JP2019169296A - Fuel cell separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator.
燃料電池に用いられるセパレータには、発生した電流を流すために高い導電性が求められる。高い導電性を有するセパレータとして、耐食性が高いチタン基材の表面に炭素膜を形成したセパレータが用いられている。特許文献1には、チタン基材の表面にTiOx(1<x<2)層が形成され、TiOx層の表面にTi、O、Cを含む結合層が形成され、結合層の上に炭素膜が形成されている燃料電池用セパレータが開示されている。
A separator used in a fuel cell is required to have high conductivity in order to flow a generated current. As a separator having high conductivity, a separator in which a carbon film is formed on the surface of a titanium substrate having high corrosion resistance is used. In
一般的に、チタンの表面には、自然酸化により酸化チタン(TiO2)層が形成される。通常、TiO2層は炭素膜の形成を阻害するため、炭素膜形成前にエッチングなどにより除去する必要がある。発明者は、炭素膜形成前のエッチング工程を省略した場合、腐食試験に使用する腐食液が炭素膜に浸透すると炭素膜がチタン基材から剥離するため、セパレータの導電率が低下するという問題を見出した。 In general, a titanium oxide (TiO 2 ) layer is formed on the surface of titanium by natural oxidation. Usually, since the TiO 2 layer inhibits the formation of the carbon film, it must be removed by etching or the like before the carbon film is formed. The inventor has a problem that when the etching process before the carbon film formation is omitted, the carbon film is peeled off from the titanium base material when the corrosion liquid used in the corrosion test penetrates the carbon film, so that the conductivity of the separator is lowered. I found it.
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、導電率の低下を抑制することが可能な燃料電池用セパレータを提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a fuel cell separator capable of suppressing a decrease in conductivity.
本発明に係る燃料電池用セパレータは、Tiからなる基材と、前記基材の表面に形成されたTiOx(1≦x≦2)層と、前記TiOx層の表面に形成された炭素膜と、を備え、前記TiOx層の厚さは0〜30nmであり、前記炭素膜の厚さは10〜35nmである。 A separator for a fuel cell according to the present invention includes a base material made of Ti, a TiOx (1 ≦ x ≦ 2) layer formed on the surface of the base material, a carbon film formed on the surface of the TiOx layer, The thickness of the TiOx layer is 0 to 30 nm, and the thickness of the carbon film is 10 to 35 nm.
本発明に係る燃料電池用セパレータでは、TiOx層の厚さは0〜30nmであり、炭素膜の厚さは10〜35nmである。このような構成により、燃料電池用セパレータの導電率の低下を抑制することができる。 In the fuel cell separator according to the present invention, the TiOx layer has a thickness of 0 to 30 nm, and the carbon film has a thickness of 10 to 35 nm. With such a configuration, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the fuel cell separator.
本発明により、導電率の低下を抑制可能な燃料電池用セパレータを提供することができる。 By this invention, the separator for fuel cells which can suppress the fall of electrical conductivity can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
なお、当然のことながら、図1及び図3に示した右手系xyz直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、z軸正向きが鉛直上向き、xy平面が水平面であり、図面間で共通である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As a matter of course, the right-handed xyz orthogonal coordinates shown in FIGS. 1 and 3 are convenient for explaining the positional relationship of the constituent elements. Usually, the z-axis positive direction is vertically upward, and the xy plane is a horizontal plane, which is common between the drawings.
(実施の形態)
<セパレータの構成>
図1は、実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの概略断面図である。図1に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用セパレータ1は、チタン基材10と、TiOx層11と、炭素膜12と、を備える。
(Embodiment)
<Configuration of separator>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell separator according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the
チタン基材10は、チタンからなる基材である。チタン基材10の厚さは、例えば100μmである。
The
図1に示すように、TiOx(1≦x≦2)層11が、チタン基材10の表面に形成されている。TiOx層11の厚さは、0〜30nmが好ましく、0〜10nmがより好ましい。
As shown in FIG. 1, a TiOx (1 ≦ x ≦ 2)
図1に示すように、炭素膜12が、TiOx層11の表面に形成されている。炭素膜12の厚さは、好ましくは8〜35nmであり、より好ましくは10〜35nmであり、さらに好ましくは10〜25nmである。炭素膜12は、例えば、直流プラズマCVD(chemical vapor deposition、化学気相成長)により形成される。炭素膜12は、非晶質構造であっても、結晶構造であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
<燃料電池用セパレータの製造工程の概略>
ここで、燃料電池用セパレータ1の製造方法の概略について説明する。まず、チタンをチタン基材10へと加工する。例えば、チタンを圧延等によって板状にし、プレス等を用いて所望の形状を有するチタン基材10へと加工する。
<Outline of manufacturing process of fuel cell separator>
Here, the outline of the manufacturing method of the
次に、チタン基材10の表面にTiOx層11を形成する。TiOx層11の形成は、厚さにより形成方法が異なる。厚さ10nm程度の薄いTiOx層11は、チタン基材10を大気中に置いておくと自然酸化により形成される。厚さ30nm程度の厚いTiOx層11は、チタン基材10を大気中で200〜300℃程度に加熱し、冷却して形成する。
Next, the TiOx
次に、例えば直流プラズマCVDを用いて、TiOx層11の表面に炭素膜12を形成する。炭素膜12の形成の詳細は、後述する。
以上が、燃料電池用セパレータ1の製造工程の概略である。
Next, the
The above is the outline of the manufacturing process of the
<炭素膜の形成方法>
以下、図2を用いて、本実施の形態にかかる燃料電池用セパレータ1に炭素膜12を形成する炭素膜12の形成方法について説明する。図2は、実施の形態にかかる燃料電池用セパレータ1の炭素膜12を形成する一連の流れを示したフローチャートである。
<Method for forming carbon film>
Hereinafter, a method of forming the
まず、表面にTiOx層11が形成されたチタン基材10を真空チャンバ内に配置し、真空ポンプなどを作動させて真空引きを行う(ステップS1)。
First, the
次に、真空チャンバ内に少量の成膜ガスを導入し、直流プラズマCVDを用いて、TiOX層11の表面に成膜の核となる核形成を行う(ステップS2)。プラズマによって分解された成膜ガスは基材に衝突し、基材が加熱される。さらに、基材に衝突した成膜ガスは、次のステップでの炭素膜12形成の核となる。本実施の形態では、成膜ガスとして、例えば炭素膜12の炭素源としてアセチレン(C2H2)と、プラズマ形成のためにアルゴン(Ar)と、を含む成膜ガスを用いることができる。
Next, a small amount of film forming gas is introduced into the vacuum chamber, and nucleation as a film forming nucleus is performed on the surface of the
次に、炭素膜12を形成する(ステップS3)。真空チャンバ内に成膜ガスを導入し、直流プラズマCVDを用いて、炭素膜12の形成を行う。具体的には、真空チャンバ内に導入された成膜ガスをプラズマにより分解し、TiOx層11の表面に炭素膜12を形成する。なお、本実施の形態では、プラズマの発生のために直流プラズマCVDを用いているが、高周波プラズマCVDや、マイクロ波プラズマCVDなどを用いることもできる。
Next, the
次に、炭素膜12の表面に窒素プラズマ処理を行う(ステップS4)。炭素膜12の形成後、真空チャンバ内に窒素(N)ガスを導入し、炭素膜12の表面を窒素プラズマで処理することにより、炭素膜の表面官能基を窒素で終端する。
Next, nitrogen plasma treatment is performed on the surface of the carbon film 12 (step S4). After the
最後に、大気開放する(ステップS5)。
以上が、炭素膜12の形成方法の一連の流れである。
Finally, the atmosphere is released (step S5).
The above is a series of flows of the method for forming the
以下、図3を用いて、炭素膜12の厚さと剥離との関係について説明する。図3は、本実施の形態および比較例にかかる炭素膜12の厚さと剥離との関係について示した模式的断面図である。図3は、炭素膜12の形成後に腐食試験を行う場合を示しており、白抜き両矢印は炭素膜の形成時に残留した内部応力を示し、波線型の黒矢印は、腐食試験に用いる腐食液が炭素膜12へと浸透する様子を示している。腐食試験に使用する腐食液は、一例として、硫酸(H2SO4)等である。
Hereinafter, the relationship between the thickness of the
本実施の形態にかかる炭素膜12の厚さと剥離との関係については図3(a)〜図3(d)を用いて、比較例にかかる炭素膜102の厚さと剥離との関係については図3(e)〜図3(h)を用いて説明する。なお、図3では、TiOx層については省略しているが、形成されていてもよい。
3A to 3D for the relationship between the thickness of the
図3(a)に示すように、本実施の形態のように炭素膜12の厚さを薄く形成する場合、炭素膜12の形成時に残留する内部応力(白抜き矢印)は小さい。次に、図3(b)に示すように、腐食液を炭素膜12に浸透させると、炭素膜12の内部に残留した内部応力が増加する。次に、図3(c)に示すように内部応力は増加するものの、前述の通り炭素膜12の厚さが薄いため、残留する内部応力が少ない。つまり、炭素膜12に亀裂などの破壊が生じるほどの内部応力は残留していないため、図3(d)に示すように、チタン基材10から炭素膜12が剥離することを抑制できる。さらに炭素膜12に腐食液が浸透した場合であっても、炭素膜12の厚さが薄く、炭素膜12の破壊や剥離が抑制されているため、耐食性を維持することができる。
As shown in FIG. 3A, when the
一方、図3(e)に示すように、比較例のように炭素膜102の厚さを厚く形成する場合、炭素膜102の形成時に残留する内部応力(白抜き矢印)は、実施の形態に比べて大きい。換言すると、炭素膜102の膜厚の増加に伴い、炭素膜102の内部に残留する内部応力は増加する。次に、図3(f)に示すように、腐食液を炭素膜102に浸透させると、炭素膜102の内部に残留した内部応力が増加する。次に、図3(g)に示すように、炭素膜102の内部の増加した内部応力に耐えきれない部分に亀裂などの破壊が生じ、炭素膜102はチタン基材100から剥離する。したがって、図3(h)に示すように、炭素膜102の破壊及び剥離が生じた部分のチタン基材100が露出する。炭素膜102にさらなる腐食液が浸透した場合、露出したチタン基材100には腐食部crが形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 3E, when the
本願発明者は、TiOx層11および炭素膜12の厚さと、燃料電池用セパレータ1の導電率とに、相関関係があることを見出した。具体的には、チタン基材10の表面に形成するTiOx層11の厚さを0〜30nm、より好ましくは0〜10nmとし、TiOx層11の表面に形成する炭素膜12の厚さを8〜35nm、より好ましくは10〜35nm、さらに好ましくは10〜25nmとする。すなわち、TiOx層11及び炭素膜12の厚さを所定の厚さに薄膜化することによって、腐食試験に使用する腐食液の浸透による内部応力の増加に起因する炭素膜12の剥離が上述の通り抑制される。したがって、燃料電池用セパレータ1の導電率の低下を抑制することができる。
The inventor of the present application has found that there is a correlation between the thickness of the
さらに、TiOx層11を10nm程度とする場合は、チタン基材10を大気中に置いておくと自然酸化によりTiOx層11が形成されるため、TiOx層11を形成する工程を実質的に省略することができる。また、TiOx層11の表面に形成する炭素膜12の厚さを所定の厚さに薄膜化することによって、チタン基材10上に自然酸化によって形成されたTiOx層11を除去せずとも、腐食試験に使用する腐食液の浸透による内部応力の増加に起因する炭素膜12の剥離が上述の通り抑制され、導電率の低下を抑制できる。つまり、TiOx層11をエッチング等により除去する工程を省略することができる。したがって、炭素膜12の形成時間を短縮することができ、生産性を向上することができる。
Furthermore, when the
次に、本発明の実施例について説明する。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
Next, examples of the present invention will be described.
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited only to these Examples.
<実施例>
実施例では、TiOx層および炭素膜の厚さが異なるサンプルを複数準備し、各膜厚における接触抵抗(mΩ・cm2)の値を計測した。具体的には、まず、チタン基材上にTiOx層が10nm、30nm、50nmとなるように形成したサンプルを、各8サンプルずつ準備した。次に、各サンプルのTiOx層の表面に、炭素膜の膜厚が5nm、8nm、10nm、15nm、25nm、35nm、45nm、60nmとなるように形成したサンプルを準備した。
<Example>
In Examples, a plurality of samples having different thicknesses of the TiOx layer and the carbon film were prepared, and the value of contact resistance (mΩ · cm 2 ) at each film thickness was measured. Specifically, first, 8 samples each were prepared so that the TiOx layer was 10 nm, 30 nm, and 50 nm on the titanium substrate. Next, samples formed so that the thickness of the carbon film was 5 nm, 8 nm, 10 nm, 15 nm, 25 nm, 35 nm, 45 nm, and 60 nm on the surface of the TiOx layer of each sample were prepared.
10nmのTiOx層の形成は、自然酸化により行った。30nmのTiOx層の形成は、大気中でチタン基材を300℃に加熱して行った。50nmのTiOx層の形成は、大気中でチタン基材を400℃に加熱して行った。炭素膜は、上記各膜厚となるように、直流プラズマCVDを用いてTiOx層の表面に形成した。具体的には、TiOx層を形成したチタン基材を真空引きした真空チャンバ内に配置し、プラズマCVDを用いて核形成を行い、炭素膜を形成し、窒素プラズマ処理を行い、大気開放した。 The 10 nm TiOx layer was formed by natural oxidation. The 30 nm TiOx layer was formed by heating the titanium substrate to 300 ° C. in the atmosphere. The 50 nm TiOx layer was formed by heating the titanium substrate to 400 ° C. in the atmosphere. The carbon film was formed on the surface of the TiOx layer by direct current plasma CVD so as to have the above-described thicknesses. Specifically, the titanium base material on which the TiOx layer was formed was placed in a vacuum chamber evacuated, nucleated using plasma CVD, a carbon film was formed, nitrogen plasma treatment was performed, and the atmosphere was released.
上記のように作製した各サンプルについて、接触抵抗を測定した。
各サンプルの接触抵抗の測定結果を、以下の表1に示した。
The contact resistance was measured for each sample produced as described above.
The measurement results of the contact resistance of each sample are shown in Table 1 below.
表1に示すように、TiOx層の厚さが10nmであり、炭素膜の厚さが8〜35nmであるサンプルの接触抵抗は、それぞれ10mΩ・cm2以下であった。一方、TiOx層の厚さが10nmであり、炭素膜の厚さが5nm、45nm、60nmであるサンプルでは、接触抵抗がそれぞれ10mΩ・cm2より大きい値を示した。 As shown in Table 1, the contact resistance of the sample having a TiOx layer thickness of 10 nm and a carbon film thickness of 8 to 35 nm was 10 mΩ · cm 2 or less, respectively. On the other hand, the samples in which the thickness of the TiOx layer was 10 nm and the thickness of the carbon film was 5 nm, 45 nm, and 60 nm showed values of contact resistance larger than 10 mΩ · cm 2, respectively.
表1に示すように、TiOx層の厚さが30nmであり、炭素膜の厚さが10〜25nmであるサンプルの接触抵抗は、それぞれ10mΩ・cm2以下であった。一方、TiOx層の厚さが30nmであり、炭素膜の厚さが5nm、8nm、35nm、45nm、60nmであるサンプルでは、接触抵抗がそれぞれ10mΩ・cm2より大きい値を示した。 As shown in Table 1, the contact resistance of the sample having a TiOx layer thickness of 30 nm and a carbon film thickness of 10 to 25 nm was 10 mΩ · cm 2 or less, respectively. On the other hand, in the samples in which the thickness of the TiOx layer is 30 nm and the thickness of the carbon film is 5 nm, 8 nm, 35 nm, 45 nm, and 60 nm, the contact resistances are larger than 10 mΩ · cm 2, respectively.
表1に示すように、TiOx層の厚さを50nmとしたサンプルでは、すべてのサンプルにおいて接触抵抗が10mΩ・cm2より大きい値を示した。 As shown in Table 1, in the samples in which the thickness of the TiOx layer was 50 nm, the contact resistance was larger than 10 mΩ · cm 2 in all samples.
図4は、実施例にかかる燃料電池用セパレータの接触抵抗の測定結果を示すグラフであり、表1に記載した接触抵抗の測定結果をグラフ化したものである。図4において、TiOx層の厚さを10nmとしたサンプルを、黒塗りの菱形のプロットで示した。同様に、TiOx層の厚さを30nmとしたサンプルを、黒塗りの四角のプロットで示し、TiOx層の厚さを50nmとしたサンプルを、黒塗りの三角のプロットで示した。 FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the contact resistance of the fuel cell separator according to the example. The measurement results of the contact resistance shown in Table 1 are graphed. In FIG. 4, a sample in which the thickness of the TiOx layer is 10 nm is shown by a black rhombus plot. Similarly, a sample with a TiOx layer thickness of 30 nm is shown by a black square plot, and a sample with a TiOx layer thickness of 50 nm is shown by a black triangle plot.
表1及び図4に示すように、TiOx層の厚さを0〜30nm、より好ましくは0〜10nmとし、炭素膜の厚さを8〜35nm、より好ましくは10〜35nm、さらに好ましくは10〜25nmとした場合、接触抵抗が10mΩ・cm2以下の値となり、導電率の低下を抑制することが可能であるという結果を得た。
以上の結果より、TiOx層および炭素膜の厚さを所定の厚さに薄膜化することによって、燃料電池用セパレータの導電率の低下を抑制することができた。
As shown in Table 1 and FIG. 4, the thickness of the TiOx layer is 0 to 30 nm, more preferably 0 to 10 nm, and the thickness of the carbon film is 8 to 35 nm, more preferably 10 to 35 nm, still more preferably 10 to 10 nm. When the thickness was 25 nm, the contact resistance was 10 mΩ · cm 2 or less, and it was possible to suppress the decrease in conductivity.
From the above results, it was possible to suppress a decrease in the conductivity of the fuel cell separator by reducing the thickness of the TiOx layer and the carbon film to a predetermined thickness.
以下、図5を用いて、炭素膜の形成に要する時間について、炭素膜形成の各工程における温度プロファイルとともに測定を行った結果について説明する。図5は、実施例及び比較例にかかる燃料電池用セパレータの炭素膜形成工程における温度プロファイルを示すグラフである。温度プロファイルの測定にあたり、TiOx層の厚さが3nmであり、炭素膜の厚さが20nmであるサンプルを作製した。 Hereinafter, the results of measuring the time required for forming the carbon film together with the temperature profile in each step of forming the carbon film will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a graph showing a temperature profile in the carbon film forming step of the fuel cell separator according to the example and the comparative example. In measuring the temperature profile, a sample in which the thickness of the TiOx layer was 3 nm and the thickness of the carbon film was 20 nm was produced.
図5に示すように、本実施例における炭素膜の形成では、TiOx層をエッチング等により除去する工程を省略している。上述の表1及び図4に示した実施例の結果に示した通り、エッチング等の工程を省略してチタン基材上に形成されたTiOx層を除去せずとも、TiOx層および炭素膜の厚さを所定の厚さに薄膜化することによって、燃料電池用セパレータの導電率の低下を抑制することができた。本実施例では、エッチング工程の省略によって、炭素膜を形成する工程を短縮することができ、従来と比較した生産性を20%向上することができた。 As shown in FIG. 5, in the formation of the carbon film in this example, the step of removing the TiOx layer by etching or the like is omitted. As shown in the results of the embodiment shown in Table 1 and FIG. 4 described above, the thickness of the TiOx layer and the carbon film can be obtained without removing the TiOx layer formed on the titanium base material by omitting the steps such as etching. By reducing the thickness to a predetermined thickness, it was possible to suppress a decrease in the conductivity of the fuel cell separator. In this example, the step of forming the carbon film can be shortened by omitting the etching step, and the productivity compared to the conventional case can be improved by 20%.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1 燃料電池用セパレータ
10、100 チタン基材
11 TiOx層
12、102 炭素膜
1
Claims (1)
前記基材の表面に形成されたTiOx(1≦x≦2)層と、
前記TiOx層の表面に形成された炭素膜と、を備え、
前記TiOx層の厚さは0〜30nmであり、
前記炭素膜の厚さは10〜35nmである、
燃料電池用セパレータ。 A substrate made of Ti;
A TiOx (1 ≦ x ≦ 2) layer formed on the surface of the substrate;
A carbon film formed on the surface of the TiOx layer,
The TiOx layer has a thickness of 0 to 30 nm,
The carbon film has a thickness of 10 to 35 nm.
Fuel cell separator.
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