KR20180067708A

KR20180067708A - 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180067708A
Application number: KR1020187016116A
Authority: KR
Inventors: 준 스즈키; 도시키 사토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2018-06-20
Also published as: US20160268611A1; KR20160067959A; WO2015068559A1; CN105706280A; DE112014005143T5

Abstract

도전성 및 내구성이 우수함과 함께, 내마모성도 우수한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법을 제공한다. 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재(1) 표면에 탄소계 도전층(2)이 형성되어 있는 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재(10)이며, 상기 탄소계 도전층(2)은 2층 구조를 나타내고 있고, 상기 탄소계 도전층(2) 중 상기 기재(1)에 가까운 측의 층이 탄소층(21)이며, 상기 기재(1)에 먼 측의 층이 도전성 수지층(22)이며, 상기 탄소층(21)은 흑연을 포함함과 함께, 상기 탄소층(21)의 피복률은 40％ 이상이며, 상기 도전성 수지층(22)은 탄소분과 수지를 포함하고, 상기 수지는 소정의 수지인 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재(10)에 의해, 상기 과제를 해결한다.

Description

티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법 {TITANIUM SEPARATOR MATERIAL FOR FUEL CELLS, AND METHOD FOR PRODUCING TITANIUM SEPARATOR MATERIAL FOR FUEL CELLS}

본 발명은 연료 전지에 사용되는 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법에 관한 것이다.

수소 등의 연료와 산소 등의 산화제를 계속해서 공급함으로써 계속적으로 전력을 취출할 수 있는 연료 전지는, 건전지 등의 일차 전지나 납 축전지 등의 이차 전지와는 달리, 발전 효율이 높고 시스템 규모의 대소에 그다지 영향을 받지 않고, 또한 소음이나 진동도 적다. 그로 인해, 연료 전지는, 다양한 용도나 규모를 커버하는 에너지원으로서 기대되고 있다. 연료 전지는, 구체적으로는, 고체 고분자형 연료 전지(PEFC), 알칼리 전해질형 연료 전지(AFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 바이오 연료 전지 등으로서 개발되어 있다. 그 중에서도, 연료 전지 자동차나, 가정용 코제네레이션 시스템, 휴대 전화나 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대 기기용으로서, 고체 고분자형 연료 전지의 개발이 진행되고 있다.

고체 고분자형 연료 전지(이하, 연료 전지라 함)는, 고체 고분자 전해질막을 애노드와 캐소드로 사이에 위치시킨 것을 단셀로 하고, 가스(수소, 산소 등)의 유로가 되는 홈이 형성된 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 불림)를 개재하여 상기 단셀을 복수개 겹쳐 구성된다.

세퍼레이터는, 연료 전지에 있어서 발생한 전류를 외부로 취출하기 위한 부품이기도 하므로, 접촉 저항(전극과 세퍼레이터 표면 사이에서, 계면 현상으로 인해 전압 강하가 발생하는 것을 말함)이 낮은 재료가 적용된다. 또한, 세퍼레이터는, 연료 전지의 내부가 pH 2∼4 정도의 산성 분위기이므로 고내식성이 요구되고, 또한 상기한 저접촉 저항(도전성)이 이 산성 분위기에서의 사용 중에 장기간 유지된다고 하는 특성도 요구된다.

이들 요구를 만족시키는 재료로서 카본이 주목받고 있고, 세퍼레이터에의 카본의 적용이 검토되어 있다. 구체적으로는, 흑연 분말의 성형체를 깎아 내어 제조되거나, 흑연과 수지의 혼합물 성형체로 형성되는 카본제의 세퍼레이터(예를 들어 특허문헌 1∼3)나, 티타늄이나 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 기재에, 카본 입자를 부착시키거나(예를 들어 특허문헌 4∼7), 화학 기상 성장(CVD)법 등으로 탄소막을 성막한 세퍼레이터가 검토되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평10-3931호 공보 일본 특허 제4075343호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-162550호 공보 일본 특허 제3904690호 공보 일본 특허 제3904696호 공보 일본 특허 제4886885호 공보 일본 특허 제5108986호 공보

연료 전지 세퍼레이터는, 세퍼레이터에의 가공을 행할 때나 셀에 내장할 때의 취급 시에 재료끼리가 마찰하는 경우가 있고, 이때에 세퍼레이터 표면에 형성된 도전층(탄소계 도전층)에 흠 등이 발생하는 것이 우려된다. 또한, 셀 내장 후에는 세퍼레이터 표면은 가스 확산층을 구성하는 카본 페이퍼와 가압되면서 접촉하지만, 특히 차량 탑재 용도로 사용된 경우, 주행에 수반하는 진동에 의해 세퍼레이터 표면에 형성된 도전층과 카본 페이퍼 사이에서 마찰이 발생할 가능성이 있다. 이때 도전층이 용이하게 마모되어 버리면, 사용 시간이 길어짐에 따라 세퍼레이터와 카본 페이퍼 사이의 전기 저항이 높아지고, 연료 전지의 발전 성능을 저하시켜 버린다.

이로 인해, 연료 전지 세퍼레이터의 세퍼레이터재에는, 도전성이나 내구성(도전 내구성:도전성을 장기간 유지하는 성질)과 함께, 내마모성도 요구된다.

그러나, 특허문헌 1∼7에 개시된 기술은, 상기한 실정을 고려한 기술이 아니므로, 내마모성 등에 관한 요구에는 충분히 대응할 수는 없어, 개선의 여지가 존재한다.

본 발명은 상기한 문제에 비추어 이루어진 것이며, 그 과제는, 도전성 및 내구성이 우수함과 함께, 내마모성도 우수한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재 및 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

발명자들은, 예의 검토를 행한 결과, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 기재 표면에 2층 구조를 나타내는 탄소계 도전층(탄소층, 도전성 수지층)을 형성하고, 탄소층의 피복률을 소정값 이상으로 함과 함께, 도전성 수지층의 수지를 소정의 것으로 특정함으로써, 도전성 및 내구성이 우수함과 함께, 내마모성도 우수한 것을 발견하고, 본 발명을 창출하였다.

또한, 발명자들은, 예의 검토를 행한 결과, 탄소층 형성 공정, 도전성 수지층 형성 공정 후에, 프레스 성형 공정을 행하거나, 또는, 탄소층 형성 공정, 프레스 성형 공정 후에, 도전성 수지층 형성 공정을 행함으로써, 프레스 성형 후의 핸들링 시에 있어서의 탄소계 도전층(탄소층, 도전성 수지층)의 박리의 가능성을 저하시킬 수 있고, 또한 높은 도전성을 장시간 유지할 수 있는 것도 발견하였다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 탄소계 도전층이 형성되어 있는 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재이며, 상기 탄소계 도전층은 2층 구조를 나타내고 있고, 상기 탄소계 도전층 중 상기 기재에 가까운 측의 층이, 탄소층이며, 상기 기재에 먼 측의 층이, 도전성 수지층이며, 상기 탄소층은, 흑연을 포함함과 함께, 상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며, 상기 도전성 수지층은, 탄소분과 수지를 포함함과 함께, 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 탄소층과 도전성 수지층의 2층 구조를 나타내는 탄소계 도전층을 구비하므로, 당해 탄소계 도전층이 세퍼레이터재의 도전성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 도전성 수지층이 보호막으로서의 작용을 하므로, 1층만의 도전층을 구비하는 세퍼레이터재와 비교하여, 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 상기 탄소층의 피복률이, 40％ 이상 80％ 이하인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 기재 상의 탄소층의 피복률이 소정의 값 이하이므로, 세퍼레이터재를 제조할 때의 프레스 성형 가공을 실시한 후라도, 도전성은 당연하고, 내마모성이나 밀착성의 저하도 억제할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 상기 기재와 상기 탄소층 사이에, 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 기재와 탄소층 사이에 중간층이 형성되어 있음으로써, 기재와 탄소층의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 탄소층을 포함하는 탄소계 도전층의 박리의 가능성을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 상기 도전성 수지층의 두께가 0.1∼20㎛인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 도전성 수지층의 두께를 소정의 범위로 규정하고 있음으로써, 내마모성의 향상이라고 하는 효과를 확실한 것으로 함과 함께, 전기 저항값의 대폭적인 증가를 방지하고, 세퍼레이터재로서 적합한 형태로 할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과, 상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정을 포함하고, 상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며, 상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정과, 도전성 수지층 형성 공정을 포함함으로써, 탄소층과 도전성 수지층의 2층 구조를 나타내는 탄소계 도전층을 기재에 형성할 수 있다. 그 결과, 탄소계 도전층에 의해 도전성 및 내구성이 향상된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다. 그리고, 도전성 수지층이 보호막으로서의 작용을 하므로, 1층만의 도전층을 구비하는 세퍼레이터재와 비교하여, 내마모성이 향상된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 상기 탄소층의 피복률이, 40％ 이상 80％ 이하인 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 기재 상의 탄소층의 피복률이 소정의 값 이하이므로, 세퍼레이터재를 제조할 때의 프레스 성형 가공을 실시한 후라도, 도전성은 당연한 것이고, 내마모성이나 밀착성의 저하도 억제한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 상기 도전성 수지층 형성 공정 후, 상기 기재를 200∼550℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 도전성 수지층 형성 공정 후에 열처리 공정을 포함하므로, 도전성 수지층의 최표면의 수지를 일부 분해 제거할 수 있으므로, 도전성 수지층의 수지 비율이 높은 것에 의한 접촉 저항의 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 보다 접촉 저항이 저감된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 상기 탄소층 형성 공정과 상기 도전성 수지층 형성 공정 사이에, 상기 기재를 비산화 분위기하에 있어서 300∼850℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정과 도전성 수지 형성 공정 사이에 열처리 공정을 포함하므로, 기재와 탄소층 사이에 중간층을 형성시킬 수 있고, 기재와 탄소층의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 탄소층을 포함하는 탄소계 도전층의 박리의 가능성이 저감된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과, 상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정과, 상기 도전성 수지층 형성 공정 후, 상기 탄소층 및 상기 도전성 수지층이 형성된 상기 기재를 프레스 성형하고 가스 유로를 형성하는 프레스 성형 공정을 포함하고, 상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며, 상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정, 도전성 수지층 형성 공정 후에, 프레스 성형 공정을 행하므로, 도전성 수지층이 프레스 성형 시에 있어서의 보호층의 역할을 하므로, 프레스 성형 시에 탄소층의 박리·탈락을 회피할 수 있다. 그리고, 기재에 형성된 탄소층과 도전성 수지층의 2층이, 도전성 및 내구성(도전 내구성:도전성을 장기간 유지하는 성질)을 향상시킴과 함께, 도전성 수지층이, 프레스 성형 후의 핸들링 시에 있어서의 탄소계 도전층(탄소층, 도전성 수지층)의 박리의 가능성을 저하시킨다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 기재 상의 탄소층의 피복률이 소정의 값 이하이므로, 세퍼레이터재를 제조할 때의 프레스 성형 가공을 실시한 후라도, 도전성은 당연한 것이고, 내마모성이나 밀착성의 저하도 억제한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 상기 프레스 성형 공정 후, 상기 기재를 200∼550℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 프레스 성형 공정 후에 열처리 공정을 행하므로, 도전성 수지층의 최표면의 수지를 일부 분해 제거할 수 있으므로, 도전성 수지층의 수지 비율이 높은 것에 의한 접촉 저항의 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 보다 접촉 저항이 저감된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정과 도전성 수지층 형성 공정 사이에 열처리 공정을 포함하므로, 기재와 탄소층 사이에 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층을 형성할 수 있다. 그 결과, 기재와 탄소층의 밀착성이 향상됨과 함께, 탄소층 및 도전성 수지층의 박리의 가능성이 저감된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과, 상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재를 프레스 성형하고 가스 유로를 형성하는 프레스 성형 공정과, 상기 프레스 성형 공정 후, 상기 탄소층이 형성되고 상기 프레스 성형된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정을 포함하고, 상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며, 상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 프레스 성형 공정 후에 도전성 수지층 형성 공정을 행하고 있지만, 프레스 성형 시에 있어서의 기재의 변형에 대해 탄소층이 완전히 추종하지 않게 되어 만일 탄소층이 균열되어 버려도, 그 후, 적층하도록 도전성 수지층을 형성시킴으로써, 당해 층이 탄소층의 균열 부분을 덮어 보호할 수 있다. 그리고, 기재에 형성된 탄소층과 도전성 수지층의 2층이, 도전성 및 내구성(도전 내구성:도전성을 장기간 유지하는 성질)을 향상시킴과 함께, 도전성 수지층이, 프레스 성형 후의 핸들링 시에 있어서의 탄소계 도전층(탄소층, 도전성 수지층)의 박리의 가능성을 저하시킨다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 상기 탄소층 형성 공정과 상기 프레스 성형 공정 사이에, 상기 기재를 비산화 분위기하에 있어서 300∼850℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정과 프레스 성형 공정 사이에 열처리 공정을 포함하므로, 기재와 탄소층 사이에 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층을 형성할 수 있다. 그 결과, 기재와 탄소층의 밀착성이 향상됨과 함께, 탄소층 및 도전성 수지층의 박리의 가능성이 저감된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 탄소층과 도전성 수지층의 2층 구조를 나타내는 탄소계 도전층을 구비하므로, 당해 탄소계 도전층이 세퍼레이터재의 도전성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 도전성 수지층이 보호막으로서의 작용을 하므로, 1층만의 도전층을 구비하는 세퍼레이터재와 비교하여, 내마모성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재는, 도전성 및 내구성(도전 내구성:도전성을 장기간 유지하는 성질)이 우수함과 함께, 내마모성도 우수하다.

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정과, 도전성 수지층 형성 공정을 포함함으로써, 탄소층과 도전성 수지층의 2층 구조를 나타내는 탄소계 도전층을 기재에 형성할 수 있다. 그 결과, 탄소계 도전층에 의해 도전성 및 내구성이 향상된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다. 그리고, 도전성 수지층이 보호막으로서의 작용을 하므로, 1층만의 도전층을 구비하는 세퍼레이터재와 비교하여, 내마모성이 향상된 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법에 따르면, 도전성 및 내구성(도전 내구성:도전성을 장기간 유지하는 성질)이 우수함과 함께, 내마모성도 우수한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 모식적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 모식적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 모식적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법의 흐름도이다.
도 7은 실시예 1, 2에 있어서의 도전성, 내구성, 내마모성의 평가에 있어서 사용한 접촉 저항 측정 장치의 개략도이다.
도 8은 실시예 3, 4에 있어서의 도전성, 내구성, 내마모성의 평가에 있어서 사용한 접촉 저항 측정 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 관한 연료 전지 세퍼레이터의 모식적인 단면도이다.

이하, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재(이하, 적절히, 세퍼레이터재라 함) 및 세퍼레이터재의 제조 방법을 실시하기 위한 형태에 대해 상세하게 설명한다.

≪티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재≫

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 세퍼레이터재[10(10a)]는, 순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재(1)와, 기재(1)의 표면(편면 또는 양면)에 형성된 탄소계 도전층(2)을 구비한다. 그리고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 세퍼레이터재[10(10b)]는, 기재(1)와 탄소계 도전층(2) 사이에 중간층(3)을 구비하고 있어도 된다.

또한, 도 1, 2에서는, 기재(1)의 편면에만 탄소계 도전층(2)[및 중간층(3)]이 형성되어 있는 세퍼레이터재(10)를 나타내고 있지만, 기재(1)의 양면에 탄소계 도전층(2)[및 중간층(3)]이 형성되어 있어도 된다.

그리고, 세퍼레이터재(10)는 판상을 나타내고 있어도 되지만, 도 3에 도시하는 바와 같이, 표면에 가스 유로(13)가 형성되어 있음으로써, 단면에서 볼 때 요철 형상을 나타내고 있어도 된다. 그리고, 세퍼레이터재(10)는, 가스 확산층(11, 11)과 전해질막(12)이 적층되어 구성되는 셀(14)과 셀(14) 사이에 설치된다. 또한, 도 3의 X 부분을 확대한 단면도가, 도 1, 2의 단면도에 상당한다.

이하, 세퍼레이터재(10)의 기재(1), 탄소계 도전층(2) 및 중간층(3)에 대해 설명한다.

<기재>

본 실시 형태에 관한 세퍼레이터재의 기재는, 가스의 유로가 되는 홈을 형성하기 위해 필요해지는 가공성의 점, 가스 배리어성의 점, 도전성이나 열전도성의 점에서, 금속 기재를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 순 티타늄이나 티타늄 합금은, 경량이며 내식성이 우수하고, 강도, 인성도 우수하므로 매우 바람직하다.

그리고, 기재는, 종래 공지의 방법, 예를 들어 순 티타늄 또는 티타늄 합금을 용해, 주조하여 주괴로 하고, 열간 압연한 후, 냉간 압연한다고 하는 방법에 의해 제작된 것을 사용하면 된다. 또한, 기재는, 어닐링 마무리되어 있는 것이 바람직하지만, 그 마무리 상태는 막론하고, 예를 들어 「어닐링＋산세 마무리」, 「진공 열처리 마무리」, 「광휘 어닐링 마무리」 등의 어느 마무리 상태여도 상관없다.

또한, 기재는, 특정한 조성의 순 티타늄, 티타늄 합금에 한정되는 것은 아니지만, 순 티타늄, 티타늄 합금으로 이루어지는 기재를 사용하는 경우에는, 티타늄 소재(모재)의 냉간 압연의 용이성(중간 어닐링 없이 토탈 압하율 35％ 이상의 냉간 압연을 실시할 수 있음)이나, 그 후의 프레스 성형성 확보의 관점에서, 예를 들어 JIS H 4600에 규정되는 1∼4종의 순 티타늄이나, Ti-Al, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, Ti-Pd 등의 Ti 합금을 적용할 수 있다. 그 중에서도 박형화에 특히 적합한 순 티타늄이 바람직하다. 구체적으로는, O:1500ppm 이하(보다 바람직하게는 1000ppm 이하), Fe:1500ppm 이하(보다 바람직하게는 1000ppm 이하), C:800ppm 이하, N:300ppm 이하, H:130ppm 이하이며, 잔량부가 Ti 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 바람직하고, JIS 1종의 냉간 압연판을 사용할 수 있다. 또한, 티타늄 기재를 사용함으로써, 세퍼레이터재의 강도나 인성이 향상됨과 함께, 경량이므로, 특히 자동차 용도로서 사용하기 쉽다.

또한, 기재의 판 두께는, 0.05∼1.0㎜가 바람직하다. 판 두께가 0.05㎜ 미만에서는, 기재에 필요해지는 강도를 확보할 수 없고, 한편, 1.0㎜를 초과하면 수소나 공기를 통과시키는 가스 유로의 세밀한 가공을 하기 어려워지기 때문이다.

<탄소계 도전층>

탄소계 도전층은, 2층 구조를 나타낸다. 그리고, 도 1, 2에 도시하는 바와 같이, 탄소계 도전층(2)은, 기재(1)에 가까운 측에 형성되는 탄소층(21)과, 기재(1)에 먼 측에 형성되는 도전성 수지층(22)으로 구성된다.

(탄소층)

탄소층은, 흑연을 포함하여 구성됨과 함께, 기재를 피복하도록 형성된다. 그리고, 탄소층에 포함되는 흑연은, 결정성이 높고 도전성이 우수하므로, 세퍼레이터재에 도전성을 부여함과 함께, 연료 전지 내부 환경(고온, 산성 분위기)에서도 도전성을 유지하는 내구성도 부여한다.

또한, 탄소층에 포함되는 흑연은, 바람직하게는 인상 흑연분, 인편상 흑연분, 팽창화 흑연분 및 열분해 흑연분 중 적어도 하나를 포함하여 구성된다.

그리고, 탄소층은, 후기하는 도전성 수지층과 달리, 수지(바인더 수지)를 실질적으로 포함하지 않는다. 여기서, 「수지를 실질적으로 포함하지 않는다」라 함은, 탄소층 중에 있어서, 수지의 고형 성분과 흑연의 질량비(탄소층 중 수지 고형분 질량/탄소층 중 탄소분 질량)가 0.1 이하인 것을 나타낸다.

탄소층은, 도전성의 관점에서는 기재의 표면 전체에 피복되어 있는 것이 바람직하지만, 반드시 표면 전체가 피복되어 있을 필요는 없고, 도전성과 내식성을 확보하기 위해, 표면의 40％ 이상에 피복되어 있으면 된다. 피복률이 40％ 미만이면 도전성이 불충분하여 세퍼레이터재로서의 요구 특성을 만족시키지 않는다. 피복률의 바람직한 범위는 45％ 이상이며, 보다 바람직하게는 50％ 이상이다.

여기서, 세퍼레이터를 제조하는 데 있어서, 세퍼레이터재에 프레스 성형 가공을 행하는 것을 상정하면, 당해 가공을 받아 재료 신장이 발생한다. 이때, 기재 상의 탄소층의 피복률이 80％를 초과하면, 가공 시의 기재의 신장이 큰 부분에 있어서 탄소층의 신장이 완전히 추종하지 않아, 기재와 탄소층 사이에서 박리가 발생하고, 탄소계 도전층(2층)의 내마모성이나 밀착성이 저하될 우려가 있다. 한편, 기재 상의 탄소층의 피복률이 80％ 이하이면, 가공에 의해 기재의 신장이 일어난 부분에서도 탄소계 도전층의 내마모성이나 밀착성의 저하를 억제할 수 있다.

따라서, 도전성뿐만 아니라, 프레스 성형 가공 후의 탄소계 도전층의 내마모성이나 밀착성을 양립시키는 것을 고려하면, 탄소층의 피복률의 하한에 대해서는, 바람직하게는 40％ 이상, 보다 바람직하게는 45％ 이상, 특히 바람직하게는 50％ 이상이며, 상한에 대해서는, 바람직하게는 80％ 이하, 보다 바람직하게는 75％ 이하, 특히 바람직하게는 70％ 이하이다.

여기서, 탄소층의 피복률에 대해서는, 탄소층을 형성한 세퍼레이터 표면을, 광학 현미경이나 주사형 현미경으로 관찰함으로써 구할 수 있다. 예를 들어, 탄소층을 형성한 세퍼레이터 표면에 대해 주사형 전자 현미경을 사용하여, 200배의 관찰 배율로 550×400㎛의 범위를 관찰하고, 그 반사 전자상을 촬영한다. 그리고, 반사 전자상을 화상 처리에 의해 탄소층이 피복하고 있는 부분과, 탄소층이 피복하지 않고 기재가 노출되는 부분으로 나누어 이치화하고, 탄소층이 차지하는 면적률을 계산하고 피복률을 구한다고 하는 방법이다. 또한, 이미 탄소층 상에 도전성 수지층이 형성되어 있는 경우에는, 유기 용매 또는 알칼리 용액으로 도전성 수지층을 용해 제거한 후, 상기한 방법을 행하면 된다.

탄소층의 부착량은, 특별히 한정되지 않지만, 2∼1000μg/㎠인 것이 바람직하다. 2μg/㎠ 미만에서는, 부착량이 적고 도전성과 내식성을 확보할 수 없고, 1000μg/㎠를 초과하면, 도전성과 내식성의 효과에 대해 포화되는 것에 더하여, 가공성이 저하되기 때문이다. 그리고, 탄소층의 부착량은, 보다 바람직하게는 5μg/㎠ 이상이며, 더욱 바람직하게는 10μg/㎠ 이상이다.

또한, 탄소층의 피복률 및 부착량은, 후기하는 흑연분 도포 공정에 있어서 기재에 도포하는 흑연분의 양에 의해 제어할 수 있다.

(도전성 수지층)

도전성 수지층은, 탄소분과 수지를 포함하여 구성되고, 도전성과 내마모성을 겸비하는 보호막으로서의 작용을 갖는다.

도전성 수지층에 포함되는 탄소분으로서는, 카본 블랙분, 아세틸렌 블랙분, 흑연분 또는 이들의 혼합분인 것이 바람직하다. 이들 분말은 도전성과 내식성이 우수함과 함께, 저렴한 재료이므로 생산상 적합하다.

도전성 수지층을 형성하기 위한 수지(바인더 수지)는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지이다. 또한, 2개 이상의 수지를 포함하는 경우, 수지끼리가 반응한 것이어도 되고, 단순히 혼합한 것이어도 된다. 단, 이 수지는 도료화가 가능한 수지인 것이 바람직하다. 나아가서는, 연료 전지 내의 고온(80∼100℃), 산성(pH 2∼4) 분위기하에서도 안정되는 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택하는 것이 보다 바람직하다.

도전성 수지층은, 수지와 탄소분을 혼합하여 조제된 도전성 수지 도료를 도포함으로써 형성되지만, 도료 중에 있어서의 수지의 고형 성분과 탄소분의 질량비(도료 중 수지 고형분 질량/도료 중 탄소분 질량)는 0.5∼10인 것이 바람직하다. 본 질량비가 0.5 미만이면, 도전성 수지층이 되었을 때의 수지 성분의 비율이 작아지므로, 층으로서의 강도가 부족하고 목표의 내마모성이 얻어지지 않는다. 한편, 본 질량비가 10을 초과하면 도전성 수지층이 되었을 때의 탄소분의 비율이 작아지고, 층으로서의 전기 저항이 증가하므로, 세퍼레이터재의 특성상 바람직하지 않다. 보다 바람직한 본 질량비의 범위는 0.8∼8이다.

도전성 수지층의 두께는 0.1∼20㎛가 바람직하다. 도전성 수지층의 두께가 0.1㎛ 미만이면, 약간의 마찰로 도전성 수지층이 파열되어 버려 내마모성이 불충분해져 버린다. 한편, 도전성 수지층의 두께가 20㎛를 초과하면, 층으로서의 전기 저항이 증가하므로, 세퍼레이터재의 특성상 바람직하지 않다. 보다 바람직한 도전성 수지층의 두께는 0.3∼19㎛이다.

(탄소층과 도전성 수지층의 관계)

탄소층 상에 도전성 수지층을 형성하였을 때에, 도전성 수지층에 첨가한 흑연분이 당해 층으로부터 약간 돌출된 상태이면, 그 부분이 양호한 도전 패스가 되어 도전성 수지층의 전기 저항이 저감되므로 매우 바람직하다.

그리고, 탄소층의 피복률은, 상기한 바와 같이, 반드시 100％가 아니어도 되고, 40％ 이상이면 된다. 여기서, 탄소층의 피복률이 100％보다 작은 경우, 탄소층 표면의 일부에는 기재의 티타늄, 티타늄 합금의 표면이 노출되어 있는 개소가 있고, 이 부분에서는 기재 상에 직접 도전성 수지층이 형성되어 있는 상태가 된다. 바꾸어 말하면, 기재 상에 2층의 탄소계 도전층이 형성되어 있는 부분과, 1층의 도전성 수지층만이 형성되어 있는 부분이 혼재하는 상태가 된다. 1층의 도전성 수지층에서도 도전성이 얻어지지만, 2층의 탄소계 도전층이 형성되어 있는 부분에서는 도전성이 특히 양호해져, 당해 부분이 양호한 도전 패스가 된다. 즉, 본 발명에서는, 탄소계 도전층이 2층 구조를 나타내는 것에 의해, 매크로적으로도 충분한 도전성 및 내구성이 얻어진다.

또한, 도전성 수지층의 피복률은, 바람직하게는 100％이지만, 내마모성 및 도전성을 확보하기 위해, 70％ 이상이면 된다.

여기서, 도전성 수지층의 피복률은, 도전성 수지층을 형성한 세퍼레이터 표면을, 광학 현미경이나 주사형 현미경으로 관찰함으로써 구할 수 있다. 예를 들어, 도전성 수지층을 형성한 세퍼레이터 표면에 대해 주사형 전자 현미경을 사용하여, 200배의 관찰 배율로 550×400㎛의 범위를 관찰하고, 그 반사 전자상을 촬영한다. 그리고, 반사 전자상을 화상 처리에 의해 도전성 수지층이 피복하고 있는 부분과, 도전성 수지층이 피복하지 않고 기재(또는 탄소층)가 노출되는 부분으로 나누어 이치화하고, 도전성 수지층이 차지하는 면적률을 계산하고 피복률을 구한다고 하는 방법이다.

상기한 바와 같이, 기재 상의 탄소층의 피복률에 대해서는, 기재 상의 탄소층의 피복률이 80％ 이하, 바꾸어 말하면, 기재 상에 도전성 수지층이 직접 접촉하여 형성되어 있는 부분이 면적률로 20％ 이상 존재하면, 프레스 성형 가공에 의해 기재의 신장이 일어난 부분에서도 탄소계 도전층의 내마모성이나 밀착성의 저하가 억제된다.

따라서, 세퍼레이터재를 프레스 성형 가공하여 제조하는 세퍼레이터의 도전성과, 탄소계 도전층의 내마모성, 밀착성을 양립하기 위해서는, 기재 상의 탄소층의 피복률의 하한에 대해서는, 바람직하게는 40％ 이상, 보다 바람직하게는 45％ 이상, 특히 바람직하게는 50％ 이상이며, 상한에 대해서는, 바람직하게는 80％ 이하, 보다 바람직하게는 75％ 이하, 특히 바람직하게는 70％ 이하이다.

<중간층>

도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 세퍼레이터재(10)의 중간층(3)은, 기재(1)와 탄소층(21)의 계면에 형성된다. 그리고, 중간층은, 기재와 탄소층의 계면에서 C, Ti가 서로 확산됨으로써 반응하여 생성된 티타늄 카바이드(탄화티타늄, TiC)를 포함하고, 또한 탄소 고용 티타늄(C 고용 Ti)을 포함하고 있어도 된다.

그리고, 티타늄 카바이드는 도전성을 가지므로, 기재와 탄소층의 계면에 있어서의 전기 저항이 작아진다. 따라서, 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층을 구비함으로써 세퍼레이터재의 도전성은 더욱 향상된다. 또한, 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층은, 기재와 탄소층이 반응하여 형성된 것이므로, 기재와 탄소층의 밀착성이 향상된다.

또한, 중간층은, 후기하는 바와 같이, 비산화 분위기하에 있어서 소정 온도에서 열처리함으로써 형성되므로, 기재의 표면에 존재하는 자연 산화 피막이 개질되어 형성된다고 하는 일면을 가지고 있다. 따라서, 중간층이 기재와 탄소층의 계면에 형성되어 있는 세퍼레이터재는, 당해 계면에 중간층을 형성시키지 않는 세퍼레이터재와는 달리, 당해 계면에 자연 산화 피막이 거의 존재하지 않는 구성으로 되어 있다. 따라서, 중간층이 기재와 탄소층의 계면에 형성되어 있는 세퍼레이터재는, 자연 산화 피막에 의한 접촉 저항의 저하를 회피할 수 있고, 상기한 바와 같이, 도전성의 향상의 면에 있어서 매우 유효하다.

≪티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법≫

다음으로, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정(S1)과, 도전성 수지층 형성 공정(S3)을 포함한다. 그리고, 본 발명에 관한 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정(S1)과 도전성 수지층 형성 공정(S3) 사이에, 열처리 공정(S2)을 포함하는 것이 바람직하고, 도전성 수지층 형성 공정(S3) 후에, 열처리 공정(S4)을 포함하는 것이 바람직하고, 또한 탄소층 형성 공정(S1) 전에, 기재 제조 공정을 포함하고 있어도 된다.

또한, 프레스 성형을 실시한 세퍼레이터재를 제조하는 경우, 도 5, 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관한 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정(S1)과, 도전성 수지층 형성 공정(S3)과, 프레스 성형 공정(S5)을 포함한다. 그리고, 본 발명에 관한 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정(S1) 후에, 열처리 공정(S2)을 포함하는 것이 바람직하고, 프레스 성형 공정(S5)[또는, 도전성 수지층 형성 공정(S3)] 후에, 열처리 공정(S4)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소층 형성 공정(S1) 전에, 기재 제조 공정을 포함하고 있어도 된다.

이하, 각 공정을 상세하게 설명한다.

<기재 제조 공정>

기재 제조 공정이라 함은, 상기한 순 티타늄 또는 티타늄 합금을 공지의 방법으로 주조, 열간 압연하고, 필요에 따라 사이에 어닐링·산세 처리 등을 행하여, 냉간 압연에 의해 원하는 두께까지 압연하여, 판(조)재를 제조하는 공정이다. 또한, 냉간 압연 후의 어닐링 마무리의 유무는 상관없지만, 세퍼레이터재를 제조하는 데 있어서 프레스 성형 공정을 행하는 경우에는, 프레스 성형 가공 시에 필요해지는 가공성을 확보하기 위해 냉간 압연 후에 어닐링을 행하는 것이 바람직하다. 그 밖에, 냉간 압연 후(＋어닐링 후)의 산세의 유무는 상관없다.

<탄소층 형성 공정>

탄소층 형성 공정(S1)이라 함은, 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 공정을 말한다.

이 탄소층 형성 공정(S1)에서는, 우선, 기재의 표면(편면 또는 양면)에 흑연분을 도포한다(흑연분 도포 공정). 도포 방법에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 흑연분을 기재 상에 분말상의 상태로 직접 부착시키거나, 흑연분을 메틸셀룰로오스 등의 수용액이나 수지 등의 바인더를 포함하는 도료 중에 분산시킨 슬러리를, 기재의 표면에 도포하면 된다.

기재의 표면에 도포하는 흑연분에 대해서는, 직경 0.5∼100.0㎛의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 직경이 0.5㎛ 미만이면, 후기하는 압연 공정 시에 분말이 기재에 압박되는 힘이 작아져 기재와 밀착하기 어렵다. 한편, 직경이 100.0㎛를 초과하면, 흑연분 도포 공정 및 후기하는 압착 공정에 있어서, 기재 표면에 부착되기 어려워진다.

또한, 흑연분을 분산시킨 슬러리를 기재에 도포 부착하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 바 코터, 롤 코터, 그라비아 코터, 딥 코터, 스프레이 코터 등을 사용하여 기재에 슬러리를 도포 부착하면 된다.

흑연분을 기재 상에 부착시키는 방법은 상기한 방법에 한정되지 않고, 다음과 같은 방법에 의해서도 실시된다. 예를 들어, 흑연분과 수지를 혼련하여 제작한 흑연분 함유 필름을 기재 상에 접착하는 방법이나, 숏블라스트에 의해 흑연분을 기재 표면에 타입하고, 기재 표면에 담지시키는 방법 등이 생각된다.

그리고, 탄소층 형성 공정(S1)에서는, 흑연분을 도포 후, 냉간 압연을 실시함으로써, 기재 표면에 흑연분을 압착시킨다(압착 공정). 압착 공정을 거침으로써, 흑연분은, 탄소층으로서 기재 표면에 압착하게 된다. 또한, 기재 표면에 부착된 탄소분이 윤활제의 역할도 하므로, 냉간 압연을 실시할 때에, 윤활제는 사용하지 않아도 된다. 압연 후에는 흑연분은 입상이 아니라, 기재 상에 얇은 층상으로 되어 부착되어 기재 표면을 덮는 상태로 되어 있다.

이 압착 공정에 있어서, 탄소층이, 기재에 밀착성 좋게 압착하기 위해서는, 토탈 압하율 0.1％ 이상으로 압연을 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 압하율은, 냉간 압연 전후의 탄소층을 포함한 재료 두께의 변화로부터 산출한 값이며, 「압하율＝(t0－t1)/t0×100」(t0:흑연분 도포 공정 후의 초기 재료 두께, t1:압연 후의 재료 두께)에 의해 산출한다.

<열처리 공정>

열처리 공정(S2)이라 함은, 탄소층이 형성된 기재를 비산화 분위기하에서 열처리하는 공정을 말한다. 상세하게는, 열처리 공정(S2)이라 함은, 기재와 탄소층의 계면에, 기재와 탄소층이 반응하여 형성된 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층을 형성시키기 위해, 탄소층 형성 공정(S1)에 있어서의 압착 공정 후에, 비산화성 분위기에 있어서 열처리를 행하는 공정이다. 또한, 열처리 공정(S2)에 의해, 기재가 어닐링되고, 프레스 성형 가공 시의 가공성도 확보할 수 있다.

열처리 공정(S2)에 있어서의 열처리 온도의 범위는, 300∼850℃인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 300℃ 미만이면, 흑연(탄소층)과 기재간의 반응이 일어나기 어려워 밀착성이 향상되기 어려워진다. 한편, 열처리 온도가 850℃를 초과하면, 기재(티타늄)의 상 변태가 일어날 가능성이 있고, 기계 특성이 저하될 가능성이 있다.

열처리 공정(S2)에 있어서의 열처리 온도의 범위는, 보다 바람직하게는 400∼800℃이고, 더욱 바람직하게는, 450∼780℃이다.

또한, 열처리 공정(S2)에 있어서의 열처리의 시간은, 0.5분∼10시간인 것이 바람직하다. 그리고, 온도가 낮은 경우에는 장시간의 처리, 온도가 높은 경우에는 단시간의 처리와 같이, 온도에 의해 시간을 적절히 조정하는 것이 좋다. 또한, 롤투롤이나 시트 형상으로 열처리하는 경우, 혹은 코일 형상으로 감은 상태에서 열처리하는 경우 등, 재료의 상태에 따라서도 열처리 온도 및 시간을 적절히 조정하여 실시할 수 있다.

또한, 흑연분을 분산시킨 슬러리 중에 포함되는 수지 성분(바인더 수지 성분)이나 용제는, 이 열처리에 의해 탄화되어 거의 무기물이 되므로, 본 탄소층 중에는 실질적으로 수지 성분은 포함되지 않게 되고, 양호한 도전성이 얻어진다.

또한, 열처리 공정(S2)은 진공 중이나 Ar 가스 분위기 등의 비산화성 분위기하에 있어서 행한다. 이 열처리 공정(S2)에 있어서의 비산화성 분위기라 함은, 산소 분압이 낮은 분위기를 말하며, 바람직하게는 산소 분압이 10㎩ 이하인 분위기이다. 10㎩을 초과하면, 흑연이 분위기 중의 산소와 반응함으로써, 이산화탄소가 되어 버리고(연소 반응을 일으켜 버리고), 기재가 산화되어 버림으로써 도전성이 열화되어 버리기 때문이다.

<도전성 수지층 형성 공정>

도전성 수지층 형성 공정(S3)이라 함은, 탄소층이 형성된 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 공정을 말한다. 이 도전성 수지층 형성 공정(S3)에서는, 구체적으로는, 기재에 형성된 탄소층 표면에 도전성 수지 도료를 적층 도포한다.

이 도전성 수지 도료는, 상기한 수지(바인더 수지)를 포함하는 도료 중에 상기한 탄소분을, 수지 고형분과 탄소분의 질량 비율이 상기 범위가 되도록 분산시켜 조제하여 사용하면 된다.

또한, 도전성 수지 도료의 용제에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 공지의 유기 용제 등을 사용하면 된다.

또한, 탄소분을 분산시킨 도전성 수지 도료를 기재에 도포 부착하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 바 코터, 롤 코터, 그라비아 코터, 딥 코터, 스프레이 코터 등을 사용하여 탄소층 상에 도전성 수지 도료를 도포 부착하면 된다.

<열처리 공정>

열처리 공정(S4)이라 함은, 탄소층과 도전성 수지층(및 중간층)이 형성된 기재를 소정 온도에서 열처리하는 공정을 말한다.

열처리 공정(S4)에서는, 도전성 수지층의 접촉 저항을 더욱 낮추기 위해 200∼550℃의 범위에서의 열처리를 행한다. 도전성 수지층 중의 수지 성분 비율이 높으면 접촉 저항이 약간 높아지는 경우가 있지만, 이러한 경우에 200∼550℃의 범위에서의 열처리를 행함으로써, 도전성 수지층의 최표면을 덮는 수지막의 일부가 분해 제거되어 첨가한 탄소분이 노출되는 상태가 되고, 이 부분에서의 도전성이 높아진다.

열처리 온도가 200℃보다도 낮으면 접촉 저항 저감 효과가 약하므로, 목표의 접촉 저항까지 저감시키는 데 긴 시간이 걸려 버린다. 한편, 550℃를 초과하는 온도에서는 접촉 저항 저감 효과가 포화되는 것에 더하여, 도전성 수지층의 분해가 지나치게 진행되어 버려 목표의 내마모성이 얻어지지 않게 될 가능성이 있다.

열처리 공정(S4)에 있어서의 열처리 온도의 범위는, 바람직하게는 250∼500℃의 범위, 보다 바람직하게는 270∼450℃의 범위이다.

그리고, 열처리 공정(S4)의 열처리 분위기는, 예를 들어 대기 분위기와 같은 산소를 포함하는 분위기에서 실시할 수 있다.

<프레스 성형 공정>

프레스 성형 공정(S5)이라 함은, 기재를 성형하고 가스 유로를 형성시키는 공정을 말한다.

프레스 성형 공정(S5)에 있어서의 기재의 성형은, 성형용의 금형을 사용하고, 공지의 프레스 성형 장치에 의해 행하면 된다. 또한, 프레스 성형 시에 있어서의 윤활제의 사용의 유무는, 목표로 하는 형상의 복잡함 등에 따라 적절히 판단하면 되고, 윤활제를 사용하여 프레스 성형하는 경우에는, 윤활제를 제거하기 위한 처리를, 프레스 성형 공정의 일부로서 행하면 된다.

≪각 공정의 순서≫

본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법에 있어서의 상기한 각 공정의 순서에 대해 상세하게 설명한다.

프레스 성형을 실시한 세퍼레이터재를 제조하는 경우, 본 발명에 관한 세퍼레이터재의 제조 방법은, 탄소층 형성 공정(S1)[및 열처리 공정(S2)] 후, 도 5에 나타내는 바와 같이, 도전성 수지층 형성 공정(S3)→프레스 성형 공정(S5)→열처리 공정(S4)의 순서의 경우와, 도 6에 나타내는 바와 같이, 프레스 성형 공정(S5)→도전성 수지층 형성 공정(S3)→열처리 공정(S4)의 순서의 경우가 있다.

도 5에 나타내는 순서의 경우, 프레스 성형 공정(S5) 전에 도전성 수지층 형성 공정(S3)을 행하고 있으므로, 기재에 프레스 성형을 실시하는 데 있어서, 도전성 수지층이 프레스 성형 시에 있어서의 보호층의 역할을 하므로, 프레스 성형 시에 탄소층의 박리·탈락을 회피할 수 있다.

또한, 프레스 성형 공정(S5)의 정도에 따라서는 도전성 수지층에 균열이 발생하는 것이 예상되지만, 이러한 경우에는 프레스 성형 공정(S5) 후에 다시, 도전성 수지층 형성 공정(S3)을 행해도 된다.

도 6에 나타내는 순서의 경우, 프레스 성형 공정(S5) 후에 도전성 수지층 형성 공정(S3)을 행하고 있지만, 프레스 성형 시에 있어서의 기재의 변형에 대해 탄소층이 완전히 추종하지 않게 되어 만일 탄소층이 균열되어 버려도, 그 후, 적층하도록 도전성 수지층을 형성시킴으로써, 당해 층이 탄소층의 균열 부분을 덮어 보호하게 된다. 그 결과, 기재로부터의 탄소층의 박리·탈락의 가능성을 저하시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 기재한 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 설계 변경 가능하다.

실시예 1

다음으로, 본 발명에 관한 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재에 대해, 본 발명의 요건을 충족시키는 실시예와 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 비교예를 비교하여 구체적으로 설명한다.

≪시험체의 제작≫

[기재]

기재에는, JIS 1종의 티타늄 기재를 사용하였다.

티타늄 기재(냉간 압연 마무리)의 화학 조성은, O:450ppm, Fe:250ppm, N:40ppm, 잔량부가 Ti 및 불가피적 불순물이다. 그리고, 티타늄 기재의 판 두께는, 0.1㎜이며, 사이즈는 50×150㎜로 하였다. 당해 티타늄 기재는, 티타늄 원료에 대해 종래 공지의 용해 공정, 주조 공정, 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정을 실시하여 얻어진 것이다.

[탄소층]

흑연분으로서, 팽창화 흑연분(SEC 카본사제, SNE-6G, 평균 입경 7㎛, 순도 99.9％)을 사용하고, 흑연분을 0.8wt％ 카르복시메틸셀룰로오스 수용액 중에 8wt％가 되도록 분산시켜 슬러리를 제작하였다. 그리고, 당해 슬러리를 10번, 7번, 5번의 번수의 바 코터를 사용하여 티타늄 기재의 양면에 슬러리를 도포하고, 흑연분 도포 시공 재료를 제작하였다.

그리고, 워크롤 직경 200㎜의 2단 압연기를 사용하여, 하중 2.5톤으로 롤 프레스하고, 흑연분을 찌부러뜨려 기재 상에 밀착시켰다. 또한, 워크롤에는 윤활유를 도포하고 있지 않다.

상기, 탄소층을 형성한 재료를, 6.7×10^－3㎩의 진공 분위기하에 있어서, 650℃의 온도로 5분간의 열처리를 실시하였다.

또한, 10번의 바 코터를 사용하여 제작한 것이 시험체 No.1-2∼1-4이며, 7번의 바 코터를 사용하여 제작한 것이 시험체 No.1-5∼1-8이며, 5번의 바 코터를 사용하여 제작한 것이 시험체 No.1-9∼1-13이다.

[도전성 수지층]

도전성 수지 도료는, 페놀 수지(아라까와 가가꾸 고교사제, 타마놀 2800), 아크릴 수지(도레이·파인케미컬사제, 코택스 LH681), 에폭시 수지(세메다인사제, EP106), 폴리에스테르 수지(아라까와 가가꾸 고교사제, 7005N), 실리콘 수지(신에쯔 실리콘사제, KR251)의 도료를 사용하고, 각각의 도료에 탄소 분말을 분산시켜 제작하였다. 탄소 분말로서는, 카본 블랙 분말(캐봇사제, 벌칸 XC72, 평균 입경 40㎚, 순도 99.2％), 흑연 분말(이또 고꾸엔사제, Z-5F, 평균 입경 4㎛, 순도 98.9％)을 사용하였다.

각종 수지계의 도료를 각각에 적합한 유기 용매를 사용하여, 도료 중의 고형분(수지 성분＋탄소 분말)의 농도{＝[(수지 성분 질량＋탄소 분말 질량)×100]/도료 질량}가 약 18질량％가 되도록, 고형분 중의 탄소 분말의 질량 농도[＝(탄소 분말 질량×100)/(수지 성분 질량＋탄소 분말 질량)]가 약 25질량％가 되도록, 카본 블랙 분말과 흑연 분말의 비율이 10:1이 되도록 농도 조정하고, 당해 도료를 바 코터를 사용하여 탄소층을 형성한 재료 상에 도포하여 건조시켰다. 이와 같이 하여 기재의 양면에 도전성 수지층을 형성하였다. 이때 사용하는 바 코터의 번수를 바꿈으로써 도전성 수지층의 두께를 바꾼 시험체를 제작하였다.

[도전성 수지층 형성 후의 열처리]

탄소층 상에 도전성 수지층을 형성하여 얻은 시험체 중 몇 개를 열처리에 제공하였다. 그리고, 열처리는, 대기 분위기하에 있어서 200∼400℃의 조건에서, 처리 시간을 적절히 조정하여 실시하였다.

≪시험체의 평가≫

[탄소층 피복률 측정]

탄소층을 형성한 시험체의 표면에 대해 주사형 전자 현미경을 사용하여, 200배의 관찰 배율로 550×400㎛의 범위를 관찰하고, 그 반사 전자상을 촬영하였다. 그 반사 전자상을 화상 처리에 의해 탄소층이 피복하고 있는 부분과, 탄소층이 피복하지 않고 기재가 노출되는 부분으로 나누어 이치화하고, 탄소층이 차지하는 면적률을 계산하고 피복률을 구하였다. 관찰은 1시험체당 3시야 행하고, 3시야의 평균값을 산출하였다.

[도전성 수지층의 두께 측정]

탄소층을 형성한 시험체 상에 도전성 수지층을 형성하기 전후의 재료 두께에 대해 마이크로미터를 사용하여 측정하고, 전후의 두께의 차로부터 도전성 수지층의 두께를 산출하였다. 두께의 측정은 1시험체당 3개소에서 행하고, 3개소의 평균값을 산출하였다.

[접촉 저항 측정]

얻어진 각 시험체에 대해, 도 7에 도시하는 접촉 저항 측정 장치를 사용하여, 접촉 저항을 측정하였다. 상세하게는, 시험체의 양면을 2매의 카본 페이퍼로 사이에 끼우고, 또한 그 외측을 접촉 면적 1㎠의 2매의 구리 전극으로 사이에 끼워 하중 10kgf로 가압하고, 직류 전류 전원을 사용하여 7.4㎃의 전류를 통전하고, 카본 페이퍼의 사이에 가해지는 전압을 전압계로 측정하여, 접촉 저항(초기 접촉 저항)을 구하였다.

초기 접촉 저항이 12mΩ·㎠ 이하인 경우를 도전성이 양호, 12mΩ·㎠를 초과하는 경우를 도전성이 불량으로 하였다.

[내구성 평가]

또한, 초기 접촉 저항이 합격 판정이 된 시험체에 있어서, 내구성 평가(내구 시험)를 행하였다. 즉, 시험체를 비액량이 10ml/㎠인 80℃의 황산 수용액(pH 2)에 500시간의 침지 처리를 행한 후, 시험체를 황산 수용액으로부터 취출하고, 세정, 건조하여, 상기한 바와 마찬가지의 방법으로 접촉 저항을 측정하였다.

내구 시험 후의 접촉 저항이 15mΩ·㎠ 이하인 경우를 내구성이 합격, 15mΩ·㎠를 초과하는 경우를 내구성이 불합격으로 하였다.

[밀착성 평가]

시험체의 탄소계 도전층 표면에 테이프(스미또모 3M제 멘딩 테이프 12㎜ 폭)를 접착한 후, 테이프를 시험체 표면에 대해 수직 방향으로 박리시켜 탄소계 도전층의 밀착성 평가를 행하였다.

밀착성의 평가 기준은, 테이프의 점착제가 탄소계 도전층 표면에 남아있는 경우를 ◎, 테이프측에 탄소계 도전층이 약간 전착하는 정도의 경우를 ○, 탄소계 도전층 중에서 박리되는 경우를 △, 탄소계 도전층이 기재와의 계면으로부터 박리되는 경우를 ×로 하여, ○ 이상을 합격으로 하였다.

[내마모성의 평가]

탄소계 도전층의 내마모성을, 접촉 저항의 측정에 사용한 접촉 저항 측정 장치(도 7 참조)를 유용하여 평가하였다. 접촉 저항 평가 시에는 구리 전극의 접촉 면적을 1㎠로 하였지만, 본 평가에서는 접촉 면적이 4㎠인 구리 전극을 사용하여 행하였다. 제작한 시험체를, 양면으로부터 2매의 카본 클로스로 사이에 끼우고, 또한 그 외측을 접촉 면적 4㎠의 구리 전극으로 접촉 하중 40kgf로 가압하고, 양면으로부터 가압된 상태를 유지한 채, 시험체를 면 방향으로 인발하였다(인발 시험). 인발 시험 후, 시험체 표면에 있어서의 미끄럼 이동 영역을 광학 현미경에 의해 관찰하고, 도전층의 잔존 상태, 즉, 기재의 노출의 정도로 평가하였다.

내마모성의 판단 기준은, 시험체 표면에 기재의 노출이 전혀 보이지 않는 경우를 ◎, 시험체 표면에 대해 기재가 노출된 면적의 비율이 30％ 미만인 것을 ○, 시험체 표면에 대해 기재의 노출된 면적의 비율이 50％ 미만인 것을 △, 기재의 노출된 면적의 비율이 50％ 이상인 경우를 ×로 하여, ○ 이상을 합격으로 하였다.

[중간층의 구성 및 원소 조성 분석]

각 시험체 표층의 단면을 이온 빔 가공 장치(히다찌 집속 이온 빔 가공 관찰 장치 FB-2100)로 샘플을 가공한 후, 투과형 전자 현미경(TEM:히다찌 전계 방출형 분석 전자 현미경 HF-2200)에 의해 750000배의 배율로 단면 관찰하고, 탄소층과 티타늄 기재의 계면에 있어서 중간층의 존재를 확인하고, 중간층 중의 임의의 개소에 있어서 EDX 분석 및 전자선 회절 분석을 행하고, 티타늄 카바이드가 존재하는지 여부를 판정하였다.

탄소층의 피복률, 중간층 중의 티타늄 카바이드의 유무, 도전성 수지층의 수지의 종류 및 두께, 도전성 수지층 형성 후의 열처리 조건, 초기 및 내구 시험 후의 접촉 저항, 밀착성 및 내마모성 평가 결과를 표 1에 나타낸다.

시험체 No.1-1은 탄소층이 없고 순 티타늄 기재 상에 직접 도전성 수지층을 형성한 것이었으므로, 도전성이 불충분하다고 하는 결과가 되었다. 또한, 시험체 No.1-2는 탄소계 도전층으로서 탄소층 1층만을 형성한 것이었으므로, 도전성 및 내구성은 매우 우수하지만, 밀착성 및 내마모성이 불충분하다고 하는 결과가 되었다.

한편, 시험체 No.1-3∼1-13은 본 발명에 규정하는 범위 내에서 탄소층 상에 도전성 수지층이 형성된 것이며, 도전성, 내구성, 밀착성, 내마모성 모두가 합격 범위였다. 특히, 도전성 수지층을 형성 후에 열처리를 행한 시험체 중, 시험체 No.1-7, 1-8, 1-10, 1-12, 1-13은 접촉 저항이 낮은 값이 되고, 도전성 및 내구성이 매우 우수한 것을 알 수 있었다.

실시예 2

기재 상의 탄소층 피복률이 100％인 「시험체 No.1-3」, 80％인 「시험체 No.1-7」, 60％인 「시험체 No.1-10」으로부터, 20×65㎜의 시험편을 제작하고, 이것을 사용하여 프레스 성형 가공 시의 재료 신장부를 모의한 인장 가공을 행한 후, 신장부의 탄소계 도전층의 내마모성 및 밀착성의 평가를 행하였다.

[인장 가공]

인장 가공은 소형의 인장 시험기를 사용하여 행하였다. 시험편의 양단부로부터 20㎜의 부분에 선을 긋고(선간 거리 25㎜), 시험편의 양단부를 시험기의 척으로 고정하고, 인장 속도 5㎜/분의 속도로 선간 거리가 31㎜(평균 재료 신장 25％)가 될 때까지 가공하여 인장 가공 시험체를 얻었다. 그 후, 인장 가공부의 탄소계 도전층의 밀착성 및 내마모성을 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가하고, 마찬가지의 기준으로 ◎, ○, △, ×의 판정을 행하였다. 또한, 본 평가는 실시예 1의 평가보다도 보다 엄격한 평가이므로, △ 이상을 합격으로서 평가하고, 그 결과를 표 2에 나타냈다.

표 2에 나타내는 바와 같이 시험체 No.1-3, 1-7, 1-10은 인장 가공 전의 상태에서는 탄소계 도전층의 밀착성, 내마모성 모두 양호하다.

그러나, 프레스 성형 가공에 의한 재료 신장부를 상정한 인장 가공을 행하면 탄소층 피복률이 100％인 시험체 No.1-3은 밀착성 및 내마모성이 저하되는 경향이 명확하게 보여졌다. 한편, 탄소층 피복률 80％의 No.1-7은 밀착성이 약간 저하되지만 내마모성에는 유의한 저하는 보이지 않고, 탄소층 피복률 60％의 No.1-10은 밀착성, 내마모성 모두 유의한 저하는 보이지 않았다.

실시예 3

≪시험체의 제작≫

[기재]

기재에는, JIS 1종의 티타늄 기재를 사용하였다.

티타늄 기재(냉간 압연 마무리)의 화학 조성은, O:450ppm, Fe:250ppm, N:40ppm, 잔량부가 Ti 및 불가피적 불순물이다. 그리고, 티타늄 기재의 판 두께는, 0.1㎜이며, 사이즈는 80×160㎜로 하였다. 당해 티타늄 기재는, 티타늄 원료에 대해 종래 공지의 용해 공정, 주조 공정, 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정을 실시하여 얻어진 것이다.

[탄소층]

흑연분으로서, 팽창화 흑연분(SEC 카본사제, SNE-6G, 평균 입경 7㎛, 순도 99.9％)을 사용하고, 흑연분을 0.7wt％ 카르복시메틸셀룰로오스 수용액 중에 7wt％가 되도록 분산시켜 슬러리를 제작하였다. 그리고, 당해 슬러리를 5번의 번수의 바 코터를 사용하여 티타늄 기재의 양면에 슬러리를 도포하고, 흑연분 도포 시공 재료를 제작하였다.

상기, 탄소층을 형성한 재료를, 6.7×10^－3㎩의 진공 분위기하에 있어서, 650℃의 온도에서 5분간의 열처리를 실시하였다.

또한, 본 방법에 의해 얻어진 시험체의 탄소층의 피복률은 약 60％였다.

[도전성 수지층]

[프레스 성형]

표면에 탄소층 및 도전성 수지층이 형성된 기재를 50㎜×50㎜로 잘라낸 후, 금형으로 프레스 성형을 행하고, 도 9와 같은 형상으로 하였다.

[도전성 수지층 형성 후의 열처리]

도전성 수지층을 형성한 후에 프레스 성형을 행하여 얻은 시험체 중 몇 개를 열처리에 제공하였다. 그리고, 열처리는, 대기 분위기하에 있어서 300∼400℃의 조건에서, 처리 시간을 적절히 조정하여 실시하였다.

≪시험체의 평가≫

[탄소층 피복률 측정]

[도전성 수지층의 두께 측정]

[접촉 저항 측정]

얻어진 각 시험체에 대해, 도 8에 도시하는 접촉 저항 측정 장치를 사용하여, 접촉 저항을 측정하였다. 상세하게는, 시험체의 양면을 2매의 카본 페이퍼로 사이에 끼우고, 또한 그 외측을 접촉 면적 4㎠의 2매의 구리 전극으로 사이에 끼워 하중 40kgf로 가압하고, 직류 전류 전원을 사용하여 7.4㎃의 전류를 통전하고, 카본 페이퍼의 사이에 가해지는 전압을 전압계로 측정하여, 접촉 면적을 평판의 경우의 2/5인 것으로 하여 접촉 저항(초기 접촉 저항)을 구하였다.

[내구성 평가]

[내마모성의 평가]

탄소계 도전층의 내마모성을, 접촉 저항의 측정에 사용한 접촉 저항 측정 장치(도 8 참조)를 유용하여 평가하였다. 제작한 시험체를, 양면으로부터 2매의 카본 클로스로 사이에 끼우고, 또한 그 외측을 접촉 면적 4㎠의 구리 전극으로 접촉 하중 40kgf로 가압하고, 양면으로부터 가압된 상태를 유지한 채, 시험체를 홈의 방향과 평행의 방향으로 인발하였다(인발 시험). 인발 시험 후, 시험체 표면에 있어서의 미끄럼 이동 영역을 광학 현미경에 의해 관찰하고, 탄소계 도전층의 잔존 상태, 즉, 기재의 노출의 정도로 평가하였다.

내마모성의 판단 기준은, 시험체 홈 볼록 영역의 표면[가스 유로 외면의 평면부(4)]에 기재의 노출이 전혀 보이지 않고 R부에도 노출이 보이지 않는 경우를 ◎, 시험체 홈 볼록 영역의 표면에 기재의 노출은 전혀 보이지 않지만, R부에 약간의 기재의 노출이 보인 경우를 ○, 시험체 홈 볼록 영역의 표면에 있어서 기재의 노출된 면적의 비율이 50％ 미만인 것을 △, 기재의 노출된 면적의 비율이 50％ 이상인 경우를 ×로 하여, ○ 이상을 합격으로 하였다.

도전성 수지층의 수지의 종류 및 두께, 도전성 수지층 형성 후의 열처리 조건, 초기 및 내구 시험 후의 접촉 저항 및 내마모성 평가 결과를 표 3에 나타낸다.

시험체 No.2-1은 탄소층뿐인 것이고, 초기의 도전성은 우수하지만, 내구성은 합격 범위 내였지만 접촉 저항값의 상승이 현저하며, 또한 내마모성이 불충분하다고 하는 결과가 되었다.

한편, 시험체 No.2-2∼2-9는 본 발명에 규정하는 방법에 의해 제조된 것이며, 프레스 성형 후도 도전성, 내구성, 내마모성 모두 합격 범위였다. 특히 도전성 수지층을 형성 후에 열처리를 행한 시험체 No.2-3, 2-4, 2-7, 2-9는 접촉 저항이 낮은 값이 되고, 내구성도 양호하므로 바람직한 것을 알 수 있었다.

실시예 4

≪시험체의 제작≫

실시예 3과 마찬가지의 방법 및 재료에 의해, 순 티타늄 기재 상에 피복률 약 60％의 탄소층을 형성하고, 열처리를 실시하고, 그 재료에 프레스 성형을 행한 후, 이하의 방법에 의해 양면에 도전성 수지층을 형성하였다.

[도전성 수지층]

각종 수지계의 도료를 각각에 적합한 유기 용매를 사용하여, 도료 중의 고형분(수지 성분＋탄소 분말)의 농도{＝[(수지 성분 질량＋탄소 분말 질량)×100]/도료 질량}가 약 18질량％가 되도록, 고형분 중의 탄소 분말의 질량 농도[＝(탄소 분말 질량×100)/(수지 성분 질량＋탄소 분말 질량)]가 약 40질량％가 되도록, 카본 블랙 분말과 흑연 분말의 비율이 4:1이 되도록 농도 조정하고, 당해 도료를 프레스 성형 후의 재료 상에 스프레이 도포하여 건조시켰다. 이와 같이 하여 프레스 성형 후의 재료의 양면에 도전층을 형성하여 각종 시험체를 제작하였다.

[도전성 수지층 형성 후의 열처리]

프레스 성형 후에 도전성 수지층을 형성하여 얻은 시험체 중 몇 개를 열처리에 제공하였다. 대기 열처리를 사용하고, 400℃의 조건에서 처리 시간을 적절히 조정하여 실시하였다.

≪시험체의 평가≫

실시예 3과 마찬가지의 방법에 의해, 초기 접촉 저항, 내구성, 내마모성의 평가를 실시하였다.

또한, 도전성 수지 도료 스프레이 도포 후의 도전성 수지층의 두께는, 재료의 일부를 수지 매립한 후 단면 가공을 행하고, 단면으로부터의 SEM 관찰을 행하여 시야 중에서 평균적이라고 생각되는 개소에서의 수지층 두께를 계측하였다. 단면 관찰은 1시험체당 3시야 행하고, 3시야의 평균값을 산출하였다.

도전성 수지층의 수지의 종류 및 두께, 도전성 수지층 형성 후의 열처리 조건, 초기 및 내구 시험 후의 접촉 저항 및 내마모성 평가 결과를 표 4에 나타낸다.

시험체 No.2-10∼2-16은 본 발명에 규정하는 방법에 의해 제작된 것이며, 프레스 성형 후도 도전성, 내구성, 내마모성 모두 합격 범위였다. 또한, 프레스 성형 후에 도전성 수지층을 형성한 것은, 내마모성에 대해 매우 양호한 결과가 얻어졌다.

1 : 기재
2 : 탄소계 도전층
3 : 중간층
10, 10a, 10b : 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재(세퍼레이터재)
21 : 탄소층
22 : 도전성 수지층
S1 : 탄소층 형성 공정
S2 : 열처리 공정
S3 : 도전성 수지층 형성 공정
S4 : 열처리 공정
S5 : 프레스 성형 공정

Claims

순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 탄소계 도전층이 형성되어 있는 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재이며,
상기 탄소계 도전층은 2층 구조를 나타내고 있고, 상기 탄소계 도전층 중 상기 기재에 가까운 측의 층이, 탄소층이며, 상기 기재에 먼 측의 층이, 도전성 수지층이며,
상기 탄소층은, 흑연을 포함함과 함께, 상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며,
상기 도전성 수지층은, 탄소분과 수지를 포함함과 함께, 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재.
제1항에 있어서,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상 80％ 이하인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기재와 상기 탄소층 사이에, 티타늄 카바이드를 포함하는 중간층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재.
제3항에 있어서,
상기 도전성 수지층의 두께는 0.1∼20㎛인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재.
순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과,
상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정을 포함하고,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며,
상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상 80％ 이하인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 도전성 수지층 형성 공정 후, 상기 기재를 200∼550℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 탄소층 형성 공정과 상기 도전성 수지층 형성 공정 사이에, 상기 기재를 비산화 분위기하에 있어서 300∼850℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과,
상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정과,
상기 도전성 수지층 형성 공정 후, 상기 탄소층 및 상기 도전성 수지층이 형성된 상기 기재를 프레스 성형하고 가스 유로를 형성하는 프레스 성형 공정을 포함하고,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며,
상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상 80％ 이하인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 프레스 성형 공정 후, 상기 기재를 200∼550℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 탄소층 형성 공정과 상기 도전성 수지층 형성 공정 사이에, 상기 기재를 비산화 분위기하에 있어서 300∼850℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
순 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 기재 표면에 흑연을 포함하는 탄소층을 형성하는 탄소층 형성 공정과,
상기 탄소층 형성 공정 후, 상기 탄소층이 형성된 상기 기재를 프레스 성형하고 가스 유로를 형성하는 프레스 성형 공정과,
상기 프레스 성형 공정 후, 상기 탄소층이 형성되고 상기 프레스 성형된 상기 기재에 탄소분과 수지를 포함하는 도전성 수지층을 형성하는 도전성 수지층 형성 공정을 포함하고,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상이며,
상기 도전성 수지층의 상기 수지는, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 불소 수지로부터 선택되는 1개 이상의 수지인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 탄소층의 피복률은, 40％ 이상 80％ 이하인 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 도전성 수지층 형성 공정 후, 상기 기재를 200∼550℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.
제15항에 있어서,
상기 탄소층 형성 공정과 상기 프레스 성형 공정 사이에, 상기 기재를 비산화 분위기하에 있어서 300∼850℃에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 티타늄제 연료 전지 세퍼레이터재의 제조 방법.