JP5753830B2 - Fuel cell separator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に使用される、チタンを基材とする燃料電池セパレータおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium-based fuel cell separator used in fuel cells and a method for producing the same.

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、多様な用途や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. Since it is not affected by the size of the system, and it has little noise and vibration, it is expected to be an energy source covering various applications and scales. 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 use in fuel cell vehicles, home cogeneration systems, mobile devices such as 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(バイポーラプレートとも呼ばれる)を介して前記単セルを複数個重ね合わせて構成される。   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 has a groove serving as a flow path for gas (hydrogen, oxygen, etc.). A plurality of the single cells are overlapped through a formed separator (also called a bipolar plate).

セパレータは、燃料電池において発生した電流を外部へ取り出すための部品でもあるので、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)が低い材料が適用される。また、セパレータは、燃料電池の内部がpH2〜4程度の酸性雰囲気であるために高耐食性が要求され、さらに前記低接触抵抗がこの酸性雰囲気での使用中に長期間維持されるという特性も要求される。したがって、従来は、黒鉛粉末の成形体を削り出したり、黒鉛と樹脂の混合物成形体で形成したりといった方法等により製造されたカーボン製のセパレータが適用されていた。しかし、このようなカーボン製のセパレータは強度や靱性に劣り、燃料電池に振動や衝撃が加えられた際に破壊する虞がある。そこで、加工性および強度に優れたアルミニウム、チタン、ニッケル、それらを基とする合金、あるいはステンレス鋼等の金属材料を用いたセパレータが検討されている。   Since the separator is also a component for extracting the current generated in the fuel cell to the outside, a material with low contact resistance (which means that a voltage drop occurs due to an interface phenomenon between the electrode and the separator surface) is applied. Is done. In addition, the separator is required to have high corrosion resistance because the inside of the fuel cell is in an acidic atmosphere having a pH of about 2 to 4, and also has a characteristic that the low contact resistance is maintained for a long time during use in this acidic atmosphere. Is done. Therefore, conventionally, a carbon separator produced by a method such as cutting out a molded product of graphite powder or forming a molded product of graphite and resin has been applied. However, such a carbon separator is inferior in strength and toughness and may be destroyed when vibration or impact is applied to the fuel cell. Then, the separator using metal materials, such as aluminum, titanium, nickel excellent in workability and intensity | strength, the alloy based on them, or stainless steel, is examined.

アルミニウムやステンレス鋼等をセパレータに適用すると、燃料電池の内部の酸性雰囲気で腐食して金属イオンが溶出するために、固体高分子電解質膜や触媒を早期に劣化させることになる。一方、チタン等の耐食性が良好な金属は、腐食環境下で導電性の低い不働態皮膜を形成するため、接触抵抗が劣化(上昇)する。これらのことから、金属材料を基材として、その表面に長期間維持可能な導電性を有する皮膜を被覆して、耐食性および導電性を付与したセパレータが開発されている。   When aluminum, stainless steel, or the like is applied to the separator, it corrodes in an acidic atmosphere inside the fuel cell and metal ions are eluted, so that the solid polymer electrolyte membrane and the catalyst are deteriorated at an early stage. On the other hand, a metal having good corrosion resistance such as titanium forms a passive film having low conductivity in a corrosive environment, so that the contact resistance is deteriorated (increased). For these reasons, separators have been developed in which a metal material is used as a base material and the surface thereof is coated with a conductive film that can be maintained for a long period of time to provide corrosion resistance and conductivity.

導電性を有し、かつ耐食性を有する皮膜材料としては、Au,Ptのような貴金属または貴金属合金が挙げられるが、セパレータをこのような貴金属材料で被覆するとコストが高くなる。そこで、導電性および耐食性を有する安価な材料として、炭素材料を適用し、これを含有する皮膜を金属基材の表面に設けたセパレータの技術が開示されている。例えば、特許文献1および特許文献2に開示されたセパレータは、ステンレス鋼の中でも耐酸性の高いCr,Niを添加したオーステナイト系またはオーステナイト・フェライト二相系のステンレス鋼を基材とし、その表面にカーボン粒子を分散して付着させ、特許文献1は圧着により、特許文献2は熱処理により、それぞれ基材に密着させている。   Examples of the coating material having conductivity and corrosion resistance include noble metals or noble metal alloys such as Au and Pt. However, if the separator is coated with such a noble metal material, the cost increases. Therefore, a technique of a separator in which a carbon material is applied as an inexpensive material having conductivity and corrosion resistance and a film containing the carbon material is provided on the surface of a metal substrate is disclosed. For example, the separators disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 are based on an austenitic or austenitic ferrite two-phase stainless steel to which Cr, Ni, which has high acid resistance among stainless steels, is added. Carbon particles are dispersed and adhered, and Patent Document 1 is brought into close contact with the substrate by pressure bonding and Patent Document 2 is heat-treated.

しかし、これらのセパレータは、カーボン粒子が島状に付着しているため、基材が部分的に露出しており、耐酸性の高いステンレス鋼基材であっても、燃料電池に使用した際に鉄イオンが溶出する虞がある。そこで、耐食性に優れたチタンを基材に適用することにより、表面の導電性皮膜の環境遮蔽性(バリア性)にかかわらず、基材の腐食の虞のないセパレータが開発されている。   However, since these separators have carbon particles adhering in an island shape, the base material is partially exposed, and even when a stainless steel base material with high acid resistance is used in a fuel cell, There is a risk of elution of iron ions. Therefore, by applying titanium having excellent corrosion resistance to the base material, a separator that does not cause corrosion of the base material has been developed regardless of the environmental shielding property (barrier property) of the conductive film on the surface.

特許文献3に開示されたセパレータは、表面を被覆する炭素膜を、化学気相成長(CVD)法またはスパッタリング法にて高温で成膜して、非晶質とすることで導電性を高くして、低接触抵抗のセパレータとしている。さらに特許文献4に開示されたセパレータは、耐食性向上のために金属基材の酸化皮膜を残し、この酸化皮膜と表面を被覆する炭素からなる導電性薄膜との密着性を付与するために、Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Cr等から選択される金属元素またはSi等の半金属元素からなる中間層を備え、さらに中間層から導電性薄膜にかけてその界面で金属元素等から炭素へと配合割合を推移させている。特許文献5に開示されたセパレータは、耐食性を付与するために金属基材表面にダイヤモンドライクカーボン層を成膜し、その上に、黒鉛粒子を分散して付着させた導電部を、アークイオンプレーティング(AIP)装置にて形成している。   The separator disclosed in Patent Document 3 increases the conductivity by forming a carbon film covering the surface at a high temperature by a chemical vapor deposition (CVD) method or a sputtering method and making it amorphous. Therefore, the separator has a low contact resistance. Further, the separator disclosed in Patent Document 4 leaves an oxide film of a metal base for improving corrosion resistance, and in order to provide adhesion between the oxide film and a conductive thin film made of carbon covering the surface, Ti , Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, etc., and an intermediate layer made of a metal element such as Si or a semi-metal element such as Si, and further compounded from the metal element to carbon at the interface from the intermediate layer to the conductive thin film The ratio is changing. In the separator disclosed in Patent Document 5, a diamond-like carbon layer is formed on the surface of a metal base material in order to impart corrosion resistance, and a conductive part in which graphite particles are dispersed and adhered is formed on an arc ion plate. It is formed by a Ting (AIP) apparatus.

しかし、特許文献3〜5に記載されたセパレータは、CVD法やスパッタリング法で成膜された非晶質の炭素膜を備えているため、バリア性が不十分であり、基材が不働態皮膜により腐食はしないものの導電性が劣化し、また炭素膜とその下地(金属基材や中間層)との密着性が不十分である。また、CVD法等によれば、炭素膜を十分な膜厚に成膜するためには処理時間を要するため、生産性に劣る。   However, since the separators described in Patent Documents 3 to 5 include an amorphous carbon film formed by a CVD method or a sputtering method, the barrier property is insufficient, and the base material is a passive film. Although it does not corrode, the conductivity deteriorates, and the adhesion between the carbon film and its base (metal substrate or intermediate layer) is insufficient. Further, according to the CVD method or the like, the processing time is required to form the carbon film with a sufficient film thickness, so that the productivity is inferior.

そこで、本発明者らは、チタン基材上に炭素層を形成した後に熱処理することで、基材と炭素層との間に炭化チタンを有する中間層を形成したセパレータを開発している(特許文献6参照)。このように、基材のチタンと炭素層の炭素とを反応させて中間層を形成することで、炭素層と基材との密着性に優れ、また導電性の炭化チタンにより低抵抗のセパレータとなる。   Therefore, the present inventors have developed a separator in which an intermediate layer having titanium carbide is formed between the substrate and the carbon layer by heat treatment after forming the carbon layer on the titanium substrate (patent) Reference 6). In this way, by forming the intermediate layer by reacting the base material titanium and the carbon layer carbon, the carbon layer and the base material are excellent in adhesion, and the conductive titanium carbide is used as a low-resistance separator. Become.

特許第3904690号公報Japanese Patent No. 3904690 特許第3904696号公報Japanese Patent No. 3904696 特開2007−207718号公報JP 2007-207718 A 特許第4147925号公報Japanese Patent No. 4147925 特開2008−204876号公報JP 2008-204876 A 特許第4886885号公報Japanese Patent No. 4886885

ここで、セパレータの中でも特に燃料電池の水素極(燃料極、負極)側に配されるセパレータは、高温の水素ガス(H)雰囲気に曝されるため、このようなセパレータに適用された金属材料が水素を吸収して機械特性が劣化(脆化)するという問題がある。そして、特にチタンやチタン合金は比較的水素を吸収し易く、機械特性が劣化(脆化)するという問題が発生し易い。
しかしながら、特許文献1〜6に記載されたセパレータは、炭素膜が非晶質かグラファイトかにかかわらず水素に対する遮蔽性が不十分であり、また、特許文献6に記載されたセパレータの中間層も水素に対する遮蔽性について、改善の余地がある状態であった。
Here, among the separators, the separator disposed on the hydrogen electrode (fuel electrode, negative electrode) side of the fuel cell in particular is exposed to a high-temperature hydrogen gas (H 2 ) atmosphere, so the metal applied to such a separator. There is a problem that the material absorbs hydrogen and the mechanical properties deteriorate (brittle). In particular, titanium and titanium alloys are relatively easy to absorb hydrogen, and a problem that mechanical properties deteriorate (brittle) tends to occur.
However, the separators described in Patent Documents 1 to 6 have insufficient shielding properties against hydrogen regardless of whether the carbon film is amorphous or graphite, and the intermediate layer of the separator described in Patent Document 6 is also included. There was room for improvement in shielding properties against hydrogen.

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、耐食性に優れ軽量なチタン基材に、低コストである炭素層が密着性よく形成されるとともに、導電性の維持に加えて、耐水素吸収性に優れることにより燃料電池の水素極側に配されるセパレータとして用いることができる燃料電池セパレータおよ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 a low-cost carbon layer is formed with good adhesion on a lightweight titanium substrate having excellent corrosion resistance. In addition to maintaining conductivity, hydrogen resistance It is an object of the present invention to provide a fuel cell separator that can be used as a separator disposed on the hydrogen electrode side of a fuel cell due to its excellent absorbability and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、特許文献6と同様にチタン基材と炭素層との間に形成した中間層について、鋭意研究した結果、チタン酸化物が耐水素吸収性を有する点に着目することで、中間層を炭化チタンを含有する層とチタン酸化物の層との2層構造とすることに想到し、導電性の維持と耐水素吸収性の向上とを両立させる中間層の構造を見出した。   As a result of earnest research on the intermediate layer formed between the titanium base material and the carbon layer in the same manner as in Patent Document 6, the present inventors focused on the point that the titanium oxide has hydrogen absorption resistance. The inventors have conceived that the intermediate layer has a two-layer structure of a titanium carbide-containing layer and a titanium oxide layer, and have found an intermediate layer structure that achieves both maintenance of conductivity and improvement of hydrogen absorption resistance.

すなわち、本発明に係る燃料電池セパレータは、チタンまたはチタン合金からなる基材と、前記基材の表面を被覆する導電性の炭素層と、を備えるとともに、前記基材と前記炭素層との界面に中間層が形成されている燃料電池セパレータであって、前記中間層は2層構造となっており、前記炭素層側がチタン酸化物の層、前記基材側が炭化チタンを含む層であり、前記基材上に前記中間層が形成されている部分において、前記チタン酸化物の層の厚さは、1〜40nmであるとともに、当該中間層全体の厚さの50%以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池セパレータは、前記炭素層がグラファイトであることが好ましい。
That is, the fuel cell separator according to the present invention includes a base material made of titanium or a titanium alloy, and a conductive carbon layer covering the surface of the base material, and an interface between the base material and the carbon layer. A fuel cell separator in which an intermediate layer is formed, wherein the intermediate layer has a two-layer structure, the carbon layer side is a titanium oxide layer, and the base material side is a layer containing titanium carbide, In the portion where the intermediate layer is formed on the substrate, the thickness of the titanium oxide layer is 1 to 40 nm and is 50% or less of the total thickness of the intermediate layer. To do.
In the fuel cell separator according to the present invention, the carbon layer is preferably graphite.

このように、基材と炭素層との間に、基材と炭素層の両方の成分からなる炭化チタンを含有する中間層が形成されていることで、基材と炭素層とが強固に接合され、基材と炭素層との密着性および基材へのバリア性が得られる。さらに、中間層がチタン酸化物の層と炭化チタンを含む層の2層構造となっていることにより、導電性の維持に加えて耐水素吸収性を向上させることができ、基材が水素脆化し難く耐久性に優れた燃料電池セパレータとなる。
さらに、炭素層が結晶性のグラファイトであることにより、いっそう導電性が向上し、かつ当該導電性が燃料電池の内部環境でも長期に維持される燃料電池セパレータとなる。
In this way, the intermediate layer containing titanium carbide composed of both the base material and the carbon layer is formed between the base material and the carbon layer, so that the base material and the carbon layer are firmly bonded. Thus, adhesion between the substrate and the carbon layer and barrier properties to the substrate are obtained. Furthermore, since the intermediate layer has a two-layer structure of a titanium oxide layer and a layer containing titanium carbide, the hydrogen absorption resistance can be improved in addition to maintaining the conductivity, and the base material is hydrogen-brittle. It becomes a fuel cell separator that is difficult to be converted and has excellent durability.
Further, since the carbon layer is crystalline graphite, the conductivity is further improved, and the fuel cell separator can be maintained for a long time even in the internal environment of the fuel cell.

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記燃料電池セパレータの製造方法であって、前記基材上に前記炭素層を形成する工程と、前記炭素層が形成された前記基材を非酸化雰囲気中で300〜850℃の温度で熱処理する工程と、前記非酸化雰囲気中で熱処理した前記基材を酸化雰囲気中で200〜550℃の温度で熱処理する工程と、を含むことを特徴とする。   The method for producing a fuel cell separator according to the present invention is a method for producing the fuel cell separator, comprising: forming the carbon layer on the substrate; and deoxidizing the substrate on which the carbon layer is formed. A step of heat-treating at a temperature of 300 to 850 ° C. in an atmosphere; and a step of heat-treating the base material heat-treated in the non-oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 550 ° C. in an oxidizing atmosphere. .

このように、炭素層が形成された基材に対し、2種類の条件の熱処理を施すことにより、所定の構造の中間層を備える燃料電池セパレータを製造することができる。   In this way, a fuel cell separator having an intermediate layer having a predetermined structure can be manufactured by subjecting the base material on which the carbon layer is formed to heat treatment under two kinds of conditions.

本発明に係る燃料電池セパレータによれば、耐食性に優れ軽量なチタン基材に、低コストである炭素層が密着性よく形成されるとともに、導電性の維持に加えて、耐水素吸収性に優れる。その結果、本発明に係る燃料電池セパレータは、燃料電気の水素極側に配されるセパレータとして用いることができる。
また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法によれば、所定の構造の中間層を備える燃料電池セパレータを製造することができる。その結果、当該製造方法で製造した燃料電池セパレータは、導電性の維持に加えて、耐水素吸収性に優れることから、燃料電気の水素極側に配されるセパレータとして用いることができる。
According to the fuel cell separator of the present invention, a low-cost carbon layer is formed with good adhesion on a lightweight titanium substrate having excellent corrosion resistance, and in addition to maintaining conductivity, it also has excellent hydrogen absorption resistance. . As a result, the fuel cell separator according to the present invention can be used as a separator disposed on the hydrogen electrode side of fuel electricity.
Further, according to the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention, a fuel cell separator including an intermediate layer having a predetermined structure can be manufactured. As a result, the fuel cell separator manufactured by the manufacturing method is excellent in hydrogen absorption resistance in addition to maintaining conductivity, and can be used as a separator disposed on the hydrogen electrode side of fuel electricity.

本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの積層構造を説明する模式図であって、拡大断面図である。It is a schematic diagram explaining the laminated structure of the fuel cell separator which concerns on one Embodiment of this invention, Comprising: It is an expanded sectional view. 接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the measuring method of contact resistance. 燃料電池セパレータの中間層のTEM観察像であって、(a)は試験体No.1のTEM観察像、(b)は試験体No.4のTEM観察像である。It is a TEM observation image of the intermediate | middle layer of a fuel cell separator, (a) is test body No.2. No. 1 TEM observation image, (b) is the specimen No. 4 is a TEM observation image of No. 4; 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工程を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the process of the manufacturing method of the fuel cell separator which concerns on one Embodiment of this invention.

〔燃料電池セパレータ〕
本発明に係る燃料電池セパレータについて、図1を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータ10は、一般的な燃料電池(固体高分子型燃料電池)に使用される板状のセパレータであり、水素や酸素等の流路となる溝が形成される(図示省略)。
なお、ここで、燃料電池セパレータ10とは、溝が形成される前の燃料電池用のセパレータ材(板材)や、溝が形成された後の燃料電池用のセパレータを含むものである。
[Fuel cell separator]
The fuel cell separator according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
A fuel cell separator 10 according to an embodiment of the present invention is a plate-like separator used for a general fuel cell (solid polymer fuel cell), and has a groove serving as a flow path for hydrogen, oxygen, or the like. (Not shown).
Here, the fuel cell separator 10 includes a fuel cell separator material (plate material) before the grooves are formed, and a fuel cell separator after the grooves are formed.

図1に示すように、燃料電池セパレータ10は、チタン(純チタン)またはチタン合金からなる基材1と、燃料電池セパレータ10の表面に設けられた炭素層2と、基材1と炭素層2との間に形成された中間層3と、を備えている。そして、当該中間層3は炭素層2側がチタン酸化物の層32(以下、適宜、チタン酸化物層という)であり、基材1側が炭化チタンを含む層31(以下、適宜、炭化チタン層という)である2層構造となって構成される。ここで、燃料電池セパレータ10の表面とは、片側の表面であってもよいし、両側の表面であってもよいし、燃料電池に使用された際に、当該燃料電池の内部の雰囲気に曝される領域(端面を含む)であってもよい。
以下、燃料電池セパレータを構成する各要素について詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the fuel cell separator 10 includes a base material 1 made of titanium (pure titanium) or a titanium alloy, a carbon layer 2 provided on the surface of the fuel cell separator 10, and a base material 1 and a carbon layer 2. And an intermediate layer 3 formed therebetween. In the intermediate layer 3, the carbon layer 2 side is a titanium oxide layer 32 (hereinafter, appropriately referred to as a titanium oxide layer), and the base material 1 side is a layer 31 containing titanium carbide (hereinafter, appropriately referred to as a titanium carbide layer). ). Here, the surface of the fuel cell separator 10 may be a surface on one side or surfaces on both sides, and when used in a fuel cell, it is exposed to the atmosphere inside the fuel cell. It may be a region (including an end face).
Hereafter, each element which comprises a fuel cell separator is demonstrated in detail.

(基材)
基材1は、燃料電池セパレータ10の基材であり、形状については特に限定されず、例えば、板状等である。そして、基材1は、薄肉化および燃料電池セパレータ10の軽量化に特に好適で、また燃料電池セパレータ10が燃料電池に使用された際に、当該燃料電池の内部の酸性雰囲気に対して十分な耐酸性を有するチタン(純チタン)またはチタン合金で形成される。例えばJIS H 4600に規定される1〜4種の純チタンや、Ti−Al,Ti−Ta,Ti−6Al−4V,Ti−Pd等のチタン合金を適用でき、中でも薄型化に特に好適な純チタンが好ましい。特に、チタン素材(母材)の冷間圧延のし易さ(中間焼鈍なしで総圧下率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く、例えばJIS 1種の冷間圧延板を使用することができる。ただし、本発明において適用できる純チタンまたはチタン合金としては、これらに限定されることはなく、他の金属元素等を含有してなる前記した純チタン相当またはチタン合金相当の組成を有するものであれば、好適に用いることができる。なお、以下、本明細書において、成分や元素としてのチタンおよび炭素は、それぞれ「Ti」、「C」と表記する。
(Base material)
The base material 1 is a base material of the fuel cell separator 10, and the shape is not particularly limited, and is, for example, a plate shape. The base material 1 is particularly suitable for thinning and reducing the weight of the fuel cell separator 10, and when the fuel cell separator 10 is used for a fuel cell, it is sufficient for the acidic atmosphere inside the fuel cell. It is made of acid-resistant titanium (pure titanium) or a titanium alloy. For example, one to four kinds of pure titanium specified in JIS H 4600 and titanium alloys such as Ti-Al, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, and Ti-Pd can be applied. Titanium is preferred. In particular, from the viewpoint of ease of cold rolling of a titanium material (base material) (cold rolling with a total rolling reduction of 35% or more can be performed without intermediate annealing) and subsequent press formability securing, 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 consisting of Ti and inevitable impurities is preferable. For example, a JIS type 1 cold rolled sheet can be used. However, the pure titanium or titanium alloy that can be applied in the present invention is not limited to these, and has any composition equivalent to the above-mentioned pure titanium or titanium alloy containing other metal elements. Can be suitably used. Hereinafter, in the present specification, titanium and carbon as components and elements are represented as “Ti” and “C”, respectively.

基材1の厚さ(板厚)は特に限定されないが、燃料電池セパレータ10の基材1としては、0.05〜1.0mmであることが好ましい。基材1の厚さをこのような範囲とすれば、燃料電池セパレータ10の軽量化・薄型化の要求を満足し、板材としての強度やハンドリング性を備え、かつ、かかる厚さの板材に形成(圧延)することが容易であり、さらに炭素層2を形成した後に、溝の形成等の加工が比較的容易となるからである。   Although the thickness (plate thickness) of the base material 1 is not particularly limited, the base material 1 of the fuel cell separator 10 is preferably 0.05 to 1.0 mm. If the thickness of the base material 1 is in such a range, the fuel cell separator 10 satisfies the requirements for weight reduction and thickness reduction, has strength and handling properties as a plate material, and is formed on the plate material having such a thickness. This is because (rolling) is easy, and after forming the carbon layer 2, processing such as formation of grooves becomes relatively easy.

基材1の製造方法の一例としては、前記したチタンまたはチタン合金を公知の方法で鋳造、熱間圧延し、必要に応じて間に焼鈍・酸洗処理等を行って、冷間圧延にて所望の厚さまで圧延して、板(条)材として製造するという方法がある。なお、基材1は冷間圧延後に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、前記焼鈍後に酸洗処理されていてもよく、あるいは真空熱処理仕上げ、光輝焼鈍仕上げ等のいずれの仕上げ状態であってもよい。   As an example of the manufacturing method of the base material 1, the above-described titanium or titanium alloy is cast and hot-rolled by a known method, and if necessary, annealing / pickling treatment is performed between them, and cold rolling is performed. There is a method of rolling to a desired thickness and manufacturing it as a plate (strip) material. In addition, although it is preferable that the base material 1 is annealed after cold rolling, the finish state is not ask | required, For example, it may be pickled after the said annealing, or vacuum heat treatment finishing, bright annealing finishing, etc. Any finish state may be used.

(炭素層)
炭素層2は、基材1を被覆するように燃料電池セパレータ10の表面に設けられ、当該燃料電池セパレータ10に腐食環境下での導電性を付与する。炭素層2は、耐食性を有する炭素(C)で形成され、導電性を有するものであればその構造は特に限定されないが、六方晶系のグラファイト構造を有する、詳しくはグラフェンシートが層状に多数積み重なった六角板状結晶であることが好ましい。結晶性のグラファイトは導電性に優れ、高温、酸性雰囲気の燃料電池の内部環境における耐久性に優れるため、前記導電性を維持することができる。このようなグラファイトからなる炭素層2は、粒状または粉状に成形された黒鉛(グラファイト)やカーボンブラックのような炭素粉を基材に付着させて(塗布して)圧着することで形成できる(後記の燃料電池セパレータの製造方法にて詳細に説明する)。この他に、炭素層2は、いわゆる炭のように、微小なグラファイト構造と立方晶系のダイヤモンド構造とが混在した非晶質(無定形)構造であってもよい。
(Carbon layer)
The carbon layer 2 is provided on the surface of the fuel cell separator 10 so as to cover the substrate 1, and imparts conductivity to the fuel cell separator 10 in a corrosive environment. The structure of the carbon layer 2 is not particularly limited as long as it is formed of carbon (C) having corrosion resistance and has conductivity, but has a hexagonal graphite structure. Specifically, a large number of graphene sheets are stacked in layers. It is preferably a hexagonal plate crystal. Crystalline graphite is excellent in conductivity and excellent in durability in the internal environment of the fuel cell in a high temperature and acidic atmosphere, so that the conductivity can be maintained. Such a carbon layer 2 made of graphite can be formed by adhering (coating) a carbon powder such as graphite (graphite) or carbon black formed into a granular or powder form to a substrate (compression bonding) ( This will be described in detail in the fuel cell separator manufacturing method described later). In addition, the carbon layer 2 may have an amorphous (amorphous) structure in which a fine graphite structure and a cubic diamond structure are mixed, such as so-called charcoal.

燃料電池セパレータ10は、燃料電池の内部の雰囲気に曝される全表面(両側の面、端面を含む)において、炭素層2が被覆する面積率が高いほど導電性が向上する。したがって、炭素層2は、前記全表面を被覆していることがもっとも好ましいが、40%以上に形成されていればよく、50%以上に形成されていることが好ましい。本発明に係る燃料電池セパレータ10においては、前記した通り、基材1は腐食環境下で不働態皮膜を形成するため、基材1自体が耐食性および耐水素吸収性を有するので露出していても腐食したり脆化することはない。したがって、炭素層2は完全に連続した膜とする必要はなく、前記したように粒状または粉状に成形された炭素粉を基材1に圧着することで形成できる。このような方法で形成されることで、炭素層2は生産性よく十分な厚さに形成され、黒鉛やカーボンブラックによって優れた導電性が得られる。   The fuel cell separator 10 has a higher conductivity on the entire surface (including both side surfaces and end surfaces) exposed to the atmosphere inside the fuel cell, as the area ratio covered by the carbon layer 2 is higher. Therefore, it is most preferable that the carbon layer 2 covers the entire surface, but the carbon layer 2 may be formed to be 40% or more, and preferably 50% or more. In the fuel cell separator 10 according to the present invention, as described above, since the base material 1 forms a passive film under a corrosive environment, the base material 1 itself has corrosion resistance and hydrogen resistance absorption, so that it is exposed. There is no corrosion or embrittlement. Therefore, the carbon layer 2 does not need to be a completely continuous film, and can be formed by press-bonding the carbon powder formed into a granular or powder form to the substrate 1 as described above. By being formed by such a method, the carbon layer 2 is formed to a sufficient thickness with high productivity, and excellent conductivity can be obtained by graphite or carbon black.

炭素層2の厚さ(膜厚)は特に限定されないが、極端に薄いと導電性が十分に得られない。また、このような薄い膜は、形成時の面積あたりの炭素粉の量すなわち個数が少ないために炭素層2が隙間の多い膜となってバリア性が十分に得られず、基材1の表面に微細に露出する領域が多くなり、当該領域に不働態皮膜が形成されるため、燃料電池セパレータ10の導電性がさらに劣化する。炭素層2が燃料電池セパレータ10に十分な導電性を付与するためには、炭素の付着量に換算して2μg/cm2以上であることが好ましく、5μg/cm2以上がさらに好ましい。一方、炭素層2の炭素の付着量が1mg/cm2を超えても導電性がさらには向上せず、また、多量の炭素粉を圧着して炭素層2を形成することが困難であり、さらに炭素層2が極端に厚膜化されると基材1との熱膨張率の差により後記の熱処理等で剥離し易くなることから、炭素の付着量は1mg/cm2以下であることが好ましい。炭素層2の厚さおよび炭素の付着量は、当該炭素層2の形成における基材1への炭素粉の塗布量で制御できる。 The thickness (film thickness) of the carbon layer 2 is not particularly limited, but if it is extremely thin, sufficient conductivity cannot be obtained. Further, such a thin film has a small amount of carbon powder per area at the time of formation, that is, the number of carbon powders, so that the carbon layer 2 becomes a film with many gaps and a sufficient barrier property cannot be obtained. The area that is finely exposed increases, and a passive film is formed in the area, so that the conductivity of the fuel cell separator 10 is further deteriorated. In order for the carbon layer 2 to impart sufficient conductivity to the fuel cell separator 10, it is preferably 2 μg / cm 2 or more, more preferably 5 μg / cm 2 or more in terms of the amount of carbon attached. On the other hand, even if the carbon adhesion amount of the carbon layer 2 exceeds 1 mg / cm 2 , the conductivity is not further improved, and it is difficult to press-bond a large amount of carbon powder to form the carbon layer 2, Furthermore, if the carbon layer 2 is made extremely thick, it becomes easy to peel off by a heat treatment or the like described later due to the difference in thermal expansion coefficient with the base material 1, so that the carbon adhesion amount may be 1 mg / cm 2 or less. preferable. The thickness of the carbon layer 2 and the amount of carbon attached can be controlled by the amount of carbon powder applied to the substrate 1 in the formation of the carbon layer 2.

(中間層)
中間層3は、基材1上に炭素層2を形成した後に、当該炭素層2と基材1との界面でC,Tiが互いに拡散することで形成された層である。そして、当該中間層3は、炭素層2側がチタン酸化物層32であり、基材1側が炭化チタン層31である2層構造となって構成される。
中間層3の炭化チタン層31においては、前記のTi,Cの少なくとも一部が炭化チタン(チタンカーバイド、TiC)として存在する。このように、中間層3の炭化チタン層31において、炭素層2のCと基材のTiが反応して炭化チタンが生成していることで、中間層3を介して炭素層2と基材1とが強固に接合され、また炭化チタンを含有することで導電性を有する中間層3により、炭素層2と基材1が電気的に低抵抗で接続する。
(Middle layer)
The intermediate layer 3 is a layer formed by diffusing C and Ti at the interface between the carbon layer 2 and the substrate 1 after forming the carbon layer 2 on the substrate 1. The intermediate layer 3 has a two-layer structure in which the carbon layer 2 side is the titanium oxide layer 32 and the base material 1 side is the titanium carbide layer 31.
In the titanium carbide layer 31 of the intermediate layer 3, at least part of the Ti and C is present as titanium carbide (titanium carbide, TiC). Thus, in the titanium carbide layer 31 of the intermediate layer 3, C of the carbon layer 2 and Ti of the base material react to form titanium carbide, so that the carbon layer 2 and the base material are interposed via the intermediate layer 3. The carbon layer 2 and the base material 1 are electrically connected with low resistance by the intermediate layer 3 that is firmly bonded to 1 and contains titanium carbide.

中間層3の成分がTi、Cのみでは水素に対する十分な遮蔽性が得られず、浸入した水素を基材1(Ti母材)が吸収して脆化してしまう。よって、このような状況を回避すべく、中間層3は、炭化チタン層31の炭素層2側にチタン酸化物層32を形成して2層構造となっている。つまり、中間層3としてチタン酸化物層32を設けることにより、耐水素吸着性が向上し、基材1が水素脆化し難くなっている。
2層の中間層3のうちのチタン酸化物層32は、厚さが厚くなるにしたがい、導電性が低下して、燃料電池セパレータ10として十分な導電性が得られなくなる。よって、チタン酸化物層32は、厚さが1〜40nmで且つ中間層3全体の厚さの50%以下が好ましく、厚さが2〜35nmで且つ中間層3全体の厚さの40%以下がより好ましく、厚さが3〜30nmで且つ中間層3全体の厚さの30%以下がさらに好ましい。
このような中間層3は、基材1上に炭素層2を形成した後に、非酸化雰囲気で熱処理を行い、次いで酸化雰囲気(例えば大気雰囲気)にて熱処理することで形成される(後記の燃料電池セパレータの製造方法にて詳細に説明する)。
If the components of the intermediate layer 3 are only Ti and C, sufficient shielding properties against hydrogen cannot be obtained, and the base material 1 (Ti base material) absorbs the infiltrated hydrogen and becomes brittle. Therefore, in order to avoid such a situation, the intermediate layer 3 has a two-layer structure by forming the titanium oxide layer 32 on the carbon layer 2 side of the titanium carbide layer 31. That is, by providing the titanium oxide layer 32 as the intermediate layer 3, the hydrogen adsorption resistance is improved, and the base material 1 is difficult to be hydrogen embrittled.
As the thickness of the titanium oxide layer 32 of the two intermediate layers 3 increases, the conductivity decreases, and sufficient conductivity as the fuel cell separator 10 cannot be obtained. Therefore, the titanium oxide layer 32 has a thickness of 1 to 40 nm and preferably 50% or less of the total thickness of the intermediate layer 3, and has a thickness of 2 to 35 nm and 40% or less of the total thickness of the intermediate layer 3. More preferably, the thickness is 3 to 30 nm, and 30% or less of the total thickness of the intermediate layer 3 is more preferable.
Such an intermediate layer 3 is formed by forming a carbon layer 2 on a substrate 1 and then performing a heat treatment in a non-oxidizing atmosphere and then performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere (for example, an air atmosphere) (the fuel described later) This will be described in detail in the battery separator manufacturing method).

前記したように基材1に炭素粉を圧着して炭素層2を形成した場合、この時点では、炭素層2は硬質な基材1に押し付けられたことによって付着しているに過ぎず、基材1との密着性が不十分であり、また、基材1の仕上げ状態(酸洗の有無)にかかわらず、基材1の表面すなわち炭素層2との界面に不働態皮膜(酸化膜)が存在する。この状態で非酸化雰囲気において熱処理が施されると、基材1表面の不働態皮膜の厚さが薄くなって最終的には消失し得る。これは、不働態皮膜(TiO)中の酸素(O)が、基材1の母材(Ti)中に内方拡散したり、炭素層2のCと反応して二酸化炭素(CO)として放出されることによると推測される。そして、炭素層2が基材1の母材(Ti)に接触した状態になると、その接触した界面で、熱処理によりC,Tiが互いに拡散して反応するようになり、炭化チタンが生成される。このように、炭素層2の形成後に非酸化雰囲気での熱処理を行うことにより形成された中間層3は、炭化チタン(TiC)が粒状に生成し、一例としては基材1と炭素層2との界面に沿って連なって、1個または複数個分の層に形成される。
次に、酸化雰囲気(例えば大気雰囲気)にて熱処理を行うと、中間層3の炭素層2側が若干酸化され、中間層3がチタン酸化物層32と炭化チタン層31との2層構造となる。
As described above, when the carbon layer 2 is formed by pressure bonding the carbon powder to the base material 1, at this point, the carbon layer 2 is only attached by being pressed against the hard base material 1, Adhesiveness with the material 1 is insufficient, and a passive film (oxide film) is formed on the surface of the base material 1, that is, the interface with the carbon layer 2, regardless of the finished state of the base material 1 (with or without pickling). Exists. If heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere in this state, the thickness of the passive film on the surface of the substrate 1 becomes thin and may eventually disappear. This is because oxygen (O) in the passive film (TiO 2 ) diffuses inward into the base material (Ti) of the base material 1 or reacts with C in the carbon layer 2 to generate carbon dioxide (CO 2 ). It is estimated that it is released as When the carbon layer 2 is in contact with the base material (Ti) of the base material 1, C and Ti are diffused and react with each other by heat treatment at the contacted interface, and titanium carbide is generated. . Thus, in the intermediate layer 3 formed by performing the heat treatment in the non-oxidizing atmosphere after the formation of the carbon layer 2, titanium carbide (TiC) is generated in a granular form. As an example, the base layer 1, the carbon layer 2, Are formed in one or a plurality of layers.
Next, when heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere (for example, air atmosphere), the carbon layer 2 side of the intermediate layer 3 is slightly oxidized, and the intermediate layer 3 has a two-layer structure of a titanium oxide layer 32 and a titanium carbide layer 31. .

基材1と炭素層2との間にこのような2層の中間層3が形成され、チタン酸化物層32の厚さが1〜40nmで、且つ中間層3全体の厚さの50%以下であると、基材1、中間層3、炭素層2の積層体として低い接触抵抗が得られる。さらに、中間層3が形成されることで、当該中間層3を介して基材1と炭素層2とが強固に接合されるが、中間層3のうちのチタン酸化物層32の厚さが40nm以下で、且つ中間層3全体の厚さの50%以下である場合は基材1と炭素層2との密着性への悪影響が小さい。その結果、燃料電池セパレータ10は、当該燃料電池セパレータ10の成形時、あるいは燃料電池に使用された際に、炭素層2の剥離等が起こりにくい。さらに、燃料電池セパレータ10は、中間層3のうちのチタン酸化物層32が水素浸入のバリアとなって作用することにより、燃料電池内部の水素ガス雰囲気が浸入して基材1表面に接触する虞がないので、基材1(母材)に水素が吸収されることがなく、耐久性が向上する。   Two such intermediate layers 3 are formed between the substrate 1 and the carbon layer 2, the thickness of the titanium oxide layer 32 is 1 to 40 nm, and 50% or less of the total thickness of the intermediate layer 3. If it is, low contact resistance is obtained as a laminated body of the base material 1, the intermediate | middle layer 3, and the carbon layer 2. FIG. Furthermore, although the intermediate layer 3 is formed, the base material 1 and the carbon layer 2 are firmly bonded via the intermediate layer 3, and the thickness of the titanium oxide layer 32 in the intermediate layer 3 is When the thickness is 40 nm or less and 50% or less of the total thickness of the intermediate layer 3, the adverse effect on the adhesion between the substrate 1 and the carbon layer 2 is small. As a result, the fuel cell separator 10 is unlikely to peel off the carbon layer 2 when the fuel cell separator 10 is molded or used in a fuel cell. Furthermore, in the fuel cell separator 10, the titanium oxide layer 32 in the intermediate layer 3 acts as a hydrogen intrusion barrier, so that the hydrogen gas atmosphere inside the fuel cell enters and contacts the surface of the substrate 1. Since there is no fear, hydrogen is not absorbed by the base material 1 (base material), and durability is improved.

中間層3は、基材1と炭素層2との間(界面)のすべてに形成されていることがもっとも好ましいが、当該界面の50%以上に形成されていれば基材1と炭素層2との密着性が十分に得られる。また、中間層3の厚さは特に限定されないが、10nm以上であれば基材1と炭素層2との密着性が十分に得られて好ましい。一方、中間層3の厚さが500nmを超えても、基材1と炭素層2との密着性がさらに向上することはなく、また熱処理時間が長くなって生産性が低下するため、500nm以下が好ましく、200nm以下がさらに好ましい。
なお、中間層3の厚さは、後記の非酸化雰囲気における熱処理工程S2の熱処理温度および熱処理時間により制御できる。
また、チタン酸化物層32の厚さ、および、チタン酸化物層32の中間層3全体の厚さに対する割合は、後記の酸化雰囲気における熱処理工程S3の雰囲気中酸素分圧、熱処理温度および熱処理時間により制御できる。
The intermediate layer 3 is most preferably formed at all (interface) between the substrate 1 and the carbon layer 2, but if formed at 50% or more of the interface, the substrate 1 and the carbon layer 2. Adhesion with is sufficiently obtained. Further, the thickness of the intermediate layer 3 is not particularly limited, but if it is 10 nm or more, the adhesion between the substrate 1 and the carbon layer 2 is sufficiently obtained, which is preferable. On the other hand, even if the thickness of the intermediate layer 3 exceeds 500 nm, the adhesion between the base material 1 and the carbon layer 2 is not further improved, and the heat treatment time becomes longer and the productivity is lowered. Is preferable, and 200 nm or less is more preferable.
The thickness of the intermediate layer 3 can be controlled by the heat treatment temperature and the heat treatment time in the heat treatment step S2 in the non-oxidizing atmosphere described later.
Further, the thickness of the titanium oxide layer 32 and the ratio of the titanium oxide layer 32 to the entire thickness of the intermediate layer 3 are the oxygen partial pressure, the heat treatment temperature, and the heat treatment time in the heat treatment step S3 in the oxidizing atmosphere described later. Can be controlled.

中間層3のチタン酸化物層32の厚さの測定方法、および、中間層3全体の厚さに対する割合の算出方法は次のとおりである。
まず、燃料電池セパレータ10の断面をイオンビーム加工装置等により加工し観察面を露出させる。そして、この観察面のうち、基材1と炭素層2との界面近傍を、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)にて倍率75万倍で観察しながら、エネルギー分散型X線分析(EDX:Energy dispersive X-ray spectrometry)および電子線回折を行う。そして、それぞれの層の任意の3点(3点以上でもよい)について、EDX分析および電子線回折分析を行ってチタン酸化物層32か、または炭化チタン層31かの判定を行うとともに、TEM観察像よりチタン酸化物層32の厚さを測定し、中間層3全体の厚さに対するチタン酸化物層32の厚さの比率(=チタン酸化物層32の厚さ/中間層3全体の厚さ×100)を算出した。
なお、そもそも、基材1上に中間層3が形成されていない部分については、前記測定・算出の対象としていない。つまり、前記チタン酸化物層32の厚さとは、詳細には、基材1上に中間層3が存在する部分におけるチタン酸化物層32の平均厚さであり、前記チタン酸化物層32の中間層3全体の厚さに対する割合とは、詳細には、基材1上に中間層3が存在する部分におけるチタン酸化物層32の中間層3全体の厚さに対する平均割合である。
The method for measuring the thickness of the titanium oxide layer 32 of the intermediate layer 3 and the method for calculating the ratio to the thickness of the entire intermediate layer 3 are as follows.
First, the cross section of the fuel cell separator 10 is processed by an ion beam processing apparatus or the like to expose the observation surface. And while observing the interface vicinity of the base material 1 and the carbon layer 2 among this observation surface with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope) at a magnification of 750,000 times, for example, energy dispersive X-rays Analysis (EDX: Energy dispersive X-ray spectrometry) and electron diffraction. Then, EDX analysis and electron diffraction analysis are performed on any three points (or three or more points) of each layer to determine whether it is the titanium oxide layer 32 or the titanium carbide layer 31, and TEM observation is performed. The thickness of the titanium oxide layer 32 is measured from the image, and the ratio of the thickness of the titanium oxide layer 32 to the total thickness of the intermediate layer 3 (= thickness of the titanium oxide layer 32 / the total thickness of the intermediate layer 3). × 100) was calculated.
In the first place, the portion where the intermediate layer 3 is not formed on the base material 1 is not subject to the measurement / calculation. That is, the thickness of the titanium oxide layer 32 is specifically the average thickness of the titanium oxide layer 32 in the portion where the intermediate layer 3 is present on the base material 1, and the intermediate thickness of the titanium oxide layer 32. Specifically, the ratio to the thickness of the entire layer 3 is an average ratio of the titanium oxide layer 32 to the entire thickness of the intermediate layer 3 in the portion where the intermediate layer 3 exists on the substrate 1.

〔燃料電池セパレータの製造方法〕
次に、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法の一例を説明する。
図4に示すように、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層を形成する炭素層形成工程S1と、非酸化雰囲気中で熱処理する熱処理工程S2と、酸化雰囲気中で熱処理する熱処理工程S3と、を含むことを特徴とする。
[Method for producing fuel cell separator]
Next, an example of the manufacturing method of the fuel cell separator according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 4, the fuel cell separator manufacturing method according to the present invention includes a carbon layer forming step S1 for forming a carbon layer, a heat treatment step S2 for heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, and a heat treatment for heat treatment in an oxidizing atmosphere. Step S3 is included.

(基材製造工程)
基材製造工程では、前記した通り、公知の方法でチタンまたはチタン合金からなる所望の厚さの冷間圧延板(条材)を製造し、コイルに巻き取り、基材1とする。さらに必要に応じて、冷間圧延板を焼鈍したり、フッ酸と硝酸の混合溶液等で酸洗してもよい。
(Substrate manufacturing process)
In the base material manufacturing process, as described above, a cold-rolled sheet (strip material) having a desired thickness made of titanium or a titanium alloy is manufactured by a known method, wound around a coil, and used as the base material 1. Further, if necessary, the cold rolled sheet may be annealed or pickled with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid.

(炭素層形成工程)
炭素層形成工程S1では、基材1の表面(片面または両面)に、炭素層2を形成するための炭素粉を付着させる。付着方法は特に限定されないが、炭素粉を直接に基材に付着させたり、炭素粉をカルボキシメチルセルロース等の水溶液や樹脂成分を含有する塗料中に分散させたスラリーを、基材1に塗布すればよい。あるいは、炭素粉と樹脂とを混練して作製した炭素粉含有フィルムを基材1に貼り付けたり、ショットブラストにより炭素粉を基材1表面に打ち込んで、基材1に担持させたり、炭素粉末と樹脂粉末とを混合して、コールドスプレー法によって基材1に付着させる方法等が挙げられる。また、スラリーを塗布した場合等、溶媒を使用した場合は、ブロー等にて乾燥させてから後続の圧着を行うことが好ましい。
(Carbon layer formation process)
In carbon layer formation process S1, the carbon powder for forming the carbon layer 2 is made to adhere to the surface (one side or both sides) of the base material 1. FIG. The attachment method is not particularly limited, but if carbon powder is directly attached to the substrate, or a slurry in which carbon powder is dispersed in an aqueous solution such as carboxymethyl cellulose or a resin component is applied to the substrate 1. Good. Alternatively, a carbon powder-containing film prepared by kneading carbon powder and a resin is attached to the base material 1, the carbon powder is driven onto the surface of the base material 1 by shot blasting, and supported on the base material 1. And a method in which resin powder is mixed and adhered to the substrate 1 by a cold spray method. Further, when a solvent is used such as when slurry is applied, it is preferable to perform subsequent pressure bonding after drying by blowing or the like.

炭素層2を形成するための炭素粉は、粉径または粒径(直径)が0.5〜100μmの範囲のものが好ましい。粒径が大き過ぎると、基材1に付着させ難く、さらに圧延による基材1への圧着においても付着し難い。反対に粒径が小さ過ぎると、圧延による基材1への圧着において炭素粉が基材1に押し付けられる力が弱くなるため、基材1に付着し難くなる。   The carbon powder for forming the carbon layer 2 preferably has a powder diameter or particle diameter (diameter) in the range of 0.5 to 100 μm. If the particle size is too large, it is difficult to adhere to the base material 1, and it is also difficult to adhere to the base material 1 by rolling. On the other hand, if the particle size is too small, the force with which the carbon powder is pressed against the base material 1 in the press-bonding to the base material 1 by rolling becomes weak, so that it is difficult to adhere to the base material 1.

炭素層形成工程S1では、炭素粉を付着させた基材1に、さらに冷間圧延を行うことにより、炭素粉を基材1に圧着(以下、適宜、圧延圧着という)させ、炭素粉同士を接合させて膜状の炭素層2とする。このときの冷間圧延は、基材1を製造したときの通常の冷間圧延と同様に圧延機にて行うことができるが、炭素粉が潤滑剤と同様の効果を有するので、圧延ロールには潤滑油を塗布しなくてよい。この圧延圧着における総圧延率(圧延圧着前の基材1+炭素層(付着した炭素粉)の合計厚さに対する圧延圧着による変化率)は0.1%以上とすることが好ましい。かかる圧延圧着により、軟質の炭素粉が変形して炭素粉同士が接合されて膜状の炭素層2を形成して、基材1に付着する。総圧延率の上限は特に規定せず、基材製造工程完了時の基材1の厚さに対して所望の厚さとなるように調整すればよい。ただし、基材1については総圧延率が過大になると反りやうねりを生じるため、基材1の総圧延率(圧延圧着前の基材1の板厚に対する圧延圧着による基材1の板厚変化率)が50%以下とすることが好ましい。   In the carbon layer forming step S1, the base material 1 to which the carbon powder is attached is further cold-rolled to cause the carbon powder to be pressure-bonded to the base material 1 (hereinafter, appropriately referred to as rolling pressure bonding). The film-like carbon layer 2 is formed by bonding. Cold rolling at this time can be performed by a rolling mill in the same manner as normal cold rolling when the base material 1 is manufactured. However, since carbon powder has the same effect as a lubricant, Does not need to be lubricated. The total rolling rate in this rolling and pressing (the rate of change due to rolling and pressing with respect to the total thickness of the base material 1 + the carbon layer (adhered carbon powder) before rolling and pressing) is preferably 0.1% or more. By such rolling and pressure bonding, the soft carbon powder is deformed, and the carbon powders are joined together to form a film-like carbon layer 2 and adhere to the substrate 1. The upper limit of the total rolling rate is not particularly defined, and may be adjusted so as to be a desired thickness with respect to the thickness of the substrate 1 at the completion of the substrate manufacturing process. However, since warping and undulation occur when the total rolling rate is excessive for the base material 1, the total rolling rate of the base material 1 (the plate thickness change of the base material 1 due to the rolling pressure bonding with respect to the thickness of the base material 1 before the rolling pressure bonding) Rate) is preferably 50% or less.

このように、炭素層2は炭素粉を圧着して形成されることで、軟質な炭素粉同士では接合して一体の膜になるが、硬質な基材1へは押し付けられたことによって付着しているので、炭素層2の形成直後においては基材1への密着性が不十分である。また、前記した通り、基材1の表面すなわち炭素層2との界面には不働態皮膜が形成されているために、全体として接触抵抗が高い。そこで、次の熱処理により、基材1表面の不働態皮膜を消失させ、さらに炭素層2との間に中間層3を形成させる。   Thus, the carbon layer 2 is formed by press-bonding the carbon powder, so that the soft carbon powders are joined together to form an integral film, but the carbon layer 2 is attached to the hard base material 1 by being pressed. Therefore, the adhesion to the substrate 1 is insufficient immediately after the formation of the carbon layer 2. Further, as described above, since the passive film is formed on the surface of the base material 1, that is, the interface with the carbon layer 2, the contact resistance as a whole is high. Therefore, the passive film on the surface of the substrate 1 is eliminated by the following heat treatment, and the intermediate layer 3 is formed between the carbon layer 2 and the intermediate layer 3.

(熱処理工程:非酸化雰囲気)
熱処理工程S2では、炭素層2を形成した基材1に、まず非酸化雰囲気で熱処理を施すことにより、基材1の不働態皮膜を薄くして少なくとも一部を消失させて、基材1の母材(Ti)に炭素層2が接触するようにし、さらに接触した界面に炭化チタンを生成させて中間層3を形成させる。熱処理温度は300〜850℃の範囲が好ましい。熱処理温度が低過ぎると、基材1と炭素層2の界面でのTiとCの反応が進行しないために中間層3が形成されず、反対に温度が高いほど、反応速度は速くなるので熱処理時間を短縮することができる。ただし、熱処理温度が高過ぎるとTiの相変態が起こるため、基材1の機械特性が変化する虞がある。なお、熱処理時間は0.5〜60分間の範囲で、熱処理温度に応じて設定すればよい。
この熱処理工程S2は真空中やArガス雰囲気等の非酸化雰囲気下において前記温度範囲で行うことが好ましい。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、たとえば真空度が10Pa以下、すなわち酸素分圧が2Pa以下の真空雰囲気、または、酸素濃度が100体積ppm以下の不活性ガス雰囲気(たとえばArガスまたは窒素ガス雰囲気)であることが好ましい。酸素分圧が高いと、炭素層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からである。
(Heat treatment process: non-oxidizing atmosphere)
In the heat treatment step S2, the base material 1 on which the carbon layer 2 is formed is first subjected to a heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, so that the passive film of the base material 1 is thinned and at least a part thereof disappears. The carbon layer 2 is brought into contact with the base material (Ti), and titanium carbide is generated at the contacted interface to form the intermediate layer 3. The heat treatment temperature is preferably in the range of 300 to 850 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the reaction between Ti and C at the interface between the base material 1 and the carbon layer 2 does not proceed, so that the intermediate layer 3 is not formed. Time can be shortened. However, if the heat treatment temperature is too high, a phase transformation of Ti occurs, and the mechanical properties of the substrate 1 may change. The heat treatment time may be set in the range of 0.5 to 60 minutes according to the heat treatment temperature.
This heat treatment step S2 is preferably performed in the above temperature range in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere such as an Ar gas atmosphere. The non-oxidizing atmosphere in the heat treatment is an atmosphere having a low oxygen partial pressure, for example, a vacuum atmosphere having a degree of vacuum of 10 Pa or less, that is, an oxygen partial pressure of 2 Pa or less, or an inert gas atmosphere having an oxygen concentration of 100 volume ppm or less ( For example, an Ar gas or nitrogen gas atmosphere is preferable. If the oxygen partial pressure is high, the carbon in the carbon layer reacts with oxygen in the atmosphere, resulting in carbon dioxide (causing a combustion reaction), reducing the amount of carbon that improves conductivity and corrosion resistance. Because it will end up. Moreover, since metal powder and the base-material surface will be oxidized simultaneously, there exists a possibility that electroconductivity may fall.

(熱処理工程:酸化雰囲気)
熱処理工程S3では、基材1と炭素層2の界面に炭化チタンを含む中間層3を形成させた後、酸素が存在する酸化雰囲気にて熱処理を行い、中間層3のうちの炭素層2側にチタン酸化物層32を形成させる。
このときの熱処理温度は200〜550℃の範囲が好ましい。熱処理温度が低すぎると、チタン酸化物層32が形成されず、熱処理温度が高すぎると酸化の進行が早すぎて中間層3全体がチタン酸化物層32となり導電性が低下するとともに、炭素層2が酸化して二酸化炭素となってしまうため好ましくない。熱処理時間は5秒から10分の範囲で、熱処理温度に応じて適宜設定すればよい。
この2回目の熱処理工程は酸素が存在する酸化雰囲気下において前記温度範囲で行うことが好ましい。熱処理における酸化雰囲気とは、たとえば酸素分圧が20Pa以上の雰囲気(たとえば真空雰囲気または酸素含有雰囲気)であることが好ましい。より簡便に、大気雰囲気で熱処理をしてもよい。
酸化雰囲気での熱処理においては、雰囲気中の酸素濃度が高い場合には酸化の進行速度を下げるために熱処理温度を低温に調整する、一方、雰囲気中の酸素濃度が低い場合には熱処理温度を高温に調整するなど、酸素濃度によって処理温度や時間を適宜調整する。
(Heat treatment process: oxidizing atmosphere)
In the heat treatment step S3, an intermediate layer 3 containing titanium carbide is formed at the interface between the base material 1 and the carbon layer 2, and then heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere in which oxygen is present. Then, a titanium oxide layer 32 is formed.
The heat treatment temperature at this time is preferably in the range of 200 to 550 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the titanium oxide layer 32 is not formed. If the heat treatment temperature is too high, the oxidation proceeds too quickly, and the entire intermediate layer 3 becomes the titanium oxide layer 32, resulting in a decrease in conductivity and the carbon layer. Since 2 is oxidized to carbon dioxide, it is not preferable. The heat treatment time may be appropriately set in accordance with the heat treatment temperature in the range of 5 seconds to 10 minutes.
This second heat treatment step is preferably performed in the above temperature range in an oxidizing atmosphere containing oxygen. The oxidizing atmosphere in the heat treatment is preferably an atmosphere having an oxygen partial pressure of 20 Pa or more (for example, a vacuum atmosphere or an oxygen-containing atmosphere). More simply, the heat treatment may be performed in an air atmosphere.
In the heat treatment in an oxidizing atmosphere, when the oxygen concentration in the atmosphere is high, the heat treatment temperature is adjusted to a low temperature in order to reduce the rate of progress of oxidation, while when the oxygen concentration in the atmosphere is low, the heat treatment temperature is increased. The treatment temperature and time are appropriately adjusted depending on the oxygen concentration.

熱処理工程S2、S3の熱処理には、前記範囲の所望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。また、連続式の熱処理炉であれば、炭素層2を形成した基材1をコイル状の条材のままで熱処理を行うことができる。一方、バッチ式の熱処理炉を用いる場合は、炉内に収容可能な長さに、あるいは、所定の形状に切断してから熱処理を行えばよい。   Any heat treatment furnace such as an electric furnace or a gas furnace can be used for the heat treatment in the heat treatment steps S2 and S3 as long as the heat treatment can be performed at a desired heat treatment temperature within the above range and the atmosphere can be adjusted. be able to. Moreover, if it is a continuous heat processing furnace, the base material 1 in which the carbon layer 2 was formed can be heat-processed with a coil-shaped strip. On the other hand, when a batch-type heat treatment furnace is used, the heat treatment may be performed after cutting into a length that can be accommodated in the furnace or into a predetermined shape.

(成形工程)
成形工程では、さらに炭素層2および中間層3を形成した基材1を、切断、プレス加工等により、所望の形状に成形する。なお、成形工程は熱処理工程前に行うこともできる。すなわち中間層3が形成される前であっても、加工等により炭素層2が剥離しない程度に基材1に密着していればよい。また、圧延圧着に代えて、基材1のプレス加工と同時に炭素粉を圧着して炭素層2を形成させてもよい。
(Molding process)
In the forming step, the base material 1 on which the carbon layer 2 and the intermediate layer 3 are further formed is formed into a desired shape by cutting, pressing or the like. In addition, a shaping | molding process can also be performed before a heat treatment process. That is, even before the intermediate layer 3 is formed, it is sufficient that the carbon layer 2 is in close contact with the base material 1 so as not to be peeled off by processing or the like. Moreover, it may replace with rolling crimping | compression-bonding, and carbon powder may be crimped | bonded simultaneously with the press work of the base material 1, and the carbon layer 2 may be formed.

本発明に係る燃料電池セパレータは、前記製造方法に限られず、例えば化学気相成長(CVD)法やスパッタリング法等で、基材1上に、積層順に、すなわち中間層3(炭化チタン層31、チタン酸化物層32)、炭素層2の順に連続的に成膜して製造してもよい。炭化チタン層31は、炭化チタンをターゲットとし、直流電源もしくはRF電源を用いたスパッタリング法により成膜することができる。また、チタン酸化物層32は、酸化チタンをターゲットとし、RF電源を用いたスパッタリング法により成膜することができる。その後、引き続いて雰囲気や印加電圧等を切り換えて、炭素層2をプラズマCVD法などにより成膜する。なお、CVD法で成膜した炭素層2は、通常、非晶質膜となる。
なお、このような製造方法では、中間層3を形成するための熱処理(非酸化雰囲気での熱処理)が不要となるので、基材1は、中間層3の成膜前のイオンビーム照射等により、あるいはさらに予め酸洗して、表面の不働態皮膜を除去すればよい。
The fuel cell separator according to the present invention is not limited to the manufacturing method described above. For example, the chemical vapor deposition (CVD) method, the sputtering method, or the like is used to form the intermediate layer 3 (titanium carbide layer 31, The titanium oxide layer 32) and the carbon layer 2 may be successively formed in order. The titanium carbide layer 31 can be formed by sputtering using a direct current power source or an RF power source with titanium carbide as a target. The titanium oxide layer 32 can be formed by sputtering using an RF power source with titanium oxide as a target. Subsequently, the atmosphere and applied voltage are switched, and the carbon layer 2 is formed by a plasma CVD method or the like. The carbon layer 2 formed by the CVD method is usually an amorphous film.
In addition, in such a manufacturing method, the heat treatment (heat treatment in a non-oxidizing atmosphere) for forming the intermediate layer 3 is not necessary, so that the substrate 1 is irradiated by ion beam irradiation before the formation of the intermediate layer 3 or the like. Alternatively, the surface may be pickled to remove the passive film on the surface.

以上、本発明に係る燃料電池セパレータについて、本発明を実施するための形態について説明したが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と比較して説明する。なお、本発明はこの実施例および前記形態に限定されるものではなく、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。   As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated about the fuel cell separator which concerns on this invention, the Example which confirmed the effect of this invention is compared with the comparative example which does not satisfy | fill the requirements of this invention below. I will explain. In addition, this invention is not limited to this Example and the said form, It cannot be overemphasized that what was variously changed and modified based on these description is also contained in the meaning of this invention.

〔試験材の作製〕
基材材料としてJIS 1種、化学組成が、O:450ppm、Fe:250ppm、N:40ppm、C:200ppm、H:30ppm、残部がTiおよび不可避的不純物の純チタンを使用し、公知の溶解、鋳造、熱間圧延、冷間圧延を施して、板厚0.1mmの条材を作製し、50mm×150mmに切り出して基材とした。
[Production of test materials]
JIS 1 type as the base material, chemical composition: O: 450 ppm, Fe: 250 ppm, N: 40 ppm, C: 200 ppm, H: 30 ppm, the balance is Ti and unavoidable impurities pure titanium, Casting, hot rolling, and cold rolling were performed to produce a strip having a thickness of 0.1 mm, which was cut into 50 mm × 150 mm and used as a substrate.

炭素粉として、平均粒径7μm、純度99.9%の膨張化黒鉛粉(SECカーボン社製、SNE−6G)を用い、この黒鉛粉を、0.8質量%カルボキシメチルセルロース水溶液中に8質量%となるように分散させてスラリーを作製した。そして、このスラリーを10番の番手のバーコーターを用いて前記の基材(冷間圧延仕上げ純チタン材)の両面に各200μg/cm2(乾燥後換算)塗布し、自然乾燥させた。そして、基材を、ワークロール径200mmの2段圧延機を用い、潤滑油を塗布していない圧延ロールにて、荷重2.5トンでロールプレスし、1パスで圧下率(=総圧延率)1.0%の冷間圧延を施して炭素層を形成した。 As the carbon powder, expanded graphite powder having an average particle size of 7 μm and a purity of 99.9% (manufactured by SEC Carbon Co., SNE-6G) was used, and the graphite powder was added in an amount of 8% by mass in a 0.8% by mass carboxymethylcellulose aqueous solution. A slurry was prepared by dispersing so as to be. Then, the slurry above the 200 [mu] g / cm 2 (after drying basis) on both sides of the substrate (cold rolled finish pure titanium material) was applied using a bar coater No. 10 count, then air dried. Then, the base material was roll-pressed with a load of 2.5 tons using a two-stage rolling mill with a work roll diameter of 200 mm and a lubricant was not applied, and the rolling reduction (= total rolling ratio) in one pass. ) A carbon layer was formed by cold rolling of 1.0%.

炭素層を形成した基材に、6.7×10−3Paの真空雰囲気下にて700℃で2分間保持して熱処理を行った。そして、基材の温度が100℃以下になるまで炉冷した後、炉内を大気開放して基材を取り出した。次に、真空熱処理を行った基材を大気雰囲気にて各種条件で熱処理を行い、試験材とした。 The base material on which the carbon layer was formed was heat-treated by being held at 700 ° C. for 2 minutes in a vacuum atmosphere of 6.7 × 10 −3 Pa. Then, after the furnace was cooled until the temperature of the substrate became 100 ° C. or lower, the inside of the furnace was opened to the atmosphere, and the substrate was taken out. Next, the base material subjected to the vacuum heat treatment was heat-treated under various conditions in an air atmosphere to obtain a test material.

(基材−炭素層間の構造観察)
燃料電池セパレータの試験材を切り出して、断面をイオンビーム加工装置(日立集束イオンビーム加工観察装置、FB−2100)で加工して観察面とした。この観察面について、基材と炭素層との界面近傍を、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope、日立電界放出形分析電子顕微鏡、HF−2200)にて倍率75万倍で観察しながら、エネルギー分散型X線分析(EDX:Energy dispersive X-ray spectrometry)および電子線回折を行った。
詳しくは、試験材断面において、チタン単体からなる領域を基材、炭素単体からなる領域を炭素層として、これらの間に存在する中間層の層構造を観察した。そして、それぞれの層の任意の3点について、EDX分析および電子線回折分析を行ってチタン酸化物層か、または炭化チタン層かの判定を行うとともに、TEM観察像よりチタン酸化物層の厚さを測定し、中間層全体の厚さに対するチタン酸化物層の厚さの比率を算出した。
なお、前記チタン酸化物層の測定は、中間層が形成されている部分のみを測定対象とした。
(Structure observation between substrate and carbon layer)
A test material for the fuel cell separator was cut out, and the cross section was processed with an ion beam processing apparatus (Hitachi focused ion beam processing observation apparatus, FB-2100) to obtain an observation surface. While observing the vicinity of the interface between the substrate and the carbon layer with a transmission electron microscope (TEM: Transmission Electron Microscope, Hitachi Field Emission Analysis Electron Microscope, HF-2200) at a magnification of 750,000 times, Energy dispersive X-ray analysis (EDX) and electron diffraction were performed.
Specifically, in the cross section of the test material, the layer structure of the intermediate layer existing between these was observed with the region made of titanium alone as the base material and the region made of carbon alone as the carbon layer. And about arbitrary 3 points | pieces of each layer, while performing an EDX analysis and an electron beam diffraction analysis, it is judged whether it is a titanium oxide layer or a titanium carbide layer, and thickness of a titanium oxide layer from a TEM observation image Was measured, and the ratio of the thickness of the titanium oxide layer to the thickness of the entire intermediate layer was calculated.
The titanium oxide layer was measured only for the portion where the intermediate layer was formed.

〔評価〕
(接触抵抗の評価)
試験材の接触抵抗を、図2に示す接触抵抗測定装置を用いて測定した。試験材を両面から2枚のカーボンクロスで挟み、さらにその外側を接触面積1cmの銅電極で荷重98N(10kgf)に加圧し、直流電流電源を用いて7.4mAの電流を通電し、両カーボンクロス間に印加される電圧を電圧計で測定して抵抗値を算出した。得られた抵抗値を初期特性の接触抵抗として表1に示す。導電性の合格基準は、接触抵抗が8mΩ・cm以下とした。
[Evaluation]
(Evaluation of contact resistance)
The contact resistance of the test material was measured using a contact resistance measuring device shown in FIG. The test material is sandwiched between two carbon cloths from both sides, and the outside is pressurized to a load of 98 N (10 kgf) with a copper electrode with a contact area of 1 cm 2 , and a current of 7.4 mA is applied using a DC current power source. The resistance value was calculated by measuring the voltage applied between the carbon cloths with a voltmeter. The obtained resistance values are shown in Table 1 as the initial contact resistance. The electrical conductivity acceptance criterion was a contact resistance of 8 mΩ · cm 2 or less.

(耐久性の評価)
試験材を、80℃に加熱した硫酸水溶液(10mmol/L)に比液量20ml/cmで浸漬して、飽和カロメル電極(SCE)を基準として+0.60Vの電位を100時間印加することにより、耐食試験を行った。耐食試験後に洗浄、乾燥した試験材について、前記の浸漬前の試験材と同じ方法で接触抵抗を測定し、得られた抵抗値を耐久試験後の接触抵抗として表1に示す。耐久性の合格基準は、耐食試験後の接触抵抗が15mΩ・cm以下とした。
(Durability evaluation)
By immersing the test material in an aqueous sulfuric acid solution (10 mmol / L) heated to 80 ° C. at a specific liquid volume of 20 ml / cm 2 and applying a potential of +0.60 V with respect to the saturated calomel electrode (SCE) for 100 hours. A corrosion resistance test was conducted. For the test material washed and dried after the corrosion resistance test, the contact resistance was measured by the same method as the test material before immersion, and the obtained resistance value is shown in Table 1 as the contact resistance after the durability test. The acceptance criterion for durability was a contact resistance of 15 mΩ · cm 2 or less after the corrosion resistance test.

(耐水素吸収性の評価)
試験材を20mm×50mmに切り出し、水および0.3MPa(3atm)の水素ガス(H)を封入した密閉容器の気相部に収容し、これを150℃で加熱することにより、湿度約100%に加湿した純水素(純度99.9%)雰囲気とし、この雰囲気中で500時間曝露して水素ガス曝露試験を行った。試験後、取り出した試験材を黒鉛るつぼに入れ、不活性ガス(Ar)気流中でスズと共に黒鉛抵抗加熱方式によって融解加熱することによりガスを抽出した。試験材から抽出したガスを分離カラムに通して、水素(H)を他のガスから分離して熱伝導度検出器に搬送し、水素による熱伝導度の変化を測定する(不活性ガス融解−ガスクロマトグラフ法)ことにより、試験材中の平均水素(H)濃度(ppm)を測定した。試験材の平均H濃度を表1に記載する。チタン材においては、H濃度が150ppmを超えると機械特性が劣化する虞があるとされていることから、耐水素吸収性の合格基準は平均H濃度が150ppm以下とした。
(Evaluation of hydrogen absorption resistance)
The test material is cut into 20 mm × 50 mm, accommodated in a gas phase part of an airtight container filled with water and 0.3 MPa (3 atm) hydrogen gas (H 2 ), and heated at 150 ° C. A hydrogen gas exposure test was performed by exposing to an atmosphere of pure hydrogen (purity 99.9%) humidified to 1% and exposing in this atmosphere for 500 hours. After the test, the taken-out test material was put into a graphite crucible, and gas was extracted by melting and heating with tin in a gas flow of inert gas (Ar) together with tin. The gas extracted from the test material is passed through a separation column, hydrogen (H 2 ) is separated from other gases and transported to a thermal conductivity detector, and the change in thermal conductivity due to hydrogen is measured (inert gas melting). - by gas chromatography) to determine the average hydrogen in the test material (H 2) concentration (ppm). Table 1 shows the average H 2 concentration of the test material. In the titanium material, when the H 2 concentration exceeds 150 ppm, there is a possibility that the mechanical properties may be deteriorated. Therefore, the pass criterion for hydrogen absorption resistance is set to an average H 2 concentration of 150 ppm or less.

真空熱処理後に行った大気雰囲気での熱処理条件、中間層およびチタン酸化物層の構成、導電性と耐久性評価結果、耐水素吸収性評価結果を表1にまとめた。
試験体No.1は導電性と耐久性(導電性の維持)が良好なものの、中間層にチタン酸化物層がないため耐水素吸収性が不合格であった。
一方、試験体No.8は大気雰囲気での熱処理温度が高かったため、チタン酸化物層の厚さが本特許の規定範囲を超えてしまった。その結果、導電性と耐久性(導電性の維持)が不良となり、燃料電池セパレータ用材料としては好ましくないことがわかった。
Table 1 summarizes the heat treatment conditions in the air atmosphere performed after the vacuum heat treatment, the structure of the intermediate layer and the titanium oxide layer, the conductivity and durability evaluation results, and the hydrogen absorption resistance evaluation results.
Specimen No. Although No. 1 had good conductivity and durability (maintenance of conductivity), the hydrogen absorption resistance was rejected because the intermediate layer had no titanium oxide layer.
On the other hand, the specimen No. In No. 8, since the heat treatment temperature in the air atmosphere was high, the thickness of the titanium oxide layer exceeded the specified range of this patent. As a result, it was found that the conductivity and durability (maintenance of conductivity) were poor, which is not preferable as a fuel cell separator material.

なお、基材−炭素層間の構造観察(TEM観察)の結果を図3に示す。図3の(a)は、試験体No.1の観察像であり、図3の(b)は、試験体No.4の観察像である。
図3(a)と(b)とを比較すると明らかなように、試験体No.4には、チタン酸化物層32が形成されていることがわかる。
In addition, the result of the structure observation (TEM observation) between a base material and carbon layers is shown in FIG. (A) of FIG. 1 is an observed image, and FIG. 4 is an observation image.
As is clear when FIG. 3 (a) and FIG. 4 shows that the titanium oxide layer 32 is formed.

1 基材
2 炭素層
3 中間層
10 燃料電池セパレータ(セパレータ)
31 炭化チタンを含む層(炭化チタン層)
32 チタン酸化物の層(チタン酸化物層)
S1 炭素層形成工程
S2 熱処理工程(熱処理工程:非酸化雰囲気)
S3 熱処理工程(熱処理工程:酸化雰囲気)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Carbon layer 3 Intermediate | middle layer 10 Fuel cell separator (separator)
31 Layer containing titanium carbide (titanium carbide layer)
32 Titanium oxide layer (titanium oxide layer)
S1 Carbon layer formation step S2 Heat treatment step (heat treatment step: non-oxidizing atmosphere)
S3 Heat treatment process (heat treatment process: oxidizing atmosphere)

Claims (3)

チタンまたはチタン合金からなる基材と、前記基材の表面を被覆する導電性の炭素層と、を備えるとともに、前記基材と前記炭素層との界面に中間層が形成されている燃料電池セパレータであって、
前記中間層は2層構造となっており、前記炭素層側がチタン酸化物の層、前記基材側が炭化チタンを含む層であり、
前記基材上に前記中間層が形成されている部分において、前記チタン酸化物の層の厚さは、1〜40nmであるとともに、当該中間層全体の厚さの50%以下であることを特徴とする燃料電池セパレータ。
A fuel cell separator comprising: a base material made of titanium or a titanium alloy; and a conductive carbon layer covering a surface of the base material, and an intermediate layer formed at an interface between the base material and the carbon layer Because
The intermediate layer has a two-layer structure, the carbon layer side is a layer of titanium oxide, and the base material side is a layer containing titanium carbide,
In the portion where the intermediate layer is formed on the base material, the thickness of the titanium oxide layer is 1 to 40 nm and 50% or less of the total thickness of the intermediate layer. A fuel cell separator.
前記炭素層は、グラファイトであ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 the carbon layer is graphite. 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であって、
前記基材上に前記炭素層を形成する工程と、
前記炭素層が形成された前記基材を非酸化雰囲気中で300〜850℃の温度で熱処理する工程と、
前記非酸化雰囲気中で熱処理した前記基材を酸化雰囲気中で200〜550℃の温度で熱処理する工程と、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 according to claim 1 or 2,
Forming the carbon layer on the substrate;
Heat-treating the base material on which the carbon layer is formed at a temperature of 300 to 850 ° C. in a non-oxidizing atmosphere;
And a step of heat-treating the substrate heat-treated in the non-oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 550 ° C. in an oxidizing atmosphere.
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