JP2020105556A - Metal material, separator, fuel battery cell and fuel cell stack - Google Patents

Metal material, separator, fuel battery cell and fuel cell stack Download PDF

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JP2020105556A JP2018243739A JP2018243739A JP2020105556A JP 2020105556 A JP2020105556 A JP 2020105556A JP 2018243739 A JP2018243739 A JP 2018243739A JP 2018243739 A JP2018243739 A JP 2018243739A JP 2020105556 A JP2020105556 A JP 2020105556A
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Abstract

To provide a metal material capable of maintaining low contact resistance and maintaining high drainage when used as a separator.SOLUTION: The metal material includes a metal base material and a titanium oxide layer provided on the base material. The titanium oxide layer includes TiOx (1≤x<2) and MOy (one kind or more of M:Nb, Ta and V; 1≤y≤2.5); the Ti and M contents of the titanium oxide layer satisfy 0.005≤[M]/([Ti]+[M])≤0.10 ([Ti]:the Ti content (at%) of the titanium oxide layer, [M]:the M content (at%) of the titanium oxide layer); the C content of the titanium oxide layer is 1-50 mass%; and the titanium oxide layer has at least one kind of titanium carbide and titanium nitride so as to satisfy predetermined requirements in a front surface layer region from the surface to 10 nm in the depth direction.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、金属材、この金属材を備えるセパレータ、このセパレータを備える燃料電池セル、およびこの燃料電池セルを複数個備える燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a metal material, a separator including the metal material, a fuel cell including the separator, and a fuel cell stack including a plurality of the fuel cell.

導電性を有する材料として、金属材は、様々な用途に使用されている。そのような用途の1つとして、たとえば、燃料電池のセパレータを挙げることができる。燃料電池は、水素と酸素との結合反応の際に発生するエネルギーを利用して発電する。燃料電池には、固体電解質形、溶融炭酸塩形、リン酸形、および固体高分子形などの種類がある。 As a material having conductivity, a metal material is used for various purposes. One of such applications is, for example, a fuel cell separator. A fuel cell uses the energy generated during the binding reaction between hydrogen and oxygen to generate electricity. There are various types of fuel cells, such as solid electrolyte type, molten carbonate type, phosphoric acid type, and solid polymer type.

セパレータ、たとえば、固体高分子形燃料電池のセパレータに求められる主な機能は、次の通りである。
(1)燃料ガス、または酸化性ガスを、電極膜(アノードおよびカソード)に均一に供給する「流路」としての機能
(2)カソード側で生成した水を、空気、酸素といったキャリアガスとともに、燃料電池から効率的に系外に排出する「流路」としての機能
(3)電極膜と接触して電気の通り道となり、さらに、隣接する2つの単セル間の電気的「コネクタ」となる機能
(4)隣り合うセル間で、一方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室との「隔壁」としての機能
(5)冷却水の流通路を持つセパレータを備える水冷型燃料電池では、冷却水流路と隣接するセルとの「隔壁」としての機能
The main functions required for a separator, for example, a polymer electrolyte fuel cell separator are as follows.
(1) Function as a "flow path" for uniformly supplying fuel gas or oxidizing gas to the electrode membrane (anode and cathode) (2) Water generated on the cathode side together with carrier gas such as air and oxygen, Function as a "flow path" that efficiently discharges from the fuel cell to the outside of the system (3) Function as an electrical path by contact with the electrode membrane, and also as an electrical "connector" between two adjacent single cells (4) A function as a "partition wall" between the anode chamber of one cell and the cathode chamber of the adjacent cell between adjacent cells. (5) Cooling is performed in a water-cooled fuel cell including a separator having a flow passage for cooling water. Function as a "partition wall" between the water flow path and the adjacent cell

固体高分子形燃料電池に用いられるセパレータの材料は、このような機能を果たすことができるものである必要がある。セパレータには、黒鉛基板、または樹脂で固めた炭素粉末を用いた炭素系材料が用いられることがある。しかし、近年では、セパレータに金属系材料が用いられることが多い。これは、金属系材料が金属特有の性質として加工性に優れるという利点を有しているためである。すなわち、平板状の金属材を、上述の流路を有する所望のセパレータ形状に加工することは容易である。また、金属系材料を用いることにより、セパレータの厚みを薄くすることができ、セパレータの軽量化が図れる。金属系材料としては、チタン、ステンレス、炭素鋼などが用いられる。これらの金属系材料からなるセパレータは、プレス加工により成形される。 The material of the separator used in the polymer electrolyte fuel cell needs to be capable of performing such a function. For the separator, a graphite substrate or a carbon-based material using carbon powder hardened with a resin may be used. However, in recent years, a metal-based material is often used for the separator. This is because the metal-based material has an advantage that it is excellent in workability as a property peculiar to metal. That is, it is easy to process a flat metal material into a desired separator shape having the above-mentioned flow path. Further, by using the metal-based material, the thickness of the separator can be reduced, and the weight of the separator can be reduced. Titanium, stainless steel, carbon steel or the like is used as the metal-based material. The separator made of these metallic materials is formed by press working.

燃料電池用セパレータには高い導電性が求められる。セパレータの導電性が低いと、燃料電池の発電効率が低くなる。チタンは高い導電性を有するが、その表面には、導電性の低いチタン酸化物(TiO2)が形成される。これにより、そのチタン材の接触抵抗は高くなる。他の金属でも、表面に酸化物が形成されることにより、接触抵抗は高くなる。 A fuel cell separator is required to have high conductivity. When the conductivity of the separator is low, the power generation efficiency of the fuel cell is low. Titanium has high conductivity, but titanium oxide (TiO 2 ) having low conductivity is formed on the surface thereof. This increases the contact resistance of the titanium material. Even with other metals, the contact resistance increases due to the formation of oxides on the surface.

そこで、表面に酸化物が形成された金属材の接触抵抗を低減する方法が提案されている。特許文献1および2では、金属材の表面に貴金属が設けられる。この貴金属により、高い導電性が維持される。特許文献3では、表面のチタン酸化物に、5価の金属を導入することにより、導電性が高いチタン酸化物が形成される。非特許文献1および2には、チタン酸化物に5価の金属を導入する方法として、物理蒸着(PVD;Physical Vapor Deposition)、塗布などの方法が開示されている。特許文献3および4では、表面のチタン酸化物に、導電性が高い酸素欠損型酸化物が形成される。 Therefore, a method of reducing the contact resistance of a metal material having an oxide formed on its surface has been proposed. In Patent Documents 1 and 2, a noble metal is provided on the surface of a metal material. High conductivity is maintained by this noble metal. In Patent Document 3, a titanium oxide having high conductivity is formed by introducing a pentavalent metal into the titanium oxide on the surface. Non-Patent Documents 1 and 2 disclose methods such as physical vapor deposition (PVD) and coating as a method for introducing a pentavalent metal into titanium oxide. In Patent Documents 3 and 4, an oxygen-deficient oxide having high conductivity is formed on the titanium oxide on the surface.

特許文献5では、チタンまたはチタン合金からなる基材の表面に、炭素層が設けられる。基材と炭素層との間には、炭化チタンを含有する中間層が形成される。この方法では、炭素層により接触抵抗が低減される。中間層は、基材と炭素層との密着性を向上させるために形成される。 In Patent Document 5, a carbon layer is provided on the surface of a base material made of titanium or a titanium alloy. An intermediate layer containing titanium carbide is formed between the base material and the carbon layer. In this method, the carbon layer reduces the contact resistance. The intermediate layer is formed to improve the adhesion between the base material and the carbon layer.

特開2003−105523号公報JP, 2003-105523, A 特開2006−190643号公報JP 2006-190643 A 特開2015−224368号公報JP, 2005-224368, A 国際公開第2017/169712号International Publication No. 2017/169712 特開2014−22250号公報JP, 2014-22250, A

Meagen A. Gillispie、外4名、”rf magnetron sputter deposition of transparent conducting Nb-doped TiO2 films on SrTiO3”、Journal of Applied Physics 101 (2007) 33125Meagen A. Gillispie, 4 others, "rf magnetron sputter deposition of transparent conducting Nb-doped TiO2 films on SrTiO3", Journal of Applied Physics 101 (2007) 33125 Jinming Liu、外9名、”Influence of annealing process on conductive properties of Nb-doped TiO2 polycrystalline films prepared by sol-gel method”、Applied Surface Science 257 (2011) 10156Jinming Liu, 9 others, “Influence of annealing process on conductive properties of Nb-doped TiO2 diffuse films prepared by sol-gel method”, Applied Surface Science 257 (2011) 10156 鈴木順、外3名、「貴金属元素含有チタン合金の酸洗後熱処理による接触抵抗の低減」、チタン、平成18年、vol. 54, no. 4, p.258-262Jun Suzuki, 3 others, "Reduction of contact resistance by heat treatment after pickling of titanium alloy containing precious metal element", Titanium, 2006, vol. 54, no. 4, p.258-262

ところで、燃料電池用セパレータにおいて、酸化性ガスを流す流路では、酸素と水素との反応によって水が発生する。流路の排水性が低い場合は、発生した水は流路内にとどまる。その結果、酸化性ガスの流れが妨げられる。すなわち、流路内を流れる酸化性ガスの流量が低減する。これにより、酸素と水素との反応量が少なくなり、燃料電池の発電量が低下する。 In the fuel cell separator, water is generated by the reaction of oxygen and hydrogen in the flow path of the oxidizing gas. When the drainage of the channel is low, the generated water remains in the channel. As a result, the flow of oxidizing gas is impeded. That is, the flow rate of the oxidizing gas flowing in the channel is reduced. As a result, the amount of reaction between oxygen and hydrogen decreases, and the amount of power generation of the fuel cell decreases.

特許文献1〜5では、セパレータ材料の接触抵抗を低減することが目的とされており、流路の排水性には着目されていなかった。たとえば、特許文献5のセパレータでは、表面の全面がグラファイトなどの炭素層からなる。しかし、このような炭素層は、水に対する濡れ性が低く、排水性が低かった。 In Patent Documents 1 to 5, the purpose is to reduce the contact resistance of the separator material, and no attention has been paid to the drainage property of the flow path. For example, in the separator of Patent Document 5, the entire surface is made of a carbon layer such as graphite. However, such a carbon layer has low wettability with water and low drainage.

そこで、本発明の目的は、接触抵抗を低く維持できるとともに、燃料電池のセパレータとして用いたときに排水性を高く維持できる金属材を提供することである。本発明の他の目的は、接触抵抗を低く維持できるとともに、排水性を高く維持できるセパレータを提供することである。本発明のさらに他の目的は、発電量を高く維持できる燃料電池セルおよび燃料電池スタックを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a metal material that can maintain low contact resistance and high drainage when used as a separator of a fuel cell. Another object of the present invention is to provide a separator that can maintain low contact resistance and high drainage performance. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell stack capable of maintaining high power generation.

本発明の実施形態の金属材は、金属製の基材と、前記基材の上に設けられたチタン酸化物層とを備え、
前記チタン酸化物層は、TiOx(1≦x<2)、MOy(M:Nb、TaおよびVの1種以上;1≦y≦2.5)を含み、
前記チタン酸化物層のTiおよびMの含有量は、下記式(1)を満たし、
前記チタン酸化物層のC含有量は、1〜50質量%であり、
前記チタン酸化物層は、表面から深さ方向10nmまでの表層領域に、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を有し、
前記表層領域において、前記チタン炭化物を構成するCの含有量、前記チタン窒化物を構成するNの含有量、ならびに前記TiOxおよび前記MOyを構成するOの含有量は、下記式(2)を満たし、
前記チタン酸化物層の厚みは、10〜1000nmである。
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
ここで、
[Ti]:チタン酸化物層のTi含有量(at%)
[M]:チタン酸化物層のM含有量(at%)
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
ここで、
[C]:前記表層領域の、チタン炭化物を構成するCの含有量(at%)
[N]:前記表層領域の、チタン窒化物を構成するNの含有量(at%)
[O]:前記表層領域の、チタン酸化物およびMOyを構成するOの含有量(at%)。
The metal material of the embodiment of the present invention includes a metal base material and a titanium oxide layer provided on the base material,
The titanium oxide layer contains TiO x (1≦x<2) and MO y (M: one or more of Nb, Ta and V; 1≦y≦2.5),
The content of Ti and M of the titanium oxide layer satisfies the following formula (1),
C content of the titanium oxide layer is 1 to 50 mass%,
The titanium oxide layer has at least one kind of titanium carbide and titanium nitride in a surface layer region from the surface to a depth direction of 10 nm,
In the surface layer region, the content of C forming the titanium carbide, the content of N forming the titanium nitride, and the content of O forming the TiO x and the MO y are represented by the following formula (2). The filling,
The titanium oxide layer has a thickness of 10 to 1000 nm.
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
here,
[Ti]: Ti content (at %) of the titanium oxide layer
[M]: M content (at %) of the titanium oxide layer
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
here,
[C]: Content of C constituting titanium carbide in the surface layer region (at %)
[N]: Content of N constituting titanium nitride in the surface layer region (at %)
[O]: Content (at %) of titanium oxide and O constituting MO y in the surface layer region.

本発明の実施形態の、燃料電池用のセパレータは、上記金属材を備える。
本発明の実施形態の燃料電池セルは、上記セパレータを備える。
本発明の実施形態の燃料電池スタックは、上記燃料電池セルを複数個備える。
A fuel cell separator according to an embodiment of the present invention includes the metal material.
A fuel cell according to an embodiment of the present invention includes the above separator.
A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a plurality of fuel cell units described above.

本発明の金属材は、接触抵抗を低く維持できるとともに、セパレータとして用いたときに排水性を高く維持できる。本発明のセパレータは、接触抵抗を低く維持できるとともに、排水性を高く維持できる。本発明の燃料電池セルおよび燃料電池スタックは、発電量を高く維持できる。 The metal material of the present invention can maintain low contact resistance and high drainage property when used as a separator. The separator of the present invention can maintain low contact resistance and high drainage property. The fuel cell and fuel cell stack of the present invention can maintain a high power generation amount.

図1は、本発明の一実施形態に係る金属材の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a metal material according to an embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池全体の斜視図である。FIG. 2A is a perspective view of the entire polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル(単セル)の分解斜視図である。FIG. 2B is an exploded perspective view of a fuel cell (single cell) according to an embodiment of the present invention. 図3は、一実施例の金属材についての、表面からの深さと各元素の濃度と関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the depth from the surface and the concentration of each element in the metal material of one example. 図4は、金属材の接触抵抗を測定する装置の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an apparatus for measuring the contact resistance of a metal material.

本発明者らは、金属材およびセパレータの接触抵抗を低く維持するために、金属材およびセパレータの最表層を、導電性を有するチタン酸化物層で構成することを検討した。そして、本発明者らは、このような構成に基づき、金属材およびセパレータの排水性を高くするために、金属材およびセパレータに対する水の濡れ性(親和性)を高くすることを検討した。 The present inventors have studied to form the outermost surface layer of the metal material and the separator with a titanium oxide layer having conductivity in order to keep the contact resistance of the metal material and the separator low. Based on such a configuration, the present inventors have studied to increase the wettability (affinity) of water with respect to the metal material and the separator in order to improve the drainage performance of the metal material and the separator.

以下の説明で、特に断りがない限り、化学組成についての「%」は「質量%」を意味する。 In the following description, "%" in the chemical composition means "mass%" unless otherwise specified.

〈本発明の金属材〉
図1は、本発明の一実施形態に係る金属材の断面図である。金属材11は、基材12と、基材12上に設けられたチタン酸化物層13とを備える。
<Metal material of the present invention>
FIG. 1 is a sectional view of a metal material according to an embodiment of the present invention. The metal material 11 includes a base material 12 and a titanium oxide layer 13 provided on the base material 12.

〈基材〉
基材は金属製である。したがって、基材は、導電性を有する。基材の電気抵抗率は、2×10-4Ω・cm(20℃)以下であることが好ましく、1×10-4Ω・cm(20℃)以下であることがより好ましい。
<Base material>
The base material is made of metal. Therefore, the base material has conductivity. The electric resistivity of the substrate is preferably 2×10 −4 Ω·cm (20° C.) or less, more preferably 1×10 −4 Ω·cm (20° C.) or less.

基材を構成する金属元素の種類は、特に制限されない。基材は、実質的に1種類の金属元素のみを含有してもよい。たとえば、基材は、不純物を除き、Ti、Pt、またはAlからなるものであってもよい。また、基材は、複数種類の金属元素を含有してもよい。たとえば、基材は、チタン合金、ステンレス鋼、またはアルミニウム合金などの合金(不純物を含む。)からなるものであってもよい。 The type of metal element forming the base material is not particularly limited. The substrate may contain substantially only one type of metal element. For example, the base material may be composed of Ti, Pt, or Al except for impurities. Further, the base material may contain a plurality of types of metal elements. For example, the base material may be made of an alloy (including impurities) such as a titanium alloy, stainless steel, or an aluminum alloy.

純チタン、およびチタン合金は、耐食性に優れ、軽量であるという利点を有する。このため、腐食耐性が高く軽量であることが要求される用途、たとえば、燃料電池のセパレータの用途では、基材は、純チタンまたはチタン合金からなることが好ましい。ここで、「純チタン」とは、98.8%以上のTiを含有し、残部が不純物からなる金属材を意味する。純チタンとして、たとえば、JIS1種〜JIS4種の純チタンを用いることができる。「チタン合金」とは、70%以上のTiを含有し、残部が合金元素と不純物元素とからなる金属材を意味する。チタン合金として、たとえば、JIS11種、13種、17種、または60種のチタン合金を用いることができる。 Pure titanium and titanium alloy have the advantages of excellent corrosion resistance and light weight. Therefore, in applications requiring high corrosion resistance and light weight, for example, applications in fuel cell separators, the base material is preferably made of pure titanium or a titanium alloy. Here, “pure titanium” means a metal material containing 98.8% or more of Ti and the balance being impurities. As pure titanium, for example, pure titanium of JIS type 1 to JIS type 4 can be used. The “titanium alloy” means a metal material containing 70% or more of Ti and the balance consisting of an alloy element and an impurity element. As the titanium alloy, for example, JIS type 11, 13 type, 17 type, or 60 type titanium alloy can be used.

基材としてのチタン合金は、6%以下のM(Nb、Ta、およびVの1種以上)を含有することが好ましい。基材は、Mを含有しなくてもよい。Mを含有することにより、チタン合金の耐食性、導電性、および機械的強度は高くなる。このような効果を十分に得るためには、チタン合金のM含有量は、0.1%以上であることが好ましい。一方、Mの含有量が6%を超えると、導電性および曲げ加工性が低下する。Mを0.1〜6%含有するチタン合金は、耐食性、導電性、曲げ加工性、および機械的強度のいずれについても、純チタンを上回る。これらの効果をより十分に得るためには、Mの含有量は、0.5〜6%であることがより好ましい。 The titanium alloy as the base material preferably contains 6% or less of M (one or more of Nb, Ta, and V). The base material may not contain M. By containing M, the corrosion resistance, conductivity, and mechanical strength of the titanium alloy are increased. In order to sufficiently obtain such effects, the M content of the titanium alloy is preferably 0.1% or more. On the other hand, when the content of M exceeds 6%, the conductivity and bending workability deteriorate. A titanium alloy containing 0.1 to 6% of M is superior to pure titanium in corrosion resistance, conductivity, bending workability, and mechanical strength. In order to obtain these effects more sufficiently, the M content is more preferably 0.5 to 6%.

〈チタン酸化物層〉
チタン酸化物層は、下記要件(i)〜(vi)を満たす。
(i) TiOx(1≦x<2)およびMOy(M:Nb、TaおよびVの1種以上;1≦y≦2.5)を含む。
(ii) TiおよびMの含有量は、下記式(1)を満たす。
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
ここで、
[Ti]:チタン酸化物層のTi含有量(at%)
[M]:チタン酸化物層のM含有量(at%)
(iii) C(炭素)を、1〜50%含有する。
(iv) 表面から深さ方向10nmまでの表層領域において、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を有する。
(v) 表層領域において、チタン炭化物を構成するCの含有量、チタン窒化物を構成するNの含有量、ならびにTiOxおよびMOyを構成するOの含有量が、下記式(2)を満たす。
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
ここで、
[C]:表層領域の、チタン炭化物を構成するCの含有量(at%)
[N]:表層領域の、チタン窒化物を構成するNの含有量(at%)
[O]:表層領域の、チタン酸化物およびMOyを構成するOの含有量(at%)
(vi) 厚みが10〜1000nmである。
<Titanium oxide layer>
The titanium oxide layer satisfies the following requirements (i) to (vi).
(I) TiO x (1≦x<2) and MO y (M: one or more of Nb, Ta and V; 1≦y≦2.5) are included.
(Ii) The contents of Ti and M satisfy the following formula (1).
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
here,
[Ti]: Ti content (at %) of the titanium oxide layer
[M]: M content (at %) of the titanium oxide layer
(Iii) 1 to 50% of C (carbon) is contained.
(Iv) At least one kind of titanium carbide and titanium nitride is contained in the surface layer region from the surface to the depth direction of 10 nm.
(V) In the surface layer region, the content of C constituting titanium carbide, the content of N constituting titanium nitride, and the content of O constituting TiO x and MO y satisfy the following formula (2). ..
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
here,
[C]: Content (at %) of C constituting titanium carbide in the surface layer region
[N]: Content of N constituting titanium nitride in the surface layer region (at %)
[O]: Content of titanium oxide and O constituting MO y (at %) in the surface layer region
(Vi) The thickness is 10 to 1000 nm.

以下、要件(i)〜(vi)の各々について、詳細に説明する。 Hereinafter, each of the requirements (i) to (vi) will be described in detail.

〈要件(i):チタン酸化物層は、TiOx(1≦x<2)とMOy(1≦y≦2.5)とを含む〉
TiOxとの化学式で表されるチタン酸化物は、TiO、Ti23、およびTi47などの低次酸化物、ならびにTiO2の結晶構造を有し酸素(O)の一部が欠損したものを含み得る。チタン酸化物層には、これらのチタン酸化物の1種以上が存在する。xは、チタン酸化物の平均化学組成としての、Tiに対するOの原子比である。
<Requirement (i): The titanium oxide layer contains TiO x (1≦x<2) and MO y (1≦y≦2.5)>
Titanium oxide represented by the chemical formula with TiO x is a low-order oxide such as TiO, Ti 2 O 3 , and Ti 4 O 7 , and has a crystal structure of TiO 2 and has a part of oxygen (O). It may include a defect. One or more of these titanium oxides are present in the titanium oxide layer. x is the atomic ratio of O to Ti as the average chemical composition of titanium oxide.

MOyとの化学式で表される酸化物(以下、「M酸化物」という。)は、最も安定な酸化物であるM25(Nb25、Ta25、V25)のみならず、低次酸化物のMO2(NbO2、TaO2、VO2)、MO(NbO、TaO、VO)などを含み得る。チタン酸化物層には、これらのM酸化物の1種以上が存在する。yは、M酸化物の平均化学組成としての、Mに対するOの原子比である。 The oxide represented by the chemical formula with MO y (hereinafter referred to as “M oxide”) is M 2 O 5 (Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , V 2 O 5 ) which is the most stable oxide. ) As well as low-order oxides MO 2 (NbO 2 , TaO 2 , VO 2 ), MO (NbO, TaO, VO), and the like. One or more of these M oxides are present in the titanium oxide layer. y is the atomic ratio of O to M as the average chemical composition of M oxide.

要件(i)を満たすチタン酸化物層は導電性が高い。その理由は、下記の通りであると推定される。
(1) TiOxにおける酸素の欠損、および、yが2.5未満である場合には、MOyにおける酸素の欠損により、電子キャリアが増える。
(2) MOyの存在により、TiOxにおける酸素欠損量が安定し、たとえば、TiOxがTiO2まで酸化されることが抑制される。
The titanium oxide layer satisfying the requirement (i) has high conductivity. The reason is estimated to be as follows.
(1) Oxygen deficiency in TiO x , and when y is less than 2.5, the number of electron carriers increases due to oxygen deficiency in MO y .
The presence of (2) MO y, oxygen deficiency is stabilized in TiO x, for example, TiO x is suppressed to be oxidized to TiO 2.

チタン酸化物層は、TiとMとの複合酸化物、たとえば、Ti1-zMzO2(0<z≦0.2)をさらに含んでもよい。このような複合酸化物の導電性は高い。 The titanium oxide layer may further include a composite oxide of Ti and M, for example, Ti 1-z MzO 2 (0<z≦0.2). The conductivity of such a complex oxide is high.

TiOx(1≦x<2)、およびMOy(1≦y≦2.5)が存在しているか否かは、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法)で確認できる。XPSスペクトルで、TiとOとの結合エネルギーに関して、Ti3+およびTi2+の少なくとも一方のピークが存在していれば、1≦x<2であると判断することができる。この場合、Ti4+のピークが存在していてもよい。また、MとOとの結合エネルギーに関して、Nb5+のピークのみが存在していれば、y=2.5であると判断することができる。M4+およびM2+の少なくとも一方のピークが存在していれば、1≦y<2.5であると判断することができる。この場合、M5+のピークが存在していてもよい。 Whether or not TiO x (1≦x<2) and MO y (1≦y≦2.5) are present can be confirmed by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). In the XPS spectrum, if the peak of at least one of Ti 3+ and Ti 2+ exists in the binding energy of Ti and O, it can be determined that 1≦x<2. In this case, a Ti 4+ peak may be present. Further, regarding the binding energies of M and O, if only the peak of Nb 5+ is present, it can be determined that y=2.5. If at least one of M 4+ and M 2+ is present, it can be determined that 1≦y<2.5. In this case, an M 5+ peak may be present.

XPSスペクトルでTi3+、Ti2+、M4+およびM2+のいずれかのピークが存在するか否かは、たとえば、当該ピークの波形を微分し、ピークが存在すると予想される位置近傍における微分値の変化に基づいて判断することができる。具体的には、以下の通りである。XPSスペクトルの波形は、結合エネルギーEと放出光電子強度Iとがどのように対応しているかにより決まる。放出光電子強度Iは、結合エネルギーEの関数I(E)と捉えることができる。ここで、たとえば、Eの正方向に関して、I(E)をEで3回微分した値が、ピークが存在すると予想される位置近傍で、負の値から正の値に変化すれば、当該ピークが存在すると判断することができる。一方、ピークが存在すると予想される位置近傍で、そのような変化がなければ、ピークは存在しないと判断することができる。 Whether or not any of the peaks of Ti 3+ , Ti 2+ , M 4+ and M 2+ is present in the XPS spectrum is determined by, for example, differentiating the waveform of the peak and determining the vicinity of the position where the peak is expected to be present. The determination can be made based on the change in the differential value at. Specifically, it is as follows. The waveform of the XPS spectrum is determined by how the binding energy E and the emission photoelectron intensity I correspond. The emitted photoelectron intensity I can be regarded as a function I(E) of the binding energy E. Here, for example, in the positive direction of E, if the value obtained by differentiating I(E) three times with E changes from a negative value to a positive value near the position where the peak is expected to exist, the peak Can be determined to exist. On the other hand, if there is no such change near the position where the peak is expected to exist, it can be determined that the peak does not exist.

XPSの測定条件は、以下の通りとする。
X線:AlKα (hν=1486.6eV(h:プランク定数、ν:X線の振動数))
X線径(直径):100μm
検出器取込角度:45°
スパッタリングを併用してXPSの測定を行う場合は、スパッタ条件は、以下の通りとする。
イオン種:Ar+
加速電圧:2〜4kV
ラスター領域:一辺が1〜3mmの正方形状の領域
上記の条件による測定は、たとえば、アルバック・ファイ社製のQuantera SXMに、同社製のPHI 5000 VersaProbe IIIを組み合わせた装置を用いて行うことができる。
The XPS measurement conditions are as follows.
X-ray: AlK α (hν = 1486.6 eV (h: Planck's constant, ν: X-ray frequency))
X-ray diameter (diameter): 100 μm
Detector take-in angle: 45°
When the XPS measurement is performed in combination with sputtering, the sputtering conditions are as follows.
Ion type: Ar +
Accelerating voltage: 2-4kV
Raster area: Square area with one side of 1 to 3 mm The measurement under the above conditions can be performed using, for example, a device in which ULVAC-PHI Quantera SXM and PHI 5000 VersaProbe III manufactured by the same are combined. ..

〈要件(ii):チタン酸化物層のTiおよびMの含有量は、式(1)を満たす〉
[M]/([Ti]+[M])が0.005以上とする理由は、チタン酸化物層の導電性を高くするためである。[M]/([Ti]+[M])が0.005未満であると、TiO2およびTiOxと、MOyとの電子的な相互作用が弱く、導電性への寄与が不十分となる。[M]/([Ti]+[M])は、0.010以上であることが好ましい。
<Requirement (ii): Ti and M contents of the titanium oxide layer satisfy the formula (1)>
The reason why [M]/([Ti]+[M]) is 0.005 or more is to increase the conductivity of the titanium oxide layer. When [M]/([Ti]+[M]) is less than 0.005, the electronic interaction between TiO 2 and TiO x and MO y is weak, and the contribution to conductivity is insufficient. Become. [M]/([Ti]+[M]) is preferably 0.010 or more.

[M]/([Ti]+[M])が0.10以下であるとする理由は、コストを低く抑え、かつ加工性を高くし、さらに、接触抵抗を低くするためである。Mは、Tiに比して高価であるので、[M]/([Ti]+[M])が大きくなると、原料費が増大する。また、[M]/([Ti]+[M])が大きくなると、チタン酸化物層の延性が低くなるので、金属材の加工性は低くなる。さらに、[M]/([Ti]+[M])が大きいと、接触抵抗が高くなる。これは、チタン酸化物層中のM酸化物の量が多くなることにより、M酸化物が凝集した状態で存在し、これにともなって、チタン酸化物層に物理的欠陥が多く生じるためであると推測される。[M]/([Ti]+[M])は、0.080以下であることが好ましい。 The reason why [M]/([Ti]+[M]) is 0.10 or less is to keep the cost low, improve the workability, and lower the contact resistance. Since M is more expensive than Ti, if [M]/([Ti]+[M]) increases, the raw material cost increases. Further, when [M]/([Ti]+[M]) increases, the ductility of the titanium oxide layer decreases, and thus the workability of the metal material decreases. Furthermore, when [M]/([Ti]+[M]) is large, the contact resistance is high. This is because the amount of M oxide in the titanium oxide layer increases and the M oxide exists in an aggregated state, and along with this, many physical defects occur in the titanium oxide layer. Presumed to be. [M]/([Ti]+[M]) is preferably 0.080 or less.

[Ti]および[M]の測定は、XPSにより行うことができる。チタン酸化物層が厚い場合(たとえば、チタン酸化物層の厚みが100nm以上である場合)は、Arによりスパッタリングしながら深さ方向にTiおよびMの濃度プロファイルを求め、これらの濃度プロファイルについて深さ方向の積分値として、それぞれ、[Ti]および[M]を算出する。後述のゾル液を用いる方法で金属材を作製した場合は、一般に、[M]/([Ti]+[M])の値は、チタン酸化物層の表面近傍の部分を除き、ほぼ一定となる。このため、チタン酸化物層の厚み方向全体に渡ってXPSを行う必要はなく、代表的な[M]/([Ti]+[M])が得られる深さでの[Ti]および[M]を採用してもよい。 [Ti] and [M] can be measured by XPS. When the titanium oxide layer is thick (for example, when the thickness of the titanium oxide layer is 100 nm or more), the Ti and M concentration profiles are obtained in the depth direction while sputtering with Ar, and the depths of these concentration profiles are determined. [Ti] and [M] are calculated as the integrated values of the directions, respectively. When a metal material is produced by a method using a sol solution described below, the value of [M]/([Ti]+[M]) is generally almost constant except for the portion near the surface of the titanium oxide layer. Become. Therefore, it is not necessary to perform XPS over the entire thickness of the titanium oxide layer, and [Ti] and [M] at a depth at which typical [M]/([Ti]+[M]) can be obtained. ] May be adopted.

〈要件(iii):チタン酸化物層のC(炭素)含有量は1〜50%である〉
チタン酸化物層には、導電性を有する炭素質材を構成するCが多く含まれていることが好ましい。この場合、チタン酸化物層のC含有量が1%以上であることにより、チタン酸化物層の導電性が高くなり、金属材表面の接触抵抗が低くなる。導電性を有する炭素質材としては、たとえば、グラファイト、金属炭化物、および金属炭窒化物を挙げることができる。
<Requirement (iii): C (carbon) content of the titanium oxide layer is 1 to 50%>
The titanium oxide layer preferably contains a large amount of C that constitutes the carbonaceous material having conductivity. In this case, when the content of C in the titanium oxide layer is 1% or more, the conductivity of the titanium oxide layer is increased and the contact resistance on the surface of the metal material is decreased. Examples of the carbonaceous material having conductivity include graphite, metal carbide, and metal carbonitride.

炭素質材に対する水の濡れ性は、一般に低い。これは、金属材をセパレータに用いたときに排水性を高くするのに不利である。しかし、チタン酸化物層中に細かい炭素質材を分散させることにより、チタン酸化物層に対する水の濡れ性が低下することを抑制できる。後述する製造方法では、チタン酸化物層を形成するために、有機ポリマーが混合されたゾル液が用いられる。このような有機ポリマーの炭化により生じるグラファイトは、細かく、チタン酸化物の結晶の周辺に分散しやすい。この場合、炭素質材が含まれることによるチタン酸化物層に対する水の濡れ性の低下を抑制できる。このような理由により、導電性を有する炭素質材は、有機ポリマーを起源とするグラファイトであることが好ましい。 The wettability of water to carbonaceous materials is generally low. This is disadvantageous in improving drainage when a metal material is used for the separator. However, by dispersing a fine carbonaceous material in the titanium oxide layer, it is possible to prevent the wettability of water with respect to the titanium oxide layer from decreasing. In the production method described below, a sol liquid mixed with an organic polymer is used to form the titanium oxide layer. Graphite generated by carbonization of such an organic polymer is fine and easily dispersed around the crystal of titanium oxide. In this case, it is possible to suppress a decrease in wettability of water with respect to the titanium oxide layer due to the inclusion of the carbonaceous material. For these reasons, the carbonaceous material having conductivity is preferably graphite originating from an organic polymer.

チタン酸化物層のC含有量が1%未満であると、金属材表面の接触抵抗を低くする効果が十分得られない。チタン酸化物層のC含有量は、3%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましい。また、チタン酸化物層のC含有量が50%以下であることにより、基材に対するチタン酸化物層の密着性を高くすることができる。チタン酸化物層のC含有量が50%を超えると、チタン酸化物層の組成は不均一となり、基材から剥離しやすくなる。チタン酸化物層のC含有量は、20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。 If the C content of the titanium oxide layer is less than 1%, the effect of lowering the contact resistance on the surface of the metal material cannot be sufficiently obtained. The C content of the titanium oxide layer is preferably 3% or more, more preferably 5% or more. Further, when the C content of the titanium oxide layer is 50% or less, the adhesion of the titanium oxide layer to the base material can be increased. When the C content of the titanium oxide layer exceeds 50%, the composition of the titanium oxide layer becomes non-uniform, and the titanium oxide layer easily peels from the substrate. The C content of the titanium oxide layer is preferably 20% or less, and more preferably 15% or less.

チタン酸化物層のC含有量は、以下の方法により測定することができる。まず、アルカリ系の剥離剤を用いて、チタン酸化物層を基材から剥離する。そして、剥離したチタン酸化物層の質量を測定する。また、剥離したチタン酸化物層に含まれる炭素の質量を、燃焼赤外線吸収法により測定する。その後、炭素の質量をチタン酸化物層の質量で除して、チタン酸化物層のC含有量(質量%)を求める。燃焼赤外線吸収法では、具体的には、酸素気流下、燃焼温度1400℃で、チタン酸化物層に含まれる有機系炭素および無機系炭素をすべて燃焼させ、これらの炭素をすべてCO2やCOにし、赤外線吸収よりCの質量を定量する。 The C content of the titanium oxide layer can be measured by the following method. First, the titanium oxide layer is peeled from the base material using an alkaline peeling agent. Then, the mass of the peeled titanium oxide layer is measured. Further, the mass of carbon contained in the peeled titanium oxide layer is measured by the combustion infrared absorption method. Then, the mass of carbon is divided by the mass of the titanium oxide layer to obtain the C content (mass %) of the titanium oxide layer. In the combustion infrared absorption method, specifically, all of the organic carbon and the inorganic carbon contained in the titanium oxide layer are burned at a burning temperature of 1400° C. under an oxygen stream to convert all of these carbon into CO 2 and CO. The mass of C is quantified by infrared absorption.

〈要件(iv):チタン酸化物層は、表層領域に、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を有する〉
チタン炭化物およびチタン窒化物の導電率は、TiOxの導電率よりも高い。このため、チタン酸化物層が要件(iv)を満たすことにより、チタン酸化物層における表層領域の導電性が高くなり、金属材表面の接触抵抗が低くなる。チタン炭化物は、たとえば、TiCやTi2Cであってもよい。チタン窒化物は、たとえば、Ti34であってもよい。
<Requirement (iv): The titanium oxide layer has at least one of titanium carbide and titanium nitride in the surface layer region>
The conductivity of titanium carbide and titanium nitride is higher than that of TiO x . Therefore, when the titanium oxide layer satisfies the requirement (iv), the conductivity of the surface layer region of the titanium oxide layer becomes high, and the contact resistance of the surface of the metal material becomes low. The titanium carbide may be, for example, TiC or Ti 2 C. The titanium nitride may be, for example, Ti 3 N 4 .

また、表層領域がチタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を有することにより、燃料電池内でセパレータの排水性が向上する。これは、以下の理由による。これらの化合物は、TiOxに比して耐食性が乏しく、燃料電池環境下では腐食または分解しやすい。これらの化合物の腐食により、セパレータ(金属材のチタン酸化物層)の表面に、Ti(OH)4およびTiO2の少なくとも1種が生成する。Ti(OH)4およびTiO2は水との接触角が小さい。すなわち、腐食生成物であるTi(OH)4およびTiO2は、水との親和性が高い。したがって、燃料電池内で、水はセパレータの表面に留まりにくくなる。その結果、セパレータの排水性が向上する。 In addition, the surface layer region having at least one of titanium carbide and titanium nitride improves drainage of the separator in the fuel cell. This is for the following reason. These compounds have poorer corrosion resistance than TiO x and are easily corroded or decomposed in a fuel cell environment. Corrosion of these compounds produces at least one of Ti(OH) 4 and TiO 2 on the surface of the separator (titanium oxide layer of the metal material). Ti(OH) 4 and TiO 2 have a small contact angle with water. That is, Ti(OH) 4 and TiO 2 which are corrosion products have high affinity with water. Therefore, it becomes difficult for water to stay on the surface of the separator in the fuel cell. As a result, drainage performance of the separator is improved.

表層領域において、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種は、微細かつ分散して存在していることが好ましい。この場合、燃料電池環境下では、チタン酸化物層の表面には、微細な腐食生成物が分散して形成される。腐食生成物の導電性は低い。しかし、チタン酸化物層の表面に微細な腐食生成物が分散して存在していると、より導電性が高い物質、たとえば、TiOxおよびMOyによる導電経路が確保される。したがって、腐食生成物が形成されることによる接触抵抗の上昇を抑制することができる。 In the surface layer region, at least one of titanium carbide and titanium nitride is preferably present in a fine and dispersed state. In this case, in a fuel cell environment, fine corrosion products are dispersed and formed on the surface of the titanium oxide layer. The conductivity of the corrosion products is low. However, if fine corrosion products are dispersed and present on the surface of the titanium oxide layer, a conductive path by a substance having higher conductivity, for example, TiO x and MO y is secured. Therefore, it is possible to suppress an increase in contact resistance due to the formation of corrosion products.

〈要件(v):チタン酸化物層の表層領域において、チタン炭化物を構成するCの含有量、チタン窒化物を構成するNの含有量、ならびにTiOxおよびMOyを構成するOの含有量は式(2)を満たす〉
[C]は、表層領域におけるチタン炭化物量の指標である。[N]は、表層領域におけるチタン窒化物量の指標である。チタン炭化物およびチタン窒化物の導電率がTiOxの導電率よりも高いことにより、([C]+[N])/[O]が大きくなると、チタン酸化物層の表層領域の導電率は高くなる。([C]+[N])/[O]が0.05未満では、表層領域の導電率を高くする効果が十分に得られない。このため、([C]+[N])/[O]は、0.05以上とする。([C]+[N])/[O]は、0.10以上であることが好ましく、0.15以上であることがより好ましい。
<Requirement (v): In the surface layer region of the titanium oxide layer, the content of C constituting titanium carbide, the content of N constituting titanium nitride, and the content of O constituting TiO x and MO y are Formula (2) is satisfied>
[C] is an index of the amount of titanium carbide in the surface layer region. [N] is an index of the amount of titanium nitride in the surface layer region. When the conductivity of titanium carbide and titanium nitride is higher than that of TiO x , and ([C]+[N])/[O] increases, the conductivity of the surface layer region of the titanium oxide layer increases. Become. When ([C]+[N])/[O] is less than 0.05, the effect of increasing the conductivity of the surface layer region cannot be sufficiently obtained. Therefore, ([C]+[N])/[O] is set to 0.05 or more. ([C]+[N])/[O] is preferably 0.10 or more, and more preferably 0.15 or more.

一方、([C]+[N])/[O]が1.0を超えると、燃料電池環境下でのチタン炭化物およびチタン窒化物の腐食(分解)量が過剰となり、金属材表面に多量のTiO2が形成される。この場合、金属材の接触抵抗が高くなる。このため、([C]+[N])/[O]は1.0以下とする。([C]+[N])/[O]は、0.50以下であることが好ましい。 On the other hand, when ([C]+[N])/[O] exceeds 1.0, the amount of corrosion (decomposition) of titanium carbide and titanium nitride in the fuel cell environment becomes excessive, and a large amount is present on the surface of the metal material. TiO 2 is formed. In this case, the contact resistance of the metal material becomes high. Therefore, ([C]+[N])/[O] is set to 1.0 or less. ([C]+[N])/[O] is preferably 0.50 or less.

式(2)が満たされることにより、表層領域の導電性を高くしつつ、燃料電池環境下で金属材表面に対する水の濡れ性を高く維持することができる。 By satisfying the expression (2), it is possible to maintain high wettability of water with respect to the surface of the metal material in the fuel cell environment while increasing the conductivity of the surface layer region.

表層領域にチタン炭化物およびチタン窒化物のうち少なくとも1種が存在することの確認、ならびに、[C]、[N]および[O]の測定は、以下の方法により行うことができる。まず、XPSにより、表層領域において、チタン酸化物層の表面から深さ方向に、C、NおよびOの濃度プロファイルを測定する。その際、C、NおよびOは、それぞれ、チタン炭化物、チタン窒化物、ならびにチタン酸化物およびMOyを構成しているものを対象とする。具体的には、以下の通りである。チタン炭化物を構成しているCの濃度は、炭化物に起因するC1sのピーク強度より求める。チタン窒化物を構成しているNの濃度は、窒化物に起因するN1sのピーク強度より求める。チタン酸化物およびMOyを構成しているOの濃度は、酸化物に起因するO1sのピーク強度より求める。このようにして、表層領域において、チタン酸化物層の表面から2nmまでの領域を除く1点における[C]、[N]および[O]を求める。 The presence of at least one kind of titanium carbide and titanium nitride in the surface layer region and the measurement of [C], [N] and [O] can be carried out by the following method. First, the concentration profiles of C, N, and O are measured by XPS in the surface layer region in the depth direction from the surface of the titanium oxide layer. At that time, C, N and O are intended to constitute titanium carbide, titanium nitride, titanium oxide and MO y , respectively. Specifically, it is as follows. The concentration of C constituting the titanium carbide is determined from the peak intensity of C1s due to the carbide. The concentration of N constituting titanium nitride is determined from the peak intensity of N1s due to the nitride. The concentration of O constituting titanium oxide and MO y is obtained from the peak intensity of O1s due to the oxide. In this way, [C], [N], and [O] at one point in the surface layer region excluding the region up to 2 nm from the surface of the titanium oxide layer are obtained.

図3は、後述の実施例(試験番号1;本発明例)の試料について、XPSによる深さ方向分析の結果であって、表面からの深さと各元素の濃度と関係を示す図である。図3に示すような表面からの深さと各元素の濃度と関係を示す図に基づき、式(1)(要件(ii))の[Ti]および[M]、ならびに式(2)(要件(v))の[C]、「N」および[O]を求めることができる。 FIG. 3 is a diagram showing a result of XPS depth direction analysis of a sample of an example (Test No. 1; Example of the present invention) described later, showing a relationship between the depth from the surface and the concentration of each element. Based on the diagram showing the relationship between the depth from the surface and the concentration of each element as shown in FIG. 3, [Ti] and [M] of the formula (1) (requirement (ii)) and the formula (2) (requirement ( v)) [C], “N” and [O] can be determined.

上記分析により、チタン酸化物層において、表面から10nmまでの領域、すなわち表層領域に、チタン炭化物を構成するCが検出された場合は、表層領域にチタン酸化物が存在すると判断する。表層領域に、チタン窒化物を構成するNが検出された場合は、表層領域にチタン窒化物が存在すると判断する。表層領域に、チタン炭化物を構成するCおよびチタン窒化物を構成するNのいずれも検出されなかった場合は、表層領域に、チタン炭化物およびチタン窒化物のいずれも存在しないと判断する。XPSによりチタン炭化物を構成するCおよびチタン窒化物を構成するNのいずれかが検出されたか否かは、Ti3+、Ti2+、M4+およびM2+のいずれかのピークが存在するか否かを判断する上述の方法と同様の方法により判断することができる。 In the titanium oxide layer, when C constituting titanium carbide is detected in the region from the surface to 10 nm, that is, in the surface layer region by the above analysis, it is determined that the titanium oxide layer exists in the surface layer region. When N constituting titanium nitride is detected in the surface layer region, it is determined that titanium nitride is present in the surface layer region. When neither C constituting titanium carbide nor N constituting titanium nitride is detected in the surface layer region, it is determined that neither titanium carbide nor titanium nitride is present in the surface layer region. Whether or not C constituting titanium carbide and N constituting titanium nitride is detected by XPS has a peak of any one of Ti 3+ , Ti 2+ , M 4+ and M 2+. It can be determined by a method similar to the above method for determining whether or not.

〈要件(vi):チタン酸化物層の厚みは、10〜1000nmである〉
チタン酸化物層の厚みが10nm以上であることにより、基材を良好に保護することができる。チタン酸化物層の厚みが10nm未満であると、チタン酸化物層は、燃料電池(たとえば、固体高分子形燃料電池)のセル内で、電極(たとえば、カーボン繊維により構成されるもの)との接触によって損傷を受けたときに、基材が露出しやすくなる。この場合、露出部には、腐食または酸化によって酸化物が形成される。たとえば、基材が純チタンまたはチタン合金からなる場合は、露出部にはTiO2が形成される。TiO2の電気抵抗は高いので、これにより、合金材(セパレータ)の接触抵抗は増大する。チタン酸化物層の厚みは、20nm以上であることが好ましく、25nm以上であることがより好ましい。
<Requirement (vi): The thickness of the titanium oxide layer is 10 to 1000 nm>
When the thickness of the titanium oxide layer is 10 nm or more, the base material can be well protected. When the thickness of the titanium oxide layer is less than 10 nm, the titanium oxide layer forms an electrode (for example, composed of carbon fibers) in a cell of a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell). The substrate is more likely to be exposed when damaged by contact. In this case, an oxide is formed on the exposed portion by corrosion or oxidation. For example, when the substrate is made of pure titanium or titanium alloy, TiO 2 is formed on the exposed portion. Since the electrical resistance of TiO 2 is high, this increases the contact resistance of the alloy material (separator). The thickness of the titanium oxide layer is preferably 20 nm or more, more preferably 25 nm or more.

また、チタン酸化物層の厚みが1000nm以下であることにより、チタン酸化物層の厚み方向の電気抵抗を低くするとともに、基材に対するチタン酸化物層の密着性を高くすることができる。すなわち、チタン酸化物層の厚みが1000nmを超えると、チタン酸化物層の厚み方向の電気抵抗が、基材の電気抵抗に対して無視できない程度に高くなり、また、プレス加工時に、チタン酸化物層が基材から剥離しやすくなる。チタン酸化物層の厚みは、500nm以下であることが好ましく、300nm以下であることがより好ましい。 Further, when the thickness of the titanium oxide layer is 1000 nm or less, the electrical resistance in the thickness direction of the titanium oxide layer can be reduced and the adhesion of the titanium oxide layer to the base material can be increased. That is, when the thickness of the titanium oxide layer exceeds 1000 nm, the electric resistance in the thickness direction of the titanium oxide layer becomes so high that it cannot be ignored with respect to the electric resistance of the base material, and the titanium oxide layer is pressed during the pressing process. The layer is easy to peel from the substrate. The thickness of the titanium oxide layer is preferably 500 nm or less, more preferably 300 nm or less.

チタン酸化物層の厚みは、チタン酸化物層の平均厚みとする。平均厚みは、チタン酸化物層の少なくとも3箇所で測定した厚みの平均値とする。各測定箇所でのチタン酸化物層の厚みは、XPSによる深さ方向分析により求める。具体的には、Arによりスパッタリングしながら、チタン酸化物層の表面から深さ方向に、O(酸素)濃度プロファイルを求める。そして、このO濃度プロファイルにおいて、表面近傍のピークに対して、O濃度が半分になる深さをチタン酸化物層の厚みとする。 The thickness of the titanium oxide layer is the average thickness of the titanium oxide layer. The average thickness is the average value of the thicknesses measured at at least three points in the titanium oxide layer. The thickness of the titanium oxide layer at each measurement location is determined by XPS depth direction analysis. Specifically, the O (oxygen) concentration profile is obtained from the surface of the titanium oxide layer in the depth direction while sputtering with Ar. Then, in this O concentration profile, the depth at which the O concentration is halved with respect to the peak near the surface is the thickness of the titanium oxide layer.

XPSによる深さ方向分析では、スパッタ時間と表面からの深さとが所定の関係を有すると仮定して、スパッタ時間により、チタン酸化物層の表面から深さを求める。このため、表面からの深さを正確に求めるために、別途、O濃度プロファイル測定時の条件でスパッタリングした時間と、スパッタリングにより実際に到達した深さとの関係を求める。スパッタリングにより実際に到達した深さは、スパッタリング後のチタン酸化物層(金属材)について、スパッタ部を含み基材に垂直な断面のSEM(Scanning Electron Microscope)像から求める。これにより、スパッタ時間に基づいて、正確にチタン酸化物層の表面から深さ求めることができる。 In the depth direction analysis by XPS, assuming that the sputtering time and the depth from the surface have a predetermined relationship, the depth is obtained from the surface of the titanium oxide layer by the sputtering time. Therefore, in order to accurately determine the depth from the surface, the relationship between the sputtering time under the conditions for measuring the O concentration profile and the depth actually reached by sputtering is separately calculated. The depth actually reached by sputtering is determined from a SEM (Scanning Electron Microscope) image of a cross section of the titanium oxide layer (metal material) after sputtering including the sputtered portion and perpendicular to the substrate. As a result, the depth can be accurately obtained from the surface of the titanium oxide layer based on the sputtering time.

〈チタン酸化物層表面に対する水の接触角〉
以下、チタン酸化物層表面に対する水の接触角を、単に、「接触角」という。金属材を燃料電池のセパレータとして用いた場合、燃料電池運転後、たとえば、0.5A/cm2の定電流運転で500時間運転後の接触角は、105°以下であることが好ましい。これにより、燃料電池のセパレータで酸化性ガスを流す流路に生じる水を良好に排出することができる。燃料電池運転後の接触角は、90°以下であることがより好ましく、45°以下であることがさらに好ましい。
<Contact angle of water to titanium oxide layer surface>
Hereinafter, the contact angle of water with respect to the titanium oxide layer surface will be simply referred to as “contact angle”. When a metal material is used as a separator of a fuel cell, the contact angle after the fuel cell is operated, for example, after a constant current operation of 0.5 A/cm 2 for 500 hours, is preferably 105° or less. As a result, water generated in the flow path of the oxidizing gas flowing through the separator of the fuel cell can be satisfactorily discharged. The contact angle after operation of the fuel cell is more preferably 90° or less, and further preferably 45° or less.

上述のように、チタン酸化物層に含まれるチタン炭化物およびチタン窒化物の腐食生成物は、水との親和性が高い。したがって、燃料電池の運転時間とともに、接触角は小さくなるので、燃料電池の長期の運転にわたって、酸化性ガスを流す流路で発生した水は良好に排出される。燃料電池の運転を開始する前の接触角は、90°を超えていてもよい。 As described above, the corrosion products of titanium carbide and titanium nitride contained in the titanium oxide layer have a high affinity with water. Therefore, the contact angle decreases with the operation time of the fuel cell, so that the water generated in the flow path of the oxidizing gas is satisfactorily discharged over the long-term operation of the fuel cell. The contact angle before starting the operation of the fuel cell may exceed 90°.

接触角は、JIS R3257(1999)の静滴法に準じて室温で測定するものとする。この方法では、まず、試料の表面に、水滴を付着させる。次いで、試料と水との接触部の端部を含む部分について、試料表面に沿う方向から見た画像を得る。そして、この画像を、コンピュータにより処理して、試料表面と水の表面とのなす角度を算出し、接触角とする。この方法では、試料の表面近傍、たとえば、試料の表面から深さ1〜2mmまでの部分の特性を反映した接触角が得られる。 The contact angle shall be measured at room temperature according to the sessile drop method of JIS R3257 (1999). In this method, first, water droplets are attached to the surface of the sample. Next, an image of the portion including the end portion of the contact portion between the sample and water as viewed from the direction along the sample surface is obtained. Then, this image is processed by a computer to calculate the angle formed by the surface of the sample and the surface of the water to obtain the contact angle. According to this method, a contact angle that reflects the characteristics of the vicinity of the surface of the sample, for example, the portion from the surface of the sample to a depth of 1 to 2 mm can be obtained.

〈金属材の製造方法〉
本発明の金属材は、たとえば、以下に説明する接触工程および熱処理工程を含む方法により製造することができる。接触工程では、基材の表面に、チタン酸化物層の原料となる液体を接触させる。熱処理工程では、接触工程を実施した後の基材を、非酸化性の雰囲気中で熱処理することにより、チタン酸化物層を形成する。
<Method of manufacturing metal material>
The metal material of the present invention can be manufactured by, for example, a method including a contact step and a heat treatment step described below. In the contacting step, a liquid serving as a raw material for the titanium oxide layer is contacted with the surface of the substrate. In the heat treatment step, the titanium oxide layer is formed by subjecting the base material after the contact step to heat treatment in a non-oxidizing atmosphere.

接触工程で用いる液体は、たとえば、チタン酸化物の前駆体化合物と、M(Nb、TaおよびVの1種以上)の酸化物の前駆体化合物と、有機ポリマーとを含有するゾル液とすることができる。 The liquid used in the contact step is, for example, a sol liquid containing a titanium oxide precursor compound, an M (one or more of Nb, Ta and V) oxide precursor compound, and an organic polymer. You can

熱処理工程では、チタン酸化物、およびM酸化物が形成されるとともに、Mの少なくとも一部はチタン酸化物にドーピングされる。原料となる液体としてゾル液を用いる場合は、熱処理工程では、ゾル液中の有機ポリマーによって、チタン酸化物が部分的に還元され、還元型チタン酸化物TiOx(Ti23、Ti47など)が形成されるとともに、M酸化物も部分的に還元される。また、ゾル液が有機ポリマーを含有することにより、熱処理工程で、チタン酸化物層にグラファイトなどの導電性を有する炭素質材が形成される。 In the heat treatment step, titanium oxide and M oxide are formed, and at least part of M is doped in titanium oxide. When a sol liquid is used as the raw material liquid, in the heat treatment step, the titanium oxide is partially reduced by the organic polymer in the sol liquid, and the reduced titanium oxide TiO x (Ti 2 O 3 , Ti 4 O 3 (7, etc.) are formed, and the M oxide is also partially reduced. Further, since the sol liquid contains the organic polymer, a carbonaceous material having conductivity such as graphite is formed in the titanium oxide layer in the heat treatment step.

さらに、有機ポリマーの熱分解によって生じる炭素またはその化合物類は、チタン酸化物のTiと反応し、チタン酸化物層にチタン炭化物を生じる。炭素またはその化合物は、基材と反応して、基材にチタン炭化物を生じることもある。同様に、有機ポリマーが窒素を含む場合は、有機ポリマーの熱分解によって生じる窒素またはその化合物は、チタン酸化物のTiと反応して、チタン酸化物層にチタン窒化物を生じる。窒素またはその化合物は、基材と反応して、基材にチタン窒化物を生じることもある。 Further, carbon or its compounds generated by thermal decomposition of the organic polymer reacts with Ti of titanium oxide to form titanium carbide in the titanium oxide layer. Carbon or its compounds may also react with the substrate to form titanium carbide on the substrate. Similarly, when the organic polymer contains nitrogen, nitrogen or a compound thereof generated by thermal decomposition of the organic polymer reacts with Ti of titanium oxide to form titanium nitride in the titanium oxide layer. Nitrogen or its compounds may also react with the substrate to form titanium nitride on the substrate.

以下、接触工程で上述のゾル液を用いる場合について、金属材の製造方法の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of a method for producing a metal material will be described in detail when the above-mentioned sol liquid is used in the contact step.

〈接触工程〉
ゾル液は、以下に説明する成分を含むものとすることができる。チタン酸化物の前駆体化合物の例としては、Tiのアルコキシド(エトキシド、ブトキシド、プロポキシドなど)、Ti塩化物、Tiの錯体化合物、および酸化チタン微粒子(コロイド)を挙げることができる。ゾル液には、これらの化合物の1種以上を用いることができる。
<Contact process>
The sol liquid may contain the components described below. Examples of titanium oxide precursor compounds include Ti alkoxides (ethoxide, butoxide, propoxide, etc.), Ti chlorides, Ti complex compounds, and titanium oxide fine particles (colloids). One or more of these compounds can be used in the sol liquid.

M酸化物の前駆体化合物の例としては、Nb、TaおよびVの1種以上のアルコキシド(エトキシド、ブトキシド、プロポキシドなど)、硝酸塩、塩化物、および酸化物微粒子(コロイド)を挙げることができる。ゾル液には、これらの化合物の1種以上を用いることができる。 Examples of the precursor compound of the M oxide include one or more alkoxides of Nb, Ta and V (ethoxide, butoxide, propoxide, etc.), nitrates, chlorides, and oxide fine particles (colloids). .. One or more of these compounds can be used in the sol liquid.

有機ポリマーは、ゾル液の溶媒に溶解する必要がある。ポリビニルピロリドン、およびポリ酢酸ビニルは、各種アルコール等の有機溶媒に可溶である。ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、および水系の各種樹脂は、水に可溶である。ゾル液の溶媒の種類により、その溶媒に溶解する樹脂を適宜選択することができる。 The organic polymer needs to be dissolved in the solvent of the sol liquid. Polyvinylpyrrolidone and polyvinyl acetate are soluble in organic solvents such as various alcohols. Polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, and various water-based resins are soluble in water. Depending on the type of solvent of the sol liquid, the resin that dissolves in that solvent can be appropriately selected.

ポリビニルピロリドンおよびポリ酢酸ビニルは、熱処理工程で、チタン酸化物およびM酸化物を部分的に還元でき、これらの酸化物の導電性を高くすることができる。また、ポリビニルピロリドンおよびポリ酢酸ビニルを起源とするCは、熱処理条件によっては、導電性を有する炭素質材としてチタン酸化物層中に残留する。このような炭素質材により、チタン酸化物層の導電性を高くすることができる。これらの点で、有機ポリマーとして、ポリビニルピロリドンおよびポリ酢酸ビニルの少なくとも1種を用いることが好ましい。 Polyvinylpyrrolidone and polyvinyl acetate can partially reduce titanium oxide and M oxide in the heat treatment step, and can increase the conductivity of these oxides. Further, C originating from polyvinylpyrrolidone and polyvinyl acetate remains in the titanium oxide layer as a carbonaceous material having conductivity depending on the heat treatment conditions. With such a carbonaceous material, the conductivity of the titanium oxide layer can be increased. From these points, it is preferable to use at least one of polyvinylpyrrolidone and polyvinyl acetate as the organic polymer.

チタン酸化物の前駆体化合物とM酸化物の前駆体化合物とを、可溶、相溶、または分散する溶媒中で、これらの前駆体化合物を所定比率で混合して、ゾル液を作製することができる。その際、必要に応じて、硝酸、塩酸などの酸を加えて加水分解または重合を促進してもよい。また、ゾル液には、ジエタノールアミン、アセチルアセトンなどの安定化剤を加えてもよい。 To prepare a sol liquid by mixing a precursor compound of titanium oxide and a precursor compound of M oxide in a solvent in which they are soluble, compatible or dispersed at a predetermined ratio. You can At that time, if necessary, an acid such as nitric acid or hydrochloric acid may be added to accelerate hydrolysis or polymerization. A stabilizer such as diethanolamine or acetylacetone may be added to the sol liquid.

有機ポリマーは、チタン酸化物の前駆体化合物とM酸化物の前駆体化合物とを溶媒中で混合する際に、同時に添加してもよい。また、有機ポリマーは、チタン酸化物の前駆体化合物とM酸化物の前駆体化合物とを含むゾル液を作製した後、このゾル液に添加してもよい。 The organic polymer may be added simultaneously when the titanium oxide precursor compound and the M oxide precursor compound are mixed in a solvent. Further, the organic polymer may be added to this sol solution after preparing a sol solution containing a titanium oxide precursor compound and an M oxide precursor compound.

有機ポリマーの分子量は制限されないが、たとえば、有機ポリマーとしてポリビニルピロリドンおよびポリ酢酸ビニルの少なくとも1種を用いる場合は、有機ポリマーの分子量は、200000以下であることが好ましい。分子量が200000を超えると、ゾル液の粘度が高くなり過ぎて、基材の表面へのゾル液の均一な供給が困難となるおそれがある。 The molecular weight of the organic polymer is not limited, but when at least one of polyvinylpyrrolidone and polyvinyl acetate is used as the organic polymer, the molecular weight of the organic polymer is preferably 200,000 or less. When the molecular weight exceeds 200,000, the viscosity of the sol solution becomes too high, which may make it difficult to uniformly supply the sol solution to the surface of the base material.

ゾル液に対する有機ポリマーの添加量(添加後のゾル液中の有機ポリマーの割合;以下、「ポリマー添加量」という)は制限されない。しかし、添加量が少なすぎると、チタン酸化物を十分に還元させることができない。このため、ポリマー添加量は、1%以上とすることが好ましい。また、ポリマー添加量が多すぎると、ゾル液の粘度が高くなりすぎ、基材の表面に均一に適量のゾル液を供給することが困難になる。基材の表面に過剰にゾル液が供給されると、熱処理工程を実施した後、炭素分が必要以上に残留し、チタン酸化物層が不均一になる。このため、ポリマー添加量は、30%以下とすることが好ましく、15%以下とすることがより好ましい。 The amount of the organic polymer added to the sol liquid (the ratio of the organic polymer in the sol liquid after the addition; hereinafter referred to as “polymer addition amount”) is not limited. However, if the addition amount is too small, the titanium oxide cannot be reduced sufficiently. Therefore, the amount of polymer added is preferably 1% or more. Further, if the amount of the polymer added is too large, the viscosity of the sol liquid becomes too high, and it becomes difficult to uniformly supply an appropriate amount of the sol liquid to the surface of the base material. If the sol liquid is excessively supplied to the surface of the base material, after the heat treatment step, the carbon content remains unnecessarily and the titanium oxide layer becomes nonuniform. Therefore, the amount of polymer added is preferably 30% or less, and more preferably 15% or less.

以上のようにして得たゾル液を、ディップ法、スプレー法、バー法、ドクターブレード法などの湿式コーティングにより、基材の表面に付着(接触)させる。付着するゾル液の厚みは、形成するべきチタン酸化物層の厚みに応じて調整する。 The sol solution obtained as described above is attached (contacted) to the surface of the base material by wet coating such as a dip method, a spray method, a bar method, a doctor blade method or the like. The thickness of the sol liquid deposited is adjusted according to the thickness of the titanium oxide layer to be formed.

〈熱処理工程〉
熱処理工程では、チタン酸化物の前駆体化合物およびM酸化物の前駆体化合物が、熱分解および重合し、チタン酸化物およびM酸化物が形成される。さらに、Mは、ドーパントとしてチタン酸化物内に取り込まれる。取り込まれたMは、チタン酸化物層のTiの一部を置換する。これにより、たとえば、Ti1-zz2(0<z≦0.2)が形成される。Mが取り込まれたチタン酸化物の導電性が高いので、これにより、チタン酸化物層の導電性は高くなる。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step, the titanium oxide precursor compound and the M oxide precursor compound are thermally decomposed and polymerized to form titanium oxide and M oxide. Furthermore, M is incorporated into the titanium oxide as a dopant. The incorporated M replaces a part of Ti in the titanium oxide layer. Thereby, for example, Ti 1-z M z O 2 (0<z≦0.2) is formed. This increases the conductivity of the titanium oxide layer because the titanium oxide in which M is incorporated has high conductivity.

また、熱処理工程では、有機ポリマーが分解してCを生じる。熱処理工程が非酸化性雰囲気中で行われることにより、有機ポリマーは還元的に熱分解して、グラファイトなどの導電性を有する炭素質材を生ずる。有機ポリマーが分解して生じたCにより、チタン酸化物が還元される。この際、M酸化物も還元されてもよい。さらに、有機ポリマーが分解して生じたCは、Tiと反応してチタン炭化物を生じる。このようにして、TiOx、MOy、導電性を有する炭素質材、およびチタン炭化物を含むチタン酸化物層が形成される。 Further, in the heat treatment step, the organic polymer is decomposed to generate C. When the heat treatment process is performed in a non-oxidizing atmosphere, the organic polymer is reductively thermally decomposed to produce a carbonaceous material having conductivity such as graphite. The titanium oxide is reduced by C generated by the decomposition of the organic polymer. At this time, the M oxide may also be reduced. Further, C produced by the decomposition of the organic polymer reacts with Ti to produce titanium carbide. In this way, a titanium oxide layer containing TiO x , MO y , a carbonaceous material having conductivity, and titanium carbide is formed.

有機ポリマーがNを含む場合は、有機ポリマーの分解により、Cに加えてNを生ずる。これらのCおよびNの少なくとも1種により、チタン酸化物が還元される。この際、M酸化物も還元されてもよい。さらに、CおよびNの少なくとも1種は、Tiと反応して、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を生じる。したがって、この場合は、TiOx、MOy、導電性を有する炭素質材、ならびにチタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を含むチタン酸化物層が形成される。 When the organic polymer contains N, the decomposition of the organic polymer produces N in addition to C. At least one of C and N reduces the titanium oxide. At this time, the M oxide may also be reduced. Further, at least one of C and N reacts with Ti to produce at least one of titanium carbide and titanium nitride. Therefore, in this case, a titanium oxide layer containing at least one of TiO x , MO y , a carbonaceous material having conductivity, and titanium carbide and titanium nitride is formed.

以上より、熱処理の温度は、下記(a)〜(d)の反応が生じる温度である必要がある。
(a) チタン酸化物の前駆体化合物およびM酸化物の前駆体化合物が分解し、チタン酸化物およびM酸化物が形成される。
(b) 有機ポリマーが熱分解し、これにより生じたCおよびNの少なくとも1種により、チタン酸化物が還元される。
(c) 有機ポリマーが熱分解して生じたCおよびNの少なくとも1種がTiと反応して、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種が形成される。
(d) 有機ポリマーが熱分解して、導電性を有する炭素質材が形成され、かつ、この炭素質材がチタン酸化物層中に残留する。
From the above, the temperature of the heat treatment needs to be a temperature at which the following reactions (a) to (d) occur.
(A) The titanium oxide precursor compound and the M oxide precursor compound are decomposed to form titanium oxide and M oxide.
(B) The organic polymer is thermally decomposed, and the titanium oxide is reduced by at least one of C and N generated thereby.
(C) At least one of C and N generated by thermal decomposition of the organic polymer reacts with Ti to form at least one of titanium carbide and titanium nitride.
(D) The organic polymer is thermally decomposed to form a carbonaceous material having conductivity, and the carbonaceous material remains in the titanium oxide layer.

以上を勘案して、熱処理温度を決定する。熱処理温度は、具体的には、650〜950℃の範囲内であることが好ましい。熱処理時間は、熱処理温度等を勘案して適宜設定することができ、たとえば、10秒〜1時間とすることができる。 Taking the above into consideration, the heat treatment temperature is determined. Specifically, the heat treatment temperature is preferably in the range of 650 to 950°C. The heat treatment time can be appropriately set in consideration of the heat treatment temperature and the like, and can be, for example, 10 seconds to 1 hour.

熱処理温度を650℃以上とすることにより、有機ポリマーから生成したCおよびNの少なくとも1種により、チタン酸化物およびM酸化物が還元される。また、熱処理温度を950℃以下とすることにより、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を、適切な量だけ生成させることができる。具体的には、熱処理温度を950℃以下とすることにより、式(2)が満たされやすくなる。熱処理温度が950℃を超えると、チタン酸化物層中にチタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種が過剰に生成し、式(2)が満たされ難くなる傾向がある。また、950℃を超える温度で熱処理すると、エネルギーコストが増大して、経済性が低下する。さらに、基材が純チタンまたはチタン合金からなる場合は、950℃を超える温度で熱処理すると、基材の硬度が増し、セパレータ形状に加工することが困難になる。 By setting the heat treatment temperature to 650° C. or higher, titanium oxide and M oxide are reduced by at least one of C and N generated from the organic polymer. Further, by setting the heat treatment temperature to 950° C. or lower, at least one kind of titanium carbide and titanium nitride can be generated in an appropriate amount. Specifically, by setting the heat treatment temperature to 950° C. or lower, the formula (2) is easily satisfied. When the heat treatment temperature exceeds 950° C., at least one of titanium carbide and titanium nitride is excessively generated in the titanium oxide layer, and it is difficult to satisfy the formula (2). Further, if the heat treatment is performed at a temperature higher than 950° C., the energy cost increases and the economical efficiency decreases. Further, when the base material is made of pure titanium or titanium alloy, heat treatment at a temperature higher than 950° C. increases the hardness of the base material and makes it difficult to process it into a separator shape.

炭素質材がチタン酸化物層中に残留する温度は、有機ポリマーの種類によって大幅に変化する。炭素質材をチタン酸化物層内に残留させるためには、熱処理温度は、以下の通りとすることが好ましい。すなわち、有機ポリマーがポリビニルピロリドンのときは、熱処理温度は650〜900℃とすることが好ましい。有機ポリマーがポリ酢酸ビニルのときは、熱処理温度は650〜800℃とすることが好ましい。 The temperature at which the carbonaceous material remains in the titanium oxide layer varies greatly depending on the type of organic polymer. In order to allow the carbonaceous material to remain in the titanium oxide layer, the heat treatment temperature is preferably set as follows. That is, when the organic polymer is polyvinylpyrrolidone, the heat treatment temperature is preferably 650 to 900°C. When the organic polymer is polyvinyl acetate, the heat treatment temperature is preferably 650 to 800°C.

熱処理の雰囲気は、有機ポリマーを熱分解し、上記(b)〜(d)の反応を生じさせるために、非酸化性の雰囲気である必要がある。非酸化性雰囲気としては、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気、水素などの還元ガス雰囲気、または真空(減圧雰囲気)を採用することができる。不活性ガスまたは還元ガスには、酸素分圧で0.1Pa以下であれば、酸素または水蒸気が含まれていてもよい。酸素分圧が0.1Paを超えると、有機ポリマーが酸化的に分解して消失し、チタン酸化物およびM酸化物が還元されなくなる。 The heat treatment atmosphere needs to be a non-oxidizing atmosphere in order to thermally decompose the organic polymer and cause the reactions (b) to (d). As the non-oxidizing atmosphere, an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen, a reducing gas atmosphere such as hydrogen, or a vacuum (reduced pressure atmosphere) can be adopted. The inert gas or the reducing gas may contain oxygen or water vapor as long as it has an oxygen partial pressure of 0.1 Pa or less. When the oxygen partial pressure exceeds 0.1 Pa, the organic polymer is oxidatively decomposed and disappears, and titanium oxide and M oxide are not reduced.

なお、熱処理中には、チタン酸化物の前駆体化合物およびM酸化物の前駆体化合物の分解、ならびに有機ポリマーの熱分解によって、様々なガスが発生する。このため、これらのガスが基材付近で滞留して所望の反応を阻害または抑制しないように、不活性ガスまたは還元ガスを流通させながら熱処理を行うことが好ましい。真空中で熱処理を行う場合は、真空度を10-2Pa以下とすることが好ましい。 During the heat treatment, various gases are generated due to the decomposition of the titanium oxide precursor compound and the M oxide precursor compound and the thermal decomposition of the organic polymer. Therefore, it is preferable to perform the heat treatment while circulating an inert gas or a reducing gas so that these gases do not stay near the base material and hinder or suppress the desired reaction. When the heat treatment is performed in vacuum, the degree of vacuum is preferably 10 -2 Pa or less.

基材が純チタンまたはチタン合金からなる場合は、接触工程を実施する前に、基材の表層部を酸化し、チタン酸化物を含有する予備層を予め形成した後、接触工程を実施してもよい。純チタンまたはチタン合金からなる基材の表層部が酸化することによって、チタン酸化物を含む予備層が形成される。予備層は、基材の直接酸化によって形成されるため、基材の残部との密着性が高く、均一な厚みを有する。 When the base material is made of pure titanium or titanium alloy, before the contacting step, the surface layer of the base material is oxidized to form a preliminary layer containing titanium oxide in advance, and then the contacting step is performed. Good. By oxidizing the surface layer portion of the base material made of pure titanium or titanium alloy, a preliminary layer containing titanium oxide is formed. Since the preliminary layer is formed by direct oxidation of the base material, it has high adhesion to the rest of the base material and has a uniform thickness.

予備層が形成された基材に対して、ゾル液を用いた接触工程を実施し、その後、熱処理工程を実施すると、ゾル液中の有機ポリマーの熱分解によって生ずるCおよびNの少なくとも1種によって、前駆体化合物を起源とするチタン酸化物のみならず、予備層に含まれるチタン酸化物も還元される。これにより、これらのチタン酸化物に導電性が付与される。予備層を起源とするチタン酸化物は、チタン酸化物層の一部であるものとする。予備層を形成することにより、チタン酸化物層の厚みを容易に厚くすることができるとともに、チタン酸化物層と基材との密着性を向上させることができる。 When the contact step using the sol solution is performed on the base material on which the preliminary layer is formed, and then the heat treatment step is performed, at least one of C and N generated by the thermal decomposition of the organic polymer in the sol solution is performed. Not only the titanium oxide originating from the precursor compound but also the titanium oxide contained in the preliminary layer is reduced. Thereby, conductivity is imparted to these titanium oxides. The titanium oxide originating from the preliminary layer shall be part of the titanium oxide layer. By forming the preliminary layer, the thickness of the titanium oxide layer can be easily increased and the adhesion between the titanium oxide layer and the base material can be improved.

予備層の厚みは、3nm以上、1μm未満であることが好ましい。予備層の厚みが3nm未満であると、密着性向上の効果が十分に得られない。予備層の厚みは、5nm以上であることがより好ましく、20nm以上であることがさらに好ましい。一方、予備層の厚みが1μm以上では、予備層に含まれるチタン酸化物は、ゾル液中の有機ポリマーの熱分解によって生ずるCおよびNの少なくとも1種によっては、十分に還元されなくなる。その結果、チタン酸化物層全体として、導電性が低下する。予備層の厚みは、500nm以下であることがより好ましく、200nm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the preliminary layer is preferably 3 nm or more and less than 1 μm. If the thickness of the preliminary layer is less than 3 nm, the effect of improving the adhesiveness cannot be sufficiently obtained. The thickness of the preliminary layer is more preferably 5 nm or more, further preferably 20 nm or more. On the other hand, when the thickness of the preliminary layer is 1 μm or more, the titanium oxide contained in the preliminary layer is not sufficiently reduced by at least one of C and N generated by thermal decomposition of the organic polymer in the sol solution. As a result, the conductivity of the titanium oxide layer as a whole is lowered. The thickness of the preliminary layer is more preferably 500 nm or less, further preferably 200 nm or less.

予備層を形成する方法、すなわち、基材の表層部を酸化する方法は、特に制限されない。予備層は、たとえば、酸化雰囲気下での熱処理、または電気化学的酸化により形成することができる。酸化雰囲気下で熱処理する場合、酸化雰囲気は、大気雰囲気であってもよく、酸化剤を含んだ雰囲気であってもよい。熱処理温度は、たとえば、200〜900℃とすることができる。加熱時間は、予備層が所望の厚みを有するように、適宜設定することができる。電気化学的酸化は、硫酸水溶液、酢酸水溶液、またはリン酸水溶液中での陽極酸化とすることが好ましい。酸化条件は限定されないが、たとえば、印加電圧を数十Vとし、電流密度が0.1〜10A/cm2程度となる電解条件で行うことができる。陽極酸化による処理時間は、予備層が所望の厚みを有するように、適宜設定することができる。 The method of forming the preliminary layer, that is, the method of oxidizing the surface layer portion of the base material is not particularly limited. The preliminary layer can be formed by, for example, heat treatment in an oxidizing atmosphere or electrochemical oxidation. When the heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere, the oxidizing atmosphere may be an air atmosphere or an atmosphere containing an oxidant. The heat treatment temperature may be, for example, 200 to 900°C. The heating time can be appropriately set so that the preliminary layer has a desired thickness. The electrochemical oxidation is preferably anodic oxidation in a sulfuric acid aqueous solution, an acetic acid aqueous solution, or a phosphoric acid aqueous solution. The oxidizing condition is not limited, but for example, the applied voltage may be several tens of V, and the electrolysis may be performed under a current density of about 0.1 to 10 A/cm 2 . The treatment time by anodic oxidation can be appropriately set so that the preliminary layer has a desired thickness.

本発明の金属材は、以下に説明するように燃料電池用セパレータに用いることができる。また、本発明の金属材は、電気分解用の電極等にも用いることができる。 The metal material of the present invention can be used for a fuel cell separator as described below. Further, the metal material of the present invention can be used for an electrode for electrolysis and the like.

〈燃料電池用セパレータ〉
本発明のセパレータは、上記金属材を備える。このセパレータは、プレス成形により所望の形状に形成されたものとすることができる。燃料電池が、たとえば、固体高分子形燃料電池である場合、セパレータには、後述のように、燃料ガスおよび酸化性ガスの流路となる溝が形成されている。この場合、平板状の基材を所望の形状にプレス成形した後、この基材の上にチタン酸化物層を形成してもよく、平板状の基材の上にチタン酸化物層を形成して金属材を得た後、この金属材をプレス成形してもよい。
<Fuel cell separator>
The separator of the present invention comprises the above metal material. This separator can be formed into a desired shape by press molding. When the fuel cell is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, the separator is provided with grooves serving as flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas, as described later. In this case, after a flat base material is press-molded into a desired shape, a titanium oxide layer may be formed on the base material, or a titanium oxide layer may be formed on the flat base material. After the metal material is obtained by pressing, the metal material may be press-molded.

本発明のセパレータは、本発明の金属材を備えているので、接触抵抗が低く維持されるとともに、水の濡れ性、したがって、排水性が高く維持される。 Since the separator of the present invention is provided with the metal material of the present invention, the contact resistance is kept low, and the wettability of water, and hence the drainage property is kept high.

〈燃料電池セルおよび燃料電池スタック〉
本発明の燃料電池セルは、上記セパレータを備える。本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池セルを複数個備える。複数個の燃料電池セルは、互いに積層され電気的に直列に接続されたものとすることができる。
<Fuel cell and fuel cell stack>
The fuel cell of the present invention includes the above separator. A fuel cell stack of the present invention includes a plurality of the fuel cell units. The plurality of fuel cells may be stacked on each other and electrically connected in series.

図2Aは、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図であり、図2Bは、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル(単セル)の分解斜視図である。図2Aおよび図2Bは、燃料電池が固体高分子形燃料電池である例を示している。 FIG. 2A is a perspective view of a fuel cell stack according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an exploded perspective view of a fuel cell (single cell) that constitutes the fuel cell stack. 2A and 2B show an example in which the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.

図2Aおよび図2Bに示すように、燃料電池スタック1は複数の燃料電池セル(単セル)の集合体である。図2Bに示すように、単セルでは、固体高分子電解質膜2の一面および他面に、それぞれ、燃料電極膜(アノード)3、および酸化剤電極膜(カソード)4が積層されている。そして、この積層体の両面にセパレータ5a、5bが重ねられている。固体高分子電解質膜2、燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4は、互いに貼り合わされて一体的な構成部材としたMEA(Membrane Electrode Assembly)であってもよい。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the fuel cell stack 1 is an assembly of a plurality of fuel battery cells (single cells). As shown in FIG. 2B, in the single cell, a fuel electrode film (anode) 3 and an oxidant electrode film (cathode) 4 are laminated on one surface and the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 2, respectively. Then, the separators 5a and 5b are stacked on both surfaces of this laminated body. The solid polymer electrolyte membrane 2, the fuel electrode membrane 3, and the oxidizer electrode membrane 4 may be an MEA (Membrane Electrode Assembly) that is bonded to each other to form an integral component.

セパレータ5a、5bは、本発明の金属材を備える。このため、燃料電極膜3および酸化剤電極膜4に対するセパレータ5a、5bの接触抵抗は低く維持される。固体高分子電解質膜2、燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4は、公知の材料からなるものであってもよい。 The separators 5a and 5b include the metal material of the present invention. Therefore, the contact resistance of the separators 5a and 5b with respect to the fuel electrode film 3 and the oxidizer electrode film 4 is kept low. The solid polymer electrolyte membrane 2, the fuel electrode membrane 3, and the oxidizer electrode membrane 4 may be made of known materials.

セパレータ5a、5bには、それぞれ、流路6a、6bを構成する溝が形成されている。流路6a、6bは、サーペンタイン流路を構成する。図2Bでは、セパレータ5a、5bの周縁部は図示を省略している。 Grooves forming the flow paths 6a and 6b are formed in the separators 5a and 5b, respectively. The channels 6a and 6b form a serpentine channel. In FIG. 2B, the peripheral portions of the separators 5a and 5b are not shown.

セパレータ5aに形成された流路6aには、燃料ガス(水素または水素含有ガス)G1が流される。これにより、燃料電極膜3に燃料ガスG1が供給される。燃料電極膜3では、燃料ガスG1は拡散層を透過して触媒層に接触する。また、セパレータ5bに形成された流路6bには、空気等の酸化性ガスG2が流される。これにより、酸化剤電極膜4に酸化性ガスG2が供給される。酸化剤電極膜4では、酸化性ガスG2は拡散層を透過して触媒層に接触する。これらのガスにより、電気化学反応が生じて、燃料電極膜3と酸化剤電極膜4との間に、直流電圧が発生する。この反応の結果、各燃料電池セルの酸化剤電極膜4側のセパレータ5bの流路6b内に水が発生する。 A fuel gas (hydrogen or hydrogen-containing gas) G1 is flown through the flow path 6a formed in the separator 5a. As a result, the fuel gas G1 is supplied to the fuel electrode film 3. In the fuel electrode film 3, the fuel gas G1 penetrates the diffusion layer and contacts the catalyst layer. In addition, an oxidizing gas G2 such as air is flowed through the flow path 6b formed in the separator 5b. As a result, the oxidizing gas G2 is supplied to the oxidant electrode film 4. In the oxidant electrode film 4, the oxidizing gas G2 permeates the diffusion layer and contacts the catalyst layer. An electrochemical reaction occurs due to these gases, and a DC voltage is generated between the fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4. As a result of this reaction, water is generated in the flow path 6b of the separator 5b on the oxidant electrode film 4 side of each fuel cell.

セパレータ5bの排水性が高く維持されることにより、セパレータ5bの流路6b内に流される酸化性ガスG2は、水に阻害されることなく高い流量で流れ続ける。したがって、燃料ガスG1と酸化性ガスG2との反応量は高く維持される。そして、燃料電極膜3および酸化剤電極膜4に対するセパレータ5a、5bの接触抵抗が低く維持されることにより、燃料電池セルおよび燃料電池スタックは低い内部抵抗を有し続ける。したがって、燃料ガスG1と酸化性ガスG2との反応により、高い直流電圧が生じ続ける。すなわち、各燃料電池セルおよび燃料電池スタック1は、発電量を高く維持することができる。 By keeping the drainage of the separator 5b high, the oxidizing gas G2 flowing in the flow path 6b of the separator 5b continues to flow at a high flow rate without being hindered by water. Therefore, the reaction amount between the fuel gas G1 and the oxidizing gas G2 is kept high. The contact resistance of the separators 5a and 5b with respect to the fuel electrode film 3 and the oxidizer electrode film 4 is kept low, so that the fuel cell and the fuel cell stack continue to have low internal resistance. Therefore, a high DC voltage continues to be generated due to the reaction between the fuel gas G1 and the oxidizing gas G2. That is, each fuel cell and the fuel cell stack 1 can maintain a high power generation amount.

本発明の効果を確認するため、以下の方法により金属材の試料を作製し、評価した。
1.試料の作製
表1に、試料の作製条件および評価結果を示す。
In order to confirm the effect of the present invention, a metal material sample was prepared and evaluated by the following method.
1. Sample Preparation Table 1 shows the sample preparation conditions and evaluation results.

Figure 2020105556
Figure 2020105556

(1)基材の準備
基材として、純チタン(表1に「Ti」と表記する。)、Taを3%含むチタン合金(表1に「Ti−Ta」と表記する。)、およびSUS304からなるものを用いた。原料を溶解および鋳造した後、圧延により厚みが1mmの板に成形し、この板から一辺が4cmの正方形の小片を切り出して、この小片を基材とした。一部の基材に対しては、予備酸化(酸化処理)により、予備層を形成した。予備酸化は、露点−70℃のアルゴン雰囲気中で、500℃で5分保持することにより行った。
(1) Preparation of Base Material As a base material, pure titanium (denoted by “Ti” in Table 1), titanium alloy containing 3% of Ta (denoted by “Ti—Ta” in Table 1), and SUS304. Was used. After the raw material was melted and cast, it was rolled to form a plate having a thickness of 1 mm, and a square piece having a side of 4 cm was cut out from the plate, and this piece was used as a base material. For some substrates, a preliminary layer was formed by preliminary oxidation (oxidation treatment). The pre-oxidation was performed by holding at 500° C. for 5 minutes in an argon atmosphere having a dew point of −70° C.

(2)接触工程
まず、ゾル液を、次の手順で準備した。チタン酸化物の前駆体化合物であるチタンテトラブトキシド(TBOT)と、M(Nb、TaまたはV)酸化物の前駆体化合物とを、無水エタノールに溶解させたもの(以下、「A液」という。)を用意した。Nb酸化物の前駆体化合物として、ニオブエトキシドを用いた。Ta酸化物の前駆体化合物として、タンタルエトキシドを用いた。V酸化物の前駆体化合物として、バナジウムエトキシドを用いた。比較のため、試験番号16では、Mを実質的に含まないゾル液を用意した。
(2) Contact process First, the sol liquid was prepared in the following procedure. Titanium tetrabutoxide (TBOT), which is a precursor compound of titanium oxide, and a precursor compound of M (Nb, Ta or V) oxide, are dissolved in absolute ethanol (hereinafter referred to as "A liquid"). ) Was prepared. Niobium ethoxide was used as the precursor compound of the Nb oxide. Tantalum ethoxide was used as a precursor compound of Ta oxide. Vanadium ethoxide was used as a V oxide precursor compound. For comparison, in Test No. 16, a sol liquid substantially free of M was prepared.

A液中の各前駆体化合物の量は、TiとMとの比が、形成しようとするチタン酸化物層におけるTiとMとの比となるように調製した。たとえば、TiとNbとが原子比で0.94:0.06のチタン酸化物層を形成する場合は、0.94当量のTiを含むTBOTと、0.06当量のNbを含むニオブエトキシドとを含有するように、A液を調製した。 The amount of each precursor compound in the liquid A was adjusted so that the ratio of Ti and M was the ratio of Ti and M in the titanium oxide layer to be formed. For example, when Ti and Nb form a titanium oxide layer having an atomic ratio of 0.94:0.06, TBOT containing 0.94 equivalent of Ti and niobium ethoxide containing 0.06 equivalent of Nb. Solution A was prepared so as to contain and.

次いで、硝酸および蒸留水を含むエタノール溶液(以下、「B液」という。)を作製し、A液に添加した。B液は、前駆体化合物の加水分解を促進するためのものである。B液のA液への添加は、A液を攪拌しながら、滴下ロートを用いてA液に対してB液を2時間かけて滴下することにより行った。これにより、透明なゾル液を得た。このゾル液に、有機ポリマーとして、ポリビニルピロリドン(PVP;分子量約40000)またはポリ酢酸ビニル(PVAc;分子量約120000)を、表1に示す割合(ポリマー添加量)で溶解させ、接触工程に用いるゾル液を得た。比較のため、試験番号3では、有機ポリマーを実質的に含まないゾル液を作製した。 Next, an ethanol solution containing nitric acid and distilled water (hereinafter referred to as “B solution”) was prepared and added to the A solution. The liquid B is for accelerating the hydrolysis of the precursor compound. The addition of the liquid B to the liquid A was performed by adding the liquid B to the liquid A over 2 hours using a dropping funnel while stirring the liquid A. As a result, a transparent sol solution was obtained. Polyvinylpyrrolidone (PVP; molecular weight about 40,000) or polyvinyl acetate (PVAc; molecular weight about 120,000) as an organic polymer was dissolved in this sol solution at a ratio (polymer addition amount) shown in Table 1 to be used in the contact step. A liquid was obtained. For comparison, in Test No. 3, a sol liquid containing substantially no organic polymer was prepared.

その後、ディップコート法により、ゾル液を基材表面に付着させた。ゾル液の塗布量(厚み)は、ゾル液にディップ(浸漬)した基材を、ゾル液から引き上げる速度(引上げ速度)により調整した。 Then, the sol liquid was attached to the surface of the substrate by the dip coating method. The coating amount (thickness) of the sol liquid was adjusted by the speed (pulling speed) of pulling up the substrate dipped (immersed) in the sol liquid.

(3)熱処理工程
以上のようにしてゾル液を付着させた基材を、100℃で2時間乾燥させた後、アルゴン気流中で、表1に示す加熱温度で、5分加熱して金属材を得た。
(3) Heat treatment step The base material to which the sol solution was attached as described above was dried at 100° C. for 2 hours, and then heated in an argon stream at the heating temperature shown in Table 1 for 5 minutes to produce a metal material. Got

(4)金属材の特性
各金属材について、上記要件(i)〜(vi)に関する特性を、上述の方法により測定した。表1に、要件(ii)([M]/([Ti]+[M]))、要件(iii)(C含有量)、要件(v)(([C]+[N])/[O])、および要件(vi)(チタン酸化物層の厚み)についての測定結果を示す。要件(i)および(iv)については、以下の通りである。
(4) Characteristics of Metal Material For each metal material, the characteristics relating to the above requirements (i) to (vi) were measured by the method described above. In Table 1, requirement (ii) ([M]/([Ti]+[M])), requirement (iii) (C content), requirement (v) (([C]+[N])/[ O]) and requirement (vi) (titanium oxide layer thickness) are shown. The requirements (i) and (iv) are as follows.

(4−1)要件(i)
試験番号3以外の試料は、いずれも、チタン酸化物層にTiOx(1≦x<2)を含んでいた。試験番号3の試料は、TiO2を含んでいたが、TiOxは含んでいなかった。試験番号3の試料では、用いたゾル液が有機ポリマーを含まなかったため、TiO2が還元されなかった。また、試験番号16以外の試料は、いずれも、チタン酸化物層にMOy(1≦y≦2.5)を含んでいた。試験番号16の試料では、用いたゾル液が実質的にMを含まなかったことにより、チタン酸化物層にMOy(1≦y≦2.5)が形成されなかった。
(4-1) Requirement (i)
All the samples other than the test number 3 contained TiO x (1≦x<2) in the titanium oxide layer. The sample of test number 3 contained TiO 2 but no TiO x . In the sample of Test No. 3, TiO 2 was not reduced because the sol liquid used did not contain an organic polymer. In addition, all the samples other than the test number 16 contained MO y (1≦y≦2.5) in the titanium oxide layer. In the sample of Test No. 16, MO y (1≦y≦2.5) was not formed in the titanium oxide layer because the sol liquid used did not substantially contain M.

(4−2)要件(iv)
試験番号3以外の試料は、いずれも、チタン酸化物層に、チタン炭化物を含んでいた。チタン炭化物としては、TiCが検出された。これらの試料では、チタン酸化物の前駆体化合物(チタンテトラブトキシド)を起源とするTiと、有機ポリマー(ポリビニルピロリドンまたはポリ酢酸ビニル)を起源とするCとが反応して、チタン炭化物が形成された。試験番号1、2、4〜10、12〜14および16〜18の試料は、チタン酸化物層に、チタン炭化物に加えてチタン窒化物を含んでいた。チタン窒化物としては、Ti34が検出された。これらの試料では、チタン酸化物の前駆体化合物を起源とするTiと、ポリビニルピロリドンを起源とするNとが反応してチタン窒化物が形成された。試験番号3の試料は、チタン酸化物層に、チタン炭化物およびチタン窒化物のいずれも含んでいなかった。
(4-2) Requirement (iv)
All the samples other than the test number 3 contained titanium carbide in the titanium oxide layer. TiC was detected as the titanium carbide. In these samples, Ti originating from a precursor compound of titanium oxide (titanium tetrabutoxide) and C originating from an organic polymer (polyvinylpyrrolidone or polyvinyl acetate) react with each other to form titanium carbide. It was The samples of test numbers 1, 2, 4-10, 12-14 and 16-18 contained titanium nitride in addition to titanium carbide in the titanium oxide layer. Ti 3 N 4 was detected as the titanium nitride. In these samples, Ti originating from the precursor compound of titanium oxide was reacted with N originating from polyvinylpyrrolidone to form titanium nitride. The sample of Test No. 3 contained neither titanium carbide nor titanium nitride in the titanium oxide layer.

(5)試料の評価
(5−1)接触抵抗の測定
図4は、試料の接触抵抗を測定する装置の構成を示す図である。この装置を用い、非特許文献3に記載の方法に従い、各試料の接触抵抗を測定した。図4を参照して、まず、作製した試料(金属材)Sを、燃料電池用のガス拡散層として使用される1対のカーボンペーパー(東レ(株)製 TGP−H−90)22で挟み込み、これを金めっきした1対の電極23で挟んだ。各カーボンペーパー22の面積は、1cm2であった。
(5) Evaluation of Sample (5-1) Measurement of Contact Resistance FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an apparatus for measuring the contact resistance of the sample. Using this device, the contact resistance of each sample was measured according to the method described in Non-Patent Document 3. With reference to FIG. 4, first, the produced sample (metal material) S is sandwiched by a pair of carbon papers (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc.) 22 used as a gas diffusion layer for a fuel cell. It was sandwiched between a pair of gold-plated electrodes 23. The area of each carbon paper 22 was 1 cm 2 .

次に、この1対の金めっき電極23の間に荷重を加えて、10kgf/cm2(9.81×105Pa)の圧力を生じさせた。この状態で、1対の金めっき電極23間に一定の電流を流して、このとき生じるカーボンペーパー22と試料Sとの間の電圧降下を測定した。この結果に基づいて抵抗値を求めた。得られた抵抗値は、試料Sの両面の接触抵抗を合算した値となるため、これを2で除して、試料Sの片面あたりの接触抵抗値(初期接触抵抗)とした。 Next, a load was applied between the pair of gold-plated electrodes 23 to generate a pressure of 10 kgf/cm 2 (9.81×10 5 Pa). In this state, a constant current was passed between the pair of gold-plated electrodes 23, and the voltage drop between the carbon paper 22 and the sample S generated at this time was measured. The resistance value was calculated based on this result. The obtained resistance value is a value obtained by summing the contact resistances of both surfaces of the sample S, so this is divided by 2 to obtain the contact resistance value per one surface of the sample S (initial contact resistance).

次に、初期接触抵抗測定後の試料をセパレータとして用いて、固体高分子形の燃料電池セル(単セル)を作製した。単セルとした理由は、単セルを積層して多セル(燃料電池スタック)とした状態では、積層の状態が評価結果に大きく影響するためである。燃料電池セルには、固体高分子電解質膜として、東陽テクニカ製PFEC用スタンダードMEA(ナフィオン(登録商標)−1135使用)FC50−MEA(膜電極接合体(MEA))を使用した。 Next, using the sample after the initial contact resistance measurement as a separator, a polymer electrolyte fuel cell (single cell) was produced. The reason for using the single cell is that the stacked state greatly affects the evaluation result in the state where the single cells are stacked to form a multi-cell (fuel cell stack). In the fuel cell, as a solid polymer electrolyte membrane, standard MEA for PFEC (using Nafion (registered trademark)-1135) FC50-MEA (membrane electrode assembly (MEA)) manufactured by Toyo Technica was used.

この燃料電池セルに、アノード側燃料用ガスとして、純度が99.9999%の水素ガスを流し、カソード側ガスとして、空気を流した。水素ガス、および空気の燃料電池セルへの導入ガス圧は0.04〜0.20bar(4000〜20000Pa)とした。燃料電池セル本体は、全体を70±2℃に保温するとともに、燃料電池セル内部の湿度は、ガス導入部での露点を70℃とすることで制御した。燃料電池セル内部の圧力は、1気圧(1.01×105Pa)であった。 Hydrogen gas having a purity of 99.9999% was passed as the anode-side fuel gas, and air was passed through the fuel cell as the cathode-side gas. The gas pressure of hydrogen gas and air introduced into the fuel cell was 0.04 to 0.20 bar (4000 to 20000 Pa). The entire fuel cell body was kept warm at 70±2°C, and the humidity inside the fuel cell was controlled by setting the dew point at the gas introduction part to 70°C. The pressure inside the fuel cell was 1 atm (1.01×10 5 Pa).

この燃料電池セルを、0.5A/cm2の定電流密度で運転した。そして、500時間運転後、セパレータ(金属材)を取り出した。このセパレータについて、上述の方法により接触抵抗を測定し、発電後接触抵抗とした。接触抵抗の測定、ならびに燃料電池の運転時における電流および電圧の測定には、デジタルマルチメータ((株)東陽テクニカ製 KEITHLEY2001)を使用した。 This fuel cell unit was operated at a constant current density of 0.5 A/cm 2 . Then, after operating for 500 hours, the separator (metal material) was taken out. With respect to this separator, the contact resistance was measured by the above-mentioned method, and was taken as the contact resistance after power generation. A digital multimeter (KEITHLEY 2001 manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.) was used to measure the contact resistance and the current and voltage during operation of the fuel cell.

(5−2)水に対する親和性の評価
燃料電池におけるセパレータの排水性の指標として、金属材表面に対する水の接触角(以下、単に、「接触角」という。)を、上述のJIS R3257(1999)の静滴法に準拠して測定した。測定は、燃料電池に用いる前の金属材、および上述の500時間運転の燃料電池に用いた金属材(セパレータ)について行い、それぞれ、初期の接触角、および発電後の接触角とした。
(5-2) Evaluation of Affinity for Water As an index of drainability of a separator in a fuel cell, a contact angle of water with respect to a metal material surface (hereinafter, simply referred to as “contact angle”) is described in JIS R3257 (1999). ) Was measured according to the sessile drop method. The measurement was performed on the metal material before used in the fuel cell and the metal material (separator) used in the above-mentioned fuel cell operated for 500 hours, and the initial contact angle and the contact angle after power generation were respectively measured.

(6)評価結果
表1に、初期および発電後の各試料についての接触抵抗および接触角を示す。接触抵抗の判断基準は、下記の通りとした。
特に良好(◎):初期および発電後ともに、接触抵抗が10mΩ・cm2以下。
良好(○):発電後接触抵抗が、30mΩ・cm2以下(「特に良好」の基準を満たすものを除く)。
不良(×):発電後接触抵抗が、30mΩ・cm2を超える。
また、接触角は、発電後について、105°以下を良好(○)とし、105°超を不良(×)とした。
(6) Evaluation results Table 1 shows the contact resistance and contact angle for each sample at the initial stage and after power generation. The criteria for determining contact resistance are as follows.
Particularly good (⊚): Contact resistance is 10 mΩ·cm 2 or less both in the initial stage and after power generation.
Good (◯): The contact resistance after power generation is 30 mΩ·cm 2 or less (excluding those satisfying the “especially good” criteria).
Bad (x): The contact resistance after power generation exceeds 30 mΩ·cm 2 .
Regarding the contact angle, after power generation, 105° or less was good (◯), and more than 105° was bad (x).

本発明例の試料(本発明の要件を満たす金属材)の発電後接触抵抗は、いずれも30mΩ・cm2以下と低かった。また、本発明例の試料の発電後の接触角は、いずれも90°以下と小さかった。試験番号12および17の試料とこれら以外の本発明例の試料とを対比すると、以上の効果は、基材が、純チタン、チタン合金、およびステンレスのいずれからなる場合でも得られることがわかる。また、試験番号13および14の試料とこれら以外の本発明例の試料とを対比すると、以上の効果は、Mが、Nb、TaおよびVのいずれである場合でも得られることがわかる。 The samples of Examples of the present invention (metal materials satisfying the requirements of the present invention) had low contact resistance after power generation of 30 mΩ·cm 2 or less. Further, the contact angles of the samples of the present invention examples after power generation were all as small as 90° or less. By comparing the samples of Test Nos. 12 and 17 with the samples of the examples of the present invention other than these, it can be seen that the above effects can be obtained regardless of whether the base material is pure titanium, titanium alloy or stainless steel. Further, by comparing the samples of Test Nos. 13 and 14 with the samples of the examples of the present invention other than these, it can be seen that the above effects can be obtained regardless of whether M is Nb, Ta or V.

試験番号3の試料は、有機ポリマーを実質的に含まないゾル液を用いて作製したことにより、チタン酸化物層のC含有量は0%であった。この試料は、初期および発電後の接触抵抗が高かった。試験番号1〜2、6および7等の試料と対比すると、チタン酸化物層が所定量のCを含有することにより、チタン酸化物層の導電性が向上し、初期および発電後の接触抵抗が低くなることがわかる。 The sample of Test No. 3 was prepared by using the sol liquid that did not substantially contain the organic polymer, and thus the C content of the titanium oxide layer was 0%. This sample had high contact resistance at the initial stage and after power generation. When compared with the samples of test numbers 1-2, 6 and 7, etc., the titanium oxide layer contains a predetermined amount of C, so that the conductivity of the titanium oxide layer is improved and the contact resistance after initial generation and after power generation is increased. It turns out to be low.

また、試験番号3の試料では、チタン酸化物層がチタン炭化物およびチタン窒化物のいずれも含まず、([C]+[N])/[O]が0であった。この試料は、初期の接触角は90°以下であったが、発電後の接触角が90°を超えて大きくなった。試験番号1〜2、6および7等の試料と対比すると、チタン酸化物層がチタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を所定量含むことにより、低い接触角を維持できることがわかる。これは、燃料電池の運転時に、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種の腐食生成物が生じ、この腐食生成物に対する水の濡れ性が高いためであると推測される。 Further, in the sample of Test No. 3, the titanium oxide layer contained neither titanium carbide nor titanium nitride, and ([C]+[N])/[O] was 0. The initial contact angle of this sample was 90° or less, but the contact angle after power generation exceeded 90° and increased. In comparison with the samples of Test Nos. 1-2, 6 and 7, it can be seen that a low contact angle can be maintained by the titanium oxide layer containing a predetermined amount of at least one of titanium carbide and titanium nitride. It is speculated that this is because at the time of operation of the fuel cell, at least one corrosion product of titanium carbide and titanium nitride is generated, and the wettability of water to this corrosion product is high.

試験番号11の試料では、チタン酸化物層が所定量のCを含有し、表層領域にチタン炭化物が含まれていた。しかし、この試料の表層領域の([C]+[N])/[O]は、0.05未満であった。このため、チタン炭化物の腐食生成物が形成されることによる水の濡れ性向上の効果が十分に得られず、発電後の接触角が大きかった。 In the sample of Test No. 11, the titanium oxide layer contained a predetermined amount of C, and the surface layer region contained titanium carbide. However, ([C]+[N])/[O] of the surface layer region of this sample was less than 0.05. Therefore, the effect of improving the wettability of water due to the formation of corrosion products of titanium carbide was not sufficiently obtained, and the contact angle after power generation was large.

試験番号4の試料では、チタン酸化物層のC含有量が50%を超えていた。この試料では、発電後に、基材とチタン酸化物層との間で剥離が生じた。このため、発電後は、基材とチタン酸化物層との間で電気的な接続が十分に得られておらず、接触抵抗が高かった。 In the sample of Test No. 4, the C content of the titanium oxide layer exceeded 50%. In this sample, peeling occurred between the base material and the titanium oxide layer after power generation. For this reason, after power generation, sufficient electrical connection was not obtained between the base material and the titanium oxide layer, and the contact resistance was high.

試験番号5および10の試料では、チタン酸化物層の表層領域で、([C]+[N])/[O]が1.0を超えた。これらの試料では、発電時に、チタン炭化物およびチタン窒化物の腐食生成物が多量に生じた。これらの腐食生成物の電気抵抗は高い。したがって、これらの腐食生成物により、チタン酸化物層の電気抵抗が高くなり、発電後の接触抵抗が高くなった。 In the samples of test numbers 5 and 10, ([C]+[N])/[O] exceeded 1.0 in the surface layer region of the titanium oxide layer. In these samples, a large amount of titanium carbide and titanium nitride corrosion products were generated during power generation. The electrical resistance of these corrosion products is high. Therefore, these corrosion products increased the electrical resistance of the titanium oxide layer and increased the contact resistance after power generation.

試験番号16の試料では、作製時にM酸化物の前駆体化合物を実質的に含まないゾル液を用いたことにより、チタン酸化物層の[M]/([Ti]+[M])が0であった。また、試験番号9では、作製時にM(Nb)酸化物の前駆体化合物を含むゾル液を用いたが、[M]/([Ti]+[M])は0.005未満であった。これらの試料では、MOy(1≦y≦2.5)が形成されることによるチタン酸化物層の導電性向上の効果が、全くまたは十分に得られず、発電後の接触抵抗が高くなった。 In the sample of Test No. 16, the sol liquid that does not substantially contain the precursor compound of M oxide was used at the time of production, so that [M]/([Ti]+[M]) of the titanium oxide layer was 0. Met. In Test No. 9, a sol liquid containing a precursor compound of M(Nb) oxide was used at the time of production, but [M]/([Ti]+[M]) was less than 0.005. In these samples, the effect of improving the conductivity of the titanium oxide layer due to the formation of MO y (1≦y≦2.5) was not obtained at all or sufficiently, and the contact resistance after power generation was high. It was

試験番号8の試料では、[M]/([Ti]+[M])が0.10を超えた。この試料では、発電後の接触抵抗が高くなった。これは、[M]/([Ti]+[M])が大きい、すなわち、チタン酸化物層中のM酸化物の量が多いことにより、M酸化物が凝集した状態で存在し、これにともなって、チタン酸化物層に物理的欠陥が多く生じたためであると推測される。 In the sample of test number 8, [M]/([Ti]+[M]) exceeded 0.10. In this sample, the contact resistance after power generation was high. This is because [M]/([Ti]+[M]) is large, that is, since the amount of M oxide in the titanium oxide layer is large, the M oxide exists in an aggregated state. It is presumed that this is because many physical defects were generated in the titanium oxide layer.

この本発明の金属材は、たとえば、燃料電池のセパレータ、電気分解用の電極(たとえば、水の電気分解用の電極)等に利用することができる。 The metal material of the present invention can be used for, for example, a separator of a fuel cell, an electrode for electrolysis (for example, an electrode for electrolysis of water), and the like.

1:燃料電池スタック
2:固体高分子電解質膜
3:燃料電極膜
4:酸化剤電極膜
5a、5b:セパレータ
6a、6b:流路
11:金属材
12:基材
13:チタン酸化物層
S:試料(金属材)
1: Fuel Cell Stack 2: Solid Polymer Electrolyte Membrane 3: Fuel Electrode Membrane 4: Oxidizer Electrode Membrane 5a, 5b: Separators 6a, 6b: Flow Path 11: Metal Material 12: Base Material 13: Titanium Oxide Layer S: Sample (metal material)

Claims (4)

金属製の基材と、前記基材の上に設けられたチタン酸化物層とを備える金属材であって、
前記チタン酸化物層は、TiOx(1≦x<2)、MOy(M:Nb、TaおよびVの1種以上;1≦y≦2.5)を含み、
前記チタン酸化物層のTiおよびMの含有量は、下記式(1)を満たし、
前記チタン酸化物層のC含有量は、1〜50質量%であり、
前記チタン酸化物層は、表面から深さ方向10nmまでの表層領域に、チタン炭化物およびチタン窒化物の少なくとも1種を有し、
前記表層領域において、前記チタン炭化物を構成するCの含有量、前記チタン窒化物を構成するNの含有量、ならびに前記TiOxおよび前記MOyを構成するOの含有量は、下記式(2)を満たし、
前記チタン酸化物層の厚みは、10〜1000nmである、金属材。
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
ここで、
[Ti]:チタン酸化物層のTi含有量(at%)
[M]:チタン酸化物層のM含有量(at%)
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
ここで、
[C]:前記表層領域の、チタン炭化物を構成するCの含有量(at%)
[N]:前記表層領域の、チタン窒化物を構成するNの含有量(at%)
[O]:前記表層領域の、チタン酸化物およびMOyを構成するOの含有量(at%)。
A metal material comprising a metal base material and a titanium oxide layer provided on the base material,
The titanium oxide layer contains TiO x (1≦x<2) and MO y (M: one or more of Nb, Ta and V; 1≦y≦2.5),
The content of Ti and M of the titanium oxide layer satisfies the following formula (1),
C content of the titanium oxide layer is 1 to 50 mass%,
The titanium oxide layer has at least one kind of titanium carbide and titanium nitride in a surface layer region from the surface to a depth direction of 10 nm,
In the surface layer region, the content of C forming the titanium carbide, the content of N forming the titanium nitride, and the content of O forming the TiO x and the MO y are represented by the following formula (2). The filling,
The metal material, wherein the titanium oxide layer has a thickness of 10 to 1000 nm.
0.005≦[M]/([Ti]+[M])≦0.10 (1)
here,
[Ti]: Ti content (at %) of the titanium oxide layer
[M]: M content (at %) of the titanium oxide layer
0.05≦([C]+[N])/[O]≦1.0 (2)
here,
[C]: Content of C constituting titanium carbide in the surface layer region (at %)
[N]: Content of N constituting titanium nitride in the surface layer region (at %)
[O]: Content (at %) of titanium oxide and O constituting MO y in the surface layer region.
請求項1に記載の金属材を備える、燃料電池用のセパレータ。 A separator for a fuel cell, comprising the metal material according to claim 1. 請求項2に記載のセパレータを備える、燃料電池セル。 A fuel cell comprising the separator according to claim 2. 請求項3に記載の燃料電池セルを複数個備える、燃料電池スタック。 A fuel cell stack comprising a plurality of the fuel battery cells according to claim 3.
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