JP4886885B2 - チタン製燃料電池セパレータ - Google Patents
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Description
例えば、気相成膜により、炭素膜を基材表面に形成したセパレータ(特許文献1参照)や、ステンレス基材の表面に黒鉛が圧着されているセパレータ(特許文献2、特許文献3参照)が提案されている。
また、特許文献2、3に開示された技術は、基材がステンレスからなることから、セパレータとして使用中に鉄イオンが溶出してしまい、固体高分子膜を劣化させる虞がある。また、特許文献2、3に開示された技術の炭素層は、炭素の量が少ないため、基材のステンレスが露出している領域が多くなり、上記のように鉄イオンの溶出や基材表面の酸化が起こりやすく導電性が低下する虞がある。
加えて、当該チタンカーバイドは、基材と炭素層とが反応して形成されたものであるため、基材と炭素層との密着性を向上させることができる。
さらに、当該チタンカーバイドは、炭素層を基材表面に長期間密着させることができるので、導電耐久性(耐久性:導電性を長期間維持する性質)も向上させることができる。
グラファイトは良好な導電性を有すると共に酸性雰囲気下での耐久性が良い。このため、グラファイト構造の炭素が基材表面を一定以上の面積率で被覆すると環境遮蔽性(基材を燃料電池のセル内環境から遮蔽する性能)が良くなり、基材と炭素層との界面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなる。このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、炭素層がグラファイトを含むものであるため、セパレータの導電性および導電耐久性を向上させることができる。
このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの中間層を構成するチタンカーバイドの平均粒径が5nm以上であることにより、基材から炭素層が剥がれ難くなるため、基材と炭素層との密着性を確保することができる。
また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、炭素層がグラファイトを含むものであることにより、セパレータの導電性および耐久性をさらに向上させることができる。
加えて、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、中間層を構成するチタンカーバイドの平均粒径が5nm以上であることにより、基材と炭素層との密着性を確保することができる。
実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータ10(以下、適宜、セパレータという)は、図1(a)、(b)に示すように、基材1と、当該基材1の表面(片面または両面)に形成された炭素層2と、基材1と炭素層2との界面に形成された中間層3と、から構成される。
以下、基材1、炭素層2、中間層3、およびセパレータ10の製造方法を詳細に説明する。
セパレータ10の基材1は、純チタンまたはチタン合金からなる。よって、基材1は、ステンレス等を用いた場合と比べて軽量であるとともに、耐食性に優れる。また、基材1が、炭素層2および中間層3により被覆されずに露出している箇所や端面部が存在しても、燃料電池のセル内環境下において不働態皮膜を形成するため金属溶出の虞がなく、基材1の溶出(劣化)を防止することができ、固体高分子膜を劣化させる虞が無い。加えて、純チタンまたはチタン合金は、強度、靭性に優れていることから、基材1の強度、靭性についても確保できる。
セパレータ10の炭素層2は、導電性と耐食性を有する炭素から構成される。そして、当該炭素は、特に限定されず、非晶質炭素であってもよい。しかし、当該炭素(炭素層2)は、結晶性のグラファイトを含んでいることが好ましい。グラファイトの環境遮蔽性(基材1を燃料電池のセル内環境から遮蔽する性能)により、基材1と炭素層2との界面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなり、その結果、セパレータ10の導電性および導電耐久性を向上させることができるからである。
なお、グラファイトとは、六角形格子構造であるとともにシート状を呈したグラフェンシートが層状に多数積み重なった炭素からなる六角板状結晶のことである。
なお、炭素層2の形成方法の詳細については後記するが、炭素粉が表面に付着した基材1を圧延することにより形成することができる。
なお、上限は特に限定されないが、1000μg/cm2を越えて付着させても導電耐久性に変化がないことから、1000μg/cm2以下でよい。
基材1と炭素層2との界面に、基材1と炭素層2とが反応して形成された粒状のチタンカーバイドからなる中間層3が形成されている。この粒状のチタンカーバイドは導電性を有するため、基材1と炭素層2との界面における電気抵抗が小さくなり、セパレータ10の導電性が向上する。加えて、粒状のチタンカーバイドは、基材1と炭素層2とが反応して形成されたものであるため、基材1と炭素層2との密着性が向上する。
なお、粒状とは、球体、球に近似した立体、楕円体、多面体等の形状であることを意味する。
なお、中間層3は、基材1と炭素層2との間の全ての界面に形成されていることが好ましいが、密着性を確保するためには、当該界面の50%以上に形成されていればよい。
なお、チタンカーバイドの平均粒径の上限は特に限定されないが、100nmを越えても密着性に変化がないことから、100nm以下でよい。
≪セパレータの製造方法≫
まず、基材1の表面(片面または両面)に炭素粉を塗布する(炭素粉塗布工程)。塗布方法については、特に限定されないが、炭素粉を基材1上に粉末状のまま直接付着させたり、炭素粉をメチルセルロース等の水溶液や樹脂成分を含む塗料中に分散させたスラリーを、基材1の表面に塗布したりすればよい。
なお、圧下率は、冷間圧延前後の基材の板厚変化から算出した値であり、「圧下率=(t0―t1)/t0×100」(t0:炭素粉塗布工程後の初期板厚、t1:圧延後の板厚)により算出する。
なお、非酸化性雰囲気とは、酸化性ガスの分圧が低い雰囲気、例えば、酸素分圧1.3×10−3Pa下のような雰囲気である。
基材としては、JIS 1種のチタン基材(焼鈍酸洗仕上げ)を使用した。チタン基材の化学組成は、O:450ppm、Fe:250ppm、N:40ppm、残部がTiおよび不可避的不純物であり、チタン基材の板厚は、0.5mmである。使用した炭素粉は、平均粒径10μm、純度4Nである。なお当該チタン基材は、チタン原料に対して従来公知の溶解工程、鋳造工程、熱間圧延工程、冷間圧延工程を施して得られたものである。
そして、1パス当たりの圧下率が所定の値となるようにロールギャップを調整し、所定のトータル圧下率まで複数パスに分けて冷間圧延を実施した。なお、圧延ロールには潤滑油を塗布していない。
試験体表層の断面をイオンビーム加工装置(日立集束イオンビーム加工観察装置 FB−2100)でサンプルを加工した後、透過型電子顕微鏡(TEM:日立電界放出形分析電子顕微鏡 HF−2200)にて750000倍の倍率で断面観察し、炭素層とチタン基材との界面においてチタンカーバイドが存在するか否かを判定した。加えて、粒状のチタンカーバイドの平均粒径を測定した。ここで、粒径(直径)とは、チタンカーバイドが球状を呈さない場合は、測定した粒子の長径および短径の加算平均値である。また、平均粒径とは、測定した20個のチタンカーバイドの平均の粒径である。
前記方法により作製した試験体から所定サイズの試験片を切り出し、当該試験片の質量を測定した。その後、試験片を純水にて超音波洗浄し炭素層を除去した。そして、試験片を乾燥した後、質量測定を行って減少した質量を算出した。この減少した質量の値を試験片の表面積(端部は除く)で除して炭素付着量(μg/cm2)を求めた。
図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、密着性評価を行った。試験体31の両面を2枚のカーボンクロス32,32で挟み、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極33,33で挟んで荷重98N(10kgf)に加圧し、両面から加圧された状態を保持したまま、面内方向に試験体31を引き抜いた(引抜き試験)。
引抜き試験後、非摩擦面および摩擦面をSEM/EDXにて100倍の倍率で観察し、加速電圧を15kVとしてチタン(Ti)と炭素(C)を定量分析したときに、非摩擦面での炭素の量(原子%)を100%として、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量の80%以上であったときは○(非常に良好)、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量50%以上、80%未満であるときは△(良好)、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量50%未満であるときを×(不良)と判断した。引抜き試験後、摩擦面を目視で観察した場合に、チタン基材の露出が観察されなかったときは○(非常に良好)、チタン基材の露出面積が50%未満であるときは△(良好)、露出面積が50%以上であったときは×(不良)と判断した。
前記方法により作製した試験体について、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、接触抵抗を測定した。詳細には、試験体31の両面を2枚のカーボンクロス32,32で挟み、さらにその外側を接触面積1cm2の2枚の銅電極33,33で挟んで荷重98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源34を用いて7.4mAの電流を通電し、カーボンクロス32,32の間に加わる電圧を電圧計35で測定して、接触抵抗を求めた。
接触抵抗(表1では初期接触抵抗と示す)が10mΩ・cm2以下の場合を導電性が良好、10mΩ・cm2を超える場合を導電性が不良とした。
前記方法により作製した試験体について、耐久性評価(耐久試験)を行った。すなわち、試験体を比液量が20ml/cm2である80℃の硫酸水溶液(10mmol/L)に浸漬し、さらに飽和カロメル電極(SCE)を基準として試験体に対して+600mVの電位を印加しながら200時間の浸漬処理を行った後、試験体を硫酸水溶液から取り出し、洗浄、乾燥して、前記と同様の方法で接触抵抗を測定した。
前記浸漬後(耐久試験後)の接触抵抗(表1では耐久試験後接触抵抗と示す)が30mΩ・cm2以下の場合を耐久性が良好、30mΩ・cm2を超える場合を耐久性が不良とした。
一方、試験体No.6〜8は中間層がTi酸化膜であったため、炭素層の密着性が低かった。また、耐食試験後の接触抵抗上昇が認められ、燃料電池セパレータ用材料としては好ましくないことがわかった。
2 炭素層
3 中間層
3a チタンカーバイド(チタンカーバイド粒)
10 チタン製燃料電池セパレータ(セパレータ)
30 接触抵抗測定装置
31 試験体
32 カーボンクロス
33 銅電極
34 直流電流電源
35 電圧計
Claims (3)
- 純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に炭素層が形成されているとともに、当該基材と当該炭素層との界面に中間層が形成されているチタン製燃料電池セパレータであって、
前記中間層は、粒状のチタンカーバイドが前記炭素層と平行な方向に連なったものであることを特徴とするチタン製燃料電池セパレータ。 - 前記炭素層は、グラファイトを含むことを特徴とする請求項1に記載のチタン製燃料電池セパレータ。
- 前記チタンカーバイドの平均粒径が5nm以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のチタン製燃料電池セパレータ。
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