JP5968857B2 - Method for producing titanium fuel cell separator - Google Patents

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Description

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

水素等の燃料と酸素等の酸化剤を供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる燃料電池は、乾電池等の一次電池や鉛蓄電池等の二次電池とは異なり、発電効率が高くシステム規模の大小にあまり影響されず、また騒音や振動も少ない。そのため、燃料電池は、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. It is not significantly affected by the size of the system, and there is little noise and vibration. Therefore, the fuel cell is expected as an energy source covering various uses 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とカソード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 polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and a groove serving as a gas (hydrogen, oxygen, etc.) channel is formed. A plurality of the single cells are overlapped via a 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、さらに前記の低接触抵抗(導電性)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。   Since the separator is also a part for taking out the current generated in the fuel cell to the outside, a material having a low contact resistance (which means that a voltage drop occurs due to an interface phenomenon between the electrode and the separator surface). Applied. In addition, the separator is required to have high corrosion resistance because the inside of the fuel cell is an acidic atmosphere having a pH of about 2 to 4, and the low contact resistance (conductivity) is maintained for a long time during use in this acidic atmosphere. The characteristic that

これらの要求を満足するために、基材として金属材料を用いたセパレータが指向され、以下のような提案がされている。   In order to satisfy these requirements, a separator using a metal material as a base material is directed and the following proposals have been made.

例えば、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、これに耐食性と導電性を兼ね備えた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提案されている。
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。
For example, a metal material such as aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, etc. that can be thinned and has excellent workability and high strength is used as a base material, and Au, Pt, etc. that have both corrosion resistance and conductivity. A separator that has been coated with a noble metal to impart corrosion resistance and conductivity has been proposed.
However, these noble metal materials are very expensive and therefore expensive.

ここで、導電性と耐久性、および低コストの要求を満足する材料としてカーボンが注目されており、セパレータへのカーボンの適用が検討されている。具体的には、基材自身の酸化皮膜の表面に、気相成膜法により中間層および炭素薄膜を形成する方法(特許文献1)、基材表面に、半金属元素等からなる部分と炭素等からなる部分とから構成される表面処理層を気相成膜法により形成する方法(特許文献2)、チタンやステンレス鋼等の金属材料からなる基材に、カーボン粒子を付着させたセパレータ(例えば特許文献3〜6)が検討されている。   Here, carbon is attracting attention as a material that satisfies the requirements of conductivity, durability, and low cost, and application of carbon to a separator is being studied. Specifically, a method of forming an intermediate layer and a carbon thin film on the surface of the oxide film of the substrate itself by a vapor deposition method (Patent Document 1), a portion made of a metalloid element and carbon on the substrate surface (Patent Document 2), a separator in which carbon particles are attached to a base material made of a metal material such as titanium or stainless steel (Patent Document 2) For example, Patent Documents 3 to 6) have been studied.

特許第4147925号公報Japanese Patent No. 4147925 特開2004−14208号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-14208 特許第3904690号公報Japanese Patent No. 3904690 特許第3904696号公報Japanese Patent No. 3904696 特許第4886885号公報Japanese Patent No. 4886885 特許第5108986号公報Japanese Patent No. 5108986

特許文献1、2に開示された技術は、気相成膜により金属基材上に導電性薄膜を形成するというものであるが、薄膜形成後に基材にガス流路を形成させるためのプレス成形を行うと、薄膜が基材より剥離する可能性が高い。よって、導電性薄膜の形成は、プレス成形後に真空下にて1枚ずつ行う必要があり、生産性が悪いという欠点がある。
一方、特許文献3〜6に開示された技術は、カーボン粒子やカーボン層がプレス成形に耐える可能性はあるが、プレス成形後のハンドリング(セパレータをセルに組み込む作業等)において、カーボン粒子が脱落したりカーボン層が剥離したりする虞がある。その結果、局所的に基材が露出し、導電性が低下してしまう可能性がある。
The techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 form a conductive thin film on a metal substrate by vapor deposition, but press forming for forming a gas flow path on the substrate after the thin film is formed. When performing, there is a high possibility that the thin film will peel off from the substrate. Therefore, it is necessary to form the conductive thin film one by one under a vacuum after press molding, and there is a disadvantage that productivity is poor.
On the other hand, the techniques disclosed in Patent Documents 3 to 6 have the possibility that the carbon particles and the carbon layer can withstand the press molding, but the carbon particles fall off during handling after the press molding (such as the operation of incorporating the separator into the cell). Or the carbon layer may peel off. As a result, the base material may be locally exposed and the conductivity may be lowered.

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)が基材表面に良好に被覆することにより、プレス成形後のハンドリング(セパレータをセルに組み込む作業等)の際における炭素系導電層の剥離の可能性が抑えられ、セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性を長時間維持できるチタン製燃料電池セパレータの製造方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said problem, The subject is the handling after press molding, when a carbon-type conductive layer (a carbon layer, a conductive resin layer) coat | covers the base-material surface favorably. A method for producing a titanium fuel cell separator capable of maintaining high conductivity for a long time even in a high temperature / acid atmosphere inside the cell while suppressing the possibility of peeling of the carbon-based conductive layer during the operation of incorporating the separator into the cell, etc. Is to provide.

発明者らは、鋭意検討を行った結果、炭素層形成工程、導電性樹脂層形成工程の後に、プレス成形工程を行う、または、炭素層形成工程、プレス成形工程の後に、導電性樹脂層形成工程を行うことにより、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)の剥離の可能性を低下させることができ、かつ、高い導電性を長時間維持できることを見出し、本発明を創出するに至った。   As a result of intensive studies, the inventors performed a press molding step after the carbon layer forming step and the conductive resin layer forming step, or formed a conductive resin layer after the carbon layer forming step and the press molding step. By performing the process, the possibility of peeling of the carbon-based conductive layer (carbon layer, conductive resin layer) during handling after press molding can be reduced, and high conductivity can be maintained for a long time. The headline and the present invention were created.

前記課題を解決するために、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、前記導電性樹脂層形成工程の後、前記炭素層および前記導電性樹脂層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention includes a carbon layer forming step of forming a carbon layer containing graphite on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy, and the carbon layer. After the forming step, a conductive resin layer forming step of forming a conductive resin layer containing carbon powder and resin on the base material on which the carbon layer has been formed; and after the conductive resin layer forming step, the carbon Press forming the base material on which the layer and the conductive resin layer are formed to form a gas flow path.

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程、導電性樹脂層形成工程の後に、プレス成形工程を行うことから、導電性樹脂層がプレス成形時における保護層の役割を果たすため、プレス成形時に炭素層の剥離・脱落を回避することができる。そして、基材に形成された炭素層と導電性樹脂層との2層が、導電性および耐久性(導電耐久性:導電性を長期間維持する性質)を向上させるとともに、導電性樹脂層が、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)の剥離の可能性を低下させる。   Thus, since the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention performs the press molding step after the carbon layer forming step and the conductive resin layer forming step, the conductive resin layer is protected during the press molding. Since it plays the role of a layer, it is possible to avoid peeling and dropping of the carbon layer during press molding. The two layers of the carbon layer and the conductive resin layer formed on the base material improve conductivity and durability (conductivity durability: property of maintaining conductivity for a long time), and the conductive resin layer The possibility of peeling of the carbon-based conductive layer (carbon layer, conductive resin layer) during handling after press molding is reduced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記プレス成形工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。   It is preferable that the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention includes a heat treatment step of heat-treating the base material after the press molding step.

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、プレス成形工程の後に熱処理工程を行うことから、導電性樹脂層の最表面の樹脂を一部分解除去することができるため、導電性樹脂層の樹脂比率が高いことによる接触抵抗の上昇を抑制することがきる。その結果、より接触抵抗が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, since the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention performs the heat treatment step after the press molding step, the resin on the outermost surface of the conductive resin layer can be partially decomposed and removed. The increase in contact resistance due to the high resin ratio of the conductive resin layer can be suppressed. As a result, a titanium fuel cell separator with a further reduced contact resistance can be produced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素層形成工程と前記導電性樹脂層形成工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。   The method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention preferably includes a heat treatment step of heat-treating the substrate in a non-oxidizing atmosphere between the carbon layer forming step and the conductive resin layer forming step. .

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程と導電性樹脂層形成工程との間に熱処理工程を含むことから、基材と炭素層との間にチタンカーバイドを含む中間層を形成することができる。その結果、基材と炭素層との密着性が向上するとともに、炭素層および導電性樹脂層の剥離の可能性が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, since the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention includes the heat treatment step between the carbon layer forming step and the conductive resin layer forming step, titanium is interposed between the base material and the carbon layer. An intermediate layer containing carbide can be formed. As a result, it is possible to manufacture a titanium fuel cell separator in which the adhesion between the base material and the carbon layer is improved and the possibility of peeling of the carbon layer and the conductive resin layer is reduced.

また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、前記プレス成形工程の後、前記炭素層が形成され前記プレス成形された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、を含むことを特徴とする。   Further, the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention includes a carbon layer forming step of forming a carbon layer containing graphite on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy, and after the carbon layer forming step, Press forming the base material on which the carbon layer is formed to form a gas flow path, and after the press forming step, carbon powder and resin are formed on the base material on which the carbon layer is formed and press formed. And a conductive resin layer forming step of forming a conductive resin layer including:

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、プレス成形工程の後で導電性樹脂層形成工程を行っているが、プレス成形時における基材の変形に対し炭素層が追従し切れなくなり万が一炭素層が割れてしまっても、その後、積層するように導電性樹脂層を形成させることにより、当該層が炭素層の割れ部分を覆って保護することができる。そして、基材に形成された炭素層と導電性樹脂層との2層が、導電性および耐久性(導電耐久性:導電性を長期間維持する性質)を向上させるとともに、導電性樹脂層が、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)の剥離の可能性を低下させる。   As described above, in the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention, the conductive resin layer forming step is performed after the press molding step, and the carbon layer follows the deformation of the base material during the press molding. Even if the carbon layer is broken, it can be protected by covering the cracked portion of the carbon layer by forming a conductive resin layer so as to be laminated thereafter. The two layers of the carbon layer and the conductive resin layer formed on the base material improve conductivity and durability (conductivity durability: property of maintaining conductivity for a long time), and the conductive resin layer The possibility of peeling of the carbon-based conductive layer (carbon layer, conductive resin layer) during handling after press molding is reduced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記導電性樹脂層形成工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。   The titanium fuel cell separator manufacturing method according to the present invention preferably includes a heat treatment step of heat-treating the substrate after the conductive resin layer forming step.

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、導電性樹脂層形成工程の後に熱処理工程を含むことから、導電性樹脂層の最表面の樹脂を一部分解除去することができるため、導電性樹脂層の樹脂比率が高いことによる接触抵抗の上昇を抑制することがきる。その結果、より接触抵抗が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, since the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention includes the heat treatment step after the conductive resin layer forming step, the resin on the outermost surface of the conductive resin layer can be partially decomposed and removed. Therefore, an increase in contact resistance due to a high resin ratio of the conductive resin layer can be suppressed. As a result, a titanium fuel cell separator with a further reduced contact resistance can be produced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素層形成工程と前記プレス成形工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention preferably includes a heat treatment step of heat-treating the base material in a non-oxidizing atmosphere between the carbon layer forming step and the press forming step.

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程とプレス成形工程との間に熱処理工程を含むことから、基材と炭素層との間にチタンカーバイドを含む中間層を形成することができる。その結果、基材と炭素層との密着性が向上するとともに、炭素層および導電性樹脂層の剥離の可能性が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。   Thus, since the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention includes the heat treatment step between the carbon layer forming step and the press molding step, the titanium carbide is included between the base material and the carbon layer. An intermediate layer can be formed. As a result, it is possible to manufacture a titanium fuel cell separator in which the adhesion between the base material and the carbon layer is improved and the possibility of peeling of the carbon layer and the conductive resin layer is reduced.

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素形成工程と、導電性樹脂層形成工程と、プレス成形工程とを所定の順で行うことから、炭素層と導電性樹脂層とが剥離・脱落せずに基材表面に形成されたチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。
したがって、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法によると、プレス成形後のハンドリング(セパレータをセルに組み込む作業等)の際における炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)の剥離の可能性が抑えられ、セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性を長時間維持できるチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。
In the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention, since the carbon forming step, the conductive resin layer forming step, and the press molding step are performed in a predetermined order, the carbon layer and the conductive resin layer are separated. -A titanium fuel cell separator formed on the surface of the substrate without dropping off can be produced.
Therefore, according to the manufacturing method of the titanium fuel cell separator according to the present invention, the carbon-based conductive layer (carbon layer, conductive resin layer) can be peeled off during handling after press molding (operation for incorporating the separator into the cell). Possibility is suppressed, and a titanium fuel cell separator capable of maintaining high conductivity for a long time even in a high temperature / acid atmosphere inside the cell can be manufactured.

なお、セパレータが自動車用途に用いられる場合、走行時の振動などにより、セパレータ表面が接触するカーボンクロスやカーボンペーパーから摩擦を受ける可能性が高い。しかし、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法によると、基材上には炭素層と導電性樹脂層との2層が形成されることから、前記のような摩擦が原因となる炭素系導電層(炭素層、導電性樹脂層)の剥離の可能性も抑制することができる。   In addition, when a separator is used for a motor vehicle use, there is a high possibility of being subjected to friction from a carbon cloth or carbon paper with which the separator surface comes into contact due to vibration during traveling. However, according to the method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention, two layers of a carbon layer and a conductive resin layer are formed on the base material. Possibility of peeling of the system conductive layer (carbon layer, conductive resin layer) can also be suppressed.

(a)および(b)は、本発明の実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法のフローチャートである。(A) And (b) is a flowchart of the manufacturing method of the titanium fuel cell separator which concerns on embodiment of this invention. (a)は、本発明の実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの模式的な断面図であり、(b)は、(a)のX部分におけるチタン製燃料電池セパレータの模式的な断面図である。(A) is typical sectional drawing of the titanium fuel cell separator which concerns on embodiment of this invention, (b) is typical sectional drawing of the titanium fuel cell separator in X part of (a). is there. 本発明の実施例に係る燃料電池セパレータの模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the fuel cell separator which concerns on the Example of this invention. 実施例における導電性、耐久性、耐摩耗性の評価において使用した接触抵抗測定装置の概略図である。It is the schematic of the contact resistance measuring apparatus used in the evaluation of the electroconductivity, durability, and abrasion resistance in an Example.

以下、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ(以下、適宜、セパレータという)およびセパレータの製造方法を実施するための形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, the form for implementing the titanium fuel cell separator (henceforth a separator suitably) and the manufacturing method of a separator concerning the present invention are explained in detail.

≪チタン製燃料電池セパレータ≫
図2(a)に示すように、本実施形態に係るセパレータ10は、表面にガス流路13が形成されていることにより、断面視において凹凸状を呈する。そして、セパレータ10は、ガス拡散層11、11と電解質膜12とが積層して構成されるセル14とセル14との間に設けられる。
詳細には、図2(b)に示すように、本実施形態に係るセパレータ10は、純チタンまたはチタン合金からなる基材1と、基材1の表面(片面または両面)に形成された炭素系導電層2と、を備え、基材1と炭素系導電層2との間に中間層3を備えていてもよい。
なお、図2(b)では、基材1の片面にのみ炭素系導電層2および中間層3が形成されているセパレータ10を表しているが、基材1の両面に炭素系導電層2および中間層3が形成されていてもよい。
以下、セパレータ10の基材1、炭素系導電層2および中間層3について説明する。
≪Titanium fuel cell separator≫
As shown in FIG. 2A, the separator 10 according to the present embodiment has an uneven shape in a cross-sectional view because the gas flow path 13 is formed on the surface. The separator 10 is provided between the cell 14 and the cell 14 configured by stacking the gas diffusion layers 11 and 11 and the electrolyte membrane 12.
Specifically, as shown in FIG. 2B, the separator 10 according to the present embodiment includes a base material 1 made of pure titanium or a titanium alloy, and carbon formed on the surface (one side or both sides) of the base material 1. And an intermediate layer 3 between the substrate 1 and the carbon-based conductive layer 2.
2B shows the separator 10 in which the carbon-based conductive layer 2 and the intermediate layer 3 are formed only on one side of the substrate 1, the carbon-based conductive layer 2 and the both sides of the substrate 1 are shown. An intermediate layer 3 may be formed.
Hereinafter, the substrate 1, the carbon-based conductive layer 2, and the intermediate layer 3 of the separator 10 will be described.

<基材>
本実施形態に係るセパレータの基材は、板材を燃料電池セパレータの形状に成形したものである。そして、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基材を用いるのが好ましく、特に純チタンやチタン合金は、軽量で耐食性に優れ、強度、靭性にも優れていることから非常に好ましい。
<Base material>
The base material of the separator according to this embodiment is obtained by molding a plate material into the shape of a fuel cell separator. It is preferable to use a metal base material from the viewpoint of workability required for forming a groove to be a gas flow path, gas barrier property, conductivity and thermal conductivity, particularly pure titanium or titanium. An alloy is very preferable because it is lightweight, excellent in corrosion resistance, and excellent in strength and toughness.

そして、基材は、従来公知の方法、例えば、純チタンまたはチタン合金を溶解、鋳造して鋳塊とし、熱間圧延した後、冷間圧延するという方法により作製されたものを用いればよい。また、基材は、焼鈍仕上げされていることが好ましいが、その仕上げ状態は問わず、例えば「焼鈍+酸洗仕上げ」、「真空熱処理仕上げ」、「光輝焼鈍仕上げ」等のいずれの仕上げ状態であっても構わない。   The substrate may be prepared 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. Further, the base material is preferably annealed, but the finished state is not limited, and for example, in any finished state such as “annealing + pickling finish”, “vacuum heat treatment finish”, “bright annealing finish”, etc. It does not matter.

なお、基材は、特定の組成の純チタン、チタン合金に限定されるものではないが、純チタン、チタン合金からなる基材を用いる場合は、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、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Ti合金を適用することができる。中でも薄型化に特に好適な純チタンが好ましい。具体的には、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、JIS 1種の冷間圧延板を使用することができる。なお、チタン基材を用いることにより、セパレータの強度や靱性が向上すると共に、軽量であるため、特に自動車用途として使用し易い。   The base material is not limited to pure titanium or titanium alloy having a specific composition, but when a base material made of pure titanium or titanium alloy is used, cold rolling of the titanium material (base material) is performed. From the viewpoint of ease (cold rolling with a total rolling reduction of 35% or more can be performed without intermediate annealing) and securing the press formability after that, for example, 1-4 kinds of pure titanium specified in JIS H 4600, Ti alloys such as Ti-Al, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd can be applied. Among these, pure titanium that is particularly suitable for thinning is preferable. Specifically, 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 being Ti and What consists of an unavoidable impurity is preferable and a JIS 1 type cold-rolled board can be used. In addition, by using a titanium base material, the strength and toughness of the separator are improved, and since it is lightweight, it is particularly easy to use as an automobile.

また、基材の板厚は、0.05〜1.0mmが好ましい。板厚が0.05mm未満では、基材に必要とされる強度を確保することができず、一方、1.0mmを超えると水素や空気を通すガス流路の細かな加工がしにくくなるからである。   The plate thickness of the substrate is preferably 0.05 to 1.0 mm. If the plate thickness is less than 0.05 mm, the strength required for the substrate cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 1.0 mm, it becomes difficult to perform fine processing of the gas flow path through which hydrogen or air passes. It is.

<炭素系導電層>
炭素系導電層は、2層構造を呈する。そして、図2(b)に示すように、炭素系導電層2は、基材1に近い側に形成される炭素層21と、基材2に遠い側に形成される導電性樹脂層22とから構成される。
<Carbon-based conductive layer>
The carbon-based conductive layer has a two-layer structure. And as shown in FIG.2 (b), the carbon-type conductive layer 2 has the carbon layer 21 formed in the side near the base material 1, and the conductive resin layer 22 formed in the side far from the base material 2. Consists of

(炭素層)
炭素層は、黒鉛を含んで構成されるとともに、基材を被覆するように設けられる。そして、炭素層に含まれる黒鉛は、結晶性が高く導電性に優れることから、セパレータに導電性を付与するとともに、燃料電池内部環境(高温、酸性雰囲気)でも導電性を維持する耐久性も付与する。
なお、炭素層に含まれる黒鉛は、好ましくは鱗状黒鉛粉、鱗片状黒鉛粉、膨張化黒鉛粉、及び熱分解黒鉛粉のうちの少なくとも1つを含んで構成される。
(Carbon layer)
The carbon layer includes graphite and is provided so as to cover the base material. And since graphite contained in the carbon layer has high crystallinity and excellent conductivity, it imparts conductivity to the separator and also provides durability to maintain conductivity even in the fuel cell internal environment (high temperature, acidic atmosphere). To do.
The graphite contained in the carbon layer is preferably configured to include at least one of scaly graphite powder, scaly graphite powder, expanded graphite powder, and pyrolytic graphite powder.

そして、炭素層は、後記する導電性樹脂層と異なり、樹脂(バインダ樹脂)を実質的に含まない。ここで、「樹脂を実質的に含まない」とは、炭素層中において、樹脂の固形成分と黒鉛の質量比(炭素層中樹脂固形分質量/炭素層中炭素粉質量)が0.1以下であることを示す。   And a carbon layer does not contain resin (binder resin) substantially unlike the conductive resin layer mentioned later. Here, “substantially free of resin” means that, in the carbon layer, the mass ratio of the solid component of the resin and graphite (the mass of resin solids in the carbon layer / the mass of carbon powder in the carbon layer) is 0.1 or less. Indicates that

炭素層は、基材の表面全体に被覆されていることが好ましいが、必ずしも表面全体が被覆されている必要はなく、導電性と耐食性を確保するために、表面の40%以上に被覆されていればよい。被覆率が40%未満であると導電性が不十分でセパレータとしての要求特性を満たさない。被覆率の好ましい範囲は45%以上で、より好ましくは50%以上である。   The carbon layer is preferably coated on the entire surface of the base material, but the entire surface does not necessarily have to be coated, and is coated on at least 40% of the surface in order to ensure conductivity and corrosion resistance. Just do it. If the coverage is less than 40%, the conductivity is insufficient and the required characteristics as a separator are not satisfied. A preferable range of the coverage is 45% or more, and more preferably 50% or more.

炭素層の付着量は、特に限定されないが、2〜1000μg/cmであることが好ましい。2μg/cm未満では、付着量が少なく導電性と耐食性を確保することができず、1000μg/cmを超えると、導電性と耐食性の効果について飽和するのに加えて、加工性が低下するためである。そして、炭素層の付着量は、より好ましくは5μg/cm以上であり、さらに好ましくは10μg/cm以上である。
なお、炭素層の被覆率および付着量は、後記する黒鉛粉塗布工程において基材に塗布する黒鉛粉の量により制御することができる。
Although the adhesion amount of a carbon layer is not specifically limited, It is preferable that it is 2-1000 microgram / cm < 2 >. If the amount is less than 2 μg / cm 2 , the amount of adhesion is small and the conductivity and corrosion resistance cannot be ensured. If the amount exceeds 1000 μg / cm 2 , the effects of conductivity and corrosion resistance are saturated and workability is reduced. Because. And the adhesion amount of a carbon layer becomes like this. More preferably, it is 5 microgram / cm < 2 > or more, More preferably, it is 10 microgram / cm < 2 > or more.
In addition, the coverage and adhesion amount of the carbon layer can be controlled by the amount of graphite powder applied to the substrate in the graphite powder application step described later.

(導電性樹脂層)
導電性樹脂層は、炭素粉と樹脂とを含んで構成され、導電性と耐摩耗性を併せ持つ保護膜としての働きを持つ。
導電性樹脂層に含まれる炭素粉としては、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。これらの粉末は導電性と耐食性に優れるとともに、安価な材料であるため生産上好都合である。
(Conductive resin layer)
The conductive resin layer includes carbon powder and resin, and functions as a protective film having both conductivity and wear resistance.
The carbon powder contained in the conductive resin layer is preferably carbon black powder, acetylene black powder, graphite powder or a mixed powder thereof. These powders are excellent in conductivity and corrosion resistance, and are inexpensive because they are inexpensive materials.

導電性樹脂層を形成するための樹脂(バインダ樹脂)は、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アルキッド樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂から選択される1つ以上の樹脂である。なお、2つ以上の樹脂を含む場合、樹脂同士が反応したものであってもよいし、単に混合したものであってもよい。ただ、この樹脂は塗料化が可能な樹脂であることが好ましい。さらには、燃料電池内の高温(80〜100℃)、酸性(pH2〜4)雰囲気下でも安定であるウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂より選択するのがより好ましい。   The resin (binder resin) for forming the conductive resin layer is one or more resins selected from acrylic resin, polyester resin, alkyd resin, urethane resin, silicone resin, phenol resin, epoxy resin, and fluororesin. . When two or more resins are included, the resins may react with each other or may simply be mixed. However, this resin is preferably a resin that can be made into a paint. Furthermore, it is more preferable to select from a urethane resin, a silicone resin, a phenol resin, an epoxy resin, or a fluororesin that is stable even in a high temperature (80 to 100 ° C.) and acidic (pH 2 to 4) atmosphere in the fuel cell.

導電性樹脂層は、樹脂と炭素粉とを混合して調製された導電性樹脂塗料を塗布することによって形成されるが、塗料中における樹脂の固形成分と炭素粉の質量比(塗料中樹脂固形分質量/塗料中炭素粉質量)は0.5〜10であることが好ましい。本質量比が0.5未満であると、導電性樹脂層となった際の樹脂成分の比率が小さくなるため、層としての強度が不足し狙いの耐摩耗性が得られない。一方、本質量比が10を超えると導電性樹脂層となった際の炭素粉の比率が小さくなり、層としての電気抵抗が増加するため、セパレータ材の特性上好ましくない。より好ましい本質量比の範囲は0.8〜8である。   The conductive resin layer is formed by applying a conductive resin paint prepared by mixing a resin and carbon powder, but the mass ratio of the solid component of the resin and the carbon powder in the paint (resin solids in the paint). The partial mass / mass of carbon powder in the paint is preferably 0.5-10. If the mass ratio is less than 0.5, the ratio of the resin component when the conductive resin layer is formed becomes small, so that the strength as the layer is insufficient and the intended wear resistance cannot be obtained. On the other hand, if this mass ratio exceeds 10, the ratio of the carbon powder when it becomes a conductive resin layer becomes small and the electrical resistance as a layer increases, which is not preferable in terms of the characteristics of the separator material. A more preferable range of the mass ratio is 0.8 to 8.

導電性樹脂層の厚さは0.1〜20μmが好ましい。導電性樹脂層の厚さが0.1μm未満であると、わずかな摩擦で導電性樹脂層が破れてしまい耐摩耗性が不十分となってしまう。一方、導電性樹脂層の厚さが20μmを超えると、層としての電気抵抗が増加するため、セパレータの特性上好ましくない。より好ましい導電性樹脂層の厚さは0.3〜19μmである。   The thickness of the conductive resin layer is preferably 0.1 to 20 μm. If the thickness of the conductive resin layer is less than 0.1 μm, the conductive resin layer is broken by slight friction, resulting in insufficient wear resistance. On the other hand, if the thickness of the conductive resin layer exceeds 20 μm, the electrical resistance as the layer increases, which is not preferable in terms of the separator characteristics. A more preferable thickness of the conductive resin layer is 0.3 to 19 μm.

(炭素層と導電性樹脂層との関係)
炭素層上に導電性樹脂層を形成したときに、導電性樹脂層に添加した黒鉛粉が当該層よりわずかに突出した状態であると、その部分が良好な導電パスとなり導電性樹脂層の電気抵抗が低減するため非常に好ましい。
そして、炭素層の被覆率は、前記のとおり、必ずしも100%でなくてもよく、40%以上であればよい。ここで、炭素層の被覆率が100%より小さい場合、炭素層表面の一部には基材のチタン、チタン合金の表面が露出している箇所があり、この部分では基材上に直接導電性樹脂層が形成されている状態になる。言い換えると、基材上に2層の炭素系導電層が形成されている部分と、1層の導電性樹脂層のみが形成されている部分が混在する状態となる。1層の導電性樹脂層でも導電性が得られるが、2層の炭素系導電層が形成されている部分では導電性が特に良好となって、当該部分が良好な導電パスとなる。つまり、本発明では、炭素系導電層が2層構造を呈することにより、マクロ的にも十分な導電性および耐久性が得られる。
なお、導電性樹脂層の被覆率は、好ましくは100%であるが、耐摩耗性および導電性を確保するために、70%以上であればよい。
(Relationship between carbon layer and conductive resin layer)
When the conductive resin layer is formed on the carbon layer, if the graphite powder added to the conductive resin layer protrudes slightly from the layer, that portion becomes a good conductive path, and the electrical conductivity of the conductive resin layer This is very preferable because the resistance is reduced.
And as above-mentioned, the coverage of a carbon layer does not necessarily need to be 100%, and should just be 40% or more. Here, when the coverage of the carbon layer is smaller than 100%, a part of the surface of the carbon layer has a portion where the surface of the titanium or titanium alloy is exposed. It will be in the state where the conductive resin layer is formed. In other words, a portion in which two carbon-based conductive layers are formed on the substrate and a portion in which only one conductive resin layer is formed are mixed. Conductivity can be obtained even with a single conductive resin layer, but the conductivity is particularly good at the portion where the two carbon-based conductive layers are formed, and this portion becomes a good conductive path. That is, in the present invention, the carbon-based conductive layer has a two-layer structure, so that sufficient conductivity and durability can be obtained macroscopically.
The coverage of the conductive resin layer is preferably 100%, but may be 70% or more in order to ensure wear resistance and conductivity.

<中間層>
図2(b)に示すように、本実施形態に係るセパレータ10の中間層3は、基材1と炭素層21との界面に形成されるのが好ましい。そして、中間層は、基材と炭素層との界面でC、Tiが互いに拡散することにより反応して生成したチタンカーバイド(炭化チタン、TiC)を含み、さらに炭素固溶チタン(C固溶Ti)を含んでいてもよい。
そして、チタンカーバイドは導電性を有するため、基材と炭素層との界面における電気抵抗が小さくなる。よって、チタンカーバイドを含む中間層を備えることによりセパレータの導電性はさらに向上する。加えて、チタンカーバイドを含む中間層は、基材と炭素層とが反応して形成されたものであるため、基材と炭素層との密着性が向上する。
<Intermediate layer>
As shown in FIG. 2B, the intermediate layer 3 of the separator 10 according to this embodiment is preferably formed at the interface between the base material 1 and the carbon layer 21. The intermediate layer includes titanium carbide (titanium carbide, TiC) generated by reaction between C and Ti diffusing at the interface between the base material and the carbon layer, and further includes carbon solid solution titanium (C solid solution Ti). ) May be included.
And since titanium carbide has electroconductivity, the electrical resistance in the interface of a base material and a carbon layer becomes small. Therefore, the conductivity of the separator is further improved by providing an intermediate layer containing titanium carbide. In addition, since the intermediate layer containing titanium carbide is formed by the reaction between the base material and the carbon layer, the adhesion between the base material and the carbon layer is improved.

≪チタン製燃料電池セパレータの製造方法≫
次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法について説明する。
図1に示すように、本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程S1と、導電性樹脂層形成工程S3と、プレス成形工程S4と、を含む。
また、本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程S1の後に、熱処理工程S2を含むことが好ましく、プレス成形工程S4(または、導電性樹脂層形成工程S3)の後に、熱処理工程S5を含むことが好ましい。また、炭素層形成工程S1の前に、基材製造工程を含んでいてもよい。
以下、各工程を詳細に説明した後、各工程の順について説明する。
≪Method for manufacturing titanium fuel cell separator≫
Next, a method for manufacturing a titanium fuel cell separator according to the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the separator manufacturing method according to the present invention includes a carbon layer forming step S1, a conductive resin layer forming step S3, and a press molding step S4.
The separator manufacturing method according to the present invention preferably includes a heat treatment step S2 after the carbon layer formation step S1, and after the press molding step S4 (or conductive resin layer formation step S3), the heat treatment step S5. It is preferable to contain. Moreover, the base-material manufacturing process may be included before carbon layer formation process S1.
Hereinafter, after explaining each process in detail, the order of each process is explained.

<基材製造工程>
基材製造工程とは、前記した純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)材を製造する工程である。なお、冷間圧延後の焼鈍仕上げの有無は問わないが、プレス成形時に必要となる加工性を確保するために冷間圧延後に焼鈍を行うことが好ましい。その他、冷間圧延後(+焼鈍後)の酸洗の有無は問わない。
<Base material manufacturing process>
The base material production process refers to casting or hot rolling the above pure titanium or titanium alloy by a known method, performing annealing / pickling treatment, etc. as needed, and cold rolling to a desired thickness. It is a process of rolling a sheet to produce a plate (strip) material. In addition, although the presence or absence of the annealing finish after cold rolling is not ask | required, in order to ensure the workability required at the time of press molding, it is preferable to anneal after cold rolling. In addition, the presence or absence of the pickling after cold rolling (+ after annealing) does not matter.

<炭素層形成工程>
炭素層形成工程S1とは、基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する工程である。
この炭素層形成工程S1では、まず、基材の表面(片面または両面)に黒鉛粉を塗布する(黒鉛粉塗布工程)。塗布方法については、特に限定されないが、黒鉛粉を基材上に粉末状のまま直接付着させたり、黒鉛粉をメチルセルロース等の水溶液や樹脂等のバインダを含む塗料中に分散させたスラリーを、基材の表面に塗布したりすればよい。
<Carbon layer formation process>
The carbon layer forming step S1 is a step of forming a carbon layer containing graphite on the substrate surface.
In the carbon layer forming step S1, first, graphite powder is applied to the surface (one side or both sides) of the base material (graphite powder applying step). The application method is not particularly limited, but a slurry in which graphite powder is directly adhered to a base material in a powder form or graphite powder is dispersed in a paint containing an aqueous solution such as methylcellulose or a binder such as a resin is used. It may be applied to the surface of the material.

基材の表面に塗布する黒鉛粉については、直径0.5〜100.0μmのものを使用することが好ましい。直径が0.5μm未満だと、後記する圧延工程時に粉末が基材に押し付けられる力が小さくなり基材と密着しにくい。一方、直径が100.0μmを超えると、黒鉛粉塗布工程および後記する圧延工程において、基材表面に付着し難くなる。   About the graphite powder apply | coated to the surface of a base material, it is preferable to use a thing with a diameter of 0.5-100.0 micrometers. When the diameter is less than 0.5 μm, the force with which the powder is pressed against the base material during the rolling process described later becomes small and it is difficult to adhere to the base material. On the other hand, when the diameter exceeds 100.0 μm, it becomes difficult to adhere to the surface of the base material in the graphite powder coating step and the rolling step described later.

なお、黒鉛粉を分散させたスラリーを基材に塗付する方法は、特に限定されないが、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ディップコーター、スプレーコーター等を用いて基材にスラリーを塗付すればよい。
黒鉛粉を基材上に付着させる方法は上記の方法に限定されず、次のような方法によっても実施される。例えば、黒鉛粉と樹脂とを混練して作製した黒鉛粉含有フィルムを基材上に貼り付ける方法や、ショットブラストにより黒鉛粉を基材表面に打ち込み、基材表面に担持させる方法等が考えられる。
The method of applying the slurry in which the graphite powder is dispersed to the substrate is not particularly limited, but the slurry may be applied to the substrate using a bar coater, roll coater, gravure coater, dip coater, spray coater or the like. That's fine.
The method for adhering the graphite powder on the substrate is not limited to the above method, and the following method is also used. For example, a method of sticking a graphite powder-containing film prepared by kneading graphite powder and a resin onto a substrate, a method of driving graphite powder onto the substrate surface by shot blasting, and supporting it on the substrate surface are conceivable. .

そして、炭素層形成工程S1では、黒鉛粉を塗布後、冷間圧延を施すことにより、基材表面に黒鉛粉を圧着させる(圧着工程)。圧着工程を経ることで、黒鉛粉は、炭素層として基材表面に圧着することとなる。なお、基材表面に付着した炭素粉が潤滑剤の役割も果たすため、冷間圧延を施す際に、潤滑剤は使用しなくても良い。圧延後には黒鉛粉は粒状ではなく、基材上に薄い層状となって付着して基材表面を覆うような状態となっている。   And in carbon layer formation process S1, after apply | coating graphite powder, the graphite powder is crimped | bonded to the base-material surface by performing cold rolling (crimping process). By passing through the pressure bonding step, the graphite powder is pressure bonded to the substrate surface as a carbon layer. In addition, since the carbon powder adhering to the substrate surface also serves as a lubricant, the lubricant does not have to be used when performing cold rolling. After rolling, the graphite powder is not granular, and is attached in a thin layer on the substrate to cover the substrate surface.

この圧着工程において、炭素層が、基材に密着性よく圧着するためには、トータル圧下率0.1%以上で圧延を施すことが好ましい。
なお、圧下率は、冷間圧延前後の炭素層を含めた材料厚さの変化から算出した値であり、「圧下率=(t0−t1)/t0×100」(t0:黒鉛粉塗布工程後の初期材料厚さ、t1:圧延後の材料厚さ)により算出する。
In this crimping step, in order for the carbon layer to be crimped to the substrate with good adhesion, it is preferable to perform rolling at a total rolling reduction of 0.1% or more.
The rolling reduction is a value calculated from the change in material thickness including the carbon layer before and after cold rolling, and “rolling reduction = (t0−t1) / t0 × 100” (t0: after the graphite powder coating step) , Initial material thickness, t1: material thickness after rolling).

<熱処理工程>
熱処理工程S2とは、炭素層が形成された基材に非酸化雰囲気下で熱処理する工程である。詳細には、熱処理工程S2とは、基材と炭素層との界面に、基材と炭素層とが反応して形成されたチタンカーバイドを含む中間層を形成させるため、炭素層形成工程S1における圧着工程後に、非酸化性雰囲気において熱処理を行う工程である。なお、熱処理工程S2により、基材が焼鈍され、プレス成形時の加工性も確保できる。
<Heat treatment process>
The heat treatment step S2 is a step of heat-treating the base material on which the carbon layer is formed in a non-oxidizing atmosphere. Specifically, in the heat treatment step S2, the intermediate layer containing titanium carbide formed by the reaction between the base material and the carbon layer is formed at the interface between the base material and the carbon layer. This is a step of performing heat treatment in a non-oxidizing atmosphere after the crimping step. In addition, a base material is annealed by heat processing process S2, and the workability at the time of press molding is also securable.

熱処理工程S2における熱処理温度の範囲は、300〜850℃であることが好ましい。熱処理温度が300℃未満であると、黒鉛(炭素層)と基材間の反応が起こりにくく密着性が向上し難くなる。一方、熱処理温度が850℃を超えると、基材(チタン)の相変態が起こる可能性があり、機械特性が低下する可能性がある。
熱処理工程S2における熱処理温度の範囲は、より好ましくは400〜800℃であり、さらに好ましくは、450〜780℃である。
It is preferable that the range of the heat processing temperature in heat processing process S2 is 300-850 degreeC. When the heat treatment temperature is less than 300 ° C., the reaction between graphite (carbon layer) and the substrate hardly occurs, and the adhesion is difficult to improve. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 850 ° C., phase transformation of the base material (titanium) may occur, and mechanical properties may be deteriorated.
The range of the heat treatment temperature in the heat treatment step S2 is more preferably 400 to 800 ° C, and further preferably 450 to 780 ° C.

また、熱処理工程S2における熱処理の時間は、0.5分〜10時間であることが好ましい。そして、温度が低い場合は長時間の処理、温度が高い場合は短時間の処理というように、温度によって時間を適宜調整するのがよい。また、ロールトゥーロールやシート形状で熱処理する場合、あるいはコイル状に巻いた状態で熱処理する場合など、材料の状態に応じても熱処理温度および時間を適宜調整して実施することができる。
なお、黒鉛粉を分散させたスラリー中に含まれる樹脂成分(バインダ樹脂成分)や溶剤は、この熱処理によって炭化してほぼ無機物となるため、本炭素層中には実質的に樹脂成分は含まれなくなり、良好な導電性が得られる。
Moreover, it is preferable that the time of the heat processing in heat processing process S2 is 0.5 minute-10 hours. Then, it is preferable to appropriately adjust the time depending on the temperature, such as a long-time treatment when the temperature is low and a short-time treatment when the temperature is high. Further, the heat treatment temperature and time can be appropriately adjusted depending on the state of the material, such as heat treatment in a roll-to-roll or sheet shape, or heat treatment in a coiled state.
The resin component (binder resin component) and solvent contained in the slurry in which the graphite powder is dispersed are carbonized by this heat treatment to become almost inorganic, so that the resin component is substantially contained in this carbon layer. And good conductivity can be obtained.

また、熱処理工程S2は真空中やArガス雰囲気等の非酸化性雰囲気下において行う。この熱処理工程S2における非酸化性雰囲気とは、酸素分圧が低い雰囲気であり、好ましくは、酸素分圧が10Pa以下の雰囲気である。10Paを超えると、黒鉛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)、基材が酸化してしまうことによって導電性が劣化してしまうからである。   The heat treatment step S2 is performed in a non-oxidizing atmosphere such as a vacuum or an Ar gas atmosphere. The non-oxidizing atmosphere in the heat treatment step S2 is an atmosphere having a low oxygen partial pressure, and preferably an atmosphere having an oxygen partial pressure of 10 Pa or less. If it exceeds 10 Pa, graphite reacts with oxygen in the atmosphere to become carbon dioxide (causes a combustion reaction), and the base material is oxidized to deteriorate the conductivity. is there.

<導電性樹脂層形成工程>
導電性樹脂層形成工程S3とは、炭素層が形成された基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する工程である。この導電性樹脂層形成工程S3では、具体的には、基材に形成された炭素層表面に導電性樹脂塗料を積層塗布する。
この導電性樹脂塗料は、前記した樹脂(バインダ樹脂)を含む塗料中に前記した炭素粉を、樹脂固形分と炭素粉との質量比率が前記範囲になるように分散させて調製して用いればよい。
なお、導電性樹脂塗料の溶剤については、特に限定されず、公知の有機溶剤等を用いればよい。
<Conductive resin layer forming step>
The conductive resin layer forming step S3 is a step of forming a conductive resin layer containing carbon powder and resin on the base material on which the carbon layer is formed. In this conductive resin layer forming step S3, specifically, a conductive resin coating is laminated and applied to the surface of the carbon layer formed on the substrate.
This conductive resin paint is prepared by using the above-described carbon powder in a paint containing the above-described resin (binder resin) by dispersing it so that the mass ratio of the resin solid content to the carbon powder falls within the above range. Good.
In addition, it does not specifically limit about the solvent of a conductive resin coating material, What is necessary is just to use a well-known organic solvent.

なお、炭素粉を分散させた導電性樹脂塗料を基材に塗付する方法は、特に限定されないが、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ディップコーター、スプレーコーター等を用いて炭素層上に導電性樹脂塗料を塗付すればよい。   The method of applying the conductive resin paint in which the carbon powder is dispersed to the base material is not particularly limited, but it is conductive on the carbon layer using a bar coater, roll coater, gravure coater, dip coater, spray coater or the like. What is necessary is just to apply a functional resin paint.

<プレス成形工程>
プレス成形工程S4とは、基材を成形しガス流路を形成させる工程である。
プレス成形工程S4における基材の成形は、成形用の金型を用い、公知のプレス成形装置により行えばよい。なお、プレス成形時における潤滑剤の使用の有無は、狙う形状の複雑さ等に応じて適宜判断すればよく、潤滑剤を用いてプレス成形する場合は、潤滑剤を除去するための処理を、プレス成形工程の一部として行えばよい。
<Press molding process>
The press forming step S4 is a step of forming a gas channel by forming a base material.
The base material in the press molding step S4 may be molded by a known press molding apparatus using a molding die. In addition, the presence or absence of the use of the lubricant during press molding may be appropriately determined according to the complexity of the target shape, etc., and when performing press molding using the lubricant, a process for removing the lubricant, What is necessary is just to carry out as a part of press molding process.

<熱処理工程>
熱処理工程S5とは、炭素層と導電性樹脂層(および中間層)が形成された基材を所定温度で熱処理する工程である。
熱処理工程S5では、導電性樹脂層の接触抵抗を更に下げるために200〜550℃の範囲での熱処理を行う。導電性樹脂層中の樹脂成分比率が高いと接触抵抗がやや高くなる場合があるが、このような場合に200〜550℃の範囲での熱処理を行うことにより、導電性樹脂層の最表面を覆う樹脂膜の一部が分解除去されて添加した炭素粉が露出する状態となり、この部分での導電性が高まる。
<Heat treatment process>
The heat treatment step S5 is a step of heat-treating the base material on which the carbon layer and the conductive resin layer (and the intermediate layer) are formed at a predetermined temperature.
In the heat treatment step S5, heat treatment is performed in the range of 200 to 550 ° C. in order to further reduce the contact resistance of the conductive resin layer. When the resin component ratio in the conductive resin layer is high, the contact resistance may be slightly high. In such a case, the outermost surface of the conductive resin layer is reduced by performing heat treatment in the range of 200 to 550 ° C. A part of the covering resin film is decomposed and removed, so that the added carbon powder is exposed, and the conductivity in this part is increased.

熱処理温度が200℃よりも低いと接触抵抗低減効果が弱いため、狙いの接触抵抗まで低減させるのに長い時間がかかってしまう。一方、550℃を超える温度では接触抵抗低減効果が飽和するのに加え、導電性樹脂層の分解が進行し過ぎてしまい狙いの耐摩耗性が得られなくなる可能性がある。
熱処理工程S4における熱処理温度の範囲は、好ましくは250〜500の範囲、より好ましくは270〜450℃の範囲である。
そして、熱処理工程S4の熱処理雰囲気は、例えば大気雰囲気のような酸素を含む雰囲気で実施することができる。
If the heat treatment temperature is lower than 200 ° C., the effect of reducing contact resistance is weak, so it takes a long time to reduce the target contact resistance. On the other hand, if the temperature exceeds 550 ° C., the effect of reducing the contact resistance is saturated, and further, the decomposition of the conductive resin layer may proceed excessively, and the target wear resistance may not be obtained.
The range of the heat treatment temperature in the heat treatment step S4 is preferably in the range of 250 to 500, more preferably in the range of 270 to 450 ° C.
And the heat treatment atmosphere of heat treatment process S4 can be implemented in the atmosphere containing oxygen like air atmosphere, for example.

≪各工程の順≫
本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法における前記した各工程の順について詳細に説明する。
≪Order of each process≫
The order of each process described above in the method for producing a titanium fuel cell separator according to the present invention will be described in detail.

本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程S1(および熱処理工程S2)の後、図1(a)に示すように、導電性樹脂層形成工程S3→プレス成形工程S4→熱処理工程S5の順の場合と、図1(b)に示すように、プレス成形工程S4→導電性樹脂層形成工程S3→熱処理工程S5の順の場合とがある。   In the separator manufacturing method according to the present invention, after the carbon layer forming step S1 (and the heat treatment step S2), as shown in FIG. 1A, the conductive resin layer forming step S3 → the press molding step S4 → the heat treatment step S5. In this order, as shown in FIG. 1B, there are a press molding step S4, a conductive resin layer forming step S3, and a heat treatment step S5.

図1(a)に示す順の場合、プレス成形工程S4の前に導電性樹脂層形成工程S3を行っていることから、基材にプレス成形を施すにあたり、導電性樹脂層がプレス成形時における保護層の役割を果たすため、プレス成形時に炭素層の剥離・脱落を回避することができる。
なお、プレス成形工程S4の程度によっては導電性樹脂層に割れが発生することが予想されるが、このような場合にはプレス成形工程S4の後に再度、導電性樹脂層形成工程S3を行ってもよい。
In the case of the order shown in FIG. 1A, since the conductive resin layer forming step S3 is performed before the press molding step S4, the conductive resin layer is formed at the time of press molding when the base material is subjected to press molding. Since it plays the role of a protective layer, it is possible to avoid peeling and dropping of the carbon layer during press molding.
In addition, although it is anticipated that a crack will generate | occur | produce in a conductive resin layer depending on the grade of press molding process S4, in such a case, conductive resin layer formation process S3 is performed again after press molding process S4. Also good.

図1(b)に示す順の場合、プレス成形工程S4の後で導電性樹脂層形成工程S3を行っているが、プレス成形時における基材の変形に対し炭素層が追従し切れなくなり万が一炭素層が割れてしまっても、その後、積層するように導電性樹脂層を形成させることにより、当該層が炭素層の割れ部分を覆って保護することとなる。その結果、基材からの炭素層の剥離・脱落の可能性を低下させることができる。   In the order shown in FIG. 1B, the conductive resin layer forming step S3 is performed after the press forming step S4. However, the carbon layer cannot follow the deformation of the base material at the time of press forming, and should be carbon. Even if the layer is broken, the conductive resin layer is formed so as to be laminated thereafter, so that the layer covers and protects the cracked portion of the carbon layer. As a result, the possibility of peeling and dropping of the carbon layer from the substrate can be reduced.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the design can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention described in the claims.

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

≪試験体の作製≫
[基材]
基材には、JIS 1種のチタン基材を使用した。
チタン基材(冷間圧延仕上げ)の化学組成は、O:450ppm、Fe:250ppm、N:40ppm、残部がTiおよび不可避的不純物である。そして、チタン基材の板厚は、0.1mmであり、サイズは80×160mmとした。当該チタン基材は、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。
≪Preparation of test specimen≫
[Base material]
As the substrate, a JIS type 1 titanium substrate was used.
The chemical composition of the titanium substrate (cold rolling finish) is O: 450 ppm, Fe: 250 ppm, N: 40 ppm, the balance being Ti and inevitable impurities. And the plate | board thickness of the titanium base material was 0.1 mm, and the size was 80x160 mm. The titanium substrate is obtained by subjecting a titanium raw material to a conventionally known melting step, casting step, hot rolling step, and cold rolling step.

[炭素層]
黒鉛粉として、膨張化黒鉛粉(SECカーボン社製、SNE−6G、平均粒径7μm、純度99.9%)を用い、黒鉛粉を0.7wt%カルボキシメチルセルロース水溶液中に7wt%となるように分散させてスラリーを作製した。そして、当該スラリーを5番の番手のバーコーターを用いてチタン基材の両面にスラリーを塗布し、黒鉛粉塗工材料を作製した。
そして、ワークロール径200mmの2段圧延機を用いて、荷重2.5トンでロールプレスし、黒鉛粉を潰して基材上に密着させた。なお、ワークロールには潤滑油を塗布していない。
上記、炭素層を形成した材料を、6.7×10−3Paの真空雰囲気下において、650℃の温度で5分間の熱処理を施した。
なお、本方法により得られた試験体の炭素層の被覆率はおおよそ60%であった。
[Carbon layer]
As the graphite powder, expanded graphite powder (manufactured by SEC Carbon, SNE-6G, average particle diameter 7 μm, purity 99.9%) is used, and the graphite powder is 7 wt% in a 0.7 wt% carboxymethyl cellulose aqueous solution. A slurry was prepared by dispersing. And the slurry was apply | coated to both surfaces of the titanium base material using the 5th count bar coater, and the graphite powder coating material was produced.
Then, using a two-stage rolling mill with a work roll diameter of 200 mm, roll pressing was performed with a load of 2.5 tons, and the graphite powder was crushed and adhered onto the substrate. The work roll is not coated with lubricating oil.
The material forming the carbon layer was subjected to a heat treatment at a temperature of 650 ° C. for 5 minutes in a vacuum atmosphere of 6.7 × 10 −3 Pa.
In addition, the coverage of the carbon layer of the test body obtained by this method was approximately 60%.

[導電性樹脂層−1]
導電性樹脂塗料は、フェノール樹脂(荒川化学工業社製、タマノル2800)、アクリル樹脂(東レ・ファインケミカル社製、コータックスLH681)、エポキシ樹脂(セメダイン社製、EP106)、ポリエステル樹脂(荒川化学工業社製、7005N)、シリコーン樹脂(信越シリコーン社製、KR251)の塗料を用い、それぞれの塗料に炭素粉末を分散させて作製した。炭素粉末としては、カーボンブラック粉末(キャボット社製、バルカンXC72、平均粒径40nm、純度99.2%)、黒鉛粉末(伊藤黒鉛社製、Z−5F、平均粒径4μm、純度98.9%)を用いた。
各種樹脂系の塗料をそれぞれに適した有機溶媒を用いて、塗料中の固形分(樹脂成分+炭素粉末)の濃度(=((樹脂成分質量+炭素粉末質量)×100)/塗料質量)がおよそ18質量%となるように、固形分中の炭素粉末の質量濃度(=(炭素粉末質量×100)/(樹脂成分質量+炭素粉末質量))がおよそ25質量%となるように、カーボンブラック粉末と黒鉛粉末の比率が10:1となるように濃度調整し、当該塗料をバーコーターを用いて炭素層を形成した材料上に塗布して乾燥させた。このようにして基材の両面に導電性樹脂層を形成した。このとき使用するバーコーターの番手を変えることで導電性樹脂層の厚さを変えた試験体を作製した。
[Conductive resin layer-1]
The conductive resin paints are phenol resin (Arakawa Chemical Industries, Tamanol 2800), acrylic resin (Toray Fine Chemical, Cotax LH681), epoxy resin (Cemedine, EP106), polyester resin (Arakawa Chemical Industries). Made of 7005N) and silicone resin (manufactured by Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., KR251), and carbon powder was dispersed in each paint. As carbon powder, carbon black powder (manufactured by Cabot, Vulcan XC72, average particle size 40 nm, purity 99.2%), graphite powder (manufactured by Ito Graphite Co., Ltd., Z-5F, average particle size 4 μm, purity 98.9%) ) Was used.
Using an organic solvent suitable for each resin-based paint, the concentration of solid content (resin component + carbon powder) in the paint (= ((resin component mass + carbon powder mass) × 100) / paint mass) is Carbon black so that the mass concentration of carbon powder in the solid content (= (carbon powder mass × 100) / (resin component mass + carbon powder mass)) is approximately 25% by mass so that it is approximately 18% by mass. The concentration was adjusted so that the ratio of the powder to the graphite powder was 10: 1, and the paint was applied onto the material on which the carbon layer was formed using a bar coater and dried. Thus, the conductive resin layer was formed on both surfaces of the substrate. The test body which changed the thickness of the conductive resin layer by changing the count of the bar coater used at this time was produced.

[プレス成形]
表面に炭素層および導電性樹脂層が形成された基材を50mm×50mmに切り出した後、金型でプレス成形を行い、図3のような形状とした。
[Press molding]
A substrate having a carbon layer and a conductive resin layer formed on the surface was cut out to 50 mm × 50 mm, and then press-molded with a mold to obtain a shape as shown in FIG.

[導電性樹脂層形成後の熱処理]
導電性樹脂層を形成した後にプレス成形を行って得た試験体のうち幾つかを熱処理に供した。そして、熱処理は、大気雰囲気下において300〜400℃の条件で、処理時間を適宜調整して実施した。
[Heat treatment after forming conductive resin layer]
Some of the specimens obtained by press molding after forming the conductive resin layer were subjected to heat treatment. And heat processing was implemented by adjusting process time suitably on the conditions of 300-400 degreeC in air | atmosphere atmosphere.

≪試験体の評価≫
[炭素層被覆率測定]
炭素層を形成した試験体の表面について走査型電子顕微鏡を用いて、200倍の観察倍率で550×400μmの範囲を観察し、その反射電子像を撮影した。その反射電子像を画像処理により炭素層が被覆している部分と、炭素層が被覆せず基材が露出する部分と、に分けて二値化し、炭素層が占める面積率を計算し被覆率を求めた。観察は1試験体あたり3視野行い、3視野の平均値を算出した。
≪Evaluation of specimens≫
[Measurement of carbon layer coverage]
Using a scanning electron microscope, the surface of the test body on which the carbon layer was formed was observed in a range of 550 × 400 μm at an observation magnification of 200 times, and the reflected electron image was taken. The reflected electron image is binarized into a portion where the carbon layer is covered by image processing and a portion where the base material is exposed without being covered by the carbon layer, and the area ratio occupied by the carbon layer is calculated and the coverage ratio is calculated. Asked. Observation was performed for 3 fields per specimen, and the average value of 3 fields was calculated.

[導電性樹脂層の厚さ測定]
炭素層を形成した試験体上に導電性樹脂層を形成する前後の材料厚さについてマイクロメーターを用いて測定し、前後の厚さの差より導電性樹脂層の厚さを算出した。厚さの測定は1試験体あたり3箇所で行い、3箇所の平均値を算出した。
[Measurement of conductive resin layer thickness]
The material thickness before and after forming the conductive resin layer on the test body on which the carbon layer was formed was measured using a micrometer, and the thickness of the conductive resin layer was calculated from the difference in thickness before and after. The thickness was measured at three locations per specimen and the average value at three locations was calculated.

[接触抵抗測定]
得られた各試験体について、図4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、試験体の両面を2枚のカーボンペーパーで挟み、さらにその外側を接触面積4cmの2枚の銅電極で挟んで荷重40kgfで加圧し、直流電流電源を用いて7.4mAの電流を通電し、カーボンペーパーの間に加わる電圧を電圧計で測定して、接触面積を平板の場合の2/5であるとして接触抵抗(初期接触抵抗)を求めた。
初期接触抵抗が12mΩ・cm以下の場合を導電性が良好、12mΩ・cmを超える場合を導電性が不良とした。
[Contact resistance measurement]
About each obtained test body, contact resistance was measured using the contact resistance measuring apparatus shown in FIG. Specifically, both sides of the test body are sandwiched between two carbon papers, and the outside is sandwiched between two copper electrodes with a contact area of 4 cm 2 and pressurized with a load of 40 kgf, and 7.4 mA is applied using a direct current power source. A current was applied, and a voltage applied between the carbon papers was measured with a voltmeter, and a contact resistance (initial contact resistance) was obtained assuming that the contact area was 2/5 of a flat plate.
The conductivity was good when the initial contact resistance was 12 mΩ · cm 2 or less, and the conductivity was poor when the initial contact resistance exceeded 12 mΩ · cm 2 .

[耐久性評価]
また、初期接触抵抗が合格判定となった試験体において、耐久性評価(耐久試験)を行った。すなわち、試験体を比液量が10ml/cmである80℃の硫酸水溶液(pH2)に500時間の浸漬処理を行った後、試験体を硫酸水溶液から取り出し、洗浄、乾燥して、前記と同様の方法で接触抵抗を測定した。
耐久試験後の接触抵抗が15mΩ・cm以下の場合を耐久性が合格、15mΩ・cmを超える場合を耐久性が不合格とした。
[Durability evaluation]
In addition, durability evaluation (durability test) was performed on the test body in which the initial contact resistance was determined to be acceptable. That is, after the specimen was immersed in an 80 ° C. sulfuric acid aqueous solution (pH 2) having a specific liquid volume of 10 ml / cm 2 for 500 hours, the specimen was taken out from the sulfuric acid aqueous solution, washed and dried, and The contact resistance was measured by the same method.
When the contact resistance after the durability test was 15 mΩ · cm 2 or less, the durability passed, and when the contact resistance exceeded 15 mΩ · cm 2 , the durability was rejected.

[耐摩耗性の評価]
炭素系導電層の耐摩耗性を、接触抵抗の測定に用いた接触抵抗測定装置(図4参照)を流用して評価した。作製した試験体を、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4cmの銅電極で接触荷重40kgfに加圧し、両面から加圧された状態を保持したまま、試験体を溝の向きと平行の方向に引き抜いた(引抜き試験)。引抜き試験後、試験体表面における摺動領域を光学顕微鏡にて観察し、炭素系導電層の残存状態、すなわち基材の露出の程度で評価した。
耐摩耗性の判断基準は、試験体溝凸領域の表面(ガス流路外面の平面部4)に基材の露出がまったく見られずR部にも露出が見られない場合を◎、試験体溝凸領域の表面に基材の露出はまったく見られないが、R部に若干の基材の露出が見られた場合を○、試験体溝凸領域の表面において基材の露出した面積の割合が50%未満のものを△、基材の露出した面積の割合が50%以上の場合を×として、○以上を合格とした。
[Evaluation of wear resistance]
The wear resistance of the carbon-based conductive layer was evaluated using the contact resistance measuring device (see FIG. 4) used for measuring the contact resistance. The prepared specimen is sandwiched between two carbon cloths from both sides, and the outside is pressurized to a contact load of 40 kgf with a copper electrode having a contact area of 4 cm 2 , and the specimen is held while being pressed from both sides. Drawing was performed in a direction parallel to the direction of the groove (pull-out test). After the pull-out test, the sliding region on the surface of the test body was observed with an optical microscope, and the remaining state of the carbon-based conductive layer, that is, the degree of exposure of the base material was evaluated.
Judgment criteria for abrasion resistance is ◎, where no exposure of the base material is seen on the surface of the convex region of the groove of the test specimen (planar portion 4 on the outer surface of the gas flow path) and no exposure is seen in the R section. No exposure of the substrate is seen on the surface of the groove convex area, but a slight exposure of the base material is seen in the R part, ○, the ratio of the exposed area of the base material on the surface of the specimen groove convex area When the ratio is less than 50%, Δ, and when the ratio of the exposed area of the base material is 50% or more, ×, and ◯ or more is determined as acceptable.

導電性樹脂層の樹脂の種類および厚さ、導電性樹脂層形成後の熱処理条件、初期および耐久試験後の接触抵抗および耐摩耗性評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the resin type and thickness of the conductive resin layer, the heat treatment conditions after the formation of the conductive resin layer, the contact resistance and the abrasion resistance evaluation results after the initial and durability tests.

Figure 0005968857
Figure 0005968857

試験体No.1は炭素層のみのものであり、初期の導電性は優れているが、耐久性は合格範囲内であったものの接触抵抗値の上昇が顕著で、かつ、耐摩耗性が不十分という結果となった。
一方、試験体No.2〜9は本発明に規定する方法により製造されたものであり、プレス成形後も導電性、耐久性、耐摩耗性のいずれもが合格範囲であった。特に導電性樹脂層を形成後に熱処理を行った試験体No.3、4、7、9は接触抵抗が低い値となり、耐久性も良好であるため好ましいことがわかった。
Specimen No. 1 is only a carbon layer, and the initial conductivity is excellent, but the durability is within the acceptable range, but the contact resistance value is significantly increased, and the wear resistance is insufficient. became.
On the other hand, the specimen No. Nos. 2 to 9 were produced by the method defined in the present invention, and all of conductivity, durability and wear resistance were acceptable after press molding. In particular, the specimen No. 1 was heat-treated after forming the conductive resin layer. 3, 4, 7, and 9 are preferable because they have low contact resistance and good durability.

≪試験体の作製≫
実施例1と同様の方法および材料により、純チタン基材上に被覆率約60%の炭素層を形成し、熱処理を施し、その材料にプレス成形を行った後、以下の方法により両面に導電性樹脂層を形成した。
≪Preparation of test specimen≫
A carbon layer having a coverage of about 60% is formed on a pure titanium substrate by the same method and material as in Example 1, heat-treated, press-molded on the material, and then conductive on both sides by the following method. A functional resin layer was formed.

[導電性樹脂層−2]
導電性樹脂塗料は、フェノール樹脂(荒川化学工業社製、タマノル2800)、アクリル樹脂(東レ・ファインケミカル社製、コータックスLH681)、エポキシ樹脂(セメダイン社製、EP106)、ポリエステル樹脂(荒川化学工業社製、7005N)、シリコーン樹脂(信越シリコーン社製、KR251)の塗料を用い、それぞれの塗料に炭素粉末を分散させて作製した。炭素粉末としては、カーボンブラック粉末(キャボット社製、バルカンXC72、平均粒径40nm、純度99.2%)、黒鉛粉末(伊藤黒鉛社製、Z−5F、平均粒径4μm、純度98.9%)を用いた。
各種樹脂系の塗料をそれぞれに適した有機溶媒を用いて、塗料中の固形分(樹脂成分+炭素粉末)の濃度(=((樹脂成分質量+炭素粉末質量)×100)/塗料質量)がおよそ18質量%となるように、固形分中の炭素粉末の質量濃度(=(炭素粉末質量×100)/(樹脂成分質量+炭素粉末質量))がおよそ40質量%となるように、カーボンブラック粉末と黒鉛粉末の比率が4:1となるように濃度調整し、当該塗料をプレス成形後の材料上にスプレー塗布して乾燥させた。このようにしてプレス成形後の材料の両面に導電層を形成して各種試験体を作製した。
[Conductive resin layer-2]
The conductive resin paints are phenol resin (Arakawa Chemical Industries, Tamanol 2800), acrylic resin (Toray Fine Chemical, Cotax LH681), epoxy resin (Cemedine, EP106), polyester resin (Arakawa Chemical Industries). Made of 7005N) and silicone resin (manufactured by Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., KR251), and carbon powder was dispersed in each paint. As carbon powder, carbon black powder (manufactured by Cabot, Vulcan XC72, average particle size 40 nm, purity 99.2%), graphite powder (manufactured by Ito Graphite Co., Ltd., Z-5F, average particle size 4 μm, purity 98.9%) ) Was used.
Using an organic solvent suitable for each resin-based paint, the concentration of solid content (resin component + carbon powder) in the paint (= ((resin component mass + carbon powder mass) × 100) / paint mass) is Carbon black so that the mass concentration of carbon powder in the solid content (= (carbon powder mass × 100) / (resin component mass + carbon powder mass)) is approximately 40 mass% so as to be approximately 18 mass%. The concentration was adjusted so that the ratio of the powder to the graphite powder was 4: 1, and the paint was spray-coated on the material after press molding and dried. Thus, various test bodies were produced by forming conductive layers on both sides of the material after press molding.

[導電性樹脂層形成後の熱処理]
プレス成形後に導電性樹脂層を形成して得た試験体のうち幾つかを熱処理に供した。大気熱処理を用い、400℃の条件で処理時間を適宜調整して実施した。
[Heat treatment after forming conductive resin layer]
Some of the specimens obtained by forming the conductive resin layer after press molding were subjected to heat treatment. An atmospheric heat treatment was used and the treatment time was appropriately adjusted under the condition of 400 ° C.

≪試験体の評価≫
実施例1と同様の方法により、初期接触抵抗、耐久性、耐摩耗性の評価を実施した。
なお、導電性樹脂塗料スプレー塗布後の導電性樹脂層の厚さは、材料の一部を樹脂埋めした後断面加工を行い、断面からのSEM観察を行って視野中で平均的と思われる箇所での樹脂層厚さを計測した。断面観察は1試験体あたり3視野行い、3視野の平均値を算出した。
≪Evaluation of specimens≫
Evaluation of initial contact resistance, durability, and abrasion resistance was carried out in the same manner as in Example 1.
In addition, the thickness of the conductive resin layer after applying the conductive resin paint spray is the place that seems to be average in the field of view by performing cross-sectional processing after filling a part of the material with resin and performing SEM observation from the cross-section. The resin layer thickness at was measured. Cross-sectional observation was performed for 3 fields per specimen, and the average value of 3 fields was calculated.

導電性樹脂層の樹脂の種類および厚さ、導電性樹脂層形成後の熱処理条件、初期および耐久試験後の接触抵抗および耐摩耗性評価結果を表2に示す。   Table 2 shows the resin type and thickness of the conductive resin layer, the heat treatment conditions after the formation of the conductive resin layer, the contact resistance after the initial test and the durability test, and the abrasion resistance evaluation results.

Figure 0005968857
Figure 0005968857

試験体No.10〜16は本発明に規定する方法により作製されたものであり、プレス成形後も導電性、耐久性、耐摩耗性のいずれもが合格範囲であった。なお、プレス成形後に導電性樹脂層を形成したものは、耐摩耗性について非常に良好な結果が得られた。   Specimen No. 10-16 were produced by the method prescribed | regulated to this invention, and after press molding, all of electroconductivity, durability, and abrasion resistance were the acceptable ranges. In addition, the thing which formed the conductive resin layer after press molding obtained the very favorable result about abrasion resistance.

1 基材
2 炭素系導電層
3 中間層
10 チタン製燃料電池セパレータ(セパレータ)
21 炭素層
22 導電性樹脂層
S1 炭素層形成工程
S2 熱処理工程
S3 導電性樹脂層形成工程
S4 プレス成形工程
S5 熱処理工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 2 Carbon type conductive layer 3 Intermediate layer 10 Titanium fuel cell separator (separator)
21 Carbon layer 22 Conductive resin layer S1 Carbon layer forming step S2 Heat treatment step S3 Conductive resin layer forming step S4 Press molding step S5 Heat treatment step

Claims (6)

純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、
前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、
前記導電性樹脂層形成工程の後、前記炭素層および前記導電性樹脂層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、
を含むことを特徴とするチタン製燃料電池セパレータの製造方法。
A carbon layer forming step of forming a carbon layer containing graphite on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy;
After the carbon layer forming step, a conductive resin layer forming step of forming a conductive resin layer containing carbon powder and resin on the base material on which the carbon layer is formed;
After the conductive resin layer forming step, a press molding step of press-molding the base material on which the carbon layer and the conductive resin layer are formed to form a gas flow path;
The manufacturing method of the fuel cell separator made from titanium characterized by including.
前記プレス成形工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項1に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to claim 1, further comprising a heat treatment step of heat-treating the base material after the press molding step. 前記炭素層形成工程と前記導電性樹脂層形成工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The titanium-made product according to claim 1 or 2, further comprising a heat treatment step of heat-treating the base material in a non-oxidizing atmosphere between the carbon layer forming step and the conductive resin layer forming step. Manufacturing method of fuel cell separator. 純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、
前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、
前記プレス成形工程の後、前記炭素層が形成され前記プレス成形された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、
を含むことを特徴とするチタン製燃料電池セパレータの製造方法。
A carbon layer forming step of forming a carbon layer containing graphite on a substrate surface made of pure titanium or a titanium alloy;
After the carbon layer forming step, a press forming step of press forming the base material on which the carbon layer is formed to form a gas flow path;
After the press molding step, a conductive resin layer forming step in which the carbon layer is formed and a conductive resin layer containing carbon powder and a resin is formed on the press-molded base material;
The manufacturing method of the fuel cell separator made from titanium characterized by including.
前記導電性樹脂層形成工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項4に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The method for producing a titanium fuel cell separator according to claim 4, further comprising a heat treatment step of heat-treating the substrate after the conductive resin layer forming step. 前記炭素層形成工程と前記プレス成形工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項4または請求項5に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。   The titanium fuel cell separator according to claim 4 or 5, further comprising a heat treatment step of heat-treating the base material in a non-oxidizing atmosphere between the carbon layer forming step and the press molding step. Manufacturing method.
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