JP5342518B2 - Method for producing titanium fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に用いられるチタン製燃料電池セパレータの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a titanium fuel cell separator used in a fuel cell.

水素等の燃料と酸素等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燃料電池は、乾電池等の一次電池や鉛蓄電池等の二次電池とは異なり、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、また、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。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)、バイオ燃料電池等として開発されている。中でも、燃料電池自動車や、家庭用燃料電池(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等の携帯機器向けとして、固体高分子型燃料電池の開発が進められている。   Unlike primary batteries such as dry batteries and secondary batteries such as lead-acid batteries, fuel cells that can continuously extract power by continuing to supply fuel such as hydrogen and oxidants such as oxygen have high power generation efficiency. It is expected to be an energy source that covers a wide range of applications and scales because it 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), and a solid oxide. It has been developed as a type fuel cell (SOFC) and biofuel cell. In particular, solid polymer fuel cells are being developed for mobile devices such as fuel cell vehicles, household fuel cells (household cogeneration systems), mobile phones and personal computers.

固体高分子型燃料電池(以下、燃料電池という)は、固体高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで挟んだものを単セルとし、ガス(水素、酸素等)の流路となる溝が形成されたセパレータと呼ばれる(バイポーラプレートとも呼ばれる)電極を介して、前記単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。燃料電池は、スタックあたりのセル数を増やすことで、出力を高くすることができる。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) is a single cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a groove serving as a gas (hydrogen, oxygen, etc.) flow path. Is formed as a stack in which a plurality of the single cells are overlapped with each other through an electrode called a separator (also called a bipolar plate). The output of the fuel cell can be increased by increasing the number of cells per stack.

燃料電池用のセパレータは、発生した電流を燃料電池の外部へ取り出すための部品でもあるので、その材料には、接触抵抗(電極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、それがセパレータとしての使用中に長期間維持されるという特性が要求される。さらに、燃料電池の内部は酸性雰囲気であるため、セパレータには高耐食性も要求される。   Since the separator for a fuel cell is also a component for taking out the generated current to the outside of the fuel cell, the material has a contact resistance (a voltage drop occurs due to an interfacial phenomenon between the electrode and the separator surface). Is required to be maintained for a long time during use as a separator. Furthermore, since the inside of the fuel cell is in an acidic atmosphere, the separator is also required to have high corrosion resistance.

これらの要求を満足するために、黒鉛粉末の成形体を削り出して成るセパレータや、黒鉛と樹脂の混合物成形体から成るセパレータが種々提案されている。これらは優れた耐食性を有するものの、強度や靱性に劣ることから、振動や衝撃が加えられた際に破損する虞がある。そのため、金属材料をベースにしたセパレータが指向され、種々提案されている。   In order to satisfy these requirements, various separators have been proposed which are formed by cutting a graphite powder molded body or a mixture of graphite and resin mixture. Although these have excellent corrosion resistance, they are inferior in strength and toughness, and therefore may be damaged when subjected to vibration or impact. Therefore, various separators based on metal materials have been proposed and variously proposed.

耐食性と導電性を兼ね備えた金属材料としては、Au、Ptが挙げられる。従来から、薄型化が可能で、優れた加工性および高強度を有するアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等の金属材料を基材とし、これにAuやPt等の貴金属を被覆して耐食性および導電性を付与したセパレータが検討されている。しかしながら、これらの貴金属材料は非常に高価であるため、コスト高となる。   Examples of the metal material having both corrosion resistance and conductivity include Au and Pt. Conventionally, a metal material such as an aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, etc., which can be thinned and has excellent workability and high strength, is coated with a noble metal such as Au or Pt. A separator imparted with corrosion resistance and conductivity has been studied. However, these noble metal materials are very expensive and therefore expensive.

このような問題に対して、貴金属材料を使用しない金属セパレータの製造方法が提案されている。
例えば、基材自身の酸化皮膜の表面に、気相成膜法により中間層および導電性薄膜を形成する方法(特許文献1)や、基材表面に、半金属元素等からなる部分と炭素等からなる部分とから構成される表面処理層を気相成膜法により形成する方法(特許文献2)が提案されている。
In order to solve such a problem, a method of manufacturing a metal separator that does not use a noble metal material has been proposed.
For example, a method of forming an intermediate layer and a conductive thin film on the surface of the oxide film of the substrate itself by a vapor deposition method (Patent Document 1), a portion made of a metalloid element, carbon, etc. There has been proposed a method (Patent Document 2) in which a surface treatment layer composed of a portion made of is formed by a vapor deposition method.

また、基材表面に、導電性炭素膜を化学的気相合成法またはスパッタリング法により形成する方法(特許文献3)や、基材表面に、アモルファスカーボン層と導電部とから構成される被覆層をスパッタリング法、フィルタレスアークイオンプレーティング法等により形成する方法(特許文献4)が提案されている。   Also, a method of forming a conductive carbon film on the surface of the substrate by chemical vapor synthesis or sputtering (Patent Document 3), or a coating layer comprising an amorphous carbon layer and a conductive portion on the surface of the substrate Has been proposed (Patent Document 4) in which a film is formed by sputtering, filterless arc ion plating, or the like.

特許第4147925号公報Japanese Patent No. 4147925 特開2004−14208号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-14208 特開2007−207718号公報JP 2007-207718 A 特開2008−204876号公報JP 2008-204876 A

しかしながら、特許文献1、2、3に開示された技術は、基材の表面に、気相成膜法により、中間層、導電性薄膜等が形成されていることから、各層の界面における密着性が弱いことが懸念される。
また、特許文献4は、基材の表面に、気相成膜法により炭素からなる被覆層が形成されていることに加え、基材表面に直接当該被覆層が形成されているため、両者間の密着性が非常に弱い可能性がある。
なお、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が弱いと、当該各層を基材上に安定して維持することができない。よって、基材と当該各層との密着性の低さは、セパレータの導電耐久性(耐久性:導電性を長期間維持する性質)や耐食性にも悪影響を与えてしまう。
However, the techniques disclosed in Patent Documents 1, 2, and 3 are such that an intermediate layer, a conductive thin film, and the like are formed on the surface of the base material by a vapor deposition method. We are concerned that we are weak.
Further, in Patent Document 4, since the coating layer made of carbon is formed on the surface of the base material by a vapor deposition method, and the coating layer is directly formed on the surface of the base material, The adhesion may be very weak.
In addition, when the adhesiveness of each layer, such as an electroconductive thin film which influences electroconductivity and corrosion resistance, and a base material is weak, the said each layer cannot be stably maintained on a base material. Therefore, the low adhesion between the base material and the respective layers adversely affects the conductivity durability (durability: property of maintaining conductivity for a long time) and corrosion resistance of the separator.

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その課題は、基材表面に炭素層が密着性の高い状態で被覆しているチタン製燃料電池セパレータの製造方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said subject, The subject is providing the manufacturing method of the fuel cell separator made from titanium in which the carbon layer has coat | covered the base-material surface in the state with high adhesiveness. is there.

本発明者らは、炭素粉を含有させた有機系接着剤を用いて、炭素シートを純チタンまたはチタン合金からなる基材に接着した後、その基材をプレス、熱処理することにより、基材と炭素層(炭素シートにより構成される層)との密着性を向上させることができることを見出し、本発明を創出した。   The present inventors use an organic adhesive containing carbon powder to bond a carbon sheet to a base material made of pure titanium or a titanium alloy, and then press and heat-treat the base material. And found that the adhesion between the carbon layer and the carbon layer (layer composed of a carbon sheet) can be improved.

前記課題を解決するために、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に炭素層を設けたチタン製燃料電池セパレータの製造方法であって、有機系接着剤を用いて前記炭素層となる炭素シートを前記基材表面に接着する接着工程と、前記接着工程後に前記基材をプレスするプレス工程と、前記プレス工程後に前記基材を熱処理する熱処理工程と、を含み、前記有機系接着剤は、炭素粉を含有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention is a method for producing a titanium fuel cell separator in which a carbon layer is provided on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy, An adhesion step of adhering a carbon sheet to be the carbon layer to the substrate surface using an organic adhesive, a pressing step of pressing the substrate after the adhesion step, and heat-treating the substrate after the pressing step A heat treatment step, wherein the organic adhesive contains carbon powder.

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製造方法は、基材と炭素シートを接着する有機系接着剤が炭素粉を含有することにより、熱処理工程において炭素粉の炭素原子と炭素シートの炭素原子が再配列することで、化学的に両者が強固に接合することとなる。そして、基材のチタンと炭素シートおよび炭素粉の炭素とが熱処理工程において反応し、基材と炭素層(炭素シートにより構成される層)との間に、凹凸構造のチタンカーバイドからなる中間層が形成されることとなる。
したがって、基材と炭素層との密着性が大きく向上したセパレータを製造することができる。
As described above, the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention includes a carbon atom in a carbon powder and a carbon sheet in the heat treatment step, because the organic adhesive that bonds the base material and the carbon sheet contains carbon powder. These carbon atoms are rearranged so that they are chemically bonded together. And the titanium of the base material, the carbon sheet, and the carbon of the carbon powder react in the heat treatment step, and the intermediate layer made of titanium carbide having a concavo-convex structure between the base material and the carbon layer (layer constituted by the carbon sheet). Will be formed.
Therefore, a separator with greatly improved adhesion between the substrate and the carbon layer can be produced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素粉は黒鉛粉であり、平均粒径が0.5〜20μmであることが好ましい。   In the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention, the carbon powder is preferably graphite powder, and the average particle size is preferably 0.5 to 20 μm.

このように、炭素粉が黒鉛粉であることにより、プレス工程において炭素粉が粉砕され易く、当該粉砕された炭素粉が基材と炭素シートとの界面において緻密に配列する。よって、熱処理工程における炭素粉の炭素原子と炭素シートの炭素原子との再配列が適切に生じることにより、両者がさらに強固に接合することとなる。その結果、熱処理工程におけるチタンカーバイドからなる中間層が適切に形成されることにより、基材と炭素層との密着性がさらに向上したセパレータを製造することができる。   Thus, when carbon powder is graphite powder, carbon powder is easy to grind | pulverize in a press process, and the said grind | pulverized carbon powder arranges densely in the interface of a base material and a carbon sheet. Therefore, when the rearrangement of the carbon atom of the carbon powder and the carbon atom of the carbon sheet in the heat treatment process occurs appropriately, both are bonded more firmly. As a result, by appropriately forming the intermediate layer made of titanium carbide in the heat treatment step, it is possible to manufacture a separator in which the adhesion between the base material and the carbon layer is further improved.

また、黒鉛粉の平均粒径が0.5〜20μmであることにより、プレス工程において適切に黒鉛粉が粉砕されるため、基材と炭素層との密着性がさらに向上したセパレータを製造することができる。
Moreover, since the graphite powder is appropriately pulverized in the pressing step because the average particle diameter of the graphite powder is 0.5 to 20 μm, a separator with further improved adhesion between the base material and the carbon layer is manufactured. Can do.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記熱処理工程における熱処理は、酸素分圧1.3×10−1Pa以下という非酸化雰囲気下で行うことが好ましい。 In the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention, the heat treatment in the heat treatment step is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −1 Pa or less.

このように、熱処理工程における熱処理を、酸素分圧1.3×10−1Pa以下という非酸化雰囲気下で行うことにより、炭素シートの炭素が雰囲気中の酸素と反応(二酸化炭素の発生)する状況を回避でき、チタンカーバイドからなる中間層を適切に形成させることができる。 Thus, by performing the heat treatment in the heat treatment step in a non-oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −1 Pa or less, the carbon of the carbon sheet reacts with oxygen in the atmosphere (generation of carbon dioxide). The situation can be avoided, and an intermediate layer made of titanium carbide can be appropriately formed.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、基材と炭素シートを接着する有機系接着剤が炭素粉を含有することにより、基材と炭素層との密着性が大きく向上したセパレータを製造することができる。
また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、有機系接着剤に含有する炭素粉が黒鉛粉であり、平均粒径が0.5〜20μmであることにより、基材と炭素層との密着性がさらに向上したセパレータを製造することができる。
加えて、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、熱処理工程における熱処理を、酸素分圧1.3×10−1Pa以下という非酸化雰囲気下で行うことで、中間層が適切に形成されることにより、基材と炭素層との密着性を確保したセパレータを製造することができる。
そして、基材と炭素層との密着性を向上させることにより、導電性や耐食性に優れた炭素層を基材上に安定して維持することができるため、導電耐久性(耐久性:導電性を長期間維持する性質)や耐食性に優れたセパレータを製造することができる。
The titanium fuel cell separator manufacturing method according to the present invention includes a separator in which the adhesion between the base material and the carbon layer is greatly improved because the organic adhesive that bonds the base material and the carbon sheet contains carbon powder. Can be manufactured.
Further, in the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention, the carbon powder contained in the organic adhesive is graphite powder, and the average particle diameter is 0.5 to 20 μm. Can be produced.
In addition, the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention performs the heat treatment in the heat treatment step in a non-oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −1 Pa or less, so that the intermediate layer is appropriately formed. By being formed, it is possible to manufacture a separator that ensures the adhesion between the substrate and the carbon layer.
And, by improving the adhesion between the base material and the carbon layer, a carbon layer having excellent conductivity and corrosion resistance can be stably maintained on the base material. For a long period of time) and a separator excellent in corrosion resistance.

実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the titanium fuel cell separator which concerns on embodiment. 実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造工程におけるセパレータについて順を追って示す図である。It is a figure which shows order for the separator in the manufacturing process of the titanium fuel cell separator according to the embodiment. 実施例における接触抵抗測定、および、密着性評価において使用した接触抵抗測定装置の概略図である。It is the schematic of the contact resistance measurement apparatus used in the contact resistance measurement in an Example, and adhesive evaluation.

以下、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法の実施するための形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out a method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

≪チタン製燃料電池セパレータ≫
まず、実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法で形成され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)について説明する。
セパレータ10は、図2(熱処理工程S3後の図)に示すように、基材1と、当該基材1の表面(両面または片面)に形成された炭素層2(炭素シートにより構成される層)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。なお、図2では、基材1の両面に炭素層2および中間層3が形成されているセパレータ10を表しているが、基材1の片面のみに炭素層2および中間層3が形成されていてもよい。
以下、セパレータ10を構成する基材1、炭素層2、中間層3について説明する。
≪Titanium fuel cell separator≫
First, a titanium fuel cell separator 10 (hereinafter, appropriately referred to as a separator) formed by the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the embodiment will be described.
As shown in FIG. 2 (the figure after the heat treatment step S3), the separator 10 includes a base material 1 and a carbon layer 2 (a layer composed of a carbon sheet) formed on the surface (both sides or one side) of the base material 1. ) And an intermediate layer 3 formed at the interface between the substrate 1 and the carbon layer 2. In FIG. 2, the separator 10 in which the carbon layer 2 and the intermediate layer 3 are formed on both surfaces of the substrate 1 is shown, but the carbon layer 2 and the intermediate layer 3 are formed only on one surface of the substrate 1. May be.
Hereinafter, the base material 1, the carbon layer 2, and the intermediate layer 3 constituting the separator 10 will be described.

<基材>
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、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。
<Base material>
The substrate 1 of the separator 10 is made of pure titanium or a titanium alloy. Therefore, the base material 1 is lighter than the case where stainless steel or the like is used, and is excellent in corrosion resistance. Moreover, since pure titanium or a titanium alloy is excellent in strength and toughness, the strength and toughness of the substrate 1 can be secured.

そして、基材1は、従来公知の方法、例えば、純チタンまたはチタン合金を溶解、鋳造して鋳塊とし、熱間圧延した後、冷間圧延するという方法により作製されたものである。また、基材1は、焼鈍仕上げされていることが好ましいが、その仕上げ状態は問わず、例えば「焼鈍+酸洗仕上げ」、「真空熱処理仕上げ」、「光輝焼鈍仕上げ」等のいずれの仕上げ状態であっても構わない。   And the base material 1 is produced by a conventionally well-known method, for example, the method of melt | dissolving and casting pure titanium or a titanium alloy to make an ingot, hot rolling, and then cold rolling. The substrate 1 is preferably annealed, but the finished state is not limited, and any finished state such as “annealing + pickling finish”, “vacuum heat treatment finish”, “bright annealing finish”, etc. It does not matter.

なお、基材1は、特定の組成のチタンに限定されるものではないが、チタン素材の冷間圧延のし易さや、その後のプレス成形性確保の観点から、O:1500ppm以下(より好ましくは1000ppm以下)、Fe:1500ppm以下(より好ましくは1000ppm以下)、C:800ppm以下、N:300ppm以下、H:130ppm以下であり、残部がTiおよび不可避的不純物からなるものが好ましい。基材1は、例えば、JIS 1種の冷間圧延板を使用することができる。   In addition, although the base material 1 is not limited to titanium of a specific composition, O: 1500 ppm or less (more preferably) from a viewpoint of the ease of cold rolling of titanium raw material, and subsequent press moldability ensuring. 1000 ppm or less), Fe: 1500 ppm or less (more preferably 1000 ppm or less), C: 800 ppm or less, N: 300 ppm or less, H: 130 ppm or less, with the balance being Ti and inevitable impurities. As the base material 1, for example, a JIS type 1 cold-rolled plate can be used.

基材1の板厚は0.05〜1.0mmが好ましい。板厚が0.05mm未満では、基材1に必要とされる強度を確保することができず、一方、1.0mmを越えると加工性が低下するからである。   The plate thickness of the substrate 1 is preferably 0.05 to 1.0 mm. This is because if the plate thickness is less than 0.05 mm, the strength required for the substrate 1 cannot be ensured, while if it exceeds 1.0 mm, the workability decreases.

<炭素層>
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、炭素層2は、炭素シートを基材1表面に接着、プレスした後、熱処理することにより形成する層である。
この炭素シートは、膨張黒鉛シート(燐片状黒鉛の層間に化学品が挿入されている黒鉛シート)、カーボンシート等の炭素系のシートであれば限定されないが、膨張黒鉛シートであることが好ましい。膨張黒鉛シートを用いることにより、後記する有機系接着剤2a(接着工程S1で使用)に含まれる炭素粉2bが炭素シートに食い込み易く、両者の接触面積が大きくなり、その結果、密着性が向上するからである。また、膨張黒鉛シートは、グラファイトが(002)面に平行に配向(炭素シート表面に対して平行に配向)していることから、プレス工程における圧力が低くても、低抵抗性(高電導性)を確保す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。
<Carbon layer>
The carbon layer 2 of the separator 10 is made of carbon having conductivity and corrosion resistance. And the carbon layer 2 is a layer formed by heat-processing, after adhere | attaching and pressing a carbon sheet on the base-material 1 surface.
The carbon sheet is not limited as long as it is a carbon-based sheet such as an expanded graphite sheet (a graphite sheet in which chemicals are inserted between flake graphite layers) or a carbon sheet, but is preferably an expanded graphite sheet. . By using the expanded graphite sheet, the carbon powder 2b contained in the organic adhesive 2a (used in the bonding step S1), which will be described later, can easily bite into the carbon sheet, and the contact area between the two increases, resulting in improved adhesion. Because it does. Further, since the expanded graphite sheet is oriented in parallel to the (002) plane (orientated in parallel to the carbon sheet surface), even if the pressure in the pressing process is low, low resistance (high conductivity) ) Can be secured.
Graphite is a hexagonal plate crystal composed of carbon in which a large number of graphene sheets having a hexagonal lattice structure and a sheet shape are stacked in layers.

炭素層2は、基材1の表面全体に被覆されていることが好ましいが、必ずしも表面全体に被覆されている必要はなく、導電性と耐食性を確保するためには、表面の50%以上、好ましくは70%以上に被覆されていればよい。   The carbon layer 2 is preferably coated on the entire surface of the substrate 1, but is not necessarily coated on the entire surface, and in order to ensure conductivity and corrosion resistance, 50% or more of the surface, Preferably, 70% or more may be covered.

また、基材1表面の炭素層2の平均厚さは、導電性と耐食性に影響する。炭素層2の平均厚さが0.5μm未満であると、十分な導電性と耐食性が得られない。一方、炭素層2の平均厚さが200μmを超えると加工性が低下してしまう。したがって、炭素層2の厚さは、0.5〜200μm以下であることが好ましい。   In addition, the average thickness of the carbon layer 2 on the surface of the substrate 1 affects the conductivity and the corrosion resistance. If the average thickness of the carbon layer 2 is less than 0.5 μm, sufficient conductivity and corrosion resistance cannot be obtained. On the other hand, if the average thickness of the carbon layer 2 exceeds 200 μm, the workability is lowered. Therefore, the thickness of the carbon layer 2 is preferably 0.5 to 200 μm or less.

炭素層2の平均厚さは、基材1と炭素層2との断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)、等を用いて測定することができる。ここで、平均厚さとは、例えば、SEMで断面を観察した際の500μmの幅の範囲での炭素層2の平均厚さである。   The average thickness of the carbon layer 2 can measure the cross section of the base material 1 and the carbon layer 2 using a scanning electron microscope (SEM) or the like. Here, the average thickness is, for example, the average thickness of the carbon layer 2 in the range of a width of 500 μm when a cross section is observed with an SEM.

<中間層>
基材1と炭素層2との界面には、基材1のチタンと炭素シート(および後記する有機系接着剤2aに含まれる炭素粉2b)の炭素とが反応して形成された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、チタンカーバイドは、基材1と炭素シート(および炭素粉2b)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。
<Intermediate layer>
At the interface between the base material 1 and the carbon layer 2, titanium carbide formed by a reaction between titanium of the base material 1 and carbon of a carbon sheet (and carbon powder 2 b contained in the organic adhesive 2 a described later). An intermediate layer 3 is formed. Since this titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the substrate 1 and the carbon layer 2 is reduced, and the conductivity of the separator 10 is improved. In addition, since titanium carbide is formed by the reaction of the base material 1 and the carbon sheet (and the carbon powder 2b), the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 is improved.

中間層3は、熱処理によって基材1のチタンと炭素シートの炭素とが反応して形成されたものであり、基材1および炭素層2との界面が凹凸形状となっている。そのため、気相成膜法により平滑な中間層3を形成した場合と比べ、基材1と炭素層2との密着性がより良好なものとなる。
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。
そして、この中間層3の形成状態は、後記する熱処理条件によって制御することができる。
The intermediate layer 3 is formed by a reaction between titanium of the base material 1 and carbon of the carbon sheet by heat treatment, and the interface between the base material 1 and the carbon layer 2 has an uneven shape. Therefore, compared with the case where the smooth intermediate layer 3 is formed by the vapor deposition method, the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 becomes better.
The intermediate layer 3 is preferably formed at all interfaces between the base material 1 and the carbon layer 2, but is formed at 50% or more of the interfaces in order to ensure adhesion. Just do it.
And the formation state of this intermediate | middle layer 3 can be controlled by the heat processing conditions mentioned later.

また、この中間層3の平均厚さは、5nm以上であることが好ましい。5nm未満であると、基材1と炭素層2との十分な密着性が得られないからである。
中間層3の平均厚さ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。
The average thickness of the intermediate layer 3 is preferably 5 nm or more. This is because if the thickness is less than 5 nm, sufficient adhesion between the substrate 1 and the carbon layer 2 cannot be obtained.
The upper limit of the average thickness of the intermediate layer 3 is not particularly limited, but it may be 100 nm or less because there is no change in adhesion even if it exceeds 100 nm.

中間層3の平均厚さは、基材1と炭素層2との断面を、透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができる。ここで、平均厚さとは、例えば、TEMで断面を観察した際の500nmの幅の範囲での中間層3の平均厚さである。   The average thickness of the intermediate layer 3 can measure the cross section of the base material 1 and the carbon layer 2 using a transmission electron microscope (TEM) or the like. Here, the average thickness is, for example, the average thickness of the intermediate layer 3 in a width range of 500 nm when a cross section is observed with a TEM.

以上、セパレータ10について説明したが、後記する接着工程S1において使用する有機系接着剤2aが熱分解されていない場合は、基材1と炭素層2との間に残留していてもよい。
なお、有機系接着剤2aに含有されている炭素粉2bは、炭素層2に圧着しているか、チタンと反応し中間層3の一部となっている。
The separator 10 has been described above. However, when the organic adhesive 2 a used in the bonding step S <b> 1 described later is not thermally decomposed, it may remain between the base material 1 and the carbon layer 2.
The carbon powder 2b contained in the organic adhesive 2a is pressed against the carbon layer 2 or reacts with titanium to become a part of the intermediate layer 3.

次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ10の製造工程(接着工程S1)で使用する有機系接着剤2aについて説明する。
≪有機系接着剤≫
接着工程S1で使用する有機系接着剤2aとは、例えば、天然ゴム系、デンプン系、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、エーテル系セルロース、エポキシ樹脂系、スチレン‐ブタジエンゴム系、ホットメルト、フェノール樹脂系、ポリスチレン樹脂系、ポリビニルアルコール樹脂系、ポリメタクリレート樹脂系及びポリウレタン樹脂系接着剤である。この中でも、熱処理工程S3において熱分解するエーテル系セルロースまたはポリスチレン樹脂系を有機系接着剤2aとして使用するのが好ましい。有機系接着剤2aが熱分解することにより、基材1のチタンと炭素シート(および後記する有機系接着剤2aに含まれる炭素粉2b)の炭素とが適切に反応するからである。
Next, the organic adhesive 2a used in the manufacturing process (bonding process S1) of the titanium fuel cell separator 10 according to the present invention will be described.
≪Organic adhesive≫
Examples of the organic adhesive 2a used in the bonding step S1 include natural rubber, starch, acrylic resin, urethane resin, ether cellulose, epoxy resin, styrene-butadiene rubber, hot melt, and phenol resin. , Polystyrene resin, polyvinyl alcohol resin, polymethacrylate resin, and polyurethane resin adhesives. Among these, it is preferable to use ether type cellulose or polystyrene resin type that thermally decomposes in the heat treatment step S3 as the organic adhesive 2a. This is because when the organic adhesive 2a is thermally decomposed, the titanium of the substrate 1 and the carbon of the carbon sheet (and carbon powder 2b included in the organic adhesive 2a described later) react appropriately.

そして、有機系接着剤2aは、炭素粉2bを含有することを特徴とする。炭素粉2bを含有していることにより、まず、プレス工程S2において、炭素粉2bが基材1と炭素シートに食い込む。そして、熱処理工程S3において、炭素粉2bの炭素原子と炭素シートの炭素原子が再配列することで両者が化学的に強固に接合するとともに、基材1のチタンと炭素粉2bの炭素が反応し凹凸構造のチタンカーバイドからなる中間層3を形成する。その結果、基材1と炭素シートとの密着性が向上するからである。   The organic adhesive 2a contains carbon powder 2b. By containing the carbon powder 2b, first, in the press step S2, the carbon powder 2b bites into the base material 1 and the carbon sheet. In the heat treatment step S3, the carbon atoms of the carbon powder 2b and the carbon atoms of the carbon sheet are rearranged so that they are chemically and firmly bonded to each other. An intermediate layer 3 made of titanium carbide having an uneven structure is formed. As a result, the adhesion between the substrate 1 and the carbon sheet is improved.

炭素粉2bは、特に限定されず、黒鉛粉(結晶質)であっても、カーボン粉(非結晶質)であっても良いが、黒鉛粉のほうが好ましい。炭素粉2bが黒鉛粉である場合は、プレス工程S2において炭素粉2bが粉砕され易く、当該粉砕された炭素粉2bが基材1と炭素シートとの界面において緻密に配列する。よって、熱処理工程S3における炭素粉2bの炭素原子と炭素シートの炭素原子との再配列が適切に生じることにより、さらに強固に接合することとなるからである。   The carbon powder 2b is not particularly limited, and may be graphite powder (crystalline) or carbon powder (noncrystalline), but graphite powder is more preferable. When the carbon powder 2b is graphite powder, the carbon powder 2b is easily pulverized in the pressing step S2, and the pulverized carbon powder 2b is densely arranged at the interface between the substrate 1 and the carbon sheet. Therefore, the rearrangement of the carbon atoms of the carbon powder 2b and the carbon atoms of the carbon sheet in the heat treatment step S3 is appropriately performed, thereby further firmly joining.

炭素粉2bが黒鉛粉(結晶質)である場合は、例えば、鱗片状黒鉛、人造黒鉛、土状黒鉛、膨張黒鉛を使用すれば良い。なお、炭素粉2bが黒鉛粉である場合の炭素粉2bのサイズは、平均粒径0.5〜20μmであることが好ましい。0.5μm未満だと若干性能(接触抵抗、密着性)が劣るとともに、当該サイズの黒鉛粉は安価ではなく入手が困難である。一方、20μmを超えると炭素シートの損傷(突き破る等)の原因となるからである。   When the carbon powder 2b is graphite powder (crystalline), for example, flaky graphite, artificial graphite, earth graphite, or expanded graphite may be used. In addition, when the carbon powder 2b is graphite powder, the size of the carbon powder 2b is preferably an average particle size of 0.5 to 20 μm. If it is less than 0.5 μm, the performance (contact resistance, adhesion) is slightly inferior, and graphite powder of the size is not cheap and difficult to obtain. On the other hand, if it exceeds 20 μm, it will cause damage (break through etc.) of the carbon sheet.

なお、炭素粉2bがカーボン粉(非結晶質)である場合は、プレス工程S2において炭素粉2bはほとんど粉砕されないため、密着性の向上を確保するためには、炭素粉2bと炭素シートおよび基材1との接触面積を大きくする必要がある。よって、カーボン粉としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック等の平均粒径の小さなもの(平均粒径0.01〜0.2μm)を選択する必要がある。   When the carbon powder 2b is carbon powder (non-crystalline), the carbon powder 2b is hardly pulverized in the pressing step S2. Therefore, in order to ensure improved adhesion, the carbon powder 2b, the carbon sheet, and the base It is necessary to increase the contact area with the material 1. Therefore, as the carbon powder, for example, a carbon black, acetylene black or the like having a small average particle size (average particle size of 0.01 to 0.2 μm) needs to be selected.

炭素粉2bは、有機系接着剤2aと炭素粉2bを足した全量に対し、1〜50wt%となるように含有されていることが好ましい。1wt%未満だと、基材1と炭素シートとの密着性の向上を確保することができず、50wt%を超えると粘度が高くなり塗布することが困難となる。   The carbon powder 2b is preferably contained so as to be 1 to 50 wt% with respect to the total amount of the organic adhesive 2a and the carbon powder 2b. If it is less than 1 wt%, it is not possible to ensure an improvement in the adhesion between the substrate 1 and the carbon sheet, and if it exceeds 50 wt%, the viscosity increases and it becomes difficult to apply.

次に、実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータ10の製造方法を説明する。
≪チタン製燃料電池セパレータの製造方法≫
チタン製燃料電池セパレータ10の製造方法は、接着工程S1と、プレス工程S2と、熱処理工程S3とを、含む。
以下、チタン製燃料電池セパレータ10の製造方法を、工程ごとに説明する。
Next, a method for manufacturing the titanium fuel cell separator 10 according to the embodiment will be described.
≪Method for manufacturing titanium fuel cell separator≫
The manufacturing method of the titanium fuel cell separator 10 includes an adhesion step S1, a pressing step S2, and a heat treatment step S3.
Hereinafter, the manufacturing method of the titanium fuel cell separator 10 will be described step by step.

<接着工程>
接着工程S1とは、有機系接着剤2aを用いて炭素シートを純チタンまたはチタン合金からなる基材1表面に接着する工程である。
<Adhesion process>
The bonding step S1 is a step of bonding the carbon sheet to the surface of the base material 1 made of pure titanium or a titanium alloy using the organic adhesive 2a.

接着工程S1は、連続式(ロールtoロール)、バッチ式(シートごと)のいずれで行ってもよい。例えば、連続式で行う場合は、炭素粉2bを含有した有機系接着剤2aを帯状の基材1の表面(両面または片面)にコータ(例えば、グラビアコータ、リバースロールコータ、ロールナイフコータ、ダイコータ)で連続的に塗布する。その後、有機系接着剤2aが塗布された帯状の基材1表面に炭素シートを連続的に張り合わせればよい。
ここで、基材1表面に炭素シートを連続的に張り合わせる場合は、炭素シートは、帯状のもの、または帯状の炭素シート(フィルム)がロール状に巻かれたものを使用すればよい。一方、バッチ式で行う場合は、炭素シートは、基材1と略同じサイズ(横、幅)に予め切断されたものを使用すればよい。
なお、炭素シートは、炭素を97質量%以上含有するものであることが好ましく、水素等が不可避的に混入していても良い。そして、炭素シートは10〜200μmの厚さであることが好ましい。
Adhesion process S1 may be performed by any of a continuous type (roll to roll) and a batch type (each sheet). For example, when performing continuously, the organic adhesive 2a containing the carbon powder 2b is coated on the surface (both sides or one side) of the belt-like substrate 1 (for example, gravure coater, reverse roll coater, roll knife coater, die coater). ) To apply continuously. Then, what is necessary is just to laminate | stack a carbon sheet continuously on the strip | belt-shaped base material 1 surface with which the organic adhesive 2a was apply | coated.
Here, when a carbon sheet is continuously pasted on the surface of the substrate 1, the carbon sheet may be a strip or a roll of a strip of carbon sheet (film) may be used. On the other hand, when performing by a batch type, what is necessary is just to use the carbon sheet cut | disconnected beforehand by the substantially same size (width, width | variety) as the base material 1. FIG.
In addition, it is preferable that a carbon sheet contains 97 mass% or more of carbon, and hydrogen etc. may be mixed unavoidable. And it is preferable that a carbon sheet is 10-200 micrometers thick.

この接着工程S1においては、前記したように、基材1表面に有機系接着剤2aを塗付して炭素シートを基材1に取り付けてもよいし、炭素シートに有機系接着剤2aを塗付して炭素シートを基材1に取り付けてもよい。
また、有機系接着剤2aの塗布については、まず、炭素粉2aを含有しない有機系接着剤2aを基材1(または炭素シート)表面に塗布し、その後、炭素粉2bを塗布するという2段階の工程で行ってもよい。
In the bonding step S1, as described above, the organic adhesive 2a may be applied to the surface of the base 1 to attach the carbon sheet to the base 1, or the organic adhesive 2a may be applied to the carbon sheet. The carbon sheet may be attached to the substrate 1 by attaching.
As for the application of the organic adhesive 2a, first, an organic adhesive 2a that does not contain the carbon powder 2a is applied to the surface of the substrate 1 (or carbon sheet), and then the carbon powder 2b is applied. You may carry out by the process of.

接着工程S1の有機系接着剤2aの塗布は、基材1(または炭素シート)表面に塗布することができる手段であれば限定されず、前記した各種コータを用いて行ってもよいし、スプレー等により行ってもよい。   The application of the organic adhesive 2a in the bonding step S1 is not limited as long as it can be applied to the surface of the substrate 1 (or the carbon sheet), and may be performed using the various coaters described above or sprayed. Etc. may be performed.

<プレス工程>
プレス工程S2とは、接着工程S1後に炭素シートが接着されている基材1をプレスする工程である。
<Pressing process>
The pressing step S2 is a step of pressing the substrate 1 to which the carbon sheet is bonded after the bonding step S1.

プレス工程S2におけるプレス方法は、特に限定されず、圧延等の基材1表面に圧力をかける方法であればよい。
そして、プレス工程S2における圧力は300〜3000MPaであることが好ましい。300MPa未満であると、基材1と炭素シートとの接着性が十分でなく、3000MPaを超えても密着性は飽和するだけである。
The press method in press process S2 is not specifically limited, What is necessary is just the method of applying a pressure to the base-material 1 surface, such as rolling.
And it is preferable that the pressure in press process S2 is 300-3000 MPa. If it is less than 300 MPa, the adhesion between the substrate 1 and the carbon sheet is not sufficient, and even if it exceeds 3000 MPa, the adhesion is only saturated.

プレス工程S2におけるプレスは、基材1に対し300〜3000MPaの圧力をかけることができるプレス装置であれば、従来公知の圧延装置等のどのようなプレス装置で行ってもよい。   As long as the press in press process S2 is a press apparatus which can apply the pressure of 300-3000 MPa with respect to the base material 1, you may perform it by what kind of press apparatuses, such as a conventionally well-known rolling apparatus.

<熱処理工程>
熱処理工程S3とは、プレス工程S2後に炭素シートが圧着されている基材1を熱処理することによって、基材1のチタンと炭素シート(および炭素粉2b)の炭素を反応させ、基材1と炭素層2との間に中間層3を形成する工程である。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step S3, the base material 1 to which the carbon sheet is pressure-bonded after the pressing step S2 is heat-treated to react the titanium of the base material 1 with the carbon of the carbon sheet (and the carbon powder 2b). This is a step of forming the intermediate layer 3 between the carbon layer 2.

熱処理工程S3における熱処理は、酸素分圧1.3×10−1Pa以下という非酸化雰囲気下で行うのが好ましい。酸素分圧が1.3×10−1Paを超えると、炭素シートの炭素が雰囲気中の酸素と反応することで、二酸化炭素となってしまい(燃焼反応を起こしてしまい)、チタンカーバイド(中間層3)を形成する炭素の量が減少してしまうからである。 The heat treatment in the heat treatment step S3 is preferably performed in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −1 Pa or less. When the oxygen partial pressure exceeds 1.3 × 10 −1 Pa, the carbon of the carbon sheet reacts with oxygen in the atmosphere to become carbon dioxide (causes a combustion reaction), and titanium carbide (intermediate) This is because the amount of carbon forming the layer 3) is reduced.

熱処理工程S3における熱処理温度は、300〜850℃であることが好ましい。熱処理時の温度が低いと、炭素層2の炭素と基材1のチタンの反応が起こり難いため、チタンカーバイドが形成されず、一方、温度が高いと、基材1の機械特性の低下が発生する懸念が存在するからである。より好ましい温度範囲は、400〜800℃であり、さらに好ましくは、450〜700℃である。   The heat treatment temperature in the heat treatment step S3 is preferably 300 to 850 ° C. If the temperature during the heat treatment is low, the reaction between the carbon of the carbon layer 2 and the titanium of the base material 1 hardly occurs, so that titanium carbide is not formed. On the other hand, if the temperature is high, the mechanical properties of the base material 1 are deteriorated. This is because there is a concern to do. A more preferable temperature range is 400 to 800 ° C, and further preferably 450 to 700 ° C.

また、熱処理の時間は、2〜10分間であり、温度が低い場合は長時間の処理、温度が高い場合は短時間の処理というように、温度によって時間を適宜調整すればよい。   The heat treatment time is 2 to 10 minutes, and the time may be appropriately adjusted depending on the temperature, such as a long time treatment when the temperature is low and a short time treatment when the temperature is high.

熱処理工程S3の熱処理は、300〜850℃の熱処理温度で熱処理を行うことができ、かつ雰囲気調整ができる熱処理炉であれば、電気炉、ガス炉等、どのような熱処理炉で行ってもよい。   The heat treatment in the heat treatment step S3 may be performed in any heat treatment furnace such as an electric furnace or a gas furnace as long as the heat treatment can be performed at a heat treatment temperature of 300 to 850 ° C. and the atmosphere can be adjusted. .

なお、気相成膜法によりチタン基材上にチタンカーバイド層(中間層)と炭素層を形成させる例があるが、この場合のチタンカーバイド層は均一な厚さで形成される。その結果、チタンカーバイド層と炭素層との間には平滑な界面が形成され、この部分において剥離が懸念される。一方、本発明のチタンカーバイド層は、炭素層2との界面は凹凸形状となっている。チタンカーバイド層が炭素層2と基材1のチタンとが反応して形成されたものである上、界面が凹凸構造となることで両者の密着性がより良好なものになると考えられる。   In addition, there is an example in which a titanium carbide layer (intermediate layer) and a carbon layer are formed on a titanium base material by a vapor deposition method. In this case, the titanium carbide layer is formed with a uniform thickness. As a result, a smooth interface is formed between the titanium carbide layer and the carbon layer, and peeling may occur at this portion. On the other hand, the titanium carbide layer of the present invention has an uneven shape at the interface with the carbon layer 2. It is considered that the titanium carbide layer is formed by the reaction between the carbon layer 2 and the titanium of the substrate 1, and that the interface becomes an uneven structure, thereby improving the adhesion between them.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。
例えば、接着工程S1の前に基材1表面の不働態皮膜を除去する不働態皮膜除去工程を行ってもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the design can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention described in the claims.
For example, you may perform the passive film removal process which removes the passive film of the base material 1 surface before adhesion process S1.

次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ製造方法について、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを比較して具体的に説明する。   Next, the titanium fuel cell separator manufacturing method according to the present invention will be specifically described by comparing an example satisfying the requirements of the present invention with a comparative example not satisfying the requirements of the present invention.

<実施例に係る試験体の作製>
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。
<Preparation of a specimen according to an example>
As a base material, JIS 1 type titanium base material (annealing pickling finish) was used. The chemical composition of the titanium base material is O: 450 ppm, Fe: 250 ppm, N: 40 ppm, the balance is Ti and inevitable impurities, and the plate thickness of the titanium base material is 0.5 mm.

基材の両面に、表1に記載の炭素粉を所定量含有したエーテル系セルロース接着剤を用いて、膨張黒鉛シート(厚さ100μm)を接着した。その後、1500MPaまたは700MPaで冷間圧延を行い、非酸化雰囲気(1.3×10−3Pa)で熱処理(750℃、5分)を行うことで実施例に係る試験体(No.1〜3)を作製した。 An expanded graphite sheet (thickness: 100 μm) was adhered to both surfaces of the substrate using an ether-based cellulose adhesive containing a predetermined amount of the carbon powder shown in Table 1. Thereafter, cold rolling is performed at 1500 MPa or 700 MPa, and heat treatment (750 ° C., 5 minutes) is performed in a non-oxidizing atmosphere (1.3 × 10 −3 Pa), whereby the specimens according to the examples (Nos. 1 to 3). ) Was produced.

<比較例に係る試験体の作製>
実施例に係る試験体と同様の基材の両面に、表1に記載の炭素粉を所定量含有したエーテル系セルロース接着剤または炭素粉を含有しないエーテル系セルロース接着剤を用いて、膨張黒鉛シート(厚さ100μm)を接着した。その後、1500MPaまたは700MPaで冷間圧延を行い、非酸化雰囲気(1.3×10−3Pa)で熱処理(750℃、5分)を行うことで比較例に係る試験体(No.4、5)を作製した。
<Preparation of a specimen according to a comparative example>
An expanded graphite sheet using an ether-based cellulose adhesive containing a predetermined amount of the carbon powder shown in Table 1 or an ether-based cellulose adhesive containing no carbon powder on both surfaces of a base material similar to the test body according to the example. (Thickness 100 μm) was adhered. Thereafter, cold rolling is performed at 1500 MPa or 700 MPa, and heat treatment (750 ° C., 5 minutes) is performed in a non-oxidizing atmosphere (1.3 × 10 −3 Pa), whereby the specimens according to the comparative examples (No. 4, 5) ) Was produced.

このようにして作製した試験体について、以下の方法により、接触抵抗測定、および、密着性評価を行った。   The test specimens thus produced were subjected to contact resistance measurement and adhesion evaluation by the following methods.

[接触抵抗測定]
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1cm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・cm以下の場合を導電性が良好、10mΩ・cmを超える場合を導電性が不良とした。
[Contact resistance measurement]
The contact resistance was measured using the contact resistance measurement device 30 shown in FIG. Specifically, both surfaces of the test body 31 are sandwiched between two carbon cloths 32 and 32, and the outside is sandwiched between two copper electrodes 33 and 33 having a contact area of 1 cm 2 and pressurized with a load of 98 N (10 kgf). A 7.4 mA current was passed using a direct current power supply 34, and the voltage applied between the carbon cloths 32 and 32 was measured with a voltmeter 35 to determine the contact resistance.
When the contact resistance (shown as the initial contact resistance in Table 1) is 10 mΩ · cm 2 or less, the conductivity is good, and when it exceeds 10 mΩ · cm 2 , the conductivity is poor.

[密着性評価]
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1cm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。
[Adhesion evaluation]
Adhesion evaluation was performed using the contact resistance measuring apparatus 30 shown in FIG. A state in which both sides of the test body 31 are sandwiched between two carbon cloths 32 and 32 and the outside is sandwiched between copper electrodes 33 and 33 having a contact area of 1 cm 2 and pressurized to a load of 98 N (10 kgf). The test body 31 was pulled out in the in-plane direction while holding (pull-out test).
After the pull-out test, the non-friction surface and the friction surface were observed at a magnification of 100 times with SEM / EDX, and when the acceleration voltage was 15 kV and titanium (Ti) and carbon (C) were quantitatively analyzed, When the amount of carbon (atomic%) is 100% and the amount of carbon on the friction surface is 80% or more of the amount of carbon on the non-friction surface, ○ (very good), the amount of carbon on the friction surface Is △ (good) when the amount of carbon on the non-friction surface is 50% or more and less than 80%, and × (defect) when the amount of carbon on the friction surface is less than 50% of carbon on the non-friction surface It was judged.

各試験体の炭素シートの種類、接着剤中の炭素粉の種類、炭素粉含有率(=炭素粉質量/(炭素粉質量+有機系接着剤質量)×100)、圧延面圧、熱処理の有無、接触抵抗、および、密着性を表1に示す。   Type of carbon sheet of each test specimen, type of carbon powder in adhesive, carbon powder content (= carbon powder mass / (carbon powder mass + organic adhesive mass) × 100), rolling surface pressure, presence / absence of heat treatment Table 1 shows contact resistance and adhesion.

Figure 0005342518
Figure 0005342518

有機系接着剤に炭素粉(黒鉛粉)を含有させるとともに、熱処理を行った試験体(No.1、2)は、密着性が非常に良好という結果であるとともに、導電性が良好という結果となった。
そして、有機系接着剤に炭素粉(アセチレンブラック)を含有させるとともに、熱処理を行った試験体(No.3)は、密着性に関して試験体No.1、2と比較すると劣るが、良好という結果であるとともに、導電性が良好という結果となった。
一方、有機系接着剤に炭素粉を含有させなかった試験体(No.4)は、密着性が不良という結果となった。
また、熱処理を行わなかった試験体(No.5)は、密着性が不良という結果であるとともに、導電性についても不良という結果となった。
The test specimens (No. 1 and No. 2) containing carbon powder (graphite powder) in the organic adhesive and heat-treated were the result that the adhesion was very good and the result that the electrical conductivity was good. became.
And the test body (No. 3) which made the organic adhesive contain carbon powder (acetylene black) and heat-treated was the test body No. 3 in terms of adhesion. Although it was inferior compared with 1 and 2, it was a result that it was favorable and it became a result that electroconductivity was favorable.
On the other hand, the test body (No. 4) in which the organic adhesive did not contain carbon powder resulted in poor adhesion.
Moreover, while the test body (No. 5) which did not heat-process was a result that adhesiveness was unsatisfactory, it also became a result unsatisfactory also about electroconductivity.

表1の結果から、炭素粉を含有する有機系接着剤を用いて基材と炭素シートとを接着し、プレス及び熱処理を施すことにより製造したチタン製燃料電池セパレータは、基材と炭素層との密着性、および導電性の面で優れることがわかった。   From the results in Table 1, a titanium fuel cell separator manufactured by adhering a base material and a carbon sheet using an organic adhesive containing carbon powder, and applying a press and heat treatment, It has been found that the adhesiveness and the conductivity are excellent.

1 基材
2 炭素層
2a 有機系接着剤(接着剤)
2b 炭素粉
3 中間層
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
S1 接着工程
S2 プレス工程
S3 熱処理工程
1 Base Material 2 Carbon Layer 2a Organic Adhesive (Adhesive)
2b Carbon powder 3 Intermediate layer 10 Titanium fuel cell separator (separator)
30 Contact Resistance Measuring Device 31 Specimen 32 Carbon Cloth 33 Copper Electrode 34 DC Current Power Supply 35 Voltmeter S1 Adhesion Process S2 Press Process S3 Heat Treatment Process

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を設けたチタン製燃料電池セパレータの製造方法であって、
有機系接着剤を用いて前記炭素層となる炭素シートを前記基材表面に接着する接着工程と、前記接着工程後に前記基材をプレスするプレス工程と、前記プレス工程後に前記基材を熱処理する熱処理工程と、を含み、
前記有機系接着剤は、炭素粉を含有することを特徴とするチタン製燃料電池用セパレータの製造方法。
A method of manufacturing a titanium fuel cell separator in which a carbon layer is provided on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy,
An adhesion step of adhering a carbon sheet to be the carbon layer to the substrate surface using an organic adhesive, a pressing step of pressing the substrate after the adhesion step, and heat-treating the substrate after the pressing step A heat treatment step,
The method for producing a titanium fuel cell separator, wherein the organic adhesive contains carbon powder.
前記炭素粉は黒鉛粉であり、平均粒径が0.5〜20μmであることを特徴とする請求項1に記載のチタン製燃料電池用セパレータの製造方法。   The said carbon powder is graphite powder, and an average particle diameter is 0.5-20 micrometers, The manufacturing method of the titanium fuel cell separator of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記熱処理工程における熱処理は、酸素分圧1.3×10−1Pa以下という非酸化雰囲気下で行う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用セパレータの製造方法。 The method for producing a titanium fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment in the heat treatment step is performed in a non-oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1.3 x 10 -1 Pa or less. .
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