反应而生成的碳化钛，且氧的含有率为0.1～40原子％。

Description

燃料电池间隔件

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的、以钛为基材的燃料电池间隔件。

背景技术

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的大小影响，另外噪音、振动也少，因此，被期待作为覆盖各种用途、规模的能源。具体来说，燃料电池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。其中，正在推进面向燃料电池汽车、家庭用废热发电系统、手机、个人电脑等便携设备的固体高分子型燃料电池的开发。

固体高分子型燃料电池(以下称燃料电池)通过以下方式构成，即：用阳极和阴极夹持固体高分子电解质膜形成单元电池，隔着形成有成为气体(氢、氧等)的流路的槽的间隔件(也称双极板)，将多个上述单元电池叠合在一起而构成。

间隔件也是用于将在燃料电池内产生的电流向外部输出的部件，因此，应用接触电阻(是指在电极与间隔件表面之间，因界面现象产生电压下降。)低的材料。另外，由于燃料电池的内部是pH 2～4左右的酸性气氛，所以要求间隔件有高耐腐蚀性，还要求在该酸性环境中的使用中长期保持所述低接触电阻这样的特性。因此，以往应用的是，将石墨粉末的成形体削出而制造、或由石墨和树脂的混合物成形体形成等的碳制的间隔件。但是，这样的碳制的间隔件的强度、韧性差，对燃料电池施加振动、冲击时有可能发生破坏。因此，一直在研究使用了加工性和强度优异的铝、钛、镍、以它们为基础的合金或不锈钢等金属材料的间隔件。

若将铝、不锈钢等应用于间隔件，则在燃料电池的内部的酸性气氛下发生腐蚀而金属离子溶出，因而使固体高分子电解质膜、催化剂提前劣化。另一方面，钛等耐腐蚀性良好的金属在腐蚀环境下形成导电性低的钝化膜，因而接触电阻劣化(上升)。由此，正在开发以金属材料为基材，在其表面覆盖能够长期保持的具有导电性的皮膜，从而赋予了耐腐蚀性和导电性的间隔件。

作为具有导电性、且耐腐蚀性的皮膜材料，可以举出Au、Pt这样的贵金属或贵金属合金，但如果用这样的贵金属材料覆盖间隔件则成本变高。因此，公开了应用碳材料作为具有导电性和耐腐蚀性的廉价的材料，并将含有它的皮膜设置于金属基材的表面的间隔件的技术。例如，对于专利文献1和专利文献2所公开的间隔件而言，在不锈钢中选择耐酸性高的添加了Cr、Ni的奥氏体系或奥氏体-铁氧体二相系的不锈钢为基材，在其表面分散并附着碳粒子，专利文献1通过压接，专利文献2通过热处理，分别使其密合在基材上。

但是，这些间隔件中，碳粒子呈岛状附着，因此基材部分地露出，即使是耐酸性高的不锈钢基材，在燃料电池中使用时铁离子也有可能溶出。因此，正在开发通过将耐腐蚀性优异的钛应用于基材，无论表面的导电性皮膜的环境屏蔽性(阻隔性)，基材都没有腐蚀的风险的间隔件。

专利文献3所公开的间隔件利用化学气相沉淀(CVD)法或溅射法使覆盖表面的碳膜在高温下成膜，形成非晶质从而提高导电性，成为低接触电阻的间隔件。此外，专利文献4所公开的间隔件为了提高耐腐蚀性而残留金属基材的氧化皮膜，为了赋予该氧化皮膜与覆盖表面的包含碳的导电性薄膜的密接性，而具备包含选自Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr等金属元素或Si等半金属元素的中间层，进一步从中间层到导电性薄膜在其界面使配合比例由金属元素等向碳推移。专利文献5所公开的间隔件为了赋予耐腐蚀性而在金属基材表面使类金刚石碳层成膜，在其上，利用电弧离子镀(AIP)装置形成分散并附着有石墨粒子的导电部。

但是，专利文献3～5所记载的间隔件具备利用CVD法或溅射法成膜的非晶质的碳膜，因此阻隔性不充分，基材因钝化膜而不发生腐蚀的间隔件的导电性劣化，另外碳膜与其基底(金属基材、中间层)的密接性不充分。另外，根据CVD法等，为了使碳膜成膜成充分的膜厚需要处理时间，所以生产率差。

因此，本申请发明人通过在钛基材上形成碳层后进行热处理，开发了在基材与碳层之间形成了具有碳化钛的中间层的间隔件(参照专利文献6)。像这样，通过使基材的钛与碳层的碳发生反应而形成中间层，碳层与基材的密接性优异，另外凭借导电性的碳化钛成为低电阻的间隔件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3904690号公报

专利文献2：日本专利第3904696号公报

专利文献3：日本特开2007-207718号公报

专利文献4：日本专利第4147925号公报

专利文献5：日本特开2008-204876号公报

专利文献6：日本专利第4886885号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在此，尤其是配置于燃料电池的阳极(氢极)侧的间隔件曝露于高温的氢气(H₂)气氛中，因此，存在应用于这样的间隔件的金属材料吸收氢而机械特性劣化(脆化)的问题，特别是钛、钛合金较容易吸收氢。但是，对于专利文献1～6所记载的间隔件而言，不管碳膜是非晶质还是石墨，对氢的屏蔽性都不充分，另外，专利文献6所记载的间隔件的中间层对氢的屏蔽性也不充分，因此有改善的余地。

本发明鉴于上述问题而完成，目的在于提供低成本的碳皮膜密接性良好地在耐腐蚀性优异且轻量的钛基材上形成，在导电性的保持和耐腐蚀性的基础上，耐氢吸收性优异而能够用于燃料电池的阳极(氢极)侧的燃料电池间隔件。

用于解决课题的手段

本发明人从钛氧化物具有耐氢吸收性出发而想到，对于与专利文献6同样地在钛基材与碳层之间形成的中间层，在含有碳化钛的同时使其含有氧，经过深入研究，发现在所述中间层中兼顾导电性和耐氢吸收性的氧浓度。

即，本发明的燃料电池间隔件的特征在于，具备由钛或钛合金构成的基材和覆盖所述基材的导电性的碳层，在所述基材与所述碳层之间，还具备含有碳化钛且氧的含有率为0.1～40原子％的中间层。另外，燃料电池间隔件优选所述碳层为石墨。此外，燃料电池间隔件优选所述中间层的氧的含有率为0.5～30原子％。

像这样，由于在基材与碳层之间形成有含有包含基材和碳层两方的成分的碳化钛的中间层，能够得到基材与碳层的密接性和向基材的阻隔性，进一步由于中间层含有规定量的氧而在导电性的基础上具有耐氢吸收性，成为基材难以氢脆化而耐久性优异的燃料电池间隔件。进而由于碳层是结晶性的石墨，因此成为导电性进一步提高、且该导电性即使在燃料电池的内部环境下也能长期保持的燃料电池间隔件。

发明效果

根据本发明的燃料电池间隔件，耐腐蚀性优异，利用可低成本地形成的碳膜能够长期保持低接触电阻，另外可用于燃料电池的阳极(氢极)侧。

附图说明

图1是对本发明的一个实施方式的燃料电池间隔件的层叠结构进行说明的示意图，是放大剖视图。

图2是对接触电阻的测定方法进行说明的示意图。

图3是表示实施例的燃料电池间隔件的试验材的接触电阻与中间层的O含有率依存性的图表。

图4是表示实施例的燃料电池间隔件的试验材的氢气曝露试验后的氢浓度与中间层的O含有率依存性的图表。

具体实施方式

〔燃料电池间隔件〕

对于本发明的燃料电池间隔件，参照图1进行详细说明。

本发明的一个实施方式的燃料电池间隔件10是在通常的燃料电池(固体高分子型燃料电池)中使用的板状的间隔件，形成有成为氢、氧等的流路的槽(省略图示)。如图1所示，燃料电池间隔件10具备由钛(纯钛)或钛合金构成的基材1、在燃料电池间隔件10的表面设置的碳层2、和在基材1与碳层2之间形成的中间层3而构成。在此，燃料电池间隔件10的表面是指，在燃料电池中使用时曝露于该燃料电池的内部气氛的区域(包括两侧的面、端面)。以下，对构成燃料电池间隔件的各要素进行详细说明。

(基材)

基材1作为燃料电池间隔件10的基材，是将板材成形为该燃料电池间隔件10的形状的基材。基材1在薄质化和燃料电池间隔件的轻量化方面特别适宜，另外，燃料电池间隔件10在用于燃料电池时，由对于该燃料电池的内部的酸性气氛具有充分的耐酸性的钛(纯钛)或钛合金形成。例如可以应用JIS H 4600所规定的1～4类纯钛、Ti-Al、Ti-Ta、Ti-6Al-4V、Ti-Pd等Ti合金，其中优选特别适合薄型化的纯钛。特别是从钛原材(母材)的冷轧的容易程度(可以不进行中间退火地实施总压下率35％以上的冷轧)、确保其后的压制成形性的观点出发，优选O：1500ppm以下(更优选1000ppm以下)、Fe：1500ppm以下(更优选1000ppm以下)、C：800ppm以下、N：300ppm以下、H：130ppm以下，余量由Ti和不可避免的杂质构成的物质，例如可以使用JIS 1类冷轧板。但是，作为本发明中可以适用的纯钛或钛合金，并不限于这些，若为具有含有其它金属元素等而成的与上述的纯钛相当或与钛合金相当的组成的物质，则可以适宜地使用。需要说明的是，以下在本说明书中，作为成分、元素的钛和碳分别记为“Ti”、“C”。

基材1的厚度(板厚)没有特别限定，但作为燃料电池间隔件的基材，优选为0.05～1.0mm。若将基材1的厚度设为这样的范围，则满足燃料电池间隔件10的轻量化、薄型化的要求，具备作为板材的强度、操作性，且容易形成(轧制)为所述厚度的板材，进而在形成碳层2后，较容易加工成该燃料电池间隔件10的形状。

作为基材1的制造方法的一例，可以利用公知的方法对上述的钛或钛合金进行铸造、热轧，根据需要在其间进行退火、酸洗处理等，通过冷轧到期望的厚度，从而制造成板(条)材。需要说明的是，基材1优选在冷轧后进行退火加工，但其加工状态没有要求，例如，可以是在所述退火后进行了酸洗处理的状态，或者可以是真空热处理加工、光亮退火加工等任意的加工状态。

(碳层)

碳层2覆盖基材1而设置于燃料电池间隔件10的表面，对该燃料电池间隔件10赋予腐蚀环境下的导电性。碳层2若为由具有耐腐蚀性的碳(C)形成、且具有导电性的碳层，则其结构没有特别限定，但优选为具有六方晶系的石墨结构的、具体为石墨层多数层叠成层状的六角板状结晶。结晶性的石墨的导电性优异，高温、酸性气氛的燃料电池的内部环境中的耐久性优异，因此能够保持所述导电性。作为这样的石墨的碳层2可以通过将成形为粒状或粉状的石墨(石墨)、炭黑之类的碳粉附着(涂布)并压接在基材上来形成(在后述的燃料电池间隔件的制造方法中详细说明)。除此之外，碳层2可以像所谓的碳那样，是微小的石墨结构和立方晶系的金刚石结构混合存在的非晶质(无定形)结构。

对于燃料电池间隔件10而言，在曝露于燃料电池的内部的气氛的全表面(包括两侧的面、端面)，碳层2覆盖的面积率越高导电性越提高。因此，最优选碳层2覆盖所述全表面，但在40％以上形成即可，优选在50％以上形成。在本发明的燃料电池间隔件10中，如上所述，基材1在腐蚀环境下形成钝化膜，因此基材1自身具有耐腐蚀性和耐氢吸收性，因而即使露出也不会腐蚀或脆化。因此，碳层2没有必要成为完全连续的膜，可以如上所述通过将成形为粒状或粉状的碳粉压接到基材上而形成。通过利用这样的方法形成，碳层2生产率良好地形成充分的厚度，通过石墨、炭黑能够获得优异的导电性。

碳层2的厚度(膜厚)没有特别限定，但若极端地薄则不能充分地得到导电性，另外，对于这样的薄膜而言，形成时的单位面积的碳粉的量即个数少，因而碳层2成为间隙多的膜而不能充分地得到阻隔性，在基材1的表面细微地露出的区域变多，在这样的区域形成钝化膜，因而燃料电池间隔件10的导电性进一步劣化。为了对燃料电池间隔件10赋予充分的导电性，碳层2换算成碳的附着量优选为2μg/cm²以上，进一步优选为5μg/cm²以上。另一方面，即使碳层2的碳的附着量超过1mg/cm²，导电性也不会进一步提高，另外，难以压接大量的碳粉而形成碳层2，而且若碳层2极端地厚膜化，则由于与基材1的热膨胀率之差而在后述的热处理等中变得容易剥离，所以碳的附着量优选为1mg/cm²以下。碳层2的厚度和碳的附着量可以由该碳层2的形成中的碳粉向基材1的涂布量进行控制。

(中间层)

中间层3是在基材1上形成碳层2后，C、Ti在该碳层2与基材1的界面相互扩散从而形成的层，进一步含有氧(O)0.1～40原子％。另外，在中间层3中，上述的Ti、C的至少一部分作为碳化钛(钛碳化物、TiC)存在。像这样，在中间层3中，由于碳层2的C与基材的Ti反应而生成碳化钛，碳层2和基材1隔着该中间层3牢固地接合，另外利用因含有碳化钛而具有导电性的中间层3，碳层2与基材1以低电阻电连接。

另外，中间层3的成分若仅为Ti、C则不能得到对氢的充分的屏蔽性，基材1(Ti母材)吸收浸入的氢而脆化，因此含有0.1原子％以上的O。中间层3随着O含有率变高而耐氢吸收性变高，优选0.3原子％以上，更优选0.5原子％以上，进一步优选0.8原子％以上。另一方面，中间层3随着O含有率变高，变得接近绝缘性的二氧化钛(TiO₂)因而导电性降低，作为燃料电池间隔件不能得到充分的导电性，因此设为40原子％以下，优选35原子％以下，更优选30原子％以下，进一步优选26原子％以下。这样的中间层3通过在基材1上形成碳层2后，在微量含有氧气(O₂)的气氛下进行热处理从而形成(在后述的燃料电池间隔件的制造方法中详细说明)。

在此，形成有中间层3、即在基材1与碳层2的界面存在碳化钛是指，在基材1的表面没有绝缘性的钝化膜(二氧化钛、TiO₂)。如上所述在基材1上压接碳粉而形成碳层2的情况下，在该时刻，碳层2仅仅通过压紧在硬质的基材1上而附着，与基材1的密接性并不充分，另外，无论基材1的加工状态(有无酸洗)，都在基材1的表面即与碳层2的界面存在钝化膜(氧化膜)。若以该状态在氧为一定浓度以下的低氧气氛下实施热处理，则基材1表面的钝化膜的厚度变薄而最终可能消失。推测这是由于钝化膜(TiO₂)中的氧(O)在基材1的母材(Ti)中发生内部扩散、或与碳层2的C反应而以二氧化碳(CO₂)的形式排出。而且，若变成碳层2接触基材1的母材(Ti)的状态，则在其接触的界面，通过热处理C、Ti相互扩散而发生反应，生成碳化钛。像这样，通过形成碳层2后的热处理而形成的中间层3如图1所示，碳化钛(TiC)呈粒状生成，作为一例沿着基材1与碳层2的界面相连，形成1个或多个量的层。需要说明的是，在中间层3中，不限于所有Ti、C都生成碳化钛，由于还含有氧，因此还可能以固溶有碳、氧的金属钛、或氧缺乏型的钛氧化物的状态存在，与碳化钛混合存在。

因此，形成有中间层3(碳化钛)的区域是基材1的钝化膜消失的区域。而且，在这样的区域，成为碳层2在基材1(母材)上仅隔着导电性的中间层3而覆盖的状态，如上所述，碳层2与基材1以低电阻电连接。其结果是，燃料电池间隔件10作为基材1、中间层3、碳层2的层叠体能够得到低接触电阻。进而，由于形成有中间层3，基材1与碳层2隔着该中间层3牢固地接合。其结果是，对于燃料电池间隔件10而言，在对该燃料电池间隔件10成形时或用于燃料电池时，不仅碳层2不发生剥离等，而且基材1与碳层2之间不产生间隙，因此燃料电池内部的酸性气氛不会浸入而接触基材1表面，新的钝化膜的形成导致的接触电阻的上升得到抑制，耐久性提高。进而，对于燃料电池间隔件10而言，凭借中间层3，或者在未形成碳层2的区域凭借钝化膜，燃料电池内部的氢气气氛不会浸入而接触基材1表面，因此基材1(母材)上不会吸收氢，耐久性提高。

最优选中间层3在基材1与碳层2之间(界面)的所有区域形成，若在该界面的50％以上形成，则能够充分地获得基材1与碳层2的密接性。另外，中间层3的厚度没有特别限定，但若为10nm以上则充分地获得基材1与碳层2的密接性而优选。另一方面，即使中间层3的厚度超过500nm，基材1与碳层2的密接性也不会进一步提高，另外热处理时间变长而生产率降低，因此优选500nm以下，进一步优选200nm以下。

〔燃料电池间隔件的制造方法〕

接着，对本发明的燃料电池间隔件的制造方法的一例进行说明。

(基材制造工序)

如上所述，利用公知的方法制造由钛或钛合金构成的期望的厚度的冷轧板(条材)并卷取成卷，作为基材1。进一步根据需要，可以将冷轧板退火、或用氢氟酸和硝酸的混合溶液等进行酸洗。

(碳层形成工序)

在基材1的表面(单面或两面)附着用于形成碳层2的碳粉。附着方法没有特别限定，使碳粉直接附着在基材上，或者将使碳粉分散于羧甲基纤维素等的水溶液或含有树脂成分的涂料中的浆料涂布在基材1上即可。或者可以举出：将混炼碳粉和树脂而制作的含碳粉膜贴在基材1上；或通过喷丸法将碳粉打入基材1表面，从而在基材1上担载；或将碳粉末和树脂粉末混合，通过冷喷法在基材1上附着的方法等。另外，在涂布浆料的情况等使用溶剂的情况下，优选在通过送风等使其干燥后进行后续的压接。

用于形成碳层2的碳粉优选粉径或粒径(直径)为0.5～100μm的范围的碳粉。若粒径过大，则难以附着于基材1，即使进一步通过轧制向基材1压接也难以附着。相反若粒径过小，则在通过轧制向基材1的压接中，碳粉压附于基材1的力变弱，因而变得难以附着于基材1。

通过进一步对附着有碳粉的基材1进行冷轧，从而将碳粉压接(以下称为轧制压接)于基材1，将碳粉彼此接合而形成膜状的碳层2。此时的冷轧可以与制造基材1时的通常的冷轧同样地利用轧机进行，但碳粉具有与润滑剂同样的效果，因此轧辊可以不涂布润滑油。该轧制压接中的总轧制率(相对于轧制压接前的基材1+碳层(附着的碳粉)的合计厚度的轧制压接带来的变化率)优选为0.1％以上。通过所述轧制压接，软质的碳粉发生变形而碳粉彼此接合形成膜状的碳层2，附着于基材1。总轧制率的上限没有特别规定，按照相对于基材制造工序结束时的基材1的厚度成为期望的厚度的方式进行调整即可。但是，对于基材1若总轧制率变得过大则发生弯曲或起伏，因此基材1的总轧制率(相对于轧制压接前的基材1的板厚的轧制压接带来的基材1的板厚变化率)优选为50％以下。

像这样，由于碳层2通过压接碳粉而形成，软质的碳粉彼此接合成为一体膜，而通过压附向硬质的基材1附着，因此碳层2刚形成后对基材1的密接性不充分。另外，如上所述，由于在基材1的表面即与碳层2的界面形成有钝化膜，所以作为整体接触电阻高。因此，通过接下来的热处理，使基材1表面的钝化膜消失，进一步在与碳层2之间形成中间层3。

(热处理工序)

通过在低氧气氛下对形成有碳层2的基材1实施热处理，使基材1的钝化膜变薄且至少一部分消失，使得碳层2接触基材1的母材(Ti)，进一步在接触的界面生成碳化钛而形成中间层3。热处理温度优选300～850℃的范围。若热处理温度过低，则不进行在基材1与碳层2的界面的Ti和C的反应，因此不形成中间层3，相反温度越高，反应速度越变快，因此能够缩短热处理时间。热处理时间在0.5～60分钟的范围内，根据热处理温度来设定。另一方面，若热处理温度过高则引起Ti的相变，因此基材1的机械特性有可能变化。

另外，低氧气氛是指在氮(N₂)、氩(Ar)等不活泼气体中微量混合了氧(O₂)的气氛，具体来说，与热处理温度、压力等相关，但O₂浓度优选5～300ppm，进一步优选10～100ppm。若在真空或仅不活泼气体的非氧化性气氛下实施热处理，则不会向中间层3导入氧(O)，不能充分地得到对氢的屏蔽性。另一方面，热处理气氛中的O₂浓度越高则中间层3的O含有率越变高，因此若O₂浓度变得过剩(氧分压不充分低)，则中间层3的O含有率变得过剩而导电性降低，进而在热处理中碳层2的碳发生氧化而作为二氧化碳(CO₂)分离，碳层2的膜厚减小。热处理气氛中的O₂即使为上述那样的低浓度也能充分地导入中间层3，因此在狭窄范围内严格地调整O₂浓度(氧分压)，从而控制中间层3的氧含有率。

热处理可以在上述范围的期望的热处理温度下进行，并且若为能够进行气氛调整的热处理炉，则可以使用电炉、气炉等任何热处理炉。另外，若为连续式的热处理炉，则可以将形成了碳层2的基材1以卷状的条材的状态进行热处理。另一方面，使用分批式的热处理炉的情况下，切断成能够容纳在炉内的长度、或用于形成燃料电池间隔件10的规定的形状后进行热处理即可。

(成形工序)

进一步通过切断、压制加工等，将形成了碳层2和中间层3的基材1成形为期望的形状，作为燃料电池间隔件10。需要说明的是，成形工序还可以在热处理工序前进行。即，即使在中间层3形成前，通过加工等使碳层2以不发生剥离的程度密合于基材1即可。另外，可以代替轧制压接，而与基材1的压制加工同时压接碳粉形成碳层2。

本发明的燃料电池间隔件不限于上述制造方法，例如可以利用化学气相沉积(CVD)法、溅射法等，在基材1上，按照层叠顺序即中间层3、碳层2的顺序连续地成膜而制造。中间层3可以利用溅射法，在对靶(阴极)应用钛，在Ar气氛中混合甲烷(CH₄)等含碳气体和微量的氧(O₂)而成膜。然后，连续切换气氛、施加电压等，使碳层2成膜。利用CVD法成膜的碳层2通常成为非晶质膜。需要说明的是，在这样的制造方法中，不需要用于形成中间层3的热处理，因此基材1通过中间层3成膜前的离子束照射等或进一步预先进行酸洗，除去表面的钝化膜。

以上，关于本发明的燃料电池间隔件，对用于实施本发明的方式进行了说明，以下，将确认了本发明的效果的实施例与不满足本发明的要件的比较例进行比较来说明。需要说明的是，本发明不受该实施例和上述方式限定，基于这些记载进行了各种变更、改变等的形式当然也包含在本发明的主旨中。

【实施例】

〔试验材的制作〕

作为基材材料，应用JIS 1类、化学组成为O：450ppm、Fe：250ppm、N：40ppm、C：200ppm、H：30ppm，余量为Ti和不可避免的杂质的纯钛，实施公知的溶解、铸造、热轧、冷轧，制作板厚0.1mm的条材，切出50mm×150mm作为基材。

作为碳粉，使用平均粒径7μm、纯度99.9％的膨胀化石墨粉(SECCARBON公司制造、SNE-6G)，在0.8质量％羧甲基纤维素水溶液中以成为8质量％的方式分散该石墨粉而制作浆料。然后，将该浆料使用10号粒度号的棒涂机在上述的基材(冷轧加工纯钛材)的两面各涂布200μg/cm²(换算为干燥后)，使其自然干燥。然后，使用工作轧辊直径200mm的2段轧机，利用未涂布润滑油的轧辊，以荷重2.5吨对基材进行辊压，在1道次中实施压下率(＝总轧制率)1.0％的冷轧而形成碳层。

将形成了碳层的基材在700℃的真空热处理炉中保持2分钟而进行热处理。炉内在表1所示O₂浓度的Ar气氛下，调整到压力1.0×10⁵Pa(大气压)。2分钟的热处理后，在Ar气氛中进行气体冷却至基材的温度成为100℃以下，作为燃料电池间隔件的试验材。

(基材-碳层间的结构观察)

切出燃料电池间隔件的试验材，用离子束加工装置(日立聚焦离子束加工观察装置、FB-2100)加工剖面作为观察面。对于该观察面，利用透射型电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope、日立电场放射型分析电子显微镜、HF-2200)以倍率75万倍观察基材与碳层的界面附近，进行能量分散型X射线分析(EDX：Energy dispersive X-rayspectrometry)和电子衍射。详细而言，在试验材剖面，以由钛单质构成的区域为基材，以由碳单质构成的区域为碳层，对于在它们之间存在的区域(层)中的任意3点，进行EDX分析和电子衍射分析来判断是否存在碳化钛(TiC)，从而进行组成分析。判定方法是，由原子核的坐标判定为碳化钛，即使在1点观察到碳化钛也作为有“○”示于表1中。Ti、C、O的各含有率以3点的平均值示于表1中。

〔评价〕

(接触电阻的评价)

使用图2中所示接触电阻测定装置测定试验材的接触电阻。用2片碳布从两面夹持试验材，进一步用接触面积1cm²的铜电极对其外侧加压98N(10kgf)荷重，使用直流电流电源通入7.4mA的电流，用电压计测定在两碳布间施加的电压而算出电阻值。得到的电阻值作为初期特性的接触电阻示于表1中。导电性的合格基准设为接触电阻为10mΩ·cm²以下。

(耐久性的评价)

将试验材以比液量20ml/cm²浸渍到加热至80℃的硫酸水溶液(10mmol/L)中，以饱和甘汞电极(SCE)为基准施加+0.60V的电位100小时，由此进行耐腐蚀性试验。对于耐腐蚀性试验后清洗、干燥后的试验材，利用与上述的浸渍前的试验材同样的方法测定接触电阻，示于表1中。另外，浸渍前后的各接触电阻的、中间层的O含有率依存性的图表示于图3中。耐久性的合格基准设为耐腐蚀性试验后的接触电阻为15mΩ·cm²以下。

(耐氢吸收性的评价)

将试验材切出20mm×50mm，容纳于封入了水及0.3MPa(3atm)的氢气(H₂)的密闭容器的气相部，在150℃对其加热，从而形成加湿到湿度约100％的纯氢(纯度99.9％)气氛，在该气氛中曝露500小时来进行氢气曝露试验。试验后，将取出的试验材放入石墨坩埚中，在不活泼气体(Ar)气流中与锡一起通过石墨电阻加热方式进行熔解加热从而提取出气体。将从试验材提取出的气体通过分离柱，从其它气体分离出氢(H₂)并输送至导热系数检测器，通过测定氢导致的导热系数的变化(不活泼气体熔解-气相色谱法)，测定试验材中的平均氢(H₂)浓度(ppm)。试验材的平均H₂浓度记载于表1中。另外，平均H₂浓度的、中间层的O含有率依存性的图表示于图4中。钛材料中，由于H₂浓度超过150ppm时机械特性有可能劣化，因此，耐氢吸收性的合格基准设为平均H₂浓度为150ppm以下。

【表1】

如表1所示，确认到以下情况：通过热处理，在任何试验材中，都在基材与碳层之间观察到碳化钛，形成了中间层，热处理气氛的O₂浓度越高则中间层的O含有率越变高。而且，如图3所示，观察到随着中间层的O含有率变高，接触电阻也变高，特别是若O含有率超过30原子％附近则有大幅上升的倾向。另一方面，如图4所示，若中间层含有微量(0.8原子％)的O，则急剧地变得具有耐氢吸收性，即使O含有率变得高于其以上，平均H₂浓度的抑制效果的提高也缓慢。

关于中间层的O含有率为本发明的范围的实施例即试验材No.2～4，初期和耐腐蚀性试验后的接触电阻均良好，具有充分的导电性和对腐蚀气氛的耐久性，而且耐氢吸收性也良好。与此相对，中间层的O含有率不足的试验材No.1的导电性和对腐蚀气氛的耐久性优异，但不能得到耐氢吸收性，不适合作为配置于燃料电池的阳极(氢极)侧的燃料电池间隔件。相反，中间层的O含有率过剩的试验材No.5的耐氢吸收性优异，但在初期接触电阻差，耐腐蚀性试验后进一步劣化，不适合作为燃料电池间隔件。

符号说明

10 燃料电池间隔件

1 基材

2 碳层

3 中间层

Claims

1.一种燃料电池间隔件，其特征在于，是具备由钛或钛合金构成的基材和覆盖所述基材的导电性的碳层的燃料电池间隔件，

在所述基材与所述碳层之间，还具备含有碳化钛且氧的含有率为0.1～40原子％的中间层。

2.如权利要求1所述的燃料电池间隔件，其特征在于，所述碳层为石墨。

3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件，其特征在于，所述中间层中，所述氧的含有率为0.5～30原子％。