JP5088318B2 - チタン製の部材に対して行う貴金属めっき - Google Patents

Description

この発明は、貴金属めっきに関し、さらに詳しくは、チタンまたはチタン合金製の部材に貴金属めっきを行う技術に関する。

従来より、燃料電池においては、そのまま使用したのでは燃料電池の電極との接触抵抗が大きくなるような素材でセパレータを形成する場合には、セパレータ表面の電極との接触部分に金めっきを施してきた。
しかし、チタンまたはチタン合金でセパレータを形成する場合には、その表面に直接電解金めっきを行うことは難しい。チタンまたはチタン合金製のセパレータ（以下、まとめて「チタン製のセパレータ」という）の表面には不働態であるチタンの酸化物被膜が形成されているためである。一方、まず下地めっきとしてニッケルめっきを行い、その後、金めっきを行えば、チタン製のセパレータに金めっきを行うことができる。しかし、そのような態様のセパレータにおいては、表面の金めっきに欠陥が存在すると、そこからニッケルが溶出する可能性がある。ニッケルは環境に悪影響を与えるため、チタンに直接金めっきを行う技術が求められている。このような課題は、金めっきに限らず、他の導電性の部材と接触抵抗が低いことが要求されるチタン製またはチタン合金製の製品や部品において、貴金属めっきを行う場合について、広く存在する。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、チタンの表面に電解貴金属めっきを行う技術を提供することを目的とする。
なお、日本国特許出願２００６−１１１５１４号の開示内容は、参考のために、この明細書に組み込まれる。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一部に貴金属めっきが施された燃料電池用セパレータを製造する際に、以下のような処理を行う。すなわち、まず、（ａ）チタンまたはチタン合金で設けられ燃料電池のセパレータに用いられるチタン部材の表面の少なくとも一部に炭化チタンを形成する。その後、（ｂ）チタン部材の表面の少なくとも一部に貴金属めっきを行う。炭化チタンには、酸化チタンよりも強固に金が付着する。よって、このような態様とすれば、チタンの表面に貴金属めっきを行うことができる。
なお、チタン部材の表面の少なくとも一部に炭化チタンを形成する際には、以下のような処理を行うことが好ましい。すなわち、（ａ１）チタン部材として、炭素を含む物質が表面に付着したチタン部材を準備する。そして、（ａ２）チタン部材に対して、常温よりも高い所定の第１の温度で第１の加熱処理を実行する。このような態様とすれば、チタン部材の表面の少なくとも一部に炭化チタンを形成することができる。
また、炭素を含む物質が表面に付着したチタン部材は、チタン部材を圧延した際に使用された圧延油が付着したチタン部材とすることができる。そのような態様においては、炭素を含む物質は圧延油である。このような態様とすれば、チタン部材の製造工程において付着する圧延油を使用して炭化チタンを形成することができる。このため、炭化チタンを形成するための炭素を含む物質を塗布する工程を、圧延工程とは別に設ける必要がない。
また、上記の第１の温度は、摂氏３００度〜７００度の範囲に含まれる温度とすることが好ましい。さらに、第１の温度は、摂氏４５０度〜５５０度の範囲に含まれる温度とすることがより好ましい。
なお、第１の処理によって、炭化チタンが、チタン部材の表面の少なくとも一部に不均一な密度で形成されることが好ましい。
また、チタン部材の表面に炭化チタンを形成する際には、以下のように形成することができる。すなわち、チタン部材の表面の少なくとも一部に含まれる第１の場所において、第１の厚みで炭化チタンを形成する。そして、チタン部材の表面の少なくとも一部に含まれ第１の場所とは異なる第２の場所において、第１の厚みとは異なる第２の厚みで炭化チタンを形成する。
また、燃料電池用セパレータを製造する際には、さらに、（ｃ）貴金属めっきしたチタン部材に対して、常温よりも高い所定の第２の温度で第２の加熱処理を実行することが好ましい。このような態様とすれば、貴金属めっき層とチタン部材との界面に存在する水素化チタンをチタン部材内に拡散させることができる。その結果、貴金属めっき層とチタン部材とをより強固に密着させることができる。
なお、第２の温度は、摂氏２２０度〜４００度の範囲に含まれる温度とすることが好ましい。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のセパレータ、燃料電池のセパレータの製造方法、チタン製のセパレータを備えた燃料電池、その燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。
以下では、図面を参照して、本願発明の好ましい実施例の詳細が説明され、本願発明の上述の目的およびその他の目的、構成、効果が明らかにされる。

図１は、本発明の実施形態のセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
図２は、実施形態のセパレータの製造方法の各段階におけるセパレータ用板状部材を示す断面図である。
図３は、図１の他の各ステップの条件を一定に保ったまま、ステップＳ２０における加熱処理の目標温度を変えて図１の処理を行い、めっき層の付着力の試験を行った結果を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の実施形態のセパレータの製造方法を示すフローチャートである。図２は、実施形態のセパレータの製造方法の各段階におけるセパレータ用板状部材を示す断面図である。セパレータの製造する際には、まず、図１のステップＳ１０で、金めっきの対象とするチタン製のセパレータ用板状部材１０を準備する。板状部材１０の素材は、たとえば、ＪＩＳ１種の純チタンとすることができる。この板状部材１０は、チタンの部材が圧延されて設けられた板状部材であり、その表面には圧延油２０が付着している（図２（ａ）参照）。なお、圧延油は炭素を含む油脂で設けられている。
空気が存在する環境下では、通常、チタン製の部材の表面は不働態の酸化チタンＴｉＯ_２で覆われている。図２では、板状部材１０のうち、純チタンＴｉの部分を１１で示し、表面の酸化チタンＴｉＯ_２の部分を１２で示す。
図１のステップＳ２０では、板状部材１０の導電化処理が行われる。具体的には、たとえば、板状部材１０は、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、約３０秒間、摂氏４００度〜５００度に加熱処理される。ここでは、温度制御の目標温度を４５０度に設定する。この加熱処理により、圧延油２０中の炭素とチタン製の板状部材１０の表面の部分とが反応して、炭化チタンＴｉ−Ｃとなる。板状部材１０のうち、炭化チタンの部分を図２（ｂ）において３０で示す。なお、板状部材１０の表面に付着していた圧延油２０は、各部分について厳密に均質な量および密度で付着していたわけではない。このため、炭化チタン部３０の密度および厚みは、場所によって異なっている。また、一部には、不働態の酸化チタンＴｉＯ_２がそのまま残っている部分もある。すなわち、板状部材１０の表面には、炭化チタンＴｉ−Ｃがリッチな部分と、酸化チタンＴｉＯ_２がリッチな部分とが存在する。
なお、チタン製のセパレータを製造する際には、ステップＳ２０の処理に先だって、チタンの板状部材の圧延工程およびその後の焼鈍工程が実施される。ステップＳ２０は、その焼鈍工程の最終段階において、温度を摂氏４００度〜５００度に調整することによって、実現することができる。実際には、ステップＳ２０における摂氏４００度〜５００度の設定温度は、焼鈍工程の温度よりも低い温度である。また、連続焼鈍工程においては、多くの場合、最初に洗浄工程が実施されるが、その洗浄工程を経ても、ステップＳ２０において炭化チタンを形成できる程度に十分な圧延油が、チタン製の板状部材の表面に残存する。
Ｓ３０〜Ｓ７０では、後に行われる電解金めっきに先だって、前処理が行われる。ステップＳ３０では、板状部材１０に対してバフ研磨が行われる。このバフ研磨により板状部材１０の表面に付着していた炭化した圧延油などが、研磨剤によって機械的に除去される。なお、清浄な表面の場合は、ステップＳ３０〜Ｓ７０を経ず、直接ステップＳ８０の工程に進むことができる。
ステップＳ４０では、板状部材１０に対してバフカス除去が行われる。このバフカス除去において、界面活性剤によって、板状部材１０の表面に付着していた研磨剤が除去される。
ステップＳ５０では、板状部材１０に対して浸漬脱脂が行われる。具体的には、板状部材１０が、ＮａＯＨを主剤としたアルカリ性溶液に浸される。その結果、板状部材１０の表面の油脂分が鹸化反応によって除かれる。
ステップＳ６０では、板状部材１０に対して電解脱脂が行われる。具体的には、ＮａＯＨを主剤としたアルカリ性溶液中で板状部材１０の電解を行う。その結果、鹸化反応とともに、電解によって発生するガスによって、板状部材１０の表面の汚れが落とされる。
ステップＳ７０では、板状部材１０に対して酸活性が行われる。具体的には、板状部材１０がフッ酸系容液に浸される。その結果、板状部材１０の表面の薄い錆びやスマットが除去され、板状部材１０の表面が一部、溶解されて、金属表面が露出される。なお、ステップＳ７０後に露出される金属は炭化チタン、水酸化チタンまたは酸化チタンである。すなわち、炭化チタン部３０や酸化チタン部１２の下にあるチタン部１１が露出されるわけではない。
ステップＳ８０では、板状部材１０に対して電解金めっきが行われる。具体的には、金イオンまたは金錯イオンを含む亜硫酸系浴中で、陰極に板状部材１０を配し、電流を流して、板状部材１０の表面に金属金を析出させる。ここでは、電流密度０．３Ａ／ｄｍ^２、摂氏５０度で約１０分間、通電を行った。なお、電解金めっきを行う際には、シアン系浴を使用することもできる。
通常、チタン製の部材の表面は不働態の酸化チタンＴｉＯ_２で覆われている。このため、チタン製の部材には電解金めっきをすることは困難である。しかし、本実施形態では、ステップＳ２０で板状部材１０の表面に酸化チタンＴｉＯ_２よりも導電性が高い炭化チタンＴｉ−Ｃの部分３０が設けられている。このため、ステップＳ８０において、板状部材１０の表面上に金めっきをすることができる。また、炭化チタンには、不働態である酸化チタンに比べて強固に金が付着する。よって、本実施形態によれば、この点からも、剥離しにくい金めっきをチタン部材上に形成することができる。なお、本発明は、Ｔｉ−Ｃの代わりにＴｉＮやＴｉＢ等の高導電化皮膜を有する態様でも実施可能であることも分かったが、Ｔｉ−Ｃの態様は、より好ましい結果が得られた。
ステップＳ８０で電解金めっきが行われた結果、板状部材１０の表面には、図２（ｃ）に示すように、金めっき層４０が設けられる。なお、その際、金めっき層４０と炭化チタン部３０との間には、水素化チタンＴｉＨ，ＴｉＨ_２の層５０ができる。これは、ステップＳ７０の酸活性の際に水素が板状部材１０の表面に付着し、その水素と板状部材１０の炭化チタンＴｉ−Ｃとが反応してできたものと考えられる。理由として、Ｔｉ−Ｃ層を完全に除去したＴｉＯ_２層ではそもそもＡｕはのらないが、ＴｉＨ，ＴｉＨ_２層の形成も著しく阻害されていることが挙げられる。
ステップＳ９０では、板状部材１０を洗浄する。具体的には、板状部材１０を温水に浸して、超音波により洗浄を行う。
ステップＳ１００では、板状部材１０に対して加熱処理が行われる。すなわち、板状部材１０は、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、摂氏３００度〜３５０度で約９分間、加熱処理される。なお、目標温度は摂氏３３０度とする。この加熱処理により、水素化チタン層５０の水素化チタンは、板状部材１０内部に拡散する。その結果、図２（ｄ）に示すように、水素化チタン層５０は消滅する。
水素化チタンはもろい。このため、金めっき層４０と炭化チタン部３０との間に水素化チタンＴｉＨ，ＴｉＨ_２の層５０が存在すると、金めっき層４０が剥離しやすくなる。しかし、実施形態では、加熱処理により、金めっき層４０と炭化チタン部３０との間の水素化チタンを拡散させている。このため、金めっき層４０と炭化チタン部３０とが強固に密着し、金めっき層４０は、板状部材１０からより剥がれにくくなる。
Ｂ．実施例：
実施例では、図１に示すフローチャートに従ってチタン製のセパレータ用板状部材１０に金めっきを行った。その際、ステップＳ２０における加熱処理の目標温度を変え、他の各ステップの条件を一定に保って、処理を行った。条件は以下の通りである。
（ａ）板状部材１０の素材は、ＪＩＳ１種のチタンとした。
（ｂ）板状部材１０の表面にＴｉ−Ｃを生成するための導電化処理（図１のステップＳ２０参照）は、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、約３０秒間、目標温度を３００〜７００度の様々な温度に設定して行った。
（ｃ）電解脱脂および浸漬脱脂（ステップＳ５０およびＳ６０参照）は、ＮａＯＨを主剤としたアルカリ性溶液で行った。
（ｄ）酸活性（ステップＳ７０参照）は、フッ酸系容液を使用して行った。
（ｅ）金めっき（ステップＳ８０参照）は、金錯イオンを含む亜硫酸系浴で行った。
（ｆ）水素化チタンを拡散させるための加熱処理（ステップＳ１００参照）は、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、目標温度を摂氏３３０度に設定して、約９分間行った。
図３は、図１の他の各ステップの条件を一定に保ったまま、ステップＳ２０における加熱処理の目標温度を変えて図１の処理を行い、めっき層の付着力Ｖｓの試験を行った結果を示すグラフである。図３の試験は、ＪＩＳに規定されたテープ剥離法にしたがって行った。図３のグラフから分かるように、炭化チタンを生成するステップＳ２０の加熱処理は、摂氏４００度〜６００度の範囲で行うことが好ましく、摂氏４５０〜５５０度の温度で行うことがより好ましい。
加熱処理の温度が摂氏４００度よりも低い場合にめっき層の付着力が低くなるのは、以下のような理由からであると考えられる。すなわち、加熱処理の温度が摂氏４００度よりも低い場合は、炭素を含む化合物である圧延油の炭化が促進されず、圧延油の分解が起こりにくくなる。このため、炭化チタンＴｉ−Ｃが生成されにくいためであると考えられる。
一方、加熱処理の温度が摂氏７００度よりも高い場合にめっき層の付着力が低くなるのは、以下のような理由からであると考えられる。すなわち、加熱処理の温度が摂氏７００度よりも高い場合は、圧延油中の多くの炭素成分が二酸化炭素等のガスとして素材外に排出されるか、もしくは素材内部に拡散し素材表層付近に残らないためであると考えられる。
また、上記のようにして加熱処理して表面に不均一に炭化チタンを生成したチタン製の板状部材１０と（図２（ｂ）参照）、同じチタン製の板状部材に対して、加熱処理ではなくスパッタリングによって表面に均一に炭化チタンの層を設けたものと、のそれぞれについて、金めっきの付着力の比較の試験を行った。なお、試験は、ＪＩＳに規定されたテープ剥離法にしたがって行った。その結果、加熱処理によって表面に不均一な炭化チタンを生成した板状部材１０の方が、スパッタリングによって均一な炭化チタンを生成した板状部材よりも、金めっきが強固に付着することが分かった。
Ｃ．他の態様：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような形態も可能である。
Ｃ１．他の形態１：
上記実施形態では、板状部材１０に対して金めっきが行われる。しかし、部材表面にめっきする物質は、金（Ａｕ）に限られず、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、などの他の貴金属を採用することができる。
Ｃ２．他の形態２：
上記実施形態では、板状部材１０は、ＪＩＳ１種のチタンで設けられている。しかし、金めっきを行う部材の素材は、これに限られるものではない。すなわち、金めっきを行う部材の素材は、ＪＩＳ２種や３種のチタンとすることもできる。また、ＪＩＳに定められた純チタン以外に、他の金属をより多く含むチタン合金とすることもできる。
Ｃ３．他の形態３：
上記実施形態では、炭化チタンは、板状部材１０の表面に付着した圧延油中の炭素と板状部材１０のチタンとが反応して生じている。しかし、炭化チタンの生成に使用される炭素は他の方法で供給されてもよい。たとえば、炭素を含む好適な素材を、加熱処理に先立って板状部材１０表面に塗布してもよい。
Ｃ４．他の形態４：
上記実施形態では、板状部材１０の表面に炭化チタンを生成する際には、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、約３０秒間、目標温度４５０℃の加熱処理を行う。しかし、チタン部材の表面に炭化チタンを生成する際には、温度、圧力および加熱時間は様々な値とすることができる。また、ヘリウム雰囲気下で行うなど、他の不活性ガスの雰囲気下で行うこともできる。ただし、加熱温度は、３００℃以上、７００℃以下であることが好ましく、４００℃以上、６００℃以下であることがより好ましい。そして、加熱温度は、４５０℃以上、５５０℃以下であることがさらに好ましい。
Ｃ５．他の形態５：
上記実施形態では、板状部材１０の表面に炭化チタンを生成する工程（図１ステップＳ２０）は、焼鈍工程の最終段階において行われている。しかし、チタン部材の表面に炭化チタンを生成する工程は、このような態様に限られず、焼鈍工程とは独立な工程として実施することもできる。
Ｃ６．他の形態６：
上記実施形態では、板状部材１０の表面に炭化チタンは加熱処理によって不均一な厚みで設けられている。しかし、炭化チタンはスパッタリングなどの他の処理でチタン部材の表面に設けることもできる。また、炭化チタンはほぼ均一な厚みでチタン部材の表面に設けることもできる。ただし、チタン部材の表面に設ける炭化チタンは、不均一な厚みで設けることがより好ましい。なお、「炭化チタンが不均一な厚みで設けられる」とは、チタン部材の表面の一部に炭化チタンが設けられない部分がある態様をも含む。
Ｃ７．他の形態７：
上記実施形態では、水素化チタンを拡散させる工程（図１のステップＳ１００）では、１０^−２Ｔｏｒｒのアルゴン雰囲気化で、目標温度３３０℃で約９分間加熱処理を行う。しかし、金めっきを行ったチタン部材において水素化チタンを拡散させるために加熱処理を行う際には、温度、圧力および加熱時間は様々な値とすることができる。また、ヘリウム雰囲気下で行うなど、他の不活性ガスの雰囲気下で行うこともできる。ただし、加熱温度は、３００℃以上、４００℃以下であることが好ましく、３２０℃以上、３８０℃以下であることがより好ましい。
Ｃ８．他の形態８：
上記実施形態の方法で製造したセパレータを用いて燃料電池を製造することも好ましい。この燃料電池は、反応ガスの電気化学反応によって発電を行う膜電極接合体と、上記セパレータとを備えた燃料電池である。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられた電極と、を備える。そして、セパレータは、電極に対して電解質膜とは逆の側にそれぞれ設けられ、金めっきが施された部分を介して電極と接している。
このような燃料電池は、セパレータがチタンで設けられているため、セパレータが腐食を起こすことなく、長期にわたって安定した性能を発揮することができる。また、セパレータが金めっきが施された部分を介して電極と接しているため、セパレータと電極との接触抵抗が小さい。よって、セパレータと電極との接触部分に金めっきを有しない場合に比べて発電効率が高い。そして、セパレータにおいては、金めっき層とチタン部材とが炭化チタンを介して接触しているため、金めっき層がチタン部材から剥離しにくい。
以上では、本願発明をその好ましい例示的な実施例参照して詳細に説明した。しかし、本願発明は、以上で説明した実施例や構成に限定されるものではない。そして、本願発明は、様々な変形や均等な構成を含むものである。さらに、開示された発明の様々な要素は、様々な組み合わせおよび構成で開示されたが、それらは例示的な物であり、各要素はより多くてもよく、また少なくてもよい。そして、要素は一つであってもよい。それらの態様は本願発明の範囲に含まれるものである。

この発明は、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池を動力源とする原動機、燃料電池を利用した動力源を有する車両に適用可能である。

Claims (5)

1. 少なくとも一部に貴金属めっきが施された燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
   （ａ）チタンまたはチタン合金で設けられチタン部材の表面の少なくとも一部に炭化チタンを形成する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後に、前記炭化チタンの少なくとも一部に貴金属めっきを行う工程と、を含み、
   前記工程（ａ）は、
   （ａ１）前記チタン部材として、炭素を含む物質が表面に付着したチタン部材を準備する工程であって、
   前記チタン部材の前記表面の少なくとも一部に含まれる互いに異なる場所において互いに異なる量の前記物質で覆われたチタン部材を準備することと、
   前記チタン部材の前記表面の少なくとも一部に含まれる第１の場所において、第１の厚みで炭化チタンを形成することと、
   前記チタン部材の前記表面の少なくとも一部に含まれ前記第１の場所とは異なる第２の場所において、前記第１の厚みとは異なる第２の厚みで炭化チタンを形成することと、を含む工程と、
   （ａ２）前記チタン部材に対して、摂氏４５０度〜５５０度の範囲に含まれる所定の第１の温度で第１の加熱処理を実行する工程とを含む、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   前記炭素を含む物質が表面に付着したチタン部材は、前記チタン部材を圧延した際に使用された圧延油が付着したチタン部材であり、
   前記炭素を含む物質は前記圧延油である、方法。
3. 請求項１記載の方法であって、
   前記工程（ａ）の結果、前記炭化チタンは前記チタン部材の前記表面の少なくとも一部に不均一な密度で形成される、方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかの請求項に記載の方法であって、さらに、
   （ｃ）前記貴金属めっきしたチタン部材に対して、常温よりも高い所定の第２の温度で第２の加熱処理を実行する工程を含む、方法。
5. 請求項４記載の方法であって、
   前記第２の温度は、摂氏２２０度〜４００度の範囲に含まれる温度である、方法。

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