JP2010238577A - Separator material for fuel cell and fuel cell stack using the same - Google Patents

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Yoshitaka Shibuya
義孝 澁谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator material for a fuel cell which reduces contact resistance of the separator material for the fuel cell wherein an Au layer or an Au alloy layer is formed on the surface of a Ti rolled plate and secures conductivity, and a fuel cell stack using the separator material for the fuel cell. <P>SOLUTION: In the separator material for the fuel cell, the Au layer or the Au alloy layer is formed on the surface of a Ti base material, and center line average roughness on the surface of the Au layer or the Au alloy layer is 0.2 μm or less. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、Ti圧延板等のTi基材の表面にAu又はAu合金(Auを含む層)が形成された燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator material in which Au or an Au alloy (a layer containing Au) is formed on the surface of a Ti substrate such as a Ti rolled plate, and a fuel cell stack using the same.

固体高分子型の燃料電池用セパレータとして、従来はカーボン板にガス流通路を形成したものが使用されていたが、材料コストや加工コストが大きいという問題がある。一方、カーボン板の代わりに金属板を用いる場合、高温で酸化性の雰囲気に曝されるために腐食や溶出が問題となる。このようなことから、Ti板表面にAu,Ru、Rh、Pd、Os、Ir及びPt等から選ばれる貴金属とAuとの合金をスパッタ成膜して導電部分を形成する技術が知られている(特許文献1)。さらに、特許文献1には、Ti表面に上記貴金属の酸化物を成膜することが記載されている。
一方、Ti圧延板の酸化被膜の上にAu膜を形成する燃料電池用セパレータが知られている(特許文献2)。
Conventionally, a solid polymer type fuel cell separator in which a gas flow passage is formed on a carbon plate has been used, but there is a problem that material costs and processing costs are high. On the other hand, when a metal plate is used instead of the carbon plate, corrosion and elution become a problem because it is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature. For this reason, a technique for forming a conductive portion by sputtering a noble metal selected from Au, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt and the like and an alloy of Au on the surface of the Ti plate is known. (Patent Document 1). Further, Patent Document 1 describes that the oxide of the noble metal is formed on the Ti surface.
On the other hand, a fuel cell separator that forms an Au film on an oxide film of a Ti rolled sheet is known (Patent Document 2).

又、固体高分子型燃料電池において、アノードに供給する燃料ガスとして、取扱いが容易なメタノールを使用するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC(direct methanol fuel cell))も開発されている。DMFCは、メタノールから直接エネルギー(電気)を取り出すことができるため、改質器などが不要で燃料電池の小型化に対応でき、携帯機器の電源としても有望視されている。
DMFCの構造としては、以下の2つが提案されている。まず第1の構造は、単セル(固体高分子型電解質膜を燃料極と酸素極で挟み込んだ膜電極接合体(以下、MEAという)を積層した積層型(アクティブ型)構造である。第2の構造は、単セルを平面方向に複数個配置した平面型(パッシブ型)構造である。これらの構造は、いずれも単セルを複数個直列に繋いだもの(以下、スタックという)であるが、このうち、パッシブ型構造は、燃料ガス(燃料液体)や空気などをセル内に供給するための能動的な燃料移送手段を必要としないため、更なる燃料電池の小型化が有望視されている。
In addition, in a polymer electrolyte fuel cell, a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol that is easy to handle as a fuel gas to be supplied to an anode has been developed. Since DMFC can directly extract energy (electricity) from methanol, a reformer or the like is not necessary, and it can cope with downsizing of the fuel cell, and is also promising as a power source for portable devices.
The following two structures have been proposed as DMFC structures. First, the first structure is a single cell (stacked (active) structure in which a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode) is stacked. This structure is a planar type (passive type) structure in which a plurality of single cells are arranged in the plane direction, each of which is a structure in which a plurality of single cells are connected in series (hereinafter referred to as a stack). Of these, the passive type structure does not require an active fuel transfer means for supplying fuel gas (fuel liquid), air, or the like into the cell, and therefore further reduction in size of the fuel cell is considered promising. Yes.

ところで、燃料電池用セパレータは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されている。このセパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
そして、DMFC用集電体に要求される条件は、水素ガスを用いる固体高分子型燃料電池用セパレータと比較すると多い。すなわち、通常の固体高分子型燃料電池用セパレータに要求される硫酸水溶液への耐食性に加え、燃料であるメタノール水溶液への耐食性、及び蟻酸水溶液への耐食性が必要である。蟻酸は、アノード触媒上でメタノールから水素イオンが生成する際に発生する副生成物である。
このようにDMFC作動環境下では、従来の固体高分子型燃料電池用セパレータに用いる材料をそのまま適用できるとは限らない。
By the way, the separator for a fuel cell has electrical conductivity, electrically connects each unit cell, collects energy (electricity) generated in each unit cell, and supplies fuel gas ( A flow path for fuel liquid) and air (oxygen) is formed. This separator is also called an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
The conditions required for a DMFC current collector are more than those for a polymer electrolyte fuel cell separator using hydrogen gas. That is, in addition to the corrosion resistance to a sulfuric acid aqueous solution required for a normal polymer electrolyte fuel cell separator, the corrosion resistance to a methanol aqueous solution and the corrosion resistance to a formic acid aqueous solution are required. Formic acid is a by-product generated when hydrogen ions are produced from methanol on the anode catalyst.
Thus, under the DMFC operating environment, the material used for the conventional polymer electrolyte fuel cell separator is not always applicable.

特開2001−297777号公報JP 2001-297777 A 特開2004−185998号公報JP 2004-185998 A

チタン材の表面はステンレスと比較すると粗く、Ti圧延板の場合、表面の中心線平均粗さが0.2μmを超えていることが多い。従って、表面が粗いTi圧延板に数nm〜数十nmのAu等を成膜したセパレータを燃料電池に組み込むと、Ti圧延板表面の電気的接触点が見掛けより少なくなり、接触抵抗が増加して電池出力が低下する場合があった。接触抵抗を低下させる方法として、セパレータに高い圧縮(締め付け)荷重を加えて電気的接触点を増やす方法があるが、実際の燃料電池に掛けることができる加重は構造上限られる(2〜10kg/cm)。
すなわち、本発明は、Ti基材表面にAu層又はAu合金層を形成した燃料電池用セパレータ材料において、接触抵抗を低減させ導電性を確保した燃料電池用セパレータ材料、それを用いた燃料電池スタックの提供を目的とする。
The surface of the titanium material is rough compared to stainless steel, and in the case of a Ti rolled sheet, the center line average roughness of the surface often exceeds 0.2 μm. Therefore, when a separator having a surface of Ti rolled plate with a film of several nanometers to several tens of nanometers in thickness is incorporated into a fuel cell, the number of electrical contact points on the surface of the Ti rolled plate is reduced and the contact resistance is increased. Battery output may decrease. As a method of reducing the contact resistance, there is a method of increasing the electrical contact point by applying a high compression (clamping) load to the separator, but the load that can be applied to an actual fuel cell is limited to the upper limit of the structure (2 to 10 kg / cm 2 ).
That is, the present invention relates to a fuel cell separator material in which an Au layer or an Au alloy layer is formed on the surface of a Ti substrate, a fuel cell separator material having reduced contact resistance and ensuring conductivity, and a fuel cell stack using the same The purpose is to provide.

本発明の燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材の表面にAu層又はAu合金層が形成され、前記Au層又は前記Au合金層の表面の中心線平均粗さが0.2μm以下である。   In the fuel cell separator material of the present invention, an Au layer or an Au alloy layer is formed on the surface of a Ti base material, and the center line average roughness of the surface of the Au layer or the Au alloy layer is 0.2 μm or less.

前記Ti基材の表面の中心線平均粗さが0.2μm以下であることが好ましい。
前記Au合金層は、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn及びBiからなる群より選択される少なくとも1種類以上の金属からなる第1成分とAuとの合金からなり、前記Au合金層と前記Ti基材との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層が存在することが好ましい。
前記中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20質量%以上含まれることが好ましい。
前記Ti基材がTi圧延板からなるストリップであり、該ストリップの表面に、前記Au層又は前記Au合金層を連続して形成してなることが好ましい。
前記Au層又は前記Au合金層において,Au40質量%以上の領域の厚みが1〜20nmであることが好ましい。
The center line average roughness of the surface of the Ti substrate is preferably 0.2 μm or less.
The Au alloy layer is made of an alloy of Au and a first component made of at least one metal selected from the group consisting of Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn and Bi, It is preferable that an intermediate layer containing Ti, O, and the first component and having less than 20% by mass of Au is present between the Au alloy layer and the Ti base material.
The intermediate layer preferably contains 10% by mass or more of Ti and O and 20% by mass or more of the first component.
It is preferable that the Ti base material is a strip made of a Ti rolled plate, and the Au layer or the Au alloy layer is continuously formed on the surface of the strip.
In the Au layer or the Au alloy layer, the thickness of Au 40% by mass or more is preferably 1 to 20 nm.

90℃で硫酸濃度0.5g/Lの水溶液に1週間浸漬後、前記Ti基材から前記Au層又は前記Au合金層を貫通する酸化チタンが、断面長さ1μm当り5個未満であることが好ましい。
前記Ti基材と、前記Au層又は前記Au合金層との間に、Oが20質量%以上50質量%以下含まれる酸化層が5nm以下の厚みで形成され、又は前記酸化層が形成されていないことが好ましい。
前記Ti基材と、前記Au層又は前記Au合金層との間に、Oが20質量%以上含まれる酸化層が5〜30nmの厚みで形成されていることが好ましい。
After immersion in an aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.5 g / L at 90 ° C. for 1 week, the number of titanium oxides penetrating from the Ti base material through the Au layer or the Au alloy layer is less than 5 per 1 μm in cross-sectional length. preferable.
Between the Ti base material and the Au layer or the Au alloy layer, an oxide layer containing O of 20% by mass to 50% by mass is formed with a thickness of 5 nm or less, or the oxide layer is formed. Preferably not.
It is preferable that an oxide layer containing 20% by mass or more of O is formed with a thickness of 5 to 30 nm between the Ti base material and the Au layer or the Au alloy layer.

本発明の燃料電池用セパレータ材料は、固体高分子形燃料電池又はダイレクトメタノール型固体高分子形燃料電池に好適に用いられる。
本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池用セパレータ材料を用いたものである。
The separator material for a fuel cell of the present invention is suitably used for a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell.
The fuel cell stack of the present invention uses the fuel cell separator material.

本発明によれば、Ti基材表面にAu層又はAu合金層を形成した燃料電池用セパレータ材料の接触抵抗を低減させ導電性を確保することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the contact resistance of a fuel cell separator material in which an Au layer or an Au alloy layer is formed on the surface of a Ti base material, and to ensure conductivity.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタック(単セル)の断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell stack (single cell) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る平面型燃料電池スタックの断面図である。1 is a cross-sectional view of a planar fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 耐食性試験後の、燃料電池用セパレータ材料の断面のBF−STEM像を示す図である。It is a figure which shows the BF-STEM image of the cross section of the separator material for fuel cells after a corrosion resistance test.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータ材料について説明する。なお、本発明において%とは、特に断らない限り、質量%(質量%)を示すものとする。
又、本発明において「燃料電池用セパレータ」とは、電気伝導性を有し、各単セルを電気的に接続し、各単セルで発生したエネルギー(電気)を集電すると共に、各単セルへ供給する燃料ガス(燃料液体)や空気(酸素)の流路が形成されたものをいう。セパレータは、インターコネクタ、バイポーラプレート、集電体とも称される。
従って、燃料電池用セパレータとして、板状の基材表面に凹凸状の流路を設けたセパレータの他、上記したパッシブ型DMFC用セパレータのように板状の基材表面にガスやメタノールの流路孔が開口したセパレータを含む。
Hereinafter, a fuel cell separator material according to an embodiment of the present invention will be described. In the present invention,% means mass% (mass%) unless otherwise specified.
In the present invention, the “fuel cell separator” has electrical conductivity, electrically connects each single cell, collects energy (electricity) generated in each single cell, and collects each single cell. A fuel gas (fuel liquid) or air (oxygen) flow path is formed. The separator is also referred to as an interconnector, a bipolar plate, or a current collector.
Therefore, as a separator for a fuel cell, in addition to a separator provided with an uneven channel on the surface of a plate-like substrate, a gas or methanol channel on the plate-like substrate surface like the above-described passive DMFC separator It includes a separator having holes.

<燃料電池用セパレータ材料の表面粗さ>
本発明の燃料電池用セパレータ材料は、Ti基材の表面にAu層又はAu合金層が形成され、前記Au層又は前記Au合金層の表面の中心線平均粗さ(Ra)が0.2μm以下である。
Raが0.2μmより大きいと、燃料電池に通常掛けることができる加重の範囲内(2〜10kg/cm)で電池用スタックを構成した際、セパレータの接触抵抗が高くなり、燃料電池の出力が低下する。この場合、燃料電池に掛ける荷重を大きくすればセパレータの接触抵抗が低くなるが、加重が大きくなり過ぎてセパレータ流路が変形して不具合を発生してしまう場合がある。Raは好ましくは、0.15μm以下であり、さらに好ましくは、0.1μm以下である。
<Surface roughness of separator material for fuel cells>
In the fuel cell separator material of the present invention, an Au layer or an Au alloy layer is formed on the surface of a Ti substrate, and the center line average roughness (Ra) of the surface of the Au layer or the Au alloy layer is 0.2 μm or less. It is.
When Ra is larger than 0.2 μm, the contact resistance of the separator becomes high when the battery stack is configured within a weight range ( 2 to 10 kg / cm 2 ) that can be normally applied to the fuel cell, and the output of the fuel cell is increased. Decreases. In this case, if the load applied to the fuel cell is increased, the contact resistance of the separator is lowered. However, the load is excessively increased and the separator flow path may be deformed to cause a problem. Ra is preferably 0.15 μm or less, and more preferably 0.1 μm or less.

<チタン基材及びその表面粗さ>
燃料電池用セパレータ材料には耐食性と導電性が要求され、基材には耐食性が求められる。このため基材として耐食性が良好なチタンを用い、好ましくはチタンの圧延板を用いる。
Ti基材の材質はチタンであれば特に制限されない。又、Ti圧延板の場合、厚みが10μm以上であることが好ましい。
Ti基材の表面の中心線平均粗さ(Ra)を0.2μm以下とする。数〜数十nmのAu層又はAu合金層をTi基材上に成膜する場合、Au層又はAu合金層の厚みがTi基材のRaに比べて極めて薄いため、Au層又はAu合金層の表面のRaはTi圧延板のRaを反映して0.2μm以下となる。
なお、Ti圧延板のRaは、圧延ロールのRaで変わる。実際の生産ラインでTi圧延板を連続圧延する場合、Ra0.06μm程度のロールが使用されるが、チタンはステンレスと比較すると材料が軟らかく、ロールと焼付けを起こしやすい。このため、圧延の際、ロール交換をせず、同じロールを使用し続けると、ロールのRaが大きくなり、結果としてTi圧延板のRaも大きくなってしまう。従って、圧延ロールのRaを管理することで、Raが0.2μm以下のTi圧延板を連続圧延することができる。具体的には、最終パス又は最終パス前に新しいロールに交換して圧延を行うことが望ましい。さらには、最終圧延後、表面粗度を整えるためのスキンパス圧延を行うことも有効である。
<Titanium substrate and its surface roughness>
A fuel cell separator material is required to have corrosion resistance and conductivity, and a base material is required to have corrosion resistance. For this reason, titanium having good corrosion resistance is used as the substrate, and a rolled titanium plate is preferably used.
The Ti base material is not particularly limited as long as it is titanium. In the case of a Ti rolled sheet, the thickness is preferably 10 μm or more.
The center line average roughness (Ra) of the surface of the Ti substrate is 0.2 μm or less. When an Au layer or an Au alloy layer having a thickness of several to several tens of nanometers is formed on a Ti substrate, the Au layer or the Au alloy layer is extremely thin compared to the Ra of the Ti substrate. The Ra of the surface of the steel sheet is 0.2 μm or less reflecting the Ra of the Ti rolled sheet.
In addition, Ra of a Ti rolled sheet changes with Ra of a rolling roll. When a Ti rolled sheet is continuously rolled in an actual production line, a roll of about Ra 0.06 μm is used. Titanium is softer than stainless steel, and tends to cause baking with the roll. For this reason, if the roll is not changed during rolling and the same roll is continuously used, Ra of the roll increases, and as a result, Ra of the Ti rolled sheet also increases. Therefore, by managing Ra of the rolling roll, a Ti rolled sheet having Ra of 0.2 μm or less can be continuously rolled. Specifically, it is desirable to perform rolling by exchanging with a new roll before the final pass or the final pass. Furthermore, it is also effective to perform skin pass rolling for adjusting the surface roughness after the final rolling.

本発明においては、燃料電池用セパレータ材料の最表面にAu層又はAu合金層が形成されていればよく、チタン基材とAu層又はAu合金層との間に各種の層が介在していてもよい。
具体的には、チタン基材上に直接Au層又はAu合金層が形成されていてもよく、又、Au層又はAu合金層の密着性を確保するため、基材とAu層又はAu合金層との間に,後述する酸化層や中間層が介装されていてもよい。
In the present invention, an Au layer or an Au alloy layer may be formed on the outermost surface of the fuel cell separator material, and various layers are interposed between the titanium base material and the Au layer or the Au alloy layer. Also good.
Specifically, an Au layer or an Au alloy layer may be formed directly on the titanium substrate, and in order to ensure adhesion between the Au layer or the Au alloy layer, the substrate and the Au layer or the Au alloy layer Between these layers, an oxide layer or an intermediate layer, which will be described later, may be interposed.

<Au層又はAu合金層>
Au層又はAu合金層は、Ti基材表面に形成されて高い導電性を確保するものである。導電性を確保する点から、Au層又はAu合金層において、Au40質量%以上の領域の厚みが1〜20nmであることが好ましい。ここで、本発明においては、Au層又はAu合金層の厚みが薄いため、「Au層」といっても最表面から下地のTi圧延板までの深さが完全にAu100%であることはない。そのため、上記したように、Au層又はAu合金層においても「Au40質量%以上の領域の厚み」を規定する必要がある。
Au層又はAu合金層において、Au40質量%以上の領域の厚みが1nm未満であると、得られたセパレータ材料の導電性や耐食性が劣り、20nmを超えるとコストアップになる場合がある。Au層又はAu合金層の厚みは、より好ましくは2nm以上、さらには好ましくは4nm以上である。Au層又はAu合金層の厚みは、XPS分析の際、SiO換算での走査距離の実寸である。
<Au layer or Au alloy layer>
The Au layer or the Au alloy layer is formed on the surface of the Ti base material to ensure high conductivity. From the viewpoint of ensuring conductivity, it is preferable that the thickness of the region of Au 40 mass% or more in the Au layer or the Au alloy layer is 1 to 20 nm. Here, in the present invention, since the thickness of the Au layer or the Au alloy layer is thin, the depth from the outermost surface to the underlying Ti rolled sheet is not completely 100% Au even if it is referred to as “Au layer”. . Therefore, as described above, it is necessary to define “the thickness of the region of Au 40% by mass or more” also in the Au layer or the Au alloy layer.
In the Au layer or the Au alloy layer, if the thickness of the region of Au 40 mass% or more is less than 1 nm, the obtained separator material has poor conductivity and corrosion resistance, and if it exceeds 20 nm, the cost may increase. The thickness of the Au layer or the Au alloy layer is more preferably 2 nm or more, and further preferably 4 nm or more. The thickness of the Au layer or the Au alloy layer is the actual size of the scanning distance in terms of SiO 2 in the XPS analysis.

なお、Au層又はAu合金層において、Au40質量%以上の領域の厚みを20nm以下としても、被膜欠陥(ピンホール)を少なくする方法としては、Ti基材表面にAuをスパッタする条件を適切に設定することが挙げられる。
スパッタ時のアルゴン圧力やスパッタ出力が高いと、スパッタ粒子とアルゴン分子の衝突が多くなるために均一な皮膜構造が得られ難く、被膜欠陥(ピンホール)が生じやすい。従って、アルゴン圧力やスパッタ出力を適正な範囲にすることで欠陥の少ないAu層又はAu合金層を成膜することができる。例えば、アルゴン圧力0.2〜0.5Pa、スパッタ出力50〜75Wとすることが望ましい。
In addition, in the Au layer or the Au alloy layer, even if the thickness of Au 40% by mass or more is set to 20 nm or less, as a method of reducing film defects (pinholes), the conditions for sputtering Au on the surface of the Ti substrate are appropriately set. To set.
If the argon pressure and sputtering output during sputtering are high, the collision between the sputtered particles and the argon molecules increases, so that it is difficult to obtain a uniform film structure, and film defects (pinholes) are likely to occur. Therefore, an Au layer or an Au alloy layer with few defects can be formed by adjusting the argon pressure and the sputtering output to an appropriate range. For example, it is desirable that the argon pressure is 0.2 to 0.5 Pa and the sputtering output is 50 to 75 W.

Au層又はAu合金層の濃度と厚みは、XPS分析の深さ(Depth)プロファイルによりAu, Ti,O,C,及び合金層成分の濃度分析をすることにより算出することができる。なお厚みはXPS分析の際、SiO換算での走査距離の実寸である。 The concentration and thickness of the Au layer or the Au alloy layer can be calculated by analyzing the concentration of Au, Ti, O, C, and alloy layer components using the XPS analysis depth profile. The thickness is the actual size of the scanning distance in terms of SiO 2 in the XPS analysis.

<Au合金層>
Au合金層としては、Auと合金を形成するものが例示でき、Au合金層の表面側がAu層となっていてもよい。
Au合金層は、後述するXPS分析により確認することができ、XPS分析により最表面から下層に向かってAu40質量%以上で厚み1nm以上を有する部分であって、以下の中間層より上層に位置する部分をAu合金層とする。Au合金層の厚みは1〜100nmであることが好ましい。Au合金層の厚みが1nm未満であると、Ti基材上に燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる場合がある。Au合金層の厚みが100nmを超えると省金化が図られずコストアップとなる場合がある。
又、Au合金層において、最表面から下層に向かう厚み1nm以上の領域のAu濃度が40質量%未満であると、燃料電池用セパレータに要求される耐食性を確保できなくなる。
<Au alloy layer>
Examples of the Au alloy layer include those that form an alloy with Au, and the surface side of the Au alloy layer may be an Au layer.
The Au alloy layer can be confirmed by XPS analysis, which will be described later, and is a portion having a thickness of 1 nm or more and Au of 40% by mass or more from the outermost surface to the lower layer by XPS analysis, and is located above the following intermediate layer. The part is an Au alloy layer. The thickness of the Au alloy layer is preferably 1 to 100 nm. If the thickness of the Au alloy layer is less than 1 nm, the corrosion resistance required for the fuel cell separator may not be ensured on the Ti substrate. If the thickness of the Au alloy layer exceeds 100 nm, it may not be possible to save money and the cost may increase.
Further, in the Au alloy layer, if the Au concentration in the region of 1 nm or more in thickness from the outermost surface to the lower layer is less than 40% by mass, the corrosion resistance required for the fuel cell separator cannot be secured.

燃料電池作動環境下での耐久性(耐脆化性)をより一層改善しようとするためには、Au合金層として、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn及びBiからなる群より選択される少なくとも1種類以上の金属からなる第1成分とAuとの合金層を用いることが好ましい。第1成分を含むAu合金層は、Ti基材にAuの特性(耐食性、導電性等)や耐水素脆性を付与する。
第1成分として選択される上記金属は、a)酸素と結合しやすい、b)Auと合金を構成する、c)水素を吸収し難い、という性質を有しており、Au合金層に上記した機能を付与するとともに、中間層を形成して合金層とTi基材との密着性を向上させる。
上記金属は電位-pH図からAuより易酸化性であり、また水素を吸収しにくい特性を利用し、上記第1成分を以下の中間層の構成元素として用いる。また第1成分は単一の元素から成っていてもよく、複数の元素から成っていてもよいが、耐食性、導電性及び耐久性の観点からCr、Moが好ましい。
In order to further improve the durability (brittleness resistance) under the fuel cell operating environment, the Au alloy layer is made of Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn and Bi. It is preferable to use an alloy layer of Au and a first component made of at least one metal selected from the group. The Au alloy layer containing the first component imparts Au characteristics (corrosion resistance, conductivity, etc.) and hydrogen embrittlement resistance to the Ti base material.
The metal selected as the first component has the properties that a) easily binds to oxygen, b) constitutes an alloy with Au, and c) hardly absorbs hydrogen. While giving a function, an intermediate | middle layer is formed and the adhesiveness of an alloy layer and Ti base material is improved.
From the potential-pH diagram, the metal is more oxidizable than Au, and utilizes the property of being difficult to absorb hydrogen, and the first component is used as a constituent element of the following intermediate layer. The first component may be composed of a single element or may be composed of a plurality of elements, but Cr and Mo are preferable from the viewpoint of corrosion resistance, conductivity, and durability.

<中間層>
Au合金層として、上記した第1成分とAuとの合金層を用いた場合、この合金層とTi基材との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層が存在する。
通常、Ti基材は表面に酸化層を有しており、酸化され難いAu(含有)層をTi表面に直接形成させるのは難しい。一方、上記第1成分はAuに比べて酸化され易く、Ti基材の表面でTi酸化物中のO原子と酸化物を形成し、Ti基材表面に強固に結合するものと考えられる。
又、上記第1成分は水素を吸収しにくい。これらの点で、Auを含んだ導電性膜(上記合金層又はAu単独層)の厚みが数10nm以下の場合には、従来、中間層として単にTi,Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W等を用いた場合に比べ、Ti、O及び前記第1成分から中間層を形成することにより、耐久性が良好なセパレータ材を提供できる。
なお中間層にはAuは含まれないほうが好ましく、Auが20 質量%以上含まれると密着性が低下する。中間層中のAu濃度を20質量%未満とするためには、Ti基材上に、第1成分単体のターゲット、又は低Au濃度の第1成分−Au合金ターゲットを用いてスパッタすることが好ましい。
<Intermediate layer>
When the alloy layer of the first component and Au described above is used as the Au alloy layer, the intermediate layer containing Ti, O, and the first component between the alloy layer and the Ti base material and less than 20% by mass of Au. There is a layer.
Usually, a Ti substrate has an oxide layer on the surface, and it is difficult to directly form an Au (containing) layer that is difficult to be oxidized on the Ti surface. On the other hand, it is considered that the first component is more easily oxidized than Au, and forms O atoms and oxides in the Ti oxide on the surface of the Ti base material, and is firmly bonded to the Ti base material surface.
The first component is difficult to absorb hydrogen. In these respects, when the thickness of the conductive film containing Au (the alloy layer or the Au single layer) is several tens of nm or less, conventionally, as an intermediate layer, simply Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Compared to the case where Cr, Mo, W, or the like is used, a separator material with excellent durability can be provided by forming the intermediate layer from Ti, O, and the first component.
The intermediate layer preferably contains no Au, and if 20 mass% or more of Au is contained, the adhesion is lowered. In order to set the Au concentration in the intermediate layer to less than 20% by mass, it is preferable to perform sputtering on the Ti base material using the target of the first component alone or the first component-Au alloy target having a low Au concentration. .

中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ第1成分が20質量%以上含まれる1nm以上の層として存在することが好ましい。この場合、燃料電池用セパレータ材料の断面をXPSで分析したとき、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ第1成分が20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%以上含まれる領域が厚み方向に1nm以上存在する。このような組成を有する中間層の厚みの上限は限定されないが、第1成分のコストの点から100nm以下であることが好ましい。   The intermediate layer preferably exists as a layer of 1 nm or more in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is contained by 20% by mass or more. In this case, when the cross section of the separator material for a fuel cell is analyzed by XPS, there are regions in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is 20% by mass or more and Au is 20% by mass or more. 1 nm or more exists in the thickness direction. The upper limit of the thickness of the intermediate layer having such a composition is not limited, but is preferably 100 nm or less from the viewpoint of the cost of the first component.

Ti、Oの下限をそれぞれ10質量%とし、第1成分の下限を20質量%とした理由は、第1成分が20 質量%未満である部分はTi基材の表面に近く、Tiが10 質量%未満である部分は合金層に近くなるためであり、又、Oが10 質量%未満である部分は第1成分とTiがO原子と充分な酸化物を形成しておらず、中間層として機能しないと考えられるからである。又、Ti、Oはそれぞれ10質量%から急激に減少するので、測定上から10質量%を下限とする。Auを20 質量%未満とした理由は密着性を向上させるためである。
なお厚みはXPS分析の際、SiO換算での走査距離の実寸である。
The reason why the lower limit of Ti and O is 10% by mass and the lower limit of the first component is 20% by mass is that the portion where the first component is less than 20% by mass is close to the surface of the Ti substrate, and Ti is 10% by mass. This is because the portion less than 10% is close to the alloy layer, and the portion where O is less than 10% by mass does not form a sufficient oxide with the first component and Ti atoms as O atoms. This is because it is considered not to function. Moreover, since Ti and O each decrease rapidly from 10% by mass, 10% by mass is set as the lower limit from the measurement. The reason for making Au less than 20% by mass is to improve adhesion.
The thickness is the actual size of the scanning distance in terms of SiO 2 in the XPS analysis.

<耐食性試験>
以上のようにして得られた燃料電池用セパレータ材料を、90℃で硫酸濃度0.5g/Lの水溶液に1週間浸漬後、厚み方向の断面試料を作製し、この断面を観察したとき、Ti基材からAu層又はAu合金層を貫通する酸化チタンが、断面長さ1μm当り5個未満であることが好ましい。Au層又はAu合金層を貫通する酸化チタンは、Au層又はAu合金層の被膜欠陥の存在を示すと考えられ、被膜欠陥から上記水溶液が浸透し、Ti基材表面の酸化膜を成長させ、上記した被膜欠陥を突き破って表出する。
そして、Au層又はAu合金層を貫通する酸化チタンの個数と、燃料電池用セパレータ材料の不良(接触抵抗の増加)には相関があることが判明している。Au層又はAu合金層を貫通する酸化チタンが5個を超える場合には、燃料電池用セパレータ材料の接触抵抗が増加し、燃料電池用セパレータ材料を電池に組んだ際、連続発電試験後の出力電圧が低下する傾向がある。
Au層又はAu合金層の被膜欠陥は、TEM(透過型電子顕微鏡)レベルの分析機器でも判別できないが、上記水溶液中の加速試験を利用することにより簡単に判別することができる。Au層又はAu合金層を貫通する酸化チタンが断面長さ1μm当り5個未満であれば、発電特性が良好となる燃料電池用セパレータ材料が短時間で判断できる。
図3は、上記水溶液中で耐食性試験後の、燃料電池用セパレータ材料(実施例6)の断面のBF−STEM像を示す。又この断面をEDXでマッピングして判明した組成を、図3上に記載している。酸化チタンがAu層を貫通することがわかる。
<Corrosion resistance test>
When the fuel cell separator material obtained as described above was immersed in an aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.5 g / L for 1 week at 90 ° C., a cross-sectional sample in the thickness direction was prepared, and when this cross section was observed, Ti The number of titanium oxides penetrating from the substrate through the Au layer or the Au alloy layer is preferably less than 5 per 1 μm in cross-sectional length. Titanium oxide penetrating the Au layer or Au alloy layer is considered to indicate the presence of coating defects in the Au layer or Au alloy layer, the aqueous solution penetrates from the coating defects, grows an oxide film on the surface of the Ti substrate, It breaks through the above-mentioned film defect and appears.
It has been found that there is a correlation between the number of titanium oxides penetrating the Au layer or the Au alloy layer and the failure of the fuel cell separator material (increase in contact resistance). When the number of titanium oxides penetrating the Au layer or Au alloy layer exceeds 5, the contact resistance of the fuel cell separator material increases, and when the fuel cell separator material is assembled into a battery, the output after the continuous power generation test The voltage tends to decrease.
The film defect of the Au layer or the Au alloy layer cannot be discriminated with a TEM (Transmission Electron Microscope) level analyzer, but can be easily discriminated by using the accelerated test in the aqueous solution. When the number of titanium oxides penetrating the Au layer or the Au alloy layer is less than 5 per 1 μm in cross-sectional length, a fuel cell separator material with good power generation characteristics can be determined in a short time.
FIG. 3 shows a BF-STEM image of a cross section of the fuel cell separator material (Example 6) after the corrosion resistance test in the aqueous solution. The composition found by mapping this cross section with EDX is shown in FIG. It can be seen that titanium oxide penetrates the Au layer.

<酸化層>
Au層の密着性や導電性を確保するためには、Ti基材表面に形成される酸化層が薄いほうが望ましい。
(1)第1の場合は、Oが20質量%以上50質量%以下含まれる領域を酸化層とし、酸化層が5nm以下の厚みで形成されている場合である。第1の場合としては、上記した中間層等を介さずに、Ti基材表面に直接Au層やAu合金層を設ける場合が相当する。
Oを20質量%以上含まれる領域を酸化層とした理由は、酸化層のO(酸素)濃度が20質量%未満であると、燃料電池の連続発電試験を行った場合にチタン基材が脆化して燃料電池用セパレータ材料としての耐久性が劣化するためである。
一方、酸化層中のO(酸素)濃度が50質量%以上になると、Ti基材上にAu層が均一に成膜されているように見えても、密着性が劣り、実際に燃料電池として動作中にAu層やAu合金層が剥がれることがある。
酸化層の厚みが5nmを超えると、Ti基材表面に形成したAu層又はAu合金層の密着性が低下する。
<Oxide layer>
In order to ensure the adhesion and conductivity of the Au layer, it is desirable that the oxide layer formed on the surface of the Ti substrate is thin.
(1) The first case is a case where a region containing 20% by mass to 50% by mass of O is an oxide layer, and the oxide layer is formed with a thickness of 5 nm or less. The first case corresponds to a case where an Au layer or an Au alloy layer is directly provided on the surface of the Ti base material without using the above-described intermediate layer or the like.
The reason why the region containing 20% by mass or more of O is an oxide layer is that when the O (oxygen) concentration of the oxide layer is less than 20% by mass, the titanium base material is brittle when a fuel cell continuous power generation test is performed. This is because the durability as a fuel cell separator material deteriorates.
On the other hand, when the O (oxygen) concentration in the oxide layer is 50% by mass or more, even if the Au layer appears to be uniformly formed on the Ti substrate, the adhesion is inferior, and as a fuel cell actually The Au layer or the Au alloy layer may be peeled off during operation.
When the thickness of the oxide layer exceeds 5 nm, the adhesiveness of the Au layer or Au alloy layer formed on the Ti base material surface decreases.

(2)第2の場合は、Oが20質量%以上含まれる領域を酸化層とし、酸化層が5〜30nmの厚みで形成されている場合である。第2の場合としては、第1の場合より燃料電池用セパレータ材料の耐久性を向上させたい場合が挙げられる。
つまり、上述したように、Ti基材表面の上記酸化層が5nmを超えている状態で直接Au層を成膜すると、Au層の密着性が劣化する。しかし、燃料電池作動環境下でのセパレータの耐久性(耐脆化性)を向上させる為には、予めTi基材の表面に10nm程度の厚みで酸化層(以下、上記した本発明で規定する酸化層と区別するため、「原始酸化層」と称する)が形成されている必要がある。但し、Ti基材に形成された原始酸化層は、表面側でO濃度が50質量%を超えるため、上記したようにAu層又はAu合金層の密着性を低下させる場合がある。そこで、表面に原始酸化層が形成されているTi基材の表面に、厚み1nm以上のTi被膜を形成すると、原始酸化層の表面側のO濃度が低下し、Oが20質量%以上含まれる酸化層を5〜30nmの厚みで形成することができる。
ここで、Ti基材を空気中に放置すると、その表面に原始酸化層(TiO)が自然に形成されるが、これだけでは上記した酸化層を5nm以上の厚みで形成するには不充分なことがある。そこで、Ti基材を積極的に酸化させ、10→6nm程度の厚みになるまで原始酸化層を形成させてもよい。酸化させる方法としては、陽極酸化処理、雰囲気焼鈍等が挙げられる。なお、Ti基材の表面に形成されている酸化層も、通常はOを20質量%以上含む。
(2) The second case is a case where a region containing 20% by mass or more of O is an oxide layer, and the oxide layer is formed with a thickness of 5 to 30 nm. As the second case, there is a case where it is desired to improve the durability of the fuel cell separator material than in the first case.
That is, as described above, if the Au layer is directly formed in a state where the oxide layer on the surface of the Ti substrate exceeds 5 nm, the adhesion of the Au layer is deteriorated. However, in order to improve the durability (brittleness resistance) of the separator in the fuel cell operating environment, an oxide layer (hereinafter defined by the present invention described above) with a thickness of about 10 nm is previously formed on the surface of the Ti substrate. In order to distinguish it from the oxide layer, it is necessary to form a “primary oxide layer”). However, since the primitive oxide layer formed on the Ti base has an O concentration of more than 50% by mass on the surface side, the adhesion of the Au layer or the Au alloy layer may be lowered as described above. Therefore, when a Ti film having a thickness of 1 nm or more is formed on the surface of the Ti base material on which the primitive oxide layer is formed, the O concentration on the surface side of the primitive oxide layer is reduced, and O is contained by 20 mass% or more. The oxide layer can be formed with a thickness of 5 to 30 nm.
Here, when the Ti substrate is left in the air, a primitive oxide layer (TiO 2 ) is naturally formed on the surface, but this alone is insufficient to form the above-described oxide layer with a thickness of 5 nm or more. Sometimes. Therefore, the Ti base material may be actively oxidized, and the primitive oxide layer may be formed until the thickness reaches about 10 → 6 nm. Examples of the oxidizing method include anodizing treatment and atmosphere annealing. Note that the oxide layer formed on the surface of the Ti base also usually contains 20% by mass or more of O.

原始酸化層が6nm程度形成されたTiの表面に、さらにTi被膜を形成する際、そのTi被膜の厚みが1nm未満であると、表面側のO濃度が充分に低下しない場合がある。従って、このTi被膜の厚みが2nm以上であるとより好ましい。又、得られた燃料電池用セパレータ材料の導電性を低下させない(酸化層を30nm以下にする)ためには、Ti被膜の厚みは10nm未満であることが好ましい。
なお、Ti基材表面に予め形成させる原始酸化層が厚過ぎる(概ね、10nmを超える)場合、上記したTi被膜を厚く(10nm以上)形成すれば表面側のO濃度が低下するものの、得られた酸化層が厚くなり過ぎ(30nmを超え)るので、導電性を低下させる。又、厚過ぎる原始酸化層は、後述するAu層成膜前の前処理である逆スパッタを長時間行っても薄くすることができない。
ここで、最終的な酸化層のOの濃度や厚みは、Ti基材に形成された原始酸化層や、Ti皮膜をさらに成膜することにより制御できる。
When a Ti film is further formed on the surface of Ti on which the primitive oxide layer is formed to be about 6 nm, if the thickness of the Ti film is less than 1 nm, the O concentration on the surface side may not be sufficiently lowered. Therefore, the thickness of the Ti coating is more preferably 2 nm or more. In order not to lower the conductivity of the obtained fuel cell separator material (the oxide layer is made to be 30 nm or less), the thickness of the Ti coating is preferably less than 10 nm.
In addition, when the primitive oxide layer formed in advance on the surface of the Ti base is too thick (generally over 10 nm), if the above-described Ti coating is formed thick (over 10 nm), the O concentration on the surface side is reduced, but it is obtained. Since the oxidized layer becomes too thick (greater than 30 nm), the conductivity is lowered. In addition, the primitive oxide layer that is too thick cannot be thinned even if reverse sputtering, which is a pretreatment before the Au layer formation described later, is performed for a long time.
Here, the concentration and thickness of O in the final oxide layer can be controlled by further forming a primitive oxide layer formed on the Ti base material or a Ti film.

第1の場合、第2の場合のいずれにおいても、酸化層のOの濃度、及び酸化層の厚みは、XPS(X線光電子分光)分析の深さ(Depth)プロファイルにより、Au, Ti,O,Cの濃度分析することにより算出することができる。なお厚みはXPS分析の際、SiO換算での走査距離の実寸である。 In both the first case and the second case, the concentration of O in the oxide layer and the thickness of the oxide layer depend on the depth (Depth) profile of XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis. , C concentration analysis. The thickness is the actual size of the scanning distance in terms of SiO 2 in the XPS analysis.

<5nm以下の酸化層を有する燃料電池用セパレータ材料の製造>
5nm以下の酸化層を有する燃料電池用セパレータ材料は、例えば以下のように製造することができる。まず、Ti基材表面の原始酸化層(Ti基材に最初から形成されている酸化層)が3nm程度の厚みを有するかを確認し、原始酸化層の厚みが厚ければ、Ti基材をスパッタ前にフッ化物含有前処理液で処理して、原始酸化層の厚みを3nm以下とする。
次に、必要に応じ、Ti基材表面のクリーニング及び原始酸化層の調整を目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行う。逆スパッタは、例えばRF100W程度の出力で、アルゴン圧力0.2Pa程度としてアルゴンガスをTi基材に照射して行うことができる。
そして、Au層を形成するためのAuターゲットとしたスパッタにより、Au層又はAu合金層を、Ti基材の上に成膜する。
<Manufacture of a separator material for a fuel cell having an oxide layer of 5 nm or less>
A fuel cell separator material having an oxide layer of 5 nm or less can be produced, for example, as follows. First, it is confirmed whether the primitive oxide layer on the Ti substrate surface (the oxide layer formed on the Ti substrate from the beginning) has a thickness of about 3 nm. Prior to sputtering, the film is treated with a fluoride-containing pretreatment liquid to make the thickness of the primitive oxide layer 3 nm or less.
Next, reverse sputtering (ion etching) is performed as necessary for the purpose of cleaning the surface of the Ti base material and adjusting the primitive oxide layer. Reverse sputtering can be performed, for example, by irradiating the Ti base with argon gas at an output of about RF 100 W and an argon pressure of about 0.2 Pa.
Then, an Au layer or an Au alloy layer is formed on the Ti substrate by sputtering using an Au target for forming the Au layer.

<5〜30nmの酸化層を有する燃料電池用セパレータ材料の製造>
5〜30nmの酸化層を有する燃料電池用セパレータ材料は、例えば以下のように製造することができる。まず、Ti基材表面の原始酸化層が6〜10nm程度の厚みを有するかを確認し、原始酸化層の厚みが薄ければ、Ti基材を積極的に酸化させてその厚みを10nm程度にする。
次に、必要に応じ、Ti基材表面のクリーニング及び原始酸化層の調整を目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行う。逆スパッタは、例えばRF100W程度の出力で、アルゴン圧力0.2Pa程度としてアルゴンガスをTi基材に照射して行うことができる。
次に、Ti基材の原始酸化層の表面に、厚み1nm以上のTi被膜を形成し、原始酸化層の表面側のO濃度を低下させ、上記した組成と厚みの酸化層を形成する。
そして、Au層を形成するためのAuターゲット用いたスパッタにより、Au層又はAu合金層を酸化層の上に成膜する。
<Manufacture of a separator material for a fuel cell having an oxide layer of 5 to 30 nm>
A fuel cell separator material having an oxide layer of 5 to 30 nm can be produced, for example, as follows. First, it is confirmed whether the primitive oxide layer on the surface of the Ti substrate has a thickness of about 6 to 10 nm. If the thickness of the primitive oxide layer is thin, the Ti substrate is actively oxidized to reduce the thickness to about 10 nm. To do.
Next, reverse sputtering (ion etching) is performed as necessary for the purpose of cleaning the surface of the Ti base material and adjusting the primitive oxide layer. Reverse sputtering can be performed, for example, by irradiating the Ti base with argon gas at an output of about RF 100 W and an argon pressure of about 0.2 Pa.
Next, a Ti film having a thickness of 1 nm or more is formed on the surface of the primitive oxide layer of the Ti base material, and the O concentration on the surface side of the primitive oxide layer is lowered to form an oxide layer having the above composition and thickness.
Then, an Au layer or an Au alloy layer is formed on the oxide layer by sputtering using an Au target for forming the Au layer.

<中間層を有する燃料電池用セパレータ材料の製造>
中間層を有する燃料電池用セパレータ材料の形成方法としては、Ti基材の表面Ti酸化膜を除去せずに、このTi基材に第1の成分をターゲットとしてスパッタ成膜することにより、表面Ti酸化膜中のOに第1の成分が結合し、中間酸化層を形成することができる。又、Ti基材の表面Ti酸化膜を除去後、第1の成分の酸化物をターゲットとしてスパッタ成膜することや、Ti基材2の表面Ti酸化膜を除去後、第1の成分をターゲットとし酸化雰囲気でスパッタ成膜することによっても中間酸化層を形成することができる。
なお、スパッタの際、Ti基材の表面Ti酸化膜を適度に除去し、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を行ってもよい。逆スパッタは、例えばRF100W程度の出力で、アルゴン圧力0.2Pa程度としてアルゴンガスを基材に照射して行うことができる。
そしてAuのスパッタにより、Au原子が中間層に入り込むことによって、Au合金層が形成される。又、第1成分とAuを含む合金ターゲットを用いてTi基材表面にスパッタ成膜してもよい。
<Manufacture of fuel cell separator material having intermediate layer>
As a method for forming a separator material for a fuel cell having an intermediate layer, the surface Ti oxide film on the Ti base material is sputter-deposited on the Ti base material as a target without removing the surface Ti oxide film on the Ti base material. The first component can be bonded to O in the oxide film to form an intermediate oxide layer. Also, after removing the surface Ti oxide film of the Ti base material, sputtering is performed using the first component oxide as a target, or after removing the surface Ti oxide film of the Ti base material 2, the first component is targeted. The intermediate oxide layer can also be formed by sputter deposition in an oxidizing atmosphere.
During sputtering, the surface Ti oxide film of the Ti base material may be appropriately removed, and reverse sputtering (ion etching) may be performed for the purpose of cleaning the base material surface. Reverse sputtering can be performed, for example, by irradiating the substrate with argon gas at an output of about RF 100 W and an argon pressure of about 0.2 Pa.
An Au alloy layer is formed by Au atoms entering the intermediate layer by sputtering of Au. Alternatively, an alloy target containing the first component and Au may be used to form a sputter film on the surface of the Ti substrate.

<燃料電池用セパレータ>
次に、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池用セパレータについて説明する。燃料電池用セパレータは、上記した燃料電池用セパレータ材料を所定形状に加工してなり、燃料ガス(水素)又は燃料液体(メタノール)、空気(酸素)、冷却水等を流すための反応ガス流路又は反応液体流路(溝や開口)が形成されている。
<Separator for fuel cell>
Next, a fuel cell separator using the fuel cell separator material of the present invention will be described. The fuel cell separator is formed by processing the above-described fuel cell separator material into a predetermined shape, and a reaction gas flow path for flowing fuel gas (hydrogen) or fuel liquid (methanol), air (oxygen), cooling water, and the like. Alternatively, a reaction liquid channel (a groove or an opening) is formed.

<積層型(アクティブ型)燃料電池用セパレータ>
図1は、積層型(アクティブ型)燃料電池の単セルの断面図を示す。なお、図1では後述するセパレータ10の外側にそれぞれ集電板140A,140Bが配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
そして、セパレータ10は電気伝導性を有し、後述するMEAに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ10には燃料ガスや空気(酸素)の流路となる溝が形成されている。
<Laminated (active) fuel cell separator>
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a single cell of a stacked (active) fuel cell. In FIG. 1, current collector plates 140A and 140B are respectively arranged outside the separator 10 described later. Usually, when a stack is formed by stacking single cells, a pair of current collectors is provided only at both ends of the stack. A board is placed.
The separator 10 has electrical conductivity, has a current collecting action in contact with an MEA described later, and has a function of electrically connecting each single cell. Further, as will be described later, the separator 10 is formed with a groove serving as a flow path for fuel gas and air (oxygen).

図1において、固体高分子電解質膜20の両側にそれぞれアノード電極40とカソード電極60とが積層されて膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)80が構成されている。又、アノード電極40とカソード電極60の表面には、それぞれアノード側ガス拡散膜90A、カソード側ガス拡散膜90Bがそれぞれ積層されている。本発明において膜電極接合体という場合、ガス拡散膜90A、90Bを含んだ積層体としてもよい。又、例えばアノード電極40やカソード電極60の表面にガス拡散層が形成されている等の場合は、固体高分子電解質膜20、アノード電極40、カソード電極60の積層体を膜電極接合体と称してもよい。   In FIG. 1, an anode electrode 40 and a cathode electrode 60 are laminated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 20 to form a membrane electrode assembly (MEA) 80. An anode side gas diffusion film 90A and a cathode side gas diffusion film 90B are laminated on the surfaces of the anode electrode 40 and the cathode electrode 60, respectively. In the present invention, the membrane electrode assembly may be a laminate including the gas diffusion films 90A and 90B. For example, when a gas diffusion layer is formed on the surface of the anode electrode 40 or the cathode electrode 60, the laminated body of the solid polymer electrolyte membrane 20, the anode electrode 40, and the cathode electrode 60 is referred to as a membrane electrode assembly. May be.

MEA80の両側には、ガス拡散膜90A、90Bにそれぞれ対向するようにセパレータ10が配置され、セパレータ10がMEA80を挟持している。MEA80側のセパレータ10表面には流路10Lが形成され、後述するガスケット12、流路10L、及びガス拡散膜90A(又は90B)で囲まれた内部空間20内をガスが出入可能になっている。
そして、アノード電極40側の内部空間20には燃料ガス(水素等)が流れ、カソード電極60側の内部空間20に酸化性ガス(酸素、空気等)が流れることにより、電気化学反応が生じるようになっている。
On both sides of the MEA 80, the separator 10 is disposed so as to face the gas diffusion films 90A and 90B, respectively, and the separator 10 holds the MEA 80 therebetween. A flow path 10L is formed on the surface of the separator 10 on the MEA 80 side, and gas can enter and leave the interior space 20 surrounded by a gasket 12, a flow path 10L, and a gas diffusion film 90A (or 90B) described later. .
A fuel gas (hydrogen or the like) flows in the internal space 20 on the anode electrode 40 side, and an oxidizing gas (oxygen, air or the like) flows in the internal space 20 on the cathode electrode 60 side, so that an electrochemical reaction occurs. It has become.

アノード電極40とガス拡散膜90Aの周縁の外側は、これらの積層厚みとほぼ同じ厚みの枠状のシール部材31で囲まれている。又、シール部材31とセパレータ10の周縁との間には、セパレータに接して略枠状のガスケット12が介装され、ガスケット12が流路10Lを囲むようになっている。さらに、セパレータ10の外面(MEA80側と反対側の面)にはセパレータ10に接して集電板140A(又は140B)が積層され、集電板140A(又は140B)とセパレータ10の周縁との間に略枠状のシール部材32が介装されている。
シール部材31及びガスケット12は、燃料ガス又は酸化ガスがセル外に漏れるのを防止するシールを形成する。又、単セルを複数積層してスタックにした場合、セパレータ10の外面と集電板140A(又は140B)との間の空間21には空間20と異なるガス(空間20に酸化性ガスが流れる場合、空間21には水素が流れる)が流れる。従って、シール部材32もセル外にガスが漏れるのを防止する部材として使われる。
The outer periphery of the periphery of the anode electrode 40 and the gas diffusion film 90 </ b> A is surrounded by a frame-shaped seal member 31 having substantially the same thickness as the laminated thickness. A substantially frame-shaped gasket 12 is interposed between the seal member 31 and the peripheral edge of the separator 10 so as to contact the separator, and the gasket 12 surrounds the flow path 10L. Furthermore, a current collector plate 140A (or 140B) is laminated on the outer surface of the separator 10 (the surface opposite to the MEA 80 side) in contact with the separator 10, and between the current collector plate 140A (or 140B) and the periphery of the separator 10 is stacked. A substantially frame-shaped sealing member 32 is interposed between the two.
The seal member 31 and the gasket 12 form a seal that prevents fuel gas or oxidizing gas from leaking out of the cell. When a plurality of single cells are stacked to form a stack, a gas different from the space 20 (when an oxidizing gas flows into the space 20) is formed in the space 21 between the outer surface of the separator 10 and the current collector plate 140A (or 140B). , Hydrogen flows in the space 21). Therefore, the seal member 32 is also used as a member for preventing gas from leaking outside the cell.

そして、MEA80(及びガス拡散膜90A、90B)、セパレータ10、ガスケット12、集電板140A、140Bを含んで燃料電池セルが構成され、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックが構成される。   The fuel cell is configured to include the MEA 80 (and the gas diffusion films 90A and 90B), the separator 10, the gasket 12, and the current collector plates 140A and 140B, and a fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells. The

図1に示す積層型(アクティブ型)燃料電池は、上記した水素を燃料として用いる燃料電池のほか、メタノールを燃料として用いるDMFCにも適用することができる。   The stacked (active) fuel cell shown in FIG. 1 can be applied to a DMFC using methanol as a fuel in addition to the fuel cell using hydrogen as a fuel.

<平面型(パッシブ型)燃料電池用セパレータ>
図2は、平面型(パッシブ型)燃料電池の単セルの断面図を示す。なお、図2では後述するセパレータ10の外側にそれぞれ集電板140A,140Bが配置されているが、通常、この単セルを積層してスタックを構成した場合、スタックの両端にのみ一対の集電板が配置される。
なお,図2において、MEA80の構成は図1の燃料電池と同一であるので同一符号を付して説明を省略する(図2では、ガス拡散膜90A、90Bの記載を省略しているが、ガス拡散膜90A、90Bを有していてもよい)。
<Flat type (passive type) fuel cell separator>
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a single cell of a planar (passive type) fuel cell. In FIG. 2, current collector plates 140A and 140B are arranged outside the separator 10, which will be described later. Usually, when a stack is formed by stacking single cells, a pair of current collectors is provided only at both ends of the stack. A board is placed.
2, the configuration of the MEA 80 is the same as that of the fuel cell of FIG. 1, and thus the same reference numerals are given and description thereof is omitted (in FIG. 2, the description of the gas diffusion films 90 </ b> A and 90 </ b> B is omitted, Gas diffusion films 90A and 90B may be included).

図2において、セパレータ100は電気伝導性を有し、MEAに接して集電作用を有し、各単セルを電気的に接続する機能を有する。又、後述するように、セパレータ100には燃料液体や空気(酸素)の流路となる孔が形成されている。
セパレータ100は、断面がクランク形状になるよう、長尺平板状の基材の中央付近に段部100sを形成してなり、段部100sを介して上方に位置する上側片100bと、段部100sを介して下方に位置する下側片100aとを有する。段部100sはセパレータ100の長手方向に垂直な方向に延びている。
そして、複数のセパレータ100を長手方向に並べ、隣接するセパレータ100の下側片100aと上側片100bとの間に空間を形成させ、この空間にMEA80を介装する。2つのセパレータ100でMEA80が挟まれた構造体が単セル300となる。このようにして、複数のMEA80がセパレータ100を介して直列に接続されたスタックが構成される。
In FIG. 2, the separator 100 has electrical conductivity, has a current collecting action in contact with the MEA, and has a function of electrically connecting each single cell. In addition, as will be described later, the separator 100 is formed with holes serving as fuel liquid and air (oxygen) flow paths.
The separator 100 is formed with a step portion 100s in the vicinity of the center of the long flat plate-like base material so that the cross section has a crank shape, an upper piece 100b positioned above the step portion 100s, and a step portion 100s. And a lower piece 100a located below. The step portion 100 s extends in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the separator 100.
A plurality of separators 100 are arranged in the longitudinal direction, and a space is formed between the lower piece 100a and the upper piece 100b of the adjacent separators 100, and the MEA 80 is interposed in this space. A structure in which the MEA 80 is sandwiched between the two separators 100 is a single cell 300. In this way, a stack in which a plurality of MEAs 80 are connected in series via the separator 100 is configured.

図2に示す平面型(パッシブ型)燃料電池は、上記したメタノールを燃料として用いるDMFCのほか、水素を燃料として用いる燃料電池にも適用することができる。又、平面型(パッシブ型)燃料電池用セパレータの開口部の形状や個数は限定されず、開口部として上記した孔の他、スリットとしてもよく、セパレータ全体が網状であってもよい。   The planar (passive) fuel cell shown in FIG. 2 can be applied to a fuel cell using hydrogen as a fuel in addition to the above-described DMFC using methanol as a fuel. Further, the shape and number of openings of the planar (passive type) fuel cell separator are not limited, and the openings may be slits in addition to the holes described above, or the entire separator may be net-like.

<燃料電池用スタック>
本発明の燃料電池用スタックは、本発明の燃料電池用セパレータ材料を用いてなる。
燃料電池用スタックは、1対の電極で電解質を挟み込んだセルを複数個直列に接続したものであり、各セルの間に燃料電池用セパレータが介装されて燃料ガスや空気を遮断する。燃料ガス(H2)が接触する電極が燃料極(アノード)であり、空気(O2) が接触する電極が空気極(カソード)である。
燃料電池用スタックの構成例は、既に図1及び図2で説明した通りであるが、これに限定されない。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack of the present invention uses the fuel cell separator material of the present invention.
The fuel cell stack is formed by connecting a plurality of cells in which an electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel cell separator is interposed between the cells to block fuel gas and air. The electrode in contact with the fuel gas (H 2 ) is the fuel electrode (anode), and the electrode in contact with the air (O 2 ) is the air electrode (cathode).
The configuration example of the fuel cell stack is as described with reference to FIGS. 1 and 2, but is not limited thereto.

<試料の作製>
厚み100μmの工業用純チタン材(JIS1種)のストリップを、圧延ロールの使用条件を以下のように変えて冷間圧延し、表面の中心線平均表面Raの異なるTi圧延板を用意した。
圧延条件A:圧延ロール粗さ(Ra)が0.06で、最終パスを新しいロールに交換し圧延、最終パス圧延後、さらにスキンパス圧延を実施
圧延条件B:圧延ロール粗さ(Ra)が0.06で、最終パスを新しいロールに交換し圧延
圧延条件C:圧延ロール粗さ(Ra)が0.1で、最終パスを新しいロールに交換し圧延
圧延条件D:圧延ロール粗さ(Ra)が0.06で、最終パスもロール交換せず圧延
圧延条件E:圧延ロール粗さ(Ra)が0.1で最終パスもロール交換せず圧延
次に、各Ti圧延板の表面に、スパッタ法を用いて所定の目標厚みとなるように、Cr、MoまたはTi(金属膜)を成膜した。次に、スパッタ法を用いて所定の目標厚みとなるようにAuを成膜した(なお、実施例6は、Ti基材の表面の原始酸化層を酸によって3nmに調整したのち、直接Auを成膜した。)。
なお、Tiのスパッタの前に、基材表面のクリーニングを目的として逆スパッタ(イオンエッチング)を出力RF100W アルゴン圧力0.2Paの条件で行った。
<Preparation of sample>
A strip of industrial pure titanium material (JIS type 1) having a thickness of 100 μm was cold-rolled while changing the use conditions of the rolling roll as follows to prepare Ti rolled plates having different surface centerline average surfaces Ra.
Rolling condition A: Rolling roll roughness (Ra) is 0.06, the final pass is replaced with a new roll, rolling, and after the final pass rolling, further skin pass rolling is performed. Rolling condition B: Rolling roll roughness (Ra) is 0.06. Rolling with the final pass replaced with a new roll Rolling condition C: Roll roll roughness (Ra) is 0.1, rolling with final roll replaced with a new roll Rolling condition D: Rolling roll roughness (Ra) is 0.06, final pass Rolling condition E: Rolling condition E: Rolling roll roughness (Ra) is 0.1 and rolling is not performed even in the final pass. Next, the surface of each Ti rolled plate has a predetermined target thickness by sputtering. Thus, Cr, Mo, or Ti (metal film) was formed. Next, Au was deposited to a predetermined target thickness using a sputtering method (In Example 6, the original oxide layer on the surface of the Ti base was adjusted to 3 nm with acid, and then Au was directly deposited. A film was formed.)
In addition, before sputtering of Ti, reverse sputtering (ion etching) was performed under the condition of an output RF of 100 W and an argon pressure of 0.2 Pa for the purpose of cleaning the substrate surface.

目標厚みは以下のように定めた。まず、予め銅箔材にスパッタで対象物(例えばTi)を成膜し、蛍光X線膜厚計(Seiko Instruments製SEA5100、コリメータ0.1mmΦ)で実際の厚みを測定し、このスパッタ条件におけるスパッタレート(nm/min)把握した。そして、把握したスパッタレートに基づき各条件でスパッタを行った。
Cr,Mo, Ti及びAuのスパッタは、株式会社アルバック製のスパッタ装置を用い、出力DC50W アルゴン圧力0.2Paの条件で行った。
各試料の圧延条件、スパッタ条件等を表1に示す。なお、比較例8の試料は、Ti圧延板を冷間圧延する際の圧延ロールとして、10トン以上のTi圧延板をメンテナスせずに連続圧延した後のロールを用いた。
The target thickness was determined as follows. First, a target object (for example, Ti) is formed on a copper foil material by sputtering in advance, and the actual thickness is measured with a fluorescent X-ray film thickness meter (SEA5100 manufactured by Seiko Instruments, collimator 0.1 mmΦ). The rate (nm / min) was grasped. Then, sputtering was performed under each condition based on the grasped sputtering rate.
Sputtering of Cr, Mo, Ti, and Au was performed using a sputtering apparatus manufactured by ULVAC, Inc. under the conditions of an output of DC 50 W and an argon pressure of 0.2 Pa.
Table 1 shows the rolling conditions and sputtering conditions of each sample. In the sample of Comparative Example 8, a roll after continuously rolling a Ti rolled sheet of 10 tons or more without maintenance was used as a rolling roll for cold rolling the Ti rolled sheet.

<層構造の測定>
得られた試料は、XPS(X線光電子分光)分析の深さ(Depth)プロファイルによりAu, Ti,O,C,第1成分(Cr,Mo)の濃度分析することにより、層構造を測定した。XPS装置としては、アルバック・ファイ株式会社製5600MCを用い、到達真空度:6.5×10−8Pa、励起源:単色化AlK、出力:300W、検出面積:800μmΦ、入射角:45度、取り出し角:45度、中和銃なしとし、以下のスパッタ条件で、測定した。
イオン種:Ar+
加速電圧:3kV
掃引領域:3mm×3mm
レート:3.7nm/min(SiO2換算)
なお、XPSによる濃度検出は、指定元素の合計100質量%として、各元素の濃度(質量%)を分析した。又、XPS分析で厚み方向に1nmの距離とはXPS分析によるチャート(図3)の横軸の距離(SiO2換算での距離)である。
<Measurement of layer structure>
The obtained sample was subjected to concentration analysis of Au, Ti, O, C, and the first component (Cr, Mo) by a depth profile of XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis, and the layer structure was measured. . The XPS apparatus, using a ULVAC-PHI Co. 5600MC, ultimate vacuum: 6.5 × 10 -8 Pa, excitation source: monochromatic AlK, output: 300 W, detection area: 800Myuemufai, incident angle: 45 °, The take-off angle was 45 degrees, no neutralization gun was used, and the measurement was performed under the following sputtering conditions.
Ion species: Ar +
Accelerating voltage: 3kV
Sweep area: 3mm x 3mm
Rate: 3.7nm / min (SiO 2 conversion)
In addition, the concentration detection by XPS analyzed the density | concentration (mass%) of each element as a total of 100 mass% of a designated element. In XPS analysis, the distance of 1 nm in the thickness direction is the distance on the horizontal axis (distance in terms of SiO 2 ) of the chart (FIG. 3) by XPS analysis.

<Au層を貫通する酸化チタンの数の測定>
Au層を貫通する酸化チタンは、BF−STEMで試料を断面観察し、その部分をEDXマッピングすること(分析元素:Au,Ti,O,C)で測定した。図3は、耐食性試験後の燃料電池用セパレータ材料(実施例6)の断面のBF−STEM像であり、この部分をEDXマッピング分析すると、図3に記載した組成になっていることが確認できた。図3によれば、酸化チタンがAu層を貫通する形成されたことがわかる。
なお測定に用いたSTEMは、日立製作所のHD−2000STEMであり、1つのセパレータ材に対して10視野任意の場所を測定した。
<Measurement of the number of titanium oxides penetrating the Au layer>
Titanium oxide penetrating the Au layer was measured by observing a cross section of the sample with BF-STEM and mapping the portion by EDX mapping (analytical elements: Au, Ti, O, C). FIG. 3 is a BF-STEM image of the cross section of the fuel cell separator material (Example 6) after the corrosion resistance test. When this portion is analyzed by EDX mapping, it can be confirmed that the composition shown in FIG. 3 is obtained. It was. According to FIG. 3, it can be seen that titanium oxide was formed to penetrate the Au layer.
The STEM used for the measurement was an HD-2000 STEM manufactured by Hitachi, Ltd., and an arbitrary place of 10 visual fields was measured for one separator material.

各試料について以下の評価を行った。
A.表面粗さの測定
表面粗さの測定は、JISB0601に準拠し、非接触式三次元測定装置(三鷹光器社製、型式NH−3)を用いて行った。カットオフは0.25mm、測定長さは1.50mmで、1試料当たり5回測定した。
The following evaluation was performed for each sample.
A. Measurement of surface roughness Measurement of surface roughness was performed using a non-contact type three-dimensional measuring device (model NH-3, manufactured by Mitaka Kogyo Co., Ltd.) in accordance with JISB0601. The cut-off was 0.25 mm, the measurement length was 1.50 mm, and measurement was performed 5 times per sample.

B.接触抵抗
接触抵抗の測定は、試料全面に荷重を加える方法で行った。まず、40×50mmの板状の試料の片側にそれぞれカーボンペーパーを積層し、さらにその両側にそれぞれCu/Ni/Au板を積層した。Cu/Ni/Au板は厚み10mmの銅板に1.0μm厚のNi下地めっきをし、Ni層の上に0.5μmのAuめっきした材料であり、Cu/Ni/Au板のAuめっき面が試料やカーボンペーパーに接するように配置した。
さらに、Cu/Ni/Au板の外側にそれぞれテフロン(登録商標)板を配置し、各テフロン(登録商標)板の外側からロードセルで圧縮方向に10kg/cmの荷重を加えた。この状態で、2枚のCu/Ni/Au板の間に電流密度100mA/cmの定電流を流した時、Cu/Ni/Au板間の電気抵抗を4端子法で測定した。
B. Contact resistance The contact resistance was measured by applying a load to the entire surface of the sample. First, carbon paper was laminated on one side of a 40 × 50 mm plate-like sample, and Cu / Ni / Au plates were further laminated on both sides thereof. The Cu / Ni / Au plate is a material in which a 10 μm thick copper plate is plated with a 1.0 μm thick Ni base, and the Ni layer is plated with a 0.5 μm Au plate. They were placed in contact with the sample and carbon paper.
Further, a Teflon (registered trademark) plate was arranged outside the Cu / Ni / Au plate, and a load of 10 kg / cm 2 was applied in the compression direction from the outside of each Teflon (registered trademark) plate with a load cell. In this state, when a constant current with a current density of 100 mA / cm 2 was passed between the two Cu / Ni / Au plates, the electrical resistance between the Cu / Ni / Au plates was measured by a four-terminal method.

燃料電池用セパレータに求められる代表的な特性は、低接触抵抗(10mΩ・cm以下)、使用環境での耐食性(耐食試験後も低接触抵抗で、有害なイオンの溶出がない)の2つである。
得られた結果を表1に示す。
Two typical properties required for fuel cell separators are low contact resistance (10 mΩ · cm 2 or less) and corrosion resistance in the environment of use (low contact resistance after corrosion test and no leaching of harmful ions). It is.
The obtained results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、Au層表面及びTi圧延板の表面の中心線平均粗さが0.2μm以下である実施例1〜6の場合、接触抵抗が低く導電性に優れるものとなった。
なお、実施例1〜3の試料の断面をXPSで分析したところ、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつCrが20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%以上含まれる領域(中間層)が厚み方向に1nm以上存在した。さらに最表面から下層に向かってAu40質量%以上のAu(合金)層が厚み1nm以上存在した。中間層はAu合金層とTi圧延板の間に存在した。
又、実施例4の試料の断面をXPSで分析したところ、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつMoが20 質量%以上含まれると共に、Auが20 質量%以上含まれる領域(中間層)が厚み方向に1nm以上存在した。さらに最表面から下層に向かってAu40質量%以上のAu(合金)層が厚み1nm以上存在した。中間層はAu合金層とTi圧延板の間に存在した。
又、実施例5の試料の断面のXPS像を測定したところ、Oが20質量%以上50質量%未満の酸化層が5〜30nm存在し、さらに最表面から下層に向かってAu40質量%以上のAu層が厚み1nm以上存在した。
実施例6の試料を耐食性試験した結果、Au層を貫通する酸化チタンの数が5個以下/μmであった。
As is clear from Table 1, in Examples 1 to 6 in which the center line average roughness of the Au layer surface and the Ti rolled plate surface was 0.2 μm or less, the contact resistance was low and the conductivity was excellent. .
In addition, when the cross section of the sample of Examples 1-3 was analyzed by XPS, Ti and O were each 10 mass% or more, Cr was contained 20 mass% or more, and Au was contained 20 mass% or more (intermediate) Layer) was 1 nm or more in the thickness direction. Furthermore, Au (alloy) layer of Au 40 mass% or more existed in thickness of 1 nm or more from the outermost surface to the lower layer. The intermediate layer was present between the Au alloy layer and the Ti rolled sheet.
Further, when the cross section of the sample of Example 4 was analyzed by XPS, a region containing 10% by mass or more of Ti and O and 20% by mass or more of Mo and 20% by mass or more of Au (intermediate layer) 1 nm or more existed in the thickness direction. Furthermore, Au (alloy) layer of Au 40 mass% or more existed in thickness of 1 nm or more from the outermost surface to the lower layer. The intermediate layer was present between the Au alloy layer and the Ti rolled sheet.
Further, when the XPS image of the cross section of the sample of Example 5 was measured, an oxide layer having O of 20% by mass or more and less than 50% by mass was present in an amount of 5 to 30 nm, and further Au 40% by mass or more from the outermost surface toward the lower layer. The Au layer was present with a thickness of 1 nm or more.
As a result of the corrosion resistance test of the sample of Example 6, the number of titanium oxides penetrating the Au layer was 5 or less / μm.

一方、Ti圧延板の表面の中心線平均粗さが0.2μmを超えた比較例7,8の場合、耐食性試験前の接触抵抗が目標値より高くなり導電性に劣った。   On the other hand, in the case of Comparative Examples 7 and 8 in which the center line average roughness of the surface of the Ti rolled plate exceeded 0.2 μm, the contact resistance before the corrosion resistance test was higher than the target value and the conductivity was inferior.

Claims (12)

Ti基材の表面にAu層又はAu合金層が形成され、前記Au層又は前記Au合金層の表面の中心線平均粗さが0.2μm以下である燃料電池用セパレータ材料。 A separator material for a fuel cell, wherein an Au layer or an Au alloy layer is formed on a surface of a Ti base material, and a center line average roughness of the surface of the Au layer or the Au alloy layer is 0.2 μm or less. 前記Ti基材の表面の中心線平均粗さが0.2μm以下である請求項1に記載の燃料電池用セパレータ材料。 2. The fuel cell separator material according to claim 1, wherein the center line average roughness of the surface of the Ti base material is 0.2 μm or less. 前記Au合金層は、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn及びBiからなる群より選択される少なくとも1種類以上の金属からなる第1成分とAuとの合金からなり、
前記Au合金層と前記Ti基材との間に、Ti、O及び前記第1成分を含み、Au20質量%未満の中間層が存在する請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ材料。
The Au alloy layer is made of an alloy of Au and a first component made of at least one metal selected from the group consisting of Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, and Bi,
3. The fuel cell separator material according to claim 1, wherein an intermediate layer containing Ti, O, and the first component and having an Au content of less than 20% by mass exists between the Au alloy layer and the Ti base material.
前記中間層は、Ti、Oがそれぞれ10質量%以上でかつ前記第1成分が20質量%以上含まれる1nm以上の層として存在する請求項3に記載の燃料電池用セパレータ材料。 4. The fuel cell separator material according to claim 3, wherein the intermediate layer is present as a layer of 1 nm or more in which Ti and O are each 10% by mass or more and the first component is 20% by mass or more. 前記Ti基材がTi圧延板からなるストリップであり、該ストリップの表面に、前記Au層又は前記Au合金層を連続して形成してなる請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the Ti base material is a strip made of a Ti rolled plate, and the Au layer or the Au alloy layer is continuously formed on a surface of the strip. Separator material. 前記Au層又は前記Au合金層において,Au40質量%以上の領域の厚みが1〜20nmである請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 6. The fuel cell separator material according to claim 1, wherein the Au layer or the Au alloy layer has a thickness of 1 to 20 nm in a region of Au 40 mass% or more. 90℃で硫酸濃度0.5g/Lの水溶液に1週間浸漬後、前記Ti基材から前記Au層又は前記Au合金層を貫通する酸化チタンが、断面長さ1μm当り5個未満である請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 The titanium oxide penetrating the Au layer or the Au alloy layer from the Ti base material after being immersed in an aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 0.5 g / L at 90 ° C. for less than 5 weeks is less than 5 per 1 μm in cross-sectional length. The fuel cell separator material according to any one of 1 to 6. 前記Ti基材と、前記Au層又は前記Au合金層との間に、Oが20質量%以上50質量%以下含まれる酸化層が5nm以下の厚みで形成され、又は前記酸化層が形成されていない請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 Between the Ti base material and the Au layer or the Au alloy layer, an oxide layer containing O of 20% by mass to 50% by mass is formed with a thickness of 5 nm or less, or the oxide layer is formed. The fuel cell separator material according to any one of claims 1 to 7. 前記Ti基材と、前記Au層又は前記Au合金層との間に、Oが20質量%以上含まれる酸化層が5〜30nmの厚みで形成されている請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 The oxide layer containing 20 mass% or more of O is formed between the Ti base material and the Au layer or the Au alloy layer with a thickness of 5 to 30 nm. Fuel cell separator material. 固体高分子形燃料電池に用いられる請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 The separator material for fuel cells according to any one of claims 1 to 9, which is used for a polymer electrolyte fuel cell. ダイレクトメタノール型固体高分子形燃料電池に用いられる請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料。 The separator material for fuel cells according to any one of claims 1 to 9, which is used for a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell. 請求項1〜11のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ材料を用いた燃料電池スタック。 A fuel cell stack using the fuel cell separator material according to claim 1.
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