JP2012043775A - Method for manufacturing titanic separator for fuel cell - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a titanic separator for a fuel cell having a carbon layer covering a base material with excellent adhesion.SOLUTION: The method for manufacturing a titanic separator for a fuel cell having a carbon layer made of carbon on a base material made of pure titanium or titanium alloy, comprises a carbon layer forming step S1 of forming the carbon layer on the base material by vapor phase film formation, and an intermediate layer forming step S2 of forming an intermediate layer made of titanium carbide between the base material and the carbon layer by applying heat treatment to the base material with the carbon layer formed thereon after the carbon layer forming step S1.

Description

本発明は、燃料電池に用いられるチタン製燃料電池セパレータの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a titanium fuel cell separator used in a fuel cell.

水素等の燃料と酸素等の酸化剤を供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる燃料電池は、乾電池等の一次電池や鉛蓄電池等の二次電池とは異なり、発電効率が高く、システム規模の大小にあまり影響されず、また、騒音や振動も少ないため、多様な用途・規模をカバーするエネルギー源として期待されている。燃料電池は、具体的には、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質型燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、バイオ燃料電池等として開発されている。中でも、燃料電池自動車や、家庭用燃料電池(家庭用コジェネレーションシステム)、携帯電話やパソコン等の携帯機器向けとして、固体高分子型燃料電池の開発が進められている。   Unlike primary batteries such as dry batteries and secondary batteries such as lead-acid batteries, fuel cells that can continuously extract power by continuing to supply fuel such as hydrogen and oxidants such as oxygen have high power generation efficiency. It is expected to be an energy source that covers a wide range of applications and scales because it is not significantly affected by the size of the system and has little noise and vibration. Specifically, the fuel cell includes a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), an alkaline electrolyte fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), and a solid oxide. It has been developed as a type fuel cell (SOFC) and biofuel cell. In particular, solid polymer fuel cells are being developed for mobile devices such as fuel cell vehicles, household fuel cells (household cogeneration systems), mobile phones and personal computers.

固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池という)は、固体高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで挟んだものを単セルとし、ガス(水素、酸素等)の流路となる溝が形成されたセパレータと呼ばれる(バイポーラプレートとも呼ばれる)電極を介して、前記単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。燃料電池は、スタックあたりのセル数を増やすことで、出力を高くすることができる。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) is a single cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a groove serving as a gas (hydrogen, oxygen, etc.) flow path. Is formed as a stack in which a plurality of the single cells are overlapped with each other through an electrode called a separator (also called a bipolar plate). The output of the fuel cell can be increased by increasing the number of cells per stack.

燃料電池用のセパレータは、発生した電流を燃料電池の外部へ取り出すための部品でもあるので、その材料には、接触抵抗(電極とセパレータ表面との間で、界面現象のために電圧降下が生じることをいう)が低く、それがセパレータとしての使用中に長期間維持されるという特性が要求される。さらに、燃料電池の内部は酸性雰囲気であるため、セパレータには高耐食性も要求される。   Since the separator for a fuel cell is also a component for taking out the generated current to the outside of the fuel cell, the material has a contact resistance (a voltage drop occurs due to an interfacial phenomenon between the electrode and the separator surface). Is required to be maintained for a long time during use as a separator. Furthermore, since the inside of the fuel cell is in an acidic atmosphere, the separator is also required to have high corrosion resistance.

これらの要求を満足するために、黒鉛粉末の成形体を削り出して成るセパレータや、黒鉛と樹脂の混合物成形体から成るセパレータが種々提案されている。これらは優れた耐食性を有するものの、強度や靱性に劣ることから、振動や衝撃が加えられた際に破損する虞がある。そのため、金属材料をベースにしたセパレータが指向され、種々提案されている。   In order to satisfy these requirements, various separators have been proposed which are formed by cutting a graphite powder molded body or a mixture of graphite and resin mixture. Although these have excellent corrosion resistance, they are inferior in strength and toughness, and therefore may be damaged when subjected to vibration or impact. Therefore, various separators based on metal materials have been proposed and variously proposed.

耐食性と導電性を兼ね備えた金属材料としては、Au、Ptが挙げられる。従来から、薄型化が可能で、優れた加工性および高強度を有するアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等の金属材料を基材とし、これにAuやPt等の貴金属を被覆して耐食性および導電性を付与したセパレータが検討されている。しかしながら、これらの貴金属材料は非常に高価であるため、コスト高となる。   Examples of the metal material having both corrosion resistance and conductivity include Au and Pt. Conventionally, a metal material such as an aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, etc., which can be thinned and has excellent workability and high strength, is coated with a noble metal such as Au or Pt. A separator imparted with corrosion resistance and conductivity has been studied. However, these noble metal materials are very expensive and therefore expensive.

このような問題に対して、貴金属材料を使用しない金属セパレータの製造方法が提案されている。
例えば、基材自身の酸化皮膜の表面に、気相成膜法により中間層および導電性薄膜を形成する方法(特許文献1)や、基材表面に、半金属元素等からなる部分と炭素等からなる部分とから構成される表面処理層を気相成膜法により形成する方法(特許文献2)が提案されている。
In order to solve such a problem, a method of manufacturing a metal separator that does not use a noble metal material has been proposed.
For example, a method of forming an intermediate layer and a conductive thin film on the surface of the oxide film of the substrate itself by a vapor deposition method (Patent Document 1), a portion made of a metalloid element, carbon, etc. There has been proposed a method (Patent Document 2) in which a surface treatment layer composed of a portion made of is formed by a vapor deposition method.

また、基材表面に、導電性炭素膜を化学的気相合成法またはスパッタリング法により形成する方法(特許文献3)や、基材表面に、アモルファスカーボン層と導電部とから構成される被覆層をスパッタリング法、フィルタレスアークイオンプレーティング法等により形成する方法(特許文献4)が提案されている。   Also, a method of forming a conductive carbon film on the surface of the substrate by chemical vapor synthesis or sputtering (Patent Document 3), or a coating layer comprising an amorphous carbon layer and a conductive portion on the surface of the substrate Has been proposed (Patent Document 4) in which a film is formed by sputtering, filterless arc ion plating, or the like.

特許第4147925号公報Japanese Patent No. 4147925 特開2004−14208号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-14208 特開2007−207718号公報JP 2007-207718 A 特開2008−204876号公報JP 2008-204876 A

しかしながら、特許文献1、2、3に開示された技術は、基材の表面に、気相成膜法により、中間層、導電性薄膜等が形成されていることから、各層の界面における密着性が弱いことが懸念される。
また、特許文献4は、基材の表面に、気相成膜法により炭素からなる被覆層が形成されていることに加え、基材表面に直接当該被覆層が形成されているため、両者間の密着性が非常に弱い可能性がある。
なお、導電性や耐食性を左右する導電性薄膜等の各層と基材との密着性が弱いと、当該各層を基材上に安定して維持することができない。よって、基材と当該各層との密着性の低さは、セパレータの導電耐久性(耐久性:導電性を長期間維持する性質)や耐食性にも悪影響を与えてしまう。
However, the techniques disclosed in Patent Documents 1, 2, and 3 are such that an intermediate layer, a conductive thin film, and the like are formed on the surface of the base material by a vapor deposition method. We are concerned that we are weak.
Further, in Patent Document 4, since the coating layer made of carbon is formed on the surface of the base material by a vapor deposition method, and the coating layer is directly formed on the surface of the base material, The adhesion may be very weak.
In addition, when the adhesiveness of each layer, such as an electroconductive thin film which influences electroconductivity and corrosion resistance, and a base material is weak, the said each layer cannot be stably maintained on a base material. Therefore, the low adhesion between the base material and the respective layers adversely affects the conductivity durability (durability: property of maintaining conductivity for a long time) and corrosion resistance of the separator.

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その課題は、基材表面に炭素層が密着性の高い状態で被覆しているチタン製燃料電池セパレータの製造方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said subject, The subject is providing the manufacturing method of the fuel cell separator made from titanium in which the carbon layer has coat | covered the base-material surface in the state with high adhesiveness. is there.

本発明者らは、表面に炭素層が形成されている純チタンまたはチタン合金からなる基材を、熱処理することにより、基材と炭素層との間にチタンカーバイドからなる中間層を形成させることで、基材と炭素層との密着性を向上させることができることを見出し、本発明を創出した。   The present inventors heat-treat a base material made of pure titanium or a titanium alloy having a carbon layer formed on its surface, thereby forming an intermediate layer made of titanium carbide between the base material and the carbon layer. Thus, the present inventors have found that the adhesion between the base material and the carbon layer can be improved.

前記課題を解決するために、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に炭素からなる炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの製造方法であって、前記基材表面に気相成膜法により前記炭素層を形成する炭素層形成工程と、前記炭素層形成工程の後に、前記炭素層が形成された前記基材を熱処理することによって、前記基材と前記炭素層との間にチタンカーバイドからなる中間層を形成する中間層形成工程とを、含むことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, a manufacturing method of a titanium fuel cell separator according to the present invention is a manufacturing method of a titanium fuel cell separator in which a carbon layer made of carbon is formed on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy. A carbon layer forming step of forming the carbon layer on the surface of the base material by vapor deposition, and heat-treating the base material on which the carbon layer is formed after the carbon layer forming step. And an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of titanium carbide between the base material and the carbon layer.

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層が形成された基材を熱処理することによって、チタンカーバイドからなる中間層を形成させている。よって、気相成膜方法により中間層を形成させた場合のように、基材および炭素層と中間層との界面は、平坦な界面ではなく、凹凸構造の界面となることから、基材と炭素層との密着性が大きく向上したセパレータを製造することができる。   Thus, in the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention, an intermediate layer made of titanium carbide is formed by heat-treating the substrate on which the carbon layer is formed. Therefore, as in the case where the intermediate layer is formed by the vapor deposition method, the interface between the base material and the carbon layer and the intermediate layer is not a flat interface, but an interface with an uneven structure. A separator having greatly improved adhesion to the carbon layer can be produced.

また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材を使用していることにより、軽量化されているとともに、耐食性が向上したセパレータを製造することができる。加えて、純チタンまたはチタン合金は強度や靭性に優れることから、強度や靭性が向上したセパレータを製造することができる。   Moreover, the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention can manufacture a separator that is light in weight and improved in corrosion resistance by using a base material made of pure titanium or a titanium alloy. it can. In addition, since pure titanium or titanium alloy is excellent in strength and toughness, a separator with improved strength and toughness can be produced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法の熱処理は、非酸化雰囲気下において、300〜850℃で行うことが好ましい。
このように熱処理を所定の温度で行うことにより、基材のチタンと炭素層の炭素とを適切に反応させることができる。その結果、チタンカーバイドからなる中間層を適切に形成させることで、基材と炭素層との密着性を確保したセパレータを製造することができる。
また、熱処理を非酸化雰囲気下で行うことにより、炭素層の炭素が雰囲気中の酸素と反応(二酸化炭素の発生)する状況を回避でき、チタンカーバイドからなる中間層を適切に形成させることができる。
The heat treatment of the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention is preferably performed at 300 to 850 ° C. in a non-oxidizing atmosphere.
Thus, by performing the heat treatment at a predetermined temperature, the titanium of the base material and the carbon of the carbon layer can be appropriately reacted. As a result, the separator which ensured the adhesiveness of a base material and a carbon layer can be manufactured by forming the intermediate | middle layer which consists of titanium carbide appropriately.
Further, by performing the heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, it is possible to avoid a situation in which carbon in the carbon layer reacts with oxygen in the atmosphere (generation of carbon dioxide), and an intermediate layer made of titanium carbide can be appropriately formed. .

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素層形成工程の前に、純チタンまたはチタン合金からなる前記基材表面の不働態皮膜を除去する不働態皮膜除去工程を含むことが好ましい。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention may include a passive film removing step of removing a passive film on the surface of the substrate made of pure titanium or a titanium alloy before the carbon layer forming step. preferable.

このように基材表面の不働態皮膜を除去することにより、基材のチタンと炭素層の炭素とが直接接触するため、中間層形成工程の熱処理におけるチタンと炭素との反応がより効率良く起こる。その結果、チタンカーバイドからなる中間層を適切に形成させることで、基材と炭素層との密着性がさらに向上したセパレータを製造することができる。   By removing the passive film on the surface of the base material in this way, the titanium of the base material and the carbon of the carbon layer are in direct contact, so that the reaction between titanium and carbon occurs more efficiently in the heat treatment in the intermediate layer forming process. . As a result, by appropriately forming an intermediate layer made of titanium carbide, it is possible to manufacture a separator in which the adhesion between the substrate and the carbon layer is further improved.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層が形成された基材を熱処理する中間層形成工程を含むことにより、基材と炭素層との密着性が大きく向上したセパレータを製造することができる。
また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、熱処理の温度が300〜850℃であることにより、基材と炭素層との密着性を確保したセパレータを製造することができる。
加えて、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、基材表面の不働態皮膜を除去する不働態皮膜除去工程を含むことにより、基材と炭素層との密着性がさらに向上したセパレータを製造することができる。
そして、基材と炭素層との密着性を向上させることにより、導電性や耐食性に優れた炭素層を基材上に安定して維持することができるため、導電耐久性(耐久性:導電性を長期間維持する性質)や耐食性に優れたセパレータを製造することができる。
The method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention produces a separator in which the adhesion between the substrate and the carbon layer is greatly improved by including an intermediate layer forming step of heat-treating the substrate on which the carbon layer is formed. can do.
Moreover, the manufacturing method of the titanium fuel cell separator which concerns on this invention can manufacture the separator which ensured the adhesiveness of a base material and a carbon layer because the temperature of heat processing is 300-850 degreeC.
In addition, the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention further improves the adhesion between the base material and the carbon layer by including a passive film removal step of removing the passive film on the surface of the base material. A separator can be manufactured.
And, by improving the adhesion between the base material and the carbon layer, a carbon layer having excellent conductivity and corrosion resistance can be stably maintained on the base material. For a long period of time) and a separator excellent in corrosion resistance.

実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the titanium fuel cell separator which concerns on embodiment. 実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造工程におけるセパレータについて順を追って示す図である。It is a figure which shows order for the separator in the manufacturing process of the titanium fuel cell separator according to the embodiment. 実施例における接触抵抗測定、および、密着性評価において使用した接触抵抗測定装置の概略図である。It is the schematic of the contact resistance measurement apparatus used in the contact resistance measurement in an Example, and adhesive evaluation.

以下、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法を実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out a method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

≪チタン製燃料電池セパレータ≫
まず、実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法で形成されるチタン製燃料電池セパレータ10(以下、適宜、セパレータという)について説明する。
セパレータ10は、図2(中間層形成工程S2後の図)に示すように、基材1と、当該基材1の表面(両面または片面)に形成された炭素層2と、基材1と炭素層2との界面に形成された中間層3と、から構成される。なお、図2では、基材1の両面に炭素層2および中間層3が形成されているセパレータ10を表しているが、基材1の片面のみに炭素層2および中間層3が形成されていてもよい。
以下、セパレータ10を構成する基材1、炭素層2、中間層3について説明する。
≪Titanium fuel cell separator≫
First, a titanium fuel cell separator 10 (hereinafter, appropriately referred to as a separator) formed by the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the embodiment will be described.
As shown in FIG. 2 (the figure after the intermediate layer forming step S2), the separator 10 includes the base material 1, the carbon layer 2 formed on the surface (both sides or one side) of the base material 1, the base material 1, And an intermediate layer 3 formed at the interface with the carbon layer 2. In FIG. 2, the separator 10 in which the carbon layer 2 and the intermediate layer 3 are formed on both surfaces of the substrate 1 is shown, but the carbon layer 2 and the intermediate layer 3 are formed only on one surface of the substrate 1. May be.
Hereinafter, the base material 1, the carbon layer 2, and the intermediate layer 3 constituting the separator 10 will be described.

<基材>
セパレータ10の基材1は、純チタンまたはチタン合金からなる。よって、基材1は、ステンレス等を用いた場合と比べて軽量であるとともに、耐食性に優れる。また、純チタンまたはチタン合金は、強度、靭性に優れていることから、基材1の強度、靭性についても確保できる。
<Base material>
The substrate 1 of the separator 10 is made of pure titanium or a titanium alloy. Therefore, the base material 1 is lighter than the case where stainless steel or the like is used, and is excellent in corrosion resistance. Moreover, since pure titanium or a titanium alloy is excellent in strength and toughness, the strength and toughness of the substrate 1 can be secured.

そして、基材1は、従来公知の方法、例えば、純チタンまたはチタン合金を溶解、鋳造して鋳塊とし、熱間圧延した後、冷間圧延するという方法により作製されたものである。また、基材1は、焼鈍仕上げされていることが好ましいが、その仕上げ状態は問わず、例えば「焼鈍+酸洗仕上げ」、「真空熱処理仕上げ」、「光輝焼鈍仕上げ」等のいずれの仕上げ状態であっても構わない。   And the base material 1 is produced by a conventionally well-known method, for example, the method of melt | dissolving and casting pure titanium or a titanium alloy to make an ingot, hot rolling, and then cold rolling. The base material 1 is preferably annealed, but the finished state is not limited, and any finished state such as “annealing + pickling finish”, “vacuum heat treatment finish”, “bright annealing finish”, etc. It does not matter.

なお、基材1は、特定の組成のチタンに限定されるものではないが、チタン素材の冷間圧延のし易さや、その後のプレス成形性確保の観点から、O:1500ppm以下(より好ましくは1000ppm以下)、Fe:1500ppm以下(より好ましくは1000ppm以下)、C:800ppm以下、N:300ppm以下、H:130ppm以下であり、残部がTiおよび不可避的不純物からなるものが好ましい。基材1は、例えば、JIS 1種の冷間圧延板を使用することができる。   In addition, although the base material 1 is not limited to titanium of a specific composition, O: 1500 ppm or less (more preferably) from a viewpoint of the ease of cold rolling of titanium raw material, and subsequent press moldability ensuring. 1000 ppm or less), Fe: 1500 ppm or less (more preferably 1000 ppm or less), C: 800 ppm or less, N: 300 ppm or less, H: 130 ppm or less, with the balance being Ti and inevitable impurities. As the base material 1, for example, a JIS type 1 cold-rolled plate can be used.

基材1の板厚は0.05〜1.0mmが好ましい。板厚が0.05mm未満では、基材1に必要とされる強度を確保することができず、一方、1.0mmを超えると加工性が低下するからである。   The plate thickness of the substrate 1 is preferably 0.05 to 1.0 mm. This is because if the plate thickness is less than 0.05 mm, the strength required for the substrate 1 cannot be ensured, while if it exceeds 1.0 mm, the workability decreases.

<炭素層>
セパレータ10の炭素層2は、導電性と耐食性を有する炭素から構成され、炭素100%であるが、水素等が不可避的に混入していても良い。
炭素層2が炭素から構成されることにより、セパレータ10の導電性および耐食性が向上するとともに、基材1のチタンと炭素層2の炭素との反応が効率的に起きるため、後記するチタンカーバイドからなる中間層3を適切に形成させることができる。
<Carbon layer>
The carbon layer 2 of the separator 10 is made of carbon having conductivity and corrosion resistance and is 100% carbon, but hydrogen or the like may be inevitably mixed therein.
Since the carbon layer 2 is made of carbon, the conductivity and corrosion resistance of the separator 10 are improved, and the reaction between the titanium of the substrate 1 and the carbon of the carbon layer 2 occurs efficiently. Thus, the intermediate layer 3 can be appropriately formed.

炭素層2の炭素の状態は、特に限定されず、非晶質炭素の状態、結晶性のグラファイトの状態、両者が混合している状態のうち、いずれであってもよい。しかし、当該炭素(炭素層2)は、結晶性のグラファイトを含んでいることが好ましい。   The carbon state of the carbon layer 2 is not particularly limited, and may be any of an amorphous carbon state, a crystalline graphite state, and a state where both are mixed. However, the carbon (carbon layer 2) preferably contains crystalline graphite.

また、炭素層2の平均厚さは、導電性と耐食性に影響する。炭素層2の平均厚さが20nm未満であると、十分な導電性と耐食性が得られない。一方、炭素層2の平均厚さが5000nmを超えると導電性、耐久性については効果が飽和する一方で、生産性が劣っていくため好ましくない。したがって、炭素層2の厚さは、20〜5000nmであることが好ましい。   Further, the average thickness of the carbon layer 2 affects the conductivity and the corrosion resistance. If the average thickness of the carbon layer 2 is less than 20 nm, sufficient conductivity and corrosion resistance cannot be obtained. On the other hand, when the average thickness of the carbon layer 2 exceeds 5000 nm, the effects of the conductivity and durability are saturated, but the productivity is inferior. Therefore, the thickness of the carbon layer 2 is preferably 20 to 5000 nm.

炭素層2の平均厚さは、基材1と炭素層2との断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができる。例えば炭素層の厚さが100nm以下の場合はTEMを用いて測定し、炭素層の厚さが100nmを超える場合はSEMを用いて測定するのが良い。ここで、平均厚さとは、例えば、TEMで断面を観察した際には500nmの幅の範囲での炭素層2の平均厚さであり、SEMで断面を観察した際には100μmの範囲での炭素層2の平均厚さである。   The average thickness of the carbon layer 2 can measure the cross section of the base material 1 and the carbon layer 2 using a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), etc. For example, when the thickness of the carbon layer is 100 nm or less, measurement is performed using TEM, and when the thickness of the carbon layer exceeds 100 nm, measurement is preferably performed using SEM. Here, the average thickness is, for example, the average thickness of the carbon layer 2 in a width range of 500 nm when a cross section is observed with a TEM, and in the range of 100 μm when the cross section is observed with an SEM. This is the average thickness of the carbon layer 2.

なお、基材1表面の炭素層2の平均厚さは、後記する炭素層形成工程S1における気相成膜法により制御することができる。   In addition, the average thickness of the carbon layer 2 on the surface of the base material 1 can be controlled by a vapor deposition method in a carbon layer forming step S1 described later.

<中間層>
基材1と炭素層2との界面に、基材1と炭素層2とが反応して形成されたチタンカーバイドからなる中間層3が形成されている。このチタンカーバイドは導電性を有するため、基材1と炭素層2との界面における電気抵抗が小さくなり、セパレータ10の導電性が向上する。加えて、チタンカーバイドは、基材1と炭素層2とが反応して形成されたものであるため、基材1と炭素層2との密着性が向上する。
<Intermediate layer>
An intermediate layer 3 made of titanium carbide formed by the reaction of the substrate 1 and the carbon layer 2 is formed at the interface between the substrate 1 and the carbon layer 2. Since this titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the substrate 1 and the carbon layer 2 is reduced, and the conductivity of the separator 10 is improved. In addition, since titanium carbide is formed by the reaction of the base material 1 and the carbon layer 2, the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 is improved.

中間層3は、熱処理によって基材1のチタンと炭素層2の炭素とが反応して形成されたものであり、基材1および炭素層2との界面が凹凸形状となっている。そのため、気相成膜法により平滑な中間層3を形成した場合と比べ、基材1と炭素層2との密着性がより良好なものとなる。
なお、中間層3は、基材1と炭素層2との間の全ての界面に形成されていることが好ましいが、密着性を確保するためには、当該界面の50%以上に形成されていればよい。
そして、この中間層3の形成状態は、後記する熱処理条件によって制御することができる。
The intermediate layer 3 is formed by a reaction between the titanium of the substrate 1 and the carbon of the carbon layer 2 by heat treatment, and the interface between the substrate 1 and the carbon layer 2 has an uneven shape. Therefore, compared with the case where the smooth intermediate layer 3 is formed by the vapor deposition method, the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 becomes better.
The intermediate layer 3 is preferably formed at all interfaces between the base material 1 and the carbon layer 2, but is formed at 50% or more of the interfaces in order to ensure adhesion. Just do it.
And the formation state of this intermediate | middle layer 3 can be controlled by the heat processing conditions mentioned later.

また、このチタンカーバイドからなる中間層3の平均厚さは、5nm以上であることが好ましい。5nm未満であると、基材1と炭素層2との十分な密着性が得られないからである。中間層3の平均厚さの上限は特に限定されないが、100nmを超えても密着性に変化がないことから、100nm以下でよい。
なお、中間層3の平均厚さは、透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができ、平均厚さとは、TEMで断面を観察した際には500nmの幅の範囲での中間層3の平均厚さである。
The average thickness of the intermediate layer 3 made of titanium carbide is preferably 5 nm or more. This is because if the thickness is less than 5 nm, sufficient adhesion between the substrate 1 and the carbon layer 2 cannot be obtained. The upper limit of the average thickness of the intermediate layer 3 is not particularly limited, but may be 100 nm or less because there is no change in adhesion even if it exceeds 100 nm.
The average thickness of the intermediate layer 3 can be measured using a transmission electron microscope (TEM) or the like. The average thickness is an intermediate thickness in a range of 500 nm when a cross section is observed with a TEM. The average thickness of layer 3.

次に、実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータ10の製造方法を説明する。
≪チタン製燃料電池セパレータの製造方法≫
チタン製燃料電池セパレータ10の製造方法は、炭素層形成工程S1と、中間層形成工程S2とを、含む。なお、炭素層形成工程S1の前に、不働態皮膜除去工程S0を行うことが好ましい。
以下、チタン製燃料電池セパレータ10の製造方法を、工程ごとに説明する。
Next, a method for manufacturing the titanium fuel cell separator 10 according to the embodiment will be described.
≪Method for manufacturing titanium fuel cell separator≫
The manufacturing method of the titanium fuel cell separator 10 includes a carbon layer forming step S1 and an intermediate layer forming step S2. In addition, it is preferable to perform passive film removal process S0 before carbon layer formation process S1.
Hereinafter, the manufacturing method of the titanium fuel cell separator 10 will be described step by step.

<炭素層形成工程>
炭素層形成工程S1とは、気相成膜法により、基材1表面に炭素層2を形成する工程である。ここで、気相成膜法とは、気相中で物質表面に薄膜を形成する方法であり、PVD(物理的気相成長法)とCVD(化学気相成長法)に大別することができる。そして、PVDとしては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、アークイオンプレーティング法等が存在し、CVDとしては、熱CVD、光CVD、プラズマCVD等が存在する。
<Carbon layer formation process>
The carbon layer forming step S1 is a step of forming the carbon layer 2 on the surface of the substrate 1 by a vapor phase film forming method. Here, the vapor deposition method is a method of forming a thin film on the surface of a substance in a gas phase, and can be roughly divided into PVD (physical vapor deposition) and CVD (chemical vapor deposition). it can. Examples of PVD include sputtering, vacuum deposition, and arc ion plating, and examples of CVD include thermal CVD, photo CVD, and plasma CVD.

本発明に適用できる気相成膜法としては、特に限定されないが、導電性の良い炭素層2を生産性よく形成することができるアークイオンプレーティング法(以下、適宜、AIP法という)が好ましい。   The vapor deposition method applicable to the present invention is not particularly limited, but an arc ion plating method (hereinafter, appropriately referred to as AIP method) capable of forming the carbon layer 2 having good conductivity with high productivity is preferable. .

AIP法とは、真空中またはAr等の希ガスの減圧雰囲気中で、成膜しようとする材料からなる蒸発源をカソードとして、アノードとしてはチャンバーまたは専用の電極を設けてアーク放電を行うことにより、蒸発源表面より蒸発させて、被処理体上に成膜する方法である。
AIP法により、基材1表面に炭素層2を形成させる場合は、蒸発源としてグラファイトカーボン等を使用すればよい。
The AIP method is to perform arc discharge in a vacuum or in a reduced pressure atmosphere of a rare gas such as Ar by using an evaporation source made of a material to be deposited as a cathode and an anode as a chamber or a dedicated electrode. In this method, the film is evaporated from the surface of the evaporation source to form a film on the object to be processed.
When the carbon layer 2 is formed on the surface of the substrate 1 by the AIP method, graphite carbon or the like may be used as an evaporation source.

そして、AIP法において、基材1に印加するバイアス電圧は、アース電位に対して−50〜−350Vであることが好ましい。バイアス電圧が−50V未満だと、希ガスのプラズマによるスパッタエッチング作用が弱くなり、−350Vを超えると、基材1に衝突するプラズマのイオンのエネルギーが過大となって、基材1の温度が上昇して変形に至る虞があるからである。   In the AIP method, the bias voltage applied to the substrate 1 is preferably −50 to −350 V with respect to the ground potential. When the bias voltage is less than −50 V, the sputter etching action by the rare gas plasma becomes weak, and when it exceeds −350 V, the energy of plasma ions colliding with the substrate 1 becomes excessive, and the temperature of the substrate 1 is increased. This is because there is a risk of rising and deformation.

AIP法において、アーク電流は50〜180Aとすることが好ましく、この範囲で適宜調整する。アーク電流が50A未満だと、アーク放電が安定しなかったり、成膜速度が低下してしまったりする場合がある。一方、アーク電流が180Aを超えた場合でもアーク放電が不安定になる虞があるからである。   In the AIP method, the arc current is preferably 50 to 180 A, and is appropriately adjusted within this range. When the arc current is less than 50 A, arc discharge may not be stable or the film formation rate may be reduced. On the other hand, even if the arc current exceeds 180 A, the arc discharge may become unstable.

AIP法において、雰囲気としては、0.5〜10Paが好ましい。また、雰囲気ガスは、Ar、He、Ne、Kr等の希ガスであることが好ましい。
なお、炭素形成工程S1において、気相成膜法としてAIP法を選択した場合に使用するアークイオンプレーティング装置は、従来公知の装置を用いればよい。
In the AIP method, the atmosphere is preferably 0.5 to 10 Pa. In addition, the atmospheric gas is preferably a rare gas such as Ar, He, Ne, or Kr.
In addition, what is necessary is just to use a conventionally well-known apparatus for the arc ion plating apparatus used when AIP method is selected as a vapor-phase film-forming method in carbon formation process S1.

<中間層形成工程>
中間層形成工程S2とは、炭素層形成工程S1の後に、炭素層2が形成された基材1を熱処理することによって基材1のチタンと炭素層2の炭素を反応させ、基材1と炭素層2との間にチタンカーバイドからなる中間層3を形成する工程である。
<Intermediate layer forming step>
The intermediate layer forming step S2 is a process in which, after the carbon layer forming step S1, the base material 1 on which the carbon layer 2 is formed is heat-treated to cause the titanium of the base material 1 and the carbon of the carbon layer 2 to react with each other. In this step, an intermediate layer 3 made of titanium carbide is formed between the carbon layer 2 and the carbon layer 2.

この熱処理は、真空中やArガス雰囲気等の非酸化雰囲気下において所定温度で行うことが好ましい。そして、熱処理の温度としては300〜850℃であることが好ましい。熱処理時の温度が低いと、炭素層2の炭素と基材1のチタンの反応が起こり難いため、チタンカーバイドが形成されず、一方、温度が高いと、基材1の機械特性の低下が発生する懸念が存在するからである。より好ましい温度範囲は、400〜800℃であり、さらに好ましくは、450〜700℃である。   This heat treatment is preferably performed at a predetermined temperature in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere such as an Ar gas atmosphere. And as temperature of heat processing, it is preferable that it is 300-850 degreeC. If the temperature during the heat treatment is low, the reaction between the carbon of the carbon layer 2 and the titanium of the base material 1 hardly occurs, so that titanium carbide is not formed. On the other hand, if the temperature is high, the mechanical properties of the base material 1 are deteriorated. This is because there is a concern to do. A more preferable temperature range is 400 to 800 ° C, and further preferably 450 to 700 ° C.

熱処理における非酸化雰囲気とは、酸素分圧が低い雰囲気であり、好ましくは、酸素分圧が10Pa以下(不活性ガスの場合:酸素濃度100ppm以下に相当)の雰囲気である。10Paを超えると、炭素層2の炭素が雰囲気中の酸素と反応することで、二酸化炭素となってしまい(燃焼反応を起こしてしまい)、チタンカーバイドを形成する炭素の量が減少してしまうからである。   The non-oxidizing atmosphere in the heat treatment is an atmosphere having a low oxygen partial pressure, and is preferably an atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 Pa or less (in the case of an inert gas: corresponding to an oxygen concentration of 100 ppm or less). If it exceeds 10 Pa, the carbon in the carbon layer 2 reacts with oxygen in the atmosphere to become carbon dioxide (causes a combustion reaction), and the amount of carbon forming titanium carbide decreases. It is.

また、熱処理の時間は、0.5〜60分間であり、温度が低い場合は長時間の処理、温度が高い場合は短時間の処理というように、温度によって時間を適宜調整すればよい。   The heat treatment time is 0.5 to 60 minutes, and the time may be appropriately adjusted depending on the temperature, such as a long time treatment when the temperature is low and a short time treatment when the temperature is high.

中間層形成工程S2の熱処理は、300〜850℃の熱処理温度で熱処理を行うことができ、かつ雰囲気調整ができる熱処理炉であれば、電気炉、ガス炉等、どのような熱処理炉でも用いることができる。   The heat treatment in the intermediate layer forming step S2 can be performed in any heat treatment furnace such as an electric furnace or a gas furnace as long as the heat treatment can be performed at a heat treatment temperature of 300 to 850 ° C. and the atmosphere can be adjusted. Can do.

なお、気相成膜法によりチタン基材上にチタンカーバイド層(中間層)と炭素層を形成させる例があるが、この場合のチタンカーバイド層は均一な厚さで形成される。その結果、チタンカーバイド層と炭素層との間には平滑で明瞭な界面が形成され、この部分において剥離が懸念される。一方、本発明のチタンカーバイドからなる中間層と、炭素層2との界面は凹凸形状となっている。チタンカーバイド層が炭素層2と基材1のチタンとが反応して形成されたものである上、界面が凹凸構造となることで両者の密着性がより良好なものになると考えられる。   In addition, there is an example in which a titanium carbide layer (intermediate layer) and a carbon layer are formed on a titanium base material by a vapor deposition method. In this case, the titanium carbide layer is formed with a uniform thickness. As a result, a smooth and clear interface is formed between the titanium carbide layer and the carbon layer, and there is concern about peeling at this portion. On the other hand, the interface between the intermediate layer made of the titanium carbide of the present invention and the carbon layer 2 has an uneven shape. It is considered that the titanium carbide layer is formed by the reaction between the carbon layer 2 and the titanium of the substrate 1, and that the interface becomes an uneven structure, thereby improving the adhesion between them.

<不働態皮膜除去工程>
不働態皮膜除去工程S0とは、炭素層形成工程S1の前に、純チタンまたはチタン合金からなる基材1表面の不働態皮膜1aを除去する工程である。
基材1と炭素層2との界面に不働態皮膜1aが存在すると、炭素層2を形成したときの基材1と炭素層2との密着性がやや弱くなる。加えて、基材1と炭素層2とが直接接触しないため、中間層形成工程S2の熱処理において、基材1のチタンと炭素層2の炭素とが適切に反応せず、チタンカーバイドからなる中間層3が効率よく形成しない虞がある。よって、基材1表面の不働態皮膜1aを除去してから炭素層2を形成(炭素層形成工程S1)するのが好ましい。
なお、不働態皮膜1aとは、基材1表面に形成されるとともに、基材1自身の酸化物等から構成される皮膜のことである。
<Passive film removal process>
The passive film removal step S0 is a step of removing the passive film 1a on the surface of the substrate 1 made of pure titanium or a titanium alloy before the carbon layer forming step S1.
When the passive film 1a exists at the interface between the base material 1 and the carbon layer 2, the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 when the carbon layer 2 is formed is slightly weakened. In addition, since the base material 1 and the carbon layer 2 are not in direct contact with each other, in the heat treatment in the intermediate layer forming step S2, the titanium of the base material 1 and the carbon of the carbon layer 2 do not react appropriately, and the intermediate made of titanium carbide. The layer 3 may not be formed efficiently. Therefore, it is preferable to form the carbon layer 2 after removing the passive film 1a on the surface of the substrate 1 (carbon layer forming step S1).
In addition, the passive film 1a is a film formed on the surface of the base material 1 and composed of an oxide or the like of the base material 1 itself.

不働態皮膜除去工程S0では、表面に不働態皮膜1aが形成している基材1を、スパッタエッチングする。
なお、スパッタエッチングできれば、どのような装置を用いてもよいが、アークイオンプレーティング装置等を用いることにより、不働態皮膜除去工程S0と炭素層形成工程S1を連続して実施することができる。よって、アークイオンプレーティング装置を用いることが好ましい。
In the passive film removal step S0, the base material 1 on which the passive film 1a is formed is sputter-etched.
Note that any apparatus may be used as long as sputter etching can be performed. However, by using an arc ion plating apparatus or the like, the passive film removing step S0 and the carbon layer forming step S1 can be continuously performed. Therefore, it is preferable to use an arc ion plating apparatus.

アークイオンプレーティング装置を用いて不働態皮膜1aを除去する場合は、成膜は行わないが、同装置内で連続して炭素層形成工程を行うため、蒸発源にグラファイトカーボンを設置し、装置内を0.5〜10Paの減圧雰囲気に調整し、蒸発源にアーク電源にて、基材にバイアス電源にて所定出力を印加して放電し、Ar等の希ガス原子のプラズマを発生させて、基材表面をスパッタエッチングする。このとき、希ガスのプラズマによるエッチングを炭素の堆積よりも早くするために、基材1に印加するバイアス電源をアース電位に対して−100〜−400Vとし、アーク電流を10〜150Aとするのが好ましい。   When the passive film 1a is removed using the arc ion plating apparatus, the film is not formed. However, in order to perform the carbon layer forming process continuously in the apparatus, graphite carbon is installed in the evaporation source, and the apparatus The inside is adjusted to a reduced pressure atmosphere of 0.5 to 10 Pa, discharge is performed by applying a predetermined output from the arc power source to the evaporation source and the bias power source to the base material, and plasma of rare gas atoms such as Ar is generated. Then, the substrate surface is sputter etched. At this time, in order to make the etching with the rare gas plasma faster than the deposition of carbon, the bias power applied to the substrate 1 is set to −100 to −400 V with respect to the ground potential, and the arc current is set to 10 to 150 A. Is preferred.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the design can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention described in the claims.

次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ製造方法について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを比較して具体的に説明する。   Next, the titanium fuel cell separator manufacturing method according to the present invention will be specifically described by comparing an example satisfying the requirements of the present invention with a comparative example not satisfying the requirements of the present invention.

<試験体の作製>
基材としては、JIS 1種のチタン基材(焼鈍酸洗仕上げ)を使用した。チタン基材の化学組成は、O:450ppm、Fe:250ppm、N:40ppm、残部がTiおよび不可避的不純物であり、チタン基材の板厚は、0.1mmである。
<Preparation of specimen>
As a base material, JIS 1 type titanium base material (annealing pickling finish) was used. The chemical composition of the titanium base material is O: 450 ppm, Fe: 250 ppm, N: 40 ppm, the balance is Ti and inevitable impurities, and the plate thickness of the titanium base material is 0.1 mm.

基材をアークイオンプレーティング装置内に設置し、不働態皮膜を除去後、下記の条件にて、成膜時間を変えて各膜厚の炭素層を形成した。   The substrate was placed in an arc ion plating apparatus, and after removing the passive film, carbon layers having various thicknesses were formed under the following conditions by changing the film formation time.

チャンバー内雰囲気 ガス種:Arガス
圧力 :5.32Pa
基材バイアス電圧:−200V
アーク電流:80A
蒸発源:グラファイトカーボンターゲット(φ100mm×16mm)
Atmosphere in chamber Gas type: Ar gas
Pressure: 5.32 Pa
Substrate bias voltage: -200V
Arc current: 80A
Evaporation source: Graphite carbon target (φ100mm × 16mm)

炭素層形成後、酸素分圧1.3×10−3Paの真空雰囲気下もしくは酸素濃度10ppmのArガス雰囲気下において、表1に示す温度および時間で熱処理を施し、試験体No.1〜3、5を作製した。また、熱処理を行わなかった試験体をNo.4とした。 After forming the carbon layer, heat treatment was performed at a temperature and time shown in Table 1 in a vacuum atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −3 Pa or an Ar gas atmosphere with an oxygen concentration of 10 ppm. 1-3 were produced. Moreover, the test body which did not heat-process was set to No.4.

試験体No.1〜5として使用したものと同様の基材をスパッタリング装置内に設置し、不働態皮膜を除去後、下記の条件にて、成膜時間を変えて各膜厚の中間層および炭素層を連続的に積層形成し、試験体No.6〜8を作製した。   Specimen No. The same base material used as 1 to 5 was installed in the sputtering apparatus, and after removing the passive film, the intermediate layer and the carbon layer of each film thickness were continuously changed under the following conditions under the following conditions. The test specimen No. 6-8 were produced.

チャンバー内雰囲気 ガス種:Arガス
圧力 :0.267Pa
成膜パワー:400W
ターゲット 中間層用:チタンカーバイドターゲット(φ100mm×5mm)
炭素層用:グラファイトカーボンターゲット(φ100mm×5mm)
Atmosphere in chamber Gas type: Ar gas
Pressure: 0.267 Pa
Deposition power: 400W
Target For intermediate layer: Titanium carbide target (φ100mm × 5mm)
For carbon layer: Graphite carbon target (φ100mm × 5mm)

このようにして作製した試験体について、以下の方法により、中間層の確認、炭素層密着性評価、接触抵抗測定、および、耐久性評価を行った。   The test specimens thus produced were subjected to intermediate layer confirmation, carbon layer adhesion evaluation, contact resistance measurement, and durability evaluation by the following methods.

[中間層の確認]
試験体表層の断面をイオンビーム加工装置(日立集束イオンビーム加工観察装置 FB−2100)でサンプルを加工した後、透過型電子顕微鏡(TEM:日立電界放出形分析電子顕微鏡 HF−2200)にて750000倍の倍率で断面観察し、炭素層とチタン基材との界面において中間層が存在するか否かの判定、中間層の状態の確認、中間層の厚さの測定を行った。また、中間層が存在する場合には、電子線回折により中間層がチタンカーバイドから構成されるものか否かについての同定も行った。
[Check middle layer]
After the sample surface was processed with an ion beam processing apparatus (Hitachi Focused Ion Beam Processing and Observation Apparatus FB-2100), the surface of the test specimen was processed with a transmission electron microscope (TEM: Hitachi field emission analytical electron microscope HF-2200) and 750,000. A cross-section was observed at a magnification of twice, and it was determined whether or not an intermediate layer was present at the interface between the carbon layer and the titanium substrate, the state of the intermediate layer was confirmed, and the thickness of the intermediate layer was measured. In addition, in the case where an intermediate layer is present, identification was made as to whether or not the intermediate layer is made of titanium carbide by electron beam diffraction.

[密着性評価]
図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、密着性評価を行った。試験体31の両面を2枚のカーボンクロス32,32で挟み、さらにその外側を接触面積1cmの銅電極33,33で挟んで荷重98N(10kgf)に加圧し、両面から加圧された状態を保持したまま、面内方向に試験体31を引き抜いた(引抜き試験)。
引抜き試験後、非摩擦面および摩擦面をSEM/EDXにて100倍の倍率で観察し、加速電圧を15kVとしてチタン(Ti)と炭素(C)を定量分析したときに、非摩擦面での炭素の量(原子%)を100%として、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量の80%以上であったときは○(非常に良好)、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量50%以上、80%未満であるときは△(良好)、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量50%未満であるときを×(不良)と判断した。
[Adhesion evaluation]
Adhesion evaluation was performed using the contact resistance measuring apparatus 30 shown in FIG. A state in which both sides of the test body 31 are sandwiched between two carbon cloths 32 and 32 and the outside is sandwiched between copper electrodes 33 and 33 having a contact area of 1 cm 2 and pressurized to a load of 98 N (10 kgf). The test body 31 was pulled out in the in-plane direction while holding (pull-out test).
After the pull-out test, the non-friction surface and the friction surface were observed at a magnification of 100 times with SEM / EDX, and when the acceleration voltage was 15 kV and titanium (Ti) and carbon (C) were quantitatively analyzed, When the amount of carbon (atomic%) is 100% and the amount of carbon on the friction surface is 80% or more of the amount of carbon on the non-friction surface, ○ (very good), the amount of carbon on the friction surface Is △ (good) when the amount of carbon on the non-friction surface is 50% or more and less than 80%, and × (defect) when the amount of carbon on the friction surface is less than 50% of carbon on the non-friction surface It was judged.

[接触抵抗測定]
前記方法により作製した試験体について、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、接触抵抗を測定した。詳細には、試験体31の両面を2枚のカーボンクロス32,32で挟み、さらにその外側を接触面積1cmの2枚の銅電極33,33で挟んで荷重98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源34を用いて7.4mAの電流を通電し、カーボンクロス32,32の間に加わる電圧を電圧計35で測定して、接触抵抗を求めた。
接触抵抗(表1では初期接触抵抗と示す)が10mΩ・cm以下の場合を導電性が良好、10mΩ・cmを超える場合を導電性が不良とした。
[Contact resistance measurement]
The contact resistance was measured using the contact resistance measurement device 30 shown in FIG. Specifically, both surfaces of the test body 31 are sandwiched between two carbon cloths 32 and 32, and the outside is sandwiched between two copper electrodes 33 and 33 having a contact area of 1 cm 2 and pressurized with a load of 98 N (10 kgf). A 7.4 mA current was passed using a direct current power supply 34, and the voltage applied between the carbon cloths 32 and 32 was measured with a voltmeter 35 to determine the contact resistance.
When the contact resistance (shown as the initial contact resistance in Table 1) is 10 mΩ · cm 2 or less, the conductivity is good, and when it exceeds 10 mΩ · cm 2 , the conductivity is poor.

[耐久性評価]
前記方法により作製した試験体について、耐久性評価(耐久試験)を行った。すなわち、試験体を比液量が20ml/cmである80℃の硫酸水溶液(10mmol/L)に浸漬し、さらに飽和カロメル電極(SCE)を基準として試験体に対して+600mVの電位を印加しながら200時間の浸漬処理を行った後、試験体を硫酸水溶液から取り出し、洗浄、乾燥して、前記と同様の方法で接触抵抗を測定した。
前記浸漬後(耐久試験後)の接触抵抗(表1では耐久試験後接触抵抗と示す)が30mΩ・cm以下の場合を耐久性が良好、30mΩ・cmを超える場合を耐久性が不良とした。
[Durability evaluation]
Durability evaluation (durability test) was performed on the test specimen prepared by the above method. That is, the test specimen was immersed in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (10 mmol / L) having a specific liquid volume of 20 ml / cm 2 , and a potential of +600 mV was applied to the test specimen based on the saturated calomel electrode (SCE). After 200 hours of immersion treatment, the test specimen was taken out from the sulfuric acid aqueous solution, washed and dried, and contact resistance was measured by the same method as described above.
When the contact resistance after immersion (after the durability test) (shown as contact resistance after the durability test in Table 1) is 30 mΩ · cm 2 or less, the durability is good, and when the contact resistance exceeds 30 mΩ · cm 2 , the durability is poor. did.

各試験体の炭素層厚さ、熱処理条件、中間層の種類、炭素層密着性、TiC層厚さ、初期および耐食試験後の接触抵抗測定結果を表1および表2に示す。   Tables 1 and 2 show the carbon layer thickness, heat treatment conditions, intermediate layer type, carbon layer adhesion, TiC layer thickness, and contact resistance measurement results after the initial and corrosion resistance tests of each specimen.

Figure 2012043775
Figure 2012043775

Figure 2012043775
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基材表面に炭素層を形成した後、熱処理を行った試験体(No.1、2、3、5)については、炭素層と基材との界面に熱処理によって形成されたチタンカーバイドからなる中間層の存在が確認できたとともに、炭素層の密着性は良好であった。また、これらの試験体は導電性および耐久性についても、良好な結果となった。試験体No.4は炭素層を形成した後、熱処理を行わなかったため、チタンカーバイドからなる中間層が形成されず、炭素層の密着性が不良であり、耐久試験後に接触抵抗の劣化が見られた。
一方、スパッタリングにて基材上にチタンカーバイドからなる中間層および炭素層を積層成膜した試験体(No.6、7、8)については、チタンカーバイドからなる中間層があるものの、炭素層とチタンカーバイド層との間の密着性が不良という結果となった。また、耐久試験後に接触抵抗の劣化が見られたため、燃料電池セパレータとしては好ましくないことがわかった。
About the test body (No. 1, 2, 3, 5) which formed the carbon layer on the base material surface, and heat-processed, it is the intermediate | middle which consists of the titanium carbide formed by the heat processing in the interface of a carbon layer and a base material. The presence of the layer was confirmed, and the adhesion of the carbon layer was good. In addition, these specimens had good results with respect to conductivity and durability. Since test body No. 4 did not heat-treat after forming the carbon layer, an intermediate layer made of titanium carbide was not formed, the adhesion of the carbon layer was poor, and contact resistance was deteriorated after the durability test. It was.
On the other hand, for the specimens (Nos. 6, 7, and 8) in which an intermediate layer made of titanium carbide and a carbon layer were laminated on a base material by sputtering, although there were intermediate layers made of titanium carbide, As a result, the adhesion with the titanium carbide layer was poor. Moreover, since deterioration of contact resistance was observed after the durability test, it was found that the fuel cell separator is not preferable.

表1および表2の結果から、基材表面に炭素層を気相成膜法により形成した後、熱処理を施すことにより製造したチタン製燃料電池セパレータは、基材と炭素層との密着性、導電性および耐久性の面で優れることがわかった。   From the results of Tables 1 and 2, the titanium fuel cell separator produced by forming a carbon layer on the surface of the base material by a vapor deposition method and then performing a heat treatment is shown in FIG. It was found that it was excellent in terms of conductivity and durability.

1 基材
1a 不働態皮膜
2 炭素層
3 中間層
10 チタン製燃料電池セパレータ(セパレータ)
30 接触抵抗測定装置
31 試験体
32 カーボンクロス
33 銅電極
34 直流電流電源
35 電圧計
S0 不働態皮膜除去工程
S1 炭素層形成工程
S2 中間層形成工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 1a Passive film 2 Carbon layer 3 Intermediate layer 10 Titanium fuel cell separator (separator)
30 Contact Resistance Measuring Device 31 Specimen 32 Carbon Cloth 33 Copper Electrode 34 DC Current Power Supply 35 Voltmeter S0 Passive Film Removal Process S1 Carbon Layer Formation Process S2 Intermediate Layer Formation Process

Claims (3)

純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に炭素からなる炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの製造方法であって、
前記基材表面に気相成膜法により前記炭素層を形成する炭素層形成工程と、
前記炭素層形成工程の後に、前記炭素層が形成された前記基材を熱処理することによって、前記基材と前記炭素層との間にチタンカーバイドからなる中間層を形成する中間層形成工程とを、含むことを特徴とするチタン製燃料電池セパレータの製造方法。
A method for producing a titanium fuel cell separator in which a carbon layer made of carbon is formed on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy,
A carbon layer forming step of forming the carbon layer on the surface of the base material by a vapor deposition method;
After the carbon layer forming step, an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of titanium carbide between the base material and the carbon layer by heat-treating the base material on which the carbon layer is formed. A method for producing a titanium fuel cell separator.
前記中間層形成工程の熱処理は、非酸化雰囲気下において、300〜850℃で行うことを特徴とする請求項1に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to claim 1, wherein the heat treatment in the intermediate layer forming step is performed at 300 to 850 ° C in a non-oxidizing atmosphere. 前記炭素層形成工程の前に、前記基材表面の不働態皮膜を除去する不働態皮膜除去工程を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to claim 1 or 2, further comprising a passive film removing step of removing the passive film on the surface of the base material before the carbon layer forming step. .
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