JP5192908B2 - Titanium substrate for fuel cell separator, fuel cell separator, and fuel cell separator manufacturing method - Google Patents

Titanium substrate for fuel cell separator, fuel cell separator, and fuel cell separator manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池のセパレータに用いられる燃料電池セパレータ用チタン基材、および、そのチタン基材を用いた燃料電池セパレータ、ならびに、燃料電池セパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium substrate for a fuel cell separator used for a separator of a fuel cell, a fuel cell separator using the titanium substrate, and a method for producing the fuel cell separator.

燃料電池は、乾電池などの一次電池や鉛蓄電池などの二次電池とは異なり、水素などの燃料と酸素などの酸化剤を供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができるものである。そのため、燃料電池は、発電効率が高く、システム規模の大小にあまり影響されず、騒音や振動も少ないため、多様な用途・規模をカバーするエネルギー源として期待されている。そして、燃料電池は、具体的には、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質型燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、バイオ燃料電池などとして開発されている。   Unlike a primary battery such as a dry battery or a secondary battery such as a lead storage battery, a fuel cell can continuously extract electric power by continuously supplying a fuel such as hydrogen and an oxidant such as oxygen. Therefore, the fuel cell is expected to be an energy source that covers various uses and scales because it has high power generation efficiency, is not significantly affected by the size of the system, and has little noise and vibration. Specifically, the fuel cell includes a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), an alkaline electrolyte fuel cell (AFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a solid fuel cell. It has been developed as an oxide fuel cell (SOFC), biofuel cell, and the like.

燃料電池の一例として固体高分子型燃料電池を挙げて説明すると、かかる固体高分子型燃料電池は、電解質である固体高分子膜の両側にアノード電極、および、カソード電極の役割を果たす触媒層、その外側にガス拡散層があり、さらにその外側に燃料ガス流路が形成されたセパレータ(あるいはバイポーラプレート)が設けられた構造となっている。   A solid polymer fuel cell will be described as an example of a fuel cell. The solid polymer fuel cell includes an anode electrode on both sides of a solid polymer film that is an electrolyte, and a catalyst layer serving as a cathode electrode, A gas diffusion layer is provided on the outside, and a separator (or bipolar plate) having a fuel gas flow path formed on the outside is provided.

固体高分子型燃料電池は、主に燃料電池自動車や、家庭用コジェネレーションシステム、携帯電話やパソコン向けに開発が進められており、出力を高めるためには燃料電池のスタック数を増やす必要がある。そのため、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータを小型化、軽量化することが望まれている。また、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータには、ガス流路の役割だけでなく、電流を取り出す役割もあるため、接触抵抗(電極(触媒層)とセパレータ表面との間で、界面現象のために電圧降下が生じることをいう。)が低く、その低い接触抵抗が使用中に長期間維持されることが望まれている。   Solid polymer fuel cells are being developed mainly for fuel cell vehicles, home cogeneration systems, mobile phones and personal computers. To increase output, it is necessary to increase the number of fuel cell stacks. . Therefore, it is desired to reduce the size and weight of the separator used in the polymer electrolyte fuel cell. In addition, the separator used in the polymer electrolyte fuel cell not only functions as a gas flow path but also serves as a current extractor. Therefore, an interface phenomenon occurs between the contact resistance (electrode (catalyst layer) and the separator surface). Therefore, it is desired that the low contact resistance be maintained for a long time during use.

前記のような要望から、従来、セパレータには、加工性および強度の面も合わせて、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などの金属板からなる金属基材が用いられている。そして、例えば、純チタン板を用いる場合には、セパレータ1枚あたりの金属基材(金属板)の板厚を0.3mm以下にしている。   In view of the above demand, conventionally, a metal substrate made of a metal plate such as an aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, or titanium alloy is used for the separator in consideration of workability and strength. For example, when a pure titanium plate is used, the thickness of the metal substrate (metal plate) per separator is set to 0.3 mm or less.

また、特許文献1〜3には、以下の構成の燃料電池セパレータが記載されている。特許文献1には、ステンレス鋼を基材として用い、その表面に金めっきを施した燃料電池セパレータが記載されている。また、特許文献2には、ステンレス鋼やチタン材を基材として用い、その表面の酸化皮膜を除去した後に、貴金属または貴金属合金を付着させた燃料電池セパレータが記載されている。さらに、特許文献3には、チタン基材を基材として用い、その表面の酸化皮膜を除去した後に、1〜100nmの島状の金めっき部を点在させた燃料電池セパレータが記載されている。
特開平10−228914号公報 特開2001−6713号公報 特開2006−97088号公報
Patent Documents 1 to 3 describe a fuel cell separator having the following configuration. Patent Document 1 describes a fuel cell separator using stainless steel as a base material and gold-plated on the surface thereof. Patent Document 2 describes a fuel cell separator in which a noble metal or a noble metal alloy is adhered after a stainless steel or titanium material is used as a base material and the oxide film on the surface thereof is removed. Further, Patent Document 3 describes a fuel cell separator in which a titanium base material is used as a base material and an oxide film on the surface thereof is removed, and then island-shaped gold plating portions of 1 to 100 nm are scattered. .
JP-A-10-228914 JP 2001-6713 A JP 2006-97088 A

しかしながら、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などの金属板からなる金属基材は、燃料電池セパレータとして使用した際に、高温、高圧、強酸性といった厳しい環境下に暴露されるため、その表面に形成される酸化皮膜等によって接触抵抗が著しく上昇するという傾向がある。そのため、これらの金属基材を用いたセパレータは、使用当初の接触抵抗が低くても、これを長期間維持することができず、接触抵抗が経時的に上昇し、燃料電池の電流損失を招いてしまっていた。また、腐食により、金属基材から溶出した金属イオンによって固体高分子電解質膜を劣化させてしまっていた。   However, metal substrates made of metal plates such as aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, and titanium alloy are exposed to severe environments such as high temperature, high pressure, and strong acidity when used as fuel cell separators. There is a tendency that the contact resistance is remarkably increased by an oxide film or the like formed on the surface. Therefore, separators using these metal substrates cannot maintain the contact resistance for a long time even if the contact resistance at the beginning of use is low, and the contact resistance increases with time, resulting in a current loss of the fuel cell. I was there. Further, due to corrosion, the solid polymer electrolyte membrane has been deteriorated by metal ions eluted from the metal substrate.

また、特許文献1〜3に記載された基材においても、使用当初の接触抵抗を低くすることが可能であるが、厳しい環境下に暴露された場合、基材表面の金めっき層等が剥落することで接触抵抗が上昇し、燃料電池の電流損失を招くおそれがあった。また、金めっき層等が剥落することで腐食が生じ、基材から溶出した金属イオンによって固体高分子電解質膜を劣化させてしまうおそれがあった。   Also, in the base materials described in Patent Documents 1 to 3, it is possible to reduce the contact resistance at the beginning of use, but when exposed to a harsh environment, the gold plating layer on the surface of the base material is peeled off. As a result, the contact resistance is increased, which may cause a current loss of the fuel cell. Further, the gold plating layer or the like is peeled off to cause corrosion, and there is a possibility that the solid polymer electrolyte membrane is deteriorated by metal ions eluted from the base material.

このような状況の下、本発明者は、薄い板厚のセパレータを製造するための基材の研究中に、純チタンまたはチタン合金製のチタン板の表面に金等の貴金属からなる貴金属皮膜を形成し、これを例えば、300〜800℃の条件で熱処理することによって、厳しい環境下で使用しても、低い接触抵抗を長期間維持し得ることが可能な燃料電池セパレータ用チタン基材を見出すに至った。   Under such circumstances, the present inventor, while researching a base material for producing a thin plate separator, applied a noble metal film made of noble metal such as gold on the surface of a titanium plate made of pure titanium or titanium alloy. A titanium substrate for a fuel cell separator capable of maintaining a low contact resistance for a long period of time even when used in a severe environment by forming and heat-treating it under conditions of, for example, 300 to 800 ° C. is found. It came to.

しかしながら、燃料電池セパレータ用チタン基材の製造においては、チタン板は、潤滑油を用いた冷間圧延によって製造され、例えば、0.3mm以下の板厚とされる。そして、潤滑油には炭素が含まれているため、製造条件(圧延条件)によっては、炭素がメカノケミカル的にチタン板の表面に結合して炭化チタンが多く形成され、チタン板表層の炭素濃度が高くなる場合がある。   However, in the manufacture of a titanium base material for a fuel cell separator, the titanium plate is manufactured by cold rolling using a lubricating oil, and has a thickness of 0.3 mm or less, for example. Since the lubricating oil contains carbon, depending on the manufacturing conditions (rolling conditions), carbon is mechanochemically bonded to the surface of the titanium plate to form a large amount of titanium carbide, and the carbon concentration of the titanium plate surface layer May be higher.

通常、チタン板は、大気と接触することにより不可避的にチタンが酸化され、酸化チタンを主体とする耐酸性に優れた酸化皮膜が形成される。そして、炭化チタンは、酸化チタンと比較して耐酸性に劣るため、このような炭化チタンが多く形成されると酸化皮膜の形成が阻害され、酸化皮膜が奏する機能が失われることになる。   Usually, titanium plates are inevitably oxidized when they come into contact with the atmosphere, and an oxide film having excellent acid resistance mainly composed of titanium oxide is formed. And since titanium carbide is inferior in acid resistance compared with a titanium oxide, when many such titanium carbides are formed, formation of an oxide film will be inhibited and the function which an oxide film performs will be lost.

そして、炭化チタンが多く形成されたチタン板を用いて、チタン板の表面上に貴金属皮膜を形成し、例えば、300〜800℃で熱処理を行って、燃料電池セパレータを製造した場合には、貴金属皮膜下に結晶化された酸素欠乏型チタン酸化物(これについては後記に詳述する)を有する酸化皮膜が形成されない。また、酸化皮膜が形成されないため、導電性を有する貴金属皮膜に凝集が起こりやすくなり、貴金属皮膜が島状に点在した状態となる。   And when a titanium plate with a large amount of titanium carbide is used to form a noble metal film on the surface of the titanium plate and, for example, heat treatment is performed at 300 to 800 ° C. to produce a fuel cell separator, noble metal An oxide film having an oxygen-deficient titanium oxide crystallized under the film (which will be described in detail later) is not formed. Further, since the oxide film is not formed, aggregation is likely to occur in the conductive noble metal film, and the noble metal film is scattered in an island shape.

このような燃料電池セパレータを高温、高圧、強酸性雰囲気下に暴露すると、暴露時間に比例して、燃料電池セパレータを構成するチタン板に腐食や酸化(以下、腐食等という。)が生じ、チタン板の表面に厚い酸化物皮膜が形成され、燃料電池セパレータの接触抵抗が高くなる。これは、チタン板の上に耐食性が高く導電性にも優れる貴金属皮膜を成膜しても、貴金属皮膜の厚さを厚くしないと、貴金属皮膜のピンホールから腐食等が進み、その腐食等が貴金属皮膜下のチタン板と貴金属皮膜界面にも進むためである。一方、貴金属皮膜の厚さを厚くすると、コストが高くなってしまう。つまり、表層の炭素濃度が高い(炭化チタンの形成割合が相対的に高い)チタン板を用いた燃料電池セパレータでは、低い接触抵抗を長期間維持することができないという問題があった。   When such a fuel cell separator is exposed to a high temperature, high pressure, and strong acid atmosphere, the titanium plate constituting the fuel cell separator is corroded and oxidized (hereinafter referred to as corrosion) in proportion to the exposure time. A thick oxide film is formed on the surface of the plate, increasing the contact resistance of the fuel cell separator. This is because, even if a noble metal film having high corrosion resistance and excellent conductivity is formed on a titanium plate, if the thickness of the noble metal film is not increased, corrosion proceeds from the pinhole of the noble metal film, and the corrosion etc. This is because the titanium plate under the noble metal film also moves to the noble metal film interface. On the other hand, when the thickness of the noble metal film is increased, the cost is increased. That is, a fuel cell separator using a titanium plate having a high surface layer carbon concentration (relatively high titanium carbide formation ratio) has a problem that a low contact resistance cannot be maintained for a long time.

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表層の炭素濃度の高いチタン板を用いても、低い接触抵抗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基材、および、その基材を用いた燃料電池セパレータ、ならびに、その製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a titanium substrate for a fuel cell separator that can maintain a low contact resistance for a long period of time even when a titanium plate having a high surface carbon concentration is used. Another object of the present invention is to provide a fuel cell separator using the substrate and a method for producing the fuel cell separator.

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池セパレータ用チタン基材は、貴金属皮膜を備える燃料電池セパレータに用いられる燃料電池セパレータ用チタン基材であって、表面から所定深さまでX線光電子分光分析により測定される280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素の濃度が5原子%以上である純チタンまたはチタン合金からなるチタン板と、前記チタン板の表面に形成され、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属からなる膜厚15〜500nmの金属皮膜と、前記金属皮膜の表面に形成され、前記金属の酸化物からなる酸化皮膜とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, a titanium substrate for a fuel cell separator according to the present invention is a titanium substrate for a fuel cell separator used for a fuel cell separator having a noble metal film, and is an X-ray photoelectron from the surface to a predetermined depth. A titanium plate made of pure titanium or a titanium alloy having a binding energy of 280 to 284 eV measured by spectroscopic analysis having a concentration of 5 atomic% or more, and formed on the surface of the titanium plate, selected from titanium and zirconium It comprises a metal film having a film thickness of 15 to 500 nm made of one or more metals and an oxide film made of the metal oxide and formed on the surface of the metal film.

前記構成によれば、チタン板の表面に形成された所定膜厚のチタンおよびジルコニウムから選ばれた1種以上の金属からなる金属皮膜と、金属皮膜の表面に形成された金属の酸化物からなる酸化皮膜とを備えることによって、金属皮膜および酸化皮膜が保護膜となって、炭素濃度が高い、耐酸性の低いチタン板の表面を周囲の環境から隔離できる。その結果、チタン基材の耐酸性が向上する。   According to the said structure, it consists of the metal film which consists of 1 or more types of metals chosen from the titanium and zirconium of the predetermined film thickness formed in the surface of a titanium plate, and the metal oxide formed in the surface of a metal film. By providing the oxide film, the metal film and the oxide film serve as a protective film, and the surface of the titanium plate having a high carbon concentration and low acid resistance can be isolated from the surrounding environment. As a result, the acid resistance of the titanium base material is improved.

また、燃料電池セパレータの製造の際に、チタン基材の表面に貴金属皮膜を形成しても、炭素濃度の高いチタン板と貴金属皮膜との間に酸化皮膜が形成されているため、チタン基材の表面には280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素が殆ど無いこととなり、貴金属皮膜が凝集することがない。その結果、燃料電池セパレータを高温、高圧、強酸性雰囲気下で使用しても、導電性を有する貴金属皮膜が剥離することがないため、チタン板表面に腐食等が進行することがない。その結果、燃料電池セパレータの接触抵抗を低く維持できる。また、燃料電池セパレータの製造の際に、酸化皮膜中の酸素がチタン板中に拡散して、酸化皮膜中に酸素欠乏型チタン酸化物が形成されるため、酸化皮膜の導電性が向上する。その結果、燃料電池セパレータの接触抵抗を低く維持できる。さらに、酸化皮膜は、貴金属皮膜を介して進入する水素を遮断するため、チタン板の水素脆化を抑制できる。   In addition, even when a noble metal film is formed on the surface of the titanium base material during production of the fuel cell separator, an oxide film is formed between the titanium plate having a high carbon concentration and the noble metal film. There is almost no carbon having a binding energy of 280 to 284 eV on the surface, and the noble metal film does not aggregate. As a result, even when the fuel cell separator is used in a high temperature, high pressure, strong acid atmosphere, the conductive noble metal film is not peeled off, so that corrosion or the like does not progress on the titanium plate surface. As a result, the contact resistance of the fuel cell separator can be kept low. Further, when the fuel cell separator is manufactured, oxygen in the oxide film diffuses into the titanium plate and oxygen-deficient titanium oxide is formed in the oxide film, so that the conductivity of the oxide film is improved. As a result, the contact resistance of the fuel cell separator can be kept low. Furthermore, since the oxide film blocks hydrogen entering through the noble metal film, hydrogen embrittlement of the titanium plate can be suppressed.

また、本発明に係る燃料電池セパレータは、請求項1に記載の燃料電池セパレータ用チタン基材と、前記燃料電池セパレータ用チタン基材の表面に形成され、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる膜厚5〜200nmの貴金属皮膜とを備えることを特徴とする。   Moreover, the fuel cell separator according to the present invention is formed on the surface of the titanium base material for a fuel cell separator according to claim 1 and the titanium base material for the fuel cell separator, and is one or more selected from gold and platinum. And a noble metal film having a thickness of 5 to 200 nm made of a noble metal.

前記構成によれば、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる所定膜厚の貴金属皮膜を備えることによって、貴金属皮膜の導電性によってセパレータの接触抵抗が低くなる。また、貴金属皮膜の形成によって、チタン基材の表面に形成された酸化皮膜が大気(酸性雰囲気)に暴露されることがないため、酸化皮膜中の酸素欠乏型チタン酸化物に大気(酸性雰囲気)から酸素が供給されることが抑制される。その結果、酸化皮膜の導電性が損なわれることがないため、燃料電池セパレータの接触抵抗を低く維持できる。さらに、貴金属皮膜が金および白金から選ばれる1種以上の貴金属から構成されているので、燃料電池の使用環境下で貴金属皮膜が腐食(金、白金またはそれらの合金が溶出)することがない。   According to the said structure, the contact resistance of a separator becomes low with the electroconductivity of a noble metal film by providing the noble metal film of the predetermined film thickness which consists of 1 or more types of noble metals chosen from gold | metal | money and platinum. In addition, since the oxide film formed on the surface of the titanium base material is not exposed to the atmosphere (acid atmosphere) due to the formation of the noble metal film, the oxygen-deficient titanium oxide in the oxide film is exposed to the atmosphere (acid atmosphere). Is suppressed from being supplied with oxygen. As a result, since the conductivity of the oxide film is not impaired, the contact resistance of the fuel cell separator can be kept low. Further, since the noble metal film is composed of one or more kinds of noble metals selected from gold and platinum, the noble metal film does not corrode (gold, platinum or an alloy thereof is eluted) under the use environment of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、表面から所定深さまでX線光電子分光分析により測定される280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素の濃度が5原子%以上である純チタンまたはチタン合金からなるチタン板の表面に、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属からなる金属皮膜を膜厚15〜500nmで形成する金属皮膜形成工程と、前記金属皮膜の表面に、前記金属の酸化物からなる酸化皮膜を形成して燃料電池セパレータ用チタン基材とする酸化皮膜形成工程と、前記燃料電池セパレータ用基材の前記酸化皮膜の表面に、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる貴金属皮膜を膜厚5〜200nmで形成する貴金属皮膜形成工程と、前記貴金属皮膜の形成された前記燃料電池セパレータ用チタン基材を300〜600℃で熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする。   The method for producing a fuel cell separator according to the present invention comprises pure titanium or a titanium alloy having a carbon concentration having a binding energy of 280 to 284 eV, measured by X-ray photoelectron spectroscopy from the surface to a predetermined depth, of 5 atomic% or more. A metal film forming step of forming a metal film made of one or more metals selected from titanium and zirconium on the surface of the titanium plate having a film thickness of 15 to 500 nm; and a surface of the metal film from the metal oxide. Forming an oxide film to form a titanium substrate for a fuel cell separator, and the surface of the oxide film of the fuel cell separator substrate is made of one or more precious metals selected from gold and platinum A noble metal film forming step of forming a noble metal film with a film thickness of 5 to 200 nm; and the fuel cell separator on which the noble metal film is formed. The use of titanium substrate, characterized in that it comprises a heat treatment step of heat-treating at 300 to 600 ° C..

前記手順によれば、チタン板の表面にチタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属からなる金属皮膜を所定膜厚で形成する金属皮膜形成工程と、金属皮膜の表面に金属の酸化物からなる酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成工程とを含むことによって、炭素濃度が高いチタン板の表面は金属皮膜および酸化皮膜によって覆われ、チタン基材の表面には炭素がほとんど無くなる。その結果、チタン基材表面に、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる貴金属皮膜を形成しても、貴金属皮膜に凝集が起こらない。そして、その後の熱処理によって、酸化皮膜中に酸素欠乏型チタン酸化物が形成され、酸化皮膜の導電性が向上するため、燃料電池セパレータの接触抵抗が減少する。   According to the above procedure, the metal film forming step of forming a metal film made of one or more metals selected from titanium and zirconium on the surface of the titanium plate with a predetermined film thickness, and the surface of the metal film is made of a metal oxide. By including the oxide film forming step for forming the oxide film, the surface of the titanium plate having a high carbon concentration is covered with the metal film and the oxide film, and the surface of the titanium base material is almost free of carbon. As a result, even when a noble metal film made of one or more kinds of noble metals selected from gold and platinum is formed on the surface of the titanium base material, no aggregation occurs in the noble metal film. The subsequent heat treatment forms oxygen-deficient titanium oxide in the oxide film and improves the conductivity of the oxide film, thereby reducing the contact resistance of the fuel cell separator.

本発明に係る燃料電池セパレータ用チタン基材によれば、チタン板の表面に金属皮膜および酸化皮膜を形成することによって、表層の炭素濃度が高いチタン板を用いても、接触抵抗を低く維持できる。それによって、このチタン基材を燃料電池セパレータに使用した際、セパレータの接触抵抗を長時間、低く維持することができる。   According to the titanium base material for a fuel cell separator according to the present invention, contact resistance can be kept low by using a titanium plate having a high carbon concentration in the surface layer by forming a metal film and an oxide film on the surface of the titanium plate. . Thereby, when this titanium substrate is used for a fuel cell separator, the contact resistance of the separator can be kept low for a long time.

また、本発明に係る燃料電池セパレータによれば、前記構成のチタン基材の表面に貴金属皮膜を備えることによって、低い接触抵抗を長時間維持することができる。   Moreover, according to the fuel cell separator according to the present invention, a low contact resistance can be maintained for a long time by providing a noble metal film on the surface of the titanium substrate having the above-described configuration.

さらに、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法によれば、金属皮膜形成工程、酸化皮膜形成工程、貴金属皮膜形成工程、熱処理工程を含むことによって、低い接触抵抗を長時間維持することができる燃料電池セパレータを製造できる。   Furthermore, according to the method of manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, a fuel capable of maintaining a low contact resistance for a long time by including a metal film forming process, an oxide film forming process, a noble metal film forming process, and a heat treatment process. A battery separator can be manufactured.

本発明に係る燃料電池セパレータ用チタン基材、および、燃料電池セパレータ、ならびに、燃料電池セパレータの製造方法について、図面を参照して説明する。ここで、図1(a)は燃料電池セパレータ用チタン基材の構成を示す断面図、(b)は燃料電池セパレータの構成を示す断面図、図2は燃料電池セパレータの製造方法を示す工程フローである。   A titanium substrate for a fuel cell separator, a fuel cell separator, and a method for producing the fuel cell separator according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 1A is a cross-sectional view showing the structure of a titanium substrate for a fuel cell separator, FIG. 1B is a cross-sectional view showing the structure of the fuel cell separator, and FIG. 2 is a process flow showing a method for manufacturing the fuel cell separator. It is.

<燃料電池セパレータ用チタン基材>
図1(a)に示すように、燃料電池セパレータ用チタン基材(以下、チタン基材と称す)1は、チタン板2と、チタン板2の表面に形成された金属皮膜3と、金属皮膜3の表面に形成された酸化皮膜4とを備える。本発明において、表面とは、片面および両面の両者を含む意味で使用する。
<Titanium substrate for fuel cell separator>
As shown in FIG. 1 (a), a titanium substrate for a fuel cell separator (hereinafter referred to as a titanium substrate) 1 includes a titanium plate 2, a metal film 3 formed on the surface of the titanium plate 2, and a metal film. 3 and the oxide film 4 formed on the surface. In the present invention, the term “surface” is used to include both one side and both sides.

(チタン板)
チタン板2は純チタンまたはチタン合金からなり、その板厚は、使用される燃料電池セパレータ(燃料電池)を軽くかつコンパクトにするために、0.05〜0.3mmが好ましい。そして、このような厚さの薄いチタン板は、潤滑油を用いた冷間圧延等によって製造され、潤滑油に含まれている炭素がメカノケミカル的にチタン板2の表面に結合して炭化チタンが形成されるため、表面から所定深さまでの領域、すなわち、表層の炭素濃度が高くなる。具体的には、炭素濃度は5原子%以上となる。ここで、所定深さは100〜200nm程度である。
(Titanium plate)
The titanium plate 2 is made of pure titanium or a titanium alloy, and the plate thickness is preferably 0.05 to 0.3 mm in order to make the fuel cell separator (fuel cell) used light and compact. Such a thin titanium plate is manufactured by cold rolling using a lubricating oil, etc., and carbon contained in the lubricating oil is mechanochemically bonded to the surface of the titanium plate 2 to form titanium carbide. Therefore, the region from the surface to a predetermined depth, that is, the carbon concentration in the surface layer is increased. Specifically, the carbon concentration is 5 atomic% or more. Here, the predetermined depth is about 100 to 200 nm.

また、このような炭素は、280〜284eVの結合エネルギーを有する。そして、炭素濃度は、X線光電子分光分析によって測定される。例えば、X線源:単色化Al−Kα、X線出力:43.7W、X線ビーム径:200μm、光電子取り出し角:45°、Arスパッタ速度:SiO換算で約4.6nm/分という測定条件で、X線光電子分光分析法を行って、表層(表面から100〜200nm程度までの領域)のTi、O、C、Nの4元素の組成を測定し、それによってC濃度(原子%)を求めることができる。なお、通常、X線光電子分光分析法は深さ数nmしか測定することができないため、100nmや200nmといった深さまで測定する場合は、Arスパッタを行って表面を削りながら測定するとよい。 Such carbon has a binding energy of 280 to 284 eV. The carbon concentration is measured by X-ray photoelectron spectroscopy. For example, X-ray source: monochromatic Al-Kα, X-ray output: 43.7 W, X-ray beam diameter: 200 μm, photoelectron extraction angle: 45 °, Ar + sputtering rate: about 4.6 nm / min in terms of SiO 2 Under the measurement conditions, X-ray photoelectron spectroscopy is performed to measure the composition of the four elements of Ti, O, C, and N on the surface layer (region from the surface to about 100 to 200 nm), and thereby the C concentration (atomic%) ). In general, X-ray photoelectron spectroscopy can measure only a few nm in depth. Therefore, when measuring to a depth of 100 nm or 200 nm, it is better to measure the surface while performing Ar + sputtering.

(金属皮膜)
金属皮膜3は、チタン板2の表面に形成され、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属(チタン、ジルコニウムまたはそれらの合金)から構成される。これによって、耐酸性に乏しい、炭素濃度の高い(炭化チタンを有する)チタン板2の表面を、高温、高圧、強酸性雰囲気から遮断すると共に、後記する炭化チタンよりも耐酸性に優れた酸化チタンおよび/または酸化ジルコニウムから構成される酸化皮膜4が形成される。
(Metal film)
The metal film 3 is formed on the surface of the titanium plate 2 and is composed of one or more metals selected from titanium and zirconium (titanium, zirconium, or alloys thereof). As a result, the surface of the titanium plate 2 with poor acid resistance and high carbon concentration (having titanium carbide) is shielded from high temperature, high pressure, and strong acid atmosphere, and the titanium oxide has better acid resistance than titanium carbide described later. And / or oxide film 4 composed of zirconium oxide is formed.

金属皮膜3の膜厚は、15〜500nmである。膜厚が15nm未満であると、金属皮膜3にピンホールが多くなるため、ピンホールから酸素が侵入してチタン板2が腐食され、チタン基材1の接触抵抗が高くなる。また、膜厚が500nmを超えても、チタン板2を高温、高圧、強酸性雰囲気から遮断する作用、および、酸化皮膜を形成する作用に変わりはなく、かえってチタン板2(金属皮膜3)の生産性が低下する。また、金属皮膜3の膜厚は、チタン板2の表面粗さにも寄るが、20〜300nmが好ましく、30〜200nmが最も好ましい。   The film thickness of the metal film 3 is 15 to 500 nm. If the film thickness is less than 15 nm, there are many pinholes in the metal film 3, so that oxygen enters from the pinholes, corrodes the titanium plate 2, and the contact resistance of the titanium substrate 1 increases. Moreover, even if the film thickness exceeds 500 nm, there is no change in the action of blocking the titanium plate 2 from the high temperature, high pressure, strong acid atmosphere and the action of forming the oxide film, but instead of the titanium plate 2 (metal film 3). Productivity decreases. Moreover, although the film thickness of the metal film 3 is dependent also on the surface roughness of the titanium plate 2, 20-300 nm is preferable and 30-200 nm is the most preferable.

(酸化皮膜)
酸化皮膜4は、金属皮膜3の表面に形成され、チタン基材1の表面を構成し、金属皮膜3を構成する金属の酸化物からなるものである。酸化皮膜4が金属皮膜3を構成する金属の酸化物(酸化チタンおよび/または酸化ジルコニウム)からなることによって、炭化チタンから構成されるチタン板2の表面を、炭化チタンよりも耐酸性に優れた酸化物(酸化チタンおよび/または酸化ジルコニウム)の皮膜で覆うことができるため、チタン基材1の耐酸性が向上する。また、酸化皮膜を構成する酸化物(酸化チタンおよび/または酸化ジルコニウム)は、以下の理由により、チタン基材1の接触抵抗を低下させる。
(Oxide film)
The oxide film 4 is formed on the surface of the metal film 3, constitutes the surface of the titanium substrate 1, and is made of an oxide of a metal constituting the metal film 3. Since the oxide film 4 is made of a metal oxide (titanium oxide and / or zirconium oxide) constituting the metal film 3, the surface of the titanium plate 2 made of titanium carbide has better acid resistance than titanium carbide. Since it can be covered with a film of oxide (titanium oxide and / or zirconium oxide), the acid resistance of the titanium substrate 1 is improved. Moreover, the oxide (titanium oxide and / or zirconium oxide) constituting the oxide film reduces the contact resistance of the titanium substrate 1 for the following reason.

このような酸化皮膜4の表面に、後記する燃料電池セパレータ11(図1(b)参照)の製造の際に貴金属皮膜を形成し、300〜600℃の温度で熱処理を行うと、酸化皮膜4中の酸素が金属皮膜3およびチタン板2中に拡散して、酸素欠乏型のチタン酸化物および/またはジルコニウム酸化物を形成する。この酸素欠乏型金属酸化物は、n型半導体として機能するため、チタン基材1(燃料電池セパレータ11)の接触抵抗を低下させる。   When a noble metal film is formed on the surface of the oxide film 4 at the time of manufacturing a fuel cell separator 11 (see FIG. 1B), which will be described later, and heat treatment is performed at a temperature of 300 to 600 ° C., the oxide film 4 The oxygen therein diffuses into the metal film 3 and the titanium plate 2 to form oxygen-deficient titanium oxide and / or zirconium oxide. Since this oxygen-deficient metal oxide functions as an n-type semiconductor, the contact resistance of the titanium substrate 1 (fuel cell separator 11) is reduced.

また、燃料電池セパレータ11を高温、高圧、強酸性雰囲気下で使用した場合には、酸化皮膜4の表面に形成された貴金属皮膜12が水素を通すため、水素が貴金属皮膜12を拡散してチタン基材1中に侵入する。そのため、チタン板2が水素脆化を起こす恐れがある。しかしながら、酸化皮膜4が貴金属皮膜12とチタン板2との間に存在すると、酸化皮膜がバリア層となって水素の侵入を抑制するため、チタン板2の水素脆化を起こしにくくなる。   Further, when the fuel cell separator 11 is used in a high temperature, high pressure, strong acid atmosphere, the noble metal film 12 formed on the surface of the oxide film 4 allows hydrogen to pass through, so that hydrogen diffuses the noble metal film 12 and titanium. It penetrates into the substrate 1. Therefore, the titanium plate 2 may cause hydrogen embrittlement. However, when the oxide film 4 exists between the noble metal film 12 and the titanium plate 2, the oxide film serves as a barrier layer and suppresses the entry of hydrogen, so that the titanium plate 2 is less likely to be hydrogen embrittled.

酸化皮膜4の膜厚は、3nm以上が好ましい。膜厚が3nm未満であると、酸化皮膜4のバリア性が十分でなくなり、水素が侵入して、チタン板2が水素脆化を起こしやすくなる。   The film thickness of the oxide film 4 is preferably 3 nm or more. When the film thickness is less than 3 nm, the barrier property of the oxide film 4 becomes insufficient, hydrogen enters, and the titanium plate 2 is liable to be hydrogen embrittled.

<燃料電池セパレータ>
図1(b)に示すように、燃料電池セパレータ(以下、セパレータと称す)11は、チタン基材1と、チタン基材1の表面に形成された貴金属皮膜12とを備える。本発明において、表面とは、片面および両面の両者を含む意味で使用する。ここで、チタン基材1については、前記したとおりであるので、説明を省略する。
<Fuel cell separator>
As shown in FIG. 1B, a fuel cell separator (hereinafter referred to as a separator) 11 includes a titanium substrate 1 and a noble metal film 12 formed on the surface of the titanium substrate 1. In the present invention, the term “surface” is used to include both one side and both sides. Here, since the titanium substrate 1 is as described above, the description thereof is omitted.

(貴金属皮膜)
貴金属皮膜12は、チタン基材1の表面に形成され、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属(金、白金またはそれらの合金)からなる。これによって、セパレータ11の接触抵抗が低くなる。また、貴金属皮膜12を貴金属から構成することによって、セパレータ11を高温、高圧、強酸性雰囲気下で使用した場合にも、貴金属の溶出がないため、貴金属皮膜12に腐食等が発生することがない。
(Precious metal film)
The noble metal film 12 is formed on the surface of the titanium substrate 1 and is made of one or more kinds of noble metals (gold, platinum or alloys thereof) selected from gold and platinum. Thereby, the contact resistance of the separator 11 becomes low. Further, since the noble metal film 12 is composed of a noble metal, the noble metal is not eluted even when the separator 11 is used in a high temperature, high pressure, and strong acid atmosphere, so that no corrosion or the like occurs in the noble metal film 12. .

貴金属皮膜12の膜厚は、5〜200nmである。膜厚が5nm未満であると、セパレータ11を高温、高圧、強酸性雰囲気下で使用した場合、貴金属皮膜12に貴金属の凝集が発生して貴金属皮膜12が剥落し、チタン基材1に腐食等が発生する。また、酸化皮膜中の酸素欠乏型金属酸化物に雰囲気側から酸素が供給されるため、酸化皮膜の導電性が低下する。その結果、セパレータ11の接触抵抗が高くなる。また、膜厚が200nmを超えても、接触抵抗の低下率は変わらず、かえってセパレータ11(貴金属皮膜12)の生産性が低下する。   The noble metal film 12 has a thickness of 5 to 200 nm. When the film thickness is less than 5 nm, when the separator 11 is used in a high temperature, high pressure, strong acid atmosphere, the noble metal film 12 is agglomerated and the noble metal film 12 is peeled off, and the titanium substrate 1 is corroded. Will occur. Further, since oxygen is supplied from the atmosphere side to the oxygen-deficient metal oxide in the oxide film, the conductivity of the oxide film is lowered. As a result, the contact resistance of the separator 11 is increased. Further, even if the film thickness exceeds 200 nm, the rate of decrease in contact resistance does not change, and instead the productivity of the separator 11 (noble metal film 12) decreases.

<燃料電池セパレータの製造方法>
図3に示すように、燃料電池セパレータの製造方法は、金属皮膜形成工程S1と、酸化皮膜形成工程S2と、貴金属皮膜形成工程S3と、熱処理工程S4とを含む。以下、各工程について説明する。
<Method for producing fuel cell separator>
As shown in FIG. 3, the fuel cell separator manufacturing method includes a metal film forming step S1, an oxide film forming step S2, a noble metal film forming step S3, and a heat treatment step S4. Hereinafter, each step will be described.

(金属皮膜形成工程:S1)
金属皮膜形成工程S1は、表面から所定深さまでX線光電子分光分析により測定される280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素の濃度、すなわち、表層の炭素濃度が5原子%以上である純チタンまたはチタン合金からなるチタン板の表面に、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属(チタン、ジルコニウムまたはそれらの合金)からなる金属皮膜を膜厚15〜500nmで形成する工程である。
(Metal film forming step: S1)
In the metal film forming step S1, the concentration of carbon having a binding energy of 280 to 284 eV measured by X-ray photoelectron spectroscopy analysis from the surface to a predetermined depth, that is, pure titanium or titanium having a surface layer carbon concentration of 5 atomic% or more This is a step of forming a metal film made of one or more metals selected from titanium and zirconium (titanium, zirconium or alloys thereof) with a film thickness of 15 to 500 nm on the surface of a titanium plate made of an alloy.

金属皮膜の形成(成膜)方法は、PVD法を用いることができる。そして、緻密性の高い金属皮膜を形成させるには、イオンプレーティング法やスパッタリング法が好ましい。また、所定膜厚の金属皮膜が成膜できれば、その方法はPVD法に限定されず、例えば、CVD法を用いてもよい。なお、PVD法は、成膜チャンバー内の酸素分圧を低くして行うことが好ましい。   The PVD method can be used as a method for forming (depositing) the metal film. In order to form a highly dense metal film, an ion plating method or a sputtering method is preferable. If a metal film having a predetermined thickness can be formed, the method is not limited to the PVD method, and for example, a CVD method may be used. Note that the PVD method is preferably performed with a low oxygen partial pressure in the deposition chamber.

(酸化皮膜形成工程:S2)
酸化皮膜形成工程S2は、前工程S1で形成された金属皮膜の表面に、前記金属皮膜を構成する金属の酸化物からなる酸化皮膜を形成して、燃料電池セパレータ用チタン基材とする工程である。そして、酸化皮膜の形成(成膜)方法は、前工程S1で形成した金属皮膜の表面を大気に暴露、または、酸性水溶液などに浸積して、金属皮膜の表面を酸化することによって、形成(成膜)することができる。好ましくは、前工程S1で用いた成膜チャンバー内に酸素または大気を導入することによって行われる。
(Oxide film forming step: S2)
The oxide film forming step S2 is a step of forming an oxide film made of an oxide of the metal constituting the metal film on the surface of the metal film formed in the previous step S1 to form a titanium substrate for a fuel cell separator. is there. And the formation (film formation) method of the oxide film is formed by oxidizing the surface of the metal film by exposing the surface of the metal film formed in the previous step S1 to the atmosphere or immersing it in an acidic aqueous solution. (Film formation). Preferably, it is performed by introducing oxygen or air into the film forming chamber used in the previous step S1.

(貴金属皮膜形成工程:S3)
貴金属皮膜形成工程S3は、前工程S2で製造された燃料電池セパレータ用チタン基材の酸化皮膜の表面に、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属(金、白金またはそれらの合金)からなる貴金属皮膜を膜厚5〜200nmで形成する工程である。そして、貴金属皮膜の形成(成膜)方法は、PVD法を用いることができる。また、緻密性の高い貴金属皮膜を形成させるには、イオンプレーティング法やスパッタリング法が好ましい。なお、所定膜厚の貴金属皮膜が成膜できれば、その方法はPVD法に限定されず、例えば、CVD法を用いてもよい。
(Precious metal film forming step: S3)
The noble metal film forming step S3 is made of one or more kinds of noble metals (gold, platinum or alloys thereof) selected from gold and platinum on the surface of the oxide film of the titanium base material for a fuel cell separator manufactured in the previous step S2. This is a step of forming a noble metal film with a film thickness of 5 to 200 nm. A PVD method can be used as a method for forming (depositing) the noble metal film. In order to form a highly dense noble metal film, an ion plating method or a sputtering method is preferable. As long as a noble metal film having a predetermined thickness can be formed, the method is not limited to the PVD method, and for example, a CVD method may be used.

(熱処理工程:S4)
熱処理工程S4は、貴金属皮膜が形成された燃料電池セパレータ用基材を300〜600℃で熱処理して燃料電池セパレータとする工程である。そして、貴金属被膜を形成した後に、300〜600℃で熱処理を行うと、前記したように、酸化皮膜中の酸素が拡散して酸素欠乏型金属酸化物(チタン酸化物および/またはジルコニウム酸化物)が形成され、酸化皮膜の導電性が向上する。熱処理温度が300℃未満では、酸素の拡散が遅く、酸素欠乏型金属酸化物が形成されず、酸化皮膜の導電性が向上しない。一方、熱処理温度が600℃を超えると、酸素の拡散が速すぎて、酸化皮膜が消失するため、水素吸収阻止効果がなくなる。
(Heat treatment step: S4)
The heat treatment step S4 is a step of heat-treating the fuel cell separator base material on which the noble metal film is formed at 300 to 600 ° C. to obtain a fuel cell separator. Then, after the precious metal film is formed, when heat treatment is performed at 300 to 600 ° C., as described above, oxygen in the oxide film diffuses and oxygen-deficient metal oxide (titanium oxide and / or zirconium oxide). And the conductivity of the oxide film is improved. When the heat treatment temperature is less than 300 ° C., the diffusion of oxygen is slow, the oxygen-deficient metal oxide is not formed, and the conductivity of the oxide film is not improved. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 600 ° C., the diffusion of oxygen is too fast and the oxide film disappears, so that the effect of preventing hydrogen absorption is lost.

また、熱処理雰囲気は、酸素分圧が低い方が貴金属皮膜の耐久性がより高くなるため、1.33Pa以下が好ましく、0.133Pa以下がより好ましい。しかしながら、貴金属皮膜を構成する金、白金またはそれらの合金は酸化しないので、大気中で熱処理してもよい。   The heat treatment atmosphere is preferably 1.33 Pa or less and more preferably 0.133 Pa or less because the durability of the noble metal film is higher when the oxygen partial pressure is lower. However, since gold, platinum or an alloy thereof constituting the noble metal film is not oxidized, it may be heat-treated in the atmosphere.

さらに熱処理時間t(分)は、熱処理温度をT(℃)とすると、300≦T≦600において、(420−T)/40≦t≦2/3・exp{(806.4−T)/109.2}かつt≧0.5であることが好ましい。熱処理時間が前記範囲より短いと、酸素欠乏型金属酸化物が形成されにくく、酸化皮膜の導電性の向上が不十分になりやすい。一方、前記範囲を超えると、酸化皮膜が消失してしまう虞がある。具体的には、熱処理温度が400℃の場合、熱処理時間は0.5〜27.6分が好ましい。   Further, the heat treatment time t (min) is (420−T) / 40 ≦ t ≦ 2/3 · exp {(806.4−T) / when 300 ≦ T ≦ 600, assuming that the heat treatment temperature is T (° C.). 109.2} and t ≧ 0.5. When the heat treatment time is shorter than the above range, the oxygen-deficient metal oxide is not easily formed, and the conductivity of the oxide film tends to be insufficiently improved. On the other hand, if the above range is exceeded, the oxide film may disappear. Specifically, when the heat treatment temperature is 400 ° C., the heat treatment time is preferably 0.5 to 27.6 minutes.

次に、本発明の実施例について説明する。
<実施例1〜7>
JIS H 4600規格の純チタン材を用いて、表1に示す条件で製造した7種類のチタン板(No.1〜7、板厚0.15mm)を用意し、20×50mmのサイズに切断加工し、アセトン中で超音波洗浄した。そして、各チタン板表層の炭素(C)濃度(原子%)を以下のようにして測定した。その結果を表1に示す。
Next, examples of the present invention will be described.
<Examples 1-7>
Seven types of titanium plates (No. 1-7, plate thickness 0.15 mm) manufactured under the conditions shown in Table 1 were prepared using JIS H 4600 standard titanium material and cut into a size of 20 × 50 mm. And ultrasonically cleaned in acetone. And the carbon (C) density | concentration (atomic%) of each titanium plate surface layer was measured as follows. The results are shown in Table 1.

チタン板表層のC濃度の測定は、全自動走行型X線光電子分光分析装置(Physical Electronics社製 Quantera SXM)によるX線光電子分光分析で行った。X線光電子分光分析の測定条件は、以下のとおりである。なお、チタン板表層のC濃度は、Ti、O、C、Nの4元素について表面から深さ100nmまでの深さの組成を分析し、そのC濃度分析値の最高値をチタン板表層のC濃度(原子%)とした。
(X線光電子分光分析の測定条件)
X線源:単色化Al−Kα
X線出力:43.7W
X線ビーム径:200μm
光電子取り出し角:45°
Arスパッタ速度:SiO換算で約4.6nm/分
The measurement of the C concentration on the surface layer of the titanium plate was performed by X-ray photoelectron spectroscopic analysis using a fully automatic traveling X-ray photoelectron spectroscopic analyzer (Quantera SXM manufactured by Physical Electronics). The measurement conditions of X-ray photoelectron spectroscopy are as follows. As for the C concentration of the titanium plate surface layer, the composition of the depth from the surface to the depth of 100 nm was analyzed for the four elements of Ti, O, C, and N, and the maximum value of the C concentration analysis value was determined as the C concentration of the titanium plate surface layer. Concentration (atomic%) was used.
(Measurement conditions for X-ray photoelectron spectroscopy)
X-ray source: Monochromatic Al-Kα
X-ray output: 43.7W
X-ray beam diameter: 200 μm
Photoelectron extraction angle: 45 °
Ar + sputtering rate: about 4.6 nm / min in terms of SiO 2

Figure 0005192908
Figure 0005192908

次いで、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、チタンとジルコニウムの合金(Ti−Zr合金)をターゲット材として用いたスパッタリング法により、各チタン板(No.1〜7)の表面に金属皮膜の成膜を行った。   Next, a metal film is formed on the surface of each titanium plate (No. 1 to 7) by sputtering using titanium (Ti), zirconium (Zr), and an alloy of titanium and zirconium (Ti-Zr alloy) as a target material. Membrane was performed.

まず、マグネトロンスパッタリング装置のチャンバー内の基板台にチタン板を個別に取り付け、また、Ti、Zr、Ti−Zr合金のターゲット材のうちの一つをチャンバー内の電極に取り付けた。その後、当該チャンバー内を0.00133Pa(1×10−5Torr)以下の真空に排気した。そして、Arガスをチャンバー内に導入し、圧力が0.266Pa(2×10−3Torr)となるように調整した。その後、ターゲット材を取り付けた電極にDC(直流電圧)を印加してArガスを励起させ、Arプラズマを発生させることにより、ターゲット材のスパッタリングを行った。他のターゲット材についても前記と同様の方法でスパッタリングを行い、チタン板の表面にTi、Zr、Ti−Zr合金からなる金属皮膜を形成した。 First, a titanium plate was individually attached to a substrate stand in a chamber of a magnetron sputtering apparatus, and one of Ti, Zr, and Ti—Zr alloy target materials was attached to an electrode in the chamber. Thereafter, the inside of the chamber was evacuated to a vacuum of 0.00133 Pa (1 × 10 −5 Torr) or less. And Ar gas was introduce | transduced in the chamber and it adjusted so that a pressure might be set to 0.266 Pa (2 * 10 < -3 > Torr). Then, sputtering of the target material was performed by applying DC (direct current voltage) to the electrode to which the target material was attached to excite Ar gas and generating Ar plasma. Other target materials were also sputtered by the same method as described above to form a metal film made of Ti, Zr, Ti—Zr alloy on the surface of the titanium plate.

チャンバーを大気開放して、金属皮膜の表面に酸化皮膜を形成(成膜)した。そして、チタン板を裏返して、上記と同様にチタン板の他方の表面にも同様の金属皮膜、酸化皮膜を形成し、燃料電池セパレータ用チタン基材とした。金属皮膜、酸化皮膜の膜種、膜厚については表2に示す。   The chamber was opened to the atmosphere, and an oxide film was formed (film formation) on the surface of the metal film. Then, the titanium plate was turned over, and the same metal film and oxide film were formed on the other surface of the titanium plate in the same manner as described above to obtain a titanium substrate for a fuel cell separator. The film types and film thicknesses of the metal film and oxide film are shown in Table 2.

次に、ターゲット材を金(Au)に交換して、上記と同様の方法でスパッタリングを行い、燃料電池セパレータ用チタン基材の両面にAuからなる貴金属皮膜を膜厚10nmで形成(成膜)した。そして、貴金属皮膜が成膜された燃料電池セパレータ用チタン基材を真空熱処理炉に入れて、炉内の圧力を0.0133Pa以下に排気した後に、400℃で5分間加熱して、燃料電池セパレータを製造した。   Next, the target material is replaced with gold (Au), and sputtering is performed in the same manner as described above to form a noble metal film made of Au with a film thickness of 10 nm on both surfaces of the titanium base material for the fuel cell separator (film formation). did. And after putting the titanium base material for fuel cell separators in which the noble metal film was formed into a vacuum heat treatment furnace, exhausting the pressure in the furnace to 0.0133 Pa or less, and heating at 400 ° C. for 5 minutes, Manufactured.

<参考例>
チタン板(No.5)を酸洗して表層の炭素を除去して、チタン板表層のC濃度を3原子%としたチタン板(No.8)を準備した。このチタン板(No.8)の表面に、金属皮膜、酸化皮膜を形成(成膜)しないで、燃料電池セパレータ用チタン基材とした。この燃料電池セパレータ用チタン基材の両面に、実施例6と同様にして、Auからなる貴金属皮膜を形成(成膜)後、熱処理して燃料電池セパレータを製造した。
<Reference example>
A titanium plate (No. 8) was prepared by pickling the titanium plate (No. 5) to remove carbon on the surface layer and setting the C concentration of the surface layer of the titanium plate to 3 atomic%. A titanium film for a fuel cell separator was formed without forming (depositing) a metal film or an oxide film on the surface of the titanium plate (No. 8). In the same manner as in Example 6, a noble metal film made of Au was formed (film formation) on both surfaces of the titanium base material for the fuel cell separator, followed by heat treatment to produce a fuel cell separator.

<比較例1>
チタン板(No.5)の両面に金属皮膜、酸化皮膜を形成(成膜)しないこと以外は、実施例6と同様にして、燃料電池セパレータを製造した。
<比較例2>
Tiからなる金属皮膜の膜厚を、特許請求の範囲を外れる5nmとしたこと以外は、実施例6と同様にして、燃料電池セパレータを製造した。
<Comparative Example 1>
A fuel cell separator was manufactured in the same manner as in Example 6 except that a metal film and an oxide film were not formed (film formation) on both surfaces of the titanium plate (No. 5).
<Comparative example 2>
A fuel cell separator was produced in the same manner as in Example 6 except that the thickness of the metal film made of Ti was 5 nm outside the scope of the claims.

次に、燃料電池セパレータ(実施例1〜7、参考例、比較例1〜2)の表面をFE−SEMで観察(加速電圧20keV、倍率10000倍)したところ、実施例1〜7、参考例、比較例2には、貴金属(Au)皮膜にピンホールは殆ど認められなかった。一方、比較例1には、貴金属皮膜にAuの凝集が認められ、ピンホールが多数認められた。   Next, when the surface of the fuel cell separator (Examples 1 to 7, Reference Example, Comparative Examples 1 and 2) was observed with an FE-SEM (acceleration voltage 20 keV, magnification 10,000 times), Examples 1 to 7 and Reference Example In Comparative Example 2, almost no pinholes were observed in the noble metal (Au) film. On the other hand, in Comparative Example 1, agglomeration of Au was observed in the noble metal film, and many pinholes were observed.

また、燃料電池セパレータをTEMにより断面観察したところ、実施例1、3、5、6、参考例、比較例2には、貴金属皮膜の直下に酸化チタン(TiO)からなる酸化皮膜が認められ、実施例2、4、8には、貴金属皮膜の直下に酸化ジルコニウム(ZrO)からなる酸化皮膜が認められ、実施例7には、貴金属皮膜の直下に酸化チタン(TiO)と酸化ジルコニウム(ZrO)からなる酸化皮膜が認められた。一方、比較例1には、貴金属皮膜の直下には酸化皮膜は認められなかった。 Further, when the cross section of the fuel cell separator was observed by TEM, in Examples 1, 3, 5, 6, Reference Example, and Comparative Example 2, an oxide film made of titanium oxide (TiO 2 ) was recognized immediately below the noble metal film. In Examples 2, 4, and 8, an oxide film made of zirconium oxide (ZrO 2 ) is recognized immediately under the noble metal film, and in Example 7, titanium oxide (TiO 2 ) and zirconium oxide are directly under the noble metal film. An oxide film composed of (ZrO 2 ) was observed. On the other hand, in Comparative Example 1, no oxide film was observed immediately below the noble metal film.

次に、燃料電池セパレータ(実施例1〜7、参考例、比較例1〜2)の接触抵抗を、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、以下の手順で測定した。なお、図3は、接触抵抗測定装置の構成を模式的に示す図である。   Next, the contact resistance of the fuel cell separators (Examples 1 to 7, Reference Examples, Comparative Examples 1 and 2) was measured using the contact resistance measuring device 30 shown in FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the contact resistance measuring device.

(接触抵抗測定手順)
図3に示すように、各燃料電池セパレータ11について、その両面をカーボンクロスC、Cではさみ、さらにその外側を接触面積1cm2の銅電極31、31を用いて98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源32を用いて7.4mAの電気を通電し、当該カーボンクロスC、C間に印加される電圧を電圧計33で測定し、接触抵抗を算出した。なお、熱処理を行う前の接触抵抗についても同様にして測定、算出した。その結果を表2に示す。
(Contact resistance measurement procedure)
As shown in FIG. 3, each fuel cell separator 11 is sandwiched between carbon cloth C and C on both sides, and the outside is pressurized with 98 N (10 kgf) using copper electrodes 31 and 31 having a contact area of 1 cm 2 . Electricity of 7.4 mA was applied using the direct current power source 32, the voltage applied between the carbon cloths C and C was measured with the voltmeter 33, and the contact resistance was calculated. The contact resistance before heat treatment was measured and calculated in the same manner. The results are shown in Table 2.

また、これらの燃料電池セパレータを80℃の硫酸水溶液(pH2)に1000時間浸漬した後、前記と同様にして各燃料電池セパレータの接触抵抗を測定した。なお、浸積後の接触抵抗が10mΩ・cm以下を合格とした。その結果を表2に示す。 These fuel cell separators were immersed in an aqueous sulfuric acid solution (pH 2) at 80 ° C. for 1000 hours, and the contact resistance of each fuel cell separator was measured in the same manner as described above. In addition, the contact resistance after immersion was 10 mΩ · cm 2 or less. The results are shown in Table 2.

Figure 0005192908
Figure 0005192908

表2の結果から、実施例1〜7は、熱処理により接触抵抗が11〜14mΩ・cmから4〜5mΩ・cmに低下し、良好な接触抵抗を示した。また、実施例1〜7は、硫酸水溶液浸漬後においても、接触抵抗が合格基準である10mΩ・cm以下を維持できることが確認された。 From the results of Table 2, Examples 1-7, the contact resistance by heat treatment is reduced from 11~14mΩ · cm 2 to 4~5mΩ · cm 2, showed good contact resistance. Moreover, it was confirmed that Examples 1-7 can maintain 10 mohm * cm < 2 > or less whose contact resistance is an acceptance | permission reference | standard after immersion in sulfuric acid aqueous solution.

一方、比較例1は、熱処理をしなくても低い接触抵抗を示したが、チタン板の炭素濃度が33原子%と高く、チタン板の表面に金属皮膜、酸化皮膜が成膜されていないため、貴金属皮膜に凝集、ピンホールが多数形成された。その結果、硫酸水溶液浸漬下では、ピンホールを通じてチタン板の腐食等が進み、接触抵抗が大きく増加した。また、比較例2は、熱処理により接触抵抗の低下が認められたが、金属皮膜が薄すぎたため金属皮膜にピンホールが多数形成された。その結果、硫酸水溶液浸漬下では、ピンホールを通じてチタン板の腐食等が進み、接触抵抗が10mΩ.cmを超えた。 On the other hand, Comparative Example 1 showed low contact resistance without heat treatment, but the carbon concentration of the titanium plate was as high as 33 atomic%, and no metal film or oxide film was formed on the surface of the titanium plate. A lot of pinholes were formed in the noble metal film. As a result, under the immersion in sulfuric acid aqueous solution, the corrosion of the titanium plate progressed through the pinhole, and the contact resistance increased greatly. In Comparative Example 2, a decrease in contact resistance was observed due to heat treatment. However, since the metal film was too thin, many pinholes were formed in the metal film. As a result, under immersion in a sulfuric acid aqueous solution, corrosion of the titanium plate proceeds through the pinhole, and the contact resistance is 10 mΩ. cm 2 was exceeded.

なお、参考例は、熱処理により接触抵抗が11mΩ・cmから5mΩ・cmに低下し、硫酸水溶液浸漬後において、低い接触抵抗を維持していた。しかしながら、チタン板の洗浄等が必要なため、生産性が良好でなかった。 Incidentally, reference examples, the contact resistance by heat treatment is reduced from 11mΩ · cm 2 to 5 m [Omega · cm 2, after sulfuric acid aqueous solution immersion, maintained a low contact resistance. However, productivity is not good because the titanium plate needs to be cleaned.

このように、チタン板の表層の炭素濃度が高くても、チタン板表面に金属皮膜および酸化皮膜を成膜後、貴金属皮膜を成膜し、その後熱処理すれば、安定、かつ、低い接触抵抗を得ることができることが確認された。   In this way, even if the carbon concentration of the surface layer of the titanium plate is high, if a noble metal film is formed after forming a metal film and an oxide film on the surface of the titanium plate and then heat-treated, stable and low contact resistance can be obtained. It was confirmed that it can be obtained.

<実施例9〜13>
表1のチタン板(No.3)を用いて、その表面にTiからなる金属皮膜を実施例3と同様のスパッタリング法により成膜し、その後、チャンバーを大気開放してTiOからなる酸化皮膜を成膜して、燃料電池セパレータ用チタン基材とした。なお、金属皮膜、酸化皮膜の成膜は、チタン板の両面に行った。金属皮膜、酸化皮膜の膜種、膜厚については表3に示す。この燃料電池セパレータ用チタン基材の表面に、実施例3と同様のスパッタリング法により金(Au)、白金(Pt)、金と白金の合金(Au−Pt合金)からなる貴金属皮膜を種々の膜厚で成膜し、熱処理炉を用いて、炉内の圧力を0.00013Pa以下に排気した後に、500℃で2分間加熱して、燃料電池セパレータを製造した。貴金属皮膜の膜種、膜厚についいては表3に示す。
<Examples 9 to 13>
Using the titanium plate (No. 3) in Table 1, a metal film made of Ti was formed on the surface thereof by the same sputtering method as in Example 3, and then the chamber was opened to the atmosphere to form an oxide film made of TiO 2. Was formed into a titanium substrate for a fuel cell separator. The metal film and oxide film were formed on both sides of the titanium plate. The film types and film thicknesses of the metal film and oxide film are shown in Table 3. Various kinds of precious metal films made of gold (Au), platinum (Pt), and an alloy of gold and platinum (Au—Pt alloy) are formed on the surface of the titanium base material for the fuel cell separator by the same sputtering method as in Example 3. After forming a film with a thickness and exhausting the pressure in the furnace to 0.00013 Pa or less using a heat treatment furnace, the fuel cell separator was manufactured by heating at 500 ° C. for 2 minutes. Table 3 shows the film type and film thickness of the noble metal film.

<比較例3>
貴金属皮膜の膜厚を、特許請求の範囲を外れる3nmとしたこと以外は、実施例9と同様にして、燃料電池セパレータを製造した。
<比較例4>
貴金属皮膜の膜厚を、特許請求の範囲を外れる2nmとしたこと以外は、実施例11と同様にして、燃料電池セパレータを製造した。
<Comparative Example 3>
A fuel cell separator was produced in the same manner as in Example 9, except that the thickness of the noble metal film was 3 nm outside the scope of the claims.
<Comparative example 4>
A fuel cell separator was produced in the same manner as in Example 11 except that the thickness of the noble metal film was 2 nm outside the scope of the claims.

次に、燃料電池セパレータ(実施例9〜13、比較例3〜4)の表面をFE−SEMで観察(加速電圧20keV、倍率10000倍)したところ、実施例9〜13、比較例3〜4には、貴金属(Au、PtまたはAu−Pt合金)皮膜にピンホールは殆ど認められなかった。また、燃料電池セパレータをTEMにより断面観察したところ、実施例9〜13、比較例3〜4には、貴金属皮膜の直下に酸化チタン(TiO)からなる酸化皮膜が認められた。 Next, when the surface of the fuel cell separator (Examples 9 to 13 and Comparative Examples 3 to 4) was observed with an FE-SEM (acceleration voltage 20 keV, magnification 10,000 times), Examples 9 to 13 and Comparative Examples 3 to 4 were used. , Almost no pinholes were observed in the noble metal (Au, Pt or Au—Pt alloy) film. Moreover, when the fuel cell separator was cross-sectionally observed by TEM, in Examples 9 to 13 and Comparative Examples 3 to 4, an oxide film made of titanium oxide (TiO 2 ) was recognized immediately below the noble metal film.

また、燃料電池セパレータ(実施例9〜13、比較例3〜4)の接触抵抗を、図3に示す接触抵抗測定装置30を用いて、前記した接触抵抗測定手順で測定、算出した。なお、熱処理前、硫酸水溶液浸積後の接触抵抗についても、同様にして測定、算出した。その結果を表3に示す。   Further, the contact resistances of the fuel cell separators (Examples 9 to 13 and Comparative Examples 3 to 4) were measured and calculated using the contact resistance measuring device 30 shown in FIG. The contact resistance before heat treatment and after immersion in a sulfuric acid aqueous solution was measured and calculated in the same manner. The results are shown in Table 3.

Figure 0005192908
Figure 0005192908

表3の結果から、実施例9〜13は、熱処理により接触抵抗が10〜13mΩ・cmから4〜5mΩ・cmに低下し、良好な接触抵抗を示した。また、実施例9〜13は、硫酸水溶液浸漬後においても、接触抵抗が合格基準である10mΩ・cm以下を維持できることが確認された。 From the results of Table 3, Examples 9-13, contact resistance by heat treatment is reduced from 10~13mΩ · cm 2 to 4~5mΩ · cm 2, showed good contact resistance. Moreover, it was confirmed that Examples 9-13 can maintain 10 mohm * cm < 2 > or less whose contact resistance is an acceptance | permission reference | standard after immersion in sulfuric acid aqueous solution.

一方、比較例3、比較例4は、貴金属皮膜の膜厚が薄すぎたため、硫酸浸積下で、貴金属皮膜にAuやPtの凝集が発生して貴金属皮膜が剥落し、燃料電池セパレータ用チタン基材に腐食等が進んだ。また、酸化皮膜中の酸素欠乏型チタン酸化物に硫酸水溶液側から酸素が供給されるため、酸化皮膜の導電性が低下した。その結果、燃料電池セパレータの接触抵抗が上昇した。   On the other hand, in Comparative Examples 3 and 4, since the film thickness of the noble metal film was too thin, agglomeration of Au or Pt occurred in the noble metal film and the noble metal film was peeled off under sulfuric acid immersion, and titanium for fuel cell separator Corrosion progressed on the substrate. Moreover, since oxygen was supplied from the sulfuric acid aqueous solution side to the oxygen-deficient titanium oxide in the oxide film, the conductivity of the oxide film was lowered. As a result, the contact resistance of the fuel cell separator increased.

(a)本発明に係る燃料電池セパレータ用チタン基材の構成を示す断面図、(b)は燃料電池セパレータの構成を示す断面図である。(A) Sectional drawing which shows the structure of the titanium base material for fuel cell separators which concerns on this invention, (b) is sectional drawing which shows the structure of a fuel cell separator. 本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法を示す工程フローである。It is a process flow which shows the manufacturing method of the fuel cell separator which concerns on this invention. 接触抵抗測定装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of a contact resistance measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池セパレータ用チタン基材(チタン基材)
2 チタン板
3 金属皮膜
4 酸化皮膜
11 燃料電池セパレータ(セパレータ)
12 貴金属皮膜
S1 金属皮膜形成工程
S2 酸化皮膜形成工程
S3 貴金属皮膜形成工程
S4 熱処理工程
1 Titanium substrate for fuel cell separator (titanium substrate)
2 Titanium plate 3 Metal film 4 Oxide film 11 Fuel cell separator (separator)
12 Noble metal film S1 Metal film formation process S2 Oxide film formation process S3 Noble metal film formation process S4 Heat treatment process

Claims (3)

貴金属皮膜を備える燃料電池セパレータに用いられる燃料電池セパレータ用チタン基材であって、
表面から所定深さまでX線光電子分光分析により測定される280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素の濃度が5原子%以上である純チタンまたはチタン合金からなるチタン板と、
前記チタン板の表面に形成され、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属からなる膜厚15〜500nmの金属皮膜と、
前記金属皮膜の表面に形成され、前記金属の酸化物からなる酸化皮膜とを備えることを特徴とする燃料電池セパレータ用チタン基材。
A titanium base material for a fuel cell separator used for a fuel cell separator provided with a noble metal coating,
A titanium plate made of pure titanium or a titanium alloy having a carbon concentration of 280 to 284 eV measured by X-ray photoelectron spectroscopy from the surface to a predetermined depth of 5 atomic% or more;
A metal film having a film thickness of 15 to 500 nm formed on the surface of the titanium plate and made of one or more metals selected from titanium and zirconium;
A titanium base material for a fuel cell separator, comprising: an oxide film formed on the surface of the metal film and made of an oxide of the metal.
請求項1に記載の燃料電池セパレータ用チタン基材と、
前記燃料電池セパレータ用チタン基材の表面に形成され、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる膜厚5〜200nmの貴金属皮膜とを備えることを特徴とする燃料電池セパレータ。
A titanium substrate for a fuel cell separator according to claim 1;
A fuel cell separator, comprising: a noble metal film having a thickness of 5 to 200 nm formed on a surface of the titanium base material for the fuel cell separator and made of one or more kinds of noble metals selected from gold and platinum.
表面から所定深さまでX線光電子分光分析により測定される280〜284eVの結合エネルギーを有する炭素の濃度が5原子%以上である純チタンまたはチタン合金からなるチタン板の表面に、チタンおよびジルコニウムから選ばれる1種以上の金属からなる金属皮膜を膜厚15〜500nmで形成する金属皮膜形成工程と、
前記金属皮膜の表面に、前記金属の酸化物からなる酸化皮膜を形成して燃料電池セパレータ用チタン基材とする酸化皮膜形成工程と、
前記燃料電池セパレータ用チタン基材の前記酸化皮膜の表面に、金および白金から選ばれる1種以上の貴金属からなる貴金属皮膜を膜厚5〜200nmで形成する貴金属皮膜形成工程と、
前記貴金属皮膜が形成された前記燃料電池セパレータ用チタン基材を300〜600℃で熱処理する熱処理工程とを含むことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
Selected from titanium and zirconium on the surface of a titanium plate made of pure titanium or a titanium alloy having a carbon concentration of 280 to 284 eV measured by X-ray photoelectron spectroscopy from the surface to a predetermined depth and having a bond energy of 5 atomic% or more A metal film forming step of forming a metal film composed of one or more kinds of metals having a film thickness of 15 to 500 nm;
On the surface of the metal film, an oxide film forming step of forming an oxide film made of the metal oxide to form a titanium substrate for a fuel cell separator;
A noble metal film forming step of forming a noble metal film made of one or more kinds of noble metals selected from gold and platinum on the surface of the oxide film of the titanium base material for the fuel cell separator with a film thickness of 5 to 200 nm;
And a heat treatment step of heat-treating the titanium base material for a fuel cell separator on which the noble metal film is formed at 300 to 600 ° C.
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