KR102166959B1 - 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

연료 전지용 세퍼레이터 Download PDF

Info

Publication number
KR102166959B1
KR102166959B1 KR1020180129559A KR20180129559A KR102166959B1 KR 102166959 B1 KR102166959 B1 KR 102166959B1 KR 1020180129559 A KR1020180129559 A KR 1020180129559A KR 20180129559 A KR20180129559 A KR 20180129559A KR 102166959 B1 KR102166959 B1 KR 102166959B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
titanium
carbon
separator
heat treatment
titanium substrate
Prior art date
Application number
KR1020180129559A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190071577A (ko
Inventor
츠요시 세구치
고타로 이케다
유키히로 시바타
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요타지도샤가부시키가이샤 filed Critical 도요타지도샤가부시키가이샤
Publication of KR20190071577A publication Critical patent/KR20190071577A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102166959B1 publication Critical patent/KR102166959B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C8/62—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes only one element being applied
    • C23C8/64—Carburising
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0254—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form corrugated or undulated
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

티타늄 기재의 표면 중, 발전부와 접촉하는 표면에 형성된 도전성 카본막의 밀착력을 높임으로써, 연료 전지의 사용 환경하에서의 내식성이 향상되고, 발전부와의 접촉 저항의 상승을 억제할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 제공한다.
연료 전지(10)의 전극(6)을 포함하는 발전부(2, 2)끼리를 구획하도록 발전부(2)에 접촉하는 접촉 부분(31)을 갖고, 접촉 부분(31)에 도전성 카본막(3e)이 형성된 연료 전지용 세퍼레이터(3)의 제조 방법이다. 먼저, 세퍼레이터(3)의 기재로서, 접촉 부분(31)의 형상에 따라서 형성된 복수의 볼록부(31A)와, 볼록부(31A, 31A)끼리의 사이에 형성된 가스 유로용 오목부(21A)를 가진 티타늄 기재(3A)를 준비한다. 다음으로, 볼록부(31A)에 카본 시트(9)를 접촉시킨 상태에서, 볼록부(31A)로 카본 시트(9)의 탄소가 확산되도록 티타늄 기재(3A)에 대해 열처리를 행한다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터{SEPARATOR FOR FUEL CELL}
연료 전지의 전극을 포함하는 발전부끼리를 구획하도록 발전부에 접촉하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 연료 전지에서는, 고체 고분자 전해질막의 양면에, 한 쌍의 전극이 형성된 막 전극 접합체를 포함하는 발전부를 단셀로 하고, 발전부는, 연료 가스인 수소 가스 및 에어 등의 산화제 가스 등의 가스 유로가 형성된 세퍼레이터에 의해 구획되어 있다. 연료 전지는, 세퍼레이터를 개재하여, 단셀을 복수 개 겹친 스택으로서 구성된다. 이러한 연료 전지용 세퍼레이터는, 스택 내에 있어서 발생한 전류를 인접한 셀로 흐르게 하는 역할을 담당하고 있으므로, 높은 도전성 및 도전 내구성이 요구되고 있다.
이러한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 1 및 2에는, 가스 유로가 형성된 티타늄 기재의 표면 중, 발전부에 접촉하는 표면에, 비정질 탄소 등의 도전성 카본막을 성막하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2013-155406호 공보 일본 특허 제4825894호 공보
그러나 특허문헌 1 및 2에 개시되는 제조 방법으로 얻어지는 세퍼레이터에서는, 티타늄 기재와 도전성 카본막의 밀착력이 약한 영역이 존재할 가능성이 있다. 이 밀착력이 약한 영역은, 연료 전지의 사용 환경하에서, 티타늄 기재와 도전성 카본막의 계면이 산화되기 쉬워, 세퍼레이터와 발전부의 접촉 저항이 상승할 것이 우려된다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 티타늄 기재의 표면 중, 발전부와 접촉하는 표면에 형성된 도전성 카본막의 밀착력을 높임으로써, 연료 전지의 사용 환경하에서의 내식성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 제공한다.
상기 과제를 감안하여, 본 발명에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은, 연료 전지의 전극을 포함하는 발전부끼리를 구획하도록 상기 발전부에 접촉하는 접촉 부분을 갖고, 상기 접촉 부분에 도전성 카본막이 성막된 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이며, 상기 세퍼레이터의 기재로서, 상기 접촉 부분의 형상에 따라서 형성된 복수의 볼록부와, 당해 볼록부끼리의 사이에 형성된 가스 유로용 오목부를 가진 티타늄 기재를 준비하는 준비 공정과, 상기 볼록부에 카본 시트를 접촉시킨 상태에서, 상기 볼록부에 상기 카본 시트의 탄소가 확산되도록 상기 티타늄 기재에 대해 열처리를 행하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 카본 시트를, 티타늄 기재의 적어도 볼록부에 접촉시킨 상태에서 열처리를 행함으로써, 티타늄 기재의 접촉 부분의 표면에 있어서, 카본 시트의 탄소를 티타늄 기재의 모재로 확산시킬 수 있다. 이에 의해, 티타늄 기재의 모재의 표면을 균일하게 덮도록 탄화티타늄층을 형성할 수 있다.
이와 같이 하여, 볼록부의 모재의 표면에 탄화티타늄층을 형성함으로써, 후속 공정에서, 탄화티타늄층의 표면에 도전성 카본막을 성막할 수 있어, 티타늄 기재의 볼록부와 도전성 카본막의 밀착력을 높인 접촉 부분을 얻을 수 있다. 특히, 본 실시 형태에서는, 카본 시트는 가요성을 갖고 있으므로, 티타늄 기재의 표면 중, 볼록부의 표면에 카본 시트를 간단하게 따르게 하여, 이 상태에서 열처리를 행할 수 있다. 이에 의해, 더욱 불균일 없이 균일한 탄화티타늄층을 형성할 수 있다.
더 바람직한 양태로서는, 상기 열처리 공정 후의 상기 볼록부에 상기 도전성 카본막을 성막하는 성막 공정을 포함한다. 이 양태에 의하면, 접촉 부분의 탄화티타늄층의 탄소와 도전성 카본막의 탄소의 결합에 의해, 탄화티타늄층과 도전성 카본막의 밀착력을 높일 수 있다. 특히, 플라스마 CVD에 의해, 도전성 카본막을 성막하면, 탄화티타늄층의 탄소와, 도전성 카본막의 탄소의 결합력을 더 높일 수 있다.
여기서, 예를 들어 열처리 공정 전에, 티타늄 기재의 부동태막을 에칭에 의해 미리 제거해도 되지만, 더 바람직한 양태로서는, 상기 열처리 공정 후, 상기 성막 공정 전에, 상기 볼록부를 에칭함으로써, 상기 볼록부의 표면에 형성된 산화티타늄의 부동태막을 제거한다. 이 양태에 의하면, 후술하는 바와 같이, 열처리 공정을 행한 산화티타늄의 부동태막의 막 두께는, 이것을 행하지 않은 것보다 얇기 때문에, 에칭 시간을 단축할 수 있다.
더욱 바람직한 양태로서는, 상기 준비 공정에 있어서, 프레스 가공에 의해, 상기 티타늄 기재를 성형한다. 이 양태에 의하면, 열처리 공정에 있어서, 탄화티타늄층이 형성되기 전에, 프레스 성형함으로써, 티타늄 기재를 성형하므로, 성형성이 높은 티타늄 기재로부터, 상기 볼록부 및 오목부를 간단하게 성형할 수 있다.
상기 열처리 공정에 있어서, 상기 티타늄 기재와, 상기 카본 시트를 교대로 적층한 상태에서, 상기 열처리를 행한다. 이 양태에 의하면, 티타늄 기재와 카본 시트를 교대로 적층함으로써, 카본 시트의 양면에 티타늄 기재의 볼록부에 접촉시키면서 열처리를 행할 수 있다. 이에 의해, 세퍼레이터의 생산성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 티타늄 기재의 표면 중, 발전부와 접촉하는 표면에 형성된 도전성 카본막의 밀착력을 높임으로써, 연료 전지의 사용 환경하에서의 내식성이 향상되어, 발전부와의 접촉 저항의 상승을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 세퍼레이터를 구비한 연료 전지의 주요부의 모식적 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 준비 공정에 있어서의 세퍼레이터의 기재가 되는 티타늄 기재의 모식적 단면도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 볼록부의 확대 단면도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 열처리 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 열처리 공정 후의 볼록부의 확대 단면도이다.
도 7은 도 2에 나타낸 에칭 처리 공정을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 8은 도 2에 나타낸 성막 공정을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 9a는 실시예에 관한 티타늄 기재의 단면 사진이다.
도 9b는 도 9a의 티타늄 기재의 확대 단면 사진이다.
도 10a는 비교예에 관한 티타늄 기재의 단면 사진이다.
도 10b는 도 10a의 티타늄 기재 중, 탄화티타늄이 형성되어 있지 않은 부분의 확대 단면 사진이다.
도 10c는 도 10a의 티타늄 기재 중, 탄화티타늄이 형성된 부분의 확대 단면 사진이다.
도 11은 실시예 및 비교예에 관한 티타늄 기재의 에칭 시간을 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 및 비교예에 관한 시험체의 부식 시간과, 접촉 저항비의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 나타내는 실시 형태의 일례에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하에서는, 일례로서, 연료 전지 차에 탑재되는 연료 전지 또는 이것을 포함하는 연료 전지 시스템에 본 발명을 적용한 경우를 예시하여 설명하지만, 적용 범위가 이러한 예에 한정되는 일은 없다.
1. 세퍼레이터(3)를 포함하는 연료 전지(10)에 대해
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 세퍼레이터(3)를 구비한 연료 전지(10)의 주요부의 모식적 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지(연료 전지 스택)(10)에는, 기본 단위인 셀(단전지)(1)이 복수 적층되어 있다. 각 셀(1)은, 산화제 가스(예를 들어, 공기)와, 연료 가스(예를 들어, 수소 가스)의 전기 화학 반응에 의해 기전력을 발생하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 셀(1)은, MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(2)와, MEGA(발전부)(2)끼리를 구획하도록, MEGA(2)에 접촉하는 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터)(3)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, MEGA(2)는, 한 쌍의 세퍼레이터(3, 3)에 의해, 끼움 지지되어 있다.
MEGA(2)는, 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(4)와, 이 양면에 배치된 가스 확산층(7, 7)이 일체화된 것이다. 막 전극 접합체(4)는, 전해질막(5)과, 전해질막(5)을 사이에 끼우도록 접합된 한 쌍의 전극(6, 6)으로 이루어진다. 전해질막(5)은, 고체 고분자 재료로 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막으로 이루어지고, 전극(6)은 예를 들어 백금 등의 촉매를 담지한 예를 들어 다공질의 카본 소재에 의해 형성된다. 전해질막(5)의 일방측에 배치된 전극(6)이 애노드가 되고, 타방측의 전극(6)이 캐소드가 된다. 가스 확산층(7)은, 예를 들어 카본 페이퍼 혹은 카본 클로스 등의 카본 다공질체, 또는 금속 메쉬 혹은 발포 금속 등의 금속 다공질체 등의 가스 투과성을 갖는 도전성 부재에 의해 형성된다.
본 실시 형태에서는, MEGA(2)가, 연료 전지(10)의 발전부이며, 세퍼레이터(3)는 MEGA(2)의 가스 확산층(7)에 접촉하고 있다. 또한, 가스 확산층(7)이 생략되어 있는 경우에는, 막 전극 접합체(4)가 발전부이며, 이 경우에는, 세퍼레이터(3)는 막 전극 접합체(4)에 접촉하고 있다. 따라서, 연료 전지(10)의 발전부는, 막 전극 접합체(4)를 포함하는 것이며, 세퍼레이터(3)에 접촉한다. 세퍼레이터(3)는, 도전성이나 가스 불투과성 등이 우수한 금속을 기재로 하는 판상의 부재이며, 그 일면측의 접촉 부분(31)이 MEGA(2)의 가스 확산층(7)과 맞닿고, 다른 면측의 접촉 부분(32)이 인접하는 다른 세퍼레이터(3)의 다른 면측과 맞닿아 있다. 접촉 부분(31, 32)은, 발전부인 MEGA(2)에서 발전한 전력을 집전하는 집전부이다.
본 실시 형태에서는, 각 세퍼레이터(3)는, 파형으로 형성되어 있다. 세퍼레이터(3)의 형상은, 파의 형상이 등각 사다리꼴을 이루고, 또한 파의 정상부가 평탄하고, 이 정상부의 양단부가 동등한 각도를 이루어 각져 있다. 즉, 각 세퍼레이터(3)는, 표측으로부터 보아도 이측으로부터 보아도 거의 동일한 형상이며, 이 정상부(볼록부)가, 세퍼레이터(3)의 접촉 부분(31, 32)이 된다. 구체적으로는, MEGA(2)의 한쪽의 가스 확산층(7)에는, 세퍼레이터(3)의 정상부인 접촉 부분(31)이 면 접촉하고, MEGA(2)의 다른 쪽 가스 확산층(7)에는, 세퍼레이터(3)의 정상부인 접촉 부분(32)이 면 접촉하고 있다.
한쪽의 전극(즉, 애노드)(6)측의 가스 확산층(7)과 세퍼레이터(3) 사이에 구획 형성되는 가스 유로(21)는, 연료 가스가 유통하는 유로이며, 다른 쪽의 전극(즉, 캐소드)(6)측의 가스 확산층(7)과 세퍼레이터(3) 사이에 구획 형성되는 가스 유로(22)는, 산화제 가스가 유통하는 유로이다. 셀(1)을 개재하여 대향하는 한쪽의 가스 유로(21)에 연료 가스가 공급되고, 다른 쪽의 가스 유로(22)에 산화제 가스가 공급되면, 셀(1) 내에서 전기 화학 반응이 발생하여 기전력이 발생한다.
또한, 어느 셀(1)과, 그것에 인접하는 다른 하나의 셀(1)은, 애노드가 되는 전극(6)과 캐소드가 되는 전극(6)을 마주보게 하여 배치되어 있다. 또한, 어느 셀(1)의 애노드가 되는 전극(6)을 따라 배치된 세퍼레이터(3)의 배면측의 접촉 부분(32)과, 다른 하나의 셀(1)의 캐소드가 되는 전극(6)을 따라 배치된 세퍼레이터(3)의 배면측의 접촉 부분(32)이 면 접촉하고 있다. 인접하는 2개의 셀(1) 사이에서 면 접촉하는 세퍼레이터(3, 3) 사이에 구획 형성되는 공간(23)에는, 셀(1)을 냉각하는 냉매로서의 물이 유통한다.
2. 세퍼레이터(3)의 제조 방법에 대해
이하에, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 세퍼레이터(3)의 제조 방법을 설명한다. 도 2는, 도 1에 나타낸 연료 전지용 세퍼레이터(3)의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 또한, 이하에, 연료 가스용 가스 유로(21)가 형성된 세퍼레이터(3)의 제조 방법을 설명하지만, 산화제 가스용 가스 유로(22)가 형성된 세퍼레이터(3)의 제조 방법도 마찬가지이므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
2-1. 준비 공정(S1)에 대해
도 3은, 도 2에 나타낸 준비 공정에 있어서의 세퍼레이터(3)의 기재가 되는 티타늄 기재(3A)의 모식적 단면도이다. 도 4는, 도 3에 나타낸 볼록부(31A)의 확대 단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 먼저, 준비 공정(S1)을 행한다.
준비 공정(S1)에서는, 세퍼레이터(3)의 기재로서, 접촉 부분(31)의 형상에 따라서 형성된 복수의 볼록부(31A, 31A, …)와, 볼록부(31A, 31A)끼리의 사이에 형성된 가스 유로용 오목부(21A)를 가진 티타늄 기재(3A)를 준비한다. 또한, 볼록부(31A)가 형성된 면과 반대측에는, 접촉 부분(32)의 형상에 따른 볼록부(32A)가 형성되고, 이들 사이에는 냉각수용 오목부(23A)가 형성된다. 본 실시 형태에서는, 이하에 나타내는 시트 형상의 티타늄 기재를 준비하고, 이 티타늄 기재에 대해 프레스 가공에 의해, 티타늄 기재(3A)로 성형한다. 이하에 그 상세를 설명한다.
이 공정에서는, 먼저, 냉간의 압연재로 이루어지는 시트 형상의 티타늄 기재를 준비한다. 티타늄 기재는, 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어진다. 티타늄으로서는, 예를 들어 JIS H 4600에 규정되는 1 내지 4종을 들 수 있다. 또한, 티타늄 합금으로서는, 예를 들어 Ti-Al, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd를 들 수 있다. 단, 어느 경우도 상기 예시에 한정되는 것은 아니다.
티타늄 또는 티타늄 합금제의 기재로 함으로써, 가볍고, 내식성이 우수한 것으로 할 수 있다. 티타늄 기재의 두께는, 두께 0.05 내지 1㎜의 냉간 판재로 하는 것이 바람직하다. 두께를 이 범위로 하면, 세퍼레이터의 경량화 및 박형화의 요구를 만족시키고, 세퍼레이터로서의 강도 및 핸들링성을 구비하여, 세퍼레이터의 형상으로 프레스 가공하는 것이 비교적 용이해진다.
시트 형상의 티타늄 기재에 대해 프레스 가공에 의해, 시트 형상의 티타늄 기재로부터, 접촉 부분(31)의 형상에 따라서 형성된 복수의 볼록부(31A, 31A, …)와, 볼록부(31A, 31A)끼리의 사이에 형성된 가스 유로용 오목부(21A)를 성형한다. 후술하는 열처리 공정(S2)에 있어서의 탄화티타늄층(3d)이 형성되기 전에, 프레스 가공에 의해 티타늄 기재(3A)를 성형하므로, 성형성이 높은 티타늄 기재로부터, 상기 볼록부(31A) 및 오목부(21A) 등을 간단하게 성형할 수 있다.
여기서, 티타늄 기재(3A)의 표면에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 산화티타늄(구체적으로는, TiO2)의 부동태막(3b)이 형성되어 있다. 이 부동태막(3b)은, 대기 중(산소 가스를 포함하는 분위기하)에서, 티타늄이 자연 산화된 이산화티타늄으로 이루어지는 산화 피막이다. 또한, 산화티타늄의 부동태막(3b)과 모재(3a) 사이에는, 국소적으로 탄화티타늄(3c)이 부분적으로 형성되어 있다. 이 탄화티타늄(3c)은, 시트 형상의 티타늄 기재(3A)를 압연할 때에 압연유에 포함되는 탄화수소의 탄소가, 압연 후의 어닐링 시에, 티타늄으로 확산된 것이다.
2-2. 열처리 공정(S2)에 대해
다음으로, 열처리 공정(S2)을 행한다. 도 5는, 도 2에 나타낸 열처리 공정(S2)을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은, 도 5에 나타낸 열처리 공정(S2) 후의 볼록부의 확대 단면도이다. 열처리 공정(S2)에서는, 티타늄 기재(3A) 중 적어도 발전부(2)에 접촉하는 접촉 부분(31)에 대응하는 볼록부(31A)에, 카본 시트(9)를 접촉시킨 상태에서, 볼록부(31A)로, 카본 시트(9)의 탄소가 확산되도록 티타늄 기재(3A)에 대해 열처리를 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 반대측에 형성된 볼록부(32A)에도 카본 시트(9)를 접촉시킨 상태에서, 마찬가지의 처리를 동시에 행한다.
카본 시트(9)는, 그 표면이 탄소를 포함하는 가요성을 가진 시트이면 되고, 탄화티타늄층을 형성할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 시트재로서, 예를 들어 카본 페이퍼, 카본 클로스, 또는 탄소 펠트 등을 들 수 있고, 볼록부(31A)의 표면에 균일하게 접촉하는 것이면, 그 소재는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 카본 시트(9)로서는, 종이재 또는 수지 시트의 양면에 카본 블랙 등의 탄소 입자를 균일하게 담지한 시트여도 된다. 이 밖에도, 카본 시트(9)로서는, 탄소 섬유를 시트 형상으로 한 직물 또는 부직포 등이어도 되고, 그것들에 수지를 함침시킨 것이어도 된다.
본 실시 형태에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 열처리 공정(S2)에 있어서, 티타늄 기재(3A)와 카본 시트(9)를 교대로 적층한 상태에서 열처리를 행한다. 이에 의해, 복수의 티타늄 기재(3A)를 한 번에 열처리할 수 있어, 생산성을 높일 수 있다. 본 실시 형태에서는, 더 구체적으로는, 하단에 위치하는 티타늄 기재(3A)의 볼록부(31A)가, 상단에 위치하는 티타늄 기재(3A)의 오목부(23A)에 대향하도록, 카본 시트(9)를 끼워 넣는다. 이에 의해, 가요성을 갖는 카본 시트(9)를 볼록부(31A)의 표면을 따르도록 볼록부(31A)에 접촉시킬 수 있다. 이 결과, 후술하는 열처리에 의해, 볼록부(31A)로, 균일하게 탄소를 확산시킬 수 있다. 또한, 카본 시트(9)를 사이에 두고, 하단의 볼록부(31A)의 일부가, 상단의 오목부(23A)에 들어가도 된다. 또한, 카본 시트(9)는, 열처리 공정(S2) 후, 재이용해도 된다.
여기서, 열처리 공정(S2)에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 티타늄 기재(3A)와 카본 시트(9)를 적층한 상태에서, 가열로 내에 투입하고, 볼록부(31A)로, 카본 시트(9)의 탄소가 확산되도록 티타늄 기재(3A)에 대해 열처리를 행한다. 이에 의해, 도 6에 나타낸 바와 같이, 티타늄 기재(3A)의 모재(3a)의 표면에 균일한 탄화티타늄층(3d)이 형성된다. 또한, 탄화티타늄층(3d)의 표면에는, 티타늄의 자연 산화에 의해 형성된 이산화티타늄으로 이루어지는 부동태막(3b)이 존재한다.
구체적으로는, 열처리 공정(S2)에 의해, 도 4에 나타낸 부분적으로 존재하고 있었던 탄화티타늄(3c)의 탄소가 티타늄 기재(3A)의 모재(3a)로 확산됨과 함께, 카본 시트(9)로부터의 탄소의 확산에 의해 소멸되어, 티타늄 기재(3A)의 모재(3a)의 표면에는, 탄화티타늄층(3d)이 균일하게 형성된다.
또한, 이 열처리 공정(S2)에 있어서, 탄화티타늄층(3d)이 형성됨으로써, 도 6에 나타낸 탄화티타늄층(3d)의 표면에 형성되는 부동태막(3b)의 막 두께는, 도 4에 나타낸 티타늄 기재(3A) 상에 형성되는 부동태막(3b)의 두께보다 얇아진다. 이것은, 탄화티타늄은 티타늄보다 활성이 낮기 때문에, 탄화티타늄층(3d)의 표면에서는, 모재(3a)의 표면보다 산화되기 어렵기 때문이라고 생각된다.
또한, 이 열처리에 의해, 준비 공정(S1) 시보다 부동태막(3b)의 막 두께가 감소한다는 점에서, 열처리 공정(S2)의 처리 조건에 의해, 부동태막(3b)을 대략 소멸시켜도 되고, 준비 공정(S1)에 있어서, 에칭 처리에 의해 부동태막(3b)을 제거하고, 이 상태에서 열처리 공정(S2)을 행해도 된다. 이에 의해, 후술하는 에칭 처리 공정(S3)을 생략할 수 있는 경우가 있다.
상술한 열처리에서는, 카본 시트(9)의 탄소가, 티타늄 기재(3A)로 확산될 수 있는 것이면, 그 분위기 조건은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 무산소 분위기하(더 바람직하게는, 진공 분위기하)에서, 이것들을 가열한다. 여기서, 진공 분위기 하로서는, 예를 들어 1.0×10-2Pa 이하의 압력 분위기하이다. 이에 의해, 카본 시트(9)의 탄소 티타늄 기재(3A)로의 확산을 더 촉진할 수 있다.
상술한 열처리에 있어서의 열처리 조건은, 카본 시트(9)의 탄소가, 티타늄 기재(3A)로 확산될 수 있는 것이면, 그 조건은 특별히 한정되지 않지만, 더 바람직하게는, 가열 온도가 500℃ 내지 650℃이고, 또한 가열 시간이 2 내지 4시간인 가열 조건이다. 이러한 가열 조건에서, 열처리를 행함으로써, 티타늄 기재(3A)로 카본 시트(9)의 탄소가 확산되기 쉬워진다.
여기서, 가열 온도가 650℃를 초과한 경우에는, 탄소의 증발과, 티타늄 기재(3A)의 모재(3a) 내로의 탄소의 확산이 활발해져, 탄화티타늄층(3d)이 형성되기 어려운 경우가 있다. 한편, 가열 온도가 500℃ 미만인 경우에는, 티타늄 기재(3A)의 모재(3a) 내의 탄소의 확산이 충분하지 않아, 탄화티타늄층(3d)의 형성에 시간을 요한다.
여기서, 가열 시간이 4시간을 초과한 경우에는, 티타늄 기재(3A)와 카본 시트(9)의 자중에 의해, 하단에 배치된 티타늄 기재(3A)가 변형되는 경우가 있다. 한편, 가열 시간이 2시간 미만인 경우에는, 티타늄 기재(3A)의 모재(3a)로의 탄소의 확산이 충분하지 않은 경우가 있다.
2-3. 에칭 처리 공정(S3)에 대해
다음으로, 에칭 처리 공정(S3)을 행한다. 에칭 처리 공정(S3)에서는, 열처리 공정(S2) 후, 후술하는 성막 공정(S4) 전에, 볼록부(31A, 32A)를 에칭한다. 이에 의해, 볼록부(31A, 32A)의 표면에 형성된 산화티타늄의 부동태막(3b)을 제거한다.
이러한 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 티타늄 기재(3A)의 접촉 부분(32)의 표면에, 탄화티타늄층(3d)을 노출시킬 수 있다. 또한 상술한 바와 같이, 열처리 공정(S2)을 행한 산화티타늄의 부동태막(3b)의 막 두께는, 이것을 행하지 않은 것보다 얇기 때문에, 에칭 시간을 단축할 수 있다.
부동태막(3b)을 제거할 수 있고, 새롭게 부동태막 등의 산화 피막이 형성되지 않는 것이면, 에칭은, 플라스마 등을 이용한 건식 에칭, 또는 황산 수용액 등의 산성 용액에 침지하는 습식 에칭 등, 어느 쪽이어도 된다. 본 실시 형태에서는, 바람직한 양태로서, 플라스마에 의한 에칭을 행한다. 구체적으로는, 감압 분위기하에서, 티타늄 기재(3A)를 투입하고, 플라스마화한 아르곤 가스 등의 불활성 가스 유래의 원소를 표면에 접촉시킨다. 이에 의해, 티타늄 기재(3A)로부터 부동태막(3b)을 제거한다. 이러한 에칭을 행함으로써, 티타늄 기재(3A)로부터 부동태막(3b)을 간단하게 제거할 수 있다.
2-4. 성막 공정(S4)에 대해
다음으로, 성막 공정(S4)을 행한다. 성막 공정(S4)에서는, 에칭 처리 공정(S3) 후의, 티타늄 기재(3A)의 적어도 볼록부(31A, 32A)에, 도전성 카본막(3e)을 형성한다(도 8 참조). 이에 의해, 세퍼레이터(3)를 얻을 수 있다.
도전성 카본막(3e)의 성형에 있어서는, 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅, 이온 빔 믹싱 등을 이용한 물리 기상 성장법(PVD)에 의해 도전성 카본막(3e)을 형성해도 되고, 플라스마 처리 등을 이용한 화학 기상 성장법(CVD)에 의해 도전성 카본막(3e)을 형성해도 된다.
본 실시 형태에서는, 성막 장치(도시하지 않음)를 사용하여 플라스마 CVD에 의해 도전성 카본막(3e)을 성막한다. 구체적으로는, 성막실(도시하지 않음)에 티타늄 기재(3A)를 도입한 후, 직류 바이어스 전압을 인가하고, 티타늄 기재(3A)와 양극(도시하지 않음) 사이에 글로 방전 플라스마를 발생시킨다. 본 실시 형태에서는, 양극은 티타늄 기재(3A)와 평행하게, 또한 양면에 대향하도록 배치하고, 양면 동시에 플라스마를 발생시킨다. 다음으로, 아세틸렌 가스 등의 탄화수소계 가스를, 성막실에 도입하고, 이온화한 탄소를, 노출된 탄화티타늄층(3d)의 표면에 흡착시킨다. 이에 의해, 티타늄 기재(3A)의 표면에 있어서, 탄화티타늄층(3d)의 표면에서 탄소가 성장하여, 비정질 탄소로 이루어지는 도전성 카본막(3e)을 얻을 수 있다.
이와 같이 하여, 볼록부(31A, 32A)를 포함하는 티타늄 기재(3A)의 양면에, 도전성 카본막(3e)을 성막할 수 있다. 도전성 카본막(3e)의 두께에 한정은 없지만, 예를 들어 10 내지 80㎚의 두께이다. 예를 들어, 도전성 카본막(3e)의 막 두께가, 10㎚ 미만인 경우, 세퍼레이터의 내식성이 낮아져, 저항이 상승하는 경우가 있다. 한편, 도전성 카본막(3e)의 막 두께가, 80㎚를 초과한 경우, 도전성 카본막(3e)의 내부 응력이 높아져, 티타늄 기재(3A)로부터 도전성 카본막(3e)이 박리되는 경우가 있다.
본 실시 형태에서는, 열처리에 의해 형성된 탄화티타늄층(3d)의 탄소와, 도전성 카본막(3e)의 탄소의 결합이 강고해져, 탄화티타늄층(3d)과 도전성 카본막(3e)의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 연료 전지(10)의 발전 시에 생성되는 생성수에, 세퍼레이터(3)가 노출되었다고 해도, 탄화티타늄층(3d)과 도전성 카본막(3e)의 밀착 상태를 확보할 수 있다. 이 결과, 발전부(2)에 대한 세퍼레이터(3)의 접촉 저항의 상승을 억제할 수 있어, 세퍼레이터(3)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
[실시예]
이하에, 본 실시 형태를 실시예에 기초하여 설명한다.
〔실시예〕
이하에 나타내는 방법으로, 실시예에 관한 세퍼레이터에 상당하는 시험체를 제작하였다. 먼저, 순 티타늄(재질: JIS 1종)으로 이루어지는 두께 0.1㎜ 티타늄판(압연재)으로부터, 소정의 사이즈의 세퍼레이터의 형상으로 성형하여, 티타늄 기재로 하였다. 알칼리계의 세정액으로 세정을 행하였다.
다음으로, 티타늄 기재에 카본 시트를 교대로 적층하여, 가열로 내에 투입하고, 실내의 압력이 10-6Pa로 되도록 진공화하고, 600℃, 2시간의 가열 조건에서, 티타늄 기재를 열처리하였다. 얻어진 티타늄 기재의 단면을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰하였다. 그 결과를 도 9a 및 도 9b에 나타낸다. 도 9a는, 실시예에 관한 티타늄 기재의 단면 사진이다. 도 9b는, 도 9a의 티타늄 기재의 확대 단면 사진이다.
열처리 후의 티타늄 기재를, 성막 장치로 도입하고, 성막실 내의 압력을 10Pa로 하고, 성막실 내의 온도를 300℃로 한 후, DC로 2.0kV의 직류 바이어스 전압을 티타늄 기재에 인가하여, 티타늄 기재(3A)와 양극 사이에 글로 방전 플라스마를 발생시켰다. 이 상태에서, 아르곤 가스를 실내에 공급하고, 티타늄 기재의 표면에, 플라스마화한 아르곤을 접촉시켜, 티타늄 기재의 에칭 처리를 행하였다.
또한, 티타늄 기재의 표면에 형성된 부동태막(산화티타늄층)이 완전히 제거될 때까지 에칭 처리를 행하여, 그 시간을 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타낸다. 도 11은, 실시예 및 후술하는 비교예에 관한 티타늄 기재의 에칭 시간을 나타낸 그래프이다.
다음으로, 성막 가스로서, 성막 장치의 실내에, 탄화수소계 가스(아세틸렌 가스)를 공급하고, DC로 2.0 내지 3.0kV의 범위에 들어가도록 직류 바이어스 전압을 인가하여, 플라스마 CVD에 의해, 도전성 카본막을 성막하였다. 이에 의해, 연료 전지용 세퍼레이터에 상당하는 시험체를 얻었다.
〔비교예〕
실시예와 마찬가지로 시험체를 제작하였다. 비교예가 실시예와 상위한 점은, 카본 시트를 사용하여 열처리를 행하지 않은 점이다. 또한, 에칭 처리 전의 티타늄 기재의 단면을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰하였다. 그 결과를 도 10a 내지 도 10c에 나타낸다. 도 10a는, 비교예에 관한 티타늄 기재의 단면 사진이다. 도 10b는, 도 10a의 티타늄 기재 중, 탄화티타늄이 형성되어 있지 않은 부분의 확대 단면 사진이다. 도 10c는, 도 10a의 티타늄 기재 중, 탄화티타늄이 형성된 부분의 확대 단면 사진이다. 또한 비교예의 경우도, 티타늄 기재의 표면에 형성된 부동태막(산화티타늄층)이 완전히 제거될 때까지 에칭 처리를 행하여, 그 시간을 측정하였다. 그 결과를 도 11에 나타낸다.
<부식 내구 시험>
실시예 및 비교예에 관한 시험체에 대해, 일본 공업 규격의 금속 재료 전기 화학적 고온 부식 시험법(JIS Z2294)에 준한 내식성 시험(정전위 부식 시험)을 행하였다. 대기 해방계의 장치에 있어서, 온도 조정수에 의해 80℃로 온도 조정된 황산 수용액(300㎖, pH3)에 시험체를 침지하였다. 이 상태에서, 백금판으로 이루어지는 대향 전극과 시험체(시료극)를 전기적으로 접속함으로써, 대향 전극과 시료극 사이에 0.9V의 전위차를 발생시켜, 시험체를 부식시켰다. 또한, 참조 전극에 의해 시험체의 전위를 일정하게 유지하였다. 또한, 시험 시간은 50시간 정도로 하였다.
<접촉 저항 시험>
부식 시험 전(초기), 부식 시험 100시간, 부식 시험 200시간에 있어서의, 실시예 및 비교예에 관한 시험체에 대해 접촉 저항 시험을 행하였다. 구체적으로는, 각 시험체에, 연료 전지의 확산층에 상당하는 카본 페이퍼(두께 0.5㎜)를 얹고, 측정 지그에 의해 일정 하중(1㎫)을 부여하면서 측정하였다. 이 상태에서, 전류계에 의해 시험체에 흐르는 전류가 1A가 되도록 전원으로부터의 전류를 조정하여 흐르게 하여, 시험체에 인가되는 전압을 전압계로 측정하고, 시험체와 카본 페이퍼의 접촉 저항값을 산출하였다. 구체적으로는, 실시예의 부식 시험 전의 접촉 저항값을 1로 하고, 각 접촉 저항비를 산출하였다. 그 결과를 도 12에 나타낸다. 도 12는, 실시예 및 비교예에 관한 시험체의 부식 시간과, 접촉 저항비의 관계를 나타낸 그래프이다.
〔결과 및 고찰〕
도 9a 및 도 9b에 나타낸 바와 같이, 카본 시트를 접촉시켜, 열처리를 행한 실시예의 티타늄 기재의 모재의 표면에는, 탄화티타늄층이 형성되어 있고, 탄화티타늄층의 표면에는 부동태막이 형성되어 있었다.
한편, 도 10a 내지 도 10c에 나타낸 바와 같이, 실시예와 같이 열처리를 행하지 않은 티타늄 기재의 모재의 표면에는, 탄화티타늄이 부분적으로 존재하고, 이것들을 덮도록 부동태막이 형성되어 있었다. 또한, 탄화티타늄이 형성되어 있지 않은 부분에 피복된 부동태막(도 10b 참조)의 막 두께는, 탄화티타늄이 형성된 부분에 피복된 부동태막(도 10c 참조)의 막 두께 및 실시예의 부동태막의 막 두께보다 두꺼웠다.
또한, 도 10a 내지 도 10c로부터 명백한 바와 같이, 실시예의 티타늄 기재를 열처리하기 전의 티타늄 기재의 모재의 표면에는, 국소적으로 탄화티타늄이 형성되어 있다고 생각할 수 있지만, 실시예와 같이 열처리를 행함으로써, 티타늄 기재의 표면에, 균일한 두께의 탄화티타늄층이 카본 시트가 접촉한 표면 전체에 형성되었다고 생각된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 실시예에 관한 티타늄 기재의 에칭 시간은, 비교예에 관한 티타늄 기재의 에칭 시간보다 짧았다. 이것은, 실시예에 관한 티타늄 기재에 형성된 부동태막의 막 두께가, 비교예의 것보다 얇기 때문이라고 생각된다. 이상으로부터, 실시예와 같이, 티타늄 기재에 카본 시트를 접촉시켜, 카본 시트의 탄소를 티타늄 기재로 확산시키고, 탄화티타늄층을 형성하면, 티타늄 기재의 표층의 부동태막의 두께는 얇아진다고 생각된다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 실시예의 시험체의 접촉 저항비는, 어떠한 경우도, 비교예의 것보다 작았다. 이것은, 실시예의 시험체에서는, 탄화티타늄층에, 도전성 카본막이 형성됨으로써, 탄화티타늄층의 탄소와, 도전성 카본막의 탄소가 강고하게 결합되어 있기 때문이라고 생각된다. 이 결과, 실시예의 시험체는, 비교예의 것보다, 티타늄 기재와 도전성 카본막의 밀착성이 높아, 부식 내구성이 강하다고 생각된다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였지만, 본 발명은, 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 청구범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 설계 변경을 행할 수 있는 것이다.
본 실시 형태에서는, 열처리 공정에 있어서, 카본 시트와 티타늄 기재(세퍼레이터 성형재)를 교대로 적층하여 열처리를 행하였지만, 하나의 티타늄 기재에 카본 시트를 끼워 넣음으로써, 열처리를 행해도 된다.
2 : MEGA(발전부)
3 : 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터)
3A : 티타늄 기재
3a : 모재
3b : 부동태막
3d : 탄화티타늄층
3e : 도전성 카본막
9 : 카본 시트
6 : 전극
21, 22 : 가스 유로
21A : 오목부
31, 32 : 접촉 부분
31A, 32A : 볼록부

Claims (5)

  1. 연료 전지의 전극을 포함하는 발전부끼리를 구획하도록 상기 발전부에 접촉하는 접촉 부분을 갖고, 상기 접촉 부분에 도전성 카본막이 성막된 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이며,
    상기 세퍼레이터의 기재로서, 상기 접촉 부분의 형상에 따라서 형성된 복수의 볼록부와, 당해 볼록부끼리의 사이에 형성된 가스 유로용 오목부를 가진 티타늄 기재를 준비하는 준비 공정과,
    상기 볼록부에 카본 시트를 접촉시킨 상태에서, 상기 볼록부에 상기 카본 시트의 탄소가 확산되도록 상기 티타늄 기재에 대해 열처리를 행하는 열처리 공정을 포함하고,
    상기 열처리 공정에 있어서, 하단에 위치하는 티타늄 기재의 볼록부가, 상단에 위치하는 티타늄 기재의 오목부에 대향하도록, 상기 카본 시트를 끼워 넣는 방식으로 상기 티타늄 기재와 상기 카본 시트를 교대로 적층한 상태에서, 상기 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 공정 후의 상기 볼록부에 상기 도전성 카본막을 성막하는 성막 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열처리 공정 후, 상기 성막 공정 전에, 상기 볼록부를 에칭함으로써, 상기 볼록부의 표면에 형성된 산화티타늄의 부동태막을 제거하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 준비 공정에 있어서, 프레스 가공에 의해, 상기 티타늄 기재를 성형하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  5. 삭제
KR1020180129559A 2017-12-14 2018-10-29 연료 전지용 세퍼레이터 KR102166959B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2017-239807 2017-12-14
JP2017239807A JP6856012B2 (ja) 2017-12-14 2017-12-14 燃料電池用のセパレータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190071577A KR20190071577A (ko) 2019-06-24
KR102166959B1 true KR102166959B1 (ko) 2020-10-16

Family

ID=66674538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180129559A KR102166959B1 (ko) 2017-12-14 2018-10-29 연료 전지용 세퍼레이터

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11069905B2 (ko)
JP (1) JP6856012B2 (ko)
KR (1) KR102166959B1 (ko)
CN (1) CN109962255A (ko)
CA (1) CA3027406C (ko)
DE (1) DE102018131019A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7359124B2 (ja) * 2020-10-12 2023-10-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
CN115537725A (zh) * 2022-08-31 2022-12-30 西北工业大学 耐腐蚀材料及其制备方法、金属双极板

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002170582A (ja) * 2000-12-04 2002-06-14 Nisshin Steel Co Ltd 燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4825894B1 (ko) 1964-10-24 1973-08-02
JPS5133270B2 (ko) 1971-08-09 1976-09-18
JP4825894B2 (ja) 2009-04-15 2011-11-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータおよびその製造方法
JP4886884B2 (ja) * 2010-07-20 2012-02-29 株式会社神戸製鋼所 チタン製燃料電池セパレータおよびその製造方法
JP5507495B2 (ja) 2010-07-20 2014-05-28 株式会社神戸製鋼所 チタン製燃料電池セパレータの製造方法
JP4886885B2 (ja) 2010-07-20 2012-02-29 株式会社神戸製鋼所 チタン製燃料電池セパレータ
JP5342518B2 (ja) 2010-07-20 2013-11-13 株式会社神戸製鋼所 チタン製燃料電池セパレータの製造方法
JP5108976B2 (ja) * 2011-02-14 2012-12-26 株式会社神戸製鋼所 燃料電池セパレータ
JP5575696B2 (ja) * 2011-04-28 2014-08-20 株式会社神戸製鋼所 燃料電池セパレータの製造方法
JP5378552B2 (ja) 2012-01-30 2013-12-25 株式会社豊田中央研究所 非晶質炭素膜、非晶質炭素膜の形成方法、非晶質炭素膜を備えた導電性部材および燃料電池用セパレータ
JP6122589B2 (ja) * 2012-07-20 2017-04-26 株式会社神戸製鋼所 燃料電池セパレータ
JP5894053B2 (ja) 2012-10-12 2016-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造装置
JP6061702B2 (ja) 2013-01-30 2017-01-18 株式会社神戸製鋼所 燃料電池セパレータ用材料および燃料電池セパレータの製造方法
JP5968857B2 (ja) * 2013-11-11 2016-08-10 株式会社神戸製鋼所 チタン製燃料電池セパレータの製造方法
KR20160067959A (ko) 2013-11-11 2016-06-14 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법
JP6160584B2 (ja) * 2014-09-19 2017-07-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
JP6160877B2 (ja) * 2015-04-13 2017-07-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002170582A (ja) * 2000-12-04 2002-06-14 Nisshin Steel Co Ltd 燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109962255A (zh) 2019-07-02
DE102018131019A1 (de) 2019-06-19
JP2019106345A (ja) 2019-06-27
US20190190035A1 (en) 2019-06-20
CA3027406A1 (en) 2019-06-14
JP6856012B2 (ja) 2021-04-07
KR20190071577A (ko) 2019-06-24
CA3027406C (en) 2021-05-11
US11069905B2 (en) 2021-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101086535B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지
KR101908180B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법 및 연료 전지용 세퍼레이터
US20040197661A1 (en) Metallic separtor for fuel cell and production method for the same
US20090211667A1 (en) Surface treatment method of titanium material for electrodes
CA2747858C (en) Fuel cell separator material, fuel cell separator using same, fuel cell stack, and method for producing fuel cell separator material
CN101617428A (zh) 燃料电池用隔板、燃料电池用隔板的制造方法和燃料电池
JP5634604B2 (ja) 燃料電池用分離板およびその製造方法
JP2012043775A (ja) チタン製燃料電池セパレータの製造方法
US20040081879A1 (en) Fuel cell bipolarplate
KR102166959B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터
CA3002453A1 (en) Method for producing fuel cell separator
JP2009289511A (ja) 燃料電池セパレータ用チタン基材、および、燃料電池セパレータ、ならびに燃料電池セパレータの製造方法
US8492053B2 (en) Surface treated carbon coatings for flow field plates
RU2660484C1 (ru) Титановый продукт, сепаратор и топливный элемент с протонообменной мембраной, а также способ производства титанового продукта
JP2019214781A (ja) チタン材、セパレータ、セル、および燃料電池スタック
JP2001068129A (ja) 燃料電池用セパレータおよびその製造方法および燃料電池
JP5180485B2 (ja) 燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池
JP5375208B2 (ja) 燃料電池の製造方法、燃料電池
JP7035665B2 (ja) セパレータ、セル、および燃料電池
KR101168119B1 (ko) 친수화처리를 이용한 연료전지용 금속분리판 제조 방법
JP5061544B2 (ja) 燃料電池
KR102102608B1 (ko) 고분자 연료전지 분리판용 스테인리스강 제조 방법
KR20230146874A (ko) 고분자 전해질막의 제조방법, 이에 따라 제조된 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지 시스템
KR20240045882A (ko) 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법
JP2009104932A (ja) 燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant