JP2023079940A - Fuel cell separator titanium material, method for manufacturing the same, fuel cell separator and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高い導電性を長期間維持することができる燃料電池セパレータ用チタン材及び製造方法、さらに、該燃料電池セパレータ用チタン材を用いた燃料電池セパレータ、並びに燃料電池に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a titanium material for fuel cell separators capable of maintaining high conductivity for a long period of time and a manufacturing method thereof, and further to a fuel cell separator using the titanium material for fuel cell separators, and a fuel cell.
燃料電池を構成する複数の電池セルは、固体高分子膜の両面に白金等の触媒が塗られ、その両面に、燃料ガスを触媒表面に均一に拡散させる一対のカーボンペーパーが配置され、さらに外側の両面に、一対のセパレータが配置されることにより構成されている。そして、複数のセルが積み重ねられることにより、燃料電池が構成されている。セパレータは、発電の燃料となる酸素や水素ガスの流路がプレス成型されたものであり、隣り合う電池セルのセパレータ同士が直接接触して、電池セル同士が電気的に直列につながることによって、高い電圧を得ることができる。 A plurality of battery cells constituting a fuel cell are coated with a catalyst such as platinum on both sides of a solid polymer membrane, and a pair of carbon papers are arranged on both sides of the polymer membrane to diffuse the fuel gas uniformly on the catalyst surface. A pair of separators are arranged on both sides of the . A fuel cell is configured by stacking a plurality of cells. Separators are press-formed with channels for oxygen and hydrogen gas, which are fuels for power generation. The separators of adjacent battery cells are in direct contact with each other, and the battery cells are electrically connected in series. High voltage can be obtained.
セパレータの材料となる基材としては、プレス成型性や耐食性の観点から、ステンレス鋼材やチタン材が一般的に使用されている。これらの金属は、表面に導電性が低い不働態皮膜が形成されており、これにより耐食性が維持されている。 As the base material of the separator, stainless steel and titanium are generally used from the viewpoint of press moldability and corrosion resistance. These metals have a passivation film with low conductivity formed on the surface, which maintains corrosion resistance.
しかし、セパレータにおける電極側では、固体高分子膜中のSO3 -イオンが溶出し、硫酸が生成されるため、酸性腐食環境となる。このため、ステンレス鋼材やチタン材をそのままの状態で使用すると、耐食性と導電性とを両立することが困難である。そこで、従来より、ステンレス鋼材やチタン材の表面に、腐食を防止し導電性が維持できる金や白金などの貴金属膜やカーボン膜、導電性が高い窒化膜、炭化膜等の皮膜をコーティングする方法が用いられている。しかし、貴金属膜は高コストであるため、セパレータの原料コストが上昇するという問題点がある。また、カーボン膜は基材との密着性が乏しいため、密着性を向上させる中間層等の成膜が必要となるため、セパレータの製造工程が煩雑となるという問題点がある。 However, on the electrode side of the separator, the SO 3 − ions in the solid polymer membrane are eluted and sulfuric acid is produced, creating an acidic corrosive environment. Therefore, if the stainless steel material or titanium material is used as it is, it is difficult to achieve both corrosion resistance and electrical conductivity. Therefore, conventionally, the surface of stainless steel materials and titanium materials is coated with films such as precious metal films such as gold and platinum that can prevent corrosion and maintain conductivity, carbon films, and nitride films and carbide films that have high conductivity. is used. However, since the noble metal film is expensive, there is a problem that the raw material cost of the separator increases. In addition, since the carbon film has poor adhesion to the substrate, it is necessary to form an intermediate layer or the like to improve the adhesion, which complicates the manufacturing process of the separator.
さらに、ステンレス鋼材やチタン材の表面に、導電性が高い窒化膜、炭化膜等の皮膜をコーティングした場合には、電極側の酸性環境においても高い導電性を得ることができるが、貴金属膜やカーボン膜と比較すると耐食性に劣る。したがって、燃料電池内部側(電極側)の環境に晒されると、腐食して抵抗が徐々に高くなるという欠点がある。 Furthermore, when the surface of a stainless steel material or titanium material is coated with a highly conductive film such as a nitride film or a carbide film, high conductivity can be obtained even in an acidic environment on the electrode side. Corrosion resistance is inferior to carbon film. Therefore, when exposed to the environment inside the fuel cell (electrode side), it corrodes and the resistance gradually increases.
なお、炭化膜の代表であるTiC膜も導電性が高いため、燃料電池セパレータの導電性コーティング膜として種々の検討が行われている。例えば、特許文献1には、金属部材の表面もしくは周縁で電極と接触する部分の全部又は一部に、TiC等を含む薄膜が形成された燃料電池用金属セパレータが提案されている。
また、上記特許文献1には、金属部材の表面における電極と接触する部分の全部又は一部に、微粉末をキャリアガスとともに微小孔ノズルの先端から吹き付けて薄膜を成膜し、該成膜の際の該金属部材の温度が常温~200℃である、燃料電池用金属セパレータの製造方法についても記載されている。
Since TiC films, which are representative of carbonized films, also have high conductivity, various studies have been conducted as conductive coating films for fuel cell separators. For example,
In addition, in
しかし、非特許文献1には、チタン系導電性物質であるTiC等の形成によって、初期の接触抵抗を大幅に低下できるものの、燃料電池の内部環境を模擬した酸性環境(硫酸水溶液中)に晒されると変色し、接触抵抗が著しく上昇することが記載されている。
However, according to Non-Patent
そこで、特許文献2には、表面が炭素層で覆われており、炭素層と基材との界面にチタンカーバイドからなる中間層が形成された燃料電池セパレータが記載されている。上記特許文献2には、基材表面に気相成膜法により炭素層を形成した後、炭素層が形成された基材を熱処理することによって、前記基材と前記炭素層との間にチタンカーバイド(TiC)からなる中間層を形成する方法が提案されている。上記方法によると、カーボンとチタンとの反応によってTiC中間層を形成するので、導電性や耐食性を左右する導電性薄膜等の各層と基材との密着性を高めることができ、セパレータの導電耐久性を向上させることができる。
Therefore,
このように、燃料電池セパレータにおいて、燃料電池内部側(電極側)の環境に対しては、従来より、種々の提案がなされている。 As described above, in the fuel cell separator, various proposals have been conventionally made for the environment inside the fuel cell (electrode side).
ところで、燃料電池は、水素と酸素とを反応させて水を合成することにより発電するが、この際に熱も発生させるため、一般的に、隣り合うセパレータ間の流路、すなわち電池セルの外側に冷却水を流してセルを冷却している。このような燃料電池において、冷却水が流れる環境でセパレータの表面が腐食すると、セパレータ同士の接触抵抗が高くなり、発電ロスの原因となることがある。また、接触抵抗がさらに高くなると、発電できなくなることもある。 Fuel cells generate electricity by reacting hydrogen and oxygen to synthesize water, which also generates heat. The cell is cooled by running cooling water through the In such a fuel cell, when the surfaces of the separators corrode in an environment in which cooling water flows, the contact resistance between the separators increases, which may cause power generation loss. Moreover, if the contact resistance becomes even higher, it may become impossible to generate electricity.
このため、ステンレス鋼材やチタン材をそのままの状態で使用すると、セパレータ同士の接触抵抗が高くなり、発電ロスが大きくなる。したがって、セパレータにおける冷却水の流路側の表面は、冷却水に暴露される環境であっても、耐食性や導電性を維持できる性能を有することが要求される。 Therefore, if the stainless steel material or the titanium material is used as it is, the contact resistance between the separators increases, resulting in a large power generation loss. Therefore, the surface of the separator on the cooling water flow path side is required to have the performance of maintaining corrosion resistance and electrical conductivity even in an environment where it is exposed to the cooling water.
しかしながら、従来の燃料電池セパレータ用チタン材において、燃料電池内部側(電極側)の面については、酸性環境への耐性が高く、導電性を維持することができる表面皮膜が検討されているが、冷却水側の表面皮膜については十分に検討されていない。すなわち、少なくとも燃料電池内部側に、高耐食性及び高導電性の表面皮膜が形成されており、冷却水側については、不働態皮膜のままであるか、又は燃料電池内部側と同じ皮膜が形成されているものが多い。 However, in conventional titanium materials for fuel cell separators, a surface coating that is highly resistant to acidic environments and capable of maintaining electrical conductivity has been studied for the surface on the inner side (electrode side) of the fuel cell. The surface film on the cooling water side has not been sufficiently studied. That is, at least on the inner side of the fuel cell, a highly corrosion-resistant and highly conductive surface film is formed, and on the cooling water side, the passive film remains or the same film as that on the inner side of the fuel cell is formed. There are many things.
なお、上記特許文献2に記載のTiC中間層及び表面の炭素層が、チタン基材における燃料電池内部側及び冷却水側の両方に形成されている場合には、導電性の低下を抑制することができる。しかし、上記TiC中間層及び炭素層は、基材表面の不働態皮膜を除去した後に形成することが好ましく、不働態皮膜を除去する工程に時間を要するため、生産性が低下するという問題点がある。
In addition, when the TiC intermediate layer and the carbon layer on the surface described in
本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたものであって、燃料電池セパレータに使用される基材のうち、特に耐食性が高いチタン材において、セパレータ同士の接触抵抗を低くすることができるとともに、冷却水環境で接触抵抗の増大を抑制することができる燃料電池セパレータ用チタン材を提供することを目的とする。
また、本発明は、耐食性が高く、接触抵抗の増大を抑制することができる燃料電池セパレータ用チタン材を極めて容易に製造することができる燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、該燃料電池セパレータ用チタン材を有する燃料電池セパレータ及び該燃料電池セパレータを有する燃料電池を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems. Among the base materials used for fuel cell separators, the titanium material, which has particularly high corrosion resistance, can reduce the contact resistance between the separators. An object of the present invention is to provide a titanium material for a fuel cell separator that can suppress an increase in contact resistance in a cooling water environment.
Another object of the present invention is to provide a method for producing a titanium material for a fuel cell separator, which can extremely easily produce a titanium material for a fuel cell separator that has high corrosion resistance and can suppress an increase in contact resistance. and
A further object of the present invention is to provide a fuel cell separator comprising the titanium material for a fuel cell separator and a fuel cell comprising the fuel cell separator.
本発明の上記目的は、燃料電池セパレータ用チタン材に係る下記[1]の構成により達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following configuration [1] relating to a titanium material for a fuel cell separator.
[1] 厚さ方向に直交する第1の面及び第2の面を有するチタン箔基材と、前記チタン箔基材の少なくとも第1の面上に形成された導電性保持皮膜とを備え、
前記導電性保持皮膜はTiC層を含み、前記TiC層は、前記チタン箔基材に直接接触しているとともに、前記TiC層の少なくとも一部が前記導電性保持皮膜の表面に露出していることを特徴とする、燃料電池セパレータ用チタン材。
[1] A titanium foil substrate having a first surface and a second surface orthogonal to a thickness direction, and a conductive retention coating formed on at least the first surface of the titanium foil substrate,
The conductivity preserving coating includes a TiC layer, the TiC layer being in direct contact with the titanium foil base material, and at least a portion of the TiC layer being exposed on the surface of the conductivity preserving coating. A titanium material for a fuel cell separator, characterized by:
また、燃料電池セパレータ用チタン材に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[2]~[6]に関する。 Further, preferred embodiments of the present invention relating to titanium materials for fuel cell separators relate to the following [2] to [6].
[2] 前記導電性保持皮膜は、前記TiC層と前記チタン箔基材とが接触している面と反対側の面上の一部に炭素領域部を有し、前記TiC層と前記炭素領域部とにより前記導電性保持皮膜が構成されることを特徴とする、[1]に記載の燃料電池セパレータ用チタン材。 [2] The electroconductivity retaining film has a carbon region part on a part of the surface opposite to the surface where the TiC layer and the titanium foil base are in contact, and the TiC layer and the carbon region The titanium material for a fuel cell separator according to [1], wherein the electroconductivity-retaining film is constituted by a portion.
[3] 前記導電性保持皮膜は、前記チタン箔基材の第1の面上のみに形成されていることを特徴とする、[1]又は[2]に記載の燃料電池セパレータ用チタン材。 [3] The titanium material for a fuel cell separator according to [1] or [2], wherein the conductive retaining film is formed only on the first surface of the titanium foil base material.
[4] 前記チタン箔基材の第2の面上に、前記導電性保持皮膜とは異なる機能性皮膜が形成されていることを特徴とする、[3]に記載の燃料電池セパレータ用チタン材。 [4] The titanium material for a fuel cell separator according to [3], characterized in that a functional coating different from the conductive retaining coating is formed on the second surface of the titanium foil base material. .
[5] 前記導電性保持皮膜の膜厚は、5nm以上50nm以下であることを特徴とする、[1]~[4]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材。 [5] The titanium material for a fuel cell separator according to any one of [1] to [4], wherein the film thickness of the electroconductive retaining film is 5 nm or more and 50 nm or less.
[6] 電池セルに含まれる燃料電池セパレータに用いられ、
前記導電性保持皮膜が、前記電池セルの外表面側となるように配置されることを特徴とする、[1]~[5]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材。
[6] Used in fuel cell separators included in battery cells,
The titanium material for a fuel cell separator according to any one of [1] to [5], characterized in that the electrically conductive retaining film is arranged on the outer surface side of the battery cell.
また、本発明の上記目的は、燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法に係る下記[7]の構成により達成される。 Further, the above object of the present invention is achieved by the following configuration [7] relating to a method for producing a titanium material for a fuel cell separator.
[7] 表面に不働態皮膜が形成されたチタン箔基材の一方の面に、物理蒸着法により炭素膜を成膜する炭素膜成膜工程と、
前記炭素膜が成膜された前記チタン箔基材を、真空中又は不活性ガス雰囲気中において加熱する焼鈍処理工程と、を有し、
前記焼鈍処理工程において、前記不働態皮膜中の酸素が前記チタン箔基材中に拡散吸収された後に、前記炭素膜中の炭素と前記チタン箔基材中のチタンとが反応し、前記チタン箔基材の一方の面に接触するTiC層を有する導電性保持皮膜が形成されることを特徴とする、燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。
[7] A carbon film forming step of forming a carbon film by physical vapor deposition on one surface of a titanium foil substrate having a passivation film formed on the surface;
an annealing treatment step of heating the titanium foil base on which the carbon film is formed in a vacuum or in an inert gas atmosphere;
In the annealing treatment step, after oxygen in the passivation film is diffused and absorbed in the titanium foil base material, carbon in the carbon film reacts with titanium in the titanium foil base material, and the titanium foil is A method for producing a titanium material for a fuel cell separator, characterized in that a conductive retaining coating is formed having a TiC layer in contact with one surface of a substrate.
また、燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[8]~[12]に関する。 Further, preferred embodiments of the present invention relating to a method for producing a titanium material for fuel cell separators relate to the following [8] to [12].
[8] 前記炭素膜成膜工程において、5nm以上30nm以下の厚さで前記炭素膜を成膜することを特徴とする、[7]に記載の燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 [8] The method for producing a titanium material for a fuel cell separator according to [7], wherein in the carbon film forming step, the carbon film is formed with a thickness of 5 nm or more and 30 nm or less.
[9] 前記炭素膜成膜工程より前の前記チタン箔基材中のFe含有量は0.15質量%以下であり、O含有量は0.15質量%以下であることを特徴とする、[7]又は[8]に記載の燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 [9] The Fe content in the titanium foil base material before the carbon film forming step is 0.15% by mass or less, and the O content is 0.15% by mass or less, A method for producing a titanium material for a fuel cell separator according to [7] or [8].
[10] 前記焼鈍処理工程における焼鈍温度を、700℃以上850℃以下とすることを特徴とする、[7]~[9]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 [10] The method for producing a titanium material for a fuel cell separator according to any one of [7] to [9], wherein the annealing temperature in the annealing step is 700°C or higher and 850°C or lower. .
[11] 前記炭素膜成膜工程において、アークイオンプレーティング法により前記炭素膜を成膜することを特徴とする、[7]~[10]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 [11] The titanium for a fuel cell separator according to any one of [7] to [10], wherein the carbon film is formed by an arc ion plating method in the carbon film forming step. How the material is made.
[12] 前記焼鈍処理工程の後に、前記導電性保持皮膜が形成された前記チタン箔基材をプレス成型する成型工程を有することを特徴とする、[7]~[11]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 [12] The method according to any one of [7] to [11], further comprising a molding step of press-molding the titanium foil base material on which the conductive retention film is formed after the annealing step. 2. A method for producing a titanium material for a fuel cell separator according to 1.
また、本発明の上記目的は、燃料電池セパレータに係る下記[13]の構成により達成される。 Further, the above object of the present invention is achieved by the following configuration [13] relating to a fuel cell separator.
[13] 電池セルに含まれる燃料電池セパレータであって、
両面に電極層が形成された電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられた一対のガス拡散層と、を外面側から挟持するように設けられ、
[1]~[5]のいずれか1つに記載の燃料電池セパレータ用チタン材を有し、
前記チタン箔基材の第2の面が前記ガス拡散層に対向するように配置されていることを特徴とする、燃料電池セパレータ。
[13] A fuel cell separator included in a battery cell,
provided so as to sandwich an electrolyte membrane having electrode layers formed on both sides and a pair of gas diffusion layers provided on both sides of the electrolyte membrane from the outer surface side,
Having the titanium material for a fuel cell separator according to any one of [1] to [5],
A fuel cell separator, wherein the second surface of the titanium foil substrate is arranged to face the gas diffusion layer.
また、本発明の上記目的は、燃料電池に係る下記[14]の構成により達成される。 Further, the above object of the present invention is achieved by the following configuration [14] relating to a fuel cell.
[14] 積層された複数の電池セルを備える燃料電池であって、
各電池セルは、それぞれ外表面に[13]に記載の燃料電池セパレータを有し、
隣り合う前記電池セル間における隣り合う燃料電池セパレータ同士は、少なくとも一部で互いに接触しているとともに、前記隣り合う燃料電池セパレータ間に冷却水の流路が形成されており、
前記隣り合う前記燃料電池セパレータ同士が対向する表面に、前記燃料電池セパレータ用チタン材の前記導電性保持皮膜が存在することを特徴とする、燃料電池。
[14] A fuel cell comprising a plurality of stacked battery cells,
Each battery cell has a fuel cell separator according to [13] on its outer surface,
Adjacent fuel cell separators between the adjacent battery cells are in contact with each other at least partially, and cooling water flow paths are formed between the adjacent fuel cell separators,
A fuel cell characterized in that the conductive retaining film of the titanium material for fuel cell separators is present on the surfaces of the adjacent fuel cell separators facing each other.
本発明によれば、燃料電池セパレータに使用されるチタン箔基材において、セパレータ同士の接触抵抗を低くすることができるとともに、冷却水環境で接触抵抗の増大を抑制することができる燃料電池セパレータ用チタン材及びその製造方法、燃料電池セパレータ並びに燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, in the titanium foil base material used for the fuel cell separator, the contact resistance between the separators can be reduced, and the increase in the contact resistance can be suppressed in a cooling water environment. A titanium material and its manufacturing method, a fuel cell separator, and a fuel cell can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。
また、本明細書において、数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form (henceforth "this embodiment") for implementing this invention is demonstrated in detail. It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be arbitrarily modified without departing from the gist of the present invention.
Further, in this specification, the term "to" indicating a numerical range is used to include the numerical values before and after it as lower and upper limits.
[燃料電池セパレータ用チタン材]
本発明者らは、冷却水環境で接触抵抗の増大を抑制することができる燃料電池セパレータ用チタン材を得るため、鋭意検討を行った結果、燃料電池内部側のような酸性環境下では、接触抵抗が上昇するため使用することが困難であったTiC層が、冷却水環境下では低い接触抵抗を維持することができることを見出した。以下、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材について、詳細に説明する。なお、本明細書において、燃料電池セパレータ用チタン材を、単にチタン材ということがある。
[Titanium material for fuel cell separators]
In order to obtain a titanium material for a fuel cell separator that can suppress an increase in contact resistance in a cooling water environment, the present inventors conducted extensive studies and found that in an acidic environment such as the inside of a fuel cell, contact It was found that a TiC layer, which was difficult to use due to its increased resistance, can maintain a low contact resistance in a cooling water environment. The titanium material for a fuel cell separator according to this embodiment will be described in detail below. In this specification, the titanium material for fuel cell separators may be simply referred to as titanium material.
<燃料電池セパレータ用チタン材の構造>
図1は、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材の構造を示す模式図である。
チタン材1は、チタン箔基材2と、チタン箔基材2の厚さ方向に直交する一方の面(第1の面)2a上に形成された導電性保持皮膜5と、を備える。本実施形態において、チタン箔基材2の厚さ方向に直交する他方の面(第2の面)2b上には、導電性保持皮膜5は形成されておらず、例えば、不可避的に不働態皮膜等が存在するが、他方の面2b上の不働態皮膜については図示を省略している。
<Structure of Titanium Material for Fuel Cell Separator>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a titanium material for a fuel cell separator according to this embodiment.
The
導電性保持皮膜5は、TiC層3と、炭素領域部4とにより構成されており、TiC層3は、チタン箔基材2に直接接触している。また、導電性保持皮膜5は、その最表面、すなわち、TiC層3とチタン箔基材2とが接触している面と反対側の面上の一部に、炭素領域部4が存在しているが、炭素領域部4は、チタン材1の表面全面を覆うものではなく、TiC層3の少なくとも一部が導電性保持皮膜5の表面に露出している。
The
このように構成された燃料電池セパレータ用チタン材1においては、表面の少なくとも一部にTiC層3が露出しており、TiC層3は冷却水環境に長時間晒された場合であっても、所望の接触抵抗を維持することができる。TiCが有する性能について、以下に詳細に説明する。
In the fuel cell
本発明者らは、TiCが冷却水環境においても低い接触抵抗を維持できるものであることを確認するため、以下の実験を行った。図2Aは、接触抵抗測定方法を示す模式図であり、図2Bは、2枚のTiC焼結体の接触部分を示す上面図である。
TiC焼結体の接触抵抗は、以下のようにして測定した。
まず、長さが4cm、幅が2cmであり、厚さが2mmである板状の2枚のTiC焼結体64、66を準備した。TiC焼結体には表と裏があるため、予め、2枚のTiC焼結体64、66の表の面と裏の面とを設定した。次に、これら2枚のTiC焼結体64、66を、80℃の中性の燃料電池用冷却水中に42日間(約1000時間)浸漬した。その後、表の面同士を接触させるように、TiC焼結体64とTiC焼結体66とを、十字になるように重ね合わせることにより、試験材料67を作製した。
The inventors conducted the following experiments to confirm that TiC can maintain low contact resistance even in a cooling water environment. FIG. 2A is a schematic diagram showing a contact resistance measuring method, and FIG. 2B is a top view showing a contact portion of two TiC sintered bodies.
The contact resistance of the TiC sintered body was measured as follows.
First, two plate-shaped TiC sintered
図2Aに示すように、接触抵抗測定器30は、一対の円柱状の銅製電極31a、31bの間に試験材料67を挟み、一方の銅製電極31aと他方の銅製電極31bとの間に、それぞれ電流端子32a、32bを介して4端子法抵抗測定器33が接続されるように構成されている。また、銅製電極31a、31bには、試験材料67に対して矢印で示す方向に荷重が印加できるように、不図示の荷重印加装置が取り付けられている。
As shown in FIG. 2A, the contact
そして、TiC焼結体64とTiC焼結体66とが重なった部分に、銅製電極31aと銅製電極31bとの荷重が印加されるように、接触抵抗測定器30に上記試験材料67を挿入した。その後、荷重を40kg(面圧:10kg/cm2)として、試験材料67を銅製電極31aと銅製電極31bとで加圧した。その後、4端子法抵抗測定器33の一方の電流端子32aを銅製電極31aに、他方の電流端子32bを銅製電極31bに接続するとともに、一方の抵抗測定端子38aを一方のTiC焼結体64に、他方の抵抗測定端子38bを他方のTiC焼結体66に接続して、抵抗を測定した。その後、得られた抵抗値に接触面積である4cm2を乗じることにより、接触抵抗を算出した。
また、同様にして、TiC焼結体64とTiC焼結体66とを、その裏の面同士を接触させるように、十字になるように重ね合わせることにより試験材料を作製し、接触抵抗を算出した。
Then, the
In the same way, the TiC sintered
図3は、縦軸を接触抵抗とし、横軸を浸漬日数とした場合の、接触抵抗の変化を示すグラフ図である。図2A及び図2Bに示す接触抵抗測定器30を用いて、浸漬4日後、10日後、21日後、42日後に、表の面同士を接触させた試験材料、及び裏の面同士を接触させた試験材料の接触抵抗を測定した結果、いずれの試験材料も初期値からほとんど変化せず、1.6mΩ・cm2程度の一定の値を維持していた。これらの結果から、冷却水側においては、TiC層を形成することが好適であることを示すことができる。
FIG. 3 is a graph showing changes in contact resistance, with the vertical axis representing the contact resistance and the horizontal axis representing the number of days of immersion. Using the contact
本実施形態においては、導電性保持皮膜5は、TiC層3と炭素領域部4とにより構成されているが、導電性保持皮膜5はTiC層3のみからなるものでもよい。炭素領域部4が存在するかどうかは、後述する製造方法における条件によって変化する。上記接触抵抗の試験結果で示す通り、TiC層3は、冷却水環境に晒された場合であっても、接触抵抗の上昇を防止する効果を有している。また、炭素領域部4も導電性及び耐食性を有するため、導電性保持皮膜5の表面の一部に炭素領域部4が存在している状態でも、冷却水に対する高い耐性を得ることができる。ただし、炭素領域部4は、TiC層3と比較して、導電性が低いため、導電性保持皮膜5の表面全面に炭素領域部4が存在していると、所望の導電性を得ることができない。したがって、本発明においては、TiC層の少なくとも一部が導電性保持皮膜5の表面に露出しているものとする。
In this embodiment, the
なお、上述のとおり、本実施形態における導電性保持皮膜5は、燃料電池セパレータ用チタン材1における冷却水側、すなわち、少なくともチタン箔基材2の一方の面2a上に形成されている。チタン箔基材2の他方の面は、酸性環境に対する耐食性及び導電性が必要であるため、導電性保持皮膜5は、チタン箔基材2の一方の面(第1の面)2a上のみに形成されていることが好ましい。また、チタン箔基材2の他方の面(第2の面)2b上には、導電性保持皮膜5とは異なる、酸性環境に対する耐食性及び導電性が優れた機能性皮膜が形成されていることがより好ましい。機能性皮膜としては、例えば、特開2018-170291号公報に記載のような、カーボンブラックと酸化チタンの混合皮膜を使用することが好ましい。また、プレス成型した後であれば、表面の不働態皮膜を除去した後に、非晶質炭素皮膜やTi-Nb複合酸化皮膜を形成し、これを機能性皮膜としてもよい。なお、非晶質炭素皮膜やTi-Nb複合酸化皮膜をプレス成型後に成膜するのは、これらの皮膜は基材との密着性が悪く、プレス成型で剥がれるからである。
As described above, the
(導電性保持皮膜の膜厚:5nm以上50nm以下)
本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材1において、導電性保持皮膜5は、チタン箔基材2の表面における不働態皮膜上に炭素膜を成膜し、これを所望の条件で焼鈍することにより得ることができる。燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法については後述するが、所望の厚さのTiC層3を得るため、及び焼鈍処理のときのチタン基材との熱膨張差で生じる応力による成膜した炭素膜の剥離を抑制するために、成膜する炭素膜の厚さは、5nm以上30nmとすることが好ましい。炭素膜を上記範囲とした場合に、焼鈍により炭素膜はTiC層となり、膜の密度差により層厚が増加する。したがって、得られる導電性保持皮膜の膜厚は、5nm以上50nm以下であることが好ましい。なお、本実施形態においては、TEMにより、倍率を50万倍として試料の断面を観察したときの視野において、最も厚いと思われる部分と最も薄いと思われる部分とその中間の厚さと思われる部分の3点の厚さを測定して、それらの算術平均を膜厚と規定した。
(Film thickness of the electroconductivity retention film: 5 nm or more and 50 nm or less)
In the fuel cell
[燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法]
本発明者らは、チタンの不働態皮膜を除去することなく不働態皮膜の表面に炭素膜を成膜し、所定の条件で焼鈍処理を実施することにより、不働態皮膜を焼失させ、冷却水に対する耐性が優れたTiC層を形成させることができることを見出した。以下に、燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法について、より詳細に説明する。
[Method for producing titanium material for fuel cell separator]
The present inventors formed a carbon film on the surface of the passive film of titanium without removing the passive film, and performed annealing treatment under predetermined conditions to burn off the passive film and cool the cooling water. It was found that a TiC layer having excellent resistance to was formed. The method for producing the titanium material for fuel cell separators will be described in more detail below.
上述のとおり、TiCは冷却水に対する高い耐性を有する。そこで、本発明者らは、チタン箔基材の表面にTiC層を形成する方法について、種々検討を行った。TiC層を形成する方法としては、(1)炭化水素ガス中でチタン箔基材を加熱して、チタンと炭化水素ガスを反応させて、TiC層を形成する方法、(2)化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、(3)物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)法等が挙げられる。(1)及び(2)は、ガス中でTiCを生成させるため、チタン箔基材の一方の面及び他方の面を含む全面にTiC層が形成される。電池側の面にTiC層が形成されている場合に、形成されたTiC層をそのまま使用すると、酸性環境により腐食して、接触抵抗が上昇する。 As mentioned above, TiC has a high resistance to cooling water. Accordingly, the present inventors conducted various studies on methods for forming a TiC layer on the surface of a titanium foil base material. Methods for forming a TiC layer include (1) heating a titanium foil substrate in a hydrocarbon gas to react titanium with the hydrocarbon gas to form a TiC layer; and (2) chemical vapor deposition. (CVD: Chemical Vapor Deposition) method, (3) physical vapor deposition (PVD: Physical Vapor Deposition) method, and the like. Since (1) and (2) generate TiC in gas, a TiC layer is formed on the entire surface including one side and the other side of the titanium foil base material. When a TiC layer is formed on the battery-side surface, if the formed TiC layer is used as it is, it will corrode in an acidic environment and the contact resistance will increase.
また、TiC層の上にカーボン膜等を形成した場合には、酸性環境に対する耐食性は確保できるが、カーボン膜にピンホールが存在すると、このピンホールから腐食が進行して抵抗が上昇する。したがって、ピンホールが形成されない程度に、カーボン膜を厚く成膜する必要があり、成膜に時間がかかる。 Further, when a carbon film or the like is formed on the TiC layer, corrosion resistance to an acidic environment can be ensured, but if pinholes exist in the carbon film, corrosion progresses from the pinholes and the resistance increases. Therefore, it is necessary to form the carbon film thick enough to prevent the formation of pinholes, and it takes time to form the film.
さらに、(3)のPVD法を使用し、例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法により、チタン箔基材の表面にTiC層を形成する方法があるが、チタン箔基材の表面にTiC層を高い密着力で成膜するためには、真空チャンバ内でArイオンボンバードにより、予め表面の不働態皮膜を除去する必要がある。しかし、チタンは酸素ゲッタといわれているように、酸素を取り込みやすい性質を有している。したがって、Arイオンボンバードにより、チタン箔基材の表面の不働態皮膜を除去しても、真空チャンバの内表面に吸着してゆっくりと放出される水分の酸素を吸収して、不働態皮膜が除去された箇所から直ちに新たな不働態皮膜が再生するため、完全に除去するには時間がかかる。 Furthermore, there is a method of forming a TiC layer on the surface of a titanium foil base material by using the PVD method of (3), for example, by a sputtering method or an ion plating method. In order to form a film with high adhesion, it is necessary to remove the passive film on the surface in advance by Ar ion bombardment in a vacuum chamber. However, titanium has the property of easily taking in oxygen, as it is called an oxygen getter. Therefore, even if the passivation film on the surface of the titanium foil base material is removed by Ar ion bombardment, the passivation film is removed by absorbing the oxygen of the moisture that is adsorbed to the inner surface of the vacuum chamber and slowly released. A new passivation film immediately regenerates from the damaged area, so it takes time to completely remove it.
なお、上記特許文献1には、金属部材の表面における電極と接触する部分の全部又は一部に、微粉末をキャリアガスとともに微小孔ノズルの先端から吹き付けて、TiC薄膜を成膜する方法が記載されている。しかし、上記金属部材がチタンからなる場合には、不働態皮膜が存在するため、TiC薄膜とチタン基材との密着性が十分に得られない可能性がある。したがって、冷却水や酸素ガス、水素ガスの流路を形成するためのプレス成型より前に、上記の方法でTiC薄膜を形成すると、プレス成型による基材の塑性変形にTiC薄膜が追随できず、剥離するおそれがある。
In addition, the
そこで、本実施形態においては、チタン箔基材における不働態皮膜上に炭素膜を成膜し、これを真空中又は不活性ガス雰囲気中において加熱することにより、不働態皮膜を消失させ、チタン箔基材に直接接触するTiC層を形成する。したがって、冷却水側の面の接触抵抗の上昇を防止でき、チタン箔基材との密着性が優れたTiC層を容易に形成することができる。 Therefore, in the present embodiment, a carbon film is formed on the passive film of the titanium foil base material, and the carbon film is heated in a vacuum or in an inert gas atmosphere to eliminate the passive film, thereby removing the titanium foil. A TiC layer is formed in direct contact with the substrate. Therefore, it is possible to prevent an increase in the contact resistance of the surface on the cooling water side and easily form a TiC layer having excellent adhesion to the titanium foil substrate.
以下に、本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法について、図面を参照して説明する。 A method for producing a titanium material for fuel cell separators according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図4Aに示すように、チタン箔基材2を準備する。チタン箔基材2の表面(一方の面2a及び他方の面2b)には、もともと、不働態皮膜(アモルファス酸化チタン層)6が存在している。なお、図4A~図4Dにおいて、チタン箔基材2の他方の面は図示を省略している。
As shown in FIG. 4A, a
次に、図4Bに示すように、不働態皮膜6を有するチタン箔基材2の一方の面2a側に、物理蒸着法により、炭素膜7を成膜する(炭素膜成膜工程)。
Next, as shown in FIG. 4B, a
その後、図4Cに示すように、炭素膜7が成膜されたチタン箔基材2を、真空中又は不活性ガス雰囲気中において加熱する(焼鈍処理工程)。この焼鈍処理工程において、不働態皮膜6中の酸素がチタン箔基材2中に拡散吸収され、不働態皮膜6は消失する。
After that, as shown in FIG. 4C, the titanium
その後、図4Dに示すように、焼鈍処理工程により、炭素膜7中の炭素とチタン箔基材2中のチタンとが反応し、チタン箔基材2の一方の面2aに直接接触するTiC層3を形成する。なお、焼鈍処理の条件により、チタン箔基材2の一方の面2a側の最表面の一部には、チタンと反応しなかった炭素が、炭素領域部4となって残存することがある。ただし、焼鈍処理工程により、全ての炭素膜7中の炭素がチタン箔基材2中のチタンと反応すると、チタン箔基材2の一方の面2a上には、TiC層3のみが形成された構造となる。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, carbon in the
本明細書においては、TiC層3を含む膜を導電性保持皮膜5としている。すなわち、導電性保持皮膜5は、TiC層3のみからなるものであっても、TiC層3と炭素領域部4とからなるものであってもよいが、TiC層3の少なくとも一部は、導電性保持皮膜5の表面に露出しているものとする。
In this specification, the film including the
その後、図示は省略するが、表面に導電性保持皮膜5が形成されたチタン箔基材2に対して、プレス成型する成型工程を有することが好ましい。また、その後さらに、チタン箔基材2の他方の面2b上に、導電性保持皮膜5とは異なる材料又は構造を有し、酸性環境に対する耐食性が優れた機能性皮膜を形成することがより好ましい。
After that, although illustration is omitted, it is preferable to have a molding step of press-molding the titanium
このように、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法によると、炭素膜7の成膜後に焼鈍処理(熱処理)を行うため、プレス成型に必要な機械特性を得ることができる。また、上記製造方法によると、冷却水側の面の接触抵抗の上昇を防止できるTiC層を容易に形成することができる。さらに、本実施形態においては、炭素とチタンとの反応によってTiC層3を形成するため、TiC層3とチタン箔基材2との密着性が向上し、導電性保持皮膜5を形成した後にプレス成型をしても、はがれることがなく、冷却水側における導電性を維持することができる。また、チタン箔基材2における冷却水に接触する一方の面2a上のみに導電性保持皮膜5が形成されていると、他方の面2b上には、電池内環境で耐食性を発揮する機能性皮膜を別途形成することができ、電池内面側に対しても導電性を維持することができる。
As described above, according to the method for producing a titanium material for a fuel cell separator according to the present embodiment, the annealing treatment (heat treatment) is performed after the
さらに、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法において、各工程の条件等について詳細に説明する。 Furthermore, in the method for producing a titanium material for fuel cell separators according to the present embodiment, conditions of each step will be described in detail.
<炭素膜成膜工程>
(チタン箔基材)
本実施形態において、炭素膜7を成膜するチタン箔基材2は純チタンからなるものであることが好ましい。純チタンからなるチタン箔基材2を用いることにより、チタン合金からなるチタン箔基材を用いる場合と比較して、プレス成型性を向上させることができる。なお、チタン箔基材2が純チタンからなるものであっても、不純物が多いと、焼鈍後のプレス成型性が低下するとともに、焼鈍処理工程において、プレス成型性を低下させるβ相が析出しやすくなる。したがって、チタン箔基材2中の不純物は少ない方が好ましい。
<Carbon film deposition process>
(Titanium foil base material)
In this embodiment, the titanium
以下、チタン箔基材2中に含有される成分の好ましい含有量について説明する。
チタン箔基材2に含有される不純物成分の含有量は、チタン箔基材全質量に対して、Fe:0.15質量%以下、O:0.15質量%以下、C:0.08質量%以下、N:0.03質量%以下であることが好ましい。また、特にFe及びOは、焼鈍処理工程においてβ相を析出させやすい元素であるため、Fe:0.1質量%以下、O:0.1質量%以下であることがより好ましく、Fe:0.08質量%以下、O:0.08質量%以下であることがさらに好ましい。
Preferred contents of components contained in the titanium
The contents of the impurity components contained in the titanium
(チタン箔基材の厚さ:0.05mm以上0.3mm以下)
チタン箔基材2の厚さが0.05mm未満であると、基材が薄くなりすぎて、プレス成型で破れる可能性があるため、チタン箔基材2は適切な厚さを有することが好ましい。一方、チタン箔基材の厚さが増加するにしたがって、水素や酸素ガスの微細な流路幅が狭くなり、ガスが流れにくくなる可能性がある。また、チタン箔基材の厚さが0.3mmを超えると、所望の流路幅を確保するために、燃料電池セパレータを大きくする必要があり、その結果、燃料電池が大きくなり、コストアップにつながる。したがって、チタン箔基材の厚さは、0.05mm以上0.3mm以下であることが好ましく、0.08mm以上0.15mm以下であることがより好ましい。
(Thickness of titanium foil base: 0.05 mm or more and 0.3 mm or less)
If the thickness of the titanium
(炭素膜の成膜方法)
本実施形態においては、物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)法により炭素膜7を成膜する。PVD法は、スパッタリング法やアークイオンプレーティング法(以下、「AIP法」と呼ぶことがある。)等によって、基材の表面に所望の膜を形成する方法である。PVD法によると、グラファイトなどの固体の炭素ターゲットを使用して炭素を蒸発させ、チタン箔基材2の片面のみに炭素膜(DLC膜:ダイヤモンドライクカーボン膜)7を成膜することができる。特に、AIP法を使用すると、炭素膜7の成膜速度が速く、得られる炭素膜7の導電性が高いため、AIP法を使用することが好ましい。
(Method of forming carbon film)
In this embodiment, the
AIP法を用いて、チタン箔基材2の一方の面2a上のみに炭素膜7を成膜する装置について、以下に簡単に説明する。図5Aは、AIP装置の一例を示す模式図であり、図5Bは、図5Aの一部を示す側面図である。
図5A及び図5Bに示すように、AIPチャンバ40の内部に、円形の回転テーブル42が回転可能に配設されている。また、回転テーブル42上における周縁部近傍には、4本の支柱43が略等間隔に設けられており、支柱43の径方向外側に、チタン箔基材2がその一方の面2aを向けて保持されるように構成されている。さらに、AIPチャンバ40の内側面には、カーボンターゲット41が配設されているとともに、カーボンターゲット41が設置されている側面に対向する面の近傍には、上面から下面に向かって延びる線状のタングステンフィラメント44が設置されている。
An apparatus for forming the
As shown in FIGS. 5A and 5B, a circular rotary table 42 is rotatably arranged inside the
このようなAIP装置を使用して、炭素膜7を成膜する場合に、まず、AIPチャンバ40内にArを導入した後、回転テーブル42を回転させた状態で、タングステンフィラメント44に電流を流して赤熱させる。次に、タングステンフィラメント44とチタン箔基材2との間に、チタン箔基材2側がマイナスとなるようにバイアス電圧を印加する。これにより、Arイオンをチタン箔基材2の表面に衝突させて、チタン箔基材2の一方の面2aの汚れをスパッタ除去する。
その後、回転テーブル42を回転させた状態で、カーボンターゲット41とAIPチャンバ40との間にアーク放電を発生させて、炭素原子を放出させることにより、チタン箔基材2の一方の面2a上のみに炭素膜7を成膜することができる。
When forming the
After that, while rotating the rotary table 42, an arc discharge is generated between the
なお、AIP法を使用する場合には、放出される炭素原子のイオン化率が高いため、チタン箔基材2にマイナスのバイアス電圧を印加すると、得られる炭素膜7の緻密化が促進される。ただし、一般的に、約100Vのバイアス電圧を印加したときに、膜応力が最も高くなり、それ以上のバイアス電圧を印加すると、温度も上昇するため膜応力が低くなる。したがって、膜応力が高くなることによる炭素膜7の剥離を抑制するためには、炭素膜7の成膜時にチタン箔基材2に印加するバイアス電圧は、50V以下とするか、又は150V以上とすることが好ましい。
When the AIP method is used, the ionization rate of the emitted carbon atoms is high, so applying a negative bias voltage to the
また、成膜された炭素膜7中には、不純物である水素や酸素は、できるだけ少ない方が好ましい。炭素膜7中の水素や酸素の含有量が多いと、焼鈍処理工程において導電性保持皮膜5の表面に炭素領域部4が残存した場合に、炭素領域部4の導電性が低くなる。その結果、セパレータ同士の接触抵抗が高くなり、発電ロスとなることがある。スパッタリング法やAIP法等のPVD法により炭素膜(DLC膜)7を成膜する場合に、炭素膜7に取り込まれる水素や酸素源は、チャンバの内表面に吸着している水分であることが多い。したがって、炭素膜7を成膜する前に、チャンバを加熱するなどして、チャンバの内表面に吸着している水分を除去することが好ましい。
In addition, it is preferable that hydrogen and oxygen, which are impurities, in the formed
(炭素膜の膜厚:5nm以上30nm)
炭素膜成膜工程により成膜する炭素膜2の膜厚が5nm未満であると、その後の焼鈍処理工程において、TiC層3が形成された後にさらに加熱されることにより、TiC層3中の炭素がチタン箔基材2中に拡散吸収されて、TiC層3が残存しないおそれがある。一方、炭素膜(DLC膜)7は、もともとチタン箔基材2との密着性が悪いため、成膜する炭素膜2の膜厚が30nmを超えると、焼鈍処理のときのチタン基材との熱膨張差で生じる応力により炭素膜2が剥離する可能性があり、均一なTiC層3を形成することが困難となることがある。したがって、炭素膜成膜工程により成膜する炭素膜7の膜厚は、5nm以上30nm以下であることが好ましく、10nm以上25nm以下であることがより好ましい。なお、本実施形態においては、TEMにより、倍率を50万倍として試料の断面を観察したときの視野において、最も厚いと思われる部分と最も薄いと思われる部分とその中間の厚さと思われる部分の3点の厚さを測定して、それらの算術平均を膜厚と規定した。
(Thickness of carbon film: 5 nm or more and 30 nm)
If the film thickness of the
<焼鈍処理工程>
チタン箔基材2の表面における不働態皮膜6の上に炭素膜2を成膜した後、これを真空中又は不活性ガス雰囲気中において加熱すると、まず、不働態皮膜6中の酸素がチタン箔基材2中に拡散吸収される。チタン箔基材2中のチタンと、炭素膜2中の炭素との反応は、不働態皮膜6中の酸素がチタン箔基材2中に拡散吸収され、不働態皮膜6が消失した後に開始される。不働態皮膜6は、通常アモルファス構造であり、Ti/O組成比や厚さが均一であるとは限らないため、場所によって消失速度に差が生じるおそれがある。これに伴い、炭素膜2中の炭素とチタン箔基材2中のチタンとが接触するタイミング、すなわち、反応が開始するタイミングが場所によって異なるものとなる。したがって、炭素とチタンとの反応時間が場所によって不均一となるため、焼鈍処理工程により形成されるTiC層3の厚さは、必ずしも均一にはならず、部分的に未反応の炭素領域部4が、導電性保持皮膜5の表面に島状に残存する場合がある。ただし、未反応の炭素領域部4も、TiC層3が有する導電性より低いものの、導電性及び耐食性を有するため、導電性保持皮膜5の表面の一部に炭素領域部4が存在していても、冷却水に晒されても、所望の導電性を維持することができる。
<Annealing process>
After forming the
本実施形態において、導電性保持皮膜5の全表面積に対して、未反応の炭素領域部4の面積が50%以下であると、より一層冷却水環境に対する導電性を維持することができる。導電性保持皮膜5の全表面積に対する未反応の炭素領域部4の面積は、40%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましい。
In the present embodiment, if the area of the unreacted
上述のとおり、炭素膜7中には、不純物である水素や酸素は低減することが好ましいため、焼鈍は、真空中又はAr等の不活性ガス雰囲気中で実施する。また、炭素膜7が酸化してCO2となることを防止するとともに、炭素膜7を成膜していない、チタン箔基材2の他方の面2bが酸化されることを防止するために、焼鈍処理工程における雰囲気の酸素分圧を抑制することが好ましい。具体的には、酸素分圧を0.1Pa以下にすることが好ましい。
As described above, since it is preferable to reduce hydrogen and oxygen impurities in the
(焼鈍温度:700℃以上850℃以下)
焼鈍処理工程における焼鈍温度が700℃未満であると、プレス成型に必要なチタン箔基材について、所望の機械特性を得ることが困難となる場合がある。また、炭素膜7中の炭素がチタン箔基材2中のチタンと十分反応できず、所望の厚さのTiC層が形成できないおそれがある。
一方、焼鈍温度は、チタン箔基材2中の不純物成分及びその含有量にも影響されるため、特に規定しないが、焼鈍温度が850℃を超えると、β相が析出し始めるため、チタン箔基材2の機械特性が損なわれるおそれがある。したがって、焼鈍処理工程における焼鈍温度は、700℃以上850℃以下とすることが好ましく、750℃以上820℃以下とすることがより好ましい。
(Annealing temperature: 700°C or higher and 850°C or lower)
If the annealing temperature in the annealing step is less than 700°C, it may be difficult to obtain the desired mechanical properties of the titanium foil base material necessary for press molding. In addition, the carbon in the
On the other hand, the annealing temperature is not specified because it is also affected by the impurity components and their contents in the titanium
(焼鈍時間:20秒以上60秒以下)
焼鈍時間の設定は、焼鈍温度に影響されるため、本実施形態において特に規定しないが、20秒以上60秒以下とすることが好ましい。なお、焼鈍温度が低い場合は、焼鈍時間を長くすることが好ましく、焼鈍温度が高い場合は、焼鈍時間を短くすることが好ましい。このように調整することにより、プレス成型に必要な機械特性と、冷却水に対して優れた耐性を有するTiC層を得ることができる。
(annealing time: 20 seconds or more and 60 seconds or less)
Since the setting of the annealing time is affected by the annealing temperature, it is not particularly specified in the present embodiment, but it is preferably 20 seconds or more and 60 seconds or less. When the annealing temperature is low, it is preferable to lengthen the annealing time, and when the annealing temperature is high, it is preferable to shorten the annealing time. By adjusting in this way, it is possible to obtain a TiC layer having mechanical properties necessary for press molding and excellent resistance to cooling water.
ここで、焼鈍時間とは、表面に炭素膜7が形成されたチタン箔基材2を、加熱炉に入れてから出すまでの時間である。したがって、チタン箔基材2の温度が常温から炉内温度に上昇するまでの時間も含まれているため、炉の加熱ヒータの材質によっても、焼鈍時間を調整することが好ましい。例えば、ヒータの輻射率によっても、設定温度に上がるまでの時間が変わるため、プレス成型に必要な機械特性と、冷却水に対して優れた耐性を有するTiC層を形成することができるように、適宜、ヒータの材質等に応じて、焼鈍温度及び焼鈍時間を調整することが好ましい。
Here, the annealing time is the time from when the titanium
[燃料電池セパレータ]
図6は、本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータを用いた電池セルを示す模式図である。図6に示すように、固体高分子膜(電解質膜)51の厚さ方向に直交する両面に、白金触媒(電極層)52が配置され、さらにその両面に、一対のカーボンペーパー(ガス拡散層)53が配置されている。そして、これらの最も外側の面に、本実施形態に係る燃料電池セパレータ10が配置され、電池セル50が構成されている。なお、一対の燃料電池セパレータは、不図示の導線を介してモータ等に接続されている。
[Fuel cell separator]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a battery cell using the fuel cell separator according to the embodiment of the invention. As shown in FIG. 6, a platinum catalyst (electrode layer) 52 is arranged on both surfaces perpendicular to the thickness direction of a solid polymer membrane (electrolyte membrane) 51, and a pair of carbon paper (gas diffusion layer) is provided on both surfaces. ) 53 are arranged. The
このように構成された電池セル50において、一方の燃料電池セパレータ10とカーボンペーパー53との間に形成された流路溝にH2ガスが供給されると、カーボンペーパー53を介してH2ガスが拡散され、白金触媒52に到達する。ここで、H2ガスが白金触媒52により水素イオンH+となり、固体高分子膜51の内部を透過した後、白金触媒52に到達する。他方の燃料電池セパレータ10とカーボンペーパー53との間に形成された流路溝には、O2ガスが供給されており、白金触媒52によりH2Oが合成され、排出される。このように、水素イオンの移動により、電子e-が水素イオンと逆方向に移動するため電流が発生し、モータ等を駆動することができる。
In the
本実施形態に係る燃料電池セパレータ10は、上述の本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材1を有し、H2ガスやO2ガスの流路、及び後述する冷却水の流路を構成するため、プレス成型されている。そして、導電性保持皮膜が、電池セル50の外表面側となるように、燃料電池セパレータ10が配置される。
なお、一対の燃料電池セパレータ10の間には、固体高分子中のSO3
-が溶出して、硫酸が生成されており、酸性腐食環境となっている。したがって、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材1には、チタン箔基材2の他方の面2b上に、例えば酸性環境に対する耐食性が高い機能性皮膜が形成されていることが好ましい。これにより、冷却水側には、導電性保持皮膜を有する面が冷却水に接するように配置され、電池内部側には、機能性保持皮膜が酸性環境に晒されるように配置される。
The
Note that SO 3 − in the solid polymer is eluted between the pair of
本実施形態に係る燃料電池セパレータ10をこのように配置することにより、導電性保持皮膜5が電池セル50の外表面に配置される。したがって、後述するように電池セル50を積層し、各電池セル50間に冷却水を流した場合に、導電性保持皮膜5の存在により、高い導電性を長期間維持することができる。
By arranging the
[燃料電池]
図7は、本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータを有する燃料電池を示す模式図である。図7において、図6に示すもの同一又は同等部分については、図面に同一符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
本実施形態に係る燃料電池は、積層された複数の上記電池セル50を備える。各電池セル50は、それぞれ、外表面に本実施形態に係る燃料電池セパレータ10を有する。なお、隣り合う電池セル50における隣り合う燃料電池セパレータ10同士は、少なくとも一部で互いに接触しているとともに、隣り合う燃料電池セパレータ10間には、冷却水の流路が形成されている。
上述のとおり、燃料電池セパレータ10は、本発明の実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材1を有し、隣り合う燃料電池セパレータ10同士が対向する表面、すなわち、冷却水の流路側に、燃料電池セパレータ用チタン材1の導電性保持皮膜5が存在している。
[Fuel cell]
FIG. 7 is a schematic diagram showing a fuel cell having a fuel cell separator according to an embodiment of the invention. In FIG. 7, the same or equivalent parts as those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted or simplified.
The fuel cell according to this embodiment includes a plurality of stacked
As described above, the
このように構成された燃料電池においては、冷却水の流路側に、冷却水に対する耐性が高く、導電性の低下を防止することができる導電性保持皮膜5が存在するため、高い導電性を長期間維持することができ、優れた電池性能を得ることができる。
In the fuel cell configured in this manner, the
以下、本実施形態に係る燃料電池セパレータ用チタン材の実施例及び比較例について説明する。
以下に示す種々の製造方法により、燃料電池セパレータ用チタン材の試験片を作成し、その構造を観察するとともに、接触抵抗を測定した。
Hereinafter, examples and comparative examples of the titanium material for fuel cell separators according to the present embodiment will be described.
Test pieces of titanium materials for fuel cell separators were prepared by various manufacturing methods described below, and their structures were observed and their contact resistances were measured.
[試験片の作成]
<チタン箔基材の準備>
0.1mmの厚さに圧延したチタン箔を、10cm×20cmの大きさに切り出し、チタン箔基材とした。なお、チタン箔としては、化学成分の規格値が、Fe:0.10質量、O:0.08質量%、C:0.03質量%、N:0.03質量%であるものを用いた。
[Preparation of test piece]
<Preparation of titanium foil substrate>
A titanium foil having a thickness of 0.1 mm was cut into a size of 10 cm×20 cm to obtain a titanium foil base material. As the titanium foil, the standard values for the chemical components were Fe: 0.10 mass%, O: 0.08 mass%, C: 0.03 mass%, and N: 0.03 mass%. .
<炭素膜成膜工程>
図5A及び図5Bに示すAIPチャンバ40内に配置された、直径が20cmである回転テーブル42の周縁部における各支柱43に、チタン箔基材2の一方の面2aが径方向外側となるように固定した後、AIPチャンバ40内を真空とした。次に、回転テーブル42を3rpmの速度で回転させた状態で、ArガスをAIPチャンバ40内に導入して、チャンバ内圧力を2Paに調整した。その後、AIPチャンバ40の内部に設置されたタングステンフィラメント44に電流を流して赤熱させ、タングステンフィラメント44とチタン箔基材2との間に、チタン箔基材2側がマイナスとなるように、300Vのバイアス電圧を40秒間印加した。そして、これにより発生したArイオンを、チタン箔基材2の表面に衝突させて、チタン箔基材2の表面の汚れをスパッタ除去した。
<Carbon film deposition process>
Each
その後、回転テーブル42の回転速度を5rpmにするとともに、AIPチャンバ40内のAr圧力を0.5Paとなるように設定して、カーボンターゲット41とAIPチャンバ40間に放電電流40Aでアーク放電を発生させ、炭素を蒸発させた。これにより、チタン箔基材2の一方の面2a上に炭素膜(DLC膜)7を形成した。なお、チタン箔基材2の表面の不働態皮膜は、除去しなかった。また、炭素膜7の成膜中において、チタン箔基材2にはバイアス電圧を印加しなかった(アース電位0Vで成膜した)。このようにして、炭素膜7の成膜時間を12秒、24秒、36秒の3種類とした試験片を作製した。
After that, the rotational speed of the rotary table 42 is set to 5 rpm, the Ar pressure in the
(膜厚の測定)
36秒の成膜時間で炭素膜7を成膜した試験片について、断面TEM-EDX(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析により炭素膜7の膜厚と元素分析を行った。
なお、TEM-EDX分析は以下のようにして行った。試験片の最表面を保護するため、オスミウムコーターにてオスミウム膜を成膜するとともに、高真空蒸着装置にてカーボン膜を成膜し、さらに集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)にてタングステン膜を成膜した後、FIBマイクロサンプリングにて、小片を摘出した。その後、摘出した小片に対して、FIB加工によりTEM観察可能な厚さまで薄片化を行い、TEM-EDX観察を行った。
(Measurement of film thickness)
The film thickness and elemental analysis of the
TEM-EDX analysis was performed as follows. In order to protect the outermost surface of the test piece, an osmium film is formed with an osmium coater, a carbon film is formed with a high vacuum deposition device, and a tungsten film is formed with a focused ion beam (FIB). After forming a film, a small piece was excised by FIB microsampling. After that, the excised piece was thinned by FIB processing to a thickness that allows TEM observation, and TEM-EDX observation was performed.
図8Aは、炭素膜の成膜後の断面TEM像を示す図面代用写真である。また、図8Bは、図8Aにおける酸素のEDX像を示す図面代用写真であり、図8Cは、図8AにおけるチタンのEDX像を示す図面代用写真である。図8Aに示すように、炭素膜7の膜厚はほぼ均一であり、30nmであった。なお、炭素膜7の膜厚は、成膜時間に比例すると考えられるため、成膜時間が12秒である試験片、及び成膜時間が24秒である試験片の炭素膜7の膜厚は、それぞれ10nm、20nmであると推測される。なお、膜厚は、倍率を50万倍として撮影された図8Aにおいて、最も厚いと思われる部分と最も薄いと思われる部分とその中間の厚さと思われる部分の3点の厚さを測定して、それらを算術平均した値とした。
FIG. 8A is a drawing-substituting photograph showing a cross-sectional TEM image after the formation of the carbon film. 8B is a drawing substitute photograph showing an EDX image of oxygen in FIG. 8A, and FIG. 8C is a drawing substitute photograph showing an EDX image of titanium in FIG. 8A. As shown in FIG. 8A, the film thickness of the
(構造の観察)
図8Bの酸素像及び図8Cのチタン像で示されるように、チタン箔基材2の表面に、酸素濃度が高い酸素とチタンからなり、厚さが5~10nmである不働態皮膜6が存在することが確認された。また、不働態皮膜6とオスミウム膜8との間には、炭素膜7が存在することが確認された。さらに、図8AのTEM像で示されるように、炭素膜7は不働態皮膜6上に隙間なく密着していることも確認することができた。
(Observation of structure)
As shown by the oxygen image in FIG. 8B and the titanium image in FIG. 8C, the surface of the titanium
<焼鈍処理工程>
加熱室とサンプル室の2室からなり、サンプル室と加熱室間のサンプル搬送が可能な真空加熱装置を用いて焼鈍処理を行った。まず、サンプル室のトレイ上に、36秒の成膜時間で炭素膜7を成膜したチタン箔基材を設置した。次に、チャンバ内を0.01Pa以下の真空にした後、加熱室のヒータを760℃に加熱して、Arガスを40Paになるまで導入した。その後、チタン箔基材をサンプル室から加熱室に搬送して、40秒加熱した後、再びサンプル室に搬送して焼鈍を終了し、チタン箔基材が十分冷えてから、チャンバからチタン箔基材を取り出し、焼鈍後の試験片とした。
<Annealing process>
Annealing treatment was performed using a vacuum heating apparatus consisting of two chambers, a heating chamber and a sample chamber, capable of transferring samples between the sample chamber and the heating chamber. First, a titanium foil base material on which a
なお、ヒータ設定温度とチタン箔の到達温度との間には温度差が発生する。例えば、ヒータ温度を615℃に設定して、熱電対を溶接したチタン箔基材を加熱室に挿入し、チタン箔基材の到達温度を測定したところ、約630℃を示した。このことから、焼鈍に用いた炉では、チタン箔基材の温度はヒータ設定温度よりも15℃高くなると思われる。したがって、ヒータ温度を760℃に設定した場合に、チタン箔基材の温度は775℃程度になっていると推測される。 Note that there is a temperature difference between the heater set temperature and the temperature reached by the titanium foil. For example, the heater temperature was set to 615°C, the titanium foil base material welded with a thermocouple was inserted into the heating chamber, and the ultimate temperature of the titanium foil base material was measured, which was about 630°C. From this, it is considered that the temperature of the titanium foil substrate is 15° C. higher than the heater set temperature in the furnace used for annealing. Therefore, when the heater temperature is set to 760°C, it is estimated that the temperature of the titanium foil base material is about 775°C.
(TiC層の評価)
焼鈍後の試験片について、断面TEM-EDX分析、及び電子線回折を行った。図9Aは、焼鈍後の試験片の断面TEM像を示す図面代用写真である。図9Bは、図9Aにおける酸素のEDX像を示す図面代用写真であり、図9Cは、図9AにおけるチタンのEDX像を示す図面代用写真である。また、図10は、焼鈍後の試験片の電子解析図形を示す図面代用写真である。
(Evaluation of TiC layer)
Cross-sectional TEM-EDX analysis and electron beam diffraction were performed on the annealed test piece. FIG. 9A is a drawing-substituting photograph showing a cross-sectional TEM image of the test piece after annealing. 9B is a drawing-substituting photograph showing an EDX image of oxygen in FIG. 9A, and FIG. 9C is a drawing-substituting photograph showing an EDX image of titanium in FIG. 9A. Moreover, FIG. 10 is a drawing substitute photograph which shows the electronic analysis figure of the test piece after annealing.
図10に示す電子線回折像から、立方晶構造が形成されていること、及び(220)の面間隔が0.153nmであることが解析された。また、下記式(1)より、格子定数は0.433nmと算出され、TiCの格子定数と一致することから、TiCが形成されていることが確認された。 From the electron beam diffraction image shown in FIG. 10, it was analyzed that a cubic crystal structure was formed and the interplanar spacing of (220) was 0.153 nm. In addition, the lattice constant was calculated to be 0.433 nm from the following formula (1), which coincided with the lattice constant of TiC, confirming that TiC was formed.
また、図9Aの断面TEM像、図9Bの酸素像及び図9Cのチタン像で示されるように、チタン箔基材2とオスミウム膜8との間には、炭素及びチタンからなるTiC層3と、炭素のみからなる炭素領域部4と、からなる導電性保持皮膜が確認された。さらに、焼鈍処理工程の前に存在していた不働態皮膜6は消失したことが確認された。なお、TiC層3は、約15~40nmの不均一な厚さで形成され、最表面には未反応の炭素領域部4がところどころ残存していた。また、TiC層3と炭素領域部4とにより構成される導電性保持皮膜の厚さは、約30~40nmであった。
As shown in the cross-sectional TEM image of FIG. 9A, the oxygen image of FIG. 9B, and the titanium image of FIG. , and a
炭素膜7の成膜時間を12秒とした試験片と、24秒とした試験片については、TiC層3の膜厚を確認していないが、TiC層3の膜厚は炭素膜7の膜厚にほぼ比例すると考えられる。したがって、炭素膜7の成膜時間を12秒としたTiC層3は、36秒としたTiC層の1/3の厚さとなり、炭素膜7の成膜時間を24秒としたTiC層3は、36秒としたTiC層の2/3の厚さとなっていると考えられる。すなわち、残存している炭素領域部4及びTiC層3からなる導電性保持皮膜の厚さは、12秒の成膜の場合に10~13nm、24秒の成膜の場合に20~27nm程度と考えられる。これらのことから、炭素膜7の成膜時間を約11秒とした場合、又は炭素膜7の成膜の厚さを9nmとした場合に、炭素膜7がほぼ全てTiC層3となっていると考えられる。
Although the film thickness of the
<プレス成型模擬工程>
まず、焼鈍処理工程後のチタン箔基材について、圧延方向の長さが65mm、圧延方向と直交する方向の長さが20mmとなるように切り取った。次に、65mmの方向(長手方向)の中心に中心線を引き、中心線から両端面に向かって12.5mm離隔した位置に、中心線と平行にマジックで2本の標線を引いた。すなわち、2本の標線間の幅を25.0mmとした。その後、引張試験機で、長手方向の両端部を挟持し、標線間の幅が32.5mm(伸び率:30%)となるように引っ張ることにより、プレス成型を模擬したプレス成型模擬試験片を作製した。なお、導電性保持皮膜同士の接触抵抗を測定するために、互いに同じ条件で処理されたチタン箔基材から、2枚のプレス成型模擬試験片を作製した。
<Press molding simulation process>
First, the titanium foil base material after the annealing treatment step was cut so that the length in the rolling direction was 65 mm and the length in the direction perpendicular to the rolling direction was 20 mm. Next, a center line was drawn at the center of the direction (longitudinal direction) of 65 mm, and two marked lines were drawn with a marker parallel to the center line at positions 12.5 mm apart from the center line toward both end faces. That is, the width between the two marked lines was set to 25.0 mm. After that, a press-molding simulated test piece that simulates press-molding by holding both ends in the longitudinal direction with a tensile tester and pulling it so that the width between the marked lines is 32.5 mm (elongation rate: 30%). was made. In addition, in order to measure the contact resistance between the conductive holding films, two press-molded simulated test specimens were produced from titanium foil substrates treated under the same conditions.
(初期接触抵抗の測定)
図11Aは、プレス成型模擬試験片の接触抵抗測定方法を示す模式図であり、図11Bは、2枚のプレス成型模擬試験片の接触部分を示す上面図である。図11Aにおいて、図2Aと同一の部分については、同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
図11Aに示す接触抵抗測定器30を用いて、初期の接触抵抗を測定した。具体的には、上記のとおり作製したプレス成型試験片34の導電性保持皮膜が形成されている面の中央部付近の上に、直径16mmの穴をあけた0.05mm厚さの樹脂シート35を、その穴がプレス成型模擬試験片34で覆われるように重ねて載置した。その後、樹脂シート35の上に、もう1枚のプレス成型模擬試験片36の導電性保持皮膜が形成されている面が樹脂シート35側になるようにして、樹脂シート35の穴が隠れるように重ねて載置した。このようにして、2枚のプレス成型模擬試験片34、36の導電性保持皮膜同士が、樹脂シート35の穴35aを介して接触するようにして、試験材料37を作製した。
(Measurement of initial contact resistance)
FIG. 11A is a schematic diagram showing a method of measuring the contact resistance of press-molded simulated test pieces, and FIG. 11B is a top view showing contact portions of two press-molded simulated test pieces. In FIG. 11A, the same parts as those in FIG. 2A are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
The initial contact resistance was measured using the contact
その後、樹脂シート35の穴35aの領域で、直径が14mm、面積が1.54cm2である1対の円柱状の銅製電極31aと31bとの荷重が印加されるように(すなわち、樹脂シートが電極間に挟まれないように)、上記3枚重ねの試験材料37を挿入した。その後、荷重を15.4kg(面圧:10kg/cm2)として、試験材料37を銅製電極31aと銅製電極31bとで加圧した。その後、4端子法抵抗測定器(鶴賀電機製:低抵抗計356E)33の一方の電流端子32aを銅製電極31aに、他方の電流端子32bを銅製電極31bに接続するとともに、2つの抵抗測定端子38a、38bを、2枚の試験片の端部にそれぞれ接続して、抵抗を測定した。その後、得られた抵抗値に接触面積である1.54cm2を乗じることにより、浸漬前の初期接触抵抗を算出した。
After that, in the area of the
なお、実施例として、導電性保持皮膜側の接触抵抗を測定するときは、導電性保持皮膜が形成されている面同士が接触するようにして接触抵抗を測定したが、比較のために、導電性保持皮膜が形成されていない裏面側(チタン面)同士を接触させて、チタンの接触抵抗も測定し、比較例とした。 As an example, when measuring the contact resistance on the side of the conductive retention film, the contact resistance was measured so that the surfaces on which the conductive retention film was formed were in contact with each other. The contact resistance of titanium was also measured by bringing the back sides (titanium surfaces) on which no property-retaining film was formed into contact with each other to obtain a comparative example.
(冷却水浸漬後の接触抵抗の測定)
冷却水に暴露された後の接触抵抗の変化を調べた。具体的には、ポリエチレン容器内に燃料電池自動車用の冷却水(エチレングリコール80~90質量%含有)を入れ、この冷却水の中に、初期抵抗を測定した試験片を浸漬して密閉した。そして、80℃の恒温炉内で4日間(96時間)保持した後に、恒温炉内から容器を取り出すとともに、試験片を冷却水から取り出して、イオン交換水で水洗乾燥した後、初期接触抵抗と同じ方法で接触抵抗を測定した。
(Measurement of contact resistance after immersion in cooling water)
The change in contact resistance after exposure to cooling water was investigated. Specifically, cooling water for a fuel cell vehicle (80 to 90 mass % ethylene glycol content) was placed in a polyethylene container, and the test piece whose initial resistance was measured was immersed in the cooling water and sealed. Then, after holding for 4 days (96 hours) in a constant temperature furnace at 80 ° C., the container is removed from the constant temperature furnace, the test piece is removed from the cooling water, washed with ion-exchanged water and dried. Contact resistance was measured in the same way.
(接触抵抗の評価結果)
導電性保持皮膜が形成されている面同士が接触するように配置した実施例と、チタン箔基材2の他方の面2b同士が接触するように配置した比較例について、初期接触抵抗と、4日間の冷却水浸漬後の接触抵抗を下記表1に示す。なお、下記表1の炭素膜の膜厚及び導電性保持皮膜の欄に記載された「※」は、炭素膜の成膜時間を36秒とした場合の炭素膜の膜厚及び導電性保持皮膜の膜厚から、成膜時間に比例させて算出した値であることを示す。本実施例においては、接触抵抗が3mΩ・cm2以下であったものを合格とした。
(Evaluation result of contact resistance)
The initial contact resistance and 4 The contact resistance after immersion in cooling water for days is shown in Table 1 below. The "*" in the columns of the thickness of the carbon film and the conductivity-preserving film in Table 1 below indicates the thickness of the carbon film and the conductivity-preserving film when the carbon film was formed for 36 seconds. It is a value calculated in proportion to the film formation time from the film thickness of . In this example, a contact resistance of 3 mΩ·cm 2 or less was considered acceptable.
上記表1に示すように、炭素膜の膜厚が10nm~30nmと推定されるすべての試験片において、導電性保持皮膜の膜厚は、10~40nmと推定された。また、導電性保持皮膜同士を接触させた実施例については、初期抵抗はいずれも0.3mΩ・cm2と低く、4日間の冷却水浸漬後の接触抵抗は、高くても1.1mΩ・cm2であり、いずれも3mΩ・cm2以下となった。
一方、導電性保持皮膜が形成されていないチタン面同士を接触させた比較例については、初期抵抗はいずれも3mΩ・cm2以下となっているが、4日間の冷却水浸漬後の接触抵抗は、いずれも3mΩ・cm2を超えており、チタン箔基材の表面の不働態皮膜が、冷却水中でさらに酸化や成長することにより、接触抵抗が大きく上昇したことを確認できた。なお、チタン面、すなわち、チタン箔基材2の他方の面2b側は、電池セルの内部側となるように配置されるため、電池セルの内部の酸性環境において、腐食が抑制できるとともに、接触抵抗の上昇を防止することができる機能性皮膜が形成されることが好ましい。
As shown in Table 1 above, the film thickness of the conductive retention film was estimated to be 10 to 40 nm in all test pieces in which the film thickness of the carbon film was estimated to be 10 nm to 30 nm. In addition, in the examples in which the conductive retention films were brought into contact with each other, the initial resistance was as low as 0.3 mΩ·cm 2 , and the contact resistance after immersion in cooling water for 4 days was 1.1 mΩ·cm at the highest. 2 , and all of them were 3 mΩ·cm 2 or less.
On the other hand, in the comparative examples in which the titanium surfaces on which the conductive retention film was not formed were brought into contact with each other, the initial resistance was 3 mΩ·cm 2 or less, but the contact resistance after immersion in cooling water for 4 days was , both exceeded 3 mΩ·cm 2 , and it was confirmed that the passive film on the surface of the titanium foil base material further oxidized and grew in the cooling water, resulting in a large increase in the contact resistance. The titanium surface, that is, the
1 燃料電池セパレータ用チタン材
2 チタン箔基材
3 TiC層
4 炭素領域部
5 導電性保持皮膜
6 不働態皮膜
7 炭素膜
10 燃料電池セパレータ
50 電池セル
51 固体高分子膜
52 白金触媒
1 Titanium Material for
Claims (14)
前記導電性保持皮膜はTiC層を含み、前記TiC層は、前記チタン箔基材に直接接触しているとともに、前記TiC層の少なくとも一部が前記導電性保持皮膜の表面に露出していることを特徴とする、燃料電池セパレータ用チタン材。 A titanium foil substrate having a first surface and a second surface orthogonal to a thickness direction, and a conductive retention coating formed on at least the first surface of the titanium foil substrate,
The conductivity preserving coating includes a TiC layer, the TiC layer being in direct contact with the titanium foil base material, and at least a portion of the TiC layer being exposed on the surface of the conductivity preserving coating. A titanium material for a fuel cell separator, characterized by:
前記導電性保持皮膜が、前記電池セルの外表面側となるように配置されることを特徴とする、請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池セパレータ用チタン材。 Used in fuel cell separators contained in battery cells,
The titanium material for a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said conductive retaining film is arranged on the outer surface side of said battery cell.
前記炭素膜が成膜された前記チタン箔基材を、真空中又は不活性ガス雰囲気中において加熱する焼鈍処理工程と、を有し、
前記焼鈍処理工程において、前記不働態皮膜中の酸素が前記チタン箔基材中に拡散吸収された後に、前記炭素膜中の炭素と前記チタン箔基材中のチタンとが反応し、前記チタン箔基材の一方の面に接触するTiC層を有する導電性保持皮膜が形成されることを特徴とする、燃料電池セパレータ用チタン材の製造方法。 a carbon film forming step of forming a carbon film by physical vapor deposition on one surface of a titanium foil base material having a passivation film formed on the surface;
an annealing treatment step of heating the titanium foil base on which the carbon film is formed in a vacuum or in an inert gas atmosphere;
In the annealing treatment step, after oxygen in the passivation film is diffused and absorbed in the titanium foil base material, carbon in the carbon film reacts with titanium in the titanium foil base material, and the titanium foil is A method for producing a titanium material for a fuel cell separator, characterized in that a conductive retaining coating is formed having a TiC layer in contact with one surface of a substrate.
両面に電極層が形成された電解質膜と、前記電解質膜の両側に設けられた一対のガス拡散層と、を外面側から挟持するように設けられ、
請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池セパレータ用チタン材を有し、
前記チタン箔基材の第2の面が前記ガス拡散層に対向するように配置されていることを特徴とする、燃料電池セパレータ。 A fuel cell separator included in a battery cell,
provided so as to sandwich an electrolyte membrane having electrode layers formed on both sides and a pair of gas diffusion layers provided on both sides of the electrolyte membrane from the outer surface side,
Having the titanium material for a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5,
A fuel cell separator, wherein the second surface of the titanium foil substrate is arranged to face the gas diffusion layer.
各電池セルは、それぞれ外表面に請求項13に記載の燃料電池セパレータを有し、
隣り合う前記電池セル間における隣り合う燃料電池セパレータ同士は、少なくとも一部で互いに接触しているとともに、前記隣り合う燃料電池セパレータ間に冷却水の流路が形成されており、
前記隣り合う前記燃料電池セパレータ同士が対向する表面に、前記燃料電池セパレータ用チタン材の前記導電性保持皮膜が存在することを特徴とする、燃料電池。 A fuel cell comprising a plurality of stacked battery cells,
Each battery cell has the fuel cell separator according to claim 13 on its outer surface,
Adjacent fuel cell separators between the adjacent battery cells are in contact with each other at least partially, and cooling water flow paths are formed between the adjacent fuel cell separators,
A fuel cell characterized in that the conductive retaining film of the titanium material for fuel cell separators is present on the surfaces of the adjacent fuel cell separators facing each other.
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