JP5564068B2 - Fuel cell separator and manufacturing method thereof - 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及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium fuel cell separator used in a fuel cell and a method for producing the same.

燃料電池は、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。また、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、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。   The fuel cell can continuously extract power by continuously supplying a fuel such as hydrogen and an oxidant such as oxygen. Also, unlike primary batteries such as dry batteries and secondary batteries such as lead-acid batteries, fuel cells have high power generation efficiency, are not significantly affected by the size of the system, and are less affected by noise and vibration. It is expected as an energy source to cover

燃料電池は、具体的には、固体高分子形燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化物形燃料電池(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、固体高分子形燃料電池の開発が進められている。   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 compact fuel cell (SOFC), biofuel cell, etc. In particular, solid polymer fuel cells are being developed for portable devices such as fuel cell vehicles, household fuel cells (household cogeneration systems), mobile phones and personal computers.

一般的な固体高分子形燃料電池(以下、燃料電池という。)は、単セルを複数個重ね合わせて構成されている。単セルは、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟み、さらにこれをガス(水素、酸素等)の流路となる溝が形成されたセパレータ(バイポーラプレートとも呼ばれている。)で挟んで形成されている。なお、単セルは、単位セルやセルなどとも呼ばれており、単セルを複数個重ね合わせたものはスタックやセルスタックなどと呼ばれている。PEFCは、スタックあたりの単セル数を増やすことで出力を高くすることができる。   A general polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) is formed by stacking a plurality of single cells. A single cell is a separator (also referred to as a bipolar plate) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and grooves are formed as gas (hydrogen, oxygen, etc.) flow paths. It is formed between. A single cell is also called a unit cell or a cell, and a stack of a plurality of single cells is called a stack or a cell stack. The PEFC can increase the output by increasing the number of single cells per stack.

燃料電池セパレータは、発生した電気を効率良く集電し、燃料電池の外部へ取り出すための部品でもある。そのため、その材料には接触抵抗(初期接触抵抗)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(かかる特性は加速耐久試験後の接触抵抗として評価できる)が要求される。なお、接触抵抗とは、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。
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。
The fuel cell separator is also a component for efficiently collecting the generated electricity and taking it out of the fuel cell. Therefore, the material is required to have a characteristic that the contact resistance (initial contact resistance) is low and that it is maintained for a long time during use as a separator (such a characteristic can be evaluated as a contact resistance after an accelerated durability test). . The contact resistance means that a voltage drop occurs due to an interface phenomenon between the electrode and the separator surface.
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及びその製造方法が提案されている。
例えば、特許文献1〜3には、炭素系導電材料を分散させた樹脂を電着法などの方法によりステンレス基材表面にコートし、樹脂の分解温度未満の温度で加熱することにより硬化させて金属基材表面に炭素系導電層が被覆された金属セパレータ及びその製造方法が提案されている。
In order to solve such a problem, a metal separator not using a noble metal material and a manufacturing method thereof have been proposed.
For example, in Patent Documents 1 to 3, a resin in which a carbon-based conductive material is dispersed is coated on the surface of a stainless steel substrate by a method such as an electrodeposition method, and cured by heating at a temperature lower than the decomposition temperature of the resin. A metal separator in which a carbon-based conductive layer is coated on the surface of a metal substrate and a manufacturing method thereof have been proposed.

具体的には、特許文献1には、基材を被覆するように電着により形成された保護層を備え、当該保護層は樹脂層に炭化処理を施した炭素リッチな層であるとともに、カーボン粒子などの導電材料を含有する燃料電池用のセパレータ及びその製造方法が記載されている。なお、この特許文献1には、炭化処理は、樹脂層の材料の5%質量減少温度をT℃としたときに、T+30℃から500℃の範囲内であると記載されている。   Specifically, Patent Document 1 includes a protective layer formed by electrodeposition so as to cover a base material, and the protective layer is a carbon-rich layer obtained by carbonizing a resin layer, and carbon. A separator for a fuel cell containing a conductive material such as particles and a method for producing the same are described. In Patent Document 1, it is described that the carbonization treatment is within the range of T + 30 ° C. to 500 ° C. when the 5% mass reduction temperature of the resin layer material is T ° C.

特許文献2には、電着性を有する樹脂中にカーボン粒子などの導電材料を分散させた電着液を基材上に電着させて、熱硬化処理を行うことで樹脂層を形成した燃料電池用セパレータ及びその製造方法が記載されている。   Patent Document 2 discloses a fuel in which a resin layer is formed by electrodeposition of an electrodeposition liquid in which a conductive material such as carbon particles is dispersed in a resin having electrodeposition properties on a base material and performing a thermosetting treatment. A battery separator and a method for manufacturing the same are described.

特許文献3には、バインダー樹脂、カーボン粒子及び溶剤を含む組成物で基材表面をコーティングし、前記バインダー樹脂の熱分解温度未満、前記溶剤の沸点以上の温度で乾燥させてコーティング層を形成した燃料電池用金属分離板及びその製造方法が記載されている。   In Patent Document 3, the surface of a substrate is coated with a composition containing a binder resin, carbon particles, and a solvent, and dried at a temperature below the thermal decomposition temperature of the binder resin and above the boiling point of the solvent to form a coating layer. A fuel cell metal separator and its manufacturing method are described.

特開2008−41269号公報JP 2008-41269 A 特開2009−199849号公報JP 2009-199849 A 特表2011−508376号公報Special table 2011-508376 gazette

前記したように、燃料電池セパレータには各単セルで発生した電気を効率良く集電する役割がある。そのため、燃料電池セパレータが接するカーボンペーパーなどのガス拡散層との接触抵抗が低くなくてはならない。また、セルスタック内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性(低い接触抵抗)を長期間維持する必要がある。つまり、初期接触抵抗と加速耐久試験後の接触抵抗が低くなければならない。   As described above, the fuel cell separator has a role of efficiently collecting electricity generated in each single cell. Therefore, the contact resistance with the gas diffusion layer such as carbon paper with which the fuel cell separator contacts must be low. Further, it is necessary to maintain high conductivity (low contact resistance) for a long time even in a high temperature / acid atmosphere inside the cell stack. That is, the initial contact resistance and the contact resistance after the accelerated durability test must be low.

しかしながら、特許文献1〜3に示されるセパレータでは、炭化処理がされていないか、炭化処理が不十分であるため、炭素系導電層中に樹脂成分が多く含まれた状態となっている。そのため、当該炭素系導電層の電気抵抗が十分低くなり難く、ガス拡散層であるカーボンペーパーとの接触抵抗が十分低くならないという問題があった。つまり、初期接触抵抗及び/又は加速耐久試験後の接触抵抗が十分低くならないという問題があった。   However, the separators disclosed in Patent Documents 1 to 3 are not carbonized or insufficiently carbonized, so that a carbon-based conductive layer contains a large amount of resin components. For this reason, there is a problem that the electric resistance of the carbon-based conductive layer is not sufficiently low, and the contact resistance with the carbon paper as the gas diffusion layer is not sufficiently low. That is, there is a problem that the initial contact resistance and / or the contact resistance after the accelerated durability test is not sufficiently lowered.

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、炭素系導電層が被覆されたものであり、初期接触抵抗及び加速耐久試験後の接触抵抗の低い燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is provided with a carbon-based conductive layer, and provides a fuel cell separator having a low initial contact resistance and a contact resistance after an accelerated durability test, and a method for manufacturing the same. Is an issue.

前記課題を解決した本発明は、純チタン又はチタン合金からなる基材上に、炭素系導電材料を分散させた炭素系導電層が被覆された燃料電池セパレータであって、前記炭素系導電層をラマン分光法によって分析した際にDバンドとGバンドのピークが得られ、得られるDバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)が0.10以上1.0以下、且つ前記Dバンドの半値幅が98cm-1以上であることを特徴とする。 The present invention that has solved the above problems is a fuel cell separator in which a carbon-based conductive layer in which a carbon-based conductive material is dispersed is coated on a substrate made of pure titanium or a titanium alloy, When analyzed by Raman spectroscopy, a peak of D band and G band is obtained, and a peak intensity ratio (D / G ratio) of the obtained D band and G band is 0.10 or more and 1.0 or less, and the D band The full width at half maximum is 98 cm −1 or more.

炭素系導電層のDバンドとGバンドのピーク強度比が0.10以上1.0以下である場合、炭素系導電層にはグラファイト成分が十分多く含まれていることを示している。グラファイト成分は導電性及び耐食性に優れている。また、Dバンドの半値幅が98cm-1以上である場合、炭素系導電層のマトリックス相の多くが無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)であることを示している。非晶質炭素は導電性に優れているだけでなく、高温かつ酸性雰囲気でも化学変化が生じ難く、安定している。従って、前記した条件を満たす炭素系導電層は導電性と耐食性に優れている。つまり、燃料電池セパレータの初期接触抵抗及び加速耐久試験後の接触抵抗を低くすることができる。 When the peak intensity ratio of the D band and the G band of the carbon-based conductive layer is 0.10 or more and 1.0 or less, it indicates that the carbon-based conductive layer contains a sufficiently large amount of graphite component. The graphite component is excellent in conductivity and corrosion resistance. Further, when the half width of the D band is 98 cm −1 or more, it indicates that most of the matrix phase of the carbon-based conductive layer is inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon). Amorphous carbon is not only excellent in conductivity, but is stable and resistant to chemical changes even at high temperatures and in an acidic atmosphere. Therefore, the carbon-based conductive layer that satisfies the above-described conditions is excellent in conductivity and corrosion resistance. That is, the initial contact resistance of the fuel cell separator and the contact resistance after the accelerated durability test can be lowered.

本発明においては、前記基材と前記炭素系導電層との界面に、チタンカーバイドを含む中間層が形成されているのが好ましい。   In the present invention, it is preferable that an intermediate layer containing titanium carbide is formed at the interface between the base material and the carbon-based conductive layer.

チタンカーバイドは導電性を有するため、基材と炭素系導電層との界面における電気抵抗が小さくなり、導電性が向上する。また、このチタンカーバイドを含む中間層は、基材と炭素系導電層とが反応して形成されたものであるため、基材と炭素系導電層との密着性が向上する。よって、より好ましい燃料電池セパレータとすることができる。   Since titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the base material and the carbon-based conductive layer is reduced, and the conductivity is improved. Moreover, since the intermediate layer containing titanium carbide is formed by the reaction between the base material and the carbon-based conductive layer, the adhesion between the base material and the carbon-based conductive layer is improved. Therefore, a more preferable fuel cell separator can be obtained.

前記課題を解決した本発明は、前記した燃料電池セパレータを製造する燃料電池セパレータの製造方法であって、前記基材上に、熱硬化性樹脂と炭素系導電材料を含む導電性塗料を塗工して乾燥する塗工乾燥工程と、前記塗工乾燥工程後、前記基材を非酸化雰囲気下、50〜850℃の温度で熱処理する熱処理工程と、を含むことを特徴とする。 The present invention that has solved the above problems is a method of manufacturing a fuel cell separator for manufacturing the above-described fuel cell separator, wherein a conductive paint containing a thermosetting resin and a carbon-based conductive material is applied on the base material. and coating drying step of then drying, after the coating drying process, characterized by comprising a non-oxidizing atmosphere the substrate, a heat treatment step of heat-treating at a temperature of 7 fifty to eight hundred and fifty ° C., the.

熱処理工程において、非酸化雰囲気下、50〜850℃という高温で熱処理することによって、熱硬化性樹脂をほぼ完全に炭化することができる。つまり、炭素系導電層のマトリックス相の多くを非晶質炭素とすることができる。前記したように、非晶質炭素は導電性に優れているだけでなく、高温かつ酸性雰囲気でも化学変化が生じ難く、安定している。従って、炭素系導電層に含まれるグラファイト成分とも相俟って導電性と耐食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。つまり、初期接触抵抗及び加速耐久試験後の接触抵抗の低い燃料電池セパレータを製造することができる。 In the heat treatment step under a non-oxidizing atmosphere, by heat treatment at a high temperature of 7 50-850 ° C., it is possible to carbonize the thermosetting resin almost completely. That is, most of the matrix phase of the carbon-based conductive layer can be made of amorphous carbon. As described above, amorphous carbon is not only excellent in conductivity, but also stable because it does not easily undergo chemical changes even at high temperatures and in an acidic atmosphere. Therefore, in combination with the graphite component contained in the carbon-based conductive layer, a fuel cell separator having excellent conductivity and corrosion resistance can be produced. That is, a fuel cell separator having a low initial contact resistance and a low contact resistance after the accelerated durability test can be manufactured.

本発明においては、前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂より選択される1種以上であるのが好ましい。
これらの樹脂を用いると、前記した熱処理工程により、樹脂成分を非晶質炭素に変化させることができる。
In this invention, it is preferable that the said thermosetting resin is 1 or more types selected from a phenol resin, a melamine resin, a urea resin, and an epoxy resin.
When these resins are used, the resin component can be changed to amorphous carbon by the heat treatment step described above.

本発明においては、前記炭素系導電材料が、カーボンブラック粉、アセチレンブラック粉、黒鉛粉又はこれらの混合粉であるのが好ましい。
これらはグラファイト成分を含んでいるため、導電性と耐食性を確実に良くすることができる。
In the present invention, the carbon-based conductive material is preferably carbon black powder, acetylene black powder, graphite powder or a mixed powder thereof.
Since these contain a graphite component, conductivity and corrosion resistance can be reliably improved.

本発明においては、前記導電性塗料に含まれる全固形成分のうちの前記炭素系導電材料の質量比率が3〜20質量%であるのが好ましい。   In this invention, it is preferable that the mass ratio of the said carbon-type electrically-conductive material is 3-20 mass% among all the solid components contained in the said conductive paint.

このような質量比率で炭素系導電材料を含んでいれば、十分な導電性を有するだけでなく、基材との密着性を維持することができる。   If the carbon-based conductive material is included at such a mass ratio, it not only has sufficient conductivity, but also can maintain adhesion with the substrate.

本発明によれば、炭素系導電層が被覆されたものであり、初期接触抵抗及び加速耐久試験後の接触抵抗の低い燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator coated with a carbon-based conductive layer and having a low initial contact resistance and a low contact resistance after an accelerated durability test, and a method for manufacturing the same.

本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the fuel cell separator which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the fuel cell separator which concerns on other embodiment of this invention. 接触抵抗測定装置を説明する概略図である。It is the schematic explaining a contact resistance measuring apparatus. 本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法の内容を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the content of the manufacturing method of the fuel cell separator which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、適宜図面を参照して、本発明を実施するための形態(実施形態)について詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments (embodiments) for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

[燃料電池セパレータ]
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータ1(以下、適宜、セパレータ1という)は、純チタン又はチタン合金からなる基材2と、当該基材2上を被覆する炭素系導電層3と、から構成される。
[Fuel cell separator]
As shown in FIG. 1, a fuel cell separator 1 according to an embodiment of the present invention (hereinafter, appropriately referred to as a separator 1) covers a base material 2 made of pure titanium or a titanium alloy and the base material 2. And a carbon-based conductive layer 3.

(基材)
基材2は、酸素(空気)や水素などのガスの流路となる溝を形成するために必要となる加工性の点、ガスバリア性の点、導電性や熱伝導性の点から金属製の基材2を用いるのが好ましい。前記した純チタンやチタン合金材は、軽量で耐食性に優れ、強度、靭性にも優れていることから本発明における基材2として非常に好ましい。
(Base material)
The base material 2 is made of metal from the viewpoint of workability, gas barrier property, conductivity and heat conductivity necessary for forming a groove that becomes a flow path of gas such as oxygen (air) or hydrogen. The substrate 2 is preferably used. The pure titanium and titanium alloy materials described above are very preferable as the base material 2 in the present invention because they are lightweight, excellent in corrosion resistance, excellent in strength and toughness.

基材2は、従来公知の方法、例えば、純チタン又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製造することができる。なお、基材2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ない。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とすることができる。   The base material 2 can be manufactured by a conventionally known method, for example, a method of melting and casting pure titanium or a titanium alloy to form an ingot, hot rolling, and then cold rolling. In addition, although it is preferable that the base material 2 is annealed, the finishing state is not ask | required. For example, any finish state such as “annealing + pickling finish”, “vacuum heat treatment finish”, “bright annealing finish”, or the like can be used.

なお、基材2は、特定の組成の純チタン又はチタン合金に限定されるものではないが、チタン素材(母材)の冷間圧延のし易さ(中間焼鈍なしでトータル圧下率35%以上の冷間圧延を実施できる)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以下を含み、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。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 2 is not limited to pure titanium or a titanium alloy having a specific composition, it is easy to cold-roll a titanium material (base material) (total rolling reduction of 35% or more without intermediate annealing). From the viewpoint of securing 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, with the balance consisting of Ti and inevitable impurities is preferable. For example, a JIS type 1 cold rolled sheet can be used.

純チタン又はチタン合金からなる基材2を用いることにより、セパレータ1の強度や靱性が向上するとともに、基材2自体が高い耐食性を有しているため、燃料電池内において、炭素系導電層3で被覆されてない箇所(つまり、基材2が露出している箇所)からの基材2の溶出を防ぐことができる。さらに、軽量であるため、特に自動車用途として使用し易い。   By using the base material 2 made of pure titanium or a titanium alloy, the strength and toughness of the separator 1 are improved, and the base material 2 itself has high corrosion resistance. Therefore, in the fuel cell, the carbon-based conductive layer 3 It is possible to prevent the base material 2 from being eluted from a portion not covered with (that is, a portion where the base material 2 is exposed). Furthermore, since it is lightweight, it is particularly easy to use for automobile applications.

基材2の板厚は0.05〜1.0mmが好ましい。板厚が0.05mm未満では基材2に必要とされる強度を確保することができず、1.0mmを超えると加工性が低下する。   The plate thickness of the substrate 2 is preferably 0.05 to 1.0 mm. If the plate thickness is less than 0.05 mm, the strength required for the substrate 2 cannot be ensured, and if it exceeds 1.0 mm, the workability deteriorates.

(炭素系導電層)
炭素系導電層3は、炭素系導電材料を分散させた熱硬化性樹脂を用いて形成されている。
(Carbon-based conductive layer)
The carbon-based conductive layer 3 is formed using a thermosetting resin in which a carbon-based conductive material is dispersed.

ここで、炭素系導電材料としては、カーボンブラック粉、アセチレンブラック粉、黒鉛粉又はこれらの混合粉であるのが好ましい。これらの粉末はグラファイト成分を含むため導電性と耐食性が良く、安価な材料であるため生産上好都合である。   Here, the carbon-based conductive material is preferably carbon black powder, acetylene black powder, graphite powder, or a mixed powder thereof. Since these powders contain a graphite component, they have good conductivity and corrosion resistance, and are inexpensive materials that are convenient for production.

炭素系導電材料の粒径は50μm以下であることが好ましい。粒径が50μmを超えると、セパレータ1上に流路となる溝を形成するために行うプレス加工時に、炭素系導電材料の脱落などが起こり易くなるからである。一方、粒径の下限値は特に規定しないが、汎用的な炭素系導電材料の粒径はおよそ0.02μm以上であり、粒径がこれ以下の物は入手しにくく、もし入手可能であったとしても高価となるため好ましくない。   The particle size of the carbon-based conductive material is preferably 50 μm or less. This is because, when the particle diameter exceeds 50 μm, the carbon-based conductive material is likely to fall off during the pressing process performed to form the groove serving as the flow path on the separator 1. On the other hand, the lower limit of the particle size is not particularly specified, but the particle size of a general-purpose carbon-based conductive material is approximately 0.02 μm or more, and those having a particle size of less than this are difficult to obtain and are available. However, since it becomes expensive, it is not preferable.

熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂より選択される1種以上であることが好ましい。これらより選択される1種以上を含む塗料であれば、後述する熱処理工程S2により、有機の樹脂成分を無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)へと変化させることができる。なお、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂を用いると、後述する熱処理工程S2での熱処理により樹脂成分が分解してしまう。その結果、炭素系導電層3が非常に脆いものとなり、基材2から容易に脱落するため好ましくない。   The thermosetting resin is preferably at least one selected from a phenol resin, a melamine resin, a urea resin, and an epoxy resin. If it is the coating material containing 1 or more types selected from these, the organic resin component can be changed into inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon) by heat processing process S2 mentioned later. In addition, when thermoplastic resins, such as an acrylic resin, are used, a resin component will decompose | disassemble by the heat processing in heat processing process S2 mentioned later. As a result, the carbon-based conductive layer 3 becomes very brittle and is easily removed from the substrate 2, which is not preferable.

基材2上には、図1に示すように、導電性と耐食性を有する炭素系導電層3が被覆されている。炭素系導電層3は基材2の片面又は両面(必要に応じて端面を含む)を被覆していることが好ましいが、必ずしも表面全体を被覆している必要はない。燃料電池セパレータとして必要な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60%以上に被覆されていればよい。また、燃料電池セパレータとして必要な導電性と耐食性を確保するのに必要な任意の箇所のみを被覆するようにしてもよい。なお、炭素系導電層3が形成されていない基材2の表面には、チタンの不働態皮膜が形成されるため、基材2の酸化等の反応を抑制することができる。   As shown in FIG. 1, a carbon-based conductive layer 3 having conductivity and corrosion resistance is coated on the substrate 2. The carbon-based conductive layer 3 preferably covers one surface or both surfaces (including end surfaces as necessary) of the base material 2, but does not necessarily need to cover the entire surface. In order to ensure the electrical conductivity and corrosion resistance required for the fuel cell separator, it is sufficient that the surface is covered by 50% or more, preferably 60% or more. Moreover, you may make it coat | cover only the arbitrary locations required in order to ensure the electroconductivity and corrosion resistance required as a fuel cell separator. In addition, since the passive film of titanium is formed in the surface of the base material 2 in which the carbon-type conductive layer 3 is not formed, reactions, such as oxidation of the base material 2, can be suppressed.

基材2上に形成される炭素系導電層3はグラファイト成分を含んでいる。炭素系導電層3をラマン分光法によって分析した際にDバンドとGバンドのピークが得られる。本発明においては、当該DバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)が0.10以上1.0以下であって、且つDバンドの半値幅が60cm-1以上である。
ラマン分光法による分析は、従来公知のレーザーラマン分光装置等を用いて行うことができる。
The carbon-based conductive layer 3 formed on the substrate 2 contains a graphite component. When the carbon-based conductive layer 3 is analyzed by Raman spectroscopy, peaks of D band and G band are obtained. In the present invention, the peak intensity ratio (D / G ratio) between the D band and the G band is 0.10 or more and 1.0 or less, and the half width of the D band is 60 cm −1 or more.
Analysis by Raman spectroscopy can be performed using a conventionally known laser Raman spectrometer or the like.

Dバンドは、点欠陥や結晶端の欠陥などに起因して観測され、1350cm-1付近にピークを有する。Dバンドのピーク強度とは、当該Dバンドにおいて観測されるピーク強度をいう。 The D band is observed due to point defects, crystal edge defects, and the like, and has a peak in the vicinity of 1350 cm −1 . The peak intensity of the D band refers to the peak intensity observed in the D band.

Gバンドは、グラファイトに起因して観測され、1590cm-1付近にピークを有する。Gバンドのピーク強度とは、当該Gバンドにおいて観測されるピーク強度をいう。グラファイトは炭素系導電材料の中でも特に導電性および耐食性に優れる材料であり、ラマン分光分析によりグラファイトを分析するとGバンドのピークが強く検出される。 The G band is observed due to graphite and has a peak in the vicinity of 1590 cm −1 . The peak intensity of the G band refers to the peak intensity observed in the G band. Graphite is a material that is particularly excellent in conductivity and corrosion resistance among carbon-based conductive materials. When graphite is analyzed by Raman spectroscopic analysis, the peak of the G band is strongly detected.

D/G比が1.0よりも小さいことは、Gバンドのピーク強度がDバンドのピーク強度よりも大きく、グラファイト成分を多く含むことを示している。このような導電層は導電性に優れ、且つ耐食性にも優れるため好ましい。D/G比が1.0を超えると導電性や耐食性が不十分となる。D/G比の好ましい値は0.90以下であり、より好ましくは0.80以下、さらに好ましくは0.60以下である。   A D / G ratio smaller than 1.0 indicates that the peak intensity of the G band is larger than the peak intensity of the D band and contains a large amount of graphite components. Such a conductive layer is preferable because of its excellent conductivity and excellent corrosion resistance. If the D / G ratio exceeds 1.0, the conductivity and corrosion resistance will be insufficient. A preferable value of the D / G ratio is 0.90 or less, more preferably 0.80 or less, and still more preferably 0.60 or less.

なお、使用する炭素系導電材料を黒鉛粉のみとした場合には、D/G比が0.30以下となり、高い導電性を得ることができる。しかし、一実施形態に係るセパレータ1は、熱硬化性樹脂を含む塗料を用いて炭素系導電層3を形成するため、Gバンドのみとなることはない。D/G比は最も低い場合(熱硬化性樹脂に分散させる炭素系導電材料を黒鉛のみとした場合)でも、前記したように0.10以上となる。   When the carbon-based conductive material used is only graphite powder, the D / G ratio is 0.30 or less, and high conductivity can be obtained. However, the separator 1 according to the embodiment does not include only the G band because the carbon-based conductive layer 3 is formed using a paint containing a thermosetting resin. Even when the D / G ratio is the lowest (when the carbon-based conductive material dispersed in the thermosetting resin is only graphite), it becomes 0.10 or more as described above.

また、ラマン分光法によって炭素系導電層3を分析した際に得られるDバンドの半値幅は60cm-1以上である。炭素系導電材料は、そのままの状態では基材2上に密着性良く被覆することは困難である。そのため、一般的には、熱硬化性樹脂を含む塗料などの中に炭素系導電材料を分散させて導電性塗料とし、これを基材2上に塗布した後、硬化させて層としている。 Further, the half-value width of the D band obtained when the carbon-based conductive layer 3 is analyzed by Raman spectroscopy is 60 cm −1 or more. It is difficult for the carbon-based conductive material to be coated on the base material 2 with good adhesion as it is. Therefore, in general, a carbon-based conductive material is dispersed in a paint containing a thermosetting resin to form a conductive paint, which is applied onto the substrate 2 and then cured to form a layer.

炭素粉を含まない塗料自体をラマン分光法によって分析してもピークは得られないため、炭素粉を分散させた導電性塗料を塗布したものをラマン分光法によって分析した場合、加えた炭素粉由来のピークのみが得られる。よって、用いる塗料の種類を選択するのみでは本特許で規定する導電層の状態は得られない。   Since no peak is obtained even if the paint itself that does not contain carbon powder is analyzed by Raman spectroscopy, when applying a conductive paint with dispersed carbon powder analyzed by Raman spectroscopy, derived from the added carbon powder Only the peak of is obtained. Therefore, the state of the conductive layer defined in this patent cannot be obtained only by selecting the type of paint to be used.

導電性塗料を塗布したままの塗膜や後述する熱処理工程S2での処理が不十分な層は、有機の樹脂成分を多く含むため、導電性が低く、また燃料電池内部の高温・酸性雰囲気下では経時的に有機成分が劣化してしまう。   A coating film with a conductive paint applied or a layer that is insufficiently treated in the heat treatment step S2 described below contains a large amount of organic resin components, and therefore has low conductivity, and is also in a high temperature / acid atmosphere inside the fuel cell. Then, an organic component will deteriorate over time.

しかし、本発明に係るセパレータ1は、前述した樹脂を含む塗料を用いた塗工乾燥工程S1と、これに続いて行う熱処理工程S2により(塗工乾燥工程S1と熱処理工程S2については後述する)、炭素系導電層3のマトリックス相を構成する有機成分が無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)へと変化する。従って、このマトリックス相自体が導電性を示すようになり、且つ高温・酸性雰囲気でも安定な性質を示すようになる。
また、有機の樹脂から無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)への変化によって、ラマン分光法によって分析した際に得られるDバンドの半値幅が広くなる方向に変化する。そして、このDバンドの半値幅が60cm-1以上になると良好な導電性が得られるようになる。Dバンドの半値幅が60cm-1よりも低いと良好な導電性を得ることができない。Dバンド半値幅の好ましい値は65cm-1以上であり、より好ましくは80cm-1以上であり、さらに好ましくは90cm-1以上であり、さらにより好ましくは100cm-1以上である。
一方、Dバンドの半値幅の上限は特に規定しないが、300cm-1以下であることが好ましい。
However, the separator 1 according to the present invention includes the coating / drying step S1 using the above-described coating material including the resin and the heat treatment step S2 performed subsequently (the coating / drying step S1 and the heat treatment step S2 will be described later). The organic component constituting the matrix phase of the carbon-based conductive layer 3 changes to inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon). Accordingly, the matrix phase itself exhibits conductivity, and exhibits stable properties even in a high temperature / acidic atmosphere.
Further, due to the change from organic resin to inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon), the half-value width of the D band obtained when analyzed by Raman spectroscopy is changed in a widening direction. When the half width of the D band is 60 cm −1 or more, good conductivity can be obtained. When the half width of the D band is lower than 60 cm −1 , good conductivity cannot be obtained. A preferable value of the half-width of the D band is 65 cm −1 or more, more preferably 80 cm −1 or more, still more preferably 90 cm −1 or more, and even more preferably 100 cm −1 or more.
On the other hand, the upper limit of the full width at half maximum of the D band is not particularly defined, but is preferably 300 cm −1 or less.

(中間層)
図2に示すように、セパレータ1は基材2と炭素系導電層3との間に、中間層4が形成されているのが好ましい。特に、中間層4は、基材2と炭素系導電層3とが反応して形成されたチタンカーバイドを含む層であることが好ましい。チタンカーバイドは導電性を有するため、基材2と炭素系導電層3との界面における電気抵抗が小さくなり、導電性が向上する。また、基材2と炭素系導電層3とが反応して形成されたものであるため、基材2と炭素系導電層3との密着性が向上する。
(Middle layer)
As shown in FIG. 2, in the separator 1, an intermediate layer 4 is preferably formed between the base material 2 and the carbon-based conductive layer 3. In particular, the intermediate layer 4 is preferably a layer containing titanium carbide formed by the reaction of the substrate 2 and the carbon-based conductive layer 3. Since titanium carbide has conductivity, the electrical resistance at the interface between the substrate 2 and the carbon-based conductive layer 3 is reduced, and the conductivity is improved. Further, since the base material 2 and the carbon-based conductive layer 3 are formed by reaction, the adhesion between the base material 2 and the carbon-based conductive layer 3 is improved.

なお、この中間層4がチタンカーバイドを含むかどうかの確認は、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope)等を用いて基材2と炭素系導電層3との界面を観察することで行うことができる。   Whether or not the intermediate layer 4 contains titanium carbide can be confirmed by observing the interface between the substrate 2 and the carbon-based conductive layer 3 using a transmission electron microscope or the like. it can.

(接触抵抗)
実際の燃料電池内では、セパレータはカーボンペーパーなどのガス拡散層と接触しており、およそ10kg/cm2の圧力で締め付けられている。
従って、図1及び図2に示すいずれのセパレータ1も、基材2の両面に炭素系導電層3を被覆し、2枚のカーボンペーパー11で基材2(セパレータ1)を挟み、カーボンペーパー11の側から面圧10kg/cm2の条件で加圧しつつ、図3に示す接触抵抗測定装置10(銅電極12の接触面積1cm2)にて測定した接触抵抗が12mΩ・cm2以下であるのが好ましい。
(Contact resistance)
In an actual fuel cell, the separator is in contact with a gas diffusion layer such as carbon paper and is clamped at a pressure of approximately 10 kg / cm 2 .
Accordingly, in any of the separators 1 shown in FIGS. 1 and 2, the carbon-based conductive layer 3 is coated on both surfaces of the base material 2, and the base material 2 (separator 1) is sandwiched between the two carbon papers 11. The contact resistance measured with the contact resistance measuring device 10 (contact area 1 cm 2 of the copper electrode 12) shown in FIG. 3 is 12 mΩ · cm 2 or less while applying pressure from the side of the electrode at a surface pressure of 10 kg / cm 2 . Is preferred.

この接触抵抗の値が大きすぎると、燃料電池内でセパレータとして使用するときの電流損失が大きくなり、燃料電池としての性能が低くなってしまうため好ましくない。よって、セパレータ1とカーボンペーパー11間の接触抵抗は12mΩ・cm2以下であるのが好ましく、より好ましくは10mΩ・cm2以下、さらに好ましくは8.0mΩ・cm2以下、さらにより好ましくは6.0mΩ・cm2以下である。 If the value of the contact resistance is too large, the current loss when used as a separator in the fuel cell increases, and the performance as a fuel cell is lowered, which is not preferable. Therefore, it is preferable contact resistance between the separator 1 and the carbon paper 11 is 12mΩ · cm 2 or less, more preferably 10 m [Omega · cm 2 or less, more preferably 8.0mΩ · cm 2 or less, even more preferably 6. 0 mΩ · cm 2 or less.

[燃料電池セパレータの製造方法]
次に、図4を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法について説明する。
図4に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法は、塗工乾燥工程S1と、熱処理工程S2とを含んでいる。かかる製造方法においてこれらの工程をこの順で実施することにより、図1、2を参照して説明したセパレータ1を製造することができる。
[Method for producing fuel cell separator]
Next, with reference to FIG. 4, the manufacturing method of the fuel cell separator which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
As shown in FIG. 4, the method for manufacturing a fuel cell separator according to one embodiment of the present invention includes a coating drying step S1 and a heat treatment step S2. The separator 1 described with reference to FIGS. 1 and 2 can be manufactured by performing these steps in this order in the manufacturing method.

(塗工乾燥工程)
塗工乾燥工程S1は、基材2上に、熱硬化性樹脂と炭素系導電材料を含む導電性塗料を塗工して乾燥する工程である。
ここで、基材2、熱硬化性樹脂及び炭素系導電材料は、前述したものを好適に用いることができる。これらについての説明は既に詳述しているので省略する。
(Coating drying process)
The coating drying step S1 is a step of applying and drying a conductive paint containing a thermosetting resin and a carbon-based conductive material on the substrate 2.
Here, what was mentioned above can be used suitably for the base material 2, the thermosetting resin, and the carbon-based conductive material. Since these are already described in detail, they will be omitted.

なお、導電性塗料に含まれる樹脂成分の比率は、5〜30質量%が好ましい。かかる比率が30質量%を超えると、塗料の粘度が高過ぎて基材2上に均一な厚さで塗布するのが困難になる。一方、かかる比率が5質量%未満では逆に粘度が低過ぎて均一な厚さで塗布するのが困難になる。   In addition, the ratio of the resin component contained in the conductive paint is preferably 5 to 30% by mass. If the ratio exceeds 30% by mass, the viscosity of the coating is too high, and it becomes difficult to apply the coating on the substrate 2 with a uniform thickness. On the other hand, when the ratio is less than 5% by mass, the viscosity is too low and it is difficult to apply the film with a uniform thickness.

なお、導電性塗料中に含まれる全固形成分のうち炭素系導電材料の質量比率は、2〜30質量%であることが好ましい。かかる質量比率が2質量%未満であると炭素系導電層3の導電性が不十分となる。一方、かかる質量比率が30質量%を超えると、導電性を高める効果は飽和する一方で、熱処理後に得られる炭素系導電層3が脆くなり、基材2から剥離し易くなる。このため、導電性と炭素系導電層3の密着性を両立するため2〜30質量%とするのが好ましい。なお、より好ましい範囲は4〜28質量%であり、さらに好ましい範囲は5〜25質量%である。導電性塗料の残りの成分としては溶剤等が挙げられる。   In addition, it is preferable that the mass ratio of a carbon-type electrically-conductive material is 2-30 mass% among all the solid components contained in a conductive paint. When the mass ratio is less than 2 mass%, the conductivity of the carbon-based conductive layer 3 becomes insufficient. On the other hand, when the mass ratio exceeds 30% by mass, the effect of increasing the conductivity is saturated, while the carbon-based conductive layer 3 obtained after the heat treatment becomes brittle and easily peels from the substrate 2. For this reason, in order to make electroconductivity and the adhesiveness of the carbon-type conductive layer 3 compatible, it is preferable to set it as 2-30 mass%. A more preferable range is 4 to 28% by mass, and a further preferable range is 5 to 25% by mass. Examples of the remaining components of the conductive paint include a solvent.

導電性塗料を基材2の表面に塗付する方法は、従来公知のバーコーター、ロールコーター、リバースロールコーター、グラビアコーター、ダイコーター、キスコーター、ロッドコーター、ディップコーター、スプレーコーターのいずれも適用することができる。前記した各種コーターを用いることにより、基材2表面に適切にスラリー(導電性塗料)を連続して塗布することができ、生産性を向上させることができる。   As a method for applying the conductive paint to the surface of the substrate 2, any of conventionally known bar coaters, roll coaters, reverse roll coaters, gravure coaters, die coaters, kiss coaters, rod coaters, dip coaters, and spray coaters can be applied. be able to. By using the various coaters described above, a slurry (conductive paint) can be appropriately continuously applied to the surface of the base material 2, and productivity can be improved.

なお、導電性塗料の塗布厚は、後述する熱処理工程S2後の炭素系導電層3の厚さが0.5〜20μmになるようにすればよい。かかる塗布厚は熱処理工程S2との関係で適宜に変更し、設定することができる。   In addition, what is necessary is just to make the application | coating thickness of an electroconductive coating material be 0.5-20 micrometers in thickness of the carbon-type conductive layer 3 after heat processing process S2 mentioned later. Such a coating thickness can be appropriately changed and set in relation to the heat treatment step S2.

導電性塗料の乾燥は、自然乾燥や温風を当てる強制乾燥によって行われ、塗料に用いる溶媒の種類や希望する乾燥時間の制約によってその方法や温度を適宜選択すればよい。ロールツーロール式の塗工装置であれば、塗工工程の後連続的に乾燥工程に送られ、乾燥後にはコイル状に巻き取られる。   The conductive coating is dried by natural drying or forced drying by applying warm air, and the method and temperature may be appropriately selected depending on the type of solvent used in the coating and the desired drying time. If it is a roll-to-roll type coating apparatus, it will be continuously sent to a drying process after a coating process, and will be wound up in coil shape after drying.

(熱処理工程)
熱処理工程S2は、塗工乾燥工程S1後に、基材2を非酸化雰囲気下、550〜850℃の温度で熱処理する工程である。このような熱処理を行うことで、炭素系導電層3の導電性を高め、また炭素系導電層3と基材2との結合をより強固なものとすることができる。前記した中間層4は、この熱処理工程S2を行うことにより形成され得る。
(Heat treatment process)
The heat treatment step S2 is a step of heat-treating the substrate 2 at a temperature of 550 to 850 ° C. in a non-oxidizing atmosphere after the coating drying step S1. By performing such a heat treatment, the conductivity of the carbon-based conductive layer 3 can be increased, and the bond between the carbon-based conductive layer 3 and the substrate 2 can be made stronger. The intermediate layer 4 described above can be formed by performing this heat treatment step S2.

熱処理温度が550℃未満であると、炭素系導電層3の導電性が不十分で、前記したカーボンペーパーとの接触抵抗が十分に低くならないため好ましくない。一方、熱処理温度が850℃を超えると、基材2の機械特性が低下する虞があるため好ましくない。熱処理温度の好ましい範囲は600〜800℃であり、より好ましい範囲は650〜750℃である。
なお、炭素系導電層3のマトリックス相の、無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)への変化は、熱処理温度を600℃以上、より好ましくは700℃以上とすることによって、より促進されるため、これらの温度以上とするのが好ましい。
When the heat treatment temperature is less than 550 ° C., the conductivity of the carbon-based conductive layer 3 is insufficient, and the contact resistance with the carbon paper described above is not sufficiently low. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 850 ° C., the mechanical properties of the substrate 2 may be deteriorated, which is not preferable. A preferable range of the heat treatment temperature is 600 to 800 ° C, and a more preferable range is 650 to 750 ° C.
The change of the matrix phase of the carbon-based conductive layer 3 to inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon) is further promoted by setting the heat treatment temperature to 600 ° C. or higher, more preferably 700 ° C. or higher. Therefore, it is preferable that the temperature be higher than these temperatures.

なお、非酸化雰囲気とは、酸素分圧が低い雰囲気をいい、好ましくは酸素分圧が10Pa以下の雰囲気である。非酸化雰囲気でない場合、炭素導電層中の炭素が雰囲気中の酸素と反応してしまう(燃焼反応を起こしてしまう)。これにより基材2が酸化し、導電性が劣化してしまう。   Note that the non-oxidizing atmosphere refers to an atmosphere having a low oxygen partial pressure, preferably an atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 Pa or less. When the atmosphere is not a non-oxidizing atmosphere, carbon in the carbon conductive layer reacts with oxygen in the atmosphere (causes a combustion reaction). Thereby, the base material 2 is oxidized, and the conductivity is deteriorated.

熱処理の時間は0.5〜60分間が好ましい。熱処理温度が低い場合は長時間の処理、熱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 preferably 0.5 to 60 minutes. The time may be appropriately adjusted depending on the temperature, such as a long time treatment when the heat treatment temperature is low and a short time treatment when the heat treatment temperature is high.

この熱処理は、電気炉、ガス炉等を用いることで行うことができるが、550〜850℃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、どのような熱処理炉でも用いることができる。   This heat treatment can be performed by using an electric furnace, a gas furnace or the like, but any heat treatment furnace can be used as long as the heat treatment can be performed at a heat treatment temperature of 550 to 850 ° C. and the atmosphere can be adjusted. It can also be used in a furnace.

なお、従来の導電性塗料を用いる技術は、導電性塗料を用いて様々な方法にて基材2上に導電層を形成した後、塗料の硬化のため、概ね200℃以下での熱処理がなされることが多い。しかしながら、このような場合、導電層中に有機の樹脂成分が多く残ったままであるため、導電性が不十分であり、且つ燃料電池内部の高温・酸性雰囲気下で有機成分の劣化が懸念される。
しかしながら、本発明に係るセパレータ1の炭素系導電層3は、非酸化雰囲気下にて従来よりも高温での熱処理を行うため、樹脂成分は有機ではなく無機の非晶質炭素(ダイヤモンド様炭素)へと変化する。そのため、導電性と耐食性に優れるようになる。本発明に係るセパレータ1は、従来の導電性塗料を用いて処理されたセパレータよりもこれらの点において優れたものとなっている。
In the conventional technique using a conductive paint, after a conductive layer is formed on the substrate 2 by various methods using the conductive paint, a heat treatment at about 200 ° C. or less is performed to cure the paint. Often. However, in such a case, since a large amount of the organic resin component remains in the conductive layer, the conductivity is insufficient, and there is a concern about deterioration of the organic component under high temperature / acid atmosphere inside the fuel cell. .
However, since the carbon-based conductive layer 3 of the separator 1 according to the present invention is heat-treated at a higher temperature than before in a non-oxidizing atmosphere, the resin component is not organic but inorganic amorphous carbon (diamond-like carbon). To change. Therefore, it becomes excellent in electroconductivity and corrosion resistance. The separator 1 according to the present invention is superior in these respects to a separator treated with a conventional conductive paint.

熱処理工程S2後の炭素系導電層3の厚さは、0.5〜20μmであることが好ましい。厚さが0.5μm未満であると、導電性が不十分でカーボンペーパーとの接触抵抗が高くなり易い。また、厚さが20μmを超えると、ガス流路となる溝をプレス成形により形成する際に炭素系導電層3中で剥離し易くなる。炭素系導電層3の好ましい厚さの範囲は0.8〜18μmであり、より好ましくは1〜15μmである。
熱処理により炭素系導電層3の厚さは減少する方向に変化する。熱処理後の炭素系導電層3の厚さを前記範囲内に調整するためには、導電性塗料を塗布する際の厚さを適宜調整すればよい。
The thickness of the carbon-based conductive layer 3 after the heat treatment step S2 is preferably 0.5 to 20 μm. When the thickness is less than 0.5 μm, the conductivity is insufficient and the contact resistance with the carbon paper tends to be high. On the other hand, when the thickness exceeds 20 μm, it is easy to peel off in the carbon-based conductive layer 3 when a groove serving as a gas flow path is formed by press molding. The preferable thickness range of the carbon-based conductive layer 3 is 0.8 to 18 μm, more preferably 1 to 15 μm.
By the heat treatment, the thickness of the carbon-based conductive layer 3 changes in a decreasing direction. In order to adjust the thickness of the carbon-based conductive layer 3 after the heat treatment within the above range, the thickness at the time of applying the conductive paint may be appropriately adjusted.

以上に説明した一実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法は、これら以外の工程を行うことができる。
例えば、熱処理工程S2の後、ガスの流路となる溝をプレス成形により形成するプレス成形工程を行うことができる。なお、このプレス成形工程では、切断、プレス加工等により、所望の形状に成形することもできる。
また、塗工乾燥工程S1前に、基材2の表面を任意の状態に仕上る表面仕上工程(図示省略)を行うことができる。
表面仕上工程としては、基材2の表面を焼鈍し、酸洗することや、真空熱処理仕上げすること、光輝焼鈍仕上げすることが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、その他の表面仕上げとすることもできる。
The manufacturing method of the fuel cell separator according to the embodiment described above can perform steps other than these.
For example, after the heat treatment step S <b> 2, a press forming step of forming a groove serving as a gas flow path by press forming can be performed. In this press molding step, it can be molded into a desired shape by cutting, pressing, or the like.
Moreover, the surface finishing process (illustration omitted) which finishes the surface of the base material 2 to arbitrary states can be performed before coating drying process S1.
Examples of the surface finishing process include annealing, pickling, vacuum heat treatment finishing, and bright annealing finishing of the surface of the substrate 2, but are not limited to these, and other surface finishing. It can also be.

(プレス成形工程)
セパレータ1を燃料電池のセパレータとして使用する場合、前記したプレス成形工程(図4に図示せず)を行うのが好ましい。プレス成形は、潤滑油を使用してもよいが、基材2上の炭素系導電層3が潤滑剤として作用するため、潤滑油無しでもプレス成形が可能である。よって、潤滑油無しでプレス成形しても、プレス成形後に炭素系導電層3が剥離することはほとんどない。潤滑油無しでプレス成形する場合、プレス成形後の脱脂洗浄が不要となるため、セパレータ1の生産性が向上する。
なお、このプレス成形工程は塗工乾燥工程S1前や、塗工乾燥工程S1と熱処理工程S2の間に行うこともできる。
(Press molding process)
When using the separator 1 as a separator of a fuel cell, it is preferable to perform the press molding step (not shown in FIG. 4). In press molding, lubricating oil may be used. However, since the carbon-based conductive layer 3 on the substrate 2 acts as a lubricant, press molding is possible even without lubricating oil. Therefore, even if press molding is performed without lubricating oil, the carbon-based conductive layer 3 hardly peels after press molding. When press molding without lubricating oil, the degreasing cleaning after press molding is not necessary, so that the productivity of the separator 1 is improved.
In addition, this press molding process can also be performed before the coating drying process S1 or between the coating drying process S1 and the heat treatment process S2.

本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの製造方法は、塗工乾燥工程S1及び熱処理工程S2以外の工程、例えば、前記したプレス成形工程や、熱処理工程S2の後にセパレータを放冷する工程等を含んでいてもよい。   The manufacturing method of the fuel cell separator according to one embodiment of the present invention is a process other than the coating drying step S1 and the heat treatment step S2, for example, the press molding step, the step of allowing the separator to cool after the heat treatment step S2, and the like. May be included.

以上の製造方法によって製造された燃料電池セパレータ1は、基材2表面に導電性と耐食性に優れる炭素系導電層3が形成されているとともに、その炭素系導電層3が基材2上に強固に密着しているため、基材2を燃料電池のセル内環境から遮蔽する環境遮蔽性(バリア性)が高く、優れた導電性を長期間維持することができる。   In the fuel cell separator 1 manufactured by the above manufacturing method, the carbon-based conductive layer 3 having excellent conductivity and corrosion resistance is formed on the surface of the base 2, and the carbon-based conductive layer 3 is firmly on the base 2. Therefore, the substrate 2 has a high environmental shielding property (barrier property) for shielding the substrate 2 from the in-cell environment of the fuel cell, and excellent conductivity can be maintained for a long time.

以上、本発明の一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。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A design change is possible suitably in the range which does not deviate from the summary of this invention described in the claim.

以下、本発明の所望の効果を奏する実施例とそうでない比較例とにより、本発明に係る燃料電池セパレータ及びその製造方法について具体的に説明する。   Hereinafter, the fuel cell separator and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail by way of examples that achieve the desired effects of the present invention and comparative examples that do not.

1.試験体の作製
基材には、JIS 1種のチタン基材(焼鈍酸洗仕上げ)を使用した。
当該基材(焼鈍酸洗仕上げ)の化学組成は、O:450ppm、Fe:250ppm、N:40ppm、残部がTi及び不可避的不純物であった。基材の板厚は、0.1mmであり、サイズは50×150mmとした。当該基材は、チタン原料に対して従来公知の溶解工程、鋳造工程、熱間圧延工程、冷間圧延工程を施して得られたものである。
1. Preparation of test body JIS 1 type titanium base material (annealing pickling finish) was used for the base material.
The chemical composition of the substrate (annealed pickling finish) was O: 450 ppm, Fe: 250 ppm, N: 40 ppm, the balance being Ti and inevitable impurities. The thickness of the substrate was 0.1 mm, and the size was 50 × 150 mm. The base material is obtained by subjecting a titanium raw material to a conventionally known melting step, casting step, hot rolling step, and cold rolling step.

2.導電性塗料の塗工・乾燥
表1に示す熱硬化性樹脂を有機溶剤に溶解させ、これに炭素系導電材料を分散させて導電性塗料を作製した。なお、炭素系導電材料としては、アセチレンブラック粉末(Strem Chemicals,Inc.社製、平均粒径50nm、純度99.99%)、黒鉛粉末(SECカーボン社製、SNE−6G、平均粒径7μm、純度99.9%)、カーボンブラック粉末(東海カーボン社製、トーカブラック#4500、平均粒径40μm、純度99.9%)を用いた。
2. Application / Drying of Conductive Paint A thermosetting resin shown in Table 1 was dissolved in an organic solvent, and a carbon-based conductive material was dispersed therein to produce a conductive paint. As carbon-based conductive materials, acetylene black powder (manufactured by Strem Chemicals, Inc., average particle size 50 nm, purity 99.99%), graphite powder (manufactured by SEC Carbon, SNE-6G, average particle size 7 μm, (Purity 99.9%), carbon black powder (Tokai Carbon Co., Ltd., Toka Black # 4500, average particle size 40 μm, purity 99.9%) was used.

なお、熱硬化性樹脂に溶解させるための有機溶媒を用いて、塗料中の樹脂成分(固形分)はおよそ20質量%となるように、また固形分中の炭素系導電材料の質量比率を5〜22質量%となるように、各導電性塗料を調製した。当該塗料を、バーコーター(#20)を用いて前記した基材に塗布し、乾燥させた。このようにして基材の両面に、厚さ約5μmの層を形成した。   In addition, using the organic solvent for dissolving in the thermosetting resin, the resin component (solid content) in the coating is about 20% by mass, and the mass ratio of the carbon-based conductive material in the solid content is 5%. Each conductive paint was prepared so that it might become -22 mass%. The paint was applied to the substrate using a bar coater (# 20) and dried. In this way, a layer having a thickness of about 5 μm was formed on both surfaces of the substrate.

3.熱処理
次に、前記厚さ約5μmの層を形成した基材(試験体)を6.7×10-3Paの真空雰囲気下(酸素分圧1.3×10-3Pa下)又は酸素濃度が10ppmのArガス雰囲気下(酸素分圧1.0Paに相当)において、表1に示す温度で3分間熱処理を行った。なお、比較のため、一部の試験体については熱処理を行わなかった。表1中の「−」は、6.7×10-3Paの真空雰囲気下にも、Arガス雰囲気下にもしなかったこと、つまり、大気雰囲気下であることを示している。また、温度が「なし」であることは熱処理を行わなかったことを示している。すなわち、試験体11に対しては導電性塗料の塗工および乾燥後に熱処理を行わなかった。
3. Next, the base material (test body) on which the layer having a thickness of about 5 μm was formed was 6.7 × 10 −3 Pa in a vacuum atmosphere (oxygen partial pressure 1.3 × 10 −3 Pa) or oxygen concentration. Was subjected to a heat treatment at a temperature shown in Table 1 for 3 minutes in an Ar gas atmosphere of 10 ppm (corresponding to an oxygen partial pressure of 1.0 Pa). For comparison, some specimens were not heat-treated. “-” In Table 1 indicates that neither a vacuum atmosphere of 6.7 × 10 −3 Pa nor an Ar gas atmosphere was used, that is, the atmosphere. The temperature “None” indicates that no heat treatment was performed. That is, no heat treatment was performed on the test body 11 after the conductive paint was applied and dried.

Figure 0005564068
Figure 0005564068

このようにして作製した試験体1〜13に対して、ラマン分光法による測定と、炭素系導電層の密着性、初期接触抵抗、加速耐久試験後の接触抵抗を評価した。これらの評価は次のようにして行った。   For the test specimens 1 to 13 thus produced, measurement by Raman spectroscopy, adhesion of the carbon-based conductive layer, initial contact resistance, and contact resistance after the accelerated durability test were evaluated. These evaluations were performed as follows.

(1)ラマン分光法による測定
各試験体に対し、顕微レーザーラマン分光分析装置を用いて、炭素のラマンスペクトル分析を行った。Dバンドのピークは約1350cm-1の位置に、Gバンドのピークは約1590cm-1の位置に得られた。そして、それぞれのピーク強度から、DバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)を求めた。
また、同分析により得られるDバンドの半値幅を求めた。
(1) Measurement by Raman spectroscopy The Raman spectrum analysis of carbon was performed on each specimen using a microscopic laser Raman spectroscopy analyzer. Peak of D band at about 1350 cm -1, a peak of G-band was obtained at about 1590 cm -1. And the peak intensity ratio (D / G ratio) of D band and G band was calculated | required from each peak intensity.
Moreover, the half width of D band obtained by the same analysis was calculated | required.

(2)炭素系導電層の密着性
各試験体の炭素系導電層の表面にテープ(住友3M社製メンディングテープ 12mm幅)を貼り付けた後、テープを各試験体表面に対して垂直方向に引き剥がして炭素系導電層の密着性を評価した。炭素系導電層が基材との界面より剥離する場合を×とし、炭素系導電層中で剥離する場合を△、テープの粘着剤が炭素系導電層の表面に残っている場合を○とした。かかる評価においては、△及び○を合格とした。
(2) Adhesion of carbon-based conductive layer After applying a tape (Sumitomo 3M Mending Tape 12mm width) on the surface of the carbon-based conductive layer of each specimen, the tape is perpendicular to the surface of each specimen. The carbon-based conductive layer was evaluated for adhesion. The case where the carbon-based conductive layer peels off from the interface with the base material is indicated as x, the case where the carbon-based conductive layer peels off is indicated as △, and the case where the tape adhesive remains on the surface of the carbon-based conductive layer is indicated as ○. . In this evaluation, Δ and ○ were regarded as acceptable.

(3)初期接触抵抗
炭素系導電層の密着性が合格となった試験体について、図3に示す接触抵抗測定装置を用いて、接触抵抗を測定した。詳細には、試験体(図3中の基材2(セパレータ1))の両面を2枚のカーボンペーパー11で挟み、さらにその外側を接触面積1cm2の2枚の銅電極12で挟んで荷重98N(10kgf)で加圧し、直流電流電源を用いて7.4mAの電流を通電し、カーボンペーパー11の間に加わる電圧を電圧計で測定して、接触抵抗(初期接触抵抗)を求めた。
初期接触抵抗は、12mΩ・cm2以下の場合を合格、12mΩ・cm2を超える場合を不合格とした。
(3) Initial contact resistance About the test body which the adhesiveness of the carbon-type conductive layer passed, contact resistance was measured using the contact resistance measuring apparatus shown in FIG. Specifically, the load is sandwiched between two sheets of carbon paper 11 on both sides of the specimen (base material 2 (separator 1) in FIG. 3), and further sandwiched between two copper electrodes 12 with a contact area of 1 cm 2. A pressure of 98 N (10 kgf) was applied, a current of 7.4 mA was applied using a direct current power source, a voltage applied between the carbon papers 11 was measured with a voltmeter, and a contact resistance (initial contact resistance) was obtained.
The initial contact resistance was determined to be acceptable when it was 12 mΩ · cm 2 or less, and was rejected when it exceeded 12 mΩ · cm 2 .

(4)加速耐久試験後の接触抵抗
炭素系導電層の密着性及び初期接触抵抗が合格となった試験体について、加速耐久試験を行った。すなわち、試験体を比液量が20ml/cm2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100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(3)初期接触抵抗と同様の方法で接触抵抗を測定した。
加速耐久試験後の接触抵抗は、20mΩ・cm2以下の場合を合格、20mΩ・cm2を超える場合を不合格とした。
(4) Contact resistance after accelerated endurance test An accelerated endurance test was performed on the test specimens that passed the adhesion and initial contact resistance of the carbon-based conductive layer. That is, the 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 specimen based on the saturated calomel electrode (SCE). Then, after the immersion treatment for 100 hours, the test specimen was taken out from the sulfuric acid aqueous solution, washed and dried, and the contact resistance was measured by the same method as the above (3) initial contact resistance.
The contact resistance after the accelerated durability test was determined to be acceptable when it was 20 mΩ · cm 2 or less, and rejected when exceeding 20 mΩ · cm 2 .

各試験体に対する評価を表2に示す。なお、表2中「−」は、測定していないことを示している。   Table 2 shows the evaluation for each specimen. In Table 2, “-” indicates that measurement was not performed.

Figure 0005564068
Figure 0005564068

表2に示すように、試験体1〜10はいずれも炭素系導電層の密着性が良く、初期接触抵抗及び加速耐久試験後の接触抵抗が良好であり、合格という評価となった。試験体1〜10は、炭素系導電層をラマン分光法によって分析した際に得られるDバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)が1.0以下となり、Dバンドの半値幅の値が60cm-1以上であった。 As shown in Table 2, all of the test bodies 1 to 10 had good adhesion of the carbon-based conductive layer, had good initial contact resistance and contact resistance after the accelerated durability test, and were evaluated as passing. In the test bodies 1 to 10, the peak intensity ratio (D / G ratio) between the D band and G band obtained when the carbon-based conductive layer was analyzed by Raman spectroscopy was 1.0 or less, and the D band had a half-value width. The value was 60 cm −1 or more.

一方、試験体11〜13は、炭素系導電層の密着性、初期接触抵抗又は加速耐久試験後の接触抵抗が不良であり、不合格という評価となった。   On the other hand, the test bodies 11 to 13 were evaluated as rejected because the carbon-based conductive layer had poor adhesion, initial contact resistance, or contact resistance after the accelerated durability test.

具体的には、試験体11は熱処理を行わなかったため、試験体12は熱処理温度が十分に高くなかったため、いずれも初期接触抵抗が高く、不合格となった。これらは、DバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)及びDバンドの半値幅の少なくとも一方が、本発明規定の範囲外であった。   Specifically, since the test body 11 was not heat-treated, the heat-treatment temperature of the test body 12 was not sufficiently high. In these, at least one of the peak intensity ratio (D / G ratio) of the D band and the G band and the half-value width of the D band was out of the scope of the present invention.

また、試験体13は使用した塗料の樹脂成分が熱可塑性樹脂であるアクリル樹脂であったため、炭素系導電層の密着性が非常に低くなり、不合格となった。試験体13はDバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)及びDバンドの半値幅のいずれもが、本発明規定の範囲外であった。   Moreover, since the test body 13 was an acrylic resin whose thermoplastic resin was used as the resin component of the paint used, the adhesion of the carbon-based conductive layer was very low and the test piece 13 was rejected. In the test body 13, both the peak intensity ratio (D / G ratio) of the D band and the G band and the half width of the D band were out of the scope of the present invention.

1 セパレータ(燃料電池セパレータ)
2 基材
3 炭素系導電層
4 中間層
S1 塗工乾燥工程
S2 熱処理工程
1 Separator (fuel cell separator)
2 Substrate 3 Carbon conductive layer 4 Intermediate layer S1 Coating / drying step S2 Heat treatment step

Claims (6)

純チタン又はチタン合金からなる基材上に、炭素系導電材料を分散させた炭素系導電層が被覆された燃料電池セパレータであって、
前記炭素系導電層をラマン分光法によって分析した際にDバンドとGバンドのピークが得られ、得られるDバンドとGバンドのピーク強度比(D/G比)が0.10以上1.0以下、且つ前記Dバンドの半値幅が98cm-1以上であることを特徴とする燃料電池セパレータ。
A fuel cell separator in which a carbon-based conductive layer in which a carbon-based conductive material is dispersed is coated on a substrate made of pure titanium or a titanium alloy,
When the carbon-based conductive layer is analyzed by Raman spectroscopy, a peak of D band and G band is obtained, and a peak intensity ratio (D / G ratio) of the obtained D band and G band is 0.10 or more and 1.0. A fuel cell separator, wherein the D band has a full width at half maximum of 98 cm -1 or less.
前記基材と前記炭素系導電層との界面に、チタンカーバイドを含む中間層が形成されてい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。   The fuel cell separator according to claim 1, wherein an intermediate layer containing titanium carbide is formed at an interface between the base material and the carbon-based conductive layer. 請求項1又は請求項に記載の燃料電池セパレータを製造する燃料電池セパレータの製造方法であって、
前記基材上に、熱硬化性樹脂と炭素系導電材料を含む導電性塗料を塗工して乾燥する塗工乾燥工程と、
前記塗工乾燥工程後、前記基材を非酸化雰囲気下、50〜850℃の温度で熱処理する熱処理工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
A fuel cell separator manufacturing method for manufacturing the fuel cell separator according to claim 1 or 2 ,
On the base material, a coating drying step of applying and drying a conductive paint containing a thermosetting resin and a carbon-based conductive material;
After the coating drying step, a heat treatment step of heat-treating the substrate under a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 7 fifty to eight hundred fifty ° C.,
The manufacturing method of the fuel cell separator characterized by including.
前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂より選択される1種以上であることを特徴とする請求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 claim 3 , wherein the thermosetting resin is at least one selected from a phenol resin, a melamine resin, a urea resin, and an epoxy resin. 前記炭素系導電材料が、カーボンブラック粉、アセチレンブラック粉、黒鉛粉又はこれらの混合粉であることを特徴とする請求項又は請求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 claim 3 or 4 , wherein the carbon-based conductive material is carbon black powder, acetylene black powder, graphite powder, or a mixed powder thereof. 前記導電性塗料に含まれる全固形成分のうちの前記炭素系導電材料の質量比率が3〜20質量%であることを特徴とする請求項から請求項のいずれか1項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。 Fuel according to any one of the preceding claims 5 to mass ratio of the carbon-based conductive material, characterized in that 3 to 20% by weight of the total solid components contained in the conductive coating A method for producing a battery separator.
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