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JP6878239B2 - Manufacturing method of separator for fuel cell - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a separator for a fuel cell.

燃料電池は、固体高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで挟んだものを単セルとし、ガス(水素ガス、酸素ガス等)の流路が形成されたセパレータを介して、単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。燃料電池用のセパレータは、スタック内において発生した電流を隣接したセルに流す役割を担っているので、高い導電性及び導電耐久性が求められている。 In a fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is used as a single cell, and the single cell is formed through a separator in which a flow path for gas (hydrogen gas, oxygen gas, etc.) is formed. It is configured as a stack of multiple layers. Since the separator for a fuel cell plays a role of passing the current generated in the stack to the adjacent cells, high conductivity and conductive durability are required.

燃料電池用のセパレータを製造する方法として、たとえば、特許文献1には、表面から深さ10nmの位置での炭素濃度が10原子%以下であるチタン基材の表面にカーボンブラックを塗布し、塗布した基材を酸素分圧が25Pa以下である低酸素分圧下で加熱処理する製造方法が開示されている。 As a method for producing a separator for a fuel cell, for example, in Patent Document 1, carbon black is applied to the surface of a titanium base material having a carbon concentration of 10 atomic% or less at a depth of 10 nm from the surface. A production method for heat-treating the resulting base material under a low oxygen partial pressure having an oxygen partial pressure of 25 Pa or less is disclosed.

この方法では、基材のチタン原子がカーボンブラック中に外方拡散し、低酸素雰囲気中の微量の酸素ガスと反応して酸化チタンとなり、酸化チタンと、カーボンブラックとの混合層が形成される。このような混合層が形成されることによって、セパレータに高い導電性および導電耐久性を付与することができる。 In this method, the titanium atoms of the base material diffuse outward into the carbon black and react with a small amount of oxygen gas in a low oxygen atmosphere to form titanium oxide, forming a mixed layer of titanium oxide and carbon black. .. By forming such a mixed layer, high conductivity and conductive durability can be imparted to the separator.

特開2016−122642号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-122642

しかしながら、特許文献1に記載の方法で製造されたセパレータは、外方拡散したチタン原子と、混合層の表面の微量の酸素原子との反応により、混合層の表面には、結晶的に安定である酸化チタン(TiO)が形成されている。このようなセパレータは、高い導電性および導電耐久性を有するものの、例えば、燃料電池の膜電極接合体に接合する際に使用される接着剤との接着力が低い。 However, the separator produced by the method described in Patent Document 1 is crystallinely stable on the surface of the mixed layer due to the reaction between the titanium atoms diffused outward and the trace amount of oxygen atoms on the surface of the mixed layer. A certain titanium oxide (TiO 2 ) is formed. Although such a separator has high conductivity and conductive durability, it has low adhesive strength with an adhesive used for bonding to a membrane electrode assembly of a fuel cell, for example.

また、上述のように、混合層の表面では組成式がTiOである酸化チタンが形成されるが、混合層の内部では酸素ガスと触れていないため、混合層の表面から、チタン基材との界面に近づくに従って、酸化チタンの酸素濃度が低下する。このような酸素濃度の低下が起因して、混合層内で強度差が生じ、これによりセパレータの強度が低下することがある。 Further, as described above, titanium oxide having a composition formula of TiO 2 is formed on the surface of the mixed layer, but since it is not in contact with oxygen gas inside the mixed layer, the titanium base material is formed from the surface of the mixed layer. The oxygen concentration of titanium oxide decreases as it approaches the interface of. Due to such a decrease in oxygen concentration, a difference in strength occurs in the mixed layer, which may reduce the strength of the separator.

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、混合層の強度を向上させ、混合層の表面と接着剤との接着力を向上させることができる燃料電池用のセパレータの製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a method for manufacturing a separator for a fuel cell capable of improving the strength of the mixed layer and improving the adhesive force between the surface of the mixed layer and the adhesive. To do.

上記課題を解決するべく、発明者らが、鋭意検討を重ねた結果、混合層の表面の酸化チタンの酸素原子を、その内部に拡散させることにより、(1)混合層の均質化を図ることでその強度を安定させ、(2)混合層の表面における酸化チタンの酸素欠損により、その表面を活性化し、接着剤との接着力を向上できると考えた。 As a result of diligent studies by the inventors in order to solve the above problems, the oxygen atom of titanium oxide on the surface of the mixed layer is diffused inside the mixed layer to (1) homogenize the mixed layer. It was thought that the strength could be stabilized and (2) the oxygen deficiency of titanium oxide on the surface of the mixed layer could activate the surface and improve the adhesive force with the adhesive.

本発明は、このような考えに基づいてなされたものであり、本発明に係る燃料電池用のセパレータの製造方法は、表面から10nmの深さに位置する炭素濃度が、10原子%以下である、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材を準備する工程と、前記チタン基材の表面にカーボンブラックを塗布する工程と、前記カーボンブラックが塗布された前記チタン基材に対して、酸素分圧が25Pa以下で酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱処理を行うことにより、前記チタン基材のチタン原子を前記カーボンブラック中に外方拡散させるとともに、前記外方拡散したチタン原子と前記酸素ガスとを反応させて酸化チタンを生成し、前記酸化チタンと、前記カーボンブラックからなる混合層を形成する工程と、前記混合層が形成された前記チタン基材に対して、真空雰囲気下で加熱処理を行うことにより、前記混合層の表面にTiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタンを生成する工程と、を含むことを特徴とする。 The present invention has been made based on such an idea, and the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention has a carbon concentration of 10 atomic% or less located at a depth of 10 nm from the surface. , A step of preparing a titanium base material made of titanium or a titanium alloy, a step of applying carbon black to the surface of the titanium base material, and a step of applying oxygen partial pressure to the titanium base material to which the carbon black is applied. By performing the heat treatment in a low oxygen atmosphere containing oxygen gas at 25 Pa or less, the titanium atoms of the titanium base material are outwardly diffused into the carbon black, and the outwardly diffused titanium atoms and the oxygen gas are combined with each other. To produce titanium oxide and form a mixed layer made of the titanium oxide and the carbon black, and the titanium base material on which the mixed layer is formed is heat-treated in a vacuum atmosphere. It is characterized by including a step of producing titanium oxide of TiO x (where x is 1.3 to 1.7 in the formula) on the surface of the mixed layer.

本発明に係る燃料電池用のセパレータは、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材の表面に、酸化チタンとカーボンブラックからなる混合層が被覆されており、前記混合層の表面に、TiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタンが被覆されていることを特徴とする。 In the separator for a fuel cell according to the present invention, the surface of a titanium base material made of titanium or a titanium alloy is coated with a mixed layer made of titanium oxide and carbon black, and the surface of the mixed layer is coated with TiO x (formula). Among them, x is 1.3 to 1.7), which is characterized by being coated with titanium oxide.

本発明では、外方拡散により生成された酸化チタンと、カーボンブラックとからなる混合層が形成されたチタン基材に対して、真空雰囲気下で加熱処理を行う。これにより、混合層の表面のチタン原子の酸化を抑制しつつ、チタン原子に結合している酸素原子を混合層の内部に拡散させることができる。このような結果、混合層の表面は、酸化チタンの酸素欠損により不対電子を有した活性状態になるため、接着剤と混合層の表面との接着力が向上する。 In the present invention, a titanium base material on which a mixed layer composed of titanium oxide produced by outward diffusion and carbon black is formed is heat-treated in a vacuum atmosphere. As a result, the oxygen atoms bonded to the titanium atoms can be diffused inside the mixed layer while suppressing the oxidation of the titanium atoms on the surface of the mixed layer. As a result, the surface of the mixed layer becomes an active state having unpaired electrons due to oxygen deficiency of titanium oxide, so that the adhesive force between the adhesive and the surface of the mixed layer is improved.

また、本発明によれば、混合層の表面からチタン基材との界面まで、酸化チタンに結合する酸素濃度(酸素原子組成比)がほぼ均一となるように酸素原子が混合層の内部に拡散するため、酸素濃度の差を起因とした、混合層の強度低下を抑制できる。このような結果として、混合層の強度を高めつつ、接着剤との接着力が向上したセパレータを得ることができる。 Further, according to the present invention, oxygen atoms are diffused inside the mixed layer from the surface of the mixed layer to the interface with the titanium base material so that the oxygen concentration (oxygen atom composition ratio) bonded to titanium oxide becomes substantially uniform. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the strength of the mixed layer due to the difference in oxygen concentration. As a result, it is possible to obtain a separator having an improved adhesive force with an adhesive while increasing the strength of the mixed layer.

(a)は、酸化チタンと、カーボンブラックからなる混合層を形成する工程後であって、真空雰囲気下で加熱処理を行なう前のセパレータの模式的な断面図であり、(b)は(a)のセパレータに形成された混合層の電子状態を説明する図である。(A) is a schematic cross-sectional view of a separator after the step of forming a mixed layer made of titanium oxide and carbon black and before heat treatment is performed in a vacuum atmosphere, and (b) is a schematic cross-sectional view. It is a figure explaining the electronic state of the mixed layer formed in the separator of). (a)は、真空雰囲気下で加熱処理後のセパレータの模式的な断面図であり、(b)は、(a)のセパレータに形成された混合層の電子状態を説明する図である。(A) is a schematic cross-sectional view of a separator after heat treatment in a vacuum atmosphere, and (b) is a diagram for explaining an electronic state of a mixed layer formed on the separator of (a). 実施例および比較例に係るTEM(Transmission Electron Microscopy)−EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)分析によるスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum by the TEM (Transmission Electron Microscopy) -EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) analysis which concerns on an Example and a comparative example.

以下に、図1および図2を参照して、本発明の本実施形態に係るセパレータ1を説明し、その製造方法を説明する。 Hereinafter, the separator 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, and the manufacturing method thereof will be described.

図1(a)は、低酸素雰囲気下での加熱処理で酸化チタン32と、カーボンブラック31からなる混合層3Aを形成する工程後であって、真空雰囲気下で加熱処理を行なう前のセパレータ1の模式的な断面図である。図1(b)は、図1(a)のセパレータ1に形成された混合層3Aの電子の状態を説明する図である。 FIG. 1A shows the separator 1 after the step of forming the mixed layer 3A composed of titanium oxide 32 and carbon black 31 by the heat treatment in a low oxygen atmosphere, and before the heat treatment in a vacuum atmosphere. It is a schematic cross-sectional view of. FIG. 1B is a diagram illustrating a state of electrons in the mixed layer 3A formed on the separator 1 of FIG. 1A.

図2(a)は、真空雰囲気下で加熱処理後のセパレータ1の模式的な断面図である。図2(b)は、図2(a)のセパレータ1の混合層3Bの電子の状態を説明する図である。 FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the separator 1 after heat treatment in a vacuum atmosphere. FIG. 2B is a diagram illustrating an electronic state of the mixed layer 3B of the separator 1 of FIG. 2A.

図2(a)に示すように、本実施形態に係るセパレータ1は、燃料電池のセルに用いられるものであり、チタン基材2の表面21には、混合層3Bが形成されている。混合層3Bは、酸化チタン32と、カーボンブラック31とから構成されている。セパレータ1の表面に相当する混合層3Bの表面35の酸化チタン33は、TiO(式中、xは1.3〜1.7である)であり、酸素欠損を有した酸化チタンである。 As shown in FIG. 2A, the separator 1 according to the present embodiment is used for a cell of a fuel cell, and a mixed layer 3B is formed on the surface 21 of the titanium base material 2. The mixed layer 3B is composed of titanium oxide 32 and carbon black 31. The titanium oxide 33 on the surface 35 of the mixed layer 3B corresponding to the surface of the separator 1 is TIO x (x is 1.3 to 1.7 in the formula), and is titanium oxide having an oxygen deficiency.

ここで、式中のxの値が1.3未満である場合には、混合層3BのTiに結合される酸素原子が少な過ぎるため、混合層3Bの強度が十分なものと言い難い。一方、そのxの値が1.7を超えた場合には、後述するように、混合層3Bの表面35の活性が不十分でなく、混合層3Bの表面35と接着剤との接着性が低下してしまう。以下に、セパレータ1の製造方法を説明する。 Here, when the value of x in the formula is less than 1.3, it cannot be said that the strength of the mixed layer 3B is sufficient because the number of oxygen atoms bonded to Ti of the mixed layer 3B is too small. On the other hand, when the value of x exceeds 1.7, the activity of the surface 35 of the mixed layer 3B is not sufficient and the adhesiveness between the surface 35 of the mixed layer 3B and the adhesive is not sufficient, as will be described later. It will drop. The manufacturing method of the separator 1 will be described below.

1.チタン基材2を準備する工程(第1工程)について
本実施形態では、まず、表面21から10nmの深さに位置する炭素濃度が、10原子%以下である、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材2を準備する。
1. 1. Regarding the Step of Preparing the Titanium Base Material 2 (First Step) In the present embodiment, first, a titanium group made of titanium or a titanium alloy having a carbon concentration of 10 atomic% or less located at a depth of 10 nm from the surface 21 Prepare material 2.

なお、チタン基材2の表面21から深さ10nmの位置での炭素濃度は、例えば、X線光電子分光分析装置(X−ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)を用いて、深さ方向の組成分析を行うことにより測定することができる。 The carbon concentration at a depth of 10 nm from the surface 21 of the titanium base material 2 is subjected to composition analysis in the depth direction using, for example, an X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). It can be measured by.

チタン基材2は、圧延時の圧延油または成形時の潤滑油等に含まれる炭素原子の一部が、その表層に拡散することがあるので、表面21から10nmの深さに位置する炭素濃度が、10原子%を超えていることがある。 The titanium base material 2 has a carbon concentration located at a depth of 10 nm from the surface 21 because a part of carbon atoms contained in rolling oil during rolling or lubricating oil during molding may diffuse to the surface layer thereof. However, it may exceed 10 atomic%.

チタン基材2の表面21から深さ10nmの位置で、炭素濃度が10原子%を超えている場合、チタン基材2の表面21に有機物などによる汚染領域やチタンカーバイドが形成されている領域が存在している可能性が非常に高い。このようなチタン基材2を使用すると、後述する低酸素雰囲気下での加熱処理においてカーボンブラック31がチタン基材2の表面に結合しにくくなり、結果としてチタン原子の外方拡散が阻害される。 When the carbon concentration exceeds 10 atomic% at a depth of 10 nm from the surface 21 of the titanium base material 2, a region contaminated with organic substances or a region in which titanium carbide is formed is formed on the surface 21 of the titanium base material 2. Very likely to exist. When such a titanium base material 2 is used, it becomes difficult for the carbon black 31 to bond to the surface of the titanium base material 2 in the heat treatment in a low oxygen atmosphere, which will be described later, and as a result, the outward diffusion of titanium atoms is hindered. ..

そこで、本実施形態では、チタン基材2の表面21から深さ10nmの位置で、炭素濃度が10原子%を超えている場合、その位置での炭素濃度が10原子%以下となるような表面処理を行う。このような表面処理としては、たとえば、フッ酸を含む酸性水溶液中でチタン基材2を酸洗いする。この他にも、たとえば、真空雰囲気下で、650℃以上の温度で加熱処理して炭素をチタン基材2の中に拡散させてもよく、ショットブラストや研磨などにより炭素濃度が高い層を物理的に除去してもよい。 Therefore, in the present embodiment, when the carbon concentration exceeds 10 atomic% at a depth of 10 nm from the surface 21 of the titanium base material 2, the surface has a carbon concentration of 10 atomic% or less at that position. Perform processing. As such a surface treatment, for example, the titanium base material 2 is pickled in an acidic aqueous solution containing hydrofluoric acid. In addition to this, for example, carbon may be diffused into the titanium base material 2 by heat treatment at a temperature of 650 ° C. or higher in a vacuum atmosphere, and a layer having a high carbon concentration is physically formed by shot blasting or polishing. May be removed.

準備するチタン基材2のチタンとしては、例えば、JIS H 4600に規定される1〜4種を挙げることができる。また、チタン合金としては、例えば、Ti−Al、Ti−Nb、Ti−Ta、Ti−6Al−4V、Ti−Pdを挙げることができる。ただし、いずれの場合も前記例示に限定されない。チタン又はチタン合金製の基材とすると、軽く、耐食性に優れたものとすることができる。 Examples of the titanium of the titanium base material 2 to be prepared include 1 to 4 types specified in JIS H 4600. Examples of the titanium alloy include Ti-Al, Ti-Nb, Ti-Ta, Ti-6Al-4V, and Ti-Pd. However, in any case, the present invention is not limited to the above examples. When a base material made of titanium or a titanium alloy is used, it can be made light and have excellent corrosion resistance.

チタン基材2の素材としては、例えば、厚さ0.05〜1mmに冷間圧延された板材が好ましい。厚さをこの範囲とすると、セパレータ1の軽量化及び薄型化の要求を満足し、セパレータ1としての強度及びハンドリング性を備え、セパレータ1の形状にプレス加工することが比較的容易となる。 As the material of the titanium base material 2, for example, a plate material cold-rolled to a thickness of 0.05 to 1 mm is preferable. When the thickness is within this range, the requirements for weight reduction and thinning of the separator 1 are satisfied, the strength and handleability of the separator 1 are provided, and it is relatively easy to press work into the shape of the separator 1.

2.カーボンブラックを塗布する工程(第2工程)について
この工程では、第1工程で準備したチタン基材2の表面21にカーボンブラック31を塗布する。具体的には、カーボンブラック31の粉末を分散させた水性や油性の液(分散液)を塗布したり、カーボンブラック31の粉末を直接塗布したりする。水性の液としては、例えば、水を溶媒として用いることができる。油性の液としては、例えば、エタノール、トルエン、またはシクロヘキサノンなどを用いることができる。
2. About the step of applying carbon black (second step) In this step, carbon black 31 is applied to the surface 21 of the titanium base material 2 prepared in the first step. Specifically, an aqueous or oily liquid (dispersion liquid) in which the powder of carbon black 31 is dispersed is applied, or the powder of carbon black 31 is directly applied. As the aqueous liquid, for example, water can be used as a solvent. As the oily liquid, for example, ethanol, toluene, cyclohexanone and the like can be used.

カーボンブラック31の粉末の粒径は20〜200nmが好ましい。また、カーボンブラック31の粉末が凝集体を形成しやすい場合には、例えば、表面にカルボキシル基などの官能基を化学結合させたカーボンブラック31の粉末を用いるのが好ましい。このようなカーボンブラック31の粉末で分散液を調製することにより、カーボンブラック31の粉末相互の反発を強めて分散性を高めることができるため、凝集体が形成されることを抑制できる。 The particle size of the carbon black 31 powder is preferably 20 to 200 nm. When the carbon black 31 powder easily forms an agglomerate, for example, it is preferable to use the carbon black 31 powder in which a functional group such as a carboxyl group is chemically bonded to the surface. By preparing the dispersion liquid with such carbon black 31 powder, the repulsion between the carbon black 31 powders can be strengthened and the dispersibility can be enhanced, so that the formation of aggregates can be suppressed.

チタン基材2の表面21へのカーボンブラック31の粉末の塗布量の下限値は、1μg/cm以上が好ましい。このような下限値にすることにより、高い導電性及び導電耐久性を得ることができる。一方、塗布量の上限値は50μg/cm程度とするのが好ましい。このような上限値にすることにより、コストが高くなることを抑制できる。 The lower limit of the amount of the carbon black 31 powder applied to the surface 21 of the titanium base material 2 is preferably 1 μg / cm 2 or more. By setting such a lower limit value, high conductivity and conductive durability can be obtained. On the other hand, the upper limit of the coating amount is preferably about 50 μg / cm 2. By setting such an upper limit value, it is possible to suppress an increase in cost.

カーボンブラック31の粉末を分散させた分散液をチタン基材2に塗付する方法としては、例えば、刷毛塗り、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ダイコーター、ディップコーター、またはスプレーコーターなどを用いることが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、粉末状で塗布する場合には、カーボンブラック31を用いて作製したトナーを使用し、チタン基材2に静電塗装することで行うことができる。 As a method of applying the dispersion liquid in which the powder of carbon black 31 is dispersed to the titanium base material 2, for example, brush coating, bar coater, roll coater, gravure coater, die coater, dip coater, spray coater or the like is used. However, it is not limited to these. Further, when it is applied in the form of powder, it can be applied by electrostatically coating the titanium base material 2 with a toner prepared by using carbon black 31.

3.混合層3Aを形成する工程(第3工程)について
この工程では、図1(a)に示すように、第2工程でカーボンブラック31が塗布されたチタン基材2に対して、酸素分圧が25Pa以下で酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で、加熱処理を行う。これにより、チタン基材2のチタン原子をカーボンブラック31中に外方拡散させるとともに、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させて酸化チタン32を生成し、酸化チタン32と、カーボンブラック31からなる混合層3Aを形成する。
3. 3. About the step of forming the mixed layer 3A (third step) In this step, as shown in FIG. 1A, the oxygen partial pressure is applied to the titanium base material 2 coated with carbon black 31 in the second step. The heat treatment is performed at 25 Pa or less in a low oxygen atmosphere containing oxygen gas. As a result, the titanium atoms of the titanium base material 2 are outwardly diffused into the carbon black 31, and the outwardly diffused titanium atoms are reacted with oxygen gas to generate titanium oxide 32, so that the titanium oxide 32 and the carbon black are produced. A mixed layer 3A composed of 31 is formed.

ここで、酸素分圧が25Paを超えると、カーボンブラック31の炭素と、酸素ガスが反応し、二酸化炭素となる(燃焼する)可能性がある。このため、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させて生成された酸化チタン32と、カーボンブラック31からなる混合層3Aが形成され難い。 Here, when the oxygen partial pressure exceeds 25 Pa, the carbon of the carbon black 31 may react with the oxygen gas to become carbon dioxide (combustion). Therefore, it is difficult to form a mixed layer 3A composed of titanium oxide 32 produced by reacting the outwardly diffused titanium atoms with oxygen gas and carbon black 31.

なお、酸素分圧は、例えば、1.3×10−3〜21Paの範囲にあることが好ましい。また、加熱処理の温度は、例えば、300〜800℃の温度範囲にあることが好ましい。酸素分圧及び加熱処理の温度がそれぞれ前記した範囲であると、チタン基材2から外方拡散したチタン原子の一部又は全部が雰囲気中の微量の酸素と反応して酸化チタンとなり、酸化チタン32とカーボンブラック31が混合した混合層3Aを確実に形成させることができる。 The oxygen partial pressure is preferably in the range of 1.3 × 10 -3 to 21 Pa, for example. Further, the temperature of the heat treatment is preferably in the temperature range of, for example, 300 to 800 ° C. When the oxygen partial pressure and the heat treatment temperature are in the above ranges, a part or all of the titanium atoms diffused outward from the titanium base material 2 react with a trace amount of oxygen in the atmosphere to become titanium oxide, and titanium oxide is formed. The mixed layer 3A in which 32 and carbon black 31 are mixed can be reliably formed.

この工程で得られたセパレータ1の表面に相当する混合層3Aの表面35には、図1(b)に示すように、組成式TiOで表されるルチル型の結晶構造を有した結晶的に安定した酸化チタンが存在する。混合層3Aの表面35から、チタン基材2との界面34に進むに従って(すなわち、混合層3Aの表面35から混合層3Aの厚さ方向に進むに従って)、チタン原子に結合する酸素濃度が低下する。そして、界面34には、酸素濃度の低いTiO(式中、xは約1である)が存在することもある。 As shown in FIG. 1 (b), the surface 35 of the mixed layer 3A corresponding to the surface of the separator 1 obtained in this step is crystalline having a rutile-type crystal structure represented by the composition formula TiO 2. There is stable titanium oxide in. From the surface 35 of the mixed layer 3A to the interface 34 with the titanium base material 2 (that is, from the surface 35 of the mixed layer 3A toward the thickness of the mixed layer 3A), the oxygen concentration bonded to the titanium atom decreases. To do. Then, at the interface 34, TiO x having a low oxygen concentration (x is about 1 in the formula) may be present.

このようなセパレータ1(混合層3A)の表面35に、酸化チタン(TiO)が存在すると、酸化チタン(TiO)は、安定した結晶構造であるため、チタン原子が接着剤を構成する元素と結合するエネルギーより、チタン原子と酸素原子との結合エネルギーが大きい。このため、この混合層3Aの表面35と接着剤との接着力が低い。 When titanium oxide (TiO 2 ) is present on the surface 35 of such a separator 1 (mixed layer 3A), titanium oxide (TiO 2 ) has a stable crystal structure, and therefore titanium atoms are elements that constitute an adhesive. The bond energy between the titanium atom and the oxygen atom is larger than the energy that binds to. Therefore, the adhesive force between the surface 35 of the mixed layer 3A and the adhesive is low.

また、混合層3Aの表面35では、組成式TiOで表される酸化チタンが形成されているが、混合層3Aの内部では酸素ガスと触れていないため、上述したように、混合層3Aの表面35からチタン基材2との界面34に進むに従って、酸化チタンに含まれる酸素濃度が減少する。このような結果、酸化チタンの酸素濃度の差が起因して、混合層3Aの強度が低下することがある。 Further, on the surface 35 of the mixed layer 3A, titanium oxide represented by the composition formula TiO 2 is formed, but since the inside of the mixed layer 3A is not in contact with oxygen gas, as described above, the mixed layer 3A The oxygen concentration in titanium oxide decreases as the surface 35 advances to the interface 34 with the titanium substrate 2. As a result, the strength of the mixed layer 3A may decrease due to the difference in the oxygen concentration of titanium oxide.

そこで、本実施形態では、混合層3Aの表面35の酸化を抑制しつつ混合層3Aの表面35の酸素原子を混合層3Aの内部に拡散させるべく、低酸素雰囲気下で加熱処理を行なった後に、さらに真空雰囲気下で加熱処理をさらに行う。以下に、本実施形態の製造方法の各工程の詳細を説明する。 Therefore, in the present embodiment, after heat treatment is performed in a low oxygen atmosphere in order to diffuse the oxygen atoms of the surface 35 of the mixed layer 3A into the inside of the mixed layer 3A while suppressing the oxidation of the surface 35 of the mixed layer 3A. Further, the heat treatment is further performed in a vacuum atmosphere. The details of each step of the manufacturing method of this embodiment will be described below.

4.TiO(x:1.3〜1.7)を生成する工程(第4工程)について
この工程では、図2(a)に示すように、第3工程で得られたチタン基材2に対して、真空雰囲気下で加熱処理を行うことにより、混合層3Bの表面35にTiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタン33を生成する。これにより、本実施形態に係る燃料電池用のセパレータ1を得ることができる。すなわち、燃料電池用のセパレータ1は、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材2の表面に、酸化チタン32とカーボンブラックからなる混合層3Bが被覆(形成)されており、混合層3Bの表面に、TiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタン33が被覆(形成)されている。
4. About the step (fourth step) of producing TiO x (x: 1.3 to 1.7) In this step, as shown in FIG. 2 (a), with respect to the titanium base material 2 obtained in the third step. Then, by performing the heat treatment in a vacuum atmosphere, titanium oxide 33 of TiO x (x is 1.3 to 1.7 in the formula) is produced on the surface 35 of the mixed layer 3B. Thereby, the separator 1 for the fuel cell according to the present embodiment can be obtained. That is, in the separator 1 for a fuel cell, the surface of a titanium base material 2 made of titanium or a titanium alloy is coated (formed) with a mixed layer 3B made of titanium oxide 32 and carbon black, and the surface of the mixed layer 3B is coated (formed). , Titanium oxide 33 of TiO x (where x is 1.3 to 1.7 in the formula) is coated (formed).

本実施形態では、真空雰囲気下で加熱処理を行うので、混合層3Bの表面35側のチタン原子の酸化を抑制しつつチタン原子に結合している酸素原子を内部に拡散することができる。結果として、混合層3Bの表面35にTiO(式中、xは1.3〜1.7である)となる酸化チタン33を生成することができ、また、混合層3Bに含まれる酸化チタン32の酸素濃度の差を抑えることができる。 In the present embodiment, since the heat treatment is performed in a vacuum atmosphere, the oxygen atoms bonded to the titanium atoms can be diffused inside while suppressing the oxidation of the titanium atoms on the surface 35 side of the mixed layer 3B. As a result, titanium oxide 33 which becomes TiO x (x is 1.3 to 1.7 in the formula) can be produced on the surface 35 of the mixed layer 3B, and the titanium oxide contained in the mixed layer 3B can be produced. The difference in oxygen concentration of 32 can be suppressed.

ここで、真空雰囲気とは、少なくとも1.3×10−4Paの圧力雰囲気であり、かつ、無酸素雰囲気下の状態にある。また、真空雰囲気下で行う加熱処理の条件は、加熱温度が300〜840℃、処理時間が10〜60秒である。このような加熱温度、および処理時間の範囲で真空雰囲気下にて処理を行なうことにより、混合層3Bの表面35に形成された酸化チタンTiOの酸素原子の組成比(xの値)を1.3〜1.7の範囲にすることができる。 Here, the vacuum atmosphere is a pressure atmosphere of at least 1.3 × 10 -4 Pa and is in a state of an oxygen-free atmosphere. The conditions for the heat treatment performed in a vacuum atmosphere are a heating temperature of 300 to 840 ° C. and a treatment time of 10 to 60 seconds. By performing the treatment in a vacuum atmosphere within the range of such heating temperature and treatment time, the composition ratio (value of x) of the oxygen atom of titanium oxide TiO x formed on the surface 35 of the mixed layer 3B is set to 1. It can be in the range of .3 to 1.7.

この工程で得られたセパレータ1の混合層3Bの表面35は、図2(b)に示すように、チタン不対電子を有するため、電子的に不安定な状態であるため、接着剤とともに安定な状態になろうとして、混合層3Bの表面35と接着剤との接着力が向上する。 As shown in FIG. 2B, the surface 35 of the mixed layer 3B of the separator 1 obtained in this step has titanium unpaired electrons and is in an electronically unstable state, so that it is stable together with the adhesive. The adhesive strength between the surface 35 of the mixed layer 3B and the adhesive is improved.

ここで、接着剤の例としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの熱可塑型接着剤、シリコーン、およびエポキシなどの熱硬化型接着剤、アクリル系2液型接着剤、ならびに、エピレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)、ニトリルゴム(NBR)、およびフッ素型ゴムなどのゴム・エラストマーが挙げられる。 Here, examples of the adhesive include a thermoplastic adhesive such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyethylene terephthalate (PET), a thermosetting adhesive such as silicone and epoxy, and an acrylic two-component type. Adhesives and rubber elastomers such as epilene propylene diene rubber (EPDM), nitrile rubber (NBR), and fluororubber can be mentioned.

本実施形態によれば、上述したように、外方拡散により生成された酸化チタン32と、カーボンブラック31からなる混合層3Aが形成されたチタン基材2(図1(a)を参照)に対して、真空雰囲気下で加熱処理を行った。これにより、混合層3Aの表面35のチタン原子の酸化を抑制しつつチタン原子に結合している酸素原子が内部拡散される。このため、混合層3Bの内部でのチタン原子に結合する酸素原子の濃度差が小さくなり、結果としてセパレータ1の混合層3Bの強度が向上する。 According to the present embodiment, as described above, the titanium base material 2 (see FIG. 1A) on which the mixed layer 3A composed of the titanium oxide 32 produced by outward diffusion and the carbon black 31 is formed. On the other hand, the heat treatment was performed in a vacuum atmosphere. As a result, the oxygen atoms bonded to the titanium atoms are internally diffused while suppressing the oxidation of the titanium atoms on the surface 35 of the mixed layer 3A. Therefore, the concentration difference of the oxygen atom bonded to the titanium atom inside the mixed layer 3B becomes small, and as a result, the strength of the mixed layer 3B of the separator 1 is improved.

さらに、混合層3Bの表面35の酸化チタンは、酸素欠損によるチタン不対電子を有した活性状態(図2(b)を参照)になるため、セパレータ1の表面である、混合層3Bの表面35と、この表面35に塗布される接着剤との接着力が向上する。 Further, the titanium oxide on the surface 35 of the mixed layer 3B is in an active state having titanium unpaired electrons due to oxygen deficiency (see FIG. 2B), so that the surface of the mixed layer 3B, which is the surface of the separator 1, is formed. The adhesive force between the 35 and the adhesive applied to the surface 35 is improved.

以下に本発明を実施例により説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples.

<実施例>
上述した第1工程〜第4工程に沿って、本発明のセパレータに相当する試験体として、実施例1に係る試験体を作製した。
<Example>
A test body according to Example 1 was produced as a test body corresponding to the separator of the present invention according to the first to fourth steps described above.

[第1工程]
まず、表面から10nmの深さに位置する炭素濃度が、10原子%以下である、チタン基材を準備した。準備したチタン基材は、純チタン(JIS H 4600に規定される1種)の冷間圧延材であり、チタン基材のサイズは、50×150mmであり、厚さは、0.1mmであった。基材の表面から深さ10nmの位置での炭素濃度をXPS分析によって測定した結果、5原子%以下であった。
[First step]
First, a titanium base material having a carbon concentration of 10 atomic% or less located at a depth of 10 nm from the surface was prepared. The prepared titanium base material is a cold-rolled material of pure titanium (one type specified in JIS H 4600), the size of the titanium base material is 50 × 150 mm, and the thickness is 0.1 mm. It was. As a result of measuring the carbon concentration at a depth of 10 nm from the surface of the base material by XPS analysis, it was 5 atomic% or less.

[第2工程]
次に、チタン基材の表面にカーボンブラックを塗布する処理を行なった。カーボンブラックを分散させた塗料として、市販の塗料(東海カーボン(株)製Aqua Black−162)を用いた。当該塗料を蒸留水とエタノールを用いて適宜希釈し、刷毛塗りによって基材上に塗布した。塗布量は、30μg/cmであった。
[Second step]
Next, a treatment of applying carbon black to the surface of the titanium base material was performed. A commercially available paint (Aqua Black-162 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.) was used as the paint in which carbon black was dispersed. The paint was appropriately diluted with distilled water and ethanol, and applied onto the substrate by brush coating. The coating amount was 30 μg / cm 2 .

[第3工程]
次に、第2工程で得られた、カーボンブラックが塗布されたチタン基材から20×50mmの試験体を切り出した。この試験体に対して、酸素分圧が10Paで酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱処理(温度700℃、処理時間30秒)を行うことにより、チタン基材のチタン原子をカーボンブラック中に外方拡散させるとともに、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させて酸化チタンを生成し、酸化チタンと、カーボンブラックからなる混合層を形成した。
[Third step]
Next, a 20 × 50 mm test piece was cut out from the titanium base material coated with carbon black obtained in the second step. By heat-treating this test piece in a low oxygen atmosphere containing oxygen gas at an oxygen partial pressure of 10 Pa (temperature 700 ° C., treatment time 30 seconds), the titanium atoms of the titanium base material were put into carbon black. Along with outward diffusion, titanium oxide was produced by reacting the outwardly diffused titanium atoms with oxygen gas to form a mixed layer composed of titanium oxide and carbon black.

[第4工程]
次に、第3工程で得られた試験体に対して、真空雰囲気下で加熱処理(温度750℃、処理時間15秒)を行った。この加熱処理は第3工程で使用した真空熱処理炉を用いて実施した。得られた試験体を実施例とした。
[Fourth step]
Next, the test piece obtained in the third step was heat-treated (temperature 750 ° C., treatment time 15 seconds) in a vacuum atmosphere. This heat treatment was carried out using the vacuum heat treatment furnace used in the third step. The obtained test body was used as an example.

<比較例>
上述した第4工程を行わなかった以外は実施例と同様に作製した試験体を比較例とした。
<Comparison example>
A test body prepared in the same manner as in the examples except that the above-mentioned fourth step was not performed was used as a comparative example.

<TEM−EELS分析>
実施例および比較例の混合層の表面の組成状態をTEM−EELSで分析することにより、酸化チタンの価数を測定した。
<TEM-EELS analysis>
The valence of titanium oxide was measured by analyzing the compositional state of the surface of the mixed layer of Examples and Comparative Examples by TEM-EELS.

<結果および考察>
図3は、実施例および比較例に係るTEM−EELS分析によるスペクトルを示す図である。スペクトル線AおよびBはそれぞれ実施例(第4工程の真空加熱処理後)および比較例(第4工程の真空加熱処理前)のスペクトル線である。図中の▼は、各スペクトル線A、Bのピークを示している。
<Results and discussion>
FIG. 3 is a diagram showing spectra obtained by TEM-EELS analysis according to Examples and Comparative Examples. Spectral lines A and B are spectrum lines of Examples (after the vacuum heat treatment of the fourth step) and Comparative Examples (before the vacuum heat treatment of the fourth step), respectively. ▼ in the figure indicates the peaks of the respective spectral lines A and B.

TEM−EELS測定において、測定された損失エネルギーが低いほど酸化チタンにより多くの酸素欠損が存在することを意味する。そして、図3からわかるように、真空雰囲気下の加熱処理前後で、混合層の表面における損失エネルギーが463.0eVから462.2eVに減少した。 In the TEM-EELS measurement, the lower the measured energy loss, the more oxygen deficiency is present in titanium oxide. As can be seen from FIG. 3, the energy loss on the surface of the mixed layer decreased from 463.0 eV to 462.2 eV before and after the heat treatment in a vacuum atmosphere.

このことから、真空雰囲気下の加熱処理前では混合層の表面の酸化チタンはTiOが形成されており、真空雰囲気下の加熱処理後では混合層の表面に、酸素欠損を有した酸化チタンが形成されていると考えられる。そして、測定した損失エネルギーから、混合層の表面の酸化チタンは、TiO1.5程度であることがわかった。 From this, before the heat treatment under the vacuum atmosphere, TiO 2 was formed on the surface of the mixed layer, and after the heat treatment under the vacuum atmosphere, the titanium oxide having oxygen deficiency was formed on the surface of the mixed layer. It is thought that it has been formed. Then, from the measured energy loss, it was found that the titanium oxide on the surface of the mixed layer was about TiO 1.5.

なお、真空雰囲気下の加熱温度を300〜840℃の範囲に、処理時間を10〜60秒の範囲にした場合、TiOのxの値は、1.3〜1.7の範囲になることを確認できた。 When the heating temperature in a vacuum atmosphere is in the range of 300 to 840 ° C. and the processing time is in the range of 10 to 60 seconds, the value of x of TiO x is in the range of 1.3 to 1.7. I was able to confirm.

さらに、実施例に対して、第4工程を行う前の真空加熱前の試験体と、第4工程を行った真空加熱後の試験体を複数準備した。そして、これらの試験体の表面に、厚さ30μmの変性ポリプロピレンの接着剤(接着テープ)を、160℃で、3秒間、押し込み量5μmの条件で配置した後、これを引き剥がす力(初期接着力)を測定した。この結果を表1の左欄に示す。なお、接着力が、0.6N/mm以上であれば、良好な接着状態である。 Further, for the examples, a plurality of test bodies before vacuum heating before performing the fourth step and a plurality of test bodies after vacuum heating after performing the fourth step were prepared. Then, a modified polypropylene adhesive (adhesive tape) having a thickness of 30 μm is placed on the surface of these test specimens at 160 ° C. for 3 seconds under the condition of a pushing amount of 5 μm, and then a force to peel it off (initial adhesion). Force) was measured. The results are shown in the left column of Table 1. If the adhesive strength is 0.6 N / mm or more, the adhesive state is good.

また、実施例に対して、第4工程を行う前の真空加熱前の試験体と、第4工程を行った真空加熱後の試験体を複数準備し、これらの試験片体に対して、95℃の温水に100時間浸漬する耐久試験を行った。その後、これらの試験体の表面に、上述した条件と同じ条件で、変性ポリプロピレンからなる接着剤(を有する接着テープ)を貼り付けた後、これを試験体の表面から引き剥がす力(耐久試験後接着力)を測定した。この結果を表1の右欄に示す。 Further, for the examples, a plurality of test bodies before vacuum heating before performing the fourth step and a plurality of test bodies after vacuum heating after performing the fourth step were prepared, and 95 for these test pieces. A durability test was conducted in which the product was immersed in warm water at ° C. for 100 hours. After that, an adhesive made of modified polypropylene (adhesive tape having) is attached to the surface of these specimens under the same conditions as described above, and then the force to peel this off from the surface of the specimens (after the durability test). Adhesive strength) was measured. The results are shown in the right column of Table 1.

Figure 0006878239
Figure 0006878239

この結果から、本発明のように、第4工程を行うことにより、真空加熱後の試験体の接着力は向上し、さらに、耐久試験後も、接着力を0.6N/mm以上(具体的には、0.6〜0.8N/mm)に確保することができた。一方、第4工程を行っていない、真空加熱前の試験体は、耐久試験後に、密着力が、0.6N/mm以下(具体的には、0.2〜0.6N/mm)となり、接着力が大幅に低下した。 From this result, as in the present invention, by performing the fourth step, the adhesive strength of the test piece after vacuum heating is improved, and further, the adhesive strength is 0.6 N / mm or more (specifically) even after the durability test. Was able to be secured at 0.6 to 0.8 N / mm). On the other hand, the test piece before vacuum heating, which has not undergone the fourth step, has an adhesive force of 0.6 N / mm or less (specifically, 0.2 to 0.6 N / mm) after the durability test. Adhesive strength was significantly reduced.

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various types are described within the scope of the claims as long as the spirit of the present invention is not deviated. It is possible to make design changes.

1:セパレータ、2:チタン基材、3A,3B:混合層、31:カーボンブラック、32,33:酸化チタン 1: Separator 2: Titanium base material, 3A, 3B: Mixed layer, 31: Carbon black, 32, 33: Titanium oxide

Claims (2)

燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
表面から10nmの深さに位置する炭素濃度が、10原子%以下である、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材を準備する工程と、
前記チタン基材の表面にカーボンブラックを塗布する工程と、
前記カーボンブラックが塗布された前記チタン基材に対して、酸素分圧が25Pa以下で酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱処理を行うことにより、前記チタン基材のチタン原子を前記カーボンブラック中に外方拡散させるとともに、前記外方拡散したチタン原子と前記酸素ガスとを反応させて酸化チタンを生成し、前記酸化チタンと、前記カーボンブラックからなる混合層を形成する工程と、
前記混合層が形成された前記チタン基材に対して、真空雰囲気下で加熱処理を行うことにより、前記混合層の表面にTiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタンを生成する工程と、を含む燃料電池用のセパレータの製造方法。
A method for manufacturing separators for fuel cells.
A step of preparing a titanium base material made of titanium or a titanium alloy having a carbon concentration of 10 atomic% or less located at a depth of 10 nm from the surface, and
The process of applying carbon black to the surface of the titanium base material and
By heat-treating the titanium base material coated with the carbon black in a low oxygen atmosphere containing oxygen gas at an oxygen partial pressure of 25 Pa or less, the titanium atoms of the titanium base material are contained in the carbon black. A step of forming a mixed layer of titanium oxide and carbon black by reacting the outwardly diffused titanium atom with the oxygen gas to generate titanium oxide.
By heat-treating the titanium base material on which the mixed layer was formed in a vacuum atmosphere, TiO x (x is 1.3 to 1.7 in the formula) was formed on the surface of the mixed layer. A process for producing titanium oxide and a method for manufacturing a separator for a fuel cell.
チタンまたはチタン合金からなるチタン基材の表面に、酸化チタンとカーボンブラックからなる混合層が被覆されており、
前記混合層の表面に、TiO(式中、xは1.3〜1.7である)の酸化チタンが被覆されていることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
The surface of a titanium base material made of titanium or a titanium alloy is coated with a mixed layer made of titanium oxide and carbon black.
A separator for a fuel cell, wherein the surface of the mixed layer is coated with titanium oxide of TiO x (x is 1.3 to 1.7 in the formula).
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