JP6627367B2 - Titanium base material, titanium material, and cell member for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Titanium base material, titanium material, and cell member for polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、表面改質処理により表面改質層を形成するためのチタン製の基材、この基材とその表面に形成された表面改質層とを含むチタン材、およびこのチタン材を備えた固体高分子形燃料電池用セル部材に関する。   The present invention comprises a titanium substrate for forming a surface modified layer by a surface modification treatment, a titanium material including the substrate and a surface modified layer formed on the surface thereof, and the titanium material. And a cell member for a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池としては、たとえば、自動車搭載用、家庭用等の電源として用いられるものを挙げることができる。セル部材は、固体高分子形燃料電池セルの構成部材であるセパレータまたは整流板である。表面改質処理としては、たとえば、導電性が高い物質を含む表面改質層を、基材の表面に形成する処理を挙げることができる。   As the polymer electrolyte fuel cell, for example, there can be mentioned a cell used as a power source for a vehicle, for home use, or the like. The cell member is a separator or a current plate that is a constituent member of the polymer electrolyte fuel cell. Examples of the surface modification treatment include a treatment for forming a surface modification layer containing a highly conductive substance on the surface of the base material.

燃料電池は、水素と酸素とを利用して直流電流を発生させる電池であり、燃料電池の電解質部分の構成材料によって、固体電解質形、溶融炭酸塩形、リン酸形、および固体高分子形に大別される。   A fuel cell is a battery that generates a direct current using hydrogen and oxygen.The fuel cell is divided into a solid electrolyte type, a molten carbonate type, a phosphoric acid type, and a solid polymer type depending on the constituent material of the electrolyte part of the fuel cell. It is roughly divided.

これらの燃料電池のうち、200℃付近で動作するリン酸形燃料電池、および650℃付近で動作する溶融炭酸塩形燃料電池は、現在、商用段階に達している。さらに、近年の技術開発の進展により、室温付近で動作する固体高分子形燃料電池と、700℃以上で動作する固体電解質形燃料電池とが、自動車搭載用、または家庭用の小型電源、あるいは商業ビルの電源として、市場に投入され始めている。   Among these fuel cells, the phosphoric acid fuel cell operating at around 200 ° C. and the molten carbonate fuel cell operating at around 650 ° C. have reached the commercial stage at present. Further, due to recent technological development, a polymer electrolyte fuel cell operating near room temperature and a solid electrolyte fuel cell operating at 700 ° C. or higher have become small power sources for automobiles or homes, or commercial power sources. It is starting to enter the market as a power source for buildings.

図1Aは、燃料電池全体の斜視図であり、図1Bは、燃料電池セル(単セル)の分解斜視図である。
図1Aおよび図1Bに示すように、燃料電池1は単セルの集合体である。図1Bに示すように、単セルは、固体高分子電解質膜2の一面に燃料電極膜(アノード)3が、他面に酸化剤電極膜(カソード)4が積層され、その積層体の両面にセパレータ5a、5bが重ねられた構造を有する。セパレータは、バイポーラプレートとよばれることもある。
FIG. 1A is a perspective view of the entire fuel cell, and FIG. 1B is an exploded perspective view of a fuel cell (single cell).
As shown in FIGS. 1A and 1B, the fuel cell 1 is an aggregate of single cells. As shown in FIG. 1B, in the single cell, a fuel electrode membrane (anode) 3 is laminated on one surface of a solid polymer electrolyte membrane 2 and an oxidant electrode membrane (cathode) 4 is laminated on the other surface. It has a structure in which separators 5a and 5b are overlapped. The separator is sometimes called a bipolar plate.

固体高分子電解質膜2を構成する代表的な材料として、水素イオン(プロトン)交換基を有するふっ素系イオン交換樹脂膜がある。燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4は、カーボン繊維から構成されるカーボンペーパー、またはカーボンクロスからなる拡散層と、拡散層の表面に設けられた触媒層とを備えている。触媒層は、粒子状の白金触媒と、触媒担持用カーボンと、水素イオン(プロトン)交換基を有するふっ素樹脂とを有する。固体高分子電解質膜2と、燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4とが、互いに貼り合わされて、一体的な部材(MEA;Membrane Electrode Assembly)として用いられることもある。   A typical material constituting the solid polymer electrolyte membrane 2 is a fluorine-based ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group. Each of the fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 includes a diffusion layer made of carbon paper or carbon cloth made of carbon fiber, and a catalyst layer provided on the surface of the diffusion layer. The catalyst layer includes a particulate platinum catalyst, catalyst-supporting carbon, and a fluororesin having a hydrogen ion (proton) exchange group. In some cases, the solid polymer electrolyte membrane 2, the fuel electrode membrane 3, and the oxidant electrode membrane 4 are bonded to each other and used as an integral member (MEA: Membrane Electrode Assembly).

セパレータ5aに形成された溝である流路6aには、燃料ガス(水素または水素含有ガス)Aが流され、これにより、燃料電極膜3に燃料ガスが供給される。燃料電極膜3では、燃料ガスは拡散層を透過して触媒層に接触する。また、セパレータ5bに形成された溝である流路6bには、空気等の酸化性ガスBが流され、これにより、酸化剤電極膜4に酸化性ガスが供給される。酸化剤電極膜4では、酸化性ガスは拡散層を透過して触媒層に接触する。これらのガスの供給により、電気化学反応が生じて、燃料電極膜3と酸化剤電極膜4との間に、直流電力が発生する。   The fuel gas (hydrogen or hydrogen-containing gas) A flows through the flow path 6a, which is a groove formed in the separator 5a, whereby the fuel gas is supplied to the fuel electrode film 3. In the fuel electrode film 3, the fuel gas passes through the diffusion layer and comes into contact with the catalyst layer. An oxidizing gas B such as air is supplied to the flow path 6b, which is a groove formed in the separator 5b, whereby the oxidizing gas is supplied to the oxidant electrode film 4. In the oxidant electrode film 4, the oxidizing gas passes through the diffusion layer and comes into contact with the catalyst layer. By supplying these gases, an electrochemical reaction occurs, and DC power is generated between the fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4.

また、燃料電池セルには、燃料ガスまたは酸化性ガスを整流または配流するための整流板(図示せず)が設けられる場合もある。整流板は、多孔質板、フィン、またはメッシュとよばれることもある。   In addition, a fuel cell may be provided with a rectifying plate (not shown) for rectifying or distributing a fuel gas or an oxidizing gas. The current plate is sometimes called a porous plate, a fin, or a mesh.

固体高分子形燃料電池のセパレータに求められる主な機能は、次の通りである。
(1)燃料ガス、または酸化性ガスを、電池面内に均一に供給する「流路」としての機能
(2)カソード側で生成した水を、反応後の空気、酸素といったキャリアガスとともに、燃料電池から効率的に系外に排出する「流路」としての機能
(3)電極膜(アノード3、カソード4)と接触して電気の通り道となり、さらに、隣接する2つの単セル間の電気的「コネクタ」となる機能
(4)隣り合うセル間で、一方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室との「隔壁」としての機能
The main functions required of the separator of the polymer electrolyte fuel cell are as follows.
(1) Function as a "flow path" for uniformly supplying a fuel gas or an oxidizing gas into the cell surface. (2) Water generated on the cathode side is combined with a carrier gas such as air and oxygen after the reaction together with a fuel gas. Function as a "flow path" for efficiently discharging the battery from the outside of the system (3) A contact path with the electrode membranes (anode 3 and cathode 4) becomes a path for electricity, and furthermore, an electrical connection between two adjacent single cells. Function as “connector” (4) Between adjacent cells, function as “partition wall” between anode chamber of one cell and cathode chamber of adjacent cell

これまでに、実験室レベルでは、セパレータ材料として、カーボン板材が検討されてきている。しかし、カーボン板材には、割れ易いという問題があり、さらに、表面を平坦にするための機械加工コスト、およびガス流路形成のための機械加工コストが非常にかさむという問題がある。これらの問題が、固体高分子形燃料電池の商用化そのものを難しくしている。   At the laboratory level, carbon plate materials have been studied as separator materials. However, the carbon plate material has a problem that it is easily cracked, and furthermore has a problem that the machining cost for flattening the surface and the machining cost for forming the gas flow path are extremely high. These problems make commercialization of the polymer electrolyte fuel cell itself difficult.

カーボン材の中でも、熱膨張性黒鉛加工品は、格段に安価であることから、固体高分子形燃料電池のセパレータ用素材として最も注目されている。しかし、今後解決すべき課題として、たとえば、以下のものがある。
・ますます厳しくなる寸法精度の要求への対応
・燃料電池内で使用している間に生じる経年的な結着用有機樹脂の劣化
・電池運転環境の影響を受けて進行するカーボン腐食
・クロスリークと呼ばれる水素の透過
・燃料電池の組み立て時および使用中に起こる予期せぬ割れ事故
Among carbon materials, a heat-expandable graphite product has been receiving the most attention as a material for a separator of a polymer electrolyte fuel cell because it is extremely inexpensive. However, problems to be solved in the future include, for example, the following.
・ Responding to increasingly stringent demands for dimensional accuracy ・ Aging deterioration of organic resin that occurs over time during use in fuel cells ・ Carbon corrosion that progresses under the influence of the battery operating environment ・ Cross leak Hydrogen permeation and unexpected cracking during fuel cell assembly and use

こうした黒鉛系素材の検討に対して、コスト削減を目的に、セパレータに金属製薄板を適用することが試みられている。   In consideration of such a graphite-based material, attempts have been made to apply a thin metal plate to the separator for the purpose of cost reduction.

特許文献1には、金属製部材からなり、単位電池の電極との接触面に直接金めっきを施した燃料電池用セパレータが開示されている。金属製部材を構成する材料としては、ステンレス鋼、Al、およびNi−Fe合金が挙げられており、ステンレス鋼としては、SUS304が挙げられている。このセパレータは、金めっきが施されている。そのため、セパレータと電極との電気接触抵抗値が低く、セパレータから電極への電子の導通が良好となる。これにより、特許文献1の燃料電池では、出力電圧が大きくなるとされている。   Patent Literature 1 discloses a fuel cell separator which is made of a metal member and has a surface in contact with an electrode of a unit cell which is directly plated with gold. Stainless steel, Al, and a Ni—Fe alloy are mentioned as a material constituting the metal member, and SUS304 is mentioned as the stainless steel. This separator is plated with gold. Therefore, the electrical contact resistance between the separator and the electrode is low, and the conduction of electrons from the separator to the electrode is improved. Thereby, in the fuel cell of Patent Document 1, the output voltage is said to increase.

特許文献2には、大気との接触により表面に不動態皮膜が容易に生成される金属材料からなるセパレータを備えた固体高分子形燃料電池が開示されている。金属材料としては、ステンレス鋼、およびTi合金が挙げられている。このセパレータに用いられる金属の表面には、必ず不動態皮膜が存在する。このため、金属の表面が化学的に侵され難くなり、燃料電池セルで生成された水のうちイオン化されるものの割合が低減される。これにより、特許文献2の燃料電池セルでは、電気化学反応度の低下が抑制されるとされている。また、特許文献2には、セパレータの電極膜等に接触する部分の不動態皮膜を除去し、貴金属層を形成することにより、接触抵抗値が低くなることも示されている。   Patent Literature 2 discloses a polymer electrolyte fuel cell including a separator made of a metal material whose surface is easily formed with a passivation film by contact with the atmosphere. Examples of the metal material include stainless steel and a Ti alloy. A passivation film always exists on the surface of the metal used for the separator. For this reason, the surface of the metal is less likely to be chemically attacked, and the proportion of ionized water in the fuel cell is reduced. Thereby, in the fuel cell of Patent Literature 2, it is said that the decrease in the electrochemical reactivity is suppressed. Patent Literature 2 also discloses that a contact resistance value is reduced by removing a passivation film of a portion of the separator that contacts an electrode film or the like and forming a noble metal layer.

特許文献3には、カメラの上板用チタン材が開示されている。このチタン材は、H:0.002質量%以下、N:0.007質量%以下、Fe:0.02〜0.06質量%、O(酸素):0.03〜0.06質量%を含有し、残部がチタンからなり、結晶粒度が4〜7であり、伸びが45%以上である。   Patent Document 3 discloses a titanium material for an upper plate of a camera. This titanium material contains H: 0.002% by mass or less, N: 0.007% by mass or less, Fe: 0.02 to 0.06% by mass, and O (oxygen): 0.03 to 0.06% by mass. It contains, and the balance consists of titanium, the crystal grain size is 4 to 7, and the elongation is 45% or more.

カメラ上板を成形するためには、成形性が極めて優れていることが求められる。カメラ上板を製造する際、ブランク抜き、複数回の絞り加工、刻印、穴あけ、縁切り等の工程を含む加工(一体成形)が行われる。特許文献3によれば、加工対象のチタン材の結晶粒度が4(結晶粒径が40〜45μm)であれば、カメラ上板の加工時に、クラックが全く発生しないとされる。一方、結晶粒度が7を超えるチタン材では、クラックの発生が著しく、たとえば、結晶粒度が8または10(結晶粒径が25〜30μm)であるチタン材では、上板の成形加工時にクラックが発生して製品としての適用はできないとされている。ただし、結晶粒度が4未満では、加工部位に肌荒れ(皺)が生じたとされている。   In order to form the camera upper plate, it is required that the formability is extremely excellent. When manufacturing the camera upper plate, processing (integral molding) including processes such as blanking, drawing a plurality of times, stamping, drilling, and edging is performed. According to Patent Document 3, if the crystal grain size of the titanium material to be processed is 4 (the crystal grain size is 40 to 45 μm), no crack is generated at the time of processing the camera upper plate. On the other hand, cracks are remarkably generated in a titanium material having a crystal grain size exceeding 7, for example, in a titanium material having a crystal grain size of 8 or 10 (crystal grain size of 25 to 30 μm), cracks are generated during forming of the upper plate. It cannot be applied as a product. However, if the crystal grain size is less than 4, it is said that roughened skin (wrinkles) has occurred in the processed portion.

特許文献4には、冷間圧延、および焼鈍を繰り返して、純チタン薄板を製造する方法が開示されている。この方法では、最終的な焼鈍を、大気雰囲気下、600〜800℃で、2〜6分の連続焼鈍として行うことにより、製品の平均結晶粒径を3〜60μmに調整して、表面光沢を抑えた状態の純チタン薄板を得るとされている。最終的な焼鈍の後には、酸洗処理が施される。この方法により、真空焼鈍材に比較して、成形時に、表面が波打つ欠陥が発生することを抑えられるとされている。   Patent Document 4 discloses a method of manufacturing a pure titanium sheet by repeating cold rolling and annealing. In this method, the final annealing is performed as continuous annealing at 600 to 800 ° C. for 2 to 6 minutes in an air atmosphere, so that the average crystal grain size of the product is adjusted to 3 to 60 μm and the surface gloss is increased. It is said that a pure titanium sheet in a suppressed state is obtained. After the final annealing, a pickling treatment is performed. According to this method, it is said that the occurrence of defects with a wavy surface during molding can be suppressed as compared with a vacuum-annealed material.

特許文献5には、求められる性能および品質に応じて、FeおよびOの含有率と、バッチ式焼鈍の条件とにより、チタン材の適正な結晶粒度調整を行う方法が開示されている。特許文献5によれば、結晶粒度を、張出し成形性が必要な板材では4〜5とし、張出し成形性に加えて肌荒れの防止が必要な場合は5.5〜6.5とし、溶接管の製造におけるロ−ル成形性が必要な場合は8〜11とすることが開示されている。   Patent Literature 5 discloses a method of appropriately adjusting the crystal grain size of a titanium material by the contents of Fe and O and the conditions of batch annealing in accordance with required performance and quality. According to Patent Literature 5, the crystal grain size is set to 4 to 5 for a sheet material requiring overhang formability, and set to 5.5 to 6.5 when prevention of surface roughness is required in addition to overhang formability. It is disclosed that when roll formability is required in production, the value is set to 8 to 11.

特許文献6には、質量%で、Fe:0.035〜0.100%、O:0.010%以上0.030%未満を含有し、残部がチタンおよび不純物からなり、結晶粒度が8.0〜11.5である純チタン板が示されている。このチタン板の素材は、電子ビーム溶解、または真空アーク溶解により得られ、成形性に優れるとされている。   Patent Document 6 discloses that, by mass%, Fe: 0.035 to 0.100%, O: 0.010% or more and less than 0.030%, the balance consisting of titanium and impurities, and a crystal grain size of 8. Pure titanium plates between 0 and 11.5 are shown. The material of this titanium plate is obtained by electron beam melting or vacuum arc melting, and is said to be excellent in formability.

特許文献7には、質量で、Fe:0.1を超え0.5以下、およびO:0.03以上0.1以下を含有し、残部がチタンおよび不純物からなり、結晶粒度が10以上であるチタン材が開示されている。このチタン材は、成形性に優れるとされている。   Patent Document 7 discloses that, by mass, Fe: more than 0.1 and 0.5 or less, and O: 0.03 or more and 0.1 or less, with the balance being titanium and impurities, and having a grain size of 10 or more. Certain titanium materials are disclosed. This titanium material is said to be excellent in formability.

特許文献8には、質量で、Fe:0.10%を超え0.60%未満と、O:0.005%を超え0.20%未満と、C:0.015%未満と、N:0.015%未満と、H:0.015%未満とを含有し、残部がチタンおよび不純物からなるチタン材が開示されている。このチタン材では、FeがOよりも多く含有されており、α相とβ相との二相組織が形成され、α相の円相当平均粒径が10μm以下とされる。   Patent Document 8 discloses that, by mass, Fe: more than 0.10% and less than 0.60%, O: more than 0.005% and less than 0.20%, C: less than 0.015%, and N: A titanium material containing less than 0.015% and H: less than 0.015%, with the balance being titanium and impurities, is disclosed. In this titanium material, Fe is contained more than O, a two-phase structure of α phase and β phase is formed, and the α-phase equivalent circle average particle size is 10 μm or less.

特許文献9には、質量%で、Fe:0.15%以下(0%を含まない)と、O:0.15%以下(0%を含まない)とを含有するチタン材を、プレス成形加工して、チタン板を得ることが開示されている。チタン板のα相の平均結晶粒径は、10〜200μmであるとされている。   Patent Document 9 discloses that a titanium material containing, by mass%, Fe: 0.15% or less (excluding 0%) and O: 0.15% or less (excluding 0%) is press-formed. It is disclosed to obtain a titanium plate by processing. The average crystal grain size of the α phase of the titanium plate is said to be 10 to 200 μm.

特許文献10には、質量%で、Fe:0.15%以下(0%を含まない)と、O:0.15%(0%を含まない)とを含有し、残部がTiおよび不純物からなるチタン板が開示されている。特許文献10では、チタン材について、結晶方位と結晶粒径とが規定されており、このチタン板は、高耐力でのプレス成形性に優れるとされている。結晶粒径としては、チタン板の表面で一辺が1mmの正方形内に存在する結晶粒のうち、そのサイズが上位100個の結晶粒の平均結晶粒径が10〜200μmであるとされている。また、チタン板の圧延垂直方向の耐力に対するチタン板の圧延方向の耐力の比が0.75以上であるとされている。   Patent Document 10 contains, by mass%, Fe: 0.15% or less (not including 0%) and O: 0.15% (not including 0%), with the balance being from Ti and impurities. Is disclosed. Patent Document 10 specifies the crystal orientation and crystal grain size of a titanium material, and describes that this titanium plate is excellent in press-formability with high proof stress. Regarding the crystal grain size, among the crystal grains existing in a square having a side of 1 mm on the surface of the titanium plate, the average crystal grain size of the top 100 crystal grains is 10 to 200 μm. The ratio of the proof stress in the rolling direction of the titanium plate to the proof stress in the rolling vertical direction of the titanium plate is set to be 0.75 or more.

特許文献11には、質量%で、Fe:0.04〜0.10%と、O:0.07〜0.20%とを含有し、残部がTiおよび不純物からなるチタン板が開示されている。このチタン材は、プレス加工などの成形性に優れるとされている。   Patent Document 11 discloses a titanium plate containing, by mass%, 0.04 to 0.10% of Fe and 0.07 to 0.20% of O, with the balance being Ti and impurities. I have. This titanium material is said to be excellent in formability such as press working.

特許文献12には、質量%で、O:0.07〜0.20%と、Fe:0.04〜0.10%と、N:0.001%以上0.02%未満と、C:0.015%未満(0%を含む)とを含有し、残部がTiおよび不純物からなるチタン板が開示されている。このチタン材は、O含有率[%O]とFeの含有率[%Fe]とが、[%O]+0.12×[%Fe]≧0.080を満たし、高強度で成形性に優れるとされている。   In Patent Document 12, O: 0.07 to 0.20%, Fe: 0.04 to 0.10%, N: 0.001% or more and less than 0.02%, and C: A titanium plate containing less than 0.015% (including 0%) and the balance of Ti and impurities is disclosed. In this titanium material, the O content [% O] and the Fe content [% Fe] satisfy [% O] + 0.12 × [% Fe] ≧ 0.080, and have high strength and excellent moldability. It has been.

特許文献13には、質量%で、O:0.03%以上0.08%未満と、Fe:0.015%以上0.055%未満と、N:0.001%以上0.02%未満と、C:0.015%未満(0%を含む)とを含有し、残部がTiおよび不純物からなるチタン板が開示されている。このチタン材では、Oの含有率[%O]とFeの含有率[%Fe]とが、[%O]+0.12×[%Fe]<0.080を満たし、成形性に優れるとされている。   Patent Document 13 discloses that, by mass%, O: 0.03% or more and less than 0.08%, Fe: 0.015% or more and less than 0.055%, and N: 0.001% or more and less than 0.02%. And C: less than 0.015% (including 0%), and the balance discloses a titanium plate composed of Ti and impurities. In this titanium material, the O content [% O] and the Fe content [% Fe] satisfy [% O] + 0.12 × [% Fe] <0.080, and are considered to be excellent in moldability. ing.

特許文献14には、質量%で、Feを0.04〜0.06%、およびOを0.07〜0.11%を含有し、残部がTiおよび不純物からなるチタン板が開示されている。このチタン材は、高い耐力を有し、また、プレス加工等の成形性に優れるとされている。   Patent Literature 14 discloses a titanium plate containing 0.04 to 0.06% of Fe and 0.07 to 0.11% of O in mass%, with the balance being Ti and impurities. . This titanium material is said to have high proof stress and to be excellent in formability such as press working.

特許文献15には、電子ビーム溶解法により、原料を溶解してチタンまたはチタン合金を得る方法が示されている。この際、水素、パラフィン炭化水素、アンモニア、ハロゲン、および一酸化炭素のうちの少なくとも1種からなる精製ガスを、電子ビーム溶解室内に導入することにより、O、Feなどの不純物元素が低減される。   Patent Literature 15 discloses a method of obtaining titanium or a titanium alloy by melting a raw material by an electron beam melting method. At this time, impurity elements such as O and Fe are reduced by introducing a purified gas comprising at least one of hydrogen, paraffin hydrocarbon, ammonia, halogen, and carbon monoxide into the electron beam melting chamber. .

特許文献16には、Oを含有するチタン原料にAlを添加し、これらを電子ビームにより溶解して、チタン原料中に含まれるOを、Alの酸化物として気相脱酸するチタンの脱酸方法が記載されている。また、特許文献16には、AlおよびOが残存するチタン原料に、さらに不足分のAlを添加し、これらを電子ビームにより溶解して、このチタン原料中に含まれるOをAlの酸化物として気相脱酸するチタンの脱酸方法も開示されている。   Patent Document 16 discloses that titanium is added to a titanium raw material containing O, which is dissolved by an electron beam, and O contained in the titanium raw material is gas-phase deoxidized as an oxide of Al. A method is described. Further, Patent Document 16 discloses that a shortage of Al is further added to a titanium raw material in which Al and O remain, and these are melted by an electron beam to convert O contained in the titanium raw material into an oxide of Al. Also disclosed is a method for deoxidizing titanium that is vapor phase deoxidized.

特許文献16では、実施例として、10質量%の初期O含有率、および10質量%のAl含有率を有するチタン試料が、6分間溶融状態とされた後に、実質的に金属AlのすべてがOと反応し、O含有率が半分になったことが記載されている。また、他の実施例として、1.1質量%の初期O含有率を有するチタン試料、および0.12質量%の初期O含有率を有するチタン試料に、Alを添加して、5分間溶融状態としたところ、それぞれ、O含有率が、0.5質量%、および0.05質量%未満にまで減少したことが示されている。その際、初期試料の総質量に対するAl添加率は、それぞれ、20質量%、および5.5質量%であったとされている。特許文献16には、Alを添加し溶融状態を維持した後のチタン材のAl含有率については、記載されていない。   In Patent Document 16, as an example, after a titanium sample having an initial O content of 10% by mass and an Al content of 10% by mass is melted for 6 minutes, substantially all of the metallic Al becomes O 2. And the O content was halved. As another example, Al was added to a titanium sample having an initial O content of 1.1% by mass and a titanium sample having an initial O content of 0.12% by mass, and the titanium sample was melted for 5 minutes. It is shown that the O content was reduced to less than 0.5% by mass and less than 0.05% by mass, respectively. At that time, the Al addition rates with respect to the total mass of the initial sample were 20% by mass and 5.5% by mass, respectively. Patent Document 16 does not disclose the Al content of the titanium material after adding Al and maintaining the molten state.

特許文献17には、表層にMAX層を有する電極、およびその製造方法が開示されている。ここで、MAX層とは、炭化物または窒化物の少なくとも1種からなる組成物により構成される層であり、以下に定義されるM、AおよびXを含有する。Aは、Al、Si、Ga、Ge、Sn、およびPbの少なくとも1種であり、Mは、遷移金属の少なくとも1種であり、Xは、炭素および窒素の少なくとも1種である。   Patent Literature 17 discloses an electrode having a MAX layer on a surface layer, and a method for manufacturing the same. Here, the MAX layer is a layer composed of a composition composed of at least one of carbide and nitride, and contains M, A and X defined below. A is at least one of Al, Si, Ga, Ge, Sn, and Pb, M is at least one of transition metals, and X is at least one of carbon and nitrogen.

特許文献17には、電極の基材を構成する材料として、ステンレス鋼、ならびにAlおよびNiの1種または2種(これらの合金を含む。)が挙げられている。また、MAX層を構成する化合物の例として、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti2AlN0.50.5、Ti3AlC2、Ti3SiC2、TiAlN3およびTi4SiC4などが挙げられている。MAX層には、Au、Pt、Inなどの貴金属がドープされていてもよいとされている。 Patent Literature 17 describes stainless steel and one or two of Al and Ni (including their alloys) as a material constituting a base material of an electrode. Further, as examples of compounds constituting the MAX layer, Ti 2 AlC, Ti 2 AlN, Ti 2 AlN 0.5 C 0.5 , Ti 3 AlC 2 , Ti 3 SiC 2 , TiAlN 3, and Ti 4 SiC 4 are mentioned. . It is stated that the MAX layer may be doped with a noble metal such as Au, Pt, and In.

特開平10−228914号公報JP-A-10-228914 特開平8−180883号公報JP-A-8-180883 特公平7−62194号公報Japanese Patent Publication No. 7-62194 特公昭64−1546号公報Japanese Patent Publication No. 64-1546 特開平10−317118号公報JP-A-10-317118 特許第4388503号公報Japanese Patent No. 4388503 特開2009−161816号公報JP 2009-161816 A 特許第4605514号公報Japanese Patent No. 4605514 特許第5123910号公報Japanese Patent No. 5123910 特許第5385038号公報Japanese Patent No. 5385038 特許第5400824号公報Japanese Patent No. 5400824 特許第5427154号公報Japanese Patent No. 5427154 特許第5444182号公報Japanese Patent No. 5444182 特許第5654933号公報Japanese Patent No. 5654933 特開平9−25522号公報JP-A-9-25522 特許第2651945号公報Japanese Patent No. 2651945 特許第5512553号公報Japanese Patent No. 5512553

セパレータの接触抵抗を低減する等の目的で、燃料電池に組み込む前のセパレータに表面改質処理を施すことがある。表面改質処理の例として、セパレータの表面に導電性が高い表面改質層を形成するためのスパッタリング処理が挙げられる。   For the purpose of reducing the contact resistance of the separator, the separator may be subjected to a surface modification treatment before being incorporated into the fuel cell. As an example of the surface modification treatment, there is a sputtering treatment for forming a surface modification layer having high conductivity on the surface of the separator.

特許文献1〜17に開示された材料は、いずれも、このような表面改質処理が施されることを前提としたものではない。これらの材料に表面改質処理を施すと、処理雰囲気中の酸素により、材料の表面が酸化するとともに、表面改質層に酸素が取り込まれる。これにより、表面改質層が形成された材料の接触抵抗は、十分に低くならない。   None of the materials disclosed in Patent Documents 1 to 17 is based on the assumption that such a surface modification treatment is performed. When a surface modification treatment is performed on these materials, the surface of the materials is oxidized by oxygen in the treatment atmosphere, and oxygen is taken into the surface modification layer. As a result, the contact resistance of the material on which the surface modification layer is formed does not become sufficiently low.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、表面改質処理時に、基材表面の酸化、および表面改質層への酸素の導入を抑制することができるチタン製の基材を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、酸素の導入が抑制された表面改質層を備え、基材表面の酸化が抑制されたチタン材、および、このチタン材を備えた固体高分子形燃料電池用セル部材を提供することである。
The present invention has been made in view of such a problem, and a titanium substrate that can suppress oxidation of the substrate surface and introduction of oxygen into the surface modified layer during the surface modification treatment. The purpose is to provide.
Another object of the present invention is to provide a titanium material having a surface modified layer in which the introduction of oxygen is suppressed, in which oxidation of the substrate surface is suppressed, and a cell for a polymer electrolyte fuel cell comprising the titanium material. It is to provide a member.

本発明は、下記(A)の基材、下記(B)および(C)のチタン材、ならびに下記(D)の固体高分子形燃料電池用セル部材を要旨とする。   The gist of the present invention is a base material of the following (A), a titanium material of the following (B) and (C), and a cell member for a polymer electrolyte fuel cell of the following (D).

(A)質量%または質量ppmで、
Fe:0.010%以上0.100%以下、
O:0.005%以上0.110%以下、および
Al:1ppmを超え0.500%以下
を含有し、残部が、Tiおよび不純物からなり、
前記不純物が、
C:0.015%以下、
N:0.001%以上0.020%以下、および
H:0.015%以下
を含む、チタン材。
このチタン材は、Tiの一部に代えて、0.25%以下の貴金属を含有してもよい。
(A) In mass% or mass ppm,
Fe: 0.010% or more and 0.100% or less,
O: 0.005% or more and 0.110% or less, and Al: more than 1 ppm and 0.500% or less, with the balance being Ti and impurities,
The impurity is
C: 0.015% or less,
A titanium material containing N: 0.001% or more and 0.020% or less, and H: 0.015% or less.
This titanium material may contain no more than 0.25% of a noble metal instead of part of Ti.

(B)前記(A)の基材と、
前記基材の表面に形成された表面改質層と、
を含み、
前記表面改質層は、Al系酸化物を含み、Al系酸化物中に分散した、Ti炭化物およびTi炭窒化物の少なくとも1種を含む、チタン材。
(B) the base material of (A),
A surface-modified layer formed on the surface of the base material,
Including
The titanium material, wherein the surface-modified layer includes an Al-based oxide and includes at least one of Ti carbide and Ti carbonitride dispersed in the Al-based oxide.

(C)前記(A)の基材と、
前記基材の表面に形成された表面改質層と、
を含み、
前記表面改質層は、Ti炭化物およびTi炭窒化物の少なくとも1種を主体とする、チタン材。
(C) the base material of (A),
A surface-modified layer formed on the surface of the base material,
Including
The surface modified layer is a titanium material mainly composed of at least one of Ti carbide and Ti carbonitride.

(D)前記(B)または前記(C)のチタン材を備えた、固体高分子形燃料電池用セル部材。 (D) A cell member for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the titanium material of (B) or (C).

本発明の基材は、Tiを主体とし、Alを含有する。このため、この基材に対して、表面改質処理としてのスパッタリング処理を施すと、AlイオンとTiイオンとを含むプラズマが生じる。Alイオンは、Tiイオンよりも、Oとの親和力が強いので、スパッタリング雰囲気中のO(Oイオン)は、TiイオンよりもAlイオンと優先的に結合し、Al酸化物の蒸気となる。これにより、基材表面が酸化されることを抑制できるとともに、スパッタリングにより形成される表面改質層にOが導入されることを抑制できる。   The base material of the present invention is mainly composed of Ti and contains Al. Therefore, when the substrate is subjected to a sputtering process as a surface modification process, a plasma containing Al ions and Ti ions is generated. Since Al ions have a higher affinity for O than Ti ions, O (O ions) in the sputtering atmosphere is bonded to Al ions preferentially over Ti ions, and becomes Al oxide vapor. Thereby, while being able to suppress that a base-material surface is oxidized, it can suppress that O is introduce | transduced into the surface modification layer formed by sputtering.

本発明のチタン材は、酸化が抑制された表面改質層を備えているとともに、基材表面の酸化が抑制されている。また、本発明の固体高分子形燃料電池用セル部材は、本発明のチタン材を備えている。このため、このチタン材、およびセル部材は、接触抵抗が低い。   The titanium material of the present invention has a surface modified layer in which oxidation is suppressed, and oxidation of the substrate surface is suppressed. The cell member for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the titanium material of the present invention. Therefore, the titanium material and the cell member have low contact resistance.

また、本発明の基材が貴金属を含有していない場合、導電性に優れた表面改質層が基材上に形成されたチタン材を、低コストで製造することができる。一方、本発明の基材が貴金属を含有している場合、本発明の基材、チタン材、およびセル部材は、高い耐食性を有する。   When the base material of the present invention does not contain a noble metal, a titanium material having a surface-modified layer having excellent conductivity formed on the base material can be manufactured at low cost. On the other hand, when the substrate of the present invention contains a noble metal, the substrate, the titanium material, and the cell member of the present invention have high corrosion resistance.

図1Aは、燃料電池全体の斜視図である。FIG. 1A is a perspective view of the entire fuel cell. 図1Bは、燃料電池セルの分解斜視図である。FIG. 1B is an exploded perspective view of the fuel cell unit.

本発明者は、耐食性に優れた金属セパレータについて検討してきた。その際、固体高分子形燃料電池のセパレータとして長時間使用しても、セパレータ表面からの金属の溶出量が極めて少ない、金属セパレータ材料を見出すことを目標とした。このような金属セパレータを用いることにより、MEAの金属イオンによる汚染はほとんど進行せず、触媒性能の低下、および高分子膜性能の低下は生じ難い。   The present inventors have studied metal separators having excellent corrosion resistance. At that time, the goal was to find a metal separator material in which the amount of metal eluted from the separator surface was extremely small even when used as a separator for a polymer electrolyte fuel cell for a long time. By using such a metal separator, contamination of the MEA with metal ions hardly progresses, and a decrease in catalytic performance and a decrease in polymer membrane performance hardly occur.

セパレータ用として検討した金属は、汎用のSUS304、およびSUS316L、それらの金めっき処理材、M2BまたはM23C6型導電性金属析出物分散型ステンレス材、導電性微粒粉塗布または塗装処理をしたステンレス材、表面改質処理をしたステンレス材、ならびにチタン材であった。検討の結果、以下の知見を得た。   Metals studied for the separator include general-purpose SUS304 and SUS316L, their gold-plated materials, M2B or M23C6 type conductive metal precipitate-dispersed stainless steel materials, stainless steel materials coated or coated with conductive fine powder, and surfaces. It was a modified stainless steel material and a titanium material. As a result of the study, the following findings were obtained.

ステンレス鋼は、量産性に優れ、耐食性と加工性とを兼ね備えた材料であり、この点で、固体高分子形燃料電池のセル部材用材料として、候補になり得る。しかし、ステンレス鋼を用いた燃料電池では、その構造、または運転および休止の制御の巧拙によって、金属イオンの溶出の程度が異なる。金属イオンが溶出し易い条件では、ステンレス鋼表面が不動態に保持されていても、ステンレス鋼からの金属イオンの溶出が徐々に進行し、固体高分子膜、および触媒に、回復不可能なダメージを与えることがある。この場合、固体高分子形燃料電池の性能が大きく低下する。   Stainless steel is a material having excellent mass productivity and having both corrosion resistance and workability. In this regard, stainless steel can be a candidate as a material for a cell member of a polymer electrolyte fuel cell. However, in a fuel cell using stainless steel, the degree of elution of metal ions varies depending on the structure or the skill of controlling operation and suspension. Under conditions where metal ions are easily eluted, even if the stainless steel surface is kept in a passive state, metal ions are gradually eluted from the stainless steel, and irreparable damage is caused to the solid polymer film and the catalyst. May be given. In this case, the performance of the polymer electrolyte fuel cell is greatly reduced.

チタンは、非常に高価な材料であるが、市販の高耐食金属材料の中では、固体高分子形燃料電池内の環境にあっても、ほとんど金属の溶出を生じない数少ない材料のひとつである。すなわち、チタン製のセパレータは、燃料電池の構造、または運転および休止の制御の巧拙によって、金属イオンの溶出の程度が影響されない。したがって、仮にコストを無視し耐食性のみを重視すれば、チタンは、固体高分子形燃料電池用セル部材の構成材料として極めて適した材料である。   Titanium is a very expensive material, but is one of the few highly corrosion-resistant metal materials on the market that hardly dissolves metals even in the environment inside a polymer electrolyte fuel cell. That is, in the titanium separator, the degree of elution of metal ions is not affected by the structure of the fuel cell or the control of operation and suspension. Therefore, if cost is ignored and only corrosion resistance is emphasized, titanium is an extremely suitable material as a constituent material of a cell member for a polymer electrolyte fuel cell.

しかし、加工性に関しては、一般に、チタンは、ステンレス鋼に比して劣る。ただし、チタンの加工性は、材料中の微量元素の種類および含有率により大きく変化することが知られている。特に、製造工程において混入する不純物元素であるFe、O、およびNは、チタンの加工性に大きな影響を及ぼす。また、チタン中の微量のHは、割れおよび脆化に大きな影響を及ぼす。しかし、不純物の含有率を下げることと、製造コストを下げることとは、相反する要件である。   However, in terms of workability, titanium is generally inferior to stainless steel. However, it is known that the workability of titanium greatly changes depending on the type and content of trace elements in the material. In particular, Fe, O, and N, which are impurity elements mixed in the manufacturing process, greatly affect the workability of titanium. Further, a small amount of H in titanium has a great effect on cracking and embrittlement. However, lowering the content of impurities and lowering the manufacturing cost are conflicting requirements.

燃料電池は、多数(たとえば、数百個)のセルを積層し締結した状態で使用される。純チタンでは、FeおよびOの含有率が低すぎると、耐力が低くなりすぎて、締結する際の荷重によって、セパレータまたは整流板は座屈することがある。一方、純チタンでは、FeおよびOの含有率が高すぎると、耐力が高くなり過ぎて、プレス成形性、および伸び特性が劣る。   A fuel cell is used in a state where many (for example, several hundred) cells are stacked and fastened. With pure titanium, if the content of Fe and O is too low, the yield strength becomes too low, and the load at the time of fastening may buckle the separator or the rectifying plate. On the other hand, in the case of pure titanium, if the content of Fe and O is too high, the yield strength becomes too high, and press formability and elongation properties are inferior.

スパッタリング処理を行うと、導入ガスのイオンを含む高温のプラズマが生じる。このプラズマには、スパッタリングを行うチャンバ内の水を起源とするOイオンも含まれる。このようなプラズマ中では、チタン材の基材表面がスパッタリング(ボンバード)処理されると同時に、基材上でスパッタリングによる表面改質層の形成とが進行する。その際、基材のAl含有率が1ppm未満と低い場合は、チタン材(基材)表面が酸化するとともに、表面改質層の酸素含有率が増加することがある。   When the sputtering process is performed, high-temperature plasma containing ions of the introduced gas is generated. This plasma also contains O ions originating from water in the chamber where sputtering is performed. In such a plasma, the surface of the titanium material base material is subjected to sputtering (bombarding), and at the same time, the formation of the surface-modified layer by sputtering on the base material proceeds. At that time, when the Al content of the base material is as low as less than 1 ppm, the surface of the titanium material (base material) may be oxidized and the oxygen content of the surface modified layer may increase.

基材のAl含有率、およびスパッタリング条件にもよるが、プラズマ中に基材を起源とするAlイオンの含有率が増加すると、プラズマ中のイオンのうち、最も酸化し易いAlイオンが、Oイオンと優先的に結合してAl2Oなどのアルミ酸化物蒸気となる。このアルミ酸化物蒸気は、装置外に真空排気されるため、基材そのものの表面酸化と、表面改質層にOが導入されることとが抑制される。 Depending on the Al content of the substrate and the sputtering conditions, if the content of Al ions originating from the substrate in the plasma increases, the most easily oxidized Al ions among the plasma ions become O ions. With aluminum oxide vapor such as Al 2 O. Since the aluminum oxide vapor is evacuated to the outside of the apparatus, the surface oxidation of the substrate itself and the introduction of O into the surface modified layer are suppressed.

Al23は絶縁体である。しかし、スパッタリング処理により形成する表面改質層が、アルミ酸化物を主体とする場合であっても、この表面改質層中に、導電性を有するTi炭化物(たとえば、TiC)およびTi炭窒化物(たとえば、TiCN)の少なくとも1種が分散していると、この表面改質層は、導電性を有し得る。 Al 2 O 3 is an insulator. However, even when the surface modified layer formed by the sputtering process is mainly composed of aluminum oxide, conductive Ti carbide (for example, TiC) and Ti carbonitride are included in the surface modified layer. When at least one of (for example, TiCN) is dispersed, the surface modified layer may have conductivity.

さらに、Ti炭化物、およびTi炭窒化物の少なくとも1種を主体とする表面改質層を形成する場合、基材中のAlにより、プラズマ中のOがアルミ酸化物蒸気として除去されると、表面改質層のO含有率が下がる。この場合、この表面改質層の導電性が、顕著に向上する。これは、導電性に劣るチタン酸化物の割合が低下するためである。   Further, in the case where a surface modified layer mainly composed of at least one of Ti carbide and Ti carbonitride is formed, when O in the plasma is removed as aluminum oxide vapor by Al in the base material, the surface is deteriorated. The O content of the modified layer decreases. In this case, the conductivity of the surface-modified layer is significantly improved. This is because the ratio of titanium oxide having poor conductivity is reduced.

本発明は、これらの知見と独自の技術的思想とにより得られたものである。
上述のように、本発明の基材は、質量%、または質量ppmで、Fe:0.010%以上0.100%以下、O:0.005%以上0.110%以下、およびAl:1ppmを超え0.500%以下を含有し、残部が、Tiおよび不純物からなる。不純物は、C:0.015%以下、N:0.001%以上0.020%以下、およびH:0.015%以下を含む。
The present invention has been obtained based on these findings and a unique technical idea.
As described above, the base material of the present invention contains, by mass% or mass ppm, Fe: 0.010% to 0.100%, O: 0.005% to 0.110%, and Al: 1 ppm And at most 0.500%, with the balance being Ti and impurities. The impurities include C: 0.015% or less, N: 0.001% or more and 0.020% or less, and H: 0.015% or less.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。以下の記載で、特に断りがない限り、化学組成について、「%」は、いずれも質量%であり、「ppm」は、いずれも質量ppmである。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. In the following description, unless otherwise specified, all “%” are mass% and “ppm” are mass ppm in chemical compositions.

[本発明の基材]
本発明の基材において必須の元素は、Ti、Fe、O、およびAlである。この基材は、任意元素として、貴金属を含有してもよい。以下、各元素について説明する。
[Base material of the present invention]
The essential elements in the substrate of the present invention are Ti, Fe, O, and Al. This base material may contain a noble metal as an optional element. Hereinafter, each element will be described.

Fe:0.010%以上0.100%以下
Feは、チタンには、一般に、不純物として含有されるが、本発明の基材においては、有効に活用する添加元素(調整元素)である。基材中において、Feは、β相安定化元素であり、一部は、α相に固溶するが、多くはβ相を形成し、さらに、熱処理条件によっては、金属間化合物であるTiFeとして析出して、結晶粒成長を抑える働きをする。Fe含有率とO含有率とを調整することにより、この基材の延性低下を抑制しつつ耐力を高めることができる。また、結晶粒成長を抑えることにより、切断加工または打ち抜き穴形成時のバリの発生を抑制して、金型の損耗を低減する効果も期待できる。
Fe: 0.010% or more and 0.100% or less Fe is generally contained as an impurity in titanium, but is an additive element (adjusting element) that is effectively used in the base material of the present invention. In the base material, Fe is a β-phase stabilizing element, and partly forms a solid solution with the α-phase, but mostly forms a β-phase. It precipitates and acts to suppress crystal grain growth. By adjusting the Fe content and the O content, the yield strength can be increased while suppressing the decrease in ductility of the substrate. Further, by suppressing the growth of crystal grains, it is possible to suppress the occurrence of burrs at the time of cutting or forming a punched hole, and to expect an effect of reducing the wear of the mold.

ただし、Fe含有率が0.100%を超えて高くなると、基材中のO含有率を低くしても成形性が確保できなくなる。一方、Fe含有率を0.010%未満とすると耐力が下がり過ぎて軟質となり、座屈し易くなるばかりでなく、Fe含有率を低減できる原料を確保することが困難となり、工業的規模での低コスト安定量産が難しくなる。このため、本発明の基材では、Fe含有率について、下限を0.010%とし、上限を0.100%とする。Fe含有率は、好ましくは、0.020%以上0.100%以下であり、さらに好ましくは、0.030%以上0.100%以下である。   However, if the Fe content is higher than 0.100%, the moldability cannot be ensured even if the O content in the base material is reduced. On the other hand, if the Fe content is less than 0.010%, the yield strength becomes too low, the material becomes soft, and it becomes easy to buckle. In addition, it becomes difficult to secure a raw material capable of reducing the Fe content. Cost stable mass production becomes difficult. Therefore, in the base material of the present invention, the lower limit of the Fe content is set to 0.010%, and the upper limit is set to 0.100%. The Fe content is preferably 0.020% or more and 0.100% or less, and more preferably 0.030% or more and 0.100% or less.

O(酸素):0.005%以上0.110%以下
Oは、チタンには、一般に、不純物として含有されるが、本発明の基材においては、有効に活用する添加元素である。本発明の基材の主たる用途として想定している固体高分子形燃料電池のセル部材には、以下の特性を同時に備えることが求められる。
・量産性に優れること
・安価であること
・耐食性に優れること
・セル部材として加工するに際しての成形性がよい(たとえば、反り、およびバリが生じ難い)こと
・セル部材に加工する際に用いる金型の耐久性を十分に高くすることができること
・セルを締結して燃料電池を組み立てる際に座屈し難い材料強度(耐力)を有すること
O (oxygen): 0.005% or more and 0.110% or less O is generally contained as an impurity in titanium, but is an additive element that is effectively utilized in the base material of the present invention. The cell member of the polymer electrolyte fuel cell assumed as a main use of the base material of the present invention is required to have the following characteristics at the same time.
・ Excellent mass productivity ・ Inexpensive ・ Excellent corrosion resistance ・ Good moldability when processing as a cell member (for example, it is unlikely to generate warpage and burrs) ・ Gold used when processing into a cell member The durability of the mold must be sufficiently high. The material must have a material strength (proof strength) that does not easily buckle when the fuel cell is assembled by fastening cells.

このような要求を満たすためには、O含有率を、0.005%以上0.110%以下とすることが必要である。すなわち、O含有率が0.005%未満では材料強度が不十分であり、基材が軟質となるために座屈し易く、かつ、抜き加工に際して局部伸び性が高過ぎてバリが顕著に生じるようになる。また、基材のO含有率を0.005%未満にまで下げると、製造コストが高くなり過ぎて、量産性およびコストの点で、想定する上記用途の材料とはなりえない。一方、O含有率が0.110%を超える場合には、Feなど他の元素の含有率を調整しても、材料強度、および耐力が高くなり過ぎ、かつ伸び性能が劣るようになるため、燃料電池用セル部材の流路を形成するための張出し成形が困難となる。また、O含有率が0.110%を超える場合は、金型の寿命が短くなるために、量産に不向きとなる。O含有率は、0.010%以上0.060%以下とすることが好ましい。   In order to satisfy such requirements, the O content needs to be 0.005% or more and 0.110% or less. That is, if the O content is less than 0.005%, the material strength is insufficient, the base material is soft, and the material tends to buckle, and the local elongation during punching is so high that burrs are remarkably generated. become. On the other hand, if the O content of the base material is reduced to less than 0.005%, the production cost becomes too high, and cannot be a material for the above-mentioned intended use in terms of mass productivity and cost. On the other hand, when the O content exceeds 0.110%, even if the content of other elements such as Fe is adjusted, the material strength and proof stress become too high, and the elongation performance becomes poor. It becomes difficult to form an overhang for forming the flow path of the fuel cell member. On the other hand, when the O content exceeds 0.110%, the life of the mold is shortened, which is not suitable for mass production. The O content is preferably 0.010% or more and 0.060% or less.

Al:1ppmを超え5000ppm以下
本発明の基材においては、Alは積極的に活用する添加元素である。Al含有率は、1ppmを超え5000ppm以下とする。後述のように、本発明の基材を製造する際、溶製時に、Alを脱酸元素として積極的に添加して、基材のO含有率を調整することができる。このような製造方法により、Al含有率が1ppmを超える基材を製造することができる。
Al: more than 1 ppm and not more than 5000 ppm In the base material of the present invention, Al is an additive element that is actively utilized. The Al content is more than 1 ppm and 5000 ppm or less. As described below, when manufacturing the base material of the present invention, the O content of the base material can be adjusted by positively adding Al as a deoxidizing element during melting. By such a manufacturing method, a base material having an Al content exceeding 1 ppm can be manufactured.

また、後述のように、基材に対して表面改質処理を施して表面改質層を形成する際、基材中のAlは、基材表面が酸化することと、表面改質層にOが導入されることとを抑制する働きをする。Al含有率が1ppm未満では、この効果が得られない。Al含有率は、好ましくは、3ppmを超えるものとし、さらに好ましくは、5ppmを超えるものとする。   In addition, as described later, when a surface modification treatment is performed on a substrate to form a surface modification layer, Al in the substrate causes oxidation of the substrate surface and O Acts to suppress the introduction of If the Al content is less than 1 ppm, this effect cannot be obtained. The Al content preferably exceeds 3 ppm, and more preferably exceeds 5 ppm.

また、Al含有率が5000ppmを超える場合は、プレス等の加工によりセル部材を成形する成形性と、セル部材としての耐食性が低くなる。特に、板状のセル部材の端面には、表面改質層が実質的に形成されず、基材が露出するので、基材のAl含有率が5000ppmを超えると、この端面での耐食性が確保できなくなる。Al含有率は、好ましくは、1000ppm以下とし、さらに好ましくは、100ppm以下とする。   If the Al content exceeds 5000 ppm, the moldability of forming the cell member by processing such as pressing and the corrosion resistance of the cell member will be low. In particular, since the surface-modified layer is not substantially formed on the end face of the plate-shaped cell member and the base material is exposed, when the Al content of the base material exceeds 5000 ppm, the corrosion resistance at this end face is secured. become unable. The Al content is preferably 1000 ppm or less, more preferably 100 ppm or less.

基材のAl含有率は、JIS H 1632−2に規格化されているチタン−ICP発光分光分析方法により定量分析することができる。10ppm未満の含有率については、グロー放電質量分析により定量分析することができる。これにより、0.01ppmの精度で分析することができる。測定装置として、たとえば、FI ELEMENT社製 VG9000を用いることができる。   The Al content of the substrate can be quantitatively analyzed by a titanium-ICP emission spectral analysis method standardized in JIS H 1632-2. The content of less than 10 ppm can be quantitatively analyzed by glow discharge mass spectrometry. Thereby, analysis can be performed with an accuracy of 0.01 ppm. As the measuring device, for example, VG9000 manufactured by FI ELEMENT can be used.

以下、不純物元素について説明する。
C:0.015%以下(0%を含む)
本発明の基材においては、Cは不純物である。基材の表面には、圧延工程で使用する圧延油からの汚染によりCが付着し易い。基材の表層にCが存在することにより、焼鈍工程で、基材表面に、TiC、またはTiCNが生成する。TiC、およびTiCNは、いずれも、高硬度の金属間化合物であり、基材の加工に用いる金型の損傷を早める原因となる。このため、C含有率は、0.015%以下(0%を含む)とする。C含有率は、0.010%以下とすることがより好ましい。
Hereinafter, the impurity elements will be described.
C: 0.015% or less (including 0%)
In the substrate of the present invention, C is an impurity. C easily adheres to the surface of the base material due to contamination from the rolling oil used in the rolling process. Due to the presence of C in the surface layer of the substrate, TiC or TiCN is generated on the surface of the substrate in the annealing step. Both TiC and TiCN are high-hardness intermetallic compounds, and may cause damage to a mold used for processing a base material earlier. For this reason, the C content is set to 0.015% or less (including 0%). More preferably, the C content is 0.010% or less.

N:0.001%以上0.020%以下
本発明の基材においては、Nは不純物である。焼鈍工程で、雰囲気からNを吸収することで、基材のN含有率は高くなり易く、この場合、TiNが生成する。TiNは、高硬度の金属間化合物であり、金型の損傷を早める原因となる。このため、N含有率は、0.001%以上0.020%以下とする。N含有率は、0.015%以下とすることが好ましく、0.010%以下とすることがより好ましい。
N: 0.001% or more and 0.020% or less In the substrate of the present invention, N is an impurity. By absorbing N from the atmosphere in the annealing step, the N content of the base material tends to increase, and in this case, TiN is generated. TiN is a high-hardness intermetallic compound, which causes damage to a mold earlier. Therefore, the N content is set to 0.001% or more and 0.020% or less. The N content is preferably 0.015% or less, more preferably 0.010% or less.

H:0.015%以下
本発明の基材においては、Hは不純物である。Hは、基材の製造工程での酸洗、焼鈍、必要に応じて実施される電解処理などにより、不可避的に基材に吸収される。Hは、基材の水素脆化、および水素割れの原因になる。このため、H含有率は、0.015%以下とし、好ましくは、0.010%以下とする。
H: 0.015% or less In the substrate of the present invention, H is an impurity. H is inevitably absorbed by the substrate due to pickling, annealing, and electrolytic treatment as necessary in the substrate manufacturing process. H causes hydrogen embrittlement and hydrogen cracking of the substrate. For this reason, the H content is set to 0.015% or less, and preferably 0.010% or less.

その他の不純物:Ca
本発明の基材は、不純物として、Caを数ppm含むことがある。後述の製造方法で、チタン溶湯に添加するAl源として、Al外装−CaCl2内装のコアードワイヤーを用いた場合には、得られた基材は、不純物として、Caを含有する。Caも、Alと同様に、Oとの結合力がTiより強く、かつCa酸化物は、蒸気圧が高いので、高温のチタン溶湯から除去され易い。このため、多くの場合、Caが、基材に、10ppmを超えて残留することはない。
Other impurities: Ca
The substrate of the present invention may contain Ca as an impurity in several ppm. In the case where a cored wire having an Al exterior and a CaCl 2 interior is used as an Al source to be added to the molten titanium in a production method described later, the obtained base material contains Ca as an impurity. Like Al, Ca also has a stronger bonding force with O than Ti, and Ca oxide has a high vapor pressure, so that it is easily removed from the high-temperature molten titanium. For this reason, in many cases, Ca does not remain on the substrate in excess of 10 ppm.

貴金属:0.25%以下
貴金属は、本発明の基材においては、必須添加元素ではないが、耐食性および電気的接触抵抗性能を向上させるために、Tiの一部に代えて、貴金属を含有させてもよい。ここで、貴金属とは、Au、Ag、Pt、Pd、およびRuの1種以上である。0.25%を超えて貴金属を含有させると、材料コストの上昇が無視できなくなる。このため、本発明の基材が貴金属を含有する場合は、その含有率は、0.25%以下とする。
Noble metal: 0.25% or less Noble metal is not an essential additive element in the base material of the present invention. However, in order to improve corrosion resistance and electrical contact resistance performance, noble metal is contained instead of part of Ti. You may. Here, the noble metal is at least one of Au, Ag, Pt, Pd, and Ru. If the precious metal content exceeds 0.25%, the increase in material cost cannot be ignored. For this reason, when the substrate of the present invention contains a noble metal, its content is set to 0.25% or less.

参考例として、本願発明の基材に、希土類元素を含有させた場合について考える。希土類元素は、Oとの結合力が非常に強いので、基材に希土類元素を含有させることは、基材中のOを固定するのに有効である。このような基材を製造する場合、希土類元素は、チタン溶湯に添加してもよい。この場合、希土類元素をチタン溶湯中に残るOと反応させて、微細な希土類元素の酸化物を形成させ、基材の結晶粒微細化を制御することができる。ただし、希土類元素の酸化物の蒸気圧は低いので、気相(蒸気)脱酸が進行することは期待できない。希土類元素は、希土類元素を内装するAlコアードワイヤーとして添加してもよい。   As a reference example, a case where a rare earth element is contained in the base material of the present invention will be considered. Since the rare earth element has a very strong bonding force with O, the inclusion of the rare earth element in the base material is effective for fixing O in the base material. When manufacturing such a base material, the rare earth element may be added to the molten titanium. In this case, the rare earth element is reacted with O remaining in the molten titanium to form a fine oxide of the rare earth element, thereby making it possible to control the crystal grain refinement of the base material. However, since the vapor pressure of the rare earth element oxide is low, it is not expected that gas phase (vapor) deoxidation will proceed. The rare earth element may be added as an Al cored wire containing the rare earth element.

[本発明の基材を製造する方法]
チタン製の基材は、鉄鋼材料のように酸化物系耐火物を内張りした溶解炉またはるつぼ中で溶解、精練して得ることは難しい。これは、Tiが非常にOと結合し易いために真空または不活性ガス雰囲気下で溶製されること、およびこのような雰囲気中では酸化物系耐火物はTiにより還元され易く溶損を受けることによる。このため、チタン製の基材は、通常、水冷銅モールドを用いて原料を溶解することにより得られる。
[Method for producing the substrate of the present invention]
It is difficult to obtain a titanium base material by melting and scouring it in a melting furnace or crucible lined with an oxide refractory such as a steel material. This is because Ti is very easily combined with O and is melted under a vacuum or an inert gas atmosphere. In such an atmosphere, an oxide-based refractory is easily reduced by Ti and suffers erosion. It depends. For this reason, the titanium base material is usually obtained by dissolving the raw materials using a water-cooled copper mold.

基材の原料となるチタンインゴットを溶製する方法としては、加熱方式が異なる様々な特殊溶解技術が開発されてきている。現在の溶製法の主流は、真空アーク溶解(VAR:Vacuum Arc Remelting)法、プラズマアーク溶解法(PAM:Plasma Arc Melting)、真空誘導溶解(VIM:Vacuum Induction Melting)法、および電子ビーム溶解(EBM:Electron Beam Melting)法である。   As a method of melting titanium ingot as a raw material of a base material, various special melting techniques with different heating methods have been developed. The current mainstream of the melting method is a vacuum arc melting (VAR) method, a plasma arc melting method (PAM), a vacuum induction melting (VIM) method, and an electron beam melting (EBM) method. : Electron Beam Melting) method.

本発明の基材は、自動車に搭載する固体高分子形燃料電池用の材料として、将来的に大量に製造されることを想定している。この点で、上述の溶製法のうち、チタンスクラップ、およびリターン屑を大量に使用することができるEBM法により溶製することが好ましい。特に、大量のスクラップ、およびリターン屑を含む溶解原料を、連続的、または半連続的に火点(溶融した金属(溶湯)の表面において電子ビームが入射する部分)に供給しながら、連続的にビレットに造塊する溶解方式、たとえば、樋方式EBM法が、最も好ましい方式である。   The base material of the present invention is assumed to be produced in large quantities in the future as a material for a polymer electrolyte fuel cell mounted on an automobile. From this point, it is preferable to use the EBM method which can use a large amount of titanium scrap and return waste among the above-mentioned melting methods. In particular, the molten raw material including a large amount of scrap and return debris is continuously or semi-continuously supplied to a fire point (a portion of the surface of a molten metal (molten metal) where an electron beam is incident), and continuously. The most preferred method is a dissolving method in which an ingot is formed into a billet, for example, a gutter method EBM method.

チタン中のOは熱力学的に安定であって、これを除去することは非常に困難である。火点における溶湯温度は、2000℃を超える高温であり、この部分では、通常、Tiの蒸発分だけOが濃縮し、OをTiの酸化物蒸気として脱酸することは、熱力学的に困難である。本発明者は、チタンの溶湯からの脱酸方法として、COガスとしての脱酸、Si酸化物蒸気としての脱酸、Al酸化物蒸気としての脱酸などを検討した。その結果、チタン溶湯中のOを除去できる最も有効な手段は、Alを添加してAl2O蒸気として脱酸することと結論した。 O in titanium is thermodynamically stable and it is very difficult to remove it. The temperature of the molten metal at the flash point is a high temperature exceeding 2000 ° C., and in this portion, it is generally thermodynamically difficult to concentrate O by the amount of evaporation of Ti and deoxidize O as Ti oxide vapor. It is. The present inventor has studied deoxidation of titanium from a molten metal, such as deoxidation as CO gas, deoxidation as Si oxide vapor, and deoxidation as Al oxide vapor. As a result, it was concluded that the most effective means for removing O in the molten titanium is to add Al and deoxidize it as Al 2 O vapor.

EBM法により溶製する場合、たとえば、チタン溶湯にAl源を投入し、チタン溶湯中で、AlをOと反応させて、チタン溶湯表面からAlの酸化物蒸気としてOを除去することができる。電子ビーム溶解を行うチャンバ内の真空度の値を採用して熱力学計算すると、溶湯温度が2000℃を超える溶湯表面からは、Al酸化物ガス(Al2Oと考えられる。)として気化する。この溶湯からは、金属Tiも気化するが、Al酸化物ガスの方が、蒸気圧が二桁程度高く、チャンバから排気されるガスの大部分はAl酸化物ガスとなる。 In the case of smelting by the EBM method, for example, an Al source is introduced into the molten titanium, Al is reacted with O in the molten titanium, and O can be removed from the surface of the molten titanium as Al oxide vapor. According to the thermodynamic calculation using the value of the degree of vacuum in the chamber in which the electron beam melting is performed, the surface of the molten metal whose temperature exceeds 2000 ° C. is vaporized as an Al oxide gas (considered to be Al 2 O). From this molten metal, the metal Ti is also vaporized, but the vapor pressure of the Al oxide gas is about two orders of magnitude higher, and most of the gas exhausted from the chamber is the Al oxide gas.

また、火点近傍は、大電流の電子ビームの磁界により、溶湯の高速回転(撹拌)が生じており、溶湯表面の更新速度が非常に大きくなっている。以上の要因により、チャンバ内を減圧することにより、火点およびその近傍では、Al気相脱酸が効率よく進行する。   In the vicinity of the fire point, the high-speed rotation (stirring) of the molten metal occurs due to the magnetic field of the high-current electron beam, and the renewal speed of the molten metal surface is extremely high. By reducing the pressure in the chamber due to the above factors, Al gas phase deoxidation proceeds efficiently at and around the flash point.

チタン溶湯全体のAl濃度を高めるのではなく、火点およびその近傍付近のみでAl濃度を高くすることにより、添加したAlを、Al酸化物の蒸発、すなわち、脱酸に効率的に寄与させることができる。このためには、Al源は、溶解槽にチタン溶解原料と同時には装入せず、火点、およびその周囲の溶融プール部に、直接かつ連続的に投入して、Al濃度が火点およびその近傍のみで高くなるようにすることが好ましい。   Rather than increasing the Al concentration of the entire titanium melt, by increasing the Al concentration only at and around the flash point, the added Al can efficiently contribute to the evaporation of Al oxide, that is, deoxidation. Can be. For this purpose, the Al source is not charged into the melting tank at the same time as the titanium-dissolving raw material, but is directly and continuously charged into the flash point and the surrounding molten pool, so that the Al concentration is reduced to the flash point and It is preferable that the height be increased only in the vicinity thereof.

一方、溶湯表面において火点から離れた1500℃以下の部分では、Al酸化物の蒸気圧が低いため、Al酸化物の蒸発速度は低く、添加したAlの大部分は溶湯中に留まる。このように、Al酸化物の蒸発速度は、溶湯表面の温度により、したがって、火点からの距離により異なる。このため、チタン溶湯のAl濃度は、Al源の添加位置により制御できる。また、チタン溶湯のAl濃度は、Al添加量、および溶解槽内の真空度によっても調整することができる。   On the other hand, at a temperature of 1500 ° C. or lower on the surface of the molten metal, which is far from the fire point, the vapor pressure of the Al oxide is low, so the evaporation rate of the Al oxide is low, and most of the added Al remains in the molten metal. As described above, the evaporation rate of the Al oxide varies depending on the temperature of the surface of the molten metal, and therefore, depending on the distance from the fire point. For this reason, the Al concentration of the molten titanium can be controlled by the addition position of the Al source. The Al concentration of the molten titanium can also be adjusted by the amount of Al added and the degree of vacuum in the melting tank.

Al源としては、たとえば、アルミニウムショット、アルミニウムワイヤー、Al外装/CaCl2内装のコアードワイヤーを用いることができる。ワイヤー形態のAl源は、たとえば、ワイヤー自動送り装置を用いて溶湯中に直接投入することができる。 As the Al source, for example, an aluminum shot, an aluminum wire, or a cored wire having an Al exterior / CaCl 2 interior can be used. The Al source in the form of a wire can be directly charged into the molten metal using, for example, an automatic wire feeder.

本発明の基材は、上記の方法以外の方法でも製造できる。たとえば、Alを、追加投入するチタンスクラップ溶解原料と同時に添加してもよい。   The substrate of the present invention can be produced by a method other than the above method. For example, Al may be added at the same time as the titanium scrap melting raw material to be additionally charged.

[本発明のチタン材]
本発明のチタン材は、上述のように、本発明の基材と、このチタン材の表面に形成された表面改質層とを含む。
[Titanium material of the present invention]
As described above, the titanium material of the present invention includes the base material of the present invention and a surface modified layer formed on the surface of the titanium material.

表面改質層は、Al系酸化物を含み、Al系酸化物中に分散したTi炭化物およびTi炭窒化物の少なくとも1種(以下、「Ti炭化物等」という。)を含んでもよい。また、表面改質層は、Ti炭化物等を主体としてもよく、この場合、この表面改質層は、Al系酸化物を含んでもよい。ここで、「主体とする」とは、表面改質層に占める割合が、50質量%以上であることをいう。「Al系酸化物」とは、Alの酸化物、およびAlと他の1種以上の金属との複合酸化物をいう。 The surface-modified layer contains an Al-based oxide and may include at least one of Ti carbide and Ti carbonitride dispersed in the Al-based oxide (hereinafter, referred to as “Ti carbide or the like”). The surface modified layer may be mainly composed of Ti carbide or the like, and in this case, the surface modified layer may include an Al-based oxide. Here, “mainly” means that the proportion of the surface modified layer is 50% by mass or more. The “Al-based oxide” refers to an oxide of Al and a composite oxide of Al and one or more other metals.

Ti炭化物およびTi炭窒化物は、いずれも導電性に優れるが、Al系酸化物は導電性に劣る。このため、表面改質層が、Al系酸化物を主体とし、Al系酸化物中に分散したTi炭化物等を含む場合は、表面改質層の導電性は、Ti炭化物等により得られる。表面改質層が、Al系酸化物、およびTi炭化物等を含む場合、表面改質層に占めるTi炭化物等の割合が大きいほど、また、表面改質層に占めるAl系酸化物の割合が小さいほど、表面改質層の導電性は高くなる。表面改質層のO含有率は、29%未満であることが好ましく、25%未満であることが、より好ましく、20%未満であることが、さらに好ましい。   Both Ti carbide and Ti carbonitride have excellent conductivity, but Al-based oxides have poor conductivity. Therefore, when the surface-modified layer is mainly composed of an Al-based oxide and contains Ti carbide or the like dispersed in the Al-based oxide, the conductivity of the surface-modified layer is obtained by Ti carbide or the like. When the surface-modified layer contains an Al-based oxide and Ti carbide, the larger the proportion of the Ti-based carbide and the like in the surface-modified layer, and the smaller the proportion of the Al-based oxide in the surface-modified layer The higher the conductivity of the surface modified layer, the higher the conductivity. The O content of the surface-modified layer is preferably less than 29%, more preferably less than 25%, even more preferably less than 20%.

表面改質層には、非晶質C(炭素)が含まれてもよい。表面改質層中の非晶質Cは、このチタン材を含むセル部材の性能に、悪影響を与えることはなく、むしろ、高い導電性を得る点で、好ましいことが多い。   The surface modification layer may include amorphous C (carbon). Amorphous C in the surface-modified layer does not adversely affect the performance of the cell member containing the titanium material, but is rather preferable in that high conductivity is obtained.

Al系酸化物を含み、Al系酸化物中に分散したTi炭化物等を含む表面改質層、またはTi炭化物等を主体とする表面改質層により、固体高分子形燃料電池環境でのチタン材の耐食性を高くすることができる。 A titanium material in a polymer electrolyte fuel cell environment by a surface-modified layer containing an Al-based oxide and containing Ti carbide or the like dispersed in the Al-based oxide or a surface-modified layer mainly containing Ti carbide or the like Can have high corrosion resistance.

表面改質層がスパッタリング処理により形成したものである場合、表面改質層中のAl系酸化物は、基材に含有されるAlを起源として形成されAl系酸化物が、表面改質層中に残留した不純物と捉えることもできる。しかし、このAl系酸化物が表面改質層に存在することにより、この表面改質層を備えたチタン材の燃料電池中での安定性が向上する。すなわち、表面改質層中にAl系酸化物が非常に少ないか、ほとんど存在しない状態では、表面改質層中に、非化学量論組成のTiOx(x<2)が生成する。このTiOxは、燃料電池中では不安定であり、燃料電池の運転中に、導電性に劣る化学量論組成のTiO2に変化する。これにより、表面改質層の導電性が低下して、電池性能の低下をもたらす。非化学量論組成のTi系酸化物の代わりにAl系酸化物が形成される方が、電池性能の低下が生じ難い。 When the surface-modified layer is formed by a sputtering process, the Al-based oxide in the surface-modified layer is formed from Al contained in the base material, and the Al-based oxide is formed in the surface-modified layer. Can also be regarded as impurities remaining in the substrate. However, the presence of the Al-based oxide in the surface-modified layer improves the stability of the titanium material provided with the surface-modified layer in a fuel cell. That is, in a state where the Al-based oxide is very little or hardly present in the surface-modified layer, TiO x (x <2) having a non-stoichiometric composition is generated in the surface-modified layer. This TiO x is unstable in the fuel cell, and changes to TiO 2 having a stoichiometric composition with poor conductivity during operation of the fuel cell. As a result, the conductivity of the surface-modified layer is reduced, and the battery performance is reduced. When an Al-based oxide is formed instead of a Ti-based oxide having a non-stoichiometric composition, the battery performance is less likely to be reduced.

[本発明のチタン材を製造する方法]
以下、本発明のチタン材を製造する方法の一例について説明するが、本発明のチタン材は、そのような方法により製造されたものには限定されない。
[Method for producing titanium material of the present invention]
Hereinafter, an example of a method for producing the titanium material of the present invention will be described, but the titanium material of the present invention is not limited to one produced by such a method.

表面改質処理を行うにあたって、量産性を高くするために、処理時間を短くすることが好ましい。本発明の基材は、たとえば、薄板(箔)状である。この場合、量産時の最終焼鈍処理は、たとえば、チタン素材用に雰囲気を調整した光輝焼鈍処理炉で行われ、基材の表面には、チタンの高温酸化皮膜が形成されている。表面改質処理を行うにあたっては、基材に対する表面改質層の密着性を確保するために、基材の表層にあるチタンの高温酸化皮膜を、完全に除去することが必要である。   In performing the surface modification treatment, it is preferable to shorten the treatment time in order to increase mass productivity. The substrate of the present invention is, for example, a thin plate (foil). In this case, the final annealing at the time of mass production is performed, for example, in a bright annealing furnace whose atmosphere is adjusted for a titanium material, and a high-temperature oxide film of titanium is formed on the surface of the base material. In performing the surface modification treatment, it is necessary to completely remove the high-temperature oxide film of titanium on the surface layer of the substrate in order to ensure the adhesion of the surface modified layer to the substrate.

Arなどのガスイオンプラズマによるボンバード処理により、高温酸化皮膜を除去するには、長時間を要する。したがって、ボンバード処理のみによって、高温酸化皮膜を除去することは、生産効率の上からは避けるべきである。生産効率を高くするために、光輝焼鈍処理後に、専用の酸液処理ラインで、連続的に高温酸化皮膜を溶解して除去することが好ましい。これにより、短時間で、高温酸化皮膜の大部分が除去される。   It takes a long time to remove the high-temperature oxide film by bombarding with a gas ion plasma such as Ar. Therefore, removal of the high-temperature oxide film only by the bombardment treatment should be avoided from the viewpoint of production efficiency. In order to increase the production efficiency, it is preferable to continuously dissolve and remove the high-temperature oxide film in a dedicated acid solution treatment line after the bright annealing treatment. Thereby, most of the high-temperature oxide film is removed in a short time.

高温酸化皮膜の除去に用いる酸液としては、硝ふっ酸などを用いることができる。酸液での処理中、その水洗浄中、その後の乾燥炉(通常、100℃以下に保持される)での乾燥中、および表面改質処理開始までに大気にさらされているときに、基材表面には、水酸化物、または酸化物を主体とする皮膜が形成される。この皮膜の厚さは、数nm〜数十nm程度であり薄い。このため、この皮膜は、ボンバード処理により、短時間、たとえば、数秒か、長くても数分で除去することができる。   As an acid solution used for removing the high-temperature oxide film, nitric hydrofluoric acid or the like can be used. During treatment with an acid solution, during washing with water, during subsequent drying in a drying oven (usually kept at 100 ° C. or lower), and when exposed to the atmosphere before the surface modification treatment starts, A film mainly composed of a hydroxide or an oxide is formed on the surface of the material. The thickness of this film is as thin as several nm to several tens nm. For this reason, this film can be removed by a bombarding process in a short time, for example, several seconds or at most a few minutes.

ボンバード処理でプラズマを生成するためのガスとしては、Arを用いることができ、必要に応じてH2を併用してもよい。Arの原子量が大きいことにより、Arガスを用いたボンバード処理の効果は高い。しかし、TiはOとの親和力が非常に強く、ボンバード処理中でも、処理雰囲気中のOにより、基材の酸化、すなわち、基材表面での酸化皮膜の厚膜化、および基材中へのOの侵入が進行する場合がある。プラズマを生成するためのガスにH2を混合することにより、基材の酸化進行を軽減することができる。ただし、チタンはHを吸収して脆化し易い金属である。基材の表面に酸化皮膜が表面に残留しているボンバード処理初期工程でのみ、H2を併用すれば、基材中へのHの侵入を抑制することができる。 Ar can be used as a gas for generating plasma in the bombarding process, and H 2 may be used in combination as needed. Due to the large atomic weight of Ar, the effect of the bombardment treatment using Ar gas is high. However, Ti has a very strong affinity for O, and during the bombardment treatment, O in the treatment atmosphere oxidizes the base material, that is, increases the thickness of the oxide film on the base material surface, and increases the oxygen content in the base material. Invasion may progress. By mixing H 2 with a gas for generating plasma, the progress of oxidation of the substrate can be reduced. However, titanium is a metal that easily absorbs H and is easily embrittled. If H 2 is used in combination only in the initial step of the bombardment treatment in which the oxide film remains on the surface of the substrate, it is possible to suppress the penetration of H into the substrate.

プラズマを生成するためのガスとして、Ar、またはArおよびH2を採用した場合、ボンバード処理時のチャンバ内の圧力は、1.0×10-2Torr(1.3Pa)以下とすることが好ましい。チャンバ内の圧力が1.0×10-2Torrを超えると、基材表面で酸化チタン皮膜が生成し易くなるとともに、基材内部へOが侵入し易くなる。 When Ar, or Ar and H 2 are used as the gas for generating the plasma, the pressure in the chamber during the bombarding process is preferably set to 1.0 × 10 −2 Torr (1.3 Pa) or less. . When the pressure in the chamber exceeds 1.0 × 10 −2 Torr, a titanium oxide film is easily formed on the surface of the base material, and O easily enters the inside of the base material.

ボンバード処理を施すべき基材は、帯状に成形され、コイルとして巻いた状態で用意されてもよい。帯状の基材に対して連続的にボンバード処理をすると、量産性が格段に高くすることができ、処理コストを著しく低減できる。また、ボンバード処理は、固体高分子形燃料電池用セル部材の形状に成形され、酸液によって表面粗さが調整された後の基材に対して行ってもよい。   The substrate to be subjected to the bombarding process may be formed in a belt shape and prepared in a state of being wound as a coil. When the band-shaped substrate is continuously subjected to the bombardment treatment, mass productivity can be remarkably increased, and the treatment cost can be significantly reduced. Further, the bombardment treatment may be performed on the base material after being formed into the shape of the cell member for a polymer electrolyte fuel cell and having the surface roughness adjusted by an acid solution.

セル部材に成形された後の基材に対して、ボンバード処理を行えば、処理が枚様方式となる。しかし、複数枚の基材を一度に固定できるホルダを用い、このホルダに複数枚の基材を固定した状態で、ホルダ毎に枚様処理を行うことで、処理の手間とコストとを抑えることができる。   If a bombardment treatment is performed on the base material after being formed into the cell member, the treatment becomes a sheet-like method. However, by using a holder that can fix a plurality of base materials at once, and performing the sheet-like processing for each holder in a state where the plurality of base materials are fixed to the holder, processing time and cost can be reduced. Can be.

次に、スパッタリング処理について説明する。上述のように、表面改質層は、導電性が高い物質を含み、スパッタリングにより形成することができる。導電性が高い物質は、たとえば、Ti炭化物(たとえば、TiC)、またはTi炭窒化物(たとえば、TiCN)とすることができる。これらの物質は、C、またはCおよびNを含む雰囲気中でスパッタリングを行うことにより形成できる。   Next, the sputtering process will be described. As described above, the surface modification layer contains a highly conductive substance and can be formed by sputtering. The highly conductive material can be, for example, Ti carbide (eg, TiC) or Ti carbonitride (eg, TiCN). These substances can be formed by sputtering in an atmosphere containing C or an atmosphere containing C and N.

ただし、表面改質層を形成する手段は、スパッタリングに限定されず、たとえば、電子ビームを用いる真空蒸着法を採用してもよい。しかし、表面改質層は、200nm〜3μmと薄いことが必須であり、膜厚を薄く制御し易いスパッタリング法を採用することが好ましい。表面改質層は、HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)により形成してもよい。   However, the means for forming the surface modified layer is not limited to sputtering, and for example, a vacuum deposition method using an electron beam may be employed. However, it is essential that the surface-modified layer be as thin as 200 nm to 3 μm, and it is preferable to employ a sputtering method that is thin and easy to control. The surface modification layer may be formed by HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering).

スパッタリング処理を行う際、スパッタリングターゲット(以下、単に、「ターゲット」ともいう。)を用いてもよく、用いなくてもよい。ターゲットを用いない場合は、基材の表層部をスパッタリングし、この表層部を構成する材料(Ti、Al等)を、金属材料として、基材上に再堆積させることのみによって、組成が制御された表面改質層を形成する。しかし、所望の金属を含むターゲットを付加的に用い、ターゲットに含まれる金属(基材に含まれるものと、同種の金属であってよく、異種の金属であってもよい)を含む表面改質層を形成してもよい。   When performing the sputtering treatment, a sputtering target (hereinafter, also simply referred to as “target”) may or may not be used. When a target is not used, the composition is controlled only by sputtering the surface layer of the base material and redepositing the material (Ti, Al, etc.) constituting the surface layer as a metal material on the base material. To form a modified surface layer. However, a target containing a desired metal is additionally used, and a surface modification including a metal contained in the target (which may be the same kind of metal as that contained in the base material or a different kind of metal). A layer may be formed.

ターゲットとして、たとえば、高純度金属Tiのターゲットを用いて、表面改質層を形成してもよい。所望の特性を有する表面改質層を得るために、ターゲットの純度は、高いほど好ましい。しかし、ターゲットは、純度が高くなるほど、コスト高となる。一般に、ターゲットの純度が、99.98%以上であれば、所望の特性を有する表面改質層を得ることができる。ターゲットは、不純物として、Oとの親和力が強い金属元素、たとえば、Al、Ca、希土類金属などを含有してもよい。この場合、表面改質処理時に、基材の表面、および表面改質層が酸化されることを抑制できる。   For example, a high-purity metal Ti target may be used to form the surface-modified layer. In order to obtain a surface-modified layer having desired characteristics, the purity of the target is preferably as high as possible. However, the higher the purity of the target, the higher the cost. Generally, when the purity of the target is 99.98% or more, a surface-modified layer having desired characteristics can be obtained. The target may contain a metal element having a strong affinity for O, for example, Al, Ca, a rare earth metal, or the like, as an impurity. In this case, the oxidation of the surface of the substrate and the surface modified layer during the surface modification treatment can be suppressed.

この基材に対して、基材表面のスパッタリングを伴う表面改質処理を施すと、スパッタリングにより基材から飛び出したTiイオンおよびAlイオン、あるいはCaイオン、あるいは希土類金属イオンを含むプラズマが生じる。このプラズマを含むスパッタリング雰囲気には、処理に用いるチャンバ内に、不可避的に持ち込まれる水を起源とするOイオンも含まれる。Alイオン、Caイオン、または希土類金属イオンがTiイオンよりもOイオンとの親和力が強いことにより、Oイオンは、Tiイオンよりも、Alイオン、Caイオン、または希土類金属イオンと優先的に反応し、Al2O、CaOなどの金属酸化物を形成する。この金属酸化物の蒸気圧はいずれも高く、スパッタリングの際、処理を行うチャンバ内は、排気により減圧状態に維持されているので、これらの金属酸化物は、蒸気として、チャンバ外に排気される。これにより、プラズマ中のO濃度を下げて、基材表面の酸化と、表面改質層のO含有率の上昇とを抑制することができる。その結果、導電性が高い表面改質層を得ることができるとともに、基材に対する表面改質層の密着性が向上する。 When the surface of the substrate is subjected to a surface modification treatment involving sputtering of the surface of the substrate, a plasma containing Ti ions and Al ions, Ca ions, or rare-earth metal ions, which have jumped out of the substrate by sputtering, is generated. The sputtering atmosphere including the plasma also contains O ions originating from water which are inevitably brought into the chamber used for the processing. Since Al ions, Ca ions, or rare earth metal ions have a stronger affinity for O ions than Ti ions, O ions react preferentially with Al ions, Ca ions, or rare earth metal ions over Ti ions. , Al 2 O, CaO and other metal oxides. Since the vapor pressure of each of these metal oxides is high and the inside of the chamber where the processing is performed during sputtering is kept at a reduced pressure by exhaustion, these metal oxides are exhausted out of the chamber as vapor. . This makes it possible to reduce the O concentration in the plasma and suppress oxidation of the substrate surface and an increase in the O content of the surface modified layer. As a result, a surface modified layer having high conductivity can be obtained, and the adhesion of the surface modified layer to the substrate is improved.

Ti炭化物を含む表面改質層は、スパッタリング処理の際、Cを含有するガスを、反応ガスとして、表面改質処理用のチャンバ内に導入することにより、形成することができる。また、Ti炭窒化物を含む表面改質層は、スパッタリング処理の際、Cを含有するガスと、Nを含有する微量のガスとを、反応ガスとして、同時にチャンバ内に導入することにより、形成することができる。いずれの場合も、Cを含有するガスとして、メタン(CH4)ガス、アセチレン(C22)ガスなどを用いることができる。Nを含有するガスとして、窒素(N2)ガス、アンモニア(NH3)ガスなどを用いることができる。 The surface modification layer containing Ti carbide can be formed by introducing a gas containing C as a reaction gas into a surface modification treatment chamber during the sputtering treatment. Further, the surface modified layer containing Ti carbonitride is formed by simultaneously introducing a gas containing C and a trace amount of gas containing N as a reaction gas into the chamber during the sputtering process. can do. In any case, a methane (CH 4 ) gas, an acetylene (C 2 H 2 ) gas, or the like can be used as the C-containing gas. As the N-containing gas, a nitrogen (N 2 ) gas, an ammonia (NH 3 ) gas, or the like can be used.

Al系酸化物を主体とする表面改質層を形成する場合、Al系酸化物の原料として、本発明の基材に含有されるAlを用いることができる。また、この場合、必要に応じて、さらに、Alターゲットを用いたスパッタリングを、Tiターゲットを用いたスパッタリングと同時並行的に行うか、適切なAl含有率を有するTi−Al合金ターゲットを用いたスパッタリングを行ってもよい。AlターゲットおよびTi−Al合金ターゲットに含有されるAlも、Al系酸化物の原料となる。   When forming a surface-modified layer mainly composed of an Al-based oxide, Al contained in the substrate of the present invention can be used as a raw material of the Al-based oxide. In this case, if necessary, further, sputtering using an Al target is performed simultaneously and in parallel with sputtering using a Ti target, or sputtering using a Ti—Al alloy target having an appropriate Al content. May be performed. Al contained in the Al target and the Ti—Al alloy target is also a raw material of the Al-based oxide.

以上のように、所望の表面改質層、および用いる表面改質処理装置によって、適宜、表面改質処理方法、およびその適用条件を選択することができる。   As described above, the surface modification treatment method and the application conditions can be appropriately selected depending on the desired surface modification layer and the surface modification treatment device to be used.

以上の製造方法により、Alを実質的に含有しない基材を用いた場合には得られない程度にO含有率が低減された表面改質層を形成することができる。   According to the above-described production method, a surface-modified layer having a reduced O content can be formed to such an extent that it cannot be obtained when a substrate substantially not containing Al is used.

[本発明の固体高分子形燃料電池用セル部材]
セル部材は、セパレータ、または整流板である。このセル部材は、上記チタン材を含むので、固体高分子形燃料電池内で、燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4(図1B参照)との接触抵抗は低い。また、このセル部材の表面に表面改質層が存在することにより、固体高分子形燃料電池内での耐食性は高い。
[Cell member for polymer electrolyte fuel cell of the present invention]
The cell member is a separator or a current plate. Since the cell member contains the titanium material, the contact resistance between the fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 (see FIG. 1B) in the polymer electrolyte fuel cell is low. In addition, the presence of the surface modification layer on the surface of the cell member results in high corrosion resistance in the polymer electrolyte fuel cell.

このセル部材は、薄板状の本発明のチタン材(表面改質層が形成された基材)に対して、適宜、張出し成形、打ち抜き加工等の成形加工を施して製造することも可能である。しかし、このセル部材は、薄板状の本発明の基材に対して、適宜、張出し成形、打ち抜き加工等の成形加工を施して、セル部材としての所望の形状を得た後、その表面に表面改質層を形成して製造することが好ましい。表面改質層を形成した後、成形加工を行うと、表面改質層が破損し、セル部材としての適切な特性、たとえば、接触抵抗、耐食性等を確保できなくなるおそれがあり、セル部材としての品質保証が困難になるからである。   This cell member can also be manufactured by appropriately forming a thin plate-shaped titanium material of the present invention (substrate having a surface-modified layer formed thereon) such as stretch forming or punching. . However, this cell member is subjected to forming processing such as overhanging and punching, as appropriate, on the thin plate-shaped base material of the present invention to obtain a desired shape as the cell member, and then the surface is formed on the surface thereof. It is preferable to manufacture by forming a modified layer. If the forming process is performed after the formation of the surface-modified layer, the surface-modified layer is damaged, and appropriate characteristics as the cell member, such as contact resistance and corrosion resistance, may not be able to be secured. This is because quality assurance becomes difficult.

このセル部材は、JIS B 0601−1982で規格化されたRa値で、0.12μm以上4μm以下(好ましくは、3μm以下)の表面粗さを有することが好ましい。チタン材の表面粗さが0.12μm未満であれば、そのチタン材の電気的な接触抵抗が高くなり、固体高分子形燃料電池のセル部材として用いることは困難である。表面粗さを0.12μm以上とすることにより、接触抵抗をある程度低減することが可能である。   This cell member preferably has a surface roughness of 0.12 μm or more and 4 μm or less (preferably 3 μm or less) with a Ra value standardized by JIS B 0601-1982. If the surface roughness of the titanium material is less than 0.12 μm, the electrical contact resistance of the titanium material increases, and it is difficult to use the titanium material as a cell member of a polymer electrolyte fuel cell. By setting the surface roughness to 0.12 μm or more, the contact resistance can be reduced to some extent.

これは、セル部材の表面粗さを粗くすることにより、当該セル部材と、セルの他の構成部材である燃料電極膜および酸化剤電極膜、またはこれらを含むMEAとの接触点数および接触面積が増加するからである。粗さが4μmを超えて大き過ぎても、接触抵抗値は上昇する。これは、セル部材と、セルの当該他の構成部材との接触点数および接触面積が減少するからである。   This is because, by increasing the surface roughness of the cell member, the number of contact points and the contact area between the cell member and the MEA including the fuel electrode film and the oxidant electrode film, which are other components of the cell, or the same. It is because it increases. Even if the roughness exceeds 4 μm, the contact resistance increases. This is because the number of contact points and the contact area between the cell member and the other constituent member of the cell are reduced.

また、セル部材の表面粗さを適切に調整することにより、電池反応により生成した水を、流路を介して排出し易くなる。
セル部材の表面粗さを調整する場合は、成形加工を施した基材に対して、酸液により、表面処理、たとえば、ふっ酸を含む酸液を用いたスプレーエッチング処理または浸漬処理を行う。表面処理の時間が長くなるほど、また、処理に用いる酸液の温度または濃度が高くなるほど、表面粗さは大きくなる傾向がある。処理は、表面改質処理前に行えばよい。
In addition, by appropriately adjusting the surface roughness of the cell member, water generated by the battery reaction can be easily discharged through the channel.
When adjusting the surface roughness of the cell member, the molded substrate is subjected to a surface treatment with an acid solution, for example, a spray etching process or an immersion process using an acid solution containing hydrofluoric acid. The surface roughness tends to increase as the time of the surface treatment increases and as the temperature or concentration of the acid solution used for the treatment increases. The treatment may be performed before the surface modification treatment.

ふっ酸を含む酸液を用いると、基材の表面には、ふっ化チタンが生成する。このふっ化チタンが残存したセル部材を燃料電池に組み込むと、燃料電池の稼働中に、ふっ化チタンが酸化物となり、接触抵抗の上昇を招く。このため、基材を、ふっ酸を含む酸液で処理した後は、この基材に対して、ふっ酸を含まない酸液で処理して、最後の表面粗さ調整を行うことが好ましい。表面改質層の形成は、表面粗さの調整を行った後に行う。   When an acid solution containing hydrofluoric acid is used, titanium fluoride is generated on the surface of the substrate. If the cell member with the remaining titanium fluoride is incorporated into a fuel cell, the titanium fluoride becomes an oxide during the operation of the fuel cell, causing an increase in contact resistance. For this reason, after treating the base material with an acid solution containing hydrofluoric acid, it is preferable that the base material is treated with an acid solution containing no hydrofluoric acid to adjust the final surface roughness. The formation of the surface modified layer is performed after the surface roughness is adjusted.

〈第1の実施例〉
本発明の効果を確認するため、チタン材の基材を作製し、成形性を評価した。表1に、用いた基材の化学組成を示す。
<First embodiment>
In order to confirm the effects of the present invention, a titanium base material was prepared and the moldability was evaluated. Table 1 shows the chemical composition of the base material used.

Figure 0006627367
Figure 0006627367

いずれの基材も、インゴットを加工して、最終的にコイルの形態にしたものであった。インゴットは、真空溶解装置のチャンバ内で、EBM法により、原料を溶解して得た。基材(インゴット)のFe含有率、およびO含有率は、以下の方法により調整した。まず、原料として、第1のスポンジチタン、第2のスポンジチタン、およびリターンスクラップ材を用意した。第1のスポンジチタンのFe含有率およびO含有率は、既知であり、基材についての目標とする値より低かった。第2のスポンジチタンのFe含有率およびO含有率は、既知であり、基材についての目標とする値より高かった。リターンスクラップ材のFe含有率およびO含有率も既知であった。   Each of the substrates was obtained by processing an ingot and finally forming a coil. The ingot was obtained by dissolving the raw materials by the EBM method in a chamber of a vacuum melting apparatus. The Fe content and the O content of the base material (ingot) were adjusted by the following method. First, a first titanium sponge, a second titanium sponge, and a return scrap material were prepared as raw materials. The Fe and O contents of the first titanium sponge were known and lower than the target values for the substrate. The Fe and O contents of the second titanium sponge were known and were higher than the target values for the substrate. The Fe content and the O content of the return scrap material were also known.

第1および第2のスポンジチタンは、クロール法により作製した。そして、第1のスポンジチタンと第2のスポンジチタンとを、EBM法により溶解し、これにより生じた溶湯に、リターンスクラップ材を添加した。溶解した第1のスポンジチタンの量と、添加した第2のスポンジチタン、およびリターンスクラップ材の量との比により、溶湯のFe濃度、およびO濃度を調整した。溶湯のFe濃度は、基材のFe含有率に対応する。   The first and second titanium sponges were produced by the Kroll method. Then, the first titanium sponge and the second titanium sponge were melted by the EBM method, and a return scrap material was added to the resulting molten metal. The Fe concentration and the O concentration of the molten metal were adjusted by the ratio of the amount of the dissolved first sponge titanium to the amount of the added second sponge titanium and the return scrap material. The Fe concentration of the molten metal corresponds to the Fe content of the base material.

溶製中に、真空溶解装置のチャンバ内に設置されたワイヤー添加装置を用いて、適量のアルミニウムワイヤーを溶湯中に投入した。アルミニウムワイヤーは、溶融プールにおいて、火点、およびその近傍の2000℃を超える高温部に、直接投入した。これにより、Al酸化物による気相(蒸発)脱酸を行い、溶湯中のAl濃度、およびO濃度を調整した。このAl濃度、およびO濃度は、基材のAl含有率、およびO含有率にそれぞれ対応する。   During melting, an appropriate amount of aluminum wire was put into the molten metal using a wire addition device installed in a chamber of a vacuum melting device. The aluminum wire was directly charged into the molten pool at the hot spot and in the vicinity of the hot spot exceeding 2000 ° C. Thereby, gas phase (evaporation) deoxidation with Al oxide was performed to adjust the Al concentration and the O concentration in the molten metal. The Al concentration and the O concentration correspond to the Al content and the O content of the substrate, respectively.

溶製後、厚さが200mmで、幅が500mmで、質量が2トンのチタンインゴットを、基材1〜9のそれぞれに対して1本ずつ得た。このインゴットは、基材としてのコイルに対応する組成を有し、表1に示すように、Al含有率は0.53〜5530ppmであり、O含有率は0.031〜0.098%であり、Fe含有率は0.051〜0.095%であった。   After melting, a titanium ingot having a thickness of 200 mm, a width of 500 mm, and a mass of 2 tons was obtained for each of the substrates 1 to 9. This ingot has a composition corresponding to the coil as the base material, and as shown in Table 1, the Al content is 0.53 to 5530 ppm, and the O content is 0.031 to 0.098%. , Fe content was 0.051 to 0.095%.

次に、インゴットの表面を、機械切削した後に、酸化防止剤を塗布し、熱間鍛造により、厚さが55mmで、幅が560mmの熱間圧延用スラブに成形した。鍛造後のスラブは、表面に対して再度削り加工を施して、完全に疵を除去した。続いて、このスラブについて、表面に酸化防止剤を塗布し、電気炉中で730℃に加熱保持した後に、1パスあたりの圧下率が10〜23%となるように、熱間圧延を行い、厚さが4.8mmの熱間圧延コイルを得た。   Next, after the surface of the ingot was machine-cut, an antioxidant was applied thereto, and formed into a slab for hot rolling having a thickness of 55 mm and a width of 560 mm by hot forging. The forged slab was subjected to shaving again on the surface to completely remove flaws. Subsequently, an antioxidant was applied to the surface of the slab, and the surface was heated and maintained at 730 ° C. in an electric furnace, and then hot-rolled so that the rolling reduction per pass was 10 to 23%. A hot-rolled coil having a thickness of 4.8 mm was obtained.

この熱間圧延コイルに対して、連続通板方式の焼鈍炉により、700℃で5分保持する中間焼鈍処理を行い、引き続き、連続方式の酸洗処理によって脱スケール処理を行った。このコイルに対して、仕上げ板厚が0.125mmになるように、冷間圧延を行った後、チタン専用の光輝焼鈍炉を用いて、事前の検討により各材料の成形性が最も良好となる加熱温度にて、90秒保持する焼鈍処理を行った。さらに、この焼鈍後、圧下率が1.2%のスキンパス圧延を行った。   This hot-rolled coil was subjected to an intermediate annealing treatment at 700 ° C. for 5 minutes in a continuous-passing annealing furnace, followed by a descaling treatment by a continuous pickling treatment. After performing cold rolling on this coil so that the finished plate thickness becomes 0.125 mm, the formability of each material becomes the best by a preliminary study using a bright annealing furnace dedicated to titanium. An annealing treatment was performed at a heating temperature for 90 seconds. Further, after this annealing, skin pass rolling with a rolling reduction of 1.2% was performed.

基材1〜9のうち、基材9についてのみ、冷間圧延中に、コイル端面に割れ(耳割れ)が生じたが、製造そのものの継続が困難なレベルではなかった。   Of the substrates 1 to 9, only the substrate 9 had cracks (ear cracks) on the coil end faces during the cold rolling, but the production itself was not at a difficult level.

〈第2の実施例〉
第1の実施例で作製した冷間圧延コイル(基材)を用いて、固体高分子形燃料電池用セル部材としての成形加工が可能であるか否かを調査した。
<Second embodiment>
Using the cold-rolled coil (substrate) produced in the first example, it was investigated whether or not molding as a cell member for a polymer electrolyte fuel cell was possible.

各コイルに対して、セル部材の流路形状を形成するための小型のプレス成形金型を用い、80トンプレス機でプレスして、成形性を評価した。このプレス成形金型は、サーペンタイン型の流路を形成するためのものであり、流路の山部および谷部の幅は、いずれも0.8mmであり、流路の深さは0.4mmであり、肩半径は0.15mmであった。   Each coil was pressed with an 80-ton press using a small press-molding die for forming the flow path shape of the cell member, and the formability was evaluated. This press-molding mold is for forming a serpentine-type flow path, the width of each of the peaks and valleys of the flow path is 0.8 mm, and the depth of the flow path is 0.4 mm And the shoulder radius was 0.15 mm.

評価結果を、表1の「成形性総合評価」の欄に示す。基材9は、上述のように、冷間圧延の際に、コイル端面に割れが生じたため、基材9については、割れ部のない部位を選別採取して、プレスによる成形加工を行った。しかし、基材9については、全数ではないが、プレス時の割れ発生を回避できなかった。基材9については、成形加工性の点で、セル部材の量産に用いることは困難であると判断した。   The evaluation results are shown in the column of “Comprehensive evaluation of moldability” in Table 1. As described above, the base material 9 was cracked at the coil end face during the cold rolling, so that the base material 9 was selectively sampled at a portion having no cracked portion and formed by pressing. However, as for the base material 9, although not the total number, the occurrence of cracks at the time of pressing could not be avoided. The base material 9 was determined to be difficult to use for mass production of cell members in terms of moldability.

〈第3の実施例〉
第1の実施例で作製した冷間圧延コイルを用いて、表面改質処理を行い、処理後のチタン材の特性を評価した。表面改質処理を行う前に、冷間圧延コイルの表面粗さを、酸液による処理で調整し、その冷間圧延コイルから、一辺が15cmの正方形の評価用試験片を切り出した。酸液処理後の表面粗さの目標値は、0.15、0.30、および0.35μmの3水準とし、各目標値の表面粗さが得られるように、酸液による処理の条件を設定した。
<Third embodiment>
Using the cold-rolled coil manufactured in the first example, a surface modification treatment was performed, and characteristics of the titanium material after the treatment were evaluated. Before performing the surface modification treatment, the surface roughness of the cold-rolled coil was adjusted by treatment with an acid solution, and a 15-cm-square evaluation test piece was cut out from the cold-rolled coil. The target values of the surface roughness after the acid solution treatment are three levels of 0.15, 0.30, and 0.35 μm, and the conditions of the treatment with the acid solution are set so that the surface roughness of each target value is obtained. Set.

この試験片を、表面粗さの調整を行った後12時間以内に、スパッタリング処理装置まで搬送して、スパッタリングによる表面改質処理を施した。表面改質処理は、4枚の試験片を同時にセッテングできるホルダに、試験片を固定した状態で行った。   The specimen was transported to a sputtering apparatus within 12 hours after the surface roughness was adjusted, and subjected to a surface modification treatment by sputtering. The surface modification treatment was performed with the test pieces fixed to a holder capable of setting four test pieces simultaneously.

以下、スパッタリング処理装置について詳細に説明する。スパッタリング処理装置は、減圧室、前処理室、第1スパッタリング処理室、第2スパッタリング処理室、および復圧室が、この順に直線状に並べられた5室構成のものであった。各室は、ステンレス鋼製のチャンバを備えていた。処理装置の外形寸法は、幅が1.6mであり、全長が19mであった。処理室内の減圧は、メカニカルブースター付きの真空ポンプ、拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、およびクライオポンプにより行われ、少なくとも、2×10-5mmHg(2.66×10-3Pa)まで減圧可能であった。 Hereinafter, the sputtering apparatus will be described in detail. The sputtering apparatus had a five-chamber configuration in which a decompression chamber, a pretreatment chamber, a first sputtering chamber, a second sputtering chamber, and a pressure recovery chamber were linearly arranged in this order. Each chamber had a stainless steel chamber. The external dimensions of the processing apparatus were 1.6 m in width and 19 m in total length. The pressure in the processing chamber is reduced by a vacuum pump equipped with a mechanical booster, a diffusion pump, a turbo molecular pump, and a cryopump, and can be reduced to at least 2 × 10 −5 mmHg (2.66 × 10 −3 Pa). Was.

減圧室には、上述の試験片用ホルダが、一度に30セット搬入可能であり、これらのホルダを枚様方式で装置内に送り出し可能な治具、およびコイルから帯状の基材を送り出すアンコイラーが設けられていた。前処理室には、1つのボンバードゾーンがあり、第1および第2スパッタリング処理室には、それぞれ、2つのスパッタリングゾーンがあり、各ゾーンは、独立に条件設定可能であった。復圧室には、上述の試験片用ホルダを、一度に30セット収容可能であり、これらのホルダを枚様方式で受け入れ可能な治具、および帯状の基材を巻き取るコイラーが設けられていた。   In the decompression chamber, 30 sets of the above-described test piece holders can be carried in at one time, a jig capable of sending out these holders into the apparatus in a sheet-like manner, and an uncoiler for feeding a band-shaped base material from the coil. Was provided. The pretreatment chamber had one bombardment zone, and the first and second sputtering treatment chambers each had two sputtering zones, and each zone could be independently set for conditions. The recompression chamber is capable of accommodating 30 sets of the above-mentioned test piece holders at a time, and is provided with a jig capable of receiving these holders in a sheet-like manner, and a coiler for winding a band-shaped substrate. Was.

ホルダは、試験片に対するスパッタリング処理が均一に施されるように、自転可能に構成されていた。減圧室、前処理室、第1スパッタリング処理室、第2スパッタリング処理室、および復圧室のうち隣接するものの間には、可動式の仕切り扉が設けられていた。仕切り扉を開放することにより、隣接する室は連通し、仕切り扉を閉じることにより、隣接する室の間で気体の流通が遮断された。   The holder was configured to be able to rotate so that the test piece was uniformly subjected to the sputtering process. A movable partition door was provided between adjacent ones of the decompression chamber, the pretreatment chamber, the first sputtering chamber, the second sputtering chamber, and the pressure recovery chamber. By opening the partition door, the adjacent chambers communicated, and by closing the partition door, the gas flow between the adjacent chambers was shut off.

減圧室と前処理室との間の仕切り扉が閉じられているときは、ホルダを搬入するために、減圧室を大気開放しても、前処理室へは大気は流入しない。復圧室と第2スパッタリング処理室との間の仕切り扉が閉じられているときは、ホルダを搬出するために、復圧室を大気開放しても、第2スパッタリング処理室へは大気は流入しない。これにより、減圧室へのホルダの搬入時、および復圧室からのホルダの搬出時に、前処理室、ならびに第1および第2スパッタリング処理室内の圧力を、たとえば、5×10-3mmHg(6.7×10-1Pa)を超えない範囲で制御可能であった。また、各室の圧力、および雰囲気は、個別に制約はあったが、独立に制御が可能であった。 When the partition door between the decompression chamber and the pretreatment chamber is closed, the atmosphere does not flow into the pretreatment chamber even if the decompression chamber is opened to the atmosphere in order to carry in the holder. When the partitioning door between the pressure recovery chamber and the second sputtering processing chamber is closed, the air flows into the second sputtering processing chamber even if the pressure recovery chamber is opened to the atmosphere in order to carry out the holder. do not do. Accordingly, when the holder is carried into the decompression chamber and when the holder is carried out from the pressure recovery chamber, the pressures in the pretreatment chamber and the first and second sputtering chambers are, for example, 5 × 10 −3 mmHg (6). (0.7 × 10 -1 Pa). The pressure and atmosphere in each chamber were individually controlled, but could be controlled independently.

スパッタリング処理装置内には、必要に応じて、減圧下でアルゴンガス、水素ガス等を導入することが可能であった。この装置で均一にスパッタリング処理可能な対象物の幅は、600mmまでであった。励起周波数は、13.56MHzが標準であった。ただし、この装置は、HIPIMSによるスパッタリング能力も有していた。スパッタリング時には、試験片に標準バイアス電圧として−100V(一定)を印加する仕様となっていたが、必要に応じて、設定変更が可能であった。   Argon gas, hydrogen gas, and the like could be introduced into the sputtering apparatus under reduced pressure, if necessary. The width of an object which can be uniformly sputtered by this apparatus was up to 600 mm. The excitation frequency was 13.56 MHz as standard. However, this apparatus also had a sputtering capability by HIPIMS. At the time of sputtering, -100 V (constant) was applied as a standard bias voltage to the test piece, but the setting could be changed as necessary.

前処理室には、予備加熱装置が設置されており、この予備加熱装置により、通電加熱された発熱体の輻射熱で、試験片を、ホルダ背面より予熱することができた。第1および第2のスパッタリング処理室では、スパッタリング処理中の試験片の温度を、試験片の背面側で測定可能であった。前処理室、ならびに第1および第2のスパッタリング処理室内では、5×10-3mmHg(6.7×10-1Pa)の減圧状態にしている限り、試験片に熱が与えられない状態でも、試験片の温度低下は、極めて緩やかであった。 A pre-heating device was installed in the pre-treatment chamber, and the test piece could be pre-heated from the back of the holder by the radiant heat of the heating element heated by the electric current. In the first and second sputtering processing chambers, the temperature of the test piece during the sputtering process could be measured on the back side of the test piece. In the pretreatment chamber and the first and second sputtering treatment chambers, as long as the pressure is reduced to 5 × 10 −3 mmHg (6.7 × 10 −1 Pa), even if no heat is applied to the test piece. The temperature drop of the test piece was extremely slow.

次に、試験片に対する表面改質層の形成方法および条件について説明する。前処理室で、基材表面に対するボンバード処理を行い、第1および第2スパッタリング処理室で、この基材に対してスパッタリング処理を行うことにより、表面改質層を形成した。   Next, a method and conditions for forming the surface modified layer on the test piece will be described. A bombardment treatment was performed on the surface of the substrate in the pretreatment chamber, and a sputtering treatment was performed on the substrate in the first and second sputtering treatment chambers, thereby forming a surface-modified layer.

手作業により、基材1〜9それぞれから切り出した試験片(以下、単に、「基材」ともいう)を取り付けたホルダを用意し、これらを複数回に分けて装置内に搬入して処理を行った。   A holder to which test pieces cut out from each of the substrates 1 to 9 (hereinafter, also simply referred to as “substrates”) are prepared by hand, and these are carried into the apparatus in a plurality of times and processed. went.

減圧室へホルダを搬入した後、減圧室の大気開放用扉を閉じて、減圧室内の排気を開始し、減圧室、および前処理室の内部の圧力が2×10-5Torr(2.7×10-3Pa)となったときに、純度が99.999体積%以上の市販の工業用高純度H2ガスと、純度が99.999体積%以上の市販の工業用高純度Arガスとを、同時に装置内に導入した。その際、体積割合でH2濃度が6%となるように調整した。H2ガスおよびArガスの導入後の減圧室、および前処理室の内部の圧力は、1.2×10-2Torr(1.6Pa)とした。 After carrying the holder into the decompression chamber, the air release door of the decompression chamber is closed, and the evacuation of the decompression chamber is started, and the pressure inside the decompression chamber and the pretreatment chamber becomes 2 × 10 −5 Torr (2.7). × 10 −3 Pa), a commercially available industrial high-purity H 2 gas having a purity of 99.999% by volume or more, and a commercially available industrial high-purity Ar gas having a purity of 99.999% by volume or more. Was introduced into the apparatus at the same time. At that time, was adjusted to concentration of H 2 is 6% by volume ratio. The pressure inside the decompression chamber after the introduction of the H 2 gas and the Ar gas and the pressure inside the pretreatment chamber were set to 1.2 × 10 −2 Torr (1.6 Pa).

この状態を20分間維持した後に、減圧室と前処理室との間の仕切り扉を開放して、減圧室から前処理室へのホルダの搬送を開始した。ホルダの移送速度は、可変であったが、本実施例では10cm/分とした。前処理室内において、予備加熱装置からの輻射熱を与えることにより、基材温度を、230〜250℃に予備加熱した。   After maintaining this state for 20 minutes, the partition door between the decompression chamber and the pretreatment chamber was opened, and the transfer of the holder from the decompression chamber to the pretreatment chamber was started. The transfer speed of the holder was variable, but was set to 10 cm / min in this embodiment. In the pretreatment chamber, the substrate temperature was preheated to 230 to 250 ° C. by applying radiant heat from the preheating device.

ボンバード処理中、およびスパッタリング処理中は、ホルダを自転させた。
前処理室内では、ArおよびH2の雰囲気でイオンボンバード処理を行い、基材最表層に吸着していた水分、ならびに薄い水酸化物層および酸化物皮膜層を、完全に除去した。ボンバード処理の時間は、事前の検討結果に基づき60秒で一定とした。
The holder was rotated during the bombarding process and the sputtering process.
In the pretreatment chamber, ion bombardment treatment was performed in an atmosphere of Ar and H 2 to completely remove the moisture adsorbed on the outermost layer of the substrate and the thin hydroxide layer and oxide film layer. The time of the bombarding process was fixed at 60 seconds based on the result of the preliminary study.

次に、第1および第2スパッタリング処理室で、基材に対して、スパッタリング処理を行った。基材表面に形成する表面改質層の組成、および厚さについては、スパッタリングターゲットを用いるか否か、ターゲットの組成、スパッタリング条件、励起するライン内のターゲット数、およびスパッタリングゾーンでのホルダの搬送速度で調整した。これにより、基材の表面に表面改質処理が形成されたチタン材を得た。   Next, a sputtering process was performed on the substrate in the first and second sputtering processing chambers. Regarding the composition and thickness of the surface modification layer formed on the substrate surface, whether or not to use a sputtering target, the composition of the target, sputtering conditions, the number of targets in the line to be excited, and the transfer of the holder in the sputtering zone Adjusted with speed. Thus, a titanium material having a surface modified on the surface of the substrate was obtained.

スパッタリング処理中、基材の温度が400℃以下になることを目標として、条件設定を行った。基材の温度は、実測値で、320〜360℃程度まで上昇したが、目標とする400℃以下の温度を達成できた。   During the sputtering process, conditions were set with the target that the temperature of the substrate was 400 ° C. or lower. Although the temperature of the base material rose to about 320 to 360 ° C. as measured values, the target temperature of 400 ° C. or less could be achieved.

得られた表面改質層について、生成物、安定組成域(深さ方向に関して組成が実質的に変動しない領域)における、Alの含有率(質量%)に対するTiの含有率(質量%)の割合(以下、「Ti/Al」という。)、厚さ、O含有率、および基材に対する密着性を調査した。   About the obtained surface-modified layer, the ratio of the Ti content (% by mass) to the Al content (% by mass) in the product and stable composition region (the region in which the composition does not substantially vary in the depth direction). (Hereinafter, referred to as “Ti / Al”), thickness, O content, and adhesion to a substrate were investigated.

表面改質層の生成物、Ti/Al、およびO含有率は、アルバック・ファイ社製Quantera SXM 走査型X線光電子分光分析装置により、定性分析および定量分析を行うことにより、求めた。表面改質層を構成するAlには、基材中のAlを起源とするものと、Alスパッタリングターゲットを起源とするものとが含まれている。   The product, Ti / Al, and O content of the surface-modified layer were determined by qualitative and quantitative analysis using a Quantara SXM scanning X-ray photoelectron spectrometer manufactured by ULVAC-PHI. Al constituting the surface modified layer includes those originating from Al in the base material and those originating from the Al sputtering target.

表面改質層の厚さは、スパッタリング処理前と処理後との質量変化から求める方法、および表面改質層の形成領域と非形成領域との間の段差の高さを、SEM像から求める方法により測定した。SEM像から求める方法は、具体的には、以下の通りである。スパッタリングによる成膜前の基材において、端部の平坦部表面に、日東電工製マスキング用耐熱テープを貼っておき、このテープを含む領域に成膜し、成膜完了後に、このテープを剥がすことにより、上述の段差を得た。基材表面の凹凸が大きい場合であっても、表面改質層の面内の厚さ変化が5%以内であることを事前に確認していた。SEM像は、上述の走査型X線光電子分光分析装置を用いて撮影した。   The method for determining the thickness of the surface modified layer from the change in mass between before and after the sputtering treatment, and the method for determining the height of the step between the formation region and the non-formation region of the surface modified layer from the SEM image Was measured by The method for obtaining from the SEM image is specifically as follows. On the base material before film formation by sputtering, a heat resistant tape for masking made by Nitto Denko is pasted on the surface of the flat part at the end, film is formed in the area including this tape, and after the film formation is completed, this tape is peeled off As a result, the step described above was obtained. It has been previously confirmed that even when the surface of the base material has large irregularities, the in-plane thickness change of the surface-modified layer is within 5%. The SEM image was taken using the above-mentioned scanning X-ray photoelectron spectroscopy analyzer.

基材に対する表面改質層の密着性は、テープ剥離試験により評価した。テープ剥離試験は、チタン材に曲げ等の加工を施す前(初期)、およびU曲げ後に行った後に実施した。テープ剥離試験は、チタン材端部の平坦部表面で実施した。テープとしては、市販のニチバン社製24mm幅のセロテープ(登録商標、品番:CT405AP−24)を用いた。このセロテープ(登録商標)を、上記平坦部表面に貼り付け、剥がした後、このセロテープ(登録商標)の接着面に存在する剥離した表面改質層の有無および量を目視で評価し、ランク分け評価した。目視評価は、セロテープ(登録商標)接着面に付着した表面改質層を確認し易くするために、黒色のケント紙上に、セロテープ(登録商標)を貼り付けて行った。   The adhesion of the surface modified layer to the substrate was evaluated by a tape peel test. The tape peeling test was performed before performing a process such as bending on the titanium material (initial stage) and after performing the U-bending. The tape peeling test was performed on the flat surface of the end of the titanium material. As the tape, a commercially available cellophane tape (registered trademark, product number: CT405AP-24) having a width of 24 mm manufactured by Nichiban Co., Ltd. was used. This cellotape (registered trademark) was adhered to the surface of the flat part and peeled off, and then the presence or absence and the amount of the peeled surface modified layer present on the adhesion surface of the cellotape (registered trademark) were visually evaluated, and ranked. evaluated. The visual evaluation was performed by attaching Cellotape (registered trademark) on black Kent paper in order to easily confirm the surface-modified layer attached to the adhesive surface of Cellotape (registered trademark).

ランクは、表面改質層の剥離量の少なさにより、「極めて良好」、「良好」、「やや劣る」、および「劣る」とした。「極めて良好」としたものは、剥離が全く認められなかった。   The ranks were rated "very good", "good", "slightly poor", and "poor" due to the small amount of peeling of the surface-modified layer. In the case of "very good", no peeling was observed.

U曲げ後のテープ剥離試験は、「可撓性評価試験」とも呼ばれる試験である。U曲げは、本実施例では、幅が20mmの短冊形状の試験片(チタン材)を、このチタン材8枚の厚さ(本実施例では、0.125mm×8=1.0mm)と同じ厚さを有する板の端部に沿わせるように、U字形状に曲げるものとした。U曲げ後の変形部外側表面に対して、上記と同様のテープ剥離試験を行った。表面改質層は、延性に乏しく、曲げ加工すると、割れ、または基材からの剥離が生じ易い。表面改質層について、チタン材をU字形状に曲げた後の性状と、化学組成の分析結果とから、O含有率の曲げ加工性への影響を評価できる。   The tape peeling test after U-bending is a test also called “flexibility evaluation test”. In the U-bending, in the present embodiment, a strip-shaped test piece (titanium material) having a width of 20 mm is the same as the thickness of the eight titanium materials (0.125 mm × 8 = 1.0 mm in the present embodiment). The plate was bent into a U-shape along the edge of the plate having the thickness. The same tape peeling test as above was performed on the outer surface of the deformed portion after U-bending. The surface-modified layer has poor ductility, and is easily cracked or peeled off from the substrate when bent. With respect to the surface-modified layer, the effect of the O content on the bending workability can be evaluated from the properties of the titanium material after being bent into a U-shape and the analysis results of the chemical composition.

また、各チタン材を、固体高分子形燃料電池のセル部材に適用することを想定して、MEAとの電気的な表面接触抵抗を測定した。接触抵抗の測定は、チタン材を、1対の東レ製カーボンペーパーTGP−H−90で挟み込んだ状態で、1対の白金板間に挟んで、4端子法により行った。これは、燃料電池用セパレータ材の評価で一般的に行われる測定方法である。測定時の負荷荷重は10kgf/cm2(9.81×105Pa)とした。接触抵抗の測定値が低いほど、燃料電池の発電時のIR損、すなわち、発熱によるエネルギー損が小さいので、好ましいと判断される。東レ製カーボンペーパーTGP−H−90は、測定毎に交換した。 Further, assuming that each titanium material was applied to a cell member of a polymer electrolyte fuel cell, the electrical surface contact resistance with the MEA was measured. The contact resistance was measured by a four-terminal method in which the titanium material was sandwiched between a pair of Toray carbon paper TGP-H-90 and sandwiched between a pair of platinum plates. This is a measurement method generally performed in evaluating a fuel cell separator material. The load applied during the measurement was 10 kgf / cm 2 (9.81 × 10 5 Pa). The lower the measured value of the contact resistance, the smaller the IR loss at the time of power generation of the fuel cell, that is, the smaller the energy loss due to heat generation. The Toray carbon paper TGP-H-90 was replaced every measurement.

表2に、用いた基材の番号(表1参照)、酸液による処理後の表面粗さ、ならびに表面改質層の特性、およびチタン材の接触抵抗を示す。   Table 2 shows the numbers of the substrates used (see Table 1), the surface roughness after treatment with the acid solution, the characteristics of the surface modified layer, and the contact resistance of the titanium material.

Figure 0006627367
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表2で、表面改質層の生成物の欄の、TiC、TiCN、およびAl23は、いずれも、化学量論組成物である場合のみならず、非晶質相、非化学量論組成物である場合も含んでいる。また、Ti/Alの欄で、Alの割合が5以上(Ti/Al比が、95/5以下)の表面改質層は、Al系酸化物としてのAl23含んでいた。Ti/Alの欄で、Alの割合が5未満(Ti/Al比が、95/5超)の表面改質層では、生成物の欄でAl23以外のものが、表面改質層の主体であり、Al23は、その中に分散していた。この生成物の欄に、「C」と記したものは、他の元素と結合していない非晶質C(炭素)の存在が確認できたことを示している。 In Table 2, in the column of the product of the surface-modified layer, TiC, TiCN, and Al 2 O 3 are not only stoichiometric compositions but also amorphous phase, non-stoichiometric. It also includes the case where it is a composition. In the column of Ti / Al, the surface-modified layer having an Al ratio of 5 or more (Ti / Al ratio of 95/5 or less) contained Al 2 O 3 as an Al-based oxide. In the surface modified layer in which the ratio of Al is less than 5 (Ti / Al ratio is more than 95/5) in the column of Ti / Al, those other than Al 2 O 3 in the product column are the surface modified layers. And Al 2 O 3 was dispersed therein. In the column of this product, what is described as "C" indicates that the presence of amorphous C (carbon) not bonded to other elements was confirmed.

表2に結果を示す試験とは別に、表面改質層を、より厚く形成する試験を行った。その結果、表面改質層の厚さが厚くなるに従って、表面改質層に割れが認められるようになり、また、表面改質処理後のチタン材の反りが大きくなった。これは、表面改質層の内部に圧縮応力が生じているためである。このような、割れ、および反りが生じることを防止するためには、表面改質層の厚さは、3μm以下とすることが好ましく、2μm未満とすることが、より好ましい。表面改質層の厚さは、50nm以上500nm以下であることが好ましいと考えられるが、本発明のチタン材における表面改質層の厚さは、この範囲に限定されるものではない。   In addition to the test shown in Table 2, a test for forming a thicker surface modified layer was performed. As a result, as the thickness of the surface modified layer increased, cracks were observed in the surface modified layer, and the warpage of the titanium material after the surface modification treatment increased. This is because a compressive stress is generated inside the surface modified layer. In order to prevent such cracks and warpage from occurring, the thickness of the surface-modified layer is preferably 3 μm or less, more preferably less than 2 μm. It is considered that the thickness of the surface-modified layer is preferably 50 nm or more and 500 nm or less, but the thickness of the surface-modified layer in the titanium material of the present invention is not limited to this range.

表面改質層の延性を高くするためには、表面改質層のO含有率は、低いほど好ましい。通常の市中品のチタン素材を基材として用いて表面改質処理をすると、表面改質層中のO含有率は30%を超え、導電性が低いとともに、延性が乏しい。本発明の実施例のように、Alを含有する基材を用いると、表面改質層中のO含有率は20%以下となる。   In order to increase the ductility of the surface modified layer, the O content of the surface modified layer is preferably as low as possible. When a surface modification treatment is performed using an ordinary commercial titanium material as a base material, the O content in the surface modification layer exceeds 30%, the conductivity is low, and the ductility is poor. When a substrate containing Al is used as in the examples of the present invention, the O content in the surface-modified layer is 20% or less.

表2で、電気的表面接触抵抗値が20mΩ・cm2以上のものを、「劣る」としている。この基準では、本発明の実施例であるチタン材の接触抵抗値は、いずれも良好であり、低いといえる。これは、表面改質層中に酸化物が少ないことにより、表面改質層の導電性が高いためと考えられる。また、本発明の実施例のチタン材は、U曲げ後の密着性評価結果が良好であり、表面改質層の延性は高いといえる。 In Table 2, those having an electrical surface contact resistance value of 20 mΩ · cm 2 or more are regarded as “poor”. According to this standard, the contact resistance values of the titanium materials according to the examples of the present invention are all good and low. This is considered to be because the surface modified layer has high conductivity due to a small amount of oxide in the surface modified layer. In addition, the titanium material of the example of the present invention has a good adhesion evaluation result after U-bending, and it can be said that the ductility of the surface-modified layer is high.

比較例5〜7のチタン材では、U曲げ後の密着性評価結果は良好ではない。これは、Ti/Alが低い(Alの割合が高い)ことと関係しているものと考えられる。また、比較例5〜7のチタン材でTi/Alが低いのは、用いた基材(基材9)のAl含有率が高かったため、基材から表面改質層へ供給されて残留したAlの酸化物の量が多かったためと考えられる。   With the titanium materials of Comparative Examples 5 to 7, the adhesion evaluation results after U-bending are not good. This is considered to be related to the low Ti / Al (high Al ratio). In addition, the reason why Ti / Al is low in the titanium materials of Comparative Examples 5 to 7 is that the Al content of the used base material (base material 9) was high, and thus the remaining Al supplied from the base material to the surface modified layer was low. It is considered that the amount of the oxide was large.

〈第4の実施例〉
実際のセパレータで基材の成形性を確認するために、第1の実施例で作製した冷間圧延コイル(表面改質層が形成されていないもの)をスリット加工して、厚さが0.125mmで、幅が240mmのコイルを2本採取した。250トン能力のプレス機械と、順送りプレス金型とを用いて、このコイルをプレス加工し、固体高分子形燃料電池用セル部材としてのセパレータを作製した。このセパレータは、サーペンタイン型の3本の流路を有するものであった。電池反応に寄与する流路面積は、100cm2であり、流路部の山および谷の幅は、いずれも1mmであり、流路の深さは、0.6mmであった。
<Fourth embodiment>
In order to confirm the moldability of the base material with the actual separator, the cold-rolled coil (having no surface-modified layer) produced in the first embodiment was slit to a thickness of 0.1 mm. Two coils of 125 mm in width and 240 mm in width were collected. The coil was pressed using a press machine having a capacity of 250 tons and a progressive press die to produce a separator as a cell member for a polymer electrolyte fuel cell. This separator had three serpentine channels. The flow channel area contributing to the battery reaction was 100 cm 2 , the width of the peaks and valleys in the flow channel portion was 1 mm, and the depth of the flow channel was 0.6 mm.

コイルをセパレータに成形するに際しては、素材(コイル)の成形性が劣ると、割れが発生する。基材1〜8を用いたコイルについては、所望の形状にプレス加工することができた。一方、基材9を用いたコイルについては、第2の実施例と同様に、割れの発生を完全に回避することができなかった。これは、基材9のAl含有率が5530ppmと高かったことと関係していると考えられる。   When molding a coil into a separator, cracks occur if the formability of the material (coil) is poor. The coil using the base materials 1 to 8 could be pressed into a desired shape. On the other hand, in the case of the coil using the base material 9, as in the second embodiment, the occurrence of cracks could not be completely avoided. This is considered to be related to the fact that the Al content of the base material 9 was as high as 5530 ppm.

〈第5の実施例〉
第4の実施例で作製したセパレータの一部に対して、酸処理ラインで、酸液を用いた処理を行い、表面粗さ調整を行った後、水洗した。
<Fifth embodiment>
A part of the separator prepared in the fourth example was treated with an acid solution in an acid treatment line to adjust the surface roughness, and then washed with water.

以下、表面粗さ調整の詳細を、用いた酸処理ラインの概要とともに説明する。この酸処理ラインを安定して通すことが可能な素材の幅は、最大で400mmであった。酸処理ラインに素材を通す際、テフロン(登録商標)製バックアップロールで下方より素材を支持することで、セパレータの変形を防止した。   Hereinafter, the details of the surface roughness adjustment will be described together with the outline of the acid treatment line used. The width of the material through which the acid treatment line could be stably passed was 400 mm at the maximum. When the material was passed through the acid treatment line, the material was supported from below by a Teflon (registered trademark) backup roll, thereby preventing deformation of the separator.

セパレータは、この酸処理ラインにおいて、素材の上方および下方から酸液をスプレー噴霧するスプレー噴霧ゾーンと、酸液に素材を浸漬する浸漬ゾーンとを通した。スプレー噴霧の条件、および浸漬の条件を調整することにより、セパレータのエッチング量、および表面粗さを調整した。   In the acid treatment line, the separator was passed through a spray spray zone for spraying an acid solution from above and below the material, and an immersion zone for immersing the material in the acid solution. The amount of etching of the separator and the surface roughness were adjusted by adjusting the conditions of spraying and the conditions of immersion.

酸液は、フィルターが装着された500リットル容量のタンクを介して循環使用されており、酸濃度の調整が可能であった。本実施例では、酸液として、硝酸15%、ふっ酸3%の硝ふっ酸水溶液を用いた。酸液の温度は、タンク内温度設定で、40℃±0.5°とした。   The acid solution was circulated through a 500-liter tank equipped with a filter, and the acid concentration could be adjusted. In this example, an aqueous nitric hydrofluoric acid solution containing 15% of nitric acid and 3% of hydrofluoric acid was used as the acid solution. The temperature of the acid solution was set at 40 ° C. ± 0.5 ° in the tank temperature setting.

酸処理が終了した直後に、コイルに対して、清浄水を用いて、噴霧による水洗と、浸漬による水洗とを行った。使用した清浄水は、地下水をくみ上げたものである。その後、コイルを、150℃±2°に設定した、耐熱鋼製メッシュベルト搬送方式のトンネル型ドライオーブン炉に通すことにより、乾燥した。以上の工程を経たコイルの表面は、乾燥処理の際等、酸処理後に大気中で不可避的に成長した不動態皮膜のみ存在する状態となっていることを確認した。乾燥処理直後の不動態皮膜厚さは、約2nmであった。   Immediately after the completion of the acid treatment, the coil was washed with clean water by spraying and immersing. The clean water used was obtained from groundwater. Thereafter, the coil was dried by passing it through a tunnel type dry oven furnace of a heat-resistant steel mesh belt transfer type set at 150 ° C. ± 2 °. It was confirmed that the surface of the coil having undergone the above-described steps was in a state in which only a passive film that had inevitably grown in the air after the acid treatment was present, such as during a drying treatment. The passivation film thickness immediately after the drying treatment was about 2 nm.

これらのコイルに対して、第2の実施例で用いたものと同じスパッタリング処理装置で、所定のスパッタリング処理を行い、表面に導電性を有する表面改質層が形成されたセパレータを得た。セパレータ形状の試験片に適合するホルダを用いたこと以外は、第2の実施例と実質的に同じ方法および条件により、表面改質層を形成した。   These coils were subjected to a predetermined sputtering process using the same sputtering apparatus as used in the second embodiment, to obtain a separator having a surface modified surface having conductivity on the surface. A surface-modified layer was formed by substantially the same method and conditions as in the second example, except that a holder suitable for a separator-shaped test piece was used.

以上の工程を経た各セパレータを、燃料電池内環境を模擬した硫酸水溶液中に、500時間浸漬して、耐食性を評価した。硫酸水溶液は、30ppmのF-イオンを含有し、pHが2であった。硫酸水溶液中の浸漬によりセパレータから溶出した金属イオンの量の指標とするべく、各セパレータを500時間浸漬した後の硫酸水溶液の金属イオン濃度を測定した。MEAを構成する固体高分子膜が金属イオンに汚染されると、その固体高分子膜の特性は大きく影響を受け、多くの場合、固体高分子膜の性能は低下する。このため、この浸漬試験では、硫酸水溶液の金属イオン濃度は、低いほど好ましい。セパレータを浸漬した後の硫酸水溶液に検出された金属イオンは、Alイオンのみであった。このため、硫酸水溶液中に溶出した金属イオンの濃度として、Alイオン濃度を測定した。 Each of the separators having undergone the above steps was immersed in a sulfuric acid aqueous solution simulating an environment in a fuel cell for 500 hours to evaluate corrosion resistance. The aqueous sulfuric acid solution contained 30 ppm of F - ions and had a pH of 2. The metal ion concentration of the aqueous sulfuric acid solution after each separator was immersed for 500 hours was measured to serve as an index of the amount of metal ions eluted from the separator by immersion in the aqueous sulfuric acid solution. When the solid polymer membrane constituting the MEA is contaminated with metal ions, the properties of the solid polymer membrane are greatly affected, and in many cases, the performance of the solid polymer membrane deteriorates. For this reason, in this immersion test, the lower the metal ion concentration of the aqueous sulfuric acid solution, the better. The metal ions detected in the aqueous sulfuric acid solution after immersing the separator were only Al ions. Therefore, the Al ion concentration was measured as the concentration of metal ions eluted in the aqueous sulfuric acid solution.

また、作製した各セパレータと、市販されている標準的なMEAとを用いて、固体高分子形燃料電池の単セルを組み立て、燃料電池としての特性を評価した。燃料電池の運転条件は、電流密度が0.1A/cm2の定電流運転とした。これは、家庭用据え置き型燃料電池の運転条件のひとつである。H2、およびO2の利用率は、40%で一定とした。評価時間は、いずれのセパレータを用いた燃料電池についても、2000時間とした。 A single cell of a polymer electrolyte fuel cell was assembled using each of the produced separators and a commercially available standard MEA, and the characteristics as a fuel cell were evaluated. The operating condition of the fuel cell was a constant current operation at a current density of 0.1 A / cm 2 . This is one of the operating conditions of a stationary household fuel cell. The utilization rates of H 2 and O 2 were kept constant at 40%. The evaluation time was 2,000 hours for the fuel cells using any of the separators.

比較のため、厚さが0.1mmのSUS316L製セパレータであって、表面に平均目付量を50nmとしたシアン浴金めっき処理をしたもの用意した。これは、従来のセパレータでは、燃料電池として最も良好な性能が得られる材料の1つである。このセパレータは、シアン浴金めっき処理前に、酸液処理により、表面粗さを、Ra値で0.30μmに調整していた。このセパレータを用いて、上記と同様に、固体高分子形燃料電池の単セルを組み立て、この単セルを、同じ条件で運転した。   For comparison, a SUS316L separator having a thickness of 0.1 mm and having a surface subjected to a cyan bath gold plating treatment with an average basis weight of 50 nm was prepared. This is one of the materials that can provide the best performance as a fuel cell in a conventional separator. The surface roughness of the separator was adjusted to an Ra value of 0.30 μm by an acid solution treatment before the cyan bath gold plating treatment. A single cell of a polymer electrolyte fuel cell was assembled using the separator in the same manner as described above, and the single cell was operated under the same conditions.

また、燃料電池の運転中のセル抵抗値を、鶴賀電機株式会社製抵抗計(MODEL3565)を用いて、周波数1KHzでの交流インピーダンス値として測定した。   In addition, the cell resistance value during the operation of the fuel cell was measured as an AC impedance value at a frequency of 1 KHz using a resistance meter (MODEL3565) manufactured by Tsuruga Electric Co., Ltd.

各燃料電池を2000時間運転した後のセル電圧を測定した。このセル電圧は、本発明の実施例では、運転直後は0.788V程度あったが、次第に低下した。セル電圧は、高い方が、すなわち、運転直後のセル電圧に近い電圧が維持できているほど、燃料電池としての特性は良好と判断できる。   The cell voltage after operating each fuel cell for 2000 hours was measured. In the embodiment of the present invention, the cell voltage was about 0.788 V immediately after the operation, but gradually decreased. It can be determined that the higher the cell voltage, that is, the more the voltage close to the cell voltage immediately after the operation is maintained, the better the characteristics of the fuel cell are.

表3に、用いた基材(比較例8を除き、表1に記載の番号)、表面改質層の生成物およびTi/Al、セパレータを浸漬した後の硫酸水溶液のAlイオン濃度(Alイオン溶出量)、燃料電池の特性を示す。   In Table 3, the base material used (the numbers described in Table 1 except for Comparative Example 8), the product of the surface-modified layer and Ti / Al, and the Al ion concentration of the sulfuric acid aqueous solution after immersing the separator (Al ion (Elution amount) and characteristics of the fuel cell.

Figure 0006627367
Figure 0006627367

燃料電池運転後のセル電圧は、2000時間運転後に0.750Vを超えたもの良好と判断した。本発明の実施例では、いずれも、0.750Vを超え、良好であったが、比較例3では、0.750Vを下回り、本発明の実施例より劣っていた。比較例3のセル電圧は、運転直後から低かった。この結果は、比較例3では、本発明の実施例に比して、燃料電池に適用する前の接触抵抗が大きかったことと関係していると考えられる。本発明の実施例では、いずれも、SUS316Lに金めっきしたもの(比較例8)と同等か、それ以上の性能が得られた。   The cell voltage after the fuel cell operation exceeded 0.750 V after the operation for 2000 hours was judged to be good. In all of the examples of the present invention, the values exceeded 0.750 V and were good, but in Comparative Example 3, the values were lower than 0.750 V and were inferior to the examples of the present invention. The cell voltage of Comparative Example 3 was low immediately after the operation. This result is considered to be related to the fact that the contact resistance before application to the fuel cell was higher in Comparative Example 3 than in the Example of the present invention. In all of the examples of the present invention, the same or better performance was obtained than that of SUS316L plated with gold (Comparative Example 8).

1:燃料電池、 2:固体高分子電解質膜、 3:燃料電極膜(アノード)、
4:酸化剤電極膜(カソード)、 5a、5b:セパレータ、
6a、6b:流路
1: fuel cell, 2: solid polymer electrolyte membrane, 3: fuel electrode membrane (anode),
4: oxidant electrode membrane (cathode), 5a, 5b: separator
6a, 6b: flow path

Claims (6)

質量%、または質量ppmで、
Fe:0.010%以上0.100%以下、
O:0.005%以上0.110%以下、および
Al:1ppmを超え0.500%以下
を含有し、残部が、Tiおよび不純物からなり、
前記不純物が、
C:0.015%以下、
N:0.001%以上0.020%以下、および
H:0.015%以下
を含む、基材。
Mass%, or mass ppm,
Fe: 0.010% or more and 0.100% or less,
O: 0.005% or more and 0.110% or less, and Al: more than 1 ppm and 0.500% or less, with the balance being Ti and impurities,
The impurity is
C: 0.015% or less,
A base material containing N: 0.001% or more and 0.020% or less, and H: 0.015% or less.
請求項1に記載の基材であって、
Tiの一部に代えて、0.25%以下の貴金属を含有する、基材。
The substrate according to claim 1,
A base material containing 0.25% or less of a noble metal instead of a part of Ti.
請求項1または2に記載の基材と、
前記基材の表面に形成された表面改質層と、
を含み、
前記表面改質層は、Al系酸化物を含み、Al系酸化物中に分散した、Ti炭化物およびTi炭窒化物の少なくとも1種を含む、チタン材。
The substrate according to claim 1 or 2,
A surface-modified layer formed on the surface of the base material,
Including
The titanium material, wherein the surface-modified layer includes an Al-based oxide and includes at least one of Ti carbide and Ti carbonitride dispersed in the Al-based oxide.
請求項1または2に記載の基材と、
前記基材の表面に形成された表面改質層と、
を含み、
前記表面改質層は、Ti炭化物およびTi炭窒化物の少なくとも1種を主体とする、チタン材。
The substrate according to claim 1 or 2,
A surface-modified layer formed on the surface of the base material,
Including
The surface modified layer is a titanium material mainly composed of at least one of Ti carbide and Ti carbonitride.
請求項3または4に記載のチタン材であって、
前記表面改質層のO含有率が、29質量%未満である、チタン材。
The titanium material according to claim 3 or 4,
The titanium material, wherein the O content of the surface modified layer is less than 29% by mass.
請求項3〜5のいずれかに記載のチタン材を備えた、固体高分子形燃料電池用セル部材。   A cell member for a polymer electrolyte fuel cell, comprising the titanium material according to claim 3.
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