CN109088081A - 燃料电池间隔件用材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供基材与碳层的密合性及导电耐久性优异、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。该燃料电池间隔件用材料的制造方法的特征在于，具有：在厚度40～200μm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的涂布工序；以及对被涂布层覆盖的钛基材进行热处理的热处理工序，被涂布层覆盖的钛基材在被卷成卷状的状态下被热处理，热处理工序在10Pa以下的真空气氛下进行，在热处理工序中，由涂布层形成碳层和包含碳化钛的中间层。

Description

燃料电池间隔件用材料及其制造方法
本申请是申请号：201480006355X，申请日：2014.01.22，发明名称：“燃料电池间隔件用材料及其制造方法”的PCT/JP2014/051217申请的分案申请。
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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，因此成本变高。
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。
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)。
另外，研究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)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-185998号公报
专利文献2：日本特开2004-14208号公报
专利文献3：日本特开2012-28046号公报
发明内容
发明要解决的问题
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。
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。
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。
用于解决问题的手段
发明者进行了深入研究，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。
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40μm以上且200μm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。
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。
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10Pa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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 40μm以上且200μm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。
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。
发明效果
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
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。
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。
符号说明
10 接触电阻测定装置
11、21 试验体
12、22 碳布
13、23 铜电极
14 直流电流电源
15 电压计
20 密合性评价装置
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的燃料电池间隔件的制造方法的形态进行详细说明。
《燃料电池间隔件》
首先，对在本发明的燃料电池间隔件的制造方法中制造的燃料电池间隔件(以下也适当称作“间隔件”)进行说明。
间隔件具有在由钛基材和覆盖钛基材表面的碳层构成的间隔件用材料的表面形成有气体通路的结构。需要说明的是，间隔件用材料的碳层可以形成在钛基材的单面，也可以形成在两面。
并且，间隔件被设置在气体扩散层和电解质膜层叠构成的蓄电单元和蓄电单元之间。
以下，对构成燃料电池间隔件的燃料电池间隔件用材料的基材、碳层、中间层进行说明。
《燃料电池间隔件用材料》
＜基材＞
基材是指本发明的燃料电池间隔件用材料的基材，是将板材成型成燃料电池间隔件形状的基材。作为基材的材料，使用纯钛(titanium)或钛合金，纯钛或钛合金特别适宜于实现燃料电池间隔件的薄壁化、轻量化，并且在燃料电池间隔件被用于燃料电池时，对该燃料电池的内部的酸性气氛具有充分的耐酸性。例如可以使用JIS H4600中规定的1～4种类的纯钛、 Ti-Al、Ti-Ta、Ti-6Al-4V、Ti-Pd等Ti合金，其中优选特别适于薄型化的纯钛。
作为纯钛或钛合金，具体来说优选O的含量为1500ppm以下、更优选为1000ppm以下，Fe的含量为1500ppm以下、更优选为1000ppm以下，C 的含量为800ppm以下，N的含量为300ppm以下，H的含量为130ppm以下，余量由Ti和不可避免的杂质构成。但是，可在本发明中应用的纯钛或钛合金不限于此，只要具有含有其它金属元素等而成的与上述纯钛相当或与钛合金相当的组成，就能够适合地使用。
另外，基于纯钛或钛合金的板材能够如后述那样通过公知的方法制造。例如，能够使用对JIS H4600的1种冷轧板进行退火后的板材或未进行退火的保持冷轧后状态的板材。
另外，基材需要能够在被卷成卷状的状态下进行热处理，之后，能够加工成燃料电池间隔件的形状，而且满足燃料电池间隔件的轻量化、薄型化的要求。由此，基材需要厚度(板厚)为40μm～200μm，优选长度为100m 以上、宽度为100mm～20000mm。
＜碳层＞
碳层被设成覆盖本发明的燃料电池间隔件用材料的基材的表面。即，碳层设置于燃料电池间隔件的表面。并且，碳层对该燃料电池间隔件赋予在腐蚀环境下的导电性。
碳层是包含碳的层。作为用于碳层的碳，存在有各种晶系的碳、无定形碳，优选石墨(graphite)。此外，作为石墨，优选包含鳞状石墨粉、鳞片状石墨粉、膨胀化石墨粉和热分解石墨粉之中的至少一种以上。
基材上的碳层的附着量没有特别限定，优选10～1000μg/cm2。碳层的附着量少时，不能确保导电性和耐蚀性，碳层的附着量多时，加工性趋于下降。通过使碳层的附着量为10～1000μg/cm2，能够确保导电性、耐蚀性、加工性。
需要说明的是，碳层优选覆盖基材的整个表面，但为了确保导电性和耐蚀性，只要覆盖基材表面的至少40％以上、优选为50％以上的面积即可。
石墨由于晶面易滑动，因此对确保冲压成形工序时弯曲部处的碳层对钛基材的紧贴性有效。石墨之中，鳞状石墨粉、鳞片状石墨粉、膨胀化石墨粉、热分解石墨粉不仅粉末的形态为鳞状，而且该粉末的粒子本身是更薄的石墨薄片堆叠的结构，因而晶面非常容易发生滑动，因此而优选。
石墨的粒径优选为0.02～100μm。石墨的粒径不足0.02μm时，在压接轧制时作用于石墨的应力变小，石墨与基材之间的密合性难以提高。石墨的粒径超过100μm，轧制后所得到的碳层的厚度过厚，在冲压成形工序时碳层容易产生剥离。
碳层中，除了上述的石墨等预先添加的碳以外，还可以包含后述的粘合剂化合物成分通过热处理而碳化生成的非晶质的碳。
＜中间层＞
中间层是通过本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法在基材与碳层之间形成的层，是包含碳化钛的层。中间层是在碳层与基材之间的界面处C、Ti彼此扩散由此反应生成的包含碳化钛(titanium carbide、TiC) 的层、或包含碳化钛和碳固溶钛(C固溶Ti)的层。该中间层是在基材与碳层之间，粒状的碳化钛或碳化钛与碳固溶钛分别重叠而沿面方向连续形成的复合组织。碳层与基材借助该中间层而化学性地牢固密合。该中间层如后述的那样，通过在钛基材上形成包含碳的涂布层后进行热处理而形成。
《燃料电池间隔件用材料的制造方法》
接着，关于本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法，依次对每道制造工序进行说明。
＜基材制造工序＞
基材制造工序是指，利用公知方法将上述的纯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，利用冷轧轧制至所期望的厚度，并进行退火，由此制造板(条)材的工序。此处，退火是指，进行加热处理以控制晶粒尺寸，由此控制轧制后的成形性的处理。
基材是上述的冷轧材，使用在冷轧后未实施退火处理的冷轧材的情况下，可以使后述的用于形成中间层的热处理兼作相当于该退火的处理。这样的方法能够使工序简化，从生产率、成本的观点出发是优选的。
此外，冷轧后(+退火后)有无酸洗均可。
＜涂布工序＞
涂布工序是指，在基材表面涂布包含碳原子及氧原子的粘合剂化合物和碳的浆料，从而制造具有涂布层的基材的工序。
此处，包含碳原子及氧原子的粘合剂化合物是指，在基材表面形成含有碳的涂布层时所使用的具有皮膜成形能力的物质。羧甲基纤维素、聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂等是代表性物质。
另外，碳是指用于在钛基材表面形成碳层的物质，优选构成碳层且导电性优异的物质。并且，如上所述的那样，能够在碳层与基材之间的界面处与钛反应而形成碳化钛、碳固溶钛。具体来说，如上所述的那样，是各种晶系的碳、无定形的碳，石墨(graphite)是代表性物质。
作为涂布方法的具体例，有：制作将石墨混入溶剂中的溶液或者将石墨分散在粘合剂化合物、溶剂或粘合剂化合物和溶剂中的浆料，将该溶液、浆料涂敷于基材表面并使之干燥的方法；将石墨粉混炼到树脂(酚醛树脂等)中并制作膜，将该膜贴附于基材表面的方法。即，并不限于所谓涂布的方法。
所涂布的粘合剂化合物由于在后续工序的热处理工序中产生二氧化碳气体、一氧化碳气体，因此使用量尽可能少为佳。然而，能够通过向真空热处理炉中的投入量、真空泵的排气量、处理温度热模式来控制生成气体的每单位时间的排气量，基本上没有对粘合剂化合物使用量的特别制约。
需要说明的是，涂布涂布液的方法没有特别限定，可以使用棒涂机、辊涂机、凹版涂布机、微型凹版涂布机、浸涂机、喷涂机等涂布于基材。
＜压接工序＞
压接工序是指，在涂布工序之后且后述的热处理工序之前，对被涂布层覆盖的基材进行压接的工序。此处，压接是指，以基材的厚度的变化率为5％以下的范围进行冲压或辊压。基材的来自压接的基材厚度变化率能够由下式求出。
基材厚度变化率(％)＝100×(t0―t1)/t0
此处，t0：压接前的基材厚度(μm)、t1：压接后的基材厚度(μm)、基材厚度中不包括涂布层的厚度。
通过在涂布工序之后且热处理工序之前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对基材的密合性。若能够提高基材与碳层之间的密合性，则基材与碳层之间的界面处的电阻(接触电阻)减小，能够制造导电性好的燃料电池间隔件用材料。另外，能够使碳层长时间密合于基材表面，因而能够制造导电耐久性优异的燃料电池间隔件用材料。
＜热处理工序＞
热处理工序是指对卷绕成卷状的被涂布层覆盖的钛基材进行热处理的工序。因此，经过上述的基材制造工序、涂布工序、压接工序后的被涂布层覆盖的钛基材在进行该热处理工序前需要卷绕成卷状。作为用于将基材卷绕成卷状的芯材的芯只要是能够耐受最高温度的金属制芯(不锈钢芯、铁芯等)就可以使用，但从热膨胀性的观点出发，最优选钛制的芯。
热处理工序中，通过对涂布层中的粘合剂化合物和碳进行热处理来形成碳层。此外，使在基材表面存在的自然氧化膜消失，在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、即中间层。其结果是，能够利用所形成的中间层提高基材与碳层之间的密合性。
热处理工序中的热处理温度优选为350～780℃。作为基材，使用由纯钛或钛合金构成的基材，因而通过在350℃以上的温度下进行热处理，在碳层与基材之间的界面形成中间层，由此不仅在该界面的密合性变好，而且导电性提高。热处理温度不足350℃时，碳层(石墨)与基材间不易发生反应，难以提高密合性。另一方面，热处理温度超过780℃时，基材的机械性能有可能下降。优选的热处理温度的范围为400～750℃、更优选为450～700℃。
该热处理工序需要在10Pa以下的真空气氛下进行。若真空度超过 10Pa，则随着粘合剂化合物的热处理而产生二氧化碳气体、一氧化碳气体等气体，真空度进而下降。由此，生成气体长时间滞留于涂布层内，在其影响下，涂布层、基材被氧化，因此密合性下降。
更具体地进行说明，在将钛基材卷成卷状而将钛基材层叠的状态下，若在大气压下进行热处理，则在热处理的作用下由粘合剂化合物产生的气体在涂布层附近漂浮。因此，涂布层被该生成气体所氧化，所形成的碳层变脆。另外，基材表面也被氧化，中间层不能充分生长，因此碳层与基材之间的密合性受损，而且导电耐久性也下降。
另外，通过将钛基材在卷成卷状的状态下进行热处理，能够以高生产效率进行基材的热处理。此外，在真空气氛下的热处理中，能够除在冷却时使用的不活泼气体以外不使用工艺气体而进行，因而能够低成本地制造燃料电池间隔件用材料。
热处理在最高温度下的保持时间在中间层的形成中尤为重要，优选 10分钟～10小时。即便在上述的350～780℃的热处理温度的范围内，也能够通过热处理温度对处理时间进行适当调整。例如，热处理温度较低时，需要进行长时间的处理，热处理温度较高时短时间的处理即可。
在热处理的升温时，在气体由粘合剂化合物等大量产生的温度区域中，为了抑制气体的产生速度、将真空度维持在10Pa以下的范围，进行减缓升温速度或者保持在一定温度。即，为了将真空度维持在规定的范围，可以对升温的温度模式进行适当调整。该产生气体的温度根据粘合剂化合物的种类而变化，因此优选预先对粘合剂化合物因热处理而产生气体的温度区域进行考察，考虑其结果来设定升温的温度模式。
例如，使用甲基纤维素作为粘合剂化合物时，优选在甲基纤维素发生热分解而产生气体的温度区域、即200～450℃中，进行减缓升温速度或保持在一定温度。
热处理后的冷却也能够通过真空热处理炉的自然冷却来使之降温，但从缩短工艺时间提高生产率的观点出发，优选向炉内通入氩气、氮气来而短时间内降低炉内温度。
热处理工序只要能够在350～780℃的热处理温度且真空气氛下进行热处理，就能够利用真空热处理炉、电炉等公知的任何热处理炉来进行。
另外，从提高生产率的观点出发，优选使用多室型的真空热处理炉。例如，优选将从大气压起进行减压而获得初始真空度的减压工序、升温工序、保持在最高到达温度的真空热处理工序、冷却工序的各工序分别在不同的热处理室中进行处理。
更具体地进行说明，在将卷状钛基材搬入第1室中后，对该第1室进行减压的减压工序、将钛基材从减压后的第1室移动到维持在真空气氛的第2室，在该第2室中对钛基材进行加热来实施热处理的真空热处理工序、和将热处理后的钛基材移动到第3室，在该第3室中导入气体来冷却钛基材的冷却工序的各工序中，能够使第1～3室各自为可密闭的彼此不同的室。
在这些工序中对形成中间层尤其重要的真空热处理工序中，需要将真空度保持在10Pa以下。另一方面，减压工序和冷却工序中，需要反复进行减压状态和非减压状态。因此，通过以室来划分各个工序，能够将各批次在各室中同时进行处理，换言之，能够同时处理3批的量，因此生产率得到提高。
另外，真空热处理工序包括：将钛基材升温的升温工序、和将升温后的钛基材保持在升温状态的保持工序。相对于将升温后的钛基材保持在升温状态一定时间的保持工序，在将基材升温的升温工序中，非加热状态和加热状态反复。因此，通过将这些工序的室按照不同的室而进行，能够提高每单位时间的热处理能力。
例如，在升温工序为3小时、保持工序为3小时、冷却工序为2小时的情况下，想要在1个室中进行这些处理，则每1卷的处理时间合计为8 小时。另一方面，在各自不同的室中进行升温工序、保持工序、冷却工序，对多个卷进行并行处理的情况下，能够使每1卷合计不足5小时。
＜矫正工序＞
矫正工序(平整工序)是指，对热处理中产生的长度方向的基材的翘曲进行矫正使之平坦化的工序。通常，在后续工序的成型工序中要求基材的平坦度。尽管与燃料电池间隔件用材料的平坦度的标准有关，但在要求高平坦度的情况下，优选附加进行平坦化的矫正工序。
基材的矫正可以通过使用如下装置来进行，即，使基材通过上下配置的连续的φ20mm以下的辊之间，由此进行平坦化的矫直机装置、边对基材施加张力边通过矫直机的张力矫直装置、边对基材施加张力边进行热处理的张力退火装置等。
钛基材通常由于热处理而带有弯痕，因此基材的平坦性有时受损。因此，基材的平坦性受损时，需要在热处理工序后利用矫正工序进行基材的平坦化加工。但是，矫正也存在极限，因此进行矫正时的钛基材的卷内径 (芯外径)优选为75mm以上。钛基材的卷通过以圆筒形状的芯作为芯，在其周围卷绕基材而形成。因此，卷的内径成为与芯的外径相同的尺寸。
另一方面，卷内径大的情况下，不一定需要进行矫正工序。卷内径为 400mm以上时，基材的翘曲小，通常不需要进行矫正工序，因此优选。更优选卷内径为600mm以上的情况、进一步优选1000mm以上的情况。然而，若卷内径过大，则生产率受损，因而卷内径优选为4m以下。
＜裁切工序＞
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热处理后的上述钛基材进行裁切的裁切工序。
＜制造工序的顺序＞
本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法虽然按照基材制造工序、涂布工序、压接工序、热处理工序、矫正工序、裁切工序的顺序进行实施，但压接工序和矫正工序可以根据需要适当选择进行。
《燃料电池间隔件的制造方法》
通过进行利用冲压加工在使用上述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。
《卷状燃料电池间隔件用材料》
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40μm 以上且200μm以下的由钛或钛合金构成的钛基材、覆盖钛基材的碳层和在钛基材和碳层之间的中间层，用两张碳布由两面夹着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。
本发明的卷状燃料电池间隔件用材料是通过上述的制造方法而制造的。并且，由于具有上述的构成，因而基材与碳层之间的密合性优异，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导电性，并且生产效率也优异。
实施例
＜实施例1～5、比较例1～3＞
接着，关于本发明的燃料电池间隔件用材料的制造方法，对满足本发明要件的试验体(实施例1～5)和不满足本发明要件的试验体(比较例1～ 3)进行具体的比较和说明。
[基材]
作为基材，使用了0.1mm厚的JIS H4600的1种钛基材(冷轧板)。钛基材的化学组成是O含量450ppm、Fe含量250ppm、N含量40ppm、余量为Ti和不可避免的杂质，尺寸为240mm宽×500m长。需要说明的是，该钛基材是对钛原料实施以往公知的溶解工序、铸造工序、热轧工序(有酸洗)、冷轧工序(无酸洗)而得到的。
[涂布工序]
使膨胀化石墨粉(SEC Carbon公司制、SNE-6G、平均粒径7μm、纯度 99.9％)按照含量为10质量％分散在1质量％的甲基纤维素水溶液中，制作了浆料。并且，利用微型凹版装置将该浆料涂布于基材表面。如此，在基材的两面形成了涂布层。单面的附着量在干燥后约为300μg/cm2。
[压接工序]
使用直径200mm的辊压机施加6吨载荷，对具有上述涂布层的基材进行了压接。
[热处理工序]
以各实施例、比较例为单位，将实施上述压接处理后的钛基材卷成具有表1所述的规定的卷内径的卷状，进行了热处理。实施例1～5和比较例3中，热处理使用真空热处理炉按照以下步骤进行。炉内的真空度达到 2×10-3Pa后，从室温起以200℃/小时进行升温，在作为粘合剂化合物成分的甲基纤维素发生热分解的温度区域即200℃～450℃中以50℃/小时进行升温，从450℃至最高到达温度之间再次以200℃/小时进行升温。最高到达温度和在最高到达温度的保持时间在表1中分别作为处理温度、处理时间进行记载。另外，热处理时的炉内压力的最大值记载于表1中。之后，冷却在99.9999％的高纯度氩气气氛下进行。此时的到50℃为止的冷却时间为1小时。
比较例1的氮气气氛下的热处理除了使用纯度为99.999％的高纯度氮气在大气压下(1×105Pa)进行以外，以与实施例4同样的热处理条件进行。
比较例2的氩气气氛下的热处理除了使用纯度为99.9999％的高纯度氩气在大气压下(1×105Pa)进行以外，以与实施例4同样的热处理条件进行。其中，对于冷却而言，不在氩气气氛下而在氮气气氛下进行冷却。
[矫正工序]
实施例1在上部配置11根、下部配置12根辊径16mm的辊的矫直机中施加180kgf的张力，进行了平坦化(张力矫直机)。
实施例2在上部配置13根、下部配置14根辊径8mm的辊的矫直机中进行了平坦化(无张力)(矫直机)。
实施例3在施加20kgf张力的状态下于700℃进行了1分钟的热处理 (张力热退火)。
[导电耐久性评价]
对通过上述方法制作的试验体进行了导电性的耐久性评价(耐久性试验)。
图1A是用于对本发明的燃料电池间隔件用材料的接触电阻进行评价的接触电阻测定装置10的示意图。
将试验体在比液量为20ml/cm2的80℃硫酸水溶液(10mmol/L)中浸渍 1000小时后，将试验体从硫酸水溶液取出，进行清洗、干燥，测定了接触电阻。
接触电阻按照如下求出：使用两张碳布12夹着试验体11的两面，进而用接触面积1cm2的两个铜电极13夹着其外侧，以载荷98N(10kgf)进行加压，使用直流电流电源14通电7.4mA电流，用电压计15测定在两张碳布12之间所加的电压，从而求出接触电阻。在试验体的外侧和中央部这两个位置进行了测定。
硫酸浸渍后(耐久性试验后)的接触电阻(表2中表示为导电耐久性) 为15mΩ·cm2以下的情况判定为导电耐久性良好，超过15mΩ·cm2的情况判定为导电耐久性不良。
[密合性评价]
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20的示意图。
用两张碳布22由两面夹着通过上述方法制作的试验体21，进而用接触面积4cm2的铜电极23夹着其外侧，以接触载荷196N(20kgf)进行加压。将试验体21在保持被从两面进行加压的状态下以20cm/秒的速度沿面方向拉出(拉拔试验)。拉拔试验后，目测观察试验体21表面的铜电极23 的滑动区域，以碳层的残留状态、即基材的暴露程度进行评价。
对于密合性的判断基准而言，相对于对拉拔试验前的基材表面的光学显微镜照片(倍率400倍)进行图像处理而求出的碳层对钛基材的覆盖率 (A)，拉拔试验后通过同样的测定求出的覆盖率(B)完全没有变化的情况 (B/A比＝1)作为优异而判定为“◎”、B/A比确保为0.5以上的情况作为良好而判定为“○”、B/A比不足0.5的覆盖率的情况作为不良而判定为“×”。
[平坦度评价]
对于平坦度而言，评价了长度方向的平坦度。将切成50cm长度的基材置于平坦度为50μm以下的石块(stone block)上，测定两端的高度，接着将该基材翻过来进行同样的测定，将测定值大的面的两端的高度的平均值作为平坦度的数值(cm)。平坦度不足1cm为优良(◎)、1cm以上且不足5cm为良好(○)、5cm以上为不合格(×)、不足5cm判定为合格。
实施例1～5和比较例1～3的各试验体的导电耐久性、密合性、平坦度的评价结果示于表2中。
【表1】
【表2】
实施例1～5满足本发明的制造条件的所有条件，所得到的试验体在导电耐久性、密合性、平坦度的全部性能评价中良好，具有优异的性能。另外，在实施例1～5中，确认形成了含有碳化钛的中间层。
比较例1、2在进行热处理时于氮气或氩气气氛的大气压下进行，因此导电耐久性和密合性差。
另外，比较例3中，热处理时的炉内压力的最大值高于规定、导电耐久性和密合性差并且卷内径小至75mm，因此未能确保平坦度。

Claims (10)

1.一种燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，该燃料电池间隔件用材料的制造方法具有：涂布工序，在厚度40μm以上且200μm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，对被所述涂布层覆盖的钛基材进行热处理，
被所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，
所述热处理工序在10Pa以下的真空气氛下进行，
所述热处理工序中，由所述涂布层形成碳层，在所述钛基材与所述碳层之间形成包含碳化钛的中间层。
2.如权利要求1所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，所述进行热处理的所述钛基材是冷轧材，在冷轧后未实施退火处理。
3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，在所述涂布工序之后、所述热处理工序之前进行对被所述涂布层覆盖的钛基材进行压接的压接工序。
4.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，在所述热处理工序之后进行对所述钛基材的翘曲进行矫正的矫正工序。
5.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，被所述涂布层覆盖的钛基材的卷内径为400mm以上。
6.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，所述热处理工序包括：
减压工序，将被所述涂布层覆盖的钛基材搬入第1室之中，对所述第1室进行减压；
真空热处理工序，将所述钛基材从减压后的所述第1室移动到维持在真空气氛的第2室，在所述第2室中对所述钛基材进行加热来实施热处理；
冷却工序，将所述热处理后的钛基材移动到第3室，在所述第3室中导入气体来冷却所述钛基材，
所述第1～3室各自为可密闭的彼此不同的室。
7.如权利要求6所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，所述真空热处理工序包括：使所述钛基材升温的升温工序；将升温后的所述钛基材保持在升温状态的保持工序，
所述升温工序和所述保持工序在不同的室中进行。
8.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法，其特征在于，在所述热处理工序之后包括对所述钛基材进行裁切的裁切工序。
9.一种燃料电池间隔件的制造方法，其特征在于，其包括：燃料电池间隔件用材料制造工序，通过权利要求1或权利要求2所述的燃料电池间隔件用材料的制造方法制造燃料电池间隔件用材料；
冲压加工工序，通过冲压加工在所制造的燃料电池间隔件用材料的表面形成气体通路。
10.一种卷状燃料电池间隔件用材料，其特征在于，该卷状燃料电池间隔件用材料具有厚度40μm以上且200μm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。
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