JP2008251297A - Separator material for fuel cell and separator for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator material for a fuel cell having high corrosion resistance, high conductivity, and high mechanical strength in a separator formed by forming a noble metal film on a titanium base material. <P>SOLUTION: The separator material for the fuel cell has one or more noble metal conductive films selected from the group comprising Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt on the titanium base material, and has an Au conductive film on the conductive film, and the mechanical strength of the titanium base material is increased by forming one or more kinds of quenched-hardened layers selected from the group comprising a titanium oxide, a titanium nitride and a titanium carbide including a noble metal oxide on the titanium base material. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型電解質燃料電池用金属セパレータに用いられる材料に関する。   The present invention relates to a material used for a metal separator for a solid polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池用セパレータは、複数の単セルが積層された燃料電池スタックを構成する部材であって、十分なガス不透過性と、セル同士を導通するための電気伝導性が必要である。更には、酸性雰囲気に対しては高い耐食性も要求される。従来、このような燃料電池セパレータには、炭素材料あるいは金属材料が用いられてきた。炭素材料は金属材料よりも強度が低いため、炭素材料の厚みを金属材料と同レベルの厚みにすることが困難であり、また、加工費も高いため、近年は金属材料が広く検討されている。   A polymer electrolyte fuel cell separator is a member that constitutes a fuel cell stack in which a plurality of single cells are stacked, and requires sufficient gas impermeability and electrical conductivity for electrical connection between cells. is there. Furthermore, high corrosion resistance is also required for an acidic atmosphere. Conventionally, carbon materials or metal materials have been used for such fuel cell separators. Since carbon materials have lower strength than metal materials, it is difficult to make the thickness of carbon materials the same level as metal materials, and the processing costs are high, so metal materials have been widely studied in recent years. .

燃料電池用金属セパレータとして金属材料を用いた場合の問題点は、耐食性と導電性の両立である。例えばステンレスの場合、一般的には耐食性がよいと言われているが、燃料電池スタック内の酸性雰囲気に対しては耐食性が十分ではなく、ステンレスの成分が溶出するという問題がある。一方、ステンレスよりも高い耐食性があるチタンの場合、表面に数nmの厚みの非常に強固な酸化膜が存在しているため、接触抵抗が高くなる問題がある。
燃料電池用金属セパレータの特性に、耐食性と導電性を両立させる手法として、ステンレスなどの基材に貴金属めっきする技術(特許文献1、2、3)が開示されている。
A problem when a metal material is used as a metal separator for a fuel cell is compatibility between corrosion resistance and conductivity. For example, in the case of stainless steel, it is generally said that the corrosion resistance is good, but there is a problem that the corrosion resistance is not sufficient for the acidic atmosphere in the fuel cell stack and the components of stainless steel are eluted. On the other hand, in the case of titanium having higher corrosion resistance than stainless steel, a very strong oxide film having a thickness of several nanometers is present on the surface, so that there is a problem that contact resistance is increased.
As a technique for achieving both corrosion resistance and conductivity in the characteristics of a metal separator for a fuel cell, techniques (Patent Documents 1, 2, and 3) of precious metal plating on a base material such as stainless steel are disclosed.

特開2001−006713号公報JP 2001-006713 A 特開2004−185998号公報JP 2004-185998 A 特開2006−278172号公報JP 2006-278172 A

しかしながら、金属材料としてチタンを用い、チタン材表面にRu、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上の貴金属を施したセパレータには、以下のような問題点を抱えている。
1)貴金属のなかでも化学的に安定でかつ資源が豊富なものはAuであるが、金属材料がチタン材の場合、チタン表面へのAuを直接成膜することは難しい。
2)一方、Au以外の貴金属であるRu、Rh、Pd、Ir、Os及びPtが金属セパレータの最表層にある場合、燃料電池の環境下において、貴金属が貴金属酸化物へと変化し、金属セパレータの接触抵抗が高くなるという問題があった。
3)また、チタンはステンレス鋼などと比べると高価な金属であるため、セパレータ用としてのチタン基材はコスト面で可能な限り薄くしたいが、チタン基材の厚みを薄くした場合には材料強度の問題があった。
However, a separator using titanium as a metal material and having at least one kind of noble metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt on the surface of the titanium material has the following problems. Have
1) Among the noble metals, a chemically stable and resource-rich material is Au. However, when the metal material is a titanium material, it is difficult to directly form Au on the titanium surface.
2) On the other hand, when Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt, which are noble metals other than Au, are present in the outermost layer of the metal separator, the noble metal changes into a noble metal oxide in the environment of the fuel cell. There was a problem that the contact resistance of the high.
3) Titanium is an expensive metal compared to stainless steel, etc., so the titanium substrate for separators should be as thin as possible in terms of cost. However, if the thickness of the titanium substrate is reduced, the material strength There was a problem.

上記の問題点を鑑みて、本発明の課題は、チタン基材に貴金属を成膜したセパレータにおいて耐食性・導電性を有しつつ強度に優れる燃料電池セパレータ用材料を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a material for a fuel cell separator that has corrosion resistance and conductivity and is excellent in strength in a separator in which a noble metal is formed on a titanium substrate.

本発明者は、前記耐食性、導電性及び強度を併せ持つ技術を鋭意検討した結果、セパレータの基材としては耐食性に優れるチタン材、導電性を得るために、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上の貴金属からなる導電性膜、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtの耐酸化性を補うためのAuの導電性膜、また金属セパレータの厚みが薄い場合には、セパレータに十分な強度を与えるため貴金属酸化物を含んだチタン酸化物、チタン窒化物及びチタン炭化物からなる群より選択される1種類以上の硬化層を併せもつことにより、十分な耐食性、導電性及び強度を示すことがわかった。 As a result of earnestly examining the technology having both corrosion resistance, conductivity and strength, the present inventor has obtained a titanium material having excellent corrosion resistance as a base material of the separator, in order to obtain conductivity, Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Conductive film made of at least one kind of noble metal selected from the group consisting of Pt, Au conductive film to supplement the oxidation resistance of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt, and thickness of the metal separator Is thin, it is sufficient to have one or more hardened layers selected from the group consisting of titanium oxide, titanium nitride and titanium carbide containing noble metal oxide in order to give sufficient strength to the separator. It has been found that it exhibits excellent corrosion resistance, conductivity and strength.

即ち、本発明は以下の通りである。
(1)Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上からなる貴金属導電性膜がチタン基材にし、導電性膜上にAuの導電性膜を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。
That is, the present invention is as follows.
(1) A noble metal conductive film made of at least one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt is made of a titanium base material, and has a conductive film of Au on the conductive film. A fuel cell separator material.

(2)チタン材上に酸化層、窒化層及び炭化層からなる群より選択される少なくても1種類以上の硬化層を有するチタン基材に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上からなる貴金属導電性膜を成膜し、導電性膜上にAuの導電性膜を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。 (2) From Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt to a titanium substrate having at least one kind of hardened layer selected from the group consisting of an oxide layer, a nitride layer and a carbonized layer on a titanium material. A fuel cell separator material comprising a noble metal conductive film made of at least one selected from the group consisting of a conductive film of Au on the conductive film.

(3)チタン材上に貴金属酸化物を含んだチタン酸化物、チタン窒化物及びチタン炭化物からなる群より選択される少なくても1種類以上の硬化層を有するチタン基材であることを特徴とする上記(2)に記載の燃料電池用セパレータ材料。 (3) A titanium base material having at least one hardened layer selected from the group consisting of titanium oxide containing noble metal oxide, titanium nitride and titanium carbide on a titanium material. The fuel cell separator material according to (2) above.

(4)チタン基材中の硬化層が、酸素濃度が10at%以上の範囲にある貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みが30nm〜200nm、窒素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン窒化層の厚みが30nm以上及び炭素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン炭化層の厚みが30nm以上からなる群より選択される少なくても1種類以上であることを特徴とする上記(3)に記載の燃料電池用セパレータ材料。 (4) Titanium nitride in which the thickness of the titanium oxide layer containing a noble metal oxide in which the oxygen concentration is in the range of 10 at% or more is 30 nm to 200 nm and the nitrogen concentration is in the range of 10 at% or more. (3) above, wherein the thickness of the titanium carbide layer having a layer thickness of 30 nm or more and a carbon concentration of 10 at% or more is at least one selected from the group consisting of 30 nm or more. The separator material for fuel cells as described.

(5)上記(1)〜(4)に記載のRu、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上からなる貴金属導電性膜の厚みが1nm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。 (5) The thickness of the noble metal conductive film made of at least one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt described in (1) to (4) above is 1 nm or more. A fuel cell separator material.

(6)上記(1)〜(5)に記載のAuの導電性膜の厚みが1nm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。 (6) A fuel cell separator material, wherein the Au conductive film according to any one of (1) to (5) has a thickness of 1 nm or more.

(7)上記(1)〜(6)に記載のチタン材が工業用純チタンであることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。 (7) A separator material for a fuel cell, wherein the titanium material according to the above (1) to (6) is industrial pure titanium.

(8)上記(1)〜(7)に記載のチタン材の厚みが30μm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。 (8) A separator material for a fuel cell, wherein the thickness of the titanium material according to (1) to (7) is 30 μm or more.

(9)反応ガス流路形成のため、プレス加工したチタン材に前記貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を成膜した上記(1)および(5)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (9) The fuel cell according to any one of (1) and (5) to (8), wherein the noble metal conductive film and the Au conductive film are formed on a pressed titanium material for forming a reactive gas flow path. Separator.

(10)前記貴金属導電性膜を形成したチタン材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、Auの導電性膜を形成した上記(1)および(5)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (10) In the above (1) and (5) to (8), the titanium material on which the noble metal conductive film is formed is pressed for forming the reaction gas flow path, and then the Au conductive film is formed. The fuel cell separator as described.

(11)チタン材に、前記貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を形成し、その後反応ガス流路形成のためプレス加工した上記(1)および(5)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (11) The fuel cell according to any one of (1) and (5) to (8), wherein the noble metal conductive film and the Au conductive film are formed on a titanium material, and then pressed to form a reaction gas flow path. Separator for use.

(12)反応ガス流路形成のため、プレス加工したチタン材に硬化層を形成し、その後、前記貴金属導電性膜及びAu導電性膜を成膜した上記(2)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (12) A hardened layer is formed on a pressed titanium material to form a reactive gas flow path, and then the noble metal conductive film and Au conductive film are formed, as described in (2) to (8) above Fuel cell separator.

(13)硬化層を形成したチタン材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、前記貴金属導電性膜及びAu導電性膜を形成した上記(2)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (13) The titanium material on which the hardened layer is formed is pressed for forming a reactive gas flow path, and then the noble metal conductive film and the Au conductive film are formed. Fuel cell separator.

(14)硬化層と前記貴金属導電性膜を形成したチタン材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、前記Au導電性膜を形成した上記(2)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (14) The titanium material on which the hardened layer and the noble metal conductive film are formed is pressed for forming a reaction gas flow path, and then the Au conductive film is formed, as described in (2) to (8) above Fuel cell separator.

(15)硬化層を形成したチタン基材に、前記貴金属導電性膜及びAu導電性膜を形成し、その後反応ガス流路形成のためプレス加工した上記(2)〜(8)に記載の燃料電池用セパレータ。 (15) The fuel according to any one of (2) to (8), wherein the noble metal conductive film and the Au conductive film are formed on the titanium base material on which the hardened layer is formed, and then pressed to form a reaction gas channel. Battery separator.

(16)上記(1)〜(15)に記載の燃料電池用セパレータ材料及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池用スタック。 (16) A fuel cell stack using the fuel cell separator material and the fuel cell separator according to (1) to (15) above.

なお、本発明では、基材に用いる材料としてのチタン又は硬化層形成前のチタンを表現する場合には「チタン材」とし、導電性膜を形成前のチタン、即ち、硬化層がない場合のチタン材を、硬化層のある場合には硬化層とチタン材を合わせて「チタン基材」と表現する。 In the present invention, when expressing titanium as a material used for a base material or titanium before forming a hardened layer, it is referred to as “titanium material”, and titanium before forming a conductive film, that is, when there is no hardened layer. When there is a hardened layer, the titanium material is expressed as a “titanium substrate” by combining the hardened layer and the titanium material.

チタン基材に貴金属を成膜したセパレータにおいて耐食性・導電性を有しつつ強度に優れる燃料電池セパレータ用材料を提供することができる。   It is possible to provide a material for a fuel cell separator that is excellent in strength while having corrosion resistance and conductivity in a separator in which a noble metal is formed on a titanium base material.

本発明は、貴金属の導電性に着目し、接触抵抗の高いチタンをセパレータ用材料の基板に用い、貴金属を導電性膜として成膜することは、従来の発明と共通する。しかし、本発明では、貴金属とチタン基材の密着性の問題、電池環境下での酸化の問題があることから、Auと他の貴金属との複層構造を見出した点で、従来の発明と異なる。さらには基材のチタン材において貴金属酸化物を含んだチタン酸化物、チタン窒化物及びチタン炭化物からなる群より選択される硬化層との複層構造にすることも本発明の特徴である。   The present invention pays attention to the conductivity of a noble metal, and uses titanium having a high contact resistance as a separator material substrate and forms the noble metal as a conductive film in common with the conventional invention. However, in the present invention, there is a problem of adhesion between the noble metal and the titanium base material, and there is a problem of oxidation in the battery environment. Therefore, in terms of finding a multilayer structure of Au and another noble metal, Different. Furthermore, it is also a feature of the present invention that the base titanium material has a multilayer structure with a hardened layer selected from the group consisting of titanium oxide containing noble metal oxide, titanium nitride and titanium carbide.

すなわち本発明は、以下の通りである。
1)Auの導電性膜が、酸化性雰囲気下におけるRu、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上の貴金属からなる導電性膜の酸化を防止する。
2)硬化層はチタンより硬いことから、硬化層がチタン板の強度を補う役目を果たす。
That is, the present invention is as follows.
1) A conductive film of Au prevents oxidation of a conductive film made of at least one kind of noble metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt in an oxidizing atmosphere.
2) Since the hardened layer is harder than titanium, the hardened layer serves to supplement the strength of the titanium plate.

以下に具体的な限定の理由を説明する。
(1)基材(又は、基材に用いる材料)の種類と厚み
燃料電池用セパレータ材料としては、耐食性及び導電性が共に要求される。そのために、基材には耐食性が求められ、本発明での基材に用いるはチタン材とする。
チタン材の種類としては、工業用純チタンである。チタン材は反応ガス流路形成のためのプレス加工をするため、純チタンのうちでも加工性のよいJIS1種が望ましい。
基材に用いられるチタン材の厚みは、30μm以上である。チタン材の厚みが30μmを下回るチタン材を作製するには、加工コストが高くなる。チタン材の厚みの上限ついては、技術的な制限はない。しかしながらチタン材は高価な金属であり、薄いほうが好ましく、コストを考慮して200μm以下にすることが望ましい。
The specific reason for limitation will be described below.
(1) Kind and thickness of substrate (or material used for substrate) As a separator material for a fuel cell, both corrosion resistance and conductivity are required. Therefore, the base material is required to have corrosion resistance, and a titanium material is used for the base material in the present invention.
The type of titanium material is industrial pure titanium. Since the titanium material is pressed for forming the reaction gas flow path, JIS type 1 having good workability is desirable among pure titanium.
The thickness of the titanium material used for the substrate is 30 μm or more. In order to produce a titanium material having a thickness of less than 30 μm, the processing cost becomes high. There is no technical limitation on the upper limit of the thickness of the titanium material. However, the titanium material is an expensive metal, and it is preferable that the titanium material be thin, and it is desirable that the thickness be 200 μm or less in consideration of cost.

(2)導電性膜の種類と厚み
本発明は、チタン基材の上に、チタン基材との密着性を有する導電性膜、耐酸化性を有する導電性膜を形成することである。
まず、チタン基材との密着性を有する導電性膜(以下、貴金属導電性膜と表現する。)は、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上からなる貴金属導電性膜とする。中でもPdは、比較的資源量多い3つの貴金属(Au、Pt、Pd)の中に含まれており、その3つの貴金属の中で最も価格が安価であるためセパレータ材料として有望である。
(2) Type and thickness of conductive film The present invention is to form a conductive film having adhesion to a titanium base material and a conductive film having oxidation resistance on a titanium base material.
First, the conductive film having adhesiveness with the titanium substrate (hereinafter referred to as a noble metal conductive film) is at least one selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt. A noble metal conductive film made of Among these, Pd is contained in three relatively noble metals (Au, Pt, Pd) having a relatively large amount of resources, and is promising as a separator material because of its lowest price among the three noble metals.

チタン基材と上層であるAu層とが十分な密着性を得るために必要な厚みの下限は1nmである。導電性膜の厚みが1nmを下回ると成膜されない部分が発生し、密着性の良いAuの導電性膜を形成できなくなる場合がある。一方、厚みの上限については、技術的な制限はないが、基材とAu導電性膜の密着性が確保されればよいので、また貴金属は高価であり、薄いほうが望ましい。コストを考慮して100nm以下と考える。
成膜方法としてはスパッタ法が有効である。スパッタ法は、チタン表面に酸素、窒素及び炭素があっても、密着性のある本発明の導電性膜を成膜できる。
The lower limit of the thickness necessary for obtaining sufficient adhesion between the titanium base material and the upper Au layer is 1 nm. When the thickness of the conductive film is less than 1 nm, a portion that is not formed may be generated, and it may be impossible to form a conductive film of Au with good adhesion. On the other hand, the upper limit of the thickness is not technically limited, but it is only necessary to ensure the adhesion between the base material and the Au conductive film, and the precious metal is expensive and desirably thin. Considering the cost, it is considered to be 100 nm or less.
A sputtering method is effective as a film forming method. The sputtering method can form an adhesive conductive film of the present invention even if oxygen, nitrogen and carbon are present on the titanium surface.

一方、耐酸化性を有する導電性膜は、Au導電性膜である。Auは化学的に安定であるため、金属セパレータの最表層に用いることで、チタン基材は優れた耐食性・導電性を有するセパレータとなる。なおAuを導電性膜がなく直接チタン基材に成膜しようとすると、チタン表面にある自然酸化皮膜をある程度取り除かないと密着性の良い皮膜が形成できない。
セパレータとして十分な耐酸化性を得るためのAu導電性膜の厚みの下限は1nmである。1nmを下回ると、Auの下に形成した貴金属導電性膜が露出する場合があり、その場合には貴金属が酸化し、貴金属酸化物が形成されるため接触抵抗が高くなる。一方、厚みの上限については、技術的な制限はない。しかしAuも高価であり、コストを考慮して100nm以下とすることが望ましい。
成膜方法として導電性膜の成膜に用いたスパッタ法が有効である。同じスパッタ法を用いることにより、同じ成膜装置で連続して貴金属の成膜ができる。
On the other hand, the conductive film having oxidation resistance is an Au conductive film. Since Au is chemically stable, the titanium base material becomes a separator having excellent corrosion resistance and conductivity when used as the outermost layer of the metal separator. If an Au film is formed directly on a titanium substrate without a conductive film, a film with good adhesion cannot be formed unless a natural oxide film on the titanium surface is removed to some extent.
The lower limit of the thickness of the Au conductive film for obtaining sufficient oxidation resistance as a separator is 1 nm. If the thickness is less than 1 nm, the noble metal conductive film formed under Au may be exposed. In this case, the noble metal is oxidized and a noble metal oxide is formed, so that the contact resistance is increased. On the other hand, there is no technical limitation on the upper limit of the thickness. However, Au is also expensive, and considering the cost, it is desirable to set it to 100 nm or less.
The sputtering method used for forming the conductive film is effective as the film forming method. By using the same sputtering method, the noble metal can be continuously formed by the same film forming apparatus.

(3)硬化層の種類と厚み
基材に用いられる材料としてのチタンはステンレス鋼などと比べると高価な金属であるため、コスト面からは基材の厚みを薄くすることが望まれる。
しかしながら、チタン基材の厚みを薄くすると、セパレータ材料としての強度が不十分となる場合がある。そこで、本発明は、セパレータの基材として十分な強度を得るために硬化層を設けることにある。すなわち、チタン材上に硬化層を形成する、チタン材の一部を変化させて硬化層を形成する、前記を組み合わせた硬化層を形成することである。硬化層は酸化層、窒化層及び炭化層からなる群より選択される少なくても1種類以上からなる層であり、具体的には貴金属酸化物を含んだチタン酸化物、チタン窒化物及びチタン炭化物からなる群より選択される1種類以上からなる層である。さらに具体的には、XPS(分析エリア800μmΦ)により分析したときに検出される酸素濃度が10at%以上の範囲にある貴金属酸化物を含んだチタン酸化層と、窒素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン窒化層、炭素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン炭化層より選択される1種類以上から構成させる層とする。これら硬化層は、基材であるチタンと比較すると硬さが硬いため、セパレータの強度向上に寄与する。
(3) Type and thickness of hardened layer Titanium as a material used for the base material is an expensive metal compared to stainless steel or the like, so that it is desired to reduce the thickness of the base material from the viewpoint of cost.
However, when the thickness of the titanium substrate is reduced, the strength as a separator material may be insufficient. Then, this invention exists in providing a hardened layer in order to obtain sufficient intensity | strength as a base material of a separator. That is, forming a hardened layer on the titanium material, forming a hardened layer by changing a part of the titanium material, and forming a hardened layer combining the above. The hardened layer is a layer composed of at least one selected from the group consisting of an oxide layer, a nitride layer, and a carbide layer, specifically, a titanium oxide, a titanium nitride, and a titanium carbide containing a noble metal oxide. A layer composed of one or more types selected from the group consisting of More specifically, a titanium oxide layer containing a noble metal oxide having an oxygen concentration detected when analyzed by XPS (analysis area 800 μmΦ) in a range of 10 at% or more, and a nitrogen concentration in a range of 10 at% or more. A titanium nitride layer is a layer composed of one or more selected from a titanium carbide layer having a carbon concentration in the range of 10 at% or more. Since these hardened layers are harder than titanium as a base material, they contribute to improving the strength of the separator.

貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みの下限値は片面30nm、好ましくは100nmである。貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みが30nmを下回ると、チタン基材の厚みが薄い場合には、チタン基材の強度を補うことができない。一方、貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みの上限は200nmとする。貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みが200nmを上回ると、チタン基材と導電性膜の密着性が悪くなる場合がある。チタン酸化層は、予めチタン基材表面に存在する酸化層から形成されても良い。チタン酸化層の厚みが30nmを下回る場合には、導電性膜を形成する前にチタン表面の酸化層を厚くする必要がある。その方法としては、チタン基材を酸化環境下に置いての熱処理や陽極酸化等が挙げられる。なお本発明においては、熱処理や陽極酸化以外の方法でチタン酸化層を形成させてもよい。また、貴金属酸化物の存在はチタン基材と導電性膜の密着性の向上に寄与する。   The lower limit of the thickness of the titanium oxide layer containing the noble metal oxide is 30 nm on one side, preferably 100 nm. When the thickness of the titanium oxide layer containing the noble metal oxide is less than 30 nm, the strength of the titanium base material cannot be supplemented when the thickness of the titanium base material is thin. On the other hand, the upper limit of the thickness of the titanium oxide layer containing the noble metal oxide is 200 nm. When the thickness of the titanium oxide layer containing the noble metal oxide exceeds 200 nm, the adhesion between the titanium base material and the conductive film may deteriorate. The titanium oxide layer may be formed in advance from an oxide layer present on the surface of the titanium base material. When the thickness of the titanium oxide layer is less than 30 nm, it is necessary to thicken the oxide layer on the titanium surface before forming the conductive film. Examples of the method include heat treatment and anodic oxidation with the titanium substrate placed in an oxidizing environment. In the present invention, the titanium oxide layer may be formed by a method other than heat treatment or anodic oxidation. In addition, the presence of the noble metal oxide contributes to an improvement in adhesion between the titanium base material and the conductive film.

またチタン窒化層またはチタン炭化層の下限値は片面30nm、好ましくは100nmである。チタン窒化層またはチタン炭化層の厚みが30nmを下回ると、チタン基材の厚みが薄い場合には、チタン材の強度を補うことができない。一方チタン窒化層またはチタン炭化層は硬く、チタン材の強度を向上させるものの、プレス加工性が悪いため、チタン材の厚みが薄い場合には硬化層形成後のプレス加工でチタン材が割れてしまう場合がある。そこで硬化層の上限については、チタン基材の厚みによって異なるが、5000nm以下、好ましくは1000nm以下とするのが望ましい。   The lower limit of the titanium nitride layer or the titanium carbide layer is 30 nm on one side, preferably 100 nm. When the thickness of the titanium nitride layer or the titanium carbide layer is less than 30 nm, the strength of the titanium material cannot be supplemented when the thickness of the titanium substrate is thin. On the other hand, although the titanium nitride layer or the titanium carbide layer is hard and improves the strength of the titanium material, the press workability is poor, so if the thickness of the titanium material is thin, the titanium material will crack in the press work after forming the hardened layer. There is a case. Therefore, the upper limit of the hardened layer varies depending on the thickness of the titanium base material, but is desirably 5000 nm or less, preferably 1000 nm or less.

チタン窒化層またはチタン炭化層は、スパッタ法を用いて、スパッタのターゲットとして準備したチタン窒化層またはチタン炭化層から形成させても良いし、反応性スパッタを用いて、チタン表面に、アルゴンガスと窒素ガスまたはアセチレンガスを照射して形成させても良い。また窒素ガス雰囲気による高温の熱処理において形成させてもよい。なお本発明においては、スパッタ法や熱処理以外の方法によりチタン窒化層またはチタン炭化層を形成させても良い。 The titanium nitride layer or the titanium carbide layer may be formed from a titanium nitride layer or a titanium carbide layer prepared as a sputtering target using a sputtering method, or reactive sputtering may be used to form argon gas on the titanium surface. It may be formed by irradiation with nitrogen gas or acetylene gas. Alternatively, it may be formed by high-temperature heat treatment in a nitrogen gas atmosphere. In the present invention, the titanium nitride layer or the titanium carbide layer may be formed by a method other than sputtering or heat treatment.

(4)セパレータの製造方法
本発明における反応ガス流路を形成したセパレータの作製プロセスは、以下の7通りになる。
1)反応ガス流路形成のためにプレス加工したチタン基材に、導電性膜及びAuの導電性膜を成膜する方法
2)導電性膜を形成したチタン基材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、Auの導電性膜を成膜する方法
3)チタン基材に、貴金属導電性膜及びAu導電性膜を形成し、その後反応ガス流路形成のためプレス加工する方法
4)チタン基材にプレス加工を施し、プレス加工後に硬化層を形成し、その後貴金属導電性膜、Au導電性膜の順番で成膜する方法
5)チタン基材に硬化層を形成させ、チタン基材にプレス加工施し、その後導電性膜、Au導電性膜の順番で成膜する方法
6)チタン基材に硬化層を形成し、その後貴金属導電性膜を形成させ、チタン基材にプレス加工施し、その後Au導電性膜を成膜する方法
7)チタン基材に硬化層を形成し、その後貴金属導電性膜、Au導電性膜の順番で膜を成膜し、チタン基材をプレス加工する方法
4)の方法は、硬化層を必要とする4)〜7)の方法の中で、硬化層を形成する前にプレス加工を施すため、加工が容易である。そのためセパレータの強度向上を図ることができるため有効な方法である。
(4) Manufacturing method of separator The manufacturing process of the separator which formed the reactive gas flow path in this invention becomes the following seven types.
1) A method of forming a conductive film and a conductive film of Au on a titanium base material that has been press-processed to form a reactive gas flow path. 2) A titanium base material having a conductive film formed thereon is used to form a reactive gas flow path. 3) Forming a noble metal conductive film and an Au conductive film on a titanium substrate, and then press forming to form a reaction gas flow path Method 4) Pressing the titanium substrate, forming a cured layer after the pressing, and then forming a noble metal conductive film and Au conductive film in this order 5) Forming the cured layer on the titanium substrate, Method of press-working titanium substrate, then forming conductive film and Au conductive film in this order 6) Forming hardened layer on titanium substrate, then forming noble metal conductive film and pressing on titanium substrate Method of processing and then forming Au conductive film 7) The method 4), in which a hardened layer is formed on a tan base, and then a film is formed in the order of a noble metal conductive film and an Au conductive film, and the titanium base is pressed, requires a hardened layer. Among the methods of) to 7), the press working is performed before the cured layer is formed, so that the processing is easy. Therefore, it is an effective method because the strength of the separator can be improved.

本発明に用いたチタン材は工業用純チタン材(JIS1種)である。チタン材の厚みは表1に記載の30〜100μmである。チタン材の表面には予め約60nmのチタン酸化物があるが、導電性膜を形成する前に表1に示すような処理をチタン材表面に施し、硬化層の1つであるチタン酸化膜の厚みの異なるチタン材を用意した。
硬化層の種類であるチタン窒化層またはチタン炭化層は、予めチタン材表面を機械研磨することでチタン材酸化物の厚みを3nm程度にしたチタン材にスパッタを用いて形成した。
Pdからなる導電性膜は、スパッタ法を用いて、硬化層表面に形成した。
Auの導電性膜についても、スパッタ法を用いて、導電性膜上に形成した。
チタン材に硬化層、導電性膜、Auの導電性膜を形成したチタン材の構造を図1に示す。
The titanium material used in the present invention is an industrial pure titanium material (JIS class 1). The thickness of the titanium material is 30 to 100 μm described in Table 1. There is a titanium oxide of about 60 nm in advance on the surface of the titanium material. Before forming the conductive film, the titanium material surface is subjected to a treatment as shown in Table 1 to form a titanium oxide film which is one of the hardened layers. Titanium materials with different thicknesses were prepared.
The titanium nitride layer or the titanium carbide layer, which is a kind of the hardened layer, was formed by sputtering on a titanium material in which the titanium material surface was previously mechanically polished to a titanium material oxide thickness of about 3 nm.
The conductive film made of Pd was formed on the surface of the hardened layer using a sputtering method.
An Au conductive film was also formed on the conductive film by sputtering.
FIG. 1 shows the structure of a titanium material in which a hardened layer, a conductive film, and a conductive film of Au are formed on the titanium material.

硬化層(チタン窒化層、チタン炭化層)、導電性膜及びAuの導電性膜の形成条件は以下のとおりである。
硬化層(チタン窒化層、チタン炭化層)の形成条件
形成方法1:スパッタ法
スパッタ装置:株式会社アルバック製
スパッタ条件:出力DC50W アルゴン圧力0.2Pa
形成方法2:熱処理法
窒素雰囲気下において、チタン材を850℃の熱処理をすることで、窒化チタンを形成させた。
The conditions for forming the hardened layer (titanium nitride layer, titanium carbide layer), conductive film, and conductive film of Au are as follows.
Formation conditions of hardened layer (titanium nitride layer, titanium carbide layer) Formation method 1: Sputtering method Sputtering apparatus: manufactured by ULVAC, Inc. Sputtering condition: output DC 50 W, argon pressure 0.2 Pa
Formation Method 2: Heat Treatment Method Titanium nitride was formed by heat treatment of the titanium material at 850 ° C. in a nitrogen atmosphere.

導電性膜の形成条件
形成方法:スパッタ法
スパッタ装置:株式会社アルバック製
スパッタ条件:出力DC50W アルゴン圧力0.2Pa
Au導電性膜の形成条件
形成方法:スパッタ法
スパッタ装置:株式会社アルバック製
スパッタ条件:出力DC50W アルゴン圧力0.2Pa
Formation method of conductive film Formation method: Sputtering method Sputtering device: manufactured by ULVAC, Inc. Sputtering condition: Output DC 50 W Argon pressure 0.2 Pa
Formation conditions of Au conductive film Formation method: Sputtering method Sputtering apparatus: manufactured by ULVAC, Inc. Sputtering condition: output DC 50 W, argon pressure 0.2 Pa

硬化層、導電性膜及びAuの導電性膜を成膜したチタン基材は、硬化層、導電性膜及びAuの導電性膜の組成や厚みの確認と、密着性、耐食性試験前後の接触抵抗及び形状維持性の評価を次の方法で行った。   Titanium base material on which hardened layer, conductive film and Au conductive film are formed, the composition and thickness of hardened layer, conductive film and Au conductive film are confirmed, and contact resistance before and after adhesion and corrosion resistance tests The shape maintenance was evaluated by the following method.

硬化層、貴金属導電性膜及びAu導電性膜の組成や厚みの確認
チタン材表面にある硬化層、貴金属導電性膜及びAu導電性膜の組成や厚みの確認は、Au導電性膜表面から深さ方向に、X線光電子分光分析(XPS、アルバック・ファイ株式会社型式5600MC、スパッタ速度:SiO2換算10nm/min)で分析し、X線光電子分光分析回析ソフト(アルバックファイ株式会社製、Multipak Ver.7.0.1)を用いて、ピーク分離することにより行った。
硬化層の組成である貴金属酸化物を含むチタン酸化層、チタン窒化層及びチタン炭化層は、XPS分析による検出される10at%以上の範囲にある酸素、窒素及び炭素から得られるものとした。なおチタン酸化物には貴金属酸化物が含まれるが、X線光電子分光分析回析ソフト(アルバックファイ株式会社製、Multipak Ver.7.0.1)を用いたピーク分離により、チタン酸化物と貴金属酸化物酸化物を分離することが出来る。
貴金属導電性膜及びAu導電性膜は、XPS分析による検出される5at%以上の範囲にある貴金属成分から得られるものとした。
Confirmation of composition and thickness of hardened layer, noble metal conductive film and Au conductive film Confirmation of composition and thickness of hardened layer, noble metal conductive film and Au conductive film on the surface of titanium material is deep from the surface of Au conductive film. X-ray photoelectron spectroscopic analysis (XPS, ULVAC-PHI Co., Ltd. model 5600MC, sputtering rate: 10 nm / min in terms of SiO 2), and X-ray photoelectron spectroscopic analysis software (manufactured by ULVAC-PHI, Inc., Multipak Ver.) 7.0.1), and was performed by peak separation.
The titanium oxide layer, titanium nitride layer, and titanium carbide layer containing the noble metal oxide as the composition of the hardened layer were obtained from oxygen, nitrogen, and carbon in the range of 10 at% or more detected by XPS analysis. Titanium oxide contains noble metal oxide, but titanium oxide and noble metal are separated by peak separation using X-ray photoelectron spectroscopic analysis diffraction software (manufactured by ULVAC-PHI, Inc., Multipak Ver. 7.0.1). Oxide oxide can be separated.
The noble metal conductive film and the Au conductive film were obtained from a noble metal component in a range of 5 at% or more detected by XPS analysis.

密着性
密着性は、各試験片の導電性膜表面に1mm間隔で碁盤の目を罫書き、テープ剥離試験(Auの導電性膜上に粘着性のあるテープをはり付け、これを急速にかつ強く引き剥がすことにより、導電性膜及び耐酸化性導電性膜の密着性を調べる方法)を行った。更に、各試験片を任意に180°曲げて元の状態に戻し、曲げ部のテープ剥離試験を行った。
Adhesion Adhesion is determined by scoring a grid pattern at 1 mm intervals on the surface of the conductive film of each test piece, and applying a tape peeling test (adhesive tape is applied to the Au conductive film. A method of investigating the adhesion between the conductive film and the oxidation-resistant conductive film by peeling off strongly. Further, each test piece was arbitrarily bent by 180 ° to return to the original state, and a tape peeling test of the bent portion was performed.

接触抵抗
接触抵抗の測定はサンプル全面に荷重を加える方法にて行った。図2に示すように40×50mmのサンプルとカーボンペーパーを積層させ、サンプルとカーボンペーパーを上下から、同サイズの銅板(10mmt)に1.0μmのNi下地めっきをし、その上に0.5μmのAuめっきした材料で鋏み、試料に10kg/cmの荷重をかけ、電流密度100mA/cmの電流を流した時の電気抵抗を4端子法で測定した。
Contact resistance The contact resistance was measured by applying a load to the entire surface of the sample. As shown in FIG. 2, a 40 × 50 mm sample and carbon paper are laminated, and the sample and carbon paper are plated from the top and bottom with a 1.0 μm Ni undercoat on a copper plate (10 mmt) of the same size, and 0.5 μm thereon. The sample was rubbed with an Au-plated material, a load of 10 kg / cm 2 was applied to the sample, and the electric resistance when a current of 100 mA / cm 2 was passed was measured by the 4-terminal method.

耐食性
耐食試験は、40×50mmサイズの各試験片を、浴温90℃の硫酸水溶液(pH=1.8、液量350cc)に168時間(1週間)浸漬して行い、各試験片の耐食性試験前後の接触抵抗を評価した。
Corrosion resistance The corrosion resistance test was performed by immersing each test piece having a size of 40 x 50 mm in a sulfuric acid aqueous solution (pH = 1.8, liquid amount 350 cc) at a bath temperature of 90C for 168 hours (one week). The contact resistance before and after the corrosion resistance test of the test piece was evaluated.

形状維持性
形状維持性は、次の方法で評価した。図3に示す形状にプレス成形したチタン材の上下をカーボンペーパーで鋏み、試料に10kg/cmの荷重を1度加える。その後チタン材に加えた荷重を解放し、荷重を加えた前後でのプレス加工したチタン材の凹凸形状の変化を顕微鏡で観察した。凹凸形状の変化が全くない場合を○とし、一部でも変形した場合には×とした。
Shape maintenance The shape maintenance was evaluated by the following method. The upper and lower sides of the titanium material press-molded into the shape shown in FIG. 3 are sandwiched with carbon paper, and a load of 10 kg / cm 2 is applied to the sample once. Thereafter, the load applied to the titanium material was released, and the change in the uneven shape of the pressed titanium material before and after the load was applied was observed with a microscope. The case where there was no change in the uneven shape was marked with ◯, and the case where even a part of the shape was deformed was marked with ×.

以下、表1に結果を示す。 The results are shown in Table 1 below.

Figure 2008251297
Figure 2008251297

発明例No.1は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
発明例No.2は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
Invention Example No. Reference numeral 1 denotes a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide having a thickness of 3 nm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.
Invention Example No. 2 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide having a thickness of 60 nm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.

発明例No.3は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが50nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
発明例No.4は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+炭化チタンの厚みが50nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
発明例No.5、6は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが30nmまたは200nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
Invention Example No. 3 is a separator material composed of a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a thickness of 3 nm of titanium oxide + 50 nm of titanium nitride, a thickness of Pd conductive film of 10 nm, and a thickness of Au of 10 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance and shape maintenance was good.
Invention Example No. 4 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a thickness of 3 nm of titanium oxide + 50 nm of titanium carbide, a thickness of Pd conductive film of 10 nm, and a thickness of Au of 10 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.
Invention Example No. 5 and 6 are separator materials comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide having a thickness of 30 nm or 200 nm as a hardened layer, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 10 nm. The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.

発明例No.7〜No.9は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが30、300、1000nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
発明例No.10〜No.11は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが1、100nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗及び形状維持性の評価は良好であった。
発明例No.12〜No.13は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが1、100nmからなるセパレータ材料である。密着性、接触抵抗、水素吸収量及び形状維持性の評価は良好であった。
Invention Example No. 7-No. 9 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a thickness of 3 nm of titanium oxide as a hardened layer + 30, 300, 1000 nm of titanium nitride, a thickness of Pd conductive film of 10 nm, and a thickness of Au of 10 nm. . The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.
Invention Example No. 10-No. 11 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide having a thickness of 60 nm, a Pd conductive film having a thickness of 1, 100 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance, and shape maintenance was good.
Invention Example No. 12-No. Reference numeral 13 denotes a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide having a thickness of 60 nm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 1, 100 nm as a hardened layer. The evaluation of adhesion, contact resistance, hydrogen absorption, and shape maintenance was good.

比較例No.14は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm、導電性膜及びAuの導電性膜がないセパレータ材料である。導電性膜及びAuの導電性膜がないため、耐食試験前後の接触抵抗が高い。
比較例No.15は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの導電性膜がないセパレータ材料である。Auの導電性膜がないため、耐食試験前後の接触抵抗が高い。
Comparative Example No. 14 is a separator material in which a titanium substrate having a thickness of 3 nm as a hardened layer, a conductive film, and a conductive film of Au is not formed on a titanium substrate having a thickness of 100 μm. Since there is no conductive film or Au conductive film, the contact resistance before and after the corrosion resistance test is high.
Comparative Example No. 15 is a separator material in which a titanium substrate having a thickness of 3 μm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au conductive film is not provided on a titanium substrate having a thickness of 100 μm. Since there is no Au conductive film, the contact resistance before and after the corrosion resistance test is high.

比較例No.16は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、導電性膜及びAuの導電性膜がないセパレータ材料である。導電性膜及びAuの導電性膜がないため、耐食試験前後の接触抵抗が高い。
比較例No.17は、厚み100μmのチタン板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの導電性膜がないセパレータ材料である。Auの導電性膜がないため、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
比較例No.18は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが50nm、導電性膜及びAuの導電性膜がないセパレータ材料である。導電性膜及びAuの導電性膜がないため、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
Comparative Example No. Reference numeral 16 denotes a separator material having a titanium substrate with a thickness of 60 nm as a hardened layer and no conductive film and no conductive film of Au on a titanium substrate having a thickness of 100 μm. Since there is no conductive film or Au conductive film, the contact resistance before and after the corrosion resistance test is high.
Comparative Example No. 17 is a separator material in which a titanium plate having a thickness of 60 μm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and a Au conductive film is not provided on a titanium plate having a thickness of 100 μm. Since there was no Au conductive film, the contact resistance after the corrosion test was greatly increased.
Comparative Example No. 18 is a separator material having a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide thickness of 3 nm + a titanium nitride thickness of 50 nm as a hardened layer, and no conductive film and Au conductive film. Since there was no conductive film or Au conductive film, the contact resistance after the corrosion resistance test was greatly increased.

比較例No.19は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+炭化チタンの厚みが50nm、導電性膜及びAuの導電性膜がないセパレータ材料である。導電性膜及びAuの導電性膜がないため、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
比較例No.20は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが50nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの導電性膜がないセパレータ材料である。Auの導電性膜がないため、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
Comparative Example No. No. 19 is a separator material having a titanium substrate with a thickness of 30 μm, a thickness of 3 nm of titanium oxide + 50 nm of titanium carbide as a hardened layer, and no conductive film and no conductive film of Au. Since there was no conductive film or Au conductive film, the contact resistance after the corrosion resistance test was greatly increased.
Comparative Example No. No. 20 is a separator material having a titanium substrate with a thickness of 30 μm, a titanium oxide thickness of 3 nm + a titanium nitride thickness of 50 nm, a Pd conductive film thickness of 10 nm, and no Au conductive film as a hardened layer. Since there was no Au conductive film, the contact resistance after the corrosion test was greatly increased.

比較例No.21は、厚み100μmのチタン板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+炭化チタンの厚みが50nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの導電性膜がないセパレータ材料である。Auの導電性膜がないため、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
比較例No.22は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが10nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。チタン基板の厚みが薄く、酸化チタンからなる硬化層の厚みが薄いために、形状維持性が悪かった。
比較例No.23は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが250nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。チタン基板の厚みが薄く、酸化チタンからなる硬化層の厚みが厚いために、チタン基材と導電性膜の密着性の一部が悪かった。
Comparative Example No. No. 21 is a separator material in which a titanium plate having a thickness of 3 nm + a titanium carbide thickness of 50 nm, a Pd conductive film thickness of 10 nm, and a Au conductive film is not provided on a titanium plate having a thickness of 100 μm. Since there was no Au conductive film, the contact resistance after the corrosion test was greatly increased.
Comparative Example No. 22 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide having a thickness of 10 nm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. Since the thickness of the titanium substrate was thin and the thickness of the hardened layer made of titanium oxide was thin, the shape maintainability was poor.
Comparative Example No. Reference numeral 23 denotes a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide having a thickness of 250 nm, a Pd conductive film having a thickness of 10 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. Since the thickness of the titanium substrate was thin and the thickness of the hardened layer made of titanium oxide was thick, a part of the adhesion between the titanium base material and the conductive film was poor.

比較例No.24は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが15nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。チタン基板の厚みが薄く、酸化チタンと窒化チタンからなる硬化層の厚みが薄いために、形状維持性が悪かった。
比較例No.25は、厚み30μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが3nm+窒化チタンの厚みが6000nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。チタン基板の厚みが薄く、酸化チタンと窒化チタンからなる硬化層の厚みが厚いために、形状維持性が悪かった。
Comparative Example No. 24 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide thickness of 3 nm + a titanium nitride thickness of 15 nm, a Pd conductive film thickness of 10 nm, and an Au thickness of 10 nm as a hardened layer. Since the thickness of the titanium substrate was thin and the thickness of the hardened layer made of titanium oxide and titanium nitride was thin, the shape maintaining property was poor.
Comparative Example No. 25 is a separator material composed of a titanium substrate having a thickness of 30 μm, a titanium oxide thickness of 3 nm + titanium nitride thickness of 6000 nm, a Pd conductive film thickness of 10 nm, and an Au thickness of 10 nm as a hardened layer. Since the thickness of the titanium substrate was thin and the thickness of the hardened layer made of titanium oxide and titanium nitride was thick, the shape maintaining property was poor.

比較例No.26は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが0.5nm、Auの厚みが10nmからなるセパレータ材料である。Pd導電性膜の厚みが薄いために、チタン基材と導電性膜の密着性が一部がで悪かった。
比較例No.27は、厚み100μmのチタン基板に、硬化層として酸化チタンの厚みが60nm、Pd導電性膜の厚みが10nm、Auからなる耐酸化性導電性膜の厚みが0.5nmからなるセパレータ材料である。Auの厚みが薄いために、耐食試験後の接触抵抗が大きく増加した。
Comparative Example No. 26 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide having a thickness of 60 nm, a Pd conductive film having a thickness of 0.5 nm, and an Au having a thickness of 10 nm as a hardened layer. Since the Pd conductive film was thin, the adhesion between the titanium substrate and the conductive film was partially poor.
Comparative Example No. 27 is a separator material comprising a titanium substrate having a thickness of 100 μm, a titanium oxide thickness of 60 nm as a hardened layer, a Pd conductive film thickness of 10 nm, and an oxidation resistant conductive film thickness of 0.5 nm. . Since the thickness of Au was thin, the contact resistance after the corrosion resistance test was greatly increased.

本発明の燃料電池セパレータ用材料の構造を示した図である。It is the figure which showed the structure of the material for fuel cell separators of this invention. サンプル全面に荷重を加える導電性膜を成膜したチタン材の接触抵抗測定方法を示す図である。It is a figure which shows the contact resistance measuring method of the titanium material which formed the electroconductive film which applies a load to the sample whole surface. 形状維持性を調べるためのサンプルの凹凸形状を示す図である。It is a figure which shows the uneven | corrugated shape of the sample for investigating shape maintenance property.

Claims (16)

Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上の貴金属導電性膜がチタン基材に成膜されており、その導電性膜上にAuの導電性膜を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   At least one type of noble metal conductive film selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os, and Pt is formed on a titanium substrate, and a conductive film of Au is formed on the conductive film. A separator material for a fuel cell, comprising: チタン材上に酸化層、窒化層及び炭化層からなる群より選択される少なくても1種類以上の硬化層を有するチタン基材に、Ru、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上からなる貴金属導電性膜を成膜し、導電性膜上にAuの導電性膜を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   From a group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt to a titanium substrate having at least one kind of hardened layer selected from the group consisting of an oxide layer, a nitride layer and a carbonized layer on a titanium material A fuel cell separator material comprising: a noble metal conductive film made of at least one selected type, and a conductive film of Au on the conductive film. チタン材上に貴金属酸化物を含んだチタン酸化物、チタン窒化物及びチタン炭化物からなる群より選択される少なくても1種類以上の硬化層を有するチタン基材であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池用セパレータ材料。   The titanium substrate having at least one kind of hardened layer selected from the group consisting of titanium oxide containing noble metal oxide, titanium nitride and titanium carbide on a titanium material. The separator material for fuel cells according to 2. チタン基材中の硬化層が、酸素濃度が10at%以上の範囲にある貴金属酸化物を含んだチタン酸化層の厚みが30nm〜200nm、窒素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン窒化層の厚みが30nm以上及び炭素濃度が10at%以上の範囲にあるチタン炭化層の厚みが30nm以上からなる群より選択される少なくても1種類以上であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池用セパレータ材料。   The thickness of the titanium nitride layer having a thickness of 30 nm to 200 nm and a nitrogen concentration of 10 at% or more in a titanium oxide layer containing a noble metal oxide having a oxygen concentration in the range of 10 at% or more in the hardened layer in the titanium substrate 4. The fuel cell according to claim 3, wherein the thickness of the titanium carbide layer having a thickness of 30 nm or more and a carbon concentration in the range of 10 at% or more is at least one selected from the group consisting of 30 nm or more. Separator material. 請求項1〜請求項4に記載のRu、Rh、Pd、Ir、Os及びPtからなる群より選択される少なくとも1種類以上の貴金属導電性膜の厚みが1nm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   A fuel characterized in that the thickness of at least one kind of noble metal conductive film selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Os and Pt according to claim 1 to 4 is 1 nm or more. Battery separator material. 請求項1〜請求項5に記載のAuの導電性膜の厚みが1nm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   A fuel cell separator material, wherein the Au conductive film according to any one of claims 1 to 5 has a thickness of 1 nm or more. 請求項1〜請求項6に記載のチタン基材が工業用純チタンであることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   7. The fuel cell separator material, wherein the titanium substrate according to claim 1 is industrial pure titanium. 請求項1〜請求項7に記載のチタン基材の厚みが30μm以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ材料。   8. A fuel cell separator material, wherein the titanium substrate according to claim 1 has a thickness of 30 [mu] m or more. 反応ガス流路形成のため、プレス加工したチタン基材に貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を成膜した請求項1および請求項5〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a noble metal conductive film and an Au conductive film are formed on a pressed titanium substrate for forming a reaction gas flow path. 貴金属導電性膜を形成したチタン基材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、Auの導電性膜を形成した請求項1および請求項5〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell according to claim 1, wherein the titanium base material on which the noble metal conductive film is formed is pressed to form a reaction gas flow path, and then an Au conductive film is formed. Separator for use. チタン基材に、貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を形成し、その後反応ガス流路形成のためプレス加工した請求項1および請求項5〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。 9. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a noble metal conductive film and an Au conductive film are formed on a titanium base material, and then pressed to form a reaction gas flow path. 反応ガス流路形成のため、プレス加工したチタン基材に硬化層を形成し、その後、貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を成膜した請求項2〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell according to claim 2, wherein a hardened layer is formed on a pressed titanium substrate for forming a reaction gas flow path, and then a noble metal conductive film and an Au conductive film are formed. Separator. 硬化層を形成したチタン基材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を形成した請求項2〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell according to claim 2, wherein the titanium base material on which the hardened layer is formed is pressed to form a reaction gas flow path, and then a noble metal conductive film and an Au conductive film are formed. Separator. 硬化層と貴金属導電性膜を形成したチタン基材を反応ガス流路形成のためのプレス加工をし、その後、Auの導電性膜を形成した請求項2〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The fuel cell according to claim 2, wherein the titanium base material on which the hardened layer and the noble metal conductive film are formed is pressed to form a reaction gas flow path, and then an Au conductive film is formed. Separator. 硬化層を形成したチタン基材に、貴金属導電性膜及びAuの導電性膜を形成し、その後反応ガス流路形成のためプレス加工した請求項2〜請求項8に記載の燃料電池用セパレータ。   9. The separator for a fuel cell according to claim 2, wherein a noble metal conductive film and an Au conductive film are formed on the titanium base material on which the hardened layer is formed, and then pressed to form a reaction gas flow path. 請求項1〜15に記載の燃料電池用セパレータ材料及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池用スタック。
A fuel cell stack using the fuel cell separator material and the fuel cell separator according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009123528A (en) * 2007-11-15 2009-06-04 Kobe Steel Ltd Titanium substrate for fuel cell separator, and manufacturing method of fuel cell separator using the same
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