JP5507496B2 - Manufacturing method of fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に用いられる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 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、ステンレス基材の表面に黒鉛粉を圧延により圧着させる方法(特許文献1)や、カーボン粉を分散させた塗料をステンレス基材に被覆した後、加熱処理により当該塗料を分解、消失させる方法(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 pressure bonding graphite powder to the surface of a stainless steel base material (Patent Document 1), or a method of coating a stainless steel base material with a paint in which carbon powder is dispersed and then disassembling and eliminating the paint by heat treatment (Patent Document 2) has been proposed.

また、チタン粉とグラファイト粉とを混合し焼結することにより、グラファイト粉を基材表面および内部に分散固定する方法(特許文献3)が提案されている。   In addition, a method of dispersing and fixing graphite powder on the surface and inside of a substrate by mixing and sintering titanium powder and graphite powder has been proposed (Patent Document 3).

特許第3904690号公報Japanese Patent No. 3904690 特許第3904696号公報Japanese Patent No. 3904696 特開2006−269256号公報JP 2006-269256 A

しかしながら、特許文献1、および2に開示された技術は、基材表面に粒状の炭素粉を付着させているだけであり、炭素粉と基材との密着性が不十分で、導電性の劣化の懸念がある。また、基材がステンレスであるため鉄イオンの溶出が起こり、固体高分子膜を劣化させる恐れがあるとともに、基材表面に形成されている炭素層がポーラス状で環境遮断性が悪いため、基材表面が酸化されやすく導電性が劣化する恐れがある。   However, the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 merely attach granular carbon powder to the surface of the base material, and the adhesion between the carbon powder and the base material is insufficient, resulting in deterioration of conductivity. There are concerns. In addition, since the base material is made of stainless steel, elution of iron ions may occur and the solid polymer film may be deteriorated, and the carbon layer formed on the surface of the base material is porous and has poor environmental barrier properties. The surface of the material is likely to be oxidized and the conductivity may be deteriorated.

また、特許文献3に開示された技術は、金属粉と炭素粉の混合焼結法を用いていることから、セパレータの薄板化が困難であるとともに、プレス加工時に割れ易く、流路形成のための加工が困難である。   In addition, since the technique disclosed in Patent Document 3 uses a mixed sintering method of metal powder and carbon powder, it is difficult to make the separator thin, and it is easy to break during press working, so that the flow path is formed. Is difficult to process.

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、燃料電池セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性を長時間維持できるとともに、加工性に優れる燃料電池セパレータ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-mentioned problems, and the problem is to manufacture a fuel cell separator that can maintain high conductivity for a long time even in a high temperature / acid atmosphere inside the fuel cell and is excellent in workability. It is to provide a method.

本発明者らは、金属粉と炭素粉とを含んだ混合層を基材表面に形成し、圧延することにより、高い電導性を長時間維持できるともに加工性に優れるセパレータを製造することができることを見出し、本発明を創出した。   The present inventors can produce a separator that can maintain high conductivity for a long time and is excellent in workability by forming a mixed layer containing metal powder and carbon powder on the surface of the substrate and rolling it. And found the present invention.

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の製造方法は、基材表面に混合層が形成されている燃料電池セパレータの製造方法であって、前記基材表面に金属粉と炭素粉とを含んだ前記混合層を形成する混合層形成工程と、前記混合層形成工程の後に、前記混合層が形成されている前記基材を圧延する圧延工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention is a method for manufacturing a fuel cell separator in which a mixed layer is formed on a surface of a base material, wherein metal powder and carbon are formed on the surface of the base material. A mixed layer forming step of forming the mixed layer containing powder; and a rolling step of rolling the base material on which the mixed layer is formed after the mixed layer forming step. .

このように、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金属粉と炭素粉とを含んだ混合層を基材表面に形成した後、圧延することにより、金属粉同士および金属粉と基材が結合する。その結果、混合層は、結合した金属の間に炭素粉が取り込まれるような構造となることにより、炭素粉が基材に強固に固定されることとなる。よって、燃料電池セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性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することができる。
また、混合層を形成した後、圧延を行っているため、焼結法を用いて混合層を形成させた場合と比較し、加工性に優れた燃料電池セパレータを製造することができる。
As described above, the method for producing a fuel cell separator according to the present invention includes forming a mixed layer containing metal powder and carbon powder on the surface of the base material, and then rolling the metal powder to each other and between the metal powder and the base material. Join. As a result, the mixed layer has a structure in which the carbon powder is taken in between the bonded metals, whereby the carbon powder is firmly fixed to the base material. Therefore, it is possible to manufacture a fuel cell separator that can maintain high conductivity for a long time even under a high temperature / acid atmosphere inside the fuel cell.
In addition, since the rolling is performed after the mixed layer is formed, a fuel cell separator excellent in workability can be manufactured as compared with the case where the mixed layer is formed using a sintering method.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法において、前記基材および前記金属粉が純チタンまたはチタン合金からなることが好ましい。   In the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, the base material and the metal powder are preferably made of pure titanium or a titanium alloy.

このように、基材および金属粉が純チタンまたはチタン合金からなることにより、セパレータを軽量化できるとともに、耐食性を向上させることができる。また、セパレータからの金属イオンの溶出が起こらないことから、固体高分子膜を劣化させる恐れが無い。加えて、基材の強度や靭性を向上させることができる。   Thus, when a base material and metal powder consist of pure titanium or a titanium alloy, while being able to reduce a weight of a separator, corrosion resistance can be improved. Further, since elution of metal ions from the separator does not occur, there is no possibility of deteriorating the solid polymer film. In addition, the strength and toughness of the substrate can be improved.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法において、前記炭素粉がグラファイト粉であることが好ましい。   In the method for producing a fuel cell separator according to the present invention, the carbon powder is preferably graphite powder.

グラファイトは良好な導電性を有すると共に酸性雰囲気下での耐久性が良い。このため、グラファイト構造の炭素が基材表面を一定以上の面積率で被覆すると環境遮蔽性(基材を燃料電池のセル内環境から遮蔽する性能)が良くなり、基材と混合層(炭素粉)との界面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなる。したがって、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法によれば、使用する炭素粉がグラファイト粉であるため、高い導電性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することができる。   Graphite has good conductivity and durability in an acidic atmosphere. For this reason, when the carbon of the graphite structure covers the surface of the base material with a certain area ratio or more, the environmental shielding property (performance for shielding the base material from the environment in the cell of the fuel cell) is improved, and the base material and the mixed layer (carbon powder) ), A reaction that causes a decrease in conductivity such as oxidation is less likely to occur. Therefore, according to the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, since the carbon powder to be used is graphite powder, a fuel cell separator capable of maintaining high conductivity for a long time can be manufactured.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記圧延工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。   The method for producing a fuel cell separator according to the present invention preferably includes a heat treatment step of heat-treating the substrate after the rolling step.

このように、混合層が形成されている基材を熱処理することにより、金属同士(金属粉同士または金属粉と基材)の焼結が進行して金属同士の結合がより強固になる。なお、基材および金属粉が純チタンまたはチタン合金である場合は、金属粉および基材と炭素粉との界面(接触部)にチタンカーバイド層が形成されるため、導電性および密着性に優れる燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, by heat-treating the base material on which the mixed layer is formed, the sintering of the metals (metal powders or metal powder and base material) proceeds and the bond between the metals becomes stronger. When the base material and the metal powder are pure titanium or a titanium alloy, a titanium carbide layer is formed at the interface (contact portion) between the metal powder and the base material and the carbon powder, so that the conductivity and adhesion are excellent. A fuel cell separator can be manufactured.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法において、前記熱処理工程における熱処理は、非酸化雰囲気下において、500〜950℃の温度で行うことが好ましい。   In the fuel cell separator manufacturing method according to the present invention, the heat treatment in the heat treatment step is preferably performed at a temperature of 500 to 950 ° C. in a non-oxidizing atmosphere.

このように、所定の雰囲気下において所定温度で熱処理を行うことにより、金属同士の焼結が適切に行われるため、さらに密着性が向上した燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, by performing heat treatment at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere, the metals can be appropriately sintered, so that a fuel cell separator with improved adhesion can be manufactured.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金属粉と炭素粉とを含んだ混合層を基材表面に形成、圧延することにより、高い電導性を長時間維持できるともに加工性に優れたセパレータを製造することができる。
また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、基材および金属粉が純チタンまたはチタン合金からなることにより、耐食性が向上したセパレータを製造することができる。
加えて、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、炭素粉がグラファイト粉であることにより、高い電導性をさらに長時間維持できるセパレータを製造することができる。
さらに、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、所定の雰囲気下において所定温度で熱処理を行うことにより、さらに混合層の密着性が向上した燃料電池セパレータを製造することができる。
The manufacturing method of the fuel cell separator according to the present invention is a separator that can maintain high conductivity for a long time and is excellent in workability by forming and rolling a mixed layer containing metal powder and carbon powder on the surface of the substrate. Can be manufactured.
Moreover, the manufacturing method of the fuel cell separator which concerns on this invention can manufacture the separator with which corrosion resistance improved, when a base material and metal powder consist of pure titanium or a titanium alloy.
In addition, the method for producing a fuel cell separator according to the present invention can produce a separator that can maintain high electrical conductivity for a longer time because the carbon powder is graphite powder.
Furthermore, the method for producing a fuel cell separator according to the present invention can produce a fuel cell separator in which the adhesion of the mixed layer is further improved by performing a heat treatment at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere.

実施形態に係る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 fuel cell separator which concerns on embodiment. 実施形態に係る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 a separator in a manufacturing process of a fuel cell separator concerning an embodiment later. 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、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法を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, an embodiment for carrying out a method for producing a fuel cell separator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

≪燃料電池セパレータ≫
まず、実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法で製造する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(圧延工程S2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)に形成された混合層2と、から構成される。なお、図2(熱処理工程S3後の図)に示すように、熱処理により金属粉2a同士が強固に結合している混合層2´と、基材1と、から構成されるもの(セパレータ10´)であることが好ましい。
そして、図2では、基材1の両面に混合層2(または混合層2´)が形成されているセパレータ10(またはセパレータ10´)を表しているが、基材1の片面のみに混合層2(または混合層2´)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、混合層2(混合層2´)について説明する。
≪Fuel cell separator≫
First, a fuel cell separator 10 (hereinafter, appropriately referred to as a separator) manufactured by a method for manufacturing a fuel cell separator according to an embodiment will be described.
The separator 10 is comprised from the base material 1 and the mixed layer 2 formed in the surface (both surfaces or single side | surface) of the said base material 1, as shown in FIG. 2 (figure after rolling process S2). In addition, as shown in FIG. 2 (the figure after heat processing step S3), what is comprised from the mixed layer 2 'and the base material 1 which metal powder 2a couple | bonded firmly by heat processing (separator 10') ) Is preferable.
2 shows the separator 10 (or the separator 10 ′) in which the mixed layer 2 (or the mixed layer 2 ′) is formed on both surfaces of the substrate 1, but the mixed layer is formed only on one surface of the substrate 1. 2 (or mixed layer 2 ') may be formed.
Hereinafter, the substrate 1 and the mixed layer 2 (mixed layer 2 ′) constituting the separator 10 will be described.

<基材>
セパレータ10の基材1は、燃料電池内部環境下での耐食性の観点から、純チタン、チタン合金またはステンレス鋼からなるのが好ましいが、純チタンまたはチタン合金からなるのがより好ましい。基材1が純チタンまたはチタン合金からなる場合は、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、セパレータからの金属イオンの溶出が起こらないことから、固体高分子膜を劣化させる恐れが無いからである。
<Base material>
The substrate 1 of the separator 10 is preferably made of pure titanium, a titanium alloy or stainless steel from the viewpoint of corrosion resistance under the environment inside the fuel cell, but more preferably made of pure titanium or a titanium alloy. When the substrate 1 is made of pure titanium or a titanium alloy, the substrate 1 is lighter than the case of using stainless steel or the like and has excellent corrosion resistance. Moreover, since elution of metal ions from the separator does not occur, there is no possibility of deteriorating the solid polymer film.

そして、基材1は、従来公知の方法、例えば、純チタン、チタン合金またはステンレス鋼を溶解、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, a titanium alloy, or stainless steel, making it an ingot, hot rolling, and then cold rolling. is there. The base material 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、特定の組成の純チタン、チタン合金またはステンレス鋼に限定されるものではないが、チタンからなる基材1を使用する場合は、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 pure titanium, a titanium alloy, or stainless steel of a specific composition, when using the base material 1 which consists of titanium, the ease of carrying out the cold rolling of a titanium raw material, From the standpoint of ensuring the subsequent press formability, O: 1500 ppm or less (more preferably 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 And the balance is preferably 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を超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.

<混合層>
セパレータ10の混合層2は、金属粉2aと炭素粉2bとを含有する。
混合層2における金属粉2aと炭素粉2bとの状態については特に限定されないが、後記する圧延工程S2により金属粉2aが変形して互いに結合し、3次元のネットワーク様(網の目状)の構造となり、その中に炭素粉2bが取り込まれているような状態となっていることが好ましい。このような状態となっていることで、導電性および耐食性を有する炭素粉2bを混合層2中に極めて強固に固定することができるからである。
<Mixed layer>
The mixed layer 2 of the separator 10 contains metal powder 2a and carbon powder 2b.
The state of the metal powder 2a and the carbon powder 2b in the mixed layer 2 is not particularly limited, but the metal powder 2a is deformed and bonded to each other by a rolling step S2 described later, and a three-dimensional network-like (network-like) shape. It is preferable to have a structure in which the carbon powder 2b is incorporated therein. This is because the carbon powder 2b having conductivity and corrosion resistance can be extremely firmly fixed in the mixed layer 2 by being in such a state.

また、混合層2の厚さ方向に金属粉2aおよび炭素粒2bが1層ではなく、2層以上に重なって層を形成しているような状態となっているのが好ましい。よって、混合層2の平均厚さについては、1〜50μmであることが好ましい。混合層2の平均厚さが1μm未満であると、十分な導電性と耐食性が得られず、一方、混合層2の平均厚さが50μmを超えると加工性が低下してしまうからである。
なお、混合層2の平均厚さは、金属粉2aの平均粒径および炭素粉2bの平均粒径との関係によって好ましい平均厚さを決定すればよい。各粉末の平均粒径が小さい場合は、混合層2が薄くても金属粉2aおよび炭素粒2bは2層以上に重なって層を形成するため導電性および耐食性を確保することができる。一方、各粉末の平均粒径が大きい場合は、金属粉2aおよび炭素粒2bを2層以上とし導電性および耐食性を確保するため、混合層2を厚くするのが好ましい。
Moreover, it is preferable that the metal powder 2a and the carbon particles 2b are not in a single layer but in a state where two or more layers are formed in the thickness direction of the mixed layer 2 to form a layer. Therefore, the average thickness of the mixed layer 2 is preferably 1 to 50 μm. When the average thickness of the mixed layer 2 is less than 1 μm, sufficient conductivity and corrosion resistance cannot be obtained, and when the average thickness of the mixed layer 2 exceeds 50 μm, the workability deteriorates.
In addition, what is necessary is just to determine preferable average thickness for the average thickness of the mixed layer 2 with the relationship between the average particle diameter of the metal powder 2a, and the average particle diameter of the carbon powder 2b. When the average particle size of each powder is small, even if the mixed layer 2 is thin, the metal powder 2a and the carbon particles 2b are formed to overlap two or more layers to form a layer, so that conductivity and corrosion resistance can be ensured. On the other hand, when the average particle size of each powder is large, it is preferable to make the mixed layer 2 thick in order to make the metal powder 2a and the carbon particles 2b two or more layers and to ensure conductivity and corrosion resistance.

混合層2の平均厚さは、基材1と混合層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の幅の範囲での混合層2の平均厚さである。   The average thickness of the mixed layer 2 can measure the cross section of the base material 1 and the mixed layer 2 using a transmission electron microscope (TEM) or the like. Here, the average thickness is, for example, the average thickness of the mixed layer 2 in the range of a width of 500 nm when a cross section is observed with a TEM.

混合層2における金属粉2aと炭素粉2bの含有割合については、金属粉2aと炭素粉2bとを足した量に対し、金属粉2aが5〜90wt%となるように含有されていることが好ましい。金属粉2aが5wt%未満だと、圧延工程S2における金属粉2a同士の結合が発生し難く、炭素粉2bの固定が不十分となる。一方、金属粉2aが90wt%を超えると導電性および耐食性を有する炭素粉2bの含有量が少なくなり、セパレータ10の導電性および耐食性を十分に向上することができなくなるからである。   About the content rate of the metal powder 2a and the carbon powder 2b in the mixed layer 2, it is contained so that the metal powder 2a may be 5-90 wt% with respect to the quantity which added the metal powder 2a and the carbon powder 2b. preferable. If the metal powder 2a is less than 5 wt%, the metal powder 2a is hardly bonded in the rolling step S2, and the carbon powder 2b is not sufficiently fixed. On the other hand, if the metal powder 2a exceeds 90 wt%, the content of the carbon powder 2b having conductivity and corrosion resistance decreases, and the conductivity and corrosion resistance of the separator 10 cannot be sufficiently improved.

混合層2の炭素の状態は、特に限定されず、非晶質炭素の状態、結晶性のグラファイトの状態、両者が混合している状態のうち、いずれであってもよい。しかし、当該炭素は、結晶性のグラファイトを含んでいることが好ましい。グラファイトの環境遮蔽性(基材1を燃料電池のセル内環境から遮蔽する性能)により、基材1および金属粉2aと炭素粉2bとの界面(接触部)において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなり、その結果、セパレータ10の電導性を長時間維持できるからである。   The carbon state of the mixed layer 2 is not particularly limited, and may be any of an amorphous carbon state, a crystalline graphite state, and a state where both are mixed. However, the carbon preferably contains crystalline graphite. Due to the environmental shielding property of graphite (the ability to shield the base material 1 from the environment inside the cell of the fuel cell), the conductivity of the base material 1 and the interface (contact portion) between the metal powder 2a and the carbon powder 2b is reduced. This is because the induced reaction is less likely to occur, and as a result, the conductivity of the separator 10 can be maintained for a long time.

混合層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40%以上、好ましくは50%以上に被覆されていればよい。   The mixed 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, 40% or more of the surface, Preferably, 50% or more may be covered.

混合層2は、後記する熱処理工程S3を施すことにより、金属粉2a同士が強固に結合している状態(混合層2´)となる(図2の熱処理工程S3後のセパレータ10´)。
なお、金属粉2aがチタンからなる場合は、金属粉2aのチタンと炭素粉2bの炭素とが反応することにより、金属粉2aと炭素粉2bとの界面(接触部)にチタンカーバイド層が形成される。加えて、基材1がチタンからなる場合は、基材1と炭素粉2bとの界面にもチタンカーバイド層が形成される。このチタンカーバイドは導電性を有するため、基材1および金属粉2aと炭素粉2b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および金属粉2aと炭素粉2bとが反応して形成されたものであるため、基材1と混合層2´との密着性が向上する。
The mixed layer 2 is in a state (mixed layer 2 ′) in which the metal powders 2a are firmly bonded to each other by performing a heat treatment step S3 described later (the separator 10 ′ after the heat treatment step S3 in FIG. 2).
In addition, when the metal powder 2a is made of titanium, a titanium carbide layer is formed at the interface (contact portion) between the metal powder 2a and the carbon powder 2b by the reaction of the titanium of the metal powder 2a and the carbon of the carbon powder 2b. Is done. In addition, when the substrate 1 is made of titanium, a titanium carbide layer is also formed at the interface between the substrate 1 and the carbon powder 2b. Since this titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the substrate 1 and the metal powder 2a and the carbon powder 2b 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 metal powder 2a and the carbon powder 2b, the adhesion between the base material 1 and the mixed layer 2 'is improved.

次に、混合層2を構成する金属粉2aおよび炭素粉2bについて説明する。
<金属粉>
金属粉2aは、金属粉2aと炭素粉2bとを含む混合層2を形成させた後の圧延工程S2(または圧延工程S1および熱処理工程S2)により、基材1と強固に結合させるため、基材1と同材種のものを用いるのが好ましい。例えば、基材1がチタンからなるものであれば、金属粉2aとしてチタン粉末を用いればよい。
特に、金属粉2が純チタンまたはチタン合金からなるものであれば、熱処理工程S2において、金属粉2aと炭素粉2bとの界面(接触部)にチタンカーバイド層を形成させることができるため、より好ましい。
Next, the metal powder 2a and the carbon powder 2b constituting the mixed layer 2 will be described.
<Metal powder>
Since the metal powder 2a is firmly bonded to the substrate 1 by the rolling step S2 (or the rolling step S1 and the heat treatment step S2) after forming the mixed layer 2 including the metal powder 2a and the carbon powder 2b, It is preferable to use the same material type as the material 1. For example, if the substrate 1 is made of titanium, titanium powder may be used as the metal powder 2a.
In particular, if the metal powder 2 is made of pure titanium or a titanium alloy, a titanium carbide layer can be formed at the interface (contact portion) between the metal powder 2a and the carbon powder 2b in the heat treatment step S2. preferable.

金属粉2aの粒径は1〜50μmであることが好ましい。粒径が小さすぎると圧延時に金属粉2aにかかる応力が小さく基材1への結合力が得られにくく、粒径が大きすぎると圧延時につぶれ難く、基材1を変形させてしまう恐れがあるからである。   The particle size of the metal powder 2a is preferably 1 to 50 μm. If the particle size is too small, the stress applied to the metal powder 2a during rolling is small and it is difficult to obtain a binding force to the substrate 1, and if the particle size is too large, it is difficult to collapse during rolling and the substrate 1 may be deformed. Because.

<炭素粉>
炭素粉2bは、カーボン粉末(非晶質炭素粉)、グラファイト粉末(晶質炭素粉)およびこれらの混合粉末のいずれでも良いが、導電性と耐食性の点で優れるグラファイト粉末の含有比率が高い方が好ましい。
<Carbon powder>
The carbon powder 2b may be any of carbon powder (amorphous carbon powder), graphite powder (crystalline carbon powder), and mixed powders thereof, but the graphite powder having a high content ratio in terms of conductivity and corrosion resistance. Is preferred.

炭素粉2bの粒径は0.02〜50μmであることが好ましい。粒径が小さすぎると圧延時に炭素粉2bにかかる応力が小さいために基材1や金属粉2aとの結合力が得られ難く、粒径が大きすぎると圧延時につぶれ難いからである。   The particle size of the carbon powder 2b is preferably 0.02 to 50 μm. This is because if the particle size is too small, the stress applied to the carbon powder 2b during rolling is small, so that it is difficult to obtain a bonding force with the base material 1 or the metal powder 2a, and if the particle size is too large, it is difficult to collapse during rolling.

以上、セパレータ10について説明したが、後記する混合層形成工程S1において使用する塗料、樹脂等が混合層2中に残留していてもよい。   Although the separator 10 has been described above, the paint, resin, and the like used in the mixed layer forming step S <b> 1 to be described later may remain in the mixed layer 2.

次に、実施形態に係る燃料電池セパレータ10の製造方法を説明する。
≪燃料電池セパレータの製造方法≫
燃料電池セパレータ10の製造方法は、混合層形成工程S1と、圧延工程S2とを、含む。なお、圧延工程S2の後に、熱処理工程S3を行うことが好ましい。
以下、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 fuel cell separator 10 according to the embodiment will be described.
≪Method for manufacturing fuel cell separator≫
The manufacturing method of the fuel cell separator 10 includes a mixed layer forming step S1 and a rolling step S2. In addition, it is preferable to perform heat processing process S3 after rolling process S2.
Hereinafter, the manufacturing method of the fuel cell separator 10 is demonstrated for every process.

<混合層形成工程>
混合層形成工程S1とは、基材1表面の少なくとも一部に金属粉2aと炭素粉2bとを含んだ混合層2を形成する工程である。
<Mixed layer forming step>
The mixed layer forming step S1 is a step of forming the mixed layer 2 including the metal powder 2a and the carbon powder 2b on at least a part of the surface of the substrate 1.

混合層2の形成方法としては、基材1表面に混合層2を形成することができる方法であれば、特に限定されないが、下記の方法が挙げられる。
例えば、金属粉2aと炭素粉2bとを塗料(メチルセルロースやフェノール樹脂等を含む塗料)に混合してスラリーを作製し、当該スラリーを基材1表面に塗付する方法や、金属粉2aと炭素粉2bとを樹脂(ポリエステル樹脂等)中に混練して作製したフィルムを基板1表面に貼り付ける方法である。
The method for forming the mixed layer 2 is not particularly limited as long as it can form the mixed layer 2 on the surface of the base material 1, and the following methods may be mentioned.
For example, the metal powder 2a and the carbon powder 2b are mixed with a paint (paint containing methylcellulose, phenol resin, etc.) to prepare a slurry, and the slurry is applied to the surface of the substrate 1, or the metal powder 2a and carbon In this method, a film prepared by kneading the powder 2b in a resin (polyester resin or the like) is attached to the surface of the substrate 1.

また、金属粉2aと炭素粉2bとを混合したものを基材1表面に溶射(材料を加熱により溶融もしくは軟化させ、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させる)する方法や、金属粉2aを基材1表面に溶射し、その後、金属粉2aで形成された基材1表面の凹凸内部に吹き付けもしくは塗布により炭素粉2bを入れ込む方法により行ってもよい。   In addition, a method in which a mixture of metal powder 2a and carbon powder 2b is sprayed onto the surface of the substrate 1 (the material is melted or softened by heating, accelerated into fine particles and collided with the surface of the object to be coated), metal Alternatively, the powder 2a may be sprayed onto the surface of the base material 1 and then the carbon powder 2b may be sprayed or applied into the irregularities on the surface of the base material 1 formed of the metal powder 2a.

つまり、混合層2の形成方法としては、金属粉2aと炭素粉2bとを混合したものを基材1に同時に形成する方法であってもよいし、金属粉2aを基材1に形成した後、炭素粉2bを形成する方法であってもよい。また、炭素粉2bを基材1に形成した後、金属粉2aを形成する方法であってもよい。   That is, as a formation method of the mixed layer 2, a method of simultaneously forming a mixture of the metal powder 2a and the carbon powder 2b on the base material 1 or after forming the metal powder 2a on the base material 1 may be used. The method of forming the carbon powder 2b may be used. Moreover, after forming the carbon powder 2b in the base material 1, the method of forming the metal powder 2a may be used.

<圧延工程>
圧延工程S2とは、混合層形成工程S1の後に、混合層2が形成されている基材1を圧延することにより、混合層2中の金属粉2aと炭素粉2bとを基材1表面に圧着する工程である。
<Rolling process>
The rolling step S2 is a step of rolling the base material 1 on which the mixed layer 2 is formed after the mixed layer forming step S1, thereby bringing the metal powder 2a and the carbon powder 2b in the mixed layer 2 onto the surface of the base material 1. This is a step of pressure bonding.

圧延工程S2での金属粉2aと基材1との界面(接触部)に発生する応力により、基材1表面の酸化膜が破れて金属粉2aと基材1が接触し、更に圧力を受けることで直接的に結合する。また、金属粉2aの間でも同様の現象が発生することで金属粉2a同士が互いに結合する。その結果、結合した金属の間に炭素粉2bが取り込まれているような構造となることにより、炭素粉2bを混合層2中に強固に固定することができる。   Due to the stress generated at the interface (contact portion) between the metal powder 2a and the base material 1 in the rolling step S2, the oxide film on the surface of the base material 1 is broken and the metal powder 2a and the base material 1 come into contact with each other, and further pressure is applied To join directly. Moreover, the metal powder 2a couple | bonds together by the same phenomenon generate | occur | producing also between the metal powder 2a. As a result, the carbon powder 2b can be firmly fixed in the mixed layer 2 by having a structure in which the carbon powder 2b is taken in between the bonded metals.

圧延工程S2において、基材1表面に混合層2を強固に密着させるために、圧下率は5%以上であることが好ましい。
なお、圧下率は、圧延工程S2前後の基材1の板厚変化から算出した値であり、「圧下率=(t0―t1)/t0×100」(t0:混合層形成工程S1後の初期板厚、t1:圧延後の板厚)により算出する。
In the rolling step S2, in order to firmly adhere the mixed layer 2 to the surface of the substrate 1, the rolling reduction is preferably 5% or more.
The rolling reduction is a value calculated from the change in thickness of the base material 1 before and after the rolling step S2, and “rolling rate = (t0−t1) / t0 × 100” (t0: initial stage after the mixed layer forming step S1) (Plate thickness, t1: plate thickness after rolling).

圧延工程S2の圧延は、従来公知の圧延装置を用いて行えばよい。なお、混合層2中の炭素粉2bが潤滑剤の役割も果たすため、圧延を施す際に、潤滑剤は使用しなくても良い。   The rolling in the rolling step S2 may be performed using a conventionally known rolling device. In addition, since the carbon powder 2b in the mixed layer 2 also serves as a lubricant, it is not necessary to use a lubricant when rolling.

<熱処理工程>
熱処理工程S3とは、圧延工程S2の後に、混合層2が形成された基材1を熱処理することによって、混合層2中の金属粉2a同士および金属粉2aと基材1との焼結を進行させ、金属同士の結合をより強固なものとする工程である。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step S3, the metal powder 2a in the mixed layer 2 and the metal powder 2a and the base material 1 are sintered by heat-treating the base material 1 on which the mixed layer 2 is formed after the rolling step S2. This is a step of making the bond between metals more robust.

金属粉2aがチタンからなる場合は、金属粉2aのチタンと炭素粉2bの炭素とが反応することにより、金属粉2aと炭素粉2bとの界面(接触部)にチタンカーバイド層が形成される。加えて、基材1がチタンからなる場合は、基材1と炭素粉2bとの界面にもチタンカーバイド層が形成される。このチタンカーバイドは導電性を有するため、基材1および金属粉2aと炭素粉2b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、金属粉2aと炭素粉2bとの結合性も良好となり、炭素粉2bは脱落し難くなる。   When the metal powder 2a is made of titanium, a titanium carbide layer is formed at the interface (contact portion) between the metal powder 2a and the carbon powder 2b by the reaction between the titanium of the metal powder 2a and the carbon of the carbon powder 2b. . In addition, when the substrate 1 is made of titanium, a titanium carbide layer is also formed at the interface between the substrate 1 and the carbon powder 2b. Since this titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the substrate 1 and the metal powder 2a and the carbon powder 2b is reduced, and the conductivity of the separator 10 'is improved. In addition, the bondability between the metal powder 2a and the carbon powder 2b is improved, and the carbon powder 2b is difficult to drop off.

この熱処理は、真空中やArガス雰囲気等の非酸化雰囲気下において所定温度で行うことが好ましい。そして、熱処理の温度としては500〜950℃であることが好ましい。熱処理時の温度が500℃未満であると、金属同士の拡散反応が起こりにくく密着性が向上し難いとともに、金属粉2aがチタン粉からなる場合は、500℃以上の温度で界面でのチタンカーバイド層が形成されやすくなる。一方、950℃を超えると、基材1の機械特性が低下する可能性が存在するからである。
さらに好ましい温度範囲は550〜900℃であり、より好ましくは、580〜880℃である。
This heat treatment is preferably performed at a predetermined temperature in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere such as an Ar gas atmosphere. And as temperature of heat processing, it is preferable that it is 500-950 degreeC. When the temperature during the heat treatment is less than 500 ° C., diffusion reaction between metals hardly occurs and adhesion is difficult to improve, and when the metal powder 2a is made of titanium powder, titanium carbide at the interface at a temperature of 500 ° C. or higher. A layer is easily formed. On the other hand, when the temperature exceeds 950 ° C., there is a possibility that the mechanical properties of the substrate 1 are deteriorated.
Furthermore, a preferable temperature range is 550-900 degreeC, More preferably, it is 580-880 degreeC.

熱処理における非酸化雰囲気とは、酸素分圧が低い雰囲気であり、Arガスや窒素ガス雰囲気の場合はガス中の酸素濃度が100ppm以下であるのが好ましく、真空雰囲気の場合は真空度が50Pa以下、すなわち酸素分圧が10Pa以下の雰囲気であるのが好ましい。酸素分圧が10Paを超えると、炭素粉2b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)、導電性および耐食性を向上させる炭素の量が減少してしまうからである。また、同時に金属粉や基材表面が酸化されてしまうため導電性が低下してしまう虞がある。   The non-oxidizing atmosphere in the heat treatment is an atmosphere having a low oxygen partial pressure. In the case of an Ar gas or nitrogen gas atmosphere, the oxygen concentration in the gas is preferably 100 ppm or less, and in the case of a vacuum atmosphere, the degree of vacuum is 50 Pa or less. That is, an atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 Pa or less is preferable. When the oxygen partial pressure exceeds 10 Pa, the carbon of the carbon powder 2b reacts with oxygen in the atmosphere to become carbon dioxide (causes a combustion reaction), and the amount of carbon that improves conductivity and corrosion resistance. This is because of the decrease. Moreover, since metal powder and the base-material surface are oxidized simultaneously, there exists a possibility that electroconductivity may fall.

また、熱処理の時間は、0.5〜60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 0.5 to 60 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.

中間層形成工程S2の熱処理は、500〜950℃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も用いることができる。   The heat treatment in the intermediate layer forming step S2 can 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 500 to 950 ° C. and the atmosphere can be adjusted. Can do.

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 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.

<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、0.3mmである。
<Preparation of specimen>
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 0.3 mm.

純チタン粉末(平均粒径10μm)を15wt%、グラファイト粉末(平均粒径10μm)を30wt%もしくはアセチレンブラック粉末(平均粒径50nm)を10wt%分散させたメチルセルロース系塗料を作製し、基材の両面に当該塗料を塗工し、80℃で3分間乾燥させて厚さ約30μmの混合層を形成した。その後、所定の圧下率(0〜60%)により圧延を行った後、熱処理を行い、No.1〜10の試験体を作製した。
また、グラファイト粉末(平均粒径10μm)のみを30wt%分散させたメチルセルロース系塗料を作製して基材の両面に塗工し、圧下率10%で圧延を行った後、熱処理を行い、No.11の試験体を作製した。
なお、熱処理は、6.7×10−3Paの真空雰囲気下(酸素分圧1.3×10−3Pa下)もしくは酸素濃度が10ppmのArガス雰囲気下(酸素分圧1.0Paに相当)において表1に記載した所定温度および時間行った。
A methylcellulose-based paint in which 15 wt% of pure titanium powder (average particle size 10 μm), 30 wt% of graphite powder (average particle size 10 μm) or 10 wt% of acetylene black powder (average particle size 50 nm) is prepared, The paint was applied on both sides and dried at 80 ° C. for 3 minutes to form a mixed layer having a thickness of about 30 μm. Then, after rolling at a predetermined rolling reduction (0 to 60%), heat treatment was performed to prepare No. 1 to 10 specimens.
In addition, a methylcellulose-based paint in which only 30% by weight of graphite powder (average particle size 10 μm) is dispersed is applied to both surfaces of the substrate, rolled at a rolling reduction of 10%, heat-treated, No. Eleven test specimens were produced.
The heat treatment is performed under a vacuum atmosphere of 6.7 × 10 −3 Pa (under an oxygen partial pressure of 1.3 × 10 −3 Pa) or under an Ar gas atmosphere with an oxygen concentration of 10 ppm (corresponding to an oxygen partial pressure of 1.0 Pa). ) Was performed at the predetermined temperature and time described in Table 1.

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、混合層密着性評価、および、耐久性評価を行った。   The test specimens thus produced were subjected to contact resistance measurement, mixed layer adhesion evaluation, and durability 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△(普通)、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 △ (ordinary) 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.

[耐久性評価]
前記方法により作製した試験体について、耐久性評価(耐久試験)を行った。すなわち、試験体を比液量が20ml/cmである80℃の硫酸水溶液(10mmol/L)に浸漬し、さらに飽和カロメル電極(SCE)を基準として試験体に対して+600mVの電位を印加しながら200時間の浸漬処理を行った後、試験体を硫酸水溶液から取り出し、洗浄、乾燥して、前記と同様の方法で接触抵抗を測定した。
前記浸漬後(耐久試験後)の接触抵抗(表1では耐久試験後接触抵抗と示す)が30mΩ・cm以下の場合を耐久性が良好、30mΩ・cmを超える場合を耐久性が不良とした。
[Durability evaluation]
Durability evaluation (durability test) was performed on the test specimen prepared by the above method. That is, the test specimen was immersed in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (10 mmol / L) having a specific liquid volume of 20 ml / cm 2 , and a potential of +600 mV was applied to the test specimen based on the saturated calomel electrode (SCE). After 200 hours of immersion treatment, the test specimen was taken out from the sulfuric acid aqueous solution, washed and dried, and contact resistance was measured by the same method as described above.
When the contact resistance after immersion (after the durability test) (shown as contact resistance after the durability test in Table 1) is 30 mΩ · cm 2 or less, the durability is good, and when the contact resistance exceeds 30 mΩ · cm 2 , the durability is poor. did.

各試験体の炭素粉の種類、作製条件、混合層密着性、初期および耐久試験後の接触抵抗測定結果を表1に示す。   Table 1 shows the types of carbon powder, preparation conditions, mixed layer adhesion, and initial and endurance contact resistance measurement results for each test specimen.

Figure 0005507496
Figure 0005507496

試験体No.1〜8は、混合層が本特許の規定する範囲内のものであるとともに、混合層を形成させた後に基材を圧延しているので、混合層の密着性が非常に良好であるとともに、初期接触抵抗が低く(導電性が良好)、耐久性試験後も接触抵抗値が合格範囲内(耐久性が良好)であった。
一方、試験体No.9およびNo.10については、混合層を形成させた後に圧延を行っていないため、混合層の密着性は不良であるとともに、初期接触抵抗が高い(導電性が不良)という結果となった。また、耐久試験後の接触抵抗上昇(耐久性が不良)が認められた。
試験体No.11については、初期接触抵抗が低く耐久試験後の接触抵抗が合格範囲であったものの、混合層に金属粉が含まれていなかったため、混合層の密着性は普通という結果となった。
Specimen No. 1-8, the mixed layer is within the range specified in this patent, and the base material is rolled after the mixed layer is formed, so the adhesion of the mixed layer is very good, The initial contact resistance was low (good conductivity), and the contact resistance value was within the acceptable range (good durability) even after the durability test.
On the other hand, the specimen No. 9 and no. Regarding No. 10, since the rolling was not performed after the mixed layer was formed, the adhesion of the mixed layer was poor and the initial contact resistance was high (conductivity was poor). Further, an increase in contact resistance (durability was poor) after the durability test was observed.
Specimen No. Regarding No. 11, although the initial contact resistance was low and the contact resistance after the durability test was within the acceptable range, the mixed layer contained no metal powder, and therefore the adhesion of the mixed layer was normal.

表1の結果から、基材表面に金属粉と炭素粉を含んだ混合層を形成させた後、圧延することにより製造した燃料電池セパレータは、基材と混合層との密着性、導電性および耐久性の面で優れることがわかった。   From the results shown in Table 1, the fuel cell separator produced by rolling after forming a mixed layer containing metal powder and carbon powder on the surface of the base material was found to be adhesive and conductive between the base material and the mixed layer. It turned out to be excellent in terms of durability.

1 基材
2、2´ 混合層
2a 金属粉
2b 炭素粉
10、10´ 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 混合層形成工程
S2 圧延工程
S3 熱処理工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2, 2 'Mixed layer 2a Metal powder 2b Carbon powder 10, 10' 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 Mixed Layer Formation Process S2 Rolling Process S3 Heat Treatment Process

Claims (5)

基材表面に混合層が形成されている燃料電池セパレータの製造方法であって、
前記基材表面に金属粉と炭素粉とを含んだ前記混合層を形成する混合層形成工程と、
前記混合層形成工程の後に、前記混合層が形成されている前記基材を圧延する圧延工程と、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。
A method of manufacturing a fuel cell separator in which a mixed layer is formed on a substrate surface,
A mixed layer forming step of forming the mixed layer containing metal powder and carbon powder on the substrate surface;
A method for producing a fuel cell separator, comprising: a rolling step of rolling the base material on which the mixed layer is formed after the mixed layer forming step.
前記基材および前記金属粉が純チタンまたはチタン合金からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 1, wherein the base material and the metal powder are made of pure titanium or a titanium alloy. 前記炭素粉がグラファイト粉であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the carbon powder is graphite powder. 前記圧延工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a heat treatment step of heat-treating the base material after the rolling step. 前記熱処理工程における熱処理は、非酸化雰囲気下において、500〜950℃の温度で行うことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池セパレータの製造方法。   The method of manufacturing a fuel cell separator according to claim 4, wherein the heat treatment in the heat treatment step is performed at a temperature of 500 to 950 ° C. in a non-oxidizing atmosphere.
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