JP5229131B2 - 耐食導電性皮膜、耐食導電材、固体高分子型燃料電池とそのセパレータおよび耐食導電材の製造方法 - Google Patents
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Description
もっとも、ホウ化物は非常に硬いため、そのセパレータは圧延性および成形性に劣る。勿論、ホウ化物の分散量を減らせば、成形性や圧延性は改善されるものの導電性が低下する。また、ホウ化物が脱離した部分から腐食が進行する恐れもあり得る。
しかし、このような貴金属の使用は高コストである。また、貴金属の使用量を低減すると、密着性の悪化やめっき層の剥離などのおそれがある。さらに、基材がAl等の場合、めっき層のピンホール部分で局部電池が形成され、基材に孔食などの局部腐食が生じるおそれもある。
また、その耐食導電性皮膜を基材表面に有する耐食導電材およびその製造方法並びにその耐食導電材の一種である固体高分子型燃料電池用セパレータとそのセパレータを用いた固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
(1)すなわち、本発明の耐食導電性皮膜は、鉄(Fe)、チタン(Ti)およびリン(P)からなると共に全体を100原子%(以下単に「%」という。)としたときに0%<Fe<50% である鉄含有リン化チタン層を少なくとも一部に有し、優れた耐食性または導電性を発現することを特徴とする。
ところで、本発明の耐食導電性皮膜が耐食性または導電性に優れるのは、それを構成する鉄含有リン化チタン層が化学的安定性に優れ、大きな電気(電子)伝導性を有するためと考えられる。もっとも、現状では、その鉄含有リン化チタン層の構成元素は明らかであるとしても、鉄含有リン化チタン層が何故、化学的安定性や電気伝導性に優れるのか、その詳細は必ずしも定かではない。
(1)本発明は、耐食導電性皮膜としてのみならず、基材の表面上にその耐食導電性皮膜を設けた耐食導電材としても把握される。
すなわち、本発明は、基材と、該基材の少なくとも一部の表面に形成された本発明の耐食導電性皮膜と、からなることを特徴とする耐食導電材であってもよい。
また、本発明の耐食導電性皮膜が形成される限り、基材のベース(中核部分)は、Ti、Al、Fe(ステンレスを含む)、Mgなどの金属でも良いし、さらには樹脂、セラミック等でも良い。もっとも、基材自体が耐食性に優れる純チタン、チタン合金、ステンレスなどからなると、耐食導電性皮膜の形成が容易であり好適である。例えば、基材が純チタンやチタン合金からなるTi系基材である場合、その基材が鉄含有リン化チタン層の必須基本元素であるTiの供給源となり得るので好都合である。
本発明は、上記の耐食導電材の代表的な一形態である固体高分子型燃料電池用セパレータとしても把握される。
すなわち、本発明は、中央に設けられた固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けられた燃料電極と該固体高分子電解質膜の他方側に接して設けられた酸化電極と該燃料電極および該酸化電極の外側に設けられたセパレータとからなる単位電池を積層してなり、
該セパレータと該燃料電極との間に燃料ガスを供給すると共に該セパレータと該酸化電極との間に酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる固体高分子型燃料電池において、前記セパレータは、少なくとも一部の表面に上述した本発明の耐食導電性皮膜を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータであってもよい。
(1)本発明の耐食導電性皮膜や耐食導電材等は、その形成方法や製造方法等を問わないが、例えば、次のような本発明に係る方法により耐食導電性皮膜の形成または耐食導電材等の製造が可能である。なお、耐食導電材の製造方法を代表的に取り上げるが、耐食導電性皮膜の形成方法としても同様に把握される。
(1)本発明の耐食導電性皮膜は、Fe、TiおよびP以外に、耐食導電性皮膜の特性を改善するか悪影響を与えない「改質元素」を含んでもよい。
また、本発明の耐食導電性皮膜は、改質元素以外に「不可避不純物」を含有し得る。不可避不純物は、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な元素である。このような不可避不純物は、基材などに元々含まれる場合の他、耐食導電性皮膜の形成時に不可避に混入等し得る。但し、本発明の場合、耐食導電性皮膜が形成される基材から観れば不可避不純物であっても、耐食導電性皮膜自体から観ると不可避不純物でない場合もある。例えば、基材の不純物元素が耐食導電性皮膜の特性改善に有効な元素であったり、さらには不純物元素が鉄含有リン化チタン層の必須元素となる場合もあり得る。例えば、チタン系基材の不純物であるFeは、本発明の耐食導電性皮膜の必須構成成元素である。このことは、純度の低い比較的安価な基材を用いつつも、特性が非常に優れた耐食導電材を得ることができることを意味する。
上述した本発明の構成に、以降に示す構成中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成を付加することができる。製造方法に関する構成は、プロダクトバイプロセスとして理解すれば耐食導電性皮膜や耐食導電材に関する構成ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
(1)組成
本発明の耐食導電性皮膜は、鉄含有リン化チタン層により優れた耐食性または導電性を発現し得る。この鉄含有リン化チタン層は、Fe、TiおよびP(以下適宜、これら3元素を「必須基本元素」という。)を必須元素とする。もっとも、それらの組成範囲は特に限定されない。
本発明者の研究によれば、上記の必須基本元素からなる鉄含有リン化チタン層である限り、広い組成範囲で優れた耐食性または導電性を示すことが明らかなとなっている。従って、具体的な組成範囲が特定されなくても、必須元素が明確であり、かつ、その効果が確認されているから、本発明の技術的思想は充分に明確である。
鉄含有リン化チタン層は上述した必須基本元素からなるが、その化合物の基本構造(または結晶構造)は必ずしも画一的ではない。すなわち、鉄含有リン化チタン層は、その組成の変動と共にその構造も変化し得る。もっとも本発明者の分析によれば、鉄含有リン化チタン層の少なくとも一部は、FeTiP構造をとり得ることが明らかである。FeTiP構造は、FeとTiとPが相互に結合した構造となっており、Feの結合が加わることで、Ti−P結合に比べて、Pとの結合が強固になり、腐食環境下でもその構造が維持できるため、優れた耐食導電性を示したと考えられる。これらにより、FeTiP構造からなる鉄含有リン化チタン層は優れた耐食導電性を発現したと考えられる。
さらに本発明の耐食導電性皮膜自体が多層構造であってもよい。例えば、本発明の耐食導電性皮膜は、鉄含有リン化チタン層以外に、その鉄含有リン化チタン層を支持する支持層をさらに備えてもよい。この支持層は、例えば、Ti3Pからなる。ここでTi3Pは、そのもの自体が導電性を備えている。そのTi3P表面(支持層上)のFeTiPが何らかの原因で欠如してTi3Pが腐食環境下に露出しても、その表面はTi−P−O皮膜という導電性を有する酸化皮膜で覆われることになる。このため複合膜となっても、耐食導電性は損なわれないと考えられる。このTi3Pからなる支持層によって鉄含有リン化チタン層が支持されることにより、本発明の皮膜はより安定した耐食導電性を発現すると考えられる。
(1)鉄含有リン化チタン層の形成には、必須基本元素の存在が必要である。この必須基本元素は、基材とは独立して供給されてもよいが、TiまたはFeを含む基材側から供給されてもよい。ここで基材側とは、基材自体がTi(またはTi合金)またはFe(またはFe合金)からなる場合の他、基材は必須基本元素と別の元素からなるが、その表面にTiまたはFeを含有する膜が形成されている場合などをも含むことを意味する。このようなTiまたはFeを含有する膜は、例えば、スパッタリングなどの蒸着により形成される。
例えば、Feを含有するリン酸塩の溶融塩中へチタン系基材を浸漬等することにより、本発明の鉄含有リン化チタン層が形成され得る。
基材表面に形成された化合物や塩などの反応を促進するために加熱または加温がなされてもよい。勿論、加熱等を行うまでもなく、良好な耐食導電性皮膜が形成されているならば、加熱工程等を行う必要はない。加熱工程等は非酸化雰囲気で行われるのが好ましく、加熱時間などは耐食導電性皮膜の組成や膜厚などによって適宜調整される。なお、この加熱工程を次のガス窒化工程が兼ねると効率的である。
前述の除去工程後に窒化工程を行うことにより、窒素(N)を鉄含有リン化チタン層へ導入したり、そこに混入したOを還元除去したりできる。本発明者の研究によれば、この窒化工程を施した耐食導電性皮膜も優れた耐食性または導電性を発揮する。特に、その耐食導電性皮膜は酸化雰囲気下でも安定した導電性を発揮し得る。
本発明の耐食導電性皮膜の用途は特に限定されず、現状では種々の物へ利用が考えられる。また、この耐食導電性皮膜を基材上に有する耐食導電材は、最終製品またはそれに近い形態に限らず、インゴット状、棒状、管状または板状等の素材であっても良いし、さらには粉末等の原料的なものであってもよい。耐食導電材の好例は、前述した固体高分子型燃料電池用セパレータ等の腐食環境下で使用される通電部材などである。
《試験片の製造》
純チタン(JIS1種)からなるチタン基板(チタン系基材)に対して、次に示す溶融塩浸漬処理を施した。
先ず、リン酸ナトリウム(Na3PO4)、無水ホウ酸(B2O3)およびリン酸三カルシウム(Ca3(PO4)2)の混合塩からなる溶融塩(処理材)をSUS430からなる鉄製坩堝中に建浴した。この溶融塩の温度は900℃、建浴雰囲気は大気中とした。この溶融塩中にチタン基板を浸漬した(接触工程、浸漬工程)。浸漬時間は5分間とした。その後、溶融塩中からチタン基板を取り出し、水洗によりチタン基板の表面にある溶融塩を除去した(除去工程)。さらにその後、そのチタン基板を1000℃の窒素ガス(N2>99.999%)の気流中に2時間おいてガス窒化処理を行った(窒化工程)。こうして試験片(耐食導電材)を得た。
(1)試験片の耐食導電性を評価するために、先ず、pH2、50ppmF−、100ppmCl−に調整した希硫酸水溶液からなる腐食溶液を用意した。これを80℃に加温し、その腐食溶液中に上記の試験片を浸漬した。この状態の試験片に0.26V(vs.Pt)の腐食電圧を印加して100時間(腐食時間)保持する腐食試験を行った。
一方、比較例の方は、接触抵抗が腐食試験前の接触抵抗:3.6mΩ・cm2から接触抵抗:1000mΩ・cm2 以上に急増し、耐食導電性に劣ることが明らかとなった。
(1)透過型電子顕微鏡(TEM)により、実施例の試験片の表面に形成された皮膜について観察したTEM写真を図3に示した。図3の上方が皮膜の最表面側であり、下方がチタン基板側である。
この写真から、最表面側から基板側にかけて複数の結晶からなる多層構造の被膜が形成されていることがわかる。
両表に示した各測定点における測定値と標準値がそれぞれ一致していることから、実施例の耐食導電性皮膜は、最表面部(Point1)でFePTi構造を有し、基板側(Point5)でTi3P構造を有することが明らかとなった。
本発明に係る耐食導電性皮膜または耐食導電材の一実施形態として、チタン基板の表面に耐食導電性皮膜を形成した固体高分子型燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池を図5Aおよび図5Bに示す。
F 固体高分子型燃料電池
1 固体高分子電解質膜
2 燃料電極
3 酸化電極
5 セパレータ
Claims (11)
- 鉄(Fe)、チタン(Ti)およびリン(P)からなると共に全体を100原子%(以下単に「%」という。)としたときに0%<Fe<50% である鉄含有リン化チタン層を少なくとも一部に有し、優れた耐食性または導電性を発現することを特徴とする耐食導電性皮膜。
- 前記鉄含有リン化チタン層の少なくとも一部は、FeTiP構造からなる請求項1に記載の耐食導電性皮膜。
- 前記鉄含有リン化チタン層は、多層構造からなる請求項1または2に記載の耐食導電性皮膜。
- さらに、前記鉄含有リン化チタン層を支持する支持層を備え、
該支持層はTi3P構造からなる請求項1〜3のいずれかに記載の耐食導電性皮膜。 - 基材と、
該基材の少なくとも一部の表面に形成された請求項1〜4のいずれかに記載の耐食導電性皮膜と、
からなることを特徴とする耐食導電材。 - 前記基材は、純チタンまたはチタン合金からなる請求項5に記載の耐食導電材。
- 中央に設けられた固体高分子電解質膜と該固体高分子電解質膜の一方側に接して設けられた燃料電極と該固体高分子電解質膜の他方側に接して設けられた酸化電極と該燃料電極および該酸化電極の外側に設けられたセパレータとからなる単位電池を積層してなり、
該セパレータと該燃料電極との間に燃料ガスを供給すると共に該セパレータと該酸化電極との間に酸化剤ガスを供給して直流電力を発生させる固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータは、少なくとも一部の表面に請求項1〜4のいずれかに記載の耐食導電性皮膜を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。 - 請求項7に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
- 純チタンまたはチタン合金からなるチタン系基材の少なくとも一部をFeを含有するリン酸塩からなる処理材と接触させる接触工程と、
該接触工程中のチタン系基材から該処理材を除去する除去工程とからなり、
請求項6に記載の耐食導電材が得られることを特徴とする耐食導電材の製造方法。 - さらに、前記除去工程後のチタン系基材に窒化処理を施す窒化工程を備える請求項9に記載の耐食導電材の製造方法。
- 前記鉄含有リン化チタン層の最表面は、窒化処理がなされている請求項1に記載の耐食導電性皮膜。
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